Programmable DSP-enabled multi-adaptive optical transceivers based on OFDM technology for software defined networks

The dynamic behavior of the traffic demand, due to the advent of technologies such as cloud services or Internet of Things (IoT), is increasing. In fact, heterogeneous connections with different characteristics (bandwidth or bit rate) are expected that coexist in the optical networks. In this respect, an evolution towards Elastic Optical Networks (EONs) has emerged as a cost-effective, flexible and dynamic solution, to face the new claims. The main idea is the efficient utilization of the optical spectrum by combining flexible transceivers, flexi-grid and flexible optical switching. Including the principles of Software Defined Network (SDN) paradigm further flexibility and adaptability can be achieved. The Sliceable Bandwidth Variable Transceiver (S-BVT), as a key element in EONs, provides flexibility and adaptability to the optical networks. It is able to dynamically tune the optical bandwidth or bit rate changing parameters such as the modulation format, bandwidth, among others, to find a trade-off between transmission reach and spectral efficiency, serving multiples destinations. The combination of programmable Digital Signal Processing (DSP) modules with advanced transmission techniques based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technology using Direct Detection (DD) or COherent (CO) detection are proposed to be implemented at the S-BVT making it suitable for elastic optical metro/regional networks. Furthermore, the envisioned migration from fixed-grid to flexi-grid, can benefit from the use of S-BVTs since they are able to generate or receive multiple channels and slicing the aggregated flow into multiples flows with different capacities and destinations. We propose the use of S-BVTs based on multi-band OFDM systems. In particular, we focus on the theoretical model of an advanced transmission technique based on OFDM technology with DD. Then we evaluate the system for a realistic optical metro network. In the context of flexi-grid optical metro/regional networks, as well as the sliceability of the channels, the reduction of channel width for low bit rate connections can be envisioned. It involves that the signal traverses several nodes with the corresponding filtering elements, causing a substantially decrease and distortion of the signal bandwidth. This phenomenon known as filter narrowing effect has been also studied in this thesis, by simulations and experimentally for an adaptive cost-effective OFDM system using DD and for a standard OOK system. Apart from adaptive, flexible and programmable transceivers, metro optical networks have to be equipped with flexible optical switching systems at the node level. In this respect, we propose the adoption of adaptive S-BVTs based on advanced transmission techniques using DD with Discrete MultiTone (DMT) modulation and adaptive capabilities in combination with Semiconductor Optical Amplier (SOA)-based switching nodes. SOAs can be conveniently used for optical switching in metro networks because of their low cost or low power consumption, among others relevant characteristics. The system has been experimentally analyzed with and without considering filtering elements. Thanks to the combination of adaptive DMT modulation and SOA-based switching nodes, impairments due to the fiber links and the filtering elements can be compensated. Finally, to enhance the tranmission distance and data rate, we propose the combination of multidimensional constellations implemented at the DSP modules of the S-BVT with CO detection and OFDM technology. Thus, the deployed infrastructure is more efficiently exploited since the quadrature and the polarization dimensions are used to transmit the signal. In particular, we focus on CO-OFDM systems using Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) constellation transmitting the signal over the time and the polarization dimensions in the optical domain.El comportamiento dinámico de la demanda de tráfico, debido a la llegada de tecnologías como los servicios en la nube o el Internet of Things (IoT), está aumentando. De hecho, se espera que coexistan en las redes ópticas conexiones heterogéneas con características diferentes, tales como ancho de banda o tasa de bits. Para hacer frente a estas demandas es crucial una evolución de las redes ópticas. En este sentido, las Elastic Optical Networks (EONs) emergen como una solución rentable, flexible y dinámica. La idea principal se basa en la utilización eficiente del espectro óptico mediante la combinación de transceptores flexibles, redes flexibles y conmutación óptica flexible. Una mayor flexibilidad y adaptabilidad se puede conseguir incluyendo los principios del paradigma conocido como Software Defined Network (SDN). La adopción de la arquitectura SDN implica la separación del plano de control y de datos, permitiendo la programabilidad dinámica de la red. Un elemento clave en las EONs es el Sliceable Bandwidth Variable Transceiver (SBVT), ya que provee de flexibilidad y adaptabilidad a las redes ópticas. El S-BVT es capaz de cambiar el ancho de banda o la tasa de bits medicando parámetros como el formato de modulación, el ancho de banda o la codificación de Forward Error Correction (FEC), entre otros, para encontrar un equilibrio entre el alcance de la transmisión y la eficiencia espectral, sirviendo múltiples destinos. La combinación de módulos programables de Digital Signal Processing (DSP) con técnicas de transmisión avanzadas, basadas en la tecnología Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) con detección directa o detección coherente, se han propuesto para ser implementadas en el S-BVT, haciéndolo adecuado para su uso en redes ópticas elásticas metropolitanas y regionales. Además, la migración prevista de las redes fijas a las redes flexibles, con el fin de explotar la granularidad de 12:5 GHz, puede beneficiarse del uso de S-BVTs ya que son capaces de generar y recibir múltiples canales y dividir el flujo agregado en múltiples flujos con diferentes capacidades y destinos. A este respecto, proponemos el uso de S-BVTs basados en señales OFDM multi banda combinadas en el dominio eléctrico con el fin de limitar los recursos optoelectrónicas y relajar los requerimientos de los convertidores digitales analógicos y analógicos digitales. En particular, nos centramos en el modelo teórico de una técnica de transmisión avanzada basada en la tecnología OFDM con detección directa. A continuación, evaluamos el sistema para una red metropolitana óptica realista. En el contexto de redes metropolitanas y regionales flexibles, además de la capacidad de división de los canales, se puede prever una posible reducción del ancho de canal para las conexiones de baja tasa de bits. Esto implica que la señal atraviese varios nodos con los correspondientes elementos filtrantes causando un substancial decremento y distorsión del ancho de banda de la señal. Este fenómeno conocido como el efecto de estrechamiento de filtrado ha sido también estudiado en esta tesis, mediante simulaciones y de manera experimental para un sistema OFDM rentable y adaptativo usando detección directa y un sistema estándar On-Off Keying (OOK). El sistema OFDM de detección directa ha resultado ser un buen candidato para aumentar la flexibilidad y la robustez frente a las deficiencias de transmisión sin necesidad de compensar la dispersión. Aparte de los transceptores adaptables, flexibles y programables, las redes ópticas metropolitanas deben estar equipadas con sistemas de conmutación óptica flexible a nivel de nodo. En este sentido, proponemos la adopción de S-BVTs adaptativos basados en técnicas de transmisión avanzadas usando detección directa con modulación Discrete MultiTone (DMT) y capacidades adaptativas, adoptando nodos de conmutación basados en Semiconductor Optical Amplifier (SOA). Los SOAs pueden ser utilizados para la conmutación óptica en redes metropolitanas debido a su bajo coste o bajo consumo de energía, entre otras características relevantes. El sistema ha sido analizado experimentalmente considerando y sin considerar la presencia de elementos filtrantes. Gracias a la combinación de la modulación DMT adaptativa y los nodos de conmutación basados en SOA, las degradaciones debidas a los enlaces de fibra y a los elementos filtrantes se pueden compensar. Finalmente, para mejorar la distancia de transmisión y la tasa de datos, proponemos la combinación de constelaciones multidimensionales implementadas en los módulos DSP del S-BVT utilizando detectaron coherente y la tecnología OFDM. De hecho, los sistemas OFDM coherentes tienen un espacio de señal 4D (dos cuadraturas y dos polarizaciones), que puede ser utilizado con constelaciones multidimensionales, pudiendo éstas ser más eficientes que las convencionales Binary Phase-Shift Keying (BPSK) o Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK). De este modo, la infraestructura desplegada se explota de manera más eficiente, ya que tanto la dimensión de cuadratura como de polarización se utilizan para transmitir la señal. Además, los sistemas OFDM coherentes pueden recuperar la amplitud y la fase de la señal en el receptor, mitigando los efectos de la fibra aumentando, de esta forma, la distancia de transmisión. El sistema OFDM coherente que utiliza el formato de constelación Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) y que transmite la señal a lo largo del tiempo ha demostrado ser una solución prometedora.El comportament dinàmic de la demanda de transit, a causa de l'arribada de tecnologies, com poden ser els serveis al núvol o l'Internet of Things (IoT), està creixent. De fet, s'espera que coexisteixin a les xarxes òptiques connexions heterogènies amb característiques diferents, tal com l'ample de banda o la taxa de bits. Per a fer front a aquestes demandes és crucial una revolució de les xarxes òptiques. En aquest sentit, les Elastic Optical Networks (EONs) emergeixen com una solució rendible, flexible i dinàmica. La idea principal es basa en la utilització eficient de l'espectre òptic mitjançant la combinació de transceptors flexibles, xarxes flexibles i commutació òptica flexible. Una major flexibilitat i adaptabilitat es pot aconseguir incloent els principis del paradigma conegut com a Software Defined Networks (SDN). L’adopció de l'arquitectura SDN implica la separació del plànol de control i de dades permetent la programabilitat de la xarxa d'una forma dinàmica. Un element clau en les EONs és l'Sliceable Bandwith Variable Transceiver (S-BVT), ja que aporta flexibilitat i adaptabilitat a les xarxes òptiques. L' S-BVT és capaç de canviar l'ample de banda o la taxa de bits modificant paràmetres com el format de modulació, l'ample de banda o la codificació del Forward Error Correction (FEC), entre altres, per a trobar un equilibri entre l’assistència assolida i l’eficiència espectral, servint múltiples destinacions. La combinació de mòduls de Digital Signal Processing (DSP) amb tècniques de transmissió avançades basades en la tecnologia Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) i detecció directa o detecció coherent s'han proposat per a ser implementades en l'S-BVT, fent-lo adient per a les xarxes òptiques elàstiques metropolitanes i regionals. A més, la migració prevista des de les xarxes fixes a les xarxes flexibles, amb el fi d'explotar la granuralitat de 12:5GHz, pot beneficiar-se de l’ús d'S-BVTs ja que són capaços de generar i rebre múltiples canals i dividir el flux agregat en múltiples fluxos amb diferents capacitats i destinacions. Per aquest motiu, proposem l’ús d'S-BVTs basats en senyals OFDM multi banda combinats en el domini elèctric amb el fi de limitar els recursos optoelectrònics i relaxar els requeriments dels convertidors digitals analògics i analògics digitals. Particularment, ens centrem en el model teòric d'una tècnica de transmissió avançada basada en la tecnologia OFDM amb detecció directa. A continuació, avaluem el sistema per a una xarxa metropolitana òptica realista. En el context de xarxes metropolitanes i regionals flexibles, a més de la propietat de divisió dels canals, es pot preveure una possible reducció de l'ample de canal per a les connexions de baixa taxa de bits. Això implica que el senyal travessi diversos nodes amb els corresponents elements filtrants causant un substancial decrement i distorsió de l'ample de banda del senyal. Aquest fenomen conegut com l'efecte d'estretament de filtrat ha sigut també estudiat en aquesta tesi, mitjançant simulacions i de manera experimental en el cas d'un sistema OFDM rendible i adaptatiu utilitzant detecció directa i un sistema estàndard On-Off Keying (OOK). El sistema OFDM de detecció directa ha resultat ser un bon candidat per augmentar la flexibilitat i la robustesa front a les deficiències de transmissió sense necessitat de compensar la dispersió. A part dels transceptors adaptables, flexibles i programables, les xarxes òptiques metropolitanes han d'estar equipades amb sistemes de commutació òptica flexible a nivell de node. En aquest sentit, proposem l’adopció d'un S-BVT adaptatiu basat en tècniques de transmissió avançades i utilitzant detecció directa amb modulació Discrete MultiTone (DMT) i capacitats adaptatives, adoptant nodes de comunicació basats en Semi-conductor Optical Amplifier (SOA). Els SOAs poden ser utilitzats per la commutació _òptica en xarxes metropolitanes degut al seu baix cost o baix consum d'energia, entre altres característiques rellevants. El sistema ha sigut analitzat experimentalment considerant i sense considerar la presència d'elements filtrants. Gràcies a la combinació de la modulació DMT adaptativa i dels nodes de commutació basats en SOA, les degradacions degudes als enllaços de fibra i als elements filtrants es poden compensar. Finalment, per a millorar la distància de transmissió i la taxa de dades, proposem la combinació de constel·lacions multidimensionals implementades als mòduls DSP de l'SBVT utilitzant detecció coherent i la tecnologia OFDM. De fet, els sistemes coherents OFDM tenen un espai de senyal 4D (dues quadratures i dues polaritzacions), que pot ser utilitzat amb constel·lacions multidimensionals, arribant a ser més eficients que les modulacions convencionals Binary Phase-Shift Keying (BPSK) o Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK). D'aquesta manera, la infraestructura desplegada s'explota de forma més eficient, ja que tant la dimensió de quadratura com de polarització s'utilitzen per transmetre el senyal. A més, els sistemes coherents basats en OFDM poden recuperar l'amplitud i la fase del senyal en el receptor, mitigant els efectes de la fibra i d'aquesta forma augmentant la distància de transmissió. El sistema OFDM coherent que utilitza el format de constel·lació Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) i que transmet el senyal al llarg del temps ha demostrat ser una solució prometedora.Postprint (published version

Performance improvement of SS-WDM passive optical networks using semiconductor optical amplifiers: Modeling and experiment

Les sources incohérentes sont proposées comme alternatives aux lasers stabilisés en longueur d'onde pour réduire le coût des réseaux optiques passifs utilisant le multiplexage par longueur d'onde découpée dans le spectre (SS-WDM PONs). À cause de leur nature incohérente, ces sources génèrent au récepteur un large bruit d'intensité. Ce bruit limite l'efficacité spectrale et/ou le taux binaire pouvant être achevé. Cette thèse étudie l'utilisation des amplificateurs optique à semi-conducteur SOAs pour nettoyer le bruit d'intensité. De plus, lors de cette thèse, nous explorons les outils numériques et expérimentaux qui nous permettent d'analyser les performances des SOAs dans le cadre de systèmes de communication multi-canaux, incluant le SS-WDM. Nous présentons des modèles mathématiques pour le bruit d'intensité, ce bruit étant celui qui limite les performances des systèmes de communication utilisant des sources incohérentes. Nous discutons les dynamiques complexes des SOAs et présentons les équations qui gouvernent l'évolution des porteurs de charges dans ces amplificateurs. Nous identifions et soulignons l'effet des paramètres les plus importants, qui affectent le processus ainsi que la dynamique de nettoyage du bruit d'intensité. Nous passons en revue, les différentes techniques de nettoyage de bruit avec les SOAs, qui ont démontré les meilleurs résultats connus. De plus, nous effectuons une revue de littérature poussée pour ce qui a attrait au problème de post-filtrage lorsque le SOA est placé au transmetteur, avant la modulation. Notre première contribution pendant ce travail de recherche est de démontrer, en utilisant l'intermodulation de gain d'un SOA au récepteur pour convertir le signal incohérent en laser cohérent, une amélioration significative du taux d'erreur binaire BER. Cette méthode est spectralement efficace, d'autant plus qu'elle ne souffre point la limitation occasionnée par le post-filtrage au récepteur. En contre partie elle nécessite un ample budget de puissance qui doit assurer une saturation suffisante de l'amplificateur au récepteur. Une source laser est aussi nécessaire au récepteur. Ceci est un inconvénient, même si une telle source n'ait pas besoin d'une quelconque stabilisation. Pour contourner le problème causé par le post-filtrage quand le SOA est au transmetteur, nous proposons un nouveau récepteur pour les systèmes de communication WDM, qui permet de mieux garder le nettoyage de bruit, et ce malgré le filtrage optique au récepteur. La nouvelle méthode consiste en un détecteur balancé utilisé au récepteur: d'un bord, tous les canaux sont détectés sans distinction. De l'autre, le signal désiré est bloqué pendant que tous les autres canaux sont détectés. Avec cette méthode, il est facile de saturer l'amplificateur pour une meilleure suppression de bruit tout en évitant en grande partie la dégradation causé par le post-filtrage. Nous avons expérimentalement démontré un système WDM dense de 8 x 10 Gbps avec une source incohérente et un SOA en saturation. Une autre contribution originale de ce travail est le développement d'un outil de simulation pour les SOAs qui est numériquement plus efficace et léger que les modèles connus à ce jour. Nous avons donc développé un modèle théorique simple, pouvant être implémenté par diagramme block, dans le but de simuler les performances des hens de communications WDM. Notre modèle démontre une bonne concordance avec les résultats expérimentaux ainsi qu'une diminution de temps de calcul de l'ordre de 20 fois. Finalement, lors de la dernière partie de ces travaux, nous nous sommes occupés de mesurer, de façon précise, le temps de recouvrement du gain dans un SOA. Le temps de recouvrement des porteurs dans un SOA est un des paramètres les plus importants qui sont à l'origine du phénomène de nettoyage de bruit et qui régissent le comportement ainsi que les dynamiques de l'amplificateur. Nous avons étudié en particulier, la dépendance de ce temps de recouvrement r de la longueur d'onde. Pour le SOA utilisé lors de notre étude expérimentale, nous avons démontré que r dépendait de la longueur d'onde de façon similaire au spectre de gain. Ces mesures ont été possibles grâce au développement d'un nouveau dispositif de mesure pompe/sonde, qui permettait de mesurer le recouvrement du gain pour une pompe et une sonde à la même longueur d'onde et ayant le même état de polarisation

Design and implementation of low complexity adaptive optical OFDM systems for software-defined transmission in elastic optical networks

Due to the increasing global IP traffic and the exponential growing demand for broadband services, optical networks are experimenting significant changes. Advanced modulation formats are being implemented at the Digital Signal Processing (DSP) level as key enablers for high data rate transmission. Whereas in the network layer, flexi Dense Wavelength-Division Multiplexing (DWDM) grids are being investigated in order to efficiently use the optical spectrum according to the traffic demand. Enabling these capabilities makes high data rate transmission more feasible. Hence, introducing flexibility in the system is one of the main goals of this thesis. Furthermore, minimizing the cost and enhancing the Spectral Efficiency (SE) of the system are two crucial issues to consider in the transceiver design. This dissertation investigates the use of Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (O-OFDM) based either on the Fast Fourier Transform (FFT) or the Fast Hartley Transform (FHT) and flexi-grid technology to allow high data rate transmission over the fiber. Different cost-effective solutions for Elastic Optical Networks (EON) are provided. On the one hand, Direct Detection (DD) systems are investigated and proposed to cope with present and future traffic demand. After an introduction to the principles of OFDM and its application in optical systems, the main problems of such modulation is introduced. In particular, Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) is presented as a limitation in OFDM systems, as well as clipping and quantization noise. Hence, PAPR reduction techniques are proposed to mitigate these impairments. Additionally, Low Complexity (LC) PAPR reduction techniques based on the FHT have also been presented with a simplified DSP. On the other hand, loading schemes have also been introduced in the analyzed system to combat Chromatic Dispersion (CD) when transmitting over the optical link. Moreover, thanks to Bit Loading (BL) and Power Loading (PL), flexible and software-defined transceivers can be implemented maximizing the spectral efficiency by adapting the data rate to the current demand and the actual network conditions. Specifically, OFDM symbols are created by mapping the different subcarriers with different modulation formats according to the channel profile. Experimental validation of the proposed flexible transceivers is also provided in this dissertation. The benefits of including loading capabilities in the design, such as enabling high data rate and software-defined transmission, are highlighted.Degut al creixement del tràfic IP i de la demanda de serveis de banda ampla, les xarxes òptiques estan experimentant canvis significatius. Els formats avançats de modulació, implementats a nivell de processat del senyal digital, habiliten la transmissió a alta velocitat. Mentre que a la capa de xarxa, l'espectre òptic es dividit en ranures flexibles ocupant l'ample de banda necessari segons la demanda de tràfic. La transmissió a alta velocitat és fa més tangible un cop habilitades totes aquestes funcionalitats. D'aquesta manera un dels principals objectius d'aquesta tesis es introduir flexibilitat al sistema. A demés, minimitzar el cost i maximitzar l'eficiència espectral del sistema són també dos aspectes crucials a considerar en el disseny del transmissor i receptor. Aquesta tesis investiga l'ús de la tecnologia Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) basada en la transformada de Fourier (FFT) i la de Hartley (FHT) per tal de dissenyar un sistema flexible i capaç de transmetre a alta velocitat a través de la fibra òptica. Per tant, es proposen diferent solucions de baix cost vàlides per a utilitzar en xarxes òptiques elàstiques. En primer lloc, s'investiguen i es proposen sistemes basats en detecció directa per tal de suportar la present i futura demanda. Després d'una introducció dels principis d' OFDM i la seva aplicació als sistemes òptics, s'introdueixen alguns dels problemes d'aquesta modulació. En particular, es presenten el Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) i els sorolls de clipping i de quantizació com a limitació dels sistemes OFDM. S'analitzen tècniques de reducció de PAPR per tal de reduir l'impacte d'aquests impediments. També es proposen tècniques de baixa complexitat per a reduir el PAPR basades en la FHT. Finalment, s'utilitzen algoritmes d'assignació de bits i de potència, Bit Loading (BL) i Power Loading (PL), per tal de combatre la dispersió cromàtica quan es transmet pel canal òptic. Amb la implementació dels algoritmes de BL i PL, es poden dissenyar transmissors i receptors flexibles adaptant la velocitat a la demanda del moment i a les actuals condicions de la xarxa. En particular, els símbols OFDM es creen mapejant cada portadora amb un format de modulació diferent segons el perfil del canal. El sistema és validat experimentalment mostrant les prestacions i els beneficis d'incloure flexibilitat per tal de facilitar la transmissió a alta velocitat i cobrir les necessitats de l'Internet del futurDebido al crecimiento del tráfico IP y de la demanda de servicios de banda ancha, las redes ópticas están experimentando cambios significativos. Los formatos avanzados de modulación, implementados a nivel de procesado de la señal digital, habilitan la transmisión a alta velocidad. Mientras que en la capa de red, el espectro óptico se divide en ranuras flexibles ocupando el ancho de banda necesario según la demanda de tráfico. La transmisión a alta velocidad es más tangible una vez habilitadas todas estas funcionalidades. De este modo uno de los principales objetivos de esta tesis es introducir flexibilidad en el sistema. Además, minimizar el coste y maximizar la eficiencia espectral del sistema son también dos aspectos cruciales a considerar en el diseño del transmisor y receptor. Esta tesis investiga el uso de la tecnologia Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) basada en la transformada de Fourier (FFT) y en la de Hartley (FHT) con tal de diseñar un sistema flexible y capaz de transmitir a alta velocidad a través de la fibra óptica. Por lo tanto, se proponen distintas soluciones de bajo coste válidas para utilizar en redes ópticas elásticas. En primer lugar, se investigan y se proponen sistemas basados en detección directa con tal de soportar la presente y futura demanda. Después de una introducción de los principios de OFDM y su aplicación en los sistemas ópticos, se introduce el principal problema de esta modulación. En particular se presentan el Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) y los ruidos de clipping y cuantización como limitaciones de los sistemas OFDM. Se analizan técnicas de reducción de PAPR con tal de reducir el impacto de estos impedimentos. También se proponen técnicas de baja complejidad para reducir el PAPR basadas en la FHT. Finalmente, se utilizan algoritmos de asignación de bits y potencia, Bit Loading (BL) y Power Loading (PL), con tal de combatir la dispersión cromática cuando se transmite por el canal óptico. Con la implementación de los algoritmos de BL y PL, se pueden diseñar transmisores y receptores flexibles adaptando la velocidad a la demanda del momento y a las actuales condiciones de la red. En particular, los símbolos OFDM se crean mapeando cada portadora con un formato de modulaci_on distinto según el perfil del canal. El sistema se valida experimentalmente mostrando las prestaciones y los beneficios de incluir flexibilidad con tal de facilitar la transmisión a alta velocidad y cubrir las necesidades de Internet del futuro

Analysis and Implementation of PAPR reduction algorithms for C-OFDM signals

Nowadays multicarrier modulation has become a key technology for communication systems; for example C-OFDM schemes are used in wireless LAN (802.11a/g/n), terrestrial digital television (DVB-T) and audio broadcaster (DAB) in Europe, and discrete multitone (DMT) in x.DSL systems. The principal difficulty with OFDM is the occurrence of the coherent alignment of the time domain parallel signals at the transmitted side which forces system designer to introduce either additional hard computationally device or a suitable power back-off at the high power amplifier in order to cope with the large magnitude signal fluctuation. This leads to a significant increment in computational cost in the former case whereas in a worse allowable power utilization in the latter case with respect to the original system. However since both allowable power and computational cost are subject to a design as well as regulatory limit others solution must be accomplished. Peak reduction techniques reduce maximum-to-mean amplitude fluctuations nominating as a feasible solution. Peak-to-average power ratio is the key metric to measure this amplitude fluctuations at transmitter and to give a clear figure of merit for comparison among different techniques

PAPR reduction in multicarrier modulation techniques based visible light communication systems

Visible light communication (VLC) is an optical wireless communication (OWC) technology that has the potential to provide high data rate transmission for indoor applications. VLC is a promising alternative technology with a large and unlicensed spectrum to complement the congested radio frequency (RF) based communication in order to meet the exponential growth and popularity of smart devices, data intensive services and applications. The use of low-cost commercially available front-end devices further highlights the attraction of VLC system. However, nonlinear dynamic range of front-end devices and optical channel impairments limit full exploitation of VLC available modulation bandwidth. To fully benefit from the inherent resources and mitigate these limitations, multicarrier modulation (MCM) techniques are adopted. However, these techniques are affected by high peak-to-average power ratio (PAPR) which imposes constraints on the limited dynamic range of the front-end devices and the average radiated optical power. The main focus throughout this thesis is to reduce the high PAPR of MCM modulation techniques-based VLC system by implementing pilot-assisted (PA) technique. Additionally, performance of PAPR reduced modulation techniques is investigated through analytical, simulation, and experimentally. This thesis first presents background of VLC system principles including the front-end devices, VLC channel, system impairments and challenges, and employed solutions. The principles, limitations, and performance of MCM modulation variants that are implemented in this work are presented. Moreover, principles of PAPR challenge in MCM based VLC, PAPR evaluation, impact on the transmitted signal as well as the existing PAPR reduction techniques are discussed. Looking at the gap, a PA is implemented as PAPR reduction technique which is presented in this work including its implementation and performance. Following that, multiple experimental studies on PAPR reduction of PA technique are presented. Two experimental demonstrations on the efficacy of PA PAPR reduction for PAM-DMT and DCO-OFDM based VLC using a single blue LED are presented. These studies are comparing the bit-error-rate (BER) performance of the proposed systems with conventional counterparts over a range of sampling rate. This shows that, the proposed systems perform better than conventional systems without PAPR reduction. The results are validated through simulation. Other two experimental studies on the previous systems with parameters optimisation and available modulation bandwidth utilisation are presented, which show that the proposed systems outperform the conventional systems in terms of BER. This is followed by investigating the PA PAPR reduction effect on the achievable data rate of a wavelength division multiplexing (WDM) based VLC system using three different LEDs for PAPR reduced DCO-OFDM and PAM-DMT systems. The proposed systems have achieved more than 8% data rate higher than that of conventional systems without BER performance degradation. Finally, analytical investigation of clipping noise that leads to distortion in a VLC system due to front-end devices limitations is presented. To mitigate the clipping noise, PAPR of the system is reduced by the PA technique. The analytical BER performance of the system with PAPR reduction is verified through simulation and then compared to that of the conventional system without PAPR reduction at similar clipping levels. The PA proposed system shows better BER performance at all clipping levels

A New Approach for Performance Improvement of OFDM System using Pulse Shaping

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a multi-carrier modulation technique, in which a single high rate data-stream is divided into multiple low rate data-streams and is modulated using sub-carriers, which are orthogonal to each other. Some of its main advantages are multipath delay spread tolerance, high spectral efficiency, efficient modulation and demodulation process using computationally efficient Inverse Fast Fourier Transform and Fast Fourier Transform operation respectively. The peak to average power ratio of the time domain envelope is an important parameter at the physical layer of the communication system using OFDM signaling. The signals must maintain a specified average energy level in the channel to obtain the desired Bit-error-rate. The peak signal level relative to that average defines the maximum dynamic range that must be accommodated by the components in the signal flow path to support the desired average. A secondary concern is the carrier frequency offset which disturbs the orthogonality among the carriers and results ICI. The undesired ICI degrades the performance of the system

Enhanced Multicarrier Techniques for Professional Ad-Hoc and Cell-Based Communications (EMPhAtiC) Document Number D3.3 Reduction of PAPR and non linearities effects

Livrable d'un projet Européen EMPHATICLike other multicarrier modulation techniques, FBMC suffers from high peak-to-average power ratio (PAPR), impacting its performance in the presence of a nonlinear high power amplifier (HPA) in two ways. The first impact is an in-band distortion affecting the error rate performance of the link. The second impact is an out-of-band effect appearing as power spectral density (PSD) regrowth, making the coexistence between FBMC based broad-band Professional Mobile Radio (PMR) systems with existing narrowband systems difficult to achieve. This report addresses first the theoretical analysis of in-band HPA distortions in terms of Bit Error Rate. Also, the out-of band impact of HPA nonlinearities is studied in terms of PSD regrowth prediction. Furthermore, the problem of PAPR reduction is addressed along with some HPA linearization techniques and nonlinearity compensation approaches

An Optical Design Configuration for Wireless Data Transmission

The concept of 2D barcodes is of great relevance for use in wireless data transmission between handheld electronic devices. In a typical setup, any file on a cell phone for example can be transferred to a second cell phone through a series of images on the LCD which are then captured and decoded through the camera of the second cell phone. In this research, a new approach for data modulation in 2D barcodes is introduced, and its performance is evaluated in comparison to other standard methods of barcode modulation. In the proposed method, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation is used together with Differential Phase Shift Keying (DPSK) over adjacent frequency domain elements to modulate intensity of individual pixels. It is shown that the bit error rate performance of the proposed system is superior to the current state of the art in various scenarios. A specific aim of this study is to establish a system that is proven tolerant to camera motion, picture blur and light leakage within neighboring pixels of an LCD. Furthermore, intensity modulation requires the input signal used to modulate a light source to be positive, which requires the addition of a dc bias. In the meantime, the high crest factor of OFDM requires a lower modulation index to limit clipping distortion. These two factors result in poor power efficiency in radio over fiber applications in which signal bandwidth is generally much less than the carrier frequency. In this study, it is shown that clipping a bipolar radio frequency signal at zero level, when it has a carrier frequency sufficiently higher than its bandwidth, results in negligible distortion in the pass band and most of the distortion power is concentrated in the baseband. Consequently, with less power provided to the optical carrier, higher power efficiencies and better receiver sensitivity will result. Finally, a more efficient optical integrated system is introduced to implement the proposed intensity modulation method which is optimized for radio over fiber applications

Analytical Characterization and Optimum Detection of Nonlinear Multicarrier Schemes

It is widely recognized that multicarrier systems such as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) are suitable for severely time-dispersive channels. However, it is also recognized that multicarrier signals have high envelope fluctuations which make them especially sensitive to nonlinear distortion effects. In fact, it is almost unavoidable to have nonlinear distortion effects in the transmission chain. For this reason, it is essential to have a theoretical, accurate characterization of nonlinearly distorted signals not only to evaluate the corresponding impact of these distortion effects on the system’s performance, but also to develop mechanisms to combat them. One of the goals of this thesis is to address these challenges and involves a theoretical characterization of nonlinearly distorted multicarrier signals in a simple, accurate way. The other goal of this thesis is to study the optimum detection of nonlinearly distorted, multicarrier signals. Conventionally, nonlinear distortion is seen as a noise term that degrades the system’s performance, leading even to irreducible error floors. Even receivers that try to estimate and cancel it have a poor performance, comparatively to the performance associated to a linear transmission, even with perfect cancellation of nonlinear distortion effects. It is shown that the nonlinear distortion should not be considered as a noise term, but instead as something that contains useful information for detection purposes. The adequate receiver to take advantage of this information is the optimum receiver, since it makes a block-by-block detection, allowing us to exploit the nonlinear distortion which is spread along the signal’s band. Although the optimum receiver for nonlinear multicarrier schemes is too complex, due to its necessity to compare the received signal with all possible transmitted sequences, it is important to study its potential performance gains. In this thesis, it is shown that the optimum receiver outperforms the conventional detection, presenting gains not only relatively to conventional receivers that deal with nonlinear multicarrier signals, but also relatively to conventional receivers that deal with linear, multicarrier signals. We also present sub-optimum receivers which are able to approach the performance gains associated to the optimum detection and that can even outperform the conventional linear, multicarrier schemes