Energy management in communication networks: a journey through modelling and optimization glasses

The widespread proliferation of Internet and wireless applications has produced a significant increase of ICT energy footprint. As a response, in the last five years, significant efforts have been undertaken to include energy-awareness into network management. Several green networking frameworks have been proposed by carefully managing the network routing and the power state of network devices. Even though approaches proposed differ based on network technologies and sleep modes of nodes and interfaces, they all aim at tailoring the active network resources to the varying traffic needs in order to minimize energy consumption. From a modeling point of view, this has several commonalities with classical network design and routing problems, even if with different objectives and in a dynamic context. With most researchers focused on addressing the complex and crucial technological aspects of green networking schemes, there has been so far little attention on understanding the modeling similarities and differences of proposed solutions. This paper fills the gap surveying the literature with optimization modeling glasses, following a tutorial approach that guides through the different components of the models with a unified symbolism. A detailed classification of the previous work based on the modeling issues included is also proposed

Survivability with Adaptive Routing and Reactive Defragmentation in IP-over-EON after A Router Outage

The occurrence of a router outage in the IP layer can lead to network survivability issues in IP-over-elastic-optical networks with consequent effects on the existing connections used in transiting the router. This usually leads to the application of a path to recover any affected traffic by utilizing the spare capacity of the unaffected lightpath on each link. However, the spare capacity in some links is sometimes insufficient and thus needs to be spectrally expanded. A new lightpath is also sometimes required when it is impossible to implement the first process. It is important to note that both processes normally lead to a large number of lightpath reconfigurations when applied to different unaffected lightpaths. Therefore, this study proposes an adaptive routing strategy to generate the best path with the ability to optimize the use of unaffected lightpaths to perform reconfiguration and minimize the addition of free spectrum during the expansion process. The reactive defragmentation strategy is also applied when it is impossible to apply spectrum expansion because of the obstruction of the neighboring spectrum. This proposed strategy is called lightpath reconfiguration and spectrum expansion with reactive defragmentation (LRSE+RD), and its performance was compared to the first Shortest Path (1SP) as the benchmark without a reactive defragmentation strategy. The simulation conducted for the two topologies with two traffic conditions showed that LRSE+RD succeeded in reducing the lightpath reconfigurations, new lightpath number, and additional power consumption, including the additional operational expense compared to 1SP

Intelligent Network Infrastructures: New Functional Perspectives on Leveraging Future Internet Services

The Internet experience of the 21st century is by far very different from that of the early '80s. The Internet has adapted itself to become what it really is today, a very successful business platform of global scale. As every highly successful technology, the Internet has suffered from a natural process of ossification. Over the last 30 years, the technical solutions adopted to leverage emerging applications can be divided in two categories. First, the addition of new functionalities either patching existing protocols or adding new upper layers. Second, accommodating traffic grow with higher bandwidth links. Unfortunately, this approach is not suitable to provide the proper ground for a wide gamma of new applications. To be deployed, these future Internet applications require from the network layer advanced capabilities that the TCP/IP stack and its derived protocols can not provide by design in a robust, scalable fashion. NGNs (Next Generation Networks) on top of intelligent telecommunication infrastructures are being envisioned to support future Internet Services. This thesis contributes with three proposals to achieve this ambitious goal. The first proposal presents a preliminary architecture to allow NGNs to seamlessly request advanced services from layer 1 transport networks, such as QoS guaranteed point-to-multipoint circuits. This architecture is based on virtualization techniques applied to layer 1 networks, and hides from NGNs all complexities of interdomain provisioning. Moreover, the economic aspects involved were also considered, making the architecture attractive to carriers. The second contribution regards a framework to develop DiffServ-MPLS capable networks based exclusively on open source software and commodity PCs. The developed DiffServ-MPLS flexible software router was designed to allow NGN prototyping, that make use of pseudo virtual circuits and assured QoS as a starting point of development. The third proposal presents a state of the art routing and wavelength assignment algorithm for photonic networks. This algorithm considers physical layer impairments to 100% guarantee the requested QoS profile, even in case of single network failures. A number of novel techniques were applied to offer lower blocking probability when compared with recent proposed algorithms, without impacting on setup delay time

MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo

Supporting differentiated classes of resilience in multilayer networks

Services provided over telecommunications networks typically have different resilience requirements and networks need to be able to support different levels of resilience in an efficient manner. This dissertation investigates the problem of supporting differentiated classes of resilience in multilayer networks, including the most stringent resilience class required by critical services. We incorporate an innovative technique of embedding a subnetwork, termed the spine, with comparatively higher availability values at the physical layer. The spine lays a foundation for differentiation between multiple classes of flows that can be leveraged to achieve both high resilience and differentiation. The aim of this research is mainly to explore, design, and evaluate the proposed spine concept model in multilayer networks. The dissertation has four major parts. First, we explore the spine concept through numerical analysis of simple topologies illustrating the potential benefits and the cost considerations of the spine. We develop heuristics algorithms to find suitable spines for a network based on the structural properties of the network topology. Second, an optimization problem is formulated to determine the spine. The problem encompasses estimates of link availability improvements, associated costs, and a total budget. Third, we propose a crosslayer mapping and spine-aware routing design problem with protection given mainly at the lower layer. The problem is designed to transfer lower layer differentiation capability to the upper layer network and flows. We provide two joint routing-mapping optimization formulations and evaluate their performance in a multilayer scenario. Fourth, the joint routing-mapping problem is redesigned with protection given in the upper network layer instead. This will create two isolated logical networks; one mapped to the spine and the other is mapped freely on the network. Flows are assigned a path or path-pair based on their class of resilience. This approach can provide more routing options yielding different availability levels. The joint routing-mapping design problems are formulated as Integer Linear Programming (ILP) models. The goal is to achieve a wider range of availability values across layers and high availability levels for mission-critical services without the need to use higher order protection configurations. The proposed models are evaluated with extensive numerical results using real network topologies

MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo