Towards all-optical label switching nodes with multicast

Fiber optics has developed so rapidly during the last decades that it has be- come the backbone of our communication systems. Evolved from initially static single-channel point-to-point links, the current advanced optical backbone net- work consists mostly of wavelength-division multiplexed (WDM) networks with optical add/drop multiplexing nodes and optical cross-connects that can switch data in the optical domain. However, the commercially implemented optical net- work nodes are still performing optical circuit switching using wavelength routing. The dedicated use of wavelength and infrequent recon¯guration result in relatively poor bandwidth utilization. The success of electronic packet switching has inspired researchers to improve the °exibility, e±ciency, granularity and network utiliza- tion of optical networks by introducing optical packet switching using short, local optical labels for forwarding decision making at intermediate optical core network nodes, a technique that is referred to as optical label switching (OLS). Various research demonstrations on OLS systems have been reported with transparent optical packet payload forwarding based on electronic packet label processing, taking advantage of the mature technologies of electronic logical cir- cuitry. This approach requires optic-electronic-optic (OEO) conversion of the op- tical labels, a costly and power consuming procedure particularly for high-speed labels. As optical packet payload bit rate increases from gigabit per second (Gb/s) to terabit per second (Tb/s) or higher, the increased speed of the optical labels will eventually face the electronic bottleneck, so that the OEO conversion and the electronic label processing will be no longer e±cient. OLS with label processing in the optical domain, namely, all-optical label switching (AOLS), will become necessary. Di®erent AOLS techniques have been proposed in the last ¯ve years. In this thesis, AOLS node architectures based on optical time-serial label processing are presented for WDM optical packets. The unicast node architecture, where each optical packet is to be sent to only one output port of the node, has been in- vestigated and partially demonstrated in the EU IST-LASAGNE project. This thesis contributes to the multicast aspects of the AOLS nodes, where the optical packets can be forwarded to multiple or all output ports of a node. Multicast capable AOLS nodes are becoming increasingly interesting due to the exponen- tial growth of the emerging multicast Internet and modern data services such as video streaming, high de¯nition TV, multi-party online games, and enterprise ap- plications such as video conferencing and optical storage area networks. Current electronic routers implement multicast in the Internet protocol (IP) layer, which requires not only the OEO conversion of the optical packets, but also exhaus- tive routing table lookup of the globally unique IP addresses. Despite that, there has been no extensive studies on AOLS multicast nodes, technologies and tra±c performance, apart from a few proof-of-principle experimental demonstrations. In this thesis, three aspects of the multicast capable AOLS nodes are addressed: 1. Logical design of the AOLS multicast node architectures, as well as func- tional subsystems and interconnections, based on state-of-the-art literature research of the ¯eld and the subject. 2. Computer simulations of the tra±c performance of di®erent AOLS unicast and multicast node architectures, using a custom-developed AOLS simulator AOLSim. 3. Experimental demonstrations in laboratory and computer simulations using the commercially available simulator VPItransmissionMakerTM, to evaluate the physical layer performance of the required all-optical multicast technolo- gies. A few selected multi-wavelength conversion (MWC) techniques are particularly looked into. MWC is an essential subsystem of the AOLS node for realizing optical packet multicast by making multiple copies of the optical packet all-optically onto di®er- ent wavelengths channels. In this thesis, theMWC techniques based on cross-phase modulation and four-wave mixing are extensively investigated. The former tech- nique o®ers more wavelength °exibility and good conversion e±ciency, but it is only applicable to intensity modulated signals. The latter technique, on the other hand, o®ers strict transparency in data rate and modulation format, but its work- ing wavelengths are limited by the device or component used, and the conversion e±ciency is considerably lower. The proposals and results presented in this thesis show feasibility of all-optical packet switching and multicasting at line speed without any OEO conversion and electronic processing. The scalability and the costly optical components of the AOLS nodes have been so far two of the major obstacles for commercialization of the AOLS concept. This thesis also introduced a novel, scalable optical labeling concept and a label processing scheme for the AOLS multicast nodes. The pro- posed scheme makes use of the spatial positions of each label bit instead of the total absolute value of all the label bits. Thus for an n-bit label, the complexity of the label processor is determined by n instead of 2n

Application of advanced on-board processing concepts to future satellite communications systems: Bibliography

Abstracts are presented of a literature survey of reports concerning the application of signal processing concepts. Approximately 300 references are included

Minimizing internal speedup for performance guaranteed optical packet switches

Providing QoS guarantee for Internet services is very important It evokes the issue that packet switches should provide guaranteed performance (i.e. 100% throughput with bounded worst-case delay). Optical switching technology is widely considered as an excellent solution for packet switches in future networks. However, to achieve guaranteed performance in optical packet switches, an internal speedup is required due to the existence of reconfiguration overhead. How to reduce the internal speedup is the main concern for making these switches practical In this paper, we first derive the internal speedup S as a function of the number of switch configurations N S and the reconfiguration overhead δ, or S=f(N S,δ). We show that the recently proposed ADJUST algorithm is flawed. Based on the internal speedup function we derived, a new algorithm (ADAPTIVE), with time complexity of O((λ-l)N 2logN), is proposed to minimize S. © 2004 IEEE.published_or_final_versio

Stochastic Control for Cooperative Cyber-Physical Networking

Die stetig fortschreitende Digitalisierung erlaubt einen immer autonomeren und intelligenteren Betrieb von Produktions- und Fertigungslinien, was zu einer stärker werdenden Verzahnung der physikalischen Prozesse und der Software-Komponenten zum Überwachen, Steuern und Messen führt. Cyber-physische Systeme (CPS) spielen hierbei eine Schlüsselrolle, indem sie sowohl die physikalischen als auch die Software-Komponenten zu einem verteilten System zusammenfassen, innerhalb dessen Umgebungszustände, Messwerte und Steuerbefehle über ein Kommunikationsnetzwerk ausgetauscht werden. Die Verfügbarkeit von kostengünstigen Geräten und die Möglichkeit bereits existierende Infrastruktur zu nutzen sorgen dafür, dass auch innerhalb von CPS zunehmend auf den Einsatz von Standard-Netzen auf Basis von IEEE 802.3 (Ethernet) und IEEE 802.11 (WLAN) gesetzt wird. Nachteilig bei der Nutzung von Standard-Netzen sind jedoch auftretende Dienstgüte-Schwankungen, welche aus der gemeinsamen Nutzung der vorhandenen Infrastruktur resultieren und für die Endsysteme in Form von sich ändernden Latenzen und Daten- und Paketverlustraten sichtbar werden. Regelkreise sind besonders anfällig für Dienstgüte-Schwankungen, da sie typischerweise isochrone Datenübertragungen mit festen Latenzen benötigen, um die gewünschte Regelgüte zu garantieren. Für die Vernetzung der einzelnen Komponenten, das heißt von Sensorik, Aktorik und Regler, setzt man daher klassischerweise auf Lösungen, die diese Anforderungen erfüllen. Diese Lösungen sind jedoch relativ teuer und unflexibel, da sie den Einsatz von spezialisierten Netzwerken wie z.B. Feldbussen benötigen oder über komplexe, speziell entwickelte Kommunikationsprotokolle realisiert werden wie sie beispielsweise die Time-Sensitive Networking (TSN) Standards definieren. Die vorliegende Arbeit präsentiert Ergebnisse des interdisziplinären Forschungsprojekts CoCPN:Cooperative Cyber-Physical Networking, das ein anderes Konzept verfolgt und explizit auf CPS abzielt, die Standard-Netze einsetzen. CoCPN benutzt einen neuartigen, kooperativen Ansatz um i) die Elastizität von Regelkreisen innerhalb solcher CPS zu erhöhen, das heißt sie in die Lage zu versetzen, mit den auftretenden Dienstgüte-Schwankungen umzugehen, und ii) das Netzwerk über die Anforderungen der einzelnen Regler in Kenntnis zu setzen. Kern von CoCPN ist eine verteilte Architektur für CPS, welche es den einzelnen Regelkreisen ermöglicht, die verfügbare Kommunikations-Infrastruktur gemeinsam zu nutzen. Im Gegensatz zu den oben genannten Lösungen benötigt CoCPN dafür keine zentrale Instanz mit globaler Sicht auf das Kommunikationssystem, sodass eine enge Kopplung an die Anwendungen vermieden wird. Stattdessen setzt CoCPN auf eine lose Kopplung zwischen Netzwerk und Regelkreisen, realisiert in Form eines Austauschs von Meta-Daten über den sog. CoCPN-Translator. CoCPN implementiert ein Staukontrollverfahren, welches den typischen Zusammenhang zwischen erreichbarer Regelgüte und Senderate ausnutzt: die erreichbare Regelgüte steigt mit der Senderate und umgekehrt. Durch Variieren der zu erreichenden Regelgüte kann das Sendeverhalten der Regler so eingestellt werden, dass die vorhandenen Kommunikations-Ressourcen optimal ausgenutzt und gleichzeitig Stausituationen vermieden werden. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den regelungstechnischen Fragestellungen innerhalb von CoCPN. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Entwurf und der Analyse von Algorithmen, die auf Basis der über den CoCPN-Translator ausgetauschten Meta-Daten die notwendige Elastizität liefern und es dadurch den Reglern ermöglichen, schnell auf Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte zu reagieren. Dazu ist es notwendig, dass den Reglern ein Modell zur Verfügung gestellt wird, dass die Auswirkungen von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte erfasst. Im ersten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung eines existierenden Modellierungs-Ansatzes vorgestellt, dessen Grundidee es ist, sowohl die Dynamik der Regelstrecke als auch den Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten durch ein hybrides System darzustellen. Hybride Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl kontinuierlich- als auch diskretwertige Zustandsvariablen besitzen. Unsere vorgestellte Erweiterung ist in der Lage, Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte abzubilden und ist nicht auf eine bestimmte probabilistische Darstellung der auftretenden Verzögerungen und Paketverluste beschränkt. Zusätzlich verzichtet unsere Erweiterung auf die in der Literatur übliche Annahme, dass Quittungen für empfangene Datenpakete stets fehlerfrei und mit vernachlässigbarer Latenz übertragen werden. Verglichen mit einem Großteil der verwandten Arbeiten, ermöglichen uns die genannten Eigenschaften daher eine realistischere Berücksichtigung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte. Mit dem entwickelten Modell kann der Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte prädiziert werden. Auf Basis dieser Prädiktion können Stellgrößen dann mit Methoden der stochastischen modellprädiktiven Regelung (stochastic model predictive control) berechnet werden. Unsere realistischere Betrachtung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte führt hierbei zu einer gegenseitigen Abhängigkeit von Regelung und Schätzung. Zur Berechnung der Stellgrößen muss der Regler den Zustand der Strecke aus den empfangenen Messungen schätzen. Die Qualität dieser Schätzungen hängt von den berechneten Stellgrößen und deren Auswirkung auf die Regelstrecke ab. Umgekehrt beeinflusst die Qualität der Schätzungen aber maßgeblich die Qualität der Stellgrößen: Ist der Schätzfehler gering, kann der Regler bessere Entscheidungen treffen. Diese gegenseitige Abhängigkeit macht die Berechnung von optimalen Stellgrößen unmöglich und bedingt daher die Fokussierung auf das Erforschen von approximativen Ansätzen. Im zweiten Teil dieser Arbeit stellen wir zwei neuartige Verfahren für die stochastische modellprädiktive Regelung über Netzwerke vor. Im ersten Verfahren nutzen wir aus, dass bei hybriden System oft sogenannte multiple model-Algorithmen zur Zustandsschätzung verwendet werden, welche den geschätzten Zustand in Form einer Gaußmischdichte repräsentieren. Auf Basis dieses Zusammenhangs und einer globalen Approximation der Kostenfunktion leiten wir einen Algorithmus mit geringer Komplexität zur Berechnung eines (suboptimalen) Regelgesetzes her. Dieses Regelgesetz ist nichtlinear und ergibt sich aus der gewichteten Kombination mehrerer unterlagerter Regelgesetze. Jedes dieser unterlagerten Regelgesetze lässt sich dabei als lineare Funktion genau einer der Komponenten der Gaußmischdichte darstellen. Unser zweites vorgestelltes Verfahren besitzt gegensätzliche Eigenschaften. Das resultierende Regelgesetz ist linear und basiert auf einer Approximation der Kostenfunktion, welche wir nur lokal, das heißt nur in der Umgebung einer erwarteten Trajektorie des geregelten Systems, berechnen. Diese Trajektorie wird hierbei durch die Prädiktion einer initialen Zustandsschätzung über den Optimierungshorizont gewonnen. Zur Berechnung des Regelgesetzes schlagen wir dann einen iterativen Algorithmus vor, welcher diese Approximation durch wiederholtes Optimieren der System-Trajektorie verbessert. Simulationsergebnisse zeigen, dass unsere neuartigen Verfahren eine signifikant höhere Regelgüte erzielen können als verwandte Ansätze aus der Literatur. Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich erneut mit dem hybriden System aus dem ersten Teil. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Netzwerk-Modelle, das heißt die verwendeten probabilistischen Beschreibungen der Verzögerungen und Paketverluste, werden vom CoCPN-Translator auf Grundlage von im Netzwerk gesammelten Status-Informationen erzeugt. Diese Status-Informationen bilden jedoch stets nur Ausschnitte ab und können nie exakt den "Zustand” des Netzwerks repräsentieren. Dementsprechend können die resultierenden Netzwerk-Modelle nicht als fehlerfrei erachtet werden. In diesem Teil der Arbeit untersuchen wir daher den Einfluss möglicher Fehler in den Netzwerk-Modellen auf die zu erwartende Regelgüte. Weiterhin gehen wir der Frage nach der Existenz von Reglern, die robust gegenüber solchen Fehlern und Unsicherheiten sind, nach. Dazu zeigen wir zunächst, dass sich Fehler in den Netzwerk-Modellen immer als eine polytopische Parameter-Unsicherheit im hybriden System aus dem ersten Teil manifestieren. Für solche polytopischen hybride System leiten wir dann eine sowohl notwendige als auch hinreichende Stabilitätsbedingung her, was einen signifikanten Beitrag zur Theorie der hybriden Systeme darstellt. Die Auswertung dieser Bedingung erfordert es zu bestimmen, ob der gemeinsame Spektralradius (joint spectral radius) einer Menge von Matrizen kleiner als eins ist. Dieses Entscheidungsproblem ist bekanntermaßen NP-schwer, was die Anwendbarkeit der Stabilitätsbedingung stark limitiert. Daher präsentieren wir eine hinreichende Stabilitätsbedingung, die in polynomieller Zeit überprüft werden kann, da sie auf der Erfüllbarkeit von linearen Matrixungleichungen basiert. Schließlich zeigen wir, dass die Existenz eines Reglers, der die Stabilität des betrachteten polytopischen hybriden Systems garantiert, von der Erfüllbarkeit einer ähnlichen Menge von Matrixungleichungen bestimmt wird. Diese Ungleichungen sind weniger restriktiv als die bisher in der Literatur bekannten, was die Synthese von weniger konservativen Reglern erlaubt. Schließlich zeigen wir im letzten Teil dieser Arbeit die Anwendbarkeit des kooperativen Konzepts von CoCPN in Simulations-Szenarien, in denen stark ausgelastete Netzwerk-Ressourcen mit anderen Anwendungen geteilt werden müssen. Wir demonstrieren, dass insbesondere das Zusammenspiel unserer modellprädiktiven Verfahren mit dem Staukontrollverfahren von CoCPN einen zuverlässigen Betrieb der Regelkreise ohne unerwünschte Einbußen der Regelgüte auch dann ermöglicht, wenn sich die Kommunikationsbedingungen plötzlich und unvorhergesehen ändern. Insgesamt stellt unsere Arbeit somit einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einem flächendeckenden Einsatz von Standard-Netzen als flexible und adaptive Basis für industrielle CPS dar

An Information-Theoretic Framework for Consistency Maintenance in Distributed Interactive Applications

Distributed Interactive Applications (DIAs) enable geographically dispersed users to interact with each other in a virtual environment. A key factor to the success of a DIA is the maintenance of a consistent view of the shared virtual world for all the participants. However, maintaining consistent states in DIAs is difficult under real networks. State changes communicated by messages over such networks suffer latency leading to inconsistency across the application. Predictive Contract Mechanisms (PCMs) combat this problem through reducing the number of messages transmitted in return for perceptually tolerable inconsistency. This thesis examines the operation of PCMs using concepts and methods derived from information theory. This information theory perspective results in a novel information model of PCMs that quantifies and analyzes the efficiency of such methods in communicating the reduced state information, and a new adaptive multiple-model-based framework for improving consistency in DIAs. The first part of this thesis introduces information measurements of user behavior in DIAs and formalizes the information model for PCM operation. In presenting the information model, the statistical dependence in the entity state, which makes using extrapolation models to predict future user behavior possible, is evaluated. The efficiency of a PCM to exploit such predictability to reduce the amount of network resources required to maintain consistency is also investigated. It is demonstrated that from the information theory perspective, PCMs can be interpreted as a form of information reduction and compression. The second part of this thesis proposes an Information-Based Dynamic Extrapolation Model for dynamically selecting between extrapolation algorithms based on information evaluation and inferred network conditions. This model adapts PCM configurations to both user behavior and network conditions, and makes the most information-efficient use of the available network resources. In doing so, it improves PCM performance and consistency in DIAs

Architectures and protocols for sub-wavelength optical networks: contributions to connectionless and connection-oriented data transport

La ràpida evolució d’Internet i l’àmplia gamma de noves aplicacions (per exemple, multimèdia, videoconferència, jocs en línia, etc.) ha fomentat canvis revolucionaris en la manera com ens comuniquem. A més, algunes d’aquestes aplicacions demanden grans quantitats de recursos d’ample de banda amb diversos requeriments de qualitat de servei (QoS). El desenvolupament de la multiplexació per divisió de longitud d’ona (WDM) en els anys noranta va fer molt rendible la disponibilitat d’ample de banda. Avui dia, les tecnologies de commutació òptica de circuits són predominants en el nucli de la xarxa, les quals permeten la configuració de canals (lightpaths) a través de la xarxa. No obstant això, la granularitat d’aquests canals ocupa tota la longitud d’ona, el que fa que siguin ineficients per a proveir canals de menor ample de banda (sub-longitud d’ona). Segons la comunitat científica, és necessari augmentar la transparència dels protocols, així com millorar l’aprovisionament d’ample de banda de forma dinàmica. Per tal de fer això realitat, és necessari desenvolupar noves arquitectures. La commutació òptica de ràfegues i de paquets (OBS/OPS), són dues de les tecnologies proposades. Aquesta tesi contribueix amb tres arquitectures de xarxa destinades a millorar el transport de dades sub-longitud d’ona. En primer lloc, aprofundim en la naturalesa sense connexió en OBS. En aquest cas, la xarxa incrementa el seu dinamisme a causa de les transmissions a ràfega. A més, les col·lisions entre ràfegues degraden el rendiment de la xarxa fins i tot a càrregues molt baixes. Per fer front a aquestes col·lisions, es proposa un esquema de resolució de col·lisions pro actiu basat en un algorisme d’encaminament i assignació de longitud d’ona (RWA) que balanceja de forma automàtica i distribuïda la càrrega en la xarxa. En aquest protocol, el RWA i la transmissió de ràfegues es basen en l’explotació i exploració de regles de commutació que incorporen informació sobre contencions i encaminament. Per donar suport a aquesta arquitectura, s’utilitzen dos tipus de paquets de control per a l’encaminament de les ràfegues i l’actualització de les regles de commutació, respectivament. Per analitzar els beneficis del nou algorisme, s’utilitzen quatre topologies de xarxa diferents. Els resultats indiquen que el mètode proposat millora en diferents marges la resta d’algorismes RWA en funció de la topologia i sense penalitzar altres paràmetres com el retard extrem a extrem. La segona contribució proposa una arquitectura híbrida sense i orientada a connexió sobre la base d’un protocol de control d’accés al medi (MAC) per a xarxes OBS (DAOBS). El MAC ofereix dos mètodes d’accés: arbitratge de cua (QA) per a la transmissió de ràfegues sense connexió, i pre-arbitratge (PA) per serveis TDM orientats a connexió. Aquesta arquitectura permet una àmplia gamma d’aplicacions sensibles al retard i al bloqueig. Els resultats avaluats a través de simulacions mostren que en l’accés QA, les ràfegues de més alta prioritat tenen garantides zero pèrdues i latències d’accés molt baixes. Pel que fa a l’accés PA, es reporta que la duplicació de la càrrega TDM augmenta en més d’un ordre la probabilitat de bloqueig, però sense afectar en la mateixa mesura les ràfegues sense connexió. En aquest capítol també es tracten dos dels problemes relacionats amb l’arquitectura DAOBS i el seu funcionament. En primer lloc, es proposa un model matemàtic per aproximar el retard d’accés inferior i superior com a conseqüència de l’accés QA. En segon lloc, es formula matemàticament la generació i optimització de les topologies virtuals que suporten el protocol per a l’escenari amb tràfic estàtic. Finalment, l’última contribució explora els beneficis d’una arquitectura de xarxa òptica per temps compartit (TSON) basada en elements de càlcul de camins (PCE) centralitzats per tal d’evitar col·lisions en la xarxa. Aquesta arquitectura permet garantir l’aprovisionament orientat a connexió de canals sub-longitud d’ona. En aquest capítol proposem i simulem tres arquitectures GMPLS/PCE/TSON. A causa del enfocament centralitzat, el rendiment de la xarxa depèn en gran mesura de l’assignació i aprovisionament de les connexions. Amb aquesta finalitat, es proposen diferents algorismes d’assignació de ranures temporals i es comparen amb les corresponents formulacions de programació lineal (ILP) per al cas estàtic. Per al cas de tràfic dinàmic, proposem i avaluem mitjançant simulació diferents heurístiques. Els resultats mostren els beneficis de proporcionar flexibilitat en els dominis temporal i freqüencial a l’hora d’assignar les ranures temporals.The rapid evolving Internet and the broad range of new data applications (e.g., multimedia, video-conference, online gaming, etc.) is fostering revolutionary changes in the way we communicate. In addition, some of these applications demand for unprecedented amounts of bandwidth resources with diverse quality of service (QoS). The development of wavelength division multiplexing (WDM) in the 90's made very cost-effective the availability of bandwidth. Nowadays, optical circuit switching technologies are predominant in the core enabling the set up of lightpaths across the network. However, full-wavelength lightpath granularity is too coarse, which results to be inefficient for provisioning sub-wavelength channels. As remarked by the research community, an open issue in optical networking is increasing the protocol transparency as well as provisioning true dynamic bandwidth allocation at the network level. To this end, new architectures are required. Optical burst/packet switching (OBS/OPS) are two such proposed technologies under investigation. This thesis contributes with three network architectures which aim at improving the sub-wavelength data transport from different perspectives. First, we gain insight into the connectionless nature of OBS. Here, the network dynamics are increased due to the short-lived burst transmissions. Moreover, burst contentions degrade the performance even at very low loads. To cope with them, we propose a proactive resolution scheme by means of a distributed auto load-balancing routing and wavelength assignment (RWA) algorithm for wavelength-continuity constraint networks. In this protocol, the RWA and burst forwarding is based on the exploitation and exploration of switching rule concentration values that incorporate contention and forwarding desirability information. To support such architecture, forward and backward control packets are used in the burst forwarding and updating rules, respectively. In order to analyze the benefits of the new algorithm, four different network topologies are used. Results indicate that the proposed method outperforms the rest of tested RWA algorithms at various margins depending on the topology without penalizing other parameters such as end-to-end delay. The second contribution proposes a hybrid connectionless and connection-oriented architecture based on a medium access control (MAC) protocol for OBS networks (DAOBS). The MAC provides two main access mechanisms: queue arbitrated (QA) for connectionless bursts and pre-arbitrated (PA) for TDM connection-oriented services. Such an architecture allows for a broad range of delay-sensitive applications or guaranteed services. Results evaluated through simulations show that in the QA access mode highest priority bursts are guaranteed zero losses and very low access latencies. Regarding the PA mode, we report that doubling the offered TDM traffic load increases in more than one order their connection blocking, slightly affecting the blocking of other connectionless bursts. In this chapter, we also tackle two of the issues related with the DAOBS architecture and its operation. Firstly, we model mathematically the lower and upper approximations of the access delay as a consequence of the connectionless queue arbitrated access. Secondly, we formulate the generation of the virtual light-tree overlay topology for the static traffic case.Postprint (published version

Spectral properties of single Raman-scattered photons

Single photons with well controlled spectral and temporal properties are an essential resource for quantum communication protocols, such as the quantum repeater. Such photons can be generated from a single ion by Raman scattering. A fundamental understanding of the underlying scattering process allows to tailor properties of these Raman photons for the respective application. This work contains a comprehensive experimental study on spectral properties of single Raman-scattered photons, generated by laser excitation. The necessary experimental tools to measure spectra of single photons are presented. In addition, I expand an existing quantum optical model description to corroborate the experimental results. With study of 393nm and 854nm photons emitted from a single 40Ca+ ion, I am able to characterize the dependence of their spectra on properties of the excitation laser. With that, I confirm that the linewidth of a photon generated with weak laser excitation is narrower than the corresponding transition in the 40Ca+ ion. Furthermore, I study the influence of quantum interference effects on the spectrum of the scattered photon. In all cases, the measured spectra are in good agreement with spectra calculated using the model. As an application of tailored spectral properties, atom-photon entanglement is generated. Thereby spectral filtering erases the correlation between frequency and polarization.Einzelne Photonen mit kontrollierten spektralen und zeitlichen Eigenschaften sind eine wichtige Ressource für Quantenkommunikationsprotokolle wie den Quantenrepeater. Solche Photonen können mit einem einzelnen Ion durch Raman-Streuung erzeugt werden. Ein grundlegendes Verständnis des Streuprozesses erlaubt es Raman-Photonen an die jeweilige Anwendung anzupassen. Diese Arbeit enthält eine umfassende experimentelle Analyse der spektralen Eigenschaften von einzelnen durch Laseranregung gestreuten Raman-Photonen. Ich stelle die benötigten experimentellen Werkzeuge zum Messen der Spektren einzelner Photonen vor. Zusätzlich erweitere ich ein bestehendes quantenoptisches Modell, um die experimentellen Ergebnisse zu untermauern. Ich untersuche 393nm und 854nm Photonen, welche mit einem 40Ca+ Ion erzeugt werden um die Abhängigkeit des Spektrums von den Parametern des anregenden Lasers zu charakterisieren. Damit zeige ich, dass die Photonen für eine schwache Laseranregung eine schmalere Linienbreite haben als der entsprechende Übergang im 40Ca+ Ion. Zusätzlich untersuche ich den Einfluss von Quanteninterferenzeffekten auf das Spektrum des gestreuten Photons. In allen Fällen zeigen die gemessenen Spektren eine gute Übereinstimmung mit den modellierten Spektren. Als Anwendung von maßgeschneiderten Spektren wird Atom-Photon Verschränkung erzeugt. Dabei löst spektrales filtern die Korrelation zwischen Frequenz und Polarisation auf

Next generation communications satellites: multiple access and network studies

Efficient resource allocation and network design for satellite systems serving heterogeneous user populations with large numbers of small direct-to-user Earth stations are discussed. Focus is on TDMA systems involving a high degree of frequency reuse by means of satellite-switched multiple beams (SSMB) with varying degrees of onboard processing. Algorithms for the efficient utilization of the satellite resources were developed. The effect of skewed traffic, overlapping beams and batched arrivals in packet-switched SSMB systems, integration of stream and bursty traffic, and optimal circuit scheduling in SSMB systems: performance bounds and computational complexity are discussed