Optical Power Control to Efficiently Handle Flex-Grid Spectrum Gain over Existing Fixed-Grid Network Infrastructures

International audienceThe exponential traffic growth in optical networks has triggered the evolution from Fixed-Grid to Flex-Grid technology. This evolution allows better spectral efficiency and spectrum usage over current networks in order to facilitate dynamic and huge traffic demands. The integration of Flex-Grid technology increases the number of optical channels established over optical links, leading, however, to an increase in amplification power and possibly saturating optical amplifiers. In this work, we propose a power adaptation process that takes advantage of link optical signal to noise ratio (OSNR) margins to allow network operators to support this power increase while maintaining the use of legacy amplifiers. Results show that controlling channel optical power benefits from the Flex-Grid in terms of spectrum and capacity gain using in-place amplifier infrastructure

Link Design and Legacy Amplifier Limitation in Flex-grid Optical Networks

International audienceFlex-grid technology is an effective mean to improve the spectral efficiency of optical communications. For a given amplifier spectral bandwidth, it gives rise to the increase of the number of optical channels as it reduces the channel spacing. Therefore, in order to reap full benefits from flex-grid saved spectrum, further amplification power is required with respect to conventional fixed grid. This is a strong limitation if the legacy amplifiers cannot meet this new requirement due to their optical power limits. In this work, we demonstrate that exploiting the link margins allows supporting this increase while maintaining in use legacy amplifiers

Contributions to energy-aware demand-response systems using SDN and NFV for fog computing

Ever-increasing energy consumption, the depletion of non-renewable resources, the climate impact associated with energy generation, and finite energy-production capacity are important concerns worldwide that drive the urgent creation of new energy management and consumption schemes. In this regard, by leveraging the massive connectivity provided by emerging communications such as the 5G systems, this thesis proposes a long-term sustainable Demand-Response solution for the adaptive and efficient management of available energy consumption for Internet of Things (IoT) infrastructures, in which energy utilization is optimized based on the available supply. In the proposed approach, energy management focuses on consumer devices (e.g., appliances such as a light bulb or a screen). In this regard, by proposing that each consumer device be part of an IoT infrastructure, it is feasible to control its respective consumption. The proposal includes an architecture that uses Network Functions Virtualization (NFV) and Software Defined Networking technologies as enablers to promote the primary use of energy from renewable sources. Associated with architecture, this thesis presents a novel consumption model conditioned on availability in which consumers are part of the management process. To efficiently use the energy from renewable and non-renewable sources, several management strategies are herein proposed, such as the prioritization of the energy supply, workload scheduling using time-shifting capabilities, and quality degradation to decrease- the power demanded by consumers if needed. The adaptive energy management solution is modeled as an Integer Linear Programming, and its complexity has been identified to be NP-Hard. To verify the improvements in energy utilization, an optimal algorithmic solution based on a brute force search has been implemented and evaluated. Because the hardness of the adaptive energy management problem and the non-polynomial growth of its optimal solution, which is limited to energy management for a small number of energy demands (e.g., 10 energy demands) and small values of management mechanisms, several faster suboptimal algorithmic strategies have been proposed and implemented. In this context, at the first stage, we implemented three heuristic strategies: a greedy strategy (GreedyTs), a genetic-algorithm-based solution (GATs), and a dynamic programming approach (DPTs). Then, we incorporated into both the optimal and heuristic strategies a prepartitioning method in which the total set of analyzed services is divided into subsets of smaller size and complexity that are solved iteratively. As a result of the adaptive energy management in this thesis, we present eight strategies, one timal and seven heuristic, that when deployed in communications infrastructures such as the NFV domain, seek the best possible scheduling of demands, which lead to efficient energy utilization. The performance of the algorithmic strategies has been validated through extensive simulations in several scenarios, demonstrating improvements in energy consumption and the processing of energy demands. Additionally, the simulation results revealed that the heuristic approaches produce high-quality solutions close to the optimal while executing among two and seven orders of magnitude faster and with applicability to scenarios with thousands and hundreds of thousands of energy demands. This thesis also explores possible application scenarios of both the proposed architecture for adaptive energy management and algorithmic strategies. In this regard, we present some examples, including adaptive energy management in-home systems and 5G networks slicing, energy-aware management solutions for unmanned aerial vehicles, also known as drones, and applicability for the efficient allocation of spectrum in flex-grid optical networks. Finally, this thesis presents open research problems and discusses other application scenarios and future work.El constante aumento del consumo de energía, el agotamiento de los recursos no renovables, el impacto climático asociado con la generación de energía y la capacidad finita de producción de energía son preocupaciones importantes en todo el mundo que impulsan la creación urgente de nuevos esquemas de consumo y gestión de energía. Al aprovechar la conectividad masiva que brindan las comunicaciones emergentes como los sistemas 5G, esta tesis propone una solución de Respuesta a la Demanda sostenible a largo plazo para la gestión adaptativa y eficiente del consumo de energía disponible para las infraestructuras de Internet of Things (IoT), en el que se optimiza la utilización de la energía en función del suministro disponible. En el enfoque propuesto, la gestión de la energía se centra en los dispositivos de consumo (por ejemplo, electrodomésticos). En este sentido, al proponer que cada dispositivo de consumo sea parte de una infraestructura IoT, es factible controlar su respectivo consumo. La propuesta incluye una arquitectura que utiliza tecnologías de Network Functions Virtualization (NFV) y Software Defined Networking como habilitadores para promover el uso principal de energía de fuentes renovables. Asociada a la arquitectura, esta tesis presenta un modelo de consumo condicionado a la disponibilidad en el que los consumidores son parte del proceso de gestión. Para utilizar eficientemente la energía de fuentes renovables y no renovables, se proponen varias estrategias de gestión, como la priorización del suministro de energía, la programación de la carga de trabajo utilizando capacidades de cambio de tiempo y la degradación de la calidad para disminuir la potencia demandada. La solución de gestión de energía adaptativa se modela como un problema de programación lineal entera con complejidad NP-Hard. Para verificar las mejoras en la utilización de energía, se ha implementado y evaluado una solución algorítmica óptima basada en una búsqueda de fuerza bruta. Debido a la dureza del problema de gestión de energía adaptativa y el crecimiento no polinomial de su solución óptima, que se limita a la gestión de energía para un pequeño número de demandas de energía (por ejemplo, 10 demandas) y pequeños valores de los mecanismos de gestión, varias estrategias algorítmicas subóptimos más rápidos se han propuesto. En este contexto, en la primera etapa, implementamos tres estrategias heurísticas: una estrategia codiciosa (GreedyTs), una solución basada en algoritmos genéticos (GATs) y un enfoque de programación dinámica (DPTs). Luego, incorporamos tanto en la estrategia óptima como en la- heurística un método de prepartición en el que el conjunto total de servicios analizados se divide en subconjuntos de menor tamaño y complejidad que se resuelven iterativamente. Como resultado de la gestión adaptativa de la energía en esta tesis, presentamos ocho estrategias, una óptima y siete heurísticas, que cuando se despliegan en infraestructuras de comunicaciones como el dominio NFV, buscan la mejor programación posible de las demandas, que conduzcan a un uso eficiente de la energía. El desempeño de las estrategias algorítmicas ha sido validado a través de extensas simulaciones en varios escenarios, demostrando mejoras en el consumo de energía y el procesamiento de las demandas de energía. Los resultados de la simulación revelaron que los enfoques heurísticos producen soluciones de alta calidad cercanas a las óptimas mientras se ejecutan entre dos y siete órdenes de magnitud más rápido y con aplicabilidad a escenarios con miles y cientos de miles de demandas de energía. Esta tesis también explora posibles escenarios de aplicación tanto de la arquitectura propuesta para la gestión adaptativa de la energía como de las estrategias algorítmicas. En este sentido, presentamos algunos ejemplos, que incluyen sistemas de gestión de energía adaptativa en el hogar, en 5G networkPostprint (published version

5G RAN architecture based on analog radio-over-fiber fronthaul over UDWDM-PON and phased array fed reflector antennas

This manuscript introduces a 5G radio access network architecture concept based on ultra-dense wavelength division multiplexing (UDWDM) and incorporating an optical fronthaul network that uses a novel wireless antenna system for radio frequency transmission and reception. A ring topology is proposed where optical signals travel within the 5G UDWDM passive optical networks and millimeter waves are generated in the optical line terminals by optical heterodyning. The wireless transmission of the millimeter waves is conducted by an innovative phased array fed reflector antenna approach for mobile communications that grants high antenna gain due to highly focused radiation characteristics, as well as multiplexing gain by multiple beam generation. Furthermore, beam steering is provided by a radio frequency analog beamformer network. Finally, implementation options synthesizing the total system are discussed

Virtual network provisioning over flexible optical transport infrastructure

Current transport network owners are focused on offering services on top of the infrastructures they own, while end users have no control over them. Traditionally, this has been their business model, as the cost of building the infrastructures to provide services is considerably high. However, the traffic on Internet has been, and still is, rapidly increasing over the years. Additionally new emerging services are pushing the limits of existing telecommunication infrastructures, particularly transport optical networks. To overcome such situation, network virtualization has been considered as an effective solution for the future optical networks architectures. Thanks to Virtual Optical Networks (VONs), it is possible to create mission-specific logic infrastructures, which fulfil the exact requirements of the applications that will run on top of them, sharing a unique physical substrate. However, the applicability of virtualization techniques to the optical domain is still under research, being on key point the mapping of the virtual resources to the actual physical ones. However, virtualization per se does not provide a solution flexible enough in terms of bandwidth utilization. For this to happen, an equally flexible transport technology must be adopted. Elastic Optical Networks (EONs) have been presented as an efficient solution for flexible bandwidth allocation. Additionally, due to the dinamicity of the traffic patterns that such virtual networks will face, it is highly desirable to provide a physical substrate that will help on keeping the associated operational expenditures (OPEX) at low levels, being a very important parameter the energy consumption. The energy consumption topic has been subject of big research efforts in order to provide more energy efficient optical transport networks, which, at their turn, will help on the creation of less costly virtual infrastructures. This thesis is devoted to the study of resource allocation to VONs, aiming to provide a flexible, efficient and optimized environment for the embedding of the VONs to the actual physical substrate. The considered scenario is composed of an underlying optical transport network and multiple client VONs that have to be allocated on top. In such scenario, a key aspect relates to how actual resources are associated to the virtual ones, guaranteeing the isolation among VONs and satisfying the resources requirements of every one of them. After an introduction to the thesis, chapter 2 surveys nowadays optical network infrastructures, concluding on the need to move towards a more dynamic and efficient optical network infrastructure. Next, it proceeds to summarize the state of the art of the concepts that enable for such network architecture, namely, VONs, EONs and energy efficient optical infrastructures. Then, chapters 3, 4 and 5 focus on providing solutions to optimize specific aspects of these enabling concepts. More in details, chapter 3 studies the main challenges on the VON embedding problem and presents solutions that allow for an optimized resoure assignment to VONs in a physical substrate depending on the VONs characteristics and the sppecific network substrate. Chapter 4 proposes the Split Spectrum (SS) approach as a way to improve the spectrum utilization of EONs. Finally, chapter 5 focuses on provide and evaluate routing and architectural solutions in aims to reduce the energy consumption of the optical substrate so as VONs with lower OPEX can be deployed on top of it.Els actuals propietaris de xarxes de transport es centren en oferir serveis mitjançant les infraestructures que posseeixen, mentre els usuaris finals no tenen cap control sobre aquests. Tradicionalment, aquest ha estat el seu model de negoci, ja que el cost de construir aquestes infraestructures és considerablement elevat. Tanmateix, el tràfic a Internet ha estat creixent de manera ràpida durant els últims anys. A més, l'aparició de nous serveis està portant al límit les actuals infraestructures de telecomunicacions, especialment les xarxes òptiques de transport. Per tal de superar aquesta situació, la virtualització de xarxes és considerada com una solució efectiva per les futures arquitectures de xarxes òptiques. Gràcies a les Xarxes Òptiques Virtuals (VONs), és possible crear infraestructures lògiques específiques en la seva missió, les quals permeten satisfer els requisits de les aplicacions que s'executaran a través d'elles, compartint un únic substrat físic. Tanmateix, l'aplicació de les tècniques de virtualització en el domini òptic encara és subjecte d'investigació, sent el mapeig entre els recursos virtuals i els recursos físics un punt clau que cal adreçar. No obstant això, la virtualització en si mateixa no proporciona una solució prou flexible en termes d'utilització de l'espectre. Per aquest motiu és necessari que el substrat físic adopti una tecnologia igualment flexible. Les Xarxes Òptiques Elàstiques (EONs) es presenten com una solució eficient per a una assignació flexible de l'espectre. A més, a causa del dinamisme dels perfils de trafic als quals s'enfrontaran les VONs, és desitjable proporcionar una infraestructura física que ajudi a mantenir baixes les despeses operatives (OPEX) d'aquestes xarxes, sent un paràmetre molt important el consum energètic. El tema del consum energètic ha estat subjecte de grans iniciatives de recerca per tal de proporcionar xarxes de transport òptiques més eficients energèticament, les quals permetran crear VONs menys costoses. Aquesta tesi està dedicada a l'estudi l'assignació de recursos a les VONs, amb l'objectiu de proporcionar un entorn flexible, eficient i optimitzat per a la incrustació de les VONs al substrat físic. L'escenari considerat es compon d'una xarxa de transport subjacent i múltiples VONs client a col·locar sobre el substrat físic. En aquest escenari, un aspecte clau es refereix a com els recursos reals s'associen als virtuals, garantint l'aïllament entre VONs i satisfent els recursos demanats per cada una d'elles. Després d'una introducció a la tesi, el capítol 2 revisa les infraestructures de xarxa òptica actuals, concloent en la necessitat d'avançar cap a infraestructures més dinàmiques i eficients. Tot seguit, es procedeix a resumir l'estat de l'art dels conceptes que habilitaran aquesta arquitectura de xarxa, bàsicament, VONs, EONs i les xarxes òptiques de baix consum. A continuació, els capítols 3, 4 i 5 es centren en proporcionar solucions per optimitzar aspectes específics d'aquests conceptes. Més en detall, el capítol 3 estudia els principals reptes en el problema de la incrustació de VONs i presenta solucions que permetin assignar recursos de manera optimitzada a les VONs en un substrat físic. El capítol 4 proposa el concepte de l'Split Spectrum (SS) com una forma de millorar la utilització de l'espectre en les EONs. Finalment, el capítol 5 es centra en proporcionar i avaluar solucions arquitectòniques i d'enrutament amb l'objectiu de reduir el consum d'energia del substrat òptic de tal manera que VONs amb menor OPEX puguin ser desplegades a través d'ell.Los actuales propietarios de las redes de transporte se centran en ofrecer servicios mediante las infraestructuras que poseen y gestionan, mientras que los usuarios finales no tienen ningún control sobre estos. Tradicionalmente, este ha sido el modelo de negocio adoptado por los operadores de redes, ya que el coste de construir y mantener las infraestructuras correspondientes por tal de ofrecer servicios mediante ellas era, y aun es, considerablemente elevado. No obstante, el tráfico en Internet ha crecido de manera rápida y sostenida durante los últimos años y se prevé que continuara con este crecimiento en el futuro. Además, la aparición de nuevos servicios y paradigmas, están llevando al límite las actuales infraestructuras de telecomunicaciones, especialmente las redes de trasporte óptico. Por tal de superar dicha situación, la virtualización de redes ha sido considerada como una solución efectiva para las futuras arquitecturas de redes ópticas. Gracias a las Redes Ópticas Virtuales (VONs), es posible crear infraestructuras lógicas especificas en su misión, las cuales podrán satisfacer los requisitos de las aplicaciones que se ejecutaran a través de ellas, usando y compartiendo un único sustrato físico. No obstante, la aplicación de las técnicas de virtualización en el dominio óptico aun es sujeto de investigación, siendo el mapeo entre los recursos virtuales y los físicos (también conocido como incrustación de la red virtual) un punto clave a solucionar. No obstante, la virtualización por si misma no ofrece una solución suficientemente flexible en términos de utilización del ancho de banda. Por tal de proporcionar un entorno de virtualización suficientemente flexible para acomodar cualquier ancho de banda con suficiente granularidad, es necesario que el sustrato físico adopte una tecnología de transporte igual de flexible. Las Redes Ópticas Elásticas (EONs) se presentan como una solución eficiente para una asignación flexible del ancho de banda en redes ópticas. Además, debido a la heterogeneidad y dinamismo de los perfiles de tráfico a los cuales se enfrentaran las redes virtuales, es altamente deseable proporcionar una infraestructura física que ayuda a mantener bajos los gastos operativos (OPEX) de estas redes, siendo un parámetro muy importante el consumo energético asociado a la operación de las VONs. El tema del consumo energético ha sido, y aun es, sujeto de grandes iniciativas de investigación centradas en desarrollar nuevas arquitecturas de dispositivos o algoritmos de asignación de recursos conscientes del consumo energético por tal de proporcionar redes de transporte ópticas más eficientes energéticamente que, a su vez, permitan crear infraestructuras virtuales menos costosas des del punto de vista energético. Esta tesis se centra en el estudio de la composición y asignación de recursos a las VONs, con el objetivo de proporcionar un entorno flexible, eficiente y optimizado para la incrustación de las VONs en el sustrato físico real. El escenario considerado se compone de una red de transporte subyacente, ya sea una Red Óptica de Conmutación de Longitud de Onda (WSON) o EON, y múltiples VONs cliente, las cuales se colocaran encima del sustrato físico. En este escenario, un aspecto clave se refiere a como los recursos reales se asocian a los virtuales, garantizando el aislamiento entre VONs y satisfaciendo los recursos pedidos (por ejemplo, capacidad de enlace) por cada una de ellas. Después de una introducción a la tesis, el capítulo 2 revisa las infraestructuras de redes ópticas actuales, concluyendo en la necesidad de avanzar hacia una infraestructura de red óptica más dinámica y eficiente por tal de afrontar el crecimiento del tráfico en Internet y la aparición de nuevos servicios y paradigmas. Seguidamente, se procede a resumir el estado del arte de los conceptos y paradigmas que permitirán habilitar esta arquitectura de red, básicamente, VONs, EONs y las infraestructuras ópticas de bajo consumo energético. A continuación, los capítulos 3, 4 y 5 se centran en proporcionar soluciones para optimizar aspectos específicos de estos conceptos con la finalidad de proporcionar un marco optimizado que ayudara en la configuración de las futuras infraestructuras de redes ópticas y sus modelos de negocio. Concretamente, el capítulo 3 estudia los principales retos en el problema de la incrustación de VONs y presenta soluciones que permiten una asignación de recursos optimizada a las VONs en un sustrato físico dependiendo de las características de las VONs y del sustrato de red. El capítulo 4 propone el concepto de Split Spectrum (SS) como una forma de mejorar la utilizaci_on del espectro en las EONs. Finalmente, el capítulo 5 se centra en proporcionar y evaluar soluciones arquitectónicas y de enrutamiento con el objetivo de reducir el consumo energético del sustrato óptico de tal manera que VONs con menor OPEX puedan ser desplegadas mediante este sustrato

Nonlinear Interference Generation in Wideband and Disaggregated Optical Network Architectures

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Spatial Domain Management and Massive MIMO Coordination in 5G SDN

In 5G mobile communication systems, massive multiple-input multiple-output (MIMO) and heterogeneous networks (HetNets) play crucial roles to achieve expected coverage and capacity across venues. This paper correspondingly addresses software-defined network (SDN) as the central controller of radio resource management in massive MIMO HetNets. In particular, we identify the huge spatial domain information management and complicated MIMO coordination as the grand challenges in 5G systems. Our work accordingly distinguishes itself by considering more network MIMO aspects, including flexibility and complexity of spatial coordination. In our proposed scheme, SDN controller first collects the user channel state information in an effective way, and then calculates the null-space of victim users and applies linear precoding to that null-space. Simulation results show that our design is highly beneficial and easy to be deployed, due to its high quality of service performance but low computation complexity

The Coverage, Capacity and Coexistence of Mixed High Altitude Platform and Terrestrial Segments

This thesis explores the coverage, capacity and coexistence of High Altitude Platform (HAP) and terrestrial segments in the same service area. Given the limited spectrum available, mechanisms to manage the co-channel interference to enable effective coexistence between the two infrastructures are examined. Interference arising from the HAP, caused by the relatively high transmit power and the antenna beam profile, has the potential to significantly affect the existing terrestrial system on the ground if the HAP beams are deployed without a proper strategy. Beam-pointing strategies exploiting phased array antennas on the HAPs are shown to be an effective way to place the beams, with each of them forming service cells onto the ground in the service area, especially dense user areas. Using a newly developed RF clustering technique to better point the cells over an area of a dense group of users, it is shown that near maximum coverage of 96% of the population over the service area can be provided while maintaining the coexistence with the existing terrestrial system. To improve the user experience at the cell edge, while at the same time improving the overall capacity of the system, Joint Transmission – Coordinated Multipoint (JT-CoMP) is adapted for a HAP architecture. It is shown how the HAP can potentially enable the tight scheduling needed to perform JT-CoMP due to the centralisation of all virtual E-UTRAN Node Bs (eNodeBs) on the HAP. A trade-off between CINR gain and loss of capacity when adapting JT-CoMP into the HAP system is identified, and strategies to minimise the trade-off are considered. It is shown that 57% of the users benefit from the JT-CoMP. In order to enable coordination between the HAP and terrestrial segments, a joint architecture based on a Cloud – Radio Access Network (C-RAN) system is introduced. Apart from adapting a C-RAN based system to centrally connect the two segments together, the network functional split which varies the degree of the centralised processing is also considered to deal with the limitations of HAP fronthaul link requirements. Based on the fronthaul link requirements acquired from the different splitting options, the ground relay station diversity to connect the HAP to centralised and distributed units (CUs and DUs) is also considered