Orientadores: Aldario Chrestani Bordonalli, João Batista Rosolem / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-08T23:57:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_JulioCesarRodriguesFernandesde_D.pdf: 2208665 bytes, checksum: f470d97f674d04df8485763bda26fb82 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: A modificação no padrão de trafego das redes, introduzida pelo avanço das tecnologias de chaveamento óptico e de conversão de comprimento de onda, vem requerendo mudanças nas características dos dispositivos e equipamentos ópticos até então utilizados, uma vez que muitos destes ainda são otimizados para enlaces ponto-a-ponto e deixam de apresentar as funcionalidades necessárias para um funcionamento adequado em redes reconfiguráveis. Em particular, podem ser citados os amplificadores ópticos, em sua maioria amplificadores a fibra dopada com érbio (EDFAs ¿ erbium doped fiber amplifiers), que exibem uma forte dependência do ganho com o nível de potencia de entrada. Este comportamento se torna um fator limitante devido à aleatoriedade do numero de canais na entrada dos amplificadores, exibida pelas redes reconfiguráveis. Dessa maneira, técnicas de controle automático de ganho têm sido propostas no intuito de eliminar este vinculo do ganho do EDFA com a sua potencia de entrada, com algumas delas obtendo êxito. No entanto, dentre as técnicas apresentadas, o controle de ganho esta sempre associado a uma faixa de operação de potencia limitada juntamente a uma faixa dinâmica de controle também limitada, reduzindo assim a aplicabilidade do EDFA controlado a um determinado modo de operação (pré, linha ou booster). Com isto, o numero de canais a serem inseridos ou retirados na entrada do EDFA fica limitado. Neste trabalho, o desenvolvimento de uma técnica de controle de ganho inovadora, baseada em uma estrutura de controle hibrido de ganho, e apresentado. Esta técnica de controle proporciona uma generalização do controle de ganho de EDFAs, ou seja, através desta obtem-se um EDFA capaz de operar com eficiente controle automático de ganho em qualquer faixa de operação de potencia de entrada, com ausência de limitação da faixa dinâmica de controle e supressão de transientes. Como parte das etapas de trabalho, uma técnica de medição sistêmica ultra-rapida, capaz de avaliar o desempenho sistêmico em curtos períodos de tempo e analisar transientes de dispositivos de redes ópticas, foi implementada. Alem desta, visando redes reconfiguráveis metropolitanas, um EDFA de dupla passagem, com uma fibra compensadora de dispersão embutida e controle automático de ganho totalmente óptico, foi projetado e caracterizado / Abstract: The changes in the network traffic pattern as a result of the new optical switching and avelength conversion technologies have required a transformation on the available optical evice and equipment characteristics, since most of them were optimized for fixed optical etwork operation and lack the necessary functionality to work on reconfigurable networks. n particular, the erbium doped fiber amplifiers (EDFA's) are an example of such a case. ost of the EFDA designs result in an amplifier that presents a strong gain dependency o he input optical power. Unfortunately, this behavior turns out to be a limiting factor in econfigurable networks, since the number of amplifier coupled channels becomes random. hus, automatic gain control techniques have been proposed to ease the EDFA gain ependency on the input power. However, the proposed schemes have always associated he gain control to both a limited power operation range and a limited dynamic range so hat the EDFA application is restricted to a given operation mode (pre-, in-line, or booster mplification), limiting the number of channels to be added to or dropped from the mplifier input. In this work, the development of a new gain control technique based on a ybrid gain control structure is presented. A generalized EDFA gain control approach is chieved. By assuming that, it is possible to conceive an EDFA that is now capable of resenting an efficient gain control for a wide input power range, along with a wide ynamic control range and absence of transients. As a result of the different stages of this ork, a technique for ultra-fast systemic measurements was implemented. With that, the ystem performance could be evaluated in short time spans by considering different optical etwork devices. Also, the gain controlled EDFA application to regenerators was nvestigated. As a result, a double pass all-optical gain controlled EDFA with embedded ispersion compensating fiber was implemented and characterized for applications in etropolitan area optical networks / Doutorado / Telecomunicações e Telemática / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Elnatan Chagas Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-12T09:46:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_JulianoRodriguesFernandesde_M.pdf: 4080527 bytes, checksum: 477b53cd575543fa07e46766c28d45ed (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Nos sistemas de comunicações ópticas WDM os amplificadores a fibra dopada com Érbio (EDFA) possuem um papel fundamental, habilitando a amplificação de diversos canais simultaneamente independente da taxa de transmissão. A maioria dos sistemas WDM atuais estão dispostos em uma configuração ponto-a-ponto operando com um número invariável de canais ao longo do enlace. No entanto, a nova geração de sistemas ópticos composta por elementos capazes de prover reconfiguração entre os enlaces, torna o número de canais na rede uma variável aleatória, exigindo que os demais elementos que compõem a rede, principalmente os EDFAs, se adeqüem aos novos requisitos advindos da reconfiguração. Os EDFAs exibem uma dependência entre o seu ganho e o nível de sinal de entrada, induzindo alterações no ganho provido aos canais de acordo com o nível do sinal de entrada, especialmente quando saturado. Com o intuito de minimizar os efeitos da variação de potência de entrada nos EDFAs, técnicas de controle automático de ganho foram desenvolvidas, ainda para sistemas ponto-a-ponto, mantendo constante o ganho provido aos canais frente às lentas variações causadas pela degradação dos enlaces. Porém, com o advento dos OXCs e ROADMs, o grau de reconfiguração das redes tomou outra perspectiva, sendo necessário realizar sucessivas inserções e derivações de canais em períodos de tempo muito curtos. Este alto grau de reconfiguração causa variações bruscas da potência de entrada dos EDFAs em curtos intervalos de tempo, o que impossibilita a utilização da técnica de controle de ganho eletrônica desenvolvida para as redes WDM ponto-a-ponto, devido ao fato de que estes esquemas de controle não possuírem tempo de controle suficiente para a supressão dos transientes dos EDFAs. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e avaliação experimental de uma técnica de controle automático de ganho eletrônico por realimentação com alto desempenho de processamento, que permite a supressão do transiente de potência sobre os canais sobreviventes durante a atuação do controlador de ganho do EDFA. A técnica de controle desenvolvida baseia-se em um controlador proporcional integral de ganho implementado em um DSC (Controlador Digital de Sinais) com alta capacidade de processamento (utilizando aritmética de ponto fixo), junto a uma estrutura de conversão analógica digital e digital analógica de alto desempenho. Um dos objetivos da avaliação experimental foi a investigação do tempo de controle e da supressão de transientes para os canais sobreviventes no EDFA, de modo a minimizar os efeitos transientes. Observou-se o desempenho do amplificador com a técnica de controle desenvolvida, após introdução do mesmo em uma rede óptica WDM reconfigurável de nova geração onde foram realizadas sucessivas inserções e remoções de canais simulando a operação de uma rede reconfigurável. Foram verificados níveis de supressão de transiente e tempo de resposta de +/- 1 dB e 150 µs respectivamente, com um ciclo de leitura e atuação de 9 µs, demonstrando que a técnica de controle de ganho desenvolvida encontra-se no estado da arte dos EDFAs, possibilitando a utilização dos mesmos nas redes ópticas WDM reconfiguráveis de nova geração. / Abstract: IIn WDM optical communication systems erbium doped fiber amplifiers (EDFA) have an essential function, enabling amplification of simultaneous channels independently of transmit rate. The majority of current WDM systems use point to point configuration operating with a fixed number of channels over the optical link. However, the new generation optical systems are composed by elements capable to provide links reconfigurations, making the number of channels in a link, a random variable, requiring that all elements in the network, particularly the EDFAs, are suited to the new requirements imposed by reconfiguration. The EDFAs introduce a hard dependency between gain and input power, inducing changes at gain provided to channels in accordance to input power, especially when saturated. In order to minimize the effects imposed by changes of power at EDFAs input, automatic gain control techniques were developed, still for point to point systems, keeping constant the gain provided to the channels according to slow variations caused by links degradations. But, with the advent of OXCs and ROADMs, the networks reconfiguration degree took a different perspective, being able to execute successive channels add and drop events in very short time periods. This high reconfiguration degree causes abrupt changes in short time periods on EDFAs input power, which prohibit the use of electronic automatic gain control techniques developed for point to point networks, due these control schemes do not have sufficient short time control that provides transient suppression for EDFAs. This work presents the development and evaluation of an experimental automatic gain control technique by electronic feedback with a high-performance processing, which allows the power transient suppression on the surviving channels during the actuation of the EDFA gain controller developed. This developed control technique is based on a design of a proportional integral controller, for controlling the EDFA gain by electronic feedback, which allows transient suppression over surviving channels during the EDFA controller gain actuation. This developed control technique is based on proportional integrate gain controller implemented on a DSC (Digital Signal Controller) with high processing performance (using fixed-point arithmetic), using too high performance digital analog converters and analog digital converters. One of the objectives of the evaluation trial was the evaluation of settling time for automatic gain controller and amplitude of power transient suppression over the surviving channels on EDFA, optimizing the technique performance for this both parameters. It was observed the amplifier performance with developed gain control technique, after introduction of the same in a new generation reconfigurable WDM optical network, where they were held successive channel add and drop simulating the reconfigurable network operation. It has been verifying the transient power suppression levels and settling time of +/- 1dB and 150 µs respectively, with a read and actuate cycle of 9 µs. This result demonstrates state of the art status of the developed automatic gain control for EDFAs, enabling the use of this technique in EDFA for new reconfigurable generation WDM networks. / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Para suportar as novas aplicações heterogêneas e dinâmicas, como a TV digital interativa, os vídeos sob demanda e a computação em nuvem, as redes ópticas WDM (wavelength division multiplexing) estão passando por uma grande mudança. Estão deixando de ser estáticas para se tornarem reconfiguráveis. Assim, elas devem suportar diferentes taxas e formatos de modulação, que podem variar com o tempo, tornando-as heterogêneas tanto no que se refere aos tipos de serviços, quanto às tecnologias de transmissão. Assim, novos desafios para controlar e administrar estas redes estão surgindo e soluções cognitivas estão começando a ser estudadas. Uma das premissas de uma solução cognitiva é a adaptabilidade. Neste cenário, este trabalho propõe uma metodologia de controle adaptativo de ganho para amplificadores ópticos em redes WDM dinâmicas. Tal metodologia baseia-se em uma máscara de potência com informações sobre o desempenho óptico do amplificador em termos de figura de ruído e \"planicidade\" espectral de ganho, ajustando seu ponto de operação visando um compromisso entre estes parâmetros. Esta metodologia foi aplicada em um problema de roteamento e alocação de comprimento de onda para algumas topologias de redes com 4, 6, 10 e 15 nós e considerando uma restrição de qualidade de serviço, relacionada à OSNR do sinal, para realização da conexão. Os resultados mostram uma redução na probabilidade de bloqueio total com a aplicação da metodologia proposta em relação a um cenário sem a metodologia de 80% para abaixo de 20% em alguns casos. / To support new dynamic and heterogeneous applications such as interactive digital TV, video on demand and cloud computing, WDM (wavelength division multiplexing) optical networks are undergoing significant changes. They are changing from static to reconfigurable networks. Thus, they need to support different data rates and modulation formats, which can varie along the time, leading to a heterogeneous network with respect not only to different services, but also to different transmission technology. Therefore, new network control and management challenges are arising and cognitive solutions are being studied. One of the cognitive solution premises is adaptability. In this scenario, this work propose an adaptive gain control methodology for optical amplifiers in WDM dynamic optical networks. Such methodology is based on a power mask with information about the amplifier optical performance in terms of noise figure and gain flatness, adjusting its operating point aiming to the best trade off between these parameters. This methodology was applied to a routing and wavelength assignment problem to some network topology with 4, 6, 10 and 15 nodes and considering a quality of service constraint, due to the signal OSNR, to accomplish the connection. Results show blocking probability reduction from 80% to bellow 20% for some cases from a scenario without the methodology to one with it.

Para suportar as novas aplicações heterogêneas e dinâmicas, como a TV digital interativa, os vídeos sob demanda e a computação em nuvem, as redes ópticas WDM (wavelength division multiplexing) estão passando por uma grande mudança. Estão deixando de ser estáticas para se tornarem reconfiguráveis. Assim, elas devem suportar diferentes taxas e formatos de modulação, que podem variar com o tempo, tornando-as heterogêneas tanto no que se refere aos tipos de serviços, quanto às tecnologias de transmissão. Assim, novos desafios para controlar e administrar estas redes estão surgindo e soluções cognitivas estão começando a ser estudadas. Uma das premissas de uma solução cognitiva é a adaptabilidade. Neste cenário, este trabalho propõe uma metodologia de controle adaptativo de ganho para amplificadores ópticos em redes WDM dinâmicas. Tal metodologia baseia-se em uma máscara de potência com informações sobre o desempenho óptico do amplificador em termos de figura de ruído e \"planicidade\" espectral de ganho, ajustando seu ponto de operação visando um compromisso entre estes parâmetros. Esta metodologia foi aplicada em um problema de roteamento e alocação de comprimento de onda para algumas topologias de redes com 4, 6, 10 e 15 nós e considerando uma restrição de qualidade de serviço, relacionada à OSNR do sinal, para realização da conexão. Os resultados mostram uma redução na probabilidade de bloqueio total com a aplicação da metodologia proposta em relação a um cenário sem a metodologia de 80% para abaixo de 20% em alguns casos. / To support new dynamic and heterogeneous applications such as interactive digital TV, video on demand and cloud computing, WDM (wavelength division multiplexing) optical networks are undergoing significant changes. They are changing from static to reconfigurable networks. Thus, they need to support different data rates and modulation formats, which can varie along the time, leading to a heterogeneous network with respect not only to different services, but also to different transmission technology. Therefore, new network control and management challenges are arising and cognitive solutions are being studied. One of the cognitive solution premises is adaptability. In this scenario, this work propose an adaptive gain control methodology for optical amplifiers in WDM dynamic optical networks. Such methodology is based on a power mask with information about the amplifier optical performance in terms of noise figure and gain flatness, adjusting its operating point aiming to the best trade off between these parameters. This methodology was applied to a routing and wavelength assignment problem to some network topology with 4, 6, 10 and 15 nodes and considering a quality of service constraint, due to the signal OSNR, to accomplish the connection. Results show blocking probability reduction from 80% to bellow 20% for some cases from a scenario without the methodology to one with it.

As redes ópticas têm evoluído de forma contínua dentro de um paradigma de aumento das taxas de transmissão e extensão dos enlaces, devido à demanda crescente de banda em função do crescimento do tráfego da Internet. Além disso, atualmente, diversas propostas vêm sendo implementadas visando torná-las mais dinâmicas e flexíveis. Uma destas propostas que atualmente está no âmbito de pesquisa e desenvolvimento refere-se às redes ópticas definidas por software (Software Defined Optical Network, SDON). Nas SDONs, o plano de controle é desacoplado do plano de encaminhamento de dados possibilitando que controladores remotos configurem em tempo real diversos parâmetros dos canais ópticos, tais como a taxa de transmissão, o formato de modulação, a largura do espectro, entre outros. Nestas redes, o sistema de controle torna-se bastante complexo, uma vez que diversos parâmetros têm que ser ajustados de forma dinâmica e autônoma, ou seja, com a mínima intervenção humana. O emprego de técnicas de inteligência computacional em tal controle possibilita a configuração autônoma dos parâmetros dos equipamentos com base em dados coletados por monitores de rede e o aprendizado, a partir de eventos passados, visando a otimização do desempenho da rede. Esta arquitetura de controle constitui um novo paradigma na evolução das redes ópticas, as denominadas Redes Ópticas Cognitivas. A escolha de uma técnica de inteligência computacional adequada para tomada de decisão em redes ópticas é importante para se obter vantagens no uso da cognição. Esta técnica deve possibilitar o aprendizado e ainda minimizar a complexidade computacional, uma vez que a configuração dos parâmetros da rede deve ocorrer em tempo real. Neste contexto, esta tese investiga o uso do algoritmo de agrupamento Fuzzy C-Means (FCM) para aprendizado e tomada de decisão em redes ópticas flexíveis de próxima geração. FCM possibilita a geração automática de regras com base na experiência adquirida no meio de operação (aprendizado) e a tomada de decisão a partir destas regras. Uma comparação de desempenho entre os algoritmos FCM e CBR (Case-Based Reasoning) é apresentada. O algoritmo CBR foi escolhido para esta comparação devido a ter sido utilizado recentemente, com sucesso, em redes ópticas cognitivas. Por fim, um conceito de rede óptica cognitiva é apresentado. / Optical networks have evolved continuously increasing the transmission rate and the extension of links due to the increased bandwidth consuming. Moreover, currently, several proposals are under development to make the next generation optical network more dynamic and flexible. The term \"flexible\" refers to the ability of dynamically adjust the parameters of the optical network such as modulation format, transmission rate, optical bandwidth and others, according with the quality of transmission of each lightpath. In this scenario, a Software Defined Optical Network (SDON) emerges as a new optical network paradigm, where the control plane is decoupled from the data plane, enabling remote controllers to configure network equipment from different hardware vendors, which allows a degree of software programmability to the network. In SDON, the control plane needs to include functionalities to operate autonomously, i.e, with minimal human intervention. The use of the computational intelligence techniques in such control plane enables the autonomous operation and learning based on past events, in order to optimize the network performance. This architecture represents a new paradigm in the evolution of optical networks, resulting in so-called Cognitive Optical Networks. The choice of a computational intelligence technique for learning and decisionmaking in such optical networks is essential to bring advantages with the use of cognition. This technique should minimize the computational complexity, since the configuration of the network parameters must occur in real time.In this context, this thesis investigates the use of Fuzzy C-Means clustering algorithm (FCM) for learning and decision-making in the software defined optical networks context. FCM enables the automatic generation of rules, based on the experience gained during the network operation. Then, these rules are used by the control plane to take decisions about the lightpaths\' configuration. A comparison of performance between the FCM and the CBR (Case-Based Reasoning) algorithm. CBR algorithm was chosen because it has been successfully used in cognitive optical networks. Finally, we propose a concept for optical cognitive network.

As redes ópticas têm evoluído de forma contínua dentro de um paradigma de aumento das taxas de transmissão e extensão dos enlaces, devido à demanda crescente de banda em função do crescimento do tráfego da Internet. Além disso, atualmente, diversas propostas vêm sendo implementadas visando torná-las mais dinâmicas e flexíveis. Uma destas propostas que atualmente está no âmbito de pesquisa e desenvolvimento refere-se às redes ópticas definidas por software (Software Defined Optical Network, SDON). Nas SDONs, o plano de controle é desacoplado do plano de encaminhamento de dados possibilitando que controladores remotos configurem em tempo real diversos parâmetros dos canais ópticos, tais como a taxa de transmissão, o formato de modulação, a largura do espectro, entre outros. Nestas redes, o sistema de controle torna-se bastante complexo, uma vez que diversos parâmetros têm que ser ajustados de forma dinâmica e autônoma, ou seja, com a mínima intervenção humana. O emprego de técnicas de inteligência computacional em tal controle possibilita a configuração autônoma dos parâmetros dos equipamentos com base em dados coletados por monitores de rede e o aprendizado, a partir de eventos passados, visando a otimização do desempenho da rede. Esta arquitetura de controle constitui um novo paradigma na evolução das redes ópticas, as denominadas Redes Ópticas Cognitivas. A escolha de uma técnica de inteligência computacional adequada para tomada de decisão em redes ópticas é importante para se obter vantagens no uso da cognição. Esta técnica deve possibilitar o aprendizado e ainda minimizar a complexidade computacional, uma vez que a configuração dos parâmetros da rede deve ocorrer em tempo real. Neste contexto, esta tese investiga o uso do algoritmo de agrupamento Fuzzy C-Means (FCM) para aprendizado e tomada de decisão em redes ópticas flexíveis de próxima geração. FCM possibilita a geração automática de regras com base na experiência adquirida no meio de operação (aprendizado) e a tomada de decisão a partir destas regras. Uma comparação de desempenho entre os algoritmos FCM e CBR (Case-Based Reasoning) é apresentada. O algoritmo CBR foi escolhido para esta comparação devido a ter sido utilizado recentemente, com sucesso, em redes ópticas cognitivas. Por fim, um conceito de rede óptica cognitiva é apresentado. / Optical networks have evolved continuously increasing the transmission rate and the extension of links due to the increased bandwidth consuming. Moreover, currently, several proposals are under development to make the next generation optical network more dynamic and flexible. The term \"flexible\" refers to the ability of dynamically adjust the parameters of the optical network such as modulation format, transmission rate, optical bandwidth and others, according with the quality of transmission of each lightpath. In this scenario, a Software Defined Optical Network (SDON) emerges as a new optical network paradigm, where the control plane is decoupled from the data plane, enabling remote controllers to configure network equipment from different hardware vendors, which allows a degree of software programmability to the network. In SDON, the control plane needs to include functionalities to operate autonomously, i.e, with minimal human intervention. The use of the computational intelligence techniques in such control plane enables the autonomous operation and learning based on past events, in order to optimize the network performance. This architecture represents a new paradigm in the evolution of optical networks, resulting in so-called Cognitive Optical Networks. The choice of a computational intelligence technique for learning and decisionmaking in such optical networks is essential to bring advantages with the use of cognition. This technique should minimize the computational complexity, since the configuration of the network parameters must occur in real time.In this context, this thesis investigates the use of Fuzzy C-Means clustering algorithm (FCM) for learning and decision-making in the software defined optical networks context. FCM enables the automatic generation of rules, based on the experience gained during the network operation. Then, these rules are used by the control plane to take decisions about the lightpaths\' configuration. A comparison of performance between the FCM and the CBR (Case-Based Reasoning) algorithm. CBR algorithm was chosen because it has been successfully used in cognitive optical networks. Finally, we propose a concept for optical cognitive network.