La ràpida evolució d’Internet i l’àmplia gamma de noves aplicacions (per exemple, multimèdia, videoconferència, jocs en línia, etc.) ha fomentat canvis revolucionaris en la manera com ens comuniquem. A més, algunes d’aquestes aplicacions demanden grans quantitats de recursos d’ample de banda amb diversos requeriments de qualitat de servei (QoS). El desenvolupament de la multiplexació per divisió de longitud d’ona (WDM) en els anys noranta va fer molt rendible la disponibilitat d’ample de banda. Avui dia, les tecnologies de commutació òptica de circuits són predominants en el nucli de la xarxa, les quals permeten la configuració de canals (lightpaths) a través de la xarxa. No obstant això, la granularitat d’aquests canals ocupa tota la longitud d’ona, el que fa que siguin ineficients per a proveir canals de menor ample de banda (sub-longitud d’ona). Segons la comunitat científica, és necessari augmentar la transparència dels protocols, així com millorar l’aprovisionament d’ample de banda de forma dinàmica. Per tal de fer això realitat, és necessari desenvolupar noves arquitectures. La commutació òptica de ràfegues i de paquets (OBS/OPS), són dues de les tecnologies proposades. Aquesta tesi contribueix amb tres arquitectures de xarxa destinades a millorar el transport de dades sub-longitud d’ona. En primer lloc, aprofundim en la naturalesa sense connexió en OBS. En aquest cas, la xarxa incrementa el seu dinamisme a causa de les transmissions a ràfega. A més, les col·lisions entre ràfegues degraden el rendiment de la xarxa fins i tot a càrregues molt baixes. Per fer front a aquestes col·lisions, es proposa un esquema de resolució de col·lisions pro actiu basat en un algorisme d’encaminament i assignació de longitud d’ona (RWA) que balanceja de forma automàtica i distribuïda la càrrega en la xarxa. En aquest protocol, el RWA i la transmissió de ràfegues es basen en l’explotació i exploració de regles de commutació que incorporen informació sobre contencions i encaminament. Per donar suport a aquesta arquitectura, s’utilitzen dos tipus de paquets de control per a l’encaminament de les ràfegues i l’actualització de les regles de commutació, respectivament. Per analitzar els beneficis del nou algorisme, s’utilitzen quatre topologies de xarxa diferents. Els resultats indiquen que el mètode proposat millora en diferents marges la resta d’algorismes RWA en funció de la topologia i sense penalitzar altres paràmetres com el retard extrem a extrem. La segona contribució proposa una arquitectura híbrida sense i orientada a connexió sobre la base d’un protocol de control d’accés al medi (MAC) per a xarxes OBS (DAOBS). El MAC ofereix dos mètodes d’accés: arbitratge de cua (QA) per a la transmissió de ràfegues sense connexió, i pre-arbitratge (PA) per serveis TDM orientats a connexió. Aquesta arquitectura permet una àmplia gamma d’aplicacions sensibles al retard i al bloqueig. Els resultats avaluats a través de simulacions mostren que en l’accés QA, les ràfegues de més alta prioritat tenen garantides zero pèrdues i latències d’accés molt baixes. Pel que fa a l’accés PA, es reporta que la duplicació de la càrrega TDM augmenta en més d’un ordre la probabilitat de bloqueig, però sense afectar en la mateixa mesura les ràfegues sense connexió. En aquest capítol també es tracten dos dels problemes relacionats amb l’arquitectura DAOBS i el seu funcionament. En primer lloc, es proposa un model matemàtic per aproximar el retard d’accés inferior i superior com a conseqüència de l’accés QA. En segon lloc, es formula matemàticament la generació i optimització de les topologies virtuals que suporten el protocol per a l’escenari amb tràfic estàtic. Finalment, l’última contribució explora els beneficis d’una arquitectura de xarxa òptica per temps compartit (TSON) basada en elements de càlcul de camins (PCE) centralitzats per tal d’evitar col·lisions en la xarxa. Aquesta arquitectura permet garantir l’aprovisionament orientat a connexió de canals sub-longitud d’ona. En aquest capítol proposem i simulem tres arquitectures GMPLS/PCE/TSON. A causa del enfocament centralitzat, el rendiment de la xarxa depèn en gran mesura de l’assignació i aprovisionament de les connexions. Amb aquesta finalitat, es proposen diferents algorismes d’assignació de ranures temporals i es comparen amb les corresponents formulacions de programació lineal (ILP) per al cas estàtic. Per al cas de tràfic dinàmic, proposem i avaluem mitjançant simulació diferents heurístiques. Els resultats mostren els beneficis de proporcionar flexibilitat en els dominis temporal i freqüencial a l’hora d’assignar les ranures temporals. / The rapid evolving Internet and the broad range of new data applications (e.g., multimedia, video-conference, online gaming, etc.) is fostering revolutionary changes in the way we communicate. In addition, some of these applications demand for unprecedented amounts of bandwidth resources with diverse quality of service (QoS). The development of wavelength division multiplexing (WDM) in the 90's made very cost-effective the availability of bandwidth. Nowadays, optical circuit switching technologies are predominant in the core enabling the set up of lightpaths across the network. However, full-wavelength lightpath granularity is too coarse, which results to be inefficient for provisioning sub-wavelength channels. As remarked by the research community, an open issue in optical networking is increasing the protocol transparency as well as provisioning true dynamic bandwidth allocation at the network level. To this end, new architectures are required. Optical burst/packet switching (OBS/OPS) are two such proposed technologies under investigation. This thesis contributes with three network architectures which aim at improving the sub-wavelength data transport from different perspectives. First, we gain insight into the connectionless nature of OBS. Here, the network dynamics are increased due to the short-lived burst transmissions. Moreover, burst contentions degrade the performance even at very low loads. To cope with them, we propose a proactive resolution scheme by means of a distributed auto load-balancing routing and wavelength assignment (RWA) algorithm for wavelength-continuity constraint networks. In this protocol, the RWA and burst forwarding is based on the exploitation and exploration of switching rule concentration values that incorporate contention and forwarding desirability information. To support such architecture, forward and backward control packets are used in the burst forwarding and updating rules, respectively. In order to analyze the benefits of the new algorithm, four different network topologies are used. Results indicate that the proposed method outperforms the rest of tested RWA algorithms at various margins depending on the topology without penalizing other parameters such as end-to-end delay. The second contribution proposes a hybrid connectionless and connection-oriented architecture based on a medium access control (MAC) protocol for OBS networks (DAOBS). The MAC provides two main access mechanisms: queue arbitrated (QA) for connectionless bursts and pre-arbitrated (PA) for TDM connection-oriented services. Such an architecture allows for a broad range of delay-sensitive applications or guaranteed services. Results evaluated through simulations show that in the QA access mode highest priority bursts are guaranteed zero losses and very low access latencies. Regarding the PA mode, we report that doubling the offered TDM traffic load increases in more than one order their connection blocking, slightly affecting the blocking of other connectionless bursts. In this chapter, we also tackle two of the issues related with the DAOBS architecture and its operation. Firstly, we model mathematically the lower and upper approximations of the access delay as a consequence of the connectionless queue arbitrated access. Secondly, we formulate the generation of the virtual light-tree overlay topology for the static traffic case.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:36:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2456764 bytes, checksum: 4ac348983da5718e79b705aa01b9aa0a (MD5) Previous issue date: 2014-08-15 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This dissertation proposes two new algorithms for routing and wavelength allocation EA-RWA (Energy Aware Routing and Wavelength Assigment) and IEA-RWA (Impairment and Energy Aware Routing and Wavelength Assigment). The algorithms have the characteristic, improve energy efficiency in dynamic transparent optical networks, the first being simpler, because it does not care about the imperfections of the physical layer. The EA-RWA is compared with a traditional RWA / classic that does not take into account at the time of admission of the physical layer connections restrictions nor energy consumption algorithm. Have the IEA-RWA is compared with a RWA algorithm that takes into account the constraints (IA-RWA) physical layer. Numerical simulations show that the IEA-RWA performs better in many aspects / Esta dissertação propõe dois novos algoritmos de roteamento e alocação de comprimento de onda, a saber, o EA-RWA (Energy Aware Routing and Wavelength Assigment) e o IEA-RWA (Impairment and Energy Aware Routing and Wavelength Assigment). Os algoritmos terão como característica, melhorar a eficiência energética em redes ópticas transparentes dinâmicas, sendo o primeiro mais simples, pois não se preocupa com as imperfeições da camada física. O EA-RWA é comparado com um algoritmo RWA tradicional/clássico que não leva em conta, no momento de admissão de conexões, restrições da camada física e nem consumo de energia. Já o IEA-RWA é comparado com um algoritmo RWA que leva em conta restrições da camada física (IA-RWA). As simulações numéricas mostram que o IEA-RWA apresenta melhor desempenho em vários aspectos

Recent studies on growth of telecomm sector depict an ever rising demand for high bandwidth applications such as on-line gaming, high definition television and many more. This demand is coupled with increase in internet connected utilities per house hold - each requiring a portion of bandwidth. The fast development of broadband telecommunication services calls for an upgrade of access infrastructure. This challenge could be met by technologies such as Fiber-To-The-Home/Building (FTTH/B) point-to-multipoint (P2MP) optical access networking. Further, FTTH is also widely regarded as a future proof solution for broadband telecommunication services within scientific and industrial sectors. This has encouraged large amount of research and development throughout the globe to find optimal topologies for FTTH. OFDM based optical access network topology abbreviated as OTONES is an ongoing EU FP 7 project under the PIANO+ framework. The OTONES project addresses the next generation optical access networking on the basis of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Orthogonal Frequency Multiple Access (OFDMA), with special provision for reduced complexity and signal processing aspects of the subscriber side terminals (ONUs). This thesis focuses on the theoretical investigation of OFDM based optical access network topology OTONES. The thesis provides an in depth view of the salient aspects of the topology and formulates the key requirements of OTONES topology. The investigation primarily delves on two important aspects of the topology. First, finding the optimal analog circuitry for the optical network unit (ONU). Second, finding the optimal operation regime for the topology and hence optimizing the system level concept. In this thesis, we show that the requirement of an analog circuitry originates from the need of successive up-conversions in OTONES topology which also produces image spectrum. This image spectrum causes a 3 dB loss in power and spectral efficiency in absence of a proper image rejection circuitry. Thus, we discuss the generic SSB generation methods for efficient image rejection. Novel Bedrosian method based on Bedrosian Theorem is established as a promising method for image rejection. We show that this method is an analog implementation of Hilbert Transform Method and does not involve any approximation. Both generic methods for SSB along with the Novel Bedrosian method are evaluated based on the criterion established for OTONES topology. Finally, optical filtering from the set of generic SSB method is proposed for the downstream path and Novel Bedrosian method is proposed for the upstream path. The tolerance limits for Novel Bedrosian method, are also established for its physical implementation. We further discuss the realistic implementation of various components of the OTONES topology. We also establish the optimal operation regime of the full concurrent topology based on parameters such as input optical power, pilot tone separation and many more. Finally as a key feature of the thesis, we optimize the system level concept of the topology with the use of the proposed Novel Bedrosian Method as the optimal analog circuitry for OTONES topology and provide a region of optimal operation of the topology.