Cognition procedures for optical network design and optimization

Telecom carriers have to adapt their networks to accommodate a growing volume of users, services and traffic. Thus, they have to search a continuous maximization of efficiency and reduction in costs. This thesis identifies an opportunity to accomplish this aim by reducing operation margins applied in the optical link power budgets, in optical transport networks. From an operational perspective, margin reduction will lead to a fall of the required investments on transceivers in the whole transport network. Based on how human learn, a cognitive approach is introduced and evaluated to reduce the System Margin. This operation margin takes into account, among other constraints, the long-term ageing process of the network infrastructure. Telecom operators normally apply a conservative and fixed value established during the design and commissioning phases. The cognitive approach proposes a flexible and variable value, adapted to the network conditions. It is based on the case-based reasoning machine learning technique, which has been further developped. Novel learning schemes are presented and evaluated. The cognition solution proposes a new lower launched power guaranteeing the quality of service of the new incoming lightpath. It will lead to provide transmission power savings with appropiate success rates when applying the cognitive approach. To this end, it relies on transmission values applied in past and successful similar network situations. They are stored in a knowledge base or memory of the system. Moreover, regarding the knowledge base, a static and a dynamic approaches have been developped and presented. In the last case, five new dynamic learning algorithms are presented and evaluated. In the static context, savings in transmission power up to 48% are achieved and the resulting System Margin reduction. Furthermore, the dynamic renewal of the knowledge base improves mean savings in launched power up to 7% or 18% with respect to the static approach, depending on the path. Thus, the cognitive approach appears as useful to be applied in commercial optical transport networks with the aim of reducing the operational System Margin.Los operadores de telecomunicaciones tienen que adaptar constantemente sus redes para acoger el volumen creciente de usuarios, servicios y tráfico asociado. Han de buscar constantemente una maximización de la eficiencia en la operación, así como una reducción continua de costes. Esta tesis identifica una oportunidad para alcanzar este objetivo por medio de la reducción de los márgenes operacionales aplicados en los balances de potencia en una red óptica de transporte. Desde un punto de vista operacional, la reducción de márgenes operativos conlleva una optimización de las inversiones requeridas en transceivers, entre otros puntos. Así, basándonos en cómo aprendemos los humanos, se introduce y evalúa una aproximación cognitiva para reducir el System Margin. Este margen operativo se introduce en el balance de potencia, entre otros puntos, para compensar el proceso de envejecimiento a largo plazo de la infraestrcutura de red. Los operadores emplean normalmente un valor fijo y conservador, que se establece durante el diseño y comisionado de la red. Nuestra aproximación cognitiva propone en su lugar un valor flexible y variable, que se adapta a las condiciones de red actuales. Se basa en la técnica de machine learning conocida como case-based reasoning, que se desarrolla más profundamente. Se han propuesto y evaluado nuevos esquemas de aprendizaje. La solución cognitiva propone un nuevo valor más bajo de potencia transmitida, que garantiza la calidad de servicio requerida por el nuevo lighpath entrante. La propuesta logra ahorros en la potencia transmitida, a la vez que garantiza una tasa de éxito correcta cuando aplicamos esta solución cognitiva. Para ello, se apoya en la potencia transmitida en situaciones pasadas y similares a la actual, donde se transmitió una potencia que aseguró el correcto establecimiento del lighpath. Esta información se almacena en una base de conocimiento. En este sentido, se han desarrollado y presentado dos aproximaciones: una base de conocimiento estática y otra dinámica. En el caso del contexto dinámico, se han desarrollado y evaluado cinco nuevos algoritmos de aprendizaje. En el contexto estático, se consigue un ahorro en potencia de hasta un 48%, con la correspondiente reducción del System Margin. En el contexto dinámico, la actualización online de la base de conocimiento proporciona adicionalmente una ganancia en potencia transmitida con respecto a la aproximación estática de hasta un 7% o un 18%, dependiendo de la ruta. De esta forma se comprueba que la propuesta cognitiva se revela como útil y aplicable sobre una red óptica de transporte comercial con el objetivo de reducir el margen operativo conocido como System Margin

Cognition procedures for optical network design and optimization

Telecom carriers have to adapt their networks to accommodate a growing volume of users, services and traffic. Thus, they have to search a continuous maximization of efficiency and reduction in costs. This thesis identifies an opportunity to accomplish this aim by reducing operation margins applied in the optical link power budgets, in optical transport networks. From an operational perspective, margin reduction will lead to a fall of the required investments on transceivers in the whole transport network. Based on how human learn, a cognitive approach is introduced and evaluated to reduce the System Margin. This operation margin takes into account, among other constraints, the long-term ageing process of the network infrastructure. Telecom operators normally apply a conservative and fixed value established during the design and commissioning phases. The cognitive approach proposes a flexible and variable value, adapted to the network conditions. It is based on the case-based reasoning machine learning technique, which has been further developped. Novel learning schemes are presented and evaluated. The cognition solution proposes a new lower launched power guaranteeing the quality of service of the new incoming lightpath. It will lead to provide transmission power savings with appropiate success rates when applying the cognitive approach. To this end, it relies on transmission values applied in past and successful similar network situations. They are stored in a knowledge base or memory of the system. Moreover, regarding the knowledge base, a static and a dynamic approaches have been developped and presented. In the last case, five new dynamic learning algorithms are presented and evaluated. In the static context, savings in transmission power up to 48% are achieved and the resulting System Margin reduction. Furthermore, the dynamic renewal of the knowledge base improves mean savings in launched power up to 7% or 18% with respect to the static approach, depending on the path. Thus, the cognitive approach appears as useful to be applied in commercial optical transport networks with the aim of reducing the operational System Margin.Los operadores de telecomunicaciones tienen que adaptar constantemente sus redes para acoger el volumen creciente de usuarios, servicios y tráfico asociado. Han de buscar constantemente una maximización de la eficiencia en la operación, así como una reducción continua de costes. Esta tesis identifica una oportunidad para alcanzar este objetivo por medio de la reducción de los márgenes operacionales aplicados en los balances de potencia en una red óptica de transporte. Desde un punto de vista operacional, la reducción de márgenes operativos conlleva una optimización de las inversiones requeridas en transceivers, entre otros puntos. Así, basándonos en cómo aprendemos los humanos, se introduce y evalúa una aproximación cognitiva para reducir el System Margin. Este margen operativo se introduce en el balance de potencia, entre otros puntos, para compensar el proceso de envejecimiento a largo plazo de la infraestrcutura de red. Los operadores emplean normalmente un valor fijo y conservador, que se establece durante el diseño y comisionado de la red. Nuestra aproximación cognitiva propone en su lugar un valor flexible y variable, que se adapta a las condiciones de red actuales. Se basa en la técnica de machine learning conocida como case-based reasoning, que se desarrolla más profundamente. Se han propuesto y evaluado nuevos esquemas de aprendizaje. La solución cognitiva propone un nuevo valor más bajo de potencia transmitida, que garantiza la calidad de servicio requerida por el nuevo lighpath entrante. La propuesta logra ahorros en la potencia transmitida, a la vez que garantiza una tasa de éxito correcta cuando aplicamos esta solución cognitiva. Para ello, se apoya en la potencia transmitida en situaciones pasadas y similares a la actual, donde se transmitió una potencia que aseguró el correcto establecimiento del lighpath. Esta información se almacena en una base de conocimiento. En este sentido, se han desarrollado y presentado dos aproximaciones: una base de conocimiento estática y otra dinámica. En el caso del contexto dinámico, se han desarrollado y evaluado cinco nuevos algoritmos de aprendizaje. En el contexto estático, se consigue un ahorro en potencia de hasta un 48%, con la correspondiente reducción del System Margin. En el contexto dinámico, la actualización online de la base de conocimiento proporciona adicionalmente una ganancia en potencia transmitida con respecto a la aproximación estática de hasta un 7% o un 18%, dependiendo de la ruta. De esta forma se comprueba que la propuesta cognitiva se revela como útil y aplicable sobre una red óptica de transporte comercial con el objetivo de reducir el margen operativo conocido como System Margin.Postprint (published version

Characterization and design of coherent optical OFDM transmission systems based on Hartley Transform

Nowadays, due to huge deployment of optical transport networks, a continuous increase towards higher data rates up to 100 Gb/s and beyond is observed. Furthermore, an evolution of the current optical networks is forecasted, acquiring new functionalities, e.g. elastic spectrum assignment for the optical signals. The target for these new challenges in transmission is to find techniques ready to deal with a growth of demand for bandwidth continuously asked by network operators, for whom the standard systems do not meet the new functionalities while higher rates are being set up. A solution for covering all of those needs is to adapt techniques capable to deal with such enormous data rates, and ensuring the same high efficiency for long distances and mitigate the optical impairments accumulated along the transmission path. Additionally, these transmission techniques are expected to provide some degree of flexibility, in order to enhance the network flexibility. A promising technology that can fully cope with those requires is the coherent optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM). CO-OFDM provides several advantages, namely high sensitivity and spectral efficiency, simple integration and possibility to fully recover a signal in phase, amplitude and polarization. These systems are composed by digital signal processing (DSP) blocks that easily process data and can equalize and compensate the main impairments, providing high tolerance for dispersion effects. However, CO-OFDM systems are not free from drawbacks. Their high peak-to-average power ratio (PAPR) reduce their tolerance to nonlinearities. Furthermore, CO-OFDM systems are sensitive to any frequency shift and phase offset. Hence, a constant envelope optical OFDM (CE-OFDM) is proposed for significantly reducing the PAPR and solving high sensitivity to nonlinear impairments. It consists in a phase modulated discrete multi-tone signal, which is coherently detected at the receiver side. An alternative transform, the discrete Hartley transform, is proposed to speed up calculations in the DSP and eliminate the need to have a Hermitian symmetry. The optical CE-OFDM by its unique flexibility and rate scalability turns out as a great technology applicable to different configurations, ranging from access to core networks. In case of access solutions, several cases are investigated. First, the optical CE-OFDM is applied for radio access network signals delivery by means of a wavelength division multiplexing (WDM) overlay in deployed access architecture. A decomposed radio access network is deployed over an existing standard passive optical network (PON), capable to avoid interference and cross talks with access signals between network clients. The system exhibited narrow channel spacing, while reducing losses fed into the access equipment path. Next, a full duplex 10 Gb/s bidirectional PON transmission over a single wavelength with RSOA based ONU is investigated. The key point of that system is the upstream transmission, which is achieved re-modulating the phase of a downstream intensity modulated signal after proper saturation. The reported sensitivity performances show a power budget matching the PON standards and an OSNR easy to reach on non-amplified PON. Next, a flexible metropolitan area network of up to 100km with traffic add/drop using WDM is investigated. There the narrowing effect of the optical filters is studied. Finally, an elastic upgrade of the existing Telefonica model of the Spanish national core network is proposed. For that, the transceiver architecture is proposed to be operated featuring polarization multiplexing. Respect to the existing fixed grid, the flexible approach (enabled by the CE-OFDM transceiver) results into reduced bandwidth occupancy and low OSNR requirement.Hoy en día, debido al gran despliegue de las redes de ópticas de transporte, se espera un aumento continuado hacia mayores velocidades de datos, hasta 100 Gb/s y más allá. Por otra parte, la evolución que se prevé para las redes ópticas actuales, incluye la adquisición de nuevas funcionalidades, por ejemplo, la asignación del espectro de forma elástica para las señales ópticas. Por tanto, el claro desafío en cuanto a las tecnologías de transmisión es encontrar técnicas preparadas para hacer frente a un crecimiento de la demanda de ancho de banda; demanda que continuamente se incrementa por parte de los operadores de red, para quienes los sistemas estándar no se acaban de ajustar a las nuevas funcionalidades que esperan para la red. Una solución para cubrir todas estas necesidades es la adaptación de técnicas capaces de hacer frente a estas velocidades de datos enormes, y garantizar el mismo nivel de eficiencia para las largas distancias y mitigar las deficiencias ópticas acumuladas a lo largo de la ruta de transmisión. Además, se espera que estas técnicas de transmisión puedan proporcionar cierto grado de flexibilidad, a fin de mejorar y hacer más eficiente la gestión de la red. Una tecnología prometedora que puede hacer frente a estos requisitos es lo que se llama multiplexación por división de frecuencias ortogonales, combinado con la detección óptica coherente (CO-OFDM). CO-OFDM ofrece varias ventajas, entre otras: alta sensibilidad y eficiencia espectral y, sobre todo, la posibilidad de recuperar por completo de una señal en fase, la amplitud y la polarización. Estos sistemas están compuestos por bloques de procesado de señales digitales (DSP) que permiten detectar los datos fácilmente así como también compensar las principales degradaciones, proporcionando alta tolerancia a los efectos de dispersión. Sin embargo, los sistemas CO-OFDM no están exentos de inconvenientes. Su alta relación de potencia de pico a potencia media (PAPR) reduce sensiblemente la tolerancia no linealidades. Por otra parte, los sistemas CO-OFDM son sensibles a cualquier cambio de frecuencia y desplazamiento de fase. Por tanto, se propone un sistema OFDM de envolvente constante (CE-OFDM) para reducir significativamente la PAPR y solucionar la alta sensibilidad a las degradaciones no lineales. Consiste en una señal OFDM modulada en fase, que se detecta coherentemente en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta de Hartley, se propone para acelerar los cálculos en el DSP. El sistema CE-OFDM por su flexibilidad y escalabilidad única, resulta una tecnología aplicable a diferentes escenarios, que van desde las redes de acceso hasta las redes troncales. En el caso de las soluciones de acceso, se investigan varios casos. En primer lugar, el CE-OFDM aplica para el desarrollo y soporte de datos de una red radio, reutilizando una red óptica de acceso ya desplegada. A continuación, se investiga la transmisión bidireccional dúplex a 10 Gb / s sobre una sola longitud de onda empleando un RSOA a las unidades de usuario. El punto clave de este sistema es la transmisión en sentido ascendente, que se consigue re-modulando la fase de una señal de intensidad modulada después de saturar de forma adecuada. A continuación, se estudia una red de área metropolitana flexible de hasta 100 km. Concretamente el efecto de concatenación de filtros ópticos es el objetivo de este estudio. Finalmente, se propone una actualización elástica del modelo de Telefónica I+D para la red troncal española. Por ello, se propone operar el CE-OFDM en multiplexación de polarización. Los resultados muestran que esta combinación reduce sensiblemente el empleo de ancho de banda esto como los requisitos de los enlaces transmisión, reduciendo también los costes tanto de desarrollo como de operación y mantenimiento de la red.Avui dia, a causa del gran desplegament de les xarxes de òptiques de transport, s'espera un augment continuat cap a majors velocitats de dades, fins a 100 Gb/s i més enllà. D'altra banda, l'evolució que es preveu per a les xarxes òptiques actuals, inclou l'adquisició de noves funcionalitats, per exemple, assignació de l'espectre de forma elàstica per als senyals òptics. Per tant, el clar desafiament pel que fa a les tecnologies de transmissió és trobar tècniques preparades per fer front a un creixement de la demanda d'ample de banda; demanda que contínuament es fa per part dels operadors de xarxa, per als qui els sistemes estàndard no s'acaben d'ajustar a les noves funcionalitats que esperen per a la xarxa. Una solució per a cobrir totes aquestes necessitats és l'adaptació de tècniques capaces de fer front a aquestes velocitats de dades enormes, i garantir el mateix nivell d'eficiència per a les llargues distàncies i mitigar les deficiències òptiques acumulades al llarg de la ruta de transmissió. A més, s'espera que aquestes tècniques de transmissió puguin proporcionar cert grau de flexibilitat, per tal de millorar i tornar més eficient la gestió de la xarxa. Una tecnologia prometedora que pot fer front a aquests requisits és el que s'anomena multiplexació per divisió de freqüències ortogonals, combinat amb la detecció òptica coherent (CO-OFDM). CO-OFDM ofereix diversos avantatges, entre altres: alta sensibilitat i eficiència espectral i, sobretot, la possibilitat de recuperar per complet d'una senyal en fase, l'amplitud i la polarització. Aquests sistemes estan compostos per blocs de processament de senyals digitals (DSP) que permeten detectar les dades fàcilment així com també compensar les principals degradacions, proporcionant alta tolerància pels efectes de dispersió. No obstant això, els sistemes CO-OFDM no estan exempts d'inconvenients. La seva alta relació de potència de pic a potència mitjana (PAPR) redueix sensiblement la tolerància a no linealitats. D'altra banda, els sistemes de CO-OFDM són sensibles a qualsevol canvi de freqüència i desplaçament de fase. Per tant, es proposa un sistema OFDM d'envolvent constant (CE-OFDM) per a reduir significativament la PAPR i solucionar l'alta sensibilitat a les degradacions no lineals. Consisteix en un senyal OFDM modulat en fase, que es detecta coherentment en el receptor. Una transformada alternativa, la transformada discreta d'Hartley, es proposa accelerar els càlculs en el DSP. El sistema CE-OFDM per la seva flexibilitat i escalabilitat única, resulta una tecnologia aplicable a diferents escenaris, que van des de les xarxes d'accés fins a les xarxes troncals. En el cas de les solucions d'accés, s'investiguen diversos casos. En primer lloc, el CE-OFDM s'aplica per al desplegament i suport de dades d'una xarxa radio, reutilitzant una xarxa òptica d'accés ja desplegada. A continuació, s'investiga la transmissió bidireccional dúplex a 10 Gb/s sobre una sola longitud d'ona emprant un RSOA a les unitats d'usuari. El punt clau d'aquest sistema és la transmissió en sentit ascendent, que s'aconsegueix re-modulant la fase d'un senyal d'intensitat modulada després de saturar-la de forma adequada. A continuació, s'estudia una xarxa d'àrea metropolitana flexible de fins a 100 km. Concretament l'efecte de concatenació de filtres òptics és l'objectiu d'aquest estudi. Finalment, es proposa una actualització elàstica del model de Telefónica I+D per a la xarxa troncal espanyola. Per això, es proposa operar el CE-OFDM en multiplexació de polarització. Els resultats mostren que aquesta combinació redueix sensiblement l'ocupació d'ample de banda això com també els requisits dels enllaços transmissió, reduint també els costos tant de desplegament com d'operació i manteniment de la xarxa

Towards an Optimal Photonic Network: Optimising Performance, Cost and Flexibility

This thesis investigates optical fibre transmission system technologies, and their impact on network architectures with the objective of lowering unit cost ($/Gb/s/km) of data transmission in long-haul, and ultra long-haul dense wavelength division multiplexing (DWDM) photonic networks. The importance of this work is driven by the exponential growth in Internet traffic of around 40% p.a., and economic pressures constraining network operators’ ability to invest in their networks. Optical transport networks must therefore be designed to meet future bandwidth demands of end users, with optimum performance, cost and flexibility. Dynamic gain equalisers (DGEs) are a key sub-system of ultra long-haul networks, enabling increased un-regenerated transmission reach and elimination of expensive optical-electrical-optical (OEO) regeneration. A theoretical framework was developed integrating models of wideband power variation, together with narrowband nonlinear propagation simulations using the split-step Fourier method. The optimum spacing of the also costly DGEs was determined for a 3,000km network field deployment. Optimum power pre-emphasis profiles were predicted and compared with simple linear calculations, showing <0.7dB performance penalty using the much faster, simplified method. Optical dispersion management schemes were studied, with optical dispersion compensating fibre placed after every other span resulting in 6% cost reduction and little performance degradation compared to compensation after every span. A techno-economic comparison of optical and electronic dispersion compensation (EDC) strategies showed 25% cost reduction using EDC. Tolerance to fibre nonlinearities is reduced compared to optical compensation; splitting the EDC function equally between transmitter and receiver optimises performance. Economic benefits of a single flexible, multi-reach DWDM system were investigated showing almost 20% cost savings compared to separate long-haul and ultra long-haul systems. Finally, the techno-economic benefits of optical bypass in meshed networks were analysed for increasing levels of optical transparency: from OEO regenerated to multi-degree reconfigurable optical add-drop multiplexers (MD-ROADMs), enabling up to 46% cost saving

Advanced Digital Signal Processing Techniques for High-Speed Optical Links

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

The Experimental Design of Radio-over-Fibre System for 4G Long Term Evolution

The 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Long Term Evolution (LTE) is the potential key to meet the exponentially increasing demand of the mobile end users. The entire LTE network architecture and signal processing is carried out at the enhanced NodeB (eNB) level, hence the increased complexity and cost. Therefore, it is not efficient to deploy eNB for the purpose of extending the network coverage. As a solution, deployment of relay node (RN), with radio-over-fibre (RoF) acting as the interface between eNB and RN is proposed. Due to the high path loss and multipath fading, wireless interface would not be the ideal channel between eNB and RN. A detailed investigation is carried out by comparing the Rayleigh multipath fading channel with the optical fibre channel, where the latter achieved a ~31 dB of signal-to-noise ratio (SNR) gain. The distributed feedback laser (DFB) is selected as the direct modulated laser (DML) source, where the modulation method introduces a positive frequency chirp (PFC). The existing mathematical expression does not precisely explain on how the rate equations contribute to PFC. Therefore, an expression for PFC is proposed and derived from the carrier and photon densities of the rate equations. Focusing on theoretical development of DML based RoF system, a varying fast Fourier transform (FFT) scheme is introduced into LTE-Advanced (LTE-A) technology as an alternative design to the carrier aggregation. A range of FFT sizes are investigated with different levels of optical launch power (OLP), the optimum OLP has been defined to be within the range of ~-6 to 0 dBm, which is known as the intermixing region. It is found that FFT size-128 provides improved average system efficiency of ~54% and ~65% in comparison to FFT size-64 and FFT size-128, respectively, within the intermixing region. While fixing FFT size to 128, the investigation is diverted to the optimisation of optical modulators. The author revealed that the performance of dual electrode-Mach Zehnder modulator (DE-MZM) is superior to both DML scheme and single electrode (SE)-MZM, where DE-MZM achieved a transmission span of 88 km and 71 km for 16-quadrature amplitude modulation (QAM) and 64-QAM, respectively. At the initial experimental link design and optimisation stage, an optimum modulation region (OMR) is proposed at the optical modulation index (OMI) of 0.38, which resulted in an average error vector magnitude (EVM) of ~1.01% for a 10 km span. The EVM of ~1.01% is further improved by introducing the optimum OLP region at –2 dBm, where the observed average EVM trimmed to ~0.96%. There is no deviation found in the intermixing region by transmitting the LTE signal through a varying transmission span of 10 to 60 km, additionally, it was also revealed that the LTE RoF nonlinear threshold falls above the OLP of 6 dBm. The proposed system was further developed to accommodate 2×2 multiple-input and multiple-output (MIMO) transmission by utilising analogue frequency division multiplexing (FDM) technique. The studies procured that the resulting output quality of signal at 2 GHz and 2.6 GHz is almost identical with a twofold gain in the peak data rate and no occurrence of intermodulation (IMD). In order to emulate the complete LTE RoF solution, an experimental design of full duplex frequency division duplex (FDD) system with dense wavelength division multiplexing (DWDM) architecture is proposed. It is found that channel spacing of 50 MHz between the downlink (DL) and uplink (UL) introduces severe IMD distortion, where an adjacent channel leakage ratio (ACLR) penalty of 14.10 dB is observed. Finally, a novel nonlinear compensation technique utilising a direct modulation based frequency dithering (DMFD) scheme is proposed. The LTE RoF system average SNR gain observed at OLP of 10 dBm for the 50 km transmission span is ~5.97 dB. External modulation based frequency dithering (EMFD) exhibits ~3 dB of average SNR gain over DMFD method

Comparative analysis of long-haul system based on SSB modulation utilising dual parallel Mach–Zehnder modulators

In this paper, we have proposed a long-haul optical transmission system, based on a single sideband (SSB) modulation scheme. Analytical and simulation models have been developed, optimised and demonstrated for the proposed SSB system configurations. The SSB modulation scheme was proposed to overcome dispersion in the fibre. We have shown that the related link losses can be minimized by increasing the quality of the optical signal at the modulation. We have optimised the radio over fibre configuration scheme based on dual parallel dual drive Mach–Zehnder Modulator, thereby increasing transmission length of the fibre. With the proposed SSB, by suppressing some of the harmonics and cancelling one of the sidebands, we have halved the RF power fading and interference. The developed analytical (theoretical/mathematical) model agrees very well with the simulation results using two (both) different commercial simulation tools. The optical signal is boosted while minimizing the number of repeaters. We report a SSB configuration, compensation and amplification with individual spans of 150 km, by extending the length of the link up to 3250 km. The proposed system configuration exhibits high performance with less complexity and lower cost