Protection concepts in distribution networks with decentralised energy resources

Network protection, distribution networks, decentralised energy resources, communication links, IEC Communication and Substation Control Standards

Groupage et protection du trafic dynamique dans les réseaux WDM

Avec les nouvelles technologies des réseaux optiques, une quantité de données de plus en plus grande peut être transportée par une seule longueur d'onde. Cette quantité peut atteindre jusqu’à 40 gigabits par seconde (Gbps). Les flots de données individuels quant à eux demandent beaucoup moins de bande passante. Le groupage de trafic est une technique qui permet l'utilisation efficace de la bande passante offerte par une longueur d'onde. Elle consiste à assembler plusieurs flots de données de bas débit en une seule entité de données qui peut être transporté sur une longueur d'onde. La technique demultiplexage en longueurs d'onde (Wavelength Division Multiplexing WDM) permet de transporter plusieurs longueurs d'onde sur une même fibre. L'utilisation des deux techniques : WDM et groupage de trafic, permet de transporter une quantité de données de l'ordre de terabits par seconde (Tbps) sur une même fibre optique. La protection du trafic dans les réseaux optiques devient alors une opération très vitale pour ces réseaux, puisqu'une seule panne peut perturber des milliers d'utilisateurs et engendre des pertes importantes jusqu'à plusieurs millions de dollars à l'opérateur et aux utilisateurs du réseau. La technique de protection consiste à réserver une capacité supplémentaire pour acheminer le trafic en cas de panne dans le réseau. Cette thèse porte sur l'étude des techniques de groupage et de protection du trafic en utilisant les p-cycles dans les réseaux optiques dans un contexte de trafic dynamique. La majorité des travaux existants considère un trafic statique où l'état du réseau ainsi que le trafic sont donnés au début et ne changent pas. En plus, la majorité de ces travaux utilise des heuristiques ou des méthodes ayant de la difficulté à résoudre des instances de grande taille. Dans le contexte de trafic dynamique, deux difficultés majeures s'ajoutent aux problèmes étudiés, à cause du changement continuel du trafic dans le réseau. La première est due au fait que la solution proposée à la période précédente, même si elle est optimisée, n'est plus nécessairement optimisée ou optimale pour la période courante, une nouvelle optimisation de la solution au problème est alors nécessaire. La deuxième difficulté est due au fait que la résolution du problème pour une période donnée est différente de sa résolution pour la période initiale à cause des connexions en cours dans le réseau qui ne doivent pas être trop dérangées à chaque période de temps. L'étude faite sur la technique de groupage de trafic dans un contexte de trafic dynamique consiste à proposer différents scénarios pour composer avec ce type de trafic, avec comme objectif la maximisation de la bande passante des connexions acceptées à chaque période de temps. Des formulations mathématiques des différents scénarios considérés pour le problème de groupage sont proposées. Les travaux que nous avons réalisés sur le problème de la protection considèrent deux types de p-cycles, ceux protégeant les liens (p-cycles de base) et les FIPP p-cycles (p-cycles protégeant les chemins). Ces travaux ont consisté d’abord en la proposition de différents scénarios pour gérer les p-cycles de protection dans un contexte de trafic dynamique. Ensuite, une étude sur la stabilité des p-cycles dans un contexte de trafic dynamique a été faite. Des formulations de différents scénarios ont été proposées et les méthodes de résolution utilisées permettent d’aborder des problèmes de plus grande taille que ceux présentés dans la littérature. Nous nous appuyons sur la méthode de génération de colonnes pour énumérer implicitement les cycles les plus prometteurs. Dans l'étude des p-cycles protégeant les chemins ou FIPP p-cycles, nous avons proposé des formulations pour le problème maître et le problème auxiliaire. Nous avons utilisé une méthode de décomposition hiérarchique du problème qui nous permet d'obtenir de meilleurs résultats dans un temps raisonnable. Comme pour les p-cycles de base, nous avons étudié la stabilité des FIPP p-cycles dans un contexte de trafic dynamique. Les travaux montrent que dépendamment du critère d'optimisation, les p-cycles de base (protégeant les liens) et les FIPP p-cycles (protégeant les chemins) peuvent être très stables.

Fabrication and Characterization of All-Fiber Components for Optical Access Networks

This Thesis deals with the fabrication and characterization of novel all-fiber components for access networks. All fiber components offer distinctive advantages due to low forward and backward losses, epoxy free optical path and high power handling. A novel fabrication method for monolithic 1x4 couplers, which are vital components in distributed passive optical networks, is realized. The fabrication method differs from conventional structures with a symmetric coupling profile and hence offers ultra wideband performance and easy process control. New structure for 1x4 couplers, by fusing five fibers is proposed to achieve high uniformity, which gives equivalent uniformity performance to 1x4 planar lightwave splitters, isolation in fused fiber WDM is improved with integration of long period gratings. Packaging techniques of fused couplers are analyzed for long term stability.

Enhanced fault recovery methods for protected traffic services in GMPLS networks

Les noves tecnologies a la xarxa ens permeten transportar, cada cop més, grans volums d' informació i trànsit de xarxa amb diferents nivells de prioritat. En aquest escenari, on s'ofereix una millor qualitat de servei, les conseqüències d'una fallada en un enllaç o en un node esdevenen més importants. Multiprotocol Lavel Switching (MPLS), juntament amb l'extensió a MPLS generalitzat (GMPLS), proporcionen mecanismes ràpids de recuperació de fallada establint camins, Label Switch Path (LSPs), redundants per ser utilitzats com a camins alternatius. En cas de fallada podrem utilitzar aquests camins per redireccionar el trànsit. El principal objectiu d'aquesta tesi ha estat millorar alguns dels actuals mecanismes de recuperació de fallades MPLS/GMPLS, amb l'objectiu de suportar els requeriments de protecció dels serveis proporcionats per la nova Internet. Per tal de fer aquesta avaluació s'han tingut en compte alguns paràmetres de qualitat de protecció com els temps de recuperació de fallada, les pèrdues de paquets o el consum de recursos. En aquesta tesi presentem una completa revisió i comparació dels principals mètodes de recuperació de fallada basats en MPLS. Aquest anàlisi inclou els mètodes de protecció del camí (backups globals, backups inversos i protecció 1+1), els mètodes de protecció locals i els mètodes de protecció de segments. També s'ha tingut en compte l'extensió d'aquests mecanismes a les xarxes òptiques mitjançant el pla de control proporcionat per GMPLS. En una primera fase d'aquest treball, cada mètode de recuperació de fallades és analitzat sense tenir en compte restriccions de recursos o de topologia. Aquest anàlisi ens dóna una primera classificació dels millors mecanismes de protecció en termes de pèrdues de paquets i temps de recuperació. Aquest primer anàlisi no és aplicable a xarxes reals. Per tal de tenir en compte aquest nou escenari, en una segona fase, s'analitzen els algorismes d'encaminament on sí tindrem en compte aquestes limitacions i restriccions de la xarxa. Es presenten alguns dels principals algorismes d'encaminament amb qualitat de servei i alguna de les principals propostes d'encaminament per xarxes MPLS. La majoria dels actual algorismes d'encaminament no tenen en compte l'establiment de rutes alternatives o utilitzen els mateixos objectius per seleccionar els camins de treball i els de protecció. Per millorar el nivell de protecció introduïm i formalitzem dos nous conceptes: la Probabilitat de fallada de la xarxa i l'Impacte de fallada. Un anàlisi de la xarxa a nivell físic proporciona un primer element per avaluar el nivell de protecció en termes de fiabilitat i disponibilitat de la xarxa. Formalitzem l'impacte d'una fallada, quant a la degradació de la qualitat de servei (en termes de retard i pèrdues de paquets). Expliquem la nostra proposta per reduir la probabilitat de fallada i l'impacte de fallada. Per últim fem una nova definició i classificació dels serveis de xarxa segons els valors requerits de probabilitat de fallada i impacte. Un dels aspectes que destaquem dels resultats d'aquesta tesi és que els mecanismes de protecció global del camí maximitzen la fiabilitat de la xarxa, mentre que les tècniques de protecció local o de segments de xarxa minimitzen l'impacte de fallada. Per tant podem assolir mínim impacte i màxima fiabilitat aplicant protecció local a tota la xarxa, però no és una proposta escalable en termes de consum de recursos. Nosaltres proposem un mecanisme intermig, aplicant protecció de segments combinat amb el nostre model d'avaluació de la probabilitat de fallada. Resumint, aquesta tesi presenta diversos mecanismes per l'anàlisi del nivell de protecció de la xarxa. Els resultats dels models i mecanismes proposats milloren la fiabilitat i minimitzen l'impacte d'una fallada en la xarxa.

Optical Components for WDM Lightwave Networks

Recently, there has been growing interest in developing optical fiber networks to support the increasing bandwidth demands of multimedia applications, such as video conferencing and World Wide Web browsing. One technique for accessing the huge bandwidth available in an optical fiber is wavelength-division multiplexing (WDM). Under WDM, the optical fiber bandwidth is divided into a number of nonoverlapping wavelength bands, each of which may be accessed at peak electronic rates by an end user. By utilizing WDM in optical networks, we can achieve link capacities on the order of 50 THz. The success of WDM networks depends heavily on the available optical device technology. This paper is intended as a tutorial on some of the optical device issues in WDM networks. It discusses the basic principles of optical transmission in fiber and reviews the current state of the art in optical device technology. It introduces some of the basic components in WDM networks, discusses various implementations of these components, and provides insights into their capabilities and limitations. Then, this paper demonstrates how various optical components can be incorporated into WDM optical networks for both local and wide-area applications. Last, the paper provides a brief review of experimental WDM networks that have been implemented.

Routing and Wavelength Assignment (RWA) with Power Considerations In All- Optical Wavelength-Routed Networks

Routing and wavelength assignment (RWA) is an important problem that arises in wavelength division multiplexed (WDM) optical networks. Previous studies have solved many variations of this problem under the assumption of perfect conditions regarding the power of a signal. In this paper, we investigate this problem while allowing for degradation of routed signals by components such as taps, multiplexers, and fiber links. We assume that optical amplifiers are preplaced. We investigate the problem of routing the maximum number of connections while maintaining proper power levels. The problem is formulated as a mixed-integer nonlinear program and two-phase hybrid solution approaches employing two different heuristics are developed

QKD in standard optical telecommunications networks

To perform Quantum Key Distribution, the mastering of the extremely weak signals carried by the quantum channel is required. Transporting these signals without disturbance is customarily done by isolating the quantum channel from any noise sources using a dedicated physical channel. However, to really profit from this technology, a full integration with conventional network technologies would be highly desirable. Trying to use single photon signals with others that carry an average power many orders of magnitude bigger while sharing as much infrastructure with a conventional network as possible brings obvious problems. The purpose of the present paper is to report our efforts in researching the limits of the integration of QKD in modern optical networks scenarios. We have built a full metropolitan area network testbed comprising a backbone and an access network. The emphasis is put in using as much as possible the same industrial grade technology that is actually used in already installed networks, in order to understand the throughput, limits and cost of deploying QKD in a real network.

All optical networking beyond 10 Gbits/s OTDM networks based on electro-optic modulators and fibre ring lasers

This thesis examines options for high capacity all optical networks. Specifically optical time division multiplexed (OTDM) networks based on electro-optic modulators are investigated experimentally, whilst comparisons with alternative approaches are carried out. It is intended that the thesis will form the basis of comparison between optical time division multiplexed networks and the more mature approach of wavelength division multiplexed networks. Following an introduction to optical networking concepts, the required component technologies are discussed. In particular various optical pulse sources are described with the demanding restrictions of optical multiplexing in mind. This is followed by a discussion of the construction of multiplexers and demultiplexers, including favoured techniques for high speed clock recovery. Theoretical treatments of the performance of Mach Zehnder and electroabsorption modulators support the design criteria that are established for the construction of simple optical time division multiplexed systems. Having established appropriate end terminals for an optical network, the thesis examines transmission issues associated with high speed RZ data signals. Propagation of RZ signals over both installed (standard fibre) and newly commissioned fibre routes are considered in turn. In the case of standard fibre systems, the use of dispersion compensation is summarised, and the application of mid span spectral inversion experimentally investigated. For green field sites, soliton like propagation of high speed data signals is demonstrated. In this case the particular restrictions of high speed soliton systems are discussed and experimentally investigated, namely the increasing impact of timing jitter and the downward pressure on repeater spacings due to the constraint of the average soliton model. These issues are each addressed through investigations of active soliton control for OTDM systems and through investigations of novel fibre types respectively. Finally the particularly remarkable networking potential of optical time division multiplexed systems is established, and infinite node cascadability using soliton control is demonstrated. A final comparison of the various technologies for optical multiplexing is presented in the conclusions, where the relative merits of the technologies for optical networking emerges as the key differentiator between technologies.

Prospects for inserting parametric amplifiers in optical communication networks

We investigate to what extent the unique features of OPAs (large bandwidths, 0 dB noise figure, phase conjugation, signal regeneration) can be combined and exploited in future long-haul communication networks. Network PMD can complicate the use of phase-sensitive amplification.

SDN enabled dynamically reconfigurable high capacity optical access architecture for converged services

Dynamically reconfigurable time-division multiplexing (TDM) dense wavelength division multiplexing (DWDM) long-reach passive optical networks (PONs) can support the reduction of nodes and network interfaces by enabling a fully meshed flat optical core. In this paper we demonstrate the flexibility of the TDM-DWDM PON architecture, which can enable the convergence of multiple service types on a single physical layer. Heterogeneous services and modulation formats, i.e. residential 10G PON channels, business 100G dedicated channel and wireless fronthaul, are demonstrated co-existing on the same long reach TDM-DWDM PON system, with up to 100km reach, 512 users and emulated system load of 40 channels, employing amplifier nodes with either erbium doped fiber amplifiers (EDFAs) or semiconductor optical amplifiers (SOAs). For the first time end-to-end software defined networking (SDN) management of the access and core network elements is also implemented and integrated with the PON physical layer in order to demonstrate two service use cases: a fast protection mechanism with end-to-end service restoration in the case of a primary link failure; and dynamic wavelength allocation (DWA) in response to an increased traffic demand.

FWM Constraints Management for Lightpath Establishment in GMPLS Networks

In all-optical networks, management of physical layer restrictions should collaborate in lightpath establishment. Label-Switched Path validation in Generalized MultiProtocol Label Switching on Dense Wavelength Division Multiplexing network requires the treatment of the physical impairment-related parameters along the provisioned route. In this paper we propose, for the first time in our view, the generation of an optical layer database by simulation that specifically characterizes the dynamic FWM impairments for the lightpaths provisioned in a GMPLS/DWDM network.

Modeling the optical properties of AlSb, GaSb, and InSb

Optical constants of AlSb, GaSb, and InSb are modeled in the 1-6 eV spectral range. We employ an extension of Adachi's model of the optical constants of semiconductors. The model takes into account transitions at E-0, E-0 + Delta(0), E-1, and E-1 + Delta(1) critical points, as well as higher-lying transitions which are modeled with three damped harmonic oscillators. We do not consider indirect transitions contribution, since it represents a second-order perturbation and its strength should be low. Also, we do not take into account excitonic effects at E-1, E-1 + Delta(1) critical points, since we model the room temperature data. In spite of fewer contributions to the dielectric function compared to previous calculations involving Adachi's model, our calculations show significantly improved agreement with the experimental data. This is due to the two main distinguishing features of calculations presented here: use of adjustable line broadening instead of the conventional Lorentzian one, and employment of a global optimization routine for model parameter determination.

Two-link approximation schemes for loss networks with linear structure and trunk reservation

Loss networks have long been used to model various types of telecommunication network, including circuit-switched networks. Such networks often use admission controls, such as trunk reservation, to optimize revenue or stabilize the behaviour of the network. Unfortunately, an exact analysis of such networks is not usually possible, and reduced-load approximations such as the Erlang Fixed Point (EFP) approximation have been widely used. The performance of these approximations is typically very good for networks without controls, under several regimes. There is evidence, however, that in networks with controls, these approximations will in general perform less well. We propose an extension to the EFP approximation that gives marked improvement for a simple ring-shaped network with trunk reservation. It is based on the idea of considering pairs of links together, thus making greater allowance for dependencies between neighbouring links than does the EFP approximation, which only considers links in isolation.

Sobrevivência das redes de transporte da nova geração

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Cost Models for Routing and Wavelength Assignment in Wavelength-Division Multiplexing Optical Net

WDM (Wavelength-Division Multiplexing) optiset verkot on tällä hetkellä suosituin tapa isojen määrän tietojen siirtämiseen. Jokaiselle liittymälle määrätään reitin ja aallonpituus joka linkin varten. Tarvittavan reitin ja aallon pituuden löytäminen kutsutaan RWA-ongelmaksi. Tämän työn kuvaa mahdollisia kustannuksen mallein ratkaisuja RWA-ongelmaan. Olemassa on paljon erilaisia optimoinnin tavoitteita. Edellä mainittuja kustannuksen malleja perustuu näillä tavoitteilla. Kustannuksen malleja antavat tehokkaita ratkaisuja ja algoritmeja. The multicommodity malli on käsitelty tässä työssä perusteena RV/A-kustannuksen mallille. Myöskin OB käsitelty heuristisia menetelmiä RWA-ongelman ratkaisuun. Työn loppuosassa käsitellään toteutuksia muutamalle mallille ja erilaisia mahdollisuuksia kustannuksen mallein parantamiseen.