Optimisation de la protection des réseaux optiques de nouvelle génération

Routing and Protection in Flexible Optical Networks

• Auteur / Autrice : Min Ju
• Direction : Juan-Manuel Torres-Moreno, Fen Zhou, Shilin Xiao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 30/01/2018
• Etablissement(s) : Avignon en cotutelle avec Institut d'études avancées sur la culture européenne (Shanghai, Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et agrosciences (Avignon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire informatique d'Avignon
• Jury : Président / Présidente : Rami Langar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juan-Manuel Torres-Moreno, Fen Zhou, Shilin Xiao, Rami Langar, Bernard Cousin, Massimo Tornatore, Bogdan Uscumlic
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bernard Cousin, Massimo Tornatore

Mots clés

Mots clés contrôlés

Programmation linéaire

Métaheuristiques

Coût

Fibres optiques

Protection

Réseaux de diffraction

Mots clés libres

Protection avec p-cycles

Routes de secours

Réseaux optiques multidébit

Réseaux optiques élastiques

Génération de colonnes

Programmation linéaire en nombres entiers (PLNE)

Algorithmes heuristiques

P-Cycle protection

Path protection

Mixed line rate networks

Elastic optical networks

Column generation

MILP

Heuristic algorithm

Résumé

La tolérance aux pannes est une propriété très importante des réseaux optiques de nouvelle génération. Cette thèse aborde la conception des mécanismes de protection contre des pannes liées à la défaillance d’une fibre optique ou à une catastrophe naturelle. Deux systèmes de protection classiques, à savoir la protection par des cycles préconfigurés(p-cycles) et la protection du chemin de secours, sont étudiés pour atteindre une efficacité de protection élevée, tout en considérant le coût de l’équipement optique,la consommation d’énergie et l’utilisation de la ressource spectrale. Ces problèmes de survivabilité sont d’abord formulés en utilisant la programmation linéaire en nombres entiers (PLNE), et ensuite résolus soit par algorithmes heuristiques, soit par une approche de décomposition.La panne d’une seule fibre optique est le scénario le plus courant. Nous allons donc considérer d’abord des pannes liées à la défaillance d’une fibre optique dans les réseaux optiques multi-débit. Pour réduire le coût des transpondeurs, un système de protection par p-cycles de longueur adaptable et peu coûteux est proposé. Spécifiquement, les p cycles de longueur limitée sont conçus pour utiliser un débit approprié en fonction du coût du transpondeur et de la portée de transmission. Un modèle de programmation linéaire en nombres entiers (PLNE) sans énumération des cycles candidats est formulé pour générer directement les p-cycles de coût dépenses d’investissement minimum. De plus, un algorithme GPA (Graph Partitioning in Average) et un algorithme d’estimation des nombres de cycles (EI) sont développés pour rendre le modèle PLNE plus efficace au niveau du temps de calcul. En ce qui concerne la consommation d’énergie des réseaux optiques élastiques résilients,nous proposons d’utiliser un schéma de p-cycles dirigés, efficaces en énergie,pour protéger le trafic asymétrique. En raison de l’avantage de distinguer du volume de trafic dans les deux directions, les p-cycles dirigés consomment peu d’énergie en attribuant de créneaux ou slots du spectre et des formats de modulation différents à chaque direction.Un modèle PLNE est formulé pour minimiser la consommation d’énergie totale sous contraintes de génération du cycle dirigée, d’allocation de spectre, d’adaptation de modulation et de capacité de protection. Pour le passage à l’échelle, le modèle PLNE est décomposé en deux sous-problèmes: une méthode d’énumération de cycles améliorée et un modèle PLNE simplifié pour la sélection des cycles. Nous avons montré que les p-cycles dirigés obtiennent une meilleure performance comparant les p-cyclesiii non-dirigés pour le trafic asymétrique en termes de la consommation d’énergie et de l’utilisation du spectre.Afin d’améliorer l’efficacité d’utilisation du spectre dans réseaux optiques élastiques, une protection par p-cycles (SS-p-cycle) à spectre partagé est proposée. Les SS-p-cycles permettent de réduire l’utilisation du spectre et le taux de fragmentation spectrale en exploitant un partage de spectre spécial entre plusieurs p-cycles ayant des liens communs.Les modèles PLNE est conçus dans les cas ''sans'' ou ''avec'' conversion spectrale afin de minimiser l’utilisation du spectre. Ces modèles peuvent obtenir la solution optimale pour un petit réseaux optiques élastiques, et une heuristique efficace est développée pour résoudre les instances à grande échelle. Les résultats de simulations montrent que les SS-p-cycles ont des avantages significatifs pour réduire l’utilisation de la ressource spectrale et la défragmentation des fréquence. De plus, la conversion du spectre aide les SS-p-cycles à acquérir une meilleure utilisation du spectre.

Network survivability is a critical issue for optical networks to maintain resilience against network failures. This dissertation addresses several survivability design issues against single link failure and large-scale disaster failure in optical networks. Twoclassic protection schemes, namely pre-configured Cycles (p-Cycle) protection and path protection, are studied to achieve high protection capacity efficiency while taking intoaccount the equipment cost, power consumption and resource usage. These survivable network design problems are first formulated by mathematical models and then offered scalable solutions by heuristic algorithms or a decomposition approach.We first consider single link failure scenario. To cut the multi-line rates transponderscost in survivable Mixed-Line-Rate (MLR) optical networks, a distance-adaptive andlow Capital Expenditures (CAPEX) cost p-cycle protection scheme is proposed withoutcandidate cycle enumeration. Specifically, path-length-limited p-cycles are designed touse appropriate line rate depending on the transponder cost and transmission reach.A Mixed Integer Linear Programming (MILP) model is formulated to directly generate the optimal p-cycles with the minimum CAPEX cost. Additionally, Graph Partitioning in Average (GPA) algorithm and Estimation of cycle numbers (EI) algorithm are developed to make the proposed MILP model scalable, which are shown to be efficient.Regarding the power consumption in survivable Elastic Optical Networks (EONs),power-efficient directed p-cycle protection scheme for asymmetric traffic is proposed.Owing to the advantage of distinguishing traffic amount in two directions, directedp-cycles consume low power by allocating different Frequency Slots (FSs) and modulation formats for each direction. An MILP model is formulated to minimize total power consumption under constraints of directed cycle generation, spectrum assignment,modulation adaptation and protection capacity allocation. To increase the scalability, the MILP model is decomposed into an improved cycle enumeration and a simplified Integer Linear Programming (ILP) model. We have shown that the directedp-cycles out perform the undirected p-cycles in terms of power consumption and spectrum usage.In order to improve the spectrum usage efficiency in p-cycle protection, a SpectrumShared p-cycle (SS-p-cycle) protection is proposed for survivable EONs with and without spectrum conversion. SS-p-cycles permit to reduce spectrum usage and Spectrum Fragmentation Ratio (SFR) by leveraging potential spectrum sharing among multiplep-cycles that have common link(s). The ILP formulations are designed in both cases of with and without spectrum conversion to minimize the spectrum usage of SS-p-cycleswhich can obtain the optimal solution in small instance, and a time-efficient heuristic algorithm is developed to solve large-scale instances. Simulation results show that SSp-cycles have significant advantages on both spectrum allocation and defragmentation efficiency, and the spectrum conversion does help SS-p-cycle design to acquire better spectrum utilization.