Design of spectral- and cost-efficient high-capacity optical transport networks

Daniela Aguiar Moniz

Key information

Authors:

Daniela Aguiar Moniz (Daniela Aguiar Moniz)

Supervisors:

João José de Oliveira Pires (João José de Oliveira Pires); João Manuel Ferreira Pedro (João Manuel Ferreira Pedro)

Published in

06/02/2022

Abstract

O expectável crescimento exponencial de tráfego proveniente de diferentes tipos de aplicações e tecnologias define esta década como uma das mais desafiantes para os operadores de redes de transporte óticas, que devem conseguir corresponder a este requisito de tráfego sem um aumento proporcional no seu investimento. Portanto, é essencial para os mesmos procurar diversas estratégias para operar sua infraestrutura perto do ponto ótimo em termos de custo e eficiência. Esta constante procura pelo ponto ótimo de operação de rede leva ao desenvolvimento de novas tecnologias e arquiteturas de rede, tendo como objetivo principal a redução do custo por bit transmitido. Sendo um tópico emergente, a otimização de redes óticas no contexto de planeamento com elevada capacidade foca essencialmente no escalar de uma rede de transporte ótico de modo a transportar mais dados, enquanto simultaneamente se reduz os custos associados. Nesse sentido, esta tese apresenta múltiplas estratégias de planeamento e algoritmos de otimização para dimensionar uma rede de transporte ótico, a fim de enfrentar os desafios de alta capacidade que estas redes enfrentam atualmente. Os algoritmos de otimização desenvolvidos são responsáveis por obter soluções de encaminhamento, agregação e alocação espectral de modo a transportar todo o tráfego necessário numa arquitetura de transporte ótica pré-definida, tendo em conta os diferentes objetivos de otimização. Estas soluções são obtidas através de desenvolvimento de modelos de programação linear inteira e/ou algoritmos heurísticos dependendo do contexto em estudo. Inicialmente, é apresentada uma análise multi-objetivo das redes de transporte ótico centrada no dimensionamento dos nós da rede com o objetivo de minimizar tanto os custos de transmissão como os custos de comutação de rede em cenários com arquiteturas de comutação flexíveis. Neste contexto, a otimização destas arquiteturas flexíveis é fundamental para interligar eficazmente o tráfego de clientes e os canais óticos, permitindo reduzir o custo global da rede e transportar mais capacidade. Outros algoritmos baseados em formulações de programação linear inteira são também apresentados de forma a explorar a próxima geração de interfaces de linha que suportam formatos de modulação e taxas de símbolo de ordens superiores, possibilitadas pelos recentes avanços na eletrónica de alta velocidade e no processamento digital de sinal. Os algoritmos propostos incluem também uma nova estratégia baseada nas capacidades de comutação OTN, de modo a gerir os recursos do espectro desde o início de operação da rede com o objetivo de reduzir os problemas de fragmentação de espectro que surgem com a adoção de uma grelha Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) flexível, que é necessária para suportar a próxima geração de interfaces de linha. A análise tecno-económica desenvolvida no âmbito deste estudo indica que o algoritmo proposto permite alcançar eficiências espectrais mais elevadas e ao mesmo tempo maximizar o tráfego transportado para todos os cenários analisados sem aumentar o custo global da rede. Além disso, os algoritmos são também adaptados para suportar os requisitos de sobrevivência associados quer à proteção de fibras quer a interfaces óticas de linha, uma vez que uma única falha poderá causar um impacto considerável na operação de uma rede de transporte ótico, afetando o valor requerido pelo acordo de nível de serviço. O conjunto de algoritmos de otimização propostos nesta tese estendem-se também aos sistemas multi-banda e multi-fibra que têm de inevitavelmente ser adotados num futuro próximo para fazer face ao elevado aumento de capacidade que estas redes de transporte ótico enfrentam atualmente. Os resultados evidenciam a eficácia da adoção do sistema de transmissão multi-banda C+L em termos do adiamento de instalação de fibra adicional e do aumento de tráfego transportado para a mesma infraestrutura de fibra ótica, em consequência de apenas um pequeno aumento do número de canais óticos utilizados. Além disso, este estudo destaca também o maior número de dimensões de otimização a serem consideradas nestes cenários que requerem o desenvolvimento de algoritmos de encaminhamento e atribuição de recursos mais complexos. Finalmente, esta tese conclui com um cenário disruptivo baseado nos recentes desenvolvimentos das redes óticas autónomas que permitem a redução das margens dos canais óticos com foco no aumento da capacidade global transportada. Neste contexto, são propostos dois algoritmos de otimização que exploram o provisionamento de margens reduzidas nas redes de transporte ótico com o objetivo de reduzir o seu custo e, ao mesmo tempo, atenuar o risco de perturbação do tráfego devido ao funcionamento demasiado próximo do limite de desempenho ótico. The expected exponential growth of traffic from different applications and technologies sets this decade as one of the most challenging ones for optical transport network (OTN) operators, which have to meet this traffic requirement without a proportional increase in revenue. Therefore, network operators must relentlessly pursue ways to operate their infrastructure close to optimality in terms of cost and efficiency. This constant search for optimality drives the industry to develop new technologies and network architectures, having as the key objective the reduction of the cost per bit transmitted. Being an emergent topic, the network optimization in the context of high-capacity planning focuses on how the OTN can scale to transport more data while simultaneously reducing the overall network capital expenditures. Therefore, the aim of this Thesis is to present multiple planning strategies and optimization algorithms to dimension an optical transport network, addressing the high-capacity challenges that these networks are facing nowadays. The developed optimization frameworks are responsible for providing a routing, grooming and resource allocation solution to transport all the traffic in the predefined optical transport architecture according to the different goals of optimization, which are defined through Integer Linear Programming (ILP) models and/or heuristic algorithms depending on the addressed context. Initially, a multi-objective analysis of the optical transport networks is presented focusing on the dimensioning of the network nodes with the aim of minimizing both transmission and switching costs of the network in scenarios with flexible switching architectures. In this context, the optimization of these flexible node architectures is key to effectively interconnect the traffic signals and optical channels, allowing to reduce the overall network cost and transport more capacity. Further algorithms based on ILP formulations are presented to exploit the next-generation of line interfaces, that support higher order modulation formats and symbol rates, enabled by the recent advancements in high-speed electronics and digital signal processing. The proposed algorithms also include a novel strategy based on OTN switching capabilities to manage the spectrum resources from the beginning of network operation in order to cope with the fragmentation problems arising as a result of adopting a flexible Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) grid, which is required to support the next-generation of line interfaces. The techno-economic analysis presented in this study indicates that the proposed framework enables to reach higher spectral efficiencies and at the same time maximize the carried traffic load for all the analysed scenarios without increasing the overall network cost. Moreover, the algorithms are extended to support survivability requirements regarding the reliability of fibre links and optical line interfaces, since a single failure can cause a substantial impact in the network operation, affecting the required service level agreement (SLA). The suite of optimization algorithms proposed in this Thesis also extends to multi-band and multifibre systems that have to be inevitably deployed in near future to address the high increase of capacity faced by optical transport networks today. The simulation results highlight the effectiveness of adopting the C+L-band transmission system in terms of postponing additional fibre deployment and increasing the carried traffic load for the same optical fibre infrastructure with minor augment on the number of optical channels. Moreover, this study also highlights the larger number of optimization dimensions that should be considered in these scenarios, requiring the development of more complex routing and resource assignment algorithms. Finally, this Thesis concludes with a disruptive scenario based on the recent developments in autonomous optical networks that enable the reduction of optical channels’ margins to increase the overall capacity transported. In this context, two different service-provisioning algorithms are proposed to exploit reduced-margin provisioning in optical transport networks with the aim of operating them more cost-effectively and at the same time mitigating the risk of traffic disruption due to operating too close to the performance limit.