Fig. 5-9. Setup per esperimento con modulazione di intensità OOK e detection diretta in ricezione.
La Fig. 5-9 mostra il setup dell‟esperimento per il caso di modulazione diretta di intensità OOK e ricevitore a detection diretta.
Si nota che a differenza dei setup di Fig. 5-1 e Fig. 5-6 il sistema ottico è molto più semplice con un trasmettitore costituito dal solo laser VCSEL modulato direttamente dal segnale dati ed un ricevitore costituito dal fotodiodo per la conversione opto-elettronica, un ADC e il DSP per la compensazione dei disturbi e la stima dei dati trasmessi. Gli esperimenti effettuati per il caso IM/DD sono tutti con configurazione back to back, cioè con il trasmettitore ed il ricevitore collegati direttamente senza un segmento di fibra di lunghezza significativa interposta.
Si osserva inoltre che in questa configurazione non è stato utilizzato alcun filtro elettrico da applicare sul segnale dati così come invece avviene nei setup di Fig. 5-1 e Fig. 5-6, in quanto il filtraggio che limita in banda il segnale dati per applicare la tecnica TFP in questo caso è costituito dal VCSEL stesso. La sua limitata banda di modulazione agisce sul segnale come un filtro creando una forte ISI.
Si nota inoltre che a differenza delle configurazioni in Fig. 5-1 e Fig. 5-6 in questo caso non sono necessari né meccanismi di monitoraggio e controllo dello stato di polarizzazione, né accoppiatori ibridi necessari nei sistemi di trasmissione coerente. Inoltre, adoperando la modulazione diretta del VCSEL non è necessario alcun modulatore esterno in trasmissione, né alcun oscillatore locale in ricezione.
Il fotodiodo è infatti indipendente dallo stato di polarizzazione e rileva il modulo quadro dell‟intensità del campo ottico incidente, inoltre un accoppiatore ibrido ed una sorgente laser locale (per la ricezione coerente) è ovviamente inutile dal momento in cui l‟informazione è associata all‟intensità del campo e non alla sua fase.
Anche il DSP al ricevitore risulta notevolmente semplificato. Infatti non devono più essere elaborate quattro sequenze di dati costituite dai campioni di segnale in uscita dagli accoppiattori ibridi ottici (associati alle componenti in fase e quadratura per due stati della
polarizzazione ortogonali) ma soltanto una sequenza di dati relativa al modulo quadro del campo ottico rilevato dal fotodiodo.
Come conseguenza della insensibilità del fotodiodo allo stato della polarizzazione e della assenza di informazione associata alla fase in un sistema IM/DD, nel DSP non è più necessario un algoritmo per riallineare la polarizzazione al ricevitore con quella usata in trasmissione e evidentemente anche la compensazione dell‟offset di frequenza e di fase non è più necessario (non essendoci ricezione coerente).
Negli esperimenti effettuati, in una prima fase abbiamo memorizzato le tracce contenenti i campioni in uscita dall‟ADC collegato al fotodiodo e in ingresso al DSP.
In una seconda fase, iniziata successivamente a causa di problemi al software che implementava il DSP, abbiamo elaborato le tracce presenti in questi file per comprendere se il sistema di trasmissione garantisse una buona qualità della trasmissione per valori di potenza ottica ricevuta compresa fra 3dBm e -6dBm . Per tutti i valori di potenza ottica ricevuta il DSP ha permesso di ottenere dei valori di BER nulla sia impiegando un codice di rate , che con rate e
. Nel primo caso impiegando un BCJR a 4 stati sono state necessarie circa 15
iterazioni nel caso di PRX=-6dBm, mentre per valori più elevati di PRX la BER era nulla alla
prima iterazione. Il codice
ha richiesto un maggior numero di iterazioni, circa 30 per una
per un valore di PRX=-6dBm per garantire una BER nulla. In ogni caso questo convalida
l‟ipotesi che il TFP possa essere utilizzato efficacemente anche con architetture IM/DD del sistema ottico con un detector con pochi stati (bassa latenza) e con una architettura ed un DSP notevolmente semplificato rispetto al caso di sistema coerente.
Purtroppo per poter valutare i limiti di tale sistema sarà necessario effettuare ulteriori esperimenti, non previsti in questa sede, in cui valutare le prestazioni per valori di potenza ottica ricevuta più bassa ed aggiungendo segmenti di fibra a varie lunghezze fra trasmettitore e ricevitore.
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Conclusioni
Il notevole aumento di servizi che richiedono grandi velocità di trasmissione a costi contenuti ha spinto le tecnologie per le reti di accesso radio (Radio Access Network-RAN) verso nuove soluzioni, in modo da evitare che queste rappresentino un collo di bottiglia per l‟erogazione dei servizi. Una di queste soluzioni prevede l‟utilizzo di una sistema di trasmissione ottico, basato su tecnologie Passive Optical Network e tecniche di multiplazione Wavelength Division Multiplexing (WDM-PON), per essere utilizzato come infrastruttura di collegamento fra più terminali periferici (Remote Radio Unit-RRU collegate alle antenne) e un terminale centrale (Digital Unit-DU che implementa l‟elaborazione in banda base del segnale) in una nuova architettura centralizzata che prevede il controllo da parte dell‟unica DU di tutti i terminali RRU ad essa collegati. Tale architettura prende il nome di RAN centralizzata (Centralized-RAN o C-RAN).
In questo contesto, l‟obiettivo di questa tesi è stato l‟individuazione ed analisi di nuove soluzioni tecnologiche volte a sviluppare ricetrasmettitori ottici di nuova generazione, a basso costo e bassi consumi energetici, in grado di garantire elevate velocità di informazione ed elevata efficienza spettrale, da impiegare in entrambi i terminali della C-RAN.
Per poter garantire un incremento dell‟efficienza spettrale sono presenti in letteratura tecniche di segnalazione, identificate con l'appellativo Faster than Nyquist (FTN) che, rinunciando alla condizione di ortogonalità della segnalazione aumentano le prestazioni del sistema in termini di efficienza spettrale.
Una di queste tecniche è il Time-Frequency Packing (TFP) recentemente sviluppato nei laboratori del Consorzio nazionale interuniversitario per le telecomunicazioni (CNIT) grazie a vari progetti in ambito nazionale ed internazionale ed alla collaborazione con ERICSSON. Il TFP è già stato collaudato per l‟implementazione di un sistema di trasmissione ottico basato su modulazione Dual Polarization-QPSK (DP-QPSK) usato per trasmettere 1 Tb/s in uno slot frequenziale di 200 GHz per trasmissioni long-haul, permettendo di raggiungere l‟efficienza spettrale record di 5.14 bit/s/Hz [45].
Il ruolo del TFP è dunque quello di incrementare la velocità di trasmissione in una banda sensibilmente ridotta con il duplice scopo di garantire elevate prestazioni con dispositivi a basso costo (con basse bande di modulazione) e, a seconda dell‟applicazione, di assicurare
una occupazione spettrale prestabilita necessaria per integrare la trasmissione in standard di multiplazione WDM.
Il sistema ottico ed il software sviluppato nei laboratori del CNIT, tuttavia, prevedono l‟utilizzo di tecniche di trasmissione e ricezione coerenti, che garantiscono prestazioni molto elevate ma necessitano di hardware costoso e software complesso e perciò risultano inadatte all‟implementazione nelle reti di accesso.
Nasce, quindi, l‟idea di coniugare il TFP con un sistema ottico low-cost basato su tecnologie PON, che utilizzi modulazione di intensità in trasmissione e detection diretta in ricezione (sistemi IM/DD) per poter garantire i requisiti prestazionali ed economici di una C-RAN. In questa tesi, il TFP, mai implementato prima in un sistema di trasmissione ottico IM/DD, è stato adoperato per trasmettere 10Gbps in una banda a -3dB di 3.4GHz utilizzando un sistema IM/DD con modulazione OOK che potrebbe essere utilizzato per la tratta downlink (DL) da DU a RRU dell‟architettura WDM-PON presentata in Sezione 3.2.
Tale operazione, effettuata con successo, risponde ai requisiti di velocità di trasmissione imposti dal protocollo common public radio interface (CPRI) ed al contempo presuppone l‟utilizzo di dispositivi a basso costo, come il vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), venduti commercialmente per trasmissioni a 4Gbps.
Di conseguenza il risultato ottenuto attraverso le simulazioni e gli esperimenti portati avanti parallelamente a questa tesi, grazie anche al mio contributo, potrebbero aprire nuovi scenari nel prossimo futuro nel contesto delle C-RAN, soprattutto considerando che tali prestazioni elevate sono state ottenute senza l‟ausilio di alcuna amplificazione ottica lungo il collegamento. Ciò permette di ottenere un sistema di trasmissione ottico molto economico, soprattutto se si considerano le prestazioni che garantisce.
In questa tesi, contemporaneamente all‟analisi simulativa e sperimentale del sistema IM/DD con TFP, sono stati condotti anche degli esperimenti su un sistema ottico coerente con modulazione BPSK e TFP (adoperabile nel DL dell‟architettura mostrata in Sezione 3.3) per poter fare un raffronto fra le due architetture del sistema e per procedere gradualmente nel lavoro di riadattamento del software per l‟implementazione del TFP a partire dalla sua versione per DP-QPSK.
In una fase iniziale abbiamo analizzato i dispositi chiave che costituiscono l‟hardware del sistema ottico in oggetto, portando avanti un campionario di misure sui VCSEL e il reflective semiconductor optical amplifier (RSOA), possibili sorgenti di trasmissione rispettivamente per la DU e l‟RRU.
In particolare in laboratorio erano presenti due modelli di laser VCSEL con diverse bande di modulazione. Dopo una prima analisi del VCSEL veloce di cui abbiamo constatato una banda di modulazione a -3dB di circa 13 GHz, abbiamo optato per l‟utilizzo di un VCSEL lento con un banda di modulazione inferiore di circa 3.4 GHz, molto più economico e appropriato per ottenere interessanti risultati con i nostri esperimenti sul TFP. Su questo VCSEL, quindi, sono state portate avanti misure più approfondite di banda di modulazione, larghezza di linea e sintonizzabilità al variare della temperatura e della corrente di iniezione. Sono state inoltre approntate misure sulla banda di modulazione dell‟RSOA che si attesta su valori poco inferiori al GHz.
Ad una fase di caratterizzazione dei dispositivi è seguita una fase di studio del software per trasmissioni long-haul, e successivamente il riadattamento del software ai due diversi schemi di modulazione semplificati, in cui il mio contributo ha permesso di adattare il software alle specifiche hardware del sistema e di integrare il software con il sistema fisico in modo che potesse essere adoperato nelle successive fasi sperimentali sul setup allestito in laboratorio. Dopo la fase iniziale di adattamento del software che ha permesso di implementare gli stadi principali del Digital Signal Processing utilizzati nel sistema di trasmissione e di simularne l‟intera architettura (trasmettitore, canale e ricevitore), il lavoro di tesi è continuato con una fase di simulazione software. Le simulazioni da me condotte hanno permesso quindi di valutare l‟efficienza spettrale (spectral efficiency-SE) massima ottenibile dal sistema ottico IM/DD che impiega il TFP ottimizzando la banda di modulazione del trasmettitore nonché la SE ottenibile dal nostro specifico sistema in cui la banda di modulazione a -3dB di 3.4 GHz era vincolata dall‟utilizzo del VCSEL a basso costo e basse prestazioni.
Un‟importante risultato ottenuto attraverso le simulazioni ha permesso di rivelare che il sistema IM/DD OOK potrebbe trasmettere con una efficienza spettrale maggiore di quella già notevole ottenuta con il VCSEL a 3.4GHz semplicemente utilizzando un dispositivo con una banda di modulazione di 1.9GHz che consente di ottenere una SE di 1.47bit/s/Hz contro i 1.15bit/s/Hz ottenuti con la nostra configurazione hardware.
Un‟ulteriore curva di SE è stata ricavata per il sistema coerente BPSK a parità di banda di modulazione del trasmettitore per un possibile confronto. Le simulazioni hanno permesso inoltre di ricavare le curve di BER per il sistema IM/DD; in questo modo è stato possibile valutare l‟effettiva realizzabilità del sistema di trasmissione e le sue prestazioni teoriche. Infine conclusasi la fase di simulazione e allestiti i setup del sistema coerente BPSK e IM/DD OOK, sono stati ricavati grafici che illustrano il valore di potenza ottica ricevuta al di sotto del quale il sistema non trasmette più in modalità error-free al variare di vari parametri. Questo
valore, denominato da qui in poi “potenza di soglia”, rappresenta nei nostri esperimenti la figura di merito.
Per il caso BPSK sono state considerate due modalità di configurazione del ricevitore: self- homodyne, in cui si utilizza lo stessa sorgente laser come oscillatore sia in trasmissione che in ricezione, ed intradyne in cui le sorgenti laser utilizzate sono due dispositivi diversi.
Nella configurazione self-homodyne è stato interessante osservare come il valore della potenza di soglia non variasse né al variare della corrente di bias del VCSEL né al variare della sua temperatura (fissati gli altri parametri di riferimento). Questo permette di dedurre che la larghezza di linea del VCSEL (da cui dipendono le prestazioni di potenza di soglia) si mantiene stabile al variare di questi due parametri (caratteristica non comune in un laser). Un‟altra importante conclusione tratta dagli esperimenti effettuati dai membri del gruppo CNIT e da me, tanto sul caso self- homodyne, quanto sull‟intradyne, deriva dalle misure di potenza di soglia al variare della lunghezza della fibra di collegamento fra trasmettitore e ricevitore. Tali misure hanno evidenziato una penalty di solo 1dB (potenza ottica necessaria al ricevitore) su una lunghezza di 106 Km, conseguenza del fatto che il DSP è in grado di compensare gli effetti di disturbo causati dal rumore di fase anche per lunghezze di tratta molto estese. Ne consegue che il fattore limitante di una trasmissione di questo tipo non è rappresentata dal rumore di fase o dall‟ISI ma dall‟attenuazione in fibra che per trasmissioni in III finestra (banda C attorno a 1550nm, usata per gli esperimenti) si attesta su 0.2 dB/Km. Questo risultato potrebbe aprire nuovi percorsi evolutivi nello sviluppo delle architetture ottiche per le C-RAN.
Ulteriori misure di potenza di soglia al variare della bit rate lorda (inclusa quindi la ridondanza del codice di rate 9/10 utilizzato) hanno evidenziato per il caso BPSK self- homodyne valori di potenza di soglia di -22dBm, -18dBm e -10dBm per valori di bit rate rispettivamente di 10Gbps, 11Gbps e 12 Gbps.
Un‟importante conseguenza tratta da questo esperimento è la dimostrazione che è possibile stressare ulteriormente il „packing‟ utilizzando a parità di banda del filtro una bit rate più elevata (o equivalentemente a parità di bit rate un filtro più stretto) comportando però un incremento della potenza ottica necessaria a ricevere in modalità error-free. D‟altra parte considerando che il fattore limitante in una trasmissione di questo tipo è l‟attenuazione in fibra, queste misure ci permettono di supporre che con una potenza di immissione in fibra di 0dBm, possiamo permetterci delle perdite per attenuazione in fibra per i casi 10, 11, 12 Gbps rispettivamente di 22, 18, 10 dB corrispondenti a lunghezze di tratta di 110, 90 e 50 Km.
Tale risultato ha superato le nostre aspettative e soddisfa pienamente i requisiti imposti dal protocollo di comunicazione Common Public Radio Interface (CPRI) utilizzato nelle C-RAN, che prevede una trasmissione di 10Gbps in un collegamento di 20km di lunghezza o inferiore. Per il caso di sistema ottico IM/DD OOK che utilizza il TFP con il VCSEL di banda di modulazione 3.5 GHz, possiamo desumere che il sistema garantisce trasmissione in modalità error-free per il caso back to back sicuramente per potenze ottiche ricevute maggiori o uguali a -6dBm utilizzando codici di rate fino a 9/10. Quindi il TFP è effettivamente applicabile con buone prestazioni per un sistema che utilizza modulazione di intensità e detection diretta Ciò presuppone una notevole semplificazione dell‟hardware del sistema ottico e del DSP al ricevitore, riducendo considerevolmente i costi e la latenza del collegamento.
Le modifiche al software, le simulazioni e gli esperimenti portati avanti in questa sede rappresentano però soltanto un primo passo di un progetto di più ampio respiro, in cui il TFP per sistemi basati su IM/DD rappresenterà il nucleo fondamentale.
Innanzi tutto dovranno essere effettuati nuovi esperimenti per il caso di sistema IM/DD OOK in cui porre l‟accento sui limiti del sistema e effettuare diverse prove con diversi elementi che avvicinano gli esperimenti al caso di applicazione e che comportano dei fattori peggiorativi come ad esempio esperimenti di comunicazioni bidirezionali su segmenti di fibra di diversa estensione.
Inoltre, per poter provare l‟efficacia dell‟intera architettura WDM-PON proposta in Sezione 3.2 e 3.3, e non solo della tratta downlink da DU ad RRU, dovrà essere nuovamente rielaborato il software per le simulazioni e il DSP e dovranno essere condotti nuovi esperiment che riguardano la tratta uplink del collegamento.
Infine potrebbero essere portati avanti dei lavori che pongono l‟accento oltre che sul Time packing anche sul Frequency packing e quindi sistemi in cui il fattore di interferenza che limita le prestazioni del sistema non è rappresentato solo dall‟ISI ma anche dall‟ICI.
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