Minimizing information asymmetry interference using optimal channel assignment strategy in wireless mesh networks

Multi-radio multi-channel wireless mesh networks (MRMC-WMNs) in recent years are considered as the prioritized choice for users due to its low cost and reliability. MRMCWMNs is recently been deployed widely across the world but still these kinds of networks face interference problems among WMN links. One of the well-known interference issue is information asymmetry (IA). In case of information asymmetry interference the source mesh nodes of different mesh links cannot sense each other before transmitting data on the same frequency channel. This non-coordination leads to data collision and packet loss of data flow and hence degrades the network capacity. To maximize the MRMC-WMN capacity and minimize IA interference, various schemes for optimal channel assignment have been proposed already. In this research a novel and near-optimal channel assignment model called Information Asymmetry Minimization (IAM) model is proposed based on integer linear programming. The proposed IAM model optimally assigns orthogonal or non-overlapping channels from IEEE 802.11b technology to various MRMC-WMN links. Through extensive simulations we show that our proposed model gives 28.31% network aggregate network capacity improvement over the existing channel assignment model

Applications of perfect difference codes in fiber-optics and wireless optical code-division multiplexing/multiple-access systems

After establishing itself in the radio domain, Spread spectrum code-division multiplexing/multiple-access (CDMA) has seen a recent upsurge in optical domain as well. Due to its fairness, flexibility, service differentiation and increased inherent security, CDMA is proved to be more suitable for the bursty nature of local area networks than synchronous multiplexing techniques like Frequency/Wavelength Division Multiplexing (F/WDM) and Time Division Multiplexing (TDM). In optical domain, CDMA techniques are commonly known as Optical-CDMA (O-CDMA). All optical CDMA systems are plagued with the problem of multiple-access interference (MAI). Spectral amplitude coding (SAC) is one of the techniques used in the literature to deal with the problem of MAI. The choice of spreading code in any CDMA system is another way to ensure the successful recovery of data at the receiving end by minimizing the effect of MAI and it also dictates the hardware design of the encoder and decoder. This thesis focuses on the efficient design of encoding and decoding hardware. Perfect difference codes (PDC) are chosen as spreading sequences due to their good correlation properties. In most of the literature, evaluation of error probability is based on the assumptions of ideal conditions. Such assumptions ignore major physical impairments such as power splitting losses at the multiplexers of transmitters and receivers, and gain losses at the receivers, which may in practice be an overestimate or underestimate of the actual probability of error. This thesis aims to investigate thoroughly with the consideration of practical impairments the applications of PDCs and other spreading sequences in optical communications systems based on spectral-amplitude coding and utilizing codedivision as multiplexing/multiple-access technique. This work begins with a xix general review of optical CDMA systems. An open-ended practical approach has been used to evaluate the actual error probabilities of OCDM/A systems under study. It has been concluded from results that mismatches in the gains of photodetectors, namely avalanche photodiode (APDs), used at the receiver side and uniformity loss in the optical splitters results in the inaccurate calculation of threshold level used to detect the data and can seriously degrade the system bit error rate (BER) performance. This variation in the threshold level can be compensated by employing techniques which maintain a constant interference level so that the decoding architecture does not have to estimate MAI every time to make a data bit decision or by the use of balanced sequences. In this thesis, as a solution to the above problem, a novel encoding and decoding architecture is presented for perfect difference codes based on common zero code technique which maintains a constant interference level at all instants in CDM system and thus relieves the need of estimating interference. The proposed architecture only uses single multiplexer at the transmitters for all users in the system and a simple correlation based receiver for each user. The proposed configuration not only preserves the ability of MAI in Spectral-Amplitude Coding SAC-OCDM system, but also results in a low cost system with reduced complexity. The results show that by using PDCs in such system, the influence of MAI caused by other users can be reduced, and the number of active users can be increased significantly. Also a family of novel spreading sequences are constructed called Manchestercoded Modified Legendre codes (MCMLCs) suitable for SAC based OCDM systems. MCMLCs are designed to be used for both single-rate and Multirate systems. First the construction of MCMLCs is presented and then the bit error rate performance is analyzed. Finally the proposed encoding/decoding architecture utilizing perfect difference codes is applied in wireless infrared environment and the performance is found to be superior to other codes

Two-dimensional permutation vectors’ (PV) code for optical code division multiple access systems

In this paper, we present a new algorithm to generate two-dimensional (2D) permutation vectors’ (PV) code for incoherent optical code division multiple access (OCDMA) system to suppress multiple access interference (MAI) and system complexity. The proposed code design approach is based on wavelength-hopping time-spreading (WHTS) technique for code generation. All possible combinations of PV code sets were attained by employing all permutations of the vectors with repetition of each vector weight (W) times. Further, 2D-PV code set was constructed by combining two code sequences of the 1D-PV code. The transmitter-receiver architecture of 2D-PV code-based WHTS OCDMA system is presented. Results indicated that the 2D-PV code provides increased cardinality by eliminating phase-induced intensity noise (PIIN) effects and multiple user data can be transmitted with minimum likelihood of interference. Simulation results validated the proposed system for an agreeable bit error rate (BER) of 10−9

High Dimensional Modulation and MIMO Techniques for Access Networks

Exploration of advanced modulation formats and multiplexing techniques for next generation optical access networks are of interest as promising solutions for delivering multiple services to end-users. This thesis addresses this from two different angles: high dimensionality carrierless amplitudephase (CAP) and multiple-input multiple-output (MIMO) radio-over-fiber (RoF) systems. High dimensionality CAP modulation has been investigated in optical fiber systems. In this project we conducted the first experimental demonstration of 3 and 4 dimensional CAP with bit rates up to 10 Gb/s. These results indicate the potentiality of supporting multiple users with converged services. At the same time, orthogonal division multiple access (ODMA) systems for multiple possible dimensions of CAP modulation has been demonstrated for user and service allocation in wavelength division multiplexing (WDM) optical access network. 2 x 2 MIMO RoF employing orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with 5.6 GHz RoF signaling over all-vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL) WDM passive optical networks (PONs). We have employed polarization division multiplexing (PDM) to further increase the capacity per wavelength of the femto-cell network. Bit rate up to 1.59 Gbps with fiber-wireless transmission over 1 m air distance is demonstrated. The results presented in this thesis demonstrate the feasibility of high dimensionality CAP in increasing the number of dimensions and their potentially to be utilized for multiple service allocation to different users. MIMO multiplexing techniques with OFDM provides the scalability in increasing spectral effciency and bit rates for RoF systems. High dimensional CAP and MIMO multiplexing techniques are two promising solutions for supporting wired and hybrid wired-wireless access networks

Overlapped CDMA system in optical packet networks : resource allocation and performance evalutation

Dans cette thèse, la performance du système CDMA à chevauchement optique (OVCDMA) au niveau de la couche de contrôle d'accès au support (MAC) et l'allocation des ressources au niveau de la couche physique (PRY) sont étudiées. Notre but est d'apporter des améliorations pour des applications à débits multiples en répondant aux exigences de délai minimum tout en garantissant la qualité de service (QoS). Nous proposons de combiner les couches PRY et MAC par une nouvelle approche d'optimisation de performance qui consolide l'efficacité potentielle des réseaux optiques. Pour atteindre notre objectif, nous réalisons plusieurs étapes d'analyse. Tout d 'abord, nous suggérons le protocole S-ALOHA/OV-CDMA optique pour sa simplicité de contrôler les transmissions optiques au niveau de la couche liaison. Le débit du réseau, la latence de transmission et la stabilité du protocole sont ensuite évalués. L'évaluation prend en considération les caractéristiques physiques du système OY-CDMA, représentées par la probabilité de paquets bien reçus. Le système classique à traitement variable du gain (YPG) du CDMA, ciblé pour les applications à débits multiples, et le protocole MAC ±round-robin¿ récepteur/émetteur (R31), initialement proposé pour les réseaux par paquets en CDMA optique sont également pris en compte. L'objectif est d ' évaluer comparativement la performance du S-ALOHA/OY-CDMA en termes de l'immunité contre l'interférence d'accès lTIultiple (MAI) et les variations des charges du trafic. Les résultats montrent que les performances peuvent varier en ce qui concerne le choix du taux de transmission et la puissance de transmission optique au niveau de la couche PRY. Ainsi, nous proposons un schéma de répartition optimale des ressources pour allouer des taux de transmission à chevauchement optique et de puissance optique de transmission dans le système OY-CDMA comme des ressources devant être optimalement et équitablement réparties entre les utilisateurs qui sont regroupés dans des classes de différentes qualités de service. La condition d'optimalité est basée sur la maximisation de la capacité par utilisateur de la couche PHY. De ce fait, un choix optimal des ressources physiques est maintenant possible, mais il n'est pas équitable entre les classes. Par conséquent, pour améliorer la performance de la couche liaison tout en éliminant le problème d'absence d'équité, nous proposons comme une approche unifiée un schéma équitable et optimal pour l'allocation des ressources fondé sur la qualité de service pour des multiplexages temporels des réseaux par paquets en CDMA à chevauchement optique. Enfin, nous combinons cette dernière approche avec le protocole MAC dans un problème d'optimisation d'allocation équitable des ressources à contrainte de délai afin de mieux améliorer le débit du réseau et le délai au niveau de la couche liaison avec allocation équitable et optimale des ressources au niveau de la couche PHY

Performance improvement of SS-WDM passive optical networks using semiconductor optical amplifiers: Modeling and experiment

Les sources incohérentes sont proposées comme alternatives aux lasers stabilisés en longueur d'onde pour réduire le coût des réseaux optiques passifs utilisant le multiplexage par longueur d'onde découpée dans le spectre (SS-WDM PONs). À cause de leur nature incohérente, ces sources génèrent au récepteur un large bruit d'intensité. Ce bruit limite l'efficacité spectrale et/ou le taux binaire pouvant être achevé. Cette thèse étudie l'utilisation des amplificateurs optique à semi-conducteur SOAs pour nettoyer le bruit d'intensité. De plus, lors de cette thèse, nous explorons les outils numériques et expérimentaux qui nous permettent d'analyser les performances des SOAs dans le cadre de systèmes de communication multi-canaux, incluant le SS-WDM. Nous présentons des modèles mathématiques pour le bruit d'intensité, ce bruit étant celui qui limite les performances des systèmes de communication utilisant des sources incohérentes. Nous discutons les dynamiques complexes des SOAs et présentons les équations qui gouvernent l'évolution des porteurs de charges dans ces amplificateurs. Nous identifions et soulignons l'effet des paramètres les plus importants, qui affectent le processus ainsi que la dynamique de nettoyage du bruit d'intensité. Nous passons en revue, les différentes techniques de nettoyage de bruit avec les SOAs, qui ont démontré les meilleurs résultats connus. De plus, nous effectuons une revue de littérature poussée pour ce qui a attrait au problème de post-filtrage lorsque le SOA est placé au transmetteur, avant la modulation. Notre première contribution pendant ce travail de recherche est de démontrer, en utilisant l'intermodulation de gain d'un SOA au récepteur pour convertir le signal incohérent en laser cohérent, une amélioration significative du taux d'erreur binaire BER. Cette méthode est spectralement efficace, d'autant plus qu'elle ne souffre point la limitation occasionnée par le post-filtrage au récepteur. En contre partie elle nécessite un ample budget de puissance qui doit assurer une saturation suffisante de l'amplificateur au récepteur. Une source laser est aussi nécessaire au récepteur. Ceci est un inconvénient, même si une telle source n'ait pas besoin d'une quelconque stabilisation. Pour contourner le problème causé par le post-filtrage quand le SOA est au transmetteur, nous proposons un nouveau récepteur pour les systèmes de communication WDM, qui permet de mieux garder le nettoyage de bruit, et ce malgré le filtrage optique au récepteur. La nouvelle méthode consiste en un détecteur balancé utilisé au récepteur: d'un bord, tous les canaux sont détectés sans distinction. De l'autre, le signal désiré est bloqué pendant que tous les autres canaux sont détectés. Avec cette méthode, il est facile de saturer l'amplificateur pour une meilleure suppression de bruit tout en évitant en grande partie la dégradation causé par le post-filtrage. Nous avons expérimentalement démontré un système WDM dense de 8 x 10 Gbps avec une source incohérente et un SOA en saturation. Une autre contribution originale de ce travail est le développement d'un outil de simulation pour les SOAs qui est numériquement plus efficace et léger que les modèles connus à ce jour. Nous avons donc développé un modèle théorique simple, pouvant être implémenté par diagramme block, dans le but de simuler les performances des hens de communications WDM. Notre modèle démontre une bonne concordance avec les résultats expérimentaux ainsi qu'une diminution de temps de calcul de l'ordre de 20 fois. Finalement, lors de la dernière partie de ces travaux, nous nous sommes occupés de mesurer, de façon précise, le temps de recouvrement du gain dans un SOA. Le temps de recouvrement des porteurs dans un SOA est un des paramètres les plus importants qui sont à l'origine du phénomène de nettoyage de bruit et qui régissent le comportement ainsi que les dynamiques de l'amplificateur. Nous avons étudié en particulier, la dépendance de ce temps de recouvrement r de la longueur d'onde. Pour le SOA utilisé lors de notre étude expérimentale, nous avons démontré que r dépendait de la longueur d'onde de façon similaire au spectre de gain. Ces mesures ont été possibles grâce au développement d'un nouveau dispositif de mesure pompe/sonde, qui permettait de mesurer le recouvrement du gain pour une pompe et une sonde à la même longueur d'onde et ayant le même état de polarisation

Enabling Technology in Optical Fiber Communications: From Device, System to Networking

This book explores the enabling technology in optical fiber communications. It focuses on the state-of-the-art advances from fundamental theories, devices, and subsystems to networking applications as well as future perspectives of optical fiber communications. The topics cover include integrated photonics, fiber optics, fiber and free-space optical communications, and optical networking