Implementação do protocolo LMP de gerência de enlace em redes GMPLS ópticas

Pós-graduação em Ciência da Computação - IBILCE

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.

FOG: função de objetivo genérico para roteamento e alocação de comprimentos de onda em redes ópticas com tráfego de demanda estática

Esta tese de doutorado propõe uma formulação matemática para simulação de roteamento e alocação de comprimentos de onda em redes ópticas, sem a inclusão de restrições que não são inerentes ao problema básico e com o objetivo de ser aplicável a qualquer tipo de rede óptica com tráfego de demanda estática. O estabelecimento de uma rota seguida da seleção de um comprimento de onda é um dos pontos chave para o bom funcionamento de uma rede óptica, pois influencia na forma como os recursos da rede serão gerenciados. Assim, o processo de roteamento e alocação de comprimentos de onda em redes ópticas, conhecido como RWA (Routing and Wavelength Assignment), necessita de soluções que busquem a sua otimização. Entretanto, a despeito dos inúmeros estudos com o objetivo de otimizar o processo RWA, observa-se que não há, a priori, nenhuma solução que possa levar a uma padronização do referido processo. Considerando que a padronização é desejável na consolidação do uso de qualquer tecnologia, a Tese descrita neste trabalho é uma Função de Objetivo Genérico (FOG) que trata do processo de roteamento e alocação de comprimentos de onda, visando estabelecer uma base a partir da qual seja possível desenvolver um padrão ou vários padrões para redes ópticas. A FOG foi testada, via simulação, no processo de alocação de comprimentos de onda do inglês, Wavelength Assignment e no processo RWA como um todo. Em ambos os casos, os testes foram realizados considerando redes opacas, trazendo resultados surpreendentes, considerando a simplicidade da solução para um problema não trivial.

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.

Wavelength assignment using a hybrid evolutionary computation to reduce cross-phase modulation

In this paper, we propose a hybrid methodology based on Graph-Coloring and Genetic Algorithm (GA) to solve the Wavelength Assignment (WA) problem in optical networks, impaired by physical layer effects. Our proposal was developed for a static scenario where the physical topology and traffic matrix are known a priori. First, we used fixed shortest-path routing to attend demand requests over the physical topology and the graph-coloring algorithm to minimize the number of necessary wavelengths. Then, we applied the genetic algorithm to solve WA. The GA finds the wavelength activation order on the wavelengths grid with the aim of reducing the Cross-Phase Modulation (XPM) effect; the variance due to the XPM was used as a function of fitness to evaluate the feasibility of the selected WA solution. Its performance is compared with the First-Fit algorithm in two different scenarios, and has shown a reduction in blocking probability up to 37.14% when considered both XPM and residual dispersion effects and up to 71.42% when only considered XPM effect. Moreover, it was possible to reduce by 57.14% the number of wavelengths.

UV laser photofabrication of waveguide couplers using self-patterning organic-inorganic hybrids

Planar waveguides with controlled refractive index were produced using thin films of sol-gel derived organic-inorganic hybrids, so called di-ureasils. Spectroscopic ellipsometry was used to characterize the films thickness and refractive index. UV-laser direct-writing method was used to produce Y-splitter structures with coupling ratio of 50% without the need of photoinitiators.

Priority-based Lambda Scheduler

Optical networks provide a new dimension to meet the demands of exponentially growing traffic. Optical packet switching requires a good switch architecture, which eliminates the O/E/O conversion as much as possible. Wavelength Division Multiplexing (WDM) provides a breakthrough to exploit the huge bandwidth of the optical fiber. Different applications have different requirements, which necessitate employing differentiated services. This paper presents the idea of a priority-based λ-scheduler, where the packets are differentiated into different classes and services are provided accordingly. For example, class 0 can correspond to non real time applications like email and ftp, while class 1 can correspond to real-time audio and video communications. The architecture is based on that of the λ-scheduler and hence it has the added advantage of reduced component cost by using WDM internally.

Performance evaluation of improved output scheduling in 3lihon nodes

Le reti ottiche, grazie alla loro elevata capacità, hanno acquisito sempre maggiore importanza negli ultimi anni, sia per via del crescente volume di dati scambiati, legato soprattutto alla larga diffusione di Internet, sia per la necessità di comunicazioni in tempo reale. Dati i (relativamente) lunghi tempi di adattamento, questa tecnologia nativamente non è quella ottimale per il trasporto di un traffico a burst, tipico delle telecomunicazioni odierne. Le reti ibride cercano, quindi, di coniugare al meglio le potenzialità della commutazione ottica di circuito e della commutazione ottica a pacchetto. In questo lavoro, in particolare, ci si è concentrati su un'architettura di rete ibrida denominata 3LIHON (3-Level Integrated Hybrid Optical Network). Essa prevede tre distinti livelli di qualità di servizio (QoS) per soddisfare differenti necessità: - Guaranteed Service Type (GST): simile ad un servizio a commutazione di circuito, non ammette perdita di dati. - Statistically Multiplexed Real Time (SM/RT): simile ad un servizio a commutazione di pacchetto, garantisce ritardo nullo o molto basso all'interno della rete, permette un piccolo tasso di perdita di dati e ammette la contesa della banda. - Statistically Multiplexed Best Effort (SM/BE): simile ad un servizio a commutazione di pacchetto, non garantisce alcun ritardo tra i nodi ed ammette un basso tasso di perdita dei dati. In un nodo 3LIHON, il traffico SM/BE impossibile da servire, a causa ad es. dell'interruzione da parte di pacchetti aventi un livello di QoS più prioritario, viene irrimediabilmente perso. Questo implica anche lo spreco del tempo e delle risorse impiegati per trasmettere un pacchetto SM/BE fino alla sua interruzione. Nel presente lavoro si è cercato di limitare, per quanto possibile, questo comportamento sconveniente, adottando e comparando tre strategie, che hanno portato alla modifica del nodo 3LIHON standard ed alla nascita di tre sue varianti.

Supersymmetric Mode Converters

Originally developed in the context of quantum field theory, the concept of supersymmetry can be used to systematically design a new class of optical structures. In this work, we demonstrate how key features arising from optical supersymmetry can be exploited to control the flow of light for mode division multiplexing applications. Superpartner configurations are experimentally realized in coupled optical networks, and the corresponding light dynamics in such systems are directly observed. We show that supersymmetry can be judiciously utilized to remove the fundamental mode of a multimode optical structure, while establishing global phase matching conditions for the remaining set of modes. Along these lines, supersymmetry may serve as a promising platform for versatile optical components with desirable properties and functionalities.

Network convergence and QoS for future multimedia services in the VISION project

The emerging use of real-time 3D-based multimedia applications imposes strict quality of service (QoS) requirements on both access and core networks. These requirements and their impact to provide end-to-end 3D videoconferencing services have been studied within the Spanish-funded VISION project, where different scenarios were implemented showing an agile stereoscopic video call that might be offered to the general public in the near future. In view of the requirements, we designed an integrated access and core converged network architecture which provides the requested QoS to end-to-end IP sessions. Novel functional blocks are proposed to control core optical networks, the functionality of the standard ones is redefined, and the signaling improved to better meet the requirements of future multimedia services. An experimental test-bed to assess the feasibility of the solution was also deployed. In such test-bed, set-up and release of end-to-end sessions meeting specific QoS requirements are shown and the impact of QoS degradation in terms of the user perceived quality degradation is quantified. In addition, scalability results show that the proposed signaling architecture is able to cope with large number of requests introducing almost negligible delay.

Proteção compartilhada e restauração de tráfego em redes ópticas de segmentação espectral flexível

A busca de sistemas de comunicação eficientes e econômicos é cada vez maior, principalmente com o aumento da demanda por tráfego e banda de transmissão. Conhecidas pela utilização eficiente de largura de banda, as redes ópticas de segmentação espectral flexível têm sido intensamente estudadas e são consideradas boas candidatas para a próxima geração de redes. Tais redes flexíveis utilizam formatos de modulação multinível e multiplexação multiportadora. Sistemas com alta capacidade de transmissão devem ser extremamente confiáveis, pois a falha em um dispositivo ou enlace da rede acarreta enorme perda de dados. Por isso, as técnicas de proteção e restauração do tráfego devem ser eficientes, de modo a garantir a sobrevivência da rede. Neste trabalho, foi desenvolvido um algoritmo capaz de lidar com cada requisição de conexão, encontrar um caminho óptico para transmissão e reservar outro caminho para recuperação do tráfego em caso de falha na rede. A seleção dos caminhos primário e de proteção utiliza a técnica smart-fit, que escolhe a solução com menor custo final, definido pela distância da rota percorrida somada ao custo do índice inicial da faixa espectral alocada, buscando equilibrar a escolha entre a posição no espectro e rota escolhida. Além disso, são definidos custos diferentes para slots de frequência livres e compartilhados, a fim de incentivar o compartilhamento espectral em caminhos de proteção. Dentre as técnicas de alocação espectral, a varredura com janela espectral varre o espectro em todos os enlaces da rota, slot por slot, em busca de uma faixa livre com tamanho suficiente para atender uma demanda. Neste trabalho, foi desenvolvida uma técnica chamada busca lógica, que lida simultaneamente com todos os enlaces da rota ao realizar operações lógicas com seus espectros. Em seguida, é realizada uma convolução entre a janela espectral, com tamanho da demanda, e o espectro resultante. A partir desse resultado, é possível saber as posições no espectro onde a demanda poderá ser alocada. Tal técnica, como será demonstrado, é mais veloz que a varredura com janela espectral. Para garantir a eficácia e confiabilidade do algoritmo, utilizando o software MATLAB, avaliou-se a probabilidade de bloqueio e probabilidade de bloqueio de banda, a fragmentação espectral média na rede, o grau de compartilhamento, a taxa de utilização espectral e a taxa de capacidade reservada. O algoritmo desenvolvido foi capaz de organizar o tráfego na rede de modo ordenado e pouco fragmentado, além de utilizar de maneira eficiente os recursos destinados à proteção.

Priority realloc: um mecanismo para alocação de rotas e recursos em redes EON.

Backbone networks are responsible for long-haul data transport serving many clients with a large volume of data. Since long-haul data transport service must rely on a robust high capacity network the current technology broadly adopted by the industry is Wavelength Division Multiplexing (WDM). WDM networks enable one single ber to operate with multiple high capacity channels, drastically increasing the ber capacity. In WDM networks each channel is associated with an individual wavelength. Therefore a whole wavelength capacity is assigned to a connection, causing waste of bandwidth in case the connection bandwidth requirement is less than the channel total capacity. In the last half decade, Elastic Optical Networks (EON) have been proposed and developed based on the fexible use of the optical spectrum known as the exigrid. EONs are adaptable to clients requirements and may enhance optical networks performance. For these reasons, research community and data transport providers have been demonstrating increasingly high interest in EONs which are likely to replace WDM as the universally adopted technology in backbone networks in the near future. EONs have two characteristics that may limit its ecient resources use. The spectrum fragmentation, inherent to the dynamic EON operation, decrease the network capacity to assign resources to connection requests increasing network blocking probability. The spectrum fragmentation also intensifides the denial of service to higher rate request inducing service unfairness. Due to the fact EONs were just recently developed and proposed, the aforementioned issues were not yet extensively studied and solutions are still being proposed. Furthermore, EONs do not yet provide specific features as differentiated service mechanisms. Differentiated service strategies are important in backbone networks to guarantee client\'s diverse requirements in case of a network failure or the natural congestion and resources contention that may occur at some periods of time in a network. Impelled by the foregoing facts, this thesis objective is three-fold. By means of developing and proposing a mechanism for routing and resources assignment in EONs, we intend to provide differentiated service while decreasing fragmentation level and increasing service fairness. The mechanism proposed and explained in this thesis was tested in a EON simulation environment and performance results indicated that it promotes beneficial performance enhancements when compared to benchmark algorithms.

Modelling of femtosecond inscription in fused silica

We present theoretical and numerical analysis of the femtosecond processing of silica by laser beam with power below self-focusing threshold.