There is an ongoing evolution of technology towards network convergence and ubiquitous information society in which users have broadband access to information resources and services anywhere, anytime. To realize this vision, a communication infrastructure has to be able to support a core backbone network delivering ultra-high capacity data services, a ubiquitous broadband wireless for last-mile access, and a control/management plane providing intelligent control to the infrastructure. Desirable characteristics of the infrastructure include insertion of future technology, intelligent spectrum management, cost-efficient upgradeability, flexible scalability, and cognitive networking capabilities. Unfortunately, present electronic technology alone is incapable of meeting these requirements.This dissertation describes the initial research into the realization of such an architecture that comprises of three crucial frameworks: 1) photonic-based; 2) dynamic chain processing; 3) and physical layer awareness. Due to the superior signal transport properties of optics, an underlying photonic data layer is able to provide the architecture with much wider bandwidth, greater RF-frequency-scalability, and higher operating RF-frequency. Photonics also enables diverse technologies to be integrated into a seamless communications platform. Dynamic processing chain framework provides the flexibility and future-proof capability via reconfigurability and componentization. Physical-layer-awareness offers support for automated adaptation and intelligent configuration of the data plane in response to the dynamic conditions of the physical layer. Crucial functional blocks in this awareness are: efficient estimation of physical impairments of the components and links; an effective dynamic impairment monitoring mechanism; and proficient adaptation to either maximize or optimize performance.Though the architecture encompasses both optical transport network (OTN) and photonic radio, this dissertation focuses more on the OTN. Central themes of OTN in this dissertation include relating Q-factor with various optical impairments from the perspective of an end-to-end optical path, and extending physical layer awareness with impairment routing. One of the key findings advocates that filtering is a serious limitation to bit-rate independence, protocol independence and network scalability promised by transparent network.

Internet traffic is increasing exponentially, driven by new technologies such as Internet of Things (IoT) and rich streaming media. The traditional IP router becomes a bottleneck for further Internet expansion due to its high power consumption and inefficiency in processing the growing traffic. Router bypass has been introduced to overcome capacity limitations and the processing costs of IP routers. With router bypass, a portion of traffic is provisioned to bypass the router and is switched by the transport layer. Router bypass has shown to provide significant savings in network costs. These advantages are limited by a reduction in the statistical multiplexing associated with the subdivision of the available bandwidth typically into bypass and traditional portions thus limiting the interest in bypass techniques. This thesis will explore multiple techniques to enhance the efficiency of router bypass. The main goals are to address the issue of the reduction in statistical multiplexing and to add a dynamic approach to the router bypass mechanism. The recent advancements in the Optical Transport Network (OTN) play a major role in the transport network. This proposal takes full advantage of OTN in the router-bypassing context by applying recent developments such as Hitless Adjustments ODUflex (HAO), which allow the provisioned channels to be adjusted without re-establishing the connections. In addition, it will allow the bypassing mechanism to be flexible enough to meet the traffic behaviour needs of the future. This thesis will study multiple approaches to enhance the router bypass mechanism including: an adaptive provisioning style using various degrees of provisioning granularities and controlling the provisioning based on traffic behaviour. In addition, this thesis will explore the impact of automation in Software-Defined Networking (SDN) on router bypass. The application-driven infrastructure in SDN is moving the network to be more adaptive, which paves the way for an enhanced implementation of router bypass. Many challenges still face the industry to fully integrate the three layers (3, 2, and 1) to transform the current infrastructure into an adaptive application driven network. The IP router (layer 3) provisions and restores the connection regardless of the underlying layers (layer 2 and 1) and the transport layer does the same regardless of the IP layer. Although allowing every layer to develop without being constrained by other layers offers a huge advantage, it renders the transport layer static and not fully aware of the traffic behaviour. It is my hope that this thesis is a step forward in transforming the current network into a dynamic, efficient and responsive network. A simulation has been built to imitate the router bypassing concept and then many measurements have been recorded. / Graduate

Die schichtenübergreifende Steuerung von Multi-Layer Netzen ermöglicht die Realisierung fortgeschrittener Netzarchitekturen sowie neuartiger Konzepte zur Steigerung der Ausfallsicherheit. Gegenstand dieser Arbeit ist ein neues ressourcensparendes Konzept zur Kompensation von Core-Router-Ausfallen in IP-Netzen. Core-Router-Ausfälle führen zur Abkopplung der an Ihnen angeschlossenen Zugangsrouter vom Netz. Daher werden die Zugangsrouter üblicherweise mit jeweils zwei oder mehreren verschiedenen Core-Routern verbunden (engl.: dual homing) was jedoch eine Verdoppelung der Anschlusskapazität im IP Netz bedingt. Bei dem neuen Verfahren - Dual Homing mit gemeinsam genutzten Router-Ersatzressourcen (engl.: dual homing with shared backup router resources, DH-SBRR) - erfolgt die Zugangsrouter-Anbindung zum einen zu einem Core-Router des IP-Netzes und zum anderen zu einem Netzelement der darunterliegenden Transportschicht. Damit lassen sich Router-Ersatzressourcen, die im IP-Netz an beliebigen Stellen vorgehalten werden können, uber das Transportnetz an die Stelle eines ausgefallenen Core-Routers schalten. Die Steuerung dieser Ersatzschaltung geschieht über eine schichten übergreifende, d.h. das Transportnetz- und IP-Netz umfassende Control-Plane - beispielsweise auf Basis von GMPLS. Da beim Umschalten der Routerressourcen auch aktuelle Zustände (bspw. Routing-Tabellen) auf die Router-Ersatzressourcen mit übertragen werden müssen, beinhaltet das neue Verfahren auch Konzepte zur Router-Virtualisierung. Zum Vergleich und zur Bewertung der Leistungsfähigkeit des neuen DH-SBRR Verfahrens werden in der Arbeit verschiedene Zugangsrouter-Homing-Varianten hinsichtlich Netz-Kosten, Netz-Verfügbarkeit, Recovery-Zeit und Netz-Energieverbrauch gegenübergestellt. Als Multi-Layer Netzszenarien werden zum einen IP über WDM und zum anderen IP über OTN (ODU) betrachtet. Zur Bestimmung der minimalen Netz-Kosten ist ein generisches Multi-Layer Netzoptimierungsmodell entwickelt worden, welches bei unterschiedlichen Homing-Architekturen angewendet werden kann. Neben dem Optimierungsmodell zur Netzkostenminimierung wird auch eine Modellvariante zur Minimierung des Energieverbrauchs vorgestellt. Um die Rechenzeit für die Lösung der Optimierungsprobleme zu verringern und damit auch größere Netzszenarien untersuchen zu können bedarf es heuristischer Lösungsverfahren. Im Rahmen der Arbeit ist daher eine neue speziell auf die Multilayer-Optimierungsprobleme zugeschnittene Lösungsheuristik entwickelt worden. Aus der Netzkosten-Optimierung ergibt sich, dass durch den Einsatz von DH-SBBR signifikante Kosteneinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen Homing-Architekturen realisiert werden können. Änderungen der Verkehrslast, der Kosten der IP-Netzelemente oder der Netztopologie haben keinen signifikanten Einfluss auf dieses Ergebnis. Neben dem Kosten- und Energieeinsparungspotential sind auch die Auswirkungen auf die Netz-Verfügbarkeit und die Recovery-Zeit untersucht worden. Für die Ende-zu-Ende Verfügbarkeit bei Anwendung der verschiedenen Homing-Architekturen Können untere Grenzwerte angegeben werden. Zur Bestimmung der Recovery-Zeit bei Einsatz von DH-SBRR ist ein eigenes analytisches Berechnungsmodell entwickelt und evaluiert worden. Damit kann das DH-SBRR Verfahren zur Einhaltung vorgegebener Recovery-Zeiten (wie sie für bspw. Für bestimmte Dienste gefordert werden) entsprechend parametriert werden. / The emergence of multi-layer networking capabilities opens the path for the development of advanced network architectures and resilience concepts. In this dissertation we propose a novel resource-efficient homing scheme: dual homing with shared backup router resources. The proposed scheme realizes shared router-level redundancy, enabled by the emergence of control plane architectures such as generalized multi-protocol label switching. Additionally, virtualization schemes complement the proposed architecture. Different homing architectures are examined and compared under the prism of cost, availability, recovery time and energy efficiency. Multiple network layers are considered in Internet protocol over wavelength division multiplexing as well as Internet protocol over optical data unit settings - leading to the development of multi-layer optimization techniques. A generic multi-layer network design mathematical model, which can be applied to different homing architecture considerations, is developed. The optimization objective can be adapted to either minimizing the cost for network equipment or the power consumption of the network. In order to address potential issues with regard to computational complexity, we develop a novel heuristic approach specifically targeting the proposed architecture. It is shown that significant cost savings can be achieved - even under extreme changes in the traffic demand volume, in the cost for different types of network equipment, as well as in the network topology characteristics. In order to evaluate occurring tradeoffs in terms of performance, we study the effects on availability and recovery time. We proceed to derive lower bounds on end-to-end availability for the different homing architectures. Additionally, an analytical recovery time model is developed and evaluated. We investigate how service-imposed maximum outage requirements have a direct effect on the setting of the proposed architecture.

Die schichtenübergreifende Steuerung von Multi-Layer Netzen ermöglicht die Realisierung fortgeschrittener Netzarchitekturen sowie neuartiger Konzepte zur Steigerung der Ausfallsicherheit. Gegenstand dieser Arbeit ist ein neues ressourcensparendes Konzept zur Kompensation von Core-Router-Ausfallen in IP-Netzen. Core-Router-Ausfälle führen zur Abkopplung der an Ihnen angeschlossenen Zugangsrouter vom Netz. Daher werden die Zugangsrouter üblicherweise mit jeweils zwei oder mehreren verschiedenen Core-Routern verbunden (engl.: dual homing) was jedoch eine Verdoppelung der Anschlusskapazität im IP Netz bedingt. Bei dem neuen Verfahren - Dual Homing mit gemeinsam genutzten Router-Ersatzressourcen (engl.: dual homing with shared backup router resources, DH-SBRR) - erfolgt die Zugangsrouter-Anbindung zum einen zu einem Core-Router des IP-Netzes und zum anderen zu einem Netzelement der darunterliegenden Transportschicht. Damit lassen sich Router-Ersatzressourcen, die im IP-Netz an beliebigen Stellen vorgehalten werden können, uber das Transportnetz an die Stelle eines ausgefallenen Core-Routers schalten. Die Steuerung dieser Ersatzschaltung geschieht über eine schichten übergreifende, d.h. das Transportnetz- und IP-Netz umfassende Control-Plane - beispielsweise auf Basis von GMPLS. Da beim Umschalten der Routerressourcen auch aktuelle Zustände (bspw. Routing-Tabellen) auf die Router-Ersatzressourcen mit übertragen werden müssen, beinhaltet das neue Verfahren auch Konzepte zur Router-Virtualisierung. Zum Vergleich und zur Bewertung der Leistungsfähigkeit des neuen DH-SBRR Verfahrens werden in der Arbeit verschiedene Zugangsrouter-Homing-Varianten hinsichtlich Netz-Kosten, Netz-Verfügbarkeit, Recovery-Zeit und Netz-Energieverbrauch gegenübergestellt. Als Multi-Layer Netzszenarien werden zum einen IP über WDM und zum anderen IP über OTN (ODU) betrachtet. Zur Bestimmung der minimalen Netz-Kosten ist ein generisches Multi-Layer Netzoptimierungsmodell entwickelt worden, welches bei unterschiedlichen Homing-Architekturen angewendet werden kann. Neben dem Optimierungsmodell zur Netzkostenminimierung wird auch eine Modellvariante zur Minimierung des Energieverbrauchs vorgestellt. Um die Rechenzeit für die Lösung der Optimierungsprobleme zu verringern und damit auch größere Netzszenarien untersuchen zu können bedarf es heuristischer Lösungsverfahren. Im Rahmen der Arbeit ist daher eine neue speziell auf die Multilayer-Optimierungsprobleme zugeschnittene Lösungsheuristik entwickelt worden. Aus der Netzkosten-Optimierung ergibt sich, dass durch den Einsatz von DH-SBBR signifikante Kosteneinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen Homing-Architekturen realisiert werden können. Änderungen der Verkehrslast, der Kosten der IP-Netzelemente oder der Netztopologie haben keinen signifikanten Einfluss auf dieses Ergebnis. Neben dem Kosten- und Energieeinsparungspotential sind auch die Auswirkungen auf die Netz-Verfügbarkeit und die Recovery-Zeit untersucht worden. Für die Ende-zu-Ende Verfügbarkeit bei Anwendung der verschiedenen Homing-Architekturen Können untere Grenzwerte angegeben werden. Zur Bestimmung der Recovery-Zeit bei Einsatz von DH-SBRR ist ein eigenes analytisches Berechnungsmodell entwickelt und evaluiert worden. Damit kann das DH-SBRR Verfahren zur Einhaltung vorgegebener Recovery-Zeiten (wie sie für bspw. Für bestimmte Dienste gefordert werden) entsprechend parametriert werden. / The emergence of multi-layer networking capabilities opens the path for the development of advanced network architectures and resilience concepts. In this dissertation we propose a novel resource-efficient homing scheme: dual homing with shared backup router resources. The proposed scheme realizes shared router-level redundancy, enabled by the emergence of control plane architectures such as generalized multi-protocol label switching. Additionally, virtualization schemes complement the proposed architecture. Different homing architectures are examined and compared under the prism of cost, availability, recovery time and energy efficiency. Multiple network layers are considered in Internet protocol over wavelength division multiplexing as well as Internet protocol over optical data unit settings - leading to the development of multi-layer optimization techniques. A generic multi-layer network design mathematical model, which can be applied to different homing architecture considerations, is developed. The optimization objective can be adapted to either minimizing the cost for network equipment or the power consumption of the network. In order to address potential issues with regard to computational complexity, we develop a novel heuristic approach specifically targeting the proposed architecture. It is shown that significant cost savings can be achieved - even under extreme changes in the traffic demand volume, in the cost for different types of network equipment, as well as in the network topology characteristics. In order to evaluate occurring tradeoffs in terms of performance, we study the effects on availability and recovery time. We proceed to derive lower bounds on end-to-end availability for the different homing architectures. Additionally, an analytical recovery time model is developed and evaluated. We investigate how service-imposed maximum outage requirements have a direct effect on the setting of the proposed architecture.

L'évolution vers de nouveaux services, comme la TV à la demande, nécessitant de grosses bandes passantes remet en question les débits transportés par chaque canal optique d'un réseau WDM. Les débits des canaux ont atteint aujourd'hui les 100 Gbit/s. Cette montée en débit doit être accompagnée par de nouvelles fonctionnalités au sein des réseaux de transport optiques. Améliorer la flexibilité et assurer la transparence des réseaux optiques sont des défis très importants auxquels les opérateurs doivent faire face aujourd'hui. Un réseau optique est dit transparent, si les signaux optiques transportés ne subissent aucune conversion optoélectronique sauf au moment de leur insertion et de leur extraction dans le réseau optique. La flexibilité, quant à elle, concerne principalement les fonctions d'agrégation et de désagrégation optiques. Aujourd'hui ces fonctions d'agrégation et de désagrégation sont réalisées dans le domaine électronique, ce qui avec la montée du débit, va engendrer un coût important pour les opérateurs. Une manière d'y remédier serait de trouver une technologie adaptée à la montée du débit et offrant la possibilité de faire de l'agrégation et de la désagrégation optique des flux de trafics. Dans cette thèse nous proposons d'étudier une technique de commutation tout-optique offrant la possibilité de faire de la commutation optique intra-canal. Cette technique, baptisée multi-bande OFDM, consiste à diviser un canal WDM en plusieurs entités appelées sous-bandes. Le nombre de ces entités dépend des contraintes technologiques des équipements utilisés pour générer le canal multi-bande (les filtres optiques, les convertisseurs analogiques/numérique et numériques/analogiques). Nous comparons la technologie multi-bande OFDM par rapport à des technologies tendancielles mono-bande : le cas mono-bande opaque et mono-bande transparent. Nous démontrons que la technologie multi-bande OFDM peut être un compromis entre ces deux technologies pour les futurs réseaux de télécommunications optiques. Pour ce faire, nous calculons les performances en termes de blocage. Nous étudions l'impact de la conversion de longueurs d'onde sur les réseaux multi-bande OFDM ainsi que l'impact d'augmenter les nombres de sous-bandes sur les performances du réseau. Nous dégageons les limites technologiques de cette approche. Dans une autre partie de l'étude, nous montrons l'intérêt économique de la technologie multi-bande OFDM. Nous exposons le gain en coût des émetteurs/récepteurs obtenu grâce au déploiement de la technologie multi-bande OFDM sur un réseau cœur et un réseau métropolitain. / The evolution of new telecommunication services, which requires large bandwidth, challenges bit-rates transported by each optical channel of a WDM network. Bit-rates of optical channels have now reached 100 Gbit/s. This increase in bit-rate must be supported by new features in optical network. Improve flexibility and ensure transparency of optical network, are very important challenges that telecom operators face today. An optical network is called transparent, if the transported optical signals are not converted in electrical domain except at the time of their insertion and extraction in/from the optical network. Flexibility concerns mainly the aggregation / disaggregation processes. Today, the functions of aggregation/disaggregation are made on the electrical domain. This generates a significant cost for operators. One way to avoid this would be to find a technology which offers high bit-rates and enable the aggregation and disaggregation functions in the optical domain. In this thesis, we propose to study all-optical switching technology at the sub-wavelength granularity. This technique, called multi-band OFDM, consists in dividing a WDM channel into multiple entities, called sub-bands. The number of sub-bands depends on the technological constraints of optical components used to transport the optical signal (optical filters, digital analogical converters, analogical digital converters, optical transponders, optical multiplexers, etc.). We compare the multi-band OFDM technology to two legacies scenarios: mono-band opaque and mono-band transparent WDM technologies. We demonstrate that the multi-band OFDM technology can be a trade-off between these two legacies scenarios. To do that, we studied the performance in terms of blocking ratio of the multi-band OFDM technology and mono-bands WDM technologies. We study the impact of increasing the number of sub-bands on network performances. We also investigate the technical limits of this technology. Moreover, we demonstrate the economic interest of the multi-band OFDM. We expose the gain on the number of transponders when the multi-band OFDM technology is deployed on metro and core network.

Le trafic dans les réseaux optiques est en constante augmentation depuis de nombreuses années. CISCO affirme qu'il devrait augmenter d'un facteur 13 en 2020. Ceci induit une augmentation de la consommation énergétique et de l'évolution de la taille des réseaux entrainant un accroissement de la complexité des réseaux. Dans ce contexte, pour répondre à l'augmentation du débit dans les réseaux et procure un réseau de télécommunications fiable, il faut prévoir une planification et une ingénierie de réseaux adaptées. Dans ce but, nous étudions dans cette thèse le design d'un nœud de commutation optique ROADM. nous considérons différentes architectures de nœud, composants et sous-systèmes utilisés dans les configurations de nœud RODM "Broadcast and Select" et "Route and Select". Diverses configurations de modules d'insertion/extraction sont analysées ("Colored/colorless, directional/directionless et contentional/contentionless"). Pour ce faire, nous avons développé un simulateur de nœud ROADM dans une plateforme de trafic dynamique et nous avons proposé une stratégie de gestion offline de la contention à l'intérieur du nœud. Nous avons obtenu une réduction du rapport de blocage intra noeud de l'ordre de 1.5. Ensuite, nous nous sommes focalisés sur la planification des futures générations de réseaux optiques métro cœur. Dans ce but, nous avons étudié la possibilité d'une transmission non cohérente à 100 Gb/s en utilisant le format de modulation PDM-DQPSK. Ensuite, nous avons considéré l'implémentation de la PDM-CS-DQPSK. La qualité de transmission de ces deux systèmes a finalement été évaluée / Traffic demand is exponentially increasing in recent years. Cisco forecast claims that by 2020, transport traffic will be 13 times of today's traffic transmission. This incremental traffic demand makes concerns about energy consumption and network scalability as well as increasing the network complexity. In this respect, to adresse the future traffic demand requirement and provide a reliable telecommunication network, precise network planning and engineering are needed. To this aim, we adress the problem of ROADM node design by presenting different architectures, components and subsystems to investigate the Broadcast and Select and Route and Select ROADM node architectures. Colored/colorless, directional/directionless and contentional/contentionless add/drop module configurations are studied. Futhermore, the problem of Intra Node Blocking is investigated by developing a node simulator in a dynamic network traffic platform. In this respect, we propose an offline contention management strategy for an ROADMnode in order to efficiently decrease the Intra Node blocking ration by more than 1.5 order of magnitude. Finally, we focus on network planning by investigating short and medium term network upgrades for metro-core optical network. To this goal, we investigate the possibility of non coherent signal transmission in metro-core segment of hierarchical layered optical network. Quality of transmission for 100 Gbit/s PDM-DQPSK-modulation format is investigated. Then, we propose the implementation of PDM-CS-DQPSK modulation format to transmit 100 Gbit/s signals in ROADM based optical transmission systems

By 2020 there will be 50 billion connected devices over the Internet. With the fast-increasing data traffic demand in both fixed and mobile networks, network operators need to migrate networks towards next generation solutions. The network migration requires the enormous investment in equipment and infrastructure, while the revenues are not expected to grow significantly. Therefore, one of the main challenges for network operators is to find out a proper cost-effective optical network solution that can match future high capacity demand and flexibly support multiple network services on a common network infrastructure. The first part of the thesis addresses the Active Optical Network (AON) and its migration strategies towards Next Generation Optical Access (NGOA) solutions. Several migration strategies are proposed from the perspective of network topology, data plane and control plane. A general methodology for Techno-Economic analysis has been developed and applied to the Total Cost of Ownership (TCO) calculation of different NGOA solutions. The thesis provides a complete cost evaluation of AON migration paths, which can be used by network operators to assess the economic feasibility of network migration. A converged Optical Transport Network (OTN) that can serve both fixed and mobile network services is beneficial from the cost-saving perspective. However, the different types of services, require different network performance. The second part of the thesis focuses on the investigation of the converged OTN that can be flexibly and timely adjusted to satisfy varying service conditions. A programmable OTN featured with Wavelength Division Multiplexing (WDM) in the data plane and Software Defined Networking (SDN) in control plane has been proposed. To demonstrate the benefits of the converged OTN, the thesis also provides a multi-domain orchestration architecture for the multiple network services.  The resource orchestration, across three network domains: OTN, mobile network and cloud, enables agile service creation and optimized resource allocation among the multiple domains. / <p>QC 20170512</p>