بخشی از مقاله
چکیده -
افزایش بالای تقاضای ترافیک در شبکههای نوری، استفاده بهینه از پهنای باند با بهره گیری از تحول تکنولوژی از شبکههای ایستا به شبکههای انعطافپذیر با کارایی بهتر را در بر داشتهاست. در پیادهسازی شبکههای انعطافپذیر با کاهش فاصله بین کانالها، تعداد کانال-ها افزایش مییابد؛ اما با افزایش تعداد کانالها توان تقویتکنندههای موجود در شبکه اشباع میشود.
در این مقاله ضمن حفظ تقویتکنندههای موجود علاوه بر روش حاشیه توان لینک، یک طراحی جدید از تعویض برچسب چند پروتکلی تعمیم یافته - GMPLS - به منظور آگاهی لایه کنترل از پردازش توان شبکه مطرح شده است. نتایج شبیه سازی نشان میدهد که اعمال روش حاشیه توان لینک بلاکینگ ناشی از نبود توان را 2/38 درصد کاهش میدهد در حالی که این میزان با روش تطبیق توان با استفاده از لایه کنترل 9/45 درصد میباشد.
-1 مقدمه
در دهه اخیر شاهد افزایش استفاده از برنامههای مبتنی بر وب مانند اشتراک، بارگیری و بارگذاری محتوای فایلهای چند رسانهایی بودهایم که باعث اشباع ظرفیت حتی در بخش هسته شبکههای نوری شدهاست. بر طبق اطلاعات بدست آمده از شبکههای مرجع، سالانه حدود 35 درصد افزایش ترافیک در اینترنت پیشبینی شدهاست .[1] بنابراین اپراتورهای شبکه می-بایست ظرفیت شبکه را متناسب با رشد ترافیک افزایش دهند. از آنجاییکه به کارگیری فیبرهای جدید هزینهبر است، اپراتورهای شبکه با استفاده از روشهای بهینهسازی منابع نوری، ظرفیت کل شبکه را بهبود میدهند .
بکارگیری روشهای بهینهسازی منجر به ظهور تکنولوژیهای جدیدی از جمله تکنولوژی شبکه-های انعطافپذیر - Flex-grid - شدهاست که تجهیزات آن توانایی پشتیبانی از کانالهای نوری با نرخهای متفاوت را دارد .[2] در استاندارد اتحادیه بینالمللی مخابرات - ITU-T - برای شبکههای ایستا - Fixed-grid - بازههای طیفی 50 گیگاهرتز تعریف شده است. بنابراین اگر پهنای باند کانال نوری از 50 گیگاهرتز کمتر باشد از طیف موجود در شبکه استفاده بهینه نمیشود .[3] در توصیهنامه G.694.1 از ITU-T برای شبکههای نوری انعطاف-پذیر، یک استاندارد طیفی جدید و قابلانعطاف برای تسهیم کردن بر اساس تفکیک طولموج - WDM - ارائه شدهاست
در شبکههای انعطافپذیر فاصله بین کانالهای نوری در طیف کاهش یافته و درنتیجه تعداد کانالها در یک محدوده طیفی مشخص افزایش مییابد. با اینحال افزایش تعداد کانال-های نوری نیازمند افزایش توان نوری در لینک است که بسیاری از تقویتکنندههای موجود در لینک توان کافی برای تأمین این افزایش را در اختیار ندارند. تعویض تقویتکنندهها با تقویت-کنندههای با توان بالاتر موجب هزینههای عملیاتی بسیار زیادی میشود [5] و درنتیجه اپراتورهای شبکه را برای بکارگیری شبکههای انعطافپذیر دلسرد میکند.
مطالعات متعددی روی تخمین هر چه دقیقتر خرابیهای لایه فیزیکی انجام شده است .[8]– [6] هنگام طراحی اولیه شبکه همه لینکها به گونهایی طراحی میشوند که با ارسال توان نوری بهینه برای هر کانال ضمن استفاده از حداکثر ظرفیت موجود، حداکثر مسافت ارسال را داشته باشند. از آنجایی که توان تقویتکنندههای موجود در لینک را برای بدترین حالت مثلاً - حداکثر ظرفیت و مسافت ارسال - طراحی و تنظیم میکنند و در نظر گرفتن این واقعیت که ترافیک و مسافت درخواستی دارای توزیع غیریکنواخت است، در بعضی از لینکها یک حاشیه توان مثبت ایجاد میشود. اخراًی در این رابطه مطالعات زیادی روی بهبود عملکردهای کانال مانند حداقلسازی اثرات غیرخطی و افزایش گذردهی شبکه با تنظیم توان کانال و بهینهسازی منابع طیفی با استفاده از چند نوع مدولاسیون ارائه شده است
در مراجع [14] ,[13] روی تطبیق توان کانال با نرخ داده و مسافت درخواستی تمرکز شده است که منجر به کاهش هزینههای کلی شبکه میشود. با اینحال افزایش تعداد کانالهای نوری نیازمند افزایش توان نوری در لینک است که بسیاری از تقویتکنندههای موجود در لینک توان کافی برای تأمین این افزایش را در اختیار ندارند. مطالعات متعددی روی تخمین هر چه دقیقتر خرابیهای لایه فیزیکی انجام شده است
هنگام طراحی اولیه شبکه همه لینکها به گونهایی طراحی می-شوند که با ارسال توان نوری بهینه برای هر کانال ضمن استفاده از حداکثر ظرفیت موجود، حداکثر مسافت ارسال را داشته باشند. از آنجایی که توان تقویتکنندههای موجود در لینک را برای بدترین حالتمثلاً - حداکثر ظرفیت و مسافت ارسال - طراحی و تنظیم میکنند و در نظر گرفتن این واقعیت که ترافیک و مسافت درخواستی دارای توزیع غیریکنواخت است، در بعضی از لینکها یک حاشیه توان مثبت ایجاد میشود. اخراًی در این رابطه مطالعات زیادی روی بهبود عملکردهای کانال مانند حداقلسازی اثرات غیرخطی و افزایش گذردهی شبکه با تنظیم توان کانال و بهینهسازی منابع طیفی با استفاده از چند نوع مدولاسیون ارائه شده است . با اینحال بسیاری از این روشها از نقطه نظر لایه کنترل بررسی نشدهاند.
شبکههای امروزی با سه لایه مدیریت، کنترل و انتقال بیان میشوند، لایه کنترل و لایه انتقال به عنوان قلب شبکه برای جابجایی ترافیک عمل میکنند. در مراجع مطرح شده تاکنون لایه کنترل فقط وجود کانال را در نظر میگیرد و هیچ محدودیتی در رابطه با توان نوری در لایه کنترل اعمال نشده-است. در مرجع [15] از لایه کنترل برای تطبیق توان نوری کانالها با توجه به نسبت سیگنال به نویز نوری - OSNR - درخواستی، استفاده شده است.
در اینجا ضمن حفظ تقویتکنندههای موجود علاوه بر روش حاشیه توان لینک، یک طراحی جدید از GMPLS بهمنظور آگاهی لایه کنترل از پردازش توان شبکه مطرح میشود. بدین منظور یک الگوریتم جدید محاسبه مسیر با توسعه پروتکلهای مهندسی ترافیک کوتاهترین مسیر - OSPF-TE - و مهندسی ترافیک رزرو منابع - RSVP-TE - برای لایه کنترل مبتنی بر GMPLS ارائه میشود.
شبکه تعریف شده نرمافزاری - SDN - در گروه مطالعاتی SG13 از اتحادیه ITU-T تعریف شده که یک تکنولوژی برای شبکههایی است که در آنها لایه کنترل و لایه انتقال بصورت مرکزی وجود دارند. اگر اطلاعات مورد نیاز از لایه فیزیکی برای اجرا کردن الگوریتم ارائه شده در مرکز داده کنترلکنندههای SDN از طریق OSPF-TE جمعآوری شود، روش پیشنهادی برای پردازش توان شبکه با لایه کنترل، در SDN نیز به طور کامل قابل اجرا میباشد. نتایج شبیه سازی نشان میدهد که ضمن حفظ تقویتکنندههای موجود میتوان بلاکینگ توان - تعداد درخواستهای مسدود شده به علت نبود توان به نسبت کل درخواستها - را از 11/63 درصد به 1/93 درصد کاهش داد.
این مقاله در پنج بخش تدوین شده است. بخش دوم به محدودیت توان خروجی تقویتکنندههای نوری میپردازد.
دربخش سوم به پیادهسازی الگوریتم مسیریابی پرداخته میشود. نتایج حاصل از شبیهسازی روش پیشنهادی در بخش چهارم ارائه شده است و در پایان بخش پنجم به نتیجهگیری اختصاص یافته است.
-2 محدودیت توان خروجی تقویت کنندههای نوری
یک لینک نوری که دو گره را به هم وصل میکند، با توجه به فاصله دو گره، شامل تعدادی تقویتکننده میباشد. همه لینکها و تقویتکنندههای موجود در آنها باید به گونهایی طراحی شوند که عملکرد خوبی برای شبکه به همراه داشته باشند. این طراحی همچنین باید OSNR را حداکثر و اثرات غیرخطی را حداقل نماید. روشهای پیچیدهای برای بهینهسازی لینکهای نوری استفاده شده است؛ که در آنها برای هر یک از کانالها یک OSNR بهینه بدست میآید .[16] در نهایت با در نظر گرفتن توان نویز و اثرات غیرخطی، توان کانالها و در نتیجه توان لینکها بدست میآیند. شبکههای ایستا دارای 80 کانال نوری هستند که هر کانال دارای پهنای باند 50 گیگاهرتز می-باشد. درنتیجه کل پهنای باند لینک 4 تراهرتز است. اگر توان اضافه شدن یک کانال نوری را Padd _chan بنامیم، توان لینک از رابطه زیر بدست میآید:
در هنگام طراحی اولیه شبکه، توان تقویتکنندههای موجود در هر لینک بر اساس توان لینک تنظیم میشوند. در شبکههای انعطافپذیر همان پهنای باند 4 تراهرتز شبکههای WDM با توجه به کاهش پهنای باند کانالها به 37/5 گیگاهرتز، به 106 کانال افزایش مییابد. با افزایش تعداد کانالها توان تقویتکننده-های لینک به اشباع میرسد. در اینجا با حفظ تقویتکنندههای موجود در لینک، ابتدا روش حاشیه توان لینک و سپس روش تطبیق توان با استفاده از لایه کنترل پیادهسازی و مطرح می-شوند.
-1-2 حاشیه توان لینک
در شبکههای نوری هر لینک با توجه به طول آن، به چند بخش تقسیم میشود که در هر بخش یک تقویتکننده نوری قرار میگیرد. هر بخش دارای طول، تضعیف و ضریب غیرخطی متفاوتی است که باعث میشود لینکها دارای تقویتکنندههایی با حداکثر بهره - GOA _ max - ، حداکثر توان - - POA _ max و عدد نویز - NF - متفاوتی باشند
شکل:1 شماتیک ساده شده یک لینک و تقویتکنندههای موجود در آن جزئیات شکل - 1 - به صورت زیر است:
-2-2 تطبیق توان با استفاده از لایه کنترل
شبکههای نوری از مجموعهایی از گرهها تشکیل شده اند که از طریق لینکهای نوری بهم وصل میشوند.معمولاً بهمنظور دستیابی به بهترین عملکرد برای شبکه، هر لینک نوری، مستقل از سایر لینکها و برای بهترین عملکرد خود طراحی میشود. حداکثر عملکرد زمانی بدست میآید که توان بهینه برای هر کانال نوری در نظر گرفته شود . [15] اما این روش طراحی، توان بهینه را برای حداکثر مسافت محاسبه میکند، درنتیجه برای بسیاری از درخواستها به توانی کمتر از توان بهینه نیاز است، پس توان کانالها را با توجه به ویژگی درخواستها میتوان تطبیق داد. از ویژگیهای عملکردی یک کانال نوری OSNR است. در مرجع [16] تخمینی از سیگنال به نویز نوری - OSNR est - برای کانال n ام با توجه به توان بهینه آن، ارایه شدهاست:
سپس برای یک مسیر که از m لینک تشکیل شده باشد تخمین سیگنال به نویز مسیر - - OSNRest , p از رابطه زیر بدست میآید.
شکل :2 شماتیک ساده ایی از توان نوری در تقویتکنندههای یک لینک
اگر Pl - t - را توان لحظهای لینک براساس تعداد کانالهای اشغالشده لینک در آن لحظه بنامیم، حداکثر مقداری که - Pl - t میتواند داشته باشد، Pm a x ,l است. با روش حاشیه توان لینک، توان لینکها به حداکثر مقدار ممکن میرسند که میتواند مشکل نبود توان برای شبکههای انعطافپذیر را تا حدی برطرف کند.
زمانیکه به گرهای از شبکه درخواستی وارد میشود، OSNR مورد نیاز - - OSNRreq که حداقل OSNR لازم برای برقراری آن درخواست است بیان میشود. برای هر درخواست با توجه به مقصد آن و الگوریتمی که در ادامه بیان میشود مسیری محاسبه میگردد. برای این مسیر OSNRest , p محاسبه شده و با OSNR req مقایسه میشود.
اگر OSNRreq OSNRest , p باشد مسیر بعدی محاسبه میشود و روند بالا تکرار میشود و در صورتی که برای آخرین مسیر هم OSNRreq OSNRest , p شود درخواست مسدود خواهد شد.
