Proposta de um Mecanismo de Eficiência Energética em Redes Ópticas Passivas de Próxima Geração

Proposta de um Mecanismo de Eficiência Energética

em Redes Ópticas Passivas de Próxima Geração

Luis G. T. Zulai e Taufik Abrão

Departamento de Eng. Elétrica Universidade Estadual de Londrina

Londrina – PR – Brasil taufik@uel.br

Fábio Renan Durand

Departamento de Eng. Elétrica Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Cornélio Procópio – PR – Brasil fabiodurand@utfpr.edu.br

Abstract— Neste trabalho é proposto e analisado um mecanismo de eficiência energética em redes ópticas passivas

WDM-OCDM-TDM-PON que são baseadas nas redes

10GEPON. O mecanismo híbrido proposto emprega o esquema de hibernação das ONUs previsto para o padrão 10GEPON em conjunto com o controle/alocação de potência dos lasers, baseado na otimização por enxame de partículas (PSO). Os resultados mostram que a energia consumida por bit em cada ONU pode diminuir 10-7 para 10-12 quando emprega-se o mecanismo proposto. Ainda, verificou-se que o algoritmo proposto é robusto, apresentando elevada taxa de convergência (>0,95) em função da variação de potência na rede.

Keywords—Redes ópticas, 10GEPON, enxame de partículas.

I. INTRODUÇÃO

As redes ópticas passivas (PON – Passive Optical Network) se consolidaram como uma das principais tecnologias de redes de acesso de banda larga [1], sendo empregadas para conectar usuários residenciais ou comercias com redes metropolitanas. As PONs possuem arquitetura ponto-multiponto que permite que uma única fibra óptica seja compartilhada por múltiplos usuários, não empregando elementos ativos entre os equipamentos das operadoras de telecomunicações (OLT – Optical Line Terminal) e os equipamentos dos usuários (ONU – Optical Network Unit) [1][2]. As PONs podem ser utilizadas sozinhas ou em conjunto com outras tecnologias como Digital Subscriber Line (DSL), Hybrid Fiber Cable (HFC), Fiber-Wireless (Fi-Wi), entre outros [1]. Neste contexto, a evolução das redes PONs vem aumentando o seu alcance de 20 km para aproximadamente 100 km, e podendo substituir as redes metropolitanas (MAN – Metropolitan Area Network) [2].

Os padrões atuais de PONs, IEEE 802.3ah Gigabit Ethernet PON (GE-PON) e ITU-T G.984 Gigabit PON (GPON), utilizam a tecnologia de divisão de tempo (TDM – Time Division Multiplexing) para compartilhamento de largura de banda e suportam até 32 ONUs [1]. O padrão GE-PON é o padrão dominante na Asia e o GPON é o padrão largamente empregado nos EUA e Europa [3]. Estes padrões empregam a transmissão por difusão (broadcasting) com taxa de 2,5 e 1,25 Gbps no sentido da OLT para as ONUs (downstream) para GPON e GE-PON, respectivamente. Por outro lado, é utilizada a transmissão por rajadas com taxa de 1,25 Gbps na direção das ONUs para a OLT (upstream) em ambos os padrões. A próxima etapa de evolução dos padrões de PONs é baseada em

tecnologias TDM com taxa de transmissão de 10 Gbps (XG-PON e 10GE-(XG-PON) [1][3]. As redes XG-(XG-PON e 10GE-(XG-PON já são comerciais atualmente, porém a evolução destes padrões com intuito de ampliar o alcance, taxa de transmissão e número de ONUs está em discussão pelos grupos de padronização, visto que a limitação tecnológica apresentada pela técnica TDM está sendo alcançada. Assim, a tendência de evolução das PONs é baseada no emprego de tecnologias como a multiplexação por divisão de comprimentos de onda (WDM – Wavelength Division Multiplexing), multiplexação por divisão de freqüência ortogonal (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing) e multiplexação por divisão de códigos ópticos (OCDM – Optical Code Division Multiplexing), sendo estas tecnologias utilizadas de forma isoladas ou em conjunto [1]-[3].

Uma tecnologia promissora para evolução das PONs é a utilização do esquema híbrido WDM-TDM-OCDM-PON que é baseado no aproveitamento das redes legadas 10GE-PON com taxa de 10 Gbps bidirecional, demonstrado por meio de simulação e experimentos em [2 ][3]. As vantagens das WDM-TDM-OCDM-PON são a ampliação do alcance ( ~100 km), da taxa de transmissão (> 10 Gbps) e do número de ONUs (> 3000). Além de aproveitar a infraestrutura da tecnologia das redes 10GE-PON, o emprego das WDM-TDM-OCDM-PON permite a expansão do número de ONUs sem sacrificar a taxa de transmissão entre as ONUs e OLT [2]. Apesar das vantagens apresentadas por estas redes, ainda não foram investigados os seus aspectos de eficiência energética [1]-[3]. Portanto, considerando que as redes de acesso apresentam elevado consumo de energia e que existe a tendência de expansão deste tipo de rede, é fundamental o estudo dos aspectos de eficiência energética das arquiteturas de PONs de próxima geração [1]. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é a proposta de um mecanismo que possibilite a economia de energia em redes WDM-TDM-OCDM-PON. O mecanismo proposto é baseado no emprego de esquemas de economia de energia das redes 10GEPON previstas em 1904.1-2013 [4] para a tecnologia TDM, em conjunto com o controle e otimzação de alocação de recursos para as tecnologias OCDM [5]. Os recursos que podem ser controlados são a potência transmitida e a taxa de transmissão. Neste sentido, o controle e otimização dos recursos será realizado por meio da otimização por enxame de partículas (PSO – Particle Swarm Optimization)

Fig. 1. Arquitetura da rede WDM-TDM-OCDM-PON.

em função da relação custo-benefício quando comparado com outras técnicas de otimização que empregam inversão de matrizes, métodos numéricos e outros algoritmos heurísticos.

O restante deste artigo está organizado da seguinte forma: Na Seção 2 é apresentada a arquitetura da rede WDM-TDM-OCDM-PON e, na Seção 3 são discutidos os mecanismos de economia de energia e apresentado o mecanismo de eficiência energética proposto neste trabalho. A Seção 4 ilustra a metodologia empregada para obter o desempenho do mecanismo proposto e, na Seção 5 são discutidos os principais resultados obtidos. Finalmente, na Seção 6 ilustram-se as conclusões obtidas.

II. ARQUITETURA DA REDE PON

A arquitetura da PON empregada neste trabalho é baseada na proposta de WDM-TDM-OCDM-PON apresentada na Fig. 1 que foi desenvolvida em [2][3]. Nesta arquitetura são utilizados dois codificadores/decodificadores multiportas baseados em arranjo de guias de onda (AWG – Arrayed Waveguide Gratings) para a codificação OCDM [3] do sinal TDM. Assim, aumento de escala é obtido por meio da introdução de comprimentos de onda da tecnologia WDM [2]. Desta forma, o custo das ONUs é menor, pois não são instalados codificadores/decodificadores em cada ONU. O intervalo entre os comprimentos de onda é disposto de acordo com a faixa espectral livre (FSR – Free Spectral Range) do AWG para aproveitar a periodicidade espectral do codificador. Assim, é permitida a reutilização dos códigos ópticos em todos os comprimentos de onda. Esta arquitetura apresenta um número de m pacotes TDM, n códigos OCDM e k comprimentos de onda. Neste contexto, a taxa de transmissão agregada das ONUs para a OLT (upstream) em uma 10GE-PON será 10 Gbps × n × k, sendo a taxa de transmissão

individual de upstream de cada ONU igual a (10 Gbps/m). Por exemplo, para uma arquitetura com 16 ONUs (m = 16), 8 códigos ópticos (n = 8) e k comprimentos de onda apresentará taxa agregada de k × 80 Gbps com taxa individual de 600 Mbps. O codificador/decodificador multiportas OCDM empregado na rede é baseado em dispositivos AWG em fabricado em circuitos ópticos passivos planares (PLC - Passive Planar Lightwave Circuit) vem sendo largamente estudado e testado [2][3]. Este dispositivo consiste de N guias de onda de entrada/saída acoplados a dois guias de onda planares que formam dois acopladores em estrela. Estes acopladores em estrela estão interligados por meio do AWG. Cada guia de onda do AWG possui um comprimento constante que difere em ∆L dos outros guias adjacentes. A luz que é lançada na entrada do dispositivo excita os guias de onda do AWG. Neste momento há a interferência construtiva da luz em determinado ponto do segundo guia de onda planar. O local onde ocorre esta interferência construtiva depende do comprimento de onda, pois o atraso de fase em cada guia de onda do AWG é dado por 2π∆Lλ[3]. Assim, cada código PSK (Phase Shift Keying) é obtido por meio da combinação de N pulsos de luz com diferença de fase. O intervalho de chip (Tc), ou seja, o intervalo de tempo entre dois pulsos consecutivos em cada código óptico é dado por ∆ = _∆ ⁄ , sendo ns o índice de refração dos guias de onda e c a velocidade da luz. O intervalo de chip é igual ao inverso da FSR e o número de códigos gerados (cardinalidade) depende da combinação de pulsos na entrada do dispositivo, entretanto empregando uma combinação conservadora N/2, pode-se obter uma cardinalidade dada pelo binômio 

 2⁄ . O comprimento do

código será N e a máxima correlação cruzada dada por (N – 1)2 e máxima autocorrelação dada por N2 [2][3].

ONU1 ONU2 ONUm Codificador/ Decodificador AWG OC1 λ1... λk Divisor Filtro λ1 λ1... λk Filtro λk ONU1 ONU2 ONUm OCn ONU1 ONU2 ONUm λ1... λk Divisor Filtro λ1 λ1... λk Filtro λk ONU1 ONU2 ONUm ONUm OC1 λ1... λk λ1... λk Divisor Filtro OLT Filtro OLT λ1 λk OCn λ1... λk λ1... λk Divisor Filtro OLT Filtro OLT λ1 λk _Codificador/ Decodificador AWG 1 2 • • • m TDMA - m Tempo 1 2 • • • m Tempo OCDM- n 1 2 • • • m TDMA - m OC1 OC2 Tempo 1 2 • • • m TDMA - m Tempo 1 2 • • • m Tempo OCDM- n OC1 OC2 1 2 • • • m Tempo 1 2 • • • m Tempo OC1 OC2 WDM - k λ1 λk OCDM- n

III. MECANISMOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

A. Mecanismos da 10GEPON

Os mecanismos de eficiência energética das redes baseadas na tecnologia TDM são classificadas de acordo com a camada de rede em que são realizados, entretanto esta classificação não pode ser considerada rígida. Desta forma, os mecanismos podem ser classificados como mecanismos de camada física, de camada de enlace ou híbrido [4]. Os mecanismos da camada física tem o intuito de aumentar a eficiência energética dos aspectos construtivos dos dispositivos e equipamentos das redes, neste aspecto se destaca o elevado nível de integração eletrônica. Por outro lado, os mecanismos da camada de enlace utilizam técnicas de gerenciamento do consumo de energia para aumento da eficiência energética, sendo a técnica mais promissora a hibernação (sleep) de dispositivos ou de parte de equipamentos que estão ociosos nas ONUs. Os mecanismos híbridos combinam ambas as propostas. De uma forma geral, a eficiência energética em PONs é obtida por meio do desligamento de funções não essenciais ou de componentes dentro das ONUs, sempre que estiver inativo [4]. Em funcionamento padrão uma ONU está totalmente ligada, porém considera-se inativa, quando o tráfego em downstream é destinada para outras ONUs e esta ONU não está transmitindo nada em upstream.

B. Mecanismos da Tecnologia OCDM

O controle, alocação e otimização de recursos, como potência transmitida dos lasers e taxa de transmissão, vem sendo empregado recentemente como uma forma de obter eficiência energética em redes que empregam tecnologia OCDM [5]. Nestas redes, controle de potência é utilizado eliminar a restrição do efeito near-far, em que o sinal recebido dos nós próximos ao receptor apresenta menor interferência em função da maior potência recebida. Assim, o balanço de potência realizado tem intuito de garantir que a potência recebida por todos nós seja equalizada, porém a penalidade de potência existente em função da interferência de múltiplos usuários (MAI – Multiple Access Interference) varia de acordo com o número de nós que estão transmitindo instantaneamente [2]. Desta forma, o controle de potência tem o intuito de garantir que a equalização da potência recebida ocorra de forma dinâmica e independente do número de nós que estejam transmitindo instantaneamente [5]. Por outro lado, o controle de potência pode ser empregado para definir níveis distintos de qualidade de serviço (QoS – Quality of Service), ou seja, os códigos que forem recebidos com um nível maior de potência apresentarão menor BER.

C. Mecanismo Proposto

Os aspectos de eficiência energética ainda não foram investigados na rede WDM-OCDM-TDM-PON, entretanto como esta rede é baseada na evolução da 10GEPON o mecanismo proposto para obtenção de energia consiste no emprego de um esquema de economia de energia das redes 10GEPON. Assim, será empregado o modo de hibernação quando a ONU estiver fora do seu período de transmissão que é definido pelo algoritmo de alocação de banda (DBA – Dynamic Bandwidth Allocation) [4]. Por outro lado, a variação dinâmica do número de ONUs ativas, ou seja, injetando

potência óptica na rede altera fortemente o desempenho da rede com tecnologia OCDM. Esta variação pode elevar o nível de MAI e diminuir muito a vazão da rede [3][5]. Desta forma, deve ser empregado o controle de potência, de forma semelhante a tecnologia CDMA sem fio. Neste sentido, o algoritmo que realizará o controle de potência pode ser empregado para otimizar a potência transmitida, de acordo com os requisitos de QoS e restrições de eficiência energética. A proposta deste trabalho é empregar um algoritmo de controle e alocação de recursos baseado no PSO. O PSO foi escolhido em função da relação custo-benefício quando comparado com outras técnicas de otimização que utilizam inversão de matrizes, métodos numéricos e outros algoritmos heurísticos [5].

IV. METODOLOGIA DE ANÁLISE

A análise de desempenho do mecanismo proposto consiste em três aspectos: i) Modelamento do consumo de energia dos transmissores/receptores, ii) Modelamento do consumo de energia das ONUs no modo de hibernação com DBA e, iii) Controle e alocação de recursos empregando o PSO.

A. Consumo de Energia de Transmissores/Receptores Os transmissores das OLTs e ONUs consistem de lasers com modulação direta ou modulação externa dependendo da taxa de transmissão e alcance requerido. De uma forma geral, a potência consumida nos transmissores é dada por [6]:

mod

(W) laser laser

T driver CW

P =P +V I +L P (1)

sendo Pdriver a potência consumida pelo circuito do driver de acionamento do laser, Vlasera tensão média do laser, Ilasera corrente média do laser, Lmod são as perdas do modulador externo e PCW é a potência contínua do laser. Se o laser empregar modulação direta o último termo (Lmod PCW) é desconsiderado. Por outro lado, Os receptores empregados são compostos de circuitos eletrônicos e amplificador EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) na configuração de pré-amplificador. Desta forma, a potência consumida nos receptores é dada por [6]:

1 (W) in R pol amp in V P V P R η   =  + + ℜ   (2)

sendo Vin a tensão de entrada no receptor que depende da potência óptica recebida, Rin a resitência de entrada, Vpol a tensão para a polarização (bias) dos circuitos eletrônicos, η a eficiência de conversão e ℜ a responsividade, Pamp é a potência consumida no pré-amplificador EDFA. Se for empregado um receptor com amplificador de transimpedância o último termo (Pamp) será desconsiderado. A relação entre a potência (P) e a energia consumida por bit (Eb) é dada por Eb = P/R, sendo R a taxa de transmissão.

B. Consumo de Energia no Modo de Hibernação

As PONs que empregam DBA podem operar com pequeno consumo de potência quando estão fora do período de transmissão. A relação entre o tempo de hibernação, tempo ativo, potência de hibernação (Poff) e potência de operação ativa (Pon) são largamente estudadas com intuito de obter a

melhor relação custo-benefício, pois a ONU necessita de tempo para entrar em sincronismo com as janelas de tempo empregadas [4]. Assim, a energia consumida por uma ONU sem mecanismos de eficiência energética é dada por [4]:

DBA on

E=T P (3)

sendo TDBA o tempo entre duas transmissões ou recepções consecutivas da mesma ONU. Por outro lado, a energia consumida por uma ONU com mecanismos de eficiência energética é dada por [4]:

(

)

(

)

ef s w on DBA s w off

E = T +T P + T − +T T P (4)

sendo Ts o período alocado para transmissão/recepção de cada ONU (Ts = TDBA/m), Tw o tempo necessário para a ONU retornar ao modo ativo e recuperar o sincronismo.

C. Controle e alocação de recursos

O controle de potência transmitida em uma rede OCDM é um problema de otimização. Denominando-se Γi a razão entre a potência da portadora pela potência da interferência (CIR) desejada na entrada do decodificador de interesse, tendo em vista obter uma certa QoS associada a BER máxima tolerada para o nó i, e definindo-se o vetor-coluna K-dimensional da potência óptica transmitida P = [P1, P2,... PK]T, então o problema do controle de potência óptico centralizada consiste em encontrar o vetor de potência P que minimiza a função custo

( )

1 p 1 pT _iK i J p = = =

∑

, sujeito as restrições [5]: * 2 1, ii i i _K ij j ASE j j i G p G p σ = ≠ Γ = ≥ Γ +

∑

max min p P P ≤ _i ≤ ∀i = 1,.., K, (5)

sendo pi a potência transmitida, Gij a atenuação entre o transmissor j e o receptor i, K o número de nós da rede, Pmin e Pmax, a potência mínima e máxima permitida na rede, respectivamente. σ2_ASE é o ruído em função do ruído de emissão espontânea (ASE - Amplified Spontaneous Emission) dado por σ_ASE2 =n hf G_SP

(

−1

)

B_o, sendo nsp o fator de emissão espontânea, h é a constante de Planck, f é a frequência da portadora óptica, Gé o ganho do amplificador e Bo é a largura de banda óptica. Considerando que a MAI apresenta características Gaussianas (BER) é dada por P_b(i)=erfc γ_i 2

, sendo erfc a função de erro complementar. A relação sinal-ruído-interferência (SNIR) e a CIR é dada por

(

)

2

/

i N i

γ ≈ σ Γ,

sendo σ a variância aperiódica média Hamming da amplitude de correlação cruzada. Γ*é a CIR mínima para o QoS desejado. Desta forma empregando notação matricial, pode-se reescrever (5) como _ − Γ* _ ≥

Ι H p u, sendo I a matriz identidade de dimensão K, H é matriz interferência

normalizada, na qual os elementos podem ser obtidos por

ij ij ii

h =G G no caso de i ≠ j e zero caso contrário. Assim, a a

versão escalar da potência de ruído é dada por

* 2

2

i ASE ii

u = Γ

σ

G . Portanto, o vetor de potência otimizada é obtido por meio da substituição da desigualdade por uma igualdade e é realizada a inversão matricial _{* *} −1

 

= − Γ_{ }

p Ι H u.

Este vetor representa o equilíbrio de potência no nó receptor de acordo com a CIR requerida, entretanto se uma CIR maior for solicitada deverá ocorrer um aumento de potência transmitida. A potência otimizada transmitida por cada nó obtida pela inversão matricial representa o controle centralizado de alocação de potência. Desta forma, o controle central deve obter atualização de informações sobre nós ativos na rede, tornando o controle centralizado um fator limitador no desempenho da rede OCDM [3][5]. Neste contexto, com intuito de realizar o controle de potência de forma distribuída, ou seja, propiciar que cada ONU estabeleça o controle de seus recursos de acordo com as condições da rede, será empregado o algoritmo de controle de alocação de recursos baseado no PSO. O PSO é uma meta-heurística baseado no movimento de uma população (enxame) de indivíduos (partículas) distribuídos aleatoriamente no espaço de busca, sendo que cada indivíduo possui uma posição e velocidade. Neste trabalho a posição das partículas _ = b_  b_  … b_   representa o vetor de potência otimizada e  = v  v  … v   o vetor com a velocidade de

deslocamento de cada partícula. Assim, cada partícula armazena sua melhor posição encontrada no espaço de busca que verificado em cada iteração [t] por meio da função custo. A melhor posição entre todas as partículas é denominada . O deslocamento das partículas no espaço de busca é

dado por [5]:

 + 1 = ! ∙  + #$% − ' + # ∙ $% − '

(6)

 + 1 =  +  + 1, ) = 1, … , * (7)

sendo ω o peso de inércia com relação a velocidade anterior, Up1 e Up2 são matrizes diagonais cujos elementos são variáveis aleatórias uniformemente distribuídas no intervalo [0 , 1] , e __{são os melhores vetor-posição global e local, C1 e}

C2 são coeficientes de aceleração individual e global respectivamente. * é o número de partículas e a limitação de velocidade é dada por ±4₅₆₇.

A função custo empregada no PSO para alocação de recursos com restrição de taxa de transmissão e eficiência energética é dada por:

89:; = max _{> ? ℱ}1 ABC1 − _D)A 567E F AG HA≥ HA∗, 0 < )AM ≤ DOPQ, RM= ROSTM ∀V ∈ >M, and ∀Y = 1,2, … ,  (8)

sendo L o número de taxas de transmissão permitidas e >_M o úmero de ONUs no lth grupo com taxa de transmissão mínima

dada por R_OSTM . A convergência do algoritmo pode ser calculada por meio da taxa de convergência [5]:

R# = 1 − Z8 − 8: ∗_{8: ∗ Z} (9) sendo J[t] o valor da função custo para iteração t e J[p*] o valor da função custo para o valor de potência otimizada.

V. RESULTADOS

Para obtenção dos resultados foi considerada a utilização de fibras ópticas com 0,2 dB/km de atenuação, codificador/decodificar (16 × 16) AWG com perdas de 14 dB, nsp = 2, h = 6.63 × 10-34 J/Hz, f = 193,1 THz, G = 20 dB, B_o = 30 GHz, Pdriver = 212 fJ, pi =Vlaser Ilaser definido pelo PSO,

Rin = 50 Ω, ℜ = 0,7 A/W, η = 1%, Pamp = 1 W (50 % dos canais utilizados), VpolVin/ Rin < 200 µW. Laser transmissor com taxa de repetição de 10 GHz com largura de pulso de 2 ps. Foram empregados 16 códigos PSK com comprimento de 16 chips e intervalo de chip de 5 ps. Na configuração estudada serão consideradas 16 ONUs (m =16) e 16 códigos ópticos (n = 16) que resulta em 256 ONUs por comprimento de onda. No PSO foram empregadas * =  + 2 partículas, C1 =1,8 e C2 =2,0, ω =1,0 e Vmax = 0,2 (Pmax – Pmin). A distância entre as OLTs e ONUs é obtida por meio de uma distribuição uniforme de 2 a 100 km.

A Fig. 2 ilustra a energia consumida por bit de uma ONU em função da taxa de convergência considerando três situações: i) Tradicional - Nenhum mecanismo de eficiência energética é empregado, ii) Mecanismo de Hibernação - O mecanismo de hibernação emprega Tw = 0,5TDBA e Poff = 0,3Pon, iii) Algoritmo proposto – Algoritmo de controle e alocação de recursos (PSO) com mecanismo de hibernação com mesmos valores do item ii).

Fig. 2. Energia consumida por bit de uma ONU em função da taxa de

convergência.

Por meio da Fig. 2 se observa que a energia consumida por bit é aproximadamente 1,5 × 10-7 J no caso de uma ONU sem nenhum mecanismo de eficiência energética, por outro lado

com o emprego do mecanismo de hibernação a energia consumida por bit será 1,0 × 10-9 J. Desta forma, verifica-se que é possível obter uma elevada economia de energia empregando os recursos de economia de energia previstos para as 10GEPONs [1]. Porém, com a utilização do algoritmo proposto neste trabalho é possível alcançar um valor de energia consumida por bit de aproximadamente 9,0 × 10-12 J para uma taxa de convergência de 0,5 e 5,0 × 10-12 J para uma taxa de convergência de 1,0. Esta economia de energia obtida por meio do algoritmo proposto ocorre em virtude do ajuste da potência transmitida dos lasers. Este ajuste da potência do laser apresenta uma economia média em torno de 60% da potência consumida [6]. Por outro lado, o mecanismo de hibernação resulta na diminuição de ONUs ativas, assim ocorre uma quantidade menor de MAI na rede, portanto a potência transmitida pode ser ainda menor. Com intuito de aprimorar o algoritmo proposto foram realizadas várias simulações para obter os valores ótimos das relações entre Tw /TDBA e Poff / Pon. Neste sentido, verificou-se que a utilização da seguintes relações Tw = 0,2TDBA e Poff = 0,1Pon resultam num menor valor de energia consumida por bit conforme ilustra a Fig. 3. A Fig. 3 ilustra a energia consumida por bit de uma ONU em função da taxa de convergência considerando três situações: i) Tradicional - Nenhum mecanismo de eficiência energética é empregado, ii) Mecanismo de Hibernação - O mecanismo de hibernação emprega Tw = 0,2TDBA e Poff = 0,1Pon, iii) Algoritmo proposto – Algoritmo de controle e alocação de recursos (PSO) com mecanismo de hibernação com mesmos valores do item ii).

Fig. 3. Energia consumida por bit de uma ONU em função da taxa de

convergência.

Por meio da Fig. 3 se observa que a energia consumida por bit é aproximadamente 5,0 × 10-10 J. Desta forma, verifica-se que existe uma variação de 50 % com relação ao resultado ilustrado na Fig. 2. Neste contexto, com a utilização do algoritmo proposto neste trabalho é possível alcançar um valor de energia consumida por bit de aproximadamente 2,0 × 10-12 J para uma taxa de convergência de 0,5 e 1,0 × 10-12 J para uma taxa de convergência de 1,0. Desta forma, verifica-se que existe uma variação de 77,8 e 80 % de economia de energia

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1E-14 1E-13 1E-12 1E-11 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 Tradicional Mecanismo de hibernação Algoritmo proposto E n e rg ia c o n s u m id a p o r b it ( J /b it ) Taxa de convergência 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1E-14 1E-13 1E-12 1E-11 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 E n e rg ia c o n s u m id a p o r b it ( J /b it ) Taxa de convergência Tradicional Mecanismo de hibernação Algoritmo proposto

para uma taxa de convergência de 0,5 e 1,0, respectivamente, com relação ao resultado ilustrado na Fig. 2.

A utilização do mecanismo de hibernação pelo algoritmo proposto resulta na variação do número de ONUs com transmissão ativa, portanto ocorre uma variação da potência transmitida e, por consequência uma variação do MAI. A Fig. 4 ilustra a taxa de conversão em função do número de iterações

Fig. 4. Taxa de convergência em função do número de iterações para

variação de potência nos enlaces de 10, 20, 30 e 40%.

Por meio da Fig. 4 observe que o aumento do número de iterações resulta no aumento da taxa de convergência. Por outro lado, o aumento da variação de potência resulta na diminuição da taxa de convergência, entretanto se verifica que mesmo com uma variação de potência de 40% nos enlaces da rede a taxa de convergência será maior que 0,95. Portanto, o algoritmo proposto é robusto não sendo afetado pela variação da potência em função da hibernação das ONUs.

A Fig. 5 ilustra a potência transmitida por comprimento de onda em função do número de iterações obtida por meio do algoritmo proposto e por meio da inversão de matricial para uma distância média entre ONUs e OLT de 20, 50 e 60 km.

Fig. 5. Potência transmitida por comprimento de onda.

Por meio da Fig. 5 se verifica a convergência da potência transmitida obtida por meio do algoritmo proposto e os valores de potência obtidos por meio do controle centralizado (inversão matricial). Ainda, se observa que o aumento da distância média resulta no aumento da potência transmitida. Neste contexto, com intuito de diminuir a potência transmitida e evitar os efeitos não lineares que são excitados por potências elevadas (> 10 mW) é necessário prever a instalação de EDFAs no caso das redes PONs de longo alcance.

VI. CONCLUSÕES

Neste trabalho foi proposto e analisado um mecanismo de eficiência energética em redes ópticas passivas WDM-OCDM-TDM-PON que são baseadas nas redes comerciais 10GEPON. Desta forma, busca-se ampliar o alcance, taxa de transmissão e número de ONUs das redes 10GEPON. O mecanismo de eficiência energética híbrido proposto emprega o mecanismo de hibernação previstos para o padrão 10GEPON em conjunto com o controle e alocação de potência dos lasers baseado na otimização por enxame de partículas (PSO). Portanto, procura-se aproveitar as características do TDM e OCDM que são o modo de hibernação e o controle de potência para obter o aumento da eficiência energética. Os principais resultados mostram que a energia consumida por bit por ONU pode diminuir aproximadamente de 10-7 para 10-12 quando emprega-se o mecanismo proposto. Ainda, verificou-se que o fato de colocar as ONUs em hibernação, ou verificou-seja, com o laser sem potência de transmissão, não afeta a taxa de convergência do PSO. Finalmente, foi demonstrado que os valores de potência transmitida obtidos pelo PSO convergem para os valores de potência obtidos por meio da inversão matricial.

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Limitations in Transport", J. Sel. Quantum Electron., vol. 17, no. 2, pp. 245 – 260, March-April 2011. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Sem variação T a x a d e c o n v e rg ê n c ia Número de iterações Variação de potência: 10 % 20 % 30 % 40 % 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 Linhas pontilhadas:

Obtidas por inversão matricial (Controle Centralizado)

P o tê n c ia p o r c o m p ri m e n to d e o n d a ( W ) Iterações

Distância média entre ONUs e OLT: 20 km

50 km 60 km