Orientador: Celso de Almeida / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-24T01:46:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mello_RodolphoContiGianiniFerreira_M.pdf: 1434278 bytes, checksum: c9d50dad0686c63ee7429ff495370ace (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Os fatores responsáveis pela vazão de dados em uma rede celular são o número de usuários alocados em uma célula e a taxa de dados de cada usuário. Desta forma, para alcançar melhores resultados em termos de vazão de dados, deve-se utilizar de técnicas que trabalhem com foco no produto destes dois parâmetros. Este trabalho consiste em uma análise comparativa entre diferentes sistemas CDMA sob a ótica da vazão de dados, tendo como foco sequências de espalhamento do tipo aleatórias e também de Walsh e detecção com filtro casado e com o detector multiusuário descorrelacionador (MUD-D - Multiuser Detector Decorrelator), além de considerar a presença de interferência interna e externa no sistema. O método utilizado para a análise e comparação consiste na modelagem matemática do enlace reverso de um sistema celular DS-CDMA em canal AWGN com controle perfeito de potência e com alguns parâmetros fixos, tais como, a taxa máxima de erro de bit ( ), a taxa mínima de dados por usuário (10 kbps, referente ao serviço de voz) e a potência máxima de transmissão de 0,5W por estação móvel. Este trabalho apresenta também uma análise comparativa entre um sistema DS-CDMA com filtro casado e outro com o detector MUD-D na presença de interferência externa. A análise comparativa do detector MUD-D com o filtro casado em ambiente com interferência externa e toda a análise da vazão de dados do sistema são contribuições do autor / Abstract: The factors responsible for the data throughput in a cellular network are the number of users allocated in a cell and the users' data rate. This way, to reach better results in terms of data throughput, one must use techniques that act with focus on the product of those two parameters. This work consists in a comparative analysis among different CDMA systems from the perspective of the data throughput, focusing on random and Walsh spreading sequences and detection method with matched filter and with the multi-user detector decorrelator (MUD-D), besides considering the presence of internal and external interference in the system. The analysis and comparison methods consist in the CDMA cellular system uplink mathematical modelling in an AWGN channel considering a perfect power control and some fixed parameters such as the maximum bit error rate ( ), minimum data rate per user (10 kbps, referring to the voice service) and maximum transmitting power of 0.5 W per mobile station. This work also presents a comparative analysis between a DS-CDMA system with matched filter and another with the MUD-D detector in the presence of external interference. The MUD-D and matched filter comparative analysis in a scenario with external interference and the whole system's data throughput analysis are the author's contribution / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Este trabalho faz uma extensa e detalhada análise de sistemas ópticos coerentes baseados na tecnologia de acesso múltiplo por divisão de código, com ênfase naqueles em que o processo de codificação do sinal óptico é realizado por meio de deslocamentos de fase no domínio espectral (SPECTS-OCDMA). Apesar de ser um estudo numérico, esforços são concentrados na tentativa de aproximar estes cenários simulados aos cenários mais realistas, implementados em laboratórios. Nesse contexto, levando em consideração o impacto dos efeitos dispersivos e nãolineares da fibra óptica em sistemas SPECTS-OCDMA, são modelados diversos dispositivos que constituem o sistema de recepção do sinal óptico (nonlinear optical loop mirror e nonlinear thresholder), e mostradas suas influências no desempenho do sistema. Isso permite identificar o exato grau de interferência que cada código de uma determinada família de códigos causa nos outros códigos da mesma família. Esta análise é diferente de tudo previamente reportado para os sistemas OCDMA, porque até então sempre se supôs que todos os códigos de uma mesma família têm o mesmo desempenho. Também é demonstrado que uma escolha ótima do conjunto de códigos reduz consideravelmente a taxa de erro de bit (BER). Os conjuntos ótimos de códigos são obtidos em termos do padrão de interferência causado por todos os códigos no usuário de interesse. Isso permite mostrar que o uso de conjuntos ótimos de códigos não só melhora o desempenho geral do sistema em termos de BER, mas também elimina a quebra de ortogonalidade (nunca levada em consideração em análises anteriores de sistemas OCDMA) devido à diafonia (crosstalk). Este aspecto também é resolvido com detalhes neste trabalho uma vez que ele compromete seriamente a segurança do sistema contra espiões (intencionais e não intencionais). Ainda visando a modelagem de dispositivos voltados para sistemas ópticos coerentes, também foi investigado neste trabalho a evolução de pulsos ultracurtos e de alta potência (com fase modulada no domínio espectral) em fibras altamente não-lineares. Esse fenômeno conhecido por geração de luz supercontínua é caracterizado por um forte alargamento espectral induzido por efeitos não-lineares no meio óptico, e que encontra uma grande variedade de aplicações, como tomografia por coerência óptica, espectroscopia e metrologia de frequência. Entretanto, o ajuste do espectro obtido após a propagação para uma dessas aplicações requer uma escolha correta da fibra óptica e da fonte de pulsos ultracurtos utilizados. Uma vez que esses parâmetros estão definidos, fica muito difícil conseguir um ajuste fino do espectro obtido. Dessa forma, a vantagem da utilização de pulsos modulados é a possibilidade de se realizar uma sintonia fina do espectro obtido para uma aplicação desejada. Além disso, essa técnica permite a geração de pentes de frequências ópticos (optical frequency combs) sintonizáveis. / In this work we perform a comprehensive analysis of a spectral phase-encoded time spreading optical code division multiple access (SPECTS-OCDMA) system. Despite being a numerical study, efforts were concentrated on the investigation of more realistic scenarios using as much information as possible from implemented test-beds in laboratories. In this context, after take into account the impact of dispersive and nonlinear effects of optical fiber in SPECTS-OCDMA systems, some devices of the optical signal reception subsystem are modeled (nonlinear optical loop mirror and nonlinear thresholder), and their influences on system performance are shown. This allowed for the first time in the OCDMA literature the identification of the exact degree of interference that each code of a particular family of codes causes on other codes of the same family. This analysis considerably advances the common sense adopted in the literature in which all codes of the same family perform equally. It is demonstrated that an adequate (optimal) choice of codes can reduce considerably the bit error rate (BER). The optimal code-sets are obtained in terms of the interference pattern caused by every code on the code of interest. Furthermore, it is shown that the use of optimal code-sets not only improves the overall system performance in terms of BER, but also eliminates the orthogonality failure (never accounted for in previous OCDMA analysis) due to crosstalk. This issue is also addressed in details in this work since it seriously compromises the security of the system against (intentional or unintentional) eavesdroppers. Still aiming at modeling devices for coherent optical systems, it is investigated the evolution of ultrashort high-power pulses (spectrally phase modulated) in high nonlinear fibers. This phenomenon known as supercontinuum generation is characterized by strong spectral broadening induced by nonlinear effects in optical medium, and finds a wide range of applications such as optical coherence tomography, spectroscopy and frequency metrology. However, tailoring the supercontinuum (SC) spectra to a specific application requires the correct choice of the optical fiber and the ultrashort pulse source. Once these parameters are defined, it becomes very difficult to achieve a fine tune of the generated spectra. Therefore, an alternative is to phase modulate the input pulse to adjust the generated spectra to a specific application. Also, we show that this technique allow us to generate tunable optical frequency combs simply by adjusting the modulation parameters.

Orientador: Celso de Almeida / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-09-11T21:24:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CarvajalMora_HenryRamiro_M.pdf: 10096746 bytes, checksum: 558790b8f1575c8f3b46fe6c7418920d (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho, é avaliado o desempenho do enlace reverso de redes celulares que utilizam a técnica de múltiplo acesso por divisão de código com multiportadoras (MC-CDMA) em termos da probabilidade de erro de bit média (BER) e da eficiência espectral média. O sistema de comunicações analisado utiliza a técnica MC-CDMA, um arranjo linear de antenas na estação rádio base, entrelaçamento em frequência, combinação de máxima razão (MRC), modulação adaptativa, controle de potência e um prefixo cíclico grande o suficiente para eliminar os efeitos da interferência intersimbólica (ISI) e da interferência entre portadoras (ICI). O cenário estudado considera a presença de interferência de múltiplo acesso (MAI) e interferência de co-canal (CCI). A caracterização do canal considera a presença de ruído aditivo gaussiano branco (AWGN), perda de propagação exponencial e desvanecimento lento e seletivo em frequência que segue a distribuição de Rayleigh. Neste contexto, expressões analíticas exatas e fechadas para a BER média tanto para a modulação BPSK, quanto para a modulação M-QAM são obtidas. A exatidão das expressões é validada através de simulações de Monte Carlo. Ademais, uma expressão para a eficiência espectral celular média é determinada, a qual é uma função do fator de reuso de canais, do incremento da largura de banda devido ao prefixo cíclico, do carregamento do sistema, do fator de espalhamento, dos raios da célula e da modulação utilizada. Os resultados indicam que utilizar um fator de reuso de canais de 1 é a maneira mais eficiente de usar o espectro. No entanto, esse fator de reuso é crítico em relação às taxas de transmissão. Ademais, evidenciando que a técnica de múltiplo acesso por divisão de frequências ortogonais (OFDMA) é um caso particular da técnica MC-CDMA, os resultados mostram que a máxima eficiência espectral média obtida com a técnica OFDMA é menor do que aquela obtida com a técnica MC-CDMA / Abstract: In this work the performance of cellular networks uplink is evaluated using the multicarrier-code division multiple access (MC-CDMA) technique in terms of the mean bit error rate (BER) and the mean spectral efficiency. The analyzed communications system is supposed to employ the MC-CDMA technique, a linear antenna array in the base station, frequency interleaving, maximal ratio combining (MRC), adaptive modulation, control power and a cyclic prefix large enough to eliminate the effects of intersymbol interference (ISI) and intercarrier interference (ICI). The studied scenario assumes the presence of multiple access interference (MAI) and co-channel interference (CCI). The channel characterizations considers the presence of additive white gaussian noise (AWGN), exponential path-loss and slow and frequency selective Rayleigh fading. In this context, exact and closed analytical expressions for the mean BER for both BPSK modulation, as for M-QAM modulation are obtained. The accuracy of the expressions is validated through Monte Carlo simulations. Also, an expression for the mean cellular spectral efficiency is determined, which is a function of the channel reuse factor, the bandwidth increases due to the cyclic prefix, the system load, the spreading factor, the cell radius and the modulation employed. The results show that using an unitary channel reuse factor of 1 is the most efficient way to use the spectrum. However, this reuse factor is critical in relation to transmission rates. Moreover, considering that the orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) technique is a particular case of MC-CDMA, the results show that the maximum mean spectral efficiency achieved with the OFDMA technique is lower than that obtained with the MC-CDMA technique / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Jaime Portugheis / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-17T00:51:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sharma_Manish_D.pdf: 1122815 bytes, checksum: ac184067a2eeb2f29617e0a5da608708 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O objetivo deste trabalho é analisar o desempenho da recepção e detecção conjunta e iterativa para canais de acesso múltiplo. A análise se concentrou em torno de um canal ruidoso com N frequências compartilhado por T usuários. Encontramos valores para a capacidade do canal para detecção conjunta e individual. Embora a eficiência espectral do sistema seja relativamente baixa, a combinação deste fator com uma grande faixa de frequências permite altas taxas de transmissão com baixa relação sinal ruído. O receptor foi modelado como um grafo de fatores e foi analisado através de curvas EXIT, que também são utilizadas para otimizar os códigos corretores de erro dos usuários. Propomos alguns sistemas baseados nesta técnica e simulamos a sua probabilidade de erro de bit. Os resultados indicam que é possível transmitir informação com taxas próximas da capacidade do canal. Tanto o grafo do receptor como as análises subsequentes podem ser aplicadas para outros canais de acesso múltiplo, especialmente para sistemas com N símbolos de transmissão ortogonais. / Abstract: The aim of this work is to analyze the performance of iterative joint reception and detection for multi-user channels. The analysis is centered around an N-frequency MFSK noisy channel shared by T users. Channel capacity values are obtained for joint and single user detection. Although the system's spectral efficiency is low, high rates at low signal to noise ratio are achievable by using a wide-bandwidth channel. The receiver is modeled as a factor graph and analyzed by its EXIT charts, which were also used to analyze the users' error correcting codes. Some systems are proposed and simulated to obtain the bit error probability. Results indicate that it is possible to transmit information with rates close to channel capacity. The proposed receiver and the performed analysis can be applied to other types of multiple access channels, in particular for systems with N orthogonal transmission symbols. / Doutorado / Telecomunicações e Telemática / Doutor em Engenharia Elétrica

Este trabalho faz uma extensa e detalhada análise de sistemas ópticos coerentes baseados na tecnologia de acesso múltiplo por divisão de código, com ênfase naqueles em que o processo de codificação do sinal óptico é realizado por meio de deslocamentos de fase no domínio espectral (SPECTS-OCDMA). Apesar de ser um estudo numérico, esforços são concentrados na tentativa de aproximar estes cenários simulados aos cenários mais realistas, implementados em laboratórios. Nesse contexto, levando em consideração o impacto dos efeitos dispersivos e nãolineares da fibra óptica em sistemas SPECTS-OCDMA, são modelados diversos dispositivos que constituem o sistema de recepção do sinal óptico (nonlinear optical loop mirror e nonlinear thresholder), e mostradas suas influências no desempenho do sistema. Isso permite identificar o exato grau de interferência que cada código de uma determinada família de códigos causa nos outros códigos da mesma família. Esta análise é diferente de tudo previamente reportado para os sistemas OCDMA, porque até então sempre se supôs que todos os códigos de uma mesma família têm o mesmo desempenho. Também é demonstrado que uma escolha ótima do conjunto de códigos reduz consideravelmente a taxa de erro de bit (BER). Os conjuntos ótimos de códigos são obtidos em termos do padrão de interferência causado por todos os códigos no usuário de interesse. Isso permite mostrar que o uso de conjuntos ótimos de códigos não só melhora o desempenho geral do sistema em termos de BER, mas também elimina a quebra de ortogonalidade (nunca levada em consideração em análises anteriores de sistemas OCDMA) devido à diafonia (crosstalk). Este aspecto também é resolvido com detalhes neste trabalho uma vez que ele compromete seriamente a segurança do sistema contra espiões (intencionais e não intencionais). Ainda visando a modelagem de dispositivos voltados para sistemas ópticos coerentes, também foi investigado neste trabalho a evolução de pulsos ultracurtos e de alta potência (com fase modulada no domínio espectral) em fibras altamente não-lineares. Esse fenômeno conhecido por geração de luz supercontínua é caracterizado por um forte alargamento espectral induzido por efeitos não-lineares no meio óptico, e que encontra uma grande variedade de aplicações, como tomografia por coerência óptica, espectroscopia e metrologia de frequência. Entretanto, o ajuste do espectro obtido após a propagação para uma dessas aplicações requer uma escolha correta da fibra óptica e da fonte de pulsos ultracurtos utilizados. Uma vez que esses parâmetros estão definidos, fica muito difícil conseguir um ajuste fino do espectro obtido. Dessa forma, a vantagem da utilização de pulsos modulados é a possibilidade de se realizar uma sintonia fina do espectro obtido para uma aplicação desejada. Além disso, essa técnica permite a geração de pentes de frequências ópticos (optical frequency combs) sintonizáveis. / In this work we perform a comprehensive analysis of a spectral phase-encoded time spreading optical code division multiple access (SPECTS-OCDMA) system. Despite being a numerical study, efforts were concentrated on the investigation of more realistic scenarios using as much information as possible from implemented test-beds in laboratories. In this context, after take into account the impact of dispersive and nonlinear effects of optical fiber in SPECTS-OCDMA systems, some devices of the optical signal reception subsystem are modeled (nonlinear optical loop mirror and nonlinear thresholder), and their influences on system performance are shown. This allowed for the first time in the OCDMA literature the identification of the exact degree of interference that each code of a particular family of codes causes on other codes of the same family. This analysis considerably advances the common sense adopted in the literature in which all codes of the same family perform equally. It is demonstrated that an adequate (optimal) choice of codes can reduce considerably the bit error rate (BER). The optimal code-sets are obtained in terms of the interference pattern caused by every code on the code of interest. Furthermore, it is shown that the use of optimal code-sets not only improves the overall system performance in terms of BER, but also eliminates the orthogonality failure (never accounted for in previous OCDMA analysis) due to crosstalk. This issue is also addressed in details in this work since it seriously compromises the security of the system against (intentional or unintentional) eavesdroppers. Still aiming at modeling devices for coherent optical systems, it is investigated the evolution of ultrashort high-power pulses (spectrally phase modulated) in high nonlinear fibers. This phenomenon known as supercontinuum generation is characterized by strong spectral broadening induced by nonlinear effects in optical medium, and finds a wide range of applications such as optical coherence tomography, spectroscopy and frequency metrology. However, tailoring the supercontinuum (SC) spectra to a specific application requires the correct choice of the optical fiber and the ultrashort pulse source. Once these parameters are defined, it becomes very difficult to achieve a fine tune of the generated spectra. Therefore, an alternative is to phase modulate the input pulse to adjust the generated spectra to a specific application. Also, we show that this technique allow us to generate tunable optical frequency combs simply by adjusting the modulation parameters.

The significant advances in fiber-optic technology have broadened the optical network\'s reach into end-user business premises and even homes, allowing new services and technologies to be delivered to the customers. The next wave of innovation will certainly generate numerous opportunities provided by the widespread popularity of emerging solutions and applications such as tactile Internet, telemedicine and real time 3-D content generation, making them part of everyday life. Nevertheless, to support such an unprecedented and insatiable demand of data traffic, higher capacity and security, flexible bandwidth allocation and cost-efficiency have become crucial requirements for technologies candidate for future optical access networks. To this aim, optical code-division multiple-access (OCDMA) technology is considered as a prospective candidate, particularly due to features like asynchronous transmissions, flexible as well as conscious bandwidth resource distribution and support to differentiated services at the physical layer, to name but a few. In this context, this thesis proposes new mathematical formalisms for bit error rate, packet throughput and packet delay to assess the performance of flexible OCDMA networks capable of providing multiservice multirate transmissions according to users\' requirements. The proposed analytical formalisms do not require the knowledge a priori of the users\' code sequences, which means that the network performance can be addressed in a simple and straightforward manner using the code parameters only. In addition, the developed analytical formalisms account for a general number of distinct users\' classes as well as general probability of interference among users. Hence, these formalisms can be successfully applied for performance evaluation of flexible OCDMA networks not only under any number of users\' classes in a network, but also for most spreading codes with good correlation properties. The packet throughput expression is derived assuming Poisson, binomial and Markov chain approaches for the composite packet arrivals with the latter defined as benchmark. Then, it is shown via numerical simulation the Poisson-based expression is not appropriate for a reliable throughput estimate when compared to the benchmark (Markov) results. The binomial-based throughput equation, by its turn, provides results as accurate as the benchmark. In addition, the binomial-based throughput is numerically more convenient and computationally more efficient than the Markov chain approach, whereas the Markov-based one is computationally expensive, particularly if the number of users is large. The bit error rate (BER) expressions are derived considering gaussian and binomial distributions for the multiple-access interference and it is shown via numerical simulations that accurate performance of flexible OCDMA networks is only obtained with the binomial-based BER expression. This thesis also proposes and investigates a network architecture for Internet protocol traffic over flexible OCDMA with support to multiservice multirate transmissions, which is independent of the employed spreading code and does not require any new optical processing technology. In addition, the network performance assumes users transmitting asynchronously using receptors based on intensity-modulation direct-detection schemes. Numerical simulations shown that the proposed network performs well when its users are defined with high-weight code or when the channel utilization is low. The BER and packet throughput performance of an OCDMA network that provides multirate transmissions via multicode technique with two codes assigned to each single user is also addressed. Numerical results show that this technique outperforms classical techniques based on multilength code. Finally, this thesis addresses a new breakthrough technology that might lead to higher levels of security at the physical layer of optical networks. This technology consists in the generation of deterministic chaos from a commercial free-running vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL). The chaotic dynamics is generated by means of mechanical strains loaded onto an off-the-shelf quantum-well VCSEL using a simple and easily replicable holder. Deterministic chaos is then achieved, for the first time, without any additional complexity of optical feedback, parameter modulation or optical injection. The simplicity of the proposed system, which is based entirely on low-cost and easily available components, opens the way to the widespread use of commercial and free-running VCSEL devices for chaos-based applications. This off-the-shelf and cost-effective optical chaos generator has the potential for not only paving the way towards new security platforms in optical networks like, for example, successfully hiding the user information in an unpredictable, random-like signal against eventual eavesdroppers, but also for influencing emerging chaos applications initially limited or infeasible due to the lack of low-cost solutions. Furthermore, it leads the way to future realization of emerging applications with high-integrability and -scalability such as two-dimensional arrays of chaotic devices comprising hundreds of individual sources to increase requirements for random bit generation, cryptography or large-scale quantum networks. / Os avanços relacionados a tecnologia fotônica ampliaram o alcance das redes de comunicação óptica tanto em instalações de estabelecimentos comerciais quanto em residências, permitindo que novos serviços e tecnologias fossem entregues aos clientes. A próxima onda de inovação certamente gerará inúmeras oportunidades proporcionadas pela popularidade de soluções emergentes e aplicações como a Internet tátil, a telemedicina e a geração de conteúdo 3-D em tempo real, tornando-os parte da vida cotidiana. No entanto, para suportar a crescente demanda de tráfego atual, uma maior capacidade e segurança, alocação flexível de largura de banda e custo-eficiência tornaram-se requisitos cruciais para as tecnologias candidatas a futuras redes de acesso óptico. Para este fim, a tecnologia de acesso múltiplo por divisão de código óptico (OCDMA) é considerada um candidato em potencial, particularmente devido a características como transmissões assíncronas, distribuição flexível de banda larga e suporte a serviços diferenciados na camada física, para citar apenas alguns. Neste contexto, esta tese propõe novos formalismos matemáticos para a taxa de erro de bits, taxa de transferência de pacotes e atraso de pacotes para avaliar o desempenho de redes OCDMA flexíveis capazes de fornecer transmissões em múltiplas qualidades de serviço (QoS) de acordo com as necessidades dos usuários. Os formalismos analíticos propostos não requerem o conhecimento a priori das sequências de código dos usuários, o que significa que o desempenho da rede pode ser abordado de forma simples e direta usando apenas os parâmetros de código. Além disso, os formalismos analíticos desenvolvidos representam um número geral de classes de usuários distintos, bem como a probabilidade geral de interferência entre os usuários. Portanto, esses formalismos podem ser aplicados com sucesso na avaliação de desempenho de redes OCDMA flexíveis não apenas em qualquer número de classes de usuários em uma rede, mas também para a maioria dos códigos de espalhamento com boas propriedades de correlação. A expressão de taxa de transferência de pacotes é derivada assumindo aproximações de Poisson, binomial e de cadeia de Markov para as chegadas de pacotes compostos, com a última definida como benchmark. Em seguida, é mostrado via simulação numérica que a expressão baseada em Poisson não é apropriada para uma estimativa confiável de taxa de transferência quando comparada aos resultados de benchmark (Markov). A equação de taxa de transferência binomial, por sua vez, fornece resultados tão precisos quanto o benchmark. Além disso, a taxa de transferência binomial é numericamente mais conveniente e computacionalmente eficiente quando comparada com abordagem de Markov, enquanto esta última é computacionalmente dispendiosa, particularmente se o número de usuários é grande. As expressões de taxa de erro de bit (BER) são derivadas considerando distribuições gaussianas e binomiais para a interferência de acesso múltiplo e é mostrado por meio de simulações numéricas que o desempenho exato de redes OCDMA flexíveis é obtido somente com a expressão binomial de BER. Esta tese também propõe e investiga uma arquitetura de rede para o tráfego de protocolo de Internet sobre OCDMA flexível com suporte a transmissões de QoS e de múltiplas taxas, que é independente do código de espalhamento empregado e não requer qualquer nova tecnologia de processamento óptico. Além disso, o desempenho da rede assume que os usuários transmitem de forma assíncrona usando receptores baseados em esquemas de detecção direta de modulação de intensidade. As simulações numéricas mostraram que a rede proposta possui melhor desempenho quando seus usuários são definidos com peso de código alto ou quando a utilização do canal é baixa. O desempenho da BER e da taxa de transferência de pacotes de uma rede OCDMA que fornece transmissões de múltiplas taxas por meio de uma técnica multi-código com dois códigos atribuídos a cada usuário é também abordado. Os resultados numéricos mostram que esta técnica supera as técnicas clássicas baseadas no código de comprimento múltiplo. Finalmente, esta tese aborda uma nova tecnologia que pode levar a níveis mais elevados de segurança na camada física de redes ópticas. Esta tecnologia consiste na geração de caos determinístico a partir de um laser de emissão superficial com cavidade vertical (VCSEL). A dinâmica caótica é gerada através da aplicação de forças mecânicas em um VCSEL comercial usando um suporte simples e facilmente replicável. O caos determinístico é então alcançado, pela primeira vez, sem qualquer complexidade adicional de realimentação óptica, modulação de parâmetros ou injeção óptica. A simplicidade do sistema proposto, o qual se baseia inteiramente em componentes de baixo custo e que são facilmente encontrados, abre o caminho para o uso de dispositivos VCSEL comerciais para aplicações baseadas em caos. Este gerador de caos óptico tem o potencial não só de pavimentar o caminho para novas plataformas de segurança em redes ópticas, como, por exemplo, ocultar com êxito as informações do usuário em um sinal imprevisível e aleatório contra eventuais invasores, como também tem o potencial de influenciar aplicações de caos emergentes inicialmente limitadas ou inviáveis devido à falta de soluções de baixo custo. Além disso, ele conduz o caminho para a realização futura de aplicações emergentes com alta integridade e escalabilidade, tais como matrizes bidimensionais de dispositivos caóticos que compreendem centenas de fontes individuais para aumentar as necessidades de geração de bit aleatória, criptografia ou redes quânticas de grande escala.

A evolução das redes ópticas para atender o crescimento da demanda por largura de banda tem estimulado a busca por uma maior eficiência na utilização da largura de faixa disponível. O sucesso da implementação prática da técnica de acesso múltiplo por divisão de código (CDMA) em sistemas de comunicações móveis também despertou o interesse por aplicações em redes ópticas (OCDMA). Atributos únicos tais como capacidade flexível sob demanda, segurança na comunicação e alta escalabilidade, incentivaram significativamente as pesquisas. Neste contexto, este trabalho apresenta, primeiramente, uma revisão de várias configurações OCDMA propostas na literatura para qualificar e quantificar códigos válidos, com ênfase nas propriedades de correlação. Em seguida, realiza uma modelagem de sistema óptico abrangendo os subsistemas principais de geração, transmissão e recepção de sinal. O impacto das degradações, referentes à fibra óptica e aos diversos dispositivos que constituem o sistema, é então avaliado e sua influência sobre o desempenho de algumas configurações de codificação é investigado. O conhecimento da forma e das condições de manifestação destas degradações poderá servir de base ao processamento de sinal óptico à luz dos esquemas de codificação. Uma discussão sobre qualidade de serviço (QoS) e sobre flexibilização da aplicação OCDMA em sistemas de comunicação óptica também são também abordadas. / The evolution of optical networks verified in the last few years has been characterized by the search for better bandwidth utilization efficiency. The successful implementation of practical code division for multiple access techniques (CDMA) in mobile communications systems has stimulated new investigations on this topic, particularly in the optical domain (optical CDMA). This is justified due to some remarkable attributes of this technology, such flexibility in code design, capacity on demand, safety, and high scalability. In this context, this dissertation presents, initially, a comprehensive review of several code configurations for OCDMA proposed in the literature, with emphasis particularly on the correlation and users availability properties. Next, it describes the modeling of an optical system consisting of the following three subsystems: generation, transmission, and signal detection. The penalties imposed to the optical codes by the propagating medium, as well as by the devices employed in the system, are accounted for and their influence on the performance of some coding configurations is investigated. The knowledge of how and when these penalties will affect the system is crucial in optical signal processing based on codification schemes. Finally, this work also addresses some aspects related to quality of service (QoS) and flexibility of the OCDMA technology in optical communications systems.

Aiming to achieve the better efficiency in the use of bandwidth (spectral efficiency), as well as a compromise with the energy utilized in the process (power efficiency), the service operators are obliged to change the way in which the information is conveyed. The simplicity of the OOK modulation format has always been the main reason for using it in optical communications. Hence, once the coherent technologies had reached the maturity from a commercial point of view, they have become real alternatives to extend the capacity of networks. In this thesis, the performance of single and multirate FFH-OCDMA networks based on coherent modulation formats is addressed. The following modulation formats are assumed: binary and quadrature phase shift keying (BPSK and QPSK). For single rate networks, BPSK or QPSK are used as the modulation format for all users. For multirate networks, on the other hand, BPSK and QPSK modulation formats are employed for low and high rate transmission users, respectively. For both networks, new bit error rate (BER) formalisms regarding the main deleterious source in OCDMA are derived, namely multipleaccess interference (MAI). The mathematical formalism developed here accounts for any kind of users\' signal waveforms (which are accurately accounted for at the desired user\'s receiver). As a result, it can be successfully used to carry out performance analysis of any OCDMA network. Moreover, it is shown that both low and high rate users can surprisingly achieve similar BER levels. In addition, it is demonstrated that incoherent OOK-based networks are not good candidates for future single and multirate FFH-OCDMA implementations in this interference limited scenario. On the other hand, our results pave the way for BPSK- and QPSK -based networks, which are seen as potential candidates for next generation passive optical networks (NG-PON2), where higher data rates and a vast amount of users will be major network requirements. / No intuito de alcançar uma melhor eficiência no uso da largura de banda (eficiência espectral), bem como um compromisso com a energia utilizada no processo de transmissão de informações (eficiência em potência), as operadoras de serviços estão sendo obrigadas a alterar o modo em que a informações estão sendo transmitidas. Neste sentido, a simplicidade do formato de modulação OOK sempre foi a principal razão para a sua utilização em sistemas de comunicações ópticas. Assim, uma vez que a tecnologia coerente tem alcançado a maturidade do ponto de vista comercial, estas são reais alternativas para aumentar a capacidade das redes de comunicação ópticas. Nesta tese, são avaliados os desempenhos de redes FFH-OCDMA convencionais e de múltiplas taxas baseadas em formatos de modulação coerentes. Os seguintes formatos de modulação assumidos são: modulação por chaveamento de fase binário e por quadratura (BPSK e QPSK). Para redes convencionais, BPSK e QPSK são utilizados como formatos de modulação para todos os usuários. Por outro lado, para redes de múltiplas taxas de transmissão, os formatos de modulação BPSK e QPSK são empregados para baixas e altas taxas, respectivamente. Para ambas as redes, foram derivados novos formalismos matemáticos considerando a principal fonte deletéria de desempenho em OCDMA, comumente chamada de MAI, no cálculo da BER. Os formalismos matemáticos desenvolvidos são generalizados para quaisquer tipos de formas de onda empregada nos sinais dos usuários (as quais são contabilizadas precisamente no receptor do usuário de interesse). Como resultados, o formalismo matemático pode ser utilizado com sucesso para realizar a análise de desempenho de qualquer rede OCDMA. Adicionalmente, é demonstrado que ambos os usuários em baixa ou alta taxa de transmissão podem surpreendentemente alcançar níveis similares de BER. Concomitantemente, é observado que redes incoerentes baseadas em OOK não são boas candidatas para implementações convencionais e de múltiplas taxas de transmissão considerando esse cenário limitado por interferência. Por outro lado, os resultados trilham o caminho para redes baseadas em BPSK e QPSK, as quais são potenciais candidatas para a próxima geração de redes ópticas passivas (NG-PON2), onde os maiores requisitos são as altas taxas de transmissão e grande capacidade de inserção simultânea de usuários.

As redes ópticas passivas (PON), em virtude da oferta de maior largura de banda a custos relativamente baixos, vêm se destacando como possível candidata para suprir a demanda dos novos serviços como, tráfego de voz, vídeo, dados e de serviços móveis, exigidos pelos usuários finais. Uma importante candidata, para realizar o controle de acesso nas PONs, é a técnica de acesso múltiplo por divisão de código óptico (OCDMA), por apresentar características relevantes, como maior segurança e capacidade flexível sob demanda. No entanto, agentes físicos externos, como as variações de temperatura ambiental no enlace, exercem uma influência considerável sobre as condições de operação das redes ópticas. Especificamente, nas OCDMA-PONs, os efeitos da variação de temperatura ambiental no enlace de transmissão, afetam o valor do pico do autocorrelação do código OCDMA a ser detectado, degradando a qualidade de serviço (QoS), além do aumento da taxa de erro de bit (BER) do sistema. O presente trabalho apresenta duas novas propostas de técnicas, utilizando sistemas inteligentes, mais precisamente, controladores lógicos fuzzy (FLC) aplicados nos transmissores e nos receptores das OCDMA-PONs, com o objetivo de mitigar os efeitos de variação de temperatura. Os resultados das simulações mostram que o desempenho da rede é melhorado quando as abordagens propostas são empregadas. Por exemplo, para a distância de propagação de 10 km e variações de temperatura de 20°C, o sistema com FLC, suporta 40 usuários simultâneos com a BER = 10-9, enquanto que, sem FLC, acomoda apenas 10. Ainda neste trabalho, é proposta uma nova técnica de classificação de códigos OCDMA, com o uso de redes neurais artificiais, mais precisamente, mapas auto-organizáveis de Kohonen (SOM), importante para que o sistema de gerenciamento da rede possa oferecer uma maior segurança para os usuários. Por fim, sem o uso de técnica inteligente, é apresentada, uma nova proposta de código OCDMA, cujo formalismo desenvolvido, permite generalizar a obtenção de código com propriedades distintas, como diversas ponderações e comprimentos de códigos. / Passive optical networks (PON), due to the provision of higher bandwidth at relatively low cost, have been excelling as a possible candidate to meet the demand of new services, such as voice traffic, video, data and mobile services, as required by end users. An important candidate to perform access control in PONs, is the Optical Code-Division Multiple-Access (OCDMA) technique, due to relevant characteristics, such as improved security and flexible capacity on demand. However, external physical agents, such as variations in environmental temperature on the Fiber Optic Link, have considerable influence on the operating conditions of optical networks. Specifically, in OCDMA-PONs, the effects of environmental temperature variation in the transmission link affect the peak value on the autocorrelation of the OCDMA code to be detected, degrading the quality of service (QoS), in addition to increasing the Bit Error Rate (BER) of the system. This thesis presents two new proposals of techniques using intelligent systems, more precisely, Fuzzy Logic Controllers (FLC) applied on the transmitters and receivers of OCDMA-PONs, in order to mitigate the effects of temperature variation. The simulation results show that the network performance is improved when the proposed approaches are employed. For example, for the propagation distance of 10 kilometers and temperature variations of 20°C, the FLC system supports 40 simultaneous users at BER = 10-9, whereas without the FLC, the system can accommodate only 10. Furthermore, in this work is proposed a new technique of OCDMA codes classification, using Artificial Neural Networks (ANN), more precisely, the Self-Organizing Maps (SOM) of Kohonen, important for the network management system to provide increased security for users. Finally, without the use of intelligent technique, it is presented a new proposal of OCDMA code, whose formalism developed, allows to generalize the code acquisition with distinct properties, such as different weights and length codes.

A evolução das redes ópticas para atender o crescimento da demanda por largura de banda tem estimulado a busca por uma maior eficiência na utilização da largura de faixa disponível. O sucesso da implementação prática da técnica de acesso múltiplo por divisão de código (CDMA) em sistemas de comunicações móveis também despertou o interesse por aplicações em redes ópticas (OCDMA). Atributos únicos tais como capacidade flexível sob demanda, segurança na comunicação e alta escalabilidade, incentivaram significativamente as pesquisas. Neste contexto, este trabalho apresenta, primeiramente, uma revisão de várias configurações OCDMA propostas na literatura para qualificar e quantificar códigos válidos, com ênfase nas propriedades de correlação. Em seguida, realiza uma modelagem de sistema óptico abrangendo os subsistemas principais de geração, transmissão e recepção de sinal. O impacto das degradações, referentes à fibra óptica e aos diversos dispositivos que constituem o sistema, é então avaliado e sua influência sobre o desempenho de algumas configurações de codificação é investigado. O conhecimento da forma e das condições de manifestação destas degradações poderá servir de base ao processamento de sinal óptico à luz dos esquemas de codificação. Uma discussão sobre qualidade de serviço (QoS) e sobre flexibilização da aplicação OCDMA em sistemas de comunicação óptica também são também abordadas. / The evolution of optical networks verified in the last few years has been characterized by the search for better bandwidth utilization efficiency. The successful implementation of practical code division for multiple access techniques (CDMA) in mobile communications systems has stimulated new investigations on this topic, particularly in the optical domain (optical CDMA). This is justified due to some remarkable attributes of this technology, such flexibility in code design, capacity on demand, safety, and high scalability. In this context, this dissertation presents, initially, a comprehensive review of several code configurations for OCDMA proposed in the literature, with emphasis particularly on the correlation and users availability properties. Next, it describes the modeling of an optical system consisting of the following three subsystems: generation, transmission, and signal detection. The penalties imposed to the optical codes by the propagating medium, as well as by the devices employed in the system, are accounted for and their influence on the performance of some coding configurations is investigated. The knowledge of how and when these penalties will affect the system is crucial in optical signal processing based on codification schemes. Finally, this work also addresses some aspects related to quality of service (QoS) and flexibility of the OCDMA technology in optical communications systems.