Contribution au design des réseaux optiques flexibles : protection et allocation des ressources spectrales et routage

The explosive growth of Internet traffic driven by proliferation of broadband services necessitates for a paradigm change in transport network. Introducing flexibility into optical layer has been considered as a guiding direction for improving network cost and energy efficiency. The traditional fixed network paradigm is therefore migrating to flexible one where a number of transmission parameters could be tuned and adapted to various network conditions. This changing paradigm clearly leverages new opportunities for addressing the very important problem, resiliency, in network design. On the other front, as the network becomes more flexible with an increasing number of degree of freedom, and consequently more complex, the role of algorithm in designing, operating and managing network has turn into of paramount importance when efficient algorithms are sought to achieve not just best use of resources but also to meet stricter requirement on running time and scalability issues. In this context, the works carried out in the thesis presents new protection schemes enabled by adaptive operation of flexible transponders, and new algorithms for solving the routing and spectrum assignment considering both single and multi-objective cases. Novel scientific contributions are presented into three following chapters: In chapter 2, the rate-adaptive operation with multi-line rate transponder for efficient protection is presented and benchmarked with traditional approach. The survivable network design with both dedicated and shared protection is formulated and investigated over extensive simulations to study the impact of introducing such new protection schemes in term of transponder count, cost and power consumption. Chapter 3 is dedicated to algorithms for solving the routing and spectrum assignment. In single-objective case, the novel algorithm based on genetic algorithm is proposed and benchmarked with other heuristics as well optimal solutions obtained from exact formulation. The contribution also includes the proposing of feeding good solutions from heuristic algorithms to warm-start the solvers. Afterwards, the multi-objective cases are examined extensively considering two scenarios whether or not the objective preferences is taken into account. Chapter 4 focuses on path protection in OFDM-based network considering novel scheme based on modulation-adaptive operation. The scheme is enabled by the reconfiguration capability of OFDM transponder to work at different modulation formats and consequently different spectrum assignments for the working and protection path in network-side protection. The dimensioning of network with both dedicated and shared path protection considering this new scheme is performed and examined in compared with conventional approach to demonstrate the spectrum and power consumption efficiency.La croissance explosive du trafic Internet, de par la prolifération des services à large bande, nécessite un changement de paradigme dans le réseau de transport. L'introduction de la flexibilité dans la couche optique a été considérée comme axe privilégié pour améliorer le coût du réseau et l'efficacité énergétique. Il s'agit à partir du réseau à grille de multiplexage fixe traditionnel de migrer vers une grille flexible où un certain nombre de paramètres de transmission pourront être réglés et adapté à diverses conditions de réseau. Ce changement de paradigme exploite clairement de nouvelles possibilités pour résoudre des problèmes très importants comme la résilience ou la conception du réseau. Par ailleurs, comme le réseau devient plus flexible avec un nombre croissant de degrés de liberté, et par conséquent plus complexe, le rôle des algorithmes dans la conception, l'exploitation et la gestion du réseau a une importance primordiale. Ainsi, il est nécessaire de disposer d'algorithmes efficaces permettant non seulement d'obtenir le meilleur usage des ressources, mais aussi de répondre à des exigences strictes en termes de temps d'exécution et de passage à l'échelle. Dans ce contexte, les travaux réalisés dans la thèse présentent des nouveaux systèmes de protection reposant sur l'adaptation de transpondeurs flexibles et de nouveaux algorithmes pour résoudre le problème de routage et d'allocation du spectre en considérant les deux cas mono- et multi-objectifs. Les nouvelles contributions scientifiques sont présentées dans les trois chapitres suivants : Dans le chapitre 2, le changement de débit de transpondeurs à débit variable est exploité en tant que mécanisme de protection. Ce nouveau mécanisme est comparé à l'approche traditionnelle. Une méthode de dimensionnement d'un réseau protégé, avec une protection à la fois dédiée et partagée est proposée et étudiée par le biais de simulations détaillées afin d'étudier l'impact de l'introduction de ces nouveaux systèmes de protection en terme de nombre de transpondeurs, de coût et de consommation d'énergie. Le chapitre 3 est consacré à des algorithmes pour résoudre le problème de routage et d'allocation du spectre. Dans le cas mono-objectif, un nouvel algorithme basé sur un algorithme génétique est proposé et comparé avec d'autres heuristiques ainsi que des solutions optimales obtenues à partir de la formulation exacte. L'approche proposée inclut également le recours à un " démarrage à chaud " des solveurs pour aboutir rapidement à de bonnes solutions avec les algorithmes heuristiques. Ensuite, le cas multi-objectifs est examiné en distinguant deux scénarios selon l'existence ou non d'un objectif préféré. Le chapitre 4 se concentre sur la protection de chemin dans un réseau utilisant la transmission OFDM optique et un nouveau schéma de modulation adaptative. Le schéma de protection s'appuie sur la capacité de reconfiguration du transpondeur OFDM capable de travailler, pour un même débit, avec différents formats de modulation et largeurs spectrales. Ceci permet, par conséquent, une allocation de fréquences différente pour les chemins de travail et de protection (celle-ci étant effectuée uniquement côté réseau). Le dimensionnement de réseau selon ce nouveau schéma, avec protection de chemin dédiée et partagée, est effectué et comparé avec l'approche conventionnelle pour démontrer l'intérêt de cette nouvelle approche du point de vue de l'efficacité spectrale et de la consommation électrique