Self-adjusting DBA algorithm for next generation PONs (NG-PONs) to support 5G fronthaul and data services

In this article, we propose a novel dynamic bandwidth allocation (DBA) algorithm for NG-PON networks to jointly support 5G fronthaul and best effort data services in the same PON channel. The proposed self-adjusting DBA adjusts dynamically the allocation intervals to the current required fronthaul throughput based on the requests reported from the ONUs. It is suitable for dynamic 5G scenarios where, for energy efficiency reasons, the fronthaul connections are dynamically set up and torn down over time: when a new 5G fronthaul connection is set up, the maximum latency of the current connections is guaranteed while when a current 5G fronthaul connection is torn down, the freed transmission resources become available for data services. The only requirement is that the capacity of the channel in the NG-PON network is enough for the throughput of all 5G fronthaul connections supported by the channel. In this way, the proposed self-adjusting DBA algorithm has the advantage of requiring a much lower management coordination between the 5G infrastructure and the NG-PON infrastructure than the one required when the throughput of the 5G fronthaul connections is supported as a guaranteed service.publishe

Advanced Technique and Future Perspective for Next Generation Optical Fiber Communications

Optical fiber communication industry has gained unprecedented opportunities and achieved rapid progress in recent years. However, with the increase of data transmission volume and the enhancement of transmission demand, the optical communication field still needs to be upgraded to better meet the challenges in the future development. Artificial intelligence technology in optical communication and optical network is still in its infancy, but the existing achievements show great application potential. In the future, with the further development of artificial intelligence technology, AI algorithms combining channel characteristics and physical properties will shine in optical communication. This reprint introduces some recent advances in optical fiber communication and optical network, and provides alternative directions for the development of the next generation optical fiber communication technology

Otimização do fronthaul ótico para redes de acesso de rádio (baseadas) em computação em nuvem (CC-RANs)

Doutoramento conjunto (MAP-Tele) em Engenharia Eletrotécnica/TelecomunicaçõesA proliferação de diversos tipos de dispositivos moveis, aplicações e serviços com grande necessidade de largura de banda têm contribuído para o aumento de ligações de banda larga e ao aumento do volume de trafego das redes de telecomunicações moveis. Este aumento exponencial tem posto uma enorme pressão nos mobile operadores de redes móveis (MNOs). Um dos aspetos principais deste recente desenvolvimento, é a necessidade que as redes têm de oferecer baixa complexidade nas ligações, como também baixo consumo energético, muito baixa latência e ao mesmo tempo uma grande capacidade por baixo usto. De maneira a resolver estas questões, os MNOs têm focado a sua atenção na redes de acesso por rádio em nuvem (C-RAN) principalmente devido aos seus benefícios em termos de otimização de performance e relação qualidade preço. O standard para a distribuição de sinais sem fios por um fronthaul C-RAN é o common public radio interface (CPRI). No entanto, ligações óticas baseadas em interfaces CPRI necessitam de uma grande largura de banda. Estes requerimentos podem também ser atingidos com uma implementação em ligação free space optical (FSO) que é um sistema ótico que usa comunicação sem fios. O FSO tem sido uma alternativa muito apelativa aos sistemas de comunicação rádio (RF) pois combinam a flexibilidade e mobilidade das redes RF ao mesmo tempo que permitem a elevada largura de banda permitida pelo sistema ótico. No entanto, as ligações FSO são suscetíveis a alterações atmosféricas que podem prejudicar o desempenho do sistema de comunicação. Estas limitações têm evitado o FSO de ser tornar uma excelente solução para o fronthaul. Uma caracterização precisa do canal e tecnologias mais avançadas são então necessárias para uma implementação pratica de ligações FSO. Nesta tese, vamos estudar uma implementação eficiente para fronthaul baseada em tecnologia á rádio-sobre-FSO (RoFSO). Propomos expressões em forma fechada para mitigação das perdas de propagação e para a estimação da capacidade do canal de maneira a aliviar a complexidade do sistema de comunicação. Simulações numéricas são também apresentadas para formatos de modulação adaptativas. São também considerados esquemas como um sistema hibrido RF/FSO e tecnologias de transmissão apoiadas por retransmissores que ajudam a alivar os requerimentos impostos por um backhaul/fronthaul de C-RAN. Os modelos propostos não só reduzem o esforço computacional, como também têm outros méritos, tais como, uma elevada precisão na estimação do canal e desempenho, baixo requisitos na capacidade de memória e uma rápida e estável operação comparativamente com o estado da arte em sistemas analíticos (PON)-FSO. Este sistema é implementado num recetor em tempo real que é emulado através de uma field-programmable gate array (FPGA) comercial. Permitindo assim um sistema aberto, interoperabilidade, portabilidade e também obedecer a standards de software aberto. Os esquemas híbridos têm a habilidade de suportar diferentes aplicações, serviços e múltiplos operadores a partilharem a mesma infraestrutura de fibra ótica.The proliferation of different mobile devices, bandwidth-intensive applications and services contribute to the increase in the broadband connections and the volume of traffic on the mobile networks. This exponential growth has put considerable pressure on the mobile network operators (MNOs). In principal, there is a need for networks that not only offer low-complexity, low-energy consumption, and extremely low-latency but also high-capacity at relatively low cost. In order to address the demand, MNOs have given significant attention to the cloud radio access network (C-RAN) due to its beneficial features in terms of performance optimization and cost-effectiveness. The de facto standard for distributing wireless signal over the C-RAN fronthaul is the common public radio interface (CPRI). However, optical links based on CPRI interfaces requires large bandwidth. Also, the aforementioned requirements can be realized with the implementation of free space optical (FSO) link, which is an optical wireless system. The FSO is an appealing alternative to the radio frequency (RF) communication system that combines the flexibility and mobility offered by the RF networks with the high-data rates provided by the optical systems. However, the FSO links are susceptible to atmospheric impairments which eventually hinder the system performance. Consequently, these limitations prevent FSO from being an efficient standalone fronthaul solution. So, precise channel characterizations and advanced technologies are required for practical FSO link deployment and operation. In this thesis, we study an efficient fronthaul implementation that is based on radio-on-FSO (RoFSO) technologies. We propose closedform expressions for fading-mitigation and for the estimation of channel capacity so as to alleviate the system complexity. Numerical simulations are presented for adaptive modulation scheme using advanced modulation formats. We also consider schemes like hybrid RF/FSO and relay-assisted transmission technologies that can help in alleviating the stringent requirements by the C-RAN backhaul/fronthaul. The propose models not only reduce the computational requirements/efforts, but also have a number of diverse merits such as high-accuracy, low-memory requirements, fast and stable operation compared to the current state-of-the-art analytical based approaches. In addition to the FSO channel characterization, we present a proof-of-concept experiment in which we study the transmission capabilities of a hybrid passive optical network (PON)-FSO system. This is implemented with the real-time receiver that is emulated by a commercial field-programmable gate array (FPGA). This helps in facilitating an open system and hence enables interoperability, portability, and open software standards. The hybrid schemes have the ability to support different applications, services, and multiple operators over a shared optical fiber infrastructure

Mecanismos para gerenciamento de banda passante em redes ópticas passivas Ethernet com clientes locatários de múltiplas unidades ópticas de redes

Orientador: Nelson Luis Saldanha da FonsecaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: As atuais redes de acesso banda larga à Internet necessitam dar suporte às altas demandas de diversas aplicações tais como voz sobre IP (VoIP), streaming de vídeo UHD, videoconferência, internet das coisas (IoT) e jogos interativos. A tecnologia de redes ópticas passivas (PONs) é considerada promissora para fornecer alta capacidade de acesso com um custo-benefício aceitável. Existem duas diferentes tecnologias que disputam o mercado das redes ópticas; Ethernet PON (EPON) e Gigabit Capable PON(GPON). Devido ao alto custo de aquisição e manutenção de uma infraestrutura PON, muitas empresas (clientes) recorrem a fornecedores de infraestrutura (InP) para reduzir os altos custo, por meio do aluguel de uma porção dos recursos da PON. Esses clientes podem ser, por exemplo, operadores de rede móvel ou provedores de serviços virtuais, que podem adquirir múltiplas unidades da rede óptica (ONU) conectadas em uma única PON. Essa facilidade de alugar múltiplas ONUs pode gerar problemas de balanceamento de carga entre ONUs, uma vez que os atuais algoritmos de alocação de banda passante (DBA) são capazes de garantir banda para uma única ONU. Consequentemente, picos de demanda de banda passante podem ultrapassar a banda garantida em algumas ONUs e, ao mesmo tempo, subutilizar a banda garantida em outras ONUs de um mesmo cliente. Nesta dissertação, aborda-se o problema de gerenciamento de largura de banda para clientes multi-ONU nas redes EPON. Propõe-se um algoritmo de alocação dinâmica de banda passante (DBA) (MOS-IPACT) para dar suporte ao contrato de serviço (SLA) para clientes com várias ONUs. O mecanismo proposto distribui a largura de banda agregada entre ONUs de um mesmo cliente, com o objetivo de melhorar a utilização da largura de banda. Além disso propõe-se um algoritmo DBA para EPONs (subMOSIPACT) com o objetivo de garantir banda passante em diferentes níveis de granularidade. Este algoritmo é fundamental para clientes multi-ONU e que oferecem diversos tipos de serviços. Por exemplo, um operador da rede virtual pode alugar as ONUs de um InP para oferecer serviços corporativos e residenciais. Introduz-se, também, um algoritmo DBA para EPONs (coopMOS-IPACT) que permite a cooperação entre clientes. O algoritmo proposto permite que clientes cooperativos compartilhem banda passante não utilizada a fim de aumentar a banda disponível para alocação mas sem afetar seus SLAs individuais. Os resultados mostram que os três algoritmos propostos são capazes de garantir banda passante para clientes multi-ONU, mesmo em condições de tráfego desbalanceadas; Além de garantir banda passante em diferentes níveis de granularidade aumentando o suporte aos requisitos de qualidade de serviço (QoS). Resultados derivados por simulação mostraram que os algoritmos distribuem eficientemente a largura de banda entre os clientes multi-ONU bem como para clientes convencionais que possuem uma única ONU. Por fim, este trabalho mostra os benefícios do modelo de clientes cooperativos para aumentar a largura de banda disponívelAbstract: Current broadband access networks need to support the Quality of Service (QoS) requirements of diverse application such as voice over IP (VoIP), ultra-high video streaming, video conferencing, Internet of Things (IoT) and interactive gaming. Passive Optical Networks (PONs) is considered a promising solution to provides high access capacity with acceptable cost-benefit. Two different technologies share the optical access networks market: Ethernet PON (EPON) and Gigabit Capable PON (GPON). However, the deployment of PON infrastructure involves significant costs. On the other hand, Infrastructure Provider (InP) can alleviate these costs by leasing their PONs to several enterprises (customers). These customers can be Mobile Network Operators (MNOs), multi-site enterprises, or virtual service providers. New scenarios are envisioned in which customers owning multiple Optical Network Units (ONUs) (multi-ONUs customers) are connected to a single PON. However, current EPON Dynamic Bandwidth Allocation (DBA) algorithms are able to support only guaranteed bandwidth for individual ONUs. Consequently, peaks of bandwidth demand may surpass the guaranteed bandwidth for some ONUs and, at the same time, underutilize the bandwidth in other ONUs of a multi-ONU customer. In this work, the bandwidth management problem for multi-ONU customers in EPON network is addressed. This dissertation proposes a mechanisms for the support of multiONU Service Level Agreements (SLA) in DBA algorithms for EPONs. The proposed DBA algorithms (MOS-IPACT) allows customers owning multiple ONUs to redistribute the aggregated bandwidth of the group of ONUs to better balance the bandwidth utilization. This dissertation also proposes a DBA algorithm for EPON networks (subMOS-IPACT) with the objective of assuring bandwidth at different levels of granularity. This algorithm is quite important for multi-ONU customers offering diverse type of services. For example, a virtual network operator can lease ONUs from an InP to offer enterprise and residential services to its client.This work also introduce a DBA algorithm for EPONs (coopMOS-IPACT), which allows cooperation between customers. The proposed DBA algorithm allows cooperative customers share the unused bandwidth without affecting their individual multi-ONU SLAs. Results show that the three proposed Dynamic Bandwidth Allocation (DBA) algorithms are able to guarantee bandwidth for multi-Optical Network Unit (ONU) customers even in unbalancing traffic conditions. Furthermore, assuring bandwidth at different levels of granularity improves the Quality of Service (QoS) providing. Simulation results showed that the mechanisms efficiently distributes bandwidth between multi-ONU customers and traditional customers owning a single ONU. Finally, this work show the benefits of cooperative customers model in order to increase the available bandwidthMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da Computação132308/2016-9CNP

PENGARUH INTERFERENSI HIDDEN NODE TERHADAP MODEL PREDIKSI KETERSEDIAAN BANDWIDTH DI JARINGAN NIRKABEL

Ketersediaan bandwidth merupakan salah satu aspek penting untuk menjamin QoS dalam transmisi data, terutama pada jaringan nirkabel. Walaupun demikian, prediksi ketersediaan pada jaringan nirkabel masih sulit dilakukan karena medium transmisi dapat digunakan oleh beberapa node secara bersamaan. Selain itu jaringan nirkabel juga rentan terhadap pengaruh dari sinyal transmisi yang dihasilkan dari node lain, terutama hidden node. Beberapa penelitian telah dilakukan untuk mengembangkan model prediksi ketersediaan bandwidth. Walaupun demikian, belum terdapat mekanisme terstandarisasi yang digunakan untuk mengevaluasi ketersediaan bandwidth pada jaringan nirkabel. Selain itu tingkat akurasi dari setiap model juga masih belum diketahui ketika diimplementasikan pada jaringan nirkabel, terutama dengan keberadaan hidden node. Oleh karena itu penelitian ini berupaya untuk menginvestigasi kinerja dari setiap model untuk memprediksi ketersediaan bandwidth pada jaringan nirkabel dengan interferensi hidden node. Model prediksi yang dibandingkan adalah Distributed Lagrange Interpolation Based Available Bandwidth Estimation (DLI-ABE), Cognitive Passive Estimation Of The Available Bandwidth (cPEAB),  Improved Available Bandwidth (IAB), dan Available Bandwidth Estimation (ABE). Percobaan dilakukan dalam skala simulasi yang dikembangkan menggunakan simulasi jaringan OMNet++. Hasil penelitian menunjukan bahwa model ABE memperoleh tingkat akurasi yang paling baik sebesar 85,25%