Autonomous and reliable operation of multilayer optical networks
Authors:   , Barzegar Sima 
Published: July 2023

This Ph.D. thesis focuses on the reliable autonomous operation of multilayer optical networks.
The first objective focuses on the reliability of the optical network and proposes methods for health analysis related to Quality of Transmission (QoT) degradation. Such degradation is produced by soft-failures in optical devices and fibers in core and metro segments of the operators’ transport networks. Here, we compare estimated and measured QoT in the optical transponder by using a QoT tool based on GNPy. We show that the changes in the values of input parameters of the QoT model representing optical devices can explain the deviations and degradation in performance of such devices. We use reverse engineering to estimate the value of those parameters that explain the observed QoT. We show by simulation a large anticipation in soft-failure detection, localization and identification of degradation before affecting the network. Finally, for validating our approach, we experimentally observe the high accuracy in the estimation of the modeling parameters.
The second objective focuses on multilayer optical networks, where lightpaths are used to connect packet nodes thus creating virtual links (vLink). Specifically, we study how lightpaths can be managed to provide enough capacity to the packet layer without detrimental effects in their Quality of Service (QoS), like added delays or packet losses, and at the same time minimize energy consumption. Such management must be as autonomous as possible to minimize human intervention. We study the autonomous operation of optical connections based on digital subcarrier multiplexing (DSCM). We propose several solutions for the autonomous operation of DSCM systems. In particular, the combination of two modules running in the optical node and in the optical transponder activate and deactivate subcarriers to adapt the capacity of the optical connection to the upper layer packet traffic. The module running in the optical node is part of our Intent-based Networking (IBN) solution and implements prediction to anticipate traffic changes. Our comprehensive study demonstrates the feasibility of DSCM autonomous operation and shows large cost savings in terms of energy consumption. In addition, our study provides a guideline to help vendors and operators to adopt the proposed solutions.
The final objective targets at automating packet layer connections (PkC). Automating the capacity required by PkCs can bring further cost reduction to network operators, as it can limit the resources used at the optical layer. However, such automation requires careful design to avoid any QoS degradation, which would impact Service Level Agreement (SLA) in the case that the packet flow is related to some customer connection. We study autonomous packet flow capacity management. We apply RL techniques and propose a management lifecycle consisting of three different phases: 1) a self-tuned threshold-based approach for setting up the connection until enough data is collected, which enables understanding the traffic characteristics; 2) RL operation based on models pre-trained with generic traffic profiles; and 3) RL operation based on models trained with the observed traffic. We show that RL algorithms provide poor performance until they learn optimal policies, as well as when the traffic characteristics change over time. The proposed lifecycle provides remarkable performance from the starting of the connection and it shows the robustness while facing changes in traffic. The contribution is twofold: 1) and on the one hand, we propose a solution based on RL, which shows superior performance with respect to the solution based on prediction; and 2) because vLinks support packet connections, coordination between the intents of both layers is proposed. In this case, the actions taken by the individual PkCs are used by the vLink intent. The results show noticeable performance compared to independent vLink operation.

Esta tesis doctoral se centra en la operación autónoma y confiable de redes ópticas multicapa. El primer objetivo se centra en la fiabilidad de la red óptica y propone métodos para el análisis del estado relacionados con la degradación de la calidad de la transmisión (QoT). Dicha degradación se produce por fallos en dispositivos ópticos y fibras en las redes de transporte de los operadores que no causan el corte de la señal. Comparamos el QoT estimado y medido en el transpondedor óptico mediante el uso de una herramienta de QoT basada en GNPy. Mostramos que los cambios en los valores de los parámetros de entrada del modelo QoT que representan los dispositivos ópticos pueden explicar las desviaciones y la degradación en el rendimiento de dichos dispositivos. Usamos ingeniería inversa para estimar el valor de aquellos parámetros que explican el QoT observado. Mostramos, mediante simulación, una gran anticipación en la detección, localización e identificación de fallas leves antes de afectar la red. Finalmente, validamos nuestro método de forma experimental y comprobamos la alta precisión en la estimación de los parámetros de los modelos. El segundo objetivo se centra en las redes ópticas multicapa, donde se utilizan conexiones ópticas (lightpaths) para conectar nodos de paquetes creando así enlaces virtuales (vLink). Específicamente, estudiamos cómo se pueden gestionar los lightpaths para proporcionar suficiente capacidad a la capa de paquetes sin efectos perjudiciales en su calidad de servicio (QoS), como retrasos adicionales o pérdidas de paquetes, y al mismo tiempo minimizar el consumo de energía. Estudiamos el funcionamiento autónomo de conexiones ópticas basadas en multiplexación de subportadoras digitales (DSCM) y proponemos soluciones para su funcionamiento autónomo. En particular, la combinación de dos módulos que se ejecutan en el nodo óptico y en el transpondedor óptico activan y desactivan subportadoras para adaptar la capacidad de la conexión óptica al tráfico de paquetes. El módulo que se ejecuta en el nodo óptico implementa la predicción para anticipar los cambios de tráfico. Nuestro estudio demuestra la viabilidad de la operación autónoma de DSCM y muestra un gran ahorro de consumo de energía. El objetivo final es la automatización de conexiones de capa de paquete (PkC). La automatización de la capacidad requerida por las PkC puede generar una mayor reducción de costes, ya que puede limitar los recursos utilizados en la capa óptica. Sin embargo, dicha automatización requiere un diseño cuidadoso para evitar cualquier degradación de QoS, lo que afectaría acuerdos de nivel de servicio (SLA) en el caso de que el flujo de paquetes esté relacionado con alguna conexión del cliente. Estudiamos la gestión autónoma de la capacidad del flujo de paquetes. Aplicamos RL y proponemos un ciclo de vida de gestión con tres fases: 1) un enfoque basado en umbrales auto ajustados para configurar la conexión hasta que se recopilen suficientes datos, lo que permite comprender las características del tráfico; 2) operación RL basada en modelos pre-entrenados con perfiles de tráfico genéricos; y 3) operación de RL en base a modelos entrenados con el tránsito observado. Mostramos que los algoritmos de RL ofrecen un desempeño deficiente hasta que aprenden las políticas óptimas, así cuando las características del tráfico cambian con el tiempo. El ciclo de vida propuesto proporciona un rendimiento notable desde el inicio de la conexión y muestra la robustez frente a cambios en el tráfico. La contribución es doble: 1) proponemos una solución basada en RL que muestra un rendimiento superior que la solución basada en predicción; y 2) debido a que los vLinks admiten conexiones de paquetes, se propone la coordinación entre las intenciones de ambas capas. En este caso, la intención de vLink utiliza las acciones realizadas por los PkC individuales. Los resultados muestran un rendimiento notable en comparación con la operación independiente de vLink.