Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Dimensionamento de Redes Ópticas Multi-débito com Agregação de

Tráfego Intermédio

Bruno Délcio Mendes Caseiro

(Licenciado)

Dissertação para obter o grau de Mestre em

Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Júri

Presidente:

Professor José Manuel Bioucas Dias

Orientador:

Professor João José de Oliveira Pires

Co-Orientador:

Doutor João Pedro, Nokia Siemens Networks

Vogal:

Professor Paulo Miguel Nepomuceno Pereira Monteiro

Anyone who has never made a mistake has never tried anything new.

Agradecimentos

Gostaria de agradecer primeiramente aos meus orientadores Professor João Pires, Doutor João Pedro da Nokia Siemens Networks e engenheiro João Santos da Nokia Siemens Networks por esta-rem sempre disponíveis e dispostos a ajudar-me em todos os desafios que foram surgindo ao longo desta dissertação. De seguida, quero deixar um agradecimento a minha família por todos estes anos de Universidade onde tiverem de fazer muitos sacrifícios para manter-me a estudar. A minha filha Larissa Caseiro e a minha namorada Iara Rocha por estarem do meu lado e preencherem a minha vida com muita alegria.

Por fim, mas não menos importante, um agradecimento aos meus amigos e colegas, em especial ao Pedro Sousa, pela força e pelos conselhos que me foram passando durante este longo ciclo que se encerra.

Abstract

This dissertation address the capacity and optimization problem in Long-Haul Optical Networks applying a novel algorithm for grooming different traffic requests from service layers. This work is important mainly because the Internet and others interactive services such High Definition Television (HDTV) and Television over Internet Protocol (IPTV) are increasing dramatically and the capacity deployed will soon reach the limit. To avoid network strangulation and enormous investments in new infra-structures and equipments, we developed a tool based on mathematical approach called Integer Linear Programming (ILP) and an heuristic approach in order to maximize resources utilization and operators revenue at same time as providing the best service for clients. The ILP shows that when we deploy in the network muxponders together with cascade technique, just few wavelengths operating at 111 Gbit/s line rate (with Forward Error Correction (FEC)) are needed to carry many clients with different rates, 2.5, 10 and 40 Gbit/s. This improvement in efficiency can be boosted if we allow any node in the trail from source to sink to do grooming with cascade even if this intermediate node does not have any traffic to send to sink, working as hub node.

The results discussed in this dissertation are very useful in the meaning of network planning and optimization for the future Optical Transport Networks. This will help operators to delay new investments and get more revenue from the old network with some minor improvements.

Keywords

Planning, Grooming, Transponders, Muxponders, Optical Transport Network, Integer Linear Pro-gramming.

Resumo

O rápido crescimento da Internet e de alguns serviços interactivos tais como IPTV fazem crer que brevemente atingir-se-á o estrangulamento das redes, havendo por isso uma necessidade ime-diata de se efectuar uma optimização eficaz de forma a termos um aumento gradual da capacidade. Das duas opções que se colocam aos operadores, aborda-se nesta dissertação a optimização das redes ópticas com multi-débito com agregação de tráfego multi-débito recorrendo-se a muxponders em cascata nos nós fonte, destino e também em todos os nós intermédios que façam parte do ca-minho escolhido para transportar o tráfego desde que a operação se justifique em termos de custos e utilização dos recursos da rede. Para este objectivo desenvolveram-se dois algoritmos, o primeiro foi elaborado recorrendo-se a Programação Linear Inteira e o segundo é um modelo heurístico que nos permite uma aproximação a solução óptima para o problema em estudo. Os modelos criados permitem-nos concluir que é possível optimizar-se os recursos da rede colocando em cada compri-mento de onda disponível uma maior quantidade de tráfego com granularidades diferentes, passando cada serviço por um processo de multiplexagem interno sempre que seja necessário ajustar o seu ritmo de entrada com os demais serviços. Nas redes de telecomunicações a parte mais penosa em termos orçamentais de se alterar é a infraestrutura que suporta a cablagem. Os modelos aqui apresentados permitem-nos planear e optimizar as redes com o mínimo custo para os operadores tirando proveito do estado da rede quer de infraestrutura quer de equipamentos.

Palavras Chave

Conteúdo

1 Introdução 1

1.1 Motivação . . . 2

1.2 Conceitos e Trabalho Relacionado . . . 3

1.2.1 Evolução do Processo para Agregação de Tráfego . . . 7

1.3 Contribuições Originais . . . 9

1.3.1 Contribuição Científica . . . 10

1.3.2 Contribuição não Científica - Software . . . 11

1.4 Organização do Documento . . . 11

2 Redes de Transporte Ópticas 13 2.1 Redes de Longo Alcance . . . 14

2.2 Arquitectura Multicamadas dos Protocolos . . . 14

2.3 Planeamento em redes WDM de Longo e Ultra-Longo Alcance . . . 16

2.4 Introdução ao Dimensionamento de Redes de Transporte Ópticas . . . 18

2.4.1 Multiplexagem por Divisão do Comprimento de Onda - WDM . . . 18

2.4.2 Encaminhamento e Atribuição de Comprimento de Onda . . . 19

2.4.3 Aspectos da Transmissão . . . 20

2.4.4 Recolha de informação . . . 20

2.5 Agregação de Tráfego nas Redes de Transporte . . . 21

2.6 Aspectos Físicos da Agregação de Tráfego . . . 22

3 Proposta de Algoritmos para Agregação de Tráfego 25 3.1 Grafo de nós alcançáveis sem regeneração - Reachability Graph . . . 26

3.2 Algoritmo ILP para Agregação na Fonte com Muxponders em Cascata . . . 28

3.2.1 Validação do Modelo para Agregação na Fonte . . . 32

3.3 ILP para Agregação Intermédia com Muxponders em Cascata . . . 35

3.3.1 Validação do Modelo Global . . . 39

3.3.2 Comparação e conclusões sobre os modelos de programação linear . . . 39

3.4 Modelo Heurístico para Agregação . . . 41

3.4.1 Validação da Heurística . . . 45

4 Simulação e Resultados 51

4.1 Ambiente de Simulação . . . 52

4.2 Resultados . . . 52

4.2.1 Primeira cenário - Comparação entre ILP intermédio versus heurístico . . . 52

4.2.1.A Conclusões . . . 52

4.2.2 Segundo cenário - Aplicação do modelo heurístico na rede NSFNET . . . 52

4.2.3 Segundo cenário - Aplicação do Modelo Heurístico na rede NSFNET com alte-ração dos parâmetros . . . 54

4.2.3.A Conclusões . . . 55

5 Conclusões e Trabalho Futuro 57

Bibliografia 59

Apêndice A Manipulação da Aplicação A-1

Apêndice B Resultados da simulação B-1

Apêndice C Matriz dos testes heurísticos C-1

Lista de Figuras

1.1 Optical Add-Drop Multiplexer (OADM) com grau três, [1]. . . 4

1.2 Bypass óptico, [1]. . . 4

1.3 A figura, extraída de [1], mostra o comportamento para o número de regeneradores que são necessários instalar em função do alcance máximo para o sinal óptico . . . 5

1.4 Light-trail versus Light-path, retirada de [2]. . . 6

1.5 Ocupação dos circuitos nas redes de transporte ópticas apresentados em [3]. . . 6

1.6 Arquitectura de nó com Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer (ROADM), [4] e [5] 9 1.7 Aplicação desenvolvida para auxiliar o utilizador a obter e interpretar os resultados dos modelos apresentados. . . 11

2.1 Enquadramento do GFP na pilha de protocolos. . . 15

2.2 IP sobre ATM sobre SDH sobre WDM, [6] . . . 15

2.3 IP over SDH over DWDM, [6] . . . 15

2.4 IP sobre DWDM, [6] . . . 16

2.5 Hierarquia da rede, modelo consensual. . . 17

2.6 Evolução da estrutura das redes, [7] . . . 18

2.7 Encaminhamento eficiente de tráfego IP, [7]. . . 19

2.8 Esquema de ligação WDM ponto-a-ponto . . . 20

2.9 Mapeamento e multiplexagem do SDH, [8] . . . 22

2.10 Consumo de largura de banda nas redes por todos continentes . . . 23

3.1 Rede obtida para 2.5 e 10 Gbit/s. . . 27

3.2 Rede obtida para 40 Gbit/s . . . 27

3.3 Rede obtida para 100 Gbit/s . . . 28

3.4 Caminhos disjuntos para 10 Gbit/s . . . 28

3.5 Agregação na fonte com cascata de muxponders . . . 29

3.6 Matriz de pedidos para validação do ILP com agregação na fonte . . . 33

3.7 Rede de seis nós para validação do modelo ILP . . . 33

3.8 Relação entre o número de comprimentos de onda e o custo total da rede . . . 34

3.9 Agregação na fonte e intermédia com cascata . . . 36

3.10 Relação entre o número comprimentos de onda e o custo total da rede . . . 40

3.12 Rede de 6 nós para validação do modelo heurístico . . . 45

3.13 Matrizes após multiplexagem inversa para 40G . . . 46

3.14 Matrizes após multiplexagem directa para 2.5G . . . 47

3.15 Matrizes de 2.5G (superior) e 10G(inferior) antes da cascata . . . 47

3.16 Matrizes de 2.5G (superior) e 10G(inferior) depois da cascata . . . 48

3.17 Resultados obtidos para agregação intermédia a 2.5 Gbit/s . . . 48

3.18 Light-trails criados durante a execução do exemplo ilustrativo de agregação intermédia entre o par 6− > 2. . . 49

3.19 Matrizes após agregação intermédia para 2.5G . . . 49

4.1 ILP versus Heurístico . . . 52

4.2 Rede NSFNET com 14 nós. . . 53

4.3 Resultados obtidos para duas matrizes criadas aleatoriamente alterando o débito pre-dominante. . . 54

4.4 Segundo teste com parâmetros dos muxponder de 40 Gbit/s modificados . . . 54

4.5 Custos totais para os exemplos testados . . . 55

A.1 Janela Principal . . . A-2 A.2 Caixa de dialogo para selecionar a rede de teste . . . A-2 A.3 Rede carregada com sucesso na aplicação . . . A-3 A.4 Ilhas transparentes . . . A-3 A.5 Exemplo de output das ilhas transparentes . . . A-4 A.6 Parâmetros para modelo heurístico . . . A-4

Lista de Tabelas

1.1 Table de preços extraída de [4],[5] . . . 9

2.1 Débitos de linha normalizados para SDH/SONET . . . 14

2.2 Débitos de linha normalizados para OTN’s . . . 14

2.3 Considerações de planeamento . . . 21

2.4 Eficiência do SDH convencional versus SDH de nova geração [8] . . . 22

2.5 Modelo de custos usado em [9] . . . 24

2.6 Modelo de custos utilizado nesta dissertação derivado de [5] e [9]. . . 24

3.1 Distâncias máximas sem 3R . . . 33

3.2 ILP sem operação de agregação . . . 41

3.3 ILP com agregação na fonte . . . 41

3.4 ILP com agregação intermédia . . . 41

Acrónimos

FEC Forward Error Correction

ASON Automatically switched optical network SDH Syncronous Digital Hierarchy

WDM Wavelength Division Multiplexing WDM Wavelength Division Multiplexing

DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing OXC Optical Cross Conect

ASE Amplified Spontaneous Emission TDM Time Division Multiplexing IP Internet Protocol

DXC Digital Cross Connect OTN Optical Transport Network ILP Integer Linear Programming ADM Add Drop Multiplexer OEO Optical-Electrical-Optical WRS Wavelength-Routing Switch

ROADM Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer OADM Optical Add-Drop Multiplexer

SONET Synchronous Optical Network 3R Re-transmission, Re-timing, Re-Shapping, LC Line Card

TC Transponder Card GC Grooming Card

RPP Regenerator Placement Problem SPM Self-phase Modulation

PMD Polarization Mode Disperson CAPEX Capital expenditure

CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing (WDM) XTalk Cross-Talk

POTS Plain Old Telephone Service

FOADM Fixed Optical Add-Drop Multiplexer (OADM) IPTV Television over Internet Protocol

OLA Optical Line Amplifier

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier HDTV High Definition Television

GSM Global System for Mobile Communications GFP Generic Frame Procedure

ATM Asyncronous Transfer Mode FWM Four Wave Mixing

SPM Self Phase Modulation VCAT Virtual Concatenation

Lista de Símbolos

Q: Q-Factor, valor que está relacionado com a relação sinal ruído e probabilidade de erro. BER: Bit Error Ratio.

ASEAmplified Spontaneous Emission.

1

Introdução

Contents

1.1 Motivação . . . . 2

1.2 Conceitos e Trabalho Relacionado . . . . 3

1.3 Contribuições Originais . . . . 9

1.1

Motivação

O rápido e incessante crescimento da Internet motivado pelos serviços agora disponibilizados aos utilizadores que vão desde uma simples página informativa passando por operações bancárias até as redes socais, têm forçado os servidores de Internet a aumentarem a capacidade de trans-porte de dados nas suas redes. Porém, hoje em dia, nenhum operador pode ficar indiferente às leis do mercado, a globalização e os factores económicos que devem estar presentes em cada decisão estratégica e que tem levado as empresas no sector das telecomunicações a desenvolverem metodo-logias de planeamento cada vez mais eficientes. A redução de custos pode passar pela reutilização dos equipamentos já existentes na rede, tornando-a mais eficiente ou, instalar novos equipamentos com uma relação custo-beneficio que comprove ser mais vantajosa em termos globais para a em-presa. Nas redes, existe uma componente que podemos designar como a componente estática ou seja, ligações físicas entre os diferentes elementos de rede dispostos pelo conjunto de nós (ligação por fibra óptica). Os operadores de redes de transporte ópticas sempre que possível tentam não efectuar alterações a infraestrutura já existente por se tratar dum processo bastante dispendioso. Por esta razão, o correcto aproveitamento dos canais por cada banda deve ser constantemente per-seguido evitando-se assim modificações para acréscimo de fibras na rede. A tecnologia existente (Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)) combinada com lasers de elevada eficiência es-pectral e filtros cada vez mais selectivos permite que dezenas de canais com débitos de linha até 1111_{Gbit/s sejam agrupados na mesma banda com um espaçamento de apenas 25 GHz entre cada} canal empurrando a capacidade dessas redes para os Terabit/s por ligação física.

Apesar dos novos avanços permitirem dezenas de canais a operarem ao débito máximo de li-nha, é ainda necessário ter em consideração a variedade de sinais provenientes da camada supe-rior (camada de serviço) e se os mesmos estão optimizados para serem transportados numa rede Syncronous Digital Hierarchy (SDH) ou Optical Transport Network (OTN). Uma vez que a grande parte dos dados que ocupam as redes de transporte são provenientes de routers Ethernet com ca-pacidades significativamente inferiores a capacidade de linha, torna-se essencial proceder a uma agregação de vários routers de modo a criar-se um sinal com um débito mais elevado reduzindo o número de canais ópticos ocupados. Este trabalho centra-se no caso em que os sinais agrupados têm granularidades de 2.5, 10 e 40 Gbit/s, como se verifica nas redes de transporte de longo alcance, tendo em consideração que os mesmos podem ser combinados em qualquer ponto/nó estratégico da rede. Esta combinação será objecto de estudo de modo a inferir-se sobre o impacto causado em termos de custos relativamente ao tipo de tráfego que tem de ser encaminhado tendo em atenção as limitações de distância impostas pela camada física. Uma vez que o custo do investimento na rede pode ser previamente estimado em relação ao custo de operação de rede, é natural que este seja um critério várias vezes escolhido para decisões de investimento e por isso deve representar tão bem quanto possível a realidade dos operadores.

Todos os factores descritos acima quando combinados forçam as redes a serem escaláveis e

flexíveis para que possam satisfazer o grande fluxo de tráfego proveniente dos mais variados sec-tores. Ter uma rede desenhada com equipamento que permite acompanhar a evolução da Internet maximizando ao mesmo tempo as receitas é fundamental para a sobrevivência no sector das te-lecomunicações e é por esta razão que se estuda a optimização com recursos a muxponders e agregação intermédia de tráfego não homogéneo.

1.2

Conceitos e Trabalho Relacionado

O problema da agregação de tráfego ou Grooming2_{está identificado desde as redes SDH [10],[11]} conhecidas pela sua topologia em anel. Porém, ao transpor-se este conceito para redes com topo-logia que se aproxima a uma malha ou seja, conjunto de anéis interligados, devemos ter em consi-deração que redes SDH em funcionamento dito normal os sinais percorrem todos o mesmo sentido (rede direccional) e, em caso de falha ou corte o mesmo caminho mas no sentido oposto suporta a ligação. Nestas redes (SDH) poucos são os nós com grau3 _{três (ver figura 1.1), havendo por isso} dois conceitos de agregação; Intra-anel e Inter-Anel. Agregação intra anel consiste em criar um trail não fechado permitindo que outros nós dentro do trail possam usar os recursos disponíveis para transmitir dados. No caso do Inter-Anel, a agregação processa-se na Digital Cross Connect (DXC) de alta ordem onde todo o tráfego que deve ser enviado para um outro anel é agrupado. Nas redes em malha facilmente encontram-se nós com grau superior a três o que permite que o tráfego flua de forma não controlada ou pré-defina, deixando a cargo de cada nó na rede a decisão de encaminha-mento. Para redes/nós onde a opção de encaminhamento para o canal em serviço não está restricta a apenas uma saída, é possível aplicar o protocolo Automatically switched optical network (ASON) [12] deixando a rede/nó decidir de forma independente qual o caminho a usar para transportar o seu tráfego dentro das alternativas e das restrições de distância que por sua vez são dependentes do débito a transportar. De forma a reduzir-se a complexidade do problema introduziu-se o conceito de Reachability Graph que permite saber para um determinado nó da rede quais os nós que estão ao seu alcance sem que o sinal óptico seja regenerado antes de atingir o seu destino. Em seguida são descritos os conceitos principais da área científica onde este trabalho se insere.

Redes de Longo Alcance : São redes onde a distância física entre dois pontos encontra-se

normalmente contida entre os 1000 e 3500 quilómetros, valores estes que dependem do débito a transmitir mas a tendência aponta para distâncias cada vez maiores. Estas redes são normalmente esparsas e a distância é maioritariamente balizada pelos limites tecnológicos dos emissores e recep-tores [1] bem como pelo ruído introduzido pelos amplificadores de linha conhecido como Amplified Spontaneous Emission (ASE) [13]. Em [1], é apresentado um estudo sobre o impacto nos custos da rede com o aumento do alcance máximo que cada nó pode atingir permitindo que alguns sinais sejam comutados no domínio óptico sem haver necessidade de regeneração apenas a introdução de Optical Cross Conect (OXC) (figura 1.2) que apresenta, em média, um custo inferior a um rege-nerador. O estudo mostra ainda que nós com capacidade de alcance entre 2500 e 3500 reduzem

2_{Termo anglo-saxónico adoptado na literatura} 3_{número de ligações físicas que incidem no nó}

Figura 1.1: OADM com grau três, [1].

o número de equipamentos activos (regeneradores) a 90 % o que torna o custo da rede muito mais reduzido quando comparado com ligações com 1000 Km. Alguns resultados obtidos por [1] estão ilustrados na figura 1.3 onde é possível verificar para quatro redes distintas o mesmo comportamento.

Figura 1.2: Bypass óptico, [1].

Embora se esteja a caminhar para redes que trabalhem totalmente no domínio óptico, ainda con-tinuará a ser necessário regenerar o sinal para que este atinja o seu destino em condições aceitáveis para ser recuperado e interpretado. Mais informações sobre tipos de arquitectura de regeneração que podem ser usados estão em [1] tendo em consideração o custo e a flexibilização em termos de reconfiguração. Dos três tipos que podem ser encontrados no estudo, o método mais simples porém menos flexível e que é tido em consideração ao longo desde trabalho é, ligando dois transponders costas com costas (back-to-back ) quando não há necessidade de agrupar os sinais. Caso seja ne-cessário agrupar os sinas, os transponders e muxponder são ligados através de um backplane que permite uma maior flexibilidade de configuração das ligações alcançando-se, para o mesmo custo, maior capacidade de configuração da rede e eficiência.

Figura 1.3: A figura, extraída de [1], mostra o comportamento para o número de regeneradores que são

neces-sários instalar em função do alcance máximo para o sinal óptico

Light-Trail e Ligth-Path: Light-trail designa um caminho que é percorrido por um feixe de luz e

que pode ser acedido em qualquer ponto da rede para extracção e adição de tráfego. Mais ainda, um light-trail pode ser partilhado por vários nós como ilustra a figura 1.4, onde se pode encontrar a comparação entre os dois modelos para transporte de serviços. É importante realçar que a partilha no domínio óptico do mesmo caminho (trail) e comprimento de onda requer protocolos adicionais (ex. Time Division Multiplexing (TDM)) de acesso ao meio. Por outro lado, o Ligth-path é um caminho entre a fonte e o destino ao qual é atribuído um comprimento de onda que não pode ser acedido para operações de adição e extracção de tráfego nos nós intermédios. O estudo elaborado em [14] analisa qual o melhor comprimento para os light-trails que se traduz numa melhoria no uso da largura de banda disponível onde conclui que ligth-trails mais curtos ou seja, com menor número de saltos são melhores que ligth-trails mais longos.

A figura 1.4 mostra os nós a trabalharem em modo de rajada. No caso que estamos a estu-dar podemos ver o sistema como uma junção entre o light-trail e o light-path porque temos nós a trabalharem em modo contínuo e nós a acederem ao tráfego que flui entre a fonte e o destino.

Reachability Graph: É um grafo que contém todos os caminhos possíveis entre um par de nós

por onde o sinal óptico pode ser encaminhado com condições de degradação aceitáveis sem ser ne-cessário recorrer a regeneração a meio do percurso. Estes grafos permitem reduzir a complexidade dos algoritmos de encaminhamento e o tempo de computação ao criar uma camada de abstração que nós permite verificar e validar todas as limitações provocadas pelos fenómenos físicos que se fazem sentir nas redes de longo alcance, [15] utiliza ASE e o factor Q para criar um conjunto de

Figura 1.4: Light-trail versus Light-path, retirada de [2].

grafos que se vão interligando com o objectivo de reduzir o número de nós opacos. Trabalho se-melhante pode ser encontrado em [16],[17] e [18] onde o objectivo é minimizar o número de nós de regeneração e de elementos activos na rede para satisfazer todos os pedidos de tráfego.

Tem sido prática comum nos trabalhos científicos que abordam questões de optimização efectuar testes aos modelos propostos sobre as redes Pan-Europeia (Cost 266) e Americana NSF. Para estas redes, [19] elaborou um estudo em 2004 sobre as características de tráfego bem como as previsões de crescimento e, como demonstra o estudo, o tráfego Internet Protocol (IP) já predominava sobre o tráfego de voz e dados e a previsão de crescimento a cada ano era de 100% para IP contra os 10% e 30% para voz e dados respectivamente. Estudos mais recentes sobre a utilização de circui-tos, apresentados em [3], mostram que 80% dos circuitos operavam a 10 Gbit/s e a percentagem correspondente aos circuitos a 40 Gbit/s e 100 Gbit/s são circuitos com muxponders como se pode verificar na ilustração 1.5. O mesmo estudo prevê ainda para 2012 um aumento de duas vezes no uso de muxponders nas redes de longo alcance para acomodar o crescimento da rede IP.

1.2.1

Evolução do Processo para Agregação de Tráfego

Na sua maioria, os estudos científicos sobre agregação de tráfego nas redes ópticas, modelados sobre programação linear inteira, lidam apenas com a problemática na fonte e também separam ou simplesmente não incluem a conversão de comprimentos de onda nos nós opacos onde é efectuada a regeneração do sinal. Além disso, poucos são os que focam o custo efectivo dos equipamentos nas suas abordagens quer em Programação Linear Inteira (Integer Linear Programming (ILP)) como heurísticas. O artigo [20] foi das primeiras publicações a estudar a agregação de tráfego tendo em vista a redução de custos com a utilização de equipamentos activos na rede. A abordagem adoptada simplificava o problema centrando o custo nos transmissores/receptores (transceivers), definindo à priori um conjunto de light-paths baseado no caminho mais curto entre dois nós. O modelo deixa cla-ramente de fora a atribuição de comprimentos de onda e a liberdade de utilização de outros possíveis caminhos. A heurística apresentada utiliza uma das abordagens de [21] onde primeiro se satisfaz cada pedido e posteriormente tenta-se utilizar a capacidade máxima disponível em cada light-path, eliminando sucessivamente àqueles que apresentam uma baixa eficiência espectral migrando o seu tráfego para outros.

O objectivo de [22] é apresentar um modelo matemático flexível em termos de objectivos podendo-se inferir sofre o número máximo de light-paths ou, por exemplo, a quantidade total de DXC. En-quanto [20] não considera restrições ao nível de atribuição e continuidade de comprimentos de onda nem a possibilidade de agrupar no mesmo ligth-path pedidos de diferentes fontes, [22] já considera todas estas hipóteses no seu modelo elaborado um ano mais tarde, em 2002. Em ambos os es-tudos é considerado que os pedidos de tráfego são todos da mesma granularidade não havendo qualquer diferenciação. Por sua vez, [23] torna o problema mais próximo da realidade permitindo que os pedidos de tráfego possam ser uma fracção da capacidade do canal com objectivo de mi-nimizar o número de Add Drop Multiplexer (ADM) maximizando a quantidade de pedidos que são transportados em cada light-path que se estabelece. Ao contrário de [20] e [22], [23] menciona que os sinais deverão ser agrupados no domínio eléctrico usando TDM, técnica esta que ainda perma-nece dominante para este tipo de operações devido a complexidade do processo no domínio óptico. [23] no seu modelo de programação linear não tem em consideração o custo em ter light-paths com diferentes débitos permitindo que pedidos de débito mais baixo sejam encaminhados directamente aumentando a probabilidade de bloqueio para pedidos de alto débito que se traduz numa maior ine-ficiência no uso da largura de banda disponível em cada canal. [23] não descreve no seu estudo o impacto em termos de custo ao fazer-se a agregação de vários pedidos de tráfego com granularida-des distintas. O trabalho em [24, 25] é bastante semelhante a [23] tendo o primeiro como objectivo a redução do atraso de propagação que é proporcional ao número de saltos que cada light-path deve dar até atingir o seu destino e o segundo a redução dos custos com transponders. [25] resolve primeiro o problema de encaminhamento e só depois a atribuição dos comprimentos de onda o que pode levar ao bloqueio de alguns pedidos como demonstra [26]. Para questões de agregação de tráfego com preocupações no consumo de energia o artigo [27] serve como referência.

agregação usando light-trails mas, a complexidade da formulação (NP-hard) [21] torna o problema intratável para a maioria das redes. Adicionalmente, o conceito light-trail introduz em cada nó em que o sinal atravessa uma penalidade na potência devido a necessidade de dividir o sinal a entrada e recombina-lo novamente na saída o que limita a sua utilização para redes que operam a débitos acima dos 10 Gbit/s porque, embora se possa amplificar o sinal várias vezes, existe um limite im-posto pelo ruído que se acumula de secção em secção e que não é possível eliminar sem se recorrer ao domínio eléctrico para regenerar o sinal. O artigo [28] utiliza estrategicamente alguns nós como concentradores (hub) para maximizar a carga em determinadas ligações e minimizar o número de comprimentos de onda a custa de menor balanceamento da carga na rede. A abordagem utilizada nesta dissertação é semelhante embora permita que todos os nós se comportem como concentrado-res não apenas um conjunto pré-seleccionado. O estudo apconcentrado-resentado em [29] analisa com algoritmos não matemáticos a probabilidade de bloqueio entre ligth-path versus ligth-trails no que diz respeito a agregação de tráfego. Os trabalhos de [30, 31] apresentam modelos que combinam light-paths com light-trails explorando agregação de tráfego só ao nível óptico com resultados bastante promissores na redução de operações Optical-Electrical-Optical (OEO) mas, partindo de um conjunto vasto de suposições que na prática podem ser de difícil implementação.

O conceito light-trail tem conquistado espaço na comunidade científica pelo facto de permitir a redução significativa de conversões OEO porém, em todos os modelos consultados não foi possível perceber a partir de que ponto se torna mais viável usar ligth-trails em detrimento de ligth-paths uma vez que os custo de se ter todos os equipamentos, desde os simples monitores da rede que permitem verificar os time-slots livres, os encaminhadores ópticos ou Wavelength-Routing Switch (WRS) até aos transmissores não é estudado.

Em relação ao problema da agregação de tráfego e colocação de regeneradores tendo em con-sideração as limitações físicas, expressas no Reachability Graph, encontra-se na heurística de [4] um estudo aprofundado com um modelo de custos pré-definido para os elementos de rede, ficando apenas de fora a utilização de muxponders em cascata, a possibilidade das ligações poderem ser efectuadas por qualquer caminho que cumpra com as restrições e o estudo para débitos de 100 Gbit/s. O modelo em [4] compara a utilização de duas cartas de linha com cartas de agregação para regenerar o sinal interligando-as através do backplane do Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer (ROADM) (figura 1.6), em conjunto com cartas de regeneração através de um algoritmo heurístico. Os mesmos autores, apresentam uma nova versão [5] mas desta vez modelando o pro-blema sobre programação linear inteira. A tabela 1.1 mostra os valores que foram usados nos dois artigos mencionados. O modelo de custos bem como os algoritmos apresentados nestes artigos ([4],[5]) foram de elevada importância na realização desta dissertação tendo servido como ponto de partida e de referência ao longo do processo de desenvolvimento dos algoritmos.

Os autores de [9] abordam um problema semelhante ao que é abordado nesta dissertação, apre-sentando um modelo matemático extenso e complexo com utilização de transponders e muxponders e ainda protecção de tráfego. O problema da atribuição de comprimento de onda é resolvido de forma separada além dos nós capazes de agregação serem pré-definidos numa camada superior

Tabela 1.1: Table de preços extraída de [4],[5]

Figura 1.6: Arquitectura de nó com ROADM, [4] e [5]

com base em caminhos pré-escolhidos balizados pelos limites tecnológicos. [32] suaviza o modelo matemático e relaxa algumas restrições permitindo obter resultados para redes até 16 nós. O autor da dissertação recomenda [32] para uma visão geral da solução para problema em questão.

A presente dissertação teve também como base de cálculo para os seus modelos ILP a tabela de custos para equipamentos activos do artigo [5], excluindo os custos associados as cartas de cliente e cartas de linha por não fazerem parte do modelo que foi desenvolvido.

1.3

Contribuições Originais

O presente documento tem como objectivo principal o desenvolvimento de uma ferramenta para o dimensionamento optimizado de redes ópticas multi-débito com agregação de tráfego intermédio. Neste sentido, apresenta-se de forma sucinta as funcionalidades dos algoritmos desenvolvidos e descritos no capítulo 3 para o objectivo a que nos propusemos. A primeira contribuição deste trabalho foi elaborada recorrendo-se a Programação Linear Inteira que nos permite obter soluções óptimas

para os problemas em estudo enquanto a segunda é uma heurística criada a partir dos resultados observados após aplicação do modelo matemático e que nos permite atingir uma aproximação ao valor ideal sendo, em contrapartida, menos complexa em termos computacionais. Para a segunda solução foram aplicados conhecimentos de programação (C#) que ajudaram a criar uma ferramenta simples e intuitiva permitindo qualquer utilizador testar as soluções que aqui se apresentam bem como dos trabalhos científicos que foram usados como base, colmatando-se assim alguma lacuna existente nesse sentido.

1.3.1

Contribuição Científica

O trabalho realizado no âmbito da presente dissertação vem clarificar alguns resultas publicados na literatura e introduz novos modelos matemáticos para optimização de redes de transporte hete-rogéneas. O dimensionamento das redes de transporte com agregação de tráfego é abordado quer com modelos já estudados na literatura e melhorados de modo a atender as exigências futuras de requisitos de banda que vai de certo forçar a adopção prematura de OTN. As grandes contribuições científicas, que serão detalhadas no capítulo 3, são as seguintes:

1. Desenvolvimento de um algoritmo ILP que permite efectuar a agregação de tráfego na fonte usando Muxponders que agregam tráfego do seguinte modo : 4 × 2.5 Gbit/s para 10 Gbit/s, 4 × 10 Gbit/s para 40 Gbit/s e por último, 2 × 40 Gbit/s para 100 Gbit/s.

• 1o_{Melhoramento: Permitir que vários muxponders possam ser agrupados em cascata.}

• 2o_{Melhoramento: Permitir que na entrada de um muxponder esteja um sinal proveniente} de outro muxponder de débito inferior ou um sinal proveniente de um transponder. • 3o _{Melhoramento: Possibilidade de ter-se sinais de 2.5 Gbit/s agrupados com sinais de}

40 Gbit/s para serem transportados num canal a 100 Gbit/s utilizando os andares de mux-ponders.

Para os melhoramentos propostos no primeiro algoritmo o autor desconhece qualquer estudo publicado sobre o assunto sendo esta uma nova abordagem que visa responder aos problemas de custos de instalação e operação que os operadores enfrentam.

2. Desenvolvimento (ou melhoramento do anterior) de um modelo ILP que permite efectuar todas as operações descritas no primeiro algoritmo com as seguintes novas funcionalidades:

• 1o_{: O tráfego pode ser agrupado em qualquer nó da rede sem perder as propriedades do} primeiro algoritmo. Agregação Intermédia com muxponders em escada.

• 2o_{: O nó em que é feita a agregação não tem de necessariamente produzir tráfego} po-dendo servir apenas como um ponto de aglomeração de todos ou alguns sinais que por ele passam. Até onde o autor conhece através da investigação efectuada, os modelos apre-sentados só permitem agregação de tráfego quando o nó agregador em causa também tem pedidos para serem satisfeitos.

3. Desenvolvimento de um algoritmo heurístico que permite resolver o problema de dimensiona-mento para redes de maior escala. O algoritmo efectua agregação do tráfego comparando para Kcaminhos qual o caminho que oferece melhor poupança em termos de custos totais da rede. Para dar alguma clareza em relação aos modelos publicados no que diz respeito ao transporte de 100 Gbit/s, o modelo permite verificar se é possível transportar um sinal de alto débito na rede e, caso não seja possível não se efectua agregação de 40 Gbit/s para 100 Gbit/s mas sim uma multiplexagem inversa que consiste em dividir o sinal de 40 Gbit/s em quatro sinais distintos de 10 Gbit/s.

1.3.2

Contribuição não Científica - Software

Dado o número de variáveis e pré-processamento necessários para se implementar e testar os modelos desenvolvidos, criou-se uma ferramenta em software que permite a qualquer utilizador vali-dar os modelos apresentados nesta dissertação, visualizar grafos e ainda efectuar outras pequenas operações através de uma interface de utilizador gráfica desenvolvida em C#, ver figura 1.7. Mais detalhe sobre a utilização desta ferramenta pode ser encontrado no anexo A

Figura 1.7: Aplicação desenvolvida para auxiliar o utilizador a obter e interpretar os resultados dos modelos

apresentados.

1.4

Organização do Documento

O presente documento organiza-se da seguinte forma:

O capitulo dois apresenta a caracterização das redes ópticas salientando os aspectos fundamen-tais da multiplexagem por comprimento de onda, vulgo WDM, prossegue com uma descrição breve sobre as questões fulcrais a ter com consideração aquando do planeamento de uma rede de teleco-municações em geral e em particular as redes de transporte de longo alcance. Descreve a divisão

das redes em dois tipos de topologia e apresenta as diferentes formas como estas podem ser usadas para transportar os distintos protocolos da camada de rede. Ainda neste capítulo é abordada a ques-tão do encaminhamento dos pedidos bem como a gesques-tão dos comprimentos de onda. Apresenta-se e descreve-se os elementos quer passivos e activos relevantes nas redes WDM e por fim estuda-se as limitações impostas pelo meio físico.

Reserva-se para o capítulo 3 a apresentação do algoritmo para agregação na fonte com objectivo de resolver o problema mais simples do dimensionamento para posteriormente acrescentar-se gra-dualmente os modelos seguintes que vão tentar resolver o problema abrangendo um número maior de possibilidades. No capítulo 4 descreve-se o ambiente de simulação e a bateria de testes utilizada para se comparar os modelos apresentados. O capítulo 5 traz as conclusões gerais discutidas no capítulo 4 e infere sobre o cumprimento dos objectivos e a sua utilidade. Algumas directrizes para futuras pesquisas na área de planeamento de redes ópticas heterogéneas são aqui mencionadas.

2

Redes de Transporte Ópticas

Contents

2.1 Redes de Longo Alcance . . . . 14 2.2 Arquitectura Multicamadas dos Protocolos . . . . 14 2.3 Planeamento em redes WDM de Longo e Ultra-Longo Alcance . . . . 16 2.4 Introdução ao Dimensionamento de Redes de Transporte Ópticas . . . . 18 2.5 Agregação de Tráfego nas Redes de Transporte . . . . 21 2.6 Aspectos Físicos da Agregação de Tráfego . . . . 22

2.1

Redes de Longo Alcance

As redes de longo alcance são uma grande vantagem para as as comunicações pois permitem que uma grande quantidade de tráfego flua entre países e continentes com uma atraso muito inferior as comunicações via satélite e com uma capacidade em termos de largura de banda centenas de vezes maior a um custo claramente compensatório. As redes de longo e ultra longo alcance vêm dar um novo ânimo aos serviços, principalmente a Internet, onde o atraso associado a distância deixa de ser uma preocupação.

Os valores típicos que se encontram nas redes de transporte de longo alcance são de 2.5 Gbit/s e 10 Gbit/s no entanto, alguns operadores já começam a introduzir 40 Gbit/s para conseguirem acomodar o acréscimo que tem se verificado em termos de largura de banda. A tabela 2.1 apresenta os débitos disponíveis na tecnologia SDH que vai desde 155.52 Mbit/s eléctrico ou óptico, até aos 40 Gbit/s óptico. Como na tecnologia SDH apenas estão normalizados dois comprimentos de onda, 1310 nme 1550 nm, rapidamente se percebe que é necessário utilizar muitos canais físicos para suportar todo o tráfego e este valor deve ser multiplicado por dois caso se pretenda uma protecção do tipo 1 : 1reduzindo-se drasticamente a capacidade total da rede. A tecnologia WDM em combinação com Generic Frame Procedure (GFP) (figura 2.1) vem tornar o encapsulamento dos dados mais directo e eficiente permitindo adaptar os débitos da camada de serviços a rede de transporte e ajustar a capacidade da ligação. Os débitos normalizados para OTN, com Forward Error Correction (FEC), estão descritos na tabela 2.2.

Tabela 2.1: Débitos de linha normalizados para SDH/SONET

Optical Carrier (OC-x) Synchronous Transport Mode (STM-x) Line rate (Mbit/s)

OC-3 STM-1 155.52

OC-12 STM-4 622.08

OC-48 STM-16 2488.32 (2.5G)

OC-192 STM-64 9953.28 (10G)

OC-768 STM-256 39813.12 (40G)

Tabela 2.2: Débitos de linha normalizados para OTN’s

Optical Transport Unit (OTUk) Line rate (Gbit/s) Market Rate (Gbit/s)

OTU1 2.666 2.5

OTU2 10.709 10

OTU3 43.018 40

OTU4 111.809 100

2.2

Arquitectura Multicamadas dos Protocolos

Observando o modelo de rede de referência da figura 2.5 podemos verificar que as redes de transporte ou backbones são redes em malha formadas por interligação de anéis de fibra. A rede

Figura 2.1: Enquadramento do GFP na pilha de protocolos.

encontra-se partida em quatro camadas, longas-distâncias, rede metropolitana core, rede de metro-politana de acesso e clientes. A rede metro de acesso serve como ponto de convergência dos sinais dos mais variados clientes como por exemplo, uma micro empresa ou uma estação de base de co-municações móveis, Global System for Mobile Communications (GSM). Os equipamentos instalados nestas redes são, na sua maioria, routers de baixa capacidade e equipamentos SDH com capacidade de inserção e extracção de tributários E1 (2048 Kbit/s) e cartas do tipo Fast Ehternet (100 Mbit/s). Os routers IP de baixa capacidade por sua vez interligam-se aos equipamentos SDH levando-nos ao modelo de protocolos 2.2 que, nos dias de hoje, começa a fazer pouco sentido tendo em conta o avanço na tecnologia WDM, a ineficiência espectral e complexidade que se verifica quando se transporta IP sobre SDH.

Figura 2.2: IP sobre ATM sobre SDH sobre WDM, [6]

No modelo da figura 2.2, em cada camada o tráfego tem de ser ajustado antes de ser transportado levando a um acumular de ineficiências e além disso cada protocolo actua de forma independente, por exemplo, no caso de uma falha os elementos da hierarquia tentam recuperar da falha cada um com o seu protocolo distinto. Uma vez que o IP tem sido dominante, a tecnologia Asyncronous Transfer Mode (ATM) vai sendo abandonada e aos poucos a arquitectura evolui no sentido de IP -> SDH -> DWDM como mostra a figura 2.3.

Figura 2.3: IP over SDH over DWDM, [6]

Figura 2.4: IP sobre DWDM, [6]

routers de elevada capacidade de comutação já possuem interfaces ópticas que permitem uma li-gação com a rede OTN através de transponders. Para se eliminar definitivamente a camada SDH da pilha, é necessário incorporar-se nos routers interfaces já normalizadas para DWDM tornando o mapeamento IP -> DWDM directo e consequente redução dos custos. As figuras 2.4 e 2.6 mostram a evolução lógica nesse sentido. Repara-se que, o objectivo é interligar directamente os elementos da rede de acesso à rede core. As redes metro normalmente apresentam uma separação entre nós adjacentes de poucas dezenas de quilómetros, número facilmente atingível pelos routers mais mo-dernos com interfaces ópticas incorporadas permitindo alcances até aproximadamente 80 Km a um débito de 2.5 Gbit/s como se pode confirmar em [33].

Para que seja possível alcançar a tão desejada arquitectura simplificada é necessário por parte do planeamento uma convergência no sentido de se optimizar as redes e reduzir-se os custos não generalizando o conceito IP em todas as camadas da rede e também não subestimando as suas capacidades. O trabalho desenvolvido em [7] de onde foi retirada a figura 2.7 mostra quando se deve optar por transportar IP sobre uma rede IP e IP sobre uma rede WDM.

2.3

Planeamento em redes WDM de Longo e Ultra-Longo

Al-cance

Motivadas pelo crescimento dos dados provenientes dos routers IP, as redes de transporte sen-tem necessidade de fazer revisões ou mesmo alterar profundamente os seus paradigmas. Sissen-temas de fibra ótpica instalados antes de 1995 normalmente apresentam fibras com parâmetros de disper-são elevados e problemas com as não linearidades. Para sistemas ópticos após essa data parâme-tros limitadores de alcance como Polarization Mode Disperson (PMD) foram melhorados para níveis de 2ps/√Kmpara 0.1ps/√kmpermitindo ter redes de muito longo alcance a operar nos 10 Gbit/s e 40 Gbit/s com esquemas de detecção directa.

Figura 2.5: Hierarquia da rede, modelo consensual.

ter mais comprimentos de onda por cada ligação do que ter canais a 40 Gbit/s mas poucos compri-mentos de onda por fibra devido as não linearidades como Self Phase Modulation (SPM) e PMD que se fazem sentir com maior impacto a débitos mais elevados.

Por outro lado, os sistemas WDM oferecem transparência o que permite que diferentes canais dentro da mesma fibra possam operar a diferentes débitos e além disso o sistema oferece uma grande flexibilidade ao permitir que se extraia só parte do sinal em cada nó da rede usando OADM ao invés de terminar todos os sinais/canais da fibra.

Sistemas WDM com capacidade acima das dez dezenas de comprimentos de onda já estão comercialmente disponíveis e com os avanços nas técnicas de modulação e detecção já é possível instalar sistemas de longo alcance, 2500 km, com canais a operar até aos 100 Gbit/s [34].

Na seguintes secções desta dissertação aborda-se a questão fulcral da heterogeneidade das Fredes e o modo eficiente como os novos equipamentos de grande capacidade que começam a ser disponibilizados podem ser instalados e operados de modo a acomodar todo o tipo de tráfego que é gerado pelos serviços de uma forma economicamente viável sem sacrificar-se a qualidade do serviço. O objectivo final é explorar ao máximo as capacidades existentes tendo em consideração todas as limitações já descritas e o custo efectivo de instalação (Capital expenditure (CAPEX)) e operação (OPEX) das redes.

Figura 2.6: Evolução da estrutura das redes, [7]

2.4

Introdução ao Dimensionamento de Redes de Transporte

Óp-ticas

As redes de telecomunicações têm vindo a evoluir desde os tempos da Plain Old Telephone Ser-vice (POTS) até aos dias de hoje onde a fibra óptica é termo dominante. O dimensionamento das redes de telecomunicações exige um levantamento exaustivo da evolução do tráfego e da sua pre-visão futura em médio longo prazo. Projectar de raiz ou estender uma rede deve sempre ser um processo faseado, primeiro devido aos custos associados ao investimento em infraestruturas e equi-pamentos, depois pelo facto das necessidades variarem de acordo com a região. Várias decisões têm de ser tomadas, escolha da tecnologia, capacidades a instalar, topologia da rede, anel, malha, estrela ou ponto-a-ponto, serviços e ainda a estratificação. Recai sobre esta dissertação a preocupa-ção com as redes de transporte de longo alcance, redes essas que foram na sua maioria SDH com topologia com topologia em anel. Na verdade, as redes em malhas nascem da sucessiva interliga-ção de redes em anel que, a um certo ponto permitem que nós de grau dois (Este-Oeste) evoluam para nós de três ou mais graus. Esta evolução natural das redes vem introduzir mais dois elemen-tos, Fixed OADM (FOADM) e ROADM, o primeiro é um OADM fixo ou seja, as configurações uma vez feitas são permanentes e a sua alteração implica por vezes o corte de serviços acima dos 50 ms. O segundo elemento permite reconfigurar o OADM remotamente sem afectação dos serviços. Estes dois novos elementos devem ser tidos em conta no processo de dimensionamento de modo a balancear-se entre a flexibilidade e o custo dos nós que compõem a rede óptica.

2.4.1

Multiplexagem por Divisão do Comprimento de Onda - WDM

As redes de longo alcance podem ser vistas como redes que interligam cidades com distâncias que podem rapidamente ultrapassar as centenas de quilómetros indo até aos poucos milhares de qui-lómetros. Redes deste tipo são responsáveis por transportar grandes volumes de tráfego interligando países e requerem equipamentos e técnicas de transmissão cada vez mais avançadas a medida que

Figura 2.7: Encaminhamento eficiente de tráfego IP, [7].

o quantidade de tráfego aumenta. Ao contrário das redes de acesso e das redes metropolitanas por fibra óptica que comportam distâncias de poucas centenas de quilómetros onde a potência lançada e a atenuação são os factores mais importantes na análise, as redes de longo alcance trazem as mesmas limitações acrescidas de efeitos não lineares (Four Wave Mixing (FWM), SPM, etc.) que se começam a sentir para grandes distâncias de transmissão limitando assim o ritmo de transmissão.

Para uma exploração eficiente dos recursos que a fibra óptica oferece na sua extensa mas não ilimitada largura de banda, utiliza-se a multiplexagem por divisão do comprimento de onda. Com este processo é possível ter-se na mesma fibra serviços com características distintas ao nível do débito e do tipo de tráfego. A utilização de amplificadores EDFA com ganho uniforme dentro da banda C, por exemplo, permite-nos olhar para esta gama de comprimentos de onda da mesma forma durante a transmissão. Existem duas formas de utilizar a técnica WDM, a primeira designa-se como Coarse WDM (CWDM) onde o espaçadamente entre cada canal é de 20 nm que vão desde a banda O (Ori-ginal) até a banda L (Long) permitindo até 18 canais centrados em 1250nm + i × 20nm. Esta técnica permite uma redução efectiva dos custos com a utilização de filtros menos selectivos e lasers com maior largura espectral mas em contrapartida ter-se-a que reduzir os débitos a transmitir e as dis-tância ponto-a-ponto. A segunda técnica, DWDM, faz uso de filtros ópticos de elevada selectividade e equipamentos que reduzem as interferências entre canais Cross-Talk (XTalk) permitindo espaça-mento entre canais de 100, 50, 25 e até 12.5 GHz. A frequência de referência está situada nos 193.10 THz (1552.52 nm). Hoje em dia, os sistemas DWDM usam até 160 canais com espaçamento de 25 GHz. Os equipamentos DWDM dada a sua elevada performance e requisitos de estabilidade são mais caros em relação aos CWDM e a sua utilização está quase restrita a interligação de Backbones e redes de Longo/Ultra-longo alcance.

2.4.2

Encaminhamento e Atribuição de Comprimento de Onda

Nas redes WDM dado o elevado número de comprimentos de onda disponíveis para transportar todos os serviços é necessário ser feita uma gestão desses recursos de modo eficiente tendo em

consideração os custos. Várias técnicas para encaminhamento têm sido usadas como por exemplo, caminho mais curto, ou caminho com menos nós. Em relação a atribuição de comprimentos de onda também estão disponíveis vários algoritmos [35],[36] que têm em consideração as características físicas de cada canal e o débito que transportam. Nesta dissertação utiliza-se o algoritmo First-Fit que consiste em atribuir o primeiro comprimento de onda disponível.

2.4.3

Aspectos da Transmissão

A transmissão de sinais em redes de longo alcance utilizando a tecnologia WDM tem a configu-ração que se ilustra em 2.8 onde os nós podem ser caracterizados da seguinte fora:

• Regeneradores - Re-transmission, Re-timing, Re-Shapping, (3R);

• Amplificadores - Optical Line Amplifier (OLA);

• FOADM;

• ROADM.

Figura 2.8: Esquema de ligação WDM ponto-a-ponto

A regeneração do sinal é feita no domínio eléctrico com recurso a duas cartas de linha (trans-ponders ou mux(trans-ponders) ligadas costas-com-costas. Os nós amplificadores normalmente recorrem a Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) e, à entrada e saída de cada amplificador encontra-se um módulo usado para a compensação de dispersão.

2.4.4

Recolha de informação

A recolha de informação sobre os diferentes aspectos afectos a transmissão deve ser feita logo no inicio do planeamento da rede. As principais questões, dadas na tabela 2.3, envolvem débitos binários, taxas de erro de bits, largura de banda, efeitos não lineares, relação sinal-ruído e distâncias de transmissão. Estas questões de quão longe, quão bom e quão rápido definem as restrições do sistema.

Tabela 2.3: Considerações de planeamento

Factores Considerações / Escolhas

Distância de transmissão Complexidade aumenta com a distância Tipos de fibras ópticas Multimodal ou Unimodal

Dispersão Regeneração ou Compensação de dispersão Não Linearidades Comprimentos de onda e potências de emissão Comprimento de onda de serviço Janelas de transmissão (Banda-C, Banda-E) Fonte de luz LED ou LASER

Sensibilidade do receptor Débito e distância de transmissão Foto-detector PIN, APD

Modulação Externa, chirp e débito a transmitir Bit Error Ratio (BER) 10−9, 10−12_{, possibilidade de usar FEC} Relação Sinal-Ruído Limites por secção e da cadeia completa Comprimento de secção Número de conectores e perdas de inserção Requisitos de funcionamento Temperatura, voltagens de trabalho, espaço

2.5

Agregação de Tráfego nas Redes de Transporte

Tendo sido notório o rápido crescimento em termos de largura de banda que os utilizares con-somem nas suas casas onde grande fatia desde consumo está ligada as aplicações interactivas como mostra o estudo da figura 2.10. O tráfego correspondente aos dados tem vindo a aumen-tar de uma forma insaciável e as redes têm convergido cada vez mais para redes IP. As redes que se encarregam de transportar o tráfego IP são, na sua maioria, redes SDH/Synchronous Optical Network (SONET). Uma vez que as redes metro têm requisitos diferentes das redes de longo alcance [13], a escolha do tipo de tecnologia deve ser cautelosamente estudada para que não exista sobre dimensionamento ou sub-dimensionamento e para isso os operadores desenvolvem ou compram ferramentas para os ajudar nesse processo.

A Ethernet foi desenvolvida com o objectivo de interligar diferentes máquinas no âmbito das redes locais de computadores. No entanto, com a evolução e o baixo custo da tecnologia, a Ethernet foi-se expandindo e actualmente encontra-se largamente usada quer nas redes do cliente como nas redes metropolitanas de acesso e core. Hoje, já é possível adquirir-se um computador pessoal com uma interface Ethernet com capacidade para gerar informação a um ritmo até 1 Gbit/s que corresponde ao um décimo do tipo de tráfego dominante nas redes de transporte ou seja, 10 Gbit/s. O SDH convencional devido a sua estrutura de multiplexagem (figura 2.9) apresenta algumas ineficiências no transporte de tramas Ethernet e por isso foi desenvolvido o SDH de nova geração que permite concatenação virtual (Virtual Concatenation (VCAT)) dos contentores que transportam a informação aumentando para quase 100 % a eficiência como se pode ver na tabela 2.4. Com VCAT parte do pro-blema fica resolvido mas a questão do desperdício de largura de banda com a protecção de serviços não cruciais (best-effort) mantém-se. Para estes serviços a protecção de tráfego não é de elevada importância e transportá-los sobre a tecnologia SDH com protecção de caminho seria sem duvida um desperdício de capacidade e custos não lhes conferindo nenhuma vantagem adicional. Com OTN e WDM podemos ter na mesma fibra vários canais a transportar diferentes serviços e em caso de falha podemos comutar os sinais para outros portos que correspondem a caminhos redundantes

por ordem de severidade do serviço. Assim, serviços mais críticos são alocados primeiro ocupando a largura de banda disponível na ligação.

Figura 2.9: Mapeamento e multiplexagem do SDH, [8]

A pilha de protocolos IP sobre ATM sobre SDH sobre WDM é ineficiente e redundante. IP so-bre WDM oferece menos latência, aprovisionamento automático e elevada utilização da largura de banda. Para fazer face ao rápido crescimento do volume de tráfego gerado pelos consumidores do-méstico é imperativo instalar o mais breve possível sistemas eficientes com capacidade de 40 Gbit/s e planear para o futuro 100 Gbit/s segundo as previsões de crescimento a médio prazo. Para isso, as redes de transporte ópticas OTN da norma ITU-T G.709 são o novo objectivo providenciando modos de multiplexagem mais directos reduzindo a complexidade e número de protocolos na pilha.

Tabela 2.4: Eficiência do SDH convencional versus SDH de nova geração [8]

2.6

Aspectos Físicos da Agregação de Tráfego

Existem algumas arquitecturas físicas propostas para a agregação de tráfego. A figura 1.6 des-creve o modo de funcionamento de um nó equipado com tecnologia capaz de efectuar agregação de

tráfego bem como comutação de tráfego entre as fibras de entrada e saída. O ROADM recebe os canais das fibras provenientes do lado oeste e faz um das seguintes operações:

• Comuta o comprimento de onda directamente para uma fibra de saída (este).

• Encaminha o comprimento de onda (oeste) para um regenerador que posteriormente o reen-caminha para processamento adicional ou directamente para saída.

• O ROADM pode também encaminhar o sinal óptico para uma carta de agregação através de cartas de linha auxiliares.

• As cartas Transponder Card (TC) são responsáveis por agrupar os sinais provenientes dos clientes que se ligam neste ponto da rede. As TCs podem ser vistas como muxponders porque além de tornam os sinais coerentes com a tecnologia WDM de transporte também os agrupam em sinais de maior débito.

• As Grooming Card (GC) são responsáveis por agrupar os sinais. que chegam em Line Card (LC) ou Client Card (CC).

Figura 2.10: Consumo de largura de banda nas redes por todos continentes

Como já foi referido neste documento, os sinais podem ser regeneradores de diferentes modos; com carta regeneradora, transponders/muxponders ou utilizando cartas de agregação como mostra a figura 1.6. O modelo de custos apresentado por [5] na tabela 1.1 considera que um transponder que faz agregação de tráfego dos clientes tem um custo que é metade do custo previsto para os regeneradores com a mesma granularidade de tráfego. Já os autores em [9] aprestam um modelo de

custo onde o valor dos transponder é diferenciado dos muxponders como se pode observar na tabela 2.5. Das duas relações de custos consultadas (tabelas 1.1 e 2.5) o autor desta dissertação decidiu combinar e derivar uma terceira relação que será usada na presente dissertação e encontra-se na tabela 2.6. Para além disso, e uma vez que não há uma correspondência unívoca, na ferramenta desenvolvida é possível variar os custos ajustando-se os valores a cada realidade.

Tabela 2.5: Modelo de custos usado em [9]

Equipamento Custo

2.5G Transponder 50 10G Transponder 160 4 ∗ 2.5G Muxponder 185 4 ∗ 10G Muxponder 849

Tabela 2.6: Modelo de custos utilizado nesta dissertação derivado de [5] e [9].

Débito (Gbit/s) Transponder Muxponder Muxponder Interno

2.5 1.00 3.00 2.00

10 2.50 7.50 5.00

3

Proposta de Algoritmos para

Agregação de Tráfego

Contents

3.1 Grafo de nós alcançáveis sem regeneração - Reachability Graph . . . . 26 3.2 Algoritmo ILP para Agregação na Fonte com Muxponders em Cascata . . . . 28 3.3 ILP para Agregação Intermédia com Muxponders em Cascata . . . . 35 3.4 Modelo Heurístico para Agregação . . . . 41

Nesta secção aborda-se o problema da agregação de tráfego, encaminhamento e atribuição de comprimento de onda (Grooming, Routing, and Wavelength Assignment - GRWA) em conjunto com o problema de alocação de regeneradores, Regenerator Placement Problem (RPP) que também é abordado em [1] através de um modelo heurístico. A colocação eficiente de regeneradores e car-tas capazes de efectuar agregação de tráfego no domínio eléctrico nos nós ROADM é necessária para que todos os pedidos de tráfego possam ser satisfeitos ao mínimo custo possível com os re-cursos já instalados. O algoritmo que se apresenta tem como objectivo responder ao problema da saturação das redes, fornecendo a possibilidade de se efectuar agregação de tráfego com o mínimo impacto nos custos. O modelo matemático baseia-se em Programação Linear Inteira (Integer Linear Programming - ILP) e será validado para alguns casos relevantes e posteriormente uma heurística será desenvolvida com base nos resultados de alguns testes simples mas esclarecedores que serão efectuados.

3.1

Grafo de nós alcançáveis sem regeneração - Reachability

Graph

É agora evidente que não se pode simplesmente empregar os mesmos sistemas em todos os nós da redes devido as características únicas de cada ligação, distância, tipo de fibra, volume de tráfego gerado, tipo de tráfego dominante e dimensões físicas do local que vai acomodar toda a tecnologia de transporte. Embora que por vezes haja canais suficientes na fibra estes não são ilimitados e, como já se demonstrou, o crescimento do volume de tráfego rapidamente levará ao estrangulamento no uso dos comprimentos de onda disponíveis nas redes se nenhuma acção for rapidamente to-mada. A técnica de agregação que temos vindo a referenciar ao longo desta dissertação vai permitir acompanhar a evolução. No entanto, deve ter-se presente que nem todas as ligações poderão su-portar agregações além dos 10 Gbit/s e por este motivo nestas ligações será sempre necessário a instalação de novas fibras para aumentar a capacidade da rede. Para se conhecer as limitações do alcance no domínio óptico, vamos recorrer ao conceito de Reachability Graph.

• Definição: seja G(N, E), o grafo da topologia física onde N representa o conjunto dos nós e E o conjunto das ligações físicas entre nós. Cada nó é inequivocamente identificado, e.g., nó i é presentado como Ni. A ligação entre dois nós Ni e Nj é identificada como l(i,j). C_(i,j)(r) é o conjunto de todas as ligações ao nível físico que podem ser usadas para estabelecer um caminho de luz entre o nó Nie Nj ao débito r sem o sinal necessitar de regeneração durante o seu percurso. Assim, Cr

i,j é definido como um sub-grafo de G(N, E). T I (r)

i , é um sub-grafo de G, definido do seguinte modo:

T I_ir= [ j⊂N

(C_i,jr ). (3.1)

Em síntese, caminhos de luz que se iniciam em N i, a um ritmo r, e que não necessitam de 3R são caminhos de T Ir

i. Caminhos de luz que contenham loops não são permitidos. Um segundo grafo é então definido, i.e G0(r)_{(N, A}0(r)_{), é usado para representar a conectividade}

entre os nós baseada nas suas próprias ilhas transparentes.

A0(r)= [ i⊂N

l0(r)_(i,j), ∀j∈ T I_i(r). (3.2)

Se l0(r)_(i,j)∈ ∀A0(r)_{é possível estabelecer um caminho de luz desde o nó i até o nó j ao débito r} sem 3R.

Utilizando a rede exemplo de seis nós, podemos verificar os diferentes grafos que se obtêm para as ilhas transparentes por débito. Para 2.5 e 10 Gbit/s verifica-se que a rede não sofre alterações 3.1. Porém, se for necessário transportar informação a um ritmo de 40 Gbit/s temos de nos limitar a rede 3.2 e para 100 Gbit/s 3.3. Note-se, que não é possível estabelecer um único caminho físico para os nós 4 e 6 à 40 e 100 Gbit/s respectivamente, deixando estes de fazer parte da rede. Em relação a rede de partida, podemos verificar que é possível estabelecer dois caminhos disjuntos à 10 Gbit/s entre alguns pares de nós, por exemplo (1,3) onde a soma dos caminhos nunca excede os 3500 km 3.4 podendo o sinal viajar sempre no domínio óptico sem regeneração. Embora haja possibilidade de se calcular até três caminhos disjuntos entre todos os nós da rede, neste trabalho não é explorada a questão da protecção dos caminhos.

Figura 3.1: Rede obtida para 2.5 e 10 Gbit/s.

Figura 3.3: Rede obtida para 100 Gbit/s

Figura 3.4: Caminhos disjuntos para 10 Gbit/s

3.2

Algoritmo ILP para Agregação na Fonte com Muxponders

em Cascata

A agregação na fonte utilizando cascata de muxponders consiste em agrupar sucessivamente no nó fonte s os pedidos de tráfego (iguais ou não) que tenham d como destinatário comum. Uma vez que os recursos são limitados, é assumido que o número inicial de comprimentos de onda disponíveis para cada par (s, d) é de 1. Neste cenário, a figura 3.5 pretende mostrar como deve ser feita a agregação de todos os pedidos a fim de se maximizar a utilização dos recursos de modo a cumprir restrições impostas e minimizar o custo da rede.

É claramente visível que para uma rede linear com apenas um comprimento de onda o custo cresce consideravelmente se tivermos pedidos de todas as granularidades uma vez que é necessário introduzir vários muxponders em cascata.

Os resultados obtidos com o modelo ILP para a rede linear usada como exemplo (3.5) estão expostos no anexo B e podem ser reproduzidos com a aplicação que foi desenvolvida neste trabalho.

Figura 3.5: Agregação na fonte com cascata de muxponders

O algoritmo baseado em programação linear inteira elaborado nesta dissertação para o processo de agregação na fonte e que se encontra detalhado nesta secção é, de um modo geral, uma sim-plificação do modelo usado em [5] com alguns melhoramentos no que diz respeito a utilização de muxponders em cascata. Umas das simplificações que se efectuou foi a remoção dos conceitos de carta de linha e carta de cliente. O lado cliente pode sempre ser visto com sendo a entrada dum transponder ou muxponder uma vez que se assume que é possível ter clientes com débitos simila-res aos débitos de linha e por isso podem ser directamente agrupados. A função de regeneração é efectuada com a ligação dos transponders/muxponders costas-com-costas.

Parâmetros.

• G(N, E) : Grafo da topologia física onde N corresponde ao conjunto de nós e E o conjunto de ligações entre cada par de nós i, j. (i, j) ∈ N .

• T_i(r) :Contém todos os nós j ⊂ N alcançáveis a partir de i sem ser necessário efectuar rege-neração do sinal óptico.

• Λr

sd:Matriz de pedidos de tráfego entre o par (s, d) para cada débito r: • r : Identificador ritmo binário. r ⊂ [0, 1, 2, 3] => [2.5, 10, 40, 100] Gbit/s.

• Υ(i,j),r_Kth :Matriz booleana que contém o identificar dos k-caminhos disjuntos possíveis de per-correr entre i, j ao débito r sem regenerar o sinal.

• Cr TX, C

r

MX :Custo do transponder e muxponder, respectivamente, para o débito de entrada r e

saída r + 1.

• Cr

IMX :Custo residual a contabilizar pela utilização de muxponders em cascata.

• δ_m,n,kij,r :Constante que assume o valor 1 se a ligação física entre (m, n) pertence ao k caminho entre os nos (i, j) da topologia lógica para o débito r. 0 caso contrário.

• Pi,j

r :Indica o número de caminhos disjuntos possíveis de percorrer na camada física entre os nós i, j.

Variáveis e constantes.

• λsd,r _{: Variável inteira positiva. Número de pedidos ao ritmo r entre (s, d) que deverão ser} agregados antes de serem enviados para linha.

• λsd,r_ij,w : Variável binária cujo valor se torna 1 se for criado um light-path com transponder na topologia lógica entre o par i, j.

• M_ij,wsd,r :Variável binária cujo valor se torna 1 se for criado um light-path usando muxponder na topologia lógica entre o par i, j.

• IM_isd,r:Variável inteira e positiva. Conta o número de muxponders dispostos em cascata para satisfazer o pedido entre o par (s, d) ∈ N . Esta variável será referenciada como ”Muxponder Interno” uma vez que a sua saída vai ligar a outro muxponder e nunca directamente à linha.

• γ(r) : Variável binária que se altera em função do débito. Assume o valor 2 se r = 40 Gbit/s e 1 caso contrário.

• P_k,wij,r :Variável binária. 1 se ao k caminho entre os nós (i, j) for atribuído o comprimento de onda w pré-escolhido na definição do light-path da camada lógica.

• Vij,r

w :Variável inteira que contabiliza o número de light-paths criados na camada lógica com o comprimento de onda w.

Formulação do Problema.

(i) Função Objectivo: Dada uma matriz de tráfego e o grafo da rede, o objectivo é encontrar a

configuração que em termos de equipamentos minimiza o custo total da rede. O menor custo consistirá na melhor combinação entre o número de light-paths que devem ser criados na ca-mada lógica e o volume de tráfego agregado por cada light-path tendo em consideração os custos inerentes a agregação.

minX s X d X i X j X r  λsd,r_ij,w· CTrX+ M sd,r ij,w · C r MX  +X s X d X r X i  IM_isd,r· Cr IMX  (3.3)