Innovative cross-layer optimization techniques for the design of filterless and wavelenght-switched optical networks

Optical networks are playing a crucial role in the era of 5G-and-beyond communications to support applications requiring unprecedented capacity, reliability, low-latency and guaranteeing lightpath Quality-of-Transmission (QoT). To cope with such stringent requirements, network operators are driven to provide novel solutions while keeping network costs at bay. Recently adopted technologies, such as coherent transmission, allow to support high capacity demands and enable network designers to tune various configuration parameters to achieve better network performance, but at the expense of increased network design complexity. To reduce cost while enabling network expandability, new network architectures in the context of Wavelength Switched Optical Networks (WSON) and Filterless Optical Networks (FONs) are essential. In WSON, cost savings can be achieved by optimizing the deployment of equipment such as Optical Amplifiers. However, an accurate modelling of Physical Layer Impairments (PLI) while ensuring cost savings are achieved is crucial. In FONs, Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers (ROADMs), based on costly Wavelength Selective Switches (WSSs), are replaced by broadcast-and-select switching architectures based on optical power passive splitters and combiners. FONs are emerging as a cost effective and scalable solution, and currently being deployed by network operators. To further ensure cost savings, it is desirable to have a modular node architecture relying on pluggable devices, i.e., optical amplifiers, and a modular, i.e., scalable, add/drop section at node level to support traffic-grooming and ensure a capacity increase to cope with new traffic requirements. The cost-benefits brought by FON lead to an additional design complexity brought by FON broadcast nature. For example, protection against failures is a primary design concern in optical networks, because even a single link failure can interrupt signals’ transmission over several optical channels. Therefore, to ensure Dedicated Path Protection (DPP) in FON, specific design issues emerge when solving the problem of routing and wavelength assignment, especially when dealing with mesh topologies, as a lightpath cannot flow from one fiber tree to another. We devise optimization approaches that minimize network costs by optimizing the deployment of optical equipment at network nodes and along the fiber while ensuring lightpaths’ QoT. In particular, we optimize the deployment of Optical Amplifiers at network nodes, i.e., booster amplifiers and pre-amplifiers, and along the fiber, i.e., inline amplifiers, both in the context of WSON based on ROADMs with WSSs and in the context of horseshoe FON. Additionally, we devise a cross-layer optimization approach for the placement of Optical Transport Network (OTN) traffic-grooming boards at the electrical layer while employing coherent and non-coherent transmission technologies, with the objective of minimizing overall network costs. Furthermore, we investigate the problem of DPP in the context of meshed FON and ensure link-disjoint primary and backup paths for each lightpath, by optimizing the deployment of additional equipment (transceivers and wavelength blockers) at network nodes and (colored passive filters) along the link. To solve these problems, we have developed various optimization methods such as greedy heuristic approaches and meta-heuristics such as Genetic Algorithms, and Integer Linear Programming (ILP) models. The objective of these approaches is network cost minimization and depending on the context they are applied to, they are subject to different constraints such as lightpath QoT feasibility constraints, spectrum continuity and contiguity constraints, traffic-grooming constraints, FON-related constraints and capacity constraints. In addition to the above-mentioned optimization techniques, we investigate the problem of estimating the QoT of unestablished lightpaths in the context of WSON. Estimating lightpaths’ QoT is a complex problem due to the nature of nonlinear impairments characterizing signal propagation in optical fiber, due to uncertainties of parameters used to describe various optical components/equipment, e.g., amplifier noise figure, and fast time-varying penalties, e.g., polarization effects. This problem has been generally tackled utilizing Machine Learning (ML)-classification approaches that estimate if a given lightpath configuration has satisfactory QoT. We address this problem utilizing ML-regression approaches as they allow to make more informed decisions about how conservative or aggressive a network operator can be when taking network planning choices, i.e., deploying a new lightpath. We propose several novel ML-regression approaches to estimate the distribution of a lightpaths’ Signal-to-Noise Ratio (SNR). The research conducted during this PhD thesis has been performed in coordination with an industrial partner, SM-Optics, who have provided very fruitful and practical insights to solve the problems we have addressed.

Le reti ottiche stanno giocando un ruolo cruciale nell'era delle comunicazioni 5G e oltre per supportare applicazioni che richiedono capacità, affidabilità, bassa latenza senza precedenti e che garantiscono la qualità della trasmissione (QoT) del percorso ottico. Per far fronte a requisiti così severi, gli operatori di rete sono spinti a fornire nuove soluzioni tenendo a bada i costi di rete. Le tecnologie adottate di recente, come la trasmissione coerente, consentono di supportare richieste di capacità elevate e consentono ai progettisti di reti di regolare vari parametri di configurazione per ottenere prestazioni di rete migliori, ma a scapito di una maggiore complessità di progettazione della rete. Per ridurre i costi consentendo al tempo stesso l'espandibilità della rete, sono essenziali nuove architetture di rete nel contesto delle reti ottiche commutate a lunghezza d'onda (WSON) e delle reti ottiche senza filtro (FON). In WSON, è possibile ottenere risparmi sui costi ottimizzando l'implementazione di apparecchiature come gli amplificatori ottici. Tuttavia, è fondamentale una modellazione accurata dei Physical Layer Impairments (PLI), garantendo al contempo il raggiungimento di risparmi sui costi. Nelle FON, i multiplexer add-drop ottici riconfigurabili (ROADM), basati su costosi interruttori selettivi a lunghezza d'onda (WSS), sono sostituiti da architetture di commutazione broadcast-and-select basate su splitter e combinatori passivi di potenza ottica. Le FON stanno emergendo come una soluzione economicamente vantaggiosa e scalabile e attualmente vengono implementate dagli operatori di rete. I principali vantaggi offerti dall'implementazione delle FON sono bassi costi CapEx, basso consumo energetico e ingombro e capacità di sistema iniziale bassa/media con possibilità di crescere in base alle esigenze. Per garantire ulteriormente il risparmio sui costi, è auspicabile disporre di un'architettura di nodo modulare basata su dispositivi collegabili, ad es. amplificatori ottici, e una sezione modulare, ovvero scalabile, di add/drop a livello di nodo per supportare il Grooming del traffico e garantire un aumento della capacità per far fronte alle nuove esigenze di traffico. I costi-benefici apportati dalle FON portano a un'ulteriore complessità di progettazione portata dalla natura della trasmissione FON. Ad esempio, la protezione contro i guasti è un problema di progettazione primaria nelle reti ottiche, perché anche un singolo guasto del collegamento può interrompere la trasmissione dei segnali su più canali ottici. Pertanto, per garantire la Dedicated Path Protection (DPP) nelle FON, emergono problemi di progettazione specifici quando si risolve il problema del routing e dell’assegnazione dello spettro, soprattutto quando si considerano topologie mesh, poiché un percorso ottico non può fluire da un albero di fibre all'altro. Utilizziamo l'architettura di rete FON e la applichiamo nel contesto delle topologie FON a ferro di cavallo, poiché hanno dimostrato di essere un approccio di implementazione pratico, specialmente nelle reti ottiche metropolitane. Elaboriamo approcci di ottimizzazione che riducono al minimo i costi di rete ottimizzando l'implementazione di apparecchiature ottiche sui nodi di rete e lungo la fibra, garantendo al contempo la QoT dei percorsi ottici. In particolare, ottimizziamo l'implementazione di Amplificatori Ottici ai nodi della rete, ovvero amplificatori booster e preamplificatori, e lungo la fibra, ovvero amplificatori di linea, entrambi nell'ambito delle tradizionali reti ottiche commutate a lunghezza d'onda (WSON) basate su ROADM con WSS e nel contesto delle FON a ferro di cavallo. Inoltre, elaboriamo un approccio di ottimizzazione a più livelli per il posizionamento delle schede di controllo del traffico della rete di trasporto ottico (OTN) sullo strato elettrico impiegando tecnologie di trasmissione coerenti e non coerenti, con l'obiettivo di minimizzare i costi complessivi della rete. Inoltre, indaghiamo il problema della Dedicated Path Protection (DPP) nel contesto delle meshed FON e assicuriamo percorsi primari e di backup link-disjoint per ciascun percorso ottico, ottimizzando l'implementazione di apparecchiature aggiuntive (transceiver e wavelength blocker) ai nodi della rete e (colored passive filter) lungo il collegamento. Per risolvere questi problemi, abbiamo sviluppato vari metodi di ottimizzazione come approcci euristici greedy e metaeuristiche come algoritmi genetici e modelli ILP (Integer Linear Programming). L'obiettivo di questi approcci è la minimizzazione dei costi di rete e, a seconda del contesto a cui vengono applicati, sono soggetti a diversi vincoli come vincoli sulla QoT del percorso ottico, vincoli di continuità e contiguità dello spettro, vincoli di traffic-grooming, vincoli relativi alle FON e vincoli di capacità. Oltre alle tecniche di ottimizzazione sopra menzionate, indaghiamo il problema di stimare la QoT di percorsi ottici non stabiliti nel contesto delle WSON. La stima della QoT dei percorsi ottici è un problema complesso a causa della natura delle alterazioni non lineari che caratterizzano la propagazione del segnale nella fibra ottica, a causa delle incertezze dei parametri utilizzati per descrivere vari componenti/apparecchiature ottici, ad esempio, la cifra di rumore dell'amplificatore e penalità che variano rapidamente nel tempo, ad es. , effetti di polarizzazione. Questo problema è stato generalmente affrontato utilizzando approcci di classificazione Machine Learning (ML) che stimano se una determinata configurazione del percorso ottico ha una QoT soddisfacente. Affrontiamo questo problema utilizzando approcci di regressione ML in quanto consentono di prendere decisioni più consapevoli su quanto può essere conservativo o aggressivo un operatore di rete quando prende scelte di pianificazione della rete, ad esempio, implementando un nuovo percorso di luce. Proponiamo diversi nuovi approcci di regressione ML per stimare la distribuzione del rapporto segnale-rumore (SNR) di un percorso luminoso. La ricerca condotta durante questa tesi di dottorato è stata svolta in coordinamento con un partner industriale, SM-Optics, che ha fornito spunti molto fruttuosi e pratici per risolvere i problemi che abbiamo affrontato.