Quality-of-transmission aware amplifier placement in elastic optical networks

The advent of new latency-constrained and bandwidth-hungry services along with the enormous increase in the Internet traffic urges network operators to investigate innovative technical solutions to meet future network requirements. In particular, operators are focusing on metro-aggregation networks, which are currently evolving from rigid ring-based aggregation infrastructure to a composite cloud-network where future cloud-based services can be implemented and supported. In this context, operators aim to further enhance transport capabilities of metro-aggregation networks, introducing new technical developments, while keeping network costs low. As the capacity demand continues to increase, new technologies with the aim of achieving high spectral efficiency have emerged. However, higher spectral efficiency implies shorter transparent reach introducing the challenge of finding a solution which can improve the signal quality by reducing the impact of transmission impairments. One of the strategies with the highest potential to accomplish such an objective is the deployment of Optical Amplifiers which amplify the signal in the optical domain and reduce the effect of transmission impairments. Metro-area networks span to distances up to several hundred kilometers and are of particular interest for the network operators which intend to take advantage of shorter distances and optimize their cost by minimizing the deployment of devices such as optical amplifiers. In this thesis, we investigate how to deploy optical amplifiers in metro-aggregation networks with the aim of carrying the entire requested traffic while minimizing the number of deployed amplifiers. Considering the non-linear nature of signal propagation in optical fibers and that deploying amplifiers impacts optical performance, solving this problem requires a design approach that is Quality-of-Transmission-Aware, i.e., capture the impact of deploying optical amplifiers in the Optical Signal-to-Noise Ratio (OSNR) of optical lightpaths. At the network level, this optimization problem has received very little attention in the literature, as most works assume the deployment of optical amplifiers as given. In our work, the problem of optimizing the placement of optical amplifiers in Elastic Optical Networks (EONs) is described and an amplifier placement method is proposed. The problem at hand is a cross-layer design problem that requires accurate physical layer modeling to capture the impact of deploying optical amplifiers at different locations. The proposed solution is a heuristic algorithm which aims at minimizing the number of deployed optical amplifiers while respecting the constraints in signal quality as well as the continuity and contiguity constraints which are imposed by the EONs. We have proposed four versions of the algorithm which differ on the routing metric used and on the optical amplifier deployment policy. As for the routing metric, we have used the well-known shortest-path routing metric and we have also introduced a new approach based on the value of the Optical Signal-to-Noise Ratio (OSNR) of the paths (OSNR-aware routing). As for the policies for placing optical amplifiers, we have proposed two approaches which aim to determine the location in the network with the most potential in improving the signal quality of lightpaths. Simulations performed using realistic metro-area optical networks are run for all the four versions of the proposed heuristic approach and comparison analysis are provided highlighting the characteristics of each of them. The conclusions reached from our simulations show an advantage in using the OSNR-aware routing in comparison to the standard shortest-path routing. In terms of the two placement policies of the algorithm they converge to giving the same conclusions in terms of minimizing the number of optical amplifiers deployed with respect to a baseline assignment.

L'avvento di nuovi servizi con limitazioni di latenza e grande necessità di banda, unito all’aumento del traffico internet costringono gli operatori di rete a cercare nuove soluzioni tecnologiche per soddisfare i futuri requisiti di rete. In particolare, gli operatori si concentrano sulle reti di aggregazione metropolitana, che si stanno attualmente evolvendo da un'aggregazione rigida basata su anello a una rete composita di cloud in cui i futuri servizi basati su cloud possono essere implementati e supportati. In questo contesto, gli operatori mirano a migliorare ulteriormente le capacità di trasporto delle reti di aggregazione metropolitana, introducendo nuovi sviluppi tecnici, mantenendo bassi i costi di rete. Poiché la capacità di richiesta continua ad aumentare, sono emerse nuove tecnologie con l'obiettivo di raggiungere un'elevata efficienza spettrale. Tuttavia, una maggiore efficienza spettrale implica una portata trasparente più breve che introduce la sfida di trovare una soluzione in grado di migliorare la qualità del segnale riducendo l'impatto dei problemi di trasmissione. Una delle strategie con un grande potenziale per raggiungere l’obiettivo è posizionare amplificatori che amplificano il segnale nel dominio ottico e riducono l'effetto delle alterazioni della trasmissione. Reti dell'area metropolitana si estendono fino a diverse centinaia di chilometri e sono di particolare interesse per gli operatori di rete che vogliono approfittare delle distanze corte e per ottimizzare i costi riducendo al minimo il posizionamento di dispositivi come gli amplificatori ottici. In questa tesi, indaghiamo su come posizionare gli amplificatori ottici nelle reti di aggregazione metropolitana allo scopo di trasportare tutto il traffico offerto e diminuire il numero di amplificatori installati. Considerando la natura non lineare della propagazione del segnale nelle fibre ottiche e che il posizionamento di amplificatori influisce sulle prestazioni ottiche, la risoluzione di questo problema è un approccio progettuale che tiene conto della qualità-di-trasmissione, ovvero considera l’impatto del posizionamento di amplificatori ottici nel rapporto Segnare-Rumore (OSNR) dei percorsi ottici. A livello di rete, questa ottimizzazione ha ricevuto pochissima attenzione nella letteratura, poiché la maggior parte dei lavori assume che il posizionamento degli amplificatori ottici sia dato. Nel nostro lavoro, viene descritto il problema dell'ottimizzazione del posizionamento di amplificatori ottici in reti elastiche ottiche (EON) e viene proposto un metodo di posizionamento dell'amplificatore. Il Problema di progettazione è sviluppato su diversi livelli e richiede un accurata modellazione del livello fisico così da catturare l’impatto del posizionamento di amplificatori ottici in diversi luoghi. La soluzione proposta è un algoritmo euristico che mira a ridurre al minimo il numero di amplificatori ottici distribuiti nel rispetto dei vincoli nella qualità del segnale nonché dei vincoli di continuità e contiguità imposti dagli EON. Abbiamo proposto quattro versioni dell’algoritmo che si differenziano attraverso le politiche di routing usate e le politiche di posizionamento degli amplificatori ottici. Come metrica di routing abbiamo utilizzato la nota Shortest-path e abbiamo introdotto un nuovo approccio basato sul valore del rapporto segnale / rumore ottico (OSNR) dei percorsi (instradamento compatibile con OSNR). Per quanto riguarda le politiche per la collocazione degli amplificatori ottici, abbiamo proposto due approcci che determinano la posizione nella rete di segnalazione con il più alto potenziale di miglioramento nella qualità dei percorsi ottici. Le simulazioni eseguite utilizzando realistiche reti ottiche in aree metropolitane vengono eseguite per tutte e quattro le versioni dell'approccio euristico proposto e le comparazioni delle analisi sono fornite mettendo in risalto le caratteristiche di ogni versione. Le conclusioni raggiunte dalla simulazione mostrano un vantaggio nell'utilizzo del routing compatibile con OSNR rispetto al routing standard del percorso più breve. In termini di politiche di posizionamento queste convergono alla stessa conclusione in termini di riduzione al minimo del numero di amplificatori ottici impiegati rispetto ad un incarico di base.