Estudos de Desempenho de Redes de Comunicação Incorporando Aplicações Não Lineares de Amplificadores Ópticos Semicondutores

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1 Estudos de Desempenho de Redes de Comunicação Incorporando Aplicações Não Lineares de Amplificadores Ópticos Semicondutores Mário Marques Freire Universidade da Beira Interior Provas de Doutoramento Covilhã, 13 de Outubro de 2000

2 Sumário Introdução Objectivos Sugestões para Trabalho Futuro Conclusões

3 Introdução Este ano (1999), a industria de telecomunicações finalmente percebeu que passou os últimos 123 anos a construir a rede errada. Steve Harbour, in Fibre Systems, Dec. 1999, pp Volume de Tráfego [Petabytes/mês] Tráfego Internet Tráfego de Voz Ano

4 Qualidade de Serviço Logística de Serviço Facilidade de Utilização de Serviço Acessibilidade de Serviço Retinibilidade de Serviço Integridade de Serviço Segurança de Serviço Servibilidade Desempenho de Tráfego Desempenho de Desempenho de Disponibilidade Transmissão

5 Aplicações Não Lineares de SOAs em Redes de Comunicação Ópticas Portas Lógicas Ópticas Processamento de Cabeçalhos Resolução da Contenção Comutação Transmissão Transmultiplexagem OTDM-WDM e WDM-OTDM Conversão de Códigos NRZ-RZ e RZ-NRZ Divisão da Frequência do Relógio Permuta de Comprimentos de Onda Encaminhamento Desmultiplexagem em Sistemas OTDM Regeneração 3R Totalmente Óptica Filtragem Óptica em Sistemas WDM Redução do Ruído de Intensidade em Sistemas de Comunicação Usando Bandas Espectrais de Radiação Incoerente Redução do Desvio Dinâmico de Frequência Inversão Espectral a Meio do Sistema

6 Objectivos O objectivo central da presente tese é estudar o desempenho de redes e sistemas de comunicação ópticos incorporando aplicações não lineares de amplificadores ópticos semicondutores.

7 Objectivos Para analisar os benefícios resultantes do uso de conversores de comprimentos de onda, recorre-se ao desempenho de bloqueio. Devido ao facto de os conversores de comprimentos de onda não serem ideais, torna-se necessário analisar a degradação do desempenho da transmissão, resultante do uso dos referidos conversores.

8 Objectivos Em relação às aplicações não lineares dos SOAs ao nível da transmissão, é considerada a utilização destes para reduzir o desvio dinâmico de frequência em sistemas com transmissão suportada por dispersão.

9 Objectivos Quanto às aplicações dos SOAs ao nível da comutação, é apresentado um estudo sobre o desempenho de comutadores ópticos de pacotes, recorrendo à estratégia de resolução da contenção baseada na dimensão comprimento de onda.

10 Capítulo 2 Apresentação de uma perspectiva geral das aplicações não lineares dos SOAs em redes de comunicação ópticas, quer ao nível da transmissão, quer ao nível da comutação e do encaminhamento. Proposta de uma classificação para as estratégias de resolução da contenção em comutadores ópticos de pacotes.

11 Estratégias para Resolução da Contenção em Comutadores Ópticos de Pacotes Armazenamento em buffers Encaminhamento por deflexão Uso da dimensão comprimento de onda Andar simples Vários andares Simples Misto Misto Simples Linhas de atraso com alimentação avançada Linhas de atraso com alimentação avançada Encaminhamento por deflexão com pequena capacidade de armazenamento em buffers Uso da dimensão comprimento de onda com armazenamento em buffers Linhas de atraso com realimentação Encaminhamento por deflexão com permuta de comprimentos de onda

12 Capítulo 2 Estudo da probabilidade de perda de pacotes em comutadores ópticos de pacotes, usando a estratégia para resolução da contenção baseada na permuta de comprimentos de onda. Identificação do facto de a probabilidade da perda de pacotes ser praticamente constante, a partir de cerca de 5 fibras à entrada de um comutador óptico sem buffers.

13 Capítulo 2 Probabilidade de perda de pacotes 1.0E E E E E E E canais WDM por cada fibra à entrada Carga oferecida: 0.8 Carga oferecida: 0.9 Carga oferecida: Número de fibras à entrada

14 Capítulo 3 Proposta de uma metodologia, baseada no método semi-analítico puro com aproximação Gaussiana, para simulação e análise do desempenho de sistemas com transmissão suportada por dispersão envolvendo aplicações não lineares de SOAs. Estimação de dois conjuntos de parâmetros de lasers semiconductores para simulação de sistemas de comunicação ópticos a 20 Gbit/s e até 40 Gbit/s.

15 Capítulo 4 Estudo do desempenho de sistemas com transmissão suportada por dispersão, com redução do desvio dinâmico de frequência num SOA usado como amplificador intensificador. Sistemas DST a 10 Gbit/s; Sistemas DST a 20 Gbit/s; Sistemas com Modulação Directa em Intensidade a 40 Gbit/s.

16 Capítulo 4 Estudo do desempenho de sistemas WDM com transmissão suportada por dispersão a 10 Gbit/s, considerando as seguintes tecnologias de desmultiplexagem óptica: Filtros Fabry-Perot de cavidade simples ou de cavidade dupla; Filtros Fabry-Perot com três espelhos; Filtros de interferência; Filtros baseados em grelhas de agregados de guias de onda com ou sem banda passante aplanada.

17 Capítulo 4 Demonstração, por simulação, da compatibilidade entre a técnica de transmissão suportada por dispersão e a técnica de conversão de comprimentos de onda baseada na modulação de ganho cruzado em SOAs.

18 Capítulo 4 Sensibilidade do receptor [dbm] DST DST-WC (100 GHz) DST-WC (-100 GHz) Comprimento da ligação [km]

19 Capítulo 5 Comparação dos diversos modelos analíticos para análise do desempenho de bloqueio em redes de comunicação ópticas com encaminhamento no comprimento de onda. Determinação da distribuição do comprimento de salto para: i) redes em anel bidireccional; ii) redes em anel com cordas com comprimentos da corda de 3, de N/2 ou N/2-1, o mais próximo possível de N/4, e de N+3, onde N representa o número de nós; iii) redes em teia toroidal com um número par de nós.

20 Capítulo 5 Proposta de novas métricas para análise do desempenho de bloqueio de redes em anel com cordas, nomeadamente o ganho em bloqueio devido ao comprimento da corda, e o ganho em bloqueio devido a um aumento do grau nodal.

21 Capítulo 6 Estudo do desempenho de bloqueio de redes ópticas com encaminhamento no comprimento de onda e com topologia em anel unidireccional ou bidireccional. Mostrou-se que o desempenho de bloqueio de uma rede em anel unidireccional com N nós é semelhante ao desempenho de bloqueio de uma rede em anel bidireccional com 4N nós. Foi investigada a influência da permuta de comprimentos de onda nesse aumento quádruplo da capacidade dos anéis bidireccionais, em relação aos anéis unidireccionais.

22 Capítulo 6 1.0E+00 Probabilidade de bloqueio 1.0E E E E E E-06 Uni, N=10, F=4 Uni, N=10, F=8 Uni, N=10, F=12 Uni, N=10, F=16 Bi, N=40, F=4 Bi, N=40, F=8 Bi, N=40, F=12 Bi, N=40, F= Carga por nó [Erlang]

23 Capítulo 6 Estudo do desempenho de bloqueio de redes em anel com cordas para comprimentos da corda de 3, N/4, N+3, com N=40, N=100 ou N=1600, onde N é o número de nós. Foi também investigada a influência da permuta de comprimentos de onda no desempenho de bloqueio deste tipo de redes.

24 Capítulo 6 O desempenho de bloqueio de redes em anel com cordas foi ainda comparado com o desempenho de redes em anel e de redes em teia toroidal. Esta comparação revelou uma importante característica das redes em anel com cordas: foram observados pequeníssimos ganhos em bloqueio devido ao aumento do grau nodal de 3 (anel com cordas com w= N+3) para 4 (teia toroidal).

25 Capítulo 6 Ganho devido ao grau nodal 1.0E E E E E E E Carga por nó [Erlang] w=n/4, F=4 w=n/4, F=8 w=n/4, F=12 w=n/4, F=16 w=sqwr(n)+3, F=4 w=sqwr(n)+3, F=8 w=sqwr(n)+3, F=12 w=sqwr(n)+3, F=16

26 Sugestões para Trabalho Futuro Inclusão do modelo de um filtro óptico, baseado numa grelha de Bragg em fibra uniforme (uniform fiber Bragg grating), em modelos de sistemas WDM- DST e sistemas DST-WC. Estudo do desempenho de bloqueio em WRONs com topologia em anel com cordas ou em teia toroidal, usando modelos com tráfego de entrada não Poissoniano, de que são exemplo o modelo de Bernoulli-Poisson-Pascal e o método aleatório equivalente.

27 Sugestões para Trabalho Futuro Estimação da probabilidade de perda de pacotes em comutadores ópticos com permuta de comprimentos de onda e armazenamento em buffers, usando o modelo de M-Pareto para modelação de tráfego em rajada, ou o modelo Gaussiano para tráfego suficientemente agregado.

28 Conclusões Esta tese foi dedicada ao desempenho de redes de comunicação ópticas incorporando aplicações não lineares de SOAs; Foi analisado o desempenho de comutadores ópticos de pacotes com resolução da contenção baseada no uso da dimensão comprimento de onda; Foi avaliado o desempenho de sistemas com transmissão suportada por dispersão com redução do desvio dinâmico de frequência num SOA; Foi avaliado o desempenho de sistemas WDM-DST considerando diversas tecnologias de desmultiplexagem; Foi demonstrada, por simulação, a compatibilidade entre a técnica de transmissão suportada por dispersão e a técnica de conversão de comprimentos de onda baseada na modulação de ganho cruzado;

29 Conclusões Mostrou-se que o desempenho de bloqueio de uma rede em anel unidireccional com N nós é semelhante ao desempenho de bloqueio de uma rede em anel bidireccional com 4N nós; Foi também investigada a influência da permuta de comprimentos de onda nesse aumento quádruplo da capacidade dos anéis bidireccionais; Foi também apresentado um estudo sobre o desempenho de bloqueio em redes com topologia em anel com cordas. Nesse estudo foi investigada a influência do comprimento da corda e da permuta de comprimentos de onda no desempenho de bloqueio; Esse estudo incluiu ainda uma comparação do desempenho de redes em anel com cordas com o desempenho de redes em anel e de redes em teia toroidal.