Genetic approach for traffic-adaptive reconfiguration of programmable filterless optical networks

In order to face the inexorable network traffic capacity growth, network operators have been challenged to find new solutions to upgrade their network capacity while minimizing the capital and operational costs. The Filterless Optical Network (FON) concept, based on broadcast-and-select nodes, has emerged as a promising cost-effective solution decreasing network costs by reducing the overall active switching elements such as the Reconfigurable Optical Add-Drop multiplexers (ROADMs) based on Wavelength Selective Switch (WSS), and replacing them with passive devices as optical splitters and combiners. However, due to the broadcast-and-select nature itself, FONs require the establishment of fiber trees to prevent undesired laser-loop effects, constraining the routing possiblities between the nodes. Although it implies a reduction in expenditures, the elimination of active switching and filtering components means that reconfigurability of network connectivity in FONs will be achieved only exploiting the adaptability of modern coherent optical transmissions. Moreover, FON enforces signal broadcast on all the outputs of the passive splitters, resulting in the transmission of optical signals over unintended links and in higher spectrum occupation with respect to an active photonic network. To attenuate the spectrum waste of filterless solutions while keeping consinstent savings in terms of network costs, the concept of Programmable Filterless Optical Network (P-FON) has been proposed, which consist in equipping the network nodes with programmable optical switches that allow reconfiguration of fiber trees established in FON to accommodate demands. Indeed, P-FON is a flexible solution, which enhances many aspects of FON architectures by adapting them dynamically to the traffic and optimizing the tree establishment. In this thesis, we propose a performance comparison among classical active switching solutions based on WSS, Filterless Optical Network (FON) and Programmable Filterless Optical Network (P-FON). We use both an ILP model and a Genetic Algorithm to evaluate the benefits and shortcomings of P-FONs. In particular, we focus on solutions which minimize two different objectives: 1) the total number of frequency slot units (FSUs) and 2) the maximum wavelength utilization across different fiber trees, which we label as "wavelength index" (WI) minimization. Numerical results shows that P-FONs allow to save great portions of spectrum with respect to passive FON solution, and also to minimize wavelength index (WI), especially in presence of varying but periodic traffic profiles.

Per fronteggiare l'inesorabile crescita della capacità di traffico nelle reti, gli operatori sono stati costretti a trovare nuove soluzioni che aumentassero la capacità dei network riducendo però i costi monetari e operazionali. Il concetto di reti ottiche filterless (FON), basate su nodi broadcast-and-select, è emerso come una soluzione promettente, diminuendo i costi, riducendo il numero di elementi attivi di switching, come i Reconfigurable Optical Add-Drop multiplexers (ROADMs) basati sui Wavelength Selective Switch (WSS), e sostituendoli con dispositivi passivi come splitters e combiners ottici. Tuttavia, a causa della natura broadcast-and-select, i FON necessitano la costituzione di fiber trees per prevenire effetti laser-loop indesiderati, limitando i possibili instradamenti tra i diversi nodi. Sebbene risulti in una riduzione nelle spese, la rimozione di switching attivo e filtraggio ottico comporta che la riconfigurabilità di connessione nei FON potrà essere ottenuta soltanto sfruttando l'adattibilità delle trasmissioni ottiche coerenti moderne. Inoltre, l'architettura FON costringe il segnale ad essere mandato in broadcast verso tutte le uscite di uno splitter passivo, avendo come conseguenza sia la trasmissione indesiderata di segnali ottici su link terzi, sia un'occupazione di spettro più alta rispetto a un photonic network attivo. Per attenuare questo spreco di spettro delle soluzioni filterless mantendendo risparmi consistenti nei costi di rete, è stato proposto il concetto di reti ottiche filterless programmabili (P-FON), che consistono nell'equipaggiare i nodi di rete con switch ottici programmabili che permettono la riconfigurazione dei fiber tree costruiti nei FON per soddisfare le richichieste del traffico. Infatti le reti P-FON sono una soluzione flessibile, che migliora diversi aspetti delle architetture FON adattandole dinamicamente al traffico e ottimizzando la costruzione dei fiber trees. In questa tesi, proponiamo un confronto fra le performance delle classiche soluzioni active switching basate su WSS, delle reti ottiche senza filtri (FON) e delle reti ottiche filterless programmabili (P-FON). Useremo sia un modello ILP che un algoritmo genetico per valutare i benefici e le carenze delle reti P-FON. In particolare, ci concentriamo su soluzioni che minimizzano due obbiettivi: 1) il numero totale di "frequeency solt units" (FSUs) e 2) l'utilizzo massimo di lunghezze d'onda tra i diversi fiber tree, che indichiamo come minimizzazione del "wavelength index" (WI). I risultati numerici mostrano che l'approccio P-FON permette di risparmiare grandi porzioni di spettro rispetto a quello FON, e anche di minimizzare il wavelength index (WI), specialmente in presenza di un profilo di traffico variabile ma periodico.