Energy efficient optical backbone networks

Η πυρετώδης ανάπτυξη του Διαδικτύου επέφερε την εξέλιξη των οπτικών δικτύων σε παγκόσμιο επίπεδο. Η ευρεία χρήση των οπτικών δικτύων οφείλεται όχι μόνο στο αυξημένο εύρος ζώνης που παρέχουν, αλλά ταυτόχρονα επειδή πληρούν τις απαιτήσεις χαμηλού κόστους, υψηλής αξιοπιστίας και εκτεταμένης γεωγραφικής κάλυψης. Επιπλέον, η ταχεία αυτή εξάπλωση του Διαδικτύου συνέβαλε σημαντικά στην αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας του δικτυακού εξοπλισμού, ένα εξίσου σημαντικό ζήτημα που προβληματίζει την ερευνητική κοινότητα. Έτσι, παράλληλα με τη σημαντική βελτίωση των οπτικών δικτύων την τελευταία δεκαετία σχετικά με την παρεχόμενη χωρητικότητα, πρέπει να αναληφθούν πρωτοβουλίες προκειμένου να βελτιωθεί περαιτέρω και η ενεργειακή απόδοσή τους. Οι στόχοι της παρούσας έρευνας είναι να προσδιοριστούν οι βασικές αιτίες της κατανάλωσης ενέργειας στα οπτικά δίκτυα κορμού σταθερού και ευέλικτου πλέγματος IP Over WDM και IP Over EON αντίστοιχα, και να προταθούν και να συγκριθούν στρατηγικές για την αύξηση της ενεργειακής τους απόδοσης. Όσον αφορά στα οπτικά δίκτυα σταθερού φάσματος IP Over WDM, παρουσιάζονται νέα ενεργειακά αποδοτικά σχήματα, με στόχο την αύξηση του ρυθμού επαναχρησιμοποίησης των μονοπατιών φωτός κατά τη φάση του σχεδιασμού της Εικονικής Τοπολογίας (ΕΤ). Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι καταφέρνουν να μειώσουν τον αριθμό των προεγκατεστημένων μονοπατιών φωτός στην ΕΤ και να επωφεληθούν από την εναπομένουσα χωρητικότητα των οπτικών διαδρομών εκμεταλλευόμενοι τους πόρους των μονοπατιών φωτός με πιο αποτελεσματικό τρόπο. Επιπλέον, τα δίκτυα κορμού σε χώρες με υψηλή σεισμικότητα υποφέρουν από απροσδόκητες αστοχίες συνδέσεων που προκαλούνται από σεισμούς, οι οποίοι με τη σειρά τους, προκαλούν τεράστια απώλεια εύρους ζώνης και διακοπές υπηρεσιών. Προς αυτή λοιπόν την κατεύθυνση, προτείνεται ένα νέο σχήμα που χρησιμοποιεί πραγματικές σεισμικές πληροφορίες προκειμένου να διατηρήσει τη συνδεσιμότητα του δικτύου μετά από έναν σεισμό μεγάλης κλίμακας, ενώ ταυτόχρονα υποστηρίζει την ενεργειακή του απόδοση. Ο στόχος του προτεινόμενου σχήματος είναι ο σχεδιασμός ενός δικτύου WDM, που καθορίζοντας τον ελάχιστο αριθμό εναλλακτικών διαδρομών στην ΕΤ διατηρεί τη συνδεσιμότητα στο δίκτυο. Μια άλλη σημαντική προσέγγιση όσον αφορά στην εξοικονόμηση ενέργειας στα οπτικά δίκτυα είναι η επιλεκτική απενεργοποίηση των δικτυακών στοιχείων κάτω από συνθήκες χαμηλής χρησιμοποίησης, διατηρώντας παράλληλα τις ζωτικές λειτουργίες του δικτύου έτσι ώστε να εξυπηρετείται η υπολειπόμενη κίνηση. Όσον αφορά στα δίκτυα μεταβλητού φάσματος IP Over EON, εισάγεται ένας νέος ενεργειακά αποδοτικός αλγόριθμος, ο οποίος εφαρμόζεται υπό δυναμική κίνηση και απενεργοποιεί επιλεκτικά τους συνδέσμους του δικτύου σε σενάρια χαμηλής χρήσης, διατηρώντας παράλληλα την πιθανότητα αποκλεισμού των συνδέσεων σε χαμηλά επίπεδα. Στο τελευταίο μέρος αυτής της διατριβής παρουσιάζεται και αναλύεται ένας νέος προσαρμοστικός ενεργειακά αποδοτικός αλγόριθμος, ο οποίος απενεργοποιεί επιλεκτικά τους μεταδότες μεταβλητού εύρους ζώνης για να επιτύχει ενεργειακή απόδοση υπό συνθήκες χαμηλής χρήσης, κατά τη λειτουργία του δικτύου. Ο νέος αυτός προσαρμοστικός αλγόριθμος χρησιμοποιεί ένα Μανθάνων Αυτόματο προκειμένου να περιορίσει τη συνολική κατανάλωση ενέργειας του δικτύου διατηρώντας παράλληλα την πιθανότητα αποκλεισμού των συνδέσεων σε χαμηλά επίπεδα.

Operation algorithms for energy-efficient backbone networks

Η βιομηχανία τηλεπικοινωνιών συμβάλει κατά 2% με 3% στην παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση. Αυτό το ποσοστό αναμένεται να αυξηθεί λόγω των αυξημένων απαιτήσεων σε φόρτο από τους τελικούς χρήστες, των επαυξημένων δυνατοτήτων του εξοπλισμού των χρηστών, την αυξημένη ποιότητα των πολυμέσων που ανταλλάσσονται μέσω Διαδικτύου και την μαζική ανάπτυξη και εγκατάσταση της τεχνολογίας 5G radio. Η χρήση δικτύων διανομής περιεχομένου, υπηρεσιών ζωντανής μετάδοσης βίντεο και εφαρμογών νέφους είναι πλέον καθημερινή και αποτελεί το μεγαλύτερο ποσοστό της κίνησης στο Διαδίκτυο. Τα δίκτυα κορμού συγκεντρώνουν όλη αυτή την κίνηση, η οποία συλλέγεται από ένα σύνολο διαφορετικών δικτύων πρόσβασης και πρέπει να μεταδοθεί σε παγκόσμια κλίμακα με μικρή καθυστέρηση και αξιοπιστία. Τα δίκτυα IP-over-WDM προσφέρουν την προσαρμoστικότητα και την καθολική συνδεσιμότητα του IP πρωτοκόλλου σε συνδυασμό με το τεράστιο παρεχόμενο εύρος ζώνης των δικτύων πολυπλεξίας μήκους κύματος. Κατά συνέπεια, τα οπτικά δίκτυα κορμού έχουν την δυνατότητα να χειριστούν τον επιπρόσθετο φόρτο κίνησης. Παρόλα αυτά, ένα ζήτημα που προβληματίζει τους τηλεπικοινωνιακούς παρόχους είναι η αναμενόμενη αύξηση της ενεργειακής κατανάλωσης των δικτύων λόγω του επιπρόσθετου φόρτου. Παράλληλα, παρατηρείται η ανάπτυξη συλλογικών στόχων για την μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα, καθώς και η θέσπιση νομοθετικών πλαισίων για τη τήρηση περιβαλλοντικών πολιτικών. Η αύξηση των ερευνητικών εργασιών σχετικά με την ενεργειακά αποδοτική διαχείριση των οπτικών δικτύων κατά την διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας είναι πλέον πιο σχετική από ποτέ. Η παρούσα διατριβή αντιμετωπίζει το πρόβλημα της ενεργειακά αποδοτικής διαχείρισης δικτύων για την λειτουργία των οπτικών δικτύων κορμού. Στα πλαίσια αυτής προτάθηκαν και δημοσιεύθηκαν καινοτόμοι αλγόριθμοι λειτουργίας για ενεργειακά αποδοτικά δίκτυα IP-over-WDM. Ο κύριος στόχος των προτεινόμενων αλγορίθμων λειτουργίας είναι η μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης του δικτύου μέσω της απενεργοποίησης αδρανών ή υποχρησιμοποιούμενων δικτυακών συσκευών χωρίς όμως να επιδεινώνεται η απόδοση του δικτύου. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι επικεντρώνονται στα επιμέρους προβλήματα της ενεργειακά αποδοτικής δρομολόγησης της κίνησης και της αναδιαμόρφωσης της εικονικής τοπολογίας, προτείνοντας νέους μηχανισμούς ορίων φόρτου, ένα καινοτόμο σύστημα αξιολόγησης οπτικών μονοπατιών και μια νέα πολιτική αναδιαμόρφωσης. Όλοι οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι αξιολογήθηκαν μέσω εκτενών πειραμάτων προσομοίωσης, όπου και παρατηρήθηκε ότι είναι πιο ενεργειακά αποδοτικοί συγκριτικά με παρεμφερείς λύσεις από την βιβλιογραφία.