Next generation optical access networks : technologies and economics

Abstract

The work presented herein, studies Next Generation Optical Access Networks (NG-OAN) economically (e.g. energy consumption) and technologically (e.g. rate, reach and dedicated/shared bandwidth). The work is divided into four main topics: energy efficiency in optical access architectures, novel spectrally efficient Long-Reach Passive Optical Networks (LR-PON), crosstalk impacts in heterogeneous and homogenous access networks and hybrid optical wireless transmissions. We investigate the impact of user profiles, optical distribution network topologies and equipment characteristics on resource sharing and power consumption in LR-PON. To have a clear vision on the energy consumption evolution of each part of NG-OAN, a model is proposed to evaluate the energy efficiency of optical access technologies. A spectrally efficient bidirectional Ultra-Dense Wavelength Division Multiplexing (UDWDM) PON architecture is developed using Nyquist shaped 16-ary quadrature amplitude modulation, offering up to 10 Gb/s service capabilities per user or wavelength. Performance of this system in terms of receiver sensitivity and nonlinear tolerance under different network transmission capacity conditions are experimentally optimized. In bi-directional transmis-sion, using frequency up/down-shifting of Nyquist pulse shaped signal from optical carrier, a full bandwidth allocation and easy maintenance of UDWDM networks as well as reduction of Rayleigh back-scattering are achieved. Moreover, self-homodyne detection is used to relax the laser linewidth requirement and digital signal processing complexity at the optical network unit. Simplified numerical model to estimate the impact of Raman crosstalk of multi-system next generation PONs in video overlay is proposed. Coexistence of considered G.98X ITU-T series and coherent multi-wavelength systems is considered and assessed. Additionally, the performances of bidirectional hybrid optical wireless coherent PONs over different optical distribution network power budgets and hybrid splitting ratios are evaluated.

O trabalho aqui apresentado estuda redes óticas de acesso de próxima geração (NG-OAN) nas vertentes económica (consumo de energia) e tecnológica (taxa, alcance e largura de banda dedicada/partilhada). O trabalho está dividido em quatro grandes temas de investigação: a eficiência energética em arquiteturas de acesso ótico, as redes óticas passivas de longo alcance (LR-PON) com nova eficiência espetral, o impacto da diafonia em redes de acesso heterogéneas e homogéneas e as transmissões ópticas híbridas com tecnologias sem fio. Investiga-se o impacto dos perfis dos utilizadores, as tipologias da rede de distribuição ótica, as características do equipamento de partilha de recursos e o consumo de energia em LR-PON. Para se ter uma visão clara sobre o consumo de energia de cada parte das NG-OAN, é proposto um modelo para avaliar a eficiência energética das tecnologias de acesso óticas. Desenvolve-se uma arquitetura PON bi-direcional com elevada eficiência espetral, recorrendo a multiplexagem por divisão de comprimento de onda ultra-densa (UDWDM), modulação de amplitude em quadratura com formato de impulso de Nyquist, oferecendo até 10 Gb/s por utilizador/comprimento de onda. O desempenho deste sistema em termos de sensibilidade do recetor e da tolerância à resposta não linear do canal de comunicação, sob diferentes condições de transmissão, é avaliado experimentalm-ente. Em transmissão bi-direcional, utilizando desvio de frequência (cima/baixo) do impulso com formato de Nyquist relativo à portadora ótica conseguiu-se uma alocação de largura de banda completa e uma manutenção mais simplificada de redes UDWDM, bem como a redução do espalhamento de Rayleigh. Além disso, a deteção auto-homodina é usada para relaxar o requisito de largura de linha do laser e a complexidade do processamento digital de sinal nas unidades da rede ótica. Propõe-se um modelo numérico simplificado para estimar o impacto da diafonia de Raman em sistemas PON de próxima geração, com sobreposição do sinal de vídeo. É analisada a coexistência da série G.98X ITU-T e são considerados e avaliados sistemas coerentes multi-comprimento de onda. Adicionalmente avaliam-se os desempenhos de PONs bi-direcionais híbridas, considerando tecnologia coerente e propagação por espaço livre, para diferentes balanços de potência e taxas de repartição na rede ótica de distribuição.