Genetic algorithm for the topological design of survivable optical transport networks

We develop a genetic algorithm for the topological design of survivable optical transport networks with minimum capital expenditure. Using the developed genetic algorithm we can obtain near-optimal topologies in a short time. The quality of the obtained solutions is assessed using an integer linear programming model. Two initial population generators, two selection methods, two crossover operators, and two population sizes are analyzed. Computational results obtained using real telecommunications networks show that by using an initial population that resembles real optical transport networks a good convergence is achieved

Dimensionamento de redes ópticas multicamada

Doutoramento em Engenharia ElectrónicaEste trabalho apresenta um estudo sobre o dimensionamento de redes ópticas, com vistas a obter um modelo de dimensionamento para redes de transporte sobreviventes. No estudo utilizou-se uma abordagem estatística em detrimento à determinística. Inicialmente, apresentam-se as principais tecnologias e diferentes arquitecturas utilizadas nas redes ópticas de transporte. Bem como os principais esquemas de sobrevivência e modos de transporte. São identificadas variáveis necessárias e apresenta-se um modelo dimensionamento para redes de transporte, tendo-se dado ênfase às redes com topologia em malha e considerando os modos de transporte opaco, transparente e translúcido. É feita uma análise rigorosa das características das topologias de redes de transporte reais, e desenvolve-se um gerador de topologias de redes de transporte, para testar a validade dos modelos desenvolvidos. Também é implementado um algoritmo genético para a obtenção de uma topologia optimizada para um dado tráfego. São propostas expressões para o cálculo de variáveis não determinísticas, nomeadamente, para o número médio de saltos de um pedido, coeficiente de protecção e coeficiente de restauro. Para as duas últimas, também é analisado o impacto do modelo de tráfego. Verifica-se que os resultados obtidos pelas expressões propostas são similares às obtidas por cálculo numérico, e que o modelo de tráfego não influencia significativamente os valores obtidos para os coeficientes. Finalmente, é demonstrado que o modelo proposto é útil para o dimensionamento e cálculo dos custos de capital de redes com informação incompleta.This work presents a study on the dimensioning of optical networks, aiming to obtain a dimensioning model for survivable optical transport networks. The study relies on a statistical approach rather than a deterministic approach. Initially, enabling technologies and different architectures usually employed in optical transport networks are presented. The main survivability schemes and transport modes are also presented. Useful variables are identified and a transport network dimensioning model is presented, with emphasis on mesh-based network topologies, and considering opaque, transparent and translucent transport modes. A rigorous analysis on the characteristics of real-world transport networks is done, and a topology generator is developed. The topology generator is used for testing and validating the developed models. A genetic algorithm for obtaining an optimized topology for a given traffic load is implemented as well. Expressions for calculating non-deterministic variables are proposed, namely for the average number of hops per demand, protection and restoration coefficient. For the last two, the impact of the traffic model was analyzed. It is shown that results obtained from the proposed expressions are quite similar to the ones obtained from numeric calculation. Moreover, the traffic model does not influence significantly the values obtained for the coefficients. Finally, it is shown that the proposed model is useful for the dimensioning and calculation of capital expenditures of networks in absence of complete information.FCT - SFRH/BD/27545/200

Desenho topológico de redes ópticas

Mestrado em Matemática e AplicaçõesA massificação do acesso à Internet e o surgimento de novos serviços de telecomunicações tem originado um crescimento continuado do tráfego. As modernas redes de telecomunicações são suportadas por sistemas ópticos baseados em múltiplos comprimentos de onda e dotadas de mecanismos de sobrevivência contra falhas. Nesta dissertação estudamos o problema do desenho topológico de uma rede óptica sobrevivente. O problema do desenho topológico consiste em determinar a topologia de menor custo para uma dada localização de nós e modelo de tráfego. No âmbito desta dissertação assumimos que o mecanismo de sobrevivência deve ser capaz de recuperar de uma falha em qualquer ligação. Neste trabalho são apresentados modelos em programação linear inteira para a minimização dos custos de instalação de uma rede óptica sobrevivente, segundo um esquema de protecção dedicada e partilhada. É também apresentado um algoritmo genético para aproximação da solução óptima do problema para os esquemas de protecção considerados. No âmbito da análise do algoritmo genético são comparados dois métodos de cruzamento e dois métodos de selecção. Utilizando os modelos em programação linear inteira e o algoritmo genético foram determinadas aproximações para a topologia óptima de redes de telecomunicações reais.The massification of Internet access and the appearance of new telecommunications services are originating a continuum traffic growth. Modern telecommunication networks are supported by optical systems based on multiple wavelengths and endow of survivability mechanisms against fails. In this dissertation, the survivable network topological design problem is studied. The topological design problem consists in determining the least cost network topology, given the nodes location and traffic model. In this dissertation, it is assumed that the survivability mechanism can recover from fails in any link. In this work, integer linear programming models to minimize the installation costs of a survivable optical network are presented. The considered protection schemes are dedicated protection and shared protection. A genetic algorithm to approximate the problem optimal solution for the considered protection schemes is also presented. Two crossover methods and two selection methods are compared within the genetic algorithm. Using the integer linear programming model and the genetic algorithm, approximations to optimal topologies, for real telecommunications networks are determined

Characterization, design and re-optimization on multi-layer optical networks

L'augment de volum de tràfic IP provocat per l'increment de serveis multimèdia com HDTV o vídeo conferència planteja nous reptes als operadors de xarxa per tal de proveir transmissió de dades eficient. Tot i que les xarxes mallades amb multiplexació per divisió de longitud d'ona (DWDM) suporten connexions òptiques de gran velocitat, aquestes xarxes manquen de flexibilitat per suportar tràfic d’inferior granularitat, fet que provoca un pobre ús d'ample de banda. Per fer front al transport d'aquest tràfic heterogeni, les xarxes multicapa representen la millor solució. Les xarxes òptiques multicapa permeten optimitzar la capacitat mitjançant l'empaquetament de connexions de baixa velocitat dins de connexions òptiques de gran velocitat. Durant aquesta operació, es crea i modifica constantment una topologia virtual dinàmica gràcies al pla de control responsable d’aquestes operacions. Donada aquesta dinamicitat, un ús sub-òptim de recursos pot existir a la xarxa en un moment donat. En aquest context, una re-optimizació periòdica dels recursos utilitzats pot ser aplicada, millorant així l'ús de recursos. Aquesta tesi està dedicada a la caracterització, planificació, i re-optimització de xarxes òptiques multicapa de nova generació des d’un punt de vista unificat incloent optimització als nivells de capa física, capa òptica, capa virtual i pla de control. Concretament s'han desenvolupat models estadístics i de programació matemàtica i meta-heurístiques. Aquest objectiu principal s'ha assolit mitjançant cinc objectius concrets cobrint diversos temes oberts de recerca. En primer lloc, proposem una metodologia estadística per millorar el càlcul del factor Q en problemes d'assignació de ruta i longitud d'ona considerant interaccions físiques (IA-RWA). Amb aquest objectiu, proposem dos models estadístics per computar l'efecte XPM (el coll d'ampolla en termes de computació i complexitat) per problemes IA-RWA, demostrant la precisió d’ambdós models en el càlcul del factor Q en escenaris reals de tràfic. En segon lloc i fixant-nos a la capa òptica, presentem un nou particionament del conjunt de longituds d'ona que permet maximitzar, respecte el cas habitual, la quantitat de tràfic extra proveït en entorns de protecció compartida. Concretament, definim diversos models estadístics per estimar la quantitat de tràfic donat un grau de servei objectiu, i diferents models de planificació de xarxa amb l'objectiu de maximitzar els ingressos previstos i el valor actual net de la xarxa. Després de resoldre aquests problemes per xarxes reals, concloem que la nostra proposta maximitza ambdós objectius. En tercer lloc, afrontem el disseny de xarxes multicapa robustes davant de fallida simple a la capa IP/MPLS i als enllaços de fibra. Per resoldre aquest problema eficientment, proposem un enfocament basat en sobre-dimensionar l'equipament de la capa IP/MPLS i recuperar la connectivitat i el comparem amb la solució convencional basada en duplicar la capa IP/MPLS. Després de comparar solucions mitjançant models ILP i heurístiques, concloem que la nostra solució permet obtenir un estalvi significatiu en termes de costos de desplegament. Com a quart objectiu, introduïm un mecanisme adaptatiu per reduir l'ús de ports opto-electrònics (O/E) en xarxes multicapa sota escenaris de tràfic dinàmic. Una formulació ILP i diverses heurístiques són desenvolupades per resoldre aquest problema, que permet reduir significativament l’ús de ports O/E en temps molt curts. Finalment, adrecem el problema de disseny resilient del pla de control GMPLS. Després de proposar un nou model analític per quantificar la resiliència en topologies mallades de pla de control, usem aquest model per proposar un problema de disseny de pla de control. Proposem un procediment iteratiu lineal i una heurística i els usem per resoldre instàncies reals, arribant a la conclusió que es pot reduir significativament la quantitat d'enllaços del pla de control sense afectar la qualitat de servei a la xarxa.The explosion of IP traffic due to the increase of IP-based multimedia services such as HDTV or video conferencing poses new challenges to network operators to provide a cost-effective data transmission. Although Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) meshed transport networks support high-speed optical connections, these networks lack the flexibility to support sub-wavelength traffic leading to poor bandwidth usage. To cope with the transport of that huge and heterogeneous amount of traffic, multilayer networks represent the most accepted architectural solution. Multilayer optical networks allow optimizing network capacity by means of packing several low-speed traffic streams into higher-speed optical connections (lightpaths). During this operation, a dynamic virtual topology is created and modified the whole time thanks to a control plane responsible for the establishment, maintenance, and release of connections. Because of this dynamicity, a suboptimal allocation of resources may exist at any time. In this context, a periodically resource reallocation could be deployed in the network, thus improving network resource utilization. This thesis is devoted to the characterization, planning, and re-optimization of next-generation multilayer networks from an integral perspective including physical layer, optical layer, virtual layer, and control plane optimization. To this aim, statistical models, mathematical programming models and meta-heuristics are developed. More specifically, this main objective has been attained by developing five goals covering different open issues. First, we provide a statistical methodology to improve the computation of the Q-factor for impairment-aware routing and wavelength assignment problems (IA-RWA). To this aim we propose two statistical models to compute the Cross-Phase Modulation variance (which represents the bottleneck in terms of computation time and complexity) in off-line and on-line IA-RWA problems, proving the accuracy of both models when computing Q-factor values in real traffic scenarios. Second and moving to the optical layer, we present a new wavelength partitioning scheme that allows maximizing the amount of extra traffic provided in shared path protected environments compared with current solutions. Specifically, we define several statistical models to estimate the traffic intensity given a target grade of service, and different network planning problems for maximizing the expected revenues and net present value. After solving these problems for real networks, we conclude that our proposed scheme maximizes both revenues and NPV. Third, we tackle the design of survivable multilayer networks against single failures at the IP/MPLS layer and WSON links. To efficiently solve this problem, we propose a new approach based on over-dimensioning IP/MPLS devices and lightpath connectivity and recovery and we compare it against the conventional solution based on duplicating backbone IP/MPLS nodes. After evaluating both approaches by means of ILP models and heuristic algorithms, we conclude that our proposed approach leads to significant CAPEX savings. Fourth, we introduce an adaptive mechanism to reduce the usage of opto-electronic (O/E) ports of IP/MPLS-over-WSON multilayer networks in dynamic scenarios. A ILP formulation and several heuristics are developed to solve this problem, which allows significantly reducing the usage of O/E ports in very short running times. Finally, we address the design of resilient control plane topologies in GMPLS-enabled transport networks. After proposing a novel analytical model to quantify the resilience in mesh control plane topologies, we use this model to propose a problem to design the control plane topology. An iterative model and a heuristic are proposed and used to solve real instances, concluding that a significant reduction in the number of control plane links can be performed without affecting the quality of service of the network

Fast Approximate Dimensioning and Performance Analysis of Mesh Optical Networks

Abstract – This paper presents a collection of approximation formulas that allow a network planner to quickly estimate the size of a mesh optical network with limited inputs. In particular, it provides a set of equations that relate number of sites, average fiber connectivity, demand load and capacity for various mesh protection architectures. These results can be used to easily and quickly estimate the amount of traffic that can be carried over a given network, or, conversely, given the traffic to be supported, to assess the characteristics of the topology required (in terms of number of nodes, connectivity). Finally, this analysis can be used to estimate the restoration performance that can be expected without requiring any extensive simulation studies. Index Terms – Optical networks, mesh networking, restoration, performance analysis

Fast Approximate Dimensioning and Performance Analysis Of Mesh Optical Networks

This paper presents a collection of approximation formulas that allow a network planner to quickly estimate the size of a mesh optical network with limited inputs. In particular, it provides a set of equations that relate number of sites, average fiber connectivity, demand load and capacity for various mesh protection architectures. These results can be used to easily and quickly estimate the amount of traffic that can be carried over a given network, or, conversely, given the traffic to be supported, to assess the characteristics of the topology required (in terms of number of nodes, connectivity). Finally, this analysis can be used to estimate the restoration performance that can be expected without resorting to extensive simulation studies

Planeamento e dimensionamento de redes ópticas com encaminhamento ao nível da camada óptica

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesNo presente trabalho analisa-se o problema do dimensionamento de redes ópticas de segunda geração. Redes ópticas de segunda geração são redes com capacidade de encaminhamento ao nível da camada óptica. O dimensionamento de uma rede óptica consiste em especificar a quantidade de recursos necessários para transportar um dado tráfego. A abordagem a este problema é frequentemente realizada através de processamento numérico extensivo, sendo necessário um conhecimento detalhado da topologia de rede para criar o modelo numérico. O tempo requerido para obter a solução numérica cresce exponencialmente com o tamanho e a complexidade da rede. Nesta dissertação aferirmos se uma avaliação preliminar do problema do dimensionamento pode ser obtida através de uma abordagem analítica. Quantificamos ainda o grau de precisão dos resultados obtidos com esta abordagem. De forma a atingir este objectivo começámos por estudar e validar um modelo analítico apresentado na literatura especializada e posteriormente refinámos o modelo de forma a melhorar os resultados obtidos. O primeiro capítulo da dissertação é dedicado à introdução, neste capítulo apresentamos os conceitos fundamentais no que se refere a redes de transporte. Mostramos também os pressupostos sobre a arquitectura dos sistemas de transmissão e nós considerados nesta dissertação. No capítulo II são apresentados os conceitos fundamentais sobre o modelo de custos e necessidades de uma rede de transporte não considerando capacidade de restauro, a inclusão da capacidade de restauro é considerada no capítulo III. No capítulo IV é apresentado o modelo de custos e necessidades de uma rede de transporte considerando as variáveis anteriormente apresentadas. No capítulo V aplicamos o modelo apresentado a oito redes de referência. Realizamos ainda uma comparação entre os nossos resultados analíticos e os resultados obtidos usando uma ferramenta numérica de dimensionamento. O último capítulo é dedicado às conclusões. Nesta dissertação comprovamos a possibilidade de tratar o problema do dimensionamento em redes ópticas de forma analítica. Comparando os resultados obtidos, com a abordagem analítica e os alcançados usando uma ferramenta numérica de dimensionamento, verificamos que a abordagem analítica permite obter resultados com um erro na ordem dos 10%. Identificamos como parâmetros críticos do dimensionamento o número médio de saltos, , e o coeficiente de restauro, . No presente trabalho é apresentada uma aproximação estatística, considerando 2 milhões de redes, para determinar estes dois parâmetros fundamentais. ABSTRACT: In this dissertation the problem of dimensioning second generation optical networks is analyzed. Second generation optical networks are networks with optical routing capabilities The dimensioning of on optical network consists in specifying the amount of required resources to carry a given traffic. This problem is often tackled using an extensive numerical treatment. To build a numerical model a complete knowledge of the network is required. Besides that the computational time required to solve the numerical model grows exponentially with network size and complexity. In this dissertation we evaluate if a preliminary result for the dimensioning problem can be obtained through an analytical approach. We also quantify the accuracy of the results obtained with this approach. In order to achieve this goal we started by studying and validating an analytical model proposed in the literature. After, we improve this model to increase the results accuracy. The first chapter of this dissertation is dedicated to the introduction, we provide the basic concepts related with transport networks. We show also the assumptions on the architecture of the transmission systems and nodes considered in this work. In Chapter II are presented the fundamental concepts of the cost model and needs of a transport networks not considering restoration capability, the inclusion of the restoration is considered in Chapter III. In Chapter IV is presented the model of costs and needs of a transport network considering the variables previously presented. In Chapter V we apply the model presented to eight networks of reference. We made a comparison between our analytical results an the results obtained using a numerical commercial tool. The last chapter is dedicated to conclusions. In this dissertation we prove the possibility of obtaining preliminary results for the dimensioning problem in optical networks using an analytical approach. Comparing the analytical results with the numerical ones, we verify that the analytical approach gives results with an error in the order of 10%. We identify as critical parameters of the dimensioning the average number of hops, , and the coefficient of restoration, . In this work we also present a statistical approach, considering 2 million of networks, to determine these two basic parameters