Multicasting and groupcasting with physical layer constraints in metropolitan area networks with mesh topologies

Abstract

Τα οπτικά δίκτυα επόμενης γενιάς αναμένεται ότι θα μπορούν να υποστηρίζουν ταυτόχρονα εφαρμογές που χρειάζονται μονοσημειακές αλλά και πολυσημειακές συνδέσεις. Μερικές πρόσφατες εφαρμογές που χρειάζονται μεγάλη χωρητικότητα και θα μπορούσαν να υποστηριχτούν καλύτερα από πολυσημειακές συνδέσεις είναι η ταυτόχρονη διανομή βίντεο σε πολλούς χρήστες, η εκπαίδευση εξ’ αποστάσεως και η εκπαίδευση μέσω βίντεο, οι εφαρμογές τηλεπαρουσίας και τηλεϊατρικής, η αναμετάδοση ταινιών σε πολλούς χρήστες, τα διαδικτυακά παιχνίδια, καθώς και οι εφαρμογές υπολογιστικού πλέγματος. Παράλληλα με την ανάπτυξη των πολυσημειακών εφαρμογών, τα οπτικά δίκτυα επόμενης γενιάς εξελίσσονται από μη-αμιγώς δίκτυα, σε δίκτυα με αμιγώς οπτικές περιοχές, και τελικά σε εξ’ ολοκλήρου αμιγώς οπτικά δίκτυα. Τα αμιγώς οπτικά δίκτυα είναι επιθυμητά αφού μπορούν να παρέχουν διαφάνεια στους ρυθμούς μετάδοσης, στα πρωτόκολλα επικοινωνίας, και στην διαμόρφωση του σήματος. Αυτά τα δίκτυα μπορούν να προσφέρουν καλύτερες λύσεις όσο αφορά την αρχιτεκτονική των οπτικών δικτύων, αφού το κόστος υλοποίησης τους ελαχιστοποιείται, χρειάζονται λιγότερη ισχύ, καθώς και λιγότερο χώρο για την εγκατάσταση του εξοπλισμού του δικτύου, αφού πλέον δεν χρειάζονται οι επιπλέον πομποί και δέκτες που χρειάζονται για την λειτουργία ενός μη-αμιγώς οπτικού δικτύου. Επιπλέον, αυτές οι αρχιτεκτονικές πρέπει να μπορούν να υποστηρίξουν αποδοτικά εφαρμογές διάφορων τύπων συνδέσεων, συμπεριλαμβανομένων και των πολυσημεικών συνδέσεων, που είτε χρειάζονται ολόκληρη την χωρητικότητα που μπορεί να προσφέρει ένα μήκος κύματος είτε χρειάζονται μόνο ένα μέρος αυτής της χωρητικότητας. Στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, είναι επίσης σημαντική η απρόσκοπτη παροχή υπηρεσιών μέσω τεχνικών αποκατάστασης βλαβών για την προστασία του δικτύου. Οι πολυσημειακές συνδέσεις που στέλνουν πληροφορίες σε πολλούς προορισμούς ταυτόχρονα είναι περισσότερο επιρρεπείς στις βλάβες στο δίκτυο, αφού μια και μόνο βλάβη στο δίκτυο μπορεί να οδηγήσει στην απώλεια πληροφορίας που προορίζεται για ένα μεγάλο αριθμό χρηστών. Γι’ αυτό και οι τεχνικές προστασίας βλαβών που αφορούν πολυσημειακές συνδέσεις είναι εξαιρετικά σημαντικές στα οπτικά δίκτυα επόμενης γενιάς. Στόχος αυτής της διατριβής είναι η διερεύνηση προβλημάτων που σχετίζονται με πολυσημειακές συνδέσεις σε μητροπολιτικά οπτικά δίκτυα τυχαίων τοπολογιών, όταν οι επιδράσεις του φυσικού στρώματος λαμβάνονται υπόψη κατά τον σχεδιασμό και την υλοποίηση αλγορίθμων δρομολόγησης για την εγκατάσταση και προστασία των συνδέσεων. Η κύρια συμβολή αυτής της διατριβής αφορά τον σχεδιασμό και την υλοποίηση αλγορίθμων δρομολόγησης για την εγκατάσταση και προστασία των πολυσημειακών συνδέσεων, σε αμιγώς οπτικά δίκτυα, λαμβάνοντας υπόψη τις επιδράσεις του φυσικού στρώματος. Αυτή η διατριβή γεμίζει ένα κενό που υπάρχει στην έρευνα, αναπτύσσοντας αποδοτικές λύσεις για αυτά τα προβλήματα σε μητροπολιτικά οπτικά δίκτυα με τοπολογία πλέγματος. Όλες οι τεχνικές που αναπτύχθηκαν για την δρομολόγηση, πολυπλεξία, και προστασία των πολυσημειακών συνδέσεων, σχεδιάστηκαν λαμβάνοντας υπόψιν τους περιορισμούς του φυσικού στρώματος και παρουσιάζουν σημαντική βελτίωση στην απόδοσή τους σε σχέση με τις προηγούμενες τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί μέχρι τώρα. Σε αυτή την διατριβή παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη λύση για την εγκατάσταση και προστασία πολυσημειακών συνδέσεων σε αμιγώς οπτικά δίκτυα, μέσω της ανάπτυξης ενός μοντέλου για τον υπολογισμό των επιδράσεων του φυσικού στρώματος, της ανάπτυξης και σχεδιασμού κατάλληλων αρχιτεκτονικών κόμβων, καθώς και μέσω της ανάπτυξης και εκτίμησης ενός μεγάλου αριθμού ευριστικών αλγορίθμων που μπορούν να αυξήσουν την απόδοση αυτών των δικτύων. Ενώ αυτή η διατριβή επικεντρώνεται σε μητροπολιτικά οπτικά δίκτυα, οι μέθοδοι και τεχνικές που αναπτύσσονται σε αυτή την διατριβή μπορούν να εφαρμοστούν και σε άλλους τύπους δικτύων, δεδομένου ότι οι επιδράσεις του φυσικού στρώματος που σχετίζονται με αυτά τα δίκτυα λαμβάνονται υπόψη στην μοντελοποίηση του φυσικού στρώματος.

Next-generation optical networks are expected to support traffic that will be heterogeneous in nature with both unicast, as well as multicast/groupcast applications. Recent bandwidth-intensive applications that are driving the use of optical multicasting include telepresence, grid computing, telemedicine, software and video distribution for residential customers, movie broadcasts, interactive distance learning and video training, and distributed games amongst others.

In parallel to the emergence of high-bandwidth multicast applications, the trend is for next-generation mesh optical networks that are evolving from opaque to translucent, and eventually to transparent optical networks. These transparent networks are extremely desirable as they provide bit-rate, protocol, and modulation format transparency, thus providing better solutions in the implementation of the network architecture by minimizing the extra cost, power, and footprint associated with the additional transceivers present in an opaque architecture. These architectures must now also have the capability and build-in intelligence to efficiently support all types of traffic and all kinds of applications, including both unicast as well as multicast/groupcast applications that require either the entire or a fraction of the wavelength bandwidth. In telecommunications networks, it is also essential that services are provided in an uninterrupted manner, leveraging fault recovery techniques and intelligent switching nodes to protect the network against failures. Multicast applications that carry traffic to multiple destinations are even more susceptible to failures as a single failure can result in the loss of information destined to a large number of users. Thus, providing failure recovery techniques for the multicast applications is of paramount importance in next-generation optical networks. The objective of this dissertation is to investigate problems related to impairment-aware multicasting/groupcasting in metropolitan area mesh optical networks, when the physical layer impairments are also taken into consideration when designing and implementing the appropriate provisioning and protection techniques. The main contributions of this dissertation are in the design and implementation of provisioning and protection techniques for the impairment-aware support of multicast and groupcast applications in transparent optical networks. This dissertation fills an existing void in that area by formulating and developing efficient solutions for these problems in metropolitan area optical networks with mesh topologies. All techniques developed for wavelength routing, subrate grooming, and fault protection for multicast and groupcast applications in these networks were designed while taking into consideration the physical layer constraints, and by doing so they exhibited improved performance compared to all the rest of the previously developed techniques. This dissertation presents a complete treatment to the impairment-aware multicast and groupcast provisioning and fault recovery problem by investigating the physical layer system model, node architectures and network engineering, as well as designing and evaluating a large number of heuristic algorithms that can provide these network control functions in a simple and efficient manner. While this work focuses on metropolitan area networks, these methods and techniques can also be readily applicable to other types of networks as well, provided that the network-specific physical layer impairments are accounted for in the physical layer system model.