Resource management research in Passive Optical Networks (PON)

Next Generation Access Networks (NGAN) are the new step forward to deliver broadband services and to facilitate the integration of different technologies. It is plausible to assume that, from a technological standpoint, the Future Internet will be composed of long-range high-speed optical networks; a number of wireless networks at the edge; and, in between, several access technologies, among which, the Passive Optical Networks (xPON) are very likely to succeed, due to their simplicity, low-cost, and increased bandwidth. Among the different PON technologies, the Ethernet-PON (EPON) is the most promising alternative to satisfy operator and user needs, due to its cost, flexibility and interoperability with other technologies. One of the most interesting challenges in such technologies relates to the scheduling and allocation of resources in the upstream (shared) channel. The aim of this research project is to study and evaluate current contributions and propose new efficient solutions to address the resource allocation issues in Next Generation EPON (NG-EPON). Key issues in this context are future end-user needs, integrated quality of service (QoS) support and optimized service provisioning for real time and elastic flows. This project will unveil research opportunities, issue recommendations and propose novel mechanisms associated with the convergence within heterogeneous access networks and will thus serve as a basis for long-term research projects in this direction. The project has served as a platform for the generation of new concepts and solutions that were published in national and international conferences, scientific journals and also in book chapter. We expect some more research publications in addition to the ones mentioned to be generated in a few months.

Quantum key distribution based on selective post-processing in passive optical networks

One of the main obstacles to the widespread adoption of quantum cryptography has been the difficulty of integration into standard optical networks, largely due to the tremendous difference in power of classical signals compared with the single quantum used for quantum key distribution. This makes the technology expensive and hard to deploy. In this letter, we show an easy and straightforward integration method of quantum cryptography into optical access networks. In particular, we analyze how a quantum key distribution system can be seamlessly integrated in a standard access network based on the passive optical and time division multiplexing paradigms. The novelty of this proposal is based on the selective post-processing that allows for the distillation of secret keys avoiding the noise produced by other network users. Importantly, the proposal does not require the modification of the quantum or classical hardware specifications neither the use of any synchronization mechanism between the network and quantum cryptography devices.

QKD in dense WDM passive optical networks

Quantum cryptography in communications networks

100-Gb/s point-to-point solutions for long-reach passive optical networks in sparse rural and urban areas

Long reach-passive optical networks (LR-PON) are being proposed as a means of enabling ubiquitous fiber-to-the-home (FTTH) by massive sharing of network resources and therefore reducing per customer costs to affordable levels. In this paper, we analyze the chain solutions for LR-PON deployment in urban and rural areas at 100-Gb/s point-to-point transmission using dual polarization-quaternary phase shift-keying (DP-QPSK) modulation. The numerical analysis shows that with appropriate finite impulse response (FIR) filter designs, 100-Gb/s transmission can be achieved with at least 512 way split and up to 160 km total distance, which is sufficient for many of the optical paths in a practical situation, for point-to-point link from one LR-PON to another LR-PON through the optical switch at the metro nodes and across a core light path through the core network without regeneration.

Comparison of cost- and energy-efficient signal modulations for next generation passive optical networks

Extensive numerical investigations are undertaken to analyze and compare, for the first time, the performance, techno-economy, and power consumption of three-level electrical Duobinary, optical Duobinary, and PAM-4 modulation formats as candidates for high-speed next-generation PONs supporting downstream 40 Gb/s per wavelength signal transmission over standard SMFs in C-band. Optimization of transceiver bandwidths are undertaken to show the feasibility of utilizing low-cost and band-limited components to support next-generation PON transmissions. The effect of electro-absorption modulator chirp is examined for electrical Duobinary and PAM-4. Electrical Duobinary and optical Duobinary are powerefficient schemes for smaller transmission distances of 10 km SMFs and optical Duobinary offers the best receiver sensitivity albeit with a relatively high transceiver cost. PAM-4 shows the best power budget and costefficiency for larger distances of around 20 km, although it consumes more power. Electrical Duobinary shows the best trade-off between performance, cost and power dissipation.

Quantum communications in optical networks

La posibilidad de utilizar sistemas cuánticos para procesar y transmitir información ha impulsado la aparición de tecnologías de información cuántica, p. ej., distribución cuántica de claves. Aunque prometedoras, su uso fuera del laboratorio es actualmente demasiado costoso y complicado. En este trabajo mostramos como utilizarlas en redes ópticas de telecomunicaciones. Al utilizar una infraestructura existente y pervasiva, y compartirla con otras señales, tanto clásicas como cuánticas, el coste se reduce drásticamente y llega a un mayor público. Comenzamos integrando señales cuánticas en los tipos más utilizados de redes ópticas pasivas, por su simplicidad y alcance a usuarios finales. Luego ampliamos este estudio, proponiendo un diseño de red óptica metropolitana basado en la división en longitud de onda para multiplexar y direccionar las señales. Verificamos su funcionamiento con un prototipo. Posteriormente, estudiamos la distribución de pares de fotones entrelazados entre los usuarios de dicha red con el objetivo de abarcar más tecnologías. Para ampliar la capacidad de usuarios, rediseñamos la red troncal, cambiando tanto la topología como la tecnología utilizada en los nodos. El resultado es una red metropolitana cuántica que escala a cualquier cantidad de usuarios, a costa de una mayor complejidad y coste. Finalmente, tratamos el problema de la limitación en distancia. La solución propuesta está basada en codificación de red y permite, mediante el uso de varios caminos y nodos, modular la cantidad de información que tiene cada nodo, y así, la confianza depositada en él. ABSTRACT The potential use of quantum systems to process and transmit information has impulsed the emergence of quantum information technologies such as quantum key distribution. Despite looking promising, their use out of the laboratory is limited since they are a very delicate technology due to the need of working at the single quantum level. In this work we show how to use them in optical telecommunication networks. Using an existing infrastructure and sharing it with other signals, both quantum and conventional, reduces dramatically the cost and allows to reach a large group of users. In this work, we will first integrate quantum signals in the most common passive optical networks, for their simplicity and reach to final users. Then, we extend this study by proposing a quantum metropolitan optical network based on wavelength-division multiplexing and wavelengthaddressing, verifying its operation mode in a testbed. Later, we study the distribution of entangled photon-pairs between the users of the network with the objective of covering as much different technologies as possible. We further explore other network architectures, changing the topology and the technology used at the nodes. The resulting network scales better at the cost of a more complex and expensive infrastructure. Finally, we tackle the distance limitation problem of quantum communications. The solution offered is based on networkcoding and allows, using multiple paths and nodes, to modulate the information leaked to each node, and thus, the degree of trust placed in them.

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.

Secure optical networks based on quantum key distribution and weakly trusted repeaters

Abstract—In this paper we explore how recent technologies can improve the security of optical networks. In particular, we study how to use quantum key distribution(QKD) in common optical network infrastructures and propose a method to overcome its distance limitations. QKD is the first technology offering information theoretic secretkey distribution that relies only on the fundamental principles of quantum physics. Point-to-point QKDdevices have reached a mature industrial state; however, these devices are severely limited in distance, since signals at the quantum level (e.g., single photons) are highly affected by the losses in the communication channel and intermediate devices. To overcome this limitation, intermediate nodes (i.e., repeaters) are used. Both quantum-regime and trusted, classical repeaters have been proposed in the QKD literature, but only the latter can be implemented in practice. As a novelty, we propose here a new QKD network model based on the use of not fully trusted intermediate nodes, referred to as weakly trusted repeaters. This approach forces the attacker to simultaneously break several paths to get access to the exchanged key, thus improving significantly the security of the network. We formalize the model using network codes and provide real scenarios that allow users to exchange secure keys over metropolitan optical networks using only passive components. Moreover, the theoretical framework allows one to extend these scenarios not only to accommodate more complex trust constraints, but also to consider robustness and resiliency constraints on the network.

Deploying QKD in Standard Optical Networks

In order to deploy QKD in a cost effective and scalable way, its integration with already installed optical networks is a logical step. If, for the sake of security, we require that no intermediate trusted nodes would be needed, the maximum distance/absorptions allowed by QKD systems limit ourselves to metropolitan area networks. Current metro networks are mostly all optical and passive, hence a transparent link can be established among any two points and this link can be used to transport the quantum channel. In this poster we report on our findings studying the problems arising when integrating QKD systems in standard telecommunications networks.

Modeling and analysis of laminate composite plates with embedded active-passive piezoelectric networks

The objective of this work is to present the finite element modeling of laminate composite plates with embedded piezoelectric patches or layers that are then connected to active-passive resonant shunt circuits, composed of resistance, inductance and voltage source. Applications to passive vibration control and active control authority enhancement are also presented and discussed. The finite element model is based on an equivalent single layer theory combined with a third-order shear deformation theory. A stress-voltage electromechanical model is considered for the piezoelectric materials fully coupled to the electrical circuits. To this end, the electrical circuit equations are also included in the variational formulation. Hence, conservation of charge and full electromechanical coupling are guaranteed. The formulation results in a coupled finite element model with mechanical (displacements) and electrical (charges at electrodes) degrees of freedom. For a Graphite-Epoxy (Carbon-Fibre Reinforced) laminate composite plate, a parametric analysis is performed to evaluate optimal locations along the plate plane (xy) and thickness (z) that maximize the effective modal electromechanical coupling coefficient. Then, the passive vibration control performance is evaluated for a network of optimally located shunted piezoelectric patches embedded in the plate, through the design of resistance and inductance values of each circuit, to reduce the vibration amplitude of the first four vibration modes. A vibration amplitude reduction of at least 10 dB for all vibration modes was observed. Then, an analysis of the control authority enhancement due to the resonant shunt circuit, when the piezoelectric patches are used as actuators, is performed. It is shown that the control authority can indeed be improved near a selected resonance even with multiple pairs of piezoelectric patches and active-passive circuits acting simultaneously. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Hybrid Algorithms for Routing and Assignment Wavelengths in Optical Networks

This paper presents a strategy for the solution of the WDM optical networks planning. Specifically, the problem of Routing and Wavelength Allocation (RWA) in order to minimize the amount of wavelengths used. In this case, the problem is known as the Min-RWA. Two meta-heuristics (Tabu Search and Simulated Annealing) are applied to take solutions of good quality and high performance. The key point is the degradation of the maximum load on the virtual links in favor of minimization of number of wavelengths used; the objective is to find a good compromise between the metrics of virtual topology (load in Gb/s) and of the physical topology (quantity of wavelengths). The simulations suggest good results when compared to some existing in the literature.

The choice of the best among the shortest routes in transparent optical networks

This work introduces the problem of the best choice among M combinations of the shortest paths for dynamic provisioning of lightpaths in all-optical networks. To solve this problem in an optimized way (shortest path and load balance), a new fixed routing algorithm, named Best among the Shortest Routes (BSR), is proposed. The BSR`s performance is compared in terms of blocking probability and network utilization with Dijkstra`s shortest path algorithm and others algorithms proposed in the literature. The evaluated scenarios include several representative topologies for all-optical networking and different wavelength conversion architectures. For all studied scenarios, BSR achieved superior performance. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Optimization of p-cycle protection schemes in optical networks

La survie des réseaux est un domaine d'étude technique très intéressant ainsi qu'une préoccupation critique dans la conception des réseaux. Compte tenu du fait que de plus en plus de données sont transportées à travers des réseaux de communication, une simple panne peut interrompre des millions d'utilisateurs et engendrer des millions de dollars de pertes de revenu. Les techniques de protection des réseaux consistent à fournir une capacité supplémentaire dans un réseau et à réacheminer les flux automatiquement autour de la panne en utilisant cette disponibilité de capacité. Cette thèse porte sur la conception de réseaux optiques intégrant des techniques de survie qui utilisent des schémas de protection basés sur les p-cycles. Plus précisément, les p-cycles de protection par chemin sont exploités dans le contexte de pannes sur les liens. Notre étude se concentre sur la mise en place de structures de protection par p-cycles, et ce, en supposant que les chemins d'opération pour l'ensemble des requêtes sont définis a priori. La majorité des travaux existants utilisent des heuristiques ou des méthodes de résolution ayant de la difficulté à résoudre des instances de grande taille. L'objectif de cette thèse est double. D'une part, nous proposons des modèles et des méthodes de résolution capables d'aborder des problèmes de plus grande taille que ceux déjà présentés dans la littérature. D'autre part, grâce aux nouveaux algorithmes, nous sommes en mesure de produire des solutions optimales ou quasi-optimales. Pour ce faire, nous nous appuyons sur la technique de génération de colonnes, celle-ci étant adéquate pour résoudre des problèmes de programmation linéaire de grande taille. Dans ce projet, la génération de colonnes est utilisée comme une façon intelligente d'énumérer implicitement des cycles prometteurs. Nous proposons d'abord des formulations pour le problème maître et le problème auxiliaire ainsi qu'un premier algorithme de génération de colonnes pour la conception de réseaux protegées par des p-cycles de la protection par chemin. L'algorithme obtient de meilleures solutions, dans un temps raisonnable, que celles obtenues par les méthodes existantes. Par la suite, une formulation plus compacte est proposée pour le problème auxiliaire. De plus, nous présentons une nouvelle méthode de décomposition hiérarchique qui apporte une grande amélioration de l'efficacité globale de l'algorithme. En ce qui concerne les solutions en nombres entiers, nous proposons deux méthodes heurisiques qui arrivent à trouver des bonnes solutions. Nous nous attardons aussi à une comparaison systématique entre les p-cycles et les schémas classiques de protection partagée. Nous effectuons donc une comparaison précise en utilisant des formulations unifiées et basées sur la génération de colonnes pour obtenir des résultats de bonne qualité. Par la suite, nous évaluons empiriquement les versions orientée et non-orientée des p-cycles pour la protection par lien ainsi que pour la protection par chemin, dans des scénarios de trafic asymétrique. Nous montrons quel est le coût de protection additionnel engendré lorsque des systèmes bidirectionnels sont employés dans de tels scénarios. Finalement, nous étudions une formulation de génération de colonnes pour la conception de réseaux avec des p-cycles en présence d'exigences de disponibilité et nous obtenons des premières bornes inférieures pour ce problème.

Domain/Multi-Domain Protection and Provisioning in Optical Networks

L’évolution récente des commutateurs de sélection de longueurs d’onde (WSS -Wavelength Selective Switch) favorise le développement du multiplexeur optique d’insertionextraction reconfigurable (ROADM - Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers) à plusieurs degrés sans orientation ni coloration, considéré comme un équipement fort prometteur pour les réseaux maillés du futur relativement au multiplexage en longueur d’onde (WDM -Wavelength Division Multiplexing ). Cependant, leur propriété de commutation asymétrique complique la question de l’acheminement et de l’attribution des longueur d’ondes (RWA - Routing andWavelength Assignment). Or la plupart des algorithmes de RWA existants ne tiennent pas compte de cette propriété d’asymétrie. L’interruption des services causée par des défauts d’équipements sur les chemins optiques (résultat provenant de la résolution du problème RWA) a pour conséquence la perte d’une grande quantité de données. Les recherches deviennent ainsi incontournables afin d’assurer la survie fonctionnelle des réseaux optiques, à savoir, le maintien des services, en particulier en cas de pannes d’équipement. La plupart des publications antérieures portaient particulièrement sur l’utilisation d’un système de protection permettant de garantir le reroutage du trafic en cas d’un défaut d’un lien. Cependant, la conception de la protection contre le défaut d’un lien ne s’avère pas toujours suffisante en termes de survie des réseaux WDM à partir de nombreux cas des autres types de pannes devenant courant de nos jours, tels que les bris d’équipements, les pannes de deux ou trois liens, etc. En outre, il y a des défis considérables pour protéger les grands réseaux optiques multidomaines composés de réseaux associés à un domaine simple, interconnectés par des liens interdomaines, où les détails topologiques internes d’un domaine ne sont généralement pas partagés à l’extérieur. La présente thèse a pour objectif de proposer des modèles d’optimisation de grande taille et des solutions aux problèmes mentionnés ci-dessus. Ces modèles-ci permettent de générer des solutions optimales ou quasi-optimales avec des écarts d’optimalité mathématiquement prouvée. Pour ce faire, nous avons recours à la technique de génération de colonnes afin de résoudre les problèmes inhérents à la programmation linéaire de grande envergure. Concernant la question de l’approvisionnement dans les réseaux optiques, nous proposons un nouveau modèle de programmation linéaire en nombres entiers (ILP - Integer Linear Programming) au problème RWA afin de maximiser le nombre de requêtes acceptées (GoS - Grade of Service). Le modèle résultant constitue celui de l’optimisation d’un ILP de grande taille, ce qui permet d’obtenir la solution exacte des instances RWA assez grandes, en supposant que tous les noeuds soient asymétriques et accompagnés d’une matrice de connectivité de commutation donnée. Ensuite, nous modifions le modèle et proposons une solution au problème RWA afin de trouver la meilleure matrice de commutation pour un nombre donné de ports et de connexions de commutation, tout en satisfaisant/maximisant la qualité d’écoulement du trafic GoS. Relativement à la protection des réseaux d’un domaine simple, nous proposons des solutions favorisant la protection contre les pannes multiples. En effet, nous développons la protection d’un réseau d’un domaine simple contre des pannes multiples, en utilisant les p-cycles de protection avec un chemin indépendant des pannes (FIPP - Failure Independent Path Protecting) et de la protection avec un chemin dépendant des pannes (FDPP - Failure Dependent Path-Protecting). Nous proposons ensuite une nouvelle formulation en termes de modèles de flots pour les p-cycles FDPP soumis à des pannes multiples. Le nouveau modèle soulève un problème de taille, qui a un nombre exponentiel de contraintes en raison de certaines contraintes d’élimination de sous-tour. Par conséquent, afin de résoudre efficacement ce problème, on examine : (i) une décomposition hiérarchique du problème auxiliaire dans le modèle de décomposition, (ii) des heuristiques pour gérer efficacement le grand nombre de contraintes. À propos de la protection dans les réseaux multidomaines, nous proposons des systèmes de protection contre les pannes d’un lien. Tout d’abord, un modèle d’optimisation est proposé pour un système de protection centralisée, en supposant que la gestion du réseau soit au courant de tous les détails des topologies physiques des domaines. Nous proposons ensuite un modèle distribué de l’optimisation de la protection dans les réseaux optiques multidomaines, une formulation beaucoup plus réaliste car elle est basée sur l’hypothèse d’une gestion de réseau distribué. Ensuite, nous ajoutons une bande pasiv sante partagée afin de réduire le coût de la protection. Plus précisément, la bande passante de chaque lien intra-domaine est partagée entre les p-cycles FIPP et les p-cycles dans une première étude, puis entre les chemins pour lien/chemin de protection dans une deuxième étude. Enfin, nous recommandons des stratégies parallèles aux solutions de grands réseaux optiques multidomaines. Les résultats de l’étude permettent d’élaborer une conception efficace d’un système de protection pour un très large réseau multidomaine (45 domaines), le plus large examiné dans la littérature, avec un système à la fois centralisé et distribué.

Multidomain Optical Networks: Issues and Challenges

Today, many leading organizations are undertaking extensive research on a very broad range of new and evolving optical networking technologies. These efforts carry particular significance, especially in light of the “postbubble” dynamics of the optical networking market and have led to the investigation of various cost-efficient optical technologies. Today’s telecom carriers operate several independent optical domains based on diverse technologies, control solutions, standards, and protocols, making interdomain and intercarrier interworking extremely difficult. Standardized interworking across diverse multigranularity network interfaces, and interoperability across disparate vendor equipments and carrier domains are crucial to provisioning end-to-end services and achieving cost-efficient network operation. Needless to say, having an interoperable and standard control plane across multidomain optical networks can benefit carriers through the availability of a wide selection of network elements, platforms, and multiple vendor solutions resulting in faster deployment and reduced CAPEX and OPEX charges.