The thesis focuses on the area of copper twisted pair based wireline communications. As one of the most widely deployed communication media, the copper twisted pair cable plays an important role in the communication network cabling infrastructure. This thesis looks to exploit diversity to improve twisted pair channels for data communications in two common application areas, namely Ethernet over Twisted Paris and digital subscriber line over twisted pair based telephone network. The first part of the thesis addresses new approaches to next generation Ethernet over twisted pair cable. The coming challenge for Ethernet over twisted pair cable is to realise a higher data rate beyond the 25/40GBASE-T standard, in relatively short reach scenarios. The straight-forward approaches, such as improving cable quality and extending frequency bandwidth, are unlikely to provide significant improvement in terms of data rate. However, other system diversities, such as spectrum utilization are yet to be fully exploited, so as to meet the desired data rate performance. The current balanced transmission over the structured twisted pair cable and its parallel single-in-single-out channel model is revisited and formulated as a full-duplex multiple-in-multiple-out (MIMO) channel model. With a common ground (provided by the cable shield), the balanced transmission is converted into unbalanced transmission, by replacing the differential-mode excitation with single-ended excitation. In this way, MIMO adoption may offer spectrum utilization advantages due to the doubled number of the channels. The S-parameters of the proposed MIMO channel model is obtained through the full wave electromagnetic simulation of a short CAT7A cable. The channel models are constructed from the resulting S-parameters, also the corresponding theoretical capacity is evaluated by exploiting different diversity scenarios. With higher spectrum efficiency, the orthogonal-frequency-division-multiplexing (OFDM) modulation can significantly improve the theoretical capacity compared with single-carrier modulation, where the channel frequency selectivity is aided. The MIMO can further enhance the capacity by minimising the impact of the crosstalk. When the crosstalk is properly handled under the unbalanced transmission, this thesis shows that the theoretical capacity of the EoTP cable can reach nearly 200GBit/s. In order to further extend the bandwidth capability of twisted pair cables, Phantom Mode transmission is studied, aiming at creating more channels under balanced transmission operation. The second part of the thesis focuses on the research of advanced scheduling algorithms for VDSL2 QoS enhancement. For VDSL2 broadband access networks, multi-user optimisation techniques have been developed, so as to improve the basic data rate performance. Spectrum balancing improves the network performance by optimising users transmit power spectra as the resource allocation, to mitigate the impact from the crosstalk. Aiming at enhancing the performance for the upstream VDSL2 service, where the users QoS demand is not known by all other users, a set of autonomous spectrum balancing algorithms is proposed. These optimise users transmit power spectra locally with only direct channel state information. To prevent selfish behaviour, the concept of a virtual user is introduced to represent the impact on both crosstalk interference and queueing status of other users. Moreover, novel algorithms are developed to determine the parameters and the weight of the virtual user. Another type of resource allocation in the VDSL2 network is crosstalk cancellation by centralised signal coordination. The history of the data queue is considered as a time series, on which different smooth filter characteristics are investigated in order to investigate further performance improvement. The use of filter techniques accounts for both the instantaneous queue length and also the previous data to determine the most efficient dynamic resource allocation. With the help of this smoothed dynamic resource allocation, the network will benefit from both reduced signalling communication and improved delay performance. The proposed algorithms are verified by numerical experiments.

El presente trabajo de título consistió en la elaboración de un osciloscopio digital de propósito general, sencillo de implementar y de bajo costo. El sistema está dividido en tres fases principales: la etapa de adquisición y acondicionamiento de la señal, transporte de la información por USB y transmisión de dicha información dentro de una red LAN utilizando microcontroladores PIC. En cuanto al acondicionamiento de la señal, se diseñó en base a lo visto en la revisión bibliográfica una atenuación inicial y posterior amplificación variable mediante amplificadores operacionales de ganancia variable, controlada digitalmente mediante la multiplexión de un arreglo de resistencias que definen la ganancia. La idea fundamental fue acondicionar señales de distinta amplitud al rango dinámico del conversor análogodigital utilizado (0 – 5 volts). Una vez convertido el dato mediante interrupciones que garantizan la separación constante de tiempo entre muestras, se guarda dentro de la RAM interna del PIC y mediante transacciones PC-Microcontrolador PIC18F2550 se envían paquetes de datos por USB, los cuales son procesados y posteriormente graficados. Paralelo a esto, se trasfieren los datos captados a un segundo PIC (18F452), el cual define una conexión TCP/IP mediante el controlador Ethernet ENC28J60 y envía paquetes con la información recibida dentro de una LAN. Independiente al método de adquisición utilizado (USB o Ethernet), se diseñó un software basado en capas o módulos, el cual recibe la información, y la guarda en una cadena, y dependiendo si está o no definida la opción de trigger, localiza el punto de disparo y lo centra en pantalla, lo cual da la posibilidad de implementar también un control de desplazamiento vertical.

abstract: A new type of Ethernet switch based on the PCI Express switching fabric is being presented. The switch leverages PCI Express peer-to-peer communication protocol to implement high performance Ethernet packet switching. The advantages and challenges of using the PCI Express as the switching fabric are addressed. The PCI Express is a high-speed short-distance communication protocol largely used in motherboard-level interconnects. The total bandwidth of a PCI Express 3.0 link can reach as high as 256 gigabit per second (Gb/s) per 16 lanes. Concerns for PCI Express such as buffer speed, address mapping, Quality of Service and power consumption need to be considered. An overview of the proposed Ethernet switch architecture is presented. The switch consists of a PCI Express switching fabric and multiple adaptor cards. The thesis reviews the peer-to-peer (P2P) communication protocol used in the switching fabric. The thesis also discusses the packet routing procedure in P2P protocol in detail. The Ethernet switch utilizes a portion of the Quality of Service provided with PCI Express to ensure guaranteed transmission. The thesis presents a method of adapting Ethernet packets over the PCI Express transaction layer packets. The adaptor card is divided into the following two parts: receive path and transmit path. The commercial off-the-shelf Media Access Control (MAC) core and PCI Express endpoint core are used in the adaptor. The output address lookup logic block is responsible for converting Ethernet MAC addresses to PCI Express port addresses. Different methods of providing Quality of Service in the adaptor card include classification, flow control, and error detection with the cooperation of the PCI Express switch are discussed. The adaptor logic is implemented in Verilog hardware description language. Functional simulation is conducted in ModelSim. The simulation results show that the Ethernet packets are able to be converted to the corresponding PCI Express transaction layer packets based on their destination MAC addresses. The transaction layer packets are then converted back to Ethernet packets. A functionally correct FPGA logic of the adaptor card is ready for implementation on real FPGA development board. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2012

A tecnologia de rede dominante em ambientes locais é ethernet. Sua ampla utilização e o aumento crescente nos requisitos impostos pelas aplicações são as principais razões para a evolução constante presenciada desde o surgimento deste tipo de rede simples e barata. Na busca por maior desempenho, configurações baseadas na disputa por um meio de transmissão compartilhado foram substituídas por topologias organizadas ao redor de switches e micro-segmentadas, ou seja, com canais de transmissão individuais para cada estação. Neste mesmo sentido, destacam-se os dispositivos de qualidade de serviço padronizados a partir de 1998, que permitem a diferenciação de tráfego prioritário. O uso desta tecnologia em ambientes de automação sempre foi refreado devido à imprevisibilidade do protocolo CSMA/CD. Entretanto, o uso de switched ethernet em conjunto com a priorização de tráfego representa um cenário bastante promissor para estas aplicações, pois ataca as duas fontes principais de indeterminismo: colisões e enfileiramento. Este trabalho procura avaliar esta estrutura em ambientes de controle distribuído, através de uma análise temporal determinística. Como resultado, propõe-se um modelo analítico de cálculo capaz de prever os valores máximos, médios e mínimos do atraso fim-a-fim observado nas comunicações de diferentes classes de tráfego. Durante a análise, outras métricas relevantes são investigadas como a variação no atraso (jitter) e a interferência entre classes de prioridades distintas.

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A tecnologia de rede dominante em ambientes locais é ethernet. Sua ampla utilização e o aumento crescente nos requisitos impostos pelas aplicações são as principais razões para a evolução constante presenciada desde o surgimento deste tipo de rede simples e barata. Na busca por maior desempenho, configurações baseadas na disputa por um meio de transmissão compartilhado foram substituídas por topologias organizadas ao redor de switches e micro-segmentadas, ou seja, com canais de transmissão individuais para cada estação. Neste mesmo sentido, destacam-se os dispositivos de qualidade de serviço padronizados a partir de 1998, que permitem a diferenciação de tráfego prioritário. O uso desta tecnologia em ambientes de automação sempre foi refreado devido à imprevisibilidade do protocolo CSMA/CD. Entretanto, o uso de switched ethernet em conjunto com a priorização de tráfego representa um cenário bastante promissor para estas aplicações, pois ataca as duas fontes principais de indeterminismo: colisões e enfileiramento. Este trabalho procura avaliar esta estrutura em ambientes de controle distribuído, através de uma análise temporal determinística. Como resultado, propõe-se um modelo analítico de cálculo capaz de prever os valores máximos, médios e mínimos do atraso fim-a-fim observado nas comunicações de diferentes classes de tráfego. Durante a análise, outras métricas relevantes são investigadas como a variação no atraso (jitter) e a interferência entre classes de prioridades distintas.

A tecnologia de rede dominante em ambientes locais é ethernet. Sua ampla utilização e o aumento crescente nos requisitos impostos pelas aplicações são as principais razões para a evolução constante presenciada desde o surgimento deste tipo de rede simples e barata. Na busca por maior desempenho, configurações baseadas na disputa por um meio de transmissão compartilhado foram substituídas por topologias organizadas ao redor de switches e micro-segmentadas, ou seja, com canais de transmissão individuais para cada estação. Neste mesmo sentido, destacam-se os dispositivos de qualidade de serviço padronizados a partir de 1998, que permitem a diferenciação de tráfego prioritário. O uso desta tecnologia em ambientes de automação sempre foi refreado devido à imprevisibilidade do protocolo CSMA/CD. Entretanto, o uso de switched ethernet em conjunto com a priorização de tráfego representa um cenário bastante promissor para estas aplicações, pois ataca as duas fontes principais de indeterminismo: colisões e enfileiramento. Este trabalho procura avaliar esta estrutura em ambientes de controle distribuído, através de uma análise temporal determinística. Como resultado, propõe-se um modelo analítico de cálculo capaz de prever os valores máximos, médios e mínimos do atraso fim-a-fim observado nas comunicações de diferentes classes de tráfego. Durante a análise, outras métricas relevantes são investigadas como a variação no atraso (jitter) e a interferência entre classes de prioridades distintas.

Ingeniero Civil Electricista / En la actualidad la tendencia en redes de transporte de datos es usar tecnologías Ethernet, las que se emplean a nivel de usuarios y proveedores de servicios de comunicaciones. Por eso es tan importante disponer de mecanismos de medición de estos enlaces. Para ello se dispone en el mercado de una amplia variedad de instrumentos especializados y herramientas de software. Además existen normativas de medición recomendadas por los organismos de estandarización, las cuales permiten la evaluación de la calidad a través de protocolos como la RFC2544 para los enlaces y la nuevas medidas Y.1564 para los servicios. Esta memoria tiene como objetivo efectuar comparaciones de desempeño entre las métricas obtenidas con Instrumentación dedicada y herramientas de Software. Se revisan condiciones y restricciones de equivalencia para utilizar equipos o programas de medición en distintos escenarios de evaluación. En la implementación del laboratorio se emplean Instrumentos especializados en la medición de Ethernet, elementos de red y de transporte. Las aplicaciones de software para medición o simulación son de libre acceso en Internet. La metodología propuesta permite un fácil control y repetición de las pruebas. La plataforma de pruebas es portable, modular y estable para diversas condiciones físicas. Los enlaces se despliegan con fibra óptica y atenuadores debido a su capacidad de control de los parámetros en observación: throughput; packet loss y delay variation. No se aconseja la tecnología WLAN pues no es posible manejar las condiciones de medición. Los datos se presentan en gráficos y tablas para la comparación de resultados. Las observaciones permiten concluir que la equivalencia de mediciones con instrumentos y software no es confiable en todos los casos. Existe dependencia del software al tamaño de paquetes por lo que no es recomendable usar datagramas pequeños. Además para el caso de los programas de simulación se debe considerar las capacidades del hardware en donde se ejecutan. Los instrumentos son costosos y difíciles de sustituir pero son estables y confiables en la entrega de resultados. La RFC 2544 puede ser evaluada con equipos o software, sin embargo para la medida de servicios usando Y.1564 se debe emplear instrumentos dedicados. Como extensión de este trabajo se propone desarrollar aplicaciones de medición que sean equivalentes al uso de Instrumentos. Además se sugiere realizar pruebas para redes en servicio activo.

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Optical fibre communications are now widely used in many applications, including local area computer networks. I postulate that many future optical LANs will be required to operate with limited optical power budgets for a variety of reasons, including increased system complexity and link speed, low cost components and minimal increases in transmit power. Some developers will wish to run links with reduced power budget margins, and the received data in these systems will be more susceptible to errors than has been the case previously. The errors observed in optical systems are investigated using the particular case of Gigabit Ethernet on fibre as an example. Gigabit Ethernet is one of three popular optical local area interconnects which use 8B/10B line coding, along with Fibre Channel and Infiniband, and is widely deployed. This line encoding is also used by packet switched optical LANs currently under development. A probabilistic analysis follows the effects of a single channel error in a frame, through the line coding scheme and the MAC layer frame error detection mechanisms. Empirical data is used to enhance this original analysis, making it directly relevant to deployed systems. Experiments using Gigabit Ethernet on fibre with reduced power levels at the receiver to simulate the effect of limited power margins are described. It is found that channel bit error rate and packet loss rate have only a weakly deterministic relationship, due to interactions between a number of non-uniform error characteristics at various network sub-layers. Some data payloads suffer from high bit error rates and low packet loss rates, compared to others with lower bit error rates and yet higher packet losses. Experiments using real Internet traffic contribute to the development of a novel model linking packet loss, the payload damage rate, and channel bit error rate. The observed error behaviours at various points in the physical and data link layers are detailed. These include data-dependent channel errors; this error hot- spotting is in contrast to the failure modes observed in a copper-based system. It is also found that both multiple channel errors within a single code-group, and multiple error instances within a frame, occur more frequently than might be expected. The overall effects of these error characteristics on the ability of cyclic redundancy checks (CRCs) to detect errors, and on the performance of higher layers in the network, is considered. This dissertation contributes to the discussion of layer interactions, which may lead to un-foreseen performance issues at higher levels of the network stack, and extends it by considering the physical and data link layers for a common form of optical link. The increased risk of errors in future optical networks, and my findings for 8B/10B encoded optical links, demonstrate the need for a cross-layer understanding of error characteristics in such systems. The development of these new networks should take error performance into account in light of the particular requirements of the application in question.