Optical Performance Monitoring in High-speed Optical Communication Systems

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

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

Study of all-optical network monitoring techniques based on high resolution spectral measurement

En la presente tesis, "Estudio de técnicas todo ópticas de monitorización de redes basadas en medidas de alta resolución espectral", se resume el trabajo llevado a cabo por su autor, Pascual Sevillano Reyes, en la línea de investigación de espectroscopía óptica basada en Brillouin y fenómenos no lineales en fibras ópticas, dentro del Grupo de Tecnologías Fotónicas (GTF). Todo este trabajo se ha llevado a cabo en colaboración con la empresa Aragon Photonics Labs y bajo la supervisión de Jesús Subías Domingo y Asier Villafranca Velasco. A lo largo de la tesis se han estudiado novedosos métodos para abordar la medida de la degradación de la señal en dominio óptico. Debido a las ventajas que el análisis en dominio óptico presenta en comparación con el análisis en dominio eléctrico, la investigación se ha centrado en el análisis e identificación de los límites que presentan las técnicas en dominio óptico para el análisis de los fenómenos de degradación más comunes. En aras de aumentar la eficiencia espectral, los nuevos esquemas de modulación se han diseñado para codificar la información haciendo uso de las diferentes propiedades físicas de las ondas electromagnéticas. Se ha estudiado cómo la codificación de estas propiedades físicas en la señal afecta a su diferenciación con el ruido a la hora de distinguirlas con técnicas en dominio espectral. En estos esquemas avanzados se evalúa también la creciente necesidad de medir las distorsiones fruto de la despolarización de la señal. También se han presentado los nuevos retos que las técnicas de monitorización actuales y futuras deberán ser capaces de abordar. Con el fin de evaluar las limitaciones máximas que se pueden obtener con el análisis en dominio óptico, hemos empleado la difusión Brillouin estimulada como técnica de filtrado para resolver el espectro óptico. Debido a su alta resolución y su sensibilidad a la polarización, la técnica recupera la máxima cantidad de información que se puede extraer del espectro óptico. La tesis parte de una revisión de los distintos parámetros que se usan para monitorizar el estado y la degradación presentes en señales ópticas de comunicaciones. Se describen desde un principio los fenómenos físicos asociados a dichas distorsiones y cómo se relacionan con los parámetros de medida expuestos. Se presenta como herramienta fundamental de análisis la difusión de Brillouin estimulada (SBS), analizándose sus propiedades y dependencias de las que más tarde se hará uso. Desde un principio se muestra cómo la creciente multiplexación de información en distintas propiedades físicas de la señal acarrea una pérdida de grados de libertad a la hora de distinguirla con respecto del ruido, y por tanto se dificulta cada vez más la posibilidad de su diferenciación. A lo largo de la tesis se pone de manifiesto la necesidad de medir la distorsión de la señal fruto de la dispersión del vector de polarización debido a efectos como la PMD o efectos no lineales. En el segundo capítulo se abordan las medidas de la relación señal-ruido ópticas (OSNR). Basándonos en los principios fundamentales de la monitorización óptica de prestaciones, se persigue en este capítulo la medida de la distorsión de la señal a través de la información que se pueda recuperar en la capa física. Se analizan los problemas de medida asociados a la falta de resolución en esquemas de multiplexación ultra densa en longitud de onda, y las potenciales soluciones que brinda la alta resolución. Debido a su creciente implantación, se analizan los esquemas de modulación basados en múltiples portadoras con el objetivo de correlar la distorsión final obtenida en dominio eléctrico, con los datos que se puedan obtener en dominio óptico. Para tal propósito, se desarrolla un algoritmo para medir y aislar la potencia óptica de cada subportadora presente en la banda de modulación; se define un parámetro de OSNR para cada subportadora (SC-OSNR) y se correla con los valores de distorsión en dominio eléctrico. Se corrobora que la tendencia es la esperada y que la medida sirve para caracterizar la distorsión individual de cada subportadora sin necesidad de recurrir a una medida global. Basándose en las diferentes propiedades de polarización que presentan ruido y señal, se explican los métodos actuales de medida de ruido basados en supresión de la señal por polarización. Se explican las diferentes limitaciones que presentan estos métodos y cómo el propio filtrado basado en SBS puede actuar de elemento selectivo en polarización y longitud de onda simultáneamente. Se describe también un método para la medida de supresión de señal y medida de ruido dentro de banda, basado en dichas dependencias y en la modificación del estado de polarización de las distintas componentes espectrales de la señal, llegando finalmente a poder suprimir componentes de señal en rangos espectrales estrechos, y recuperando el valor real de ruido subyacente en la banda. En el tercer capítulo se presenta el análisis y medidas de la degradación de la polarización en la señal. Basándose en las dependencias de polarización del SBS, se describe cómo se ha llegado a desarrollar y patentar un sistema de medida del estado de polarización resuelto espectralmente para toda la banda C de comunicaciones. En el capítulo se muestran los fundamentos teóricos y los detalles técnicos del equipo resultante. Se presentan distintas pruebas para comprobar la resolución y fiabilidad de las medidas obtenidas con el sistema. Por último se muestran las prestaciones que permite alcanzar la técnica para medidas en distintos escenarios. Se muestra cómo la técnica permite una caracterización completa de cualquier distorsión debida a PMD, midiendo el estado de polarización de todas las componentes. Partiendo de estos datos se puede obtener también una supresión selectiva individualizada de las distintas componentes, usando el propio laser de bombeo para resolver el ruido subyacente. También se pode de manifiesto cómo los datos resultantes pueden servir para identificar si la distorsión presente en la polarización puede tener su origen en fenómenos no lineales, como la modulación cruzada de fase (XPM). Con los resultados obtenidos en los distintos escenarios se prueba la versatilidad de la medida. El objetivo en el capítulo cuarto es el planteamiento y estudio de nuevas técnicas de monitorización de OSNR, que puedan ser empleadas en esquemas basados en multiplexación de polarización. Para tal fin se analiza la coherencia que presentan las señales de tráfico real. Se profundiza en las distintas propiedades que presenta el espectro óptico instantáneo de una señal, en función de la aleatoriedad de la secuencia de bits transmitidos. Posteriormente, se observa la dinámica de los valores de potencia que sigue una componente espectral, cuando se transmiten señales con diferente grado de aleatoriedad definido en los estándares de modulación. Se comprueban, con simulaciones y ajustes, las dependencias esperadas y por último se muestran las limitaciones que presenta la técnica. El capítulo quinto recoge las siguientes conclusiones generales de la tesis. *El uso de U-DWDM y filtrado estrecho de canales dificulta la medida de OSNR basado en la identificación de señal y ruido en el espectro óptico. En estos escenarios, el poder resolutivo de la técnica de filtrado juega un papel muy importante, y el uso de ROADM exige un análisis exhaustivo y cuidadosos de las medidas obtenidas. El filtrado mediante difusión Brillouin estimulada presenta una gran ventaja en estos casos debido a su alta resolución espectral, aunque este filtrado estrecho lleve asociado una sensibilidad mermada que limita la medida de la densidad espectral del ruido. *El análisis de la distorsión en señales con formatos de modulación basados en múltiples portadoras no se puede llevar a cabo con la normativa estándar, ya que ésta fue diseñada para sistemas de modulación de portadora única. Para estos esquemas, el uso de la alta resolución presenta ventajas adicionales ya que permite la caracterización de otros parámetros de calidad de la modulación basándose en el espectro óptico de la misma. *El filtrado basado en difusión Brilluoin estimulada se puede usar para alcanzar una monitorización individualizada de las subportadoras involucradas en sistemas de modulación de múltiples portadoras tales como el OFDM. Se ha desarrollado un algoritmo con el fin de medir y aislar la potencia óptica de cada una de las diferentes subportadoras presentes, con estos datos hemos analizado la distorsión en la recepción y hemos hallado una relación entre las medidas obtenidas en dominio eléctrico y las resultantes de nuestro análisis . Basándonos en esta nueva definición, SC-OSNR, hemos conseguido medir las prestaciones de cada sub-portadora de manera individual. Esta caracterización abre la posibilidad al diseño atendiendo a la distorsión presente en cada sub-portador, en vez de basarse en una prestación media para toda la banda de modulación. *Cuando la señal y el ruido poseen el mismo ancho de banda en el espectro, se ha corroborado la imposibilidad de medir el ASE. En estos casos se puede usar la polarización para distinguir entre ambos. Haciendo uso de la sensibilidad a la polarización que presenta la difusión Brillouin estimulada, se puede obtener el OSNR dentro de la banda de la señal generando un cambio selectivo y de gran magnitud en el vector de polarización de las distintas componentes espectrales. Sin necesidad de un polarizador y haciendo uso de su alto poder resolutivo, el sistema puede suprimir selectivamente la contribución de las distintas componentes espectrales de la señal y revelar el ruido subyacente. *Mejorando el control del estado de la polarización del láser del bombeo en la difusión Brillouin estimulada, se ha desarrollado un novedoso método para la medida del estado de la polarización resuelto espectralmente. Basándonos en la resolución espectral de la difusión Brillouin estimulada y de la dependencia que presenta su ganancia con la polarización, se ha conseguido desarrollar una polarimetría espectral completa con la resolución del filtro basado en SBS. Sin necesidad de un alineamiento o conocimiento previo del estado de la señal, la técnica consigue resolver el estado de polarización de múltiples señales en rangos espectrales amplios sin sacrificar su alta resolución. *La polarización se puede usar para diferenciar entre señal y ruido siempre y cuando no se trate de un sistema basado en multiplexación de polarización. No obstante, la despolarización parcial de la señal asociada a fenómenos como la dispersión de modo de polarización (PMD) o como efectos no lineales, impide la medida por supresión. En estos casos, una medida corriente del grado de polarización o una simple proyección del estado de la señal sobre un polarizador se muestra insuficiente para poder identificar señal y ruido de acuerdo con su polarización. Sin embargo, una caracterización completa del estado de polarización, fruto de una polarimetría espectral de alta resolución, permite una cuantificación y clasificación de todos los fenómenos de distorsión asociados a polarización, a través de los valores de los estados de polarización de cada componente espectral, y su variación a lo largo el ancho de banda. *Los esquemas basados en multiplexación de la polarización impiden el uso de técnicas de medida de OSNR basadas en supresión de la polarización. Cuando la señal es modulada con dos secuencias de bits descorreladas en dos estados perpendiculares de polarización, presenta una aparente despolarización que hace que se asemeje en sus propiedades a las del ruido. Para estos casos se propone una técnica novedosa. Basándose en las medida de las densidad de potencia espectral instantánea y su dinámica, la técnica permite diferenciar entre la componente de señal y ruido, debido a la coherencia remanente que existe en la señal, fruto de la periodicidad de la estructura de datos presente. Aunque las medidas corroboran los supuestos presentados en las etapas de desarrollo iniciales, solo conseguimos tener éxito en aquellos casos donde el nivel de ruido era muy elevado y no se pudo llegar a medir valores significativos para considerarlo una técnica robusta

Digital signal processing for sensing in software defined optical networks

Optical networks are moving from static point-to-point to dynamic configurations, where transmitter parameters are adaptively changing to meet traffic demands. Dynamic network reconfigurability is achievable through software-defined transceivers, capable of changing the data-rate, overhead, modulation format and reach. Additionally, flexibility in the spectral allocation of channels ensures that the available resources are efficiently distributed, as the increase in fibre capacity has reached a halt. The complexity of such highly reconfigurable systems and cost of their maintenance increase exponentially. Implemented as part of digital signal processing of coherent receivers, sensing is an enabling technology for future software defined optical networks, as it makes possible to both control and optimise transmission parameters, as well as to manage faulty links and mitigate channel impairments in a cost-effective manner. Symbol-rate is one of the parameters most likely to adaptively change according to existing fibre impairments, such as optical signal-to-noise ratio or chromatic dispersion. A single-channel symbol-rate estimation technique is demonstrated initially, yielding a sufficient accuracy to distinguish between different typical error-correction overheads, in the presence of dispersion and white Gaussian noise. Further increasing the capacity over fibre to 1 Tb/s and beyond means moving towards superchannel configurations that employ Nyquist pulse shaping to increase spectral efficiency. Novel sensing techniques applicable to such information dense configurations, that can jointly monitor the channel bandwidth, frequency offset, optical signal-to-noise ratio and chromatic dispersion are proposed and demonstrated herein. Based on time-domain and frequency-domain functions derived from the theory of cyclostationarity, the performance of this joint estimator is investigated with respect to a wide range of parameters. The required acquisition time of the receiver is approximately 6.55 μs, three orders of magnitude faster compared to the round-trip time in core networks. The pulse shaping at the transmitter limits the performance of this estimator, unless the excess bandwidth is 30% of the symbol-rate, or more

A Tutorial on Machine Learning for Failure Management in Optical Networks

Failure management plays a role of capital importance in optical networks to avoid service disruptions and to satisfy customers' service level agreements. Machine learning (ML) promises to revolutionize the (mostly manual and human-driven) approaches in which failure management in optical networks has been traditionally managed, by introducing automated methods for failure prediction, detection, localization, and identification. This tutorial provides a gentle introduction to some ML techniques that have been recently applied in the field of the optical-network failure management. It then introduces a taxonomy to classify failure-management tasks and discusses possible applications of ML for these failure management tasks. Finally, for a reader interested in more implementative details, we provide a step-by-step description of how to solve a representative example of a practical failure-management task

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 this paper proposing new possible research directions

Compensação digital de distorções da fibra em sistemas de comunicação óticos de longa distância

The continuous increase of traffic demand in long-haul communications motivated the network operators to look for receiver side techniques to mitigate the nonlinear effects, resulting from signal-signal and signal-noise interaction, thus pushing the current Capacity boundaries. Machine learning techniques are a very hot-topic with given proofs in the most diverse applications. This dissertation aims to study nonlinear impairments in long-haul coherent optical links and the current state of the art in DSP techniques for impairment mitigation as well as the integration of machine learning strategies in optical networks. Starting with a simplified fiber model only impaired by ASE noise, we studied how to integrate an ANN-based symbol estimator into the signal pipeline, enabling to validate the implementation by matching the theoretical performance. We then moved to nonlinear proof of concept with the incorporation of NLPN in the fiber link. Finally, we evaluated the performance of the estimator under realistic simulations of Single and Multi- Channel links in both SSFM and NZDSF fibers. The obtained results indicate that even though it may be hard to find the best architecture, Nonlinear Symbol Estimator networks have the potential to surpass more conventional DSP strategies.O aumento contínuo de tráfego nas comunicações de longo-alcance motivou os operadores de rede a procurar técnicas do lado do receptor para atenuar os efeitos não lineares resultantes da interacção sinal-sinal e sinal-ruído, alargando assim os limites da capacidade do sistema. As técnicas de aprendizagem-máquina são um tópico em ascenção com provas dadas nas mais diversas aplicações e setores. Esta dissertação visa estudar as principais deficiências nas ligações de longo curso e o actual estado da arte em técnicas de DSP para mitigação das mesmas, bem como a integração de estratégias de aprendizagem-máquina em redes ópticas. Começando com um modelo simplificado de fibra apenas perturbado pelo ruído ASE, estudámos como integrar um estimador de símbolos baseado em ANN na cadeia do prodessamento de sinal, conseguindo igualar o desempenho teórico. Procedemos com uma prova de conceito perante não linearidades com a incorporação do ruído de fase não linear na propagação. Finalmente, avaliamos o desempenho do estimador com simulações realistas de links Single e Multi canal tanto em fibras SSFM como NZDSF. Os resultados obtidos indicam que apesar da dificuldade de encontrar a melhor arquitectura, a estimação não linear baseada em redes neuronais têm o potencial para ultrapassar estratégias DSP mais convencionais.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

Técnicas alternativas para amplificação de Raman em telecomunicações

Doutoramento em FísicaO presente trabalho centra-se no estudo dos amplificadores de Raman em fibra ótica e suas aplicações em sistemas modernos de comunicações óticas. Abordaram-se tópicos específicos como a simulação espacial do amplificador de Raman, a equalização e alargamento do ganho, o uso de abordagens híbridas de amplificação através da associação de amplificadores de Raman em fibra ótica com amplificadores de fibra dopada com Érbio (EDFA) e os efeitos transitórios no ganho dos amplificadores. As actividades realizadas basearam-se em modelos teóricos, sendo os resultados validados experimentalmente. De entre as contribuições mais importantes desta tese, destaca-se (i) o desenvolvimento de um simulador eficiente para amplificadores de Raman que suporta arquitecturas de bombeamento contraprogantes e bidirecionais num contexto com multiplexagem no comprimento de onda (WDM); (ii) a implementação de um algoritmo de alocação de sinais de bombeamento usando a combinação do algoritmo genético com o método de Nelder- Mead; (iii) a apreciação de soluções de amplificação híbridas por associação dos amplificadores de Raman com EDFA em cenários de redes óticas passivas, nomeadamente WDM/TDM-PON com extensão a região espectral C+L; e (iv) a avaliação e caracterização de fenómenos transitórios em amplificadores para tráfego em rajadas/pacotes óticos e consequente desenvolvimento de soluções de mitigação baseadas em técnicas de clamping ótico.The present work is based on Raman Fiber Amplifiers and their applications in modern fiber communication systems. Specific topics were approached, namely the spatial simulation of Raman fiber amplifiers, the gain enlargement and equalization the use of hybrid amplification approaches by association of Raman amplifiers with Erbium doped fiber amplifiers (EDFA) and the transient effect on optical amplifiers gain. The work is based on theoretical models, being the obtained results validated experimentally. Among the main contributions, we remark: (i) the development of an efficient simulator for Raman fiber amplifiers that supports backward and bidirectional pumping architectures in a wavelength division multiplexing (WDM) context; (ii) the implementation of an algorithm to obtain enlargement and equalization of gain by allocation of pumps based on the association of the genetic algorithm with the Nelder-Mead method; (iii) the assessment of hybrid amplification solutions using Raman amplifiers and EDFA in the context of passive optical networks, namely WDM/TDM-PON with extension the C+L spectral bands; (iv) the assessment and characterization of transient effects on optical amplifiers with bursty/packeted traffic and the development of mitigation solutions based on optical clamping