Integrated IT and SDN Orchestration of multi-domain multi-layer transport networks

Telecom operators networks' management and control remains partitioned by technology, equipment supplier and networking layer. In some segments, the network operations are highly costly due to the need of the individual, and even manual, configuration of the network equipment by highly specialized personnel. In multi-vendor networks, expensive and never ending integration processes between Network Management Systems (NMSs) and the rest of systems (OSSs, BSSs) is a common situation, due to lack of adoption of standard interfaces in the management systems of the different equipment suppliers. Moreover, the increasing impact of the new traffic flows introduced by the deployment of massive Data Centers (DCs) is also imposing new challenges that traditional networking is not ready to overcome. The Fifth Generation of Mobile Technology (5G) is also introducing stringent network requirements such as the need of connecting to the network billions of new devices in IoT paradigm, new ultra-low latency applications (i.e., remote surgery) and vehicular communications. All these new services, together with enhanced broadband network access, are supposed to be delivered over the same network infrastructure. In this PhD Thesis, an holistic view of Network and Cloud Computing resources, based on the recent innovations introduced by Software Defined Networking (SDN), is proposed as the solution for designing an end-to-end multi-layer, multi-technology and multi-domain cloud and transport network management architecture, capable to offer end-to-end services from the DC networks to customers access networks and the virtualization of network resources, allowing new ways of slicing the network resources for the forthcoming 5G deployments. The first contribution of this PhD Thesis deals with the design and validation of SDN based network orchestration architectures capable to improve the current solutions for the management and control of multi-layer, multi-domain backbone transport networks. These problems have been assessed and progressively solved by different control and management architectures which has been designed and evaluated in real evaluation environments. One of the major findings of this work has been the need of developed a common information model for transport network's management, capable to describe the resources and services of multilayer networks. In this line, the Control Orchestration Protocol (COP) has been proposed as a first contriution towards an standard management interface based on the main principles driven by SDN. Furthermore, this PhD Thesis introduces a novel architecture capable to coordinate the management of IT computing resources together with inter- and intra-DC networks. The provisioning and migration of virtual machines together with the dynamic reconfiguration of the network has been successfully demonstrated in a feasible timescale. Moreover, a resource optimization engine is introduced in the architecture to introduce optimization algorithms capable to solve allocation problems such the optimal deployment of Virtual Machine Graphs over different DCs locations minimizing the inter-DC network resources allocation. A baseline blocking probability results over different network loads are also presented. The third major contribution is the result of the previous two. With a converged cloud and network infrastructure controlled and operated jointly, the holistic view of the network allows the on-demand provisioning of network slices consisting of dedicated network and cloud resources over a distributed DC infrastructure interconnected by an optical transport network. The last chapters of this thesis discuss the management and orchestration of 5G slices based over the control and management components designed in the previous chapters. The design of one of the first network slicing architectures and the deployment of a 5G network slice in a real Testbed, is one of the major contributions of this PhD Thesis.La gestión y el control de las redes de los operadores de red (Telcos), todavía hoy, está segmentado por tecnología, por proveedor de equipamiento y por capa de red. En algunos segmentos (por ejemplo en IP) la operación de la red es tremendamente costosa, ya que en muchos casos aún se requiere con guración individual, e incluso manual, de los equipos por parte de personal altamente especializado. En redes con múltiples proveedores, los procesos de integración entre los sistemas de gestión de red (NMS) y el resto de sistemas (p. ej., OSS/BSS) son habitualmente largos y extremadamente costosos debido a la falta de adopción de interfaces estándar por parte de los diferentes proveedores de red. Además, el impacto creciente en las redes de transporte de los nuevos flujos de tráfico introducidos por el despliegue masivo de Data Centers (DC), introduce nuevos desafíos que las arquitecturas de gestión y control de las redes tradicionales no están preparadas para afrontar. La quinta generación de tecnología móvil (5G) introduce nuevos requisitos de red, como la necesidad de conectar a la red billones de dispositivos nuevos (Internet de las cosas - IoT), aplicaciones de ultra baja latencia (p. ej., cirugía a distancia) y las comunicaciones vehiculares. Todos estos servicios, junto con un acceso mejorado a la red de banda ancha, deberán ser proporcionados a través de la misma infraestructura de red. Esta tesis doctoral propone una visión holística de los recursos de red y cloud, basada en los principios introducidos por Software Defined Networking (SDN), como la solución para el diseño de una arquitectura de gestión extremo a extremo (E2E) para escenarios de red multi-capa y multi-dominio, capaz de ofrecer servicios de E2E, desde las redes intra-DC hasta las redes de acceso, y ofrecer ademas virtualización de los recursos de la red, permitiendo nuevas formas de segmentación en las redes de transporte y la infrastructura de cloud, para los próximos despliegues de 5G. La primera contribución de esta tesis consiste en la validación de arquitecturas de orquestración de red, basadas en SDN, para la gestión y control de redes de transporte troncales multi-dominio y multi-capa. Estos problemas (gestion de redes multi-capa y multi-dominio), han sido evaluados de manera incremental, mediante el diseño y la evaluación experimental, en entornos de pruebas reales, de diferentes arquitecturas de control y gestión. Uno de los principales hallazgos de este trabajo ha sido la necesidad de un modelo de información común para las interfaces de gestión entre entidades de control SDN. En esta línea, el Protocolo de Control Orchestration (COP) ha sido propuesto como interfaz de gestión de red estándar para redes SDN de transporte multi-capa. Además, en esta tesis presentamos una arquitectura capaz de coordinar la gestión de los recursos IT y red. La provisión y la migración de máquinas virtuales junto con la reconfiguración dinámica de la red, han sido demostradas con éxito en una escala de tiempo factible. Además, la arquitectura incorpora una plataforma para la ejecución de algoritmos de optimización de recursos capaces de resolver diferentes problemas de asignación, como el despliegue óptimo de Grafos de Máquinas Virtuales (VMG) en diferentes DCs que minimizan la asignación de recursos de red. Esta tesis propone una solución para este problema, que ha sido evaluada en terminos de probabilidad de bloqueo para diferentes cargas de red. La tercera contribución es el resultado de las dos anteriores. La arquitectura integrada de red y cloud presentada permite la creación bajo demanda de "network slices", que consisten en sub-conjuntos de recursos de red y cloud dedicados para diferentes clientes sobre una infraestructura común. El diseño de una de las primeras arquitecturas de "network slicing" y el despliegue de un "slice" de red 5G totalmente operativo en un Testbed real, es una de las principales contribuciones de esta tesis.La gestió i el control de les xarxes dels operadors de telecomunicacions (Telcos), encara avui, està segmentat per tecnologia, per proveïdors d’equipament i per capes de xarxa. En alguns segments (Per exemple en IP) l’operació de la xarxa és tremendament costosa, ja que en molts casos encara es requereix de configuració individual, i fins i tot manual, dels equips per part de personal altament especialitzat. En xarxes amb múltiples proveïdors, els processos d’integració entre els Sistemes de gestió de xarxa (NMS) i la resta de sistemes (per exemple, Sistemes de suport d’operacions - OSS i Sistemes de suport de negocis - BSS) són habitualment interminables i extremadament costosos a causa de la falta d’adopció d’interfícies estàndard per part dels diferents proveïdors de xarxa. A més, l’impacte creixent en les xarxes de transport dels nous fluxos de trànsit introduïts pel desplegament massius de Data Centers (DC), introdueix nous desafiaments que les arquitectures de gestió i control de les xarxes tradicionals que no estan llestes per afrontar. Per acabar de descriure el context, la cinquena generació de tecnologia mòbil (5G) també presenta nous requisits de xarxa altament exigents, com la necessitat de connectar a la xarxa milers de milions de dispositius nous, dins el context de l’Internet de les coses (IOT), o les noves aplicacions d’ultra baixa latència (com ara la cirurgia a distància) i les comunicacions vehiculars. Se suposa que tots aquests nous serveis, juntament amb l’accés millorat a la xarxa de banda ampla, es lliuraran a través de la mateixa infraestructura de xarxa. Aquesta tesi doctoral proposa una visió holística dels recursos de xarxa i cloud, basada en els principis introduïts per Software Defined Networking (SDN), com la solució per al disseny de una arquitectura de gestió extrem a extrem per a escenaris de xarxa multi-capa, multi-domini i consistents en múltiples tecnologies de transport. Aquesta arquitectura de gestió i control de xarxes transport i recursos IT, ha de ser capaç d’oferir serveis d’extrem a extrem, des de les xarxes intra-DC fins a les xarxes d’accés dels clients i oferir a més virtualització dels recursos de la xarxa, obrint la porta a noves formes de segmentació a les xarxes de transport i la infrastructura de cloud, pels propers desplegaments de 5G. La primera contribució d’aquesta tesi doctoral consisteix en la validació de diferents arquitectures d’orquestració de xarxa basades en SDN capaces de millorar les solucions existents per a la gestió i control de xarxes de transport troncals multi-domini i multicapa. Aquests problemes (gestió de xarxes multicapa i multi-domini), han estat avaluats de manera incremental, mitjançant el disseny i l’avaluació experimental, en entorns de proves reals, de diferents arquitectures de control i gestió. Un dels principals troballes d’aquest treball ha estat la necessitat de dissenyar un model d’informació comú per a les interfícies de gestió de xarxes, capaç de descriure els recursos i serveis de la xarxes transport multicapa. En aquesta línia, el Protocol de Control Orchestration (COP, en les seves sigles en anglès) ha estat proposat en aquesta Tesi, com una primera contribució cap a una interfície de gestió de xarxa estàndard basada en els principis bàsics de SDN. A més, en aquesta tesi presentem una arquitectura innovadora capaç de coordinar la gestió de els recursos IT juntament amb les xarxes inter i intra-DC. L’aprovisionament i la migració de màquines virtuals juntament amb la reconfiguració dinàmica de la xarxa, ha estat demostrat amb èxit en una escala de temps factible. A més, l’arquitectura incorpora una plataforma per a l’execució d’algorismes d’optimització de recursos, capaços de resoldre diferents problemes d’assignació, com el desplegament òptim de Grafs de Màquines Virtuals (VMG) en diferents ubicacions de DC que minimitzen la assignació de recursos de xarxa entre DC. També es presenta una solució bàsica per a aquest problema, així com els resultats de probabilitat de bloqueig per a diferents càrregues de xarxa. La tercera contribució principal és el resultat dels dos anteriors. Amb una infraestructura de xarxa i cloud convergent, controlada i operada de manera conjunta, la visió holística de la xarxa permet l’aprovisionament sota demanda de "network slices" que consisteixen en subconjunts de recursos d’xarxa i cloud, dedicats per a diferents clients, sobre una infraestructura de Data Centers distribuïda i interconnectada per una xarxa de transport òptica. Els últims capítols d’aquesta tesi tracten sobre la gestió i organització de "network slices" per a xarxes 5G en funció dels components de control i administració dissenyats i desenvolupats en els capítols anteriors. El disseny d’una de les primeres arquitectures de "network slicing" i el desplegament d’un "slice" de xarxa 5G totalment operatiu en un Testbed real, és una de les principals contribucions d’aquesta tesi.Postprint (published version

Point-to-point overlay of a 100Gb/s DP-QPSK channel in LR-PONs for urban and rural areas

The continuing growth in information demand from fixed and mobile end-users, coupled with the need to deliver this content in an economically viable manner, is driving new innovations in access networks. In particular, it is becoming increasingly important to find new ways to enable the coexistence of heterogeneous services types which may require different signal modulation formats over the same fiber infrastructure. For example, the same physical layer can potentially be used to deliver shared 10Gb/s services to residential customers, dedicated point-to-point (P2P) 100Gb/s services to business customers, and wireless fronthaul, in a highly cost-effective manner. In this converged scenario, the performance of phase modulated signals can be heavily affected by nonlinear crosstalk from co-propagating on-off-keying (OOK) channels. In this paper, the overlay of a 100G P2P dual-polarization quadrature phase-shift keying (DP-QPSK) channel in a long-reach passive optical network (LR-PON) in the presence of co-propagating 10Gb/s OOK neighboring channels is studied for two different PON topologies. The first LR-PON topology is particularly suited for densely populated areas while the second is aimed at rural, sparsely populated areas. The experimental results indicate that with an emulated load of 40 channels the urban architecture can support up to 100km span and 512 users, while the rural architecture can support up to 120km span and 1024 users. Finally, a system model is developed to predict the system performance and system margins for configurations different from the experimental setups and to carry out design optimization that could in principle lead to even more efficient and robust schemes

Directly Phase Modulated Transmitters and Coherent Recivers for Future Passive Optical Networks (PON)

En los últimos años, el tráfico de dato transmitido en las redes ópticas de acceso ha crecido exponencialmente debido a nuevos servicios como pueden ser la computación en la nube, el video online, la realidad virtual y aumentada, el internet de las cosas (IoT) y la convergencia entre las redes ópticas y redes inalámbricas en el paradigma del 5G. Estos nuevos servicios endurecen los requerimientos de las redes ópticas de acceso, como pueden ser unas tasas de datos más altas, un mayor alcance y un mayor número de usuarios. Para abordar estos requerimientos, esta tesis ha investigado, desarrollado y analizado nuevas tecnologías para transmisores y receptores orientadas a los dos tipos de redes ópticas de acceso que la comunidad científica ha identificado como posibles candidatas. Estos dos tipos de redes ópticas son las redes uDWDM y las redes TWDM como las redes NG-PON2 y sus evoluciones.Las redes uDWDM están basadas en la transmisión de tasas de datos relativamente bajas, por debajo de 2.5 Gbps, que son dedicadas en su totalidad a los usuarios finales. Estas tasas de datos relativamente bajas son multiplexadas en longitud de onda usando intervalos frecuenciales estrechos, del orden de 12.5 GHz o 6.25 GHz. En esta tesis, los transmisores modulados directamente en fase se han propuesto como posibles candidatos para estas redes uDWDM. En concreto, se han propuesto un DFB modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1 Gbps; un RSOA bombeado por un VCSEL y modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1 Gbps; y un VCSEL modulado directamente en fase con una tasa de datos de 1.25 Gbps y 2.5 Gbps. Estas señales moduladas directamente en fase son recibidas con un receptor heterodino con un único fotodiodo (PD) para mantener el coste tan bajo como sea posible. La combinación de estos transmisores modulados directamente en fase con el receptor heterodino con un único PD ha sido probada como unos candidatos muy prometedores para las redes ópticas de acceso basadas en redes uDWDM. Estas combinaciones proveen sensibilidades que varían entre -39.5 dBm y -52 dBm, que se traducen en balances de potencia que van desde 38.5 dB a 51 dB y por lo tanto en ratios de división o número de usuarios de entre 128 y 1024 después de una transmisión de 50 km a través de fibra monomodo estándar (SSMF).Además, los links de 1 Gbps formados por la modulación directa de DFBs o de RSOAs bombeados por VCSELs y el receptor heterodino con un único PD son usados como enlace de subida en canales bidireccionales. Estos enlaces de subida son combinados con enlaces de bajada basados en Nyquist-DPSK generada con un MZM y recibidos con un receptor heterodino de un único PD. Como parte de análisis de los canales bidireccionales, se ha analizado el estudio de la viabilidad del uso de LOs de bajo coste, como DFBs o VCSELs, en los receptores heterodinos con un único PD. Estos canales bidireccionales son también unos candidatos prometedores para las futuras redes uDWDM, ya que en esta tesis se ha probado que pueden proveer enlaces full-duplex de 1 Gbps usando intervalos frecuenciales tan pequeños como 6.25 GHz o 5 GHz. Estos canales bidireccionales tienen balances de potencia que van desde 37 dB a 42 dB y tienen posibles ratios de división de 128 o 256 después de una transmisión de 50 km a través de SSMF.Esta tesis también ha investigado y desarrollado receptores quasicoherentes para redes NG-PON2 y sus evoluciones. Este tipo de redes están basadas en altas tasas de datos, como 10 Gbps para redes NG-PON2 y 25 Gbps para las futuras evoluciones de NG-PON2, en entornos multi longitud de onda donde los usuarios son multiplexados en tiempo y longitud de onda (TWDM). El receptor quasicoherente usa la amplificación coherente gracias a la recepción heterodina y por tanto la sensibilidad del receptor es mejorada en comparación con los esquemas de detección directa. El receptor quasicoherente es independiente a la polarización, lo cual es una característica importante para los receptores coherentes. Además, el receptor quasicoherente permite seleccionar el canal de trabajo sin la necesidad de filtros ópticos y es un receptor independiente de la longitud de onda debido a que el canal de trabajo se puede elegir ajustando la longitud de onda del LO. El receptor quasicoherente de 10 Gbps muestra una sensibilidad -35.2 dBm y por tanto permite un balance de potencias de 35.64 dB y un ratio de división de 128 después de una transmisión de 40 km a través de SSMF.La combinación del receptor quasicoherente con un ecualizador FFE/DFE permite combatir la dispersión cromática de la banda C y conseguir un link de 25 Gbps con un alcance de 20 km a través de SSMF. El receptor quasicoherente a 25 Gbps con ecualización FFE/DFE muestra una mejor sensibilidad de -30.5 dBm con el llamado ecualizador de altas prestaciones, lo que lleva a un balance de potencias de25 dB. Si se utilizada el llamado ecualizador de baja complejidad, la sensibilidad cae a -27 dBm y el balance de potencias cae a 23 dBm. En ambos casos, el receptor quasicoherente a 25 Gbps con ecualización FFE/DFE permite un ratio de división de 32 después de una transmisión de 20 km a través de SSMF.En conclusión, esta tesis ha presentado transmisores (DFB, RSOA y VCSEL) modulados directamente en fase combinados con un receptor heterodino con un único PD como potenciales candidatos para las redes uDWDM. Esta tesis también ha presentados los receptores quasicoherentes como unos candidatos muy prometedores para las redes NG-PON2 y sus futuras evoluciones.<br /

Programmable DSP-enabled multi-adaptive optical transceivers based on OFDM technology for software defined networks

The dynamic behavior of the traffic demand, due to the advent of technologies such as cloud services or Internet of Things (IoT), is increasing. In fact, heterogeneous connections with different characteristics (bandwidth or bit rate) are expected that coexist in the optical networks. In this respect, an evolution towards Elastic Optical Networks (EONs) has emerged as a cost-effective, flexible and dynamic solution, to face the new claims. The main idea is the efficient utilization of the optical spectrum by combining flexible transceivers, flexi-grid and flexible optical switching. Including the principles of Software Defined Network (SDN) paradigm further flexibility and adaptability can be achieved. The Sliceable Bandwidth Variable Transceiver (S-BVT), as a key element in EONs, provides flexibility and adaptability to the optical networks. It is able to dynamically tune the optical bandwidth or bit rate changing parameters such as the modulation format, bandwidth, among others, to find a trade-off between transmission reach and spectral efficiency, serving multiples destinations. The combination of programmable Digital Signal Processing (DSP) modules with advanced transmission techniques based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technology using Direct Detection (DD) or COherent (CO) detection are proposed to be implemented at the S-BVT making it suitable for elastic optical metro/regional networks. Furthermore, the envisioned migration from fixed-grid to flexi-grid, can benefit from the use of S-BVTs since they are able to generate or receive multiple channels and slicing the aggregated flow into multiples flows with different capacities and destinations. We propose the use of S-BVTs based on multi-band OFDM systems. In particular, we focus on the theoretical model of an advanced transmission technique based on OFDM technology with DD. Then we evaluate the system for a realistic optical metro network. In the context of flexi-grid optical metro/regional networks, as well as the sliceability of the channels, the reduction of channel width for low bit rate connections can be envisioned. It involves that the signal traverses several nodes with the corresponding filtering elements, causing a substantially decrease and distortion of the signal bandwidth. This phenomenon known as filter narrowing effect has been also studied in this thesis, by simulations and experimentally for an adaptive cost-effective OFDM system using DD and for a standard OOK system. Apart from adaptive, flexible and programmable transceivers, metro optical networks have to be equipped with flexible optical switching systems at the node level. In this respect, we propose the adoption of adaptive S-BVTs based on advanced transmission techniques using DD with Discrete MultiTone (DMT) modulation and adaptive capabilities in combination with Semiconductor Optical Amplier (SOA)-based switching nodes. SOAs can be conveniently used for optical switching in metro networks because of their low cost or low power consumption, among others relevant characteristics. The system has been experimentally analyzed with and without considering filtering elements. Thanks to the combination of adaptive DMT modulation and SOA-based switching nodes, impairments due to the fiber links and the filtering elements can be compensated. Finally, to enhance the tranmission distance and data rate, we propose the combination of multidimensional constellations implemented at the DSP modules of the S-BVT with CO detection and OFDM technology. Thus, the deployed infrastructure is more efficiently exploited since the quadrature and the polarization dimensions are used to transmit the signal. In particular, we focus on CO-OFDM systems using Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) constellation transmitting the signal over the time and the polarization dimensions in the optical domain.El comportamiento dinámico de la demanda de tráfico, debido a la llegada de tecnologías como los servicios en la nube o el Internet of Things (IoT), está aumentando. De hecho, se espera que coexistan en las redes ópticas conexiones heterogéneas con características diferentes, tales como ancho de banda o tasa de bits. Para hacer frente a estas demandas es crucial una evolución de las redes ópticas. En este sentido, las Elastic Optical Networks (EONs) emergen como una solución rentable, flexible y dinámica. La idea principal se basa en la utilización eficiente del espectro óptico mediante la combinación de transceptores flexibles, redes flexibles y conmutación óptica flexible. Una mayor flexibilidad y adaptabilidad se puede conseguir incluyendo los principios del paradigma conocido como Software Defined Network (SDN). La adopción de la arquitectura SDN implica la separación del plano de control y de datos, permitiendo la programabilidad dinámica de la red. Un elemento clave en las EONs es el Sliceable Bandwidth Variable Transceiver (SBVT), ya que provee de flexibilidad y adaptabilidad a las redes ópticas. El S-BVT es capaz de cambiar el ancho de banda o la tasa de bits medicando parámetros como el formato de modulación, el ancho de banda o la codificación de Forward Error Correction (FEC), entre otros, para encontrar un equilibrio entre el alcance de la transmisión y la eficiencia espectral, sirviendo múltiples destinos. La combinación de módulos programables de Digital Signal Processing (DSP) con técnicas de transmisión avanzadas, basadas en la tecnología Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) con detección directa o detección coherente, se han propuesto para ser implementadas en el S-BVT, haciéndolo adecuado para su uso en redes ópticas elásticas metropolitanas y regionales. Además, la migración prevista de las redes fijas a las redes flexibles, con el fin de explotar la granularidad de 12:5 GHz, puede beneficiarse del uso de S-BVTs ya que son capaces de generar y recibir múltiples canales y dividir el flujo agregado en múltiples flujos con diferentes capacidades y destinos. A este respecto, proponemos el uso de S-BVTs basados en señales OFDM multi banda combinadas en el dominio eléctrico con el fin de limitar los recursos optoelectrónicas y relajar los requerimientos de los convertidores digitales analógicos y analógicos digitales. En particular, nos centramos en el modelo teórico de una técnica de transmisión avanzada basada en la tecnología OFDM con detección directa. A continuación, evaluamos el sistema para una red metropolitana óptica realista. En el contexto de redes metropolitanas y regionales flexibles, además de la capacidad de división de los canales, se puede prever una posible reducción del ancho de canal para las conexiones de baja tasa de bits. Esto implica que la señal atraviese varios nodos con los correspondientes elementos filtrantes causando un substancial decremento y distorsión del ancho de banda de la señal. Este fenómeno conocido como el efecto de estrechamiento de filtrado ha sido también estudiado en esta tesis, mediante simulaciones y de manera experimental para un sistema OFDM rentable y adaptativo usando detección directa y un sistema estándar On-Off Keying (OOK). El sistema OFDM de detección directa ha resultado ser un buen candidato para aumentar la flexibilidad y la robustez frente a las deficiencias de transmisión sin necesidad de compensar la dispersión. Aparte de los transceptores adaptables, flexibles y programables, las redes ópticas metropolitanas deben estar equipadas con sistemas de conmutación óptica flexible a nivel de nodo. En este sentido, proponemos la adopción de S-BVTs adaptativos basados en técnicas de transmisión avanzadas usando detección directa con modulación Discrete MultiTone (DMT) y capacidades adaptativas, adoptando nodos de conmutación basados en Semiconductor Optical Amplifier (SOA). Los SOAs pueden ser utilizados para la conmutación óptica en redes metropolitanas debido a su bajo coste o bajo consumo de energía, entre otras características relevantes. El sistema ha sido analizado experimentalmente considerando y sin considerar la presencia de elementos filtrantes. Gracias a la combinación de la modulación DMT adaptativa y los nodos de conmutación basados en SOA, las degradaciones debidas a los enlaces de fibra y a los elementos filtrantes se pueden compensar. Finalmente, para mejorar la distancia de transmisión y la tasa de datos, proponemos la combinación de constelaciones multidimensionales implementadas en los módulos DSP del S-BVT utilizando detectaron coherente y la tecnología OFDM. De hecho, los sistemas OFDM coherentes tienen un espacio de señal 4D (dos cuadraturas y dos polarizaciones), que puede ser utilizado con constelaciones multidimensionales, pudiendo éstas ser más eficientes que las convencionales Binary Phase-Shift Keying (BPSK) o Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK). De este modo, la infraestructura desplegada se explota de manera más eficiente, ya que tanto la dimensión de cuadratura como de polarización se utilizan para transmitir la señal. Además, los sistemas OFDM coherentes pueden recuperar la amplitud y la fase de la señal en el receptor, mitigando los efectos de la fibra aumentando, de esta forma, la distancia de transmisión. El sistema OFDM coherente que utiliza el formato de constelación Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) y que transmite la señal a lo largo del tiempo ha demostrado ser una solución prometedora.El comportament dinàmic de la demanda de transit, a causa de l'arribada de tecnologies, com poden ser els serveis al núvol o l'Internet of Things (IoT), està creixent. De fet, s'espera que coexisteixin a les xarxes òptiques connexions heterogènies amb característiques diferents, tal com l'ample de banda o la taxa de bits. Per a fer front a aquestes demandes és crucial una revolució de les xarxes òptiques. En aquest sentit, les Elastic Optical Networks (EONs) emergeixen com una solució rendible, flexible i dinàmica. La idea principal es basa en la utilització eficient de l'espectre òptic mitjançant la combinació de transceptors flexibles, xarxes flexibles i commutació òptica flexible. Una major flexibilitat i adaptabilitat es pot aconseguir incloent els principis del paradigma conegut com a Software Defined Networks (SDN). L’adopció de l'arquitectura SDN implica la separació del plànol de control i de dades permetent la programabilitat de la xarxa d'una forma dinàmica. Un element clau en les EONs és l'Sliceable Bandwith Variable Transceiver (S-BVT), ja que aporta flexibilitat i adaptabilitat a les xarxes òptiques. L' S-BVT és capaç de canviar l'ample de banda o la taxa de bits modificant paràmetres com el format de modulació, l'ample de banda o la codificació del Forward Error Correction (FEC), entre altres, per a trobar un equilibri entre l’assistència assolida i l’eficiència espectral, servint múltiples destinacions. La combinació de mòduls de Digital Signal Processing (DSP) amb tècniques de transmissió avançades basades en la tecnologia Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) i detecció directa o detecció coherent s'han proposat per a ser implementades en l'S-BVT, fent-lo adient per a les xarxes òptiques elàstiques metropolitanes i regionals. A més, la migració prevista des de les xarxes fixes a les xarxes flexibles, amb el fi d'explotar la granuralitat de 12:5GHz, pot beneficiar-se de l’ús d'S-BVTs ja que són capaços de generar i rebre múltiples canals i dividir el flux agregat en múltiples fluxos amb diferents capacitats i destinacions. Per aquest motiu, proposem l’ús d'S-BVTs basats en senyals OFDM multi banda combinats en el domini elèctric amb el fi de limitar els recursos optoelectrònics i relaxar els requeriments dels convertidors digitals analògics i analògics digitals. Particularment, ens centrem en el model teòric d'una tècnica de transmissió avançada basada en la tecnologia OFDM amb detecció directa. A continuació, avaluem el sistema per a una xarxa metropolitana òptica realista. En el context de xarxes metropolitanes i regionals flexibles, a més de la propietat de divisió dels canals, es pot preveure una possible reducció de l'ample de canal per a les connexions de baixa taxa de bits. Això implica que el senyal travessi diversos nodes amb els corresponents elements filtrants causant un substancial decrement i distorsió de l'ample de banda del senyal. Aquest fenomen conegut com l'efecte d'estretament de filtrat ha sigut també estudiat en aquesta tesi, mitjançant simulacions i de manera experimental en el cas d'un sistema OFDM rendible i adaptatiu utilitzant detecció directa i un sistema estàndard On-Off Keying (OOK). El sistema OFDM de detecció directa ha resultat ser un bon candidat per augmentar la flexibilitat i la robustesa front a les deficiències de transmissió sense necessitat de compensar la dispersió. A part dels transceptors adaptables, flexibles i programables, les xarxes òptiques metropolitanes han d'estar equipades amb sistemes de commutació òptica flexible a nivell de node. En aquest sentit, proposem l’adopció d'un S-BVT adaptatiu basat en tècniques de transmissió avançades i utilitzant detecció directa amb modulació Discrete MultiTone (DMT) i capacitats adaptatives, adoptant nodes de comunicació basats en Semi-conductor Optical Amplifier (SOA). Els SOAs poden ser utilitzats per la commutació _òptica en xarxes metropolitanes degut al seu baix cost o baix consum d'energia, entre altres característiques rellevants. El sistema ha sigut analitzat experimentalment considerant i sense considerar la presència d'elements filtrants. Gràcies a la combinació de la modulació DMT adaptativa i dels nodes de commutació basats en SOA, les degradacions degudes als enllaços de fibra i als elements filtrants es poden compensar. Finalment, per a millorar la distància de transmissió i la taxa de dades, proposem la combinació de constel·lacions multidimensionals implementades als mòduls DSP de l'SBVT utilitzant detecció coherent i la tecnologia OFDM. De fet, els sistemes coherents OFDM tenen un espai de senyal 4D (dues quadratures i dues polaritzacions), que pot ser utilitzat amb constel·lacions multidimensionals, arribant a ser més eficients que les modulacions convencionals Binary Phase-Shift Keying (BPSK) o Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK). D'aquesta manera, la infraestructura desplegada s'explota de forma més eficient, ja que tant la dimensió de quadratura com de polarització s'utilitzen per transmetre el senyal. A més, els sistemes coherents basats en OFDM poden recuperar l'amplitud i la fase del senyal en el receptor, mitigant els efectes de la fibra i d'aquesta forma augmentant la distància de transmissió. El sistema OFDM coherent que utilitza el format de constel·lació Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) i que transmet el senyal al llarg del temps ha demostrat ser una solució prometedora.Postprint (published version

Optimizing total cost of ownership (TCO) for 5G multi-tenant mobile backhaul (MBH) optical transport networks

Legacy network elements are reaching end-of-life and packet-based transport networks are not efficiently optimized. In particular, high density cell architecture in future 5G networks will face big technical and financial challenges due to avalanche of traffic volume and massive growth in connected devices. Raising density and ever-increasing traffic demand within future 5G Heterogeneous Networks (HetNets) will result in huge deployment, expansion and operating costs for upcoming Mobile BackHaul (MBH) networks with flat revenue generation. Thus, the goal of this dissertation is to provide an efficient physical network planning mechanism and an optimized resource engineering tool in order to reduce the Total Cost of Ownership (TCO) and increase the generated revenues. This will help Service Providers (SPs) and Mobile Network Operators (MNOs) to improve their network scalability and maintain positive Project Profit Margins (PPM). In order to meet this goal, three key issues are required to be addressed in our framework and are summarized as follows: i) how to design and migrate to a scalable and reliable MBH network in an optimal cost?, ii) how to control the deployment and activation of the network resources in such MBH based on required traffic demand in an efficient and cost-effective way?, and iii) how to enhance the resource sharing in such network and maximize the profit margins in an efficient way? As part of our contributions to address the first issue highlighted above and to plan the MBH with reduced network TCO and improved scalability, we propose a comprehensive migration plan towards an End-to-End Integrated-Optical-Packet-Network (E2-IOPN) for SP optical transport networks. We review various empirical challenges faced by a real SP during the transformation process towards E2-IOPN as well as the implementation of an as-built plan and a high-level design (HLD) for migrating towards lower cost-per-bit GPON, MPLS-TP, OTN and next-generation DWDM technologies. Then, we propose a longer-term strategy based on SDN and NFV approach that will offer rapid end-to-end service provisioning with costefficient centralized network control. We define CapEx and OpEx cost models and drive a cost comparative study that shows the benefit and financial impact of introducing new low-cost packet-based technologies to carry traffic from legacy and new services. To address the second issue, we first introduce an algorithm based on a stochastic geometry model (Voronoi Tessellation) to more precisely define MBH zones within a geographical area and more accurately calculate required traffic demands and related MBH infrastructure. In order to optimize the deployment and activation of the network resources in the MBH in an efficient and cost-effective way, we propose a novel method called BackHauling-as-a-Service (BHaaS) for network planning and Total Cost of Ownership (TCO) analysis based on required traffic demand and a "You-pay-only-for-what-you-use" approach. Furthermore, we enhance BHaaS performance by introducing a more service-aware method called Traffic-Profile-asa- Service (TPaaS) to further drive down the costs based on yearly activated traffic profiles. Results show that BHaaS and TPaaS may enhance by 22% the project benefit compared to traditional TCO model. Finally, we introduce a new cost (CapEx and OpEx) models for 5G multi-tenant Virtualized MBH (V-MBH) as part of our contribution to address the third issue. In fact, in order to enhance the resource sharing and maximize the network profits, we drive a novel pay-as-yougrow and optimization model for the V-MBH called Virtual-Backhaul-as-a-Service (VBaaS). VBaaS can serve as a planning tool to optimize the Project Profit Margin (PPM) while considering the TCO and the yearly generated Return-on-Investment (ROI). We formulate an MNO Pricing Game (MPG) for TCO optimization to calculate the optimal Pareto-Equilibrium pricing strategy for offered Tenant Service Instances (TSI). Then, we compare CapEx, OpEx, TCO, ROI and PPM for a specific use-case known in the industry as CORD project using Traditional MBH (T-MBH) versus Virtualized MBH (V-MBH) as well as using randomized versus Pareto-Equilibrium pricing strategies. The results of our framework offer SPs and MNOs a more precise estimation of traffic demand, an optimized infrastructure planning and yearly resource deployment as well as an optimized TCO analysis (CapEx and OpEx) with enhanced pricing strategy and generated ROI. Numerical results show more than three times increase in network profitability using our proposed solutions compared with Traditional MBH (T-MBH) methods

An Overview on Application of Machine Learning Techniques in Optical Networks

Today's telecommunication networks have become sources of enormous amounts of widely heterogeneous data. This information can be retrieved from network traffic traces, network alarms, signal quality indicators, users' behavioral data, etc. Advanced mathematical tools are required to extract meaningful information from these data and take decisions pertaining to the proper functioning of the networks from the network-generated data. Among these mathematical tools, Machine Learning (ML) is regarded as one of the most promising methodological approaches to perform network-data analysis and enable automated network self-configuration and fault management. The adoption of ML techniques in the field of optical communication networks is motivated by the unprecedented growth of network complexity faced by optical networks in the last few years. Such complexity increase is due to the introduction of a huge number of adjustable and interdependent system parameters (e.g., routing configurations, modulation format, symbol rate, coding schemes, etc.) that are enabled by the usage of coherent transmission/reception technologies, advanced digital signal processing and compensation of nonlinear effects in optical fiber propagation. In this paper we provide an overview of the application of ML to optical communications and networking. We classify and survey relevant literature dealing with the topic, and we also provide an introductory tutorial on ML for researchers and practitioners interested in this field. Although a good number of research papers have recently appeared, the application of ML to optical networks is still in its infancy: to stimulate further work in this area, we conclude the paper proposing new possible research directions

Tecnologias coerentes para redes ópticas flexíveis

Next-generation networks enable a broad range of innovative services with the best delivery by utilizing very dense wired/wireless networks. However, the development of future networks will require several breakthroughs in optical networks such as high-performance optical transceivers to support a very-high capacity optical network as well as optimization of the network concept, ensuring a dramatic reduction of the cost per bit. At the same time, all of the optical network segments (metro, access, long-haul) need new technology options to support high capacity, spectral efficiency and data-rate flexibility. Coherent detection offers an opportunity by providing very high sensitivity and supporting high spectral efficiency. Coherent technology can still be combined with polarization multiplexing. Despite the increased cost and complexity, the migration to dual-polarization coherent transceivers must be considered, as it enables to double the spectral efficiency. These dual-polarization systems require an additional digital signal processing (DSP) subsystem for polarization demultiplexing. This work seeks to provide and characterize cost-effective novel coherent transceivers for the development of new generation practical, flexible and high capacity transceivers for optical metro-access and data center interconnects. In this regard, different polarization demultiplexing (PolDemux) algorithms, as well as adaptive Stokes will be considered. Furthermore, low complexity and modulation format-agnostic DSP techniques based on adaptive Stokes PolDemux for flexible and customizable optical coherent systems will be proposed. On this subject, the performance of the adaptive Stokes algorithm in an ultra-dense wavelength division multiplexing (U-DWDM) system will be experimentally evaluated, in offline and real-time operations over a hybrid optical-wireless link. In addition, the efficiency of this PolDemux algorithm in a flexible optical metro link based on Nyquist pulse shaping U-DWDM system and hybrid optical signals will be assessed. Moreover, it is of great importance to find a transmission technology that enables to apply the Stokes PolDemux for long-haul transmission systems and data center interconnects. In this work, it is also proposed a solution based on the use of digital multi-subcarrier multiplexing, which improve the performance of long-haul optical systems, without increasing substantially, their complexity and cost.As redes de telecomunicações futuras permitirão uma ampla gama de serviços inovadores e com melhor desempenho. No entanto, o desenvolvimento das futuras redes implicará vários avanços nas redes de fibra ótica, como transcetores óticos de alto desempenho capazes de suportar ligações de muito elevada capacidade, e a otimização da estrutura da rede, permitindo uma redução drástica do custo por bit transportado. Simultaneamente, todos os segmentos de rede ótica (metropolitanas, acesso e longo alcance) necessitam de novas opções tecnológicas para suportar uma maior capacidade, maior eficiência espetral e flexibilidade. Neste contexto, a deteção coerente surge como uma oportunidade, fornecendo alta sensibilidade e elevada eficiência espetral. A tecnologia de deteção coerente pode ainda ser associada à multiplexação na polarização. Apesar de um potencial aumento ao nível do custo e da complexidade, a migração para transcetores coerentes de dupla polarização deve ser ponderada, pois permite duplicar a eficiência espetral. Esses sistemas de dupla polarização requerem um subsistema de processamento digital de sinal (DSP) adicional para desmultiplexagem da polarização. Este trabalho procura fornecer e caracterizar novos transcetores coerentes de baixo custo para o desenvolvimento de uma nova geração de transcetores mais práticos, flexíveis e de elevada capacidade, para interconexões óticas ao nível das futuras redes de acesso e metro. Assim, serão analisados diferentes algoritmos para a desmultiplexagem da polarização, incluindo uma abordagem adaptativa baseada no espaço de Stokes. Além disso, são propostas técnicas de DSP independentes do formato de modulação e de baixa complexidade baseadas na desmultiplexagem de Stokes adaptativa para sistemas óticos coerentes flexíveis. Neste contexto, o desempenho do algoritmo adaptativo de desmultiplexagem na polarização baseado no espaço de Stokes é avaliado experimentalmente num sistema U-DWDM, tanto em análises off-line como em tempo real, considerando um percurso ótico hibrido que combina um sistema de transmissão suportado por fibra e outro em espaço livre. Foi ainda analisada a eficiência do algoritmo de desmultiplexagem na polarização numa rede ótica de acesso flexível U-DWDM com formatação de pulso do tipo Nyquist. Neste trabalho foi ainda analisada a aplicação da técnica de desmultiplexagem na polarização baseada no espaço de Stokes para sistemas de longo alcance. Assim, foi proposta uma solução de aplicação baseada no uso da multiplexagem digital de múltiplas sub-portadoras, tendo-se demonstrado uma melhoria na eficiência do desempenho dos sistemas óticos de longo alcance, sem aumentar significativamente a respetiva complexidade e custo.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic

Reconfigurable Optically Interconnected Systems

With the immense growth of data consumption in today's data centers and high-performance computing systems driven by the constant influx of new applications, the network infrastructure supporting this demand is under increasing pressure to enable higher bandwidth, latency, and flexibility requirements. Optical interconnects, able to support high bandwidth wavelength division multiplexed signals with extreme energy efficiency, have become the basis for long-haul and metro-scale networks around the world, while photonic components are being rapidly integrated within rack and chip-scale systems. However, optical and photonic interconnects are not a direct replacement for electronic-based components. Rather, the integration of optical interconnects with electronic peripherals allows for unique functionalities that can improve the capacity, compute performance and flexibility of current state-of-the-art computing systems. This requires physical layer methodologies for their integration with electronic components, as well as system level control planes that incorporates the optical layer characteristics. This thesis explores various network architectures and the associated control plane, hardware infrastructure, and other supporting software modules needed to integrate silicon photonics and MEMS based optical switching into conventional datacom network systems ranging from intra-data center and high-performance computing systems to the metro-scale layer networks between data centers. In each of these systems, we demonstrate dynamic bandwidth steering and compute resource allocation capabilities to enable significant performance improvements. The key accomplishments of this thesis are as follows. In Part 1, we present high-performance computing network architectures that integrate silicon photonic switches for optical bandwidth steering, enabling multiple reconfigurable topologies that results in significant system performance improvements. As high-performance systems rely on increased parallelism by scaling up to greater numbers of processor nodes, communication between these nodes grows rapidly and the interconnection network becomes a bottleneck to the overall performance of the system. It has been observed that many scientific applications operating on high-performance computing systems cause highly skewed traffic over the network, congesting only a small percentage of the total available links while other links are underutilized. This mismatch of the traffic and the bandwidth allocation of the physical layer network presents the opportunity to optimize the bandwidth resource utilization of the system by using silicon photonic switches to perform bandwidth steering. This allows the individual processors to perform at their maximum compute potential and thereby improving the overall system performance. We show various testbeds that integrates both microring resonator and Mach-Zehnder based silicon photonic switches within Dragonfly and Fat-Tree topology networks built with conventional equipment, and demonstrate 30-60% reduction in execution time of real high-performance benchmark applications. Part 2 presents a flexible network architecture and control plane that enables autonomous bandwidth steering and IT resource provisioning capabilities between metro-scale geographically distributed data centers. It uses a software-defined control plane to autonomously provision both network and IT resources to support different quality of service requirements and optimizes resource utilization under dynamically changing load variations. By actively monitoring both the bandwidth utilization of the network and CPU or memory resources of the end hosts, the control plane autonomously provisions background or dynamic connections with different levels of quality of service using optical MEMS switching, as well as initializing live migrations of virtual machines to consolidate or distribute workload. Together these functionalities provide flexibility and maximize efficiency in processing and transferring data, and enables energy and cost savings by scaling down the system when resources are not needed. An experimental testbed of three data center nodes was built to demonstrate the feasibility of these capabilities. Part 3 presents Lightbridge, a communications platform specifically designed to provide a more seamless integration between processor nodes and an optically switched network. It addresses some of the crucial issues faced by the works presented in the previous chapters related to optical switching. When optical switches perform switching operations, they change the physical topology of the network, and they lack the capability to buffer packets, resulting in certain optical circuits being unavailable. This prompts the question of whether it is safe to transmit packets by end hosts at any given time. Lightbridge was developed to coordinate switching and routing of optical circuits across the network, by having the processors gain information about the current state of the optical network before transmitting packets, and being able to buffer packets when the optical circuit is not available. This part describes details of Lightbridge which is constituted by a loadable Linux kernel module along with other supporting modifications to the Linux kernel in order to achieve the necessary functionalities