COMPUTAÇÃO
Pedro Mesquita Moura
Roteamento e Alocação de Núcleo e Espectro em Redes
Ópticas com Multiplexação por Divisão Espacial
CAMPINAS
2019
Roteamento e Alocação de Núcleo e Espectro em Redes Ópticas
com Multiplexação por Divisão Espacial
Tese apresentada ao Instituto de Computação da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos para a obtenção do título de Doutor em Ciência da Computação.
Orientador: Prof. Dr. Nelson Luis Saldanha da Fonseca
Este exemplar corresponde à versão nal da Tese defendida por Pedro Mesquita Moura e orientada pelo Prof. Dr. Nelson Luis Saldanha da Fonseca.
CAMPINAS
2019
Ana Regina Machado - CRB 8/5467
Moura, Pedro Mesquita,
M865r MouRoteamento e alocação de núcleo e espectro em redes ópticas com multiplexação espacial / Pedro Mesquita Moura. – Campinas, SP : [s.n.], 2019.
MouOrientador: Nelson Luis Saldanha da Fonseca.
MouTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação.
Mou1. Redes ópticas. 2. Roteamento (Administração de redes de
computadores). 3. Multiplexação por divisão espacial. I. Fonseca, Nelson Luis Saldanha da, 1961-. II. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Computação. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Routing, core and spectrum assignment for optical networks with
space division multiplexing
Palavras-chave em inglês:
Optical networks
Routing (Computer network management) Space-division multiplexing
Área de concentração: Ciência da Computação Titulação: Doutor em Ciência da Computação Banca examinadora:
Nelson Luis Saldanha da Fonseca [Orientador] André Castelo Branco Soares
Gustavo Bittencourt Figueiredo Fábio Luiz Usberti
Edmundo Roberto Mauro Madeira
Data de defesa: 28-08-2019
Programa de Pós-Graduação: Ciência da Computação
Identificação e informações acadêmicas do(a) aluno(a)
- ORCID do autor: https://orcid.org/0000-0002-6865-5244 - Currículo Lattes do autor: http://lattes.cnpq.br/9463348011180068
COMPUTAÇÃO
Pedro Mesquita Moura
Roteamento e Alocação de Núcleo e Espectro em Redes Ópticas
com Multiplexação por Divisão Espacial
Banca Examinadora:
• Prof. Dr. Nelson Luis Saldanha da Fonseca Universidade Estadual de Campinas
• Prof. Dr. André Castello Branco Soares Universidade Federal do Piauí
• Prof. Dr. Gustavo Bittencourt Figueiredo Universidade Federal da Bahia
• Prof. Dr. Edmundo Roberto Mauro Madeira Universidade Estadual de Campinas
• Prof. Dr. Fábio Luiz Usberti
Universidade Estadual de Campinas
A ata da defesa, assinada pelos membros da Comissão Examinadora, consta no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria do Programa da Unidade.
Dedico esta Tese a todos que batalharam com problemas psicológicos e psiquiátricos durante a pós-graduação.
estúpido.
Agradeço, primeiramente, o Prof. Dr. Nelson Luis Saldanha da Fonseca, por me propor-cionar a experiência de desenvolver pesquisa de alto nível. Agradeço, ainda, a todos os professores do Instituto de Computação da Unicamp, que foram muito importantes na minha formação.
O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior -Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.
O presente trabalho foi realizado com apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientí co e Tecnológico (CNPq), processo 141219/2016-5.
Agradeço a todos os funcionários do Instituto de Computação, que fazem com que o foco dos alunos esteja direcionado apenas nos estudos e pesquisa.
Obrigado ao SAPPE da Unicamp pelo suporte nas horas nas quais eu necessitei. Agradeço à minha família pelo suporte em todos esses anos, em especial aos meus pais Maxwel e Sandra e ao meu irmão Renan e sua família, Luciana, Vitor e Miguel.
Obrigado, também, à todos os colegas do Laboratório de Redes de Computadores, o qual o convívio durante todos estes anos me ajudaram em questões dentro e fora do mundo acadêmico.
Agradeço aos meus colegas Caryl (Nica), Gustavo (Dylon), Giordanno, Neill, Guilhe-reme (Telê), Rodrigo (Cauby), Thierry e Victor.
Agradeço as minhas companheiras de quatro patas Buba e Amora, que demonstraram amor incondicional durante os últimos anos.
Um agradecimento especial à Ana, sem a qual seria impossível a realização dessa etapa da minha vida. Obrigado por estar sempre ao meu lado, mesmo nos momentos difíceis. Te amo!
A capacidade de transmissão de redes ópticas, que compõem o núcleo da Internet, deve ser otimizada para acompanhar o crescimento da demanda de tráfego gerada pelas apli-cações modernas. Entretanto, possibilidades de otimização do uso do espectro em bras mononúcleo estão se esgotando devido às limitações físicas. A m de expandir a capaci-dade de transmissão, novos modelos de redes ópticas estão em desenvolvimento e, dentre eles, os mais promissores são os de redes ópticas com multiplexação espacial, que utilizam múltiplos modos ou núcleos em cada bra para transmissões de forma paralela.
Para que ocorram transmissões nas redes ópticas com multiplexação espacial, é ne-cessário o estabelecimento de caminhos ópticos por meio de seleção de rotas, núcleos e espectro óptico. Os algoritmos de roteamento e alocação de núcleo e espectro são respon-sáveis por esta tarefa e possuem complexidade maior do que os algoritmos tradicionais de roteamento para redes ópticas, devido à introdução do domínio espacial.
Nesta Tese, são propostos cinco algoritmos de roteamento e alocação de núcleo e espec-tro que mantêm baixa a complexidade computacional através do emprego de algoritmos de processamento de imagens, para a identi cação do espectro óptico disponível. São propostas também quatro políticas de alocação de espectro considerando a interferência entre os núcleos das bras na decisão de alocação.
O algoritmo de roteamento baseado em processamento de imagens é o fundamento dos demais propostos. A primeira extensão consiste de um algoritmo de roteamento com modulação adaptativa que estima o crosstalk para calcular a modulação com maior número de bits por símbolo possível para transmissão, diminuindo, assim, o bloqueio de requisições em até três ordens de grandeza. O algoritmo é estendido para realizar alocações multicaminho, quando não é possível realizar alocação em apenas um caminho, o que diminui o bloqueio de requisições em mais uma ordem de grandeza, sem produzir variações signi cativas de atraso nos diferentes caminhos. Propõe-se, também, um mecanismo de e ciência energética, que computa o consumo energético das possíveis rotas, priorizando aquelas com menor consumo, o que aumenta a e ciência energética total da rede em até 16%. Por m, um mecanismo de agregação de tráfego capaz de adiar a alocação de requisições para agrupá-las em lotes é empregado. Deste modo, os lotes demandam menos espectro, por meio da economia de bandas de guarda, reduzindo o bloqueio de requisições em até uma ordem de grandeza.
The transmission capacity of the optical core of the Internet must be optimized to sup-ply the bandwidth growth generated by modern applications. However, the possibility of optimizing the spectrum utilization in monocore bers has reached the limit of physical transmission. To address such limitation, new types of optical networks have been de-veloped, and space division multiplexing optical networks is one of the most promising one. This type of multiplexing employs multiple modes or cores in each ber for parallel transmission.
In order to transmit signals in space division multiplexing optical networks, it is neces-sary to establish lightpaths by selecting routes, cores and optical spectrum. The routing, core and spectrum assignment algorithms are responsible for this task, which complexity is higher than the complexity of traditional optical networks routing algorithms due to the introduction of the space domain.
In this Thesis, ve routing, core and spectrum assignment are proposed for keeping the computational complexity low by employing image processing algorithms to search the available spectrum for lightpath establishment. Four spectrum tness policies are also proposed considering metrics such as intercore crosstalk.
The routing algorithm based on image processing is the foundation of all the others proposed. The rst algorithm extension consists of an adaptive modulation routing algo-rithm that estimates crosstalk to employ the modulation with the highest number of bits for the transmission, decreasing the blocking of requests by three orders of magnitude. Then, the algorithm is extended to perform multipath allocations, when single path allo-cations are not possible, searching for a combination of portions of the optical spectrum. The multipath routing algorithm reduces the blocking of requests by an order of mag-nitude without a signi cant dierential delay. An energy saving mechanism is proposed which calculates the energy consumption of candidate paths, prioritizing the paths with highest energy e ciency, which produces saving of 16% of the total energy consumption of the network. Lastly, a tra c grooming mechanism is proposed to postpone the alloca-tion of requests in order to group them in batches, which occupy less spectrum by saving guard bands, consequently reducing the blocking of requests by an order of magnitude.
1.1 Crescimento de tráfego de dados em Exabytes. [1]. . . 24
2.1 Dimensões de exibilidade do espectro óptico. . . 30
2.2 Tipos de bras ópticas. . . 31
2.3 Diagrama de um SMUX. . . 33
2.4 Arquitetura de bra de 7 núcleos [66]. . . 36
2.5 Arquitetura de bra de 12 núcleos e funcionamento da transmissão inter-calada [71]. . . 36
2.6 Arquitetura de bra de 19 núcleos [70]. . . 36
3.1 Imagem binária com etiquetas, saída do algoritmo de CCL. . . 45
3.2 Exemplos de retângulos inscritos dentro de um objeto em uma imagem binária. . . 46
3.3 Topologia NSF. . . 52
3.4 Topologia USA. . . 53
3.5 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia NSF. . . 54
3.6 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia USA. . . 54
3.7 Crosstalk médio em função da carga para a topologia NSF. . . 55
3.8 Crosstalk médio em função da carga para a topologia USA. . . 55
3.9 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia NSF. . . 56
3.10 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia USA. . . 56
3.11 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia NSF. . . 57
3.12 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia USA. . . 57
3.13 Crosstalk médio em função da carga para a topologia NSF. . . 58
3.14 Crosstalk médio em função da carga para a topologia USA. . . 58
3.15 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia NSF. . . 59
3.16 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia USA. . . 59
3.17 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia NSF. . . 60
3.18 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia USA. . . 60
3.19 Crosstalk médio em função da carga para a topologia NSF. . . 61
3.20 Crosstalk médio em função da carga para a topologia USA. . . 62
3.21 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia NSF. . . 62
3.22 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia USA. . . 62
3.23 Escalabilidade da razão bloqueio banda do algoritmo IRAXT para a topo-logia NSF. . . 63
3.24 Escalabilidade da razão bloqueio banda do algoritmo IRAXT para a topo-logia USA. . . 64
3.25 Escalabilidade do crosstalk médio do algoritmo IRAXT para a topologia NSF. . . 64
a topologia NSF. . . 65
3.28 Escalabilidade da razão de fragmentação do algoritmo IRAXT para a to-pologia USA. . . 66
4.1 Cálculo das matrizes. . . 72
4.2 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia NSF. . . 75
4.3 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia USA. . . 75
4.4 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia NSF. . . . 76
4.5 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia USA. . . . 76
4.6 crosstalk médio em função da carga para a topologia NSF. . . 77
4.7 crosstalk médio em função da carga para a topologia USA. . . 77
4.8 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia NSF. . . 78
4.9 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia USA. . . 78
4.10 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia NSF. . . 79
4.11 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia USA. . . 79
4.12 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia NSF. . . . 80
4.13 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia USA. . . . 80
4.14 crosstalk médio em função da carga para a topologia NSF. . . 80
4.15 crosstalk médio em função da carga para a topologia USA. . . 81
4.16 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia NSF. . . 81
4.17 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia USA. . . 82
4.18 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia NSF. . . 82
4.19 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia USA. . . 83
4.20 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia NSF. . . . 83
4.21 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia USA. . . . 84
4.22 crosstalk médio em função da carga para a topologia NSF. . . 84
4.23 crosstalk médio em função da carga para a topologia USA. . . 84
4.24 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia NSF. . . 85
4.25 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia USA. . . 85
4.26 Escalabilidade da razão bloqueio banda do algoritmo IRAXT para a topo-logia NSF. . . 86
4.27 Escalabilidade da razão bloqueio banda do algoritmo IRAXT para a topo-logia USA. . . 86
4.28 Escalabilidade do crosstalk médio do algoritmo IRAXT para a topologia NSF. . . 87
4.29 Escalabilidade do crosstalk médio do algoritmo IRAXT para a topologia USA. . . 87
4.30 Escalabilidade da média de bits por símbolo do algoritmo IRAXT para a topologia NSF. . . 87
4.31 Escalabilidade da média de bits por símbolo do algoritmo IRAXT para a topologia USA. . . 88
4.32 Escalabilidade do crosstalk médio do algoritmo IRAXT para a topologia NSF. . . 88
4.33 Escalabilidade da razão de fragmentação do algoritmo IRAXT para a to-pologia USA. . . 89
5.4 Crosstalk médio em função da carga para a topologia USA. . . 96
5.5 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia NSF. . . . 97
5.6 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia USA. . . . 97
5.7 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia NSF. . . 98
5.8 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia USA. . . 98
5.9 Atraso diferencial em função da carga para a topologia NSF. . . 99
5.10 Atraso diferencial em função da carga para a topologia USA. . . 99
5.11 Média de caminhos utilizados nas alocações multicaminho pelo algoritmo MPIRAXT para a topologia NSF. . . 99
5.12 Média de caminhos utilizados nas alocações multicaminho pelo algoritmo MPIRAXT para a topologia USA. . . 100
5.13 Média de caminhos utilizados nas alocações multicaminho pelo algoritmo MPIRAMB para a topologia NSF. . . 100
5.14 Média de caminhos utilizados nas alocações multicaminho pelo algoritmo MPIRAMB para a topologia USA. . . 101
5.15 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia NSF. . . 101
5.16 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia USA. . . 102
5.17 Atraso diferencial em função da carga para a topologia NSF. . . 102
5.18 Atraso diferencial em função da carga para a topologia USA. . . 103
5.19 Crosstalk médio em função da carga para a topologia NSF. . . 103
5.20 Crosstalk médio em função da carga para a topologia USA. . . 104
5.21 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia NSF. . . . 104
5.22 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia USA. . . . 104
5.23 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia NSF. . . 105
5.24 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia USA. . . 105
5.25 Média de caminhos utilizados nas alocações multicaminho pelo algoritmo MPIRAXT para a topologia NSF. . . 106
5.26 Média de caminhos utilizados nas alocações multicaminho pelo algoritmo MPIRAXT para a topologia USA. . . 106
5.27 Média de caminhos utilizados nas alocações multicaminho pelo algoritmo MPIRAMB para a topologia NSF. . . 106
5.28 Média de caminhos utilizados nas alocações multicaminho pelo algoritmo MPIRAMB para a topologia USA. . . 107
5.29 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia NSF. . . 107
5.30 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia USA. . . 108
5.31 Atraso diferencial em função da carga para a topologia NSF. . . 108
5.32 Atraso diferencial em função da carga para a topologia USA. . . 109
5.33 Crosstalk médio em função da carga para a topologia NSF. . . 109
5.34 Crosstalk médio em função da carga para a topologia USA. . . 110
5.35 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia NSF. . . . 110
5.36 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia USA. . . . 110
5.37 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia NSF. . . 111
5.38 Razão de fragmentação em função da carga para a topologia USA. . . 111
5.39 Média de caminhos utilizados nas alocações multicaminho pelo algoritmo MPIRAXT para a topologia NSF. . . 112
MPIRAMB para a topologia NSF. . . 112
5.42 Média de caminhos utilizados nas alocações multicaminho pelo algoritmo MPIRAMB para a topologia USA. . . 113
5.43 Escalabilidade da razão bloqueio banda do algoritmo MPIRAXT para a topologia NSF. . . 113
5.44 Escalabilidade da razão bloqueio banda do algoritmo MPIRAXT para a topologia USA. . . 114
5.45 Escalabilidade do crosstalk médio do algoritmo MPIRAXT para a topologia NSF. . . 115
5.46 Escalabilidade do crosstalk médio do algoritmo MPIRAXT para a topologia USA. . . 115
5.47 Escalabilidade da média de bits por símbolo do algoritmo MPIRAXT para a topologia NSF. . . 115
5.48 Escalabilidade da razão de fragmentação do algoritmo MPIRAXT para a topologia NSF. . . 116
5.49 Escalabilidade da razão de fragmentação do algoritmo MPIRAXT para a topologia USA. . . 117
6.1 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia NSF. . . 123
6.2 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia USA. . . 123
6.3 Consumo energético total em função da carga para a topologia NSF. . . 124
6.4 Consumo energético total em função da carga para a topologia USA. . . . 124
6.5 E ciência energética em função da carga para a topologia NSF. . . 125
6.6 E ciência energética em função da carga para a topologia USA. . . 125
6.7 crosstalk médio em função da carga para a topologia NSF. . . 125
6.8 crosstalk médio em função da carga para a topologia USA. . . 126
6.9 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia NSF. . . . 126
6.10 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia USA. . . . 127
6.11 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia NSF. . . 127
6.12 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia USA. . . 127
6.13 Consumo energético total em função da carga para a topologia NSF. . . 128
6.14 Consumo energético total em função da carga para a topologia USA. . . . 128
6.15 E ciência energética em função da carga para a topologia NSF. . . 129
6.16 E ciência energética em função da carga para a topologia USA. . . 129
6.17 Crosstalk médio em função da carga para a topologia NSF. . . 129
6.18 Crosstalk médio em função da carga para a topologia USA. . . 130
6.19 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia NSF. . . . 130
6.20 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia USA. . . . 131
6.21 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia NSF. . . 131
6.22 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia USA. . . 131
6.23 Consumo energético total em função da carga para a topologia NSF. . . 132
6.24 Consumo energético total em função da carga para a topologia USA. . . . 132
6.25 E ciência energética em função da carga para a topologia NSF. . . 133
6.26 E ciência energética em função da carga para a topologia USA. . . 133
6.31 Escalabilidade do consumo energético do algoritmo MPIRAXT para a
to-pologia NSF. . . 135
6.32 Escalabilidade do consumo energético do algoritmo MPIRAXT para a to-pologia USA. . . 135
6.33 Escalabilidade da e ciência energética do algoritmo MPIRAXT para a to-pologia NSF. . . 136
6.34 Escalabilidade da e ciência energética do algoritmo MPIRAXT para a to-pologia USA. . . 136
7.1 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia NSF. . . 141
7.2 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia USA. . . 142
7.3 Consumo energético total em função da carga para a topologia NSF. . . 142
7.4 Consumo energético total em função da carga para a topologia USA. . . . 143
7.5 E ciência energética em função da carga para a topologia NSF. . . 143
7.6 E ciência energética em função da carga para a topologia USA. . . 144
7.7 Crosstalk médio em função da carga para a topologia NSF. . . 144
7.8 Crosstalk médio em função da carga para a topologia USA. . . 144
7.9 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia NSF. . . . 145
7.10 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia USA. . . . 145
7.11 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia NSF. . . 146
7.12 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia USA. . . 146
7.13 Consumo energético total em função da carga para a topologia NSF. . . 147
7.14 Consumo energético total em função da carga para a topologia USA. . . . 147
7.15 E ciência energética em função da carga para a topologia NSF. . . 147
7.16 E ciência energética em função da carga para a topologia USA. . . 148
7.17 Crosstalk médio em função da carga para a topologia NSF. . . 148
7.18 Crosstalk médio em função da carga para a topologia USA. . . 148
7.19 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia NSF. . . . 149
7.20 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia USA. . . . 149
7.21 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia NSF. . . 150
7.22 Razão bloqueio banda em função da carga para a topologia USA. . . 150
7.23 Consumo energético total em função da carga para a topologia NSF. . . 151
7.24 Consumo energético total em função da carga para a topologia USA. . . . 151
7.25 E ciência energética em função da carga para a topologia NSF. . . 151
7.26 E ciência energética em função da carga para a topologia USA. . . 152
7.27 Crosstalk médio em função da carga para a topologia NSF. . . 152
7.28 Crosstalk médio em função da carga para a topologia USA. . . 152
7.29 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia NSF. . . . 153
7.30 Média de bits por símbolo em função da carga para a topologia USA. . . . 153
7.31 Escalabilidade da razão bloqueio banda do algoritmo IRAXTBG para a topologia NSF. . . 154
7.32 Escalabilidade da razão bloqueio banda do algoritmo IRAXTBG para a topologia USA. . . 154
7.33 Escalabilidade da razão bloqueio banda do algoritmo IRAXTBG para a topologia NSF. . . 155
topologia NSF. . . 156 7.36 Escalabilidade da razão bloqueio banda do algoritmo IRAXTBG para a
2.1 Comparação entre os tipos de bras. [10] . . . 33 2.2 Sumário de experimentos com ampli cadores SDM [10]. . . 34 4.1 crosstalk (XTt) . . . 70
4.2 SNR com BER 10−2 (T
1 ImageRCSA . . . 48 2 BestFit(b, lk) . . . 49 3 RandomFit(b, lk)) . . . 50 4 MinimalBlockFit(b, lk)) . . . 51 5 MinimalCrosstalkFit(b, lk) . . . 52 6 ImageRCMLSA . . . 74 7 MultipathImageRCMLSA . . . 93 8 FitMultipath(P, Lm, n) . . . 94 9 EE-ImageRCMLSA . . . 122 10 BGImageRCMLSA . . . 140
s: nó fonte; d: nó destino;
b: demanda de tráfego em slots;
r(s, d, b): requisição do nó s para o nó d com demanda b;
G = (V, E, S): grafo da rede composto por um conjunto de nós V , um conjunto de arestas E e um conjunto de matrizes s, associadas às arestas do grafo, representando a disponibilidade de espectro dos enlaces.
E = {euv}: conjunto de arestas eu,v conectando u e v em G;
S = {suv}: conjunto de matrizes su,v, representando o espectro de um enlace entre u
e v em G;
s(x, y): slot de frequência com índice y no núcleo x.
F = {(x, y)}: conjunto de slots alocados por uma política de alocação.
P = {pk}: conjunto de caminhos, resultante do algoritmo de k-menores caminhos;
Suv= [sij]é a matriz de ocupação, onde i é o índice do núcleo e j é o índice do slot do
espectro; cada elemento sij tem valor 1 se o slot (i, j) no enlace uv está disponível para
alocação e 0 caso contrário;
L = {lk}: conjunto de regiões do espectro, saída do algoritmo CCL, no qual cada
conjunto lk contém os slots da região;
Rk: matriz que armazena o resultado das operações de continuidade de espectro;
Suv= [sij]é a matriz de ocupação, onde i é o índice do núcleo e j é o índice do slot do
espectro; cada elemento sij tem valor 1 se o slot (i, j) no enlace uv está disponível para
alocação e 0 caso contrário;
Nuv = [nij]é a matriz de ruído, onde cada elemento nij apresenta um valor de crosstalk
estimado no slot (i, j) do enlace uv; Dm
uv = [dij] é a matriz de interrupção, onde cada dij tem valor 1 se o valor da relação
sinal ruído (SNR) do slot (i, j) do enlace uv estará acima de um limiar caso o novo caminho óptico seja estabelecido com modulação m e 0 caso contrário;
Tm é o limiar da relação sinal ruído para que uma transmissão com formato de
modu-lação m possa ser decodi cado corretamente no destino. P é a potência de transmissão em dB;
XTt é o crosstalk entre os núcleos de uma bra em dB, onde t é o número total de
núcleos da bra;
δ(pk): distância física entre o nó fonte e o nó destino do caminho pk;
lm
k ∈ Lm: conjunto de porções do espectro do caminho k utilizando modulação m;
F = {fk}: conjunto de conjuntos de slots alocados pelas políticas de alocação. No
caso de alocação de apenas um caminho, o conjunto contém apenas um elemento (f0).
Quando há alocação multicaminho, o conjunto contêm n elementos (2 ≤ n ≤ N).
T = pk: conjunto de caminhos, nos quais os slots presentes no conjunto fk serão
alo-cados.
ω = Cin(Lm) = {lmk, llm..lmo }: elemento do conjunto com índice i das combinações entre os elementos lm
k de Lm, formados n a n;
κ = Cn
j(ω) = {Qk, Ql..Qo}: elemento do conjunto com índice i das combinações entre
os elementos Qk de ω, formados n a n;
C = {cm
ki}: conjunto de custos cmki referentes às porções de espectro lkm, onde i é a
prioridade de alocação do menor para o maior.
Ω(pk, lmi ) = ECtrans+ ECOXCs+ ECEDF As: função que calcula o consumo energético
de um caminho pk no qual se emprega a modulação m, segundo o modelo de consumo de
energia apresentado.
bm(t) = DNi−ti : largura de banda necessária requisitada no instante t, com modulação
m;
βs,d(t) = {r(s, d, bm(t))}: lote de requisições no tempo t, sua demanda de banda
passante é igual a soma de todas as bandas passantes de sua requisições;
∆s,d(t) = D(ri(s, d, b)) | ∀j D(ri(s, d, b)) < D(rj(s, d, b)): prazo de alocação de um
lote Bs,d, dado pelo prazo mais curto dentre as suas requisições;
As,d: conjunto de requisições que serão adiadas;
Bs,d: conjunto de requisições que serão bloqueadas;
(p, F, m): tupla contendo o caminho, o conjunto de slots e a modulação escolhidos pelo algoritmo de RCMLSA;
WDM Wavelength Division Multiplexing RSA Roteamento e Alocação de Espectro PLI Programação Linear Inteira
SMF Single Mode Fiber
SDM Space Division Multiplexing
RCSA Routing, Core and Spectrum Assignment EON Elastic Optical Networks
RCMLSA Routing, Core, Modulation Level and Spectrum Assignment CCL Connected Component Labelling
IRA Incribed Rectangles Algorithm KSP K-Shortest Paths
1 Introdução 24 1.1 Objetivo . . . 25 1.2 Contribuições . . . 26 1.3 Publicações . . . 27 1.4 Organização da Tese . . . 27 2 Referencial teórico 29 2.1 Multiplexação por divisão espacial . . . 29
2.2 Componentes de uma rede óptica com multiplexação espacial . . . 31
2.2.1 Fibras ópticas SDM . . . 31
2.2.2 Multiplexadores espaciais . . . 33
2.2.3 Ampli cadores SDM . . . 34
2.2.4 Comutadores ópticos SDM . . . 34
2.3 Arquiteturas de bra multinúcleo . . . 35
2.4 Crosstalk . . . 37
2.5 Formatos de modulação . . . 37
2.6 Formulação do Problema . . . 38
2.6.1 Roteamento e alocação de núcleo e espectro . . . 38
2.6.2 Roteamento e alocação de núcleo, formato de modulação e espectro 40 3 Algoritmo de roteamento e alocação, de núcleo e espectro baseados em algoritmos de processamento de imagens para busca de espectro dispo-nível 42 3.1 Trabalhos relacionados . . . 43
3.2 Representação do espectro óptico . . . 44
3.2.1 Connected Component Labelling . . . 44
3.2.2 Inscribed Rectangles Algorithm . . . 45
3.3 ImageRCSA . . . 47
3.4 Políticas de alocação de espectro óptico . . . 48
3.4.1 BestFit . . . 49
3.4.2 RandomFit . . . 50
3.4.3 MinimalBlockFit . . . 50
3.4.4 MinimalCrosstalkFit . . . 51
3.5 Resultados numéricos . . . 52
3.5.1 Rede com bras com 7 núcleos . . . 53
3.5.2 Rede com bras com 12 núcleos . . . 56
3.5.3 Rede com bras com 19 núcleos . . . 59
dulação com modulação adaptativa 67 4.1 Trabalhos relacionados . . . 67 4.2 Estimativa de crosstalk . . . 68 4.3 ImageRCMLSA . . . 71 4.4 Resultados numéricos . . . 73 4.4.1 Rede com bras com 7 núcleos . . . 74 4.4.2 Rede com bras com 12 núcleos . . . 78 4.4.3 Rede com bras com 19 núcleos . . . 81 4.4.4 Escalabilidade em função do aumento do número de núcleos . . . . 85 4.5 Resumo conclusivo . . . 88 5 Algoritmos de roteamento, alocação de núcleo, espectro e nível de
mo-dulação baseados em roteamento multicaminho 90
5.1 Trabalhos relacionados . . . 90 5.2 O algoritmo MultipathImageRCMLSA . . . 91 5.3 Resultados numéricos . . . 94 5.3.1 Rede com bras de 7 núcleos . . . 94 5.3.2 Rede com bras de 12 núcleos . . . 101 5.3.3 Rede com bras de 19 núcleos . . . 107 5.3.4 Escalabilidade em função do aumento do número de núcleos . . . . 113 5.4 Resumo conclusivo . . . 117 6 Algoritmo de roteamento, alocação de núcleo, espectro e nível de
mo-dulação com economia de energia 118
6.1 Trabalhos Relacionados . . . 118 6.2 Modelo de consumo de energia . . . 119 6.3 O algoritmo EE-ImageRCMLSA . . . 120 6.4 Resultados numéricos . . . 121 6.4.1 Rede com bras de 7 núcleos . . . 122 6.4.2 Rede com bras de 12 núcleos . . . 126 6.4.3 Rede com bras de 19 núcleos . . . 130 6.4.4 Escalabilidade em função do aumento do número de núcleos . . . . 134 6.5 Resumo conclusivo . . . 136 7 Alocação de requisições em lotes com prazo de alocação em algoritmos
de roteamento, alocação de núcleo, espectro e nível de modulação 138 7.1 Trabalhos relacionados . . . 138 7.2 BG-ImageRCMLSA . . . 139 7.3 Resultados numéricos . . . 141 7.3.1 Rede com bras de 7 núcleos . . . 141 7.3.2 Rede com bras de 12 núcleos . . . 145 7.3.3 Rede com bras de 19 núcleos . . . 149 7.3.4 Escalabilidade em função do aumento do número de núcleos . . . . 153 7.4 Resumo conclusivo . . . 155
Capítulo 1
Introdução
Devido à popularização de aplicações com grandes demandas de banda passante, como vídeos sob demanda, o tráfego na Internet tem crescido de forma acelerada nos últimos anos, com previsão de contínuo crescimento nos próximos anos.
A Figura 1.1 mostra o crescimento do tráfego na Internet entre os anos de 2017 e 2018, e a projeção de crescimento para os anos subsequentes até 2022. Atualmente, a média de crescimento é de 26%, e a tendência para o futuro é que essa taxa se mantenha ao passar dos anos. O núcleo da Internet, composto majoritariamente de redes ópticas, deve prover capacidade su ciente para suprir o aumento acelerado do tráfego.
20170 2018 2019 2020 2021 2022 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Ano T ráfego (E B)
Figura 1.1: Crescimento de tráfego de dados em Exabytes. [1].
A tecnologia de transmissão mais utilizada das redes ópticas é a multiplexação por comprimento de onda (Wavelenght Division Multiplexing - WDM), que utiliza uma grade xa, ou seja, largas faixas de frequência xas para alocar caminhos ópticos [7] [51]. Mais recentemente, foram introduzidas as redes ópticas elásticas ( exgrid) que permitem a alocação do espectro em uma granularidade mais na [28][35]. As duas tecnologias são baseadas em bras de apenas um modo e núcleo (Single Mode Fibers - SMF).
As tecnologias de redes ópticas mantiveram o crescimento da capacidade de trans-missão de acordo com a banda passante demandada na Internet durante o período já registrado. Entretanto, devido às limitações físicas dessas tecnologias, está prevista a saturação da capacidade destas redes.
Durante os últimos anos, diversas formas de otimização da e ciência de uso de recur-sos dessas redes foram propostas, na tentativa de aproveitar a capacidade das bras ao máximo. Entretanto, os benefícios dessas otimizações têm diminuído nos últimos anos, tornando a expansão da capacidade da rede cada vez mais desa adora [90].
Para uma efetiva expansão da capacidade de transmissão, algumas alternativas vêm sendo propostas e, dentre elas, a mais promissora é a Multiplexação por Divisão Espacial (Space Division Multiplexing - SDM), que utiliza diversos meios de transmissão paralelos nas bras ópticas (núcleos ou modos) [30] [55].
Com essa nova tecnologia, surgiram novos desa os, tanto no nível de componentes quanto no nível de gerência da rede. Esta Tese tem como foco temas ligados à alocação dos recursos de redes ópticas elásticas com multiplexação espacial, em especial os algoritmos de Roteamento e Alocação de Núcleo e Espectro (Routing, Core and Spectrum Assignment - RCSA), que são uma extensão natural dos algoritmos de Roteamento e Alocação de Espectro (Routing and Spectrum Assignment - RSA) desenvolvido para redes ópticas elásticas (Elastic Optical Networks - EON). O problema consiste em encontrar uma rota, um ou mais núcleos das bras ópticas e uma faixa de espectro disponível nesses núcleos para cada requisição de estabelecimento de conexão [45] [79].
O RCSA demanda uma complexidade computacional maior que o RSA, pois aloca faixas de espectro em duas dimensões (espaço e frequência). Assim, complexidade com-putacional é um fator com maior relevância na alocação de rotas. Além disso, existem fatores intrínsecos à própria tecnologia de multiplexação espacial, como a interferência ocasionada por núcleos adjacentes, chamada de crosstalk, que devem ser levados em con-sideração durante a alocação, para que a decodi cação do sinal ocorra com sucesso no receptor [18].
O problema é ainda mais complexo com o emprego de diferentes formatos de modula-ção de forma adaptativa, para aumentar a taxa de transmissão dos enlaces ópticos sempre que possível. Ao incorporar a modulação adaptativa, os algoritmos são estendidos para Roteamento e Alocação de Núcleo, Formato de Modulação e Espectro (Routing, Core, Modulation Level and Spectrum Assignment - RCMLSA). Para que os diferentes forma-tos de modulação possam ser utilizados, fatores como a distância da rota calculada e o crosstalk agregado nos elances do caminho também devem ser levados em consideração [56].
1.1 Objetivo
O principal objetivo desta Tese é a formulação de algoritmos de roteamento e alocação de recursos em redes ópticas elásticas empregando multiplexação espacial que sejam ca-pazes de aumentar a e ciência da utilização de recursos, a m de diminuir o bloqueio de requisições, bem como o consumo de energia. Para realizar tal tarefa serão empregados algoritmos de processamento de imagens para manter baixa a complexidade computaci-onal das soluções. Algoritmos empregando técnicas de estimativa de crosstalk, diferentes formatos de modulação e roteamento multicaminho são propostos na Tese.
capacidade de transmissão expandida com o emprego de multiplexação espacial. Portanto, serão apresentados, em todos os capítulos da Tese, estudos sobre a escalabilidade dos resultados obtidos pelos algoritmos em função do número de núcleos nas bras ópticas. Tal análise permite um entendimento do benefício do emprego de SDM, bem como uma noção do dimensionamento do número de núcleos nas bras.
Primeiramente, será investigada a representação do espectro óptico em matrizes biná-rias, validando a utilização de algoritmos de processamento de imagens binárias de baixa complexidade na busca de espectro óptico disponível. Quatro políticas de alocação são propostas para estabelecer conexões no espectro disponível, buscando reduzir o crosstalk na rede e melhorar a e ciência na utilização de recursos.
O algoritmo será então expandido para a utilização de formatos de modulação avan-çados e, para tal, será necessário estimar o crosstalk presente no espectro óptico, de modo que haja uma garantia de decodi cação correta do sinal óptico no receptor.
Para aumentar mais ainda a e ciência no uso de recursos da rede, utiliza-se roteamento multicaminho, a m de dividir a alocação de caminhos ópticos em mais de uma rota, caso haja uma tentativa frustrada de alocação em um único caminho.
Será apresentado um mecanismo de redução de consumo de energia baseado na com-putação do consumo dos componentes presentes na rede, alocando a rota com a maior e ciência energética.
Por m, um mecanismo de agregação de tráfego em lotes de requisições será apresen-tado. Esse mecanismo trabalha adiando requisições com prazo de alocação, para formação de conjuntos de requisições a serem alocadas com maior e ciência espectral e com menor consumo energético.
1.2 Contribuições
Nesta Tese, são propostos algoritmos de roteamento e alocação de espectro que utilizam algoritmos de processamento de imagens. As contribuições desta Tese são:
• Ambiente de simulação para redes ópticas SDM;
• Algoritmo de RCSA baseados em algoritmos de processamento de imagens;
• Quatro políticas de alocação de espectro para mitigar crosstalk e reduzir fragmen-tação espectral;
• Algoritmo de RCMLSA com modulação adaptativa baseada nas estimativas de cros-stalk;
• Algoritmo de RCMLSA com roteamento multicaminho;
• Algoritmo de RCMLSA para promover e ciência energética considerando crosstalk; • Algoritmo de RCMLSA com agregação de tráfego em lotes para requisições
1.3 Publicações
As seguintes publicações foram resultado da pesquisa apresentada nesta Tese:
• Moura, P. M. ; Fonseca, N. L. S. da. Routing, Core, Modulation Level and Spectrum Assignment Based on Image Processing Algorithms. Journal of Optical Communi-cations and Networking, v. 10, p. 947, 2018. [42]
• Moura, P. M.; Fonseca, N. L. S. da. Inscribed rectangles algorithm for routing, core and spectrum assignment for SDM optical networks. In Proc. of IEEE International Conference on Communications, 2017, Paris. [40]
• Moura, P. M.; Fonseca, N. L. S. da. Routing, core and spectrum assignment based on connected component labelling for SDM optical networks. In Proc. of IEEE International Conference on Communications, 2016, Kuala Lumpur. [43]
Os seguintes artigos foram publicados durante o doutorado e, apesar de não integrarem a Tese diretamente, zeram parte indiretamente da trajetória de pesquisa:
• Moura, P. M. ; Fonseca, N. L. S. da ; Scara cci, R. A. Tra c Grooming of Batches of Deadline-Driven Requests in Elastic Optical Networks. In Proc. of IEEE Global Telecommunications Conference, 2016, Austin. [41]
• Moura, P. M. ; Fonseca, N. L. S. da ; Scara cci, R. A. Algorithm for Energy E cient Routing, Modulation and Spectrum Assignment.In Proc. of IEEE International Conference on Communications, 2015, London. [44]
1.4 Organização da Tese
Esta Tese está organizada da seguinte forma:
O Capítulo 2 apresenta os conceitos necessários sobre redes ópticas com multiplexação espacial, suas variações e componentes básicos. Além de apresentar e formalizar os pro-blemas de RCSA, RCMLSA e questões relacionadas, tais como a fragmentação espectral. O Capítulo 3 mostra como os algoritmos de processamento de imagens são utiliza-dos para manter baixa a complexidade computacional utiliza-dos algoritmos de RCSA, além de apresentar políticas de alocação que levam em consideração o crosstalk para diminuir o bloqueio de requisições.
O Capítulo 4 avalia o impacto da introdução de modulação adaptativa nos algoritmos de processamento de imagens. Para isso, é necessária a estimativa do crosstalk nos núcleos da bra, a m de que se possa garantir a decodi cação correta do sinal óptico no receptor. Com este método, é possível aumentar a e ciência de transmissão das bras e diminuir o bloqueio de requisições.
O Capítulo 5 explora a alocação multicaminho no algoritmo de RCMLSA proposto, alocando requisições em múltiplos caminhos, quando não é possível realizá-lo em um único caminho. O método atinge menores taxas de bloqueio de requisições sem criar diferenças de atraso signi cativas entre os caminhos.
O Capítulo 6 investiga a e ciência energética, utilizando estimativas de consumo de energia dos caminhos ópticos da rede para guiar a escolha das alocações, o que possibilita a redução do consumo energético em até 16% para os cenários estudados.
O Capítulo 7 aplica agregação de tráfego em redes ópticas com multiplexação espacial, adiando requisições tolerantes ao atraso para a formação de lotes. Estes são alocados sem a divisão por bandas de guarda, aumentando a e ciência da utilização do espectro e diminuindo o bloqueio de requisições.
Capítulo 2
Referencial teórico
Este capítulo apresenta os conceitos fundamentais utilizados no desenvolvimento da Tese, além de formalizar o problema de RCSA e RCMLSA.
2.1 Multiplexação por divisão espacial
Existem algumas formas de se realizar a multiplexação espacial em redes ópticas, e cada uma dessas formas apresenta características especi cas que exibilizam a alocação e ne-cessitam de componentes com complexidades diferentes. A seguir, serão apresentadas as formas propostas na literatura, em contraste com as tecnologias já existentes para redes ópticas WDM e elásticas.
Em [30], foram sugeridas possíveis abordagens para comutação de redes SDM, com foco no plano de controle, introduzido o problema RCSA. Foram listados, também, os principais desa os da utilização da dimensão espacial nas redes ópticas.
A Figura 2.1 mostra os tipos de alocação, desde as tradicionais redes com WDM, passando pela exibilidade espectral e nalmente chegando nos modos de multiplexação espacial.
A alocação de espectro nas redes WDM utiliza uma grade xa, o que signi ca que ela emprega comprimentos de onda com capacidade que não se altera. Tal esquema de alocação utiliza Recon gurable optical add-drop multiplexers (ROADMs), equipamento preparado para multiplexar diversos comprimentos de onda no mesmo sinal óptico. A alocação xa, apesar de ser uma das formas mais simples e diretas, exaure a capacidade de transmissão de dados, devido à sua falta de exibilidade na utilização dos recursos da rede, levando ao bloqueio de conexões, mesmo havendo diversos comprimentos de onda parcialmente ocupados, cuja soma da banda ociosa é maior que a demanda de banda da conexão bloqueada.
A m de diminuir este desperdício do espectro óptico, foram propostas as redes ópticas elásticas, que aumentaram a exibilidade para a alocação de banda passante. O espectro xo é alocado em pequenas unidades chamadas de slots, o que permite exibilizar a alocação para comportar as demandas de banda das conexões, agrupando diversas dessas unidades. Dessa maneira, a banda residual é minimizada, levando a uma utilização mais e ciente do espectro.
Comprimento de Onda Espect ro Espaç o Comprimento de Onda Comprimento de Onda Espect ro Comprimento de Onda Espect ro Espaç o 50GHz 12,5GHz 12,5GHz 12,5GHz
Figura 2.1: Dimensões de exibilidade do espectro óptico.
As redes elásticas utilizam esquemas avançados de multiplexação, como a Divisão por Multiplexação de Frequências Ortogonais (Orthogonal Frequency Division Multiplexing -OFDM), o que aumenta a densidade das informações através da sobreposição dos slots contíguos ortogonalmente. A comutação nessas redes é realizada por Wavelength-selective switches (WSSs), que são capazes de transmitir conexões de largura exível, adaptando a demanda de tráfego da requisição [59] [74].
Apesar de as redes ópticas elásticas permitirem a utilização mais e ciente da capaci-dade das bras ópticas, elas já estão próximas de atingir os limites físicos de capacicapaci-dade de transmissão. Nesse contexto, as redes SDM são a opção mais promissora para aumentar a disponibilidade de recursos do meio transmissão.
Para contornar tais limites, são propostos métodos de utilização de múltiplos meios de transmissão. A primeira proposta, ilustrada na gura 2.1, emprega exibilidade de alocação no espectro e um esquema xo no domínio espacial, através da utilização de bras com vários núcleos. Dessa forma, o espectro óptico permanece como nas redes óp-ticas elásóp-ticas, e a multiplexação é utilizada apenas para dividir o sinal pelas bras de maneira xa. Nesse esquema, a alocação é feita de maneira xa, no domínio espacial, o que signi ca a obrigatoriedade de alocar em todos os núcleos os slots de comprimentos de onda equivalentes, mesmo que não seja necessário. Este modelo, apesar de não utilizar o espectro óptico da maneira mais e ciente, uma vez que aloca porções de espectro desne-cessariamente, mantém o esquema de comutação simples, utilizando um WSS modi cado
para transmissão em bras com múltiplos núcleos [48].
A segunda proposta para a utilização do domínio espacial permite exibilidade tanto no domínio de frequência quanto no domínio espacial. Essa abordagem permite a alocação do espectro óptico livremente em todos os meios, possibilitando maior e ciência na aloca-ção do espectro, quando comparada com a primeira proposta. É possível alocar diferentes conexões no mesmo slot de núcleos diferentes, aproveitando melhor o espectro no caso de demandas heterogêneas de tráfego. A comutação para este modelo é mais complexa devido à exibilidade em todas as dimensões do espectro, e até o momento não existe uma solução inteiramente funcional. Podem ser encontrados trabalhos em progresso, uti-lizando WSSs em conjunto com OXCs, porém os estudos mostram que a complexidade do projeto é alta [48] [87].
As tecnologias apresentadas acima devem ser levadas em consideração no projeto de algoritmos RCSA, já que para cada esquema de multiplexação o projeto do algoritmo deve ser diferente.
2.2 Componentes de uma rede óptica com
multiplexa-ção espacial
Esta seção apresenta os componentes necessários para a composição de uma rede óptica elástica com multiplexação espacial.
2.2.1 Fibras ópticas SDM
A principal forma de realizar a multiplexação espacial em bras ópticas é a utilização de diversos modos e/ou núcleos. A partir destas tecnologias e suas combinações foram criadas categorias de SDM. A Figura 2.2 mostra os tipos de bras: Fibras monomodo (Single-mode Fiber - SMF), Fibras multimodo (Multi-(Single-mode Fibers - MMF) e Fibras multinúcleo (Multi-core ber - (MCF).
(a) SMF (b) MMF (c) MCF
Figura 2.2: Tipos de bras ópticas.
Fibras multimodo
As bras multimodo apresentam o núcleo com maior diâmetro que as bras com apenas um modo, permitindo a transmissão de diversos sinais independentes ortogonais chamados
de sinais polarizados linearmente (LP) [60, 32]. A quantidade de modos de uma bra varia de acordo com o tamanho do núcleo e o índice de refração do revestimento da bra.
As bras multimodo podem ser classi cadas de acordo com o número de modos dis-poníveis, sendo chamadas de bras com poucos modos (Few-mode Fiber - FMF), caso o número seja baixo (normalmente entre 2 e 20). Caso o valor seja maior que esse, são clas-si cadas como MMFs. As FMFs devem ser pareadas com equipamentos de alta qualidade, como multiplexadores espaciais que sejam capazes de identi car as diversas transmissões independentes [73]. As MMFs são mais utilizadas para comunicação de curta distância, já que sofrem impacto forte da dispersão modal devido ao alto número de transmissões independentes que devem ser decodi cadas no receptor.
As MMFs apresentam alta complexidade de desenvolvimento, principalmente devido à necessidade do emprego de processamento digital complexo. Entretanto, a tecnolo-gia é promissora para expandir a capacidade de transmissão em bras em operação que suportam a multiplexação de modos [63, 65].
Fibras multinúcleo
As MCFs são compostas por diversos núcleos independentes em um revestimento, podendo ser categorizadas em acopladas ou desacopladas.
As bras multinúcleo acopladas (Coupled Multi-core ber - CMCF) agrupam alguns de seus diversos núcleos em canais chamados supermodos, de acordo com sua disposição no espaço. As CMCF podem apresentar acoplamento forte ou fraco [62]. As transmis-sões utilizando CMCF podem alcançar 4200km e 1705km para bras com 3 e 6 núcleos respectivamente [64, 61], as quais são maiores que as obtidas por FMFs com o mesmo número de modos. A principal desvantagem da CMCF é a necessidade do emprego de Digital Signal Processing (DSP) baseado em Multiple-input and Multiple-output (MIMO) para recuperar os sinais, tornando o seu desenvolvimento complexo.
Cada núcleo de uma bra multinúcleo desacoplada (Uncoupled Multi-core ber - UMCF) pode ser considerado um canal independente de transmissão. Para transmissões de longa distância, foram demonstradas transmissões utilizando 7 núcleos [26, 9, 25], 12 núcleos [31, 36] e 19 núcleos [67, 68]. A principal vantagem da UMCF é que a complexidade dos dispositivos da rede é baixa, podendo-se aproveitar dispositivos comercialmente disponí-veis, sendo, algumas vezes, necessário realizar pequenas modi cações.
O desa o na utilização das UMCFs está na transmissão de longo alcance, que necessita de baixas perdas no sinal, crosstalk baixo entre os núcleos, uma área efetiva grande o su ciente para reduzir efeitos da não-linearidades de um diâmetro de revestimento largo o su ciente para garantir o manuseio seguro. Estes dois últimos impactam a escalabilidade de núcleos de uma bra. As bras demonstradas de 19 núcleos possuem diâmetro do revestimento de 200µm, que é altamente sensível a dobras [38]. Caso seja necessário aumentar o diâmetro do revestimento da bra para aumentar o número de núcleos e manter o crosstalk baixo, a manuseabilidade da bra será um problema.
A Tabela 2.1 sumariza os benefícios e desa os dos tipos de bra SDM apresenta-dos. As FMFs e MMFs utilizam bem o espaço, porém apresentam alta complexidade de processamento digital de sinais (Digital Signal Processing - DSP), bem como certa
sen-sibilidade a não-linearidades. As CMCF são intermediárias em todos os quesitos, com a principal desvantagem de necessitarem de DSP, ainda que de menor complexidade que as MMFs. As UCMFs têm a baixa complexidade de DSP como principal benefício, devido à independência dos núcleos da bra, o que vem acompanhado de sua baixa tolerância a não-linearidades.
Tabela 2.1: Comparação entre os tipos de bras. [10] Utilização e ciente
do espaço Complexidadede DSP não-linearidades EscalabilidadeTolerância a
MMF/FMF Alta Alta Média Alta
CMCF Média Média Média/Alta Média
UMCF Média Baixa Baixa Baixa
Os algoritmos desenvolvidos serão voltados majoritariamente para aplicação com UMCFs, devido à baixa complexidade de desenvolvimento. A utilização de UMCFs torna primor-dial considerar o crosstalk entre os núcleos da bra na alocação de recursos, para que transmissões de longa distancia possam ser realizadas e cientemente.
2.2.2 Multiplexadores espaciais
O papel de um multiplexador espacial (Spatial Multiplexers - SMUX) é converter sinais de múltiplas SMFs em uma transmissão para diversos modos ou núcleos de uma bra SDM, como ilustrado na Figura 2.3.
SMUX Fibra SDM
SMFs
Figura 2.3: Diagrama de um SMUX.
A tecnologia de SMUX tem se desenvolvido dos antigos dispositivos com grandes di-mensões para dispositivos compactos e modernos, facilitando o seu emprego nas redes SDM. Os SMUX são classi cados em dois grupos. O primeiro grupo é baseado em múl-tiplos pontos, que geralmente são feixes de SMFs utilizando uma distribuição Gaussiana, e pode ser utilizado tanto com MCFs e FMFs. O segundo grupo é baseado em seleção de modo, através da criação de per s para os modos, a ser utilizado apenas com FMFs.
Este componente é vital para o funcionamento das redes ópticas SDM atualmente, pois em diversos momentos é necessária a separação dos sinais ópticos e a eventual junção destes durante as transmissões.
2.2.3 Ampli cadores SDM
Apesar de as bras ópticas modernas obterem valores de atenuação baixa (cerca de 0.2dB/kM [10]), ampli cadores ópticos como erbium-doped ber ampli ers (EDFAs) e distributed Raman ampli ers (DRAs) ainda são indispensáveis para suprir as perdas oca-sionadas pela atenuação, bem como pelos conectores das bras, especialmente quando a topologia tiver enlaces com distâncias maiores que 100km.
Existem atualmente algumas propostas de ampli cadores para serem utilizados em re-des com bras MCF. Um mecanismo híbrido de ampli cação empregando DRAs e EDFAs foi demonstrado em [76]. Ganhos de 9 − 12dB e perdas de menores de 1dB foram obtidos utilizando uma bra MCF de 7-núcleos com comprimento de 75km.
Uma proposta de EDFA para MCFs foi apresentada em [4], utilizando acopladores WDM para combinar o sinal óptico, onde o número de ampli cadores é proporcional ao número de núcleos. Foi demonstrado que o desempenho desse ampli cador MCF é similar aos convencionais ampli cadores SMF [4, 80, 81, 2].
Para diminuir o consumo energético e o tamanho físico dos ampli cadores, mecanismos para ampli car sinais em núcleos acoplados simultaneamente vem sendo propostos [3, 77, 50, 69]. Como um exemplo, o sinal em uma MCF de 7-núcleos pode ter seis núcleos ampli cados simultaneamente através da ampli cação do núcleo central [3].
Outra proposta apresentada é a ampli cação por revestimento, que utiliza um segundo revestimento na bra (chamada de Er-doped MCF ), para que todos os núcleos possam ter o sinal ampli cado simultaneamente, utilizando um espelho dicróico para combinar o sinal dos comprimentos de onda. Devido à pequena interferência entre os núcleos utilizando o duplo revestimento, estas bras conseguem atingir maiores distâncias de transmissão [77, 39].
A Tabela 2.2 mostra a comparação das tecnologias de ampli cadores apresentados, de acordo com o tipo de ampli cação utilizada, além de mostrar valores experimentais obtidos para as distâncias de transmissão, ganho ruído (Noise Figure - NF) e crosstalk.
Tabela 2.2: Sumário de experimentos com ampli cadores SDM [10]. Núcleos Ampli cação Distância Ganho Ruído Crosstalk
[4] 7 Núcleo 15m 25dB 4dB -25dB [80] 7 Núcleo 16m 20dB 7dB -40dB [81] 7 Núcleo 7.3m 23dB 5.1dB -48.5dB [3] 7 Revestimento 50m 20dB 6dB [77] 7 Revestimento 10m 14dB 9dB -32.7dB [39] 7 Revestimento 100m 15dB 5.5dB -30dB [50] 12 Revestimento 5m 18.3dB 13dB -33dB [69] 19 Revestimento 7m 23.3dB 7dB
2.2.4 Comutadores ópticos SDM
A comutação em uma rede óptica é realizada de uma forma similar à tradicional comu-tação de circuitos, com os caminhos ópticos estabelecidos para reservar os recursos por
um determinado período de tempo. Idealmente, os caminhos ópticos devem realizar a transmissão do sinal somente no domínio óptico e evitar as custosas conversões opto-eletrônicas. Os comutadores ópticos permitem exatamente a transmissão transparente sem a conversão do sinal para o domínio elétrico.
Nas redes ópticas elásticas, o comutador mais utilizado é o recon gurable optical add/drop multiplexer (ROADM), no qual os principais componentes são os comutadores seletivos de comprimento de onda (wavelenght selective switches - WSSs). Os WSSs são dispositivos responsáveis por rotear dinamicamente os comprimentos de onda recebidos nas portas de entrada para uma das N portas de saída ( também denominado dispositivo 1 × N).
Nos WSSs para bras SMF, cada canal de comprimento de onda pode ser comutado individualmente, funcionalidade que deve ser expandida para as redes SDM, através da comutação dos canais espaciais individualmente.
WSSs para bras MCF de 7 núcleos foi demonstrado em [16] e [49], nos quais SMUX são utilizados para demultiplexar o sinal SDM em sinais paralelos em bras SMF indivi-duais, que são transmitidos para um WSS tradicional com três vezes o número de portas SMF. O sinal é guiado para sete portas SMF, que são multiplexadas novamente por um SMUX para uma bra MCF.
Os comutadores para redes SDM são consideravelmente mais complexos, quando com-parados aos das redes ópticas elásticas, o que é um dos maiores desa os entre os compo-nentes SDM em desenvolvimento. Apesar das propostas iniciais serem funcionais, existe grande potencial de desenvolvimento de novas arquiteturas de comutação.
2.3 Arquiteturas de bra multinúcleo
Existem diversas propostas de arquiteturas de MCFs na literatura. Esta Tese utilizará principalmente três delas contendo 7, 12 e 19 núcleos. Estas arquiteturas foram escolhi-das por apresentarem estudos com experimentos que demonstram seu desempenho e por apresentarem um crescimento do número de núcleos mais próximo de uma função linear. Ademais, o efeito do crosstalk já foi estudados para essas arquiteturas, permitindo que as estimativas de crosstalk sejam feitas pelos algoritmos de acordo com o estado do espectro. A Figura 2.4 mostra a arquitetura de 7 núcleos, que apresenta um núcleo central e 6 núcleos em uma circunferência em volta, uma maneira natural de dispor os núcleos pelo espectro. Entretanto, tal disposição pode levar a altos valores de crosstalk devido ao fato de o núcleos central interferir com todos os outros núcleos e todos os núcleos interferirem com o núcleo central. Foi demonstrada a capacidade de transmissão de 109Tb/s por uma distância de 16.8km [66].
A Figura 2.5 mostra a arquitetura de 12 núcleos, que utiliza um mecanismo de trans-missão intercalada dos sinais ópticos para diminuir o crosstalk. A arquitetura é constituída de duas circunferências, uma interna e outra externa. Enquanto os núcleos em vermelho transmitem em uma direção, os núcleos em azul transmitem para a outra, e dessa ma-neira não ocasionam crosstalk entre si. Fibras com essa arquitetura atingem velocidades de 409Tb/s para ambas as direções [71].
Figura 2.4: Arquitetura de bra de 7 núcleos [66].
Figura 2.5: Arquitetura de bra de 12 núcleos e funcionamento da transmissão intercalada [71].
A Figura 2.6 mostra a arquitetura de 19 núcleos, onde existe um núcleo central, uma circunferência interna e uma circunferência externa [70]. O mesmo problema observado nas bras com 7 núcleos ocorre para essa arquitetura, onde o núcleo central é causador de crosstalk em todos os núcleos da primeira circunferência.
Figura 2.6: Arquitetura de bra de 19 núcleos [70].
A disposição física dos núcleos de uma bra tem efeito direto sobre a interferência que estes causam entre si, chamado de crosstalk, assunto abordado na seção a seguir.
2.4 Crosstalk
À medida que o sinal óptico percorre os enlaces ópticos e é propagado através de compo-nentes ópticos, o sinal é degradado, diminuindo sua intensidade e polarizações temporal e espectral. Os fatores causadores dessa degradação podem ser classi cados em lineares ou não lineares. Os fatores lineares são os que não dependem da potência do sinal e afetam todos os canais ópticos individualmente, enquanto os não lineares causam interferência dos canais entre si [85].
Dentre os fatores de degradação do sinal, a principal mudança causada pela intro-dução do domínio espacial é o acréscimo da interferência causada por núcleos vizinhos, chamado de crosstalk internúcleo, que pode degradar o sinal óptico e ocasionar erros em sua decodi cação no receptor.
O problema de crosstalk pode ser mitigado parcialmente com métodos físicos [17] [37] [78], através de dobras de bra, porém não é possível eliminá-lo por completo.
Algumas equações foram propostas para expressar o crosstalk. A Equação 2.1 expressa o crosstalk médio de uma MCF homogênea de 7 núcleos [34], baseada na Teoria da Potência de Acoplamento, onde n é o número de núcleos vizinhos em transmissão, L é o comprimento da bra. O parâmetro h é o aumento da interferência por unidade de comprimento, expresso na equação 2.2, utilizando os parâmetros κ, β, R e D que são, respectivamente, o coe ciente de acoplamento, a constante de propagação da bra, o raio de curvatura e a distância entre os núcleos.
XT = n − n · exp(−(n + 1) · 2 · h · L)
1 + n · exp(−(n + 1) · 2 · h · L) (2.1) h = 2 · κ
2· R
β · D (2.2)
Entretanto, o processo de cálculo é mais complexo, à medida que as arquiteturas se tornam mais complexas. Portanto, resultados experimentais podem indicar valores de crosstalk de forma aproximada para estes casos.
2.5 Formatos de modulação
Uma forma de aumentar as taxas de transmissão em redes ópticas é o emprego de for-matos de modulação nas transmissões, aumentando a taxa de bits codi cados por cada símbolo óptico [88] [86]. Inicialmente, foi estudada a utilização de modulação por desloca-mento de fase (Phase Shift Keying - PSK), tanto binária [20] quanto quaternária [22], que resultou na comercialização de redes capazes de atingir largura de banda de até 40Gb/s. Na sequência, os esforços se viraram para o emprego de modulação de amplitude em qua-dratura (Quadrature Amplitude Modulation - QAM), a m de se atingir até 64 bits por símbolo [82].
O fator que limita o emprego dos formatos de modulação é sua sensibilidade a perdas, quanto maior o número de bits por símbolo, maior é a probabilidade de ocorrer um erro em sua decodi cação. Esse efeito torna as transmissões com maior distância mais
complexas devido às perdas ocasionadas por atenuação do sinal e interferências. A partir desse conceito, surgiu a utilização de modulação adaptativa em redes ópticas, sendo capaz de regular o número de bits por símbolo a ser utilizado de acordo com a distância a ser percorrida [75] [27].
A introdução do domínio espacial aumenta a complexidade do emprego de formatos de modulação devido ao crosstalk internúcleo, que pode limitar a distância de uma trans-missão de acordo. Portanto, deve-se levar em conta não apenas a atenuação, mas também o crosstalk como fatores limitadores em redes ópticas SDM.
A Equação 2.3 expressa a estimativa da distância máxima que pode ser transmitida em uma bra MCF utilizando EDFAs para ampli cação do sinal [54]. Na equação, Ps é a
média da potência de transmissão por canal, Lspané a distância entre os ampli cadores, h é
a constante de Planck, f é a frêquencia do sinal óptico, G é o ganho dos ampli cadores, NF é o ruído causado pelos amplifcadores, Rs é a taxa de símbolos da modulação empregada
e SNRmin é a relação sinal ruído necessária para decodi cação da mensagem no receptor.
Lmax,SN R=
Ps· Lspan
SN Rmin· h · f · G · N F · Rs
(2.3) Duas das variáveis da equação dependem da modulação empregada, sendo Rs de forma
direta e SNRmin de forma indireta. O segundo se dá devido a maior sensibilidade dos
formatos de modulação a erros na decodi cação, à medida que o número de bits por símbolo aumenta.
O emprego de formatos de modulação e principalmente modulação adaptativa em redes ópticas SDM traz novos desa os a serem resolvidos, principalmente devido à inclusão de crosstalk, assunto tratado por um dos algoritmos propostos nesta Tese.
2.6 Formulação do Problema
Nesta seção, serão apresentadas as formulações para o RCSA e o RCMLSA.
2.6.1 Roteamento e alocação de núcleo e espectro
O problema RCSA consiste em encontrar rotas e porções do espectro nos diversos núcleos das bras da rede e, portanto, a representação da rede é de extrema importância para soluções e cientes do problema.
Para a formulação, a rede é representada por um grafo, no qual os nós representam os comutadores ópticos e as arestas representam os enlaces de bra óptica. Na SDM, os enlaces possuem vários canais e para representá-los são utilizadas matrizes associadas aos enlaces. Cada matriz tem c linhas e s colunas, sendo c o número de canais da bra e s o número de slots do enlace. Utilizando essa representação, é possível buscar rotas no grafo acessando diretamente o espectro óptico, a partir das matrizes relacionadas.
O problema RCSA pode ser descrito a partir das seguintes de nições:
De nição 1 (RCSA). Um algoritmo que recebe como entrada uma requisição ri(s, d, b)e,
p de arestas de G, representando uma rota, e um conjunto F de posições das matrizes, representandos os núcleos e slots a serem alocados.
O cálculo de rotas em um algoritmo RCSA segue as restrições de continuidade e contiguidade de espectro, de nidas a seguir:
De nição 2 (Restrição de continuidade de espectro). O conjunto F deve ser utilizado para alocação em todas as arestas de P .
De nição 3 (Restrição de contiguidade de espectro). Os slots s(x, y) em F , com mesmo valor de x devem ter valores contíguos.
A seguir, o problema RCSA é formalizado, utilizando a seguinte notação: s: nó fonte;
d: nó destino;
b: demanda de tráfego em slots;
r(s, d, b): requisição do nó s para o nó d com demanda b;
G = (V, E, S): grafo da rede composto por um conjunto de nós V , um conjunto de arestas E e um conjunto de matrizes s, associadas às arestas do grafo, representando a disponibilidade de espectro dos enlaces.
E = {euv}: conjunto de arestas eu,v conectando u e v em G;
S = {suv}: conjunto de matrizes su,v, representando o espectro de um enlace entre u
e v em G;
s(x, y): slot de frequência com índice y no núcleo x.
F = {(x, y)}: conjunto de slots alocados por uma política de alocação. O problema de RCSA consistem em encontrar uma tupla:
(p, F ) (2.4)
na qual existem as seguintes restrições:
v0, ..., vr ∈ V | vi−1− vi ∈ E ∀i = 1, ..., r (2.5)
|F | = b (2.6)
∀s(x, y) ∈ F, Sxy = 0 (2.7)
s(x, y) − s(x, y − 1) = 1 ∀y = 1, ..., |F | (2.8) A Equação 2.5 garante que todos os enlaces em p estão em E, ou seja, o conjunto p forma um caminho. A Equação 2.6 garante que o tamanho do conjunto de slots F é exatamente o número de slots requeridos. A Equação 2.7 garante que todos os slots no conjunto F estão disponíveis para alocação. Por m, a equação 2.8 garante que todos os slots a serem alocados são contíguos em seus núcleos. A continuidade do espectro é
garantida com a escolha de apenas um conjunto p de slots que serão alocados em todos os enlaces euv em p.
2.6.2 Roteamento e alocação de núcleo, formato de modulação e
espectro
O RCMLSA é uma extensão do problema de RCSA, com adição da escolha de um for-mato de modulação adequado para transmissão no caminho e porção do espectro a serem alocados.
A adição do formato de modulação acrescenta duas restrições que garantem que o sinal óptico transmitido será decodi cado corretamente no receptor, uma está relacionada à distância física do caminho e a outra, ao nível de crosstalk nos slots a serem alocados pelo algoritmo.
Acrescenta-se a seguinte notação à já apresentada para o algoritmo de RCSA: φm(p): distância máxima de um caminho p utilizando modulação m;
Tm: limiar de crosstalk para a modulação m;
O problema RCMLSA pode ser descrito da seguinte forma:
De nição 4 (RCMLSA). Um algoritmo que recebe como entrada uma requisição ri(s, d, b)
e, seguindo as restrições de continuidade e contiguidade do espectro, encontra um con-junto de arestas P em G, representando uma rota, e um concon-junto de posições das matrizes Hrepresentando os núcleos e slots a serem alocados, com uma modulação m considerando as restrições de distância e de crosstalk.
O cálculo de rotas em um algoritmo RCMLSA segue as restrições de continuidade e contiguidade de espectro.
De nição 5 (Restrição de continuidade de espectro). O conjunto F deve ser utilizado para alocação em todas as arestas de p.
De nição 6 (Restrição de contiguidade de espectro). Os slots s(x, y) em F , com mesmo valor de x devem ter valores contíguos.
De nição 7 (Restrição de distância). O caminho p a ser alocado com modulação m não pode ter distância física maior que MDm.
De nição 8 (Restrição de crosstalk). Os slots escolhidos a serem alocados com modulação mdevem ter o crosstalk incidente de núcleos vizinhos menor que um limiar Tm, para que
a mensagem seja decodi cada no receptor, e igualmente não deve introduzir um valor crosstalk nos núcleos vizinhos ao da alocação superior a um limiar Tm.
(p, F, m) (2.9)
na qual existem as seguintes restrições:
|F | = b (2.11) ∀s(x, y) ∈ F, Sxy = 0 (2.12) s(x, y) − s(x, y − 1) = 1 ∀y = 1, ..., |F | (2.13) φm(p) ≤ M Dm (2.14) ∀s(x, y) ∈ F, Nxy <= Tm (2.15) ∀f ∈ Cx∀s(f, y) ∈ F, Df y <= Tm (2.16)
As Equações 2.10-2.13 são as mesmas da formulação para RCSA. A Equação 2.14 ga-rante que a distância física do caminho p não é maior que o limite MDmpara a modulação
m. A Equação 2.15 garante que os slots a serem alocados (F ) não sofrem crosstalk maior que um limiar Tm. Por m, a Equação 2.16 garante que, para todos os núcleos vizinhos
dos slots em F , o crosstalk introduzido pela alocação não impossibilite a transmissão nos caminhos ópticos já estabelecidos.
A formulação apresentada é a base para o desenvolvimento dos algoritmos propostos nesta Tese.
