Neste trabalho propomos e analisamos algoritmos de alocação dinâmica de banda para rede óptica passiva (PON) de acesso padrão GPON (Gigabit PON). Estes algoritmos utilizam dados oriundos de SLA (service level agreement) para gerenciar a alocação de banda e classificar em 4 contêineres de tráfego (T-CONT) o tráfego gerado em 16 ONUs (optical network unit). Na transmissão upstream é utilizada a técnica de multiplexação por divisão de tempo (TDM) para gerenciar o acesso ao meio, evitando colisões. O primeiro algoritmo proposto aloca banda garantida para as ONUs e distribui a banda não utilizada de acordo com critério baseado em três SLAs. A taxa de bit upstream é 1,25 Gbps e o desempenho do algoritmo é analisado com base na variação do atraso de pacotes em função do tráfego gerado nas ONUs. O segundo algoritmo proposto utiliza ponderação de tráfego. Neste, analisamos o comportamento dos atrasos e a quantidade de banda solicitada e atendida por ONU quando as bandas garantida e extra são alteradas. Por fim, acrescentamos em nossa implementação um intervalo para o processamento do algoritmo de alocação dinâmica de banda (DBA) e resposta do hardware relacionado ao ciclo de interrogação. Então, analisamos o atraso de pacotes quando variamos o intervalo de processamento do DBA. Ao final, propomos uma solução preliminar para minimizar estes atrasos. Os resultados obtidos por meio de simulação computacional mostram a versatilidade dos algoritmos. / In this work we propose and analyze the performance of dynamic bandwidth allocation algorithms for optical passive networks (PON) in GPON standard (Gigabit PON). These algorithms use data from SLA (service level agreement) to manage bandwidth allocation and classify in 4 traffic containers (T-CONT) the traffic generated by 16 ONUs (optical network unit). In the upstream transmission the time division multiplexing (TDM) technique is used to manage the medium access, avoiding collisions. The first proposed algorithm allocates guaranteed bandwidth for the ONUs and distributes the bandwidth not used according to the criteria based on three SLAs. The upstream bit rate is 1.25 Gbps and the algorithm performance is analyzed based on the packets delay variation versus the traffic generated by ONUs. The second proposed algorithm uses weighted traffic. In this, we analyze the delay performance and the required bandwidth for each ONU and how much it is served when the guaranteed and extra bandwidth are changed. Finally, we added in our implementation an interval for the processing of the dynamic bandwidth allocation algorithm (DBA) and response of the hardware related to the interrogation cycle. In the end, we propose a preliminary solution to minimize these delays. The results obtained by means of computational simulation show the versatility of the algorithms.

Neste trabalho propomos e analisamos algoritmos de alocação dinâmica de banda para rede óptica passiva (PON) de acesso padrão GPON (Gigabit PON). Estes algoritmos utilizam dados oriundos de SLA (service level agreement) para gerenciar a alocação de banda e classificar em 4 contêineres de tráfego (T-CONT) o tráfego gerado em 16 ONUs (optical network unit). Na transmissão upstream é utilizada a técnica de multiplexação por divisão de tempo (TDM) para gerenciar o acesso ao meio, evitando colisões. O primeiro algoritmo proposto aloca banda garantida para as ONUs e distribui a banda não utilizada de acordo com critério baseado em três SLAs. A taxa de bit upstream é 1,25 Gbps e o desempenho do algoritmo é analisado com base na variação do atraso de pacotes em função do tráfego gerado nas ONUs. O segundo algoritmo proposto utiliza ponderação de tráfego. Neste, analisamos o comportamento dos atrasos e a quantidade de banda solicitada e atendida por ONU quando as bandas garantida e extra são alteradas. Por fim, acrescentamos em nossa implementação um intervalo para o processamento do algoritmo de alocação dinâmica de banda (DBA) e resposta do hardware relacionado ao ciclo de interrogação. Então, analisamos o atraso de pacotes quando variamos o intervalo de processamento do DBA. Ao final, propomos uma solução preliminar para minimizar estes atrasos. Os resultados obtidos por meio de simulação computacional mostram a versatilidade dos algoritmos. / In this work we propose and analyze the performance of dynamic bandwidth allocation algorithms for optical passive networks (PON) in GPON standard (Gigabit PON). These algorithms use data from SLA (service level agreement) to manage bandwidth allocation and classify in 4 traffic containers (T-CONT) the traffic generated by 16 ONUs (optical network unit). In the upstream transmission the time division multiplexing (TDM) technique is used to manage the medium access, avoiding collisions. The first proposed algorithm allocates guaranteed bandwidth for the ONUs and distributes the bandwidth not used according to the criteria based on three SLAs. The upstream bit rate is 1.25 Gbps and the algorithm performance is analyzed based on the packets delay variation versus the traffic generated by ONUs. The second proposed algorithm uses weighted traffic. In this, we analyze the delay performance and the required bandwidth for each ONU and how much it is served when the guaranteed and extra bandwidth are changed. Finally, we added in our implementation an interval for the processing of the dynamic bandwidth allocation algorithm (DBA) and response of the hardware related to the interrogation cycle. In the end, we propose a preliminary solution to minimize these delays. The results obtained by means of computational simulation show the versatility of the algorithms.

abstract: The integration of passive optical networks (PONs) and wireless mesh networks (WMNs) into Fiber-Wireless (FiWi) networks has recently emerged as a promising strategy for providing flexible network services at relative high transmission rates. This work investigates the effectiveness of localized routing that prioritizes transmissions over the local gateway to the optical network and avoids wireless packet transmissions in radio zones that do not contain the packet source or destination. Existing routing schemes for FiWi networks consider mainly hop-count and delay metrics over a flat WMN node topology and do not specifically prioritize the local network structure. The combination of clustered and localized routing (CluLoR) performs better in terms of throughput-delay compared to routing schemes that are based on minimum hop-count which do not consider traffic localization. Subsequently, this work also investigates the packet delays when relatively low-rate traffic that has traversed a wireless network is mixed with conventional high-rate PON-only traffic. A range of different FiWi network architectures with different dynamic bandwidth allocation (DBA) mechanisms is considered. The grouping of the optical network units (ONUs) in the double-phase polling (DPP) DBA mechanism in long-range (order of 100~Km) FiWi networks is closely examined, and a novel grouping by cycle length (GCL) strategy that achieves favorable packet delay performance is introduced. At the end, this work proposes a novel backhaul network architecture based on a Smart Gateway (Sm-GW) between the small cell base stations (e.g., LTE eNBs) and the conventional backhaul gateways, e.g., LTE Servicing/Packet Gateway (S/P-GW). The Sm-GW accommodates flexible number of small cells while reducing the infrastructure requirements at the S-GW of LTE backhaul. In contrast to existing methods, the proposed Sm-GW incorporates the scheduling mechanisms to achieve the network fairness while sharing the resources among all the connected small cells base stations. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2016

We are currently experiencing a rapid development of quantum information, a new branch of science, being an interdisciplinary of quantum physics, information theory, telecommunications, computer science, and many others. This new science branch was born in the middle of the eighties, developed rapidly during the nineties, and in the current decade has brought a technological breakthrough in creating secure quantum key distribution (QKD), quantum secret sharing, and exciting promises in diverse technological fields. Recent QKD experiments have achieved high rate QKD at 200 km distance in optical fiber. Significant QKD results have also been achieved in free-space. Due to the rapid broadband access deployment in many industrialized countries and the standing increasing transmission security treats, the natural development awaiting quantum communications, being a part of quantum information, is its migration into commercial switched telecom networks. Such a migration concerns both multiuser quantum key distribution and multiparty quantum secret sharing that have been the main goal of my PhD studies. They are also the main concern of the thesis. Our research efforts in multiuser QKD has led to a development of the five-user setup for transmissions over switched fiber networks in a star and in a tree configuration. We have achieved longer secure quantum information distances and implemented more nodes than other multi-user QKD experiments. The measurements have shown feasibility of multiuser QKD over switched fiber networks, using standard fiber telecom components. Since circular architecture networks are important parts of both intranets and the Internet, Sagnac QKD has also been a subject of our research efforts. The published experiments in this area have been very few and results were not encouraging, mainly due to the single mode fiber (SMF) birefringence. Our research has led to a development of a computer controlled birefringence compensation in Sagnac that open the door to both classical and quantum Sagnac applications. On the quantum secret sharing side, we have achieved the first quantum secret sharing experiment over telecom fiber in a five-party implementation using the "plug & play" setup and in a four-party implementation using Sagnac configuration. The setup measurements have shown feasibility and scalability of multiparty quantum communication over commercial telecom fiber networks.

<p>The fiber-to-the-x (FTTX) has been widely investigated as a leading access technology to meet the ever growing demand for bandwidth in the last mile. The passive optical network (PON) provides a cost-effective and durable solution. In this thesis, we investigate different aspects of the PON, in the search for cost-effective and high-performance designs of link system and devices.</p> <p>In Chapter 2, we propose a novel upstream link scheme for optical orthogonal frequency division multiplexing (OOFDM)-PON. The colorless laser diodes are used at the optical network units (ONUs), and the overlapped channel spectrum of orthogonal subcarrier multiplexing provides high spectral efficiency. At the optical line terminal (OLT), optical switch and all optical fast Fourier transform (OFFT) are adopted for high speed demultiplexing. The deterioration caused by the laser perturbation is also investigated.</p> <p>In Chapter 3, we design a novel polarization beam splitter (PBS), which is one of the most important components in polarization-controlled optical systems, e.g. the next-generation PON utilizing polarization multiplexing. Our PBS is built on a slab waveguide platform where the light is vertically confined. Planar lenses are formed to collimate and refocus light beam by converting the phase front of the beam. A planar subwavelength grating of a wedge shape induces the form birefringence, where the transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) waves have different effective refractive indices, and are steered to distinct directions. This design provides low insertion loss (< 0.9 dB) and low crosstalk (< -30 dB) for a bandwidth of 100 nm in a compact size, and can be realized by different material systems for easy fabrication and/or monolithic integration with other optical components.</p> <p>In Chapter 4, we study the mode partition noise (MPN) characteristics of the Fabry-Perot (FP) laser diode using the time-domain simulation of noise-driven multi-mode laser rate equation. FP laser is cheaper than the widely used distributed feedback (DFB) laser diode in PON, but its MPN is the major limiting factor in an optical transmission system. We calculate the probability density functions for each longitudinal mode. We also investigate the k-factor, which is a simple yet important measure of MPN. The sources of the k-factor are studied with simulation, including the intrinsic source of the laser Langevin noise, and the extrinsic source of the bit pattern.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

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

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

Dans ce travail de thèse, un aperçu général sur les systèmes PON est présenté et sont étudiés les mécanismes et classification PON existants. Après, nous introduisons notre première contribution qui est un algorithme d'allocation dynamique de bande passante pour EPON. Cet algorithme proposé est désigné comme «hcDBA». Par la suite, une amélioration de l'algorithme de hcDBA avec mécanisme de prédiction précoce est présentée. Notre simulation montre bien que notre algorithme hcDBA est performant comparé aux mécanismes existants en termes de taux de perte de paquets et de délai d’accès. Dans notre seconde contribution, nous sommes intéressés au problème de consommation d’énergie qui est un sujet d’actualité dans les réseaux de télécommunication. Les études montrent aujourd’hui que les réseaux d'accès constituent une partie remarquable de la consommation totale d'énergie dans les réseaux de télécommunication. Les organisations ITU-T et IEEE ont publié la recommandation pour la conversation de l'énergie pour les réseaux PONs. Bien que, la consommation totale d'énergie des nœuds ONU est plus importantes que d'autres équipements dans le réseau d'accès fixe, les normes et la plupart des travaux de recherches ont porté sur les économies d'énergie du côté de ONU. Dans cette thèse, nous sommes concentrés sur une méthode d'efficacité énergétique basée sur la conservation de l'énergie du côté de l’OLT. La méthode proposée permet d’économiser de l'énergie en déplaçant dynamiquement des cartes d’OLT en mode de sommeil profond en fonction des charges de trafic entrant et sortant / In this thesis, general overview about PON systems is presented and existing PON mechanisms and classification are investigated. After, a novel dynamic bandwidth allocation algorithm for EPON is introduced. This proposed algorithm is named as “Half Cycling Dynamic Bandwidth Allocation-hcDBA” by the inspiration of its half cycling processing mode. Later, an improvement of hcDBA algorithm with early prediction mechanism is presented. As a result statement of the study, hcDBA algorithm performs better than existing mechanism in terms of packet loss ratio and access delays. Beside, simulation traffic behavior of EPON’s upstream channel has been investigated in order to support the decision of selecting suitable traffic generator in further studies. Energy conversation is one of the hot topics in telecommunication networks. Access networks constitute remarkable portion of the total energy consumption in telecommunication networks. ITU-T and IEEE organizations published recommendation for energy conversation in PONs. While, total energy consumption of ONUs is more than other equipment in fix access network the standards and most of the researches focused on saving energy at ONU side. In this thesis I focused on an energy efficiency method based on energy conversation on OLT side. The proposed method save energy by dynamically moving OLT cards to deep sleep mode according to the incoming and outgoing traffic loads

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.