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.

Os avanços tecnológicos apontam para uma renovação da infraestrutura atual de comunicações ópticas, de modo a torná-la adequada à operação dentro dos novos paradigmas das redes, em que a elasticidade e eficiência espectrais se aliam à alta capacidade de transmissão. Sob o ponto de vista do planejamento de uma operadora de telecomunicação, é desejável que a substituição de equipamentos ocorra de forma mais gradual e que a operação da infraestrutura atual seja otimizada para acomodar a demanda por alta capacidade sem requerer a construção de uma infraestrutura completamente nova. Neste contexto, esta tese investiga estratégias de otimização combinando técnicas que utilizam múltiplas taxas de transmissão (MLR &#8211 Mixed Line Rate) e múltiplos formatos de modulação (MMF &#8211 Multiple Modulation Formats) com foco em um cenário condizente a realidade brasileira, com taxa de transmissão de 10 Gbit/s modulados com a técnica não retorna a zero (NRZ &#8211 non return to zero), migrando para taxa de 40 e/ou 100 Gbit/s. São analisados os benefícios proporcionados com o uso de redes MLR-MMF em comparação com a substituição da rede legada por apenas uma taxa (SLR &#8211 single line rate). A infraestrutura da camada física considerada é uniforme e pode transportar sinais de 10/40/100 Gbit/s, apenas os tipos de transponders são diferentes. Para analisar o desempenho da rede descrita é proposto um modelo de integração entre as ferramentas MatLab e OptiSystem. A primeira é utilizada para definir a rota e a segunda para simular a propagação do sinal óptico na fibra ao longo da rota escolhida. Os valores de taxa de erro de bit (BER &#8211 Bit Error Rate) e a relação sinal ruído óptica (OSNR &#8211 Optical Signal Noise Rate) são armazenados em um banco de dados para uso posterior. Dessa forma diversas topologias podem ser analisadas. Em uma rede real esse tipo de informação pode ser obtido por meio de técnicas de monitoramento óptico (OPM &#8211 Optical Performance Monitoring). Por esse motivo, também são investigados e testados experimentalmente dois métodos de monitoramento da OSNR: i) anulamento da polarização para obter OSNR e ii) monitor multiparâmetro baseado em modulação da polarização em baixa frequência. A partir das análises, concluiu-se que o uso de redes MLR-MMF pode ser uma alternativa para equilibrar o consumo energético e a probabilidade de bloqueio (PB). A opção por esse tipo de rede ajuda na economia energética e mantém a PB em níveis aceitáveis. Além disso, o uso de monitoramento óptico auxilia na obtenção de informações usadas para controlar e gerenciar eficientemente recursos de rede cumprindo os requisitos de qualidade de serviço. / Technological advances point out to an upgrade on the current optical communication infrastructure in order to adequate it to the new networks paradigms, where elasticity and spectral efficiency are associated to the high capacity transmission. From the perspective of a telecom operator planning, it is desirable that the equipment replacement occurs as gradually as possible and that the operation of the current infrastructure is optimized to accommodate the demand for high capacity without requiring the build-upof a completely new infrastructure. In this context, this thesis investigates optimization strategies combining MLR (mixed line rate) and MMF (multiple modulation formats) techniques focusing on a scenario similar to the Brazilian reality, with a transmission rate of 10 Gbit/s NRZ modulated, switching to a rate of 40 and/or 100 Gbit/s. The benefits provided by the use of MMF-MLR network (non return to zero)s compared to the replacing based on a legacy network by only one rate (SLR single line rate) are discussed. The infrastructure of the physical layer is considered uniform and can carry signals 10/40/100 Gbit/s, only the transponder configurations are different. To analyze the network performance we proposed an integration of MATLAB and OptiSystem tools. The first is used to define the route and the second to simulate the propagation of the optical signal in the fiber along the chosen route. The BER and OSNR values are stored in a database for later use. In this way several topologies can be analyzed. In a real network such information may be obtained by optical monitoring techniques (OPM). For this reason, two methods for monitoring OSNR are also investigated: i) the polarization nulling and ii) multiparameter monitor based on modulation of polarization at low frequency. From the analysis it was concluded that the use of MMF-MLR schemes can be an alternative to balance the energy consumption and the blocking probability (BP). The option for this type of network saves energy and helps maintaining BP within acceptable levels. Furthermore, the use of optical monitoring allows the gathering of information used to control and efficiently manage network resources meeting the requirements for quality of service.

[pt] A difusão seletiva e os recentes avanços na tecnologia de transmissão óptica, mais especificamente na multiplexação por comprimento de onda (Wavelength Division Multiplexing- WDM), aliados à consolidação do IP como protocolo dominante das redes convergentes, vêm oferecendo novas perspectivas para as futuras gerações de inter-redes. Este trabalho faz uso da evolução dessas tecnologias para propor um conjunto de adaptações à difusão seletiva, em especial ao IP Multicast, denominado MIRROR (Multicast IP para Redes baseadas em Rajadas Ópticas Rotuladas). A proposta MIRROR sugere modificações e adequações para tornar o IP Multicast menos complexo, mais escalável em relação ao número de grupos ativos simultaneamente e mais adequado às redes baseadas em comutação óptica. Basicamente, MIRROR revê a necessidade de todos os roteadores ao longo da árvore de distribuição multiponto manterem informações de estado relacionadas a esta, bem como sugere adequações na forma como os caminhos multiponto são estabelecidos quando se emprega comutação baseada em rótulos na difusão seletiva. Para avaliar a proposta MIRROR, investiu-se em duas frentes distintas, uma baseada na análise comparativa entre a MIRROR e algumas alternativas ao IP Multicast apresentadas na literatura, e outra baseada no desenvolvimento de um protótipo da proposta no simulador NS (Network Simulator), com o intuito de referendar os resultados da análise comparativa. Na análise comparativa, confronta-se parâmetros como: requisitos de informações de estado, custo com informações de controle, custo de encaminhamento dos pacotes e custo da árvore de multiponto. O desenvolvimento do protótipo envolveu a criação de uma nova estrutura de nó e a alteração de módulos já existentes no NS, para tornar possível a simulação de redes comutadas por rajadas ópticas rotuladas no contexto da difusão seletiva. / [en] Multicast communication and recent advances in optical technology, most specifically in Wavelength Division Multiplexing (WDM), allied with the consolidation of IP as the dominant protocol of convergent networks, offer new perspectives for the next generation Internet. This thesis utilises these technologies to propose a set of adaptations, called MIRROR, to multicast communication, specifically IP Multicast, in labelled burst-switched optical networks. MIRROR proposes modifications to traditional IP Multicast in order to improve its scalability as a function of the number of simultaneously active groups, as well as making it more appropriate for use in optically switched networks. Basically, MIRROR includes new proposals for handling state information about the multicast distribution tree, as well as for the establishment of label-based multicast paths. In order to evaluate this proposal, two approaches are followed, one based on a comparative analysis between MIRROR and a number of other alternatives to IP Multicast proposed in the literature, and the other based on the implementation of a prototype in the simulation environment provided by NS (Network Simulator). The comparative analysis evaluates such parameters as: state requirement information, control overhead, packet processing efficiency and tree cost. The prototype implementation implements a new node structure and alters existing NS modules (OBS e MPLS), to make possible the simulation of labelled burst-switched optical networks in the multicast context.

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.

Η δρομολόγηση και ανάθεση μηκών κύματος (routing and wavelength assignment - RWA) αποτελεί ένα πολύ σημαντικό πρόβλημα, που απασχολεί τους σχεδιαστές WDM οπτικών δικτύων και είναι γνωστό, πως είναι NP-πλήρες. Στην εργασία αυτή σχεδιάζουμε και υλοποιούμε έναν αλγόριθμο για το στατικό RWA, που βασίζεται σε έναν προτεινόμενο σχηματισμό (μη ακέραιου) γραμμικού προγραμματισμού (linear programming - LP). Ισχυριζόμαστε, πως ο σχηματισμός αυτός είναι σε θέση να παρέχει ακέραιες βέλτιστες λύσεις (παρά την εν γένει μη ακέραια φύση του) για ένα μεγάλο ποσοστό στιγμιότυπων εισόδου, οδηγώντας έτσι σε αντίστοιχες ακριβείς λύσεις του RWA. Η πολυπλοκότητα του αλγόριθμου κυριαρχείται από το χρόνο εκτέλεσης του αλγόριθμου Simplex, ο οποίος θεωρείται αποδοτικός για μια μεγάλη πλειοψηφία στιγμιότυπων εισόδου. Στα διαφανή (πλήρως οπτικά) δίκτυα, η ποιότητα του σήματος υπόκειται σε μια ποικιλία από φυσικές εξασθενήσεις, όπως είναι η διασπορά λειτουργίας πόλωσης (polarization mode dispersion - PMD), ο θόρυβος αυθόρμητης εκπομπής ενισχυτή (amplified spontaneous emission - ASE - noise) και η χρωματική διασπορά (chromatic dispersion - CD). Αυτές οι εξασθενήσεις μοντελοποιούνται γραμμικά και μπορούν να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά από ένα σύνολο αναλυτικών τύπων ως επιπρόσθετοι περιορισμοί στο RWA. Εφαρμόζουμε τον αλγόριθμό μας και εκτελούμε RWA βασισμένο σε περιορισμούς εξασθένησης, με σκοπό να παρατηρήσουμε συγκριτικά αποτελέσματα στην απόδοση ενός τυπικού μητροπολιτικού δικτύου υπό διάφορες παραμέτρους του δικτύου και των εξασθενήσεων, όπως είναι ο ρυθμός bit, ο τύπος και το κέρδος των ενισχυτών, η χρησιμοποιούμενη διάταξη διαμόρφωσης, κλπ. / Routing and wavelength assignment (RWA) is a very important problem concerning WDM optical network designers and is known to be NP-complete. In this work, we design and implement an algorithm for the static RWA, that is based on a proposed (not integer) linear programming formulation. We claim, that this formulation is able to provide integer optimal solutions (despite its non integral nature) for a large fraction of input instances, yielding thus to corresponding exact RWA solutions. The algorithm's complexity is dominated by the execution time of Simplex LP-solver, that is considered efficient in the great majority of all possible input instances. In transparent (all-optical) networks, the signal quality is subject to a variety of physical impairments, such as polarization mode dispersion (PMD), amplified spontaneous emission (ASE) noise and chromatic dispersion (CD). Those impairments are linearly modeled and are handled effectively by a set of analytical formulae as additional constraints on RWA. We apply our algorithm to perform impairment-constraint based RWA, in order to obtain comparative results of a typical metropolitan network's performance under various network and impairment parameters, such as bit rate, amplifier gain and type, modulation format used, etc.

Optical WDM network is the suitable transport mechanism for ever increasing bandwidth intensive internet applications. The WDM technique transmits the data over several different wavelengths simultaneously through an opticalfiber and the switching is done at wavelength level. The connection between the source and destination is called the light path. Since the WDM network carries huge amount of tra c, any failure can cause massive data loss. Therefore protecting the network against failure is an important issue. Maintaining high level of service availability is an important aspect of service provider. To provide cost effective service, all-optical network is the suitable choice for the service provider. But in all optical network, the signals are forced to remain in optical domain from source to destination. In the firrst part of the thesis, we deal the physical layer impairments (PLIs) aware shared-path provisioning on a wavelength routed all-optical networks. As the signal travels longer distances, the quality of the signal gets degraded and the receiver may not be able to detect the optical signal properly. Our objective is to establish a light path for both the working path and protection path with acceptable signal quality at the receiver. We propose an impairment aware integer linear programming (ILP) and impairment aware heuristic algorithm that takes into account the PLIs. The ILP provides the optimal solution. It is solved using IBM ILOG CPLEX solver. It is intractable for large size net-work. Therefore we propose the heuristic algorithm for large size network. It is evaluated through discrete-event simulation. But the algorithm provides only the suboptimal solution. To know the performance of this algorithm, the simulation result is compared with the optimal solution. We compute total blocking probability, restoration delay, computation time, and connection setup delay with respect to network load for the heuristic algorithm. We compare the performance of shared-path protection with dedicated-path protection and evaluate the percentage of resource saving of shared-path protection over the dedicated-path protection. In the second and third part of the thesis, we address the issues related to flexible-grid optical networks. In wavelength routed optical network, the bandwidth of each wavelength is fixed and rigid. It supports coarse grained tra c grooming and leads to ancient spectrum utilization. To overcome this, flexible-grid optical networks are proposed. It supports flexible bandwidth, and ne grained tra c groom In the second part of the thesis, we address the routing and spectrum allocation (RSA) algorithm for variable-bit-rate data tra c for flexible-grid optical networks. The RSA problem is NP-complete. Therefore a two-step heuristic approach (routing and spectrum allocation) is proposed to solve the RSA problem. The first step is solved by using a classical shortest path algorithm. For the second step we propose two heuristic schemes for frequency-slot allocation: (i) largest number of free frequency-slot allocation scheme and (ii) largest number of free frequency-slot maintaining scheme. As the network load increases, the spectrum is highly fragmented. To mitigate the fragmentation of the spectrum, we propose a xed-path least-fragmentation heuristic algorithm which fragments the spectrum minimally. It also supports varying-bit-rate tra c and also supports dynamic arrival connection requests. Through extensive simulations the proposed algorithms have been evaluated. Our simulation results show that the algorithms perform better in terms of spectrum utilization, blocking probability, and fraction of fragmentation of the spectrum. The spectrum utilization can reach up to a maximum of 92% and that only 71% of the spectrum is fragmented under maximum network load condition. Finally in the third part of the thesis, we discuss PLIs-aware RSA for the transparent exible-grid optical network. In this network, not only the optical signal expected to travel longer distance, but also to support higher line rates, i.e., data rate is increased up to 1 Tb/s. In such a high data rate, the optical signals are more prone to impairments and noises. As the transmission distance increases, optical signals are subject to tra-verse over many bandwidth-variable wavelength cross connects (BV-WXC) and multiple fibber spans due to which the PLIs get accumulated and are added to the optical signal. These accumulated impairments degrades the signal quality to an unacceptable level at the receiver, the quality of transmission falls below the acceptable threshold value, and the receiver may not be able to detect the signal properly. Therefore our objective is to develop an impairment aware RSA algorithm which establishes the QoT satisfied empathy based on the available resources and the quality of the signal available at the receiver. We formulate the PLIs-RSA problem as an ILP that provides an optimal solution. The optimal solution is obtained by solving the ILP using IBM ILOG CPLEX optimization solver. Since ILP is not efficient for large-size networks, we propose a heuristic algorithm for such a large-size networks. The signal power is measured at the receiver and the connection is established only when the signal power lies above the threshold value. The heuristic algorithm is evaluated through discrete-event simulation. It gives the sub-optimal solution. The simulation result is compared with optimal solution. The result shows that heuristic algorithm performs closer to the ILP. We compute the total blocking probability versus the network load for different spectrum allocation schemes. Total blocking probability is the sum of frequency-slot blocking probability and QoT blocking probability. We compute spectrum efficiency for the proposed algorithm. We also compare our algorithm with the existing routing and spectrum allocation algorithm, and the result shows that our algorithm outperforms the existing algorithms in terms of blocking probability and spectrum utilization.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:05:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3190.pdf: 9507279 bytes, checksum: 8c55bfbb567b6057f6f56e7a27fb7164 (MD5) Previous issue date: 2009-06-08 / Financiadora de Estudos e Projetos / The increase in the number of users and the emergence of sophisticated network applications motivate the research to improve the data-communication technologies, and thus to meet the requirement for bandwidth. In optical networks, one of the main advances is wavelength division multiplexing (WDM). An essential issue in designing of optical networks is how the network will be controlled, that is, which type of signaling will be used for resources reservation, routing and wavelength assigning, and how physical impairments will be dealfish. This implies in the necessity of several devices to guarantee the good functioning of the network. The diversity and complexity of administration of these devices stimulate the creation of GMPLS (Generalized Multiprotocol Label Switching), in order to provide control, for domains not only based on packages (as it makes the MPLS - Multiprotocol Label Switching), but also on time slots, wavelength and fiber. However, the labels switching on the wavelength multiplexing can generate a NP-complete problem involving the routing and wavelength assignment: if both do no succeed, the connection blocking will occur with and loss of network performance. Another relevant question is that, in all-optical networks, there is some physical impairment that influence the blocking probability e must be taken in consideration in algorithms RWA. This work presents the study of the control plan GMPLS and RWA algorithms for the setting up of connections in alloptical WDM networks. Moreover, the study of two physical impairments (polarization mode dispersion and optical signal noise rate) was done, inserting them in RWA algorithm to reduce the blocking probability due them. The results had shown that the MostUsed algorithm has better performance than the BestFit and the Random one when considered the connection blocking due to resources (lambdas). Moreover, the use of impairments-aware algorithms influence significantly in the reduction of the blocking probability. Therefore, the more advantageous performance was observed in the use of impairment-aware algorithms simultaneously with the MostUsed algorithm. / O aumento de usuários e o surgimento de aplicações de redes sofisticadas impulsionam as pesquisas para aprimorar as tecnologias de transmissão de dados, e assim suprir a exigência por largura de banda. Em redes ópticas, um dos principais avanços é o surgimento da multiplexação de comprimento de onda (WDM). Desta forma, uma questão essencial no projeto de redes ópticas compreende na definição de como a rede será controlada, isto é, qual tipo de sinalização será utilizado para reserva de recursos, definição de rotas, tratamento de falhas, entre outras funções formadoras do plano de controle. Isso implica na necessidade de diversos dispositivos para garantir o bom funcionamento da rede. A diversidade e complexidade de administração desses dispositivos incentivam a criação do GMPLS (Generalized Multiprotocol Label Switching), a fim de prover controle, não somente para domínios baseados em pacotes (como faz o MPLS - Multiprotocol Label Switching), mas também em tempo, comprimento de onda e fibra. Porém, a comutação de rótulos sobre a multiplexação de comprimento de onda pode gerar um problema NP-Completo envolvendo o roteamento e a associação de comprimento de onda, uma vez que se ambas não obtiverem sucesso, ocorrerá o bloqueio da conexão e perda de desempenho da rede. Outra questão relevante é que, em redes totalmente ópticas, existem problemas inerentes da camada física os que influenciam na probabilidade de bloqueio e devem ser levados em consideração em algoritmos RWA (roteamento por associação de comprimento de onda). O presente trabalho realiza o estudo do plano de controle GMPLS e de algoritmos RWA para o estabelecimento de conexões em redes WDM transparentes. Além disso, é feito um estudo de duas restrições da camada física (dispersão por modo de polarização e relação sinal ruído óptica) inserindo-as no algoritmo RWA para diminuir a probabilidade de bloqueio devido a elas. Os resultados mostraram que o algoritmo MostUsed possui melhor desempenho em relação ao BestFit e ao Random quando considerado bloqueio por falta de recursos (lambdas). Além disso, o uso de algoritmos cientes de restrições da camada física influencia significamente na diminuição da probabilidade de bloqueio. Portanto, o melhor desempenho foi observado no uso de algoritmos cientes de restrições físicas juntamente com o algoritmo MostUsed.

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.

Orientador: Hugo Luis Fragnito / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-08T21:00:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marconi_JorgeDiego_D.pdf: 6438397 bytes, checksum: df80d0a6babab0366b1839d4344573fa (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Esta tese apresenta um estudo teórico e experimental sobre Amplificadores Paramétricos a Fibra Óptica. Mostramos primeiramente a potencialidade do amplificador em termos de largura de banda plana, necessária para aplicações em sistemas WDM. Foram desenvolvidas equações do ripple para os diferentes tipos de espectro de alto ganho possíveis. Usando fibras de dispersão deslocada e fibras altamente não-lineares curtas, construímos amplificadores de dois bombeios com uma banda plana de amplificação de 52 nm e 84 nm, respectivamente. Em ambos os casos, a banda obtida foi comparável à obtida com outras tecnologias como Érbio ou Raman. Pesquisamos também o crosstalk entre canais em amplificadores paramétricos. Mostramos como as variações de ë 0 ao longo da fibra aumentam o crosstalk, pois se incrementam os processos de mistura de quatro ondas espúrios. Em amplificadores de dois bombeios, obtivemos os melhores resultados para aplicações WDM com fibras curtas (L ~ 0.8 km). Finalmente, a partir da análise da penalidade do fator de mérito Q do sinal, estudamos como os efeitos da modulação de fase do/s laser/s de bombeio, necessária para suprimir o espalhamento Brillouin estimulado, são prejudiciais para a performance destes amplificadores. Com base nesse resultado, procuramos eliminar o espalhamento Brillouin com um método alternativo que consiste na aplicação de distribuições de deformação mecânica ao longo da fibra. Obtivemos um aumento de 10.7 dB em 285 m de fibra altamente não-linear, o que é da ordem dos valores obtidos modulando a fase do/s bombeio/s. Aplicamos a técnica em dispositivos paramétricos obtendo um conversor de comprimento de onda com um sinal convertido de largura de banda estreito, sintonizável ao longo de 70 nm de comprimento de onda do sinal de entrada / Abstract: This thesis presents a theoretical and experimental study on fiber optics parametric amplifiers. For the double-pumped case, we show the performance of the amplifier in terms of spectral bandwidth and gain uniformity, both fundamental properties for WDM applications. By using short dispersion shifted fibers and highly non-linear fibers, we made parametric amplifiers with 52 and 84 nm of flat bandwidth, respectively. In both cases, the bandwidth is similar to the one obtained with optical amplifiers based on other technologies such as doped fibers, Raman gain or semiconductors. We also deduced equations of the gain ripple for all the possible types of high gain spectra. We also investigated the inter-channel crosstalk in parametric amplifiers. We showed that the variations of the zero dispersion wavelength along the fiber increase the crosstalk because those variations enhances the spurious four wave mixing tones. Finally, the degradation of the signal quality factor (Q) was studied for both, single and double-pumped parametric amplifiers. We showed that the phase modulation applied to the pump lasers to suppress the stimulated Brillouin backscattering can strongly degrade the performance of the amplifier. One alternative technique that we developed was based on applying different mechanical stress distributions along the fiber length. We experimentally demonstrated, using 285 m of highly non-linear fibers, that the backscattering threshold can be increased by 10.7 dB. This value is similar to that obtained using the phase modulation schema. The method was successfully applied to parametric devices. In particular we made a narrow linewidth wavelength converter with 70 nm of signal tuning band / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Os avanços tecnológicos apontam para uma renovação da infraestrutura atual de comunicações ópticas, de modo a torná-la adequada à operação dentro dos novos paradigmas das redes, em que a elasticidade e eficiência espectrais se aliam à alta capacidade de transmissão. Sob o ponto de vista do planejamento de uma operadora de telecomunicação, é desejável que a substituição de equipamentos ocorra de forma mais gradual e que a operação da infraestrutura atual seja otimizada para acomodar a demanda por alta capacidade sem requerer a construção de uma infraestrutura completamente nova. Neste contexto, esta tese investiga estratégias de otimização combinando técnicas que utilizam múltiplas taxas de transmissão (MLR &#8211 Mixed Line Rate) e múltiplos formatos de modulação (MMF &#8211 Multiple Modulation Formats) com foco em um cenário condizente a realidade brasileira, com taxa de transmissão de 10 Gbit/s modulados com a técnica não retorna a zero (NRZ &#8211 non return to zero), migrando para taxa de 40 e/ou 100 Gbit/s. São analisados os benefícios proporcionados com o uso de redes MLR-MMF em comparação com a substituição da rede legada por apenas uma taxa (SLR &#8211 single line rate). A infraestrutura da camada física considerada é uniforme e pode transportar sinais de 10/40/100 Gbit/s, apenas os tipos de transponders são diferentes. Para analisar o desempenho da rede descrita é proposto um modelo de integração entre as ferramentas MatLab e OptiSystem. A primeira é utilizada para definir a rota e a segunda para simular a propagação do sinal óptico na fibra ao longo da rota escolhida. Os valores de taxa de erro de bit (BER &#8211 Bit Error Rate) e a relação sinal ruído óptica (OSNR &#8211 Optical Signal Noise Rate) são armazenados em um banco de dados para uso posterior. Dessa forma diversas topologias podem ser analisadas. Em uma rede real esse tipo de informação pode ser obtido por meio de técnicas de monitoramento óptico (OPM &#8211 Optical Performance Monitoring). Por esse motivo, também são investigados e testados experimentalmente dois métodos de monitoramento da OSNR: i) anulamento da polarização para obter OSNR e ii) monitor multiparâmetro baseado em modulação da polarização em baixa frequência. A partir das análises, concluiu-se que o uso de redes MLR-MMF pode ser uma alternativa para equilibrar o consumo energético e a probabilidade de bloqueio (PB). A opção por esse tipo de rede ajuda na economia energética e mantém a PB em níveis aceitáveis. Além disso, o uso de monitoramento óptico auxilia na obtenção de informações usadas para controlar e gerenciar eficientemente recursos de rede cumprindo os requisitos de qualidade de serviço. / Technological advances point out to an upgrade on the current optical communication infrastructure in order to adequate it to the new networks paradigms, where elasticity and spectral efficiency are associated to the high capacity transmission. From the perspective of a telecom operator planning, it is desirable that the equipment replacement occurs as gradually as possible and that the operation of the current infrastructure is optimized to accommodate the demand for high capacity without requiring the build-upof a completely new infrastructure. In this context, this thesis investigates optimization strategies combining MLR (mixed line rate) and MMF (multiple modulation formats) techniques focusing on a scenario similar to the Brazilian reality, with a transmission rate of 10 Gbit/s NRZ modulated, switching to a rate of 40 and/or 100 Gbit/s. The benefits provided by the use of MMF-MLR network (non return to zero)s compared to the replacing based on a legacy network by only one rate (SLR single line rate) are discussed. The infrastructure of the physical layer is considered uniform and can carry signals 10/40/100 Gbit/s, only the transponder configurations are different. To analyze the network performance we proposed an integration of MATLAB and OptiSystem tools. The first is used to define the route and the second to simulate the propagation of the optical signal in the fiber along the chosen route. The BER and OSNR values are stored in a database for later use. In this way several topologies can be analyzed. In a real network such information may be obtained by optical monitoring techniques (OPM). For this reason, two methods for monitoring OSNR are also investigated: i) the polarization nulling and ii) multiparameter monitor based on modulation of polarization at low frequency. From the analysis it was concluded that the use of MMF-MLR schemes can be an alternative to balance the energy consumption and the blocking probability (BP). The option for this type of network saves energy and helps maintaining BP within acceptable levels. Furthermore, the use of optical monitoring allows the gathering of information used to control and efficiently manage network resources meeting the requirements for quality of service.