Δρομολόγηση και ανάθεση μήκους κύματος σε οπτικά δίκτυα πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος με φυσικούς περιορισμούς και περιορισμούς ενέργειας

• Κύριος συγγραφέας: Παπανικολάου, Παναγιώτης
• Άλλοι συγγραφείς: Βαρβαρίγος, Εμμανουήλ
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2017
• Θέματα: Αλγόριθμοι σχεδιασμού; Αλγόριθμοι λειτουργίας; Αλγόριθμοι βασισμένοι σε φυσικές εξασθενήσεις; Αποδοτικότητα κόστους; Δρομολόγηση και ανάθεση μήκους κύματος; Ενεργειακή αποδοτικότητα; Μονός ρυθμός μετάδοσης; Οπτικά δίκτυα σταθερού πλέγματος; Πολλαπλοί ρυθμοί μετάδοσης; Πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος; Φάσμα; Cost efficiency; Energy efficiency; Fixed-grid optical networks; Impairment - aware algorithms; Mixed line rate (MLR); Planning; Operation; Routing and wavelength assignment; Single line rate (SLR); Wavelength Division Multiplexing (WDM); Spectrum; 621.382 75

Η τελευταία δεκαετία χαρακτηρίστηκε από δραματικές αλλαγές στον χώρο των τηλεπικοινωνιών οι οποίες διαφοροποίησαν σημαντικά τον τρόπο ζωής μας. Η παγκόσμια οικονομική δυσπραγία δεν φαίνεται ικανή να επιβραδύνει την αναγκαιότητα για μεγαλύτερη χωρητικότητα δικτύου, καθώς η καθημερινότητα βιώνεται ως μια αλληλουχία πράξεων οι οποίες εκφράζονται και υλοποιούνται μέσω διαδικτύου. Η επικοινωνία, η εκπαίδευση, η διασκέδαση, η εργασία και άλλα σημαντικά κομμάτια της ανθρώπινης κοινωνίας δεν μπορούν να ιδωθούν πλέον αποκομμένα από την έννοια της ψηφιακής διασύνδεσης και των δικτύων υπολογιστών. Γίνεται προφανές λοιπόν ότι πλέον το Διαδίκτυο αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι σε όλες τις οικονομίες των ανεπτυγμένων και αναπτυσσομένων κρατών. Εξαιτίας της αύξησης της κίνησης που διακινείται στο Διαδίκτυο και τον Παγκόσμιο Ιστό, λόγω της αύξησης του τελικού αριθμού χρηστών, αλλά και της αύξησης του εύρους ζώνης που παρέχεται σε κάθε χρήστη δημιουργήθηκε μια συνεχής και αδιάκοπη ανάγκη για περισσότερη χωρητικότητα στο δίκτυο. Η παραπάνω ανάγκη πυροδότησε τις τελευταίες δεκαετίες την ανάπτυξη των οπτικών δικτύων και την ταχεία μετάβαση τους από τα ερευνητικά εργαστήρια στην εμπορική τους εκμετάλλευση. Η ραγδαία αυτή διάδοση των οπτικών δικτύων οφείλεται όχι μόνο στο ιδιαιτέρως αυξημένο εύρος ζώνης που παρέχουν, αλλά και στο ότι ικανοποιούν τις απαιτήσεις για χαμηλό κόστος, υψηλή αξιοπιστία, ευρυζωνικότητα και εκτεταμένη γεωγραφική κάλυψη. Εκτός από την αύξηση της χωρητικότητας που απασχόλησε την έρευνα τα τελευταία χρόνια έχει προκύψει και το ζήτημα της ενεργειακής απόδοσης του δικτύου. Συγκεκριμένα όσο μεγαλύτερο γίνεται το δίκτυο (τόσο από άποψη χωρητικότητας όσο και από άποψη φυσικού μεγέθους) τόσο περισσότερη ηλεκτρική ισχύ καταναλώνει. Τα οπτικά δίκτυα εξελίχθηκαν σημαντικά την τελευταία δεκαετία αλλά στην παρούσα φάση η σημαντικότερη πρόκληση που αντιμετωπίζουν δεν αφορά την αύξηση της χωρητικότητας του δικτύου αλλά την ενεργειακή τους απόδοση. Η αξιοποίηση των πλεονεκτημάτων της οπτικής τεχνολογίας έγινε πραγματικότητα με την εγκατάσταση τηλεπικοινωνιακών συστημάτων βασισμένων στην πολύπλεξη με διαίρεση μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing). Η τεχνολογία πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος δίνει τη δυνατότητα εκμετάλλευσης του πολύ μεγάλου διαθέσιμου εύρους ζώνης των οπτικών συνδέσμων. Το εύρος ζώνης χωρίζεται σε έναν αριθμό από μη επικαλυπτόμενα διαστήματα, κάθε ένα από τα οποία εκτείνεται γύρω από ένα βασικό μήκος κύματος (wavelength). Το βασικό πρόβλημα βελτιστοποίησης που σχετίζεται με την αποδοτική εκμετάλλευση της χωρητικότητας τέτοιων δικτύων είναι το πρόβλημα της δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Routing and Wavelength Assignment). Στα διαφανή και ημιδιαφανή οπτικά δίκτυα, η ποιότητα της μετάδοσης του σήματος (QoT) επηρεάζεται σημαντικά από τις φυσικές εξασθενήσεις. Το RWA πρόβλημα με την παρουσία φυσικών εξασθενήσεων αναφέρεται ως Impairment aware (IA-)RWA πρόβλημα. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος στην παρούσα εργασία υλοποιούνται αλγόριθμοι οι οποίοι λαμβάνουν υπόψη τους τις φυσικές εξασθενήσεις (IΑ-RWA algorithms) τόσο για στατική όσο και για δυναμική κίνηση. Εκτός από τους IA-RWA αλγορίθμους υλοποιήθηκαν και (energy aware) EA-RWA αλγόριθμοι οι οποίοι έχουν σαν στόχο την μείωση της κατανάλωσης της ενέργειας σε WDM οπτικά δίκτυα. Αναλυτικότερα η εργασία διαρθρώνεται ως εξής: Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια συνοπτική περιγραφή των οπτικών δικτύων πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος, παρουσιάζοντας τις βασικές αρχιτεκτονικές ενός WDM δικτύου, τα στοιχεία που το αποτελούν αλλά και τις σημαντικότερες ιδιότητες του. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται το πρόβλημα της δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος τόσο για την περίπτωση της στατικής κίνησης όσο και για αυτήν της δυναμικής κίνησης. Στο δεύτερο μέρος αυτού του κεφαλαίου γίνεται παρουσίαση των γραμμικών και μη γραμμικών φυσικών εξασθενήσεων που επηρεάζουν τα οπτικά μονοπάτια. Στο κεφάλαιο 3 εξετάζουμε το ζήτημα της ενέργειας ως περιορισμού της λειτουργίας των οπτικών δικτύων. Γίνεται μια λεπτομερής καταγραφή της ενεργειακής κατανάλωσης του εξοπλισμού του WDM επιπέδου (fixed and flex) αλλά και του IP επιπέδου. Οι αλγόριθμοι της εργασίας βέβαια θα περιοριστούν στο fixed-WDM επίπεδο. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται μια συνοπτική περιγραφή του Mantis, το οποίο αποτελεί ένα εργαλείο σχεδιασμού και διαχείρισης των οπτικών δικτύων. Περιλαμβάνει ένα σύνολο αλγορίθμων για την σχεδίαση και την λειτουργία των οπτικών δικτύων. Μέσα από την παρούσα εργασία υλοποιήθηκαν αλγόριθμοι σε κατάλληλη μορφή ώστε να προστεθούν στη βιβλιοθήκη του Mantis. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η υλοποίηση και αξιολόγηση αλγορίθμων δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος σε διαφανή και ημιδιαφανή οπτικά WDM δίκτυα θεωρώντας ότι οι αιτήσεις σύνδεσης είναι γνωστές εκ των προτέρων (offline αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται στη φάση σχεδιασμού δικτύων θεωρώντας στατική κίνηση). Αρχικά υλοποιείται ο pure RWA αλγόριθμος, ο οποίος δεν λαμβάνει υπόψη του τις φυσικές εξασθενήσεις, και στην συνέχεια επεκτείνοντας αυτόν τον αρχικό αλγόριθμο προκύπτουν δυο IA-RWA αλγόριθμοι, εκ των οποίων ο ένας λαμβάνει έμμεσα υπόψη του τις φυσικές εξασθενήσεις, ενώ ο δεύτερος τις λαμβάνει άμεσα υπόψη του συνδυάζοντας τις παραμέτρους οι οποίες σχετίζονται με την διασπορά του θορύβου. Ο στόχος των IA-RWA αλγορίθμων είναι η ελαχιστοποίηση του αριθμού των μηκών κύματος που χρειάζονται για να εγκατασταθούν όλα τα οπτικά μονοπάτια υπο τον περιορισμό οι συνδέσεις να έχουν ανεκτή εξασθένηση. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται δύο IA-RWA αλγόριθμοι πολλαπλών κριτηρίων για δυναμική κίνηση (online αλγόριθμοι, που χρησιμοποιούνται κυρίως στην φάση λειτουργίας του δικτύου) για διαφανή δίκτυα. Οι αλγόριθμοι αυτοί λαμβάνουν υπόψη τους συνδυαστικά τις παραμέτρους του φυσικού επιπέδου και του επιπέδου δικτύου, ορίζοντας διανύσματα κόστους για κάθε συνδέσμου και για κάθε μονοπάτι. Ο ένας αλγόριθμος λαμβάνει τις φυσικές εξασθενήσεις άμεσα, ενώ ο άλλος έμμεσα. Στο κεφάλαιο 7 μελετάμε ΕΑ-RWA αλγορίθμους που έχουν ως στόχο την μείωση της κατανάλωσης της ενέργειας σε WDM οπτικά δίκτυα, για την περίπτωση της στατικής κίνησης. Η μείωση της ενέργειας επιτυγχάνεται μέσω της μείωσης του αριθμού των συσκευών του δικτύου που είναι ιδιαίτερα δαπανηρές σε ενέργεια. Στο κεφάλαιο 8 παραθέτουμε τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα εργασία, αλλά και προτάσεις για μελλοντική έρευνα.