Network-wide power analysis of survivable routing in multi-core optical networks

The continuous expansion of broadband and cloud traffic requires higher capacity in optical transport networks, with energy efficiency and resilience as critical design constraints. Space-division multiplexing (SDM) improves scalability by increasing the number of parallel spatial channels, either through multiple fiber pairs (multifiber) or multiple cores within a single fiber (multicore). While multicore fiber (MCF) can improve spatial density, its performance is limited by physical-layer effects such as inter-core crosstalk (XT), and its energy consumption depends strongly on the amplification architecture. For this reason, this thesis builds upon a previously developed multicore network simulation framework, extending it by introducing protection strategies and load-aware resource allocation. The adopted methodology evaluates SDM elastic optical networks (EON) under progressive traffic loading, combining impairment-aware resource allocation based on an SNR feasibility check and an EDFA power-consumption model. Three architectures are compared under consistent assumptions: 1) a multifiber baseline with conventional EDFAs (MF), 2) a multicore network with core-pumped (per-core) amplification (MCF Core), and 3) a multicore network with cladding-pumped amplification (MCF Cladding). In addition, survivability is incorporated through two widely used protection schemes: 1+1 dedicated protection and shared backup path protection, both enforced with link-disjoint working. Numerical results are reported on two reference topologies and across multiple traffic load levels. The results show that the MF configuration consistently provides the most favorable QoT and therefore the highest served throughput, approximately 10–18% higher than MCF configurations, depending on topology and traffic load. From an energy-efficiency perspective, cladding-pumped multicore amplification can be competitive when combined with a load-balanced allocation policy: for eta_r=4, balanced MC Clad reduces W/Tbps by up to 32.14% vs MF in GE12 (45% load) and by up to 31.04% vs MF in EU19 (30% load). Overall, the thesis provides a load-dependent comparison of multifiber and multicore architectures and examines how protection constraints affect the throughput and energy trade-off in SDM transport networks.

La continua espansione del traffico e dei servizi cloud richiede capacità sempre più elevate nelle reti di trasporto ottico, dove efficienza energetica e resilienza rappresentano vincoli progettuali fondamentali. Lo Space-Division Multiplexing (SDM) migliora la scalabilità aumentando il numero di canali spaziali paralleli, sia tramite l’impiego di più coppie di fibra (multifiber) sia attraverso più core all’interno della stessa fibra (multicore). Sebbene la multicore fiber (MCF) consenta di incrementare la densità spaziale, le sue prestazioni sono limitate da effetti di livello fisico, come l’inter-core crosstalk (XT), e il suo consumo energetico dipende fortemente dall’architettura di amplificazione adottata. Per questo motivo, la presente tesi si basa su un framework di simulazione di rete multicore precedentemente sviluppato, estendendolo con l’introduzione di strategie di protezione e di meccanismi di allocazione delle risorse sensibili al carico. La metodologia adottata valuta reti ottiche elastiche SDM (EON) sotto carico di traffico progressivamente crescente, combinando un’allocazione delle risorse che tiene conto delle degradazioni fisiche basata su un controllo del SNR e un modello di consumo energetico degli EDFA. Vengono confrontate tre architetture sotto ipotesi coerenti: una configurazione multifiber di riferimento con EDFA convenzionali, una rete multicore con amplificazione core-pumped (per-core) e una rete multicore con amplificazione cladding-pumped. Inoltre, la sopravvivenza ai guasti è introdotta tramite due schemi di protezione ampiamente utilizzati: la protezione dedicata 1+1 e la shared backup path protection, entrambe con vincoli di disgiunzione di link tra working e backup. I risultati mostrano che la configurazione MF fornisce costantemente la QoT più favorevole e quindi il throughput servito più alto, circa 10–18% più alto rispetto alle configurazioni MCF, a seconda di topologia e carico di traffico. Dal punto di vista dell’efficienza energetica, l’amplificazione multicore cladding-pumped può essere competitiva quando combinata con una politica di allocazione bilanciata sul carico: per eta_r=4, la MC Clad bilanciata riduce W/Tbps fino al 32.14% vs MF in GE12 (carico 45%) e fino al 31.04% vs MF in EU19 (carico 30%). Nel complesso, la tesi propone un confronto load-dependent tra architetture multifiber e multicore e analizza come i vincoli di protezione influenzino il compromesso tra throughput ed energia nelle reti di trasporto ottico SDM.