Routing and spectrum allocation algorithms for flexible grid metro networks

In the last decade, Internet traffic has experienced an exponential growth which is not expected to slow down anytime soon. Flourishing of bandwidth-hungry applications, together with the introduction of data-centric mobile broadband and the evolution of triple-play services, continue to put a high pressure on telecommunication networks. Significant improvements had been introduced in the backbone and in the access segment of telecommunication networks. Nevertheless, not equally significant efforts had been brought into the metro area, creating a bottleneck effect which is commonly referred to as “metro gap”. The negative consequences of the “metro gap” risk to vanish the efforts on the other segments. In metropolitan areas efficient exploitation of already deployed resources is a key factor. In metro networks, the leading transmission technology has been the SONET/SDH standard, very effective in the metro rings for voice-centric traffic. With the decoupling of revenues from traffic into data-centric present scenario, SONET is not any longer a cost-effective solution. Resilient Packet Ring first and Metro Ethernet after have presented interesting benefits to the network operators; the latter is presently seen as the most interesting solution. The introduction of ITU-T Recommendation G.694.1 allows to steer away from legacy transmission systems, which are based on the DWDM 50-GHz wide spacing of the optical spectrum. The traditional vision of the available optical spectrum as a set of wavelengths, each independent from the other, is overcome with Rec. G.694.1, in which the available bandwidth is seen as a continuum where the required resources can be allocated in a flexible fashion. Thus, the flexible grid concept is introduced. An analysis of the benefits brought by the flexible grid is carried out in this thesis. An algorithm for the Routing and Spectrum Allocation (RSA) in metro networks is proposed, considering different strategies for the resource allocation and release and different cost functions to be optimized. Moreover, the advantages of exploiting Multiple Modulation Formats (MMF) rather than a fixed modulation format are also explored. The analysis highlights that significant benefits are brought by the flexible grid technique in efficiently accommodating traffic. Moreover, we show how the different algorithm strategies affect the utilization of network resources. Significant additional advantages brought by the MMF technique are also demonstrated.

Nell’ultimo decennio, il volume di traffico Internet generato è cresciuto in maniera esponenziale, e non si prevede un rallentamento di tale crescita nel breve periodo. Il prosperare di applicazioni dall’alta richiesta di banda, l’introduzione del moabile broadband con voluminosi scambi di dati e l’evoluzione di servizi integrati voce-video-dati, continuano a porre notevole pressione sulle reti di telecomunicazione. Migliorìe importanti sono state portante avanti nei segmenti di backbone e di accesso di tali reti. Tuttavia, il segmento metropolitano non ha visto sfozi verso il miglioramento di egual intensità, creando un effetto di collo di bottiglia comunemente chiamato “metro gap”. Gli effetti negativi del “metro gap” rischiano di rendere vani gli sforzi sugli altri segmenti. Nelle reti metropolitane, un utilizzo efficiente delle risorse già in campo è un fattore chiave. Nelle reti metro, lo standard trasmissivo dominante è stato SONET/SDH, il quale è molto efficace per reti metro ad anello nella condizione di traffico prevalentement voce. Con il passaggio da traffico prevalentemente voce a traffico prevalentemente dati, come nello scenario attuale, si è verificato un disaccoppiamento tra traffico e ricavi. SONET è pertanto una soluzione non più ottimale. Resilient Packet Ring prima, e Metro Ethernet poi, si sono proposti ai network operator con interessanti vantaggi; quest’ultimo sembra particolarmente visto di buon occhio. L’introduzione della ITU-T Recommendation G.694.1 permettere di dare una brusca sterzata dai precedenti sistemi trasmissivi, i quali sono basati su una divisione dello spettro ottico in lunghezze d’onda distanziate 50 GHz. Con Rec. G.694.1 viene superata la traizionale visione dello spettro ottico come un insieme di lambda, ciascuna indipendente dall’altra; in Rec. G.694.1 la banda a disposizione è vista come un continuum dove le risorse ottiche necessarie possono essere allocate in maniera flessibile. È introdotto il concetto di flexible grid. Nella tesi è sviluppata una analisi dei vantaggi dovuti alla flexible grid. Viene proposto un algoritmo di Routing and Sepctrum Allocation in reti metro, tenendo in considerazione diverse strategie di allocazione e rilascio delle risorse e ottimizzando diverse funzioni di costo. Inoltre, vengono esplorati i vantaggi dovuti all’utilizzo del Multiple Modulation Formats invece che un unico formato di modulazione prefissato. L’analisi mette in risalto che, grazie ad una efficiente allocazione del traffico, la tecnologia con flexible grid introduce importanti benefici. È mostrato inoltre come le diverse strategie influenzino l’utilizzo delle risorse di rete. Infine, ulteriori vantaggi dovuti alla tecnologia MMF sono dimostrati.