Contributions to network planning and operation of Flex-Grid/SDM optical core networks

Premi Extraordinari de Doctorat, promoció 2018-2019. Àmbit de les TICThe ever demanding bandwidth requirements for supporting emerging telecom services such as ultra-high-definition video streaming, cloud computing, connected car, virtual/augmented reality, etc., bring to the fore the necessity to upgrade continuously the technology behind transport networks in order to keep pace with this exponential traffic growth. Thus, everything seems to indicate that fixed-grid Wavelength-Division Multiplexed (WDM) networks will be upgraded by adopting a flexible-grid, thus providing finer bandwidth allocation granularities, and therefore, increasing the Grade-of-Service by packing more information in the same spectral band of standard Single-Mode Fibers (SMFs). Nevertheless, unfortunately, the fundamental Shannon’s limit of SMFs is rapidly approaching, and, then, the research efforts to increase the SMFs' capacity will be useless. One solution to overcome this capacity crunch effect is to enable one extra dimension in addition to the frequency one, namely, the spatial dimension, thus deploying S parallel paths in order to multiply, in the best case, by S the capacity of SMF-based networks. However, additionally, it is necessary to decrease the cost and energy per bit in order to provide economically attractive solutions. For this purpose, a smooth upgrade path has to be carried out as new integrated devices and system components are developed for Space Division Multiplexing (SDM). This thesis is concentrated on the planning and operation of the combined flexible WDM and SDM networks (i.e., Flex-Grid/SDM networks) proposing several strategies aimed at optimizing network resources usage with hardware complexity analysis. For this purpose, firstly, network problems are carefully studied and stated, and then, mathematical and/or heuristic algorithms are designed and implemented in an optical network simulator. Specifically, after an introduction to the thesis, chapter 2 presents the background and related work. Next, chapter 3 concentrates on the study of spatially fixed Flex-Grid/SDM networks, i.e., when a rigid number of spatial channels are reserved per allocated traffic demand. In its turn, chapter 4 studies the case of Spectrally-Spatially Flexible Optical Networks (SS-FONs), as the ones providing the upper-bound network capacity. Costs and hardware requirements implied on providing this flexibility are analyzed. Network nodes aimed at reducing the cost of SS-FONs are presented and evaluated in chapter 5. Finally, this thesis ends with the presentation of the main contributions and future research work in chapter 6.La demanda de ancho de banda cada vez más exigente para soportar servicios de telecomunicación emergentes tales como la transmisión de video de alta calidad, computación en la nube, vehículo conectado, realidad virtual/aumentada, etc.…, ha puesto de manifiesto la necesidad de actualizar constantemente la tecnología detrás de las redes de transporte óptico con la finalidad de ir a la par de este incremento exponencial del tráfico. De esta manera, todo parece indicar que las redes basadas en la multiplexación por division de longitud de onda (Wavelength Division Multiplexing, WDM) de ancho espectral fijo serán actualizadas adoptando un ancho de banda espectral flexible, que ofrece asignaciones de ancho de banda con granularidad más fina acorde a las demandas de tráfico; y por lo tanto, incremanta el Grado de Servicio de la red, ya que se permite acomodar mayor información en la misma banda espectral de las fibras monomodo (Single Mode Fibers, SMFs). Sin embargo, desafortunadamente, el límite de Shannon de las fibras monomodo se está aproximando cada vez más, y cuando esto ocurra las investigaciones para incrementar la capacidad de las fibras monomodo serán infructuosas. Una posible solución para superar este colapso de las fibras monomodo es habilitar la dimensión espacial a más de la frecuencial, desplegando � caminos paralelos con la finalidad de multiplicar por � (en el mejor de los casos) la capacidad de las fibras monomodo. No obstante, es necesario disminuir el costo y la energía por bit con la finalidad de proveer soluciones comerciales atractivas. Para tal propósito debe llevarse a cabo una actualización moderada conforme nuevos dispositivos y componentes integrados son desarrollados para la implementación de la tecnología basada en la multiplexación por división de espacio (Space Division Multiplexing, SDM). Esta tesis se concentra en la planificación y operación de la combinación de las redes WDM flexibles y SDM (es decir, de las redes Flex-Grid/SDM) proponiendo varias estrategias dirigidas a optimizar el uso de los recursos de red junto con el análisis de la complejidad del hardware que viene acompañada. Para este fin, primeramente, los problemas de red son cuidadosamente estudiados y descritos. A continuación, se han diseñado e implementado algoritmos basados en programación lineal entera o heurísticas en un simulador de redes ópticas. Después de una introducción inicial, el capítulo 2 de esta tesis presenta el marco teórico sobre los conceptos tratados y los trabajos publicados anteriormente. A continuación, el capítulo 3 se concentra en el estudio de las redes Flex-Grid/SDM con la dimensión espacial rígida; es decir, cuando un número fijo de canales espaciales son reservados por cada demanda de tráfico establecida. Por su parte, el capítulo 4 estudia las redes Flex-Grid/SDM considerando flexibilidad tanto en el dominio espacial como espectral (Spectrally and Spatially Flexible Optical Networks, SS-FONs), las cuales proveerían la capacidad máxima de las redes SDM. Adicionalmente, los costos y requerimientos de hardware implicados en la provisión de esta flexibilidad son analizados. El capítulo 5 presenta la evaluación de nodos orientados a reducir los costos de las SS-FONs. Finalmente, el capítulo 6 expone las principales contribuciones y las posibles líneas de trabajo futuroEls requisits incessants d’ample de banda per al suport de nous serveis de telecomunicació, com poden ser la difusió en directe de vídeo de molt alta definició, la informàtica en el núvol, els cotxes intel·ligents connectats a la xarxa, la realitat virtual/augmentada, etc…, han exigit una millora contínua de les tecnologíes de les actuals xarxes de transport de dades. Tot sembla indicar que les xarxes de transport òptiques actuals, basades en la tecnologia de multiplexació per divisió de longitud d’ona (Wavelength Division Multiplexing, WDM) sobre un grid espectral rígid, hauran de ser reemplaçades per tecnologies òptiques més flexibles, amb una granularitat més fina a l’hora de suportar noves connexions, incrementat el grau de servei de les xarxes gràcies a aprofitament major de l’ample de banda espectral proporcionat per les fibres òptiques monomode (Single Mode Fibers, SMFs). Tanmateix, estem exhaurint ja la capacitat màxima de les fibres òptiques SMF segons ens indica el límit fonamental de Shannon. Per tant, qualsevol esforç enfocat a millorar la capacitat d’aquestes xarxes basades en SMFs pot acabar sent infructuós. Una possible solució per superar aquestes limitacions de capacitat és explorar la dimensió espacial, a més de l’espectral, desplegant camins en paral·lel per tal de multiplicar per , en el millor cas, la capacitat de les SMFs. Tot i això, és necessari reduir el cost i el consum energètic per bit transmès, per tal de proporcionar solucions econòmicament viables. Amb aquest propòsit, pot ser necessària una migració progressiva, a mesura que es desenvolupen nous dispositius i components per aquesta nova tecnologia de multiplexació per divisió espacial (Spatial Division Multiplexing, SDM). La present tesi es centra en la planificació i operació de xarxes òptiques de nova generació que combinin tecnologies de xarxa WDM flexible i SDM (és a dir, xarxes Flex-Grid/SDM), proposant estratègies per a l’optimització de l’ús dels recursos de xarxa i, en definitiva, el seu cost (CapEx). Amb aquest propòsit, s’analitzen en primer moment els problemes adreçats. Tot seguit, es dissenyen algorismes per tal de solucionar-los, basats en tècniques de programació matemàtica i heurístiques, els quals s’implementen i es proven en un simulador de xarxa òptica. Després d’una introducció inicial, el capítol 2 d’aquesta tesi presenta tots els conceptes tractats i treballs relacionats publicats amb anterioritat. Tot seguit, el capítol 3 es centra en l’estudi de les xarxes Flex-Grid/SDM fixes en el domini espai, és a dir, on sempre es reserva un nombre rígid de canals espacials per qualsevol demanda suportada. El capítol 4 estudia les xarxes flexibles en els dominis espectrals i espacials (Spectrally-Spatially Flexible Optical Nextworks, SS-FONs), com aquelles que poden proporcionar una capacitat de xarxa màxima. En aquest context, s’analitzen els requeriments en termes de cost i hardware per tal de proporcionar aquesta flexibilitat. Llavors, en el capítol 6 es presenten opcions de node de xarxa capaces de reduir els costos de les xarxes SS-FONs. Finalment, en el capítol 7 es repassen totes les contribucions de la tesi, així com posibles línies de treball futurAward-winningPostprint (published version

Contributions to network planning and operation of Flex-Grid/SDM optical core networks

The ever demanding bandwidth requirements for supporting emerging telecom services such as ultra-high-definition video streaming, cloud computing, connected car, virtual/augmented reality, etc., bring to the fore the necessity to upgrade continuously the technology behind transport networks in order to keep pace with this exponential traffic growth. Thus, everything seems to indicate that fixed-grid Wavelength-Division Multiplexed (WDM) networks will be upgraded by adopting a flexible-grid, thus providing finer bandwidth allocation granularities, and therefore, increasing the Grade-of-Service by packing more information in the same spectral band of standard Single-Mode Fibers (SMFs). Nevertheless, unfortunately, the fundamental Shannon’s limit of SMFs is rapidly approaching, and, then, the research efforts to increase the SMFs' capacity will be useless. One solution to overcome this capacity crunch effect is to enable one extra dimension in addition to the frequency one, namely, the spatial dimension, thus deploying S parallel paths in order to multiply, in the best case, by S the capacity of SMF-based networks. However, additionally, it is necessary to decrease the cost and energy per bit in order to provide economically attractive solutions. For this purpose, a smooth upgrade path has to be carried out as new integrated devices and system components are developed for Space Division Multiplexing (SDM). This thesis is concentrated on the planning and operation of the combined flexible WDM and SDM networks (i.e., Flex-Grid/SDM networks) proposing several strategies aimed at optimizing network resources usage with hardware complexity analysis. For this purpose, firstly, network problems are carefully studied and stated, and then, mathematical and/or heuristic algorithms are designed and implemented in an optical network simulator. Specifically, after an introduction to the thesis, chapter 2 presents the background and related work. Next, chapter 3 concentrates on the study of spatially fixed Flex-Grid/SDM networks, i.e., when a rigid number of spatial channels are reserved per allocated traffic demand. In its turn, chapter 4 studies the case of Spectrally-Spatially Flexible Optical Networks (SS-FONs), as the ones providing the upper-bound network capacity. Costs and hardware requirements implied on providing this flexibility are analyzed. Network nodes aimed at reducing the cost of SS-FONs are presented and evaluated in chapter 5. Finally, this thesis ends with the presentation of the main contributions and future research work in chapter 6.La demanda de ancho de banda cada vez más exigente para soportar servicios de telecomunicación emergentes tales como la transmisión de video de alta calidad, computación en la nube, vehículo conectado, realidad virtual/aumentada, etc.…, ha puesto de manifiesto la necesidad de actualizar constantemente la tecnología detrás de las redes de transporte óptico con la finalidad de ir a la par de este incremento exponencial del tráfico. De esta manera, todo parece indicar que las redes basadas en la multiplexación por division de longitud de onda (Wavelength Division Multiplexing, WDM) de ancho espectral fijo serán actualizadas adoptando un ancho de banda espectral flexible, que ofrece asignaciones de ancho de banda con granularidad más fina acorde a las demandas de tráfico; y por lo tanto, incremanta el Grado de Servicio de la red, ya que se permite acomodar mayor información en la misma banda espectral de las fibras monomodo (Single Mode Fibers, SMFs). Sin embargo, desafortunadamente, el límite de Shannon de las fibras monomodo se está aproximando cada vez más, y cuando esto ocurra las investigaciones para incrementar la capacidad de las fibras monomodo serán infructuosas. Una posible solución para superar este colapso de las fibras monomodo es habilitar la dimensión espacial a más de la frecuencial, desplegando � caminos paralelos con la finalidad de multiplicar por � (en el mejor de los casos) la capacidad de las fibras monomodo. No obstante, es necesario disminuir el costo y la energía por bit con la finalidad de proveer soluciones comerciales atractivas. Para tal propósito debe llevarse a cabo una actualización moderada conforme nuevos dispositivos y componentes integrados son desarrollados para la implementación de la tecnología basada en la multiplexación por división de espacio (Space Division Multiplexing, SDM). Esta tesis se concentra en la planificación y operación de la combinación de las redes WDM flexibles y SDM (es decir, de las redes Flex-Grid/SDM) proponiendo varias estrategias dirigidas a optimizar el uso de los recursos de red junto con el análisis de la complejidad del hardware que viene acompañada. Para este fin, primeramente, los problemas de red son cuidadosamente estudiados y descritos. A continuación, se han diseñado e implementado algoritmos basados en programación lineal entera o heurísticas en un simulador de redes ópticas. Después de una introducción inicial, el capítulo 2 de esta tesis presenta el marco teórico sobre los conceptos tratados y los trabajos publicados anteriormente. A continuación, el capítulo 3 se concentra en el estudio de las redes Flex-Grid/SDM con la dimensión espacial rígida; es decir, cuando un número fijo de canales espaciales son reservados por cada demanda de tráfico establecida. Por su parte, el capítulo 4 estudia las redes Flex-Grid/SDM considerando flexibilidad tanto en el dominio espacial como espectral (Spectrally and Spatially Flexible Optical Networks, SS-FONs), las cuales proveerían la capacidad máxima de las redes SDM. Adicionalmente, los costos y requerimientos de hardware implicados en la provisión de esta flexibilidad son analizados. El capítulo 5 presenta la evaluación de nodos orientados a reducir los costos de las SS-FONs. Finalmente, el capítulo 6 expone las principales contribuciones y las posibles líneas de trabajo futuroEls requisits incessants d’ample de banda per al suport de nous serveis de telecomunicació, com poden ser la difusió en directe de vídeo de molt alta definició, la informàtica en el núvol, els cotxes intel·ligents connectats a la xarxa, la realitat virtual/augmentada, etc…, han exigit una millora contínua de les tecnologíes de les actuals xarxes de transport de dades. Tot sembla indicar que les xarxes de transport òptiques actuals, basades en la tecnologia de multiplexació per divisió de longitud d’ona (Wavelength Division Multiplexing, WDM) sobre un grid espectral rígid, hauran de ser reemplaçades per tecnologies òptiques més flexibles, amb una granularitat més fina a l’hora de suportar noves connexions, incrementat el grau de servei de les xarxes gràcies a aprofitament major de l’ample de banda espectral proporcionat per les fibres òptiques monomode (Single Mode Fibers, SMFs). Tanmateix, estem exhaurint ja la capacitat màxima de les fibres òptiques SMF segons ens indica el límit fonamental de Shannon. Per tant, qualsevol esforç enfocat a millorar la capacitat d’aquestes xarxes basades en SMFs pot acabar sent infructuós. Una possible solució per superar aquestes limitacions de capacitat és explorar la dimensió espacial, a més de l’espectral, desplegant camins en paral·lel per tal de multiplicar per , en el millor cas, la capacitat de les SMFs. Tot i això, és necessari reduir el cost i el consum energètic per bit transmès, per tal de proporcionar solucions econòmicament viables. Amb aquest propòsit, pot ser necessària una migració progressiva, a mesura que es desenvolupen nous dispositius i components per aquesta nova tecnologia de multiplexació per divisió espacial (Spatial Division Multiplexing, SDM). La present tesi es centra en la planificació i operació de xarxes òptiques de nova generació que combinin tecnologies de xarxa WDM flexible i SDM (és a dir, xarxes Flex-Grid/SDM), proposant estratègies per a l’optimització de l’ús dels recursos de xarxa i, en definitiva, el seu cost (CapEx). Amb aquest propòsit, s’analitzen en primer moment els problemes adreçats. Tot seguit, es dissenyen algorismes per tal de solucionar-los, basats en tècniques de programació matemàtica i heurístiques, els quals s’implementen i es proven en un simulador de xarxa òptica. Després d’una introducció inicial, el capítol 2 d’aquesta tesi presenta tots els conceptes tractats i treballs relacionats publicats amb anterioritat. Tot seguit, el capítol 3 es centra en l’estudi de les xarxes Flex-Grid/SDM fixes en el domini espai, és a dir, on sempre es reserva un nombre rígid de canals espacials per qualsevol demanda suportada. El capítol 4 estudia les xarxes flexibles en els dominis espectrals i espacials (Spectrally-Spatially Flexible Optical Nextworks, SS-FONs), com aquelles que poden proporcionar una capacitat de xarxa màxima. En aquest context, s’analitzen els requeriments en termes de cost i hardware per tal de proporcionar aquesta flexibilitat. Llavors, en el capítol 6 es presenten opcions de node de xarxa capaces de reduir els costos de les xarxes SS-FONs. Finalment, en el capítol 7 es repassen totes les contribucions de la tesi, així com posibles línies de treball futu

Roadmap of optical communications

© 2016 IOP Publishing Ltd. Lightwave communications is a necessity for the information age. Optical links provide enormous bandwidth, and the optical fiber is the only medium that can meet the modern society's needs for transporting massive amounts of data over long distances. Applications range from global high-capacity networks, which constitute the backbone of the internet, to the massively parallel interconnects that provide data connectivity inside datacenters and supercomputers. Optical communications is a diverse and rapidly changing field, where experts in photonics, communications, electronics, and signal processing work side by side to meet the ever-increasing demands for higher capacity, lower cost, and lower energy consumption, while adapting the system design to novel services and technologies. Due to the interdisciplinary nature of this rich research field, Journal of Optics has invited 16 researchers, each a world-leading expert in their respective subfields, to contribute a section to this invited review article, summarizing their views on state-of-the-art and future developments in optical communications

Design, monitoring and performance evaluation of high capacity optical networks

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

Design, monitoring and performance evaluation of high capacity optical networks

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

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

Modelling, Dimensioning and Optimization of 5G Communication Networks, Resources and Services

This reprint aims to collect state-of-the-art research contributions that address challenges in the emerging 5G networks design, dimensioning and optimization. Designing, dimensioning and optimization of communication networks resources and services have been an inseparable part of telecom network development. The latter must convey a large volume of traffic, providing service to traffic streams with highly differentiated requirements in terms of bit-rate and service time, required quality of service and quality of experience parameters. Such a communication infrastructure presents many important challenges, such as the study of necessary multi-layer cooperation, new protocols, performance evaluation of different network parts, low layer network design, network management and security issues, and new technologies in general, which will be discussed in this book

Cost-Effective and Optimized Optical Networks Based on Point to Multipoint Transceivers

The rapid increase in internet traffic due to widespread internet access and technological advancements such as 5G, cloud omputing, Internet of Things (IoT), and virtual reality has created a complex environment for network operators and internet service providers. To ensure profitability and improve user experience, these entities need to implement long-term strategies that optimize network planning, cost, and efficiency. These strategies should consider market demands, evolving technologies, and prioritize resource utilization, customer expansion, service quality, and cost reduction. The thesis mainly focuses on network design and optimization. It begins with a concise introduction to optical transport network elements and the primary motivations for networking. The use of dense wavelength division multiplexing (DWDM) systems is described, along with the conventional network problems associated with routing and wavelength assignment, as well as routing and spectrum assignment. The thesis also includes a brief discussion on the power consumption of the Internet, with a particular focus on routers as power-hungry network components. Next, the thesis delves into the digital subcarrier multiplexing point-to-multipoint (P2MP) transceiver, explaining its architecture and function. Several optimization frameworks based on integer linear Programming (ILP) are proposed to effectively deploy P2MP transceivers in both filtered and filterless scenarios. Different protection scenarios are also explored. Furthermore, the thesis investigates a comprehensive multi-period planning scenarios that take into account evolving traffic and transceiver technology. The results demonstrate that P2MP transceivers can reduce transceiver costs by up to 35% compared to traditional point-to-point transceivers. Finally, the thesis presents a comprehensive and optimized physical design for horseshoe networks, integrating the utilization of P2MP transceivers and a filterless architecture. This design approach offers a simplified and cost-effective solution while leveraging the savingsoffered by P2MP technology