Design and implementation of low complexity adaptive optical OFDM systems for software-defined transmission in elastic optical networks

Due to the increasing global IP traffic and the exponential growing demand for broadband services, optical networks are experimenting significant changes. Advanced modulation formats are being implemented at the Digital Signal Processing (DSP) level as key enablers for high data rate transmission. Whereas in the network layer, flexi Dense Wavelength-Division Multiplexing (DWDM) grids are being investigated in order to efficiently use the optical spectrum according to the traffic demand. Enabling these capabilities makes high data rate transmission more feasible. Hence, introducing flexibility in the system is one of the main goals of this thesis. Furthermore, minimizing the cost and enhancing the Spectral Efficiency (SE) of the system are two crucial issues to consider in the transceiver design. This dissertation investigates the use of Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (O-OFDM) based either on the Fast Fourier Transform (FFT) or the Fast Hartley Transform (FHT) and flexi-grid technology to allow high data rate transmission over the fiber. Different cost-effective solutions for Elastic Optical Networks (EON) are provided. On the one hand, Direct Detection (DD) systems are investigated and proposed to cope with present and future traffic demand. After an introduction to the principles of OFDM and its application in optical systems, the main problems of such modulation is introduced. In particular, Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) is presented as a limitation in OFDM systems, as well as clipping and quantization noise. Hence, PAPR reduction techniques are proposed to mitigate these impairments. Additionally, Low Complexity (LC) PAPR reduction techniques based on the FHT have also been presented with a simplified DSP. On the other hand, loading schemes have also been introduced in the analyzed system to combat Chromatic Dispersion (CD) when transmitting over the optical link. Moreover, thanks to Bit Loading (BL) and Power Loading (PL), flexible and software-defined transceivers can be implemented maximizing the spectral efficiency by adapting the data rate to the current demand and the actual network conditions. Specifically, OFDM symbols are created by mapping the different subcarriers with different modulation formats according to the channel profile. Experimental validation of the proposed flexible transceivers is also provided in this dissertation. The benefits of including loading capabilities in the design, such as enabling high data rate and software-defined transmission, are highlighted.Degut al creixement del tràfic IP i de la demanda de serveis de banda ampla, les xarxes òptiques estan experimentant canvis significatius. Els formats avançats de modulació, implementats a nivell de processat del senyal digital, habiliten la transmissió a alta velocitat. Mentre que a la capa de xarxa, l'espectre òptic es dividit en ranures flexibles ocupant l'ample de banda necessari segons la demanda de tràfic. La transmissió a alta velocitat és fa més tangible un cop habilitades totes aquestes funcionalitats. D'aquesta manera un dels principals objectius d'aquesta tesis es introduir flexibilitat al sistema. A demés, minimitzar el cost i maximitzar l'eficiència espectral del sistema són també dos aspectes crucials a considerar en el disseny del transmissor i receptor. Aquesta tesis investiga l'ús de la tecnologia Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) basada en la transformada de Fourier (FFT) i la de Hartley (FHT) per tal de dissenyar un sistema flexible i capaç de transmetre a alta velocitat a través de la fibra òptica. Per tant, es proposen diferent solucions de baix cost vàlides per a utilitzar en xarxes òptiques elàstiques. En primer lloc, s'investiguen i es proposen sistemes basats en detecció directa per tal de suportar la present i futura demanda. Després d'una introducció dels principis d' OFDM i la seva aplicació als sistemes òptics, s'introdueixen alguns dels problemes d'aquesta modulació. En particular, es presenten el Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) i els sorolls de clipping i de quantizació com a limitació dels sistemes OFDM. S'analitzen tècniques de reducció de PAPR per tal de reduir l'impacte d'aquests impediments. També es proposen tècniques de baixa complexitat per a reduir el PAPR basades en la FHT. Finalment, s'utilitzen algoritmes d'assignació de bits i de potència, Bit Loading (BL) i Power Loading (PL), per tal de combatre la dispersió cromàtica quan es transmet pel canal òptic. Amb la implementació dels algoritmes de BL i PL, es poden dissenyar transmissors i receptors flexibles adaptant la velocitat a la demanda del moment i a les actuals condicions de la xarxa. En particular, els símbols OFDM es creen mapejant cada portadora amb un format de modulació diferent segons el perfil del canal. El sistema és validat experimentalment mostrant les prestacions i els beneficis d'incloure flexibilitat per tal de facilitar la transmissió a alta velocitat i cobrir les necessitats de l'Internet del futurDebido al crecimiento del tráfico IP y de la demanda de servicios de banda ancha, las redes ópticas están experimentando cambios significativos. Los formatos avanzados de modulación, implementados a nivel de procesado de la señal digital, habilitan la transmisión a alta velocidad. Mientras que en la capa de red, el espectro óptico se divide en ranuras flexibles ocupando el ancho de banda necesario según la demanda de tráfico. La transmisión a alta velocidad es más tangible una vez habilitadas todas estas funcionalidades. De este modo uno de los principales objetivos de esta tesis es introducir flexibilidad en el sistema. Además, minimizar el coste y maximizar la eficiencia espectral del sistema son también dos aspectos cruciales a considerar en el diseño del transmisor y receptor. Esta tesis investiga el uso de la tecnologia Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) basada en la transformada de Fourier (FFT) y en la de Hartley (FHT) con tal de diseñar un sistema flexible y capaz de transmitir a alta velocidad a través de la fibra óptica. Por lo tanto, se proponen distintas soluciones de bajo coste válidas para utilizar en redes ópticas elásticas. En primer lugar, se investigan y se proponen sistemas basados en detección directa con tal de soportar la presente y futura demanda. Después de una introducción de los principios de OFDM y su aplicación en los sistemas ópticos, se introduce el principal problema de esta modulación. En particular se presentan el Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) y los ruidos de clipping y cuantización como limitaciones de los sistemas OFDM. Se analizan técnicas de reducción de PAPR con tal de reducir el impacto de estos impedimentos. También se proponen técnicas de baja complejidad para reducir el PAPR basadas en la FHT. Finalmente, se utilizan algoritmos de asignación de bits y potencia, Bit Loading (BL) y Power Loading (PL), con tal de combatir la dispersión cromática cuando se transmite por el canal óptico. Con la implementación de los algoritmos de BL y PL, se pueden diseñar transmisores y receptores flexibles adaptando la velocidad a la demanda del momento y a las actuales condiciones de la red. En particular, los símbolos OFDM se crean mapeando cada portadora con un formato de modulaci_on distinto según el perfil del canal. El sistema se valida experimentalmente mostrando las prestaciones y los beneficios de incluir flexibilidad con tal de facilitar la transmisión a alta velocidad y cubrir las necesidades de Internet del futuro

Spectral processing techniques for efficient monitoring in optical networks

Having ubiquitous optical monitors in dense wavelength-division multiplexing (DWDM) or flex-grid networks allows the estimation in real time of crucial parameters. Such monitoring would be even more important in disaggregated optical networks, to inspect performance issues related to inter-vendor interoperability. Several important parameters can be retrieved using optical spectrum analyzers (OSAs). However, omnipresent OSAs represent an infeasible solution. Nevertheless, the advent of new, relatively cheap, compact and medium-resolution optical channel monitors (OCMs) enable a more intensive deployment of these devices. In this paper, we identify two main scenarios for the placement of such monitors: at the ingress and at the egress of the optical nodes. In the ingress scenario, we can directly estimate the parameters related to the signals, but not those related to the filters. On the contrary, in the egress scenario, the filter-related parameters can be easily detected, but not those related to amplified spontaneous emission. Therefore, we present two methods that, leveraging a curve fitting and a machine learning regression algorithm, allow detection of the missing parameters. We verify the proposed solutions with spectral data acquired in simulation and experimental setups. We obtained good estimation accuracy for both setups and for both studied placement scenarios. It is noteworthy that in the experimental assessment of the ingress scenario, we achieved a maximum absolute error (MAE) lower than 1 GHz in filter bandwidth estimation and a MAE lower than 0.5 GHz in filter frequency shift estimation. In addition, by comparing the relative errors of the considered parameters, we identified the ingress scenario as the more beneficial. In particular, we estimated the filter central frequency shift with 84% and the filter 6 dB bandwidth with 75% higher accuracy, with respect to datasheet/reference values. This translates into a total reduction of the estimated signal-to-noise ratio (SNR) penalty, introduced by a single optical filter, of 0.24 dB.Funding: Horizon 2020 Framework Programme (765275). This work is part of the Future Optical Networks for Innovation, Research and Experimentation (ONFIRE) project (https://h2020-onfire.eu), which is supported by the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme under the Marie Skłodowska-Curie Action.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Anàlisi de les prestacions de sistemes de transmissió òptics OFDM utilitzant tècniques de reducció de PAPR i transformades alternatives

The study and the analysis of optical OFDM systems based on direct detection when applying different PAPR reduction techniques and transforms.[ANGLÈS] Optical orthogonal division multiplexing (OFDM) has recently been introduced in optical communications because of its robustness against channel dispersion and its high spectral efficiency. OFDM is based on the fast Fourier transform (FFT). In this thesis, we study alternative transforms to create the OFDM symbols: the fast Hartley transform (FHT) and the discrete Wavelet packet transform (DWPT). Besides the advantages of using optical OFDM (O-OFDM), there are also some disadvantages that must be taken into account. High peak-to-average power ratio (PAPR) is one of the major drawbacks of OFDM-based systems that can cause intermodulation among the subcarriers due to the nonlinearities of the fiber and devices such as analog-to-digital converters (ADC) and external modulators. Here, PAPR reduction techniques are studied to mitigate the effects of the PAPR. Finally, we demonstrate that applying PAPR reduction techniques to O-OFDM systems using intensity modulation and direct detection (IM/DD) the effects of the clipping noise are mitigated without the need of adding a higher bias to the signal.[CASTELLÀ] La multiplexación ortogonal por división de frecuencia (OFDM) ha sido introducida en las comunicaciones ópticas debido a su robustez respecto la dispersión del canal y su alta eficiencia espectral. OFDM está basado en la transformada rápida de Fourier (FFT). En esta tesis, se estudian transformadas alternativas para crear los símbolos OFDM: la transformada rápida de Hartley (FHT) y la transformada discreta por paquetes wavelet (DWPT). A pesar de las ventajas de utilizar OFDM óptico (O-OFDM), también existen desventajas que se tienen que tener en cuenta. La aparición de picos de la señal altos (PAPR) es una de las principales desventajas que pueden presentar los sistemas OFDM. Un PAPR alto puede causar intermodulación entre las subportadoras a causa de las no linealidades de la fibra y aparatos como los convertidores de digital a analógico (DAC) o de analógico a digital (ADC) y moduladores externos. También se estudian distintas técnicas de reducción de PAPR para reducir el efecto del PAPR. Finalmente, se demuestra que aplicando técnicas de reducción de PAPR en sistemas OFDM ópticos, los efectos del ruido de clipping quedan reducidos sin ser necesario añadir un bias más alto a la señal.[CATALÀ] La multiplexació ortogonal per divisió de freqüències (OFDM) s'ha introduït a les comunicacions òptiques a causa de la seva robustesa respecte la dispersió del canal i la seva alta eficiència espectral. OFDM està basat en la transformada ràpida de Fourier (FFT). En aquesta tesis, s'estudien transformades alternatives per crear els símbols OFDM: la transformada ràpida de Hartley (FHT) i la transformada discreta per paquets de wavelets (DWPT). Tot i els avantatges d'utilitzar OFDM òptic (O-OFDM), també hi ha desavantatges que s'han de tenir en compte. L'aparició de pics de senyal alts (PAPR) és un dels més grans desavantatges que poden presentar els sistemes OFDM. Un PAPR alt pot causar intermodulació entre les subportadores a causa de les no linealitats de la fibra i aparells com els convertidors de digital a analògic (DAC) o d'analògic a digital (ADC) i moduladors externs. També s'estudien diferents tècniques de reducció de PAPR per reduir l'efecte del PAPR. Finalment, es demostra que aplicant tècniques de reducció de PAPR en sistemes OFDM òptics utilitzant modulació per intensitat i detecció directa (IM/DD), els efectes del soroll de clipping són reduïts sense ser necessari posar un bias més alt al senyal

Anàlisi de les prestacions de sistemes de transmissió òptics OFDM utilitzant tècniques de reducció de PAPR i transformades alternatives

The study and the analysis of optical OFDM systems based on direct detection when applying different PAPR reduction techniques and transforms.[ANGLÈS] Optical orthogonal division multiplexing (OFDM) has recently been introduced in optical communications because of its robustness against channel dispersion and its high spectral efficiency. OFDM is based on the fast Fourier transform (FFT). In this thesis, we study alternative transforms to create the OFDM symbols: the fast Hartley transform (FHT) and the discrete Wavelet packet transform (DWPT). Besides the advantages of using optical OFDM (O-OFDM), there are also some disadvantages that must be taken into account. High peak-to-average power ratio (PAPR) is one of the major drawbacks of OFDM-based systems that can cause intermodulation among the subcarriers due to the nonlinearities of the fiber and devices such as analog-to-digital converters (ADC) and external modulators. Here, PAPR reduction techniques are studied to mitigate the effects of the PAPR. Finally, we demonstrate that applying PAPR reduction techniques to O-OFDM systems using intensity modulation and direct detection (IM/DD) the effects of the clipping noise are mitigated without the need of adding a higher bias to the signal.[CASTELLÀ] La multiplexación ortogonal por división de frecuencia (OFDM) ha sido introducida en las comunicaciones ópticas debido a su robustez respecto la dispersión del canal y su alta eficiencia espectral. OFDM está basado en la transformada rápida de Fourier (FFT). En esta tesis, se estudian transformadas alternativas para crear los símbolos OFDM: la transformada rápida de Hartley (FHT) y la transformada discreta por paquetes wavelet (DWPT). A pesar de las ventajas de utilizar OFDM óptico (O-OFDM), también existen desventajas que se tienen que tener en cuenta. La aparición de picos de la señal altos (PAPR) es una de las principales desventajas que pueden presentar los sistemas OFDM. Un PAPR alto puede causar intermodulación entre las subportadoras a causa de las no linealidades de la fibra y aparatos como los convertidores de digital a analógico (DAC) o de analógico a digital (ADC) y moduladores externos. También se estudian distintas técnicas de reducción de PAPR para reducir el efecto del PAPR. Finalmente, se demuestra que aplicando técnicas de reducción de PAPR en sistemas OFDM ópticos, los efectos del ruido de clipping quedan reducidos sin ser necesario añadir un bias más alto a la señal.[CATALÀ] La multiplexació ortogonal per divisió de freqüències (OFDM) s'ha introduït a les comunicacions òptiques a causa de la seva robustesa respecte la dispersió del canal i la seva alta eficiència espectral. OFDM està basat en la transformada ràpida de Fourier (FFT). En aquesta tesis, s'estudien transformades alternatives per crear els símbols OFDM: la transformada ràpida de Hartley (FHT) i la transformada discreta per paquets de wavelets (DWPT). Tot i els avantatges d'utilitzar OFDM òptic (O-OFDM), també hi ha desavantatges que s'han de tenir en compte. L'aparició de pics de senyal alts (PAPR) és un dels més grans desavantatges que poden presentar els sistemes OFDM. Un PAPR alt pot causar intermodulació entre les subportadores a causa de les no linealitats de la fibra i aparells com els convertidors de digital a analògic (DAC) o d'analògic a digital (ADC) i moduladors externs. També s'estudien diferents tècniques de reducció de PAPR per reduir l'efecte del PAPR. Finalment, es demostra que aplicant tècniques de reducció de PAPR en sistemes OFDM òptics utilitzant modulació per intensitat i detecció directa (IM/DD), els efectes del soroll de clipping són reduïts sense ser necessari posar un bias més alt al senyal

Digital video compression Standardisation of scalable coding schemes

SIGLEAvailable from British Library Document Supply Centre- DSC:1871.360130(BBC-RD--1994/10) / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo

Data plane elements for optical performance monitoring agnostic to the modulation format for disaggregated optical networks

In this paper, data plane alternatives for optical performance monitoring are presented as enablers to address the key challenges in disaggregated optical networks. In fact, a key element of the disaggregated networks is optical performance monitoring that is expected to deliver the feedback needed by the control plane to guarantee end-to-end quality of transmission and quality of service. Therefore, we will discuss data plane elements for non-intrusive monitoring agnostic to the modulation format, proposing and analyzing different schemes. Furthermore, we will also review the relevant figures of merit to be delivered to the /SDN/ control, orchestration and management planes and their potential impact on the network performance.This work was supported by the Spanish MINECO project AURORAS (RTI2018-099178-B-I00) and EU-H2020 project ONFIRE (G.A. 765275).Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Filter features extraction from optical spectra

We propose a method to estimate the central frequency and the bandwidth of optical filters, that relies on optical spectra captured with optical channel monitors at ROADM’s ingress port. We demonstrate for both features high estimation accuracy using simulated and experimental data.This work was funded by the ONFIRE project supported by the EU Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No. 765275.Peer ReviewedPostprint (author's final draft