Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη τηλεπικοινωνιακής κίνησης και η αποτίμηση της επίδοσης OCDMA δικτύων ως προς την πιθανότητα φραγής κλήσης. Αρχικά γίνεται αναφορά στην εξέλιξη και τις ιδιότητες των οπτικών ινών και των οπτικών δικτύων. Στη συνέχεια περιγράφονται τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες των OCDMA συστημάτων. Ακολούθως χρησιμοποιούνται αναλυτικά μοντέλα, τα οποία υλοποιούνται στη γλώσσα προγραμματισμού C, για τον υπολογισμό των πιθανοτήτων φραγής κλήσης σε συγκεκριμένα οπτικά δίκτυα στα οποία υφίσταται μία υπηρεσία (service class). Τα αποτελέσματα των μεθόδων ανάλυσης συγκρίνονται με τα αποτελέσματα της αντίστοιχης προσομοίωσης που υλοποιείται με χρήση της γλώσσας προσομοίωσης SIMSCRIPT ΙΙ.5. Τέλος, η προναφερθείσα διαδικασία πραγματοποιείται για οπτικά δίκτυα πρόσβασης υπό την παρουσία πολλών υπηρεσιών και επιπρόσθετων ειδών θορύβου. / The objective of this thesis is the study of telecommunications traffic and the progress evaluation of OCDMA networks. In the first place,my essay starts with presentation of optical fiber technology.At the second chapter we focus on the characteristics of OCDMA systems.Finally,using analytical models,we calculate the blocking probabilities in certain optical networks that support one service class. The analytical results are compared with the relevant simulation results. Moreover,the above procedure applies for optical access networks with many service classes plus extra kinds of additive noise.

In this thesis, we investigate in detail, certain important problems in cryptography and coding theory. In the first part of this thesis, we discuss the number field sieve and compare the two ways in which the sieving step is implemented -one method using the line sieve and the other using the lattice sieve. We discuss why the lattice sieve performs better than the line sieve in the presence of large primes -this has not been attempted before. In the second part of this thesis, we design low-correlation CDMA sequences over the Quadrature Amplitude Modulation (QAM) alphabet. The sequences proposed in this thesis have the lowest value of the maximum correlation parameter as compared to any other family in the literature. In the third part of this thesis, we design large families of optimal two-dimensional optical orthogonal codes for optical CDMA. The size of these codes is larger than any other code in the literature.

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 oferta de novos serviços para os usuários finais, como o denominado triple play, que consiste no tráfego simultâneo de voz, vídeo e dados utilizando a mesma infra-estrutura de comunicação, vem exigindo que as estruturas de rede das operadoras ofereçam largura de banda adequada e qualidade de serviço. Nesse contexto, as redes ópticas passivas (PON) vêm se destacando em virtude de oferecerem maior largura de banda a custos relativamente baixos. Nas redes ópticas passivas, trechos de fibras ópticas podem ser compartilhados entre diversos assinantes, exigindo, para isso, a utilização de técnicas de controle de acesso múltiplo. Destaque maior é dado à técnica de acesso múltiplo por divisão de códigos ópticos (OCDMA), por apresentar características tais como maior segurança e capacidade flexível sob demanda. O desempenho dessa tecnologia é basicamente limitado pela interferência de acesso múltiplo, ou interferência multiusuário (MAI). No presente trabalho, cenários OCDMA-PON utilizando códigos ópticos unidimensionais, baseados na codificação prima modificada (MPC), e bidimensionais, baseados na codificação óptica ortogonal de múltiplos comprimentos de onda (MWOOC), são descritos, e seus respectivos desempenhos investigados. Os desempenhos desses sistemas são verificados utilizando-se os seguintes esquemas de modulação: 1) On-off Keying (OOK), cujo formalismo para a codificação padded MPC (PMPC) e double padded MPC (DPMPC) foi aqui desenvolvido, 2) por posição de pulso (PPM), considerando os ruídos poissonianos de deteção, cujo formalismo foi também aqui desenvolvido, 3) por posição de pulso (PPM) considerando apenas a interferência de acesso múltiplo (MAI), 4) semelhante ao (3), porém, utilizando a técnica mitigadora de MAI via cancelamento paralelo de interferência (PIC), e 5) semelhante ao (4) porém utilizando modulação por chaveamento de frequência (FSK). Em seguida, a codificação bidimensional MWOOC, utilizando modulação OOK, é analisada com e sem a utilização de PIC. Além desses esquemas, são também incluídas, pela primeira vez nesses formalismos, técnicas de correção posterior de erro (FEC) baseadas no algoritmo Reed-Solomon (RS). A figura de mérito adotada nas simulações é baseada no cálculo da taxa de erro de bit (BER). Os resultados obtidos para os diversos casos investigados neste trabalho indicam que a combinação PIC/FEC deve ser considerada de modo a se obter níveis de BER compatíveis com a região livre de erros (BER < \'10 POT.-12\') para os cenários de redes de acesso atuais e futuros (visando atender a 32 ou 64 usuários simultâneos). / The advent of new services offered to end users, such as the so called triple play, which consists in the simultaneous traffic of voice, video, and data through the same communication infrastructure, has been pushing telecom operators towards providing adequate bandwidth as well as quality of service. This has brought the spotlight to passive optical networks (PONs) by virtue of their considerably higher bandwidth at relatively low cost. In PONs, certain fiber optic spans can be shared among different users as long as multiple access control techniques are used. One such technique is the optical code division multiple access (OCDMA) technique, which, in addition, presents improved data security and flexible capacity on demand. The performance of this technology is basically limited by multi access interference (MAI), which becomes more severe as the number of simultaneous users increases. In the present work, OCDMA-PON scenarios utilizing one- and two-dimensional optical codes separately such as modified prime codes (MPC) and multi-wavelength optical orthogonal codes (MWOOC), are described and thoroughly investigated. The performances of these systems are investigated based on the following modulation schemes: 1) On-off keying (OOK), where a new formalism for the double-padded MPC is proposed, 2) Pulse position modulation (PPM), and 3) Frequency shift keying (FSK) together with MAI mitigation technique based on parallel interference cancelation (PIC). Besides these schemes, it is also included for the first time in these formalisms forward error correction techniques (FEC) based on the Reed-Solomon (RS) algorithm. The figure of merit adopted in all simulations is the bit error rate (BER). The results obtained for the cases investigated in this work indicate that the combination PIC/FEC must be considered if one is interested in obtaining BER levels compatible with the error-free region (BER < \'10 POT.-12\') for the current and future access network scenarios (aiming at attending 32 or 64 simultaneous users).

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.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάλυση και προσομοίωση τηλεπικοινωνιακών δικτύων πολυδιάστατης κίνησης, ενώ δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στα οπτικά δίκτυα. Βασικός σκοπός της διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη αναλυτικών μοντέλων για τον υπολογισμό παραμέτρων απόδοσης του δικτύου, όπως η πιθανότητα απώλειας σύνδεσης, πιθανότητα απώλειας κλήσης, η καθυστέρηση μετάδοσης και το ποσοστό χρησιμοποίησης του καναλιού μετάδοσης. Τα προτεινόμενα αναλυτικά μοντέλα διαφοροποιούνται ανάλογα με την τεχνολογία δικτύου. Οι τεχνολογίες αυτές είναι: Α) Οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος. Β) Οπτικά δίκτυα πρόσβασης. Γ) Ασύρματα δίκτυα πρόσβασης στο Διαδίκτυο. Για οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος αρχικά μελετάται η περίπτωση απλής οπτικής ζεύξης, ενώ στη συνέχεια εξετάζεται δίκτυο πολλαπλών κόμβων τυχαίας τοπολογίας. Επίσης, προτείνονται αναλυτικά μοντέλα για την περίπτωση της μεταγωγής οπτικών πακέτων με την αποτίμηση της απόδοσης ενός οπτικού διακόπτη, αλλά και δικτύου μεταγωγής οπτικών πακέτων τυχαίας τοπολογίας. Ακολούθως, προτείνονται αναλυτικά μοντέλα για την αποτίμηση της απόδοσης παθητικών οπτικών δικτύων, τα οποία υλοποιούν διαφορετικές μεθόδους πολλαπλής πρόσβασης. Για την περίπτωση της πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση χρόνου μελετάται το παθητικό οπτικό δίκτυο Ethernet, το οποίο υποστηρίζει πολυδιάστατη κίνηση. Αναφορικά με την πολυπλεξία με διαίρεση μήκους κύματος μελετάται ένα υβριδικό παθητικό οπτικό δίκτυο σε επίπεδο κλήσεων. Οι κλήσεις διακρίνονται ανάλογα με τη διαδικασία άφιξης σε τυχαίες και ψευδοτυχαίες κλήσεις, ανάλογα με τις απαιτήσεις σε εύρος ζώνης σε κλήσεις με σταθερές και ελαστικές απαιτήσεις και ανάλογα με τη συμπεριφορά τους κατά την παραμονή τους στο δίκτυο σε κλήσεις σταθερού ρυθμού μετάδοσης και σε κλήσεις οι οποίες εναλλάσσονται μεταξύ ενεργών περιόδων μετάδοσης και περιόδων σιγής. Τέλος, προτείνονται αναλυτικά μοντέλα υπολογισμού απωλειών για την περίπτωση της πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση οπτικού κώδικα, τα οποία λαμβάνουν υπ’όψιν πολλαπλές υπηρεσίες, την παρουσία προσθετικού θορύβου, αλλά και τη δραστηριότητα του χρήστη. Για την αποτίμηση της απόδοσης ασύρματων δικτύων πρόσβασης στο Διαδίκτυο προτείνονται αναλυτικά μοντέλα, τα οποία υλοποιούν το πρωτόκολλο ΙΕΕΕ 802.11 ή το πρωτόκολλο ΙΕΕΕ 802.11e. Η προτεινόμενη ανάλυση υπολογίζει τόσο τη διεκπεραιωτική ικανότητα του δικτύου, όσο και τη συνολική καθυστέρηση μετάδοσης πακέτου ως συνάρτηση της καθυστέρησης στο ασύρματο μέσο και της καθυστέρησης στην ουρά αναμονής. Σε όλες τις περιπτώσεις η ακρίβεια των προτεινόμενων μοντέλων πιστοποιείται/ελέγχεται με την προσομοίωση του δικτύου στον υπολογιστή. / In this PhD dissertation multi-rate models are examined for the performance analysis of telecommunication networks through mathematical analysis and simulation. Particular emphasis is given to optical networks. The main goal is the development of analytical models for the calculation of network performance metrics, such as blocking probabilities, transmission delay and utilization of the common channel. The proposed analytical models are distinguished according to the network technologies. Three different technologies are considered: A) Wavelength routed optical networks. B) Optical access networks. C) Wireless Internet access networks. Multi-rate loss models are proposed for the performance evaluation of wavelength routed optical networks. Firstly, the case of a single link is considered and then a mesh all-optical network is examined. In addition, analytical models are proposed for Optical Packet Switching (OPS) networks, for the case of an all-optical OPS switch and of an OPS mesh network. Multi-rate analytical models are proposed for the evaluation of the performance of Passive Optical Networks (PONs) implementing different multiple access methods. For the case of Time Division Multiple Access (TDMA) the Ethernet PON is studied, which supports multiple service-classes. Regarding the Wavelength Division Multiplexing (WDM) PONs a hybrid WDM-TDMA PON is considered and the call-level performance is evaluated. Calls are distinguished by their arrival process, which can be random or quasi random, by their bandwidth requirements, which can be fixed of elastic and by their behavior during their service, which can be calls of fixed transmission rate or calls that alternate between ON and OFF periods. Finally multi-rate loss models are proposed for the case of Optical Code Division Multiple Access (OCDMA) PONs that take into account the user activity and the presence of additive noise in the transmission channel. For the performance analysis of wireless Internet access networks analytical models are proposed, which implement the IEEE 802.11 protocol or the IEEE 802.11e protocol. The proposed analysis calculated the saturation throughput and the end-to-end packet delay as a function of the Medium Access Control (MAC) delay and the queueing delay. In all cases the accuracy of the proposed models is validated through simulation.

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 oferta de novos serviços para os usuários finais, como o denominado triple play, que consiste no tráfego simultâneo de voz, vídeo e dados utilizando a mesma infra-estrutura de comunicação, vem exigindo que as estruturas de rede das operadoras ofereçam largura de banda adequada e qualidade de serviço. Nesse contexto, as redes ópticas passivas (PON) vêm se destacando em virtude de oferecerem maior largura de banda a custos relativamente baixos. Nas redes ópticas passivas, trechos de fibras ópticas podem ser compartilhados entre diversos assinantes, exigindo, para isso, a utilização de técnicas de controle de acesso múltiplo. Destaque maior é dado à técnica de acesso múltiplo por divisão de códigos ópticos (OCDMA), por apresentar características tais como maior segurança e capacidade flexível sob demanda. O desempenho dessa tecnologia é basicamente limitado pela interferência de acesso múltiplo, ou interferência multiusuário (MAI). No presente trabalho, cenários OCDMA-PON utilizando códigos ópticos unidimensionais, baseados na codificação prima modificada (MPC), e bidimensionais, baseados na codificação óptica ortogonal de múltiplos comprimentos de onda (MWOOC), são descritos, e seus respectivos desempenhos investigados. Os desempenhos desses sistemas são verificados utilizando-se os seguintes esquemas de modulação: 1) On-off Keying (OOK), cujo formalismo para a codificação padded MPC (PMPC) e double padded MPC (DPMPC) foi aqui desenvolvido, 2) por posição de pulso (PPM), considerando os ruídos poissonianos de deteção, cujo formalismo foi também aqui desenvolvido, 3) por posição de pulso (PPM) considerando apenas a interferência de acesso múltiplo (MAI), 4) semelhante ao (3), porém, utilizando a técnica mitigadora de MAI via cancelamento paralelo de interferência (PIC), e 5) semelhante ao (4) porém utilizando modulação por chaveamento de frequência (FSK). Em seguida, a codificação bidimensional MWOOC, utilizando modulação OOK, é analisada com e sem a utilização de PIC. Além desses esquemas, são também incluídas, pela primeira vez nesses formalismos, técnicas de correção posterior de erro (FEC) baseadas no algoritmo Reed-Solomon (RS). A figura de mérito adotada nas simulações é baseada no cálculo da taxa de erro de bit (BER). Os resultados obtidos para os diversos casos investigados neste trabalho indicam que a combinação PIC/FEC deve ser considerada de modo a se obter níveis de BER compatíveis com a região livre de erros (BER < \'10 POT.-12\') para os cenários de redes de acesso atuais e futuros (visando atender a 32 ou 64 usuários simultâneos). / The advent of new services offered to end users, such as the so called triple play, which consists in the simultaneous traffic of voice, video, and data through the same communication infrastructure, has been pushing telecom operators towards providing adequate bandwidth as well as quality of service. This has brought the spotlight to passive optical networks (PONs) by virtue of their considerably higher bandwidth at relatively low cost. In PONs, certain fiber optic spans can be shared among different users as long as multiple access control techniques are used. One such technique is the optical code division multiple access (OCDMA) technique, which, in addition, presents improved data security and flexible capacity on demand. The performance of this technology is basically limited by multi access interference (MAI), which becomes more severe as the number of simultaneous users increases. In the present work, OCDMA-PON scenarios utilizing one- and two-dimensional optical codes separately such as modified prime codes (MPC) and multi-wavelength optical orthogonal codes (MWOOC), are described and thoroughly investigated. The performances of these systems are investigated based on the following modulation schemes: 1) On-off keying (OOK), where a new formalism for the double-padded MPC is proposed, 2) Pulse position modulation (PPM), and 3) Frequency shift keying (FSK) together with MAI mitigation technique based on parallel interference cancelation (PIC). Besides these schemes, it is also included for the first time in these formalisms forward error correction techniques (FEC) based on the Reed-Solomon (RS) algorithm. The figure of merit adopted in all simulations is the bit error rate (BER). The results obtained for the cases investigated in this work indicate that the combination PIC/FEC must be considered if one is interested in obtaining BER levels compatible with the error-free region (BER < \'10 POT.-12\') for the current and future access network scenarios (aiming at attending 32 or 64 simultaneous users).

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.

The continuous evolution of the optical communication technology in the last few years has allowed the growing users demand for higher bandwidth to be satisfactorily attended. This new demand is mainly attributed to the growing popularity of bandwidth-intensive networking applications, such as Internet protocol television (IPTV), high-definition television (HDTV), e-learning, e-health, super high-definition (SHD) class digital movies, and e-culture based on 3-D full-HD video. These applications will eventually require differentiated service types and diversified data rates. As a result, capability of supporting differentiated-quality of service (QoS) and multirate transmission are becoming a challenge for future optical networks. Among many multiplexing techniques, optical code-division multiple-access (OCDMA) constitutes a potential candidate for next generation optical networks, particularly due to features like asynchronous operation, simplified network control, easy addition of new users, and possibility of differentiated-QoS at the physical layer. The performance of this access technique is mainly limited by multiple-access interference (MAI). Although in multirate, multiservice OCDMA systems MAI is considered to be binomially distributed, others probability distributions for the MAI analyzes and consequently the bit error rate (BER) have been used as an approximation. In this context, this dissertation proposes a new formalism to evaluate the BER performance of 1-D and 2-D multirate, multiservice OCDMA systems considering MAI as binomially distributed, resulting in a more accurate BER expression. Also, the proposed approach does not require knowledge a priori of the generated code sequences themselves, which means that the system performance analysis is achieved more easily using only the code parameters. Furthermore, a multirate OCDMA system employing 1-D optical orthogonal code (OOC) and 2-D optical fast frequency hopping (OFFH) codes is also investigated. A performance comparison in terms of BER for the OOC-based system assuming both Poisson and binomial distribution for the MAI is investigated. A further comparison of an OFFH-based multirate system assuming both gaussian and binomial distribution for the MAI is also analyzed. It is shown that BER performance in multirate scenarios can be overestimated or underestimated by many orders of magnitude depending on the assumed distribution for the MAI and on the number of simultaneous users. Moreover, it is presented for the first time a hybrid OCDM/WDM optical packet switch capable of supporting multirate and differentiated-QoS transmission. The architecture of the proposed multirate switch and its performance in terms of packet loss probability are also presented. Finally, it is shown that using a gaussian or Poisson distribution for the MAI might not be appropriate for a reliable BER estimate, since they are not acceptable approximations to assess the performance of multirate, multiservice systems with good accuracy. / A contínua evolução da tecnologia de comunicações ópticas observada nos últimos anos vem possibilitando atender a crescente demanda dos usuários por maior largura de banda. Esta nova demanda é atribuída principalmente à popularidade crescente de aplicações de banda larga, tais como TV por protocolo de Internet (IPTV), televisão de alta definição (HDTV), ensino online, e-saúde, filmes digitais de super alta definição (SHD) e e-cultura baseado em vídeo 3-D full-HD. Esta vasta gama de aplicações acabará por necessitar de tipos de serviços diferenciados e taxas de transmissão de dados diversificadas. Como resultado, capacidades de suportar diferenciamento de qualidade de serviço (QoS) e transmissão de múltiplas taxas estão se tornando um desafio para as redes ópticas futuras. Dentre muitas técnicas de multiplexação existentes, OCDMA constitui-se em um candidato potencial para as redes ópticas de próxima geração, particularmente devido a características como operação assíncrona, controle de rede simplificada, fácil adição de novos usuários, e também possibilidade de QoS diferenciado na camada física. O desempenho desta técnica de acesso múltiplo é limitado principalmente por interferência múltipla de acesso (MAI). Embora em sistemas OCDMA de múltiplas taxas e multiserviços a MAI deva ser considerada binomialmente distribuída, outras distribuições de probabilidade para a análise da MAI e, consequentemente, da BER têm sido utilizadas como uma aproximação. Neste contexto, este trabalho propõe um novo formalismo para avaliar o desempenho da BER de sistemas OCDMA 1-D e 2-D de múltiplas taxas e multisserviços considerando a MAI como binomialmente distribuída, o que resulta em uma expressão mais precisa para a BER. Além disso, o método proposto neste trabalho não requer conhecimento, a priori, das sequências de códigos geradas, o que significa que a análise do desempenho do sistema é obtida mais facilmente utilizando apenas os parâmetros do código. Um sistema OCDMA de múltiplas taxas empregando códigos 1-D OOC e 2-D OFFH será também investigado. Uma comparação do desempenho em termos de BER para o sistema baseado em OOC supondo tanto a distribuição de Poisson quanto a binomial para a MAI é investigada. De forma análoga, uma comparação para o sistema de múltiplas taxas baseado em OFFH supondo desta vez tanto a distribuição gaussiana quanto a binomial para a MAI também é analisada. É mostrado que a BER em cenários de múltiplas taxas pode ser superestimada ou subestimada em várias ordens de grandeza, dependendo da distribuição suposta para a MAI e do número de usuários simultâneos no sistema. Além disso, é apresentado pela primeira vez um switch óptico híbrido de pacotes OCDM/WDM capaz de prover transmissões de múltiplas taxas e serviços diferenciados. A arquitetura do switch proposto e seu desempenho em termos de probabilidade de perda de pacotes também são apresentados. Finalmente, é mostrado que o uso da distribuição gaussiana ou poissoniana para a MAI pode não ser apropriado para uma estimativa confiável de BER, uma vez que não são aproximações aceitáveis para avaliar o desempenho de sistemas de múltiplas taxas e multiserviços com boa precisão.