DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Análise de Desempenho de Redes Ópticas Híbridas
WDM/OCDM
Lídia Galdino
Orientador: Prof. Dr. Edson Moschim
Co-orientador: Prof. Dr. Luiz Henrique Bonani
Campinas, SP – Brasil
Outubro - 2008
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO DEPARTAMENTO DE SEMICONDUTORES, INSTRUMENTOS E FOTÔNICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Análise de Desempenho de Redes Ópticas Híbridas
WDM/OCDM
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de
Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica.
Lídia Galdino
Orientador: Prof. Dr. Edson Moschim
Co-orientador: Prof. Dr. Luiz Henrique Bonani
Banca Examinadora (prevista):
Prof. Dr. Edson Moschim (presidente)
Prof. Dr. Felipe Rudge Barbosa
Prof. Dr. Gustavo Sousa Pavani
Prof. Dr. Furio Damiani (Suplente)
Prof. Dr. Fabio Renan Durand (Suplente)
Campinas, SP – Brasil
Outubro – 2008
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP
G131a Galdino, Lídia Análise de desempenho de redes ópticas híbridas WDM/OCDM / Lídia Galdino. --Campinas, SP: [s.n.], 2008.
Orientadores: Edson Moschim, Luiz Henrique Bonani.
Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação.
1. Comunicações óticas. 2. Sistemas WDM. I. Moschim, Edson. II. Bonani, Luiz Henrique. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação. IV. Título.
Titulo em Inglês: Performance analysis of WDM/OCDM burst switching networks
Palavras-chave em Inglês: Optical communications, WDM systems Área de concentração: Telecomunicações
Titulação: Mestre em Engenharia Elétrica
Banca examinadora: Edson Moschim, Felipe Rudge Barbosa, Gustavo Sousa Pavani
Data da defesa: 02/10/2008
Resumo
Neste trabalho investigamos o desempenho da tecnologia híbrida de multiplexação por divisão de comprimento de onda e multiplexação por divisão de códigos ópticos (WDM/OCDM) para rede óptica comutada por rajada e roteada por comprimento de onda (WR-OBS). Descrevemos uma arquitetura para o roteador de borda WDM/OCDM e derivamos expressões para a probabilidade de bloqueio da rajada no roteador de borda (BBP) a fim de analisar o desempenho da rede em função dos parâmetros de tempo de processamento no roteador de borda, da carga de tráfego da rede e do número de códigos ópticos. Nós estudamos o tempo de ocupação do canal, a largura de banda por caminho virtual e o fator de reutilização do caminho virtual e analisamos o desempenho da rede em função do tempo de atraso no roteador de borda, da proporção da taxa de bits e do diâmetro da rede caracterizado pelo tempo de reserva do canal. Analisamos topologias em malha considerando os parâmetros como a utilização efetiva do enlace, a probabilidade de bloqueio da rajada (BBP) e o número de códigos ópticos por enlace. As análises mostraram as muitas vantagens de aplicar a tecnologia WDM/OCDM quando comparada a tecnologia WDM puro, bem como esperado nível de Qualidade de Serviço (QoS).
Palavras-chave: Redes fotônicas, comunicações ópticas, redes WDM/OCDM, redes
ópticas comutadas por rajadas (OBS).
Abstract
In this work we have investigated the performance of hybrid technology using wavelength and optical code division multiplexing (WDM/OCDM) for optical burst switching with acknowledgment (WR-OBS). We describe the architecture of WDM/OCDM edge router and derive expressions for the edge router burst blocking probability (BBP) in order to analyze the network behavior as function of parameters controlling the burst assembly delay, network traffic load and number of optical codes. We have studied the channel holding time, bandwidth per channel, virtual path factor re-use and analyze the network behavior as function of edge delay, bit-rate ratio and the diameter network characterized by the round-trip time. We have used mesh topology considering parameters such as effective link utilization, burst blocking probability (BBP) and the number of codes per link. Analysis shows the main advantages of applied WDM/OCDM technology when compared to pure WDM, as well as expected level of Quality of Service (QoS).
Keywords: Photonic switching, optical communications, WDM/OCDM networks, optical
Agradecimentos
Agradeço o meu orientador, Prof. Edson Moschim, por ter me dado a oportunidade de realizar este trabalho e pelo seu apoio durante o seu desenvolvimento.
Agradeço o meu co-orientador, Prof. Luiz Henrique Bonani por tudo que aprendi, pela sua dedicação e amizade.
Agradeço ao Décio por ter me indicado ao Prof. Moschim e ao Prof. Felipe para que pudesse dar início ao mestrado.
Agradeço ao Prof. Felipe Rudge pela ajuda no início do mestrado.
Agradeço a Indayara, André, Mauricio que fazem parte do grupo do Laboratório de Tecnologia Fotônica (LTF) pelo coleguismo, apoio e suporte durante esses dois anos que se passaram.
Agradeço aos meus amigos do LE 25, em especial a Celso, Jackson, Hudson, Carol, Erika, Kleber, Juliana pela amizade e apoio nos momentos difíceis.
Agradeço ao Marcelo que acompanhou a realização de todo este trabalho e que sempre me apoiou e compreendeu os momentos de dificuldade.
Agradeço aos meus pais pelo apoio que sempre recebi e pelo empenho na minha formação.
Sumário
Lista de Figuras ... x 1. Introdução ... 1 1.1. Organização do trabalho ... 2 2. Redes Ópticas ... 4 2.1. Evolução do sistema WDM ... 42.2. Multiplexação por divisão de códigos ópticos ... 5
2.2.1. Surgimento da tecnologia OCDM ... 5
2.2.2. Codificação OCDM ... 7
2.2.3. Códigos ópticos não-coerentes ... 8
2.3. Códigos ópticos ortogonais ... 10
2.4. Rede óptica híbrida WDM/OCDM ... 11
2.4.1. Conversão de comprimento de onda e código óptico ... 12
2.4.2. Vantagens da tecnologia WDM/OCDM... 14
3. Redes Ópticas Comutadas por Rajadas e Roteadas por Códigos Ópticos/Comprimentos de onda ... 16
3.1. Introdução ... 17
3.2. Arquitetura e funcionamento ... 19
3.3. Roteador de borda OBS para WDM/OCDM ... 20
3.4. Metodologia e análise ... 20
3.5. Probabilidade de perda de rajada ... 22
3.5.1. Definições e conceitos ... 22
3.5.2. Resultados e análises ... 24
3.5.2.1. Dimensionamento do roteador de borda ... 24
3.6. Análise do Tempo de Ocupação do Canal, da Largura de Banda por Caminho
Virtual e do Fator de Reutilização do Caminho Virtual ... 35
3.6.1. Definições e conceitos ... 35
3.6.2. Resultados e análises ... 39
3.6.2.1. Tempo de ocupação do canal ... 39
3.6.2.2. Largura de banda por caminho virtual ... 44
3.6.2.3. Fator de reutilização do caminho de virtual ... 48
4. Análise de Desempenho de Topologias em Malha para Roteamento Estático Utilizando a Tecnologia WDM e WDM/OCDM ... 55
4.1. Introdução ... 55
4.2. Topologias estudadas ... 56
4.2.1. Rede NSFNET ... 56
4.2.2. Rede da Alemanha ... 57
4.2.3. Rede da República Checa ... 57
4.2.4. Rede Pan-Européia ... 58
4.2.5. Rede da Finlândia ... 58
4.3. Metodologia e análise ... 59
4.3.1. Definições e conceitos ... 59
4.3.2. Algoritmo de roteamento ... 59
4.3.2.1. Roteamento pelo caminho mais curto ... 60
4.3.2.2. Algoritmo Dijkstra ... 60
4.4. Resultados e análises ... 64
5. Análise de Desempenho de Topologias em Malha Utilizando Rede Óptica Comutada por Rajada e Roteada por Comprimento de Onda ... 74
5.1. Algoritmo Dijkstra ... 75
5.2. Resultados e análises ... 76
5.3.1. Conceitos e definições ... 86
5.3.2. Resultados analíticos ... 87
6. Conclusões e Trabalhos Futuros ... 91
6.1. Conclusões ... 91
6.2. Sugestões para trabalhos futuros ... 93
7. Anexo A ... 94
7.1. Resultado numérico dos cálculos das topologias em malha ... 94
Lista de Figuras
Figura 2.1 Evolução do sistema WDM ... 4
Figura 2.2 Codificação de dados binários no sistema CDM usando a seqüência de assinatura com o código em forma de 7 chips ... 7
Figura 2.3 Processo de codificação e decodificação de códigos unipolares empregando a tecnologia OCDM ... 9
Figura 2.4 Princípio do sistema WDM/OCDM ... 12
Figura 2.5Caminhos virtuais de comprimento de onda. ... 13
Figura 2.6 Caminhos virtuais de códigos ópticos ... 13
Figura 2.7 Caminhos virtuais de códigos e comprimentos de onda ... 13
Figura 2.8 Rede óptica desbalanceada de 7 nós ... 14
Figura 3.1 Arquitetura de uma rede OBS ... 19
Figura 3.2 Arquitetura de um roteador de borda WDM/OCDM ... 20
Figura 3.3 Modelo On-Off de tráfego de rajadas ... 22
Figura 3.4 Probabilidade de perda da rajada (BBP) em função da variação do parâmetro da fonte (Pf), para Trtp= 10 ms, twait =10 ms, Rout = 1 Gbps
µ
= Rin/400Bytes, ρ = 0,4, 8 comprimentos de onda e 2, 4, 6, 8 OOC. ... 25Figura 3.5 Probabilidade de bloqueio da rajada em função da variação do parâmetro da fonte (Pf), para Trtp = 10 ms, twait = 10 ms, Rout = 1 Gbps, µ = Rin/400Bytes, 8 comprimentos de onda, ρ = 0,4; 0,6 e 0,8 e 6 OOC para a rede WDM/OCDM. ... 26
Figura 3.6 BBP em função da variação do parâmetro da fonte (Pf), para twait= 10ms, Rout = 1 Gbps, µ = Rin/400Bytes, ρ = 0,4, 8 comprimentos de onda, Trtp= 5 ms, 10 ms e 15 ms e 6 OOC para a rede WDM/OCDM. O diâmetro da rede é mostrado entre parentes. ... 27
Figura 3.7 BBP em função da carga de tráfego da rede (
ρ
), para twait = 10ms, Rout = 1 Gbps, µ = Rin/400Bytes, Trtp= 10ms, 8 comprimentos de onda, Pf = 0,2; 0,3; 0,4 e 0,5, e 6 OOC para a rede WDM/OCDM. ... 28Figura 3.8 BBP em função do tempo de processamento no roteador (twait), para rede WDM e WDM/OCDM.Rout = 1Gbps µ = Rin/400Bytes,
ρ
= 0,4; 8 comprimentos de onda, Trtp= 10ms, Pf = 0,3; 0,4 e 0,5 e 6 OOC para a rede WDM/OCDM ... 29Figura 3.9 BBP em função da carga de tráfego da rede (
λ
/µ
), para twait = 10ms, Rout = 1Gbps,µ = Rin/400Bytes, Trtp = 10ms, 8 comprimentos de onda, Pf = 0,3 e 2, 4, 6 e 8 códigos
ópticos ortogonais (OOC). ... 30 Figura 3.10 BBP em função do número de códigos ortogonais (OOC), para twait=10ms, Rout
= 1 Gbps Rin/400Bytes; 8 comprimentos de onda, parâmetro da fonte Pf = 0,3 e Trtp= 10ms
e
ρ
= 0,4; 0.6; 0,8. ... 31 Figura 3.11 BBP em função de twait, para Rout = 1Gbps, µ = Rin/400Bytes, Trtp= 10ms, 8comprimentos de onda, ρ = 0,8, Pf = 0,3 e 2, 4, 6, 8 OOC ... 31
Figura 3.12 BBP em função da carga de tráfego da rede, para twait=10ms, Rout = 1 Gbps µ =
Rin/400Bytes, variação da taxa da fonte Pf = 0,3, 8comprimentos de onda e Trtp= 5, 10 e
15ms e 6 OOC para a rede WDM/OCDM. ... 32 Figura 3.13 BBP em função do tempo de processamento no roteador (twait), para rede WDM
e WDM/OCDM, para Rout = 1Gbps, µ = Rin/400Bytes,
ρ
= 0,4; 8 comprimentos de onda, Pf= 0.3, Trtp= 5, 10 e 15 ms, e 6 OOC para WDM/OCDM. Entre parênteses encontra-se o
diâmetro da rede. ... 33 Figura 3.14 BBP em função do número de códigos ortogonais (OOC), para twait=10ms, Rout= 1Gbps, µ = Rin/400Bytes,
ρ
= 0,4, 8 comprimentos de onda, taxa da fonte Pf = 0,3 e Trtp= 5ms, 10ms e 15ms. Entre parênteses encontra-se o diâmetro da rede. ... 34 Figura 3.15 Fonte para modelamento de tráfego com alternativa restrita ao estado ON e OFF. .... 35 Figura 3.16 Tempo de ocupação do canal (CHT) em função do tempo de processamento no roteador de borda (twait) para bin = 1 Gbps, BT = 10 Gbps, tidle = 1 ms (200 km), 2 ms (400 km), 5 ms (100 km) e 10 ms (2000 km). Para WDM/OCDM, 2 OOC pc= 3. ... 40 Figura 3.17 Tempo de ocupação do canal (CHT) em função do número de códigos (OOC) para twait = 60 ms bin = 1 Gbps, BT = 10 Gbps, tidle = 1 ms (200 km), 2 ms (400 km), 5 ms (100 km) e 10 ms (2000 km) e pc= 3. ... 41 Figura 3.18 Tempo de ocupação do canal (CHT) em função do tempo de processamento no roteador de borda (twait) para bin = 1Gbps, BT = 10Gbps, tidle = 5ms (1000 km), para WDM/OCDM, pc = 3 e 2, 4 e 6 OOC. ... 42 Figura 3.19 Tempo de ocupação do canal (CHT) em função do tempo de processamento no roteador de borda (twait) para bin = 1 Gbps, tidle = 5 ms (1000 km), BT = 2, 4 e 10 Gbps. Para WDM/OCDM, 2 OOC e pc = 3. ... 43 Figura 3.20 Tempo de ocupação do canal em função do número de códigos (OOC) para Lburst = 240 Mbytes, 480 Mbytes e 720 Mbytes, bin = 1 Gbps, bcore = 10 Gbps, tidle = 2ms e pc= 3 ... 43Figura 3.21 Largura de banda por caminho virtual em função do tempo de requisição de caminho de luz (tidle) para bin = 1 Gbps, BT = 10 Gbps, twait = 20, 30 e 60 ms,2 OOC e pc= 3 ... 45
Figura 3.22 Largura de banda por caminho virtual em função do tempo de processamento no roteador de borda (twait) para bin = 1 Gbps, tidle = 5ms (1000 km), BT = 2, 4 e 10 Gbps para
WDM/OCDM, 2 OOC e pc = 3 ... 46
Figura 3.23 Largura de banda por caminho virtual em função do tempo de requisição de caminho de luz (tidle) para bin = 1 Gbps, BT = 10 Gbps, twait = 60 ms. ParaWDM/OCDM, pc = 3 e OOC = 3, 6 e 9. ... 48
Figura 3.24 Fator de reutilização do caminho virtual (RUF) em função do tempo de requisição de caminho de luz (tidle) para bin = 1 Gbps, BT = 10 Gbps, twait = 20, 30 e 60 ms. Para WDM/OCDM,2 OOC pc= 3. ... 51
Figura 3.25 Fator de reutilização do caminho virtual em função do tempo de requisição de caminho de luz (tidle) para bin = 1 Gbps, BT = 10 Gbps, twait = 60 ms. Para WDM/OCDM pc= 3 e OOC = 3, 6 e 9. ... 52
Figura 4.1 Topologia NSFNET. ... 56
Figura 4.2 Topologia da Alemanha ... 57
Figura 4.3 Topologia da República Checa ... 57
Figura 4.4 Topologia Pan-Européia... 58
Figura 4.5 Topologia da Finlândia ... 59
Figura 4.6 Algoritmo Dijkstra: cálculo de caminho de custo mínimo... 61
Figura 4.7 Rede com 7 nós e 11 enlaces (distância em km) ... 61
Figura 4.8 Matriz de enlaces e distância (km) ... 62
Figura 4.9 Matriz de caminhos mínimos ... 63
Figura 4.10 Distância mínima entre o nó 1 (origem) e o nó 7 (destino) ... 63
Figura 4.11 Número de aplicações por enlace – NSFNET ... 65
Figura 4.12 Número de aplicações por enlace – Backbone Alemão ... 65
Figura 4.13 Número de aplicações por enlace – Pan-Européia ... 66
Figura 4.14 Número de aplicações por enlace – Finlândia... 66
Figura 4.15 Número de aplicações por enlace – República Checa ... 67
Figura 4.16 Probabilidade de bloqueio por enlace – NSFNET ... 68
Figura 4.18 Probabilidade de bloqueio por enlace – Pan Européia ... 69
Figura 4.19 Probabilidade de bloqueio por enlace – Finlândia ... 69
Figura 4.20 Probabilidade de bloqueio por enlace – República Checa ... 70
Figura 4.21 Número de códigos por enlace – NSFNET ... 71
Figura 4.22 Número de códigos por enlace – Backbone Alemão ... 71
Figura 4.23 Número de códigos por enlace – Pan Européia ... 72
Figura 4.24 Número de códigos por enlace – Finlândia ... 72
Figura 4.25 Número de códigos por enlace – República Checa ... 73
Figura 5.1 Rede da Finlândia ... 75
Figura 5.2 Matriz de enlaces e distância – rede da Finlândia ... 76
Figura 5.3 Matriz de distância mínima – rede da Finlândia ... 76
Figura 5.4 BBP em função do tempo de processamento no roteador (twait), das redes da Alemanha, Finlândia e República Checa, paraRout= 1 Gbps, µ = Rin/400Bytes,
ρ
= 0,4; 8 comprimentos de onda, Pf= 0.3, e 6 OOC para a rede WDM/OCDM. ... 77Figura 5.5 BBP em função do número de códigos ortogonais (OOC) das redes NSF-NET, Pan-Européia, da Alemanha, Finlândia e República Checa, para twait=10ms,Tf = 0,3, Rout = 1Gbps, µ = Rin/400Bytes, 8 comprimentos de onda,
ρ
= 0,4. ... 78Figura 5.6 Largura de banda por comprimento de onda em função do tempo de processamento no roteador de borda (twait) para bin = 1Gbps, BT = 10Gbps, tidle = 26,5ms (5316 km), 4,7ms (951 km), 3,2ms (657 km) e 1.4ms (290 km). Para WDM/OCDM, 2 OOC epc = 3 ... 79
Figura 5.7 Largura de banda por comprimento de onda em função do número de códigos (OOC) para twait = 60 ms bin = 1Gbps, BT = 10Gbps, tidle = 26,5ms (5316 km), 4.7ms (951 km), 3,2ms (657 km) e 1.4ms (290 km) e pc= 3 ... 80
Figura 5.8 Largura de banda por comprimento de onda em função do número de códigos (OOC) para as redes NSFNET e Finlândia. Foram considerados Lburst = 240, 480 e 720 Mbytes bin = 1 Gbps, BT = 10 Gbps, tidle = 26,5 e 1,4 ms e pc= 3 ... 80
Figura 5.9 Fator de reutilização do canal (RUF) em função do tempo de processamento no roteador de borda (twait) para bin = 1Gbps, BT = 10Gbps, tidle = 26,5ms (5316 km), 4,7ms (951 km), 3,2ms (657 km) e 1,4ms (290 km). Para WDM/OCDM, 2 OOC epc = 3 ... 82
Figura 5.10 Fator de reutilização do canal (RUF) em função do tempo de processamento no roteador de borda (twait) para bin = 1Gbps, BT = 10 Gbps, tidle = 26,5 ms (5316 km) e tidle = 1,4ms (290 km), para WDM/OCDM, pc = 3 e 2, 4 e 6 OOC. ... 83
Figura 5.11 Fator de reutilização do canal (RUF) em função do número de códigos (OOC) para twait = 60 ms bin = 1Gbps, BT = 10Gbps, tidle = 26,5ms (5316 km), 4.7ms (951 km), 3,2ms (657 km) e 1.4ms (290 km) e pc= 3. ... 84 Figura 5.12 Vazão da rede Pan-Européia, NSFNET, da Alemanha, da República Checa e da Finlândia em função do número de códigos. Foram considerados, S = 2.5 Gbps, 4 comprimentos de onda e ρ = 0,4. ... 89 Figura 5.13 Vazão da rede NSFNET em função da carga de tráfego (ρ). Foram considerados, 21 enlaces, 2,5 Gbps, 4 comprimentos de onda, um número médio de hops de 2,14 e 2, 4, 6 e 8 códigos. ... 90
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 Parâmetro da fonte x probabilidade de bloqueio da rajada... 25
Tabela 3.2 Tempo de requisição do caminho de luz x Largura de banda variando twait ... 45
Tabela 3.3 Tempo de requisição do caminho de luz x Largura de banda variando OOC ... 48
Tabela 3.4 Tempo de requisição do caminho de luz x Fator de reutilização do comprimento de onda variando twait ... 50
Tabela 5.1 Desvio padrão ... 88
Tabela 5.2 Capacidade das redes (Gbps) ... 88
Tabela 5.3 Vazão das redes (Gbps) ... 89
Tabela 7.1 Rede da República Checa ... 94
Tabela 7.2 Rede NSFNET ... 95
Tabela 7.3 Rede da Alemanha ... 96
Tabela 7.4 Rede Pan Européia ... 97
Glossário
AWG –Grades Ordenadas em Guias - de – Onda (Arrayed Waveguide Gratings)
BBP – Probabilidade de Bloqueio da Rajada (Burst Blocking Probability) CBR – Taxa de Bits Continua (Continuous Bit Rate)
CDMA – Acesso por Multiplexação por Divisão de Códigos (Code Division Multiplexing
Access)
CoS – Classe de Serviço (Class of Service)
CSMA/CD – Múltiplo Acesso com Verificação de Presença de Portadora e Detecção de
Colisão (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
DEMUX – Demultiplexador (Demultiplexing)
DFB – Laser com Realimentação Distribuida (Distributed FeedBack Laser)
DWDM – Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda Denso (Dense Wavelength
Division Multiplexing)
EDFA – Amplificador a Fibra Dopada com Érbio (Erbiun Doped Fiber Amplifier) EO – Eletro-Óptical (Eletro-Optical)
FBG – Grade de Bragg a Fibra (Fiber Bragg Grating)
FLC – Cristal Líquido Ferroelétrico (Ferroelectric Liquid Crystals) MAI – Interferência por Acesso Multiplo (Multiple-Access Interference) MAN – Rede de Área Metropolitana (Metropolitan Area Network)
MEMS – Sistema Microeletromecânico (Micro-Electro-Mechanical Switches) MUX – Multiplexador (Multiplexing)
NSFNET – National Science Foundation Network
OADM – Multiplexador Óptico Insere/Retira (Optical Add/Drop Multiplexer) OBS – Rede Óptica Comutada por Rajada (Optical Burst Switched)
OC – Conversão Óptica (Optical Conversion)
OCP – Caminho de Códigos Ópticos (Optical Code Path)
OCDM – Multiplexação por Divisão de Códigos Ópticos (Optical Code Division
OCDMA – Acesso Multiplo por Divisão de Códigos Ópticos (Optical Code Division
Multiple Access)
OEO – Óptico - Eletro – Óptico (Optical - Electron - Optical) OOC – Código Óptico Ortogonal (Orthogonal Optical Code) OPS – Rede de Pacotes Ópticos (Optical Packets Switching) OXC – Conexão Óptica Cruzada (Optical Crossconnect)
PDF – Função Densidade de Probabilidade (Probability density function) PO – Pseudo Ortogonal (Pseudo Orthogonal)
QoS – Qualidade de Serviço (Quality of Service)
VOCP – Caminho Virtual de Códigos Ópticos (Virtual Optical Code Path)
VOCP/VWP – Caminho Virtual de Códigos Ópticos / Caminho Virtual de Comprimento
de Onda (Virtual Optical Code Path/Virtual Wavelength Path)
VWP – Caminho Virtual de Comprimento de Onda (Virtual Wavelength Path) WAN – Rede de Longa Distância (Wide Area Network)
WDM – Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (Wavelength Division
Multiplexing)
WP – Caminho de Comprimento de Onda (Wavelength Path)
WR-OBS – Rede Óptica Comutada por Rajada e Roteada por Comprimento de Onda
(Wavelength Routed Optical Burst Switched)
WRON – Rede Óptica Roteada por Comprimento de Onda (Wavelength Routed Optical
Lista de Símbolos
L - Comprimento do código
Tc - Duração de cada chip Φooc Quantidade de códigos
w - Peso do código
λ
a - Auto-correlaçãoλ
c - Correlação-cruzadaτ
- Atraso entre duas codewordsM - Número de fontes
K - Número de caminhos virtuais Pf - Parâmetro de fonte
PB1 - Probabilidade de erro de bit na transmissão do bit “1”
W - Número de comprimento de onda
OOC - Número de códigos ópticos
BBP - Probabilidade de bloqueio da rajada 1/
µ
- Comprimento (duração) da rajada 1/λ - Tempo entre as rajadasλ
- Taxa média de chegada num determinado comprimento de ondaρ
- Carga de tráfego da redeRin - Taxa de chegada de pacotes no roteador de borda Rin - Taxa de saída de pacotes no roteador de borda Trtp - Atraso na propagação round trip
tbus - Período ocupado na saída do buffer twait - Atraso no roteador de borda
d - Diâmetro da rede
v - Velocidade de propagação da luz na fibra óptica
Lburst - Comprimento da rajada
bin - Taxa de entrada de pacotes
A - Proporção da taxa de bits U - Utilização da rede
CHT - Tempo de ocupação do canal
tidle - Tempo para reaquisição do caminho de luz
min
Rajada
T
- Comprimento (duração) mínimo de uma rajada BT - Taxa de transmissão no núcleo da redeLc - Comprimento do código
Pc - Peso do código
Bchannel - Largura de banda por caminho virtual
RUF - Fator de reutilização do caminho virtual CT - Capacidade total da rede
Tp - Vazão
E[hops] - Número médio de saltos E[aplics] - Desvio padrão
NE. - Número de enlaces da rede S - Capacidade do enlace (Gbps)
Trabalhos Publicados Pela Autora
1. F. R. Durand, L. Galdino, M. F. L. Abbade, E. Moschim, F. R. Barbosa, “Performance Evaluation of Advanced WDM Networks with Optical Codes and Photonic Switching”, International Microwave and Optoelectronics Conference, IMOC, Oct. 2007. 2. L. Galdino, L. H. Bonani, F. Durand, E. Moschim, “Performance Analysis of Optical Burst Switching Networks with Optical Orthogonal Codes”, Simpósio Brasileiro de Microondas e Optoeletrônica Momag 2008 – 13 SBMO.
3. L. Galdino, L. H. Bonani, F. Durand, E. Moschim, “Blocking Probability in Source Rate Analysis for WDM/OCDM Burst Switching Networks”, Simpósio Brasileiro de Microondas e Optoeletrônica Momag 2008 – 13 SBMO.
4. L. Galdino, L. H. Bonani, F. Durand, E. Moschim, “Study of Unbalanced Links on WDM/OCDM Burst Switching Networks using Mesh Topology”, Simpósio Brasileiro de Microondas e Optoeletrônica Momag 2008 – 13 SBMO.
1. Introdução
Nas últimas três décadas, tem-se observado o enorme salto na capacidade de transporte de dados das fibras ópticas. Em meados dos anos 70, por exemplo, os enlaces tinham como capacidade 1 (Gbps).Km (tipicamente na configuração de 50 Mbps sobre até 20 Km), e evoluíram para centenas de (Tbps).Km nesta década. No entanto, a velocidade na qual é possível modular sinais eletronicamente em equipamentos comerciais não ultrapassa 10 Gbps. Essa grande diferença entre as velocidades de transmissão óptica e processamento eletrônico é o que comumente se denomina gargalo eletrônico (electronic bottleneck). A única tecnologia viável até o momento para superar esse descompasso é a multiplexação por divisão em comprimento de onda (Wavelength Division Multiplexing – WDM), que consiste em modulares eletronicamente vários comprimentos de onda por sinais distintos e propagá-los todos ao mesmo tempo na fibra óptica.
A tecnologia WDM foi empregada inicialmente para aumentar a capacidade de transmissão de enlaces ponto-a-ponto, com sistemas em capacidade crescente tanto em termos do número de comprimento de onda quando da taxa de transmissão de cada um deles. Em relação ao número de comprimentos de onda, os primeiros sistemas carregavam de 4 a 8 comprimentos de onda, enquanto atualmente já operam comercialmente sistemas com mais de 40 comprimentos de onda em uma única fibra. No tocante à velocidade de processamento, cada canal óptico é modulado em 2,5 ou 10 Gbps, com possibilidade de evolução para 40 Gbps e 100 Gbps em um futuro próximo, empregando-se certos artifícios para se estender os limites da eletrônica.
Embora os Sistemas WDM tenham uma capacidade de transporte, é nas redes metropolitanas de distribuição e acesso que ocorrem gargalos. Além disso, cada comprimento de onda adicionado eleva bem os custos dos sistemas e seus componentes.
A crescente demanda por usuários de serviços de banda larga na rede ótica de acesso, como as aplicações multimídia e grades de computadores, exigem altas demandas para as atuais redes WDM. A inclusão de outros graus de liberdade, como o espaço criado pela multiplexação de códigos ortogonais óticos (OCDM), podem possibilitar maior flexibilidade e granularidade ao transporte nessas redes. Assim, pretende-se aperfeiçoar o desempenho e melhorar a eficiência do sistema WDM/OCDM, em redes de chaveamento fotônico tipo OBS (Optical Burst Switching) [1][2][3].
Assim, o principal aspecto a ser investigado, é o uso da tecnologia híbrida WDM/OCDM (multiplexação por divisão de comprimento de onda e multiplexação por divisão de códigos ópticos) com arquitetura de rede inovadora para os roteadores de borda, utilizando circuitos de chaveamento ótico rápido, agregando conceitos de caminhos de luz provisórios (VP virtual lightpaths), em comprimento de onda e códigos ópticos (VOCP/OWP), constituídos por conjuntos de comprimentos de onda (WDM) e de códigos ópticos (OCDM).
1.1. Organização do trabalho
O trabalho está estruturado da seguinte forma.
O capítulo 1 oferece uma breve contextualização da evolução das tecnologias ópticas.
No capítulo 2 serão analisadas as principais características das redes ópticas WDM, OCDM e redes ópticas híbridas WDM/OCDM. Por outro lado, também serão apresentados os códigos ópticos ortogonais (OOC).
No capítulo 3 será realizada a análise da utilização da tecnologia WDM/OCDM como camada de transporte para redes WR-OBS. Também será descrita uma arquitetura para o roteador de borda WDM/OCDM. Por fim serão analisados os seguintes parâmetros de desempenho da rede WR-OBS: probabilidade de perda de rajada, tempo de ocupação do canal, largura de banda por caminho virtual e fator de reutilização do caminho virtual.
No capítulo 4 será realizada a análise de desempenho de roteamento estático utilizando VOCPs/VWPs para topologias em malha de redes desbalanceadas.
No capítulo 5 será realizado um estudo de desempenho das topologias analisadas no Capítulo 4 utilizando a rede óptica comutada por rajada e roteada por comprimento de onda (WR-OBS).
Finalmente no capítulo 6 será feita uma conclusão geral do trabalho e também sugestões para trabalhos futuros.
2. Redes Ópticas
2.1. Evolução do sistema WDM
Os aspectos evolutivos dos sistemas de transmissão WDM passaram pelas seguintes etapas, conforme ilustra a Figura 2.1[4]. Inicialmente os sistemas WDM eram empregados em enlaces ponto-a-ponto e o objetivo principal era aumentar a largura de banda. Este tipo de sistema se apresentava como uma alternativa à instalação de novas fibras.
λ1 λ2 λ3 λn λ1 λ2 λ3 λn λ1 λ2 λ3 λn λ1 λ2 λ3 λn
(a) Transporte ponto a ponto WDM
(b) Transporte Multiponto WDM empregando OADMs
(c) Transporte Multiponto Reconfigurável empregando OADMs e OXCs
Transporte ponto a ponto WDM - Alta capacidade de Transmissão
Transporte Multiponto WDM
- Acesso a canais fixos
Roteamento Óptico WDM
- Conexões dinâmicas - Capacidade de restauração das
rotas ópticas OADM EDFA OXC λ1 λ2 λ3 λn λ1 λ2 λ3 λn λ1 λ2 λ3 λn λ1 λ2 λ3 λn
(a) Transporte ponto a ponto WDM
(b) Transporte Multiponto WDM empregando OADMs
(c) Transporte Multiponto Reconfigurável empregando OADMs e OXCs
Transporte ponto a ponto WDM - Alta capacidade de Transmissão
Transporte Multiponto WDM
- Acesso a canais fixos
Roteamento Óptico WDM
- Conexões dinâmicas - Capacidade de restauração das
rotas ópticas
OADM EDFA
OXC
Figura 2.1 Evolução do sistema WDM
Porém, tornou-se necessário a manipulação no domínio óptico de parte do tráfego transmitido em pontos intermediários dos enlaces ponto-a-ponto. Desta forma foram
agregados ao enlace os multiplexadores de adição e retirada de comprimento de onda (Optical Add/Drop Multiplexer, OADM) [4]. Estes dispositivos podem inserir ou retirar informações contidas em certos comprimentos de onda. Os primeiros OADMs empregavam a configuração estática, ou seja, retiravam e adicionavam comprimentos de onda pré-determinados. Entretanto, ocorreu o desenvolvimento de OADMs dinâmicos que podiam ter os comprimentos de onda de retirada e inserção configurada de forma dinâmica [4]. Após a evolução dos OADMs e buscando aumentar a flexibilidade de redes WDM multipontos foram desenvolvidos os OXCs (óptical crossconnects). Os OXCs possuem o funcionamento similar aos OADMs diferenciando-se principalmente no número de fibras que entram e saem do dispositivo. A função do OXC é conectar qualquer comprimento de onda que chega a umas das portas de entrada com outra interface de saída do dispositivo. A escolha da porta de saída é realizada pelo controle da rede e a tecnologia que vem apresentando melhor desempenho na fabricação dos comutadores ópticos que compõem os OXCs é a tecnologia dos MEMS (Micro-Electro-Mechanical Switches). Os MEMS consistem de um conjunto de pequenos espelhos que alteram o ângulo de reflexão da luz de acordo com o sinal de controle elétrico. Atualmente, existem OXCs baseados em MEMs com capacidade de comutação de 256 comprimentos de onda. Outras tecnologias que são utilizadas tanto em OADMs como em OXCs são os cristais líquidos ferroelétricos FLC (Ferroelectric Liquid Crystals), grades ordenadas em guias - de - onda AWG (Arrayed Waveguide Gratings) e grade de Bragg a fibra FBG (Fiber Bragg Grating) [4].
2.2. Multiplexação por divisão de códigos ópticos
A tecnologia de multiplexação por divisão de códigos ópticos (OCDM) investigada neste trabalho, para aplicações na camada de transporte por rajadas, provém da tecnologia de acesso múltiplo por divisão de códigos ópticos OCDMA (Optical Code Division Multiple Access) utilizada em redes ópticas de acesso.
2.2.1.
Surgimento da tecnologia OCDM
A aplicação da tecnologia CDMA em domínio óptico surgiu com o propósito de utilizar a largura de faixa abundante na fibra, pois uma vez que sistemas OCDMA
efetivamente fornecem um meio para multiplexação assíncrona de sinais ópticos, isso acaba por remover os atrasos com multiplexação eletrônica.
Aplicar a tecnologia CDMA em meio óptico consiste em efetuar operações de codificação e decodificação em domínio totalmente óptico para prover acesso à rede. Caso o objetivo seja prover multiplexação de canais em uma rede de transporte, a modulação é denominada multiplexação por divisão de códigos (OCDM). Conceitualmente, a diferença entre o WDM e CDM pode ser entendida como se segue: WDM são técnicas de partição do canal entre os usuários. Em contrapartida, no caso de OCDM, todos os usuários compartilham a totalidade da largura de banda de modo aleatório [5].
Em [1] são realizados estudos para a implementação de uma rede OCDM através da introdução de estratégias de múltiplos saltos (multihop) usando codificação. Está demonstrado que esta abordagem é eficaz para expandir as redes de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) já existentes. Estes estudos mostram que OCDM pode ter um emprego eficaz para a escala atual de redes de múltiplos saltos WDM, sem uma significante drenagem dos recursos do comprimento de onda. Portanto, com este cenário, um caminho virtual de códigos ópticos (VOCP) pode ser introduzido, sendo definido como um caminho óptico determinado por um código óptico e alocado enlace por enlace. Para a plena funcionalidade da rede, a conversão de códigos é a chave, pois são análogas ao papel de conversão de comprimento de onda [6] para caminhos virtuais de comprimento de onda (VWP's), na rede de transporte WDM. Também é mostrado em [1] que a conexão cruzada óptica localizada em um nó também serve para estabelecer o VOCP na tecnologia híbrida WDM/OCDM da camada de transporte.
A interação entre o caminho virtual de códigos ópticos VOCP e o caminho virtual de comprimento de onda (VWP) é dada pelo acréscimo de funcionalidade e conexão cruzada óptica salientada. O conceito decisivo para o VOCP é a conversão do código óptico. A conexão cruzada serve para estabelecer o caminho virtual de comprimento de onda / código óptico (VOCP/VWP) na camada de transporte híbrida WDM/OCDM.
Neste trabalho, o conceito OCDM (particularmente OCDM incoerente) é estudado em conjunto com a tecnologia WDM para determinar a capacidade da tecnologia híbrida WDM/OCDM no cenário futuro da evolução dos caminhos de luz.
2.2.2.
Codificação OCDM
Os componentes necessários para sistema CDM são os codificadores e decodificadores localizados no transmissor e receptor, respectivamente. A codificação e decodificação são como uma forma de onda temporal (também chamada de seqüência de assinatura), que permite a seleção de um sinal desejado. O codificador espalha o sinal ao longo de um espectro numa região muito mais vasta do que a largura de banda mínima necessária para a transmissão. O espalhamento espectral é realizado por meio de um único código que é independente do sinal. O decodificador usa o mesmo código para comprimir o espectro do sinal e recuperar os dados. Assim, a seleção do sinal desejado entre todos os outros sinais no canal é baseada na filtragem de correspondência [1]. A saída do decodificador óptico é então correlacionada entre o sinal de entrada e a filtragem de correspondência. Em geral, tendo em vista manter uma boa relação sinal / taxa de interferência de ruído (SIR), a assinatura do código deve ser mutuamente ortogonal ao comprimento do código e o número de pulsos chips, (o número de bits é dividido em n intervalos de tempo denominados chips) devem ser suficientemente longos.
Seqüência de assinatura (1,0,0,1,1,0,1) Dados binários (1,0,1,1) Sinal transmitido Tempo Seqüência de assinatura (1,0,0,1,1,0,1) Dados binários (1,0,1,1) Sinal transmitido Tempo
Figura 2.2 Codificação de dados binários no sistema CDM usando a seqüência de assinatura com o código em forma de 7 chips.
Vários métodos podem ser usados para codificação dos dados, incluindo a codificação de seqüência direta, o salto em tempo (hopping), e salto em freqüência (frequency hopping). A Figura 2.2 mostra um exemplo de codificação de seqüência direta para sistemas ópticos OCDM [5]. Cada bit de dados é codificado usando uma seqüência assinatura (M), chamados chips (M = 7, no exemplo acima). A taxa efetiva de bits aumenta pelo fator M por causa da codificação. O espectro do sinal está espalhado por uma região
muito mais vasta quando relacionado com a largura de banda de cada um dos chips. Por exemplo, o espectro do sinal se torna mais amplo por um fator de 64, se M = 64. É claro, a mesma largura de banda espectral é utilizada por muitos usuários distinguidos com base em diferentes seqüências de assinatura que lhes é atribuído. A recuperação individual de cada um dos sinais que partilham a mesma largura de banda requer que as seqüências de assinatura provenham de uma família dos códigos ortogonais.
2.2.3.
Códigos ópticos não-coerentes
A principal fonte de ruído nos sistemas OCDMA é a interferência de acesso múltiplo MAI (Multi Access Interference) e uma das formas de minimizar este efeito é o dimensionamento de códigos ópticos que reduzam a contribuição da MAI no sinal recebido. Para isso, podem-se escolher códigos ópticos com boas propriedades de correlação para codificar a informação transmitida.
Nos sistemas CDMA sem fio empregam-se códigos bipolares que consistem em seqüências de {-1,+1}. Os valores positivos e negativos são representados pela amplitude e fase do campoeletromagnético que pode ser detectado diretamente. Porém, em sistemas de comunicação óptica emprega-se a detecção da potência óptica na forma de fotodetecção direta (detecção de fótons).
Assim, os sistemas ópticos são de detecção não-negativa e os sistemas OCDMA devem ser desenvolvidos com códigos unipolares, ou não-coerentes, que consistem em seqüências de {1,0}. A Figura 2.3 [4] ilustra o processo de codificação e decodificação da informação transmitida empregando códigos unipolares. É importante ressaltar que foram desenvolvidas recentemente algumas tecnologias que possibilitam o emprego de códigos ópticos bipolares desenvolvidos para sistemas ópticos coerentes. Porém estas tecnologias ainda estão restritas a utilização em laboratório em função de sua elevada complexidade [4]. A principal diferença entre estes sistemas coerentes e não-coerentes é que nos sistemas não-coerentes empregam-se códigos ópticos unipolares que são obtidos por modulação em intensidade. Já nos sistemas coerentes empregam-se códigos ópticos bipolares que são obtidos por modulação por mudança de fase.
Fibras de retardo (FDL)
1 4 11 Código OOC – Comprimento: 11
Peso: 4 Divisor Combinador Codificador Óptico Fibras de retardo (FDL) 1 4 11 Código OOC – Comprimento: 11
Peso: 4 Divisor Combinador
Codificador Óptico
Figura 2.3 Processo de codificação e decodificação de códigos unipolares empregando a tecnologia OCDM
Os pulsos CDM constituído por chips 0 e 1 sofrem de dois problemas. Em primeiro lugar, apenas os códigos unipolares podem ser usados, simplesmente porque a intensidade óptica ou potência não pode ser negativa. Em segundo lugar, a função de correlação cruzada dos códigos unipolares é relativamente alta, tornando grande a probabilidade de um erro [5].
Em função da simplicidade de implementação, observa-se que diversas formas de códigos não-coerentes vêm sendo estudadas e empregadas, como códigos ópticos ortogonais OOC [4]. Os códigos OOC são largamente empregados em função de seus valores de correlação. Além destas características, os códigos OOC apresentam características como a facilidade de construção e implementação.
Nos códigos ópticos ortogonais (OOC) incoerentes, cada bit é dividido em n períodos de tempo, chamados chips; enviando um pulso óptico curto com duração de poucos intervalos chip, em que uma seqüência de assinatura óptica, ou canal lógico podem ser criados. Desta forma, todos os bits “1” a serem transmitidos são codificados no formato da assinatura e os bits “0” não são codificados. Na assinatura denomina-se o comprimento do código o número total de chips, e o peso do código que é dado pelo número de chips ativos, ou seja, com valor “1”. O sinal codificado é transmitido para todos os nós da rede e somente o usuário que possuir uma cópia da assinatura transmitida conseguirá decodificar a informação transmitida [4].
A natureza de tais códigos ortogonais garante que cada sinal pode ser decodificado com precisão no receptor final. Transmissores estão autorizados a transmitir mensagens em tempo arbitrário [5]. O receptor recupera as mensagens por decodificação do sinal recebido usando a mesma seqüência de assinatura que foi usada no transmissor. A decodificação é realizada usando uma técnica de correlação óptica [5].
Por outro lado, constata-se o surgimento constante de propostas de construção que melhoram o seu desempenho [7].
2.3. Códigos ópticos ortogonais
No final da década de 1980, Salehi, entre outros, trabalhou em pesquisas com os denominados códigos ópticos ortogonais (OOC). Associou OOC com redes neurais, elaborou estudo em aspectos relacionados ao projeto, análises e aplicações desses códigos, e implementou a aplicação prática destacando os limites e funcionamentos da técnica. Uma análise de desempenho desses códigos OOC’s foi realizada. Para o caso em que λa=λc=λ, a
quantidade de códigos
φ
oocem função dos parâmetros de correlação é limitada pelo teorema de Johnson, dado por [8].) )....( 1 ( ) )....( 1 ( ) (
λ
λ
λ
− − − − ≤ Φ w w w L L oocOs códigos OOC podem ser caracterizados por (L, w,
λ
a,λ
c), onde L é o comprimento do código (número total de 1's e 0's dentro de uma determinada seqüência), w é o peso do código eλ
a eλ
csão os valores máximos do pico de auto-correlação e correlação cruzada, respectivamente [9]. Todas as seqüências de um OOC têm os mesmos valores de L e w. Um código OOC ideal adota λa=λc=1, pois são sistemas positivos e não podem atingirortogonalidade estrita, sendo caracterizado com (L,w,1) OOC. Dado que x e y são seqüências em um OOC, a auto correlação e a correlação-cruzada são definidos como:
∑
− = + − ≤ ≤ ≤ = = 1 0 , for 1 1 0 for , L l l l a L w x x τ λ τ τ∑
− = + ≤ ≤ ≤ − 1 0 1 0 for , L l l l c L y x τ λ τOnde τ é o atraso relativo entre duas seqüências, xl, yl∈ {1,0} é a adição do modulo-L. A ortogonalidade óptica é satisfeita se
λ
a =λ
c = 1.Apesar do nome código óptico ortogonal (OOC), estas seqüências são pseudo-ortogonais (PO), pois manipulam seqüências {0,1} esparsas para manter baixa tanto a correlação cruzada quanto os lóbulos laterais de autocorrelação correspondentes às versões deslocadas da mesma [8]. Entretanto, a correlação cruzada, graças aos demais códigos
chamados interferentes, aumenta muito rapidamente e degrada severamente o sistema à medida que são acrescentados mais usuários ao sistema.
2.4. Rede óptica híbrida WDM/OCDM
A tecnologia híbrida de multiplexação de divisão comprimento de onda e multiplexação de divisão de códigos ópticos (WDM/OCDM) permitirá melhorar a capacidade e escalabilidade de redes ópticas permitindo o dimensionamento do número de canais utilizáveis em duas dimensões: o código e o comprimento de onda. Esta rede é conhecida como caminhos virtuais de comprimentos de onda e caminhos virtuais de códigos ópticos (VOCP/VWP) [2]. Utiliza métodos para estabelecer caminhos virtuais baseados em comprimento de onda e código ópticos.
O conceito de (VOCP/VWP) é introduzido na camada de transporte da rede e é uma potencial solução para as limitações do uso de comprimentos de onda da camada WDM como tecnologia de transporte, onde a tecnologia WDM/OCDM pode ser a base das redes de transporte do futuro [1][2]. A chave da tecnologia de VOCP/VWP é a conversão de códigos ópticos e comprimentos de onda.
O emprego de códigos ópticos se apresenta como uma alternativa atrativa, principalmente em função da utilização do processamento óptico das informações transmitidas e recebidas [1].
Em WDM/OCDM, os pulsos ópticos (em um ou mais comprimentos de onda) são combinados para formar códigos, então, em vez de cada comprimento de onda representar um único usuário, cada comprimento de onda é combinado com códigos ópticos, o que aumenta o número de caminhos virtuais, que por sua vez aumenta o número de usuários. Conseqüentemente se obtém um melhor desempenho da rede, com maior número de recursos. A Figura 2.4 ilustra a tecnologia WDM/OCDM.
D
E
M
U
X
Nº Caminhos virtuais (VOCP/VWP) =
Nº de comprimetos de onda x Nº códigos ópticos Fibra Óptica
M
U
X
λ1Cm λ1Cm λ2Cm λ3Cm λ4Cm λnCm λ2Cm λ3Cm λ4Cm λnCm D E M U XNº Caminhos virtuais (VOCP/VWP) =
Nº de comprimetos de onda x Nº códigos ópticos Fibra Óptica
M
U
X
λ1Cm λ1Cm λ2Cm λ3Cm λ4Cm λnCm λ2Cm λ3Cm λ4Cm λnCmFigura 2.4 Princípio do sistema WDM/OCDM.
2.4.1.
Conversão de comprimento de onda e código óptico
O conceito chave da tecnologia WDM/OCDM são as conversões de comprimento de onda e de códigos ópticos. Na rede WDM/OCDM há duas abordagens para a conversão de códigos e comprimentos de onda [2]: conversão de comprimento de onda sem conversão óptica e com conversão óptica. Na rede de caminhos de comprimento de onda (WP), o comprimento de onda é atribuído ao longo de todo o percurso óptico, ou seja, o percurso óptico é identificado pelo comprimento de onda, com mostrado na Figura 2.5. Similarmente, nos caminhos de códigos ópticos (OCP) mostrados na Figura 2.6, um conversor óptico (OC) é atribuído ao longo de todo o percurso óptico. Em ambos os casos, para estabelecer seis caminhos ópticos como mostrado na Figura 2.5 e na Figura 2.6, é necessário seis comprimentos de onda e seis códigos ópticos, respectivamente. Já um percurso óptico baseado em conversão de códigos (OC) e conversão de comprimento de onda é referido como um caminho virtual de comprimento de onda / caminho virtual de códigos ópticos (VOCP / VWP), como mostrado na Figura 2.7, em que o conversor óptico (OC) e o comprimento de onda são atribuídos enlace por enlace. Por exemplo, para estabelecer o caminho óptico # 3, o conversor óptico OC2 de 2 deverá ser convertido para OC1 ou λ1 no nó B. No caso dos VOCP/VWP, para estabelecer os mesmos seis caminhos ópticos como na Figura 2.5 e na Figura 2.6, existe a necessidades dois comprimentos de onda e dois códigos ópticos. Como resultado, a introdução de VOCP/VWP resolve potencialmente os problemas atribuídos aos caminhos de conversão de códigos (OC) e conversão de comprimento de onda, o que pode limitar a rede e a expansão do percurso óptico.
Nó A Nó B Nó C Nó D Nó E Nó F λ1 λ2 λ4 λ6 λ3 λ5 Caminho óptico # 1 Caminho óptico # 2 Caminho óptico # 3 Caminho óptico # 4 Caminho óptico # 5 Caminho óptico # 6 Nó A Nó B Nó C Nó D Nó E Nó F Nó A Nó B Nó C Nó D Nó E Nó F λ1 λ2 λ4 λ6 λ3 λ5 λ1 λ2 λ4 λ6 λ3 λ5 Caminho óptico # 1 Caminho óptico # 2 Caminho óptico # 3 Caminho óptico # 4 Caminho óptico # 5 Caminho óptico # 6
Figura 2.5 Caminhos virtuais de comprimento de onda.
Nó A Nó B Nó C Nó D Nó E Nó F OC1 OC2 OC4 OC6 OC3 OC5 Caminho óptico # 1 Caminho óptico # 2 Caminho óptico # 3 Caminho óptico # 4 Caminho óptico # 5 Caminho óptico # 6 Nó A Nó B Nó C Nó D Nó E Nó F Nó A Nó B Nó C Nó D Nó E Nó F OC1 OC2 OC4 OC6 OC3 OC5 Caminho óptico # 1 Caminho óptico # 2 Caminho óptico # 3 Caminho óptico # 4 Caminho óptico # 5 Caminho óptico # 6
Figura 2.6 Caminhos virtuais de códigos ópticos.
λ1OC1 λ2OC2 λ1OC2 λ2OC1 Nó A Nó B Nó C Nó D Nó E Nó F Caminho óptico # 1 Caminho óptico # 2 Caminho óptico # 3 Caminho óptico # 4 Caminho óptico # 5 Caminho óptico # 6
2.4.2.
Vantagens da tecnologia WDM/OCDM
A grande vantagem de usar a tecnologia WDM/OCDM é o aumento do número efetivo dos canais de transporte e o decréscimo do atraso no roteador de borda para pacotes que estão sendo transportados pela rede, pois o aumento no número de códigos ópticos aumenta o número de caminhos virtuais de comprimento de onda e códigos ópticos (VOCPs/VWPs) para escoar o tráfego, o que permite melhorar a capacidade e escalabilidade da utilização de cada enlace de uma rede de acordo com a necessidade de vazão, QoS e latência. Outra vantagem é a possibilidade de modular o aumento de capacidade de transmissão de acordo com o mercado e com a necessidade de demanda A principal razão para o uso destes sistemas é a economia gerada para os clientes. Estes sistemas permitem alcançar uma melhor relação entre custos e bits transmitidos, sob determinadas condições. Pode-se utilizar em cada enlace um número de códigos e comprimentos de onda que seja proporcional à intensidade de tráfego de cada enlace (veja Figura 2.8). Portanto, enlaces com maior intensidade de tráfego utilizam um maior número de códigos e comprimentos de onda que enlaces com menor intensidade de tráfego, evitando assim o desperdício de recursos e tendo uma melhor relação entre custos e bits transmitidos. 1 2 3 4 7 5 6 λ λλ λ2,C4 λ λλ λ2,C1 λ λλ λ2,C3 λλλλ2,C8 λ λ λ λ2,C2 λ λ λ λ2,C2 λ λ λ λ2,C1 λ λ λ λ2,C2 1 2 3 4 7 5 6 1 2 3 4 7 5 6 λ λλ λ2,C4 λ λλ λ2,C1 λ λλ λ2,C3 λλλλ2,C8 λ λ λ λ2,C2 λ λ λ λ2,C2 λ λ λ λ2,C1 λ λ λ λ2,C2 λ λλ λ2,C4 λ λλ λ2,C1 λ λλ λ2,C3 λλλλ2,C8 λ λ λ λ2,C2 λ λ λ λ2,C2 λ λ λ λ2,C1 λ λ λ λ2,C2
Neste contexto, a utilização da tecnologia híbrida WDM/OCDM na camada de transporte pode aumentar a flexibilidade e granularidade das redes ópticas.
Portanto, será realizado neste trabalho estudos de redes desbalanceadas utilizando a tecnologia WDM/OCDM e WDM, comprovando um melhor desempenho da rede WDM/OCDM.
3. Redes Ópticas Comutadas por Rajadas
e
Roteadas
por
Códigos
Ópticos/Comprimentos de onda
Neste capítulo, será realizada a análise da utilização da tecnologia WDM/OCDM na camada de transporte de redes ópticas comutadas por rajadas e roteadas por comprimento de onda (WR-OBS). Será descrita uma arquitetura para o roteador de borda WDM/OCDM. Também será realizado um estudo para dimensionamento do roteador de borda onde o número de fontes (M) é fixo e o número de caminhos virtuais (K) varia de acordo com o parâmetro da fonte (Pf). Serão derivadas as expressões para a probabilidade de bloqueio da
rajada no roteador de borda, com o objetivo de analisar o comportamento da rede em função dos parâmetros do tempo de atraso da rajada no roteador de borda, da carga de tráfego da rede e do número de códigos ópticos ortogonais para o roteamento de caminhos virtuais de comprimentos de onda e caminhos virtuais de códigos ópticos (VOCP/VWP). Também serão derivadas expressões para o tempo de ocupação do canal, para a eficiência de utilização dos caminhos virtuais, para a largura de banda por caminho virtual e por fim para o fator de reutilização do canal a fim de quantificar os parâmetros de desempenho da rede WR-OBS utilizando os caminhos virtuais de comprimento de onda e de códigos ópticos (VOCP/VWP). Também será realizado um estudo comparativo das redes WR-OBS tanto na camada de transporte WDM como na camada de transporte WDM/OCDM.
3.1. Introdução
Atualmente, a maior parte das redes WDM utiliza comutadores eletrônicos com interfaces ópticas, chamados de OEO (interface óptica – comutação eletrônica – interface óptica). Quando o sinal óptico que chega a um comutador OEO é convertido para um sinal eletrônico, de forma que o uso destes comutadores limita a taxa de transporte de dados das redes WDM.
Enquanto a transmissão óptica pode atingir taxas da ordem de Terabits por segundo, os comutadores eletrônicos atuais são capazes apenas de realizar a comutação em taxas de até algumas dezenas de Gigabits por segundo. Sendo assim, para que a largura de banda oferecida pelas redes WDM possa ser usada de forma eficiente são necessárias técnicas de transporte de dados totalmente ópticas, incluindo a comutação óptica. Uma destas técnicas é a comutação de rajadas ópticas (Optical Burst Switching – OBS) [3]. Dentre as redes totalmente ópticas, as redes de comutação de rajadas ópticas são uma solução intermediária entre as redes de comutação de comprimentos de onda (Wavelength Routing - WR) e as redes de comutação de pacotes ópticos (Optical Packet Switching – OPS). Diferentemente da comutação de comprimentos de onda, na comutação de rajadas os recursos são alocados apenas durante o tempo necessário para a comutação e a transmissão de uma rajada. Além disso, não há necessidade do uso de buffers, como ocorre na comutação de pacotes, para armazenamento e processamento das rajadas. O armazenamento de pacotes ópticos é atualmente complexo e dispendioso.
A maioria das redes OBS assume operação unacknowledged1, [11]. Reduzir as taxas de perda de tráfego de alta prioridade significa aumentar a perda de taxas para tráfegos de baixa prioridade. Por isso, o desempenho global da rede é particularmente injusto para grandes rajadas [12]. Para ultrapassar estas limitações, uma arquitetura de rede do roteador de comprimento de onda OBS (WR-OBS) foi proposta em [13] e as principais características que são a operação acknowledged (contrário da unacknowledged) da reserva de comprimento de onda com menor latência garantida.
Nas redes WR-OBS, os pacotes que chegam a um nó de borda são ordenados de acordo com o endereço de destino e classe de serviço (CoS), em seguida, agrupados em
1Reserva de recursos de rede que não tem diferenciação da qualidade de serviço (QoS) e sofrem altas perdas de rajadas em altas cargas de tráfego
rajadas. Antes de se transmitir uma rajada, o nó de borda envia um pacote de controle na direção do nó destino para reservar os recursos necessários à rajada. O pacote de controle percorre a rota determinada realizando a reserva enlace por enlace. Se os recursos da rota são inteiramente reservados, um pacote de confirmação é enviado para o roteador de borda de origem e a rajada é transmitida [3]. Se não existem recursos disponíveis, a rajada é bloqueada. Após a transmissão da rajada, o roteador de borda envia um pacote de controle para liberar os recursos reservados. Estas características garantem os requisitos de QoS em função do atraso máximo ser determinado pelo tempo empregado na agregação e reserva de recursos. Dependendo do protocolo de sinalização utilizado, não é necessário enviar a confirmação de alocação dos recursos para que uma rajada seja transmitida. Caso não haja confirmação da reserva e ocorra um bloqueio, a rajada é descartada e dados são perdidos [3]. Dessa forma, na comutação de rajadas os recursos são alocados apenas durante o tempo necessário para a comutação e a transmissão de uma rajada. Entretanto, no futuro, as redes ópticas OBS devem ser capazes não só de apoiar os volumes crescentes de tráfego, mas também a crescente diversidade de serviços e os padrões de variação dinâmica do tráfego. Com o aumento de tráfego em redes locais, redes metropolitanas (Metropolitan Area Network, MAN) e redes de grande alcance (Wide Area Network, WAN), os roteadores serão forçados a processos de um grande aumento da vazão (throughputs), a partir de centenas de Gigabits por segundo até vários Terabits por segundo em um futuro próximo. Redes ópticas roteadas por comprimento de onda (WRONs) são relativamente simples de se analisar e projetar [14], mas elas não são suficientemente flexíveis para responder às variáveis dinâmicas, ao tráfego de cargas de rajadas e à diversidade de serviços [13].
Assim, o objetivo deste capítulo é também analisar o desempenho de uma arquitetura de rede óptica comutada por rajadas que utilize a tecnologia WDM/OCDM na camada de transporte [9], ou seja, que empregue caminhos ópticos virtuais baseados em comprimentos de onda e códigos ópticos VOCP/VWP [2]. Com a utilização dos caminhos virtuais VOCP/VWP haverá a expansão de canais disponíveis e a redução da latência, principalmente para as rajadas que devem ser transportadas instantaneamente. A utilização de VOCP/VWPs possibilitará que caminhos ópticos virtuais que possuem a mesma rota ou apenas alguns enlaces em comum possam empregar o mesmo comprimento de onda, porém com códigos ópticos distintos. Desta forma, o tempo de uma requisição de um VOCP/VWP
já estabelecido será menor que o tempo de solicitação de um VOCP/VWP onde não haja nenhum enlace estabelecido. Assim existe uma economia de tempo e um aumento de utilização dos recursos da rede.
3.2. Arquitetura e funcionamento
Uma rede OBS possui dois tipos de nós: os nós de borda e os nós de núcleo, como mostra a Figura 3.1. Na técnica de comutação de comprimentos, antes da transmissão de dados, é necessário estabelecer um canal óptico de caminhos virtuais de comprimento de onda e caminhos virtuais de códigos ópticos (VOCP/VWP) para rede WDM/OCDM. Um canal óptico é uma conexão fim-a-fim da camada óptica entre dois nós da rede.
Para se estabelecer um canal óptico é necessário determinar os enlaces do caminho entre o nó origem e o nó destino através de um protocolo de roteamento qualquer e associar um comprimento de onda e um código óptico ao canal em cada enlace do caminho.
Após se estabelecer o canal óptico é enviado um pacote de controle em direção ao roteador de destino. O pacote de controle atravessa a camada WDM enlace por enlace, e reserva o caminho de luz (lightpath) fim a fim para a rajada ser enviada. Se o pacote de controle for recebido com sucesso, e um acknowledgenment for retornado para o roteador de borda de origem, a rajada é enviada no caminho de luz reservado.
Edge Router Edge Router Core Router VOCP/VWP1 VOCP/VWP2 Optical Core Network Edge Router Core Router Edge Router Edge Router Core Router VOCP/VWP1 VOCP/VWP2 Optical Core Network Edge Router Roteador de borda Roteador de núcleo VOCP/VWP1 VOCP/VWP2 Rede Óptica Básica Roteador de borda Edge Router Edge Router Core Router VOCP/VWP1 VOCP/VWP2 Optical Core Network Edge Router Edge Router Core Router VOCP/VWP1 VOCP/VWP2 Optical Core Network Edge Router Core Router Edge Router Edge Router Core Router VOCP/VWP1 VOCP/VWP2 Optical Core Network Edge Router Roteador de borda Roteador de núcleo VOCP/VWP1 VOCP/VWP2 Rede Óptica Básica Roteador de borda
Figura 3.1 Arquitetura de uma rede OBS.
Os nós de borda são os responsáveis pela construção das rajadas e possuem tanto interfaces eletrônicas, para receber os pacotes das redes de acesso, quanto interfaces
ópticas, para enviar as rajadas através da rede OBS [15]. Por sua vez, os nós de núcleo são responsáveis pelo encaminhamento da sinalização de reserva de recursos, pelo roteamento e pela comutação das rajadas.
3.3. Roteador de borda OBS para WDM/OCDM
Roteador de borda WDM/OCDM de K caminhos virtuais VOCP/VWP, onde K = W × OOC, em que W é o número de comprimentos de onda e OOC o número de códigos ópticos ortogonais. Uma arquitetura de rede de um roteador de comprimento de onda OBS (WR-OBS) para WDM/OCDM é mostrada na Figura 3.2 [9].
-Dest. 1 Dest. n Laser sintonisável CoS 1 CoS M CoS 1 CoS M bin bout Comutador OBS -Dest. 1 Dest. n códigos OOC CoS 1 CoS 1 CoS 1 CoS M CoS H CoS H CoS 1 CoS 1 CoS 1 CoS M CoS H CoS H Taxa de entrada de bit
bin
Taxa de saída de bits bout Armazenador M1 M2 MH pacotes Tráfego de rajadas (M)fontes rajada K1 K1 KN Tráfego de rajadas (K) Clientes -Dest. 1 Dest. n Laser sintonisável CoS 1 CoS M CoS 1 CoS M bin bout Comutador OBS -Dest. 1 Dest. n códigos OOC CoS 1 CoS 1 CoS 1 CoS M CoS H CoS H CoS 1 CoS 1 CoS 1 CoS M CoS H CoS H Taxa de entrada de bit
bin
Taxa de saída de bits bout Armazenador M1 M1 M2 M2 MH MH pacotes Tráfego de rajadas (M)fontes rajada K1 K1 K1 K1 KN KN Tráfego de rajadas (K) Clientes
Figura 3.2 Arquitetura de um roteador de borda WDM/OCDM.
Pacotes de clientes que chegam ao roteador de borda são agregados dentro de H buffers eletrônicos separados de acordo com seu destino e Classe de Serviço (CoS). Então um comprimento de onda e um código óptico ortogonal (OOC) na saída da fibra são atribuídos, de modo a transmitir a rajada óptica através de um comutador fotônico da rede WDM/OCDM.
3.4. Metodologia e análise
A análise de desempenho da rede óptica comutada por rajadas e roteadas por códigos ópticos/comprimentos de onda será direcionada para requisições estáticas.
A primeira etapa será estudar o dimensionamento do roteador de borda, tendo como métrica de desempenho a probabilidade de perda de rajada (BBP) e a utilização dos VOCPs/WWPs, considerando a relação M - K = Pf × K para o roteador de borda, onde o
número de fontes (M) é fixo e o número de caminhos virtuais (K) varia de acordo com o parâmetro da fonte (Pf). Este estudo é muito importante para o dimensionamento do roteador de borda na segunda etapa, pois poderá estabelecer a melhor relação fonte/caminhos virtuais de acordo com o QoS e as condições impostas pelo projeto.
Na segunda etapa será analisado o desempenho do uso da tecnologia híbrida envolvendo a multiplexação por divisão de comprimento de onda e a multiplexação por divisão de códigos ópticos (WDM/OCDM) nas redes WR-OBS. Serão derivadas as expressões para a probabilidade de bloqueio da rajada (BBP) no roteador de borda, a fim de analisar o comportamento da rede em função dos parâmetros tempo de processamento no roteador de borda, da carga de tráfego na rede, e da variação do número de códigos ópticos.
A métrica da probabilidade de bloqueio de rajadas (BBP) em um roteador de borda é de extrema importância e fornece um panorama do desempenho da rede, pois as perdas de rajada nestas redes ocorrem principalmente nos roteadores de borda. Sendo, a probabilidade de bloqueio a probabilidade de um pedido de conexão não ser atendido por falta de recursos da rede. Portanto, é um parâmetro que pode ser utilizado para medir a eficiência de utilização da rede. É de grande interesse para as operadoras de redes uma vez que quanto menor a probabilidade de bloqueio maior é o número de clientes que podem ser atendidos com a mesma quantidade de recursos. Portanto redes WDM/OCDM oferecem recursos extras que são necessários para garantir disponibilidade de conexão ao mesmo tempo em que deve garantir uma alta eficiência da rede, de forma a minimizar a probabilidade de bloqueio da rajada.
Por fim novos parâmetros e resultados serão analisados para o estudo do desempenho de WR-OBS, como a taxa de transmissão no núcleo da rede, o tempo de atraso no roteador de borda, o tempo de requisição do caminho de luz, a largura de banda por caminho virtual e o ganho na alocação dinâmica de comprimento de onda através do fator de reutilização do caminho virtual. Através destes resultados, é possível quantificar os parâmetros de desempenho da rede óptica comutada por rajada e roteada por comprimento de onda utilizando os caminhos virtuais de comprimento de onda e de códigos ópticos (VOCP / VWP). A quantificação de parâmetros é a chave para projetar uma rede.
