Packet Coalescing Strategies for Energy Efficient High-Speed Communications Over Plastic Optical Fibers

Many recent standards for wireline communications have included a low-power operation mode for energy efficiency purposes. The recently approved VDE standard 0885-763-1 for high-speed communication over plastic optical fibers has not been an exception. The lowpower mode is used when there is no data to be transmitted over the line, thus making consumption more proportional to network load. Furthermore, packet coalescing has been proposed in the literature to minimize the transitions between the low-power and active modes, thus reducing the energy penalties associated with such transitions. This article proposes an adapted version of packet coalescing for the periodic structure of the VDE 0885-763-1 physical layer. Such an algorithm attempts to fulfill active periods of transmission with data, showing an improved energy efficiency over conventional packet coalescing strategies. This conclusion is evaluated via simulation with both synthetic Poissonian traffic and real traces.The authors would like to thank K. Fu, G. Chesson, L. A. Barroso, and U. Holzle from Google for the anonymous traces from their data centers used in the experiment section. The authors would also like to acknowledge the Spanish-funded CRAMNET project (grant number TEC2012-38362-C03-01) for its support to the development of this work

Convergencia de tecnologías ópticas y Ethernet en LAN, MAN y SAN: nuevas arquitecturas, análisis de prestaciones y eficiencia energética

Mención Internacional en el título de doctorThe development of Information Technologies in the last decades, especially the last two, together with the introduction of computing devices to the mainstream consumer market, has had the logical consequence of the generalisation of the Internet access. The explosive development of the smartphone market has brought ubiquity to that generalisation, to the point that social interaction, content sharing and content production happens all the time. Social networks have all but increased that trend, maximising the diffusion of multimedia content: images, audio and video, which require high network capacities to be enjoyed quickly. This need for endless bandwidth and speed in information sharing brings challenges that affect mainly optical Metropolitan Area Networks (MANs) and Wide Area Networks (WANs). Furthermore, the wide spreading of Ethernet technologies has also brought the possibility to achieve economies of scale by either extending the reach of Ethernet Local Area Networks (LANs) to the MAN and WAN environment or even integrating them with Storage Area Networks (SANs). Finally, this generalisation of telecommunication technologies in every day life has as a consequence an important rise in energy consumption as well. Because of this, providing energy efficient strategies in networking is key to ensure the scalability of the whole Internet. In this thesis, the main technologies in all the fields mentioned above are reviewed, its core challenges identified and several contributions beyond the state of the art are suggested to improve today’s MANs andWANs. In the first contribution of this thesism, the integration between Metro Ethernet and Wavelength Division Multiplexion (WDM) optical transparent rings is explored by proposing an adaptation architecture to provide efficient broadcast and multicast. The second contribution explores the fusion between transparent WDM and OCDMA architectures to simplify medium access in a ring. Regarding SANs, the third contribution explores the challenges in SANs through the problems of Fibre Channel over Ethernet due to buffer design issues. In this contribution, analysis, design and validation with FCoE traces and simulation is provided to calculate buffer overflow probabilities in the absence of flow control mechanisms taking into account the bursty nature of SAN traffic. Finally, the fourth and last contribution addresses the problems of energy efficiency in Plastic Optical Fibres (POF), a new kind of optical fibre more suitable for transmission in vehicles and for home networking. This contribution suggests two packet coalescing strategies to further improve the energy effiency mechanisms in POFs.El desarrollo de las Tecnologías de la Información en las últimas décadas, especialmente las últimas dos, junto con la introducción de dispositivos informáticos al mercado de masas, ha tenido como consecuencia lógica la generalización del acceso a Internet. El explosivo desarrollo del mercado de teléfonos inteligentes ha añadido un factor de ubicuidad a tal generalización, al extremo de que la interacción social, la compartición y producción de contenidos sucede a cada instante. Las redes sociales no han hecho sino incrementar tal tendencia, maximizando la difusión de contenido multimedia: imágenes, audio y vídeo, los cuales requieren gran capacidad en las redes para poder obtenerse con rapidez. Esta necesidad de ancho de banda ilimitado y velocidad en la compartición de información trae consigo retos que afectan principalmente a las Redes de Área Metropolitana (Metropolitan Area Networks, MANs) y Redes de Área Extensa (Wide Area Networks, WANs). Además, la gran difusión de las tecnologías Ethernet ha traído la posibilidad de alcanzar economías de escala bien extendiendo el alcance de Ethernet más allá de las Redes de Área Local (Local Area Networks, LANs) al entorno de las MAN y las WAN o incluso integrándolas con Redes de Almacenamiento (Storage Area Networks, SANs). Finalmente, esta generalización de las tecnologías de la comunicación en la vida cotidiana tiene también como consecuencia un importante aumento en el consumo de energía. Por tanto, desarrollar estrategias de transmisión en red eficientes energéticamente es clave para asegurar la escalabilidad de Internet. En esta tesis, las principales tecnologías de todos los campos mencionados arriba serán estudiadas, sus más importantes retos identificados y se sugieren varias contribuciones más allá del actual estado del arte para mejorar las actuales MANs y WANs. En la primera contribución de esta tesis, se explora la integración entre Metro Ethernet y anillos ópticos transparentes por Multiplexión en Longitud de Onda (Wavelength Division Multiplex, WDM) mediante la proposición de una arquitectura de adaptación para permitir la difusión y multidifusión eficiente. La segunda contribución explora la fusión entre las arquitecturas transparentes WDM y arquitecturas por Accesso Dividido Múltiple por Códigos Ópticos (OCDMA) para simplificar el acceso en una red en anillo. En lo referente a las SANs, la tercera contribución explora los retos en SANs a través de los problemas de Fibre Channel sobre Ethernet debido a los problemas en el diseño de búferes. En esta contribución, se provee un análisis, diseño y validación con trazas FCoE para calcular las probabilidades de desbordamiento de buffer en ausencia de mecanismos de control de flujo teniendo en cuenta la naturaleza rafagosa del tráfico de SAN. Finalmente, la cuarta y última contribución aborda los problemas de eficiencia energética en Fibras Ópticas Plásticas (POF), una nueva variedad de fibra óptica más adecuada para la transmisión en vehículos y para entornos de red caseros. Esta contribución sugiere dos estrategias de agrupamiento de paquetes para mejorar los mecanismos de eficiencia energética en POFs.Programa Oficial de Posgrado en Ingeniería TelemáticaPresidente: Luca Valcarenghi.- Secretario: Ignacio Soto Campos.- Vocal: Bas Huiszoo

Methacrylate-Based Copolymers for Polymer Optical Fibers

Waveguides made of poly-methyl-methacrylate (PMMA) play a major role in the homogeneous distribution of display backlights as a matrix for solid-state dye lasers and polymer optical fibers (POFs). PMMA is favored because of its transparency in the visible spectrum, low price, and well-controlled processability. Nevertheless, technical drawbacks, such as its limited temperature stability, call for new materials. In this work, the copolymerization technique is used to modify the properties of the corresponding homopolymers. The analytical investigation of fourteen copolymers made of methyl-methacrylate (MMA) or ethyl-methacrylate (EMA) as the basis monomer is summarized. Their polymerization behaviors are examined by NMR spectroscopy with subsequent copolymerization parameter evaluation according to Fineman-Ross and Kelen-Tüdös. Therefore, some r-parameter sets are shown to be capable of copolymerizations with very high conversions. The first applications as high-temperature resistant (HT) materials for HT-POFs are presented. Copolymers containing isobornyl-methacrylate (IBMA) as the comonomer are well-suited for this demanding application

NASA Tech Briefs, May 1998

Topics include: special coverage on advanced composites, plastics and metals, electronic components and circuits, electronic systems, physical sciences, computer software, mechanics, machinery/automation, manufacturing/fabrication book and reports, and a special section of Electronics Tech Briefs

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