Routage et Allocation de Spectre en Tenant Compte de l'Interférence de la Couche Physique dans les Réseaux Optiques Flexibles

Physical-Layer-Impairment-Aware Routing and Spectrum Allocation in Flexible Optical Networks

• Auteur / Autrice : Cao Chen
• Direction : Fen Zhou, Shilin Xiao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 12/10/2021
• Etablissement(s) : Avignon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 536 « Sciences et agrosciences » (Avignon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire informatique d'Avignon
• Jury : Président / Présidente : Ahmed Meddahi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvan Pointurier, Laurent Clavier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Lepers, Mario Pickavet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Câbles à fibres optiques

Détérioration

Couche physique (informatique)

Analyse radiostéréométrique

Routage (informatique)

Nanoparticules organiques fluorescentes

Réseaux de diffraction

Mots clés libres

Réseaux optiques flexibles (FONs)

Routage et allocation de ressource spectrale (RSA)

Altération de la couche physique (PLI)

Espacement des canaux

Optical Networks

Routing

Spectrum Assignment

Physical Layer Impairment

Channel Spacing

Résumé

La croissance constante du trafic Internet constitue un défi pour les réseaux de cœur actuels, nous motivant à tirer pleinement parti de l’équipement optique en place pour augmenter la capacité de transmission dans les réseaux optiques flexibles (FONs). Cependant, les paramétrages efficaces de réseau sont strictement et prudemment limités par des dégradations complexes de la couche physique (PLI). Ainsi, il est nécessaire d’établir un modèle d’estimation PLI approprié pour intégrer la prise en compte de ces paramètres de réseau pour exploiter la capacité potentielle. Dans cette perspective, nous établissons d’abord un modèle PLI. Un modèle PLI précis implique moins d’erreurs d’estimation des PLI subis et plus de chances d’utiliser le paramètre efficace. En particulier, l’interférence complexe entre les chemins optiques est modélisée sous forme de graphes non orientés, dans lesquels le nœud représente un chemin optique tandis que le lien entre les nœuds désigne l’interférence non linéaire ou la diaphonie des nœuds. En outre, la capacité réalisable et l’exigence de rapport signal sur bruit (SNR) d’un format de modulation (MF) et d’une correction d’erreur directe (FEC) donnés sont également évaluées afin que chaque chemin optique puisse utiliser les paramètres appropriés en fonction de ses PLI. En utilisant ce modèle PLI établi, nous réalisons trois études, qui visent à optimiser différents paramètres de la couche physique, tels que la bande passante du signal, l’espace entre des canaux, MF, FEC et la densité spectrale de puissance (PSD), ainsi que l’avantage de services élastiques. La première étude porte sur la maximisation des revenus en tirant parti des MF et FEC. Nous formulons un modèle de programmation linéaire en nombres entiers mixtes qui peut fournir le chemin optique incorporant à la fois les PLI sur les liens et au niveau des optiques nœuds. Les résultats de la simulation valident l’amélioration des revenus avec les paramètres optimisés. En outre, les résultats révèlent également que l’utilisation du MF adaptatif permet d’augmenter les revenus dans le scénario de SNR élevé, tandis que l’utilisation du FEC adaptatif est rentable pour les scénarios à faible SNR, ce qui élargit un nouvel aperçu des MF et des FEC. Dans la deuxième étude, nous étudions le gain de performances tout en optimisant le débit en bauds et l’espacement simultanément. En particulier, l’espacement des canaux est optimisé de manière peu complexe sans utiliser de bandes de garde candidates. Ensuite, l’amélioration des performances SNR d’une telle optimisation est convertie en débit du réseau en utilisant un algorithme de réglage de rétroaction itératif. Les résultats de la simulation vérifient l’amélioration de l’optimisation de l’espacement des canaux pour les charges de trafic faible et moyenne en termes de débit du réseau et de performances SNR, qui surpassent tous deux la stratégie d’espacement de canaux fixe existante. En outre, la stratégie d’espacement fixe des canaux n’est même pas compatible pour les réseaux avec une charge élevée. Ces résultats mettent en évidence le scénario d’application potentiel de l’optimisation de l’espacement des canaux et des débits en bauds flexibles dans les FONs. Dans la troisième étude, nous nous concentrons sur les performances de revenus lorsque le réseau prend en charge des services avec des débits, par exemple, acceptables avec un débit de 100%, 80% ou 50%, plutôt qu’un débit simplement 100%. Un modèle de programmation linéaire en nombres entiers et une méthode de décomposition sont proposés pour maximiser les revenus en résolvant le problème des sélections de débit du service, de route, de MF, de FEC, et de débit en bauds, ainsi que l’allocation de spectre.

The constant Internet traffic growth poses a challenge for the current backbone networks, motivating us to take full advantage of the incumbent optical equipment to increase the transmission capacity in flexible optical networks (FONs). However, the efficient network parameters are strictly and conservatively constrained by complex physical layer impairments (PLIs). Thus, it is required to establish a proper PLI estimation model to incorporate the consideration of these network parameters to exploit the potential capacity. From this perspective, we first establish a PLI model. An accurate PLI model implies less estimation error of the suffered PLIs and more chance of using the efficient parameter, thus we simultaneously incorporate the PLIs on links and at nodes to numerically reflect PLIs for the changes of different lightpaths. In particular, the complex interference between lightpaths is modeled as undirected graphs, in which the node represents a lightpath while the link between nodes denotes the nonlinear interference or node crosstalk. In addition, the achievable capacity and the signal-to-noise ratio (SNR) requirement of a given modulation format (MF) and Forward Error Correction (FEC) are also evaluated so that each lightpath can use appropriate parameters according to its experienced PLIs. By using this established PLI model, we carry out three studies, which investigate the benefit of optimizing different physical layer parameters, such as signal bandwidth, channel spacing, MF, FEC, and power spectral density(PSD), as well as the benefit of elastic services. The first study investigates the revenue maximization problem leveraging adaptive MFs and multiple FECs. We formulate a mixed-integer linear programming model that can provision the lightpath incorporating both the PLIs on links and at nodes. Simulation results validate the revenue improvement with the optimized parameters. Besides, the results also reveal that using adaptive MF enables to increase the revenue in the scenario of high SNR while using adaptive FEC is profitable for scenarios withlow SNR, which broadens a new insight of the MFs and FECs. In the second study, we investigate the performance gain when optimizing baudrate and channel spacing. More importantly, the channel spacing is optimized in a lowcomplexity way without using candidate guard bands. Then, the SNR performance improvement of such optimization is converted into network throughput by using an iterative feedback tuning algorithm. Simulation results verify the improvement of channel spacing optimization of low traffic and medium traffic loads in terms of network throughput and SNR performance, which both outperform the existing fixed channel spacing strategy. Besides, it is allowed for the proposed channel spacing strategy to be employed in the high traffic load scenario that is unable for the fixed channel spacing strategy. These findings highlight the potential application scenario of channel spacing optimization and flexible baud-rates in FONs. In the third study, we focus on the revenue performance when the network supports elastic services, e.g., acceptable with 100%, 80%, or 50%, rather than merely 100%. An integer linear programming model and a decomposition method are proposed to maximize the revenue by solving the service level, route, MF, FEC, baud-rate, spectrum assignment problem. In addition, we also investigate the suitable network reconfiguration strategy for accommodating elastic services in the scenario of incremental loads. To this end, we propose an auto-degrading scheme to trigger the spectrum tuning or rerouting in a high network traffic load. Using this scheme, we are able to determine the proper network reconfiguration strategies for a specified network when accommodating elastic services.