[pt] A presente dissertação tem como objetivo avaliar as mudanças que estão ocorrendo nas arquiteturas das redes ópticas dos operadores de telecomunicações para adequarem-se aos novos serviços oferecidos aos usuários. Esses serviços demandam cada vez mais flexibilidade, confiabilidade e capacidade de todos os níveis das redes ópticas, desde o acesso até os backbones metropolitanos e de longa distância, passando pelas redes de agregação. No acesso, a principal transformação é a extensão da fibra óptica para pontos cada vez mais próximos do usuário, utilizando-se de tecnologia PON (Passive Optical Network), de maneira a oferecer maior banda permitindo a diversificação de serviços e aplicações, como vídeo de alta definição com interatividade. No backbone metropolitano também são verificadas importantes mudanças, implicando a necessidade de capacidades de transporte cada vez maiores (múltiplos lambdas de 40 Gbps ou 100 Gbps) com uso de DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) e OTN (Optical Transport Network), com roteamento de lambda no nível óptico por meio do uso de ROADM (Reconfigurable Add-Drop Multiplexer) e switching eletrônico também suportado pela OTN. Essa rede de elevada capacidade conecta-se diretamente às redes de acesso ou redes coletoras ou de agregação, aptas a transportar de forma eficiente tráfego baseado em pacotes. Nesse contexto, substituem-se as soluções tradicionais baseadas em TDM (Time Division Multiplexing) por soluções mais adaptadas ao transporte de pacotes e que garantam qualidade de serviço. Essa mesma rede de alta capacidade metropolitana também deve fazer interface com as redes de transmissão regionais e interurbanas de longa distância. O trabalho dará especial atenção às topologias de rede de acesso e backbone metropolitano descritas acima, comparando arquiteturas e investimentos associados. / [en] This dissertation aims to evaluate the changes that are occurring in the telecom operators’ optical network infrastructures to suit to the new services offered to their customers. These services demand increasingly flexibility, reliability and capacity from all optical network layers, from access to long-haul and metropolitan backbone, including aggregation layer. On access, the main transformation is the extension of the optical fiber to points closer to the customers using PON (Passive Optical Networks) technologies in order to offer higher bandwidths. With this strategy it is possible to enable applications and services diversification, like interactivity high definition video. It is also verified important changes on the metropolitan backbone. It is observed the need of improving the transport capacity (multiple 40 Gbps or 100 Gbps wavelengths) using DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) and OTN (Optical Transport Network), with wavelength routing using ROADM (Reconfigurable Add-Drop Multiplexer) and electronic switching. This high-capacity network is connected directly to the access or aggregation networks, which are able to efficiently carry packet-based traffic. In this context, traditional solutions based on TDM (Time Division Multiplexing) are replaced by solutions best adapted for packet transport with reliable quality of service. This same high-capacity metropolitan network should also be connected with the regional and longhaul networks. This work will give special attention to the access network topologies and metro backbone described above, comparing architectures and related investments.

[pt] Esta tese apresenta um simulador para avaliação de desempenho de uma rede de acesso por rádio 5G. O simulador, Sama (1), permite definir os modelos de equipamentos das estações base com múltiplos setores e conformação de feixes (beamforming), os arranjos de estações base da rede, os equipamentos dos usuários, a distribuição de usuários na área de serviço, e pode empregar diferentes algoritmos de alocação dos recursos tempo-frequenciais, dentre outro parâmetros customizáveis. O simulador produz diversos indicadores de desempenho da rede de acesso, como condições de canal, taxas/capacidades de dados, latências, e satisfação dos usuários, em diversos níveis hierárquicos (por estações base, seus setores, ou feixes). As funcionalidades do simulador são demonstradas considerando diversos casos de uso de redes 5G. Propõe-se metodologias para alocação de posições de estações base, isto é, para encontrar bons arranjos de estações base. Propõe-se uma metodologia heurística baseada em critérios de projeto para redes de radiodifusão. Para redes de acesso celular apresenta-se uma metodologia baseada em agrupamentos (clusters) das posições dos UEs. Por fim, nesta tese, apresenta-se um algoritmo de alocação de recursos de tempo-frequência baseado em um critério de utilidade para alocar recursos tempo-frequenciais em redes de acesso por rádio 5G considerando as demandas de capacidade dos usuários. A partir da demanda individual de um terminal, estima-se qual a utilidade em servi-lo e, a partir disso, ordenam-se os terminais em um setor e alocam-se os recursos de tempo-frequência. O algoritmo de alocação de recursos apresentado obtém resultados competitivos e muitas vezes melhores que algoritmos de alocação conhecidos. / [en] This thesis presents a simulator for evaluating the performance of a 5G radio access network. The simulator, called Sama(2), allows for defining the equipment models of base stations with multiple sectors and beam forming,the arrangement of base stations in the network, the user equipment, the distribution of users in the service area, and can employ different algorithms for allocating time-frequency resources, among other customizable parameters. The simulator produces various performance indicators for the access network, such as channel conditions, data rates/capacities, latencies, and users satisfaction, at different hierarchical levels (per base stations, their sectors, or beams).The functionalities of the simulator are demonstrated considering different use cases for 5G networks. Methodologies are proposed for allocating base station positions, that is, finding good base station arrangements. A heuristic methodology based on design criteria (such as elevation, coverage of the region of interest, and interference between stations) is proposed for broadcasting networks. Meanwhile, for cellular access networks, a methodology based on clustering of UE positions is presented. Finally, this thesis presents a resource allocation algorithm based on a utility criterion to allocate time-frequency resources in 5G radio access networks considering the users capacity demands. Based on the individual demand of a terminal, the algorithm estimates its utility and orders the terminals in a sector to allocate the time-frequency resources accordingly. The presented resource allocation algorithm obtains competitive results and often out performs known allocation algorithms.