An Overview on Application of Machine Learning Techniques in Optical Networks

Today's telecommunication networks have become sources of enormous amounts of widely heterogeneous data. This information can be retrieved from network traffic traces, network alarms, signal quality indicators, users' behavioral data, etc. Advanced mathematical tools are required to extract meaningful information from these data and take decisions pertaining to the proper functioning of the networks from the network-generated data. Among these mathematical tools, Machine Learning (ML) is regarded as one of the most promising methodological approaches to perform network-data analysis and enable automated network self-configuration and fault management. The adoption of ML techniques in the field of optical communication networks is motivated by the unprecedented growth of network complexity faced by optical networks in the last few years. Such complexity increase is due to the introduction of a huge number of adjustable and interdependent system parameters (e.g., routing configurations, modulation format, symbol rate, coding schemes, etc.) that are enabled by the usage of coherent transmission/reception technologies, advanced digital signal processing and compensation of nonlinear effects in optical fiber propagation. In this paper we provide an overview of the application of ML to optical communications and networking. We classify and survey relevant literature dealing with the topic, and we also provide an introductory tutorial on ML for researchers and practitioners interested in this field. Although a good number of research papers have recently appeared, the application of ML to optical networks is still in its infancy: to stimulate further work in this area, we conclude the paper proposing new possible research directions

A Distributed Asynchronous Transmission Access Strategy for Optical Single-Hop LANs: An Analytical Performance Study

In this paper, we introduce an optical passive network architecture suitable for wavelength division multiplexing local area networks (LANs) which use a separate control wavelength. The data wavelengths are organized into several sets, while the access rights over them are distributedly determined aiming to totally expunge the packets collisions on the wavelengths and at destination. The proposed access algorithm pertains to the asynchronous transmission schemes. Thus, it is simple enough since it does not require any synchronization among the stations, providing high efficiency especially under high data rates (100 Gbps and beyond). The performance is evaluated through exhaustive analysis, whilst closed mathematical formulas provide the performance measures. The comparative study proves that the proposed wavelengths organization into sets strategy along with the access scheme significantly improves the performance. Especially, the throughput improvement is proven to be higher as the number of sets increases, and more than 100% even by organizing the wavelengths into only two sets, for diverse numbers of data wavelengths, data wavelengths sets and data packets size. Finally, the proposed study could be applied to optical passive single-hop LANs such as intra-rack data center networks or local institutional or enterprise networks

How Graph Theory can help Communications Engineering

International audienceWe give an overview of different aspects of graph theory which can be applied in communication engineering, not trying to present immediate results to be applied neither a complete survey of results, but to give a flavor of how graph theory can help this field. We deal in this paper with network topologies, resource competition, state transition diagrams and specific models for optical networks

Directly Phase Modulated Transmitters and Coherent Recivers for Future Passive Optical Networks (PON)

En los últimos años, el tráfico de dato transmitido en las redes ópticas de acceso ha crecido exponencialmente debido a nuevos servicios como pueden ser la computación en la nube, el video online, la realidad virtual y aumentada, el internet de las cosas (IoT) y la convergencia entre las redes ópticas y redes inalámbricas en el paradigma del 5G. Estos nuevos servicios endurecen los requerimientos de las redes ópticas de acceso, como pueden ser unas tasas de datos más altas, un mayor alcance y un mayor número de usuarios. Para abordar estos requerimientos, esta tesis ha investigado, desarrollado y analizado nuevas tecnologías para transmisores y receptores orientadas a los dos tipos de redes ópticas de acceso que la comunidad científica ha identificado como posibles candidatas. Estos dos tipos de redes ópticas son las redes uDWDM y las redes TWDM como las redes NG-PON2 y sus evoluciones.Las redes uDWDM están basadas en la transmisión de tasas de datos relativamente bajas, por debajo de 2.5 Gbps, que son dedicadas en su totalidad a los usuarios finales. Estas tasas de datos relativamente bajas son multiplexadas en longitud de onda usando intervalos frecuenciales estrechos, del orden de 12.5 GHz o 6.25 GHz. En esta tesis, los transmisores modulados directamente en fase se han propuesto como posibles candidatos para estas redes uDWDM. En concreto, se han propuesto un DFB modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1 Gbps; un RSOA bombeado por un VCSEL y modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1 Gbps; y un VCSEL modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1.25 Gbps y 2.5 Gbps. Estas señales moduladas directamente en fase son recibidas con un receptor heterodino con un único fotodiodo (PD) para mantener el coste tan bajo como sea posible. La combinación de estos transmisores modulados directamente en fase con el receptor heterodino con un único PD ha sido probada como unos candidatos muy prometedores para las redes ópticas de acceso basadas en redes uDWDM. Estas combinaciones proveen sensibilidades que varían entre -39.5 dBm y -52 dBm, que se traducen en balances de potencia que van desde 38.5 dB a 51 dB y por lo tanto en ratios de división o número de usuarios de entre 128 y 1024 después de una transmisión de 50 km a través de fibra monomodo estándar (SSMF).Además, los links de 1 Gbps formados por la modulación directa de DFBs o de RSOAs bombeados por VCSELs y el receptor heterodino con un único PD son usados como enlace de subida en canales bidireccionales. Estos enlaces de subida son combinados con enlaces de bajada basados en Nyquist-DPSK generada con un MZM y recibidos con un receptor heterodino de un único PD. Como parte de análisis de los canales bidireccionales, se ha analizado el estudio de la viabilidad del uso de LOs de bajo coste, como DFBs o VCSELs, en los receptores heterodinos con un único PD. Estos canales bidireccionales son también unos candidatos prometedores para las futuras redes uDWDM, ya que en esta tesis se ha probado que pueden proveer enlaces full-duplex de 1 Gbps usando intervalos frecuenciales tan pequeños como 6.25 GHz o 5 GHz. Estos canales bidireccionales tienen balances de potencia que van desde 37 dB a 42 dB y tienen posibles ratios de división de 128 o 256 después de una transmisión de 50 km a través de SSMF.Esta tesis también ha investigado y desarrollado receptores quasicoherentes para redes NG-PON2 y sus evoluciones. Este tipo de redes están basadas en altas tasas de datos, como 10 Gbps para redes NG-PON2 y 25 Gbps para las futuras evoluciones de NG-PON2, en entornos multi longitud de onda donde los usuarios son multiplexados en tiempo y longitud de onda (TWDM). El receptor quasicoherente usa la amplificación coherente gracias a la recepción heterodina y por tanto la sensibilidad del receptor es mejorada en comparación con los esquemas de detección directa. El receptor quasicoherente es independiente a la polarización, lo cual es una característica importante para los receptores coherentes. Además, el receptor quasicoherente permite seleccionar el canal de trabajo sin la necesidad de filtros ópticos y es un receptor independiente de la longitud de onda debido a que el canal de trabajo se puede elegir ajustando la longitud de onda del LO. El receptor quasicoherente de 10 Gbps muestra una sensibilidad -35.2 dBm y por tanto permite un balance de potencias de 35.64 dB y un ratio de división de 128 después de una transmisión de 40 km a través de SSMF.La combinación del receptor quasicoherente con un ecualizador FFE/DFE permite combatir la dispersión cromática de la banda C y conseguir un link de 25 Gbps con un alcance de 20 km a través de SSMF. El receptor quasicoherente a 25 Gbps con ecualización FFE/DFE muestra una mejor sensibilidad de -30.5 dBm con el llamado ecualizador de altas prestaciones, lo que lleva a un balance de potencias de25 dB. Si se utilizada el llamado ecualizador de baja complejidad, la sensibilidad cae a -27 dBm y el balance de potencias cae a 23 dBm. En ambos casos, el receptor quasicoherente a 25 Gbps con ecualización FFE/DFE permite un ratio de división de 32 después de una transmisión de 20 km a través de SSMF.En conclusión, esta tesis ha presentado transmisores (DFB, RSOA y VCSEL) modulados directamente en fase combinados con un receptor heterodino con un único PD como potenciales candidatos para las redes uDWDM. Esta tesis también ha presentados los receptores quasicoherentes como unos candidatos muy prometedores para las redes NG-PON2 y sus futuras evoluciones.<br /

Telecommunication Systems

This book is based on both industrial and academic research efforts in which a number of recent advancements and rare insights into telecommunication systems are well presented. The volume is organized into four parts: "Telecommunication Protocol, Optimization, and Security Frameworks", "Next-Generation Optical Access Technologies", "Convergence of Wireless-Optical Networks" and "Advanced Relay and Antenna Systems for Smart Networks." Chapters within these parts are self-contained and cross-referenced to facilitate further study

Particle swarm optimization for routing and wavelength assignment in next generation WDM networks.

PhDAll-optical Wave Division Multiplexed (WDM) networking is a promising technology for long-haul backbone and large metropolitan optical networks in order to meet the non-diminishing bandwidth demands of future applications and services. Examples could include archival and recovery of data to/from Storage Area Networks (i.e. for banks), High bandwidth medical imaging (for remote operations), High Definition (HD) digital broadcast and streaming over the Internet, distributed orchestrated computing, and peak-demand short-term connectivity for Access Network providers and wireless network operators for backhaul surges. One desirable feature is fast and automatic provisioning. Connection (lightpath) provisioning in optically switched networks requires both route computation and a single wavelength to be assigned for the lightpath. This is called Routing and Wavelength Assignment (RWA). RWA can be classified as static RWA and dynamic RWA. Static RWA is an NP-hard (non-polynomial time hard) optimisation task. Dynamic RWA is even more challenging as connection requests arrive dynamically, on-the-fly and have random connection holding times. Traditionally, global-optimum mathematical search schemes like integer linear programming and graph colouring are used to find an optimal solution for NP-hard problems. However such schemes become unusable for connection provisioning in a dynamic environment, due to the computational complexity and time required to undertake the search. To perform dynamic provisioning, different heuristic and stochastic techniques are used. Particle Swarm Optimisation (PSO) is a population-based global optimisation scheme that belongs to the class of evolutionary search algorithms and has successfully been used to solve many NP-hard optimisation problems in both static and dynamic environments. In this thesis, a novel PSO based scheme is proposed to solve the static RWA case, which can achieve optimal/near-optimal solution. In order to reduce the risk of premature convergence of the swarm and to avoid selecting local optima, a search scheme is proposed to solve the static RWA, based on the position of swarm‘s global best particle and personal best position of each particle. To solve dynamic RWA problem, a PSO based scheme is proposed which can provision a connection within a fraction of a second. This feature is crucial to provisioning services like bandwidth on demand connectivity. To improve the convergence speed of the swarm towards an optimal/near-optimal solution, a novel chaotic factor is introduced into the PSO algorithm, i.e. CPSO, which helps the swarm reach a relatively good solution in fewer iterations. Experimental results for PSO/CPSO based dynamic RWA algorithms show that the proposed schemes perform better compared to other evolutionary techniques like genetic algorithms, ant colony optimization. This is both in terms of quality of solution and computation time. The proposed schemes also show significant improvements in blocking probability performance compared to traditional dynamic RWA schemes like SP-FF and SP-MU algorithms