Availability analysis of GMPLS connections based on physical network topology

This paper presents a study of connection availability in GMPLS over optical transport networks (OTN) taking into account different network topologies. Two basic path protection schemes are considered and compared with the no protection case. The selected topologies are heterogeneous in geographic coverage, network diameter, link lengths, and average node degree. Connection availability is also computed considering the reliability data of physical components and a well-known network availability model. Results show several correspondences between suitable path protection algorithms and several network topology characteristics

Availability analysis of GMPLS connections based on physical network topology

This paper presents a study of connection availability in GMPLS over optical transport networks (OTN) taking into account different network topologies. Two basic path protection schemes are considered and compared with the no protection case. The selected topologies are heterogeneous in geographic coverage, network diameter, link lengths, and average node degree. Connection availability is also computed considering the reliability data of physical components and a well-known network availability model. Results show several correspondences between suitable path protection algorithms and several network topology characteristics

Proposta para minimizar penalidade do tráfego de melhor esforço (BE) em redes óticas passivas ethernet (EPON): análise através de modelo híbrido analítico/simulado

Neste trabalho, propõe-se uma melhoria na estratégia de escalonamento baseada em pesos das classes de tráfego em redes óticas passivas Ethernet – EPON, de modo a não penalizar demasiadamente a classe tipo melhor esforço (BE). Como suporte, desenvolveu-se um modelo híbrido analítico/simulado para análise de desempenho do fluxo de subida, baseado no atraso total de quadros. A modelagem foi feita utilizando Redes de Petri Coloridas Estocásticas (Stochastic Colored Petri Nets - SCPN) da qual se obtém, por simulação, o tamanho médio da fila que posteriormente é usado para, analiticamente, obter-se o atraso total. Não obstante ao crescimento de aplicações multimídia em tempo real, no ano de 2010, o tráfego tradicional na Internet (navegação web, email, mensagens instantâneas) classificado como melhor esforço ainda foi responsável, sozinho (excluindo transferência de arquivos P2P), por valores em torno de 18% do tráfego na Internet. Somando-se a este percentual as aplicações P2P, que também não são essencialmente sensíveis ao atraso, têm-se uma participação de 58% (o tráfego P2P foi no ano de 2010 responsável por aproximadamente 40% do volume total de informações trafegadas na Internet). Mesmo em previsões feitas para o ano de 2014 o tráfego BE ainda representará aproximadamente 40% do volume total de dados a serem trafegados nas redes IPs mundiais. Estes números demonstram que a preocupação com este tipo de tráfego não pode ser relegada a uma importância secundária em detrimento às aplicações que exigem maior qualidade de serviço. Tomando como base o escalonamento IPACT (Interleaved Polling with Adapting Cycle Time) esta dissertação demonstra que é possível, através da melhoria proposta, obter atrasos menores no tráfego de melhor esforço, sem que as classes de tráfego prioritárias ultrapassem as especificações de atraso recomendadas para cada uma destas.

Proposta de gerenciamento de dados para monitoramento de saúde estrutural utilizando redes de sensores ópticos FBG

Devido às suas características únicas, redes de sensores ópticos têm encontrado aplicação em muitos campos, como em Engenharia Civil, Engenharia Geotécnica, Aeronáutica, Energia e Indústrias de Petróleo & Gás. Soluções de monitoramento baseadas nessa tecnologia têm se mostrado particularmente rentáveis e podem ser aplicadas às estruturas de grande porte, onde centenas de sensores devem ser implantados para medições a longo prazo de diferentes parâmetros mecânicos e físicos. Sensores baseados em Grades de Bragg em fibra (FBGs) são a solução mais comumente utilizada no Monitoramento de Saúde Estrutural (SHM) e as medições são realizadas por instrumentos especiais conhecidos como interrogadores ópticos. Taxas de aquisição cada vez mais elevadas têm sido possíveis utilizando interrogadores ópticos mais recentes, o que dá origem a um grande volume de dados cuja manipulação, armazenamento, gerenciamento e visualização podem demandar aplicações de software especiais. Este trabalho apresenta duas aplicações de software de tempo real desenvolvidas para esses fins: Interrogator Abstraction (InterAB) e Web-based System (WbS). As inovações neste trabalho incluem a integração, sincronização, independência, segurança, processamento e visualização em tempo real, e persistência de dados ou armazenamento proporcionados pelo trabalho conjunto das aplicações desenvolvidas. Os resultados obtidos durante testes em laboratório e ambiente real demonstraram a eficiência, robustez e flexibilidade desses softwares para diferentes tipos de sensores e interrogadores ópticos, garantindo atomicidade, consistência, isolamento e durabilidade dos dados persistidos pelo InterAB e apresentados pelo WbS.

Wavelength monitoring with semiconductor laser amplifiers

The semiconductor laser diodes that are typically used in applications of optical communications, when working as amplifiers, present under certain conditions optical bistability, which is characterized by abruptly switching between two different output states and an associated hysteresis cycle. This bistable behavior is strongly dependent on the frequency detuning between the frequency of the external optical signal that is injected into the semiconductor laser amplifier and its own emission frequency. This means that small changes in the wavelength of an optical signal applied to a laser amplifier causes relevant changes in the characteristics of its transfer function in terms of the power requirements to achieve bistability and the width of the hysteresis. This strong dependence in the working characteristics of semiconductor laser amplifiers on frequency detuning suggest the use of this kind of devices in optical sensing applications for optical communications, such as the detection of shifts in the emission wavelength of a laser, or detect possible interference between adjacent channels in DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) optical communication networks

Robustness of 40 Gb/s ASK modulation formats in the practical system infrastructure

In this work, we analyzed by means of numerical and laboratory experiments the resilience of 40 Gb/s amplitude shift keying modulation formats to transmission impairments in standard single-mode fiber lines as well as to optical filtering introduced by the optical add/drop multiplexer cascade. Our study is a pre-requisite to assess the implementation of cost-effective 40 Gb/s modulation technology in next generation high bit-rate robust optical transport networks.

Robustness of 40 Gb/s ASK modulation formats in the practical system infrastructure

In this work, we analyzed by means of numerical and laboratory experiments the resilience of 40 Gb/s amplitude shift keying modulation formats to transmission impairments in standard single-mode fiber lines as well as to optical filtering introduced by the optical add/drop multiplexer cascade. Our study is a pre-requisite to assess the implementation of cost-effective 40 Gb/s modulation technology in next generation high bit-rate robust optical transport networks. © 2006 Optical Society of America.

Análise de conversores de frequência óptica baseados em amplificadores ópticos semicondutores

Dissertação de mest. em Engenharia de Sistemas e Computação, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2002

Hybrid Algorithms for Routing and Assignment Wavelengths in Optical Networks

This paper presents a strategy for the solution of the WDM optical networks planning. Specifically, the problem of Routing and Wavelength Allocation (RWA) in order to minimize the amount of wavelengths used. In this case, the problem is known as the Min-RWA. Two meta-heuristics (Tabu Search and Simulated Annealing) are applied to take solutions of good quality and high performance. The key point is the degradation of the maximum load on the virtual links in favor of minimization of number of wavelengths used; the objective is to find a good compromise between the metrics of virtual topology (load in Gb/s) and of the physical topology (quantity of wavelengths). The simulations suggest good results when compared to some existing in the literature.

The choice of the best among the shortest routes in transparent optical networks

This work introduces the problem of the best choice among M combinations of the shortest paths for dynamic provisioning of lightpaths in all-optical networks. To solve this problem in an optimized way (shortest path and load balance), a new fixed routing algorithm, named Best among the Shortest Routes (BSR), is proposed. The BSR`s performance is compared in terms of blocking probability and network utilization with Dijkstra`s shortest path algorithm and others algorithms proposed in the literature. The evaluated scenarios include several representative topologies for all-optical networking and different wavelength conversion architectures. For all studied scenarios, BSR achieved superior performance. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Label Space Reduction in All-Optical Label Switchiing Networks

Report for the scientific sojourn at the Department of Information Technology (INTEC) at the Ghent University, Belgium, from january to june 2007. All-Optical Label Swapping (AOLS) forms a key technology towards the implementation of All-Optical Packet Switching nodes (AOPS) for the future optical Internet. The capital expenditures of the deployment of AOLS increases with the size of the label spaces (i.e. the number of used labels), since a special optical device is needed for each recognized label on every node. Label space sizes are affected by the wayin which demands are routed. For instance, while shortest-path routing leads to the usage of fewer labels but high link utilization, minimum interference routing leads to the opposite. This project studies and proposes All-Optical Label Stacking (AOLStack), which is an extension of the AOLS architecture. AOLStack aims at reducing label spaces while easing the compromise with link utilization. In this project, an Integer Lineal Program is proposed with the objective of analyzing the softening of the aforementioned trade-off due to AOLStack. Furthermore, a heuristic aiming at finding good solutions in polynomial-time is proposed as well. Simulation results show that AOLStack either a) reduces the label spaces with a low increase in the link utilization or, similarly, b) uses better the residual bandwidth to decrease the number of labels even more.

Resource management research in Passive Optical Networks (PON)

Next Generation Access Networks (NGAN) are the new step forward to deliver broadband services and to facilitate the integration of different technologies. It is plausible to assume that, from a technological standpoint, the Future Internet will be composed of long-range high-speed optical networks; a number of wireless networks at the edge; and, in between, several access technologies, among which, the Passive Optical Networks (xPON) are very likely to succeed, due to their simplicity, low-cost, and increased bandwidth. Among the different PON technologies, the Ethernet-PON (EPON) is the most promising alternative to satisfy operator and user needs, due to its cost, flexibility and interoperability with other technologies. One of the most interesting challenges in such technologies relates to the scheduling and allocation of resources in the upstream (shared) channel. The aim of this research project is to study and evaluate current contributions and propose new efficient solutions to address the resource allocation issues in Next Generation EPON (NG-EPON). Key issues in this context are future end-user needs, integrated quality of service (QoS) support and optimized service provisioning for real time and elastic flows. This project will unveil research opportunities, issue recommendations and propose novel mechanisms associated with the convergence within heterogeneous access networks and will thus serve as a basis for long-term research projects in this direction. The project has served as a platform for the generation of new concepts and solutions that were published in national and international conferences, scientific journals and also in book chapter. We expect some more research publications in addition to the ones mentioned to be generated in a few months.

Optimization of p-cycle protection schemes in optical networks

La survie des réseaux est un domaine d'étude technique très intéressant ainsi qu'une préoccupation critique dans la conception des réseaux. Compte tenu du fait que de plus en plus de données sont transportées à travers des réseaux de communication, une simple panne peut interrompre des millions d'utilisateurs et engendrer des millions de dollars de pertes de revenu. Les techniques de protection des réseaux consistent à fournir une capacité supplémentaire dans un réseau et à réacheminer les flux automatiquement autour de la panne en utilisant cette disponibilité de capacité. Cette thèse porte sur la conception de réseaux optiques intégrant des techniques de survie qui utilisent des schémas de protection basés sur les p-cycles. Plus précisément, les p-cycles de protection par chemin sont exploités dans le contexte de pannes sur les liens. Notre étude se concentre sur la mise en place de structures de protection par p-cycles, et ce, en supposant que les chemins d'opération pour l'ensemble des requêtes sont définis a priori. La majorité des travaux existants utilisent des heuristiques ou des méthodes de résolution ayant de la difficulté à résoudre des instances de grande taille. L'objectif de cette thèse est double. D'une part, nous proposons des modèles et des méthodes de résolution capables d'aborder des problèmes de plus grande taille que ceux déjà présentés dans la littérature. D'autre part, grâce aux nouveaux algorithmes, nous sommes en mesure de produire des solutions optimales ou quasi-optimales. Pour ce faire, nous nous appuyons sur la technique de génération de colonnes, celle-ci étant adéquate pour résoudre des problèmes de programmation linéaire de grande taille. Dans ce projet, la génération de colonnes est utilisée comme une façon intelligente d'énumérer implicitement des cycles prometteurs. Nous proposons d'abord des formulations pour le problème maître et le problème auxiliaire ainsi qu'un premier algorithme de génération de colonnes pour la conception de réseaux protegées par des p-cycles de la protection par chemin. L'algorithme obtient de meilleures solutions, dans un temps raisonnable, que celles obtenues par les méthodes existantes. Par la suite, une formulation plus compacte est proposée pour le problème auxiliaire. De plus, nous présentons une nouvelle méthode de décomposition hiérarchique qui apporte une grande amélioration de l'efficacité globale de l'algorithme. En ce qui concerne les solutions en nombres entiers, nous proposons deux méthodes heurisiques qui arrivent à trouver des bonnes solutions. Nous nous attardons aussi à une comparaison systématique entre les p-cycles et les schémas classiques de protection partagée. Nous effectuons donc une comparaison précise en utilisant des formulations unifiées et basées sur la génération de colonnes pour obtenir des résultats de bonne qualité. Par la suite, nous évaluons empiriquement les versions orientée et non-orientée des p-cycles pour la protection par lien ainsi que pour la protection par chemin, dans des scénarios de trafic asymétrique. Nous montrons quel est le coût de protection additionnel engendré lorsque des systèmes bidirectionnels sont employés dans de tels scénarios. Finalement, nous étudions une formulation de génération de colonnes pour la conception de réseaux avec des p-cycles en présence d'exigences de disponibilité et nous obtenons des premières bornes inférieures pour ce problème.

Domain/Multi-Domain Protection and Provisioning in Optical Networks

L’évolution récente des commutateurs de sélection de longueurs d’onde (WSS -Wavelength Selective Switch) favorise le développement du multiplexeur optique d’insertionextraction reconfigurable (ROADM - Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers) à plusieurs degrés sans orientation ni coloration, considéré comme un équipement fort prometteur pour les réseaux maillés du futur relativement au multiplexage en longueur d’onde (WDM -Wavelength Division Multiplexing ). Cependant, leur propriété de commutation asymétrique complique la question de l’acheminement et de l’attribution des longueur d’ondes (RWA - Routing andWavelength Assignment). Or la plupart des algorithmes de RWA existants ne tiennent pas compte de cette propriété d’asymétrie. L’interruption des services causée par des défauts d’équipements sur les chemins optiques (résultat provenant de la résolution du problème RWA) a pour conséquence la perte d’une grande quantité de données. Les recherches deviennent ainsi incontournables afin d’assurer la survie fonctionnelle des réseaux optiques, à savoir, le maintien des services, en particulier en cas de pannes d’équipement. La plupart des publications antérieures portaient particulièrement sur l’utilisation d’un système de protection permettant de garantir le reroutage du trafic en cas d’un défaut d’un lien. Cependant, la conception de la protection contre le défaut d’un lien ne s’avère pas toujours suffisante en termes de survie des réseaux WDM à partir de nombreux cas des autres types de pannes devenant courant de nos jours, tels que les bris d’équipements, les pannes de deux ou trois liens, etc. En outre, il y a des défis considérables pour protéger les grands réseaux optiques multidomaines composés de réseaux associés à un domaine simple, interconnectés par des liens interdomaines, où les détails topologiques internes d’un domaine ne sont généralement pas partagés à l’extérieur. La présente thèse a pour objectif de proposer des modèles d’optimisation de grande taille et des solutions aux problèmes mentionnés ci-dessus. Ces modèles-ci permettent de générer des solutions optimales ou quasi-optimales avec des écarts d’optimalité mathématiquement prouvée. Pour ce faire, nous avons recours à la technique de génération de colonnes afin de résoudre les problèmes inhérents à la programmation linéaire de grande envergure. Concernant la question de l’approvisionnement dans les réseaux optiques, nous proposons un nouveau modèle de programmation linéaire en nombres entiers (ILP - Integer Linear Programming) au problème RWA afin de maximiser le nombre de requêtes acceptées (GoS - Grade of Service). Le modèle résultant constitue celui de l’optimisation d’un ILP de grande taille, ce qui permet d’obtenir la solution exacte des instances RWA assez grandes, en supposant que tous les noeuds soient asymétriques et accompagnés d’une matrice de connectivité de commutation donnée. Ensuite, nous modifions le modèle et proposons une solution au problème RWA afin de trouver la meilleure matrice de commutation pour un nombre donné de ports et de connexions de commutation, tout en satisfaisant/maximisant la qualité d’écoulement du trafic GoS. Relativement à la protection des réseaux d’un domaine simple, nous proposons des solutions favorisant la protection contre les pannes multiples. En effet, nous développons la protection d’un réseau d’un domaine simple contre des pannes multiples, en utilisant les p-cycles de protection avec un chemin indépendant des pannes (FIPP - Failure Independent Path Protecting) et de la protection avec un chemin dépendant des pannes (FDPP - Failure Dependent Path-Protecting). Nous proposons ensuite une nouvelle formulation en termes de modèles de flots pour les p-cycles FDPP soumis à des pannes multiples. Le nouveau modèle soulève un problème de taille, qui a un nombre exponentiel de contraintes en raison de certaines contraintes d’élimination de sous-tour. Par conséquent, afin de résoudre efficacement ce problème, on examine : (i) une décomposition hiérarchique du problème auxiliaire dans le modèle de décomposition, (ii) des heuristiques pour gérer efficacement le grand nombre de contraintes. À propos de la protection dans les réseaux multidomaines, nous proposons des systèmes de protection contre les pannes d’un lien. Tout d’abord, un modèle d’optimisation est proposé pour un système de protection centralisée, en supposant que la gestion du réseau soit au courant de tous les détails des topologies physiques des domaines. Nous proposons ensuite un modèle distribué de l’optimisation de la protection dans les réseaux optiques multidomaines, une formulation beaucoup plus réaliste car elle est basée sur l’hypothèse d’une gestion de réseau distribué. Ensuite, nous ajoutons une bande pasiv sante partagée afin de réduire le coût de la protection. Plus précisément, la bande passante de chaque lien intra-domaine est partagée entre les p-cycles FIPP et les p-cycles dans une première étude, puis entre les chemins pour lien/chemin de protection dans une deuxième étude. Enfin, nous recommandons des stratégies parallèles aux solutions de grands réseaux optiques multidomaines. Les résultats de l’étude permettent d’élaborer une conception efficace d’un système de protection pour un très large réseau multidomaine (45 domaines), le plus large examiné dans la littérature, avec un système à la fois centralisé et distribué.

Label space reduction in GMPLs and All-Optical Label Swapping networks

All-Optical Label Swapping (AOLS) es una tecnología clave para la implementación de nodos de conmutación completamente óptica de paquetes. Sin embargo, el costo de su desarrollo es proporcional al tamaño del espacio de etiquetas (label space). Debido a que los principios de funcionamiento de AOLS son casos particulares de los del MultiProtocol Label Switching (MPLS), esta tesis estudia métodos generales, aplicables a ambos, con el propósito de reducir el espacio de etiquetas tanto como sea posible. Modelos de programación lineal entera y heurísticas son propuestos para el caso en el que se permite apilar una etiqueta extra. Encontramos que cerca del 50% del espacio de etiquetas puede ser reducido, si se permite colocar una etiqueta extra en la pila. Además, particularmente para AOLS, encontramos que se puede reducir el espacio de etiquetas cerca al 25% si se duplica la capacidad de los enlaces y se permite re-encaminar el tráfico.