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 futur Debido 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.