Design and optimization of elastic optical networks

Abstract

The traffic volume in backbone optical networks has increased in the last few years and it is expected to continue to exhibit a high growth, with bandwidth-hungry services being the key drivers of this growth. Furthermore, the tra c is becoming more dynamic, being characterized by a strong heterogeneity. Thus, in order to cope with these changes, optical transport networks are developing towards the operation with mixed-line rates and the elastic usage of spectrum through exible frequency grids. Regarding this paradigm shift, telecommunication network operators seek to assess solutions that enable transport networks to provide capacity enhancement and scalability. However, due to the reduction in pro t margins, another parameter taken into account is the network cost, either investment or operational. Therefore, planning and optimization tools arise as valuable instruments to exploit the features of next generation optical networks, and quantify their cost-e ciency impact. The aim of this dissertation is to study the problem of optical network design. For this purpose, an optimization algorithm was developed where the objective function minimizes the network deployment cost. This algorithm allows the use of di erent terminal equipments with di erent line rates and comprises features such as regenerator placement, multi-hop grooming, inverse-multiplexing and spectrum assignment with low granularity. Moreover, in order to improve the algorithm e ciency, a multi-thread approach was used to fully take advantage of computational resources of current platforms. The algorithm was applied and examined under di erent tra c and network topology sets. The design outcomes allow us to study the trade-o between equipment prices. Also, allow to understand the importance of each of the previously mentioned features in each of the proposed sets. The computational outcomes obtained show gains in multi-thread approach, particularly when a mechanism that lets sharing information between all threads is implemented

O volume de tráfego nas redes ópticas de transporte tem aumentado nos últimos anos e espera-se que continue a apresentar um crescimento elevado, com os serviços de largura de banda intensivos a serem os principais impulsionadores desse crescimento. Adicionalmente, o tráfego está a tornar-se mais dinâmico, e sendo caracterizado por uma forte heterogeneidade. Assim, de forma a lidar com estas alterações, as redes ópticas de transporte estão a evoluir no sentido de operar com taxas de linha mistas e a utilizar o espectro de forma elástica através do uso de grelhas flexíveis na frequência. Face a esta mudança de paradigma, os operadores de redes de telecomunicações procuram avaliar soluções que permitam às redes de transporte fornecer maior capacidade e escalabilidade. No entanto, devido à redução das margens de lucro, outro parâmetro tido em consideração é o custo da rede, quer de investimento quer operacional. Consequentemente, as ferramentas de planeamento e optimização surgem como instrumentos valiosos para explorar as funcionalidades das redes ópticas de próxima geração, e quantificar o seu impacto na relação custo-benefício. O objectivo desta dissertação é estudar o problema de dimensionamento de redes ópticas. Para este fim, foi desenvolvido um algoritmo de optimização cuja função objectivo minimiza o custo da rede. Este algoritmo permite considerar a utilização de diferentes equipamentos terminais com diferentes taxas de linha e inclui as funcionalidades de colocação de regeneradores, de multi-hop grooming, de inverse-multiplexing e de alocação de espectro com baixa granularidade. Além disso, de forma a melhorar a eficiência do algoritmo, utilizou-se uma abordagem multi-thread para aproveitar ao máximo os recursos computacionais das plataformas actuais. O algoritmo foi aplicado e avaliado em diferentes cenários de tráfego e de topologias de rede. Os resultados de dimensionamento permitem estudar o compromisso entre os preços dos equipamentos. Também permitem interpretar a importância de cada uma das funcionalidades previamente mencionadas em cada um dos cenários propostos. Os resultados computacionais obtidos revelam ganhos na abordagem multi-thread, em particular quando é implementado um mecanismo de partilha de informação entre todas as threads.