Optimization techniques for planning and operation of the next generation of elastic optical networks

Abstract

The attraction of new services and applications over the Internet makes it critical for the network operators to increase the capacity of the current elastic optical networks (EONs). Two promising technologies have been proposed for the next generation of EONs to enhance their bandwidth: Space Division Multiplexing (SDM) and Multiband elastic optical networks (MB-EONs). SDM with multi-core fibers (MCFs) is considered as a promising technology to increase the capacity of optical networks. The realization of SDM networks transforms the traditional routing, modulation level, and spectrum assignment (RMLSA) problem in EONs into a more complex problem involving routing, modulation level, space, and spectrum assignment (RMLSSA) algorithms. To enhance the network performance while employing the SDM technology, in this thesis, we introduce a novel dynamic multipath RMLSSA algorithm for SDM-EON with the aim of minimizing the blocking ratio and the energy consumed by bandwidth variable transponders (BVTs). Despite the potential advantages that SDM technology offers, it also introduces significant challenges, including the progressive shortage of available dark fibers and the immaturity of multicore and multimode fibers for multichannel transmission. Therefore, network operators postpone the process of capacity enhancement through SDM networks. Accordingly, currently, MB-EONs are at the forefront of this capacity improvement in the short and medium term. These networks employ additional spectral bands from the optical fiber other than the C (conventional) band. Due to the current availability of L-band erbium doped fiber amplifiers (EDFAs), lighting up the L-band of already installed fibers is considered as a pragmatic approach. However, network operators envision a soft migration from current C-band to fully upgraded C+L-bands networks to distribute the high cost of equipping all fibers and nodes of a network with multi-band devices over several years. Therefore, it is essential to propose network planning strategies to achieve a partially upgraded EON in which only a subset of links of the network operate over C+L bands. To this end, in this thesis, we propose several planning strategies to determine which links should be migrated from the C to the C+L bands. In the process of migration, the deployment of the appropriate type of transceivers is important for the network operators. Therefore, the thesis also provides insights into the matter of choosing the most efficient transceivers, i.e., single band transceivers or multi-band transceivers. As C+L band systems increase the capacity of optical networks, survivability against network failures must get more emphasis. Therefore, equipping a partially/fully upgraded C+L band network with different protection methods is another focus of the thesis. Despite the importance of designing different survivability methods, it should be taken into account that the level of protection needed against network failures varies across different users/services. To address this issue, this thesis also proposes an SLA-differentiated protection mechanism for C+L multiband networks, ensuring each service receives the appropriate protection level based on its specific requirements.

La atracción de nuevos servicios y aplicaciones a través de Internet hace que sea crítico para los operadores de red aumentar la capacidad de las actuales redes ópticas elásticas (EON). Se han propuesto dos tecnologías prometedoras para la próxima generación de EON que mejorarán su ancho de banda: la multiplexación por división en el espacio (SDM) y redes ópticas elásticas multibanda (MB-EON). La implementación de SDM mediante fibras con múltiples núcleos (MCF) se considera una tecnología prometedora para aumentar la capacidad de las redes ópticas. La realización de redes SDM transforma el problema tradicional de encaminamiento, asignación de nivel de modulación y de espectro (RMLSA) de las redes EON en un problema más complejo que involucra algoritmos de encaminamiento y asignación de espacio, espectro y nivel de modulación (RMLSSA). Para mejorar el rendimiento de la red al emplear la tecnología SDM, en esta tesis, introducimos un novedoso algoritmo dinámico de RMLSSA multicamino para SDM-EON con el objetivo de minimizar la probabilidad de bloqueo y la energía consumida por los transpondedores de ancho de banda variable (BVTs).

A pesar de las ventajas potenciales que ofrece la tecnología SDM, también presenta desafíos significativos, incluida la escasez progresiva de fibras oscuras disponibles y la inmadurez de las fibras multinúcleo y multimodo para la transmisión multicanal. Por lo tanto, los operadores de red posponen el proceso de mejora de capacidad mediante redes SDM. En consecuencia, actualmente, las MB-EON están a la vanguardia de esta mejora de capacidad en el corto y medio plazo. Estas redes emplean bandas espectrales adicionales de la fibra óptica además de la banda C (convencional). Debido a la disponibilidad actual de amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFAs) en la banda L, activar la banda L de las fibras ya instaladas se considera un enfoque pragmático. Sin embargo, los operadores de red prevén una migración gradual de la actual banda C a redes completamente actualizadas de bandas C+L para distribuir el alto coste de equipar todas las fibras y nodos de una red con dispositivos multibanda a lo largo de varios años. Por lo tanto, es esencial proponer estrategias de planificación de red para lograr una EON parcialmente actualizada en la que solo un subconjunto de enlaces de la red opere sobre bandas C+L. Con este fin, en esta tesis, proponemos varias estrategias de planificación para determinar qué enlaces deben ser migrados de la banda C a las bandas C+L. En el proceso de migración, el despliegue del tipo adecuado de transceptores es importante para los operadores de red. Por lo tanto, la tesis también proporciona información sobre la elección de los transceptores más eficientes, es decir, transceptores de banda única o transceptores multibanda.

A medida que los sistemas de bandas C+L aumentan la capacidad de las redes ópticas, la supervivencia frente a fallos de la red debe recibir mayor énfasis. Por lo tanto, proporcionar distintos métodos de protección a una red multibanda C+L, parcialmente o totalmente actualizada, es otro foco de la tesis. A pesar de la importancia de diseñar diferentes métodos de supervivencia, debe tenerse en cuenta que el nivel de protección necesario contra fallos de red varía entre los diferentes usuarios/servicios. Para abordar este problema, esta tesis también propone un mecanismo de protección diferenciado por SLA para redes multibanda C+L, asegurando que cada servicio reciba el nivel de protección adecuado según sus requisitos específicos.