Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre des télécommunications optiques à haut-débit sur courtes distances. L'ère numérique dans laquelle nous vivons pousse les architectures actuelles à évoluer aussi rapidement que le besoin en débit. Les réseaux d'accès et data-centers doivent d'ores et déjà évoluer, notamment au niveau des composants et sous-systèmes chargés de détecter les signaux optiques après leur transmission : les photorécepteurs. La montée en débit à 40 Gb/s et au-delà est limitée par l'architecture actuelle des photorécepteurs dont l'interfaçage entre ses deux fonctions primaires (photodétection[PD]/amplification[TIA]) limite la bande passante. Les solutions présentées, visant à limiter la parallélisation multi-longueurs d'onde des composants et ainsi les coût de déploiement, proposent d'augmenter la rapidité des modules photorécepteurs en optimisant leur architecture. Deux axes d'optimisation sont alors proposés au niveau du photorécepteur : Une approche co-packaging ayant pour objectif de considérer les deux fonctions clés du photorécepteur comme des boîtes noires auxquelles il convient d'ajouter un circuit externe permettant d'augmenter la bande passante, et une approche co-design visant à concevoir un nouveau circuit amplificateur transimpédance (TIA) intégrant directement une fonction de pré-égalisation adaptée à la photodiode permettant de repousser la fréquence de coupure du récepteur. / This thesis falls within the scope of high-speed short-reach optical communication where the growing need in data transfer forces the current architectures to evolve as quickly. Acces network and data-center components and subsystems must follow this growth, especially on the photoreceiver side. 40 Gb{s and beyond high-speed communications are limited by the current photoreceiver architecture, which, due to the integration of both of its main functions (photodetection[PD]/amplification[TIA]), limits the maximum achievable bandwitdh. In order to reduce the amount of components and price caused by multi-architectures, photoreceivers bandwidth must be increased. Two solutions are proposed so that the photoreceiver performances can be optimized : A co-packaging approach in which both main functions of the photoreceiver are considered as black boxes to which must be added an external circuit allowing to increase the bandwidth, and a co-design approach in which a new transimpedance amplifier (TIA) is designed, integrating a pre-equalizing function based on the photodiode characteristics, allowing an enhancement of the photoreceiver bandwitdh.

Les systèmes de communication FSO sont des candidats potentiels pour de solutions de transmission spatiale à large bande. C’est pourquoi la présente thèse s’inscrit dans une contribution d’une nouvelle architecture de réseau FSO dans le cas d’une liaison de communication entre un satellite géostationnaire et une station terrienne. Elle traite aussi de l’influence de l’angle zénithal sur la qualité de la liaison optique en raison de la variation de la scintillation due à la complexité de l’atmosphère. Nous avons établi un nouveau canal de communication tenant compte de la subdivision de l’atmosphère en deux grandes zones de turbulence. Pour améliorer la performance de la liaison, nous avons d’abord placé un relais AF optiques ente le satellite et la station terrienne, ensuite nous avons introduit un paramètre construit `a partir de valeurs : p et 1-p. Le paramètre p correspond au ratio de la distance entre la station terrienne et le relais sur la distance de 36 000 Km correspondant a` l’orbite GEO. Dans notre cas, le relais est placé a 1000 Km a l’exosphère, le paramètre p = 1/36 et enfin la technique de diversité spatiale est appliquée en réception. Les résultats de simulation ont confirmé que les architectures des systèmes proposés sont meilleures que les performances de liaisons optiques directes. / Free space optical systems are potential candidates of large band spatial transmission solutions. In this thesis, FSO network architecture in the case of geo- stationary satellite to earth communication link is investigated and the influence of zenith angle on the quality of the link has been evaluated. Because of the variation of scintillation due to the complexity of the atmosphere, the optical space to earth communication link channel model has been developped. In order to overcome the main limitations of the prop- agation, optical relays with low earth orbit satellites and spatial diversity on earth could improve the link performance. To improve the link performance, an aggregated simulation model turbulence has been built based on parameters ”p” and ”1-p” introduced in the combined model a↵ecting the considered channels. The parameter ” p ” corresponds to the ratio of the distance from the earth to the relay over the total distance of 36 000Km. In the case of 1000 Km for a relay in the exosphere, p = 1/36. Simulation results show that the proposed network system architecture has outperformed the direct link performance

Στις μέρες μας, οι αυξανόμενες απαιτήσεις για υπηρεσίες υψηλού φασματικού εύρους ζώνης επιβάλλουν την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών στο σχεδιασμό των δικτύων νέας γενιάς, ικανές να προσφέρουν α) χαμηλό κόστος κατά το σχεδιασμό του συστήματος, β) μεγάλη απόσταση μετάδοσης, γ) πολλοί χρήστες και δ) υψηλό εύρος ζώνης στην πλευρά του χρήστη για την παροχή των νέων υπηρεσιών. Ωστόσο, τα οπτικά δίκτυα λόγω των αναλογικών χαρακτηριστικών των οπτικών σημάτων τους, υποφέρουν από γραμμικές και μη γραμμικές παραμορφώσεις. Αυτές οι παραμορφώσεις επηρεάζουν άμεσα την απόδοση των συστημάτων και η επίδραση τους αυξάνει με την αύξηση του ρυθμού μετάδοσης. Παραδοσιακά χρησιμοποιούνται οπτικοί τρόποι για την εξομάλυνση των παραμορφώσεων. Ωστόσο, η ραγδαία ανάπτυξη στον τομέα των ηλεκτρονικών αναδεικνύει την ηλεκτρονική εξομάλυνση των παραμορφώσεων ως μία ευέλικτη, χαμηλού κόστους ολοκληρωμένη και βιώσιμη λύση που αποφεύγει τις επιπρόσθετες οπτικές απώλειες. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η εξομάλυνση με αποδοτικό τρόπο των πιο σημαντικών παραμορφώσεων (χρωματική διασπορά, αυτοδιαμόρφωση φάσης και φαινόμενο αλληλουχίας φίλτρων) που δημιουργούνται στα οπτικά δίκτυα και ειδικότερα στα μητροπολιτικά δίκτυα, στα δίκτυα πρόσβασης, και στα παθητικά δίκτυα. Από σχεδιαστικής πλευράς του συστήματος, αυτή η διατριβή προτείνει τη βέλτιστη χρησιμοποίηση λύσεων χαμηλού κόστους, ικανές να επεκτείνουν (σε ρυθμό μετάδοσης και απόσταση) την χρησιμοποίησή τους σε οπτικά δίκτυα νέας γενιάς. Πιο συγκεκριμένα, η απόδοση της ηλεκτρονικής αντιστάθμισης μελετάται για συστήματα που χρησιμοποιούν χαμηλού κόστους, συμβατικούς πομπούς laser άμεσης διαμόρφωσης (DML), που οδηγούνται στα 10 Gb/s. Σκοπός σε αυτήν την περίπτωση είναι η αύξηση της απόστασης και του ρυθμού μετάδοσης που μπορεί να επιτευχθεί, εξομαλύνοντας τις παραμορφώσεις που δημιουργούνται εξαιτίας των χαρακτηριστικών των πομπών και αυτών που δημιουργούνται κατά τη μετάδοση του σήματος (χρωματική διασπορά, αυτοδιαμόρφωση φάσης και φαινόμενο αλληλουχίας φίλτρων) με την βέλτιστη χρησιμοποίηση ηλεκτρονικού εξισωτή. Επιπλέον, όσον αφορά τα παθητικά δίκτυα πρόσβασης νέας γενιάς, μελετάται μία αποδοτική και χρήσιμη τεχνική, χρησιμοποιώντας τα πλεονεκτήματα της χρήσης του ηλεκτρονικού εξισωτή στην πλευρά του δέκτη (OLT). Η πειραματική μελέτη εστιάζει στα παθητικά οπτικά δίκτυα (PON) στα 10 Gb/s χρησιμοποιώντας χαμηλού κόστους, χαμηλού εύρους ζώνης RSOA στην πλευρά του χρήστη (ONU), και ηλεκτρονικό εξισωτή στην πλευρά του δέκτη (OLT). Αυτή η τεχνική προσφέρει την απαιτούμενη ευελιξία για την προσαρμογή στις καινούργιες συνθήκες του συστήματος και την υλοποίηση των απαιτήσεων (πολύ μεγάλες αποστάσεις μετάδοσης, αριθμό χρηστών και ρυθμό μετάδοσης), ενώ ταυτόχρονα μπορεί και εκπληρώνει τις απαιτήσεις χαμηλού κόστους στην ανάπτυξη των μελλοντικών δικτύων πρόσβασης νέας γενιάς. / Nowadays, the rapid increase in bandwidth demanding services imposes new technological directions in the design of next generation optical networks with the purpose to achieve: a) reduced cost, b) larger transmission distances, c) larger number of users and d) higher bandwidth connectivity to the end user. However, due to the analogue nature of the optical signals, the optical networks suffer from a variety of linear and non-linear impairments. These impairments have a direct impact in the signal’s bit error rate performance, while their effect increases as bit rate increases. The compensation of impairments has been traditionally performed by optical means. However, the rapid increase in available electronic processing power has made electronic mitigation of impairments a viable option, leading to an adaptive, low cost and integrated solution which avoids additional optical losses. The goal of this thesis is to study the effective mitigation by electronic means of the most important impairments (i.e. chromatic dispersion, self phase modulation and filter concatenation) that are related with optical networks and particularly metropolitan, access and passive optical networks. From the network (and system) design point of view, this study proposes the optimum use of certain low cost solutions able to extend (in bit rate and coverage) the applicability of next generation optical networks. More specifically, the effectiveness of electronic equalization is examined for systems utilizing low cost, conventional directly modulated laser (DML) sources that are operated at 10 Gb/s. The purpose in this case is to extend the reach and operating data rate of these systems by mitigating the transmission limiting effects due to the source characteristics and the link impairments (dispersion, self-phase modulation, and filter concatenation) with the optimum use of electronic equalization. Moreover, with respect to next generation optical access networks an effective and useful design approach on PON systems is fully investigated, by using the benefits of electronic equalization at the receiver side (ΟLT). This experimental system studies are focusing on PON systems operated at 10 Gb/s by using low cost and low bandwidth RSOAs at the ONU side assisted by electronic equalization at the receiver (ΟLT). This technique offers the required flexibility for the optimum adaptation on the specific network characteristics (in terms of covered distance, number of users and bit rate) and additionally meets the requirements for the development and further extension of future low cost optical access networks.

Ce mémoire décrit la conception d’un dispositif, communicant sans fil, estimant la dépense énergétique liée à une activité physique (DEAP) de patients présentant de faibles niveaux d’activité physique (post-AVC) dans un milieu sensible comme les hôpitaux en associant fiabilité et sécurité. La nécessité d’une nouvelle conception s’appuie sur les résultats d’études préalables et de tests des dispositifs commercialisés dans ce domaine basés sur des accéléromètres. Pour limiter l’impact des radiofréquences, nous utilisons une technologie optique sans fil avec un émetteur porté par le patient en mouvement (plateforme existante associée à un accéléromètre et un système d’émission par diode infrarouge) et des récepteurs fixés au plafond reliés via Ethernet à un ordinateur distant permettant l’analyse des données. La probabilité de coupure d’un lien mobile en optique sans fil par transmission diffuse a été établie théoriquement en considérant un débit faible et une haute qualité de service classique dans le domaine médical. La mesure du nombre de pertes de trame durant la communication a permis de valider les performances théoriques de la technologie optique sans fil et d’établir la fiabilité de ce type de transmission infrarouge en fonction du nombre de récepteurs. Le calcul de la DEAP a été effectué à partir d’un pré-étalonnage sur deux personnes en comparant les résultats obtenus avec ceux donnés par calorimétrie et ceux donnés par un dispositif commercial. Nous avons optimisé l’étalonnage en réalisant un protocole d’essais avec un échantillon de personnes plus vaste puis avec un échantillon de onze personnes post-AVC pour valider le prototype. / This thesis describes the design of a wireless device, communicating and estimating the energy expenditure (EE) related to physical activity of patients with low levels of physical activity (post stroke) in a sensitive environment such as hospitals by combining reliability and safety. The necessity of a new device is based on the results of preliminary studies and tests of commercially available devices (for the same use) based on accelerometers. To limit the impact of radio frequencies, we use optical technology with a wireless transmitter worn by a mobile patient (existing platform combined with an accelerometer and a system of transmission with infrared diode) and receiver fixed on the ceiling and connected via Ethernet to a remote computer for data analysis. The outage probability of a mobile wireless diffuse optical transmission was theoretically established by considering a low speed and a high quality of service in the conventional medical area. Measuring the number of frame losses during communication validates the theoretical performance of the optical wireless technology and proves the reliability of this type of mobile infrared transmission according to the number of receivers. The calculation of the EE has been performed on a pre-calibration from two people by comparing the results with those given by calorimetry and those given by a commercial device. We optimized the calibration by performing a test protocol with a larger sample of people and with a sample of eleven stroke people to validate the prototype.

Cette thèse s’intéresse à l’utilisation de techniques de communications bidirectionnelles par optique sans fil pour le suivi à distance des données médicales d’un patient. Plus précisément, un lien infrarouge est considéré pour la voie montante entre un dispositif porté par le patient et plusieurs récepteurs disposés au plafond. Pour la voie descendante, on étudie un lien en lumière visible, lié aux sources d’éclairage de l’environnement. Afin d’illustrer le potentiel de la technologie pour ce type d’application, la contribution principale est l’étude des performances des canaux de communication infrarouge et visible en considérant le fait que le dispositif est porté par un patient en mouvement dans l’environnement. Après la description générale des communications par optique sans fil, les principes de base et les différentes caractéristiques sont plus particulièrement détaillés dans le domaine du visible dont le composant clé est la source LED pour la double fonction d’éclairage et de communication. La méthode utilisée pour la simulation du canal optique sans fil est basée sur un logiciel de lancer de rayons associé à la technique de Monte-Carlo qui permet une modélisation complexe du scénario de télésurveillance. L’étude du canal en visible a ainsi montré que pour prédire les performances avec fiabilité, il était important de modéliser la présence du corps du patient ainsi que les variations induites par son mouvement sur la position et l’orientation du dispositif porté. De plus, l’impact des propriétés de réflectivité optique du corps ne peut être négligé. La performance globale du lien bidirectionnel Infrarouge/Visible a ensuite été discutée en termes de probabilité de rupture pour les différentes contraintes en débit et en qualité de service associées à la plupart des applications médicales. Les différents résultats illustrent la faisabilité du scénario étudié et donc le potentiel de l’optique sans fil en alternative aux radiofréquences pour des applications de télésurveillance médicale. Pour conclure, des expérimentations en infrarouge permettent de valider les résultats du lien montant. Pour le lien descendant, un premier banc expérimental est présenté, permettant d’envisager de nombreuses perspectives. / This thesis focuses on bidirectional optical wireless communication techniques for the indoor monitoring of medical patient data. More precisely, the uplink uses infrared transmissions between a device carried by the patient and several receivers dispatched on the ceiling. For the downlink, the study deals with Visible Light Communications (VLC) using the lighting of the environment. In order to illustrate the potential of this technology for medical monitoring, the main contribution of this study consists in the evaluation of the infrared and visible channel performance considering a wearable device and patient mobility in the environment. After a general description of optical wireless communications, the thesis focuses on basic principles and characteristics of VLC, in particular the LED which is the key component allowing to provide both lighting and communication. The method used for the optical channel simulation is based on ray-tracing method associated with Monte-Carlo technique permitting a complex modeling of the studied scenario. From VLC channel study, it is shown that in order to carefully predict performance, it is important to model the presence of the patient’s body and to consider the variations induced by its movement on the position and the orientation of the wearable device. Moreover, the impact of body’s reflectivity optical properties cannot be neglected. The overall performance of the Infrared/Visible bidirectional link is then discussed in terms of outage probability for several data rates and qualities of services corresponding to several medical data types. The results highlight the feasibility of the considered monitoring scenario and the potential of optical wireless communication as an alternative for radiofrequencies regarding remote transmission. To conclude, some experimentations contribute to validation for the infrared uplink. Finally, the development of an experimental test bed on the visible downlink opens the way for future tests in order to validate the overall theoretical performances.

Au cours de la dernière décennie, les communications optiques en espace libre (FSO) ont pris de l’ampleur dans les deux domaines académiques et industriels. L’importance de FSO s’appuie sur la possibilité de faire un système de transmission économique et écologique avec un débit élevé et sans licence à l’opposition des systèmes de transmission radiofréquences (RF). Dans la plupart des travaux antécédents sur les systèmes multi-émetteurs, seulement les canaux décorrélés ont été considérés. Un canal décorrélé nécessite un espace suffisant entre les émetteurs. Cette condition devient difficile et non-réalisable dans certaines applications. Pour cette raison, nos études se focalisent sur les performances des codes à répétition RC (Repitition Codes) et les codes OSTBC (Orthogonal Space-Time Block Codes) dans des canaux log-normaux corrélés en utilisant une modulation d’intensité et une détection directe (IM/DD). En addition, les effets des différentes conditions météorologiques sur le taux d’erreur moyen (ABER) sont étudiés. Les systèmes FSO à multi-entrées/ multi-sorties MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) avec une modulation SSK (Space Shift Keying) ont été abordés. Les résultats obtenus montrent que la SSK est supérieure aux RC avec une modulation d’impulsion (Multiple Pulse Amplitude Modulation) pour toute efficacité spectrale égale ou supérieure à 4 bit/s/Hz. Nous avons aussi analysé les performances d’un système à sauts multiples (Multi-Hop) et des relais à transmission directe (forward relays). Nos simulations montrent que le système ainsi considéré est efficace pour atténuer les effets météorologiques et les pertes géométriques dans les systèmes de communication FSO. Nous avons montré qu’un tel système avec plusieurs entrées et une sortie (MISO, i.e. multiple-input single-output) à sauts multiples est supérieur à un système MISO avec un lien direct (direct link) avec une forte atténuation. Pour satisfaire la demande croissante des réseaux de communication à débits élevés, la communauté scientifique s'intéresse de plus en plus aux systèmes FSO avec des relais full-duplex (FD). Pour ces derniers systèmes, nous avons étudié la probabilité d'erreur moyenne (ABER) et nous avons analysé leurs performances. En considérant des différentes conditions de transmission, les performances de relais FD ont été comparées à celles d'un système avec un lien direct ou des relais half-duplex. Les résultats obtenus montrent que les relais FD ont le minimum ABER. En conséquence, les résultats obtenus dans cette thèse sont très prometteurs pour la prochaine génération de FSO. / Free-space optical (FSO) communication has been the subject of ongoing research activities and commercial attention in the past few years. Such attention is driven by the promise of high data rate, license-free operation, and cheap and ecological friendly means of communications alternative to congested radio frequency communications. In most previous work considering multiple transmitters, uncorrelated channel conditions have been considered. An uncorrelated channel requires sufficient spacing between transmitters. However, this can be difficult and may not be always feasible in some applications. Thereby, this thesis studies repetition codes (RCs) and orthogonal space-time block codes performance in correlated log-normal FSO channels using intensity modulation and direct detection (IM/DD). Furthermore, the effect of different weather conditions on the average bit error rate (ABER) performance of the FSO links is studied. Multiple-input multiple-output (MIMO) FSO communication systems using space shift keying (SSK) modulation have been also analyzed. Obtained results show that SSK is a potential technique for spectral efficiencies equal or greater than 4 bits/s/Hz as compared to RCs with multiple pulse amplitude modulations. The performance analysis of a multi-hop decode and forward relays for FSO communication system using IM/DD is also considered in this thesis. It is shown that multi-hop is an efficient technique to mitigate atmospheric turbulence and different weather attenuation effects and geometric losses in FSO communication systems. Our simulation results show that multiple-input single-output (MISO) multi-hop FSO systems are superior to direct link and MISO systems over links exhibiting high attenuation. Meeting the growing demand for higher data rates communication networks, a system with full-duplex (FD) relays is considered. For such a system, the outage probability and the ABER performance are analyzed under different turbulence conditions, misalignment error and path loss effects. FD relays are compared with the direct link and half-duplex relays. Obtained results show that FD relays have the lowest ABER and the outage probability as compared to the two other systems. Finally, the obtained results in this thesis are very promising towards the next generation of FSO systems.

Η πρόσφατη τεχνολογική ανάπτυξη των οπτικών ενισχυτών, πολυπλεκτών/αποπλεκτών, οπτικών διακοπτών καθώς και άλλων οπτικών συσκευών μας οδηγεί στο να ελπίζουμε ότι σύντομα στο μέλλον θα υλοποιηθεί ένα πλήρες οπτικό (all optical), WDM (wavelength division multiplexing) δίκτυο που να ικανοποιεί και την ανάγκη για μεγάλα μεγέθη χωρητικότητας. Σε ένα τέτοιο δίκτυο η μετατροπή του οπτικού σήματος σε ηλεκτρονικό και εκ νέου στο οπτικό (ΟΕΟ) δεν θα χρησιμοποιείται στους ενδιάμεσους κόμβους, και αυτό συμβάλει σε οικονομικότερες υλοποιήσεις των οπτικών δικτύων. Σε ένα WDM δρομολογούμενο δίκτυο, τα δεδομένα μεταφέρονται μέσω ενός οπτικού καναλιού, lightpath, στους κόμβους του δικτύου που συνδέονται με οπτικές ίνες. Στις πλείστες των περιπτώσεων, κατά την άφιξη ενός lightpath σε κάποιο κόμβο, εφαρμόζεται σε αυτό οπτικό-ηλεκτρονική μετατροπή και αντίστροφα, ούτως ώστε το σήμα να αναδημιουργηθεί λόγω των απωλειών που υπέστη κατά την μεταφορά, ή ακόμη για να αναλυθεί από ενδιάμεσες ηλεκτρονικές συσκευές. Στα μη πλήρη οπτικά δίκτυα, η μεταφορά των δεδομένων γίνεται από κόμβο σε κόμβο κατά μήκος του δικτύου, ούτως ώστε το οπτικό σήμα να ενισχύεται και να αναγεννάτε μέσω της OEO επεξεργασίας. Παρ’ όλα αυτά, η κάθε ενδιάμεση ανάλυση του θέματος σε ένα τέτοιο δίκτυο προϋποθέτει πολύ μεγάλα κόστη λόγω των πολλών συσκευών που απαιτούνται για τη OEO επεξεργασία. Το γεγονός αυτό μας οδηγεί στα ημί-πλήρη δίκτυα όπου η ενίσχυση και αναγέννηση του θέματος δε γίνεται σε όλους τους ενδιάμεσους κόμβους αλλά σε μερικούς από αυτούς. Ο τελικός στόχος όμως είναι η απαλοιφή της ηλεκτρονικής μετατροπής και αυτό οδηγεί στην υλοποίηση των πλήρως οπτικών δικτύων. Στα πλήρη οπτικά δίκτυα, ένα σήμα που μεταδίδεται παραμένει, για όλο το lightpath, στο οπτικό επίπεδο. Έτσι, το πλήρες οπτικό δίκτυο μπορεί να απαλείψει την ασύμφορη OEO μετατροπή. Η αναζήτηση των κατάλληλων μονοπατιών με τα κατάλληλα μήκη κύματος που θα ικανοποιούσε ένα πλήρες οπτικό δίκτυο το οποίο δρομολογείται από ligthpaths, ονομάζεται Routing and Wavelength Assignment (RWA) και αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα για το σωστό σχεδιασμό των οπτικών δικτύων τέτοιου είδους. Το πρόβλημα γίνεται ιδιαίτερα πολύπλοκο όταν στην τελική απόφαση θα πρέπει να συμπεριληφθούν και τα χαρακτηριστικά του φυσικού επιπέδου του δικτύου, όπως εξασθένιση του σήματος, μη γραμμικά φαινόμενα, διασπορά κ.ά, η συμβολή των οποίων στην τελική δρομολόγηση δεν θεωρείται αμελητέα (Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment, ΙΑ-RWA). Σε αυτή την εργασία μελετάται το RWA πρόβλημα και προτείνεται ένας μονού στόχου γενετικός αλγόριθμος (Single Objective Genetic Algorithm - SOGA), ο οποίος επιλύει ικανοποιητικά το πρόβλημα θεωρώντας στατική κίνηση. Επιπλέον τονίζεται η σημασία των φυσικών παραμέτρων του προβλήματος και πως αυτές επηρεάζουν την απόδοση του πλήρους οπτικού δικτυου. Στη συνέχεια προτείνεται ένας νέος, πολλαπλών στόχων γενετικός αλγόριθμος (multi objective genetic algorithm – MOGA) ο οποίος βελτιστοποιεί τις λύσεις του προβλήματος ικανοποιητικά λαμβάνοντας ταυτόχρονα υπόψη, με έμμεσο τρόπο, και τις φυσικές παραμέτρους. Επίσης προτείνεται και ένας μονού στόχου γενετικός αλγόριθμος οποίος χρησιμοποιεί ένα εργαλείο αποτίμηση της ποιότητας μετάδοσης (Q-TOOL) σαν μέτρο κατά τη διαδικασία εύρεσης ικανοποιητικής λύσης. Το υπόλοιπο της εργασίας οργανώνεται ως ακολούθως: Στην ενότητα 2 παρουσιάζεται μια σύντομη αναφορά στα WDM δίκτυα καθώς και η περιγραφή του RWA και IA-RWA προβλήματος, ενώ στην ενότητα 3 παρουσιάζεται η πρόταση επίλυσης του RWA προβληματος με τη χρήση γενετικών αλγορίθμων. Ακολουθεί στην ενότητα 4 η πρότασή μας για επίλυση του IA-RWA προβλήματος με τη χρήση Multi-objective διαδικασιών βελτιστοποίησης, καθώς και η βελτιστοποίηση του προβλήματος με τη χρήση του Q-TOOL. Τέλος στην ενότητα 5 συνοψίζουμε την εργασία και παρουσιάζουμε τα συμπεράσματα. / The recent development of optical amplifiers, multiplexers / de-multiplexers, optical switches and other optical devices leads us to hope that soon in future all optical, WDM (wavelength division multiplexing) networks will be implemented which that will satisfy the needs for large capacity. In such networks a viable conversion of the optical -> Electronic and back to optical (OEO) will not be used at intermediate nodes, and this will contribute to efficient and economical implementation. The search for the appropriate paths with the appropriate wavelengths that meet the requirement in all optical networks is called Routing and Wavelength Assignment (RWA) and is one of the most important issues for proper design of such optical networks. The problem becomes particularly complex when the final decision should include the characteristics of the physical layer of the network, such as attenuation of the signal, nonlinear effects, dispersion, etc., whose contribution to the final result is not considered negligible (Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment,IA-RWA). This work studies the RWA problem considering static traffic, and proposes a single-objective genetic algorithm (Single Objective Genetic Algorithm - SOGA), which resolves the problem satisfactorily. Furthermore the work stresses the importance of physical parameters of the problem and how these affect the performance of the all optical networks, and proposes a new, multi-objective genetic algorithm (MOGA) which optimizes the solution of IA-RWA problem adequately taking into account indirectly, and the physical impairments that affect the quality of the signal. In addition, a single objective genetic algorithm is proposed that uses a tool to assess the quality of the transmission signal (Q-TOOL), as a benchmark, in the process of optimization of the solution to the IA-RWA problem.

The scope of this dissertation is to investigate the merits and implications of using multilevel modulation formats in optical communications systems. Following the trend in academia and industry, special focus is placed on quadrature phase-shift keying (QPSK), and specifically on polarization division multiplexed (PDM) QPSK. A special kind of receiver is investigated thoroughly, the digital coherent receiver, the equivalent of the coherent quadrature demodulator in classical communications nomenclature. A large number of digital signal processing (DSP) algorithms are implemented, some of them novel, and their performance is examined, analyzed, and compared in a number of practical system scenarios. The impact of transmitter / receiver imperfections and a number of optical fiber impairments on system performance is studied. Experimental results taken from proof-of-concept experiments are also analyzed. / Η διατριβή αυτή έχει ως σκοπό τη μελέτη οπτικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων που χρησιμοποιούν τετραδικές διαμορφώσεις φάσης, πολυπλεξία κατά πόλωση και σύμφωνους ψηφιακούς δέκτες διαφοροποίησης φάσης και πόλωσης. Μελετήθηκαν αλγόριθμοι επεξεργασίας σήματος κατάλληλοι για εξάλειψη της επίδρασης των φαινομένων διάδοσης και των μη ιδανικοτήτων οπτικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Η μελέτη έγινε με προσομοίωση Monte-Carlo, με χρήση ημιαναλυτικής μεθόδου προσδιορισμού της πιθανότητας σφάλματος τηλεπικοινωνιακού συστήματος και με ανάλυση πειραματικών δεδομένων. Τα πειραματικά δεδομένα ελήφθησαν από οπτικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα με τετραδική διαμόρφωση φάσης και πολυπλεξία κατά πόλωση με ρυθμούς συμβόλων 0.1-10 GBd (0.4-40 Gb/s). Μελετήθηκαν αλγόριθμοι επανένωσης των πολώσεων, αλγόριθμοι αποπολύπλεξης των πολώσεων, αλγόριθμοι διόρθωσης της ανισοσταθμίας ορθογωνιότητας, αλγόριθμοι εκτίμησης και αφαίρεσης της ενδιάμεσης συχνότητας και αλγόριθμοι εκτίμησης και αφαίρεσης του θορύβου φάσης των laser.

Τα οπτικά δίκτυα αποτελούν την αποδοτικότερη επιλογή όσον αφορά την εγκατάσταση ευρυζωνικών δικτύων κορμού, καθώς παρουσιάζουν μοναδικά χαρακτηριστικά μετάδοσης. Διαθέτουν τεράστιο εύρος ζώνης, υψηλή αξιοπιστία, ενώ επίσης έχουν μειωμένο κόστος μετάδοσης ανά bit πληροφορίας σε σχέση με τα υπόλοιπα ενσύρματα δίκτυα. Σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες έχουν επικεντρωθεί στις προοπτικές μετάβασης από τα παραδοσιακά στατικά δίκτυα κυκλωμάτων, στα οποία χρησιμοποιείται από-σημείο-σε-σημείο οπτική μετάδοση, σε δίκτυα μετάδοσης δεδομένων που προσφέρουν δυναμική και γρήγορη επαναρύθμιση των οπτικών μονοπατιών και πρόσβαση σε χωρητικότητες κάτω του ενός μήκους κύματος, ανάλογα με τις απαιτήσεις των χρηστών και των εκάστοτε εφαρμογών. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει η τάση για δημιουργία δυναμικών και επαναρυθμιζόμενων οπτικών δικτύων μεταγωγής κυκλώματος (Optical Circuit Switching), τα οποία θα βασίζονται σε διαφανείς κόμβους μεταγωγής. Η μονάδα μεταγωγής των δικτύων οπτικής μεταγωγής κυκλώματος είναι τα οπτικά μονοπάτια (lightpaths) και το βασικό πρόβλημα βελτιστοποίησης που σχετίζεται με την αποδοτική εκμετάλλευση της χωρητικότητας τέτοιων δικτύων είναι το πρόβλημα της δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Routing and Wavelength Assignment - RWA). Στα αμιγώς διαφανή (transparent) οπτικά δίκτυα κυκλώματος η μετάδοση του σήματος υποβαθμίζεται από μια σειρά φυσικών εξασθενήσεων (physical impairments), σε σημείο που η εγκατάσταση ενός οπτικού μονοπατιού να μην είναι αποδεκτή. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος στην παρούσα διατριβή προτείνουμε αλγόριθμους οι οποίοι λαμβάνουν υπόψη τους τις φυσικές εξασθενήσεις (Impairment Aware RWA ή ΙΑ-RWA algorithms) τόσο για στατική όσο και για δυναμική κίνηση. Συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε έναν IA-RWA αλγόριθμο για στατική κίνηση, ο οποίος βασίζεται στην τεχνική της LP-χαλάρωσης και χρησιμοποιεί αποδοτικές μεθόδους για την παραγωγή ακεραίων λύσεων. Εκφράζουμε τις φυσικές εξασθενήσεις μέσω επιπλέον περιορισμών στην LP μοντελοποίηση του RWA προβλήματος, επιτυγχάνοντας την διαστρωματική βελτιστοποίηση (cross-layer optimization) πάνω στο φυσικό επίπεδο και στο επίπεδο δικτύου. Στη συνέχεια, προτείνουμε έναν IA-RWA αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων (multi-cost) για δυναμική κίνηση. Ορίζουμε ένα διάνυσμα από κόστη για κάθε σύνδεσμο και τις πράξεις συσχέτισης αυτών, ώστε να μπορούμε να υπολογίσουμε το διάνυσμα από κόστη ενός μονοπατιού και μέσω αυτού να αξιολογήσουμε την ποιότητα μετάδοσης των διαθέσιμων μηκών κύματος του μονοπατιού. Για την εξυπηρέτηση μιας νέας αίτησης σύνδεσης, ο αλγόριθμος πολλαπλών κριτηρίων υπολογίζει το σύνολο των μη κυριαρχούμενων μονοπατιών, από την πηγή στο ζητούμενο προορισμό, και μετά εφαρμόζει μια πολιτική για να επιλέξει το βέλτιστο οπτικό μονοπάτι. Προτείνουμε και αξιολογούμε την απόδοση μιας σειράς από πολιτικές επιλογής, η κάθε μια από τις οποίες ουσιαστικά αντιστοιχεί σε έναν διαφορετικό δυναμικό IA-RWA αλγόριθμο. Στη συνέχεια, στρέφουμε την προσοχή μας στα δίκτυα οπτικής μεταγωγής καταιγισμών (Optical Burst Switching – OBS), τα οποία θεωρούνται ότι αποτελούν το επόμενο στάδιο των δικτύων οπτικής μεταγωγής κυκλώματος, όπου η δέσμευση της χωρητικότητας γίνεται για μικρότερο χρονικό διάστημα. Στα OBS δίκτυα, τα πακέτα που έχουν τον ίδιο προορισμό και παρόμοιες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας συναθροίζονται σε καταιγισμούς (bursts). Οι καταιγισμοί μεταδίδονται πάνω από αμιγώς οπτικά μονοπάτια, τα οποία ρυθμίζονται με τη χρήση πακέτων ελέγχου που μεταδίδονται πριν από τους αντίστοιχους καταιγισμούς και τα οποία επεξεργάζονται ηλεκτρονικά οι ενδιάμεσοι κόμβοι. Επικεντρώνουμε την προσοχή μας σε δυο βασικά στοιχεία ενός δικτύου οπτικής μεταγωγής καταιγισμών, την διαδικασία συναρμολόγησης καταιγισμών και τα πρωτόκολλα σηματοδοσίας, και παραθέτουμε δύο προτάσεις για την αποδοτική ανάθεσης χωρητικότητας σε αυτά τα δίκτυα. Συγκεκριμένα, προτείνουμε και αξιολογούμε ένα νέο αλγόριθμο συναρμολόγησης καταιγισμών που βασίζεται στη μέση καθυστέρηση των πακέτων που αποτελούν έναν καταιγισμό. Δείχνουμε ότι ο προτεινόμενος αλγόριθμος συναρμολόγησης καταιγισμών μειώνει την διασπορά της καθυστέρησης των πακέτων (packet delay jitter), η οποία είναι σημαντική για μια σειρά από εφαρμογές. Στην συνέχεια προτείνουμε ένα νέο αμφίδρομο (two-way) πρωτόκολλο σηματοδοσίας που βασίζεται στις μελλοντικές (in-advance) και χαλαρωμένες χρονικά (relaxed timed) δεσμεύσεις χωρητικότητας. Στο προτεινόμενο πρωτόκολλο, κατά τη φάση εγκατάστασης της σύνδεσης οι δεσμεύσεις χωρητικότητας γίνονται για χρονικό διάστημα μεγαλύτερο από το χρόνο μετάδοσης του καταιγισμού, ώστε να αυξηθεί η πιθανότητα επιτυχούς εγκατάστασης στους επόμενους συνδέσμους του μονοπατιού. Συγκρίνουμε το προτεινόμενο πρωτόκολλο με τυπικά πρωτόκολλα που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία και δείχνουμε οτι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παροχή διαφοροποιημένης ποιότητα υπηρεσιών (QoS differentiation) στους χρήστες του OBS δικτύου. Στη συνέχεια, εξετάζουμε το πρόβλημα της δρομολόγησης και του χρονοπρογραμματισμού συνδέσεων με χαλαρό - μη συγκεκριμένο χρόνο εκκίνησης, πρόβλημα που εμφανίζεται υπό ελαφρώς διαφορετική μορφή σε δίκτυα οπτικής μεταγωγής κυκλώματος, οπτικής μεταγωγής καταιγισμών αλλά και μεταγωγής πακέτου. Η εξυπηρέτηση αυτών των συνδέσεων γίνεται μέσω μελλοντικών δεσμεύσεων χωρητικότητας, τρόπος ο οποίος είναι τυπικός για να παρεχθεί εγγυημένη ποιότητα υπηρεσίας (QoS) στους χρήστες ενός δικτύου. Θεωρούμε ότι μας δίνεται μια σύνδεση με γνωστή πηγή και προορισμό, γνωστό ή άγνωστο όγκο δεδομένων και γνωστό ρυθμό μετάδοσης και ζητείται να αποφασίσουμε το μονοπάτι που θα ακολουθήσουν τα δεδομένα και το χρόνο που θα αρχίσει η μετάδοση. Διακριτοποιούμε το χρόνο και χρησιμοποιούμε κατάλληλα διανύσματα ως δομές δεδομένων για να αναπαραστήσουμε τη διαθεσιμότητα των συνδέσμων του δικτύου ως συνάρτηση του χρόνου. Χρησιμοποιούμε αυτά τα διανύσματα σε ένα αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων για τη δρομολόγηση και το χρονοπρογραμματισμό των συνδέσεων. Αρχικά, παρουσιάζουμε έναν αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων μη πολυωνυμικής πολυπλοκότητας, ο οποίος βασίζεται στην έννοια των μη-κυριαρχούμενων μονοπατιών. Μετά προτείνουμε δύο ευριστικούς αλγορίθμους πολυωνυμικής πολυπλοκότητας, ορίζοντας κατάλληλες σχέσεις ψευδο-κυριαρχίας οι οποίες μειώνουν το χώρο των λύσεων. Επίσης, προτείνουμε ένα μηχανισμό branch-and-bound, ο οποίος μπορεί να μειώσει το χώρο λύσεων στην περίπτωση που χρησιμοποιούμε μια συγκεκριμένη συνάρτηση βελτιστοποίησης για όλες τις συνδέσεις. Η απόδοση των προτεινόμενων αλγορίθμων αξιολογήθηκε σε ένα δίκτυο οπτικής μεταγωγής καταιγισμών, ωστόσο τα συμπεράσματα και η εφαρμοσιμότητα του προτεινόμενου αλγόριθμου επεκτείνεται και σε άλλου είδους οπτικά δίκτυα. Τέλος, εξετάζουμε το πρόβλημα του συνδυασμένου χρονοπρογραμματισμού των δικτυακών και υπολογιστικών πόρων που απαιτούνται για την εκτέλεση μιας διεργασίας σε ένα Δίκτυο Πλέγματος (Grid Network). Τα Δίκτυα Πλέγματος θεωρούνται το επόμενο βήμα στον τομέα των κατανεμημένων συστημάτων, εισάγοντας την έννοια της “κοινής” χρήσης γεωγραφικά κατανεμημένων και ετερογενών πόρων (υπολογιστικών, αποθηκευτικών, δικτυακών, κλπ.). Υποθέτουμε ότι η εκτέλεση μιας διεργασίας αποτελείται από δύο διαδοχικά στάδια: (α) Τη μεταφορά των δεδομένων εισόδου της διεργασίας από μια αποθηκευτική μονάδα σε μια συστοιχία υπολογιστών (cluster), (β) την εκτέλεση της διεργασίας στη συστοιχία υπολογιστών. Επεκτείνουμε τον αλγόριθμο πολλαπλών κριτηρίων για τη δρομολόγηση και το χρονοπρογραμματισμό συνδέσεων που περιγράφηκε προηγουμένως, έτσι ώστε να χειρίζεται με ένα συνδυασμένο τρόπο δικτυακούς και υπολογιστικούς πόρους για την εκτέλεση των διεργασιών. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος επιστρέφει: (i) τη συστοιχία υπολογιστών όπου θα εκτελεστεί η διεργασία, (ii) το μονοπάτι το οποίο θα ακολουθήσουν τα δεδομένα εισόδου, (iii) τη χρονική στιγμή εκκίνησης μετάδοσης και (iv) τη χρονική στιγμή εκκίνησης εκτέλεσης της διεργασίας στη συστοιχία υπολογιστών. Ξεκινάμε παρουσιάζοντας έναν αλγόριθμο μη πολυωνυμικού χρόνου και μετά, αφού μειώσουμε κατάλληλα το χώρο λύσεων, δίνουμε έναν ευριστικό αλγόριθμο πολυωνυμικής πολυπλοκότητας. / Optical networks have developed rapidly over the last ten years and are widely used in core networks due to their superior transmission characteristics. Optical networks provide huge available capacity that can be efficiently utilized using wavelength division multiplexing (WDM) and high reliability at the lowest cost per bit ratio when compared to the other wired and wireless networking solutions. Much research has focused on ways to evolve from the typical point-to-point opaque WDM networks that are currently employed in the core to optical networks that are dynamically and quickly reconfigurable and can provide on-demand services to users at subwavelength granularity according to users’ requirements. The most common architecture utilized for establishing communication in WDM optical networks is wavelength routing that fall in the general category of Optical Circuit Switched (OCS) networks. The switched entities in OCS networks are the lightpaths and the basic optimization problem that is related to the efficient allocation of bandwidth is the routing and wavelength assignment problem (RWA). The current optical technology employed in core networks is point-to-point transmission, where the signal is regenerated at every intermediate node via optical-electronic-optical (OEO) conversion. During the recent few years, the trend clearly shows an evolution towards low-cost and high capacity all-optical transparent networks that do not utilize OEO. In transparent OCS networks the signal of a lightpath remains in the optical domain and its quality deteriorates due to a series of physical layer impairments (PLIs). These PLIs may degrade the received signal quality to the extent that the bit-error rate (BER) at the receiver may be so high that signal detection may be infeasible for some lightpaths. To address this problem we proposed algorithms that take into account the PLIs, usually referred in the literature as Impairment Aware RWA or ΙΑ-RWA algorithms, for both offline (static) and online (dynamic) traffic. In particular we propose an IA-RWA algorithm for static traffic that is based on an LP-relaxation formulation and use various efficient methods to obtain integer solutions. The physical layer impairments are included as additional constraint in the LP formulation of the RWA problem, yielding a cross-layer optimization solution between the network and the physical layers. We then proceed and propose a multi-cost IA-RWA algorithm for dynamic traffic. We define a cost vector per link and associative operators to combine these vectors so as to calculate the cost vector of a path. The parameters of these cost vectors are chosen so as to enable the quick and efficient calculation of the quality of transmission of candidate lightpaths. To serve a connection request, the proposed multi-cost algorithm calculates the set of so called non-dominated paths from the given source to the given destination, and then applies an optimization policy to choose the optimal lightpath. We propose and evaluate various optimization policies that correspond to different online IA-RWA algorithms. We then turn our attention to Optical Burst Switched (OBS) networks, which are regarded as the next step from the OCS paradigm towards a more dynamic core network that can provide on demand subwavelength services to users. In OBS networks, the packets that have the same destination and similar quality of service requirements are aggregated into bursts at the ingress nodes. When a burst is aggregated, a control packet is transmitted and is electronically processed at intermediate nodes so as to configure them for the burst that will pass transparently afterwards. We focus on two key elements of an OBS network, and in particular the burst aggregation (or burstification) process and the signaling protocol, and we propose two solutions for the efficient allocation of bandwidth in OBS networks. We propose and evaluate a novel burst assembly algorithm that is based on the average delay of the packets that comprise a burst. We show that the proposed algorithm decreases the packet delay jitter among the packets, which is important for a number of applications, including real-time, video and audio streaming, and TCP applications. Next we propose a two-way reservation signaling protocol that utilizes in-advance and relaxed timed reservation of the bandwidth. In the connection establishment phase of the proposed protocol, bandwidth reservations can exceed the duration of burst transmission (thus, relaxing the timed reservations), so as to increase the acceptance probability for the rest of the path. By controlling the degree of the relaxed timed reservations the protocol can also provide service differentiation to the users. Next we examine the problem of routing and scheduling of connections with flexible starting time in networks that support advance reservations. This problem can arise in slightly different settings in Optical Circuit Switched, Optical Burst Switched, and Optical Packet Switched networks. Such connection requests are served through advanced reservations, a process which is used to provide quality of service to users. We assume that for a connection request we are given the source, the destination, and the size of the data to be transferred with a given rate, and we are asked to provide the path and the time that the transmission should start so as to optimize a certain performance metric. We discretize the time and we use appropriate data structures (in the form of vectors) to map the utilization of the links as a function of time. We use these vectors as cost parameters in a multi-cost algorithm. We initially present a multicost algorithm of non-polynomial complexity that uses a full domination relation between paths. We then propose two mechanisms to prune the solution space in order to obtain polynomial complexity algorithms. In the first mechanism we define pseudo-domination relations that are weaker than the full domination relation. We also propose a branch-and-bound extension to the optimum algorithm that can be used for a given specific optimization function. The performance of the multicost algorithm and its variations are evaluated in an OBS network, but this does not limit the applicability of the algorithm and the conclusions can be extended in the other optical networking paradigms. Finally, we examine the problem of joint reservation of communication and computation resources that are required by a task in a Grid Network. Grid Networks are considered as the next step in distributed systems, introducing the concept of shared usage of geographically distributed and heterogeneous resources (computation, storage, communication, etc.). We assume that the task execution consists of two phases: (a) the transfer of the input data from a data storage resource, or the scheduler to a computation resource (cluster), (b) the execution of a program at the cluster. We extend the multicost algorithm for the routing and scheduling of connections, outlined above, so as to handle the reservation of computation resources as its last leg. In this way the proposed algorithm performs a joint optimization for the communication and computation part required by a task and returns: (i) the cluster to the execute the task, (ii) the path to route the input data, (iii) the time to start the transmission of data, and (iv) the time to start the execution of the task. We start by presenting an algorithm of non-polynomial complexity and then by appropriately pruning the solution space, we give a heuristic algorithm of polynomial complexity. We show that in a Grid network where the tasks are cpu- and data-intensive important performance benefits can be obtained by jointly optimizing the use of the communication and computation resources.