Enhanced dynamic bandwidth algorithms for passive optical networks
Authors:   , Haastrup Adebanjo 
Published: February 2025

(English) The telecommunications industry faces rapid changes due to the deployment of ultra-high speed access networks (5G and beyond, fiber-to-the-home), promising unparalleled experiences with high bandwidth and low latency. However, this transition brings challenges. With the surge in smart device numbers and bandwidth demand, optimizing network architecture, management, and resource usage is crucial for cost-efficiency. Passive Optical Networks (PONs) offer efficient broadband access for residential and commercial sectors, with advantages like energy efficiency and robust security and high performance.
Leading organizations, such as IEEE and ITU-T, are actively developing standards to increase the capabilities of next-generation PONs. The goal is to meet the demands by implementing innovative mechanisms for efficient management, resource allocation, QoS, energy savings, and low latency.
Next-generation PONs have introduced the use of multiple wavelengths based on TWDM techniques. However, managing multiple wavelengths presents challenges, as DBA algorithms need to consider both the time and wavelength dimensions of the network. This follows a Joint Time and Wavelength Scheduling (JTWS) scheme, which requires complex implementation. TWDM-PON also utilizes tunable transceivers in ONUs to switch between wavelengths, but this introduces a delay called Laser Tuning Time (LTT) which is often ignored, but it is an important consideration when designing our DBA algorithms.
Additionally, there is a demand to integrate metro and access networks for streamlined telecom infrastructure. Long Reach PON (LRPON) offers a solution by expanding coverage from 20 km to 100 km, enabling high-speed, long-distance data transmission over optical fibers. This reduces the need for central offices, resulting in cost savings. However, the extended reach of LRPONs introduces new challenges, particularly in the area of DBA algorithms. Traditional DBA algorithms like IPACT may not be as efficient for LRPONs due to increased propagation delays and round-trip times (RTT) between the OLT and ONUs. To address these challenges, a novel DBA algorithm called the Distance Weighted DBA (DWDBA) algorithm is proposed.

This thesis delves into the limitations of traditional DBA algorithms and proposes novel Enhanced DBA solutions for PONs. Leveraging techniques such as the Longest Processing Time (LPT) scheduling method to minimize queue delays, our DBAs also consider the concept of laser tuning time to bring a practical, real-world approach to our system.

The main contributions of this thesis are:
- Incorporating the often-overlooked laser tuning time (LTT) concept in our analysis of DBA for TWDM PONs, therefore obtaining more realistic results.

- Introducing an innovative algorithm for PONs employing LPT to minimize queue delay and enhance throughput, resulting in a notable reduction (up to 73%) with respect to the queue delay when compared to IPACT.

- Developing a Distance Weighted DBA (DWDBA), specifically tailored for LRPONs, aimed at preventing the penalization of ONUs located farther from the OLT. This results in improving up to 30% and 10% the queue delay and throughput, respectively, over IPACT.

The effectiveness of these proposed algorithms is rigorously evaluated through comprehensive simulations, demonstrating their potential to meet the demands of future networks.

(Català) La indústria de les telecomunicacions s'enfronta a canvis ràpids a causa del desplegament de xarxes d'accés d'alta velocitat (5G i més enllà, fibra fins a la llar), prometent experiències inigualables amb gran amplada de banda i baixa latència. Tanmateix, aquesta transició comporta reptes. Amb l'augment del nombre de dispositius intelꞏligents i la demanda d'ample de banda, l'optimització de l'arquitectura de xarxa, i la gestió dels recursos esdevenen crucials per a l'eficiència i rendibilitat d'operació. Les xarxes òptiques passives (PON) ofereixen un accés eficient de banda ampla per als sectors residencial i comercial, amb avantatges com l'eficiència energètica i una seguretat robusta i un alt rendiment.
Els organismes d'estandardització, entre ells l'IEEE i la ITU-T, estan desenvolupant de manera activa estàndards per augmentar les capacitats de les PON de nova generació. L'objectiu és satisfer les demandes mitjançant la implementació de mecanismes innovadors de gestió eficient, assignació de recursos, QoS, estalvi d'energia i baixa latència.
Les PON de nova generació han introduït l'ús de múltiples longituds d'ona basades en tècniques TWDM. Tanmateix, la gestió de diverses longituds d'ona presenta reptes, ja que els algorismes d'assignació dinàmica d'amplada de banda (DBA) han de tenir en compte tant les dimensions de temps com de longitud d'ona de la xarxa. Això segueix un esquema de programació conjunta de temps i longitud d'ona (JTWS), que comporta una implementació complexa. TWDM-PON també utilitza transceptors ajustables a les ONU per canviar entre longituds d'ona, fet que introdueix un retard anomenat Laser Tuning Time (LTT) que sovint s'ignora, però és important considerar-lo a l'hora de dissenyar els nostres algorismes DBA.
Addicionalment, hi ha una necessitat per integrar xarxes metropolitanes i d'accés per a obtenir una infraestructura de telecomunicacions racionalitzada. La tecnologia Long Reach PON (LRPON) ofereix una solució ampliant la cobertura de les PON de 20 km a 100 km, permetent la transmissió de dades d'alta velocitat i llarga distància a través de fibres òptiques. Això redueix la necessitat de centrals, el que resulta en un estalvi de costos. Tanmateix, l'abast estès de les LRPON introdueix nous reptes, especialment en l'àrea dels algorismes DBA. Els algorismes DBA tradicionals com IPACT no poden ser tan eficients a l'escenari LRPON a causa de l'augment dels retards de propagació i els temps d'anada i tornada (RTT) entre l'OLT i les ONU. Per abordar aquests reptes, es proposa un algorisme de DBA nou anomenat algorisme DBA ponderat per distància (DWDBA).
Aquesta tesi aprofundeix en les limitacions dels algorismes tradicionals de DBA i proposa noves solucions. Aprofitant tècniques com el mètode de programació del temps de processament més llarg (LPT) per minimitzar els retards de la cua, els nostres DBA també consideren el concepte de temps de sintonització làser per oferir un enfocament pràctic.
Les principals aportacions d'aquesta tesi són: - Incorporació del concepte de temps de sintonització làser (LTT) que sovint es passa per alt en l'anàlisi de DBA per a PON TWDM, obtenint així resultats més realistes.
- Introducció d'un algorisme innovador per a PON que utilitza la tècnica LPT per minimitzar el retard de la cua i millorar el rendiment, donant lloc a una reducció notable (fins a un 73%) respecte al retard de la cua en comparació amb IPACT.
- Desenvolupament d'un DBA amb ponderació per distància (DWDBA), específicament dissenyat per a LRPON, amb l'objectiu d'evitar la penalització de les ONU situades més allunyades de l'OLT. Això es tradueix en millores de fins a un 30% i un 10% del retard i del throughput, respectivament, comparat amb IPACT.
L'efectivitat d'aquests algorismes proposats s'avalua rigorosament mitjançant simulacions exhaustives, demostrant el seu potencial per satisfer les demandes de les xarxes futures.