Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Physical Layer Encryption for Industrial Ethernet in Gigabit Optical Links

Industrial Ethernet is a technology widely spread in factory floors and critical infrastructures where a high amount of data need to be collected and transported. Fiber optic networks at gigabit rates fit well with that type of environments where speed, system performance and reliability are critical. In this work a new encryption method for high speed optical communications suitable for such kind of networks is proposed. This new encryption method consists of a symmetric streaming encryption of the 8b/10b data flow at PCS (Physical Coding Sublayer) level. It is carried out thanks to an FPE (Format Preserving Encryption) blockcipher working in CTR (Counter) mode. The overall system has been simulated and implemented in an FPGA (Field Programmable Gate Array). Thanks to experimental results it can be concluded that it is possible to cipher traffic at this physical level in a secure way. In addition, no overhead is introduced during encryption, getting minimum latency and maximum throughput

Physical Layer Encryption for Industrial Ethernet in Gigabit Optical Links

Industrial Ethernet is a technology widely spread in factory floors and critical infrastructures where a high amount of data need to be collected and transported. Fiber optic networks at gigabit rates fit well with that type of environment, where speed, system performance, and reliability are critical. In this paper, a new encryption method for high-speed optical communications suitable for such kinds of networks is proposed. This new encryption method consists of a symmetric streaming encryption of the 8b/10b data flow at physical coding sublayer level. It is carried out thanks to a format preserving encryption block cipher working in CTR (counter) mode. The overall system has been simulated and implemented in a field programmable gate array. Thanks to experimental results, it can be concluded that it is possible to cipher traffic at this physical level in a secure way. In addition, no overhead is introduced during encryption, getting minimum latency and maximum throughput

Técnicas avanzadas de transmisión para el aumento de la eficiencia espectral en fibra óptica de plástico (POF)

Estudio y análisis, con implementación real en laboratorio, de las ventajas que presentan el uso de técnicas de modulación avanzadas frente a formatos de modulación sencillos en sistemas de transmisión con fibra óptica de plástico (POF). Concretamente se comparan los formatos avanzados MultiCAP y OFDM frente a los mas sencillos como NRZ, PAM o CAP. Además las medidas se han realizado en diferentes tipos de fibra óptica de plástico como son la GI-POF, SI-POF o Multicore POF. Se lleva a cabo un primer análisis y explicación de los diferentes tipos de fibra y sus características así como de los formatos de modulación que se van a emplear en las medidas de laboratorio. Contiene una explicación detallada de la metodología empleada para la realización de las medidas. Por último se estudian los resultados obtenidos para demostrar las mejoras alcanzadas y se plantean algunas líneas de estudio futuras.<br /

THE USE OF TUNED FRONT END OPTICAL RECEIVER AND PULSE POSITION MODULATION

The aim of this work is to investigate the use of tuned front-ends with OOK and PPM schemes, in addition to establish a theory for baseband tuned front end receivers. In this thesis, a background of baseband receivers, tuned receivers, and modulation schemes used in baseband optical communication is presented. Also, the noise theory of baseband receivers is reviewed which establishes a grounding for developing the theory relating to optical baseband tuned receivers. This work presents novel analytical expressions for tuned transimpedance, tuned components, noise integrals and equivalent input and output noise densities of two tuned front-end receivers employing bi-polar junction transistors and field effect transistors as the input. It also presents novel expressions for optimising the collector current for tuned receivers. The noise modelling developed in this work overcomes some limitations of the conventional noise modelling and allows tuned receivers to be optimised and analysed. This work also provides an in-depth investigation of optical baseband tuned receivers for on-off keying (OOK), Pulse position modulation (PPM), and Di-code pulse position modulation (Di-code PPM). This investigation aims to give quantitative predictions of the receiver performance for various types of receivers with different photodetectors (PIN photodetector and avalanche photodetector), different input transistors (bi-polar junction transistor BJT and field effect transistor FET), different pre-detection filters (1st order low pass filter and 3rd order Butterworth filter), different detection methods, and different tuned configurations (inductive shunt feedback front end tuned A and serial tuned front end tuned B). This investigation considers various optical links such as line of sight (LOS) optical link, non-line of sight (NLOS) link and optical fibre link. All simulations, modelling, and calculations (including: channel modelling, receiver modelling, noise modelling, pulse shape and inter-symbol interference simulations, and error probability and receiver calculations) are performed by using a computer program (PTC Mathcad prime 4, version: M010/2017) which is used to evaluate and analyse the performance of these optical links. As an outcome of this investigation, noise power in tuned receivers is significantly reduced for all examined configurations and under different conditions compared to non-tuned receivers. The overall receiver performance is improved by over 3dB in some cases. This investigation provides an overview and demonstration of cases where tuned receiver can be optimised for baseband transmission, offering a much better performance compared to non-tuned receivers. The performance improvement that tuned receivers offers can benefit a wide range of optical applications. This investigation also addresses some recommendations and suggestions for further work in some emerging applications such as underwater optical wireless communication (UOWC), visible light communication (VLC), and implantable medical devices (IMD). Keyword: Optical communications, Baseband receivers, Noise modelling, tuned front end, pulse position modulation (PPM)

Μελέτη τοπικών δικτύων που βασίζονται σε ενσύρματα και ασύρματα οπτικά μέσα

Στη παρούσα διατριβή καλύφθηκαν δύο θεματικές ενότητες στις οποίες εξετάστηκε η δυνατότητα ανάπτυξης ζεύξεων που βασίζονται σε οπτικές τεχνολογίες για την κάλυψη μικρών αποστάσεων. Η πρώτη θεματική ενότητα αφορά ενσύρματες μεταδόσεις. Δεδομένου ότι στο τμήμα των δικτύων πρόσβασης οι ρυθμοί προβλέπεται να αυξηθούν στο κοντινό μέλλον, αντίστοιχη αύξηση ρυθμών θα πρέπει να υποστηριχθεί στον εσωτερικό χώρο όπου θα καταλήξει η ίνα. Σε ένα περιβάλλον όπου επικρατεί η οπτική δικτύωση, τίθεται το ζήτημα της επιλογής του οπτικού καλωδίου για την κάλυψη δεκάδων μέτρων σε κάποιο εσωτερικό περιβάλλον. Μία οικονομικά προσιτή επιλογή είναι η πλαστική οπτική ίνα με πυρήνα διαμέτρου 980 μm κατασκευασμένη από το υλικό PMMA. Παρά τα πλεονεκτήματα που ενσωματώνει ως οπτική λύση, έχει σημαντικούς περιορισμούς που θα δυσκόλευαν τη μαζική εγκατάσταση αυτού του τύπου καλωδίου και έχουν να κάνουν με τις σχετικά υψηλές απώλειες και με το περιορισμένο εύρος ζώνης. Αυτό που εξετάστηκε ήταν κατά πόσο είναι εφικτή η επέμβαση απευθείας στην ίνα από PMMA, ώστε να τροποποιηθούν τα χαρακτηριστικά της. Αυτά που προέκυψαν ήταν η αύξηση του εύρους ζώνης κατά περίπου 40% και μία μικρή μείωση των απωλειών των τμημάτων των ινών που υπέστησαν μία συγκεκριμένη διαδικασία θέρμανσης. Για καθεμία ίνα 50 μέτρων που θερμάνθηκε κατάλληλα, μία αντίστοιχη ίνα αναφοράς ίδιου μήκους από τον ίδιο κατασκευαστή χρησιμοποιήθηκε για τις συγκρίσεις. Τα επικερδή αποτελέσματα προέκυψαν υπό την προϋπόθεση ότι η πηγή laser και η ίνα είναι άμεσα συνδεδεμένες, με τη στενή οπτική δέσμη να εισέρχεται εστιασμένη στο κέντρο του πυρήνα της ίνας. Ωστόσο, όταν η εισερχόμενη δέσμη καλύπτει την επιφάνεια της διατομής του πυρήνα, τότε οι θερμικά κατεργασμένες και οι αντίστοιχες ίνες αναφοράς έδωσαν παρόμοια αποτελέσματα όσον αφορά το εύρος ζώνης, ενώ παρέμεινε μία μικρή μείωση των απωλειών για τις θερμικά κατεργασμένες ίνες. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε διάρκεια μεγαλύτερη του ενός έτους, κατά τις οποίες διατηρήθηκε η βελτίωση για τις θερμικά κατεργασμένες ίνες. Η ερμηνεία των φαινομένων επιβεβαιώθηκε μέσω προσομοιώσεων και τα θεωρητικά αποτελέσματα συμβάδιζαν σε μεγάλο βαθμό με τα αντίστοιχα πειραματικά. Στη δεύτερη θεματική ενότητα, που αφορά τις οπτικές ασύρματες μεταδόσεις σε εξωτερικό περιβάλλον, ο στόχος ήταν η κάλυψη μικρών αποστάσεων υπό καθεστώς διάχυτων μεταδόσεων σε χαμηλούς ρυθμούς δεδομένων. Οι οπτικές τεχνολογίες προσφέρουν διέξοδο στους περιορισμούς των συμβατικών συστημάτων μικροκυματικών επικοινωνιών. Οι απαιτήσεις που τέθηκαν ήταν η έλλειψη οπτικής επαφής μεταξύ πομπού και δέκτη και η περιορισμένη υποβάθμιση της λειτουργίας μίας ζεύξης από το θόρυβο του περιβάλλοντος, και συγκεκριμένα από τον ήλιο. Η έλλειψη οπτικής επαφής επιβάλλει την ύπαρξη κάποιου μηχανισμού που θα δώσει τη δυνατότητα εγκατάστασης ζεύξεων διάχυτων μεταδόσεων. Αυτός ο μηχανισμός είναι η σκέδαση λόγω των μορίων και των μικροσωματιδίων της ατμόσφαιρας. Μήκη κύματος σε συμβατικά συστήματα οπτικών ασύρματων επικοινωνιών δεν παρουσιάζουν έντονη σκέδαση, ενώ το επίπεδο του θορύβου του ηλίου που φθάνει στην επιφάνεια της γης δεν είναι αμελητέο. Μία μπάντα μηκών κύματος που επιτρέπει τις μεταδόσεις με διάχυτο τρόπο με το επίπεδο της ισχύος που φθάνει από τον ήλιο στην επιφάνεια του γης να είναι ιδιαίτερα χαμηλό βρίσκεται μεταξύ 200 nm και 280 nm και ονομάζεται ηλιακά τυφλό τμήμα της C μπάντας της υπεριώδους ακτινοβολίας. Αρχικά, η μελέτη σε αυτή την ενότητα περιλάμβανε τη μοντελοποίηση των καναλιών για ζεύξεις δύο σημείων με εφαρμογή τεχνικών μονής και πολλαπλών σκεδάσεων φωτονίων σε αυτή την περιοχή μηκών κύματος. Επίσης, θεωρήθηκαν μεταδόσεις παλμικών σημάτων και σημάτων πολλαπλών φερόντων, ενώ μοντελοποιήθηκε και η λειτουργία μίας απλής δικτυακής υποδομής, όπου η πρόσβαση στο μέσο ρυθμιζόταν μέσω ενός σχήματος πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση κώδικα. Εκτός από τις δυνατότητες μετάδοσης υπό καθαρή ατμόσφαιρα, τέθηκε το ζήτημα της λειτουργίας υπό καθεστώς πυκνότερης ατμόσφαιρας, όπως με την εμφάνιση ομίχλης. Τα αποτελέσματα έδειξαν μία σημαντική μείωση των απωλειών και μία βελτίωση στο εύρος ζώνης. Οι αλλαγές ήταν συνάρτηση της πυκνότητας της ατμόσφαιρας και του μεγέθους των σκεδαστών που λαμβάνονταν υπόψη στις πιο πολύπλοκες εκδοχές των μοντέλων που δοκιμάστηκαν για κάποιους γεωμετρικούς σχηματισμούς. Όσον αφορά τις θεωρητικές μεταδόσεις σημάτων, το αποτέλεσμα της διάδοσης μέσα από το πυκνότερο μέσο ήταν η μείωση των απαιτούμενων επιπέδων ισχύος εκπομπής για τη λειτουργία των ζεύξεων και η μείωση της αλληλοπαρεμβολής συμβόλων σε κάποιες περιπτώσεις όπου υπό καθαρή ατμόσφαιρα το εύρος ζώνης ήταν περιορισμένο. Τα χαμηλότερα απαιτούμενα επίπεδα ισχύος εκπομπής για την επίτευξη συγκεκριμένων ρυθμών σφαλμάτων bits υπό πυκνή σε σχέση με την αραιή ατμόσφαιρα επιβεβαιώθηκαν και στην περίπτωση του δικτυακού σεναρίου όπου πολλαπλοί κόμβοι εκπέμπουν με κάποια πιθανότητα ταυτόχρονα με κάποιον επιθυμητό κόμβο. Στο πειραματικό κομμάτι, εγκαταστάθηκαν ζεύξεις δύο σημείων. Στο οπτικό τμήμα, ο πομπός αποτελούνταν από LEDs και ο δέκτης από ένα φίλτρο και ένα φωτοπολλαπλασιαστή. Το πρώτο στάδιο περιλάμβανε τη μέτρηση των απωλειών υπό καθαρή ατμόσφαιρα μέχρι και τα 20 μέτρα, για ένα μεγάλο πλήθος γωνιών ανύψωσης του πομπού και του δέκτη. Με την εισαγωγή τεχνητής ομίχλης στο μέσο χρησιμοποιώντας μία μηχανή ομίχλης, προέκυψε καθαρή πτώση των απωλειών, η οποία, ωστόσο, ήταν διαφορετική για διαφορετικές αποστάσεις μεταξύ πομπού και δέκτη και διαφορετικά ζεύγη γωνιών ανύψωσης για γεωμετρικούς σχηματισμούς ζεύξεων χωρίς οπτική επαφή. Σε κάποιες ζεύξεις, η μείωση των απωλειών ξεπέρασε τα 7 dB σε μεγάλο πλήθος διαδοχικών δειγμάτων σήματος που λαμβάνονταν, ενώ υπήρχαν και περιπτώσεις σχηματισμών όπου οι ελάχιστες τιμές των απωλειών ήταν ακόμα και πάνω από 10 dB μικρότερες σε σχέση με την καθαρή ατμόσφαιρα. Το δεύτερο στάδιο των πειραματικών μετρήσεων περιλάμβανε την αξιολόγηση των επιδόσεων των ζεύξεων όσον αφορά τον ρυθμό σφαλμάτων bits για μεταδόσεις σήματος διαμορφωμένου κατά ένα παλμικό (4-PPM) και κατά ένα σχήμα πολλαπλών φερόντων (Flip-OFDM) σε ρυθμούς λίγων kilobit/s. Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία με τη μέτρηση των απωλειών, για το μεγαλύτερο δυνατό πλήθος ζευγών γωνιών ανύψωσης και για τις ίδιες αποστάσεις, μετρήθηκε ο ρυθμός σφαλμάτων bits για ρυθμό 10 kbit/s, όπου φάνηκε η ανωτερότητα του 4-PPM λόγω της βέλτιστης διαδικασίας φώρασης. Έπειτα, χρησιμοποιήθηκε ξανά η μηχανή ομίχλης για την αξιολόγηση της επίδρασης της πύκνωσης του μέσου στις επιδόσεις της υπό εξέτασης ζεύξης κάθε φορά. Με την εμφάνιση τεχνητής ομίχλης προέκυψε και πειραματικά η αναμενόμενη πτώση του ρυθμού σφαλμάτων bits για ρυθμούς 10 kbit/s για το 4-PPM και το Flip-OFDM και 4 kbit/s για το Flip-OFDM, για διάφορους γεωμετρικούς σχηματισμούς της ζεύξης, χωρίς οπτική επαφή μεταξύ πομπού και δέκτη. Η πτώση αυτή ξεπερνούσε σε κάποιες περιπτώσεις ζεύξεων ακόμα και τις δύο τάξεις μεγέθους. Τέλος, εξετάστηκε η επίδραση της ομίχλης σε ζεύξεις με οπτική επαφή μεταξύ πομπού και δέκτη όπου φίλτρο και φωτοπολλαπλασιαστής αντικαταστάθηκαν από ένα κατάλληλο φακό και μία φωτοδίοδο pin. Η επίδραση της ομίχλης ήταν αρνητική επιδεινώνοντας τόσο τις απώλειες όσο και το ρυθμό σφαλμάτων bits.In the present dissertation, two sections were covered that concerned the investigation of the potential deployment of links for short distances that are based on optical technologies. The first section concerns wired transmissions. Provided that data rates in the access network segment are expected to increase in the near future, a respective increase of rates must be supported in an indoor environment where the fiber will terminate. In an environment where optical cabling dominates, an issue that emerges is the type of fiber cable that will be selected for covering tens of meters in indoor areas. A cost-effective choice is the plastic optical fiber with 980 μm core diameter manufactured by PMMA material. Despite the advantages of such fibers as an optical solution, they have significant limitations that would prohibit the massive installation of such a type of cable. These limitations are related to the increased power losses and the limited bandwidth. The question that was answered was how feasible is the direct intervention in the optical fiber, in order its attributes to be modified. The results were a bandwidth increase of almost 40% and a slight decrease of power losses of the plastic optical fibers that went through a specific heating procedure. For each 50 meters plastic optical fiber segment that was thermally treated, a respective reference fiber of equal length from the same manufacturer was used for the comparisons. The profitable results appeared under the condition of direct connection of the laser with the plastic optical fiber, with the narrow optical beam launched focused in the center of the fiber core. However, under overfilled launching conditions, the thermally treated plastic optical fibers gave similar results to those of the respective reference fibers in terms of the bandwidth values that were measured, whereas a slight decrease of the power losses of the thermally treated fibers was measured again. During a longer than a year interval of occasional measurements, the improvement of the thermally treated fibers was preserved. The explanation of the phenomena was confirmed through simulations and the theoretical results were compatible with the respective experimental results. In the second section, which concerns the optical wireless transmissions in an outdoor environment, the target was the coverage of short distances under the regime of diffuse transmissions with low data rates. The commonly used optical alternatives mitigate the limitations of the conventional microwave communications. The requirements that were defined were the absence of Line-Of-Sight (LOS) components between the transmitter and the receiver and the insignificant degradation of the operation of the link due to the ambient noise, especially by the sun. The Non-Line-Of-Sight (NLOS) regime imposes the existence of a mechanism that will give the opportunity to install links where diffused transmissions are applied. This mechanism is the scattering due to the molecules and the aerosols in the atmosphere. Wavelengths of conventional optical wireless communication systems do not scatter intensely, whereas the noise level of the sun that reaches the earth surface is not negligible. A band that allows the realization of transmissions in a diffused way with a particularly low power level from the sun on the earth surface lies between 200 nm and 280 nm and is called solar blind Ultraviolet C (UV-C) band. Initially, the survey included the channel modeling of point-to-point links applying single and multi-scattering schemes for this range of wavelengths. Moreover, transmissions of pulsed and multicarrier signals were considered and the operation of a simple network infrastructure was modeled, as well. In the network scenario, the access to the medium was regulated by a Code Division Multiple Access (CDMA) scheme. Apart from the transmission under clear atmosphere conditions, the issue of the operation under a thicker atmosphere regime, like when fog appears, was also investigated. According to the results, a significant decrease of the power losses and an amelioration of the bandwidth appeared. The deviation from the initial results obtained under clear sky conditions was a function of the atmosphere density and the size of the scattering centers’ radii that were taken into account in the more complex version of the models that were regarded for some geometric configurations. In terms of the theoretical transmissions of signals, the propagation through a medium with larger density resulted in the reduction of the required power levels for the operation of the links in specific performance boundaries and the limitation of the intersymbol interference in some cases where the bandwidth was low under a clear atmosphere regime. Furthermore, in the networking scenario, when multiple nodes transmit simultaneously according to a probability, the lower optical power levels required in order to achieve specific Bit Error Rate (BER) values under a thick atmosphere case compared to the case of clear atmosphere were verified. In the experimental part, point-to-point links were deployed. In the optical part, the transmitter consisted of Light Emitting Diodes (LEDs) and at the receiving side an optical filter was followed by a Photo-Multiplier Tube (PMT). The first stage included the measurement of the power losses under clear atmosphere conditions up to 20 meters baseline range, for a large number of transmitter and receiver elevation angles. When artificial fog appeared in the wireless medium using a fog machine, a clear decrease of the power losses was measured, which was different for several distances between the transmitter and the receiver and several elevation angle pairs for non-line-of-sight configurations. For some links that were tested, the reduction of the power losses was over 7 dB during a large number of successive signal samples that were received. The lower values of the losses measured for some configurations were more than 10 dB lower compared to clear atmosphere. The second stage of the experimental measurements included the performance evaluation of the links in terms of the BER for transmissions of a 4-PPM modulated signal and a Flip-OFDM modulated signal for kilobit/s rates. The bit error rate for 10 kbit/s data rate was measured for the largest number of elevation angle pairs that could be settled and for the same distances as in the losses measurements set. The optimum demodulation process of 4-PPM was the reason of its superiority. Then, the fog machine was used for the evaluation of the impact of the medium thickening on the performance of the link under investigation each time. When the artificial fog appeared, the expected decrease of bit error rate at 10 kbit/s data rate for 4-PPM and Flip-OFDM and at 4 kbit/s data rate for Flip-OFDM was verified for several non-line-of-sight geometric configurations. The amelioration was over two orders of magnitude for some link cases than the respective measurements under clear sky conditions. Finally, the impact of fog on line-of-sight links was investigated. For these links, the filter and the Photo-Multiplier Tube were replaced by a proper lens and a pin photodiode. The appearance of fog had a devastating impact on performance, as a significant deterioration of the losses and the bit error rate appeared

Encriptación sobre Capa Física para Ethernet Óptico de Alta Velocidad

INTRODUCCIÓN-------------------------Hoy en día, los enlaces ópticos con tasas de transmisión de hasta 100 Gbps y superiores son ya una realidad. Gracias a los avances logrados en las comunicaciones ópticas durante las últimas décadas es posible afrontar anchos de banda cada vez mayores, lo que satisface las demandas de las aplicaciones más exigentes [CIS16], como por ejemplo las basadas en cloud computing o big data. Por otro lado, la seguridad en la información sigue siendo un asunto de gran importancia en las comunicaciones ya que el volumen de amenazas en la red se ha incrementado durante los últimos años [CIS18]. Los fallos en la seguridad podrían llevar al mal funcionamiento de un servicio o la pérdida de confidencialidad en datos críticos de los clientes. En un sistema de comunicaciones por capas, como por ejemplo en el modelo OSI (Open System Interconnection) o TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), se pueden llevar a cabo tanto ataques pasivos como activos en los diferentes niveles de la comunicación. Dependiendo de las capas de comunicación utilizadas, distintos mecanismos pueden ser adoptados para lograr la seguridad de la información. Por ejemplo, protocolos estandarizados tales como MACsec [IEE06] o IPsec [KEN05] son empleados normalmente en la capa 2 (capa de enlace de datos) y capa 3 (capa de red), respectivamente. En ambos casos la encriptación es llevada a cabo en cada trama o paquete de datos de forma individual. Para el caso particular de las redes ópticas, el análisis de las amenazas en su capa 1 (capa física) también es considerado crítico para garantizar unas comunicaciones seguras [SKO16], [FUR14]. En este caso se pueden destacar tres tipos de ataques: ataques de inserción de señal, ataques por splitting y ataques a las infraestructuras físicas. Los ataques por splitting son normalmente empleados para espionaje pasivo o para producir degradación en la señal [SKO16], estos se pueden llevar a cabo fácilmente gracias a técnicas de derivación en la fibra. De hecho, hoy en día ya existen métodos de bajo coste para interceptar la señal óptica gracias a dispositivos de acoplamiento óptico y conversores electroópticos sin la necesidad de interferir perceptiblemente en las comunicaciones [ZAF11]. Con el fin de tratar estas amenazas y proteger la confidencialidad de los datos en la capa física, varios mecanismos relacionados con tecnologías fotónicas han sido propuestos [FOK11], por ejemplo OCDM (Optical Code Division Multiplexing) [JI17], SCOC (Secure Communications using Optical Chaos) [HIZ10] o QKD (Quantum Key Distribution) [ELK13]. Otras técnicas, también relacionadas con protocolos de capa física, cifran la información a nivel de bit independientemente de la tecnología fotónica empleada, como la encriptación de los datos del payload en las tramas OTN (Optical Transport Network) [GUA16]. Algunas de las ventajas reivindicadas por estas técnicas de encriptación consisten en cifrar la información “al vuelo” introduciendo un overhead nulo en los datos y una latencia muy baja (en el rango de nanosegundos) en la información transmitida [GUA16]. De hecho, hoy en día ya están disponibles en el mercado equipos de comunicaciones OTN que realizan el cifrado a la velocidad de línea sin mermar el throughput, es decir consiguiendo un rendimiento de la transmisión del 100% [MIC16]. Esto contrasta con lo que hacen ciertos protocolos en otras capas de comunicación [KOL13], [XEN06]. Por ejemplo, IPsec generalmente introduce latencias en el rango de milisegundos. Además, el overhead introducido por IPsec durante el cifrado limita el rendimiento de transmisión a valores entre el 20% y el 90% de la máxima tasa de datos posible sin encriptación [TRO05], [KOL13]. Aparte de lograr la confidencialidad, alguno de los métodos mencionados anteriormente también es capaz de conseguir privacidad contra intrusos pasivos [FOK11], entendiendo esta como la amenaza cuando dichos intrusos pueden detectar simplemente la presencia de comunicaciones, aunque sean incapaces de descifrar el contenido de la información de las mismas. Esta habilidad puede ofrecer seguridad contra ataques basados en el análisis de los patrones del tráfico, que permitirían revelar información del comportamiento de una compañía o instalación. Dentro de los estándares de comunicaciones ópticas, Ethernet es uno de los más empleados hoy día. Un claro ejemplo es el acceso a las redes de transporte ópticas donde este estándar es utilizado normalmente cuando las tasas de acceso superan el gigabit por segundo. Tal y como se muestra en la Fig.1-1, algunas tecnologías de acceso en los tramos de última milla de las CEN (Carrier Ethernet Networks) son Ethernet sobre fibra (Fibra Directa con Ethernet, Ethernet sobre SONET/SDH, Ethernet sobre PON), Ethernet sobre PDH o Ethernet inalámbrico [MET09]. Dos de los estándares ópticos Ethernet más empleados hoy en día son los denominados 1000Base-X y 10GBase-R con tasas de transmisión de 1 Gbps y 10 Gbps, respectivamente.OBJETIVOS-------------------En el caso de las comunicaciones sobre Ethernet óptico no existe ningún mecanismo que logre la mencionada privacidad al mismo tiempo que la confidencialidad, sin que además introduzca un overhead o latencias indeseadas. El objetivo de esta tesis es el de proporcionar soluciones a dos de los estándares ópticos Ethernet más empleados, tales como 1000Base-X o 10GBase-R, logrando las características citadas anteriormente. En general los principales aspectos que se pretenden desarrollar en esta tesis son los siguientes: • Realizar propuestas viables de modificación de ambos estándares, 1000Base-X y 10GBase-R, de forma que se pueda llevar a cabo la encriptación en la capa física. • Lograr la compatibilidad de las nuevas arquitecturas de encriptación con dichos estándares de forma que el hardware electrónico más dependiente del medio de transmisión, como los módulos ópticos SFP, los SERDES o los circuitos de recuperación de reloj y datos, no necesite modificaciones adicionales. • Realizar un estudio de los posibles esquemas de encriptación por streaming que sean capaces de cifrar datos a velocidades superiores a 1 Gbps y adaptarlos a las arquitecturas propuestas. • Estudiar posibles mecanismos para llevar a cabo la sincronización de los módulos de encriptación entre dos terminales remotos.• Lograr que las soluciones propuestas lleven a cabo la encriptación introduciendo la menor latencia posible, al menos en un orden de magnitud igual o inferior al de soluciones en otros estándares de comunicaciones como OTN. • Llevar a cabo un análisis de la seguridad de las soluciones propuestas, incluyendo el estudio de la capacidad de privacidad en las comunicaciones. • Proponer un esquema de chequeo de integridad, autenticación y refresco de claves a nivel de capa física. • Llevar a cabo la implementación y verificación física de las soluciones propuestas.PUBLICACIONES----------------------------[PER19a] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Chaotic Encryption Applied to Optical Ethernet in Industrial Control Systems". IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 68(12):4876–4886, Dec 2019. [PER19b] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Physical Layer Encryption for Industrial Ethernet in Gigabit Optical Links". IEEE Transactions on Industrial Electronics, 66(4):3287–3295, April 2019. [PER19c] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Chaotic Encryption for 10-Gb Ethernet Optical Links". IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 66(2):859–868, Feb. 2019. [PER19d] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Self-Synchronized Encryption for Physical Layer in 10Gbps Optical Links". IEEE Transactions on Computers, 68(6):899–911, June 2019. [PER19e] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Self-Synchronized Encryption Using an FPE Block Cipher for Gigabit Ethernet". In 2019 15th Conference on Ph.D Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), pages 81–84, Lausanne, Switzerland, July 2019. [PER20a] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "A New Method for Format Preserving Encryption in High-Data Rate Communications". IEEE Access, 8:21003–21016, 2020. [PER20b] A. Pérez-Resa, M. Garcia-Bosque, C. Sánchez-Azqueta, and S. Celma. "Self-synchronized Encryption for Physical Layer in 1Gbps Ethernet Optical Links". IEEE Access, Pending Acceptance.<br /