Transparent differential delay compensation with wavelength continuity constraint for multipath routing in optical networks

Multipath (MP) routing is a technique to split the data traffic among a set of multiple disjoint or partially-disjoint paths increasing in turn the bandwidth capacity and providing survivability features like path protection and fault fast-recovery. However, in optical networks, this solution requires the implementation of Differential Delay Compensation (DDC) approaches, to reduce the variation on arriving time on packets travelling through paths with different lengths. With DDC, earlier packets are delayed, until all the packets arrive and the data could be reordered and reconstructed as a single flow. There are different methods to perform DDC, the first one uses Centralized reconstruction Buffers at destination nodes (CE-DDC). However, in networks with huge differences in path lengths, this option not only would be costly because of the size of memory required to store the packets, but also could be a bottleneck on destination nodes when the reconstruction buffers overflows. The second method to perform DDC, uses reconstruction Buffers Distributed in transit nodes along the shorter paths (DE-DDC). Although this option reduces the size of memory required in destination nodes, it is expensive due to the addition of Electro/Optical (E/O) conversions in nodes performing DE-DDC. To avoid the additional E/O conversions, it is necessary to restrict the use of buffers only on nodes where optical regeneration occurs and E/O converters already exist. The last method called Transparent-DDC (T-DDC) uses Fiber Delay Lines (FDL) distributed along the shortest paths to extend its length and to reduce the quantity of DDC performed by electronic buffers. FDL are passive elements, they do not require extra E/O conversions and could be placed in any node without any restrictions. This work proposes a node architecture and a Mixed Integer Linear Programming (MILP) optimization problems to perform DDC. This research improves on the previous literature by distributing the T-DDC using FDL modules currently available in the market and satisfying the wavelength continuity constraints for all the paths in the network. Numerical results show the advantages of the use of this kind of architecture and reveals the sensitivity to changes in the FDL fiber length G and numbers of available FDL modules M per node in real topology networks.

Il Multipath Routing (MP) è una tecnica che consente di distribuire il traffico di dati in una rete attraverso un insieme di percorsi multipli o percorsi parzialmente disgiunti, in questo modo si aumenta la capacità di larghezza di banda e si fornisce delle funzionalità di survivability tra cui la protezione di percorso e il recupero veloce di guasti. Tuttavia, nelle reti ottiche, questa soluzione richiede l'implementazione di approcci di Differential Delay Compensation (DDC), per ridurre la variazione sull'ora di arrivo dei pacchetti che percorrono cammini con lunghezze diverse. Con l’utilizzo di DDC, i primi pacchetti sono ritardati, fino a quando tutti i pacchetti sono stati arrivati affinche i dati possano essere riordinati e ricostruiti come un singolo flusso. Esistono diversi metodi per eseguire il DDC, il primo utilizza dei buffer di ricostruzione centralizzati nei nodi di destinazione (CE-DDC). Tuttavia, nelle reti con grandi differenze di lunghezze nei percorsi, questa opzione non solo sarebbe costosa a causa della dimensione di memoria richiesta per registrare i pacchetti, ma potrebbe anche essere un collo di bottiglia nei nodi di destinazione quando i buffer di ricostruzione ricevono data in eccesso. Il secondo metodo per eseguire DDC utilizza dei buffer di ricostruzione distribuiti nei nodi di transito lungo i percorsi più brevi (DE-DDC). Anche se questa opzione riduce la dimensione della memoria richiesta nei nodi di destinazione, è costosa a causa dell'aggiunta di convertitori Elettro/Ottici (E/O) nei nodi che eseguono il DE-DDC. Per evitare delle conversioni E/O aggiuntive, è necessario limitare l'utilizzo dei buffer solo nei nodi in cui si verifica la rigenerazione ottica e gli convertitori E/O già esistono. L'ultimo metodo denominato Transparent-DDC (T-DDC) utilizza delle linee di fibre chiamate Fiber Delay Lines (FDL) distribuite lungo i percorsi più brevi per estendere la sua lunghezza e ridurre la quantità di DDC eseguita dai buffer elettronici. Le FDL sono elementi passivi, non richiedono conversioni E/O supplementari e potrebbero essere collocati in qualsiasi nodo senza restrizioni. Questo lavoro propone un modello di architettura da implementare nei nodi, inoltre vengono presentati dei problemi di ottimizzazione in programmazzione lineare intera mista (MILP) per eseguire il DDC. Questa ricerca migliora la letteratura precedente distribuendo il T-DDC con l’utilizzo di moduli FDL attualmente disponibili sul mercato e soddisfa i vincoli di continuità di lunghezza d'onda per tutti i percorsi della rete. I risultati numerici mostrano dei vantaggi nell'utilizzo di questo tipo di architettura e rivela la sensibilità alle variazioni della lunghezza della fibra FDL (G) e ai numeri di moduli FDL disponibili (M) per nodo in topologie di reti reali.