Τεχνικές για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας τύπων οπτικών δικτύων και ΙοΤ δικτύων

• Κύριος συγγραφέας: Γράβαλος, Ηλίας
• Άλλοι συγγραφείς: Βαρβαρίγος, Εμμανουήλ
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2017
• Θέματα: Παθητικά οπτικά δίκτυα; Δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης; Ενεργο-αποδοτικοί αλγόριθμοι; ΙοΤ δίκτυα; Passive optical networks; XG-PON; Dynamic bandwidth allocation; Energy-aware algorithms; IoT networks; 621.398 1

Οι τεράστιες χωρητικότητες που παρέχουν τα οπτικά μέσα μετάδοσης, έχουν συγκεντρώσει μεγάλο ενδιαφέρον στην επέκταση των οπτικών δικτύων τόσο στα δίκτυα κορμού όσο και στα δίκτυα πρόσβασης. Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις εύρους ζώνης από τις διάφορες πολυμεσικές εφαρμογές και τις συσκευές που ενσωματώνουν λειτουργίες ανταλλαγής πληροφοριών, έχει δημιουργήσει την τάση επέκτασης των οπτικών ινών έως τον χρήστη. Τα μοντέλα Ίνα Μέχρι Το x (το x προσδιορίζει το σημείο που ο χρήστης συναντά την οπτική ίνα), καθιστούν δυνατή την κάλυψη των αναγκών σε εύρος ζώνης. Η αρχιτεκτονική των παθητικών οπτικών δικτύων αποτελεί κατάλληλο μέσο υλοποίησης των Ίνα Μέχρι Το x μοντέλων. Οι φορείς IEEE και ITU-T έχουν κάνει σημαντικές προσπάθειες προτυποποίησης των παθητικών οδικών δικτύων με τα αντίστοιχα μοντέλα GE-PON και XG-PON. Σε γενικές γραμμές τα δίκτυα αυτά αποτελούνται από μια κεντρική μονάδα τερματισμού της οπτικής γραμμής στην πλευρά του παρόχου (OLT), από διάφορες μονάδες συγκέντρωσης της κίνησης στο οπτικό δίκτυο (ONU) και από μία οπτική μονάδα διάσπασης του σήματος. Οι μονάδες αυτές συνδέονται μέσω μίας οπτικής ίνας και ενδιάμεσα δεν υπάρχει κανένα άλλο ενεργό στοιχείο. Τα δεδομένα μεταδίδονται ως πρός δύο κατευθύνσεις, προς τα κάτω (από το OLT προς τις ONUs) και προς τα πάνω (από τις ONUs πρός το OLT). Τα μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται είναι δύο και αντιστοιχούν στις δύο κατευθύνσεις μετάδοσης. Το γεγονός αυτό δημιουργεί πρόβλημα στην πολλαπλή προσπέλαση του μέσου από τις ONUs. Τα πακέτα θα πρέπει να μεταδίδονται χωρίς συγκρούσεις και σύμφωνα με τα πρότυπα αυτό επιβαρύνει το OLT ο οποίος θα πρέπει να συντονίζει τις μεταδόσεις. Σε αυτή την κατεύθυνση, μελετάμε πρωτόκολλα δυναμικής ανάθεσης του εύρους ζώνης για XG-PON συστήματα. Στόχος των πρωτοκόλλων είναι η ασφαλής και δίκαιη πρόσβαση των ONUs στο κοινό μέσο, η αποδοτική αξιοποίηση του διαθέσιμου εύρους ζώνης και η μείωση των καθυστερήσεων μετάδοσης των πακέτων. Προτείνουμε, συνεπώς, κατάλληλους αλγόριθμους δυναμικής ανάθεσης του εύρους ζώνης που βασίζονται στις τεχνικές max-min fair και fair queuing οι οποίες εφαρμόζονται στο OLT με βάση τις αναφορές των ONUs για την κατάσταση των ουρών τους, ώστε να επιτευχθεί δίκαιη και αποδοτική διαμοίραση του εύρους ζώνης. Η οπτική τεχνολογία, τείνει επίσης να αντικαταστήσει τις υπάρχουσες τεχνολογίες και στο επίπεδο των υπολογιστικών κέντρων δεδομένων. Η πλήρης λειτουργία ενός υπολογιστικού κέντρου με οπτικές συσκευές και συνδέσμους μπορεί να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας σημαντικά. Έτσι το μεγάλο πλήθος των διασυνδέσεων μπορεί να συμβάλει σημαντικά στην συνολική κατανάλωση ενέργειας. Μελετάμε, λοιπόν, τα μοντέλα κατανάλωσης των οπτικών διασυνδέσεων που χρησιμοποιούν την τεχνολογία των VCSEL πομποδεκτών. Με βάση τα μοντέλα αυτά η κατανάλωση ενέργειας αυξάνει εκθετικά σε σχέση με το ρυθμό μετάδοσης. Συνεπώς προτείνουμε έναν βέλτιστο αλγόριθμο δρομολόγησης της συνολικής κίνησης των κέντρων δεδομένων, ώστε αυτή να διαμοιράζεται στα διάφορα μονοπάτια που υπάρχουν μεταξύ τερματικών κόμβων, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται ο βέλτιστος ρυθμός μετάδοσης σε κάθε πομποδέκτη και κατά συνέπεια η ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας σε όλο το σύστημα. Η τεχνολογία Διαδίκτυο των Πραγμάτων (Internet of Things - ΙοΤ) αποτελεί την πλέον εξελισσόμενη τεχνολογία δικτύων. Το IoT στοχεύει στην διευκόλυνση της καθημερινότητας μέσω αυτοματοποιημένων συστημάτων επικοινωνίας και λήψης αποφάσεων. Συγκεκριμένα, οι διάφορες συσκευές αισθητήρων και συσκευών ανταλλάσσουν πληθώρα δεδομένων με μεγάλη συχνότητα, τα οποία αναλύονται και αν χρειαστεί εκτελούνται συγκεκριμένες ενέργειες ανάκαμψης ή πληροφόρησης κάποιου σημαντικού συμβάντος. Το μοντέλο των IoT αποτελεί σημαντική επιλογή για την ανάπτυξη και λειτουργία έξυπνων πόλεων. Ωστόσο, στις περιπτώσεις αυτές το πλήθος των συσκευών είναι αρκετά μεγάλο όπως και η αντίστοιχη πληροφορία προς επεξεργασία. Οι δυνατότητες των συσκευών που παράγουν την πληροφορία δεν επαρκούν για την ανάλυση των δεδομένων και την εξαγωγή συμπερασμάτων, με αποτέλεσμα η λειτουργία αυτή να μεταφέρεται σε μεγαλύτερες υπολογιστικές δομές (cloud servers). Αυτό όμως εγείρει το ζήτημα διαθεσιμότητας του εύρους ζώνης καθώς, λόγω της αδυναμίας χρήσης ενσύρματης διασύνδεσης στις τοποθεσίες των συσκευών, απαιτείται η χρήση WAN τοπολογιών. Σε αυτή την κατεύθυνση μελετάμε τον βέλτιστο σχεδιασμό IoT τοπολογιών με την εκμετάλλευση των τοπολογιών δικτύων ομίχλης (fog networks). Το πρόβλημα τυποποιείται ως ένα Integer Linear Programming (ILP) το οποίο στόχο έχει την επιλογή των κατάλληλων συσκευών ασύρματης μετάδοσης των δεδομένων, καθώς και τον καθορισμό των θέσεων των συσκευών που λειτουργούν ως πύλη για το διαδίκτυο (gateways) ώστε τα δεδομένα αυτά να προωθούνται στους cloud servers. Το ILP καταλήγει στην οικονομικότερη λύση που ικανοποιεί τις απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας των συσκευών που παράγουν τα δεδομένα.