I recenti progressi in tecnologie come WDM e TDM hanno favorito la diffusione di reti ottiche ad alta velocità in ambienti MAN e WAN. Tuttavia, le reti locali (LAN) sono caratterizzate da una serie di requisiti che non possono essere facilmente soddisfatti da WDM e TDM. Inoltre, i sistemi WDM e TDM impongono l'utilizzo di protocolli e hardware nei nodi di distribuzione, il che aggiunge complessità e aumenta inutilmente i costi della LAN. In un sistema di accesso TDMA, il volume totale di traffico è limitato dal prodotto del numero di utenti e delle rispettive velocità di trasmissione, poiché solo un utente può trasmettere alla volta. Ad esempio, se 100 utenti desiderano trasmettere a 1 Gbit/s, sarebbe necessaria un'apparecchiatura in grado di supportare una capacità di 100 Gbit/s. Inoltre, i sistemi TDMA presentano una latenza significativa, data l'ampia coordinazione richiesta dal nodo centrale per allocare gli slot di trasmissione a ciascun utente. A differenza del TDMA, un sistema di accesso WDMA consente a ciascun utente di trasmettere alla velocità massima supportata dall'hardware di rete, poiché ogni canale viene trasmesso su una lunghezza d'onda riservata. Un sistema WDMA può facilmente supportare una capacità di 1 Tbit/s, ma purtroppo è difficile realizzarlo per un gruppo di utenti dinamico. In questo caso, i canali di controllo e gli schemi di rilevamento delle collisioni richiederebbero una quantità significativa di larghezza di banda.

Fortunatamente, esiste un'alternativa agli schemi di accesso TDMA e WDMA: i sistemi OCDMA (Optical Code Division Multiple Access), che non richiedono alcun tipo di sistema di gestione del tempo o della frequenza. L'OCDMA opera in modo asincrono, senza controllo centralizzato, e non si verificano collisioni di pacchetti. Di conseguenza, i sistemi OCDMA sono caratterizzati da latenze inferiori rispetto a TDMA o WDMA. Inoltre, poiché non è necessario assegnare individualmente slot temporali e frequenze (lunghezze d'onda) a ciascun utente, la multiplazione si traduce in prestazioni migliori. In definitiva, i sistemi OCDMA rappresentano la soluzione migliore per la realizzazione di reti locali ottiche ad alta velocità. Questo articolo descriverà i principi di base dei sistemi OCDMA e presenterà alcune architetture per la loro implementazione pratica.

Codici ortogonali

Il funzionamento di un sistema OCDMA si basa tipicamente sull'utilizzo di tecniche di spettro espanso e codici ortogonali, che consentono la differenziazione dei segnali dati di ciascun utente sulla rete. In sostanza, l'OCDMA è simile allo schema CDMA utilizzato in radiofrequenza, con la differenza fondamentale rappresentata dall'utilizzo di codici speciali. Indubbiamente, le proprietà di questi codici determinano le caratteristiche e le prestazioni della rete. Lo schema del sistema è mostrato in Figura 1 per il caso specifico di due utenti. Come si può notare, ciascun utente utilizza un codice diverso per codificare i segnali da trasmettere. Questi segnali vengono quindi combinati e trasmessi sullo stesso mezzo (cavo in fibra ottica). All'estremità ricevente, i segnali ricevuti vengono differenziati utilizzando decodificatori basati sulla correlazione, ciascuno adattato al codice di uno specifico utente.

Un codice ortogonale è una famiglia di sequenze di dati con buone proprietà di autocorrelazione e correlazione incrociata. Questi codici sono definiti in modo da ottenere un livello massimo di autocorrelazione (codice utente, segnale utile) e un livello minimo di correlazione incrociata (codici di altri utenti, interferenza). Consideriamo due codici rappresentati da C1 = {0, 1, 4} (mod 13) e C2 = {0, 2, 7} (mod 13), ovvero due sequenze di chip (0, 1) di lunghezza 13, dove ci sono 3 chip impostati a "1" nelle posizioni indicate. Questi codici e le loro funzioni di correlazione sono mostrati in Figura 2. Si può notare che l'autocorrelazione fornisce un livello di uscita massimo di ampiezza 3, mentre la correlazione incrociata di entrambi i codici fornisce sempre valori di ampiezza al massimo pari a 1. È quindi semplice distinguerli posizionando un rilevatore di soglia impostato su un'ampiezza di 2. In questo modo, nel trasmettitore, ogni bit di informazione viene codificato con una sequenza di 13 chip con il codice corrispondente (C1 o C2). In questo caso, nel trasmettitore dell'Utente 1, un bit "1" viene codificato con la sequenza {0, 1, 4} (mod 13), dove ogni chip impostato su "1" rappresenta un impulso ottico, mentre un bit "0" è codificato con l'assenza di impulsi ottici. Nel ricevitore, la correlazione della sequenza di ingresso con i rispettivi codici produrrà impulsi ottici al di sotto della soglia, tranne nel caso in cui sia stato trasmesso un bit "1" che coincide con il codice utilizzato, risultando in un impulso ottico che supera la soglia. Ciò consente di sintonizzare ciascun ricevitore sul codice per ricevere i segnali dati di uno specifico utente, impedendo che il segnale trasmesso da un altro utente causi interferenze. Il processo può essere esteso in modo simile per più di due utenti. La Tabella I elenca una serie completa di codici ortogonali ottimali.

  Tabella I: Codici ottimali di diversa lunghezza.

'

Generazione e rilevamento ottico dei segnali OCDMA

Ad oggi, sono state proposte numerose architetture e tecniche per la generazione di segnali OCDMA. Il nostro obiettivo non è quello di effettuare un'analisi esaustiva di tutte, bensì di spiegare i principi fondamentali di una delle più comuni.

Purtroppo, le tecniche basate su sorgenti luminose coerenti per la generazione di impulsi ultracorti sono piuttosto costose e non competitive sul mercato. Pertanto, da quando M. Kaevhrad ha proposto un sistema OCDMA non coerente nel 1995, la tecnologia di codifica di ampiezza spettrale non coerente ha suscitato un notevole interesse. Questo interesse è ulteriormente alimentato dal fatto che i reticoli di Bragg in fibra (FBG) sono il dispositivo ideale per questo tipo di elaborazione del segnale. In questo caso, gli FBG agiscono come filtri ottici che riflettono selettivamente (slicing spettrale) porzioni spettrali di un impulso ottico incoerente a banda larga. Il trasmettitore per questa tecnica è rappresentato schematicamente nella Figura 3. Ciascun utente emette un impulso a banda larga con le informazioni da trasmettere ("1" o "0"), che viene diretto verso un codificatore basato su FBG su cui è stampato il codice dell'utente. Questo codice indica quali lunghezze d'onda dello spettro saranno riflesse e, quindi, trasmesse attraverso la fibra. Per un codice di lunghezza N, sono necessari encoder composti da N FBG in cascata, che a loro volta produrranno una sequenza di N chip centrati sulle lunghezze d'onda (l1, l2, ..., lN). In questo esempio, viene utilizzata una sequenza di N = 13 chip, di cui 4 attivi. La lunghezza d'onda di ciascun FBG può essere regolata tramite dispositivi piezoelettrici (Figura 4), che sono quelli che effettivamente configurano il codice. Successivamente, un accoppiatore a stella viene collegato all'uscita di ciascun encoder, iniettando i segnali nella fibra ottica della rete locale. Come si può notare, il segnale risultante è uguale alla somma di tutti i segnali generati, rendendo difficile distinguere visivamente i dati trasmessi da ciascun utente.

'

Al ricevitore (Figura 5), ​​il processo di decodifica è molto simile, dove i FBG sono ora sintonizzati su un codice specifico. Un impulso di grande ampiezza viene ottenuto in uscita se il codice corrisponde (autocorrelazione) ed è stato trasmesso un "1", mentre diversi impulsi di ampiezza minore vengono ottenuti nel caso di segnali dati provenienti da altri utenti (correlazione incrociata). Chiaramente, le prestazioni della tecnica dipenderanno dal numero totale di utenti, M, e dalla lunghezza dei codici, N. In generale, il tasso di errore aumenterà con M, richiedendo valori di N maggiori all'aumentare di M.

'

Fonte: www.radioptica.com