Avaliação de desempenho de algoritmos de alocação de comprimento de onda em redes ópticas WDM

Neste trabalho estudamos alguns algoritmos de alocação de comprimento de onda em redes ópticas WDM (Wavelength Division Multiplexing). O objetivo para estudar os algoritmos de alocação first-fit, least-used e most-used está baseado na estratégia adotada para estudar o Problema RWA. A estratégia toma como base a visão geral do problema que envolve os algoritmos de roteamento e os algoritmos de alocação de comprimento de onda, e tendo como métrica principal para seus resultados a probabilidade de bloqueio. Este trabalho apresenta uma visão diferenciada para o problema e considera-se que a alocação de comprimentos de onda se sobrepõe, em importância, à ação de roteamento em redes ópticas. Essa percepção ocorre quando se analisa o problema RWA a partir do critério clássico usado no estabelecimento de uma rota: a escolha do caminho mais curto entre a origem e o destino. Apesar da identificação de um caminho mais curto, isso não garante, em redes ópticas, que ele será o utilizado, pois é necessário que haja para aquele caminho, um comprimento de onda adequado. Foi utilizada uma ferramenta de simulação para redes WDM denominada OWNS para realizar uma análise do problema RWA. Os resultados obtidos são apresentados graficamente e em uma das simulações observou-se uma forte tendência de queda na probabilidade de bloqueio e uma boa vazão no trafego da rede com isso possibilitando um aumento na capacidade de transmissão da rede. Por fim, este texto apresenta uma discussão sobre os diferenciais e limitações deste trabalho, e apresenta direcionamentos para investigações futuras neste campo de estudo.

Proposta de um algoritmo híbrido de agendamento de grants baseado na priorização de filas para gerenciamento de recursos em WDM-PONs

As Redes Ópticas Passivas (Passive Optical Networks - PONs) vêm experimentando um sólido crescimento nas últimas décadas por terem sido concebidas como uma excelente alternativa para a solução de um dos maiores problemas para as redes de telecomunicações: o gargalo nas redes de acesso. A próxima geração desta tecnologia, as chamadas Next Genaration PONs (NG-PON), surgem como consequência da evolução das tecnologias ópticas e oferecem suporte aos serviços de próxima geração, melhorando os parâmetros de desempenho das TDM-PONs e inclusive aumentando a área de cobertura destas redes. Esta expansão geográfica beneficia as empresas de telecomunicações que passam a focar seus esforços na simplificação de suas infra-estruturas através da unificação das redes metropolitanas, de acesso e de backhaul, reduzindo a quantidade de nós e, consequentemente, de custos operacionais e financeiros. Trata-se de uma significativa mudança no cenário das redes de acesso que passam a ter grandes distâncias entre as Optical Network Units (ONUs) e o Central Office (CO) e uma imensa variedade de serviços, tornando fundamental a presença de algoritmos de agendamento capazes de gerenciar todos os recursos compartilhados de forma eficiente, ao mesmo tempo que garantem controle e justeza na alocação dinâmica dos tráfegos upstream e downstream. É a partir deste contexto que esta dissertação tem como objetivo geral apresentar a proposta de um algoritmo híbrido de agendamento de grants baseado na priorização de filas (Hybrid Grant Scheduler based on Priority Queuing – HGSPQ), que além de gerenciar todos os recursos em WDM-PONs, busca oferecer eficiência e controle ao Optical Line Terminal (OLT) no agendamento dinâmico dos tráfegos. Os resultados apresentados foram extraídos de cenários desenvolvidos em ambiente de simulação computacional e se baseiam nas métricas de atraso e vazão para avaliação de seu desempenho. Também será avaliado como a quantidade de recursos no OLT interfere nestas métricas.

Expansão da capacidade de transmissão de sistemas ópticos através da tecnologia WDM: um estudo de caso sobre o sistema da Eletronorte

Esta dissertação de mestrado apresenta dois projetos, sendo um referente ao sistema Tramo Oeste, e o outro ao sistema Pará – Maranhão; relacionado ao trecho Marabá – Santa Maria, com bombeamento remoto e amplificação Raman. A dissertação trata da expansão da capacidade de transmissão do sistema óptico da Eletronorte, no Tramo Oeste. Atualmente, esse sistema opera à taxa STM1 (155 Mb/s). Também é usada uma nova tecnologia para eliminação de estações repetidoras, através do bombeamento remoto. Essa técnica se fundamenta no uso de amplificadores ópticos bombeados remotamente, por meio das fibras ópticas do cabo OPGW (Optical Ground Wire) já instaladas no sistema.Esses amplificadores ópticos são constituídos somente por componentes passivos; e, além disso, podem ser acomodados em caixas de emendas ópticas; as quais são fixadas nas torres das linhas de transmissão do sistema, ao longo do enlace; sendo que as fontes ópticas para a realização do bombeamento remoto são localizadas e alimentadas nas próprias subestações terminais. A simulação dos sistemas é através de um software comercial de simulação Optisystem 4.1™. Esta dissertação propõe mudanças nos sistemas ópticos para aumentar a capacidade de transmissão por WDM; bombeamento remoto para estações sem repetição, e uso de amplificação Raman. Aborda-se ainda, a concepção de um backbone óptico DWDM, que é um convênio de cooperação técnica entre a Eletronorte e o Governo do Estado do Pará; e os resultados das simulações desse backbone óptico. É feita uma análise crítica comparativa deste, com os projetos dos sistemas ópticos do Tramo Oeste e do sistema Pará – Maranhão; referente ao trecho Marabá – Santa Maria.

Análise da influência do monitoramento OTDR em WDM-PON: um estudo baseado em simulação

Redes Ópticas Passivas estão cada vez mais difundidas como rede de acesso de banda larga. Devido à sua importância, tais redes necessitam constantemente de supervisão. Diversas técnicas vêm sendo empregadas para supervisão de redes ópticas, dentre as quais se destacam as que utilizam reflectometria, pois agregam vantagens, tais como: baixo custo, em comparação com outros métodos de supervisão, e não exigência de intervenção na casa do usuário. Esta dissertação apresenta uma estratégia capaz de quantificar, por meio de simulações, o impacto que a técnica de reflectometria no domínio do tempo gera como interferência em transmissões típicas de uma rede WDM-PON.

Estratégia de projeto de atribuição de comprimento de onda com restrição de camada física em redes WDM

O sistema WDM (Wavelength Division Multiplexing) é considerado como uma tecnologia madura para ser usada no backbone de redes ópticas. Entretanto, encontrar uma solução ótima para o algoritmo de atribuição de comprimento de onda no projeto e operação destas redes, ainda é uma questão em aberto. A pesquisa realizada nesta tese aborda os principais aspectos relacionados ao processo de atribuição de comprimento de onda em sistemas WDM, e como resultado foi proposta uma metodologia que minimiza a degradação do sinal óptico gerada pela modulação de fase cruzada (XPM – Cross-Phase Modulation). Esta proposta é composta por uma metodologia híbrida baseada em Coloração de Grafo e Algoritmo Genético (AG), sendo que o primeiro tem a função de reduzir o número de comprimentos de onda necessários para atender a matriz de tráfego (que é fornecida a priori) e o último tem a função de encontrar a ordem de ativação de canais na grade de comprimentos de onda, com o objetivo de reduzir o efeito XPM. A proposta foi comparada com o algoritmo First-Fit em diferentes cenários e topologias de redes, e demonstrou uma considerável redução na probabilidade de bloqueio.

Survivable Lightpath Provisioning in WDM Mesh Networks Under Shared Path Protection and Signal Quality Constraints

This paper addresses the problem of survivable lightpath provisioning in wavelength-division-multiplexing (WDM) mesh networks, taking into consideration optical-layer protection and some realistic optical signal quality constraints. The investigated networks use sparsely placed optical–electrical–optical (O/E/O) modules for regeneration and wavelength conversion. Given a fixed network topology with a number of sparsely placed O/E/O modules and a set of connection requests, a pair of link-disjoint lightpaths is established for each connection. Due to physical impairments and wavelength continuity, both the working and protection lightpaths need to be regenerated at some intermediate nodes to overcome signal quality degradation and wavelength contention. In the present paper, resource-efficient provisioning solutions are achieved with the objective of maximizing resource sharing. The authors propose a resource-sharing scheme that supports three kinds of resource-sharing scenarios, including a conventional wavelength-link sharing scenario, which shares wavelength links between protection lightpaths, and two new scenarios, which share O/E/O modules between protection lightpaths and between working and protection lightpaths. An integer linear programming (ILP)-based solution approach is used to find optimal solutions. The authors also propose a local optimization heuristic approach and a tabu search heuristic approach to solve this problem for real-world, large mesh networks. Numerical results show that our solution approaches work well under a variety of network settings and achieves a high level of resource-sharing rates (over 60% for O/E/O modules and over 30% for wavelength links), which translate into great savings in network costs.

Optical Components for WDM Lightwave Networks

Recently, there has been growing interest in developing optical fiber networks to support the increasing bandwidth demands of multimedia applications, such as video conferencing and World Wide Web browsing. One technique for accessing the huge bandwidth available in an optical fiber is wavelength-division multiplexing (WDM). Under WDM, the optical fiber bandwidth is divided into a number of nonoverlapping wavelength bands, each of which may be accessed at peak electronic rates by an end user. By utilizing WDM in optical networks, we can achieve link capacities on the order of 50 THz. The success of WDM networks depends heavily on the available optical device technology. This paper is intended as a tutorial on some of the optical device issues in WDM networks. It discusses the basic principles of optical transmission in fiber and reviews the current state of the art in optical device technology. It introduces some of the basic components in WDM networks, discusses various implementations of these components, and provides insights into their capabilities and limitations. Then, this paper demonstrates how various optical components can be incorporated into WDM optical networks for both local and wide-area applications. Last, the paper provides a brief review of experimental WDM networks that have been implemented.

Dynamic Traffic Grooming Algorithms for Reconfigurable SONET Over WDM Networks

The emergence of wavelength-division multiplexing (WDM) technology provides the capability for increasing the bandwidth of synchronous optical network (SONET) rings by grooming low-speed traffic streams onto different high-speed wavelength channels. Since the cost of SONET add–drop multiplexers (SADM) at each node dominates the total cost of these networks, how to assign the wavelength, groom the traffic, and bypass the traffic through the intermediate nodes has received a lot of attention from researchers recently. Moreover, the traffic pattern of the optical network changes from time to time. How to develop dynamic reconfiguration algorithms for traffic grooming is an important issue. In this paper, two cases (best fit and full fit) for handling reconfigurable SONET over WDM networks are proposed. For each approach, an integer linear programming model and heuristic algorithms (TS-1 and TS-2, based on the tabu search method) are given. The results demonstrate that the TS-1 algorithm can yield better solutions but has a greater running time than the greedy algorithm for the best fit case. For the full fit case, the tabu search heuristic yields competitive results compared with an earlier simulated annealing based method and it is more stable for the dynamic case.

Survivable Traffic Grooming With Path Protection at the Connection Level in WDM Mesh Networks

Survivable traffic grooming (STG) is a promising approach to provide reliable and resource-efficient multigranularity connection services in wavelength-division-multiplexing (WDM) optical networks. In this paper, we study the STG problem in WDM mesh optical networks employing path protection at the connection level. Both dedicated-protection and shared-protection schemes are considered. Given network resources, the objective of the STG problem is to maximize network throughput. To enable survivability under various kinds of single failures, such as fiber cut and duct cut, we consider the general shared-risklink- group (SRLG) diverse routing constraints. We first resort to the integer-linear-programming (ILP) approach to obtain optimal solutions. To address its high computational complexity, we then propose three efficient heuristics, namely separated survivable grooming algorithm (SSGA), integrated survivable grooming algorithm (ISGA), and tabu-search survivable grooming algorithm (TSGA). While SSGA and ISGA correspond to an overlay network model and a peer network model, respectively, TSGA further improves the grooming results from SSGA and ISGA by incorporating the effective tabu-search (TS) method. Numerical results show that the heuristics achieve comparable solutions to the ILP approach, which uses significantly longer running times than the heuristics.

Dynamic Routing in Translucent WDM Optical Networks: The Intradomain Case

Translucent wavelength-division multiplexing optical networks use sparse placement of regenerators to overcome physical impairments and wavelength contention introduced by fully transparent networks, and achieve a performance close to fully opaque networks at a much less cost. In previous studies, we addressed the placement of regenerators based on static schemes, allowing for only a limited number of regenerators at fixed locations. This paper furthers those studies by proposing a dynamic resource allocation and dynamic routing scheme to operate translucent networks. This scheme is realized through dynamically sharing regeneration resources, including transmitters, receivers, and electronic interfaces, between regeneration and access functions under a multidomain hierarchical translucent network model. An intradomain routing algorithm, which takes into consideration optical-layer constraints as well as dynamic allocation of regeneration resources, is developed to address the problem of translucent dynamic routing in a single routing domain. Network performance in terms of blocking probability, resource utilization, and running times under different resource allocation and routing schemes is measured through simulation experiments.

Survivable Waveband Switching in WDM Mesh Networks under Dedicated Path-Protection

This paper considers the problem of dedicated path-protection in wavelength-division multiplexed (WDM) mesh networks with waveband switching functionality under shared risk link group (SRLG) constraints. Two dedicated path protection schemes are proposed, namely the PBABL scheme and the MPABWL scheme. The PBABL scheme protects each working waveband-path through a backup waveband-path. The MPABWL scheme protects each working waveband-path by either a backup waveband-path or multiple backup lightpaths. Heuristic algorithms adopting random optimization technique are proposed for both the schemes. The performance of the two protection schemes is studied and compared. Simulation results show that both the heuristics can obtain optimum solutions and the MPABWL scheme leads to less switching and transmission costs than the PBABL scheme.

Same-Destination-Intermediate Grouping vs. End-to-End Grouping for Waveband Switching in WDM Mesh Networks

We investigate waveband switching (WBS) with different grouping strategies in wavelength-division multiplexing (WDM) mesh networks. End-to-end waveband switching (ETEWBS) and same-destination-intermediate waveband switching (SD-IT-WBS) are analyzed and compared in terms of blocking probability and cost savings. First, an analytical model for ETEWBS is proposed to determine the network blocking probability in a mesh network. For SD-IT-WBS, a simple waveband switching algorithm is presented. An analytical model to determine the network blocking probability is proposed for SD-IT-WBS based on the algorithm. The analytical results are validated by comparing with simulation results. Both results match well and show that ETE-WBS slightly outperforms SD-IT-WBS in terms of blocking probability. On the other hand, simulation results show that SD-IT-WBS outperforms ETE-WBS in terms of cost savings.

A Novel Cost-Efficient On-Line Intermediate Waveband-Switching Scheme in WDM Mesh Networks

Waveband switching (WBS) is an important technique to save switching and transmission cost in wavelength -division multiplexed (WDM) optical networks. A cost-efficient WBS scheme would enable network carriers to increase the network throughput (revenue) while achieving significant cost savings. We identify the critical factors that determine the WBS network throughput and switching cost and propose a novel intermediate waveband switching (IT-WBS) algorithm, called the minimizing-weighted-cost (MWC) algorithm. The MWC algorithm defines a cost for each candidate route of a call. By selecting the route with the smallest weighted cost, MWC balances between minimizing the call blocking probability and minimizing the network switching cost. Our simulations show that MWC outperforms other wavelength/waveband switching algorithms and can enhance the network throughput at a reduced cost.

Discontinuous Waveband Switching in WDM Optical Networks

Routing techniques used in wavelength routed optical networks (WRN) do not give an efficient solution with Waveband routed optical networks (WBN) as the objective of routing in WRN is to reduce the blocking probability and that in WBN is to reduce the number of switching ports. Routing in WBN can be divided two parts, finding the route and grouping the wavelength assigned into that route with some existing wavelengths/wavebands. In this paper, we propose a heuristic for waveband routing, which uses a new grouping strategy called discontinuous waveband grouping to group the wavelengths into a waveband. The main objective of our algorithm is to decrease the total number of ports required and reduce the blocking probability of the network. The performance of the heuristic is analyzed using simulation on a WBN with non-uniform wavebands.

Virtual Topology Reconfiguration of Wavelength-routed Optical WDM Networks

The bandwidth requirements of the Internet are increasing every day and there are newer and more bandwidth-thirsty applications emerging on the horizon. Wavelength division multiplexing (WDM) is the next step towards leveraging the capabilities of the optical fiber, especially for wide-area backbone networks. The ability to switch a signal at intermediate nodes in a WDM network based on their wavelengths is known as wavelength-routing. One of the greatest advantages of using wavelength-routing WDM is the ability to create a virtual topology different from the physical topology of the underlying network. This virtual topology can be reconfigured when necessary, to improve performance. We discuss the previous work done on virtual topology design and also discuss and propose different reconfiguration algorithms applicable under different scenarios.