[pt] Esta tese apresenta um simulador para avaliação de desempenho de uma rede de acesso por rádio 5G. O simulador, Sama (1), permite definir os modelos de equipamentos das estações base com múltiplos setores e conformação de feixes (beamforming), os arranjos de estações base da rede, os equipamentos dos usuários, a distribuição de usuários na área de serviço, e pode empregar diferentes algoritmos de alocação dos recursos tempo-frequenciais, dentre outro parâmetros customizáveis. O simulador produz diversos indicadores de desempenho da rede de acesso, como condições de canal, taxas/capacidades de dados, latências, e satisfação dos usuários, em diversos níveis hierárquicos (por estações base, seus setores, ou feixes). As funcionalidades do simulador são demonstradas considerando diversos casos de uso de redes 5G. Propõe-se metodologias para alocação de posições de estações base, isto é, para encontrar bons arranjos de estações base. Propõe-se uma metodologia heurística baseada em critérios de projeto para redes de radiodifusão. Para redes de acesso celular apresenta-se uma metodologia baseada em agrupamentos (clusters) das posições dos UEs. Por fim, nesta tese, apresenta-se um algoritmo de alocação de recursos de tempo-frequência baseado em um critério de utilidade para alocar recursos tempo-frequenciais em redes de acesso por rádio 5G considerando as demandas de capacidade dos usuários. A partir da demanda individual de um terminal, estima-se qual a utilidade em servi-lo e, a partir disso, ordenam-se os terminais em um setor e alocam-se os recursos de tempo-frequência. O algoritmo de alocação de recursos apresentado obtém resultados competitivos e muitas vezes melhores que algoritmos de alocação conhecidos. / [en] This thesis presents a simulator for evaluating the performance of a 5G radio access network. The simulator, called Sama(2), allows for defining the equipment models of base stations with multiple sectors and beam forming,the arrangement of base stations in the network, the user equipment, the distribution of users in the service area, and can employ different algorithms for allocating time-frequency resources, among other customizable parameters. The simulator produces various performance indicators for the access network, such as channel conditions, data rates/capacities, latencies, and users satisfaction, at different hierarchical levels (per base stations, their sectors, or beams).The functionalities of the simulator are demonstrated considering different use cases for 5G networks. Methodologies are proposed for allocating base station positions, that is, finding good base station arrangements. A heuristic methodology based on design criteria (such as elevation, coverage of the region of interest, and interference between stations) is proposed for broadcasting networks. Meanwhile, for cellular access networks, a methodology based on clustering of UE positions is presented. Finally, this thesis presents a resource allocation algorithm based on a utility criterion to allocate time-frequency resources in 5G radio access networks considering the users capacity demands. Based on the individual demand of a terminal, the algorithm estimates its utility and orders the terminals in a sector to allocate the time-frequency resources accordingly. The presented resource allocation algorithm obtains competitive results and often out performs known allocation algorithms.

Nas topologias de redes WDM-PON (Wavelength Division Multiplexed Passive Optical Network) baseadas em transmissores colorless, isto é, transmissores que possam operar em uma grande gama de comprimentos de onda, que empreguem técnica de auto-alimentação e reuso de comprimento de onda, tem despertado grande interesse devido a sua comprovada eficiência, granularidade e custo reduzido em relação às alternativas. Entretanto, o alcance destas redes é limitado pelo emprego de remodulação, devido a dependência existente com a qualidade dos sinais a serem remodulados. Neste cenário, mantendo-se uma melhor relação custo-benefício, taxas de operação típicas são da ordem de 1,25, e 2,5 Gb/s (20 quilômetros). Neste trabalho é investigada uma nova topologia que combina as técnicas de auto-alimentação e reuso de comprimento de onda, bem como, utiliza um circuito de dupla cavidade óptica, possibilitando um reforço no apagamento óptico e manutenção do estado da polarização no percurso de recirculação da cavidade externa, objetivando uma melhora na qualidade dos sinais a serem remodulados, possibilitando altas taxas de transmissão e um maior alcance da rede. Nesta topologia, amplificadores ópticos semicondutores refletivos são utilizados como transmissores colorless, por meio da emissão espontânea amplificada, garantido assim uma redução no custo da rede óptica de acesso. Como metodologia adotada, inicialmente foram realizadas caracterizações ópticas no ambiente de simulação, validação da palheta configurada no simulador com resultados experimentais e avaliações da topologia em taxas simétricas de 1,25 Gb/s. Ademais, são conduzidas análises comparativas entre a topologia proposta frente a topologias disponíveis na literatura no estado da arte. Com os resultados obtidos, acredita-se que essa proposta atende aos requisitos de capacidade agregada e custo reduzido, podendo alcançar taxas de transmissão de até 10 Gb/s utilizando transmissores de baixa complexidade, características essenciais para impulsionar a implementação de redes de acesso óptico. / WDM-PON topologies based on colorless transmitters employing self-seeding and wavelength-reuse techniques have attracted a great deal of interest because of its well known efficiency, granularity and reduced cost, when compared to other alternatives in the literature. Nevertheless, the network reach is limited by the use of remodulation scheme. Maintaining an adequate cost-benefit relation requires typical operating rates of the order of 1.25 Gb/s to 2.5 Gb/s over 20 km of SSMF. In the above framework, we investigate a new topology which combines self-seeding and wavelength-reuse techniques, but also employs a scheme to reinforce the data erasure in the optical carrier, simultaneously providing state of polarization (SOP) maintenance in the external cavity recirculation path. The proposed configuration improves the quality of the signals to be remodulated, thus allowing high rate and broader reach. Specifically, in our work, reflective semiconductor optical amplifiers are employed as colorless transmitters, by using their own amplified spontaneous emission as a seed to provide the optical carrier. Optical analysis were performed in a simulation environment, including self-seeding layout validation by comparison to experimental results at the symmetric transmission rate of 1.25 Gb/s. Next, comparative analysis are conducted between the topology proposed in this work and topologies in the state of the art, found in the literature. According to the results, we believed that the proposal meets the requirements of aggregate capacity and reduced cost, being able to reach transmission rates of up to 10 Gb/s by using transmitters of low complexity, essential features to drive optical access networks implementation.

Nas topologias de redes WDM-PON (Wavelength Division Multiplexed Passive Optical Network) baseadas em transmissores colorless, isto é, transmissores que possam operar em uma grande gama de comprimentos de onda, que empreguem técnica de auto-alimentação e reuso de comprimento de onda, tem despertado grande interesse devido a sua comprovada eficiência, granularidade e custo reduzido em relação às alternativas. Entretanto, o alcance destas redes é limitado pelo emprego de remodulação, devido a dependência existente com a qualidade dos sinais a serem remodulados. Neste cenário, mantendo-se uma melhor relação custo-benefício, taxas de operação típicas são da ordem de 1,25, e 2,5 Gb/s (20 quilômetros). Neste trabalho é investigada uma nova topologia que combina as técnicas de auto-alimentação e reuso de comprimento de onda, bem como, utiliza um circuito de dupla cavidade óptica, possibilitando um reforço no apagamento óptico e manutenção do estado da polarização no percurso de recirculação da cavidade externa, objetivando uma melhora na qualidade dos sinais a serem remodulados, possibilitando altas taxas de transmissão e um maior alcance da rede. Nesta topologia, amplificadores ópticos semicondutores refletivos são utilizados como transmissores colorless, por meio da emissão espontânea amplificada, garantido assim uma redução no custo da rede óptica de acesso. Como metodologia adotada, inicialmente foram realizadas caracterizações ópticas no ambiente de simulação, validação da palheta configurada no simulador com resultados experimentais e avaliações da topologia em taxas simétricas de 1,25 Gb/s. Ademais, são conduzidas análises comparativas entre a topologia proposta frente a topologias disponíveis na literatura no estado da arte. Com os resultados obtidos, acredita-se que essa proposta atende aos requisitos de capacidade agregada e custo reduzido, podendo alcançar taxas de transmissão de até 10 Gb/s utilizando transmissores de baixa complexidade, características essenciais para impulsionar a implementação de redes de acesso óptico. / WDM-PON topologies based on colorless transmitters employing self-seeding and wavelength-reuse techniques have attracted a great deal of interest because of its well known efficiency, granularity and reduced cost, when compared to other alternatives in the literature. Nevertheless, the network reach is limited by the use of remodulation scheme. Maintaining an adequate cost-benefit relation requires typical operating rates of the order of 1.25 Gb/s to 2.5 Gb/s over 20 km of SSMF. In the above framework, we investigate a new topology which combines self-seeding and wavelength-reuse techniques, but also employs a scheme to reinforce the data erasure in the optical carrier, simultaneously providing state of polarization (SOP) maintenance in the external cavity recirculation path. The proposed configuration improves the quality of the signals to be remodulated, thus allowing high rate and broader reach. Specifically, in our work, reflective semiconductor optical amplifiers are employed as colorless transmitters, by using their own amplified spontaneous emission as a seed to provide the optical carrier. Optical analysis were performed in a simulation environment, including self-seeding layout validation by comparison to experimental results at the symmetric transmission rate of 1.25 Gb/s. Next, comparative analysis are conducted between the topology proposed in this work and topologies in the state of the art, found in the literature. According to the results, we believed that the proposal meets the requirements of aggregate capacity and reduced cost, being able to reach transmission rates of up to 10 Gb/s by using transmitters of low complexity, essential features to drive optical access networks implementation.

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.

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.