Off-line and in-operation optical core networks planning
Authors:   , Castro Alberto 
Published: July 2023

The ever increasing IP traffic volume has finally brought to light the high inefficiency of current wavelength-routed over rigid-grid optical networks in matching the client layer requirements. Such an issue results in the deployment of large-size, expensive and power-consuming Multiprotocol Label Switching (MPLS) layers to perform the required grooming/aggregation functionality. To deal with this problem, the emerging flexgrid technology, allowing for reduced size frequency grids, is being standardized.
Flexgrid optical networks divide the spectrum into frequency slots providing finer granularity than rigid networks based on Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM). To find a feasible allocation, new Routing and Spectrum Allocation (RSA) algorithms for flexgrid optical networks need to be designed and evaluated. Furthermore, due to the flexibility of flexible optical networks, the aggregation functions and statistical multiplexing can be partially located in the optical layer. In addition, given the special characteristics of flexible optical networks, the traditional mechanisms for protection and recovery must be reformulated.
Optical transport platforms are designed to facilitate the setting up and tearing down of optical connections (lightpaths). Combining remotely configurable optical cross-connects (OXCs) with a control plane provides the capability of automated lightpath set-up for regular provisioning, and real-time reaction to the failures, being thus able to reduce Operational Expenditures (OPEX). However, to exploit existing capacity, increase dynamicity, and provide automation in future networks, current management architectures, utilizing legacy Network Management Systems (NMS) need to be radically transformed.
This thesis is devoted to design optical networks and to devise algorithms to operate them.
Network design objective consists of:
i. Analyzing the cost implications that a set of frequency slot widths have on the Capital Expenditures (CAPEX) investments required to deploy MPLS-over-flexgrid networks;
ii. Studying recovery schemes, where a new recovery scheme specifically designed for flexgrid-based optical networks is proposed.
As for network operation, we focus on:
i. Studying provisioning, where two provisioning algorithms are proposed: the first one targets at solving the RSA problem in flexgrid networks, whereas the second one studies provisioning considering optical impairments in translucent DWDM networks;
ii. Getting back to the recovery problem, we focus on algorithms to cope with restoration in dynamic scenarios. Several algorithms are proposed for both single layer and multilayer networks to be deployed in the centralized Path Computation Element (PCE);
iii. One of the main problems in flexgrid networks is spectrum defragmentation. In view of that, we propose an algorithm to reallocate already established optical connections so as to make room for incoming requests. This algorithm is extended with elasticity to deal with time-varying traffic.
The above algorithms are firstly implemented and validated by using simulation, and finally experimentally assessed in real test-beds. In view of PCE architectures do not facilitate network reconfiguration, we propose a control and management architecture to allow the network to be dynamically operated; network resources can be made available by reconfiguring and/or re-optimizing the network on demand and in real-time. We call that as in-operation network planning.
It shall be mentioned that part of the work reported in this thesis has been done within the framework of several European and National projects, namely STRONGEST (FP7-247674), IDEALIST (FP7-ICT-2011-8), and GEANT (FP7-238875) funded by the European Commission, and ENGINE (TEC2008-02634) and ELASTIC (TEC2011-27310) funded by the Spanish Science Ministry.

El volumen creciente del tráfico IP, finalmente, ha puesto de manifiesto la alta ineficiencia de las redes ópticas actuales de grid rígido basadas en WDM en la adecuación a los requisitos de capa de cliente. Dicho problema genera que se deba desplegar una red con capas MPLS de gran tamaño, costosa y de alto consumo energético para poder realizar la funcionalidad de agregación requerida. Para hacer frente a este problema, la tecnología flexgrid emergente, que permite grids con frecuencias de menor tamaño, está siendo estandarizada. Las redes ópticas flexgrid dividen el espectro en slots de frecuencia, lo que proporciona una granularidad más fina en comparación a las redes rígidas basadas en WDM. Para encontrar una asignación factible, nuevos algoritmos de enrutamiento y asignación de espectro (RSA) para redes ópticas flexgrid deben ser diseñados y evaluados. Además, debido a la flexibilidad de las redes ópticas flexibles, las funciones de agregación y de multiplexación estadística pueden ser parcialmente situadas en la capa óptica. Asimismo, dadas las características especiales de las redes ópticas flexibles, los mecanismos tradicionales de protección y recuperación deben reformularse. Las plataformas de transporte ópticas están diseñadas para facilitar la creación y destrucción de conexiones ópticas. La combinación de OXCs configurables remotamente con un plano de control, proporciona la capacidad de crear conexiones automáticamente para el aprovisionamiento habitual, y la reacción en tiempo real a los fallos, para así poder reducir el OPEX. Sin embargo, para aprovechar la capacidad existente, aumentar la dinamicidad y proporcionar automatización a las redes del futuro, las arquitecturas actuales de gestión, que utilizan sistemas legados de NMS, necesitan ser transformadas de manera radical. Esta tesis está dedicada al diseño de redes ópticas y a la creación de algoritmos para operarlas. El objetivo de diseño de red se compone de: 1. El análisis de las implicancias en el costo que tiene un conjunto de slots de frecuencia en el CAPEX necesario para implementar redes MPLS-over-flexgrid; 2. El estudio de esquemas de recuperación, donde se propone un nuevo esquema de recuperación diseñado específicamente para las redes ópticas basadas en flexgrid. En cuanto a la operación de la red: 1. El estudio de aprovisionamiento, donde se proponen dos algoritmos de aprovisionamiento: el primero de ellos tiene como objetivo solucionar el problema de RSA en redes flexgrid, mientras que el segundo estudia aprovisionamiento considerando la degradación óptica en redes WDM translúcidas; 2. Volviendo al problema de la recuperación, nos centramos en algoritmos de restauración para escenarios dinámicos. Se proponen varios algoritmos, tanto para redes mono-capa como multi-capa, que serán desplegados en un PCE centralizado; 3. Uno de los principales problemas en las redes flexgrid es la desfragmentación del espectro. Para ello, se propone un algoritmo para reasignar las conexiones ópticas ya establecidas con el fin de hacer espacio a las entrantes. Este algoritmo se extiende con elasticidad para ser utilizado en escenarios con tráfico variable en el tiempo. Los algoritmos anteriores son primero implementados y validados utilizando simulación, y finalmente son evaluados experimentalmente en testbeds reales. En vista de que las arquitecturas de PCE no facilitan la reconfiguración de la red, proponemos una arquitectura de control y gestión para permitir que la red pueda ser operada de forma dinámica; hacer que los recursos de la red estén disponibles mediante reconfiguración y/o re-optimización de la red bajo demanda y en tiempo real. A eso lo llamamos planificación en operación de la red. El trabajo presentado en esta tesis se ha realizado en el marco de proyectos europeos y nacionales: STRONGEST (FP7-247674), IDEALIST (FP7-2011-8), y GEANT (FP7-238875) financiados por la CE, y ENGINE (TEC2008-02634) y ELASTIC (TEC2011-27310) financiados por el MINECO