Energy minimization for routing, modulation level and spectrum allocation in elastic optical network

The increasing demand for scalable and energy-efficient inter-datacenter connectivity has positioned Elastic Optical Networks (EONs) as a vital solution for modern communication infrastructures. EONs enable dynamic spectrum allocation and flexible modulation, offering high spectral efficiency and adaptability. However, these advantages come with new challenges—particularly in energy consumption. This thesis investigates an Integer Linear Programming (ILP) model for energy-efficient resource allocation in EONs under static traffic conditions. The model jointly addresses Routing, Modulation Level, and Spectrum Allocation (RMLSA), incorporating realistic power consumption parameters for transponders, optical cross-connects, and amplifiers. A series of simulations are performed using CPLEX and Python across three representative network topologies—NSF15, EURO16, and UBN24. Different scenarios are analyzed, including fixed and optimized modulation assignments, with and without link-related energy consumption. Results confirm that higher-order modulation formats reduce power usage but increase computational effort, and that link amplifiers significantly influence total energy consumption. The findings validate the ILP model as a valuable tool for early-stage planning of energy-aware optical networks, while also highlighting its limitations in scalability and real-time applicability. This work contributes a benchmark evaluation that aids in understanding the trade-offs and potential of ILP-based approaches in EON design.

La crescente domanda di connettività scalabile ed energeticamente efficiente tra data center ha reso le Reti Ottiche Elastiche (Elastic Optical Networks, EON) una soluzione fondamentale per le moderne infrastrutture di comunicazione. Le EON permettono un'allocazione dinamica dello spettro e una modulazione flessibile, offrendo alta efficienza spettrale e adattabilità. Tuttavia, questi vantaggi comportano nuove sfide, in particolare in termini di consumo energetico. Questa tesi analizza un modello di Programmazione Lineare Intera (ILP) per l'allocazione efficiente delle risorse in EON, in condizioni di traffico statico. Il modello affronta congiuntamente il problema di Routing, Livello di Modulazione e Assegnazione dello Spettro (RMLSA), integrando parametri realistici di consumo energetico per ricetrasmettitori, cross-connect ottici e amplificatori. Una serie di simulazioni è stata effettuata utilizzando CPLEX e Python su tre topologie di rete rappresentative: NSF15, EURO16 e UBN24. Sono stati analizzati diversi scenari, inclusi assegnazioni di modulazione fisse e ottimizzate, con e senza considerazione del consumo energetico dei collegamenti. I risultati confermano che i formati di modulazione di ordine superiore riducono il consumo energetico ma aumentano lo sforzo computazionale, e che gli amplificatori di collegamento influenzano significativamente il consumo energetico complessivo. I risultati validano il modello ILP come strumento utile nella pianificazione preliminare di reti ottiche energeticamente consapevoli, evidenziando al contempo i limiti di scalabilità e applicabilità in tempo reale. Questo lavoro contribuisce con una valutazione di riferimento utile a comprendere i compromessi e il potenziale degli approcci basati su ILP nella progettazione di EON.