[pt] Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de uma estrutura automatizada para o monitoramento de fibras ópticas. Esta estrura consite em dois tipos de reflectômetros ópticos por contagem de fótons no domínio do tempo e um filtro de tendências que é utilizado para detectar as falhas em uma fibra óptica de forma automatizada. O primeiro OTDR por contagem de fótons apresenta uma faixa dinâmica de 32 dB com resolução espacial de 6 m, já o segundo OTDR apresenta uma faixa dinâmica de 14 dB e uma resolução de 3 cm. Foi demonstrada a sua capacidade de detectar falhas automaticamente em um enlace óptica e de sintonização no monitoramento de redes passivas WDM. / [en] In this work the development of an automated structure for the monitoring of optical fibers is presented. This structure consists of two types of Photon Counting Optical Time Domain Reflectometers and a trend filter that is used to detect fiber faults in an automated way. The first Photon Counting OTDR has a 32 dB dynamic range with spatial resolution of 6 m, while the second OTDR has a 14 dB dynamic range and a resolution of 3 cm. Its ability to automatically detect faults in an optical fiber link and tunability for monitoring of optical WDM networks has been demonstrated.

[pt] As fibras ópticas são suscetíveis ao estresse mecânico e podem ser danificadas ou quebradas, portanto, a supervisão da camada física é essencial para identificar essas falhas e remediá-las o mais rápido possível. Com o objetivo de agilizar e simplificar o processo de agendamento de unidades de reparo em campo, foi desenvolvido um sistema automatizado de medição de fibras baseado em uma unidade de processamento digital de sinal (DSP) capaz de identificar as posições das falhas de forma autônoma. Combinando esta unidade de DSP com um OTDR de contagem de fótons, é possível criar tal dispositivo. Este trabalho apresenta o desenvolvimento dos blocos de construção para tal dispositivo. / [en] Optical fibers are susceptible to mechanical stress and may be damaged or broken, thus physical layer supervision is essential to identify these failures and remediate them as quickly as possible. In order to hasten and simplify the scheduling process of the in-field repairing units, an automated fiber measurement system based on a digital signal processing (DSP) unit capable of autonomously identifying fault positions was developed. By combining this DSP unit with a Tunable Photon-Counting OTDR, it is possible to create such a device. This work presents the development of the building blocks for such device.

[pt] Motivado pelos desafios de processar a grande quantidade de dados disponíveis, pesquisas recentes em estatística tem sugerido novas técnicas de modelagem e inferência. Paralelamente, outros campos como processamento de sinais e otimização também estão produzindo métodos para lidar problemas em larga escala. Em particular, este trabalho é focado nas teorias e métodos baseados na regularização l1. Após uma revisão compreensiva da norma l1 como uma ferramenta para definir soluções esparsas, estudaremos mais a fundo o método LASSO. Para exemplificar como o LASSO possui uma ampla gama de aplicações, exibimos um estudo de caso em processamento de sinal esparso. Baseado nesta idea, apresentamos o l1 level-slope filter. Resultados experimentais são apresentados para uma aplicação em transmissão de dados via fibra óptica. Para a parte final da dissertação, um novo método de estimação é proposto para modelos em alta dimensão com variância periódica. A principal ideia desta nova metodologia é combinar esparsidade, induzida pela regularização l1, com o método de máxima verossimilhança. Adicionalmente, esta metodologia é utilizada para estimar os parâmetros de um modelo mensal estocástico de geração de energia eólica e hídrica. Simulações e resultados de previsão são apresentados para um estudo real envolvendo cinquenta geradores de energia renovável do sistema Brasileiro. / [en] Motivated by the challenges of processing the vast amount of available data, recent research on the ourishing field of high-dimensional statistics is bringing new techniques for modeling and drawing inferences over large amounts of data. Simultaneously, other fields like signal processing and optimization are also producing new methods to deal with large scale problems. More particularly, this work is focused on the theories and methods based on l1-regularization. After a comprehensive review of the l1-norm as tool for finding sparse solutions, we study more deeply the LASSO shrinkage method. In order to show how the LASSO can be used for a wide range of applications, we exhibit a case study on sparse signal processing. Based on this idea, we present the l1 level-slope filter. Experimental results are given for an application on the field of fiber optics communication. For the final part of the thesis, a new estimation method is proposed for high-dimensional models with periodic variance. The main idea of this novel methodology is to combine sparsity, induced by the l1-regularization, with the maximum likelihood criteria. Additionally, this novel methodology is used for building a monthly stochastic model for wind and hydro inow. Simulations and forecasting results for a real case study involving fifty Brazilian renewable power plants are presented.

[pt] Com a crescente demanda por maior capacidade na transmissão de dados, uma solução tem sido estudada para transmissão de rádio sobre fibra combinando múltiplos canais de dados sobre a portadora óptica na rede de acesso baseada em multiplexação por sub-portadoras. Ademais, essa rede de acesso é comumente ramificada na forma de uma rede óptica passiva. Monitoramento desses enlaces em fibra é, então, cada vez mais importante. A tecnologia atual de reflectometria óptica no domínio do tempo utilizada para monitoramento opera em um comprimento de onda óptico separado e possui ampla largura de banda de detecção, tornando-se relativamente cara. A busca por uma alternativa de monitoramento de alta precisão e baixo custo é de suma importância para a oferta de transmissão com garantia de qualidade de serviço. Neste trabalho, o uso de multiplexação por sub-portadoras é explorado, incorporando uma técnica de monitoramento de varredura de tom de baixa frequência na transmissão de dados. Um modelo matemático para a resposta em frequência do enlace foi derivado e a localização e a intensidade de uma falha são estimadas através da comparação com a amplitude e a fase detectadas da luz retroespalhadaa medida em que é feita uma varredura de frequência do sinal de monitoramento, aplicando-se um algoritmo de minimos quadrados. O modelo proposto considera que a medida do enlace antes da ocorrência de uma falha é conhecida. Uma única falha nova pode então ser detectada com precisão e sua posição e intensidade são estimadas da maneira descrita. / [en] With ever growing demand for higher capacity in data transmission, a solution has been proposed for analog Radio over Fiber transmission, combining several data channels over the optical carrier in the access network using Sub-Carrier Multiplexing (SCM). Furthermore, this access network is often branched in the form of a passive optical network (PON). Monitoring such fiber links is thus increasingly important. Current optical time domain reflectometry (OTDR) technology used for monitoring operates at a separate optical wavelength and has wide bandwidth detection, making it relatively costly. The pursuit of a low cost, high precision monitoring alternative is of paramount importance for cost effective quality of service (QoS) improvement. In this work employment of SCM for data multiplexing is exploited embedding a low frequency tone sweep monitoring technique into data transmission. A mathematical model for the frequency response of the link was derived and the fault location and intensity is estimated through comparison with acquired amplitude and phase of the backscattered light for the varying frequency by applying a simple least mean squared (LMS) algorithm. The modeling suggested requires that measurement of the link prior to the occurrence of a fault is known. A single new fault can then be accurately detected and its position and intensity estimated in the way described.

[pt] Para suportar os requisitos das redes móveis de 5a geração (5G), os sistemas de comunicação óptica serão usados nas redes de acesso. Isso ocorre porque a evolução das RAN (Radio Access Networks) incluem a centralização do equipamento mais crítico para implantar pontos de acesso móveis de baixa potência, como DAS (Distributed Antenna Systems) e Small Cells. Os serviços emergentes solicitam a implantação de tecnologias de rádio sobre fibra com ênfase na eficiência de largura de banda, eficiência energética e alta confiabilidade. Neste âmbito, um monitoramento eficiente da camada física é imperativo para a operação dessas redes. O sistema de monitoramento deve fornecer uma localização de falhas em serviço, econômico, centralizado e com impacto mínimo para a transmissão de dados. Esta tese propõe vários sistemas de monitoramento incorporado no transceptor utilizando reflectometria óptica no domínio do tempo. Os sistemas de monitoramento são testados em diferentes sistemas de transmissão de dados e arquiteturas de rede, onde é apresentada uma validação simulada e outras experimentais. / [en] In order to support the requirements for 5th generation mobile networks (5G), optical communication systems will be used in the access part of the network. This is because the evolution of radio access networks includes the centralization of the most critical equipment in order to deploy low power mobile access points, like distributed antenna systems and small cells. The emerging services call for the deployment of radio over fibre technologies with emphasis on bandwidth efficiency, energy efficiency and high reliability. Within this scope, an efficient monitoring of the physical layer would become essential for the operation of these networks. The monitoring system should provide in-service, cost efficient and centralized fault localization with minimum impact on data transmission. This thesis proposes several transceiver-embedded optical time domain reflectometry monitoring systems. The monitoring systems are tested over different data transmission systems and network architectures, where one architecture was simulated and several others experimentally validated.