Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/4802
Title: Δρομολόγηση και ανάθεση μήκους κύματος και ρυθμού μετάδοσης σε οπτικά δίκτυα με φυσικούς και άλλους περιορισμούς
Authors: Μανουσάκης, Κωνσταντίνος
Issue Date: 2011-11-03
Keywords: Δρομολόγηση και ανάθεση μήκους κύματος
Φυσικές εξασθενήσεις
Οπτικά δίκτυα
Ρυθμοί μετάδοσης
Keywords (translated): Routing and wavelength assignment
Physical impairments
Optical networks
Line rates
Abstract: Σε ένα δίκτυο πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing - WDM), κάθε οπτική ίνα μεταφέρει κίνηση υψηλού ρυθμού σε διαφορετικά μήκη κύματος δημιουργώντας έναν αριθμό από µη επικαλυπτόμενα κανάλια μέσα σε μία μόνο ίνα. Η πιο κοινή αρχιτεκτονική που χρησιμοποιείται για την επικοινωνία σε WDM οπτικά δίκτυα είναι η δρομολόγηση μηκών κύματος, όπου οπτικοί παλμοί μεταδίδονται μέσω οπτικών μονοπατιών, δηλαδή αμιγώς WDM κανάλια που μπορεί να διατρέχουν έναν αριθμό από συνεχόμενες ίνες. Τα σημερινά οπτικά δίκτυα κορμού είναι κυρίως δίκτυα από σημείο σε σημείο (αδιαφανή), όπου το σήμα αναγεννάται σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο μέσω οπτο-ηλεκτρο-οπτικής (ΟΕΟ) μετατροπής. Η τάση που επικράτησε τα προηγούμενα χρόνια δείχνει μία εξέλιξη σε δίκτυα χαμηλού κόστους και υψηλής χωρητικότητας που δεν χρησιμοποιούν OEO μετατροπή. Αρχικά, το κόστος ενός αδιαφανούς δικτύου μπορεί να μειωθεί με την μετακίνηση σε ένα δίκτυο όπου η OEO μετατροπή γίνεται μόνο σε ορισμένους κόμβους, το οποίο συνήθως αναφέρεται ως ημιδιαφανές δίκτυο. Ο στόχος είναι η ανάπτυξη ενός αμιγώς διάφανου οπτικού δικτύου όπου το σήμα θα παραμένει σε οπτική μορφή κατά μήκος ολόκληρου του οπτικού μονοπατιού. Δεδομένου ότι τα οπτικά μονοπάτια είναι οι βασικές οντότητες μεταγωγής ενός WDM δικτύου δρομολόγησης μήκους κύματος, η αποτελεσματική εγκατάσταση τους είναι υψηλής σημασίας. Επομένως, είναι σημαντικό να προτείνουμε αποδοτικούς αλγορίθμους για την επιλογή των μονοπατιών των αιτήσεων σύνδεσης και να αναθέσουμε μήκη κύματος σε κάθε ένα σύνδεσμο κατά μήκος αυτών των μονοπατιών. Αυτό το πρόβλημα είναι γνωστό ως πρόβλημα δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (Routing and Wavelength Assignment - RWA). 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 (ΙΑ-) RWA πρόβλημα. Στην παρούσα διδακτορική έρευνα αρχικά ασχοληθήκαμε με την ανάπτυξη και την αξιολόγηση αλγορίθμων δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος σε διαφανή και ημιδιαφανή οπτικά WDM δίκτυα θεωρώντας ότι οι αιτήσεις σύνδεσης είναι γνωστές εκ των προτέρων (φάση σχεδιασμού δικτύων θεωρώντας στατική κίνηση). Εξαιτίας των φυσικών φαινομένων, η επιλογή του κάθε οπτικού μονοπατιού επηρεάζει και επηρεάζεται από τις επιλογές των άλλων οπτικών μονοπατιών. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των οπτικών μονοπατιών στο στατικό πρόβλημα είναι δύσκολο να μοντελοποιηθεί καθώς η χρησιμοποίηση των οπτικών μονοπατιών αποτελούν μεταβλητές του προβλήματος. Αρχικά προτείνουμε RWA αλγορίθμους, χωρίς να λαμβάνουμε υπόψη τις φυσικές εξασθενήσεις, οι οποίοι βασίζονται σε μοντελοποιήσεις γραμμικού προγραμματισμού (Linear Programming - LP) και τείνουν να δίνουν ακέραιες λύσεις. Στην συνέχεια επεκτείνουμε τις μοντελοποιήσεις αυτές και παρουσιάζουμε δύο αλγορίθμους οι οποίοι λαμβάνουν υπόψη τις φυσικές εξασθενήσεις (IA-RWA). Στην πρώτη μοντελοποίηση οι φυσικές εξασθενήσεις λαμβάνονται υπόψη έμμεσα με βάση τις πηγές που προκαλούν τις εξασθενήσεις, ενώ στην δεύτερη μοντελοποίηση οι φυσικές εξασθενήσεις λαμβάνονται υπόψη άμεσα 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 και ταυτόχρονα η ελαχιστοποίηση της εξασθένησης του σήματος του κάθε οπτικού μονοπατιού. Αναπτύχθηκαν επίσης 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 έμμεσα, ενώ ο άλλος έμμεσα. Με βάση τους αλγορίθμους πολλαπλών κριτηρίων, προτείναμε διάφορες τεχνικές προστασίας των μονοπατιών για την αντιμετώπιση βλαβών στο δίκτυο λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς εξασθένησης του φυσικού επιπέδου. Ο αλγόριθμος που λαμβάνει άμεσα υπόψη τις φυσικές εξασθενήσεις, επεκτάθηκε ώστε να λαμβάνει υπόψη την ύπαρξη αναγεννητών σε συγκεκριμένους κόμβους του δικτύου καθιστώντας τον ικανό κατ’ αυτόν τον τρόπο να λειτουργεί σε ημιδιαφανή δίκτυα. Μελετήσαμε επιπλέον RWA αλγορίθμους σε WDM δίκτυα τα οποία περιλαμβάνουν κόμβους με περιορισμούς χρώματος (colored) και κατεύθυνσης (direction). Ειδικότερα, επικεντρωθήκαμε σε τέσσερις αρχιτεκτονικές κόμβων που χρησιμοποιούν add/drop ports με τις ακόλουθες ρυθμίσεις i) colored/directed, ii) colored/directionless, iii) colorless/ directed, και iv) colorless/directionless. Αυτές οι αρχιτεκτονικές έχουν διαφορετικό κόστος υλοποίησης, δηλαδή η πιο ευέλικτη αρχιτεκτονική είναι και η πιο ακριβή. Παράλληλα ασχοληθήκαμε με την μελέτη RWA αλγορίθμων σε ευέλικτα οπτικά δίκτυα όπου υπάρχει η επιπλέον δυνατότητα επιλογής του ρυθμού μετάδοσης (και του είδους διαμόρφωσης) που θα χρησιμοποιηθεί στο οπτικό μονοπάτι. Η δυνατότητα αυτή επιτρέπει στα κυκλώματα συνδέσεων, σε μελλοντικά οπτικά δίκτυα κορμού, να μην είναι πλέον στατικά και μονολιθικά, αλλά να μπορούν να αναπροσαρμόζονται δυναμικά στην ζήτηση, τόσο ως προς τον ρυθμό τους όσο και ως προς τον τρόπο διαμόρφωσης. Στα δίκτυα πολλαπλών ρυθμών δεν αρκεί να θεωρήσουμε μία συγκεκριμένη μέγιστη απόσταση μετάδοσης για κάθε τεχνική διαμόρφωσης/ρυθμό μετάδοσης, αλλά θα πρέπει να λάβουμε υπόψη τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των συνδέσεων που μεταδίδονται με διαφορετικό ρυθμό μετάδοσης. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι προσαρμόζουν την απόσταση μετάδοσης των συνδέσεων ανάλογα με την κατάσταση χρησιμοποίησης του δικτύου, έτσι ώστε να αποφευχθούν τα φαινόμενα παρεμβολών πολλαπλών ρυθμών, παρέχοντας τη δυνατότητα να εγκατασταθούν συνδέσεις με αποδεκτή ποιότητα μετάδοσης. Τέλος, μελετήσαμε 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. Αναπτύξαμε ενεργοαποδοτικούς αλγορίθμους για διαφανή και ημιδιαφανή δίκτυα με την χρήση ILP μοντελοποιήσεων.
Abstract (translated): Ιn a wavelength division multiplexing (WDM) network, each fiber link carries high-rate traffic at several different wavelengths, thus creating multiple channels within a single fiber. The most common architecture utilized for establishing communication in WDM optical networks is wavelength routing, where optical pulse-trains are transmitted through lightpaths, that is, all-optical WDM channels that may span multiple consecutive fibers. Current optical core networks are mainly point-to-point (opaque) networks, where the signal is regenerated at every intermediate node via optical-electronic-optical (OEO) conversion. The trend in recent years shows an evolution toward low-cost and high-capacity all-optical networks that do not utilize OEO. Initially, the cost of an opaque network can be reduced by moving toward a network where OEO conversion is employed only at some nodes, which is usually referred to as a translucent network. The ultimate goal is the development of an all-optical transparent network, where the data signal remains in the optical domain for the entire lightpath. Since the lightpaths are the basic switched entities of a wavelength routed WDM network, their effective establishment and usage are crucial. Thus, it is important to propose efficient algorithms to select the routes for the requested connections and to assign wavelengths on each of the links along these routes. This is known as the routing and wavelength assignment (abbreviated RWA) problem. In a transparent or translucent network, where the signal on a lightpath remains in the optical domain, the quality of transmission (QoT) is significantly affected by physical limitations of fibers and optical components. The RWA problem in the presence of physical layer impairments is referred as Impairment aware (IA-) RWA. We first consider the offline version (network planning phase assuming static traffic) of the RWA problem in transparent and translucent optical networks. In such networks, the signal quality of transmission degrades due to physical layer impairments. Because of certain physical effects, routing choices made for one lightpath affect and are affected by the choices made for the other lightpaths. This interference among the lightpaths is particularly difficult to formulate in an offline algorithm since, in this version of the problem, we start without any established connections and the utilization of lightpaths are the variables of the problem. We initially present algorithms for solving the pure (without impairments) RWA problem based on a Linear Programming (LP)-relaxation formulation that tends to yield integer solutions. Then, we extend these algorithms and present two IA-RWA algorithms for transparent networks that account for the interference among lightpaths in their formulation. The first algorithm takes the physical layer indirectly into account by limiting the impairment-generating sources. The second algorithm uses noise variance-related parameters to directly account for the most important physical impairments. The objective of the resulting cross-layer optimization problem is not only to serve the connections using a small number of wavelengths (network layer objective), but also to select lightpaths that have acceptable quality of transmission (physical layer objective). We propose an algorithm for translucent networks that decomposes the problem into two sub-problems. Initially, we formulate the problem of choosing the sequence of regenerators to be used by the so called “non-transparent connections” as a virtual topology problem and propose various offline IA-RWA algorithms, ranging from integer linear programs (ILP) to simple heuristic algorithms, to solve it. We then transform the initial traffic matrix so as to obtain a traffic matrix that consists only of connections that can be served transparently and apply an IA-RWA algorithm developed for transparent networks. Next, we present two algorithms, for the online version (network operation phase assuming dynamic traffic) of the RWA problem, which are based on the multicost concept and use multiple cost parameters (that is, a cost vector, as opposed to a single scalar cost) for characterizing a link and handle the impairments directly and indirectly, respectively. We show that the use of the multicost approach to solve the online IA-RWA problem can be quite beneficial, both in terms of performance (blocking probability, execution time) and it terms of functionality. Multiple candidate lightpaths are calculated that have, by construction, good QoT performance, making also fault tolerance provisioning easy. We also present an IA-RWA algorithm for translucent WDM networks. We extend an algorithm developed for transparent networks, to obtain a number of IA-RWA algorithms that work in translucent networks and make use of the regenerators that are present at certain network locations when necessary. We also consider RWA in a WDM network consisting of optical cross-connect (OXC) nodes that have color and direction constraints. These restricted node architectures have a smaller cost than the more flexible (and best performing) ones usually assumed in the RWA problem. In particular, we concentrate on four node architectures that use add/drop ports with the following configurations: i) colored/directed, ii) colored/directionless, iii) colorless/ directed, and iv) colorless/directionless. We consider the problem of planning a mixed line rates (MLR) WDM transport optical network. In such networks, different modulation formats are usually employed to support the transmission at different line rates. Previously proposed planning algorithms have used a transmission reach bound for each modulation format/line rate, mainly driven by single line rate systems. However, transmission experiments in MLR networks have shown that physical layer interference phenomena are more severe between among transmissions that utilize different modulation formats. Thus, the transmission reach of a connection with a specific modulation format/line rate depends also on the other connections that co-propagate with it in the network. To plan a MLR WDM network, we present RWA algorithms that adapt the transmission reach of each connection according to the use of the modulation formats/line rates in the network. The proposed algorithms are able to plan the network so as to alleviate cross-rate interference effects, enabling the establishment of connections of acceptable quality over paths that would otherwise be prohibited. Finally, we consider the energy minimization problem in optical networks from an algorithmic perspective. The objective of our proposed algorithms is to plan optical WDM networks so as to minimize the energy consumed, by minimizing the number of the most energy-consuming components. Such components can be amplifiers, regenerators, add/drop terminals, optical fibers, etc. We present algorithms for solving the Energy-Aware Routing and Wavelength Assignment (EA-RWA) problem based on ILP formulations that incorporates energy consuming modules.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
phd_manousak_v12.pdf2.86 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons