Enhanced fault characterization by using a conventional OTDR and DSP techniques

To plan a rapid response and minimize operational costs, passive optical network operators require to automatically detect and identify faults that may occur in the optical distribution network. In this work, we present DSP-Enhanced OTDR, a novel methodology for remote fault analysis based on conventional optical time-domain reflectometry complemented with reference traces and DSP-based techniques. We first obtain the optimal decision thresholds to detect deviations in the noisy OTDR measurement. In order to quantify and characterize the fault, the detection stage is followed by one of estimation where its return loss and insertion loss are determined. We experimentally demonstrate that this approach allows to detect and characterize faults with an accuracy higher than that found in conventional OTDR trace analysis. In our experiments, we achieved detection sensitivities higher than 0.2 dB in a 1:16 split-ratio PON, and higher than 1 dB in a 1:64 split-ratio PON, achieving estimation errors that can be as low as 0.01 dB. We also verified how the optical network terminal's reflectivity can improve the detection capabilities.Fil: Fernández, Manuel Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Universidad Nacional de Cuyo; ArgentinaFil: Bulus Rossini, Laureano Andrés. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Universidad Nacional de Cuyo; ArgentinaFil: Pascual, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Universidad Nacional de Cuyo; ArgentinaFil: Costanzo Caso, Pablo Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Universidad Nacional de Cuyo; Argentin

Passive optical network (PON) monitoring using optical coding technology

Les réseaux optiques passifs (PON) semblent être la technologie gagnante et ultime du futur pour les "fibres jusqu'au domicile" ayant une haute capacité. L'écoute de contrôle de ce genre de système est nécessaire pour s'assurer un niveau de qualité de service prédéterminé pour chaque client. En outre, l'écoute de contrôle réduit considérablement les dépenses en capital et de fonctionnement (CAPEX et OPEX), tant pour le fournisseur du réseau que les clients. Alors que la capacité des PON est croissante, les gestionnaires de réseau ne disposent pas encore d'une technologie efficace et appropriée pour l'écoute de contrôle des réseaux de capacité aussi élevée. Une variété de solutions a été proposée. Toutes ces dernières solutions ne sont pas pratiques à cause de leur faible capacité (nombre de clients), d'une faible évolutivité, d'une grande complexité et des défis technologiques. Plus important encore, la technologie souhaitable pour l'écoute de contrôle devrait être rentable car le marché des PON est très sensible aux coûts. Dans cette thèse, nous considérons l'application de la technologie du codage optique passif (OC) comme une solution prometteuse pour l'écoute de contrôle centralisée d'un réseau optique ramifié tels que les réseaux PON. Dans la première étape, nous développons une expression pour le signal détecté par l'écoute de contrôle et étudions ses statistiques. Nous trouvons une nouvelle expression explicite pour le rapport signal utile/signal brouillé (SIR) comme outil de mesure métrique de performance. Nous considérons cinq distributions PON géographiques différentes et étudions leurs effets sur l'SIR pour l'écoute de contrôle d'OC. Dans la prochaine étape, nous généralisons notre modèle mathématique et ses expressions pour le contrôle des signaux détectés par un détecteur quadratique et des paramètres réalistes. Nous évaluons ensuite les performances théoriques de la technologie basée sur l'écoute de contrôle selon le rapport signal/bruit (SNR), le rapport signal/bruit plus coefficient d'interférence (SNIR), et la probabilité de fausse alarme. Nous élaborons l'effet de la puissance d'impulsion transmise, la taille du réseau et la cohérence de la source lumineuse sur le rendement des codes unidimensionnels (ID) et bidimensionnels (2D) de l'écoute de contrôle d'OC. Une conception optimale est également abordée. Enfin, nous appliquons les tests de Neyman-Pearson pour le récepteur de notre système d'écoute de contrôle et enquêtons sur la façon dont le codage et la taille du réseau affectent les dépenses de fonctionnement (OPEX) de notre système d'écoute de contrôle. Malgré le fait que les codes ID et 2D fournissent des performances acceptables, elles exigent des encodeurs avec un nombre élevé de composants optiques : ils sont encombrants, causent des pertes, et ils sont coûteux. Par conséquent, nous proposons un nouveau schéma de codage simple et plus approprié pour notre application de l'écoute de contrôle que nous appelons le codage périodique. Par simulation, nous évaluons l'efficacité de l'écoute de contrôle en terme de SNR pour un PON employant cette technologie. Ce système de codage est utilisé dans notre vérification expérimentale de l'écoute de contrôle d'OC. Nous étudions expérimentalement et par simulation, l'écoute de contrôle d'un PON utilisant la technologie de codage périodique. Nous discutons des problèmes de conception pour le codage périodique et les critères de détection optimale. Nous développons également un algorithme séquentiel pour le maximum de vraisemblance avec une complexité réduite. Nous menons des expériences pour valider notre algorithme de détection à l'aide de quatre encodeurs périodiques que nous avons conçus et fabriqués. Nous menons également des simulations de Monte-Carlo pour des distributions géographiques de PON réalistes, avec des clients situés au hasard. Nous étudions l'effet de la zone de couverture et la taille du réseau (nombre d'abonnés) sur l'efficacité de calcul de notre algorithme. Nous offrons une borne sur la probabilité pour un réseau donné d'entraîner l'algorithme vers un temps exorbitant de surveillance du réseau, c'est à dire le délai d'attente de probabilité. Enfin, nous soulignons l'importance du moyennage pour remédier aux restrictions budgétaires en puissance/perte dans notre système de surveillance afin de supporter de plus grandes tailles de réseaux et plus grandes portées de fibres. Ensuite, nous mettrons à niveau notre dispositif expérimental pour démontrer un m PON avec 16 clients. Nous utilisons un laser à modulation d'exploitation directement à 1 GHz pour générer les impulsions sonde. Les données mesurées par le dispositif expérimental est exploité par l'algorithme de MLSE à détecter et à localiser les clients. Trois déploiements PON différents sont réalisés. Nous démontrons une surveillance plus rigoureuse pour les réseaux ayant une répartition géographique à plusieurs niveaux. Nous étudions aussi le budget de la perte de notre dispositif de soutien plus élevés de capacités du réseau. Enfin, nous étudions le budget total admissible de la perte d'exploitation du système de surveillance dans la bande de fréquences à 1650 nm en fonction des spécifications de l'émetteur/récepteur. En particulier, la limite totale de la perte de budget est représentée en fonction du gain de l'amplicateure de transimpédance (TIA) et le résolution de la conversion analogique-numérique (ADC). Par ailleurs, nous enquêtons sur le compromis entre la distance portée et la capacité (taille de fractionnement au niveau du noeud distant) dans notre système de suivi

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

New dynamic bandwidth allocation algorithm analysis: DDSPON for ethernet passive optical networks

This project aims to present the state of the art in Dynamic Bandwidth Allocation (DBA) solutions, as well as the study and evaluation of one proposal of DBA algorithm: the Distributed Dynamic Scheduling for EPON (DDSPON), which is the UPC contribution to the research in scheduling algorithms for EPON

Reconfigurable High Performance Secured NoC Design Using Hierarchical Agent-based Monitoring System

With the rapid increase in demand for high performance computing, there is also a significant growth of data communication that leads to leverage the significance of network on chip. This paper proposes a reconfigurable fault tolerant on chip architecture with hierarchical agent based monitoring system for enhancing the performance of network based multiprocessor system on chip against faulty links and nodes. These distributed agents provide healthy status and congestion information of the network. This status information is used for further packet routing in the network with the help of XY routing algorithm. The functionality of Agent is enhanced not only to work as information provider but also to take decision for packet to either pass or stop to the processing element by setting the firewall in order to provide security. Proposed design provides a better performance and area optimization by avoiding deadlock and live lock as compared to existing approaches over network design

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

Monitoring of passive optical networks utilising an optical coding technique

Passive Optical Networks (PONs) have become the most popular fibre based access networks over the last decade. They are widely deployed for use in Fibre-to-the-Premises (FTTP) scenarios. PON is a point-to-multipoint connection (P2MP) between an optical line terminal (OLT) located at the central office (CO) and multiple optical network units (ONU) at the customer premises. The next generation of PONs (NG-PON) are likely to deploy a ring-and-spur long reach PON (LR-PON). NG-PON aims to accommodate more ONUs, extend the network coverage out to 100 km, minimize complexity and improve operational outcomes. An all fibre access network, operating over extended distances, presents a reliability risk, thereby increasing the need for a reliable and cost-effective monitoring system to enhance protection and reduce restoration time. Among existing monitoring techniques, attention is focused on approaches that use optical code division multiplexing (OCDM), also known as optical coding (OC). The OC is applied to a signal that is sent from the network management system (NMS) to the ONUs. The monitoring signal is transmitted onto a fibre and split into a number of sub-signals that are equal in number to the ONUs. Each one of the ONUs receives a sub-signal, encodes it, and then reflects it back to the NMS. The NMS has the capability to identify faulty ONUs by examining the code received from the ONUs. A review of the literature has shown that the use of OCs does improve system performance, especially in the timely detection of faults. Many of the studies, found in the literature, focus on how to implement optical spreading codes that are used in OCDM Access (OCDMA) systems and currently the optical orthogonal code (OOC) is the dominant code implemented for time-domain coding. Although the OOC code performs well, its construction is relatively complex. The available code-words (cardinality) that are offered by OOC are proportional to the code length. Implementing OOC in a high capacity PON requires a long code length causes an inevitable degradation of system performance. Therefore, an improved optical coding technique for PONs should provide code-words that conform to PON split ratios. The main objective of the research was to develop an optical spreading code, based on a prime code family for OCDMA systems, that has the capability to accommodate different PON split ratios and with characteristics that improve transmission system performance when compared to existing prime code families. The novel code presented in this thesis is identified as the extended grouped new modified prime code (EG-nMPC). The number of code-words generated by the proposed codes are substantially higher than those generated by the existing code families and more compatible to the different PON splitting ratios. In addition, with a low code weight, both power consumption and hardware complexity decreases. The code performance was evaluated using mathematical models for two transmission formats - pulse position modulation (PPM) and on-off keying (OOK) modulation. The performance of EG-nMPC was compared to other prime codes, and the results show that the proposed code improves the performance of OCDMA in terms of bit-error rate (BER). As PON is a point-to-multipoint connection oriented access network, downstream traffic is encrypted and broadcast to all ONUs, while the unencrypted upstream traffic from each ONU terminal occurs in a burst mode. The OLT carries out a ranging process to determine transmission delays between ONUs, to prevent collisions between the burst mode traffic from each of the ONUs. In this research, the burst mode traffic ranging process has been replicated in the monitoring system, with this replication providing a fixed equalization delay time for the monitoring transmissions. To investigate the ring-and-spur LR-PON reliability several protection architectures were evaluated, in term of cost and availability, to determine the optimal protection architecture. In this thesis, the reliability parameter Failure Impact Robustness (FIR), has been used to calculate the failure impact of the different components in ring-and-spur LR-PON, hence selecting the optimal protection scheme. A PON-based optical communication system model was developed and the proposed EG-nMPC code was incorporated. Fibre split ratios of 32, 64 and 128, were considered in this study. The simulation results show that the EG-nMPC code improves the performance, efficiency and accuracy of the PON transmission monitoring system. To conclude, this research aims to enhance the PON performance by a fast detection of the fault and quick restoration. This research has contributed to knowledge by identifying a new and novel spreading code that is compatible with the different PON splitting ratios for OC monitoring techniques. By using the ranging process, a fixed equalization delay time has been assigned to each ONU to manage the upstream burst traffic. The spreading code has been implemented in a real-time simulation to show the status of each fibre link. The implementation was carried out based on 1-D tree topology system. However, the proposed EG-nMPC can be exploited to enable network monitoring that is based on hybrid 1D/2D coding. This coding is complementary with the structure of LR-PON as explained in section ‎8.2.3. In addition, with the use of the FIR parameter for the different components in the ring-and-spur architecture, an optimal protection scheme for both OLT and the ring (feeder fibre), has been nominated. This protection scheme ensures that protection, availability and cost are at their optimal values