New strategies for low-cost and zero-disruption placement of hybrid EDFA/Raman amplifiers and 3R regenerators in C+L-band networks

The global increase of internet traffic and the stringent requirements in terms of capacity of the new arising 5G-and-beyond services have brought into foreground the need to find novel approaches to scale the available capacity of optical networks, while minimizing the costs and guaranteeing the desired Quality-of-Transmission (QoT). To address this challenge, in this thesis we consider three main enablers for optical- network capacity scaling: multi-band transmission over the C+L-band, Hybrid EDFA/Raman amplifiers and 3R-regenerators. Multi-band transmission allows to increase the capacity of already deployed fibers by extending the available spectrum beyond the C-band. The addition of the L-band generates physical layer impairments that may lead to QoT degradation and a consequent reduction of the available capacity. Therefore, we introduce Hybrid EDFA/Raman amplifiers and 3R-regenerators as possible solutions to improve the lightpaths’ Signal-to-Noise Ratio (SNR) thus allowing the use of higher order modulation formats and generating a more efficient use of the transmission spectrum. Even if the network upgrade from C-band to C+L-band transmission is an economically viable solution to extend the network capacity, it generates additional costs for the deployment of additional equipment such as, for example, optical amplifiers for the L-band. In this scenario, it is crucial to develop cross-layer optimization approaches, with the objective of reducing the costs, while guaranteeing a disruption-free deployment of the L-band. In this thesis we propose novel Genetic- Algorithm-based optimization approaches for the placement of optical amplifiers and 3R-regenerators in C+L-band optical networks. The main objective is to reduce cost of additional equipment while guaranteeing a disruption-free network upgrade to C+L- band. We show that an optimized deployment of EDFAs in C+L-band metro networks allows to achieve up to 35% amplifier cost reduction compared to the baseline placement, while guaranteeing the desired QoT. In case of regional/long-haul topologies, a gradual network upgrade to C+L-band transmission, where sub-groups of links are independently upgraded to multi-band transmission, is a possible solution for network operators to defer the upgrade investments and to manage possible traffic interruptions. However, a gradual upgrade may generate QoT degradation on the already established lightpaths. Therefore, we propose to perform a selective upgrade of EDFAs to Hybrid EDFA/Raman amplifiers and the introduction of 3R-regenerators as possible solutions to contrast the L-band-induced QoT degradation. Numerical results obtained through simulations on realistic topologies show that the selective upgrade of EDFAs to Hybrid EDFA/Raman amplifiers represents a more economically viable solution, since, in all our case studies, it allows to achieve a higher enhancement of the lightpaths’ QoT at a significantly smaller cost compared to 3R-regenerators. Indeed, an optimized selective upgrade of EDFAs to HFAs can lead up to 70% fewer amplifiers compared to the baseline strategies. However, Raman amplification cannot be deployed in all the scenarios. Therefore, we also propose a Genetic Algorithm-based strategy for an optimized placement of 3R-regenerators, with the objective of minimizing the L-band-induced QoT degradation at minimum cost.

L'aumento globale del traffico Internet e i rigidi requisiti in termini di capacità dei nuovi servizi 5G e oltre, hanno messo in primo piano la necessità di trovare nuovi approcci per scalare la capacità disponibile delle reti ottiche, riducendo al minimo i costi e garantendo la qualità di trasmissione (QoT) desiderata. Per affrontare questa sfida, in questa tesi consideriamo tre principali tecnologie per l’estensione della capacità della rete ottica: trasmissione multibanda su banda C+L, amplificatori ibridi EDFA/Raman e rigeneratori 3R. La trasmissione multibanda consente di aumentare la capacità delle fibre già installate estendendo lo spettro disponibile oltre la banda C. L'aggiunta della banda L genera alterazioni dello strato fisico che possono portare a una degradazione della QoT e una conseguente riduzione della capacità disponibile. Pertanto, introduciamo amplificatori ibridi EDFA/Raman e rigeneratori 3R come possibili soluzioni per migliorare il rapporto segnale-rumore (SNR) dei percorsi ottici, consentendo così l'uso di formati di modulazione di ordine superiore e consentendo un uso più efficiente dello spettro di trasmissione. Sebbene l'aggiornamento della rete dalla trasmissione in banda C alla trasmissione in banda C+L sia una soluzione economicamente valida per estendere la capacità della rete, essa genera ulteriori costi per l'implementazione di apparecchiature aggiuntive come, ad esempio, amplificatori ottici per la banda L. In questo scenario, è fondamentale sviluppare approcci di ottimizzazione cross-layer con l'obiettivo di ridurre i costi, garantendo al contempo un'implementazione disruption-free della banda L. In questa tesi proponiamo nuovi approcci di ottimizzazione basati su algoritmi genetici per il posizionamento di amplificatori ottici e rigeneratori 3R in reti ottiche in banda C+L. L'obiettivo principale è ridurre il costo delle apparecchiature necessarie alla trasmissione multibanda garantendo al contempo un aggiornamento della rete disruption-free alla banda C+L. In questa tesi dimostriamo che un'implementazione ottimizzata di EDFA nelle reti metropolitane in banda C+L consente di ottenere una riduzione dei costi degli amplificatori fino al 35% rispetto alle strategie base di posizionamento, garantendo al contempo la QoT desiderata. Nel caso di topologie regionali/a lungo raggio, un graduale aggiornamento della rete alla trasmissione in banda C+L, in cui i sottogruppi di collegamenti vengono aggiornati in modo indipendente alla trasmissione multibanda, è una possibile soluzione per gli operatori di rete per differire gli investimenti di aggiornamento della rete e per gestire eventuali interruzioni del traffico. Tuttavia, un aggiornamento graduale può generare un degrado della QoT sui percorsi ottici già stabiliti. Pertanto, proponiamo di eseguire un aggiornamento selettivo degli EDFA ad amplificatori ibridi EDFA/Raman e l'introduzione di rigeneratori 3R come possibili soluzioni per contrastare la degradazione della QoT indotta dalla banda L. I risultati numerici ottenuti attraverso simulazioni su topologie realistiche mostrano che l'aggiornamento selettivo degli EDFA ad amplificatori ibridi EDFA/Raman rappresenta una soluzione economicamente più valida, poiché, in tutti i nostri casi studio, consente di ottenere un miglioramento più significativo della QoT dei percorsi ottici ad un costo sensibilmente inferiore rispetto ai rigeneratori 3R. Infatti, un aggiornamento selettivo ottimizzato degli EDFA agli HFA può portare fino al 70% in meno di amplificatori rispetto alle strategie di base. Tuttavia, l'amplificazione Raman non può essere implementata in tutti gli scenari. Pertanto, proponiamo anche una strategia basata sull'algoritmo genetico per un posizionamento ottimizzato dei rigeneratori 3R, con l'obiettivo di ridurre al minimo il degrado della QoT indotto dalla banda L al minimo costo.