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.

O problema estudado relaciona-se ao planejamento de redes ópticas de acesso TWDM (Time and Wavelength Division Multiplexing), tendo como meta prover meios para atender ao consumo crescente de banda e, ao mesmo tempo, associar o mesmo ao menor consumo de energia possível e disponibilizar serviços de qualidade aos usuários da rede. Neste contexto, após a apresentação de uma revisão bibliográfica, alguns trabalhos foram selecionados como referências base para o estudo. Neste, foram analisadas técnicas de gerenciamento do comprimento de onda numa possível migração tecnológica dos equipamentos de acesso à rede pelo lado do usuário, as unidades de rede óptica (ONUs), considerando ser possível aproveitar de forma eficiente a distribuição de ONUs em cada par de comprimentos de onda, e como resultado, desligar interfaces de gerenciamento para economia de energia. Em paralelo a este objetivo, foram agregados métodos de \"registro adaptativo\" para melhorar o desempenho das ONUs que estão migrando e/ou entrando na rede, evitando colisões entre seus sinais e aumentando as chances de registro no terminal de linha óptico (OLT). Além do mais, o trabalho aborda o cumprimento do contrato de serviços (SLA) por parte das operadoras de telecomunicações, bem como oferece meios de estruturar uma rede óptica passiva (PON) para oferecer serviços com garantia de métricas de qualidade (QoS). Diferentes cenários foram tratados ao variar a porcentagem de usuários ativos na rede, e percebeu-se que, quando a PON opera com baixo índice de atividade (média 10% de ONUs ativas), foi possível economizar mais de 80% de energia em interfaces de gerenciamento. Por outro lado, ao envolver cenários mais realistas em redes ópticas (média de 50% de ONUs ativas), o TWDM-PON economizou quase 50% de energia nestas interfaces ao ser configurado com baixo período de migração (5 minutos). Além disso, alcançou um SLA de aproximadamente 100%, um valor considerado acima do usual quando se trata de cumprimento de serviços. Como uma tecnologia emergente, o TWDM-PON destaca-se num cenário que deve ser planejado para ser compatível com tecnologias implantadas, e além de disso, superar o legado de redes PON na economia de energia e qualidade de serviços oferecidos. / The problem studied is related to the planning of optical access networks TWDM (Time and Wavelength Division Multiplexing), aiming to provide means to meet the increasing bandwidth consumption and, at the same time, associating it to the lowest possible power consumption and providing quality services to the network users. In this context, following the presentation of a literature review, some studies were selected as a reference basis for the study. In this, some wavelength management techniques were analyzed aiming a possible technological migration of the network access equipment at the user side, the optical network units (ONU), whereas it is possible to use efficiently the ONUs distribution in each pair of wavelength. As a result, it becomes possible to switch off some management interfaces thus assuring a degree of power consumption save. In parallel, methods for providing an \"adaptive record\" of ONUs have been aggregated to improve the performance of those ONUs that are migrating and/or entering the network, avoiding collisions between their signals and increasing the chance of their registration in the optical line terminal (OLT). Furthermore, this work deals with the fulfillment of the service agreement (SLA) signed by telecommunications operators and proposes ways to design a passive optical network (PON) in order to offer services with quality metrics assurance (QoS). Different scenarios were treated to vary the percentage of active users on the network, and it was noticed that when the PON operates with low rate of activity (average 10% of active ONUs), it was possible to save over 80% energy in the management interfaces. Moreover, by involving more realistic scenarios in optical networks (50%, in average, of active ONUs), the TWDM-PON saved almost 50% of energy at the interfaces to be configured with low migration period (5 minutes). Additionally, it reached an SLA of approximately 100%, a value considered above the usual when it comes to compliance services. As an emerging technology, TWDM-PON stands out in a scenario that should be designed to be compatible with deployed technologies, and beyond that, to overcome the legacy of PON networks in energy saving and quality of services offered.

As redes ópticas estão passando por mudanças significativas, impulsionadas pelo crescimento exponencial do tráfego, principalmente advindo de serviços multimídia e armazenamento em nuvem. Esta demanda exigirá aumento da capacidade da taxa de transmissão para padrões como 400 Gb/s e 1 Tb/s. Nesse contexto, foi proposta uma arquitetura de rede com grade de frequências granular flexível chamada elastic optical network (EON). A EON divide o espectro de frequências em fatias (slots) de tamanho fixo e aloca grupos de slots contíguos estritamente de acordo com os requisitos de banda das demandas de conexão, implicando eficiência de uso do espectro. Com o aumento significativo da taxa de transmissão, acentuou-se a preocupação em manter a sobrevivência da rede, já que pouco tempo de queda no serviço pode acarretar uma imensa perda de dados. Neste trabalho, investigamos esquemas de proteção baseados em caminhos compartilhados (shared-path protection, SPP) e esquemas de restauração de tráfego. Avaliamos esquemas divulgados na literatura como o dynamic load balancing shared-path protection (DLBSPP) e esquemas de restauração como o traffic aware restoration (TAR) e bandwidth squeezed restoration (BSR). Avaliamos também uma heurística de alocação de slots chamada inverted dual stack (IDS). O DLBSPP utiliza balanceamento dinâmico de carga para computar os caminhos primários e de proteção compartilhados. O TAR executa a restauração dinâmica ordenando as conexões por granularidade de banda. O BSR utiliza a capacidade de contração de banda do EON para restaurar conexões por meio da política de melhor esforço ou de banda garantida, dependendo do acordo de níveis de serviço do cliente. O esquema IDS concentra o maior número possível de slots compartilhados em uma região do espectro. As medidas de desempenho dos algoritmos são avaliadas segundo as métricas: probabilidade de bloqueio, taxa de utilização do espectro, número médio de hops e taxa de restauração falha. As simulações computacionais mostram o bom desempenho da utilização do esquema IDS com DLBSPP. / Optical networks are undergoing significant changes driven by the exponentially growing traffic, especially coming from multimedia and cloud storage services. This demand will require increasing of the transmission rate capacity as high as 400 Gb/s and 1 Tb/s. Within this context, it was proposed the elastic optical network (EON), which is a network architecture with flexible granular frequency grid. EON divides the frequency spectrum into slices (slots) of fixed size and allocates groups of contiguous slots strictly according to the bandwidth requirement of the connection demands, providing high spectrum use efficiency. The significant increase in transmission rate put emphasis on the need to maintain the survival of the network, since the occurrence of faults in the network nodes or links can cause huge loss of data. In this work, we investigate protection schemes based on shared-path protection (SPP) and traffic restoration schemes. We evaluate schemes related in the literature, such as the dynamic load balancing shared-path protection (DLBSPP), and restoration schemes such as the traffic aware restoration (TAR) and the bandwidth squeezed restoration (BSR). The DLBP scheme uses dynamic load balancing to compute primary and shared protection paths. The TAR performs dynamic restoration ordering the connections based on band granularity. The BSR uses EON\'s band squeezing feature to restore connections by means of the best effort or guaranteed bandwidth strategy, depending on the customer\'s service level agreement. IDS scheme concentrates the maximum possible number of shared slots in a given region of the spectrum. Performance of the algorithms are evaluated according to metrics: blocking probability, spectrum utilization rate, average number of hops and failure restoration rate. Computer simulations show that the use of the IDS scheme improves the performance of the investigated algorithms.

O presente trabalho descreve o desenvolvimento e implementação de duas configurações distintas de um receptor optoeletrônico integrado. A primeira configuração é similar a um projeto encontrado na literatura mas apresenta diversas modificações que lhe conferiram melhor desempenho em comparação ao projeto original. A segunda configuração é uma nova proposta deste trabalho. O receptor foi desenvolvido e implementado visando sua aplicação em redes de comunicações ópticas passivas (PONs) de alta velocidade comutadas a pacote, para possibilitar a utilização da técnica de multiplexação em comprimento de onda (WDM), aumentando assim a capacidade de transmissão da rede, em particular no ramo de ligação da rede de serviços com o usuário final, denominado rede de acesso. O principal objetivo do receptor aqui desenvolvido foi proporcionar uma sintonia rápida entre os canais disponíveis na rede, possibilitando sua seleção num tempo inferior àquele necessário para a transmissão de um único pacote de informação, diminuindo assim o atraso de sintonia e, por conseguinte, a perda de informação. Para tanto, os circuitos integrados implementados e caracterizados referem-se aos circuitos de chaveamento eletrônico e do amplificador de transimpedância das duas configurações investigadas. Os dados experimentais obtidos para as duas configurações confirmaram a previsão de chaveamento dos canais de entrada num intervalo de tempo da ordem de alguns nanosegundos, o que é totalmente compatível com a velocidade de transmissão das aplicações a que se destina este receptor (aproximadamente 5 Gbits/s). Adicionalmente, são apresentados os dados experimentais relativos à freqüência de corte, ganho direto, isolação, relação on/off e características de ruído dos circuitos implementados. / The present work describes the design and implementation of two configurations of an integrated optoelectronic receiver. The first one is similar to a previously reported design but with some modifications to improve its performance. The second one is a new proposal of this work. The goal of the receiver design and implementation was its application in high bit rate packet-switched passive optical networks (PONs) employing the wavelength division multiplexing (WDM) technique to increase the network capacity, in particular on the connection branch of the network core with the final user, the access network. The main goal of the receiver design was to achieve a fast channel tuning, allowing a tuning time smaller than the required for the transmission of a single information packet, decreasing the tuning latency and, therefore, the rate of information packet loss. In order to accomplish this goal, the implemented and tested integrated circuits include the electronic switching circuit and the transimpedance amplifier for both configurations investigated. The measured data for both configurations confirm the expected input channel switching time results, of about a few nanoseconds, which is certainly useful for the expected bit rate of operation (approximate 5 Gbps). Additionally, experimental results concerning cutoff frequency and bandwidth, direct gain, isolation, on/off ratio, and noise characteristics of both implemented circuits are presented.