Design, monitoring and performance evaluation of high capacity optical networks

Premi Extraordinari de Doctorat, promoció 2018-2019. Àmbit de les TICInternet traffic is expected to keep increasing exponentially due to the emergence of a vast number of innovative online services and applications. Optical networks, which are the cornerstone of the underlying Internet infrastructure, have been continuously evolving to carry the ever-increasing traffic in a more flexible, cost-effective, and intelligent way. Having these three targets in mind, this PhD thesis focuses on two general areas for the performance improvement and the evolution of optical networks: i) introducing further cognition to the optical layer, and ii) introducing new networking solutions revolutionizing the optical transport infrastructure. In the first part, we present novel failure detection and identification solutions in the optical layer utilizing the optical spectrum traces captured by cost-effective coarse-granular Optical Spectrum Analyzers (OSA). We demonstrate the effectiveness of the developed solutions for detecting and identifying filter-related failures in the context of Spectrum-Switched Optical Networks (SSON), as well as transmitter-related laser failures in Filter-less Optical Networks (FON). In addition, at the subsystem level we propose an Autonomic Transmission Agent (ATA), which triggers local or remote transceiver reconfiguration by predicting Bit-Error-Rate (BER) degradation by monitoring State-of-Polarization (SOP) data obtained by coherent receivers. I have developed solutions to push further the performance of the currently deployed optical networks through reducing the margins and introducing intelligence to better manage their resources. However, it is expected that the spectral efficiency of the current standard Single-Mode Fiber (SMF) based optical network approaches the Shannon capacity limits in the near future, and therefore, a new paradigm is required to keep with the pace of the current huge traffic increase. In this regard, Space Division Multiplexing (SDM) is proposed as the ultimate solution to address the looming capacity crunch with a reduced cost-per-bit delivered to the end-users. I devote the second part of this thesis to investigate different flavors of SDM based optical networks with the aim of finding the best compromise for the realization of a spectrally and spatially flexible optical network. SDM-based optical networks can be deployed over various types of transmission media. Additionally, due to the extra dimension (i.e., space) introduced in SDM networks, optical switching nodes can support wavelength granularity, space granularity, or a combination of both. In this thesis, we evaluate the impact of various spectral and spatial switching granularities on the performance of SDM-based optical networks serving different profiles of traffic with the aim of understanding the impact of switching constraints on the overall network performance. In this regard, we consider two different generations of wavelength selective switches (WSS) to reflect the technology limitations on the performance of SDM networks. In addition, we present different designs of colorless direction-less, and Colorless Directionless Contention-less (CDC) Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers (ROADM) realizing SDM switching schemes and compare their performance in terms of complexity and implementation cost. Furthermore, with the aim of revealing the benefits and drawbacks of SDM networks over different types of transmission media, we preset a QoT-aware network planning toolbox and perform comparative performance analysis among SDM network based on various types of transmission media. We also analyze the power consumption of Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Digital Signal Processing (DSP) units of transceivers operating over three different types of transmission media. The results obtained in the second part of the thesis provide a comprehensive outlook to different realizations of SDM-based optical networks and showcases the benefits and drawbacks of different SDM realizations.Se espera que el tráfico de Internet siga aumentando exponencialmente debido a la continua aparición de gran cantidad de aplicaciones innovadoras. Las redes ópticas, que son la piedra angular de la infraestructura de Internet, han evolucionado continuamente para transportar el tráfico cada vez mayor de una manera más flexible, rentable e inteligente. Teniendo en cuenta estos tres objetivos, esta tesis doctoral se centra en dos áreas cruciales para la mejora del rendimiento y la evolución de las redes ópticas: i) introducción de funcionalidades cognitivas en la capa óptica, y ii) introducción de nuevas estructuras de red que revolucionarán el transporte óptico. En la primera parte, se presentan soluciones novedosas de detección e identificación de fallos en la capa óptica que utilizan trazas de espectro óptico obtenidas mediante analizadores de espectros ópticos (OSA) de baja resolución (y por tanto de coste reducido). Se demuestra la efectividad de las soluciones desarrolladas para detectar e identificar fallos derivados del filtrado imperfecto en las redes ópticas de conmutación de espectro (SSON), así como fallos relacionados con el láser transmisor en redes ópticas sin filtro (FON). Además, a nivel de subsistema, se propone un Agente de Transmisión Autónomo (ATA), que activa la reconfiguración del transceptor local o remoto al predecir la degradación de la Tasa de Error por Bits (BER), monitorizando el Estado de Polarización (SOP) de la señal recibida en un receptor coherente. Se han desarrollado soluciones para incrementar el rendimiento de las redes ópticas mediante la reducción de los márgenes y la introducción de inteligencia en la administración de los recursos de la red. Sin embargo, se espera que la eficiencia espectral de las redes ópticas basadas en fibras monomodo (SMF) se acerque al límite de capacidad de Shannon en un futuro próximo, y por tanto, se requiere un nuevo paradigma que permita mantener el crecimiento necesario para soportar el futuro aumento del tráfico. En este sentido, se propone el Multiplexado por División Espacial (SDM) como la solución que permita la continua reducción del coste por bit transmitido ante ése esperado crecimiento del tráfico. En la segunda parte de esta tesis se investigan diferentes tipos de redes ópticas basadas en SDM con el objetivo de encontrar soluciones para la realización de redes ópticas espectral y espacialmente flexibles. Las redes ópticas basadas en SDM se pueden implementar utilizando diversos tipos de medios de transmisión. Además, debido a la dimensión adicional (el espacio) introducida en las redes SDM, los nodos de conmutación óptica pueden conmutar longitudes de onda, fibras o una combinación de ambas. Se evalúa el impacto de la conmutación espectral y espacial en el rendimiento de las redes SDM bajo diferentes perfiles de tráfico ofrecido, con el objetivo de comprender el impacto de las restricciones de conmutación en el rendimiento de la red. En este sentido, se consideran dos generaciones diferentes de conmutadores selectivos de longitud de onda (WSS) para reflejar las limitaciones de la tecnología en el rendimiento de las redes SDM. Además, se presentan diferentes diseños de ROADM, independientes de la longitud de onda, de la dirección, y sin contención (CDC) utilizados para la conmutación SDM, y se compara su rendimiento en términos de complejidad y coste. Además, con el objetivo de cuantificar los beneficios e inconvenientes de las redes SDM, se ha generado una herramienta de planificación de red que prevé la QoT usando diferentes tipos de fibras. También se analiza el consumo de energía de las unidades DSP de los transceptores MIMO operando en redes SDM con tres tipos diferentes de medios de transmisión. Los resultados obtenidos en esta segunda parte de la tesis proporcionan una perspectiva integral de las redes SDM y muestran los beneficios e inconvenientes de sus diferentes implementacionesAward-winningPostprint (published version

Priority realloc : a threefold mechanism for route and resources allocation in EONs

Backbone networks are responsible for long-haul data transport serving many clients with a large volume of data. Since long-haul data transport service must rely on a robust high capacity network the current technology broadly adopted by the industry is Wavelength Division Multiplexing (WDM). WDM networks enable one single fiber to operate with multiple high capacity channels, drastically increasing the fiber capacity. In WDM networks each channel is associated with an individual wavelength. Therefore a whole wavelength capacity is assigned to a connection, causing waste of bandwidth in case the connection bandwidth requirement is less than the channel total capacity. In the last half decade, Elastic Optical Networks (EON) have been proposed and developed based on the flexible use of the optical spectrum known as the flexigrid. EONs are adaptable to clients requirements and may enhance optical networks performance. For these reasons, research community and data transport providers have been demonstrating increasingly high interest in EONs which are likely to replace WDM as the universally adopted technology in backbone networks in the near future. EONs have two characteristics that may limit its efficient resources use. The spectrum fragmentation, inherent to the dynamic EON operation, decreases the network capacity to assign resources to connection requests increasing network blocking probability. The spectrum fragmentation also intensifies the denial of service to higher rate request inducing service unfairness. Due to the fact EONs were just recently developed and proposed, the aforementioned issues were not yet extensively studied and solutions are still being proposed. Furthermore, EONs do not yet provide specific features as differentiated service mechanisms. Differentiated service strategies are important in backbone networks to guarantee client's diverse requirements in case of a network failure or the natural congestion and resources contention that may occur at some periods of time in a network. Impelled by the foregoing facts, this thesis objective is three-fold. By means of developing and proposing a mechanism for routing and resources assignment in EONs, we intend to provide differentiated service while decreasing fragmentation level and increasing service fairness. The mechanism proposed and explained in this thesis was tested in an EON simulation environment and performance results indicated that it promotes beneficial performance enhancements when compared to benchmark algorithms.Redes backbone sao responsáveis pelo transporte de dados à longa distância que atendem a uma grande quantidade de clientes com um grande volume de dados. Como redes backbone devem basear-se em uma rede robusta e de alta capacidade, a tecnologia atual amplamente adotada pela indústria é Wavelength Division Multiplexing (WDM). Redes WDM permitem que uma única fibra opere com múltiplos canais de alta largura de banda, aumentando drasticamente a capacidade da fibra. Em redes WDM cada canal está associado a um comprimento de onda particular. Por conseguinte, toda capacidade do comprimento de onda é atribuída a uma única conexão, fazendo com que parte da largura de banda seja desperdiçada no caso em que a requisição de largura de banda da conexão seja menor do que a capacidade total do canal. A partir da metade da última década, as Redes Ópticas Elásticas (Elastic Optical Networks - EON) têm sido propostas e desenvolvidas com base no uso flexível do espectro óptico conhecido como flexigrid. EONs são adaptáveis às requisiçes por banda dos clientes e podem, portanto, melhorar o desempenho das redes ópticas. Por estas razões, EONs têm recebido cada vez mais interesse dos meios de pesquisa e provedores de serviço e provavelmente substituirão WDM como a tecnologia universalmente adotada pela indústria em redes backbone. EONs têm duas características que podem limitar a utilização eficiente de recursos. A fragmentação do espectro, inerente à operação dinâmica das EONs, pode diminuir a capacidade da rede em distribuir recursos ao atender às solicitações por conexões aumentando a probabilidade de bloqueio na rede. A fragmentação do espectro também intensifica a negação de serviço às solicitações por taxa de transmissão mais elevada, gerando injustiça no serviço prestado. Como EONs foram desenvolvidas recentemente, respostas às questões acima mencionadas ainda estão sob estudo e soluções continuam sendo propostas na literatura. Além disso, EONs ainda não fornecem funções específicas como um mecanismo que proveja diferenciação de serviço. Estratégias de diferenciação de serviço são importantes em redes backbone para garantir os diversos requisitos dos clientes em caso de uma falha na rede ou do congestionamento e disputa por recursos que podem ocorrer em alguns períodos em uma rede. Impulsionada pelos fatos anteriormente mencionados, esta tese possui três objetivos. Através do desenvolvimento e proposta de um mecanismo de roteamento e atribuição de recursos para EONs, temos a intenção de disponibilizar diferenciação de serviço, diminuir o nível de fragmentação de espectro e aumentar a justiça na distribuição de serviços. O mecanismo proposto nesta tese foi testado em simulações de EONs. Resultados indicaram que o mecanismo proposto promove benefícios através do aprimoramento da performance de uma rede EON quando comparado com algoritmos de referência.Les xarxes troncals son responsables per el transport de dades a llarga distància que serveixen a una gran quantitat de clients amb un gran volum de dades. Com les xarxes troncals han d'estar basades en una xarxa robusta i d'alta capacitat, la tecnologia actual àmpliament adoptada per la indústria és el Wavelength Division Multiplexing (WDM). Xarxes WDM permeten operar amb una sola fibra multicanal d'alt ample de banda, el que augmenta molt la capacitat de la fibra. A les xarxes WDM cada canal est a associat amb una longitud d'ona particular. En conseqüència, tota la capacitat del canal es assignada a una sola connexió, fent que part dels recurs siguin perduts en el cas en que l'ample de banda sol licitada sigui menys que la capacitat total del canal. A gairebé deu anys les xarxes òptiques elàstiques (Elastic Optical Networks -EON) son propostes i desenvolupades basades en el ús visible de l'espectre òptic conegut com Flexigrid. EONs són adaptables a les sol·licituds per ample de banda dels clients i per tant poden millorar el rendiment de les xarxes òptiques. Per aquestes raons, EONs han rebut cada vegada més interès en els mitjans d’investigació i de serveis i, probablement, han de reemplaçar el WDM com la tecnologia universalment adoptada en les xarxes troncals. EONs tenen dues característiques que poden limitar l'ús eficient dels recursos seus. La fragmentació de l'espectre inherent al funcionament dinàmic de les EONs, pot disminuir la capacitat de la xarxa en distribuir els recursos augmentant la probabilitat de bloqueig de connexions. La fragmentació de l'espectre també intensifica la denegació de les sol·licituds de servei per connexions amb una major ample de banda, el que genera injustícia en el servei ofert. Com les EONs s'han desenvolupat recentment, solucions als problemes anteriors encara estan en estudi i les solucions segueixen sent proposades en la literatura. D'altra banda, les EONs encara no proporcionen funcions especifiques com mecanisme de diferenciació de provisió de serveis. Estratègies de diferenciació de servei són importants en les xarxes troncals per garantir les diverses necessitats dels clients en cas d'una fallada de la xarxa o de la congestió i la competència pels recursos que es poden produir en alguns períodes. Impulsada pels fets abans esmentats, aquesta tesi te tres objectius. A través del desenvolupament i proposta d'un mecanisme d'enrutament i assignació de recursos per EONs, tenim la intenció d'oferir la diferenciació de serveis, disminuir el nivell de fragmentació de l'espectre i augmentar l'equitat en la distribució dels serveis. El mecanisme proposat en aquesta tesi ha estat provat en simulacions EONs. Els resultats van indicar que el mecanisme promou millores en el rendiment de la EON, en comparació amb els algoritmes de referència