Οπτικά Δίκτυα Επικοινωνιών

EΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Η/Υ Οπτικά Δίκτυα Επικοινωνιών Καθ. Η Αβραμόπουλος Δρ. Δ. Αποστολόπουλος www.photonics.ntua.gr

Περιεχόµενα Ηµέρας Οπτικοί συζεύκτες Δίκτυα δρομολόγησης μηκών κύματος Οπτικοί κόμβοι Δρομολόγηση με μετατροπή μήκους κύματος Δρομολόγηση και ανάθεση μηκών κύματος 2

Βασισµένο στο Παθητικό Αστέρι οπτικό WDM δίκτυο: Μπορεί να υποστηρίξει multicasting 3

Splitter & Combiner Χαρακτηριστικά Λόγος διαίρεσης (splitting ration) 50:50 συνήθως Απώλειες ανάκλασης Μικρό µέρος της ισχύος ανακλάται στην πόρτα εισόδου Απώλειες διάταξης (insertion loss) Απώλειες του µεταδιδόµενου σήµατος εντός της διάταξης 4

Οπτικοί Συζεύκτες (Couplers) Οι οπτικοί συζεύκτες χωρίζουν ένα οπτικό σήµα σε πολλαπλούς δρόµους ή συνδυάζουν πολλαπλά σήµατα σε έναν οπτικό δρόµο. Ο κάθε συζεύκτης χαρακτηρίζεται από τον αριθµό των θυρών εισόδου (Ν) και εξόδου του. Μικρό µέρος της ισχύος ανακλάται στην πόρτα εισόδου Οι συζεύκτες φτιάχνονται µε οποιονδήποτε συνδυασµό θυρών Συνήθως χρησιµοποιούνται πολλαπλάσια του 2 (2x2, 4x4, 8x8, κτλ.). 5

Συζεύκτης αστέρα Ο συζεύκτης αστέρα είναι ένα παθητικό στοιχείο που κατανέµει την οπτική ισχύ από περισσότερες από δύο θύρες εισόδου σε διάφορες θύρες εξόδου. Υλοποιείτε µε την χρήση διαδοχικών 3-dB συζευκτών. Ο αριθµός των 3-dB συζευκτών σε ένα NxN συζεύκτη αστέρα είναι: N "#$%& = N 2 log, N 6

Δίκτυα εκποµπής και επιλογής (broadcast-and-select) Ν σταθµοί, Ν µήκη κύµατος Σταθερός ποµπός, συντονίσιµος δέκτης (array δέκτη) Δύο µονο-διευθυνόµενες ίνες ανάµεσα σε ένα σταθµό και τον πλησιέστερο συζεύκτη παθητικού αστέρα 7

Δίκτυα δροµολόγησης µηκών κύµατος Οι µεταγωγείς δροµολόγησης µηκών κύµατος συνδέονται µε ίνες δύο κατευθύνσεων δροµολόγηση µηκών κύµατος επαναχρησιµοποίηση µηκών κύµατος πλήθος µηκών κύµατος << πλήθος σταθµών αλγόριθµοι δροµολόγησης και ανάθεσης µηκών κύµατος 8

Optical Crossconnect (OXC) Ενεργός Μεταγωγέας Ένας NxN ενεργός µεταγωγέας µπορεί να δροµολογήσει Ν^2 ταυτόχρονες συνδέσεις (σαν τον παθητικό δροµολογητή) Ο πίνακας δροµολογήσεων είναι επαναδιαµορφώσιµος 9

Space switches # of crosspoints = N 2 Χρήση οπτικών ενισχυτών ηµιαγωγού (SOA - (Semiconductor Optical Amplifiers), οι οποίοι λειτουργούν σαν ON-OFF διακόπτες. 10

Οπτικοί µεταγωγείς MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) Μεταγωγέας επιπέδου 0 (layer 0): µετάγει φως από τις εισόδους στις εξόδους þανεξάρτητο από µήκος κύµατος και την τεχνική διαµόρφωσης þ Υψηλή χωρητικότητα (up to ~Tbps) þ Μικρός χρόνος καθυστέρησης þ Μικρή κατανάλωση ενέργειας þ Επαναδιαµορφώσιµοι ýαργοί χρόνοι επαναδιαµόρφωσης (100 msec) ýδεν υποστηρίζει broadcasting 11

Wavelength Selective Switch (wss) Ο επιλεκτικός µεταγωγέας µήκους κύµατος (wavelength selective switch WSS) είναι το δοµικό στοιχείο των σύγχρονων οπτικών κόµβων OXC Είναι ένας σύνθετος πολυπλέκτης/ αποπολυπλέκτης 1xN (πχ. 1x2 ή 1x4 ή 1x9 ή 1x20) Έχει συνολικά (1+Ν) θύρες, η 1 ονοµάζεται και «κοινή» θύρα Χρησιµοποιείται και προς τις 2 κατευθύνσεις για να εκτελέσει πολυπλεξία ή αποπολυπλεξία! π.χ. ένας 1x4 WSS µπορεί να χρησιµοποιηθεί για αποπολύπλεξη του σήµατος από την 1 είσοδο στις 4 εξόδους, ενώ αν συνδεθεί σαν 4x1 πολυπλέκει τις 4 εισόδους στην 1 έξοδο Επιλέγει ποια µήκη κύµατος θα προστεθούν/εξαχθούν σε ποιες εξόδους αποπολυπλέκτης Wavelength Selective Switch (WSS) πολυπλέκτης 12

Οπτικός κόµβος OXC: Colored / Directed Οι κόµβοι ακολουθούν τη λογική broadcast-and-select: το σήµα γίνεται broadcast προς όλες τις εξόδους (τόσο ίνες όσο και τοπικές θύρες) και τα WSS χρησιµοποιούνται για την επιλογή (select). Τα Network interfaces (ΝΙ) συνδέονται µε τις ίνες εισόδου/εξόδου Δεν είναι πλέον παθητικά όπως τα Mux/Demux που είχαµε πριν, αλλά έχουν ενεργά στοιχεία στην έξοδο (τα WSS) για να επιλέγουν από πού θα προωθήσουν και ποιο µήκος κύµατος Οι transponders µπαίνουν σε add/drop terminals Directed: το κάθε add/drop terminal είναι «κολληµένο» µε ένα Network Interface Colored: στα add/drop terminals δεν υπάρχουν WSS, αλλά παθητικά AWG, οπότε χρησιµοποιούνται transponder σταθερού µήκους κύµατος 13

Οπτικός κόµβος OXC: Colored / Directionless Directionless: Τα add/drop terminals συνδέονται µε όλα τα Network Interfaces (NIs) Χρησιµοποιούνται WSS για τον τερµατισµό στο add/drop terminal, ώστε να µπορεί να επιλεγεί από ποια ίνα να τερµατιστεί κάθε µήκος κύµατος Δεν υπάρχει WSS για την πρόσθεση στο add/drop terminal, η επιλογή της ίνας εξόδου γίνεται από τα αντίστοιχα WSS στα ΝΙ Colored: Χρησιµοποιούνται transponders σταθερού µήκους κύµατος (αφού το WSS στο add/drop terminal επιλέγει την ίνα τερµατισµού και οι λειτουργίες µεταγωγής προς και από τους transponders γίνονται µε παθητικά στοιχεία) 14

Οπτικός κόµβος OXC: Colorless / Directed Directed: Κάθε add/drop terminal είναι «κολληµένο» µε ένα Network Interface (NI) συντονιζόµενοι transponders Colorless: µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε συντονιζόµενους transponders Χρησιµοποιούνται WSS στα add/drop terminals για να επιλέξουν τον transponder που θα µεταγάγουν ένα µήκος κύµατος συντονιζόµενοι transponders συντονιζόµενοι transponders 15

Οπτικός κόµβος OXC: Colorless/directionless/contentionless Directionless: Τα add/drop terminals συνδέονται µε όλα τα Network Interfaces (NIs) WSS (stage 1) χρησιµοποιείται για τον τερµατισµό στο add/drop terminal, ώστε να µπορεί να επιλέγει από ποια ίνα να τερµατιστεί κάθε µήκος κύµατος Colorless: µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε συντονιζόµενους transponders WSS (stage 2) χρησιµοποιούνται στα add/drop terminals για να επιλέξουν τον transponder που θα µεταγάγουν ένα µήκος κύµατος συντονιζόµενοι transponders συντονιζόµενοι transponders Contentionless: για να υποστηρίξουµε παραπάνω από µια συνδέσεις µε το ίδιο µήκος κύµατος προσθέτουµε ένα επιπλέον add/drop terminal 16

Περιορισµός συνέχειας (continuity) µηκών κύµατος 17

Περιορισµός συνέχειας µηκών κύµατος σε ένα δίκτυο δροµολόγησης µηκών κύµατος χωρίς μετατροπέα (converter) με μετατροπέα 18

Μετατροπέας µηκών κύµατος (wavelength converter) : λειτουργικότητα και χαρακτηριστικά Ένας ιδανικός µετατροπέας µηκών κύµατος έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: διαφάνεια στους ρυθµούς bit και στις διαµορφώσεις σηµάτων ταχύς χρόνος προετοιµασίας του µήκους κύµατος εξόδου µετατροπή τόσο στα κοντύτερα όσο και στα µακρύτερα µήκη κύµατος δυνατότητα για ίδια µήκη κύµατος εισόδου και εξόδου (όχι µετατροπή) αναισθησία στην πόλωση των σηµάτων εισόδου low-chirp σήµα εξόδου µε υψηλό λόγο απόσβεσης και πολύ µεγάλο λόγο σήµατος-προς-θόρυβο απλή υλοποίηση 19

Αραιή µετατροπή µηκών κύµατος (1/2) Αραιή κοµβική µετατροπή: δίνει µόνο σε ένα περιορισµένο αριθµό κόµβων πλήρεις δυνατότητες µετατροπής Αραιή µετατροπή εξόδων µεταγωγέων: χρησιµοποιεί µεταγωγείς που µοιράζονται ένα περιορισµένο πλήθος µετατροπέων µηκών κύµατος Αραιή (ή περιορισµένη) µετατροπή εύρους: δίνει µόνο ένα περιορισµένο εύρος στους µεταγωγείς που αναπτύσσονται, εξαιτίας περιορισµένου κόστους και ισχύος Αραιή μετατροπή εύρους εύρος μετατροπής = 1 20

Αραιή µετατροπή µηκών κύµατος (2/2) Αραιή κομβική μετατροπή Αραιή μετατροπή εξόδων μεταγωγέων 21

Μοντελοποίηση του µήκους των µονοπατιών Ανάθεση κόστους σε κάθε µετατροπέα µηκών κύµατος Κόστος ενός µονοπατιού για µια σύνδεση = κόστος συνδέσµων + κόστος µετατροπής µηκών κύµατος Tο µονοπάτι µικρότερου κόστους περιλαµβάνει κόστη συνδέσµων και κόστη µετατροπών µηκών κύµατος 22

Διαφάνεια οπτικού δικτύου Διαφανές οπτικό δίκτυο Αδιαφανές οπτικό δίκτυο Ημιδιαφανές οπτικό δίκτυο εγκαθιστά end-to-end µονοπάτια φωτός κατά µήκος του δικτύου αναπαράγει τα σήµατα σε κάθε hop στο δίκτυο αναπαράγει τα σήµατα µόνο όταν είναι απαραίτητο ιδέα των σταθµών ανεφοδιασµού αναπαραγωγή στον κόµβο στα µισά του δροµολογίου 23

Δροµολόγηση και ανάθεση µηκών κύµατος (Routing and Wavelength Assignment RWA) Μονοπάτι φωτός (Lightpath - LP) Αµιγώς οπτικό WDM κανάλι RWA Δεδοµένου ενός αριθµού αιτήσεων σύνδεσης, πραγµατοποιείται η εγκατάσταση LPs µέσω δροµολόγησης και η ανάθεση λ σε κάθε σύνδεση Αίτηµα σύνδεσης Στατικό & Δυναµικό Στατικό Όλες οι αιτήσεις είναι γνωστές προκαταβολικά, συνήθως η RWA λειτουργεία πραγµατοποιείται offline (SLE) Δυναµικό Το LP εγκαθίσταται µε την λήψη του κάθε αιτήµατος σύνδεσης και αποδεσµεύεται µετά το πέρας ορισµένου χρόνου (DLE) 24

Τοπολογία δικτύου και συνδέσεις Links -> Fibers(1..n) -> λs (1..n) Περιορισµός συνέχειας µηκών κύµατος µπορεί να υπάρχει ή όχι C SLE D c1 c2 c3 A->D C->D B->C Link A B c1 A->D c2 C->D c3 B->C C D Fiber Wavelength DLE 25

RWA (1/3) RWA µε µετατροπή µήκους κύµατος Πλήρεις δυνατότητες µετατροπής λ: ισοδύναµο µε circuit switching! (Δεν πραγµατοποιείται WA, µόνο δροµολόγηση) Όµως, η πλήρης δυνατότητα µετατροπής λ είναι υψηλού κόστους λειτουργία Χρήση αραιής µετατροπής µήκους κύµατος Αν περιορισµένοι κόµβοι έχουν αυτή την δυνατότητα, ποια είναι η βέλτιστη τοποθέτησή τους; 26

RWA (2/3) Η δροµολόγηση και ανάθεση µηκών κύµατος µπορεί να αντιµετωπιστεί σαν δύο ξεχωριστές λειτουργίες SLE Γενικά αντιµετωπίζεται ως ένα πρόβληµα ακέραιου γραµµικού προγραµµατισµού (ILP) Στόχος: Ελαχιστοποίηση του αριθµού των λs δεδοµένου των LPs ή µεγιστοποίησή του αριθµού των LPs δεδοµένου των λs Πρόβληµα δροµολόγησης Στατική δροµολόγηση Στατική-Ενναλακτική δροµολόγηση Προσαρµοζόµενη δροµολόγηση Επιλογή µικρότερου µονοπατιού 27

RWA (3/3) Μετά τον καθορισµό του LP, ακολουθεί η ανάθεση µηκών κύµατος Δεδοµένου ενός συνόλου LPs και των διαδροµών τους, πραγµατοποιείται η ανάθεση λ ώστε να µην υπάρχουν σε καµία ίνα 2 LPs µε το ίδιο λ Στην DLE σύνδεση, ο στόχος είναι η ελαχιστοποίηση της πιθανότητας σύγρουσης σε µια δεδοµένη φυσική τοπολογία (ίνες, λs) 28

Αξιολόγηση φυσικού στρώµατος: Q-factor Power Budget and Eye impairments Noise and noise-like impairments Power budget,spm/cd,pmd,fc ASE, XT, XPM, FWM Depend mainly on the selected lightpath, not on the utilization of other lightpaths XT, XPM, FWM, depend on the utilization of the other lightpaths σ 1 I 1 I 1',p (w) I '0',p =0 σ 2 '1',p(w)=σ 2 ASE, 1',p(w)+σ 2 XT, 1',p(w)+ σ 2 XPM, 1',p(w)+σ 2 FWM, 1',p(w) σ 2 '0',p(w)=σ 2 ASE, 0',p(w)+σ 2 XT, 0',p(w)+ σ 2 FWM, 0',p(w) σ 0 I 0 I'1', p( w) - I'0', p Qp ( w) = s ( w) + s ( w) '1', p '0', p Το Q-factor χρησιµοποιείται για την εκτίµηση της δυνατότητας εγκατάστασης ενός LP To Q-factor σχετίζεται µε το BER To Q-factor υπολογίζεται µέσω αναλυτικών τύπων 29

Φυσική τοπολογία vs λογική τοπολογία (1/2) 30

Φυσική τοπολογία vs λογική τοπολογία (2/2) 31

Wavelength Routing Switch (WRS) Λεπτοµέρειες του κόµβου UT 32

Βελτιστοποίηση RWA On virtual topology connection matrix V ij w On virtual topology traffic variables l sd ij w å i j å Vij Ti " i Vij R j " j On physical route variables p ij mn å p P ij mn ij mn mn p V ij ij ij pmk = å pkn if k ¹ i, j m ij å p = in n ij å p = mj m V n V ij ij w sd l ij ³ 0 sd ål sj = j sd ål jd = j å i å s, d l l sd sd sd sd lik = ålkj if k ¹ s, d l sd ij V ij On coloring of lightpaths c ij k å ij p åc = V j C ij k ij k ij ij mn ck 1 " m, n, k w Objective: Optimality criterion New optimality criterion (a) Delay minimization: æ é ù å å å å ö ç sd ij 1 (c) Minimize average hop distance Minimize lij ê pmn dmn + sd ú ç ij sd è êë mn C - l sd ij úû ø 1 sd (b) Maximizing offered load (equivalent to minimizing maximum flow in Minimize a link): åålij å æ sd ùö min çmaxê é L s, d sd i, j s, d ålij ú " i, j è ë sd ûø 33

Προσέγγιση λύσης στο σχεδιασµό της εικονικής τοπολογίας WDM WAN 1. επιλογή της βέλτιστης εικονικής τοπολογίας - βελτιστοποίηση βασισμένη στη μεγιστοποίηση της ρυθμαπόδοσης, στην ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης, στη μεγιστοποίηση της κυκλοφορίας ενός hop, κλπ 2. (βέλτιστη) δρομολόγηση των πακέτων επί της εικονικής τοπολογίας - δρομολόγηση συντομότερου μονοπατιού, αλγόριθμος εκτροπής ροής (flow-deviation algorithm), κλπ 3. δρομολόγηση των μονοπατιών φωτός επί της φυσικής τοπολογίας - δρομολόγηση εναλλακτικού μονοπατιού, multicommodity flow formulation, τυχαιοποιημένη δρομολόγηση 4. ανάθεση μηκών κύματος: χρωματισμός των μονοπατιών φωτός για να αποφευχθούν οι συγκρούσεις των μηκών κύματος - αλγόριθμοι χρωματισμού γράφων, μοντέλα γράφων με επίπεδα 4. επαναληπτικά: έλεγξε για σύγκλιση και πήγαινε πίσω στο βήμα 1, αν είναι απαραίτητο 34

Σχεδιασµός λογικής τοπολογίας Simulated Annealing Start with random virtual topology Perform node exchange operations on two random nodes Route packet traffic (optimally) using flow deviation Calculate maximum traffic scaleup for current configuration If maximum scaleup is higher then previous maximum, then accept current configuration; else accept current configuration with certain decreasing probability Repeat until problem solution stabilizes (frozen). Flow Deviation Perform shortest-path routing of the traffic Select path with large traffic congestion Route a fraction of this traffic to less-congested links Repeat above two steps iteratively, until solution is acceptable 35

Οπτικό δίκτυο µεταφοράς (1/3) 36