Jüngste Fortschritte bei Technologien wie WDM und TDM haben den Einsatz von optischen Hochgeschwindigkeitsnetzen in MAN- und WAN-Umgebungen beschleunigt. Lokale Netzwerke (LANs) stellen jedoch Anforderungen, die mit WDM und TDM nicht ohne Weiteres erfüllt werden können. Zudem erfordern WDM- und TDM-Systeme Protokolle und Hardware an den Verteilungsknoten, was die Komplexität erhöht und die Kosten des LANs unnötig steigert. In einem TDMA-Zugangssystem ist das gesamte Datenvolumen durch das Produkt aus der Anzahl der Nutzer und ihren jeweiligen Übertragungsraten begrenzt, da immer nur ein Nutzer gleichzeitig senden kann. Wollen beispielsweise 100 Nutzer mit 1 Gbit/s senden, wäre eine Hardware mit einer Kapazität von 100 Gbit/s erforderlich. Darüber hinaus weisen TDMA-Systeme aufgrund des hohen Koordinierungsaufwands des zentralen Knotens zur Zuweisung von Sendeschlitzen an die einzelnen Nutzer eine erhebliche Latenz auf. Im Gegensatz zu TDMA ermöglicht ein WDMA-Zugangssystem jedem Nutzer die Übertragung mit der maximalen Geschwindigkeit der Netzwerkhardware, da jeder Kanal über eine reservierte Wellenlänge übertragen wird. Ein WDMA-System kann problemlos eine Kapazität von 1 Tbit/s unterstützen, jedoch ist der Aufbau eines WDMA-Systems für eine dynamische Benutzergruppe schwierig. In diesem Fall würden die Steuerkanäle und Kollisionserkennungsverfahren eine erhebliche Bandbreite benötigen.

Glücklicherweise gibt es eine Alternative zu TDMA- und WDMA-Zugriffsverfahren: OCDMA-Systeme (Optical Code Division Multiple Access), die kein Zeit- oder Frequenzmanagementsystem benötigen. OCDMA arbeitet asynchron, ohne zentrale Steuerung, und Paketkollisionen treten nicht auf. Daher zeichnen sich OCDMA-Systeme durch geringere Latenzen als TDMA oder WDMA aus. Da Zeitschlitze und Frequenzen (Wellenlängen) nicht jedem Benutzer einzeln zugewiesen werden müssen, führt Multiplexing zu einer verbesserten Leistung. Letztendlich sind OCDMA-Systeme die beste Option für den Aufbau von optischen Hochgeschwindigkeits-LANs. Dieser Artikel beschreibt die grundlegenden Prinzipien von OCDMA-Systemen und stellt einige Architekturen für deren praktische Implementierung vor.

Orthogonale Codes

Die Funktionsweise eines OCDMA-Systems basiert typischerweise auf der Verwendung von Spreizspektrumverfahren und orthogonalen Codes, die die Unterscheidung der Datensignale der einzelnen Nutzer im Netzwerk ermöglichen. Im Wesentlichen ähnelt OCDMA dem im Funkbereich verwendeten CDMA-Verfahren, der Hauptunterschied liegt jedoch in der Verwendung spezieller Codes. Die Eigenschaften dieser Codes bestimmen maßgeblich die Merkmale und die Leistungsfähigkeit des Netzwerks. Das Systemdiagramm für den konkreten Fall zweier Nutzer ist in Abbildung 1 dargestellt. Wie ersichtlich, verwendet jeder Nutzer einen anderen Code zur Codierung der zu übertragenden Signale. Diese Signale werden anschließend kombiniert und über dasselbe Medium (Glasfaserkabel) übertragen. Am Empfangsende werden die empfangenen Signale mithilfe korrelationsbasierter Decoder differenziert, die jeweils auf den Code eines bestimmten Nutzers abgestimmt sind.

Ein orthogonaler Code ist eine Familie von Datensequenzen mit guten Autokorrelations- und Kreuzkorrelationseigenschaften. Diese werden so definiert, dass ein maximaler Autokorrelationsgrad (Benutzercode, Nutzsignal) und ein minimaler Kreuzkorrelationsgrad (Codes anderer Benutzer, Störungen) erreicht werden. Betrachten wir zwei Codes, dargestellt durch C1 = {0, 1, 4} (mod 13) und C2 = {0, 2, 7} (mod 13), d. h. zwei Sequenzen von (0, 1)-Chips der Länge 13, wobei an den angegebenen Positionen drei Chips auf „1“ gesetzt sind. Diese Codes und ihre Korrelationsfunktionen sind in Abbildung 2 dargestellt. Man erkennt, dass die Autokorrelation einen maximalen Ausgangswert mit der Amplitude 3 liefert, während die Kreuzkorrelation beider Codes stets Werte mit maximal der Amplitude 1 aufweist. Die Unterscheidung ist daher einfach: Ein Schwellwertdetektor mit einer Amplitude von 2 ermöglicht die präzise Codierung der Signale. Im Sender wird jedes Informationsbit mit einem Rahmen aus 13 Chips und dem entsprechenden Code (C1 oder C2) codiert. Im Sender von Benutzer 1 wird beispielsweise ein „1“-Bit mit der Sequenz {0, 1, 4} (mod 13) codiert. Jeder auf „1“ gesetzte Chip repräsentiert dabei einen optischen Impuls, während ein „0“-Bit das Fehlen optischer Impulse codiert. Im Empfänger erzeugt die Korrelation der Eingangssequenz mit den jeweiligen Codes optische Impulse unterhalb des Schwellenwerts. Eine Ausnahme bildet der Fall, dass ein „1“-Bit übertragen wurde und mit dem verwendeten Code übereinstimmt. In diesem Fall entsteht ein optischer Impuls oberhalb des Schwellenwerts. So kann jeder Empfänger auf den Code eines bestimmten Benutzers abgestimmt werden, um Interferenzen durch Signale anderer Benutzer zu vermeiden. Das Verfahren lässt sich analog auf mehr als zwei Benutzer erweitern. Tabelle I listet eine Reihe optimaler orthogonaler Codes auf.

  Tabelle I: Optimale Codes unterschiedlicher Länge.

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Optische Erzeugung und Detektion von OCDMA-Signalen

Bislang wurden zahlreiche Architekturen und Techniken zur Erzeugung von OCDMA-Signalen vorgeschlagen. Unser Ziel ist es nicht, diese umfassend zu analysieren, sondern vielmehr die Grundlagen einer der gängigsten zu erläutern.

Leider sind Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Pulse mithilfe kohärenter Lichtquellen recht teuer und daher auf dem Markt nicht wettbewerbsfähig. Seit M. Kaevhrad 1995 ein nicht-kohärentes OCDMA-System vorschlug, hat die Technologie der nicht-kohärenten spektralen Amplitudencodierung daher großes Interesse geweckt. Dies wird zusätzlich dadurch begünstigt, dass Faser-Bragg-Gitter (FBGs) die idealen Bauelemente für diese Art der Signalverarbeitung darstellen. Die FBGs fungieren hierbei als optische Filter, die spektrale Bereiche eines breitbandigen, inkohärenten optischen Pulses selektiv reflektieren (Spektrumseparation). Der Sender für dieses Verfahren ist schematisch in Abbildung 3 dargestellt. Jeder Nutzer sendet einen Breitbandpuls mit der zu übertragenden Information („1“ oder „0“) aus, der auf einen FBG-basierten Encoder gerichtet ist, der mit dem Code des Nutzers bedruckt ist. Dieser Code gibt an, welche Wellenlängen des Spektrums reflektiert und somit durch die Faser übertragen werden. Für einen Code der Länge N werden Encoder benötigt, die aus N kaskadierten Faser-Bragg-Gittern (FBGs) bestehen. Diese erzeugen eine Sequenz von N Chips, deren Wellenlängen (l1, l2, ..., lN) zentriert sind. In diesem Beispiel wird eine Sequenz von N = 13 Chips verwendet, von denen 4 aktiv sind. Die Wellenlänge jedes FBG kann mithilfe piezoelektrischer Bauelemente (Abbildung 4) eingestellt werden, die den Code konfigurieren. Anschließend wird ein Sternkoppler an den Ausgang jedes Encoders angeschlossen, um die Signale in die Glasfaser des lokalen Netzwerks einzuspeisen. Wie ersichtlich, entspricht das resultierende Signal der Summe aller erzeugten Signale, wodurch die von den einzelnen Nutzern übertragenen Daten visuell schwer zu unterscheiden sind.

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Am Empfänger (Abbildung 5) verläuft die Dekodierung sehr ähnlich. Die FBGs sind nun auf einen spezifischen Code abgestimmt. Bei Übereinstimmung des Codes (Autokorrelation) und der Übertragung einer „1“ wird am Ausgang ein Impuls mit großer Amplitude erzeugt. Bei Datensignalen anderer Nutzer werden mehrere Impulse mit kleinerer Amplitude erzeugt (Kreuzkorrelation). Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens hängt von der Gesamtzahl der Nutzer (M) und der Codelänge (N) ab. Im Allgemeinen steigt die Fehlerrate mit zunehmendem M, wodurch größere Werte für N erforderlich werden.

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Quelle: www.radioptica.com