Engineering of SDH and WDM optical networks and IP/MPLS over DWDM multilayer study

Les réseaux de transport optiques constituent aujourd'hui l'infrastructure de base des systèmes de communications modernes. Etant donné les investissements colossaux nécessaires au déploiement de ces réseaux, liés en particulier aux coûts des équipements (fibres optiques, cartes, transpondeurs,...), l'optimisation du routage et de l'allocation de ressources est indispensable pour maitriser les coûts d'exploitation. Dans ce contexte, ces travaux de thèse étudient un ensemble de problèmes d'allocation de ressources qui se posent lors de la planification des réseaux SDH (Synchronous Digital Hierarchy) et WDM (Wavelength Division Multiplexing), mais aussi lors de celle des réseaux multicouches basés sur une couche de transport optique. Dans un premier temps, nous étudions le problème du routage des circuits dans les réseaux SDH avec pour objectif principal de minimiser la fragmentation de la bande passante. Nous formulons ce problème comme un programme linéaire en nombres entiers intégrant un ensemble de contraintes réalistes de routage, de transmission et de brassage et utilisant des coûts de ressources granulaires. Un algorithme exact et deux heuristiques sont proposés pour résoudre ce problème. Nous abordons également le problème du reroutage des circuits SDH qui se pose aux opérateurs lorsqu'il devient indispensable de réduire la fragmentation de la bande passante. Nous montrons sur des instances réelles des problèmes étudiés que les méthodes proposées permettent des gains économiques considérables. Dans un deuxième temps, nous étudions deux problèmes de planification pour l'optimisation des réseaux WDM. Le premier problème est celui du design de la topologie logique, c'est à dire celui de la définition des circuits (chemins) optiques permettant de router un ensemble de demandes en trafic avec un coût de transpondeurs minimal. Le second problème est celui du routage et de l'affectation de longueurs d'onde: comment router les circuits optiques définis précédemment pour minimiser le nombre de longueurs d'onde utilisées tout en respectant un ensemble de contraintes technologiques? Nous formulons ces deux problèmes comme des programmes linéaires en nombres entiers et proposons des heuristiques efficaces, de type approximation successive pour le premier problème et utilisant une approche par décomposition pour le second problème. Là encore, les résultats expérimentaux montrent que les méthodes proposées permettent d'obtenir des approximations de qualité pour des instances de très grandes tailles. Enfin, nous abordons l'allocation de ressources dans les réseaux multicouches de nouvelle génération IP/MPLS sur OTN (Optical Transport Network) sur DWDM (Dense WDM). Dans ce cas, la question à laquelle la majorité des opérateurs cherchent une réponse est celle du routage des demandes en trafic de niveau 3 permettant d'optimiser l'allocation des ressources non seulement dans la couche IP/MPLS mais aussi dans les couches sous-jacentes OTN et DWDM. Pour répondre à cette question, nous proposons un nouveau modèle d'optimisation multicouche qui tient compte d'une hiérarchie de contraintes matérielles et définit un compromis entre les coûts des ressources dans les trois couches de réseau. L'ensemble des algorithmes d'optimisation proposés ont été intégrés dans l'environnement de planification et d'optimisation de réseaux NEST de la société QoS Design, utilisé par de grands opérateurs pour planifier leurs réseaux.Optical transport networks currently constitute base infrastructures for modern day telecommunications systems. Given the huge investments required for deploying these networks, and in particular concerning equipment costs (fiber optics, cards, transponders, etc.), routing optimization and resource allocation are indispensable issues for mastering the operational expenditures (OPEX). In this context, the work conducted in this thesis handle a set of resource allocation problems which arise while planning not only optical SDH (Synchronous Digital Hierarchy) and WDM (Wavelength Division Multiplexing) networks, but also multilayer ones based on an optical transport layer. First, the circuit routing problem in SDH networks is tackled with the main objective of minimizing the bandwidth fragmentation. This problem is formulated as an Integer Linear Program (ILP) integrating a set of realistic routing, transmission and cross-connect constraints and using granular resource costs. An exact algorithm and two heuristics are proposed to solve this problem. The rerouting problem of SDH circuits, which faces operators when it becomes absolutely necessary to reduce the bandwidth fragmentation in the network, is also addressed. For real instances of the studied problems, it is shown that the proposed methods provide considerable economic gains. Second, two planning problems for WDM network optimization is tackled. The first problem is that of the logical network design, or in other words that concerned with the definition of lightpaths to route a set of traffic demands with a minimum transponder cost. The second problem is related to the routing and the wavelength assignment: how to route the previously defined lightpaths so as to minimize the total number of assigned wavelengths while respecting a set of technological constraints? These two problems are formulated as Integer Linear Programs (ILPs) and are solved using efficient heuristics, based on a successive approximation for the first problem and a decomposition approach for the second one. Here again, experimental results show that the proposed methods allow obtaining good quality approximations for large scale instances. Finally, resource allocation in new generation multilayer networks, that is IP/MPLS over OTN (Optical Transport Network) over DWDM (Dense WDM), is addressed. In this case, the question that most of the operators seek to answer is how to route layer 3 traffic demands while optimizing resource allocation, not only in the IP/MPLS layer, but also in the underlying OTN and DWDM layers. For this purpose, a new multilayer optimization model is proposed. It takes into account a hierarchy of material constraints and defines a tradeoff between the resource costs in the three network layers. The set of proposed optimization algorithms have been integrated into the network planning and optimization environment NEST of QoS Design, which is used by major operators to plan their network