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

Data traffic in optical networks keeps increasing with the emergence of higher throughput wireless technologies and the growing importance of multimedia services for the functioning of the society. Network operators are challenged to enhance the capacity of their networks while keeping expenses under control. Filterless Optical Network (FON) is considered a cost-effective solution to scale capacity of optical networks. In FON, Wavelength Selective Switches, traditionally used to build optical switching devices, are replaced by simpler and cost-effective passive splitters and combiners. Optical amplifiers (OAs) are crucial to compensate for the propagation loss of the fibers, filtering and splitting losses of the nodes and to ensure that power of the optical signal is above the sensitivity level of the receiver. Lower node losses due to the absence of filtering and the fact that FONs are anticipated to be used in short-range metro-area networks allow operators to achieve further savings by reducing the number of OAs in the network. However, passive components operate on the entire optical spectrum and OA-related noise gets propagated through the network, reducing the quality of the optical signals. Thus, while minimizing the cost, OA placement algorithm in FON guarantee the feasibility of the connections. Free propagation of the signals requires FONs to be divided into fiber trees to prevent undesired laser-loop effects. Different partitions may lead to different costs of OAs, so the one, minimizing the cost, must be found. In this thesis we investigate the problem of OA placement in metro-area and core networks, aiming at minimizing OA's cost, in two scenarios: 1) filterless fiber trees are already established and given as an input and 2) filterless fiber trees need to be established and are an output of the problem together with the OA placement. Due to the nonlinearity of the problem, we have developed a Genetic Algorithm, used both for OA placement and Tree Establishment. Numerical results show that significant savings in OA cost can be achieved without compromising the Quality of Transmission (QoT). Joint optimization of Tree Establishment and OA placement allows to find a topology that minimizes the OA's cost and also guarantees a desired margin in QoT, making it stable to component ageing and ready for the future technological update.

Il traffico di dati nelle reti ottiche continua ad aumentare con l'emergere di tecnologie wireless a maggiore velocità e la crescente importanza dei servizi multimediali per il funzionamento della società. Gli operatori di rete sono sfidati a migliorare la capacità delle loro reti mantenendo le spese sotto controllo. La rete ottica senza filtri (FON) è considerata una soluzione conveniente per scalare la capacità delle reti ottiche. In FON, gli interruttori selettivi a lunghezza d'onda, tradizionalmente utilizzati per costruire dispositivi di commutazione ottica, sono sostituiti da splitter e combinatori passivi più semplici ed economici. Gli amplificatori ottici (AO) sono fondamentali per compensare la perdita di propagazione delle fibre, le perdite di filtraggio e di divisione dei nodi e per garantire che la potenza del segnale ottico sia superiore al livello di sensibilità del ricevitore. Perdite di nodo inferiori dovute all'assenza di filtri e al fatto che si prevede che i FON vengano utilizzati nelle reti metropolitane a corto raggio consentono agli operatori di ottenere ulteriori risparmi riducendo il numero di AO nella rete. Tuttavia, i componenti passivi operano sull'intero spettro ottico e il rumore correlato all'AO viene propagato attraverso la rete, riducendo la qualità dei segnali ottici. Pertanto, riducendo al minimo il costo, l'algoritmo di posizionamento AO in FON dovrebbe cercare di compensare questo effetto per garantire un'elevata qualità dei segnali. La libera propagazione dei segnali richiede che i FON siano suddivisi in alberi di fibre per prevenire effetti di circo laser indesiderati. Diverse partizioni comportano diversi costi di AO, quindi è necessario trovare quella che riduce al minimo il costo. In questa tesi indaghiamo il problema del posizionamento di AO in reti metropolitani e reti centrali, con l'obiettivo di minimizzare il costo di AO, in due scenari: 1) gli alberi di fibra senza filtro sono già stabiliti e dati come input e 2) gli alberi di fibra senza filtro devono essere stabilito e sono un output del problema insieme al posizionamento AO. A causa della non linearità del problema, abbiamo sviluppato un algoritmo genetico, utilizzato sia per il posizionamento AO che per l'istituzione di alberi. I risultati numerici mostrano che è possibile ottenere risparmi significativi nel costo OA senza compromettere la qualità della trasmissione (QdT). L'ottimizzazione congiunta di l'istituzione di alberi e il posizionamento AO consente di trovare una topologia che minimizza il costo dell'AO e garantisce anche un margine desiderato in QdT, rendendolo stabile all'invecchiamento dei componenti e pronto per il futuro aggiornamento tecnologico.