Το αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των πρωτοκόλλων κωδικοποίησης και μεταφοράς δεδομένων video και ήχου για δικτυακές εφαρμογές με επέκταση στο διαδίκτυο. Στη συγκεκριμένη εργασία δίνεται έμφαση στις εφαρμογές Voice Over IP (VoIP) και στη συμπεριφορά των πακέτων ήχου στο δίκτυο. Στα αρχικά κεφάλαια αναφέρονται οι βασικές αρχιτεκτονικές αποστολής πακέτων καθώς και τα τυποποιημένα πρωτόκολλα μεταφοράς (TCP/UDP) όπως έχουν θεσπιστεί από τους διεθνείς οργανισμούς. Στη συνέχεια γίνεται ανάλυση των βασικότερων κωδικοποιητών ήχου ομιλίας για τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές και αξιολόγησή τους. Τέλος αναπτύσσεται πρόγραμμα τεχνολογίας VoIP με τον κωδικοποιητή G.711 και εξετάζεται η συμπεριφορά της στο δίκτυο αλλά και η απόδοσή της.. Για την ανάπτυξη του προγράμματος χρησιμοποιήθηκε η γλώσσα C# για την οποία δίνονται πολλές λεπτομέρειες στο κεφάλαιο 12. Το σύνολο των προγραμμάτων που χρησιμοποιήθηκαν για τα διαγράμματα και την ανάλυση ήχου αναφέρονται επίσης στο ίδιο κεφάλαιο. / -

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη της τηλεπικοινωνιακής κίνησης σε οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος. Στα πλαίσια της αποτίμησης της απόδοσής τους, υπολογίζεται η πιθανότητα φραγής κλήσης (Call Blocking Probability) για ένα σύνολο δοσμένων διαδρομών. Αφού αρχικά γίνεται αναφορά στην ιστορία και την εξέλιξη της τεχνολογίας των οπτικών ινών και των οπτικών δικτύων, το θέμα της εργασίας επικεντρώνεται στα οπτικά δίκτυα σταθερής δρομολόγησης και σταθερής εναλλακτικής δρομολόγησης. Γίνεται χρήση δύο αναλυτικών μοντέλων υπολογισμού της πιθανότητας απωλειών σε αυτά: το μοντέλο Birman και το μοντέλο Sridharan-Sivarajan, τα οποία υλοποιούνται στη γλώσσα προγραμματισμού C. Τα αποτελέσματα των μεθόδων ανάλυσης για συγκεκριμένα παραδείγματα συγκρίνονται με αυτά της προσομοίωσης, που υλοποιείται με χρήση της γλώσσας προσομοίωσης SIMSCRIPT II.5. Επιπρόσθετα, εξετάζεται η τεχνική της ομοιοκαταχώρησης τηλεπικοινωνιακής κίνησης (Traffic grooming) με προσομοίωση της λειτουργίας οπτικών δικτύων που κάνουν χρήση της τεχνικής αυτής. / The main objective of this diploma thesis is the study of the telecommunication traffic in Wavelength-Routed Optical Networks. In the frames of their performance evaluation, Call Blocking Probabilities for given routes are calculated. Firstly, the history and evolution of optical fibers and optical networks are described. Followingly, the present thesis is focused in Wavelength-Routed Optical Networks for two routing schemes: Fixed Routing and Fixed Alternate Routing. Two analytical models are used for the calculation of blocking probabilities for these optical networks: Birman model and Sridharan-Sivarajan model, which are realized in C programming language. Afterwards, both these analytical techniques and the simulation, which is realised in SIMSCRIPT II.5 simulation language, are applied in particular examples and their equivalent results are compared. In addition, the Traffic-Grooming technique is examined by simulating the operation of optical networks which use this specific technique.

Pour estimer les puits et sources des gaz à effet de serre et améliorer les prévisions d’évolution du climat, il est nécessaire de disposer de mesures précises et continues de leurs concentrations atmosphériques à l’échelle globale. Pour consolider le réseau d’observation mondial, la mise en œuvre de systèmes lidar embarqués sur satellite pour les futures missions de sondage atmosphérique depuis l’espace est considérée comme un atout à la fois innovant et complémentaire pour les méthodes de mesure actuelles. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont porté sur le développement d’un lidar à absorption différentielle (DIAL) à partir d’une source paramétrique émettant dans la gamme spectrale 1,9 – 2,3 µm. Il s’est agi de démontrer l’aptitude de la source à être mise en œuvre pour des mesures longue portée des principaux gaz à effet de serre (CO2, H2O, CH4). Dans ce but, la source a été intégrée dans une architecture lidar dimensionnée préalablement à l’aide une modélisation numérique. L’optimisation de l’instrument s’est faite autour de deux points : le contrôle de la pureté spectrale de la source, et la maîtrise de la réponse de la chaine de détection et d’acquisition. Des mesures des trois gaz ont ensuite été réalisées depuis le laboratoire à partir du signal provenant de la rétrodiffusion des aérosols ou des nuages. Ces mesures ont servi de support pour une étude approfondie des erreurs et biais de mesure. À partir de ces travaux et en s’appuyant sur des simulations, la possibilité d’intégration de la source dans un système aéroporté a été étudiée comme étape préliminaire à la mesure spatiale. Enfin, une projection des performances d’un système satellite mettant en œuvre la source a été établie. / Sustained and accurate greenhouse gases measurements at a global scale are required to improve the knowledge on their sources and sinks and thus increase the accuracy of climate change projections. In order to consolidate the global observation networks, spaceborne lidar systems for future earth observation missions are regarded as innovative and complementary components to the present operational measurement methods. In this context, this research work has consisted in developing a differential absorption DIAL lidar based on an optical parametric source able to emit in the 1,9–2,3 µm spectral range. The purpose was to demonstrate its ability to be implemented in long range measurements of the main greenhouse gases (CO2, H2O, CH4). Then, the laser transmitter has been integrated in a lidar architecture which was previously designed using a numerical model. Improvements and optimization of the lidar system focused on two aspects: the monitoring of the spectral purity of the emitter and the control of the detection and acquisition. Concentration measurements on the three gases have been carried out from the laboratory based on atmospheric backscattered signals from clouds and aerosol. These measurements provided a basis for the investigation of the error and bias sources. On the basis of these measurements, instrument scaling for future airborne demonstrations is discussed. Projected performances of a spaceborne instrument are also presented.

Ο πιο σύγχρονος και περισσότερα υποσχόμενος τύπος οπτικών δικτύων, είναι τα οπτικά δίκτυα πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing – WDM). Τα δίκτυα αυτά διαθέτουν τεράστια χωρητικότητα και αναμένεται να αποτελέσουν τα μελλοντικά δίκτυα κορμού για τη μεταφορά μεγάλου όγκου δεδομένων. Η πλήρης αξιοποίηση της χωρητικότητας των WDM δικτύων, όμως, απαιτεί την επίλυση ειδικών θεμάτων που σχετίζονται µε τις ιδιαιτερότητες και τη φύση των WDM οπτικών δικτύων. Το σημαντικότερο ίσως από αυτά είναι το πρόβλημα της δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Routing and Wavelength Assignment – RWA), πάνω στο οποίο έχει αναπτυχθεί έντονη ερευνητική δραστηριότητα τα τελευταία χρόνια, το οποίο είναι NP-πλήρες. Ένα άλλο θέμα που χρήζει ιδιαίτερης προσοχής είναι οι εξασθενήσεις που υφίσταται ένα σήμα μέσα στο οπτικό δίκτυο. Όταν λοιπόν κάποιο σήμα διαδίδεται κατά μήκος ενός οπτικού μονοπατιού πέφτει η ποιότητα του εξαιτίας των φυσικών επιδράσεων που δέχεται. Οι φυσικές επιδράσεις κατά κανόνα μειώνουν τον λόγο σήματος προς θόρυβο (SNR), με αποτέλεσμα να αυξηθεί σημαντικά και η συχνότητα εμφάνισης λαθών (BER) στον κόμβο προορισμού. Αν η παραπάνω συχνότητα εμφάνισης λαθών είναι μεγαλύτερη από ένα καθορισμένο όριο, τότε το αίτημα δρομολόγησης θα πρέπει να απορριφθεί. Επομένως κατά την επίλυση του RWA προβλήματος θα πρέπει να ληφθούν υπόψη οι επιδράσεις που προκαλούνται στο σήμα λόγω των φυσικών χαρακτηριστικών του δικτύου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία έχει υλοποιηθεί ένας αλγόριθμος για την επίλυση του στατικού RWA, που βασίζεται στην μοντελοποίηση ενός γραμμικού προβλήματος (Linear Programming – LP). Κατά την μοντελοποίηση λαμβάνονται υπόψη οι πιο σημαντικές επιδράσεις, όπως η χρωματική διασπορά (Chromatic Dispersion – CD), η διασπορά τρόπου πόλωσης (Polarization Mode Dispersion – PMD), η ενισχυμένη αυθόρμητη εκπομπή (Amplifier Spontaneous Emission – ASE) και η αλληλεπίδραση γειτονικών καναλιών (crosstalk). Η επίδραση των τριών πρώτων παραμέτρων εξαρτάται αποκλειστικά από τα χαρακτηριστικά των συνδέσμων και μοντελοποιούνται σύμφωνα με αναλυτικούς τύπους, ενώ η επίδραση του crosstalk εξαρτάται από τον αριθμό των οπτικών μονοπατιών που διατρέχουν ένα σύνδεσμο. Προτείνεται επίσης μία συνάρτηση βελτιστοποίησης ώστε να προκύπτουν ακέραιες λύσεις με πολύ μεγάλη πιθανότητα από την επίλυση του LP (Linear Program) προβλήματος. Αυτός ο αλγόριθμος εφαρμόζεται σε ένα μητροπολιτικό δίκτυο και λαμβάνονται συγκριτικά αποτελέσματα για διάφορες παραμέτρους των φυσικών στοιχείων του δικτύου. / Wavelength division multiplexing (WDM) is a promising technology for faster and more reliable data communication networks. In a WDM network several optical signals are sent on the same fiber using different wavelength channels. Multiple WDM channels from different end users may be multiplexed on the same fiber. Traditionally only a small fraction of the fiber capacity is in use, but by using WDM it is possible to exploit this huge capacity more efficiently. Under WDM, the optical transmission spectrum is curved up into a number of non-overlapping wavelength bands, with each wavelength supporting a single communication channel operating at whatever rate one desires. WDM technology has been recognized as one of the key components of the future networks. Routing and wavelength assignment (RWA) is a crucial issue for WDM optical network designers. In wavelength routed WDM optical networks connections between terminal stations are established through the use of lightpaths. Given a WDM optical topology and a set of connection requests between pairs of source-destination terminal nodes, the problem of how to route all the lightpaths simultaneously, one per connection, and which wavelength should be assigned to each one of them, subject to minimizing network resources or maximizing traffic characteristics, arises; this is known as the Routing and Wavelength Assignment problem RWA. In transparent networks, the signal quality is subject to a variety of physical impairments, such as polarization mode dispersion (PMD), amplified spontaneous emission (ASE) noise and chromatic dispersion (CD) and crosstalk. These impairments are linearly modeled and handled effectively by a set of analytical formulas as additional constraints on RWA. We apply our algorithm to perform impairment-constraint based RWA, in order to obtain comparative results of a typical metropolitan network's performance under various network and impairment parameters, such as bit rate, amplifier gain and type, modulation format used, etc.

Η παρούσα διατριβή εστιάζεται σε οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα με σύμφωνο δέκτη, τετραδική διαμόρφωση φάσης και πολύπλεξη κατά πόλωση. Το κυριότερο πλεονέκτημα αυτών των συστημάτων σε σύγκριση με τα συμβατικά οπτικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα με δέκτες άμεσης φώρασης είναι οι αυξημένες δυνατότητες ψηφιακής επεξεργασίας σήματος στο δέκτη, που καθιστά εφικτή την εξίσωση των φαινομένων διάδοσης και την αποπολύπλεξη πόλωσης με ηλεκτρονικά μέσα. Μελετώνται διατάξεις ηλεκτρονικής επεξεργασίας σήματος. Η μελέτη διεξάγεται με χρήση προσομοίωσης με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή. Προτείνεται η χρήση δύο πρωτότυπων μεθόδων αποπολύπλεξης σημάτων πολυπλεγμένων κατά πόλωση, με πλεονεκτήματα ως προς την απόδοση, την αξιοπιστία και την ταχύτητα σύγκλισης σε σύγκριση με τις μεθόδους που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία Στη συνέχεια μελετάται η απόδοση των ηλεκτρονικών εξισωτών ελαχίστου μέσου τετραγώνου (least-mean square) και σταθερής περιβάλλουσας (constant modulus algorithm) στην εξίσωση της χρωματικής διασποράς και της διασποράς τρόπων πόλωσης, τόσο μεμονωμένα, όσο και από κοινού. Στη μελέτη μας συμπεριλαμβάνουμε το θόρυβο φάσης και την ενδιάμεση συχνότητα, αίροντας αντίστοιχες απλοποιήσεις που συνήθως γίνονται στη βιβλιογραφία. Ακολούθως αναφερόμαστε στο πρόβλημα του εκφυλισμού του πίνακα συντελεστών των εξισωτών ελαχίστου μέσου τετραγώνου και σταθερής περιβάλλουσας παρουσία έντονης διεξασθένησης. O πίνακας συντελεστών στον οποίο έχει συγκλίνει ο εξισωτής ονομάζεται εκφυλισμένος όταν παράγεται η ίδια απεσταλμένη ακολουθία συμβόλων και στις δύο εξόδους του εξισωτή. Προτείνουμε τη χρήση του πολυχρηστικού εξισωτή σταθερής περιβάλλουσας (multiuser constant modulus algorithm equalizer). Η λύση που προτείνεται έχει πλεονεκτήματα αξιοπιστίας και απλότητας σε σχέση με αντίστοιχες προτάσεις στη βιβλιογραφία, και αποδεικνύεται η άριστη απόδοσή της. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στο φαινόμενο της ανισοσταθμίας ορθογωνιότητας που παρατηρείται στα οπτικά συστήματα με σύμφωνους δέκτες και αποτελεί ένα φαινόμενο το οποίο, κατά κανόνα, παραβλέπεται στις μελέτες της βιβλιογραφίας και αποδεικνύεται το ότι οι συμβατικοί ηλεκτρονικοί εξισωτές δεν μπορούν να το αντιμετωπίσουν. Τέλος, παραθέτουμε αποτελέσματα από την επεξεργασία πραγματικών πειραματικών δεδομένων, για την επαλήθευση των συμπερασμάτων που προέκυψαν θεωρητικά. / This PhD dissertation focuses on optical communication systems utilizing coherent receiver, quadrature phase modulation and polarization multiplexing. Their main advantage compared to conventional systems is the ability to perform extended digital signal processing, in order to compensate for transmission effects and to successfully demultiplex polarization multiplexed signals. We study such DSP modules with the help of computer simulations. We propose two novel polarization demultiplexing algorithms, with advantages in performance reliability and convergence speed compared to conventional methods. One of the two methods utilizes training procedure, an approach not yet studied enough in the literature. Next, we study the performance of least mean square and constant modulus algorithm equalizers in mitigating chromatic dispersion and polarization mode dispersion, both separately and in combination. We include in our study phase noise and intermediate frequency offset, without the simplifications usually found in the literature. Next, we address the subject of equalizer degeneration, which describes the phenomenon when both equalizer outputs transmit one of the two polarization multiplexed signals. We propose the use of multi-user constant modulus algorithm, which is an enhanced version of the conventional constant modulus algorithm. We prove that our solution has excellent performance as well as reliability and simplicity advantages compared to other methods. Next, we prove that quadrature imbalance is a ubiquitous phenomenon that cannot be addressed with conventional electronic equalizers and should not be omitted as is often the case. Finally, we present results derived from the application of some of the proposed algorithms on real experimental data, and prove the consistency of the theoretical derived results.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση και αξιολόγηση της απόδοσης των οπτικών δικτύων μεταγωγής ριπών με την μέθοδο της προσέγγισης μειωμένου φορτίου. Η μέθοδος αυτή είναι αρκετά ευέλικτη για να προσαρμοστεί σε ένα οπτικό δίκτυο μεταγωγής οπτικών ριπών το οποίο υιοθετεί 4 διαφορετικά είδη πολιτικών και οι οποίες είναι η JET, η κατάτμηση ριπής, όπως επίσης και δυο πολιτικές προτεραιοτήτων. Η ακρίβεια της μεθόδου επιβεβαιώνεται από την προσομοίωση και τέλος οι διάφορες πολιτικές συγκρίνονται μεταξύ τους. Το πρώτο κεφάλαιο αυτής της εργασίας έχει αφιερωθεί στο να εισάγει τον αναγνώστη σε βασικές έννοιες σχετικά με τις οπτικές ίνες και τα οπτικά δίκτυα από την πρώτη έως την τρίτη γενιά. Αναφέρεται στα τρία είδη οπτικής μεταγωγής που υπάρχουν και ακολούθως γίνεται μια σύγκριση αυτών των τεχνολογιών οπτικής μεταγωγής. Στο δεύτερο κεφάλαιο αυτής της εργασίας, γίνεται μια πιο ενδελεχής ανάλυση των δικτύων δρομολόγησης με οπτικές ριπές και παρουσιάζονται όλοι οι απαραίτητοι μηχανισμοί για την ύπαρξη και άρτια λειτουργία αυτών των δικτύων. Αναλυτικότερα, παρέχονται πληροφορίες για την επίλυση θεμάτων ανταγωνισμού και την σηματοδοσία την συναρμολόγηση των ριπών. Στη συνέχεια, στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση της μεθόδου προσέγγισης μειωμένου φορτίου για κλασσικά τηλεφωνικά δίκτυα. Σκοπός είναι να αναλυθεί εκτενώς ο τρόπος με τον οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μέθοδος αυτή σε οπτικά δίκτυα μεταγωγής οπτικών ριπών και τι απαραίτητες αλλαγές πρέπει να γίνουν για την κάθε πολιτική που εφαρμόζεται ξεχωριστά. Παράλληλα, για κάθε πολιτική παρέχονται πίνακες με αποτελέσματα όπως και γραφήματα για να γίνουν πιο κατανοητά τα αποτελέσματα της μεθόδου. Έπειτα, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της εργασίας όπως και διάφορες προτάσεις για το πώς μπορεί να αξιοποιηθεί η κάθε πολιτική με τον καλύτερο τρόπο. Τέλος στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθενται οι κώδικες των αναλυτικών μοντέλων για κάθε μια από τις πολιτικές που χρησιμοποιήθηκε σε γλώσσα προγραμματισμού C, έτσι ώστε αν θέλει ο αναγνώστης να έρθει σε επαφή και με το προγραμματιστικό περιβάλλον του δικτύου που υλοποιήθηκε. / The subject of this Diploma Thesis is the analysis and evaluation of the performance of Optical Burst Switching Networks by using the method of reduced load approximation. This method is flexible enough to be adjusted to the type of networks mentioned above which normally adopt four different kinds of policies, like the JET policy, the burst segmentation policy and also two policies of priorities. Thus, the main goal of this project is the confirmation of the accuracy of this method by performing the necessary simulations in order to compare these different policies. The first chapter of the project is dedicated to the task of making the reader familiar with the basic elements of the science of optical fibers and optical networks in general, all the way from the very first generation of them to the third one that is widely used at present. During this chapter, the three types of optical switching networks are described. These types are further examined next, during the second chapter, where a thorough analysis of network routing with optical bursts is performed. In addition, all the necessary mechanisms for the existence and well-functioning of these networks are presented. Specifically, a wide range of information related to the solving of competition issues and signaling for the assembly of the bursts, is given. Then, during the third chapter, the method of reduced load approximation is presented for the classic telephony networks. This method can be used in optical burst switching networks, and different variations of it are used, according to each separate policy that is followed. Result tables accompanied by the appropriate charts are supplied in order to clarify the results of this method. Next, the results of this Diploma Thesis are aggregated and accompanied by proposals about reclaiming each policy the best way. In the last chapter, the programming codes of each analytical model of these four optical networks policies, expressed in the programming language C, are supplied, giving the reader the chance to get in touch with the programming environment that was used in order to derive the optical network that was simulated.

Cette thèse est axée sur le domaine de la communication optique sans fil en intérieur pour la surveillance de la santé basée sur des capteurs corporels. L’état de l'art des communications optique sans fil dans les domaines infrarouge, visible et UV ainsi que l'analyse des systèmes liés à la santé utilisant cette technologie ont été fournis. Cela a permis de définir les objectifs et l'orientation de cette thèse. Nous avons étudié l'utilisation de la technologie infrarouge pour la transmission de données entre un capteur porté par un patient et des récepteurs situés aux coins d'un panneau d'éclairage central au plafond de l'environnement. Un lien en visible a été utilisé pour la transmission de données du luminaire vers le patient portant un smartphone équipé d'un décodeur. Les principaux défis étaient la robustesse des liens infrarouge et visible en ce qui concerne la mobilité du patient et l'impact du corps de l'utilisateur en raison de l'emplacement du capteur. Les simulations de canaux réalisées grâce à la technique de Ray-Tracing associée à la méthode de Monte-Carlo ont permis de déterminer le gain de canal qui est le paramètre principal représentant la performance. En raison de la mobilité du patient, l'analyse a été réalisée de manière statistique et en tenant compte de différents emplacements du capteur sur le corps, de la cheville à l'épaule. Les paramètres physiques et géométriques optimaux relatifs aux émetteurs et aux récepteurs afin de garantir les meilleures performances ont été déduites. Il a été démontré qu’il est essentiel de modéliser la présence du corps pour les deux liaisons montante et descendante. Les performances globales du système ont mis en évidence le potentiel des transmissions sans fil entièrement optiques pour la surveillance médicale basée sur des capteurs corporels. Cela a été en partie confirmé par des expérimentations menées à partir de prototypes de capteur communicant en infrarouge et de produits commerciaux pour la liaison en visible. / This thesis is focused on the field of indoor optical wireless communication for health monitoring based on body sensors. The state of the art of optical wireless in the infrared, visible and UV domains as well as the analysis of health related systems using this technology have been provided. This helped to define the objectives and orientations of this thesis. We have studied the use of infrared technology for data transmission between a sensor worn by a patient and receivers located at the corners of a central lighting panel at the ceiling of the environment. A link in visible was used for the transmission of data from the luminaire to the patient carrying a smartphone equipped with a decoder. The main challenges were the robustness of the infrared and visible links with regard to patient mobility and the impact of the user's body due to the location of the sensor. The channel simulations performed using the Ray-Tracing technique associated with the Monte-Carlo method allowed determining the channel gain, which is the main parameter representing the performance. Due to the patient mobility, the analysis was performed statistically and taking into account different locations of the sensor on the body, from the ankle to the shoulder. The optimal physical and geometrical parameters for transmitters and receivers to ensure the best performance have been deduced. It has been shown that it is essential to model the presence of the body for both uplink and downlink. The overall performance of the system has highlighted the potential of fully optical wireless transmissions for medical surveillance based on body sensors. This has been partly confirmed by experiments carried out from infrared communicating sensor prototypes and commercial products for the visible link.

Κατά την διάδοση του σήματος στα οπτικά δίκτυα η ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος εξασθενεί λόγω των διαφόρων ειδών απωλειών που υπεισέρχονται κατά τη μετάδοση. Οι κυριότερες εξ’ αυτών είναι: ο θόρυβος λόγω των οπτικών ενισχυτών, η διαφωνία, η χρωματική διασπορά, η διασπορά τρόπων πόλωσης, η μείξη τεσσάρων κυμάτων, η αυτοδιαμόρφωση φάσης κτλ. Προκειμένου να επιτευχθεί αποδεκτή ποιότητα λαμβανόμενου σήματος στον δέκτη είναι απαραίτητη, ιδιαίτερα για μεγάλα μονοπάτια, η χρήση οπτικών 3R αναγεννητών σε κάποιους ενδιάμεσους κόμβους για την περιοδική αναμετάδοση του σήματος. Στην παρούσα διπλωματική εργασία σχεδιάζονται και υλοποιούνται στατικοί αλγόριθμοι δρομολόγησης και ανάθεσης μηκών κύματος για ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα. Συγκεκριμένα, θεωρώντας μια δικτυακή τοπολογία, έναν αριθμό διαθέσιμων μηκών κύματος, μια μήτρα κίνησης και μια (αραιή) τοπολογία 3R αναγεννητών για το εξεταζόμενο δίκτυο (ή εκφράζοντάς το διαφορετικά έναν αριθμό ελεύθερων πομποδεκτών για κάθε κόμβο του δικτύου) επιχειρείται η μεγιστοποίηση του αριθμού των συνδέσεων που μπορούν να επιτευχθούν, διατηρώντας παράλληλα την επιθυμητή ποιότητα μετάδοσης. Έτσι, το πρόβλημα της επιλογής της ακολουθίας των αναγεννητών μέσα από τους οποίους θα δρομολογηθεί η κάθε αδιαφανής αίτηση σύνδεσης, μοντελοποιείται σαν ένα πρόβλημα εικονικής τοπολογίας (virtual topology problem). Στην συνέχεια το πρόβλημα αυτό επιλύεται με τη βοήθεια μιας σειράς αλγορίθμων από πολύπλοκους που βασίζονται σε σχηματισμούς ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού (Integer Linear Programming – ILP) έως απλούστερους αλλά πάντα πρακτικούς ως προς την εύρεση λύσης, ευριστικούς αλγόριθμους. Ύστερα από την επιλογή της ακολουθίας των χρησιμοποιούμενων αναγεννητών για κάθε αδιαφανή αίτηση σύνδεσης, η μήτρα κίνησης μετασχηματίζεται σε μια ισοδύναμη διαφανή, όπου κάθε αδιαφανής αίτηση έχει αντικατασταθεί από μια σειρά διαφανών συνδέσεων που τερματίζουν και ξεκινούν από τους συγκεκριμένους 3R κόμβους αναγέννησης. Ακολούθως, εφαρμόζεται ένας διαφανής IA-RWA αλγόριθμος για τη μετασχηματισμένη μήτρα κίνησης, ενώ τυχόν συνδέσεις που μποκάρονται ύστερα από την εφαρμογή του διαφανή αλγορίθμου επαναδρομολογούνται χρησιμοποιώντας τους υπολοιπόμενους αναγεννητές. Η Ποιότητα Μετάδοσης (Quality of Transmission QoT) των δημιουργουμένων lightpaths υπολογίζεται με τη βοήθεια ενός εκτιμητή της παραμέτρου Q του κάθε lightpath. Για την μοντελοποίηση των φυσικών περιορισμών του δικτύου χρησιμοποιούνται αναλυτικές φόρμουλες. Η απόδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου υπολογίστηκε διεξάγοντας εξομοιώσεις για μια παραλλαγή του DTnet δικτύου εισάγοντας τη μοναδιαία μήτρα κίνησης. Η απόδοση του αλγορίθμου κρίνεται ικανοποιητική όχι μόνο για μεσαία, αλλά και για μεγάλης κλίμακας δίκτυα παρέχοντας βέλτιστες λύσεις. Το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου εκτέλεσης του αλγορίθμου, οφείλεται στον υπολογισμό του διαφανούς IA-RWA αλγόριθμου της δεύτερης φάσης. Σχετικά με την απόδοση των εξεταζόμενων αλγορίθμων της πρώτης φάσης, φαίνεται ότι ο αλγόριθμος που παρουσιάζει τα καλύτερα αποτελέσματα είναι αυτός που ελαχιστοποιεί τον μέγιστο αριθμό των χρησιμοποιούμενων αναγεννητών μεταξύ των διαφορετικών κόμβων αναγέννησης του σήματος. / Physical impairments in optical fiber transmission necessitate the use of regeneration at certain intermediate nodes, at least for certain lengthy lightpaths. We design and implement impairment-aware algorithms for routing and wavelength assignment (IA-RWA) in translucent optical networks. We focus on the offline version of the problem, where we are given a network topology, the available wavelengths, a traffic matrix and a (sparse) placement of 3R regenerators in the network (or, in a slightly different setting, the number of available transceivers at each network switch), and we aim at maximizing the number of connections served with adequate quality of transmission. We formulate the problem of choosing the sequence of regenerators to be used by non-transparent connections as a virtual topology design problem, and address it using various algorithms, ranging from an integer linear program (ILP) to simple heuristic algorithms. Once the sequence of regenerators to be used has been determined, we transform the traffic matrix by replacing non-transparent connections with a sequence of transparent connections that terminate and begin at the specified 3R intermediate nodes. Using the transformed matrix we then apply an IA-RWA algorithm designed for transparent (as opposed to translucent) networks to route the traffic. Connections that are blocked are re-routed using any remaining regenerator(s).

Τα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα οπτικών ινών χρησιμοποιούν την τεχνολογία WDM Wavelength Division Multiplexing) η οποία έχει κάνει εφικτή την αξιοποίηση – ως ένα βαθμό– του τεράστιου εύρους ζώνης της οπτικής ίνας. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας θα παρουσιαστούν οι τρεις βασικές οπτικές αρχιτεκτονικές μεταγωγής (οπτική μεταγωγή κυκλώματος –OCS–, οπτική μεταγωγή πακέτου –OPS–, οπτική μεταγωγή ριπής–OBS–) οι οποίες μετατρέπουν τη διαθέσιμη χωρητικότητα σε ωφέλιμο throughput. Ιδιαίτερη έμφαση θα δοθεί στην αρχιτεκτονική OBS, η οποία έχει τραβήξει το ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, σαν μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική της (ώριμης πλέον) αρχιτεκτονικής OCS. Συγκεκριμένα, θα διερευνηθεί η μετάδοση του TCP πρωτοκόλλου πάνω από OBS δίκτυα μέσα από λεπτομερείς προσομοιώσεις, και θα προταθούν κατάλληλες βελτιώσεις της αρχιτεκτονικής OBS. Ακόμα, θα περιγραφεί μια πρωτότυπη υβριδική αρχιτεκτονική οπτικής μεταγωγής ριπής. / Internet traffic has faced an exploding growth in recent years. The ever-growing demand for multimedia web services, as well as the advent of P2P technology, are driving core networks to their limits. This calls for the design of high capacity core networks, being able to serve the user’s high bandwidth requests. Optical networks have become a key part of the solution, mainly due to the vast capacity of optical fibers. Specifically, the advent of WDM technology has resulted in transmission capacities that have increased manifold in recent years. It is the router/switch throughput, however, that really transforms the raw bit rates into effective bandwidth. In this diploma thesis, we study the three basic optical architectures, that is Optical Circuit Switching (OCS), Optical Packet Switching (OPS) and Optical Burst Switching (OPS). Emphasis is given on OBS architecture, which has drawn research interest in recent year, as a possible replacement for the well-established OCS architecture. Specifically, we will study the transmission of TCP traffic over OBS networks through simulation, and propose modifications for the OBS architecture. Finally, a novel hybrid switch architecture will be proposed, combining the merits of OBS and OCS.

Στα δίκτυα επικοινωνιών, η δρομολόγηση περιλαμβάνει τον προσδιορισμό μιας πορείας μεταξύ των κόμβων της πηγής και του προορισμού για κάθε αίτημα σύνδεσης. Στρέφουμε την προσοχή μας στην κατηγορία των διαφανών (transparent) οπτικών δικτύων όπου, σε απάντηση σε ένα δεδομένο αίτημα κλήσης, εγκαθιδρύεται μια circuit-switched σύνδεση μεταξύ του κόμβου που έχει την απαίτηση κλήσης (πηγή) και του κόμβου που λαμβάνει αυτή την κλήση (προορισμός) σε ένα ενιαίο μήκος κύματος, υπό τον όρο ότι ένα ελεύθερο μήκος κύματος είναι διαθέσιμο σε όλους τους ενδιάμεσου συνδέσμους. Σε ένα διαφανές οπτικό δίκτυο που δρομολογείται βάσει του μήκους κύματος (wavelength routed), η πληροφορία μιας σύνδεσης μεταδίδεται πάνω από αμιγώς οπτικά μονοπάτια (lightpaths) στα οποία το μεταδιδόμενο σήμα παραμένει στο οπτικό πεδίο καθ’ όλη τη διάρκεια της διαδρομής που ορίζεται ανάμεσα στην πηγή και τον προορισμό. Οι παραδοσιακές προσεγγίσεις δρομολόγησης βρίσκουν μια πορεία που είτε ελαχιστοποιεί μια ορισμένη παράμετρο κόστους - όπως το μήκος της σύνδεσης ή των πόρων του δικτύων που χρησιμοποιούνται - ή μεγιστοποιούν την κυκλοφορία που εξυπηρετείται και καλούνται αλγόριθμοι Δρομολόγησης και Ανάθεσης Μήκους Κύματος (Routing and Wavelength Assignment - RWA). Το RWA πρόβλημα εξετάζεται συνήθως κάτω από δύο εναλλακτικές τοποθετήσεις. Η Στατική ή Offline εγκαθίδρυση lightpath που εξετάζει την περίπτωση όπου το σύνολο των συνδέσεων είναι γνωστό εκ των προτέρων και εξυπηρετείται από κοινού. Η Δυναμική ή Online εγκαθίδρυση lightpath εξετάζει την περίπτωση όπου τα αιτήματα σύνδεσης φθάνουν τυχαία χρονικές περιπτώσεις και εξυπηρετούνται ένα προς ένα. Σε αυτήν την μελέτη θα εστιάσουμε στο Online RWA πρόβλημα. Οι περισσότεροι από τους RWA αλγορίθμους υποθέτουν λειτουργία σε ιδανικό φυσικό επίπεδο μετάδοσης όπου μόλις προσδιοριστεί μια διαθέσιμη πορεία και ένα μήκος κύματος, η σύνδεση είναι εφικτή. Όμως στα διαφανή οπτικά δίκτυα, η ποιότητα του σήματος υποβαθμίζεται λόγω εξασθενίσεων (impairments) στο φυσικό επίπεδο που κάνει αδύνατη τη δρομολόγηση (physical-layer blocking). Ως εκ τούτου, απαιτούνται αλγόριθμοι δρομολόγησης που να λαμβάνουν υπ’ όψιν τους περιορισμούς εξασθένισης (impairment aware RWA) προκειμένου να εξασφαλιστεί το γεγονός ότι οι συνδέσεις είναι εφικτές αλλά και με ικανοποιητική ποιότητα μετάδοσης (Quality of Transmission - QoT). Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητο να συνυπολογιστούν τόσο η κατάσταση του δικτύου όσο και η φυσική απόδοση της σύνδεσης. Σε ένα οπτικό δίκτυο που δρομολογείται βάσει του μήκους κύματος το οποίο εκτείνεται σε μεγάλη γεωγραφική περιοχή, ένα οπτικό σήμα μπορεί να μεταβεί σε διάφορους ενδιάμεσους κόμβους και μεγάλα τμήματα ινών. Οι προοδευτικά αυξανόμενες απώλειες του σήματος σε όλους τους ενδιάμεσους κόμβους και τα μεγάλα τμήματα ινών απαιτούν τη χρήση οπτικών ενισχυτών σε στρατηγικές θέσεις στο δίκτυο, ενδεχομένως σε κάθε κόμβο και μέσα στις ίνες, αλλά και Optical Cross Connect Switches (OXC). Δυστυχώς, οι ενισχυτές και οι OXC μπορεί να εισάγουν σημαντικές εξασθενίσεις στη μετάδοση, όπως η παραγωγή crosstalk, ενισχυμένου αυθόρμητου θορύβου (Amplified Spontaneous Emission - ASE), κορεσμού και εξάρτησης από το μήκος κύματος του κέρδους των ενισχυτών, που κάνει το κέρδος μια ποσότητα μη ντετερμινιστική και εξαρτώμενη από την κυκλοφορία της πληροφορίας. Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι να προσδιοριστεί αυτή η σχέση εξάρτησης μεταξύ του κέρδους των ενισχυτών και του μήκους κύματος που χρησιμοποιείται για την εξυπηρέτηση της απαίτησης από τον κόμβο πηγής στον κόμβο προορισμού. Πιο συγκεκριμένα, το κέρδος, με το οποίο ενισχύεται το σήμα κατά τη μετάδοσή του, εξαρτάται από το την ισχύ εισόδου του ενισχυτή, δηλαδή το πλήθος των μηκών κύματος που μπορεί να ενισχύσει ο εκάστοτε ενισχυτής. Επομένως, θέλουμε οι αλλαγές στα κέρδη των ενισχυτών ανάλογα με τo πλήθος των μηκών κύματος που χρησιμοποιούνται σε κάθε κόμβο να συνυπολογίζονται κατά τη διάρκεια εύρεσης των μονοπατιών και της δρομολόγησης των αιτήσεων. Για την επίτευξη αυτού δημιουργήθηκε μια επέκταση ενός ήδη υπάρχοντος αλγορίθμου δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος πολλαπλών κριτηρίων (Multicost Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment – IA-RWA) που λαμβάνει υπ’ όψιν του εκτός από τις εξασθενίσεις από το φυσικό επίπεδο κατά τη μετάδοση και τις αλλαγές στα κέρδη των ενισχυτών. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος ονομάζεται αλγόριθμος δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος πολλαπλών κριτηρίων με περιορισμούς ισχύος (Multicost Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment with Power Constraints – IA-RWA with Power Constraints). Για την εξυπηρέτηση μιας σύνδεσης, βρίσκει μια πορεία και ένα ελεύθερο μήκος κύματος, που να μην επηρεάζει αρνητικά το κέρδος των ενισχυτών της πορείας αυτής, ώστε να έχει αποδεκτή ποιότητα μετάδοσης, βάσει του τρέχοντος βαθμού χρήσης (utilization) του δικτύου, που αλλάζει όσο νέες συνδέσεις εγκαθιδρύονται ή απελευθερώνονται. Ο IA-RWA with Power Constraints αλγόριθμος ακολουθεί τις ίδιες δυο φάσεις ανάπτυξης για την ανάθεση και δρομολόγηση με τον IA-RWA αλγόριθμο. Στην πρώτη φάση, ο αλγόριθμος βρίσκει το σύνολο των επιτρεπτών για την απαιτούμενη QoT πορειών από τη δεδομένη πηγή σε όλους τους κόμβους του δικτύου, συμπεριλαμβανομένου και του προορισμού. Στη δεύτερη φάση, εφαρμόζεται μια συνάρτηση βελτιστοποίησης στο διάνυσμα δαπανών (cost vector) των πορειών, που είναι αυτό που θα πρέπει να κρατά πληροφορίες σχετικές με τις αλλαγές στα κέρδη των ενισχυτών, προκειμένου να βρεθεί η βέλτιστη λύση. Η προσθήκη που επιτυγχάνει το σκοπό μας είναι ο υπολογισμός του κέρδους των ενισχυτών σε όλους τους συνδέσμου του δικτύου πριν την πρώτη φάση του αλγορίθμου αλλά στο τέλος της δεύτερης, όπου εκεί γίνεται ουσιαστικά ένας έλεγχος για τον τρόπο με τον οποίο επηρεάζει η εγκαθίδρυση της νέας αίτησης τις ήδη υπάρχουσες. Με απώτερο στόχο στην περίπτωση της μείωσης του QoT τη φραγή (blocking) ή την επαναδρομολόγηση (rerouting) της αίτησης. Στα Κεφάλαια που θα ακολουθήσουν θα γίνει μια εκτενής παρουσίαση όλων των στοιχείων που συνθέτουν το Online RWA πρόβλημα. Στο Κεφάλαιο 1 θα αναπτυχθεί η τεχνική της Πολυπλεξίας με Διαίρεση Μήκους Κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM), στο Κεφάλαιο 2 θα περιγραφούν οι φυσικές εξασθενίσεις που συνυπολογίζονται κατά τη διαδικασία της δρομολόγηση και ανάθεσης μήκους κύματος. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι οπτικοί ενισχυτές και ο τρόπος λειτουργίας τους. Στο Κεφάλαιο 4 αναλύουμε τους παράγοντες που βοηθούν στον υπολογισμό της ποιότητας μετάδοσης της πληροφορίας. Τέλος, στα Κεφάλαια 5 και 6 γίνεται η ανάλυση του RWA προβλήματος, του αλγορίθμου που αναπτύχθηκε αλλά και ανάπτυξη των πειραματικών αποτελεσμάτων. / In communication networks, routing involves the identification of a path between the source and destination nodes for each connection request. We focus our attention on the class of transparent optical networks wherein, in response to a given call request, a circuit-switched connection is established between the calling (source) and the called (destination) nodes on a single wavelength, provided a free wavelength is available over the desired lightpath. In a transparent wavelength-routed optical network, the information of connection is transmitted above purely optical paths (lightpaths) in which any transmitted signal remains in the optical domain over the entire route assigned to it between its source and destination nodes. Traditional routing approaches find a path that either minimizes a certain cost parameter - such as the length of the connection or the network resources used – or maximize the traffic served and are called Routing and Wavelength Assignment (RWA) algorithms. The RWA problem is usually considered under two alternative settings. Static or Offline lightpath establishment addresses the case where the set of connections is known in advance and are jointly served. Dynamic or Online lightpath establishment considers the case where connection requests arrive at random time instances and are served on a one-by-one basis. In this study we will focus on the online RWA problem. Most of the RWA algorithms assume an ideal physical layer transmission that once an available path and wavelength have been identified, the connection is feasible. However, in all-optical transparent network, the quality of the signal degrades due to physical layer impairments which make routing unfeasible (physical-layer blocking). Hence, impairment-constraint-based routing is needed in order to ensure that the connections are feasible with acceptable Quality of Transmission (QoT). To do this, it is necessary to consider not only the network-level conditions but also the equally important physical performance of the connection. In a wavelength-routed optical network spanning a large geographical area, an optical signal may traverse a number of intermediate nodes and long fibre segments. The progressive losses incurred by the signal in all intermediate nodes and long fibre segments necessitate the use of optical amplifiers at strategic locations in the network, possibly at each node and within the fibre segments, and optical cross connect switch (XCS). Unfortunately, the XCS and the amplifiers may introduce significant transmission impairments, such as crosstalk generation, generation of amplified spontaneous emission (ASE) noise, saturation and wavelength dependence of amplifiers gain, making the gain a traffic-dependent nondeterministic quantity. Aim of particular work is to determine this relation of dependence between the amplifiers’ gain and the wavelength that is used to serve the request from the source node to the destination node. More concretely, this gain, with which is amplifies the transmission signal, depends on the input power of the amplifiers. Consequently, we want the changes of the amplifiers’ gain, which depend on the number of wavelengths that are used in each node, to be taken into account when requests are routed. For the achievement of this, we created an extension of the Multicost Impairment-Aware Routing and Wavelength Assignment algorithm (IA-RWA) that takes under consideration, apart from the impairments on the physical layer during transmission, the changes of the amplifiers’ gain. The proposed algorithm is called Multicost Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment with Power Constraints (IA-RWA with Power Constraints). To serve a connection, the algorithm finds a path and a free wavelength, which does not degrade the amplifier gain of the chosen path, so as to have acceptable quality of transmission (QoT) performance according to the current utilization of the network, which changes as new connections are established or released. The IA-RWA with Power Constraints algorithm follows the same two phases for the routing and wavelength assignment with the IA-RWA algorithm. In the first phase, the algorithm finds the total number of paths with the required QoT, from the given source to all nodes of the network, included the destination. In the second phase, is applied an optimization function in the cost vector of the paths so as to find the most optimal solution. The addition that achieves our aim is the calculation of amplifiers’ gain in all nodes of the network before the first phase of algorithm but also and at the end of the second phase, where substantially checks the way that the establishment of new request influences the already existing. With final objective the blocking of the new connection in the case where the QoT is reduced or the rerouting of the request. In the following Chapters there will be an extensive presentation of all elements that compose Online RWA problem. In Chapter 1 will be developed the technique of Wavelength Division Multiplexing (WDM), in Chapter 2 will be described the physical impairments that are taken under consideration in routing and wavelength assignment procedure. In Chapter 3 are presented the optical amplifiers and their operation. In Chapter 4 we analyze the factors that are used in order to calculate the quality of transmission of a signal. Finally, in Chapter 5 and 6 we analyze the RWA problem, the algorithm that was developed but also the presentation of the experimental results.