A tecnologia WDM (Wavelength Division Multiplexing) e a introdução de OXCs (Optical Cross Connect) e OADMs (Optical Add/Drop Multiplexer) puramente ópticos podem dotar as redes ópticas da função de networking, ou seja, da capacidade de manipular comprimentos de onda de forma a implementar o roteamento destes. Esta possibilidade implica em uma nova forma de relacionamento das aplicações com a camada física, sendo a arquitetura GMPLS candidata a estabelecer tal relacionamento. Soluções eficientes para o problema de alocação de recursos e roteamento de tráfego tornam-se uma necessidade imperiosa em projeto, expansão e gerenciamento de redes ópticas. A contribuição desta tese consiste em relacionar funcionalidades tais como: agregação (grooming) de tráfego, mecanismo de controle de admissão de chamadas (CAC), mecanismos de restauração e alocação de conversores em redes ópticas heterogêneas, avaliando-se as métricas de probabilidade de bloqueio, probabilidade do tráfego bloqueado e imparcialidade (fairness). Tais funcionalidades são tratadas separadamente na literatura. Com este objetivo em mente modela-se a rede com duas camadas: a camada física e a camada virtual. Estabelecem-se duas políticas de agregação de tráfego MrTV (minimização da rota na topologia virtual) e MrTF (minimização da rota na topologia física) e analisa-se o desempenho destas em relação à porcentagem de tráfego bloqueado. Em seguida um mecanismo de controle de admissão de chamadas (CAC) é implementado e sua influência em termos de imparcialidade (fairness) e probabilidade de bloqueio é analisada. A simulação e análise de redes ópticas, como a Rede NSFnet e a Rede Nacional Italiana são executadas por meio da implementação de um grafo baseado em Zhu e Mukherjee [28]. Como resultado, a política MrTF apresenta menor porcentagem de tráfego bloqueado do que a política MrTV para as redes simuladas e a implementação de um mecanismo de janela deslizante (rolling window) tornou o mecanismo de CAC mais otimizado. A utilidade de se implantar conversores de comprimento de onda apenas em alguns nós da rede (conversão esparsa) é estudada e uma análise sobre a probabilidade de bloqueio e a imparcialidade da rede desta distribuição de conversores é apresentada. Finalmente, técnicas de restauração na camada física e virtual são implementadas e uma análise da influência destes sobre a probabilidade de bloqueio e a imparcialidade da rede é executada. / The Wavelength Division Multiplexing (WDM) technology as well as both the introduction of all optical OXCs (Optical Cross Connect) and OADMs (Optical Add/Drop Multiplexer) may provide the optical network with the networking function, i.e, the capacity to manipulate wavelengths in order to implement their routing. This possibility implies a new type of relationship between applications and the physical layer. The likely candidate to establish such relationships is GMPLS architecture. Efficient solutions to both the problems of allocating resources and traffic routing become an enhanced requirement in the design, expansion and management of optical networking. The present study focus at the relationship between functionalities such as traffic grooming, network fairness improvement, protection/restoring mechanisms and wavelength conversion in heterogeneous optical networks, evaluating the metrics of blocking probability, probability of traffic blocked and fairness. These functionalities are separately treated in literature. With this goal in mind, a two-layer representation is used in order to model the network: the physical and virtual layers, respectively. Two policies on traffic grooming are set up, as follows: MrTV (route minimizing on virtual topology) and MrTF (route minimizing on physical topology). The performance of such policies is analyzed regarding the percentage of blocked traffic. Next, a mechanism for call admission control (CAC) is implemented and its influence in terms of fairness and blocking probability is discussed. The simulations of optical networks such as NSFnet and the Italian National Network are carried out through a graph based in Zhu and Mukherjee [28]. As a result, MrTF policy presents a smaller percentage of blocked traffic than the MrTV for the simulated networks and the rolling window mechanism has allowed the optimization of the call admission control (CAC) mechanism. The usefulness of placing wavelength converters in a few networks nodes (spare conversion) is studied and an analysis on the blocking probability is presented. Next, the network fairness for this distribution of wavelength converters is presented. Finally, techniques for restoring both physical and virtual layers are also implemented and an analysis regarding their influence on the blocking probability and the network fairness is carried out.

Abstract An optical lattice is a periodic array produced by the superposition of two or more counter-propagating laser beams which interfere and create a spatial periodic intensity pattern. An important difference between a solid state crystalline lattice and an optically induced lattice is that the latter have a longer coherence time which permits the observation of coherent phenomenon such as Bloch oscillations. Recently, an interesting effect has been reported in the literature, which is the analogue of Rabi oscillations in two level systems driven by an external optical field: an optical beam composed by pair of frequencies, resonants with the high symmetry points of the Brillouin zone, propagating through an optical lattice exhibits oscillations of the Fourier ways between the frequencies due to the coupling with the lattice. Therefore, in the optical case the field plays the role of the matter, while the lattice plays the role of the driving field which couples the frequencies. Based in this result, the objective of this paper is to investigate the influence of self-defocusing in the optical Rabi oscillation. We have shown, through numerical calculation of the wave nonlinear equation, that in the self-defocusing optical lattice, these oscillations go disappearingare. The result of the disappearance of the oscillations of Fourier can be understood considering that self-defocusing promotes an addition of phases in the ways that were resonant - kB and kB, in different way, form that the basic difference between kB and - kB will not be plus a vector of the reciprocal net, and as consequence the oscillations of optic Rabi disappear, therefore the coupling with the net requires this condition in the resonant frequencies. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Resumo Uma rede opticamente induzida é um arranjo periódico produzido pela superposição de dois ou mais feixes de laser que ao interferirem criam um padrão de intensidade periódico espacial. Uma importante diferença entre uma rede cristalina no estado sólido e uma rede produzida opticamente é que a última apresenta um tempo de coerência longo, permitindo a observação de fenômenos coerentes tal como as oscilações de Bloch. Recentemente, um efeito interessante análogo às oscilações de Rabi em um sistema atômico de dois níveis impulsionado por um campo externo, foi publicado na literatura: um feixe óptico composto de um par de freqüências, ressonantes com os pontos de alta simetria da zona de Brillouin, propagando - se através de uma rede óptica exibe oscilações dos modos de Fourier entre as freqüências adequadas para o acoplamento com a rede. Portanto, no caso óptico o campo representa a matéria, enquanto a rede representa a intensidade do campo aplicado que acopla as freqüências. Baseado neste resultado, o objetivo desta dissertação é investigar a influência da auto - desfocalização nas oscilações ópticas de Rabi. Demonstraremos, através de cálculos numéricos da equação de onda não linear, que em uma rede opticamente induzida na presença da auto - desfocalização, essas oscilações vão desaparecendo. O resultado do desaparecimento das oscilações de Fourier pode ser compreendidoconsiderando que a auto - desfocalização promove um adicionamento de fases nos modos que eram ressonantes -kB e kB, de maneira diferente, de forma que a diferença básica entre kB e -kB não será mais um vetor da rede recíproca, e como conseqüência as oscilações de Rabi óptica desaparecem, pois o acoplamento com a rede requer esta condição nas freqüências ressonantes.

A tecnologia WDM (Wavelength Division Multiplexing) e a introdução de OXCs (Optical Cross Connect) e OADMs (Optical Add/Drop Multiplexer) puramente ópticos podem dotar as redes ópticas da função de networking, ou seja, da capacidade de manipular comprimentos de onda de forma a implementar o roteamento destes. Esta possibilidade implica em uma nova forma de relacionamento das aplicações com a camada física, sendo a arquitetura GMPLS candidata a estabelecer tal relacionamento. Soluções eficientes para o problema de alocação de recursos e roteamento de tráfego tornam-se uma necessidade imperiosa em projeto, expansão e gerenciamento de redes ópticas. A contribuição desta tese consiste em relacionar funcionalidades tais como: agregação (grooming) de tráfego, mecanismo de controle de admissão de chamadas (CAC), mecanismos de restauração e alocação de conversores em redes ópticas heterogêneas, avaliando-se as métricas de probabilidade de bloqueio, probabilidade do tráfego bloqueado e imparcialidade (fairness). Tais funcionalidades são tratadas separadamente na literatura. Com este objetivo em mente modela-se a rede com duas camadas: a camada física e a camada virtual. Estabelecem-se duas políticas de agregação de tráfego MrTV (minimização da rota na topologia virtual) e MrTF (minimização da rota na topologia física) e analisa-se o desempenho destas em relação à porcentagem de tráfego bloqueado. Em seguida um mecanismo de controle de admissão de chamadas (CAC) é implementado e sua influência em termos de imparcialidade (fairness) e probabilidade de bloqueio é analisada. A simulação e análise de redes ópticas, como a Rede NSFnet e a Rede Nacional Italiana são executadas por meio da implementação de um grafo baseado em Zhu e Mukherjee [28]. Como resultado, a política MrTF apresenta menor porcentagem de tráfego bloqueado do que a política MrTV para as redes simuladas e a implementação de um mecanismo de janela deslizante (rolling window) tornou o mecanismo de CAC mais otimizado. A utilidade de se implantar conversores de comprimento de onda apenas em alguns nós da rede (conversão esparsa) é estudada e uma análise sobre a probabilidade de bloqueio e a imparcialidade da rede desta distribuição de conversores é apresentada. Finalmente, técnicas de restauração na camada física e virtual são implementadas e uma análise da influência destes sobre a probabilidade de bloqueio e a imparcialidade da rede é executada. / The Wavelength Division Multiplexing (WDM) technology as well as both the introduction of all optical OXCs (Optical Cross Connect) and OADMs (Optical Add/Drop Multiplexer) may provide the optical network with the networking function, i.e, the capacity to manipulate wavelengths in order to implement their routing. This possibility implies a new type of relationship between applications and the physical layer. The likely candidate to establish such relationships is GMPLS architecture. Efficient solutions to both the problems of allocating resources and traffic routing become an enhanced requirement in the design, expansion and management of optical networking. The present study focus at the relationship between functionalities such as traffic grooming, network fairness improvement, protection/restoring mechanisms and wavelength conversion in heterogeneous optical networks, evaluating the metrics of blocking probability, probability of traffic blocked and fairness. These functionalities are separately treated in literature. With this goal in mind, a two-layer representation is used in order to model the network: the physical and virtual layers, respectively. Two policies on traffic grooming are set up, as follows: MrTV (route minimizing on virtual topology) and MrTF (route minimizing on physical topology). The performance of such policies is analyzed regarding the percentage of blocked traffic. Next, a mechanism for call admission control (CAC) is implemented and its influence in terms of fairness and blocking probability is discussed. The simulations of optical networks such as NSFnet and the Italian National Network are carried out through a graph based in Zhu and Mukherjee [28]. As a result, MrTF policy presents a smaller percentage of blocked traffic than the MrTV for the simulated networks and the rolling window mechanism has allowed the optimization of the call admission control (CAC) mechanism. The usefulness of placing wavelength converters in a few networks nodes (spare conversion) is studied and an analysis on the blocking probability is presented. Next, the network fairness for this distribution of wavelength converters is presented. Finally, techniques for restoring both physical and virtual layers are also implemented and an analysis regarding their influence on the blocking probability and the network fairness is carried out.

A crescente demanda por largura de faixa e o aumento exponencial do número de usuários têm exercido enorme pressão sobre as redes de telecomunicações, exigindo constante melhoria de desempenho. A tecnologia fotônica tem sido capaz de atender a boa parte desta demanda, sendo a principal alternativa para transportar quantidades elevadas de tráfego. Por outro lado, tem havido um impressionante avanço tecnológico no setor de comunicação móvel celular, com destaque para os sistemas que utilizam o esquema de reuso de freqüências como principal tecnologia. Diante da demanda elevada, a alternativa usual de expandir os recursos proporcionalmente tem se mostrado inviável por causa do custo elevado. Assim, soluções eficientes para o problema de alocação de recursos e roteamento de tráfego (PARRT) tornaram-se uma necessidade imperiosa no projeto, expansão e gerenciamento de redes de telecomunicações. O PARRT pode ser modelado como um problema de otimização, geralmente não-polinomial, e as abordagens baseadas em algoritmo genético (AG) têm sido empregadas para solucionar esta classe de problemas para os quais as soluções heurísticas não são possíveis ou freqüentemente conduzem a resultados insatisfatórios. Nesta pesquisa, a abordagem escolhida para resolver o PARRT em redes ópticas e de comunicação móvel celular é baseada em AG. Estratégias adicionais foram incorporadas aos algoritmos propostos para aumentar a eficiência do correspondente AG canônico e proporcionar adaptação às mudanças ocorridas no ambiente investigado. A meta principal é a redução da probabilidade de bloqueio de solicitação de conexão. Em redes ópticas, o modelo proposto resolve o roteamento e a alocação de comprimentos de onda, determina a localização esparsa de conversores de comprimento de onda, limita o número de amplificadores em cascata, proporciona agregação dinâmica de tráfego e imparcialidade de capacidade de largura de faixa por meio de controle de admissão de conexão. Restrições de camada física como emissão espontânea amplificada e dispersão por modo de polarização são incluídas nos algoritmos. Em redes de comunicação móvel celular, os modelos propostos resolvem o problema de alocação de canais proporcionando baixos valores de probabilidade de bloqueio de novas chamadas e de handoff. Os algoritmos incluem o efeito simultâneo de três restrições eletromagnéticas: co-canal, canal-adjacente e co-site. Uma rede híbrida óptica e via satélite é também simulada para constatar a versatilidade dos algoritmos em gerenciar de forma integrada redes de naturezas distintas. Resultados numéricos apresentados demonstram a potencialidade dos algoritmos propostos para gerenciar recursos e rotear tráfego em redes de telecomunicações. / The growing demand for bandwidth together with the exponential increase in the numbers of users have exerted huge pressure on the telecommunication networks, requiring constant performance improvement. Photonic technology has been capable of attending a large amount of this demand, which makes it the main alternative in high traffic transport networks. On the other hand, a remarkable technological progress has occurred in the mobile cellular communications field, which employs frequency reuse as its key technology. The usual alternative of expanding the resources proportionally to the traffic demand has proved to be impractical due to the high cost involved. Thus, efficient solutions to traffic routing and resource allocation problem (TRRAP) became an imperative requirement in design, expansion and management of telecommunication networks. The TRRAP is an optimization problem, generally non-polynomial (NP), that can be successfully modeled with genetic algorithm (GA) as opposed to heuristic solutions, since the later is either not applied or frequently lead to unsatisfactory results. In this research, the elected approach to solve the TRRAP in both optical and cellular mobile communication network is based on GA. Complementary strategies were incorporated to the algorithms to increase the efficiency of the corresponding canonical GA. Additionally, the strategies adopted provide robustness to the GA adaptation against the changes in the investigated environment. The main goal of the proposed GA is the reduction of request-connection blocking probability. The proposed approach is capable of handling the following tasks in WDM optical networks: routing and wavelength assignment (RWA) optimization, sparse wavelength converters arrangement, limitation of the number of cascade amplifiers, dynamic traffic grooming, and bandwidth capacity fairness through connection admission control (CAC) procedure. Physical layer constraints such as amplified spontaneous emission (ASE) and polarization mode dispersion (PMD) are also taken into account. Two algorithms are proposed to solve the channel assignment problem (CAP) in cellular mobile communication networks, providing low values of blocking probability for new calls and handoff. The algorithms include the simultaneous effect of three electromagnetic constraints: cochannel, adjacent channel and cosite. A hybrid optical and wireless network is also simulated to evidence the versatility of the proposed algorithm in managing integrated networks from distinct natures. The numerical results presented throughout this work demonstrate the potentiality of the proposed algorithms in managing resources and providing traffic routing in telecommunication networks.

A interligação de várias redes de telecomunicação ampliou a cobertura, mas tornou a operabilidade entre elas complexa, principalmente por causa da arquitetura resultante, formada por várias camadas. Estas camadas lidam com protocolos e taxas de transmissão diferentes e com sinais elétricos e ópticos. Diante desse cenário, a alternativa usual de expandir os recursos proporcionalmente ao crescimento da demanda é inviável devido ao elevado custo. Assim, soluções eficientes que agregam os benefícios das tecnologias ópticas e eletrônicas na arquitetura de nós e no gerenciamento de tráfego tornaram-se uma necessidade importante no projeto, expansão e gerenciamento de redes de telecomunicação. Os nós que permitem a comutação de tráfego na camada óptica e eletrônica e a agregação de tráfego em várias granularidades têm sido empregados para fazer o melhor uso possível dos recursos disponíveis nas redes. Esses nós são conhecidos na literatura como MG-OXCs. Nessa pesquisa, foi proposta uma abordagem dos nós MG-OXCs de uma e três camadas com a inclusão de recursos como conversão de comprimento de onda e agregação de tráfego. Também foi proposto um método de cálculo do custo desses nós baseado no volume de utilização das portas. Posteriormente foram inseridos fatores de degradação do sinal óptico para a análise da camada física de redes com os nós MGOXCs. Adicionalmente, para o gerenciamento de tráfego, foi proposto um esquema de escolha de comprimentos de onda chamado de canal específico e um esquema de monitoramento baseado na intensidade de tráfego. A meta principal é a redução da probabilidade de bloqueio de solicitação de conexão. Em redes ópticas, os modelos de nós propostos conseguem diminuir o número de portas dos nós comutadores tradicionais além de realizar a comutação de tráfego de conexões de diferentes valores de largura de banda. O esquema do canal específico consegue melhorar a utilização da largura de banda dos comprimentos de onda e diminui a probabilidade de bloqueio e o esquema do monitoramento diminui o número de conexões bloqueadas devido ao aumento dos recursos. Resultados numéricos apresentados demonstram a potencialidade dos algoritmos propostos para gerenciar recursos e rotear o tráfego das redes de telecomunicação. / Integrating telecommunication networks has enlarged the coverage, but has made operations more complex, mainly because of the architecture, formed by various layers. These layers deal with different protocols and transmission rates, as well as electrical and optical signals. The usual alternative of expanding the resources proportionally to the demand is impractical due to the high cost. Therefore, efficient solutions which add to the benefits of optical and electronic technology in node architecture and traffic management are essential in the design, expansion and management of telecommunications networks. The nodes that enable traffic switching in the optical and electronic layer and traffic grooming have been used to make the best use of the available resources in the networks. These nodes are known as MG-OXCs. In this research, an approach based on MG-OXCs was proposed with one and three layers, which include the wavelength conversion and traffic grooming. Additionally, a method to calculate the node costs based on their use of ports was proposed. The work also considered optical signal impairments in order to analyze the network physical layer with MG-OXCs nodes. For the purpose of traffic management, a scheme which sets specific wavelengths for different bandwidths and a scheme which monitors the flow of traffic were proposed. The main aim is to reduce the blocking probability of connection requests. In optical networks, the node models proposed are able to reduce the number of ports used in usual optical cross connects and switch the traffic connections using different bandwidths. The scheme of setting specific wavelengths for different bandwidths improves the bandwidth use and the blocking probability. The scheme which monitors the flow of traffic achieves blocking probability reduction due to the increase in resources. The numerical results presented show the feasibility of the proposed algorithms to manage resources and switch traffic in telecommunication networks.

A crescente demanda por largura de faixa e o aumento exponencial do número de usuários têm exercido enorme pressão sobre as redes de telecomunicações, exigindo constante melhoria de desempenho. A tecnologia fotônica tem sido capaz de atender a boa parte desta demanda, sendo a principal alternativa para transportar quantidades elevadas de tráfego. Por outro lado, tem havido um impressionante avanço tecnológico no setor de comunicação móvel celular, com destaque para os sistemas que utilizam o esquema de reuso de freqüências como principal tecnologia. Diante da demanda elevada, a alternativa usual de expandir os recursos proporcionalmente tem se mostrado inviável por causa do custo elevado. Assim, soluções eficientes para o problema de alocação de recursos e roteamento de tráfego (PARRT) tornaram-se uma necessidade imperiosa no projeto, expansão e gerenciamento de redes de telecomunicações. O PARRT pode ser modelado como um problema de otimização, geralmente não-polinomial, e as abordagens baseadas em algoritmo genético (AG) têm sido empregadas para solucionar esta classe de problemas para os quais as soluções heurísticas não são possíveis ou freqüentemente conduzem a resultados insatisfatórios. Nesta pesquisa, a abordagem escolhida para resolver o PARRT em redes ópticas e de comunicação móvel celular é baseada em AG. Estratégias adicionais foram incorporadas aos algoritmos propostos para aumentar a eficiência do correspondente AG canônico e proporcionar adaptação às mudanças ocorridas no ambiente investigado. A meta principal é a redução da probabilidade de bloqueio de solicitação de conexão. Em redes ópticas, o modelo proposto resolve o roteamento e a alocação de comprimentos de onda, determina a localização esparsa de conversores de comprimento de onda, limita o número de amplificadores em cascata, proporciona agregação dinâmica de tráfego e imparcialidade de capacidade de largura de faixa por meio de controle de admissão de conexão. Restrições de camada física como emissão espontânea amplificada e dispersão por modo de polarização são incluídas nos algoritmos. Em redes de comunicação móvel celular, os modelos propostos resolvem o problema de alocação de canais proporcionando baixos valores de probabilidade de bloqueio de novas chamadas e de handoff. Os algoritmos incluem o efeito simultâneo de três restrições eletromagnéticas: co-canal, canal-adjacente e co-site. Uma rede híbrida óptica e via satélite é também simulada para constatar a versatilidade dos algoritmos em gerenciar de forma integrada redes de naturezas distintas. Resultados numéricos apresentados demonstram a potencialidade dos algoritmos propostos para gerenciar recursos e rotear tráfego em redes de telecomunicações. / The growing demand for bandwidth together with the exponential increase in the numbers of users have exerted huge pressure on the telecommunication networks, requiring constant performance improvement. Photonic technology has been capable of attending a large amount of this demand, which makes it the main alternative in high traffic transport networks. On the other hand, a remarkable technological progress has occurred in the mobile cellular communications field, which employs frequency reuse as its key technology. The usual alternative of expanding the resources proportionally to the traffic demand has proved to be impractical due to the high cost involved. Thus, efficient solutions to traffic routing and resource allocation problem (TRRAP) became an imperative requirement in design, expansion and management of telecommunication networks. The TRRAP is an optimization problem, generally non-polynomial (NP), that can be successfully modeled with genetic algorithm (GA) as opposed to heuristic solutions, since the later is either not applied or frequently lead to unsatisfactory results. In this research, the elected approach to solve the TRRAP in both optical and cellular mobile communication network is based on GA. Complementary strategies were incorporated to the algorithms to increase the efficiency of the corresponding canonical GA. Additionally, the strategies adopted provide robustness to the GA adaptation against the changes in the investigated environment. The main goal of the proposed GA is the reduction of request-connection blocking probability. The proposed approach is capable of handling the following tasks in WDM optical networks: routing and wavelength assignment (RWA) optimization, sparse wavelength converters arrangement, limitation of the number of cascade amplifiers, dynamic traffic grooming, and bandwidth capacity fairness through connection admission control (CAC) procedure. Physical layer constraints such as amplified spontaneous emission (ASE) and polarization mode dispersion (PMD) are also taken into account. Two algorithms are proposed to solve the channel assignment problem (CAP) in cellular mobile communication networks, providing low values of blocking probability for new calls and handoff. The algorithms include the simultaneous effect of three electromagnetic constraints: cochannel, adjacent channel and cosite. A hybrid optical and wireless network is also simulated to evidence the versatility of the proposed algorithm in managing integrated networks from distinct natures. The numerical results presented throughout this work demonstrate the potentiality of the proposed algorithms in managing resources and providing traffic routing in telecommunication networks.

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).

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 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.

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.