Estimation and detection of transmission line characteristics in the copper access network

The copper access-network operators face the challenge of developing and maintaining cost-effective digital subscriber line (DSL) services that are competitive to other broadband access technologies. The way forward is dictated by the demand of ever increasing data rates on the twisted-pair copper lines. To meet this demand, a relocation of the DSL transceivers in cabinets closer to the customers are often necessary combined with a joint expansion of the accompanying optical-fiber backhaul network. The equipment of the next generation copper network are therefore becoming more scattered and geographically distributed, which increases the requirements of automated line qualification with fault detection and localization. This scenario is addressed in the first five papers of this dissertation where the focus is on estimation and detection of transmission line characteristics in the copper access network. The developed methods apply model-based optimization with an emphasis on using low-order modeling and a priori information of the given problem. More specifically, in Paper I a low-order and causal cable model is derived based on the Hilbert transform. This model is successfully applied in three contributions of this dissertation. In Paper II, a class of low-complexity unbiased estimators for the frequency-dependent characteristic impedance is presented that uses one-port measurements only. The so obtained characteristic impedance paves the way for enhanced time domain reflectometry (a.k.a. TDR) on twisted-pair lines. In Paper III, the problem of estimating a nonhomogeneous and dispersive transmission line is investigated and a space-frequency optimization approach is developed for the DSL application. The accompanying analysis shows which parameters are of interest to estimate and further suggests the introduction of the concept capacitive length that overcomes the necessity of a priori knowledge of the physical line length. In Paper IV, two methods are developed for detection and localization of load coils present in so-called loaded lines. In Paper V, line topology identification is addressed with varying degree of a priori information. In doing so, a model-based optimization approach is employed that utilizes multi-objective evolutionary computation based on one/two-port measurements. A complement to transceiver relocation that potentially enhances the total data throughput in the copper access network is dynamic spectrum management (DSM). This promising multi-user transmission technique aims at maximizing the transmission rates, and/or minimizing the power consumption, by mitigating or cancelling the dominating crosstalk interference between twisted-pair lines in the same cable binder. Hence the spectral utilization is improved by optimizing the transmit signals in order to minimize the crosstalk interference. However, such techniques rely on accurate information of the (usually) unknown crosstalk channels. This issue is the main focus of Paper VI and VII of this dissertation in which Paper VI deals with estimation of the crosstalk channels between twisted-pair lines. More specifically, an unbiased estimator for the square-magnitude of the crosstalk channels is derived from which a practical procedure is developed that can be implemented with standardized DSL modems already installed in the copper access network. In Paper VII the impact such a non-ideal estimator has on the performance of DSM is analyzed and simulated. Finally, in Paper VIII a novel echo cancellation algorithm for DMT-based DSL modems is presented

Contribution to the development of new photonic systems for fiber optic sensing applications

En este trabajo de doctorado se presentan nuevos sistemas y subsistemas de sensores de fibra óptica. Así, se proponen y desarrollan nuevas técnicas, componentes y tecnologías basadas en láseres de fibra con espejos distribuidos (random), fibras de cristal fotónico, estructuras de luz lenta, multiplexores de inserción y extracción (add and drop), conmutadores tele-alimentados por luz, reflectometría óptica tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia o filtros ópticos reconfigurables. También se han demostrado nuevas aplicaciones para estructuras de sensores tradicionales y técnicas de medida ya conocidas. Todas ellas dirigidas a la mejora del funcionamiento de los actuales transductores, redes de sensores y aplicaciones de monitorización de salud estructural. De este modo, y en primer lugar, se han desarrollado nuevos transductores puntuales. En concreto, dos sensores interferométricos basados en fibras de cristal fotónico y otro basado en una estructura resonante en anillo. También se han realizado diferentes redes de sensores utilizando OTDRs comerciales. Por un lado, se han multiplexado diferentes sensores utilizando una red en forma de bus y, por el otro, se ha interrogado de manera remota un sensor FLM/LPG a una distancia de 253 km sin necesidad de amplificación. Se han estudiado láseres basados en efecto de realimentación distribuida random (RDFB) para su uso en interrogación de sensores. Para ello, se han demostrado dos nuevos láseres multi-longitud de onda y también, por primera vez, se ha modulado un laser random. Después, se han demostrado experimentalmente varias redes de sensores de fibra óptica teniendo en cuenta los principales desafíos que estas presentan: multiplexar varios sensores en una misma red y permitir su monitorización de manera remota. En primer lugar, se han multiplexado sensores basados en la modulación de la intensidad óptica utilizando técnicas de multiplexación en dominio del tiempo. En segundo lugar, se han multiplexado sensores basados en fibras de cristal fotónico. En tercer lugar, se presentan tres nuevos métodos para la medida remota de sensores. Por último, se incluye la demostración de un conmutador de fibra óptica tele-alimentado a través de luz. Éste se utiliza en tres redes diferentes para añadir robustez e incrementar la versatilidad en la multiplexación. Finalmente, se han realizado tres pruebas de campo para aplicaciones de monitorización de salud estructural.In this PhD work, different new photonic systems and subsystems for fiber optic sensing are presented. The aim of this thesis has been to contribute to the fiber optic sensors field using modern techniques, components and technologies such as random fiber lasers, photonic crystal fibers, slow light structures, add and drop multiplexers, powered by light switches, optical frequency and time domain reflectometry or reconfigurable optical filters, among others. New applications of traditional sensing structures or techniques have been also demonstrated. All of them focused on improving the performance of current sensors transducers, multiplexing networks and structural health monitoring applications. Thus, new point transducers have been developed: two of them are interferometric sensors based on photonic crystal fibers; and another one is based on a fiber ring resonator structure. Fiber optic sensor networks using commercial OTDRs have been also explored. On the one hand, different sensors have been successfully multiplexed in the same bus network. And, on the other hand, a FLM/LPG sensor was remotely interrogated at a distance of 253 km without using amplification. Random distributed feedback (RDFB) lasers have been explored for sensors interrogation. Two multi-wavelength Raman fiber lasers suitable for sensors interrogation have been demonstrated. Also, a random fiber laser has been internally modulated for the first time. Then, some experimental demonstrations of fiber optic sensors networks have been carried out taking into account the principal challenges they pose: multiplexing a number of optical sensors in a single networks, and enabling the possibility of remote sensing. Firstly, intensity sensors using TDM technology have been multiplexed. Secondly, PCF sensors have been successfully multiplexed. Thirdly, three new approaches to enable remote sensing are presented. Finally, a remote powered by light fiber optic switch have been included in three networks in order to add robustness and multiplexing versatility.Este trabajo se ha llevado a cabo gracias a las aportaciones económicas recibidas de los siguientes organismos, entre otros: - Secretaría de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación, Ministerio de Economía y Competitividad de España a través del programa de Formación del Personal Investigador y asociado al proyecto de investigación TEC2010-20224-C02-01. - Universidad Pública de Navarra mediante las ayudas a tesis doctorares. - Acción Europea COST- TD1001: Novel and Reliable Optical Fibre Sensor Systems for Future Security and Safety Applications (OFSeSa) - También se ha recibido financiación del Proyecto de Investigación de la Secretaría de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación, Ministerio de Economía y Competitividad de España TEC2013-47264-C2-2-R, de Innocampus, del Proyecto Europeo SUDOE-ECOAL-Intereg Project ECOAL-MGT y de los Fondos FEDER.Programa Oficial de Doctorado en Tecnologías de las Comunicaciones (RD 1393/2007)Komunikazioen Teknologietako Doktoretza Programa Ofiziala (ED 1393/2007

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

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

Multimode fibre broadband access and self-referencing sensor networks

Future Internet Access technologies are supposed to bring us a very performing connection to the main door of our homes. At the same time, new services and devices and their increase use will require data transfers at speeds exceeding 1Gbps inside the building or home at the horizon 2012. Both drivers lead to the deployment of a high-quality, futureproof network inside buildings and homes. This environment may end up taking advantage of optical cabling solutions as an alternative to more traditional copper or pure wireless approaches. Related to this latter fact, the objectives of this work are: • The achievement of a full convergence scenario between optical networks from the telecommunication services providers to the end users underscores the necessity of accurate and realistic fibre models in assessing the performance of broadband access networks with the premises of high-capacity and total compatibility. Silicabased MMFs and PF GIPOFs are the most promising candidates for such a convergence within the in-building/home scenario. Contributions to a better understanding of the possibilities of signal transmission outside the baseband of such fibres are investigated, in order to extend their capabilities, together with the evaluation of current fibre frequency response theoretical models by means of an extensive set of measurements. • The achievement of a full convergence scenario between optical networks from the telecommunication services providers to the end users is also contingent on research and development in the field of optical fibre sensors, mainly driven by the growing demand of fully building/home and industry automation, leading to a reliable integration of the optical networks. Related to this, development of multiplexing and measurement techniques for fibre-optic intensity-based sensors are analyzed and experimentally investigated. In the sensor network topology proposed, by replacing the fibre delay line with an electronic delay in the reception stage, it is possible to avoid long fibre delay coils in the remote sensing points and achieving a compact, flexible and re-configurable self-referencing technique. Applications in both scenarios can be considered, on the one hand the in-building/home network and on the other hand the WDM-PON access network topology through which operators provision the different services. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------La demanda e incursión en la sociedad de nuevos servicios multimedia, tales como televisión por Internet (IPTV, Internet Protocol Television) o video-bajo-demanda (VoD, Video on Demand) junto con el incremento del tráfico de datos requerido para nuevas aplicaciones como la televisión por alta definición (HDTV, High-Definition Television) y transferencias P2P (Peer-to-Peer) exigen un aumento de la capacidad de las redes de datos desplegadas hoy en día. Para hacer frente a este aumento de la demanda de capacidad de las redes de acceso, los proveedores de estos servicios multimedia están reemplazando las infraestructuras de las redes de acceso basadas en cable coaxial, tales como xDSL (x- Digital Subscriber Line), por otras nuevas de mayor capacidad desplegadas en fibra óptica, permitiendo la interconexión de los nodos de red con los múltiples hogares y negocios de los abonados, constituyendo el núcleo de lo que es conocido como “fibra hasta el hogar/nodo/edificio” o redes FTTx. Tradicionalmente el despliegue de las redes ópticas se ha realizado mediante fibra óptica monomodo de sílice (SMF, Singlemode Fibre). Ello es debido a su gran ancho de banda que permite una gran capacidad de transporte de servicios y datos. Es por ello que en base a este tipo de fibra se ha realizado el despliegue de redes de distribución y metropolitanas y, de un tiempo a esta parte, incluso penetrando su instalación en las redes de acceso. Junto con lo anteriormente expuesto, existe una necesidad de convergencia de servicios e infraestructuras dentro de las redes de acceso. Actualmente, cables coaxiales, par trenzado de cobre e incluso señales inalámbricas se encuentran entremezcladas dentro del hogar proporcionando servicios diferentes con apenas cooperación entre ellos. Una infraestructura común dentro del hogar en el que una gran cantidad de servicios pudieran ser integrados y soportados por la misma sería un aspecto deseable. Y es más, frente a las desventajas de infraestructuras basadas en cable de cobre (cable coaxial y par trenzado) como son susceptibilidad a interferencias electromagnéticas, presencia de crosstalk y relativa baja capacidad de transporte de datos, las fibras ópticas (tanto en su versión monomodo como multimodo) presentan las ventajas de un menor volumen, mayor flexibilidad y menor peso junto con una capacidad mayor de transmisión de datos sobre distancias mayores. Es por esto que éstas últimas constituyen la base para las futuras redes de acceso en el hogar

Industrial Applications: New Solutions for the New Era

This book reprints articles from the Special Issue "Industrial Applications: New Solutions for the New Age" published online in the open-access journal Machines (ISSN 2075-1702). This book consists of twelve published articles. This special edition belongs to the "Mechatronic and Intelligent Machines" section

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

Propuesta De Diseño De Red De Datos Para La Empresa Bata En El Distrito De Miraflores

El proyecto tiene como objetivo diseñar un “Modelo de Red de Datos” como apoyo a las dependencias administrativas de la Empresa BATA, y la necesidad de aplicar políticas de seguridad y administración a todos los usuarios de la red LAN, lo cual resulta una tarea compleja en la tecnología actual pero se puede resolver aplicando diversas tecnologías y equipos de red ideales para el diseño que se quiere lograr, el presente modelo de red se propone para cumplir con los requerimientos de la Empresa en cuanto a Costo y Fidelidad. En la actualidad la necesidad de las empresas de contar con un diseño de Red confiable, seguro y eficiente para la transmisión de datos es un tema de mucha importancia debido a que las empresas requieren la interconectividad de todos sus dispositivos de red dentro de un determinado lugar y también al exterior a través de Internet, teniendo más facilidades y beneficios para la empresa. La estructura que hemos seguido en este proyecto se compone de 3 capítulos. El Primer Capítulo comprende el Planteamiento del Problema, el Segundo Capítulo el Desarrollo del marco teórico y el tercer capítulo corresponde al desarrollo del Proyecto.Trabajo de suficiencia profesiona