Назад в библиотеку

Управление оптической мощностью для эффективного использования прироста спектра Flex-Grid в существующих инфраструктурах сетей Fixed-Grid

Авторы: M. Kanj, E. Le Rouzic, D. Amar , J.L. Auge, B. Cousin, N. Brochier
Источник:https://www.researchgate.net/publication/282135286

Аннотация

Экспоненциальный рост трафика в оптических сетях вызвал эволюцию от технологии Fixed-Grid к Flex-Grid. Эта эволюция позволяет улучшить спектральную эффективность и использование спектра по сравнению с существующими сетями, чтобы облегчить динамические требования к трафику. Интеграция технологии Flex-Grid увеличивает количество оптических каналов, установленных по оптическим каналам, что приводит к увеличению мощности усиления и таким образом, возможно насыщение оптических усилителей. В данной работе мы предлагаем процесс адаптации мощности, который использует преимущества маржи отношения оптического сигнала к шуму (OSNR) в линиях связи, чтобы позволить операторам сети поддерживать это увеличение мощности, при этом сохраняя в использовании устаревшие усилители. Результаты показывают, что управление оптической мощностью канала позволяет извлечь выгоду из Flex-Grid с точки зрения выигрыша в спектре и пропускной способности, используя встроенные в сеть инфраструктуру усилителей.Индексные термины-GMPLS, проектирование каналов, Flex-Grid, управление мощностью, Алгоритм вычисления пути.

I.Введение

Интернет-услуги (видеоконференции, облачные сервисы, видео потоковое вещание...) и, следовательно, требования к трафику растут постоянно, что приводит к огромному росту трафика в опорной оптической сети. Существует необходимость для операторов сетей увеличивать оптические сети, чтобы следовать этому росту трафика. Поскольку развертывание новых оптических волокон все еще очень дорого, операторы сетей стремятся использовать все возможности своей сети, оптимально используя оптические ресурсы и сетевые емкости и, таким образом, откладывают развертывание новых инфраструктур. Такая эксплуатация требует новые технологии и гибкое оборудование, которые способны работать с различными типами оптических каналов, от малых до чрезвычайно высоких скоростей передачи данных [1].

Технология фиксированных сетей уже не способна справиться с растущей скоростью передачи данных по оптическим каналам. В то же время 50 ГГц сетка ITU, из-за ее фиксированного спектрального интервала, приводит к потери ресурсов спектра, когда заполнение полосы пропускания установленных требований меньше или не является точным (кратным) размеру выделенных слотов спектра [2].

Рекомендация ITU G.694.1 [3] для оптической сети Flex-Grid сети, определила новый стандарт гибкой спектральной сетки для приложений мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM). Эта гибкая спектральная сетка имеет меньшую гранулярность слотов 12,5 ГГц, с номинальной центральной частотой на сетке 6,25 ГГц. по сравнению с используемой в настоящее время фиксированной сеткой 50 ГГц. Эта рекомендация сделала Flex-Grid перспективной технологией. которая способна следовать за ростом трафика и различными требованиям к трафику. Flex-Grid эффективно использует доступные ресурсы спектра, особенно в сочетании с новыми когерентными технологиями передачи и передовыми форматами модуляции форматами.

Переход от технологии Fixed-Grid к Flex-Grid оказывает влияние на оптические усилители уже развернутой оптической сети. Действительно, оптические усилители, присутствующие в конце каждого последовательного отрезка, составляющего оптическую линию связи и в узлах коммутации, разработаны и спроектированы для сети Fixed- Grid WDM сети. Поскольку технология Flex-Grid позволяет уменьшать расстояние между каналами, это дает возможность создавать новые оптические каналы на сохраненном спектре. Однако это увеличение числа оптических каналов увеличивает оптическую мощность, вводимую в оптические каналы и может вызвать нежелательные ухудшение качества из-за насыщения некоторых усилителей в уже развернутой сети.

В литературе несколько исследований были направлены на разработку точных оценок физического ухудшения в некомпенсированных каналах. Они продемонстрировали существование оптимальной для канала оптической мощности, которая приводит к минимальной генерации ухудшений и, таким образом, достигается лучшая производительность передачи (максимальная досягаемость) [4] [5] [6] [7]. Другие исследователи сосредоточились на улучшении характеристик канала (достижение прироста SNR) и, таким образом, увеличели пропускную способность сети, путем адаптации канала мощности запуска, оптимизации спектральных ресурсов и модуляции форматов, не принимая во внимание ограничения на энергоресурсы по оптическим каналам [8] [9].

В данной работе, в отличие от существующей парадигмы, которая направлена на оптимизацию мощности каналов до их оптимальных значений независимо от их достижений, мы предлагаем контролировать и адаптировать мощность этих каналов к их минимально необходимым характеристикам (адаптация к реальной физической досягаемости). Это позволяет использовать оптический запас по мощности для преодоления ограничения мощности усилителей при увеличении числа каналов в сетевых каналах. Для этой цели мы предлагаем распределенную плоскость управления на основе GMPLS с RSVP-TE и OSFP-TE модификацией протоколов, которая реализует этот процесс управления мощностью. Эффективность новой схемы продемонстрирована с помощью моделирования.

Данная работа организована следующим образом. В разделе II представлен обзор вопросов проектирования оптических сетей. Раздел III представляет запас мощности канала и наш метод проектирования.

Раздел IV представлен процесс управления мощностью. В разделе V представлены модификации протокола GMPLS, сделанные для реализации процесса управления мощностью и связанный с ним алгоритм вычисления пути. В разделе VI представлены смоделированные сценарии и результаты. Заключение и дальнейшие работы представлены в разделе VII.

II. Конструкция оптического канала и ограничение мощности

Мы рассматриваем набор последовательных оптических пролетов, составляющих оптическую линию связи между двумя оптическими узлами (например, реконфигурируемыми оптические мультиплексоры сложения-вычитания - ROADM), как показано на рис. 1. Проектирование оптического канала заключается в выборе набора оптических усилителей, которые могут компенсировать потери в пролетах и одновременно поддерживать оптическую мощность общего числа каналов, запланированных для данного канала, при этом стремясь к максимальным оптическим характеристикам. Таким образом, целью проектирования канала является максимизация отношения оптического сигнала к шуму и минимизация нелинейных эффектов. Сложность процесса возникает, в частности, из-за противоречивых целей усилителей: они должны компенсировать потери в пролете канала, удовлетворять суммарной оптической мощности для всех оптических каналов, разделяющих волокно, и в то же время одновременно минимизировать количество генерируемого шума.

Рис. 1. — Упрощенное представление усиленной линии связи (последовательность волоконно-оптического кабеля и усилителя) между двумя устройствами ROADM

Как объяснялось в предыдущем разделе, каналы в текущих сетях Fixed- Сети WDM с сеткой предназначены для поддержки заданного количества каналов (Nchannel max). В общем случае, каждое звено (l) имеет свое собственное Nchannel max,l, однако для упрощения нашего исследования, без какой-либо потери общности, мы предполагаем, что эти числа идентичны по всей сети. Использование технологии Flex-Grid в этих инфраструктурах может увеличить количество каналов в некоторых каналах и, следовательно, уровень оптической мощности.

На самом деле, если количество каналов не контролируется и не ограничивается, могут возникнуть некоторые риски насыщения мощности в усилителях, которые уже близки к своей максимальной выходной мощности (предел насыщения мощности) при исходном максимальном количестве каналов Nchannel, что приведет к сильному снижению производительности этих каналов. И наоборот, если количество каналов ограничено до Nchannel max, выигрыш в спектре, обеспечиваемый технологиями Flex-Grid, не может быть использован. Замена оптических усилителей на новые, имеющие большими выходными мощностями является потенциальным решением, но, безусловно, дорогостоящим, поскольку это требует покупки новых усилителей, прерывания канала связи и полного перепроектирования. В данной работе мы скорее предлагаем сделать так, чтобы информацию об оптической мощности доступной для плоскости управления, чтобы извлечь выгоду из обещаний Flex-Grid по увеличению спектра при сохранении, при этом сохраняя штатные усилители.

III. Определение запаса мощности канала связи и новый метод проектирования

В качестве первого шага мы предлагаем управлять оптической мощностью, чтобы использовать неиспользованную мощность, оставшуюся в каждом усилителе после того, как сеть спроектирована и развернута, которую мы называем здесь маржой мощности канала или запас мощности.

А. Маржа мощности канала

Пусть Nchannel max - это максимальное количество каналов для каждого канала. Пусть Pdesign,l (P1) - входная оптическая мощность рассчитанная для канала l, имеющего максимальное значение Nchannel max. Разница между всеми характеристиками пролетов (потери, коэффициент нелинейности коэффициент нелинейности, длина) приводит к использованию различных типов усилителей с различными характеристиками с точки зрения максимального усиления (GOA max), максимальной мощности (POA max) или коэффициента шума (NF) для каждого пролета. Эта вариация приводит к тому, что на каждом канале l, различные Pdesign,l и, следовательно, Pchannel,l (индивидуальная мощность канала по каналу l). Эта Pdesign,l при применяется на входе звена l, приводит к различным входным мощностям в пролете в зависимости от затухания пролетов и конфигурации усилителей усиления при прохождении через канал. Таким образом, существует запас мощности (POA margin,n) для n-го усилителя, который равен POA margin, n = POA max,n-Pn+1, где Pn+1 - мощностьна входе n + 1-го диапазона. на входе n + 1-го диапазона.

Мы определяем как запас мощности звена Pmargin,l, минимальный запас мощности, существующий на усилителях канала l. Поэтому максимальная оптическая мощность, которая может быть подана на входе звена l без насыщения любого усилителя, равна Pmax,l = Pdesign,l + Pmargin,l. Использование нами маржи мощности дополняет недавние работы по маржам проектирования и маржи системы, как в [10] [11] [12]. В этих работах аспект управления мощностью был проигнорирован. Здесь мы специально фокусируемся на управлении оптической мощностью. Но это требует точного знания максимальной мощности, допустимой в каждом канале, что в свою очередь требует понимания шага проектирования соединения и ограничений оптических каналов.

B. Метод проектирования

Для того чтобы оценить наш процесс управления мощностью, мы должны точно смоделировать этап проектирования соединения. Для этого мы разработали метод проектирования звеньев, который мы кратко представили в [13], используя преимущества стратегии оптимизации, представленной в [14]. Отметим, что предлагаемый нами контроль мощности может работать с любым другим методом проектирования. Стратегия LOGON, предложенная в [14], заключается в выполнении локальной оптимизации соотношения оптического отношения сигнал/шум (OSNR) и нелинейных ухудшений на уровне пролета, что приводит к глобальной оптимизации OSNR по всем звеньев сети. Поэтому предлагается применять оптимальную спектральную плотность мощности на входе каждого пролета, рассчитанную с использованием характеристик пролета и усилителя, применяя формулу (6) в [14].

Мы представляем с помощью уравнения (1) агрегированную оптическую мощность, которая соответствует этой спектральной плотности мощности на входе n-го пролета для N каналов с максимальной шириной спектра Rs каждый, где h, u, Fn и NLI,n означают постоянную Планка, частоту электромагнитной волны, частоту шума, частоту шумового сигнала, частоту электромагнитной волны. частоту электромагнитной волны, коэффициент шума (КШ) n-го усилителя и вклад нелинейного эффекта соответственно.



Наш метод проектирования канала состоит в выборе оптического усилителя который удовлетворяет ограничениям при проектировании канала (максимизация OSNR, минимизация нелинейного эффекта, удовлетворение максимальной мощности N каналов и компенсация потерь в пролете). NF каждого усилителя рассчитывается используя уравнение (2), и изменяется в зависимости от настроенного коэффициента усиления Gn. Мы используем двухкаскадные усилители с переменным коэффициентом усиления без среднего каскада. где F1,n и F2,n - коэффициент шума для первого и второго каскада соответственно, а Dn обозначает отношение мощностей для обоих каскадов, чтобы учесть разницу между производительности предусилителя и усилителя. Уравнение (3) рассчитывает желаемый коэффициент усиления усилителя (Gn) для компенсации потерь в пролете, an - затухание n-го пролета, затухание n-го пролета, Pn - мощность на входе n-го пролета и Pn+1 - мощность на выходе Gn оптического усилителя, как показано на рис. 1.

Мы заменяем Fn в уравнении (2) на его значение в уравнении (1), тогда Pn в уравнении (3) на его значение в уравнении (1), чтобы получить полиномиальное уравнение третьей степени, представленное уравнением(4), которое мы решали аналитически. Решение этого уравнения в уравнении (5) дает нам значение коэффициента усиления, которое должно быть отрегулировано в n-ом усилителе для того, чтобы получить минимальное линейное и нелинейное ухудшение.

Проектирование звена осуществляется от последнего пролета к первому; выбирается усилитель, который может удовлетворить требуемый коэффициент усиления (Gn) и оптимальную мощности (Pn+1) при достижении наименьшей NF, выбирается усилитель, который может удовлетворить и требуемый коэффициент усиления (Gn), и оптимальную мощность (Pn+1). Если ни один из усилителей не может удовлетворить этим требованиям, то выбирается усилители с наиболее близкой максимальной мощностью (POA max). Разница с требуемой мощностью впоследствии восстанавливается путем повторной настройки коэффициента(ов) усиления следующего (последующего) усилителя(ей).

IV. Управление оптической мощностью

Оптические сети состоят из оптических узлов (ROADM) соединенных между собой оптическими каналами. Для достижения максимальной производительности сети, каждый оптический канал между двумя ROADM обычно проектируется так, чтобы поддерживать оптимальную производительность независимо от других каналов. При таком методе проектирования каждый канал имеет свой собственный набор оптимальных характеристик. При таком методе проектирования каждый канал имеет свой собственный набор оптимальных настроек пролетной мощности и усилителей. При такой конфигурации максимальная производительность обеспечивается путем установки оптимальной мощности для любого нового оптического канала (Pchannel,l) [14]. Такая политика не учитывает тот факт, что каналы могут требовать переменного охвата и поэтому некоторые каналы могут не нуждаться в максимальной производительности (например, канал с кратчайшим путем). В результате некоторая "маржа передачи мощности" расходуется впустую.

На самом деле производительность канала и его оптическая мощность тесно связаны. Уменьшение оптической мощности от оптимального значения значения до более низкого значения снижает производительность и ,таким образом, адаптирует канал к требуемому радиусу действия. Это представляется интересный метод экономии энергии в сети Flex-Grid и избежать траты "маржи передачи мощности". Более точно, мы ожидаем, что эта адаптация мощности позволит использовать сэкономленный запас для увеличения пропускной способности канала с точки зрения количества каналов.

Для выполнения управления мощностью мы предлагаем использовать оценщик производительности уравнения 5 стратегии LOGON. Это уравнение оценивает OSNR (включая нелинейные эффекты в виде нелинейных помех) на стороне приемника. Если оцененный OSNR (OSNRest) больше чем требуемое (OSNRreq), то мы можем адаптировать мощность канала. Значение OSNR светового пути, состоящего из последовательных обратной суммы обратных OSNR каждого из каналов [14]. Поскольку OSNR пропорционально мощности канала и LOGON уже является наихудшим случаем с точки зрения нелинейных эффектов (завышение OSNR при предположении полной спектральной нагрузки), приблизительно каждый 1 дБ снижения оптической мощности соответствует снижению OSNR на 1 дБ [15]. Поэтому, в качестве упрощенного первого предположения, мы предполагаем, что запас OSNR в дБ (OSNRmargin = OSNRest-OSNRreq) соответствует количеству энергии, которая может быть сохранена для соответствующего оптического канала.

Более того, поскольку усилители имеют фиксированный коэффициент усиления (настраиваемый в соответствии с согласно методу, описанному ранее), это уменьшение OSNR просто настройка мощности на стороне передатчика: x дБ ослабления оптической мощности на стороне передатчика соответствуют x дБ ослабления мощности на стороне приемника при проходе через набор пролетов и усилителей, составляющих оптических линий. Оценка мощности, которая может быть сэкономлена, представляет собой грубое, но простое предположение, которое можно легко интегрировать в плоскость управления. Конечно, можно предложить и другие методы, основанные на более сложных вычислений или механизмов мониторинга.

V. Протокол GMPLS и алгоритм маршрутизации

A. Модификации протокола GMPLS

Из-за нехватки места описание процессов маршрутизации и сигнализации описание OSPF-TE и RSVP-TE, а также их расширений, которые используют новые собранные физические параметры, кратко представлены. Подробное описание будет темой следующей публикации.

В конце этапа проектирования каждый оптический канал имеет свой собственный набор конфигураций для оптических усилителей: коэффициент усиления и мощность настройки, позволяющие вычислить оценку производительности OSNR (уравнение 5 из [14]). Поскольку существующий протокол маршрутизации GMPLS OSPF-TE не собирает информацию о мощности, мы предлагаем в данной работе модифицировать его для сбора новой физической информации из оптической плоскости. Плоскости: Pchannel,l, Pdesign,l, Pmargin,l, OSNR канала, как определено в предыдущем разделе, и "реальный" OSNR, как определено в предыдущем разделе и мощность канала в реальном времени (P(t)real,l). Мы предполагаем, что первые четыре параметра настроены для каждого канала и записываются в соседних узлах при его ввода в эксплуатацию. Затем они собираются с оптической плоскости и помещаются в базу данных состояния соединения OSPF-TE. P(t)real,l - это эффективная суммарная оптическая мощность в канале. Она зависит от количества оптических каналов, установленных в данный момент t момент. Таким образом, она обновляется при каждом установлении или освобождении светового пути на основе вычисления оптической мощности.

Сообщения "Path" и "Resv", используемые в протоколе сигнализации RSVP-TE, также модифицируются, чтобы принимать во внимание рекомендуемой оптической мощности для светового пути. Это позволяет оптическим узлам выполнять тест проверки мощности во время установки светового тракта (в дополнение к проверке доступности длины волны). Алгоритм вычисления путей был разработан для расчета путей в соответствии с параметрами линии TE параметры, которые мы добавили в базу данных OSPF-TE.<

B. Алгоритм маршрутизации

Чтобы найти доступный и осуществимый световой путь, который удовлетворяет каждый запрос на соединение, мы предлагаем алгоритм вычисления пути, показанный на рис.2 и подробно описанный здесь. Для каждого запроса на соединение (т.е. светового пути) между парой узлов источника и узлами назначения со скоростью T Гбит/с, он вычисляет кратчайший путь, используя алгоритм Дейкстры. Затем пытается найти группу из S доступных слотов 12,5 ГГц, которые удовлетворяют запросу T (S слотов рассчитываются с учетом минимальной занятости спектра предполагая один и тот же формат модуляции для всех запросов), которые являются непрерывными и смежными, используя алгоритм First-Fit. Запрос блокируется, если не найдено ни одного доступного слота, способного удовлетворить запрос на соединение.

Рис. 2. — Алгоритм вычисления пути

После того, как этот набор свободных последовательных оптических слотов не найден, выполняются три других теста "тест физической осуществимости тест", "адаптация мощности" (PA), "проверка мощности" (PV). Тест "физической осуществимости" проверяет, является ли OSNRest выше OSNRreq. Если путь физически осуществим, то OSNRmargin, который является разницей между OSNRest и OSNRreq вычисляется. Если OSNRmargin существует, тогда "адаптация мощности" канала может быть выполнена для адаптации оптического канала к минимальным характеристикам (OSNR). В этом случае, снижение мощности канала равно значению OSNRmargin и целевой оптической мощностью для канала является Padapted канал= Pchannel - OSNRmargin. Независимо от адаптированного канала, независимо от значения адаптированной мощности канала, выполняется последний тест "проверки мощности", чтобы убедиться, что этот канал, если он добавлен, не вызовет проблемы насыщения на линиях, составляющих оптический тракт. Этот тест заключается в сравнении значения суммарной мощности канала P(t)real,l при добавлении нового канала (+Адаптированный канал,l) с максимально допустимой мощностью (Pdesign,l +Pmargin,l) на каждом из l канала, составляющих тракт. Эти значения доступны на каждом узле благодаря распределению состояния соединения OSPF-TE процесс. Как только эти тесты выполнены на входящем узле, запускается сигнализация на выбранном пути, т.е. RSVP-TE сообщение "Path" отправляется вниз по потоку для того, чтобы установить оптический канал. Если любой из этих тестов не проходит, запрос на соединение отклоняется.

Наконец, в каждом хопе, во время процесса передачи сигнала, суммарная мощность с использованием рекомендуемой настройки мощности канала проверяется, чтобы убедиться, что она не превышает Pmax,l каждого пересекаемого канала. Действительно, если запросы поступают очень часто некоторые сигнальные процессы могут одновременно конкурировать за одни и те же оптические ресурсы, также с точки зрения оптической мощности (условие гонки), и сигнализация должна избегать любого избыточного обеспечения из-за еще не обновленной базы данных каналов.

VI. Сценарий моделирования и результаты

A. Настройка моделирования и сценарии

Для того чтобы проверить и оценить потенциальный выигрыш нашего предложенного управления мощностью, мы разработали распределенную GMPLS симулятор сети на базе GMPLS в OMNET++.

Рис. 3. — Топология европейской магистральной сети

Он моделирует сообщения и механизмы протоколов OSPF-TE и RSVP-TE. механизмы. Мы предполагаем, что такое же начальное проектирование канала выполняется для 80 каналов 100 Гбит/с QPSK на частоте 50 ГГц. (80*50 ГГц = 4 ТГц на канал) для всех сценариев. Однако полная используемая полоса пропускания установлена на 4,8 ТГц (оптические усилители и используемая полоса пропускания).

Моделирование проводится на 32 оптических узлах и 42 оптическими линиями европейской магистральной сети, показанной на Рис.3. Используются пролеты одномодового волокна (хроматическая дисперсия = 17 пс.нм-1.км-1, затухание волокна = 0,22 дБ/км, коэффициент нелинейности = 1 Вт-1.км-1). Линии связи спроектированы с использованием трех типов усилителей, представленных в табл. I, и предполагают не идентичные длины пролетов, которые выбираются случайным образом в соответствии с реалистичным распределением. Штрафы фильтрации, вызванные транзитом через один оптический узел составляет 0,05 дБ для канала 50 ГГц и 0,64 дБ для 37,5 ГГц [16]. В табл. I показан ассортимент усилителей, состоящий из нескольких усилителей с переменным коэффициентом усиления, двухкаскадных усилителей без доступа к среднему каскаду, с фиксированными параметрами (POA max, GOA max, F1, F2, D).

Таблица 1. — Модели усилителей

Для упрощения анализа результатов, во всех сценариях установлены оптические каналы со скоростью 100 Гбит/с. во всех сценариях установлены оптические каналы 100 Гбит/с. Минимальное принимаемое OSNR на стороне приемника, используя 0,1 нм шумовую опорной полосы пропускания, включая операционную маржу, устанавливается на уровне 15 дБ для 100 Гбит/с формата модуляции QPSK с когерентным обнаружением и мягким решением FEC (Forward Error Correction), независимо от полосы пропускания канала (3 или 4 слота по 12,5 ГГц). Исследуются пять сценариев:

  • Fixed-Grid (FG): этот сценарий в настоящее время представляет собой основные оптические сети, в которых информация о мощности не не передается в плоскости управления. Управление мощностью не активируется в алгоритме вычисления пути или в протоколе количества каналов, которые могут быть. Таким образом, количество каналов, которые могут быть установлены на данном канале, ограничено 80, поскольку никакой другой информация не была предоставлена, и каждый канал занимает 4 смежных слота.
  • Фиксированная сеть с маржой мощности (FG4S PV): в этом сценарий, плоскость управления учитывает мощность и, таким образом. использует дополнительный запас мощности каждого звена (Pmargin,l) для настройки каналов в пределах полосы пропускания 4,8 ТГц. Блок "адаптации мощности" выключен, но блок "проверка мощности" включен. Каждый канал занимает 4 смежных слота.
  • Фиксированная сеть с контролем мощности и маржей мощности (FG4S PA+PV): в этом сценарии допускается как "адаптация мощности" и "проверка мощности" разрешены. Каждый отдельный мощность канала настраивается на мощность, удовлетворяющую минимальному принятому значению OSNR (OSNRreq). Каждый канал занимает 4 смежных слота.
  • Flex-Grid с контролем мощности и маржей мощности (FX3S PA+PV): данный сценарий аналогичен сценарию FG4S PA+PV, но каждый канал занимает 3 смежных слота.
  • Flex-Grid с контролем мощности и маржей мощности (FX3- 4S PA+PV): то же самое, что и предыдущий сценарий, но с возможностью выбора 3 или 4 слотов 12,5 ГГц для 100 Гбит/с каналов. Алгоритм вычисления пути сначала предполагает 3 слота по 12,5 ГГц для настройки канала. В если путь не является физически осуществимым (штрафы за фильтрацию гораздо выше для 3 слотов, чем для 4 слотов), алгоритм пытается установить оптический канал, используя 4 слота.

Обратите внимание, что во всех сценариях пути, которые превышают максимальную досягаемость (т.е. с OSNR ниже OSNRreq) отклоняются, и мы не реализовали регенерацию (оставили для дальнейшей работы).

50 прогонов моделирования (с различными семенами случайных чисел) было выполнено для каждого из пяти сценариев с инкрементной настройкой каналов (ни один канал не освобождается). Результаты изображенные на Рис.4 и Рис.5, получены путем усреднения по результатам 50 прогонов симуляции с доверительным интервалом 95% (слишком мал, чтобы для отображения на рисунках). Интервал между прибытиями запросов в каждом узле следуют экспоненциальному закону с = 0,4. Источник и место назначения запросов выбираются случайным образом среди всех случайным образом выбираются среди всех пар источник-назначение в соответствии с равномерным распределением.

B. Результаты моделирования

Мы рассматриваем кумулятивную вероятность блокировки (CBR) в качестве первого критерия оценки; это отношение общего количества заблокированных запросов к общему количеству сгенерированных запросов до момента времени t. Рис.4 показывает CBR для пяти сценариев в зависимости от нормализованной занятости спектра сети, которая представляет собой отношение общего количества занятого спектра по всем каналам оптической сети до момента времени t к общему спектру всех каналов. Обратите внимание, что на каждом канале, занятость спектра соответствует количеству зарезервированных слотов всех каналов, каждый из которых имеет 3 или 4 слота в зависимости от сценария.

Рис. 4. — Кумулятивный коэффициент блокирования в сравнении с нормализованной занятостью спектра

Для всех сценариев, CBR при низкой загруженности не равен нулю, потому что требований, отклоненных из-за физической осуществимости (пути длиннее чем максимальная досягаемость). Неудивительно, что поскольку FX3S PA+PM имеет большие штрафы за фильтрацию, он блокирует больше требований при низкой занятости, чем в других сценариях.

FG и FG4S PV имеют одинаковый CBR до тех пор, пока приблизительно 65% занятого спектра. При занятии более 65% CBR для FG4S PV меньше, потому что сеть получает преимущества от осведомленность о мощности: она может принимать более 80 каналов, полагаясь на на оставшуюся маржу мощности в каналах. FG4S PA+PV имеет меньший CBR, чем FG и FG4S PV, потому что она может не только извлекает выгоду из запаса мощности, но и может генерировать некоторую экономию мощности с помощью адаптации мощности канала. CBR FG4S PA+PV остается ниже CBR FG и FG4S PV начиная примерно с 26% занятости спектра. Это означает, что даже при низкой нагрузке экономия энергии, обеспечиваемая предложенный механизм управления мощностью может быть полезным.

Мы также заметили, что блокировка для FG4S PA+PV происходит только из-за физической целесообразности и доступности полосы пропускания даже при высокой нагрузке, а при ближайшем рассмотрении оптических уровни мощности, мы заметили, что этот сценарий не ограничивается доступностью оптической мощности. Как объяснялось ранее, сценарий FX3S PA+PV сценарий имеет больший CBR при низком коэффициенте занятости, потому что он использует только 37,5 ГГц интервал для создания 100 Гбит/с каналов: штрафы за фильтрацию (0,64 дБ) уменьшают количество осуществимых путей во всей сети. Но когда когда нагрузка на сеть увеличивается, CBR FX3S PA+PV ниже, чем CBR FG и FG4S PV CBR. Это объясняется прежде всего тем, потому что при 3 слотах на канал, сеть может принять больше каналов, чем при использовании 4 слотов, и, во-вторых, потому что мощность необходимая для этих дополнительных каналов, была предоставлена процессом управления (PA + PV).

Этот анализ подтверждается сценарием FX3-4S PA+PV Он действительно имеет CBR меньше, чем FX3S PA+PV для занятие спектра ниже 65%, потому что пути, отвергнутые из-за их нефизической осуществимости на 37,5 ГГц, устанавливаются здесь с 50 ГГц. Но за это приходится платить более низкой эффективностью использования спектра эффективностью: фрагментация спектра, вызванная смешиванием каналов 37,5 ГГц и 50 ГГц (без фрагментации спектра осознанное распределение спектра) не позволяет использовать всю в отличие от FG4S PA+PV и FX3S PA+PV. Это также подтверждается на рис.5.

Важно отметить, что эффективность использования спектра у FX3S PA+PV немного меньше, чем FG4S PA+PV, поскольку некоторые каналы все еще имеют ресурсы спектра, но их мощность ресурсы полностью используются при высокой нагрузке. Это происходит потому, что установка только 3 каналов слотов не только увеличивает количество каналов, но и уменьшает потенциал для энергосбережения по каналам связи: адаптация мощности обеспечивает меньшую экономию мощности из-за большого штрафа за фильтрацию (0,64 дБ).

Мы замечаем, что при таком дизайне сети величина Pmargin,l звеньев слишком мала, чтобы удовлетворить более 80 каналов (запас мощности звеньев составляет приблизительно 2,5% доступной мощности в сети). В этой ситуации процесс адаптации мощности способен сэкономить достаточно мощности для отмены блокировки по причинам энергопотребления: сценарии с использованием PA FG4S PA+PV, FX3S PA+PV, FX3-4S PA+PV имеют приблизительно 52%, 25% и 35% соответственно оставшейся мощности по всей сети.

На рис.5 показана пропускная способность сети (количество заявок 100 Гбит/с. принятых и установленных заявок) в зависимости от нормированной занятости спектра. Обратите внимание, что 4 слота 100 Гбит/с проходящая, например, через 3 оптических канала (путь в 3 прыжка), будет считаться как 100 Гбит/с по оси y и 3*4 слота (3*50 ГГц) по оси x. Это объясняет, почему FG4S PV и FG4S PA+PV кривая ниже FG, в дополнение к тому. Тот факт, что принятые запросы в FG4S PV и FG4S PA+PV имеют более длинные достижения (количество скачков) при высоких нагрузках, где блокировка мощности появляется в FG. Это объяснение также справедливо для кривых FG4S PV против FG и это особенно заметно на сценарии FX3S PA+PV, который имеет гораздо более короткие пути, в среднем намного короче, чем во всех других сценариях.

Рис. 5. — Пропускная способность сети в сравнении с нормированной занятостью спектра

FG, FG4S PV и и FG4S PA+PV достигают соответственно 137,8 Тбит/с, 158,2 Тбит/с и 173,3 Тбит/с передаваемого трафика соответственно. Таким образом, управление мощностью увеличило пропускную способность сети Fixed-Grid приблизительно на 25%. Как и ожидалось, контроль мощности в сочетании с использованием Flex-Grid с FX3S PA+PV значительно увеличивает пропускную способность сети до 248 Тбит/с. Это составляет 80% увеличения пропускной способности по сравнению с FG (т.е. с учетом увеличения общего спектра на 0,8 ТГц) и на 45% по сравнению с FG и 45% по сравнению с FG4S PA+PV. Мы также отмечаем, что сценарий Flex-Grid со смешиванием 3 и 4 слотовых каналов имеет большую емкость, чем FG4S PA+PV, несмотря на то, что он может занимать меньше спектра. Эти результаты означают, что управление мощностью управление мощностью с адаптацией мощности является эффективным механизмом для извлечения выгоды из общей полосы спектра линии связи, без необходимости перепроектировать существующую оптическую сеть.

VII. Заключение

В данной работе мы рассмотрели проблему ограничения мощности оптического усилителя, с которым сталкивается планировщик сети оператора, при миграции сетей с Fixed-Grid на Flex-Grid. Используя разработанный метод проектирования каналов, который мы подробно описываем в данной работе, мы предложили процесс управления мощностью канала с распределение информации о мощности, проверка мощности, и мы также описываем алгоритм вычисления пути, который включает управление мощностью, и показываем, как весь процесс может быть интегрирован в распределенную плоскость управления на базе GMPLS. Мы предлагаем несколько модификаций для существующих протоколов OSPF-TE и протокола RSVP-TE для включения информации о мощности.

Важно подчеркнуть, что наш процесс управления мощностью полностью независим от дизайна канала, оценщика OSNR или протокола плоскости управления. Любой другой метод проектирования соединения связанный с любым оценщиком OSNR, может быть использован для выполнения управления мощностью.<.p>

Результаты моделирования показали, что процесс управления мощностью является эффективным способом извлечь выгоду из общей пропускной способности Flex-Grid при сохранении использования устаревших усилителей без необходимости перепроектирования ни одного звена в сети. В будущей работе будут подробно описаны подробное описание расширений протокола плоскости управления для OSPF-TE и RSVP-TE, чтобы иметь возможность применять управление мощностью в распределенной сети на основе GMPLS.

Список использованной литературы

1. O. Gerstel, M. Jinno, A. Lord, and S. B. Yoo, “Elastic optical networking: a new dawn for the optical layer” Communications Magazine, IEEE, vol. 50, no. 2, pp. s12–s20, 2012.
2. P. Wright, A. Lord, and L. Velasco, “The network capacity benefits of Flexgrid,” in Optical Network Design and Modeling (ONDM), 2013 17th International Conference on. IEEE, 2013, pp. 7–12.
3. “ITU-T Recommendation G.694.1, Spectral grids for WDM applications: DWDM frequency grid.”
4. P. Poggiolini, “The GN Model of Non-Linear Propagation in Uncompensated Coherent Optical Systems,” Journal of Lightwave Technology, vol. 30, no. 24, pp. 3857–3879, Dec. 2012.
5. F. Vacondio, C. Simonneau, L. Lorcy, J.-C. Antona, A. Bononi, and S. Bigo, “Experimental characterization of Gaussian-distributed nonlinear distortions,” in European Conference on Optical Communications. Optical Society of America, 2011, pp. We–7.
6. A. Carena, V. Curri, G. Bosco, P. Poggiolini, and F. Forghieri, “Modeling of the Impact of Nonlinear Propagation Effects in Uncompensated Optical Coherent Transmission Links,” Journal of Lightwave Technology, vol. 30, no. 10, pp. 1524–1539, may 2012.
7. G. Bosco, A. Carena, R. Cigliutti, V. Curri, P. Poggiolini, and F. Forghieri, “Performance prediction for WDM PM-QPSK transmission over uncompensated links,” in Optical Fiber Communication Confer- ence. Optical Society of America, 2011.
8. D. J. Ives and S. J. Savory, “Transmitter optimized optical networks,” in National Fiber Optic Engineers Conference. Optical Society of America, 2013, pp. JW2A–64.
9. D. J. Ives, P. Bayvel, and S. J. Savory, “Adapting Transmitter Power and Modulation Format to Improve Optical Network Performance Utilizing the Gaussian Noise Model of Nonlinear Impairments,” Journal of Lightwave Technology, vol. 32, no. 21, pp. 4087–4096, nov 2014.
10. J. Auge, “Can we use flexible transponders to reduce margins?” in Op- tical Fiber Communication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference, 2013.
11. A. Mitra, S. Kar, and A. Lord, “Effect of frequency granularity and Link Margin at 100g and beyond Flexgrid Optical Networks,” in Communi- cations (NCC), 2014 Twentieth National Conference on. IEEE, 2014, pp. 1–5.
12. A. Mitra, A. Lord, S. Kar, and P. Wright, “Effect of link margin and frequency granularity on the performance of a flexgrid optical network,” Optics express, vol. 22, no. 1, pp. 41–46, 2014. 13. D. Amar, M. Kanj, J.-L. Auge, N. Brochier, E. Le Rouzic, , C. Lepers, and B. Cousin, “On legacy amplifier limitation in flexgrid optical networks,” in International Conference on photonics in switching, 2015 (Accepted).
14. P. Poggiolini, G. Bosco, A. Carena, R. Cigliutti, V. Curri, F. Forghieri, R. Pastorelli, and S. Piciaccia, “The LOGON strategy for lowcomplexity control plane implementation in new-generation flexible networks,” in Optical Fiber Communication Conference. Optical Society of America, 2013, pp. OW1H–3.
15. F. Vacondio, O. Rival, C. Simonneau, E. Grellier, A. Bononi, L. Lorcy, J.-C. Antona, and S. Bigo, “On nonlinear distortions of highly dispersive optical coherent systems,” Optics Express, vol. 20, no. 2, pp. 1022–1032, 2012.
16. D. Amar, E. Le Rouzic, N. Brochier, J.-L. Auge, C. Lepers, N. Perrot, and S. Fazel, “How problematic is Spectrum Fragmentation in operator’s Gridless network” in Optical Network Design and Modeling, 2014 International Conference on. IEEE, 2014, pp. 67–72.