Σχεδιασμός και Προσομοίωση Οπτικού Δικτύου Πρόσβασης για Παροχή Πολλαπλών Ευρυζωνικών Υπηρεσιών

Abstract

Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας σχεδιάζεται και μελετάται μια αρχιτεκτονική ενός ευρυζωνικού δικτύου πρόσβασης, το οποίο λειτουργεί πάνω από οπτική ίνα. Πιο συγκεκριμένα εξετάζουμε τη δυνατότητα παροχής τριών υπηρεσιών, σε ένα χρήστη, πάνω από ένα μήκος κύματος, βασιζόμενοι σε μια λογική δομής πομπού και δέκτη, αλλά, κατα κύριο λόγο, κεντρικοποιημένη ως προς τον πομπό. Η μετάδοση των υπηρεσιών αποτελεί υλοποίηση ενός Radio over Fiber συστήματος καθώς, η μια υπηρεσία αφορά ενσύρματη διασύνδεση που προσφερει ρυμθό μετάδοσης 1244Mbps, και οι άλλες δύο είναι ασύρματες με ρυθμό μετάδοσης 622Mbps. Οι ασύρματες υπηρεσίες είναι δύο καθώς διευρευνουμε τη δυνατότητα μετάδοσης τόσο σε κλασσικές και ήδη αξιοποιημένες συχνοτικές ζώνες, όπως τα 5GHz, οσο και σε φασματικές περιοχες πολύ πιο υψηλές που αποτελούν το επόμενο βήμα στις ασύρματες και προσωπικές επικοινωνίες, όπως είναι η περιοχή των 60GHz. Για να επιτευχθεί η μετάδοση και των τριών αυτών υπηρεσιών, ο πομπός του κυκλωματος σχεδιάσθηκε έτσι ώστε να πραγματοποιεί διαμόρφωση με υποφέρουσες (SubCarrier Multiplexing, SCM) του οπτικού σηματος, μια τεχνική που επιτρέπει τη μετάδοση πολλών διαφορετικών καναλιών πάνω από ένα οπτικό φέρον, ενώ χρησιμοποιήθηκε ένας Mach – Zehnder διαμορφωτής. Για τη λήψη των σημάτων χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικές τεχνικές, ανάλογα με το αν επρόκειτο για ενσύρματη ή για ασύρματη διασύνδεση. Έτσι ο δέκτης του ενσύρματου καναλιού βασίστηκε στην απ'ευθείας ανίχνευση (Direct Detection), ενώ οι δέκτες των ασύρματων καναλιών αξιοποιούσαν τις αρχές της ετερόδυνης αποδιαμόρφωσης (Remote Heterodyne Detection, RHD), που επιτρέπει τη δημιουργία υψίσυχνων ηλεκτρικών σημάτων κατα την οπτικο – ηλεκτρική μετατροπή. Κατα τη διάρκεια των προσομοιώσεων καταδεικνύουμε τη λειτουργία του κυκλώματος, βάσει των προδιαγραφών που έχουν τεθεί, ενώ εξετάζουμε και την ποιότητα τις επικοινωνίας που αυτό παρέχει, εξετάζοντας συγκεκριμένες παραμέτρους και παρουσιάζοντας σε κάθε περίπτωση στοιχεία σχετικά με τα λαμβανόμενα BER και Q. Στο τέλος της εργασίας μελετάται η δυνατότητα επέκτασης της αρχιτεκτονικής, ούτως ώστε να πραγματοποιηθεί μετάδοση τουλάχιστον 14 υπηρεσιών πάνω από ένα μήκος κύματος σε ένα χρήστη, χωρίς να γίνουν σημαντικές αλλαγές στη δομή του σχεδιασμένου κυκλώματος. Η σχεδίαση του κυκλώματος, καθώς και οι προσομοιώσεις γίνονται με τη βοήθεια του εξειδικευμένου λογισμικού προσομοίωσης οπτικών κυκλωμάτων.

The purpose of this thesis is to examine and develop the architecture of a broadband access network, that operates over optical fiber. In particular, it deals with the concept of providing three services to a user, over a single wavelength. The design is based on a server – client structure, which is mainly centralized to the server, who is, more correctly, characterized as “central station”. In order to realize the transmission of the signals that correspond to the services, we exploit the principles of the Radio – over – Fiber technology, in such a way that two wireless and one LAN signal are being transmitted. The wireless signals provide a BitRate of 622Mbps, while the BitRate of the LAN is double. We have comprised two wireless services, because we want to research the possibility to use the architecture not only for the transmission of Super High Frequencies (SHF), like WLAN, but also for the transmission of Extremely High Frequencies (EHF), which will be the frequency range of future wireless communications, like WPAN. In order to achieve instantaneous transmission of the three services, it has been decided to use SubCarrier Multiplexing (SCM) at the central station, in order to modulate the optical signal in a way that would cause the appearance and transmission of pre – modulated SubCarriers along with the optical Carrier. This can be done by using a Mach – Zehnder Modulator, like the one that is used in the thesis. The reception of the signals was carried out in two different ways, depending on the nature of each one of them. The LAN signal is being received with Direct Detection, which is the simplest method to demodulate optical signals, while the wireless ones are being received with Remote Heterodyne Detection, which is quite more complicated, but eventually it can be used to produce high frequency radio signals. During the simulation we demonstrate the feasibility of the architecture according to the specifications, and, at the same time we evaluate the quality of the communication, by performing measurements of certain quantities, like Bit Error Rate (BER) and Q. Finally we examine the potential of upgrading the architecture in order to include more services, without changing the basic structure. The construction of the optical circuit, as well as the simulation, was realized by using VPI Transmission Maker, which is a very powerful software that accelerates the design of new photonic systems.