Simulation and modeling of C+L+S multiband optical transmission for the OCATA time domain digital twin

Abstract

(English) This thesis focuses on implementing more robust control and management strategies such as those based on machine learning to enhance intelligence and drive towards autonomous operation is crucial for the future of optical communications. In this regard, this thesis aims at three specific objectives: The first objective is to develop a multiband optical transmission simulator. It can be challenging to conduct simulations on a fully loaded MB system with hundreds of channels. In addition, in MB optical transmission, the Inter-channel Stimulated Raman Scattering (ISRS) becomes a major effect, which adds more complexity. In view of that, the Fourth Order Runge-Kutta in Interaction Picture (RK4IP) method is evaluated as an alternative to reduce time complexity, which is complemented with an adaptive step size algorithm to further reduce the computation time. We show that RK4IP provides an accuracy comparable to that of SSFM with reduced computation time, which enables its application for MB optical transmission simulation. The second objective focuses on developing models for C+L+S Multiband Optical Transmission System In this objective of this thesis, we focus on modelling MB optical transmission to provided fast and accurate QoT estimation and propose Machine Learning (ML) approaches based on neural networks, which can be easily integrated into an Optical Layer Digital Twin (DT) solution. We start by considering approaches that can be used for accurate signal propagation modelling. Even though solutions like the Splitstep Fourier method (SSFM) for solving the non-linear Schrödinger equation (NLSE) cannot be used for QoT estimation due to their very high time complexity. Therefore, ML modelling approaches are considered to be integrated in the OCATA DT, where models predict optical signal propagation in the time domain. Being able to predict the optical signal in the time domain, as it will be received after propagation, opens opportunities for automating network operation, including connection provisioning and failure management. The third objective of this thesis is to develop a semi-analytical model for measuring the gain profile of amplifiers in both fully loaded and partially loaded conditions of the metro- access network. The power imbalance is one of the issues associated with transitioning to a metro-access merged network. Additionally, maintaining these two separate networks (metro and access) is both complicated and costly. The node that interconnects the two networks must perform O-E-O conversions on the data traversing between them. The current network system uses ROADM in nodes, which is all optical and requires no O-E-O conversion. Therefore, this goal primarily focuses on characterizing the parameters of EDFA present in reconfigurable optical add-drop multiplexers (ROADMs) with the aim of achieving a balance between flexibility, complexity, and cost. These nodes must be thoroughly characterized regarding optical losses, power consumption, and other metrics. Once evaluated, the performance of these nodes can be modelled to enable the SDN controller to incorporate them into the network.

(Català) Aquesta tesi se centra en la implementació d'estratègies de control i gestió més robustes, com les basades en l'aprenentatge automàtic, per millorar la intel·ligència i impulsar l'operació autònoma és crucial per al futur de les comunicacions òptiques. En aquest sentit, aquesta tesi té com a objectiu tres objectius específics: El primer objectiu és desenvolupar un simulador de transmissió òptica multibanda. Pot ser difícil realitzar simulacions en un sistema MB completament carregat amb centenars de canals. A més, en la transmissió òptica MB, la dispersió Raman estimulada entre canals (ISRS) es converteix en un efecte important, que afegeix més complexitat. En vista d'això, el mètode Runge-Kutta in Interaction Picture (RK4IP) s'avalua com una alternativa per reduir la complexitat del temps, que es complementa amb un algorisme adaptatiu de mida de pas per reduir encara més el temps de càlcul. Mostrem que RK4IP proporciona una precisió comparable a la de SSFM amb un temps de càlcul reduït, la qual cosa permet la seva aplicació per a la simulació de transmissió òptica MB. El segon objectiu se centra en el desenvolupament de models per a sistemes de transmissió òptica multibanda C+L+S En aquest objectiu d'aquesta tesi, ens centrem en modelar la transmissió òptica MB per proporcionar una estimació ràpida i precisa de la QoT i proposem enfocaments d'aprenentatge automàtic (ML) basats en xarxes neuronals, que es poden integrar fàcilment en una solució de bessó digital de capa òptica (DT). Comencem considerant enfocaments que es poden utilitzar per a un modelatge precís de propagació del senyal. Tot i que solucions com el mètode de Fourier de Splitstep (SSFM) per resoldre l'equació de Schrödinger no lineal (NLSE) no es poden utilitzar per a l'estimació de QoT a causa de la seva complexitat temporal molt alta. Per tant, es considera que els enfocaments de modelització ML estan integrats en OCATA DT, on els models prediuen la propagació del senyal òptic en el domini del temps. Ser capaç de predir el senyal òptic en el domini del temps, tal com es rebrà després de la propagació, obre oportunitats per automatitzar el funcionament de la xarxa, inclòs l'aprovisionament de connexions i la gestió de fallades. El tercer objectiu d'aquesta tesi és desenvolupar un model semianalític per mesurar el perfil de guany d'amplificadors tant en condicions de càrrega com de càrrega parcial de la xarxa d'accés metro. El desequilibri de poder és un dels problemes associats amb la transició a una xarxa fusionada d'accés al metro. A més, mantenir aquestes dues xarxes separades (metro i accés) és complicat i costós. El node que interconnecta les dues xarxes ha de realitzar conversions O-E-O en les dades que travessen entre elles. El sistema de xarxa actual utilitza ROADM en nodes, que és tot òptic i no requereix conversió O-E-O. Per tant, aquest objectiu se centra principalment en caracteritzar els paràmetres d'EDFA presents en multiplexors òptics reconfigurables (ROADM) amb l'objectiu d'aconseguir un equilibri entre flexibilitat, complexitat i cost. Aquests nodes s'han de caracteritzar a fons pel que fa a les pèrdues òptiques, el consum d'energia i altres mètriques. Un cop avaluat, es pot modelar el rendiment d'aquests nodes per permetre que el controlador SDN els incorpori a la xarxa.

(Español) Esta tesis se centra en la implementación de estrategias de control y gestión más robustas, como las basadas en el aprendizaje automático, para mejorar la inteligencia y el impulso hacia la operación autónoma es crucial para el futuro de las comunicaciones ópticas. En este sentido, esta tesis persigue tres objetivos específicos: El primer objetivo es desarrollar un simulador de transmisión óptica multibanda. Puede ser un desafío realizar simulaciones en un sistema MB completamente cargado con cientos de canales. Además, en la transmisión óptica MB, la dispersión Raman estimulada entre canales (ISRS) se convierte en un efecto importante, lo que agrega más complejidad. En vista de ello, se evalúa el método de Runge-Kutta en Imagen de Interacción de Cuarto Orden (RK4IP) como una alternativa para reducir la complejidad del tiempo, el cual se complementa con un algoritmo de tamaño de paso adaptativo para reducir aún más el tiempo de cálculo. Demostramos que RK4IP proporciona una precisión comparable a la de SSFM con un tiempo de cálculo reducido, lo que permite su aplicación para la simulación de transmisión óptica MB. El segundo objetivo se centra en el desarrollo de modelos para el sistema de transmisión óptica multibanda C+L+S En este objetivo de esta tesis, nos centramos en modelar la transmisión óptica de MB para proporcionar una estimación rápida y precisa de QoT y proponer enfoques de Machine Learning (ML) basados en redes neuronales, que pueden integrarse fácilmente en una solución de Gemelo Digital (DT) de capa óptica. Comenzamos considerando los enfoques que se pueden utilizar para un modelado preciso de la propagación de la señal. A pesar de que soluciones como el método de Fourier de paso dividido (SSFM) para resolver la ecuación no lineal de Schrödinger (NLSE) no se pueden utilizar para la estimación de QoT debido a su gran complejidad temporal. Por lo tanto, se considera que los enfoques de modelado de ML están integrados en el OCATA DT, donde los modelos predicen la propagación de la señal óptica en el dominio del tiempo. Ser capaz de predecir la señal óptica en el dominio del tiempo, tal como se recibirá después de la propagación, abre oportunidades para automatizar el funcionamiento de la red, incluido el aprovisionamiento de conexiones y la gestión de fallos. El tercer objetivo de esta tesis es desarrollar un modelo semianalítico para medir el perfil de ganancia de amplificadores en condiciones de carga completa y parcialmente cargada de la red de acceso metropolitano. El desequilibrio de energía es uno de los problemas asociados con la transición a una red fusionada de acceso metropolitano. Además, el mantenimiento de estas dos redes separadas (metro y acceso) es complicado y costoso. El nodo que interconecta las dos redes debe realizar conversiones O-E-O en los datos que atraviesan entre ellas. El sistema de red actual utiliza ROADM en los nodos, que es todo óptico y no requiere conversión O-E-O. Por lo tanto, este objetivo se centra principalmente en caracterizar los parámetros de EDFA presentes en los multiplexores ópticos reconfigurables add-drop (ROADM) con el objetivo de lograr un equilibrio entre flexibilidad, complejidad y costo. Estos nodos deben caracterizarse minuciosamente con respecto a las pérdidas ópticas, el consumo de energía y otras métricas. Una vez evaluado, se puede modelar el rendimiento de estos nodos para permitir que el controlador SDN los incorpore a la red.