On-board B-ISDN fast packet switching architectures. Phase 2: Development. Proof-of-concept architecture definition report

For the next-generation packet switched communications satellite system with onboard processing and spot-beam operation, a reliable onboard fast packet switch is essential to route packets from different uplink beams to different downlink beams. The rapid emergence of point-to-point services such as video distribution, and the large demand for video conference, distributed data processing, and network management makes the multicast function essential to a fast packet switch (FPS). The satellite's inherent broadcast features gives the satellite network an advantage over the terrestrial network in providing multicast services. This report evaluates alternate multicast FPS architectures for onboard baseband switching applications and selects a candidate for subsequent breadboard development. Architecture evaluation and selection will be based on the study performed in phase 1, 'Onboard B-ISDN Fast Packet Switching Architectures', and other switch architectures which have become commercially available as large scale integration (LSI) devices

Unified Synchronized Data Acquisition Networks

The permanently evolving technical area of communication technology and the presence of more and more precise sensors and detectors, enable options and solutions to challenges in science and industry. In high-energy physics, for example, it becomes possible with accurate measurements to observe particles almost at the speed of light in small-sized dimensions. Thereby, the enormous amounts of gathered data require modern high performance communication networks. Potential and efficient implementation of future readout chains will depend on new concepts and mechanisms. The main goals of this dissertation are to create new efficient synchronization mechanisms and to evolve readout systems for optimization of future sensor and detector systems. This happens in the context of the Compressed Baryonic Matter experiment, which is a part of the Facility for Antiproton and Ion Research, an international accelerator facility. It extends an accelerator complex in Darmstadt at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH. Initially, the challenges are specified and an analysis of the state of the art is presented. The resulting constraints and requirements influenced the design and development described within this dissertation. Subsequently, the different design and implementation tasks are discussed. Starting with the basic detector read system requirements and the definition of an efficient communication protocol. This protocol delivers all features needed for building of compact and efficient readout systems. Therefore, it is advantageous to use a single unified connection for processing all communication traffic. This means not only data, control, and synchronization messages, but also clock distribution is handled. Furthermore, all links in this system have a deterministic latency. The deterministic behavior enables establishing a synchronous network. Emerging problems were solved and the concept was successfully implemented and tested during several test beam times. In addition, the implementation and integration of this communication methodology into different network devices is described. Therefore, a generic modular approach was created. This enhances ASIC development by supporting them with proven hardware IPs, reducing design time, and risk of failure. Furthermore, this approach delivers flexibility concerning data rate and structure for the network system. Additionally, the design and prototyping for a data aggregation and concentrator ASIC is described. In conjunction with a dense electrical to optical conversion, this ASIC enables communication with flexible readout structures for the experiment and delivers the planned capacities and bandwidth. In the last part of the work, analysis and transfer of the created innovative synchronization mechanism into the area of high performance computing is discussed. Finally, a conclusion of all reached results and an outlook of possible future activities and research tasks within the Compressed Baryonic Matter experiment are presented

On-board B-ISDN fast packet switching architectures. Phase 1: Study

The broadband integrate services digital network (B-ISDN) is an emerging telecommunications technology that will meet most of the telecommunications networking needs in the mid-1990's to early next century. The satellite-based system is well positioned for providing B-ISDN service with its inherent capabilities of point-to-multipoint and broadcast transmission, virtually unlimited connectivity between any two points within a beam coverage, short deployment time of communications facility, flexible and dynamic reallocation of space segment capacity, and distance insensitive cost. On-board processing satellites, particularly in a multiple spot beam environment, will provide enhanced connectivity, better performance, optimized access and transmission link design, and lower user service cost. The following are described: the user and network aspects of broadband services; the current development status in broadband services; various satellite network architectures including system design issues; and various fast packet switch architectures and their detail designs

Study of all-optical network monitoring techniques based on high resolution spectral measurement

En la presente tesis, "Estudio de técnicas todo ópticas de monitorización de redes basadas en medidas de alta resolución espectral", se resume el trabajo llevado a cabo por su autor, Pascual Sevillano Reyes, en la línea de investigación de espectroscopía óptica basada en Brillouin y fenómenos no lineales en fibras ópticas, dentro del Grupo de Tecnologías Fotónicas (GTF). Todo este trabajo se ha llevado a cabo en colaboración con la empresa Aragon Photonics Labs y bajo la supervisión de Jesús Subías Domingo y Asier Villafranca Velasco. A lo largo de la tesis se han estudiado novedosos métodos para abordar la medida de la degradación de la señal en dominio óptico. Debido a las ventajas que el análisis en dominio óptico presenta en comparación con el análisis en dominio eléctrico, la investigación se ha centrado en el análisis e identificación de los límites que presentan las técnicas en dominio óptico para el análisis de los fenómenos de degradación más comunes. En aras de aumentar la eficiencia espectral, los nuevos esquemas de modulación se han diseñado para codificar la información haciendo uso de las diferentes propiedades físicas de las ondas electromagnéticas. Se ha estudiado cómo la codificación de estas propiedades físicas en la señal afecta a su diferenciación con el ruido a la hora de distinguirlas con técnicas en dominio espectral. En estos esquemas avanzados se evalúa también la creciente necesidad de medir las distorsiones fruto de la despolarización de la señal. También se han presentado los nuevos retos que las técnicas de monitorización actuales y futuras deberán ser capaces de abordar. Con el fin de evaluar las limitaciones máximas que se pueden obtener con el análisis en dominio óptico, hemos empleado la difusión Brillouin estimulada como técnica de filtrado para resolver el espectro óptico. Debido a su alta resolución y su sensibilidad a la polarización, la técnica recupera la máxima cantidad de información que se puede extraer del espectro óptico. La tesis parte de una revisión de los distintos parámetros que se usan para monitorizar el estado y la degradación presentes en señales ópticas de comunicaciones. Se describen desde un principio los fenómenos físicos asociados a dichas distorsiones y cómo se relacionan con los parámetros de medida expuestos. Se presenta como herramienta fundamental de análisis la difusión de Brillouin estimulada (SBS), analizándose sus propiedades y dependencias de las que más tarde se hará uso. Desde un principio se muestra cómo la creciente multiplexación de información en distintas propiedades físicas de la señal acarrea una pérdida de grados de libertad a la hora de distinguirla con respecto del ruido, y por tanto se dificulta cada vez más la posibilidad de su diferenciación. A lo largo de la tesis se pone de manifiesto la necesidad de medir la distorsión de la señal fruto de la dispersión del vector de polarización debido a efectos como la PMD o efectos no lineales. En el segundo capítulo se abordan las medidas de la relación señal-ruido ópticas (OSNR). Basándonos en los principios fundamentales de la monitorización óptica de prestaciones, se persigue en este capítulo la medida de la distorsión de la señal a través de la información que se pueda recuperar en la capa física. Se analizan los problemas de medida asociados a la falta de resolución en esquemas de multiplexación ultra densa en longitud de onda, y las potenciales soluciones que brinda la alta resolución. Debido a su creciente implantación, se analizan los esquemas de modulación basados en múltiples portadoras con el objetivo de correlar la distorsión final obtenida en dominio eléctrico, con los datos que se puedan obtener en dominio óptico. Para tal propósito, se desarrolla un algoritmo para medir y aislar la potencia óptica de cada subportadora presente en la banda de modulación; se define un parámetro de OSNR para cada subportadora (SC-OSNR) y se correla con los valores de distorsión en dominio eléctrico. Se corrobora que la tendencia es la esperada y que la medida sirve para caracterizar la distorsión individual de cada subportadora sin necesidad de recurrir a una medida global. Basándose en las diferentes propiedades de polarización que presentan ruido y señal, se explican los métodos actuales de medida de ruido basados en supresión de la señal por polarización. Se explican las diferentes limitaciones que presentan estos métodos y cómo el propio filtrado basado en SBS puede actuar de elemento selectivo en polarización y longitud de onda simultáneamente. Se describe también un método para la medida de supresión de señal y medida de ruido dentro de banda, basado en dichas dependencias y en la modificación del estado de polarización de las distintas componentes espectrales de la señal, llegando finalmente a poder suprimir componentes de señal en rangos espectrales estrechos, y recuperando el valor real de ruido subyacente en la banda. En el tercer capítulo se presenta el análisis y medidas de la degradación de la polarización en la señal. Basándose en las dependencias de polarización del SBS, se describe cómo se ha llegado a desarrollar y patentar un sistema de medida del estado de polarización resuelto espectralmente para toda la banda C de comunicaciones. En el capítulo se muestran los fundamentos teóricos y los detalles técnicos del equipo resultante. Se presentan distintas pruebas para comprobar la resolución y fiabilidad de las medidas obtenidas con el sistema. Por último se muestran las prestaciones que permite alcanzar la técnica para medidas en distintos escenarios. Se muestra cómo la técnica permite una caracterización completa de cualquier distorsión debida a PMD, midiendo el estado de polarización de todas las componentes. Partiendo de estos datos se puede obtener también una supresión selectiva individualizada de las distintas componentes, usando el propio laser de bombeo para resolver el ruido subyacente. También se pode de manifiesto cómo los datos resultantes pueden servir para identificar si la distorsión presente en la polarización puede tener su origen en fenómenos no lineales, como la modulación cruzada de fase (XPM). Con los resultados obtenidos en los distintos escenarios se prueba la versatilidad de la medida. El objetivo en el capítulo cuarto es el planteamiento y estudio de nuevas técnicas de monitorización de OSNR, que puedan ser empleadas en esquemas basados en multiplexación de polarización. Para tal fin se analiza la coherencia que presentan las señales de tráfico real. Se profundiza en las distintas propiedades que presenta el espectro óptico instantáneo de una señal, en función de la aleatoriedad de la secuencia de bits transmitidos. Posteriormente, se observa la dinámica de los valores de potencia que sigue una componente espectral, cuando se transmiten señales con diferente grado de aleatoriedad definido en los estándares de modulación. Se comprueban, con simulaciones y ajustes, las dependencias esperadas y por último se muestran las limitaciones que presenta la técnica. El capítulo quinto recoge las siguientes conclusiones generales de la tesis. *El uso de U-DWDM y filtrado estrecho de canales dificulta la medida de OSNR basado en la identificación de señal y ruido en el espectro óptico. En estos escenarios, el poder resolutivo de la técnica de filtrado juega un papel muy importante, y el uso de ROADM exige un análisis exhaustivo y cuidadosos de las medidas obtenidas. El filtrado mediante difusión Brillouin estimulada presenta una gran ventaja en estos casos debido a su alta resolución espectral, aunque este filtrado estrecho lleve asociado una sensibilidad mermada que limita la medida de la densidad espectral del ruido. *El análisis de la distorsión en señales con formatos de modulación basados en múltiples portadoras no se puede llevar a cabo con la normativa estándar, ya que ésta fue diseñada para sistemas de modulación de portadora única. Para estos esquemas, el uso de la alta resolución presenta ventajas adicionales ya que permite la caracterización de otros parámetros de calidad de la modulación basándose en el espectro óptico de la misma. *El filtrado basado en difusión Brilluoin estimulada se puede usar para alcanzar una monitorización individualizada de las subportadoras involucradas en sistemas de modulación de múltiples portadoras tales como el OFDM. Se ha desarrollado un algoritmo con el fin de medir y aislar la potencia óptica de cada una de las diferentes subportadoras presentes, con estos datos hemos analizado la distorsión en la recepción y hemos hallado una relación entre las medidas obtenidas en dominio eléctrico y las resultantes de nuestro análisis . Basándonos en esta nueva definición, SC-OSNR, hemos conseguido medir las prestaciones de cada sub-portadora de manera individual. Esta caracterización abre la posibilidad al diseño atendiendo a la distorsión presente en cada sub-portador, en vez de basarse en una prestación media para toda la banda de modulación. *Cuando la señal y el ruido poseen el mismo ancho de banda en el espectro, se ha corroborado la imposibilidad de medir el ASE. En estos casos se puede usar la polarización para distinguir entre ambos. Haciendo uso de la sensibilidad a la polarización que presenta la difusión Brillouin estimulada, se puede obtener el OSNR dentro de la banda de la señal generando un cambio selectivo y de gran magnitud en el vector de polarización de las distintas componentes espectrales. Sin necesidad de un polarizador y haciendo uso de su alto poder resolutivo, el sistema puede suprimir selectivamente la contribución de las distintas componentes espectrales de la señal y revelar el ruido subyacente. *Mejorando el control del estado de la polarización del láser del bombeo en la difusión Brillouin estimulada, se ha desarrollado un novedoso método para la medida del estado de la polarización resuelto espectralmente. Basándonos en la resolución espectral de la difusión Brillouin estimulada y de la dependencia que presenta su ganancia con la polarización, se ha conseguido desarrollar una polarimetría espectral completa con la resolución del filtro basado en SBS. Sin necesidad de un alineamiento o conocimiento previo del estado de la señal, la técnica consigue resolver el estado de polarización de múltiples señales en rangos espectrales amplios sin sacrificar su alta resolución. *La polarización se puede usar para diferenciar entre señal y ruido siempre y cuando no se trate de un sistema basado en multiplexación de polarización. No obstante, la despolarización parcial de la señal asociada a fenómenos como la dispersión de modo de polarización (PMD) o como efectos no lineales, impide la medida por supresión. En estos casos, una medida corriente del grado de polarización o una simple proyección del estado de la señal sobre un polarizador se muestra insuficiente para poder identificar señal y ruido de acuerdo con su polarización. Sin embargo, una caracterización completa del estado de polarización, fruto de una polarimetría espectral de alta resolución, permite una cuantificación y clasificación de todos los fenómenos de distorsión asociados a polarización, a través de los valores de los estados de polarización de cada componente espectral, y su variación a lo largo el ancho de banda. *Los esquemas basados en multiplexación de la polarización impiden el uso de técnicas de medida de OSNR basadas en supresión de la polarización. Cuando la señal es modulada con dos secuencias de bits descorreladas en dos estados perpendiculares de polarización, presenta una aparente despolarización que hace que se asemeje en sus propiedades a las del ruido. Para estos casos se propone una técnica novedosa. Basándose en las medida de las densidad de potencia espectral instantánea y su dinámica, la técnica permite diferenciar entre la componente de señal y ruido, debido a la coherencia remanente que existe en la señal, fruto de la periodicidad de la estructura de datos presente. Aunque las medidas corroboran los supuestos presentados en las etapas de desarrollo iniciales, solo conseguimos tener éxito en aquellos casos donde el nivel de ruido era muy elevado y no se pudo llegar a medir valores significativos para considerarlo una técnica robusta

Quality of service modeling and analysis for carrier ethernet

Today, Ethernet is moving into the mainstream evolving into a carrier grade technology. Termed as Carrier Ethernet it is expected to overcome most of the\ud shortcomings of native Ethernet. It is envisioned to carry services end-to-end serving corporate data networking and broadband access demands as well as backhauling wireless traffic. As the penetration of Ethernet increases, the offered Quality of Service (QoS) will become increasingly important and a distinguishing factor between different service providers. The challenge is to meet the QoS requirements of end applications such as response times, throughput, delay and jitter by managing the network resources at hand. Since Ethernet was not designed to operate in large public networks it does not possess functionalities to address this issue. In this thesis we propose and analyze mechanisms which improve the QoS performance of Ethernet enabling it to meet the demands of the current and next generation services and applications.\u

Optimizing total cost of ownership (TCO) for 5G multi-tenant mobile backhaul (MBH) optical transport networks

Legacy network elements are reaching end-of-life and packet-based transport networks are not efficiently optimized. In particular, high density cell architecture in future 5G networks will face big technical and financial challenges due to avalanche of traffic volume and massive growth in connected devices. Raising density and ever-increasing traffic demand within future 5G Heterogeneous Networks (HetNets) will result in huge deployment, expansion and operating costs for upcoming Mobile BackHaul (MBH) networks with flat revenue generation. Thus, the goal of this dissertation is to provide an efficient physical network planning mechanism and an optimized resource engineering tool in order to reduce the Total Cost of Ownership (TCO) and increase the generated revenues. This will help Service Providers (SPs) and Mobile Network Operators (MNOs) to improve their network scalability and maintain positive Project Profit Margins (PPM). In order to meet this goal, three key issues are required to be addressed in our framework and are summarized as follows: i) how to design and migrate to a scalable and reliable MBH network in an optimal cost?, ii) how to control the deployment and activation of the network resources in such MBH based on required traffic demand in an efficient and cost-effective way?, and iii) how to enhance the resource sharing in such network and maximize the profit margins in an efficient way? As part of our contributions to address the first issue highlighted above and to plan the MBH with reduced network TCO and improved scalability, we propose a comprehensive migration plan towards an End-to-End Integrated-Optical-Packet-Network (E2-IOPN) for SP optical transport networks. We review various empirical challenges faced by a real SP during the transformation process towards E2-IOPN as well as the implementation of an as-built plan and a high-level design (HLD) for migrating towards lower cost-per-bit GPON, MPLS-TP, OTN and next-generation DWDM technologies. Then, we propose a longer-term strategy based on SDN and NFV approach that will offer rapid end-to-end service provisioning with costefficient centralized network control. We define CapEx and OpEx cost models and drive a cost comparative study that shows the benefit and financial impact of introducing new low-cost packet-based technologies to carry traffic from legacy and new services. To address the second issue, we first introduce an algorithm based on a stochastic geometry model (Voronoi Tessellation) to more precisely define MBH zones within a geographical area and more accurately calculate required traffic demands and related MBH infrastructure. In order to optimize the deployment and activation of the network resources in the MBH in an efficient and cost-effective way, we propose a novel method called BackHauling-as-a-Service (BHaaS) for network planning and Total Cost of Ownership (TCO) analysis based on required traffic demand and a "You-pay-only-for-what-you-use" approach. Furthermore, we enhance BHaaS performance by introducing a more service-aware method called Traffic-Profile-asa- Service (TPaaS) to further drive down the costs based on yearly activated traffic profiles. Results show that BHaaS and TPaaS may enhance by 22% the project benefit compared to traditional TCO model. Finally, we introduce a new cost (CapEx and OpEx) models for 5G multi-tenant Virtualized MBH (V-MBH) as part of our contribution to address the third issue. In fact, in order to enhance the resource sharing and maximize the network profits, we drive a novel pay-as-yougrow and optimization model for the V-MBH called Virtual-Backhaul-as-a-Service (VBaaS). VBaaS can serve as a planning tool to optimize the Project Profit Margin (PPM) while considering the TCO and the yearly generated Return-on-Investment (ROI). We formulate an MNO Pricing Game (MPG) for TCO optimization to calculate the optimal Pareto-Equilibrium pricing strategy for offered Tenant Service Instances (TSI). Then, we compare CapEx, OpEx, TCO, ROI and PPM for a specific use-case known in the industry as CORD project using Traditional MBH (T-MBH) versus Virtualized MBH (V-MBH) as well as using randomized versus Pareto-Equilibrium pricing strategies. The results of our framework offer SPs and MNOs a more precise estimation of traffic demand, an optimized infrastructure planning and yearly resource deployment as well as an optimized TCO analysis (CapEx and OpEx) with enhanced pricing strategy and generated ROI. Numerical results show more than three times increase in network profitability using our proposed solutions compared with Traditional MBH (T-MBH) methods

Contribution to Proving Absolute QoS in OBS Networks

This Final Master Project introduces a new strategy to provide QoS in IP/OBS networks, using routing with prioritization based on statistics, named RPBS. A new method is provided and subsequently validated. This proposal uses the feedback scheme in optical networks to provide statistical knowledge with the objective of finding a suitable route to reach each destination from a specific source node, with more chance of success. This yields a twofold outcome. First, the losses can be reduced in a big number due to statistics. Second, the delays are also reduced compared with other methods based on feedback scheme. These two improvements allow better QoS provision, supporting class differentiation and more efficient resources utilization. The benefits of this proposal are quantified and further compared against existent alternatives by simulations

Cross-Layer Platform for Dynamic, Energy-Efficient Optical Networks

The design of the next-generation Internet infrastructure is driven by the need to sustain the massive growth in bandwidth demands. Novel, energy-efficient, optical networking technologies and architectures are required to effectively meet the stringent performance requirements with low cost and ultrahigh energy efficiencies. In this thesis, a cross-layer communications platform is proposed to enable greater intelligence and functionality on the physical layer. Providing the optical layer with advanced networking capabilities will facilitate the dynamic management and optimization of optical switching based on performance monitoring measurements and higher-layer attributes. The cross-layer platform aims to create a new framework for networks to incorporate packet-scale measurement subsystems and techniques for monitoring the health of the optical channel. This will allow for quality-of-service- and energy-aware routing schemes, as well as an enhanced awareness of the optical data signals. This thesis first presents the design and development of an optical packet switching fabric. Leveraging a networking test-bed environment to validate networking hypotheses, advanced switching functionalities are demonstrated, including the support for quality-of-service based routing and packet multicasting. The investigated cross-layering is based on emerging optical technologies, enabling packet protection techniques and packet-rate switching fabric reconfiguration. Coupled with fast performance monitoring, the platform will achieve significant performance gains within the endeavor of all-optical switching. Allowing for a more intelligent, programmable optical layer aims to support greater flexibility with respect to bandwidth allocation and potentially a significant reduction in the network's energy consumption. The ultimate deliverable of this work is a high-performance, cross-layer enabled optical network node. The experimental demonstration of an initial prototype creates a dynamic network element with distributed control plane management, featuring fast packet-rate optical switching capabilities and embedded physical-layer performance monitoring modules. The cross-layer box enables an intelligent traffic delivery system that can dynamically manipulate optical switching on a packet-granular scale. With the goal of achieving advanced multi-layer routing and control algorithms, the network node requires an intelligent co-optimization across all the layers. The proposed cross-layer design should drive optical technologies and architectures in an innovative way, in order to fulfill the void between the design of basic photonic devices and the networking protocols that use them. The performance of the entire network -- from the optical components, to the routing algorithms and user applications -- should be optimized in concert. This contribution to the area of cross-layer network design creates an adaptable optical pipe that is extremely flexible and intelligent aware of both the physical optical signals and higher-layer requirements. The impact of this work will be seen in the realization of dynamic, energy-efficient optical communication links in future networking infrastructures