Στην συγκεκριμένη εργασία παρουσιάζεται ένα μοντέλο προσομοίωσης των Πολυμερών Οπτικών Ινών και συγκεκριμένα των GI-POF ικανό να υπολογίζει την κρουστική απόκριση και τη διασπορά των συγκεκριμένων ινών. Επίσης ακολουθούν προσομοιώσεις 2 απλών συστημάτων μετάδοσης μέσω POF με λέιζερ και φωτοδιόδους χιονοστοιβάδας και ένα πλήρες προσομοιωμένο σύστημα μετάδοσης 2 καναλιών με πολυπλεξία μήκους κύματος μέσω των POF. Σχολιάζονται τα αποτελέσματα και η δυνατότητα χρήσης των ινών στη δομή του δίκτυου Μετάδοσης Κινητής Τηλεφωνίας. Επίσης αναλύονται όλα τα πιθανά πρωτόκολλα για τοπικά οπτικά δίκτυα και όλες οι πληροφορίες για τις POF, τους κατάλληλους πομπούς και δέκτες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μελλοντικές εφαρμογές. / In the specific project it is presented a simulation model of Polymer Optical Fibers and especially of GI-POF capable of calculating the impulse response and the dispersion of the specific fibers. Also next, simulations were realised of 2 simple transmission systems via POF with laser and avalange photodiodes, and a complete simulated transmission system with 2 channels with Wavelegth Division Multiplexing via POF. Results are being discussed as also the possibility of POF use in structure of Transmission Network of Cellular Telephony. In addition, all available protocols for local optical networks are described and all necessary information about POF, suitable transmitters and receivers that can be used in future applications.

Η εργασία αυτή εχεις ως αντικείμενο την μελέτη και την κατασκευή ενός μετατροπέα συντονισμού για την οδήγηση ενός πιεζοηλεκτρικού κινητήρα οδεύοντος κύματος τύπου Ultrasonic. Αρχικά γίνεται μια θεωρητική αναφορά στους πιεζοηλεκτικούς κινητήρες και τους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος ενώ ακολουθεί η προσομοίωση του μετατροπέα στο Pspice. Ακολούθως αναλύεται η διαδικασία της κατασκευής και ακολουθούν τα πειραματικά αποτελέσματα καθώς και τα συμπεράσματα που λάβαμε. / In this thesis someone can find about designing and manufacturing a resonant inverter in order to control a piezoelectric traveling wave ultrasonic motor. In the first chapters someone can read about the piezoelectric phenomenon, piezoelectric motors and about electronic converters which control the velocity of motors. Next there is a presentation of the Pspice simulation model and results. Furthermore there is the manufacturing procedure of the inverter and at the end there are the results and conclusion of the thesis.

Ο πιο σύγχρονος και περισσότερα υποσχόμενος τύπος οπτικών δικτύων, είναι τα οπτικά δίκτυα πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing – WDM). Τα δίκτυα αυτά διαθέτουν τεράστια χωρητικότητα και αναμένεται να αποτελέσουν τα μελλοντικά δίκτυα κορμού για τη μεταφορά μεγάλου όγκου δεδομένων. Η πλήρης αξιοποίηση της χωρητικότητας των WDM δικτύων, όμως, απαιτεί την επίλυση ειδικών θεμάτων που σχετίζονται µε τις ιδιαιτερότητες και τη φύση των WDM οπτικών δικτύων. Το σημαντικότερο ίσως από αυτά είναι το πρόβλημα της δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Routing and Wavelength Assignment – RWA), πάνω στο οποίο έχει αναπτυχθεί έντονη ερευνητική δραστηριότητα τα τελευταία χρόνια, το οποίο είναι NP-πλήρες. Ένα άλλο θέμα που χρήζει ιδιαίτερης προσοχής είναι οι εξασθενήσεις που υφίσταται ένα σήμα μέσα στο οπτικό δίκτυο. Όταν λοιπόν κάποιο σήμα διαδίδεται κατά μήκος ενός οπτικού μονοπατιού πέφτει η ποιότητα του εξαιτίας των φυσικών επιδράσεων που δέχεται. Οι φυσικές επιδράσεις κατά κανόνα μειώνουν τον λόγο σήματος προς θόρυβο (SNR), με αποτέλεσμα να αυξηθεί σημαντικά και η συχνότητα εμφάνισης λαθών (BER) στον κόμβο προορισμού. Αν η παραπάνω συχνότητα εμφάνισης λαθών είναι μεγαλύτερη από ένα καθορισμένο όριο, τότε το αίτημα δρομολόγησης θα πρέπει να απορριφθεί. Επομένως κατά την επίλυση του RWA προβλήματος θα πρέπει να ληφθούν υπόψη οι επιδράσεις που προκαλούνται στο σήμα λόγω των φυσικών χαρακτηριστικών του δικτύου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία έχει υλοποιηθεί ένας αλγόριθμος για την επίλυση του στατικού RWA, που βασίζεται στην μοντελοποίηση ενός γραμμικού προβλήματος (Linear Programming – LP). Κατά την μοντελοποίηση λαμβάνονται υπόψη οι πιο σημαντικές επιδράσεις, όπως η χρωματική διασπορά (Chromatic Dispersion – CD), η διασπορά τρόπου πόλωσης (Polarization Mode Dispersion – PMD), η ενισχυμένη αυθόρμητη εκπομπή (Amplifier Spontaneous Emission – ASE) και η αλληλεπίδραση γειτονικών καναλιών (crosstalk). Η επίδραση των τριών πρώτων παραμέτρων εξαρτάται αποκλειστικά από τα χαρακτηριστικά των συνδέσμων και μοντελοποιούνται σύμφωνα με αναλυτικούς τύπους, ενώ η επίδραση του crosstalk εξαρτάται από τον αριθμό των οπτικών μονοπατιών που διατρέχουν ένα σύνδεσμο. Προτείνεται επίσης μία συνάρτηση βελτιστοποίησης ώστε να προκύπτουν ακέραιες λύσεις με πολύ μεγάλη πιθανότητα από την επίλυση του LP (Linear Program) προβλήματος. Αυτός ο αλγόριθμος εφαρμόζεται σε ένα μητροπολιτικό δίκτυο και λαμβάνονται συγκριτικά αποτελέσματα για διάφορες παραμέτρους των φυσικών στοιχείων του δικτύου. / Wavelength division multiplexing (WDM) is a promising technology for faster and more reliable data communication networks. In a WDM network several optical signals are sent on the same fiber using different wavelength channels. Multiple WDM channels from different end users may be multiplexed on the same fiber. Traditionally only a small fraction of the fiber capacity is in use, but by using WDM it is possible to exploit this huge capacity more efficiently. Under WDM, the optical transmission spectrum is curved up into a number of non-overlapping wavelength bands, with each wavelength supporting a single communication channel operating at whatever rate one desires. WDM technology has been recognized as one of the key components of the future networks. Routing and wavelength assignment (RWA) is a crucial issue for WDM optical network designers. In wavelength routed WDM optical networks connections between terminal stations are established through the use of lightpaths. Given a WDM optical topology and a set of connection requests between pairs of source-destination terminal nodes, the problem of how to route all the lightpaths simultaneously, one per connection, and which wavelength should be assigned to each one of them, subject to minimizing network resources or maximizing traffic characteristics, arises; this is known as the Routing and Wavelength Assignment problem RWA. In transparent networks, the signal quality is subject to a variety of physical impairments, such as polarization mode dispersion (PMD), amplified spontaneous emission (ASE) noise and chromatic dispersion (CD) and crosstalk. These impairments are linearly modeled and handled effectively by a set of analytical formulas as additional constraints on RWA. We apply our algorithm to perform impairment-constraint based RWA, in order to obtain comparative results of a typical metropolitan network's performance under various network and impairment parameters, such as bit rate, amplifier gain and type, modulation format used, etc.

Η αλματώδης ανάπτυξη που παρατηρείται τα τελευταία χρόνια στον τομέα των οπτικών δικτύων τηλεπικοινωνιών, έχει ως συνέπεια την αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας. Σήμερα υπολογίζεται ότι η ενέργεια που οφείλεται σε IT τεχνολογίες αποτελεί το 1%-2% της παγκόσμιας κατανάλωσης. Ωστόσο, τα ποσοστά αυτά αναμένεται να αυξηθούν δραματικά μιας και όλο και περισσότερες εφαρμογές, που απαιτούν μεγάλο εύρος ζώνης (π.χ. video streaming, HDTV), αναπτύσσονται ταχύτατα. Μέχρι πρόσφατα ο κύριος περιορισμός στην ανάπτυξη των δικτύων ήταν το κόστος εξοπλισμού και μετάδοσης. Σήμερα το μεγαλύτερο πρόβλημα είναι η όλο και αυξανόμενη κατανάλωση ενέργειας. Έτσι λοιπόν πιο energy-aware προσεγγίσεις για το σχεδιασμό, την υλοποίηση και τη λειτουργία των οπτικών δικτύων κρίνονται πλέον απαραίτητες. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος της κατανάλωσης ενέργειας σε οπτικά δίκτυα υπάρχουν δυο προσεγγίσεις: η ανάπτυξη ενεργο-αποδοτικών συσκευών δικτύου ή η ανάπτυξη αλγορίθμων δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (RWA) που να λαμβάνουν υπόψη τους και την ενέργεια που καταναλώνει το δίκτυο. Στην παρούσα διπλωματική εργασία επιλέχθηκε η δεύτερη προσέγγιση όπου και αναπτύχθηκαν Energy Aware RWA αλγόριθμοι για τον σχεδιασμό WDM οπτικών δικτύων με στόχο την ελαχιστοποίηση της ενέργειας που καταναλώνεται. Αυτό επιτυγχάνεται μειώνοντας τον αριθμό των συσκευών του δικτύου, όπως αναγεννητές, ενισχυτές, add/drop τερματικά κ.τ.λ. που είναι γνωστό ότι καταναλώνουν αρκετή ενέργεια κατά τη λειτουργία τους. Αρχικά αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος σε Ακέραιο Γραμμικό Ακέραιο Προγραμματισμό (Integer Linear Programming - ILP) που ελαχιστοποιεί από κοινού όλες εκείνες τις συσκευές του δικτύου που καταναλώνουν ενέργεια. Έπειτα το πρόβλημα χωρίζεται σε δυο υπο-προβλήματα: την κατανομή αναγεννητών σε κόμβους του δικτύου όπου η αναγέννηση είναι απαραίτητη και στο Energy Aware RWA. Σε αυτή τη περίπτωση εκτός από ILP προγραμματισμό εφαρμόζεται επίσης και χαλάρωση των περιορισμών ακεραιότητας (LP προγραμματισμός) ώστε να μπορούν να προκύψουν λύσεις και για μεγαλύτερες τοπολογίες. Για τον υπολογισμό της απόδοσης των προτεινόμενων αλγορίθμων διεξάγονται μια σειρά από πειράματα εξομοιώσεων σε Matlab, με τη βοήθεια του LINDO API για την επίλυση των (I)LP προβλημάτων σε ένα μικρό δίκτυο αλλά και στο ευρωπαϊκό δίκτυο Geant-2. Oι προτεινόμενοι αλγόριθμοι συγκρίνονται με τυπικούς RWA αλγορίθμους που δεν λαμβάνουν υπόψη την ενέργεια ή ελαχιστοποιούν κάποιες από τις συνιστώσες του δικτύου. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η κατανάλωση της ενέργειας του δικτύου μπορεί να μειωθεί μέχρι και 45% σε δίκτυο με συνδέσμους μονής ίνας και μέχρι και 65% σε συνδέσμους διπλής ίνας. / The continuing deployment and upgrade of optical telecommunication networks drive up power and energy consumption, in a way that makes operators worry that future energy consumption levels may pose constraints on communications growth that are more significant than those posed by bandwidth considerations. As community concerns about global energy consumption grow, the power consumption of the optical networks is becoming an issue of increasing importance. Even though energy consumption of IT-related infrastructure currently represents between 1% and 2% of global energy consumption, such values are destined to rise, as more bandwidth-hungry applications (such as video streaming, and HDTV in particular) continue to be developed. Thus, it seems that an energy-aware approach is increasingly needed during the design, implementation and operation of optical networks. Two different approaches can be explored to reduce energy consumption in optical networks: the improvement of the energy efficiency of the equipment and the energy awareness of the Routing and Wavelengths Assignment (RWA) algorithms. In this work the energy minimization problem in optical networks is considered from an algorithmic perspective. The objective of the proposed algorithms is to plan optical WDM networks so as to minimize the energy consumed, by minimizing the number of the most energy-consuming components. Such components can be amplifiers, regenerators, add/drop terminals, optical fibers, etc. Firstly an Integer Linear Programming (ILP) formulation is given that aims at jointly minimizing the energy consuming modules present in an optical network, such as the regenerators, amplifiers, wavelength selective switches, etc. Then the problem for a general (translucent network) is decomposed into a regeneration placement problem, and an energy-aware RWA for transparent networks problem, where again ILP formulations are given to minimize energy consumption. The ILP of the decomposed problem is solved as an LP problem, by relaxing the integer constraints, in order to obtain solutions for larger network topologies. In order to evaluate the performance of the proposed Energy Aware (EA)-RWA algorithms a number of simulation experiments is carried out. All the RWA algorithms are implemented in Matlab and LINDO API is used to solve the corresponding (I)LP problems. The proposed algorithms are compared with RWA algorithms that do not consider energy minimization techniques or RWA algorithms that partially take into account energy consuming components. The simulation results showed that the energy consumption in the optical layer can be reduced by up to 45% in single fiber networks and by up to 65% in multi-fiber networks.

Η παρούσα διατριβή στοχεύει στη μελέτη, μέσω αριθμητικής προσομοίωσης, της διόδευσης του πλημμυρικού κύματος λόγω αστοχίας του φράγματος Αστερίου. Το εν λόγω φράγμα κατασκευάζεται επί του ποταμού Παραπείρου στο νομό Αχαΐας με σκοπό την υδροδότηση της Πάτρας, της Βιομηχανικής Περιοχής (ΒΙ.ΠΕ.) Πατρών και γενικά της βορειοδυτικής Αχαΐας. Η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε με χρήση του εμπορικού λογισμικού MIKE 11. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει την ταυτόχρονη προσομοίωση αστοχίας φράγματος, μέσω αριθμητικού μοντέλου βασιζόμενου στην εξίσωση ενέργειας, και διόδευσης πλημμυρικού κύματος σε ανοικτό αγωγό, μέσω αριθμητικής επίλυσης των εξισώσεων Saint-Venant (μονοδιάστατη ροή κατά μήκος ανοικτού αγωγού). Η επίλυση των εξισώσεων βασίζεται σε άρρητο σχήμα πεπερασμένων διαφορών έξι σημείων. Η μονοδιάστατη διακριτοποίηση και δημιουργία αριθμητικού πλέγματος κατά μήκος της κύριας μισγάγκειας του συστήματος των ποταμών Παραπείρου - Πείρου και η δισδιάστατη διακριτοποίηση των διατομών στους σχετικούς κόμβους του πλέγματος βασίστηκαν σε δεδομένα από την ψηφιοποίηση χαρτών Γ.Υ.Σ. σε κλίμακα 1:5.000. Άλλα δεδομένα εισαγωγής του λογισμικού είναι τα χαρακτηριστικά του ρήγματος κατά την αστοχία του φράγματος, όπου επιλέγεται η περίπτωση ακαριαίας δημιουργίας ρήγματος ως η δυσμενέστερη για την επίπτωση του πλημμυρικού κύματος στα κατάντη, οι σχετικές οριακές συνθήκες και οι παράμετροι των αριθμητικών μοντέλων. Σύμφωνα με τη διεθνή πρακτική εξετάσθηκαν δύο πιθανά ενδεχόμενα αστοχίας του φράγματος: (α) με ταυτόχρονη ροή της μέγιστης παροχής σχεδιασμού του υπερχειλιστή του φράγματος (Σενάριο Μέγιστης Παροχής) και (β) με μηδενική παροχή (Σενάριο Ηλιόλουστης Ημέρας). Ο ταμιευτήρας του φράγματος θεωρήθηκε πλήρης, με στάθμη ύδατος τη μέγιστη δυνατή. Επίσης, εξετάσθηκε η επίδραση δύο αριθμητικών μοντέλων συμπεριφοράς της ροής στο ρήγμα του φράγματος και τριών τιμών αριθμού Manning για τις απώλειες λόγω τριβής πυθμένα. Τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν τη χωρική και χρονική κατανομή της στάθμης του ύδατος κατάντη του φράγματος, το χρόνο άφιξης του πλημμυρικού κύματος και τη μέγιστη στάθμη ύδατος σε δεδομένες κρίσιμες θέσεις (οικισμοί, ΒΙ.ΠΕ. Πατρών και γέφυρες) του πλημμυρικού πεδίου. Παρατηρείται ότι στη ρεαλιστικότερη περίπτωση, το πλημμυρικό κύμα φθάνει στην ακτή σε χρόνο περίπου μίας ώρας, ενώ, ακόμα και στη δυσμενέστερη περίπτωση, η μέγιστη στάθμη του ύδατος δεν απειλεί τον κύριο οικοδομικό ιστό των οικισμών κατά μήκος του πλημμυρικού πεδίου και της ΒΙ.ΠΕ. Πατρών. / -

Κατά την διάδοση του σήματος στα οπτικά δίκτυα η ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος εξασθενεί λόγω των διαφόρων ειδών απωλειών που υπεισέρχονται κατά τη μετάδοση. Οι κυριότερες εξ’ αυτών είναι: ο θόρυβος λόγω των οπτικών ενισχυτών, η διαφωνία, η χρωματική διασπορά, η διασπορά τρόπων πόλωσης, η μείξη τεσσάρων κυμάτων, η αυτοδιαμόρφωση φάσης κτλ. Προκειμένου να επιτευχθεί αποδεκτή ποιότητα λαμβανόμενου σήματος στον δέκτη είναι απαραίτητη, ιδιαίτερα για μεγάλα μονοπάτια, η χρήση οπτικών 3R αναγεννητών σε κάποιους ενδιάμεσους κόμβους για την περιοδική αναμετάδοση του σήματος. Στην παρούσα διπλωματική εργασία σχεδιάζονται και υλοποιούνται στατικοί αλγόριθμοι δρομολόγησης και ανάθεσης μηκών κύματος για ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα. Συγκεκριμένα, θεωρώντας μια δικτυακή τοπολογία, έναν αριθμό διαθέσιμων μηκών κύματος, μια μήτρα κίνησης και μια (αραιή) τοπολογία 3R αναγεννητών για το εξεταζόμενο δίκτυο (ή εκφράζοντάς το διαφορετικά έναν αριθμό ελεύθερων πομποδεκτών για κάθε κόμβο του δικτύου) επιχειρείται η μεγιστοποίηση του αριθμού των συνδέσεων που μπορούν να επιτευχθούν, διατηρώντας παράλληλα την επιθυμητή ποιότητα μετάδοσης. Έτσι, το πρόβλημα της επιλογής της ακολουθίας των αναγεννητών μέσα από τους οποίους θα δρομολογηθεί η κάθε αδιαφανής αίτηση σύνδεσης, μοντελοποιείται σαν ένα πρόβλημα εικονικής τοπολογίας (virtual topology problem). Στην συνέχεια το πρόβλημα αυτό επιλύεται με τη βοήθεια μιας σειράς αλγορίθμων από πολύπλοκους που βασίζονται σε σχηματισμούς ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού (Integer Linear Programming – ILP) έως απλούστερους αλλά πάντα πρακτικούς ως προς την εύρεση λύσης, ευριστικούς αλγόριθμους. Ύστερα από την επιλογή της ακολουθίας των χρησιμοποιούμενων αναγεννητών για κάθε αδιαφανή αίτηση σύνδεσης, η μήτρα κίνησης μετασχηματίζεται σε μια ισοδύναμη διαφανή, όπου κάθε αδιαφανής αίτηση έχει αντικατασταθεί από μια σειρά διαφανών συνδέσεων που τερματίζουν και ξεκινούν από τους συγκεκριμένους 3R κόμβους αναγέννησης. Ακολούθως, εφαρμόζεται ένας διαφανής IA-RWA αλγόριθμος για τη μετασχηματισμένη μήτρα κίνησης, ενώ τυχόν συνδέσεις που μποκάρονται ύστερα από την εφαρμογή του διαφανή αλγορίθμου επαναδρομολογούνται χρησιμοποιώντας τους υπολοιπόμενους αναγεννητές. Η Ποιότητα Μετάδοσης (Quality of Transmission QoT) των δημιουργουμένων lightpaths υπολογίζεται με τη βοήθεια ενός εκτιμητή της παραμέτρου Q του κάθε lightpath. Για την μοντελοποίηση των φυσικών περιορισμών του δικτύου χρησιμοποιούνται αναλυτικές φόρμουλες. Η απόδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου υπολογίστηκε διεξάγοντας εξομοιώσεις για μια παραλλαγή του DTnet δικτύου εισάγοντας τη μοναδιαία μήτρα κίνησης. Η απόδοση του αλγορίθμου κρίνεται ικανοποιητική όχι μόνο για μεσαία, αλλά και για μεγάλης κλίμακας δίκτυα παρέχοντας βέλτιστες λύσεις. Το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου εκτέλεσης του αλγορίθμου, οφείλεται στον υπολογισμό του διαφανούς IA-RWA αλγόριθμου της δεύτερης φάσης. Σχετικά με την απόδοση των εξεταζόμενων αλγορίθμων της πρώτης φάσης, φαίνεται ότι ο αλγόριθμος που παρουσιάζει τα καλύτερα αποτελέσματα είναι αυτός που ελαχιστοποιεί τον μέγιστο αριθμό των χρησιμοποιούμενων αναγεννητών μεταξύ των διαφορετικών κόμβων αναγέννησης του σήματος. / Physical impairments in optical fiber transmission necessitate the use of regeneration at certain intermediate nodes, at least for certain lengthy lightpaths. We design and implement impairment-aware algorithms for routing and wavelength assignment (IA-RWA) in translucent optical networks. We focus on the offline version of the problem, where we are given a network topology, the available wavelengths, a traffic matrix and a (sparse) placement of 3R regenerators in the network (or, in a slightly different setting, the number of available transceivers at each network switch), and we aim at maximizing the number of connections served with adequate quality of transmission. We formulate the problem of choosing the sequence of regenerators to be used by non-transparent connections as a virtual topology design problem, and address it using various algorithms, ranging from an integer linear program (ILP) to simple heuristic algorithms. Once the sequence of regenerators to be used has been determined, we transform the traffic matrix by replacing non-transparent connections with a sequence of transparent connections that terminate and begin at the specified 3R intermediate nodes. Using the transformed matrix we then apply an IA-RWA algorithm designed for transparent (as opposed to translucent) networks to route the traffic. Connections that are blocked are re-routed using any remaining regenerator(s).

Στα δίκτυα επικοινωνιών, η δρομολόγηση περιλαμβάνει τον προσδιορισμό μιας πορείας μεταξύ των κόμβων της πηγής και του προορισμού για κάθε αίτημα σύνδεσης. Στρέφουμε την προσοχή μας στην κατηγορία των διαφανών (transparent) οπτικών δικτύων όπου, σε απάντηση σε ένα δεδομένο αίτημα κλήσης, εγκαθιδρύεται μια circuit-switched σύνδεση μεταξύ του κόμβου που έχει την απαίτηση κλήσης (πηγή) και του κόμβου που λαμβάνει αυτή την κλήση (προορισμός) σε ένα ενιαίο μήκος κύματος, υπό τον όρο ότι ένα ελεύθερο μήκος κύματος είναι διαθέσιμο σε όλους τους ενδιάμεσου συνδέσμους. Σε ένα διαφανές οπτικό δίκτυο που δρομολογείται βάσει του μήκους κύματος (wavelength routed), η πληροφορία μιας σύνδεσης μεταδίδεται πάνω από αμιγώς οπτικά μονοπάτια (lightpaths) στα οποία το μεταδιδόμενο σήμα παραμένει στο οπτικό πεδίο καθ’ όλη τη διάρκεια της διαδρομής που ορίζεται ανάμεσα στην πηγή και τον προορισμό. Οι παραδοσιακές προσεγγίσεις δρομολόγησης βρίσκουν μια πορεία που είτε ελαχιστοποιεί μια ορισμένη παράμετρο κόστους - όπως το μήκος της σύνδεσης ή των πόρων του δικτύων που χρησιμοποιούνται - ή μεγιστοποιούν την κυκλοφορία που εξυπηρετείται και καλούνται αλγόριθμοι Δρομολόγησης και Ανάθεσης Μήκους Κύματος (Routing and Wavelength Assignment - RWA). Το RWA πρόβλημα εξετάζεται συνήθως κάτω από δύο εναλλακτικές τοποθετήσεις. Η Στατική ή Offline εγκαθίδρυση lightpath που εξετάζει την περίπτωση όπου το σύνολο των συνδέσεων είναι γνωστό εκ των προτέρων και εξυπηρετείται από κοινού. Η Δυναμική ή Online εγκαθίδρυση lightpath εξετάζει την περίπτωση όπου τα αιτήματα σύνδεσης φθάνουν τυχαία χρονικές περιπτώσεις και εξυπηρετούνται ένα προς ένα. Σε αυτήν την μελέτη θα εστιάσουμε στο Online RWA πρόβλημα. Οι περισσότεροι από τους RWA αλγορίθμους υποθέτουν λειτουργία σε ιδανικό φυσικό επίπεδο μετάδοσης όπου μόλις προσδιοριστεί μια διαθέσιμη πορεία και ένα μήκος κύματος, η σύνδεση είναι εφικτή. Όμως στα διαφανή οπτικά δίκτυα, η ποιότητα του σήματος υποβαθμίζεται λόγω εξασθενίσεων (impairments) στο φυσικό επίπεδο που κάνει αδύνατη τη δρομολόγηση (physical-layer blocking). Ως εκ τούτου, απαιτούνται αλγόριθμοι δρομολόγησης που να λαμβάνουν υπ’ όψιν τους περιορισμούς εξασθένισης (impairment aware RWA) προκειμένου να εξασφαλιστεί το γεγονός ότι οι συνδέσεις είναι εφικτές αλλά και με ικανοποιητική ποιότητα μετάδοσης (Quality of Transmission - QoT). Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητο να συνυπολογιστούν τόσο η κατάσταση του δικτύου όσο και η φυσική απόδοση της σύνδεσης. Σε ένα οπτικό δίκτυο που δρομολογείται βάσει του μήκους κύματος το οποίο εκτείνεται σε μεγάλη γεωγραφική περιοχή, ένα οπτικό σήμα μπορεί να μεταβεί σε διάφορους ενδιάμεσους κόμβους και μεγάλα τμήματα ινών. Οι προοδευτικά αυξανόμενες απώλειες του σήματος σε όλους τους ενδιάμεσους κόμβους και τα μεγάλα τμήματα ινών απαιτούν τη χρήση οπτικών ενισχυτών σε στρατηγικές θέσεις στο δίκτυο, ενδεχομένως σε κάθε κόμβο και μέσα στις ίνες, αλλά και Optical Cross Connect Switches (OXC). Δυστυχώς, οι ενισχυτές και οι OXC μπορεί να εισάγουν σημαντικές εξασθενίσεις στη μετάδοση, όπως η παραγωγή crosstalk, ενισχυμένου αυθόρμητου θορύβου (Amplified Spontaneous Emission - ASE), κορεσμού και εξάρτησης από το μήκος κύματος του κέρδους των ενισχυτών, που κάνει το κέρδος μια ποσότητα μη ντετερμινιστική και εξαρτώμενη από την κυκλοφορία της πληροφορίας. Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι να προσδιοριστεί αυτή η σχέση εξάρτησης μεταξύ του κέρδους των ενισχυτών και του μήκους κύματος που χρησιμοποιείται για την εξυπηρέτηση της απαίτησης από τον κόμβο πηγής στον κόμβο προορισμού. Πιο συγκεκριμένα, το κέρδος, με το οποίο ενισχύεται το σήμα κατά τη μετάδοσή του, εξαρτάται από το την ισχύ εισόδου του ενισχυτή, δηλαδή το πλήθος των μηκών κύματος που μπορεί να ενισχύσει ο εκάστοτε ενισχυτής. Επομένως, θέλουμε οι αλλαγές στα κέρδη των ενισχυτών ανάλογα με τo πλήθος των μηκών κύματος που χρησιμοποιούνται σε κάθε κόμβο να συνυπολογίζονται κατά τη διάρκεια εύρεσης των μονοπατιών και της δρομολόγησης των αιτήσεων. Για την επίτευξη αυτού δημιουργήθηκε μια επέκταση ενός ήδη υπάρχοντος αλγορίθμου δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος πολλαπλών κριτηρίων (Multicost Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment – IA-RWA) που λαμβάνει υπ’ όψιν του εκτός από τις εξασθενίσεις από το φυσικό επίπεδο κατά τη μετάδοση και τις αλλαγές στα κέρδη των ενισχυτών. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος ονομάζεται αλγόριθμος δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος πολλαπλών κριτηρίων με περιορισμούς ισχύος (Multicost Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment with Power Constraints – IA-RWA with Power Constraints). Για την εξυπηρέτηση μιας σύνδεσης, βρίσκει μια πορεία και ένα ελεύθερο μήκος κύματος, που να μην επηρεάζει αρνητικά το κέρδος των ενισχυτών της πορείας αυτής, ώστε να έχει αποδεκτή ποιότητα μετάδοσης, βάσει του τρέχοντος βαθμού χρήσης (utilization) του δικτύου, που αλλάζει όσο νέες συνδέσεις εγκαθιδρύονται ή απελευθερώνονται. Ο IA-RWA with Power Constraints αλγόριθμος ακολουθεί τις ίδιες δυο φάσεις ανάπτυξης για την ανάθεση και δρομολόγηση με τον IA-RWA αλγόριθμο. Στην πρώτη φάση, ο αλγόριθμος βρίσκει το σύνολο των επιτρεπτών για την απαιτούμενη QoT πορειών από τη δεδομένη πηγή σε όλους τους κόμβους του δικτύου, συμπεριλαμβανομένου και του προορισμού. Στη δεύτερη φάση, εφαρμόζεται μια συνάρτηση βελτιστοποίησης στο διάνυσμα δαπανών (cost vector) των πορειών, που είναι αυτό που θα πρέπει να κρατά πληροφορίες σχετικές με τις αλλαγές στα κέρδη των ενισχυτών, προκειμένου να βρεθεί η βέλτιστη λύση. Η προσθήκη που επιτυγχάνει το σκοπό μας είναι ο υπολογισμός του κέρδους των ενισχυτών σε όλους τους συνδέσμου του δικτύου πριν την πρώτη φάση του αλγορίθμου αλλά στο τέλος της δεύτερης, όπου εκεί γίνεται ουσιαστικά ένας έλεγχος για τον τρόπο με τον οποίο επηρεάζει η εγκαθίδρυση της νέας αίτησης τις ήδη υπάρχουσες. Με απώτερο στόχο στην περίπτωση της μείωσης του QoT τη φραγή (blocking) ή την επαναδρομολόγηση (rerouting) της αίτησης. Στα Κεφάλαια που θα ακολουθήσουν θα γίνει μια εκτενής παρουσίαση όλων των στοιχείων που συνθέτουν το Online RWA πρόβλημα. Στο Κεφάλαιο 1 θα αναπτυχθεί η τεχνική της Πολυπλεξίας με Διαίρεση Μήκους Κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM), στο Κεφάλαιο 2 θα περιγραφούν οι φυσικές εξασθενίσεις που συνυπολογίζονται κατά τη διαδικασία της δρομολόγηση και ανάθεσης μήκους κύματος. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι οπτικοί ενισχυτές και ο τρόπος λειτουργίας τους. Στο Κεφάλαιο 4 αναλύουμε τους παράγοντες που βοηθούν στον υπολογισμό της ποιότητας μετάδοσης της πληροφορίας. Τέλος, στα Κεφάλαια 5 και 6 γίνεται η ανάλυση του RWA προβλήματος, του αλγορίθμου που αναπτύχθηκε αλλά και ανάπτυξη των πειραματικών αποτελεσμάτων. / In communication networks, routing involves the identification of a path between the source and destination nodes for each connection request. We focus our attention on the class of transparent optical networks wherein, in response to a given call request, a circuit-switched connection is established between the calling (source) and the called (destination) nodes on a single wavelength, provided a free wavelength is available over the desired lightpath. In a transparent wavelength-routed optical network, the information of connection is transmitted above purely optical paths (lightpaths) in which any transmitted signal remains in the optical domain over the entire route assigned to it between its source and destination nodes. Traditional routing approaches find a path that either minimizes a certain cost parameter - such as the length of the connection or the network resources used – or maximize the traffic served and are called Routing and Wavelength Assignment (RWA) algorithms. The RWA problem is usually considered under two alternative settings. Static or Offline lightpath establishment addresses the case where the set of connections is known in advance and are jointly served. Dynamic or Online lightpath establishment considers the case where connection requests arrive at random time instances and are served on a one-by-one basis. In this study we will focus on the online RWA problem. Most of the RWA algorithms assume an ideal physical layer transmission that once an available path and wavelength have been identified, the connection is feasible. However, in all-optical transparent network, the quality of the signal degrades due to physical layer impairments which make routing unfeasible (physical-layer blocking). Hence, impairment-constraint-based routing is needed in order to ensure that the connections are feasible with acceptable Quality of Transmission (QoT). To do this, it is necessary to consider not only the network-level conditions but also the equally important physical performance of the connection. In a wavelength-routed optical network spanning a large geographical area, an optical signal may traverse a number of intermediate nodes and long fibre segments. The progressive losses incurred by the signal in all intermediate nodes and long fibre segments necessitate the use of optical amplifiers at strategic locations in the network, possibly at each node and within the fibre segments, and optical cross connect switch (XCS). Unfortunately, the XCS and the amplifiers may introduce significant transmission impairments, such as crosstalk generation, generation of amplified spontaneous emission (ASE) noise, saturation and wavelength dependence of amplifiers gain, making the gain a traffic-dependent nondeterministic quantity. Aim of particular work is to determine this relation of dependence between the amplifiers’ gain and the wavelength that is used to serve the request from the source node to the destination node. More concretely, this gain, with which is amplifies the transmission signal, depends on the input power of the amplifiers. Consequently, we want the changes of the amplifiers’ gain, which depend on the number of wavelengths that are used in each node, to be taken into account when requests are routed. For the achievement of this, we created an extension of the Multicost Impairment-Aware Routing and Wavelength Assignment algorithm (IA-RWA) that takes under consideration, apart from the impairments on the physical layer during transmission, the changes of the amplifiers’ gain. The proposed algorithm is called Multicost Impairment Aware Routing and Wavelength Assignment with Power Constraints (IA-RWA with Power Constraints). To serve a connection, the algorithm finds a path and a free wavelength, which does not degrade the amplifier gain of the chosen path, so as to have acceptable quality of transmission (QoT) performance according to the current utilization of the network, which changes as new connections are established or released. The IA-RWA with Power Constraints algorithm follows the same two phases for the routing and wavelength assignment with the IA-RWA algorithm. In the first phase, the algorithm finds the total number of paths with the required QoT, from the given source to all nodes of the network, included the destination. In the second phase, is applied an optimization function in the cost vector of the paths so as to find the most optimal solution. The addition that achieves our aim is the calculation of amplifiers’ gain in all nodes of the network before the first phase of algorithm but also and at the end of the second phase, where substantially checks the way that the establishment of new request influences the already existing. With final objective the blocking of the new connection in the case where the QoT is reduced or the rerouting of the request. In the following Chapters there will be an extensive presentation of all elements that compose Online RWA problem. In Chapter 1 will be developed the technique of Wavelength Division Multiplexing (WDM), in Chapter 2 will be described the physical impairments that are taken under consideration in routing and wavelength assignment procedure. In Chapter 3 are presented the optical amplifiers and their operation. In Chapter 4 we analyze the factors that are used in order to calculate the quality of transmission of a signal. Finally, in Chapter 5 and 6 we analyze the RWA problem, the algorithm that was developed but also the presentation of the experimental results.

Σε ένα δίκτυο πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM), κάθε οπτική ίνα μεταφέρει κίνηση υψηλού ρυθμού σε διαφορετικά μήκη κύματος δημιουργώντας έναν αριθμό από µη επικαλυπτόμενα κανάλια μέσα σε μία μόνο ίνα. Η πιο κοινή αρχιτεκτονική που χρησιμοποιείται για την επικοινωνία σε WDM οπτικά δίκτυα είναι η δρομολόγηση μηκών κύματος, όπου οπτικοί παλμοί μεταδίδονται μέσω οπτικών μονοπατιών, δηλαδή αμιγώς WDM κανάλια που μπορεί να διατρέχουν έναν αριθμό από συνεχόμενες ίνες. Τα σημερινά οπτικά δίκτυα κορμού είναι κυρίως δίκτυα από σημείο σε σημείο (αδιαφανή), όπου το σήμα αναγεννάται σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο μέσω οπτο-ηλεκτρο-οπτικής (ΟΕΟ) μετατροπής. Η τάση που επικράτησε τα προηγούμενα χρόνια δείχνει μία εξέλιξη σε δίκτυα χαμηλού κόστους και υψηλής χωρητικότητας που δεν χρησιμοποιούν OEO μετατροπή. Αρχικά, το κόστος ενός αδιαφανούς δικτύου μπορεί να μειωθεί με την μετακίνηση σε ένα δίκτυο όπου η OEO μετατροπή γίνεται μόνο σε ορισμένους κόμβους, το οποίο συνήθως αναφέρεται ως ημιδιαφανές δίκτυο. Ο στόχος είναι η ανάπτυξη ενός αμιγώς διάφανου οπτικού δικτύου όπου το σήμα θα παραμένει σε οπτική μορφή κατά μήκος ολόκληρου του οπτικού μονοπατιού. Δεδομένου ότι τα οπτικά μονοπάτια είναι οι βασικές οντότητες μεταγωγής ενός WDM δικτύου δρομολόγησης μήκους κύματος, η αποτελεσματική εγκατάσταση τους είναι υψηλής σημασίας. Επομένως, είναι σημαντικό να προτείνουμε αποδοτικούς αλγορίθμους για την επιλογή των μονοπατιών των αιτήσεων σύνδεσης και να αναθέσουμε μήκη κύματος σε κάθε ένα σύνδεσμο κατά μήκος αυτών των μονοπατιών. Αυτό το πρόβλημα είναι γνωστό ως πρόβλημα δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Routing and Wavelength Assignment - RWA). Στα διαφανή και ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα, η ποιότητα της μετάδοσης του σήματος (QoT) επηρεάζεται σημαντικά από τις φυσικές εξασθενήσεις. Το RWA πρόβλημα με την παρουσία φυσικών εξασθενήσεων αναφέρεται ως Impairment aware (ΙΑ-) RWA πρόβλημα. Στην παρούσα διδακτορική έρευνα αρχικά ασχοληθήκαμε με την ανάπτυξη και την αξιολόγηση αλγορίθμων δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος σε διαφανή και ημιδιαφανή οπτικά WDM δίκτυα θεωρώντας ότι οι αιτήσεις σύνδεσης είναι γνωστές εκ των προτέρων (φάση σχεδιασμού δικτύων θεωρώντας στατική κίνηση). Εξαιτίας των φυσικών φαινομένων, η επιλογή του κάθε οπτικού μονοπατιού επηρεάζει και επηρεάζεται από τις επιλογές των άλλων οπτικών μονοπατιών. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των οπτικών μονοπατιών στο στατικό πρόβλημα είναι δύσκολο να μοντελοποιηθεί καθώς η χρησιμοποίηση των οπτικών μονοπατιών αποτελούν μεταβλητές του προβλήματος. Αρχικά προτείνουμε RWA αλγορίθμους, χωρίς να λαμβάνουμε υπόψη τις φυσικές εξασθενήσεις, οι οποίοι βασίζονται σε μοντελοποιήσεις γραμμικού προγραμματισμού (Linear Programming - LP) και τείνουν να δίνουν ακέραιες λύσεις. Στην συνέχεια επεκτείνουμε τις μοντελοποιήσεις αυτές και παρουσιάζουμε δύο αλγορίθμους οι οποίοι λαμβάνουν υπόψη τις φυσικές εξασθενήσεις (IA-RWA). Στην πρώτη μοντελοποίηση οι φυσικές εξασθενήσεις λαμβάνονται υπόψη έμμεσα με βάση τις πηγές που προκαλούν τις εξασθενήσεις, ενώ στην δεύτερη μοντελοποίηση οι φυσικές εξασθενήσεις λαμβάνονται υπόψη άμεσα συνδυάζοντας τις παραμέτρους οι οποίες σχετίζονται με την διασπορά του θορύβου. Ο στόχος των IA-RWA αλγορίθμων είναι η ελαχιστοποίηση του αριθμού των μηκών κύματος που χρειάζονται για να εγκατασταθούν όλα τα οπτικά μονοπάτια και ταυτόχρονα η ελαχιστοποίηση της εξασθένησης του σήματος του κάθε οπτικού μονοπατιού. Αναπτύχθηκαν επίσης δύο IA-RWA αλγόριθμοι πολλαπλών κριτηρίων για δυναμική κίνηση (online αλγόριθμοι, που χρησιμοποιούνται κυρίως στην φάση λειτουργίας του δικτύου) για διαφανή δίκτυα. Οι αλγόριθμοι αυτοί λαμβάνουν υπόψη τους συνδυαστικά τις παραμέτρους του φυσικού επιπέδου και του επιπέδου δικτύου, ορίζοντας διανύσματα κόστους για κάθε συνδέσμου και για κάθε μονοπάτι. Ο ένας αλγόριθμος λαμβάνει τις φυσικές εξασθενήσεις έμμεσα, ενώ ο άλλος έμμεσα. Με βάση τους αλγορίθμους πολλαπλών κριτηρίων, προτείναμε διάφορες τεχνικές προστασίας των μονοπατιών για την αντιμετώπιση βλαβών στο δίκτυο λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς εξασθένησης του φυσικού επιπέδου. Ο αλγόριθμος που λαμβάνει άμεσα υπόψη τις φυσικές εξασθενήσεις, επεκτάθηκε ώστε να λαμβάνει υπόψη την ύπαρξη αναγεννητών σε συγκεκριμένους κόμβους του δικτύου καθιστώντας τον ικανό κατ’ αυτόν τον τρόπο να λειτουργεί σε ημιδιαφανή δίκτυα. Μελετήσαμε επιπλέον RWA αλγορίθμους σε WDM δίκτυα τα οποία περιλαμβάνουν κόμβους με περιορισμούς χρώματος (colored) και κατεύθυνσης (direction). Ειδικότερα, επικεντρωθήκαμε σε τέσσερις αρχιτεκτονικές κόμβων που χρησιμοποιούν add/drop ports με τις ακόλουθες ρυθμίσεις i) colored/directed, ii) colored/directionless, iii) colorless/ directed, και iv) colorless/directionless. Αυτές οι αρχιτεκτονικές έχουν διαφορετικό κόστος υλοποίησης, δηλαδή η πιο ευέλικτη αρχιτεκτονική είναι και η πιο ακριβή. Παράλληλα ασχοληθήκαμε με την μελέτη RWA αλγορίθμων σε ευέλικτα οπτικά δίκτυα όπου υπάρχει η επιπλέον δυνατότητα επιλογής του ρυθμού μετάδοσης (και του είδους διαμόρφωσης) που θα χρησιμοποιηθεί στο οπτικό μονοπάτι. Η δυνατότητα αυτή επιτρέπει στα κυκλώματα συνδέσεων, σε μελλοντικά οπτικά δίκτυα κορμού, να μην είναι πλέον στατικά και μονολιθικά, αλλά να μπορούν να αναπροσαρμόζονται δυναμικά στην ζήτηση, τόσο ως προς τον ρυθμό τους όσο και ως προς τον τρόπο διαμόρφωσης. Στα δίκτυα πολλαπλών ρυθμών δεν αρκεί να θεωρήσουμε μία συγκεκριμένη μέγιστη απόσταση μετάδοσης για κάθε τεχνική διαμόρφωσης/ρυθμό μετάδοσης, αλλά θα πρέπει να λάβουμε υπόψη τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των συνδέσεων που μεταδίδονται με διαφορετικό ρυθμό μετάδοσης. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι προσαρμόζουν την απόσταση μετάδοσης των συνδέσεων ανάλογα με την κατάσταση χρησιμοποίησης του δικτύου, έτσι ώστε να αποφευχθούν τα φαινόμενα παρεμβολών πολλαπλών ρυθμών, παρέχοντας τη δυνατότητα να εγκατασταθούν συνδέσεις με αποδεκτή ποιότητα μετάδοσης. Τέλος, μελετήσαμε RWA αλγορίθμους που έχουν ως στόχο την μείωση της κατανάλωσης της ενέργειας σε WDM οπτικά δίκτυα, για την περίπτωση της στατικής κίνησης. Η μείωση της ενέργειας επιτυγχάνεται μέσω της μείωσης του αριθμού των συσκευών του δικτύου που είναι ιδιαίτερα δαπανηρές σε ενέργεια. Αναπτύξαμε ενεργοαποδοτικούς αλγορίθμους για διαφανή και ημιδιαφανή δίκτυα με την χρήση ILP μοντελοποιήσεων. / Ιn a wavelength division multiplexing (WDM) network, each fiber link carries high-rate traffic at several different wavelengths, thus creating multiple channels within a single fiber. The most common architecture utilized for establishing communication in WDM optical networks is wavelength routing, where optical pulse-trains are transmitted through lightpaths, that is, all-optical WDM channels that may span multiple consecutive fibers. Current optical core networks are mainly point-to-point (opaque) networks, where the signal is regenerated at every intermediate node via optical-electronic-optical (OEO) conversion. The trend in recent years shows an evolution toward low-cost and high-capacity all-optical networks that do not utilize OEO. Initially, the cost of an opaque network can be reduced by moving toward a network where OEO conversion is employed only at some nodes, which is usually referred to as a translucent network. The ultimate goal is the development of an all-optical transparent network, where the data signal remains in the optical domain for the entire lightpath. Since the lightpaths are the basic switched entities of a wavelength routed WDM network, their effective establishment and usage are crucial. Thus, it is important to propose efficient algorithms to select the routes for the requested connections and to assign wavelengths on each of the links along these routes. This is known as the routing and wavelength assignment (abbreviated RWA) problem. In a transparent or translucent network, where the signal on a lightpath remains in the optical domain, the quality of transmission (QoT) is significantly affected by physical limitations of fibers and optical components. The RWA problem in the presence of physical layer impairments is referred as Impairment aware (IA-) RWA. We first consider the offline version (network planning phase assuming static traffic) of the RWA problem in transparent and translucent optical networks. In such networks, the signal quality of transmission degrades due to physical layer impairments. Because of certain physical effects, routing choices made for one lightpath affect and are affected by the choices made for the other lightpaths. This interference among the lightpaths is particularly difficult to formulate in an offline algorithm since, in this version of the problem, we start without any established connections and the utilization of lightpaths are the variables of the problem. We initially present algorithms for solving the pure (without impairments) RWA problem based on a Linear Programming (LP)-relaxation formulation that tends to yield integer solutions. Then, we extend these algorithms and present two IA-RWA algorithms for transparent networks that account for the interference among lightpaths in their formulation. The first algorithm takes the physical layer indirectly into account by limiting the impairment-generating sources. The second algorithm uses noise variance-related parameters to directly account for the most important physical impairments. The objective of the resulting cross-layer optimization problem is not only to serve the connections using a small number of wavelengths (network layer objective), but also to select lightpaths that have acceptable quality of transmission (physical layer objective). We propose an algorithm for translucent networks that decomposes the problem into two sub-problems. Initially, we formulate the problem of choosing the sequence of regenerators to be used by the so called “non-transparent connections” as a virtual topology problem and propose various offline IA-RWA algorithms, ranging from integer linear programs (ILP) to simple heuristic algorithms, to solve it. We then transform the initial traffic matrix so as to obtain a traffic matrix that consists only of connections that can be served transparently and apply an IA-RWA algorithm developed for transparent networks. Next, we present two algorithms, for the online version (network operation phase assuming dynamic traffic) of the RWA problem, which are based on the multicost concept and use multiple cost parameters (that is, a cost vector, as opposed to a single scalar cost) for characterizing a link and handle the impairments directly and indirectly, respectively. We show that the use of the multicost approach to solve the online IA-RWA problem can be quite beneficial, both in terms of performance (blocking probability, execution time) and it terms of functionality. Multiple candidate lightpaths are calculated that have, by construction, good QoT performance, making also fault tolerance provisioning easy. We also present an IA-RWA algorithm for translucent WDM networks. We extend an algorithm developed for transparent networks, to obtain a number of IA-RWA algorithms that work in translucent networks and make use of the regenerators that are present at certain network locations when necessary. We also consider RWA in a WDM network consisting of optical cross-connect (OXC) nodes that have color and direction constraints. These restricted node architectures have a smaller cost than the more flexible (and best performing) ones usually assumed in the RWA problem. In particular, we concentrate on four node architectures that use add/drop ports with the following configurations: i) colored/directed, ii) colored/directionless, iii) colorless/ directed, and iv) colorless/directionless. We consider the problem of planning a mixed line rates (MLR) WDM transport optical network. In such networks, different modulation formats are usually employed to support the transmission at different line rates. Previously proposed planning algorithms have used a transmission reach bound for each modulation format/line rate, mainly driven by single line rate systems. However, transmission experiments in MLR networks have shown that physical layer interference phenomena are more severe between among transmissions that utilize different modulation formats. Thus, the transmission reach of a connection with a specific modulation format/line rate depends also on the other connections that co-propagate with it in the network. To plan a MLR WDM network, we present RWA algorithms that adapt the transmission reach of each connection according to the use of the modulation formats/line rates in the network. The proposed algorithms are able to plan the network so as to alleviate cross-rate interference effects, enabling the establishment of connections of acceptable quality over paths that would otherwise be prohibited. Finally, we consider the energy minimization problem in optical networks from an algorithmic perspective. The objective of our proposed algorithms is to plan optical WDM networks so as to minimize the energy consumed, by minimizing the number of the most energy-consuming components. Such components can be amplifiers, regenerators, add/drop terminals, optical fibers, etc. We present algorithms for solving the Energy-Aware Routing and Wavelength Assignment (EA-RWA) problem based on ILP formulations that incorporates energy consuming modules.

Στην παρούσα διατριβή διερευνάται η επίδραση παράκτιων μη-θραυόμενων κυματισμών στη μορφολογική ισορροπία αμμώδους πυθμένα με πτυχώσεις, η θραύση εκχείλισης κυμάτων πάνω από πυθμένα σταθερής κλίσης, καθώς και τα συνεπαγόμενα κυματογενή ρεύματα στη ζώνη απόσβεσης. Για το σκοπό αυτό αναπτύσσονται μοντέλα αριθμητικής προσομοίωσης, τα οποία πραγματοποιούν επίλυση των δισδιάστατων και τρισδιάστατων εξισώσεων ασυμπίεστης, συνεκτικής ροής με ελεύθερη επιφάνεια. Η αριθμητική επίλυση των εξισώσεων ροής, Navier-Stokes, επιτυγχάνεται με τη χρήση κλασματικής μεθόδου για τη χρονική ολοκλήρωση, ενώ η χωρική διακριτοποίηση πραγματοποιείται μέσω ενός υβριδικού σχήματος πεπερασμένων διαφορών και ψευδο-φασματικών μεθόδων προσέγγισης. Στις προσομοιώσεις της θραύσης εκχείλισης κύματος γίνεται χρήση της μεθόδου προσομοίωσης μεγάλων κυμάτων LWS, σύμφωνα με την οποία επιλύονται μόνο οι μεγάλες χωρικές διακυμάνσεις της ταχύτητας και της ελεύθερης επιφάνειας, ενώ η επίδραση των μικρότερων διακυμάνσεων περιγράφεται μέσω ενός μοντέλου διατμητικών τάσεων υποκλίμακας (SGS), ανάλογα με ότι ισχύει στη μέθοδο προσομοίωσης μεγάλων δινών, LES. Ένα ανεξάρτητο μοντέλο για την προσομοίωση της μεταβολής μορφολογίας πυθμένα, μέσω μεταφοράς φορτίου πυθμένα, αναπτύσσεται και χρησιμοποιείται σε σύζευξη με τα μοντέλα προσομοίωσης δισδιάστατης ροής. H παροχή του φορτίου πυθμένα υπολογίζεται μέσω τροποποίησης γνωστών εμπειρικών σχέσεων, σε συνδυασμό με τη στιγμιαία διατμητική τάση πυθμένα από τη μονάδα προσομοίωσης της ροής. Από τις προσομοιώσεις ροής πάνω από πυθμένα με πτυχώσεις, προκύπτει ότι η παρουσία των πτυχώσεων επηρεάζει σημαντικά το κυματογενές οριακό στρώμα, ενώ οι μορφολογικές προσομοιώσεις οδηγούν στο συμπέρασμα ότι, η μακροπρόθεσμη ισορροπία των πτυχώσεων επέρχεται για συγκεκριμένη τιμή της γωνίας/συντελεστή δυναμικής τριβής, η οποία συσχετίζεται με τις διαστάσεις των πτυχώσεων και τα χαρακτηριστικά του κύματος. Για τη θραύση εκχείλισης εξετάζονται οι περιπτώσεις κάθετης αλλά και υπό γωνία, ως προς την ακτογραμμή, διάδοσης κυμάτων πάνω από πυθμένα σταθερής κλίσης 1/35. Τα αποτελέσματα για τα χαρακτηριστικά της κάθετης θραύσης (ύψος και βάθος θραύσης, Ηb και db, αντίστοιχα) και του συνεπαγόμενου υποβρύχιου ρεύματος, συγκρίνονται με δημοσιευμένες πειραματικές μετρήσεις και η συμφωνία είναι ικανοποιητική. Το μοντέλο είναι σε θέση να προσομοιώσει την ανάπτυξη του επιφανειακού στροβίλου στο μέτωπο του θραυόμενου κύματος, η οποία συνοδεύεται από αύξηση της ισχύος των SGS τάσεων (μέχρι βάθους d/db ≈ 0.75) και διαδοχική μείωσή τους, μέχρι μηδενισμού, στα ρηχά της ζώνης απόσβεσης. Από τα αποτελέσματα για το πεδίο στροβιλότητας και τις SGS τάσεις, κατά την προσομοίωση της υπό γωνία θραύσης, παρατηρείται η σταδιακή θραύση του κύματος κατά μήκος της κορυφογραμμής, ενώ προκύπτει ότι οι τελευταίες παραμένουν ενεργές για περίπου δύο μήκη κύματος. Επίσης, η μέση ταχύτητα του παράλληλου ρεύματος προκύπτει πιο ενισχυμένη σε ρηχά βάθη στη ζώνη απόσβεσης (d/db < 0.5), ενώ η κατακόρυφη κατανομή του παρουσιάζεται σαφώς επηρεασμένη από την παρουσία του υποβρύχιου ρεύματος κοντά στον πυθμένα. / In the present thesis, the impact of nearshore, non-breaking waves on the morphological equilibrium of small scale patterns that appear in sandy beds, well-known as ripples, the spilling wave breaking over a bed of constant slope and the wave-induced currents developing in the surf zone, are investigated. Numerical models are developed for the simulation of the aforementioned phenomena, based on the numerical solution of the two/three-dimensional, incompressible, viscous, free-surface flow. The numerical solution of the flow equations, i.e. the Navier-Stokes equations, is accomplished by means of a time-splitting scheme of three stages for the temporal discretization and a hybrid scheme for the spatial discretization, with central finite differences along the streamwise direction and pseudo-spectral approximations, with Fourier modes and Chebyshev polynomials along the spanwise and vertical directions, respectively. The simulations of spilling wave breaking are performed employing the so-called large-wave simulation (LWS) method, according to which, large velocity and free-surface scales are fully resolved, while the effect of subgrid scales is modeled by eddy-viscosity stresses, similar to large-eddy simulation (LES) methodology. The bed morphology evolution, driven by the bed load sediment transport, is simulated by a morphology model, which performs the numerical solution of the sediment mass conservation equation, utilized coupled with the two-dimensional flow model. The bed load transport rate, is computed inserting bed shear stress timeseries (by the flow model) into published empirical formulas that have been modified to fit the characteristics of the investigated cases. For the case of rippled bed, it was found that the structure of the wave boundary layer is substantially influenced by the presence of the ripples, and that for a certain value of the dynamic friction angle/coefficient, which is correlated to the ripple dimensions and the wave characteristics, the ripples remain in quasi-steady equilibrium after each wave period. Wave breaking is investigated by the simulation of normal and oblique to the shoreline propagation, transformation and spilling breaking of incoming Stokes waves, over a bed of constant slope, tanβ = 1/35. Our numerical results are compared to published experimental measurements, and it is found that the LWS model predicts adequately the wave breaking parameters - breaking height, Ηb, and depth, db- and the distribution of the undertow current in the surf zone. The development of the surface roller in the breaking wavefront is also captured, while is connected to the increase of the strength of the sub-grid (SGS) stresses in the outer surf zone (up to d/db ≈ 0.75) and their successive decrease at shallower depths close to the shoreline. For the case of oblique wave breaking, the vorticity and the SGS stresses distribution in the surf zone clearly indicate the gradual breaking along the wave crestline, while the latter (SGS stresses) remain active for about two wavelenghts. Finally, the magnitude of the longshore current is found to be enhanced at shallower depths in the surf zone (d/db < 0.5), while its vertical distribution is affected by the interaction with the undertow current.

Η δρομολόγηση και ανάθεση μηκών κύματος (routing and wavelength assignment - RWA) αποτελεί ένα πολύ σημαντικό πρόβλημα, που απασχολεί τους σχεδιαστές WDM οπτικών δικτύων και είναι γνωστό, πως είναι NP-πλήρες. Στην εργασία αυτή σχεδιάζουμε και υλοποιούμε έναν αλγόριθμο για το στατικό RWA, που βασίζεται σε έναν προτεινόμενο σχηματισμό (μη ακέραιου) γραμμικού προγραμματισμού (linear programming - LP). Ισχυριζόμαστε, πως ο σχηματισμός αυτός είναι σε θέση να παρέχει ακέραιες βέλτιστες λύσεις (παρά την εν γένει μη ακέραια φύση του) για ένα μεγάλο ποσοστό στιγμιότυπων εισόδου, οδηγώντας έτσι σε αντίστοιχες ακριβείς λύσεις του RWA. Η πολυπλοκότητα του αλγόριθμου κυριαρχείται από το χρόνο εκτέλεσης του αλγόριθμου Simplex, ο οποίος θεωρείται αποδοτικός για μια μεγάλη πλειοψηφία στιγμιότυπων εισόδου. Στα διαφανή (πλήρως οπτικά) δίκτυα, η ποιότητα του σήματος υπόκειται σε μια ποικιλία από φυσικές εξασθενήσεις, όπως είναι η διασπορά λειτουργίας πόλωσης (polarization mode dispersion - PMD), ο θόρυβος αυθόρμητης εκπομπής ενισχυτή (amplified spontaneous emission - ASE - noise) και η χρωματική διασπορά (chromatic dispersion - CD). Αυτές οι εξασθενήσεις μοντελοποιούνται γραμμικά και μπορούν να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά από ένα σύνολο αναλυτικών τύπων ως επιπρόσθετοι περιορισμοί στο RWA. Εφαρμόζουμε τον αλγόριθμό μας και εκτελούμε RWA βασισμένο σε περιορισμούς εξασθένησης, με σκοπό να παρατηρήσουμε συγκριτικά αποτελέσματα στην απόδοση ενός τυπικού μητροπολιτικού δικτύου υπό διάφορες παραμέτρους του δικτύου και των εξασθενήσεων, όπως είναι ο ρυθμός bit, ο τύπος και το κέρδος των ενισχυτών, η χρησιμοποιούμενη διάταξη διαμόρφωσης, κλπ. / Routing and wavelength assignment (RWA) is a very important problem concerning WDM optical network designers and is known to be NP-complete. In this work, we design and implement an algorithm for the static RWA, that is based on a proposed (not integer) linear programming formulation. We claim, that this formulation is able to provide integer optimal solutions (despite its non integral nature) for a large fraction of input instances, yielding thus to corresponding exact RWA solutions. The algorithm's complexity is dominated by the execution time of Simplex LP-solver, that is considered efficient in the great majority of all possible input instances. In transparent (all-optical) networks, the signal quality is subject to a variety of physical impairments, such as polarization mode dispersion (PMD), amplified spontaneous emission (ASE) noise and chromatic dispersion (CD). Those impairments are linearly modeled and are handled effectively by a set of analytical formulae as additional constraints on RWA. We apply our algorithm to perform impairment-constraint based RWA, in order to obtain comparative results of a typical metropolitan network's performance under various network and impairment parameters, such as bit rate, amplifier gain and type, modulation format used, etc.