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

Quantifying bypass traffic in partially meshed transparent optical networks

This work investigates the transparent bypassing capacity requirements of elastic backbone optical networks to determine the all-optical cross-connection capacity needed at network nodes. Topological parameters have been used to develop a random network generator, and the generated topologies are evaluated. Reference values are obtained and applied to well-known topologies, and extensive simulations are conducted to obtain network nodes' bypassing traffic under realistic traffic profiles. The study reveals that although bypassing traffic varies by topology, it never exceeds 9% of total network traffic per node degree. These findings can help properly dimension network nodes by determining the necessary quantity of transceivers and cross-connection capacity based on the network topology and expected traffic.Open Access funding provided thanks to the CRUE-CSIC agreement with Springer Nature. This work has been partially funded by Spanish AEI IBON (PID2020-114135RB-I00).Peer ReviewedPostprint (published version

Space-Division Multiplexing in Data Center Networks: On Multi-Core Fiber Solutions and Crosstalk-Suppressed Resource Allocation

The rapid growth of traffic inside data centers caused by the increasing adoption of cloud services necessitates a scalable and cost-efficient networking infrastructure. Space-division multiplexing (SDM) is considered as a promising solution to overcome the optical network capacity crunch and support cost-effective network capacity scaling. Multi-core fiber (MCF) is regarded as the most feasible and efficient way to realize SDM networks, and its deployment inside data centers seems very likely as the issue of inter-core crosstalk (XT) is not severe over short link spans (<1  km ) compared to that in long-haul transmission. However, XT can still have a considerable effect in MCF over short distances, which can limit the transmission reach and in turn the data center’s size. XT can be further reduced by bi-directional transmission of optical signals in adjacent MCF cores. This paper evaluates the benefits of MCF-based SDM solutions in terms of maximizing the capacity and spatial efficiency of data center networks. To this end, we present an analytical model for XT in bi-directional normal step-index and trench-assisted MCFs and propose corresponding XT-aware core prioritization schemes. We further develop XT-aware spectrum resource allocation strategies aimed at relieving the complexity of online XT computation. These strategies divide the available spectrum into disjoint bands and incrementally add them to the pool of accessible resources based on the network conditions. Several combinations of core mapping and spectrum resource allocation algorithms are investigated for eight types of homogeneous MCFs comprising 7–61 cores, three different multiplexing schemes, and three data center network topologies with two traffic scenarios. Extensive simulation results show that combining bi-directional transmission in dense core fibers with tailored resource allocation schemes significantly increases the network capacity. Moreover, a multiplexing scheme that combines SDM and WDM can achieve up to 33 times higher link spatial efficiency and up to 300 times greater capacity compared to a WDM solution

Greenfield gradual migration planning toward spectrally-spatially flexible optical networks

© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other worksThis article identifies the unavoidably required upgrade of short-term realizable elastic optical networks (EONs) operating over single-mode fibers toward spectrally-spatially flexible optical networks (SS-FONs), exploiting spatial division multiplexing (SDM) technology in order to cope with the expected mid- and long-term future traffic forecasts. Since a complete EON to SS-FON network migration overnight is unrealistic, this article proposes a gradual greenfield migration strategy employing novel heuristic planning solutions. These solutions allow identifying which network components should be SDM-capable so as to support the forecasted traffic increase at a given time. To allow transmission in an SS-FON, links should be extended with SDM-capable fibers and nodes should be equipped with SDM-capable reconfigurable optical add/drop multiplexers. Using the proposed solutions, a migration case study in a national reference core network is provided and analyzed.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

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

Route, modulation format, MIMO and spectrum assignment in Flex-Grid/MCF transparent optical core networks

In this paper, we target an optimal multiple-input multiple-output digital signal processing (MIMO-DSP) assignment to super-channels affected by intercore crosstalk (ICXT) in multicore fiber (MCF) enabled transparent optical core networks. MIMO-DSP undoes ICXT effects, but can be costly with high core density MCFs. Hence, its implementation in the network must be carefully decided. We address our objective as a joint route, modulation format, MIMO and spectrum assignment (RMMSA) problem, for which integer linear programming formulations are provided to optimally solve it in small network scenarios. Moreover, several heuristic approaches are also proposed to solve large-scale problem instances with good accuracy. Their goal is to minimize both network spectral requirements and the amount of MIMO equalized super-channels, taking a crosstalk-free space division multiplexing (SDM) solution as a reference, for example, based on parallel single mode fibers [i.e., a multifiber (MF) scenario]. For our evaluation, we consider several state-of-the-art MCF prototypes and different network topologies. The obtained results, with the considered MCFs, disclose that in national backbone networks, the desirable percentage of super-channels with MIMO equalization to match the performance of an equivalent crosstalk-free SDM solution ranges from 0% to 36, while in continental-wide networks this range raises from 0% to 56%. In addition, in the case of a nonideal MIMO (with a 3 dB/km of crosstalk compensation), such percentages range from 0% to 28% and from 0% to 45% in national and continental-wide backbone networks, respectively, experimenting a performance gap up to 12% with respect to the MF reference scenario.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Comparison of SDM and WDM on direct and indirect optical data center networks

We benchmark Data Centre topologies under SDM and WDM transport in terms of network capacity, utilization, blocking probability, cost and power consumption. SDM offers cost and power benefits than WDM while Spine-Leaf demonstrates all-round best performance among all topologies