Otimização energética em redes óticas de próxima geração Flex-grid vs Fixed-grid

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Eletrónica e Telecomunicações

A avaliação e redução do consumo energético de redes core tem sido um assunto recorrente em investigações académicas nos últimos anos. Atualmente os serviços de rede utilizam uma elevada largura de banda colocando o ónus nos operadores de rede de modo a fazerem uso dos recursos de rede de forma eficiente. Os grupos de standarização estão a fazer um progresso significativo ao tentar passar dos canais óticos disponíveis, com velocidades de 10, 40, 100 Gbps, até aos esperados 400 Gbps e ou até 1 Tbps nas redes core. As redes DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) de próxima geração permitirãouma transmissão ótica eficiente com bit rates a partir dos 400 Gbps utilizando tecnologia flexgrid. O flex-grid proporciona aos operadores maior flexibilidade na atribuição de espectro quando comparado com as tradicionais redes fixas WDM (Wavelength Division Multiplexing), fixed-grid, que utilizam a grelha de 50 GHz do ITU-T. No flex-grid o espectro é dividido em pequenos slots, como recentemente definido pelo ITU-T. Esta flexibilidade adicional permitiráo transporte mais rápido, utilizando canais óticos que operam a velocidades diferentes com uma alocação espectral menos fixa e rígida dos comprimentos onda atribuídos. Fazendo uso deste novo formato de atribuição de espectro, o flex-grid proporcionará aos operadores de rede a capacidade para transportar mais tráfego nas redes WDM com maior eficiência dada a otimização espectral e redução de OPEX (OPerational EXpenditure). Recorrendo à plataforma de simulação IMB ILOG CPLEX, nesta dissertação irá efetuar-se oestudo comparativo entre diferentes modelos de otimização energética para redes core IP (Internet Protocol) sobre WDM com foco em técnicas de encaminhamento energeticamente eficientes, como o bypass ótico. Tendo por base as tecnologias fixed-grid e flex-grid, os modelos em questão possibilitam a utilização de canais com diferentes velocidades de transmissão na mesma fibra ótica (MLR). De forma a efetuar-se uma abordagem realista, utilizou-se uma rede da Alemanha fazendo uso da matriz de tráfego IP e previsão de crescimento de tráfego anual (CAGR) segundo VNI da Cisco, com base em informação estatística. Da comparação entre os diferentes modelos concluiu-se que as redes flex-grid são energeticamente mais eficientes, conseguindo-se uma redução do consumo global da rede em 60% face às redes tradicionais, fixed-grid. As redes flex-grid permitem o transporte de volumes de tráfego elevados de forma energeticamente mais eficiente devido à maior capacidade, eficiência energética e espetral dos canais de transmissão associados a este tipo de redes.

Abstract: The evaluation and reduction of energy consumption of core network has been a popular subject of academic research in the last years. Currently t he network services use high bandwidth and put the onus on the network operators in order to efficiently use the network resources. The Standardization Groups are doing a significant progress moving from available optical channels (10, 40, 100 Gbps) up to the expected 400 Gbps or even 1 Tbps in the future core networks. The next generation of DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) allow spectrumefficient optical transmission with bit rates from 400 Gbps and beyond using flex-grid technology. Flex-grid provide flexibility to the operators when assigning spectrum compared to traditional fixed-grid WDM (Wavelength Division Multiplexing) networks using the 50 GHz ITU grid. In the flex-grid networks the spectrum is broken into small slots as recently defined by ITU-T. This additional flexibility will allow faster transport by using optical channels operating atdifferent speeds with different spectral widths assigned. From the use of these new spectrum allocation format, a key benefit that flex-grid offers to the network operators the ability to carry more traffic over WDM networks with optimized spectral efficiency and reduction of OPEX (OPerational EXpenditure). Using IBM ILOG CPLEX simulation platform, in this dissertation will be performed a study of different energy optimization models for IP (Internet Protocol) transport over WDM network, focusing on energy efficient routing techniques such as optical bypass. Based on the fixed-grid and flex-grid technologies, the models allow the use of channels with different transmission speeds on the same optical fiber (MLR). In order to get results more closely to reality, in this study a real German network was considered with IP traffic matrix and Cisco VNI forecast compound annual growth rate (CAGR), allowing consumption analysis along some years. After comparing different models it was possible to conclude that flex-grid networks has a better performance in energy-aware over traditional fixed-grid networks, achieving a reduction in overall network consumption by 60%. Flex-grid can carry higher volumes of traffic with lower energy consumption due to higher capacity and spectral efficiency of the transmission channels.