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.

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.

Optimal Segment Size for Fixed-sized Segment Protection in Wavelength-routed Optical Networks

Protecting a network against link failures is a major challenge faced by network operators. The protection scheme has to address two important objectives - fast recovery and minimizing the amount of backup resources needed. Every protection algorithm is a tradeoff between these two objectives. In this paper, we study the problem of segment protection. In particular, we investigate what is the optimal segment size that obtains the best tradeoff between the time taken for recovery and minimizing the bandwidth used by the backup segments. We focus on the uniform fixed-length segment protection method, where each primary path is divided into fixed-length segments, with the exception of the last segment in the path. We observe that the optimal segment size for a given network depends on several factors such as the topology and the ratio of the costs involved.

Dimensioning of multilayer optical networks

Este trabalho apresenta um estudo sobre o dimensionamento de redes ópticas, com vistas a obter um modelo de dimensionamento para redes de transporte sobreviventes. No estudo utilizou-se uma abordagem estatística em detrimento à determinística. Inicialmente, apresentam-se as principais tecnologias e diferentes arquitecturas utilizadas nas redes ópticas de transporte. Bem como os principais esquemas de sobrevivência e modos de transporte. São identificadas variáveis necessárias e apresenta-se um modelo dimensionamento para redes de transporte, tendo-se dado ênfase às redes com topologia em malha e considerando os modos de transporte opaco, transparente e translúcido. É feita uma análise rigorosa das características das topologias de redes de transporte reais, e desenvolve-se um gerador de topologias de redes de transporte, para testar a validade dos modelos desenvolvidos. Também é implementado um algoritmo genético para a obtenção de uma topologia optimizada para um dado tráfego. São propostas expressões para o cálculo de variáveis não determinísticas, nomeadamente, para o número médio de saltos de um pedido, coeficiente de protecção e coeficiente de restauro. Para as duas últimas, também é analisado o impacto do modelo de tráfego. Verifica-se que os resultados obtidos pelas expressões propostas são similares às obtidas por cálculo numérico, e que o modelo de tráfego não influencia significativamente os valores obtidos para os coeficientes. Finalmente, é demonstrado que o modelo proposto é útil para o dimensionamento e cálculo dos custos de capital de redes com informação incompleta.

Design and control techniques of optical networks

The world of communication has changed quickly in the last decade resulting in the the rapid increase in the pace of peoples’ lives. This is due to the explosion of mobile communication and the internet which has now reached all levels of society. With such pressure for access to communication there is increased demand for bandwidth. Photonic technology is the right solution for high speed networks that have to supply wide bandwidth to new communication service providers. In particular this Ph.D. dissertation deals with DWDM optical packet-switched networks. The issue introduces a huge quantity of problems from physical layer up to transport layer. Here this subject is tackled from the network level perspective. The long term solution represented by optical packet switching has been fully explored in this years together with the Network Research Group at the department of Electronics, Computer Science and System of the University of Bologna. Some national as well as international projects supported this research like the Network of Excellence (NoE) e-Photon/ONe, funded by the European Commission in the Sixth Framework Programme and INTREPIDO project (End-to-end Traffic Engineering and Protection for IP over DWDM Optical Networks) funded by the Italian Ministry of Education, University and Scientific Research. Optical packet switching for DWDM networks is studied at single node level as well as at network level. In particular the techniques discussed are thought to be implemented for a long-haul transport network that connects local and metropolitan networks around the world. The main issues faced are contention resolution in a asynchronous variable packet length environment, adaptive routing, wavelength conversion and node architecture. Characteristics that a network must assure as quality of service and resilience are also explored at both node and network level. Results are mainly evaluated via simulation and through analysis.

Design of logical topologies for wavelength-routed optical networks

his paper studies the problem of designing a logical topology over a wavelength-routed all-optical network (AON) physical topology, The physical topology consists of the nodes and fiber links in the network, On an AON physical topology, we can set up lightpaths between pairs of nodes, where a lightpath represents a direct optical connection without any intermediate electronics, The set of lightpaths along with the nodes constitutes the logical topology, For a given network physical topology and traffic pattern (relative traffic distribution among the source-destination pairs), our objective is to design the logical topology and the routing algorithm on that topology so as to minimize the network congestion while constraining the average delay seen by a source-destination pair and the amount of processing required at the nodes (degree of the logical topology), We will see that ignoring the delay constraints can result in fairly convoluted logical topologies with very long delays, On the other hand, in all our examples, imposing it results in a minimal increase in congestion, While the number of wavelengths required to imbed the resulting logical topology on the physical all optical topology is also a constraint in general, we find that in many cases of interest this number can be quite small, We formulate the combined logical topology design and routing problem described above (ignoring the constraint on the number of available wavelengths) as a mixed integer linear programming problem which we then solve for a number of cases of a six-node network, Since this programming problem is computationally intractable for larger networks, we split it into two subproblems: logical topology design, which is computationally hard and will probably require heuristic algorithms, and routing, which can be solved by a linear program, We then compare the performance of several heuristic topology design algorithms (that do take wavelength assignment constraints into account) against that of randomly generated topologies, as well as lower bounds derived in the paper.

Athermal colourless C-band optical transmitter for passive optical networks

A new control algorithm with reduced mode-hopping is demonstrated for uncooled WDM C-band channel generation from a DS-DBR laser with 100GHz spacing and low thermal drift up to 70°C. 10Gb/s external modulation with transmission over a 25km link is achieved. ©2010 IEEE.

Analysis and optimisation of semiconductor reflective modulators for optical networks

Reflective modulators based on the combination of an electroabsorption modulator (EAM) and semiconductor optical amplifier (SOA) are attractive devices for applications in long reach carrier distributed passive optical networks (PONs) due to the gain provided by the SOA and the high speed and low chirp modulation of the EAM. Integrated R-EAM-SOAs have experimentally shown two unexpected and unintuitive characteristics which are not observed in a single pass transmission SOA: the clamping of the output power of the device around a maximum value and low patterning distortion despite the SOA being in a regime of gain saturation. In this thesis a detailed analysis is carried out using both experimental measurements and modelling in order to understand these phenomena. For the first time it is shown that both the internal loss between SOA and R-EAM and the SOA gain play an integral role in the behaviour of gain saturated R-EAM-SOAs. Internal loss and SOA gain are also optimised for use in a carrier distributed PONs in order to access both the positive effect of output power clamping, and hence upstream dynamic range reduction, combined with low patterning operation of the SOA Reflective concepts are also gaining interest for metro transport networks and short reach, high bit rate, inter-datacentre links. Moving the optical carrier generation away from the transmitter also has potential advantages for these applications as it avoids the need for cooled photonics being placed directly on hot router line-cards. A detailed analysis is carried out in this thesis on a novel colourless reflective duobinary modulator, which would enable wavelength flexibility in a power-efficient reflective metro node.