Control de Errores en Sistemas de Comunicaciones Digitales de Alta Velocidad

• Autores: Mario Alejandro Castrillón
• Directores de la Tesis: Mario Rafael Hueda (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Nacional de Córdoba (UNC) ( Argentina ) en 2017
• Idioma: español
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: hdl.handle.net
• Resumen
  • español

    En los últimos 10 años, la industria de las comunicaciones ópticas ha migrado hacia esquemas de receptores coherentes utilizando conversores de señal analógica a digital (ADC, del inglés Analog-to-Digital Converter) de alta velocidad. Esto ha permitido la incorporación de códigos correctores de errores con decodificación por decisiones blandas con el objetivo de extender el alcance y la eficiencia espectral de los enlaces disponibles.

    Los códigos correctores de errores con decodificación por decisiones blandas tales como los turbo códigos y los de chequeo de paridad de baja densidad (LDPC, del inglés Low Density Parity Check), y en especial estos últimos, se han expandido por las más diversas áreas y constituyen en la actualidad el estándar en varias normas, tales como 10GBase-T, DVB-S2, y Mobile WiMax (802.16e).

    Sin embargo, en comunicaciones ópticas generalmente se los trata como algo ajeno al sistema y por lo tanto en la mayoría de la bibliografía relacionada no se han tenido en cuenta todos los efectos residuales del canal a la entrada del decodificador para evaluar su desempeño. En cambio se utiliza como métrica solo la tasa de error umbral a partir de la cual el esquema de corrección de errores empieza a corregir. Por tal motivo en la presente Tesis se aborda el tema de códigos correctores de errores con decodificación por decisiones blandas aplicados a comunicaciones ópticas coherentes con un enfoque integral. En el presente trabajo se proponen diferentes técnicas para hacer lo más efectivas posibles las transmisiones empleando códigos correctores de errores de gran ganancia frente a problemas específicos de comunicaciones ópticas como son el ruido de fase del láser, las fluctuaciones de frecuencia del láser y las no linealidades de la fibra. Se trabaja también con constelaciones multinivel tales como 16-QAM que permiten obtener una buena eficiencia espectral.

    Con el fin de abarcar el mayor espacio de soluciones posible, se proponen cuatro esquemas diferentes pero complementarios teniendo en cuenta las condiciones expuestas previamente. Por un lado, se propone el empleo de modulación diferencial debido a su robustez frente a variaciones en la fase y se propone una técnica para disminuir su penalidad. Por otro lado, para esquemas no diferenciales se plantea un algoritmo de compensación de desplazamientos de fase, los cuales son un fenómeno catastrófico presente en los esquemas de estimación de fase utilizados en comunicaciones ópticas. Otra de las propuestas consiste en la utilización de constelaciones híbridas intercaladas temporalmente con el propósito de generar una referencia de fase absoluta que permita evitar el problema de los desplazamientos de fase. Por último, se propone un esquema conjunto de detección y decodificación iterativo que permite realizar la estimación del ruido de fase y las fluctuaciones de frecuencia de manera conjunta con la decodificación demostrando gran robustez.

    También se presenta en esta Tesis una posible arquitectura de implementación del esquema conjunto iterativo que permite reducir la complejidad del mismo, incorporando una novedosa clase de códigos LDPC denominados espacialmente acoplados. Debido a su estructura estos códigos permiten disminuir la latencia de decodificación y mantener la complejidad del decodificador acotada. Resultados de simulación demuestran la eficacia del sistema propuesto

  • English

    In the last 10 years, the optical communications industry has migrated towards coherent receiver schemes using high-speed ADCs. This has allowed the incorporation of error-correcting codes with soft-decision decoding in order to extend the reach and spectral efficiency of the available links.

    Error-correcting codes with soft-decision decoding, such as turbo codes and low-density parity check (LDPC), especially the latter, have been expanded by the most diverse areas and currently constitute the selection in various standards, such as 10GBase-T, DVB-S2, and Mobile WiMax (802.16e).

    However, in optical communications they are generally treated as something outside the system and therefore, in the majority of the related literature, all the residual effects of the channel at the input of the decoder have not been taken into account to evaluate its performance. Instead, only the threshold bit error rate from which the error correction scheme begins to correct is used as the metric. For this reason, this thesis addresses the issue of error correction codes with soft-decision decoding applied to optical communications consistent with an integral approach. In the present work different techniques are proposed to make the transmissions as effective as possible using high gain error-correcting codes against specific optical communication problems such as laser phase noise, laser frequency fluctuations and non-linearity the fiber. Multi-level constellations such as 16-QAM have also been considered because they provide good spectral efficiency.

    In order to cover the largest possible solution space, four different but complementary schemes are proposed, taking into account the previously mentioned conditions. On the one hand, the use of differential modulation is proposed due to its robustness against variations in the phase and a technique is proposed to reduce its penalty.

    On the other hand, for non-differential schemes, a cycle slips compensation algorithm is proposed, cycle slips are a catastrophic phenomenon present in the phase estimation schemes used in optical communications. Another proposal consists of the use of hybrid constellations interleaved temporarily with the purpose of generating an absolute phase reference to avoid the problem of cycle slips. Finally, a joint iterative detection and decoding scheme is proposed, which makes it possible to estimate the phase noise and the frequency fluctuations together with the decoding, demonstrating great robustness.

    It is also presented in this thesis a possible implementation architecture of the joint iterative scheme that reduces the complexity thereof, incorporating a novel class of LDPC codes called spatially coupled. Due to their structure these codes allow to decrease the latency of decoding and maintain the complexity of the decoder bounded. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed system.

  • português

    Nos últimos 10 anos, o setor de comunicações ópticas migrou para esquemas de receptores coerentes usando conversores analógico-digital (ADC) de alta velocidade. Isso permitiu a incorporação de códigos de correção de erros com decodificação de decisão suave para ampliar o alcance e a eficiência espectral dos links disponíveis.

    Os códigos de correção de erros com decodificação de decisão suave, como os códigos turbo e os de verificação de paridade de baixa densidade (LDPC), e especialmente os últimos foram expandidos pelas mais diversas áreas e atualmente constituem a seleção em vários padrões, como 10GBase-T, DVB-S2 e Mobile WiMax (802.16e).

    No entanto, em comunicações ópticas, geralmente são tratados como algo fora do sistema e, portanto, na maioria da literatura relacionada, todos os efeitos residuais do canal na entrada do decodificador não foram levados em consideração para avaliar seu desempenho. Em vez disso, apenas a taxa de erro de bit limiar a partir da qual o esquema de correção de erro começa a corrigir é usada como métrica. Por esta razão, esta tese aborda a questão dos códigos de correção de erros com decodificação de decisão suave aplicada a comunicações ópticas consistentes com uma abordagem integral. No presente trabalho são propostas diferentes técnicas para tornar as transmissões tão efetivas quanto possível usando códigos corretores de erro de alto ganho contra problemas específicos de comunicações ópticas, como o ruído de fase do laser, as flutuações de freqüência do laser e as não-linearidades da fibra. Também são usadas constelações de vários níveis, como 16-QAM, que oferece uma boa eficiência espectral.

    Para cobrir o maior espaço de solução possível, são propostos quatro esquemas diferentes, mas complementares, levando em consideração as condições mencionadas anteriormente. Por um lado, o uso da modulação diferencial é proposto devido à sua robustez contra variações na fase e uma técnica é proposta para reduzir sua penalidade. Por outro lado, para esquemas não diferenciais, propõe-se um algoritmo de compensação de deslizamento de fase, que é um fenômeno catastrófico presente nos esquemas de estimação de fase utilizados nas comunicações ópticas. Outra proposta consiste no uso de constelações híbridas entrelaçadas temporariamente com o objetivo de gerar uma referência de fase absoluta para evitar o problema dos deslizamentos de fase.

    Finalmente, propõe-se um esquema de detecção e decodificação iterativa conjunta, que permite estimar o ruído de fase e as flutuações de freqüência juntamente com a decodificação, demonstrando grande robustez.

    Também é apresentada nesta tese uma possível arquitetura de implementação do esquema iterativo conjunto que reduz a sua complexidade, incorporando uma nova classe de códigos LDPC chamado espacialmente acoplado. Devido à sua estrutura, esses códigos permitem diminuir a latência da decodificação e manter limitada a complexidade do descodificador. Os resultados da simulação demonstram a eficácia do sistema proposto.