Dimensionamento de Redes Ópticas Multi-débito com Agregação de Tráfego Intermédio Bruno Délcio Mendes Caseiro (Licenciado) Dissertação para obter o grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Júri Presidente: Professor José Manuel Bioucas Dias Orientador: Professor João José de Oliveira Pires Co-Orientador: Doutor João Pedro, Nokia Siemens Networks Vogal: Professor Paulo Miguel Nepomuceno Pereira Monteiro Maio 2012
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Bruno Délcio Mendes Caseiro - fenix.tecnico.ulisboa.pt
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Dimensionamento de Redes Ópticas Multi-débito com Agregação deTráfego Intermédio
Bruno Délcio Mendes Caseiro(Licenciado)
Dissertação para obter o grau de Mestre em
Engenharia Electrotécnica e de Computadores
JúriPresidente: Professor José Manuel Bioucas DiasOrientador: Professor João José de Oliveira PiresCo-Orientador: Doutor João Pedro, Nokia Siemens NetworksVogal: Professor Paulo Miguel Nepomuceno Pereira Monteiro
Maio 2012
Anyone who has never made a mistake has never tried anything new.Albert Einstein
Agradecimentos
Gostaria de agradecer primeiramente aos meus orientadores Professor João Pires, Doutor João
Pedro da Nokia Siemens Networks e engenheiro João Santos da Nokia Siemens Networks por esta-
rem sempre disponíveis e dispostos a ajudar-me em todos os desafios que foram surgindo ao longo
desta dissertação. De seguida, quero deixar um agradecimento a minha família por todos estes anos
de Universidade onde tiverem de fazer muitos sacrifícios para manter-me a estudar. A minha filha
Larissa Caseiro e a minha namorada Iara Rocha por estarem do meu lado e preencherem a minha
vida com muita alegria.
Por fim, mas não menos importante, um agradecimento aos meus amigos e colegas, em especial ao
Pedro Sousa, pela força e pelos conselhos que me foram passando durante este longo ciclo que se
encerra.
iii
Abstract
This dissertation address the capacity and optimization problem in Long-Haul Optical Networks
applying a novel algorithm for grooming different traffic requests from service layers. This work is
important mainly because the Internet and others interactive services such High Definition Television
(HDTV) and Television over Internet Protocol (IPTV) are increasing dramatically and the capacity
deployed will soon reach the limit. To avoid network strangulation and enormous investments in new
infra-structures and equipments, we developed a tool based on mathematical approach called Integer
Linear Programming (ILP) and an heuristic approach in order to maximize resources utilization and
operators revenue at same time as providing the best service for clients. The ILP shows that when we
deploy in the network muxponders together with cascade technique, just few wavelengths operating
at 111 Gbit/s line rate (with Forward Error Correction (FEC)) are needed to carry many clients with
different rates, 2.5, 10 and 40 Gbit/s. This improvement in efficiency can be boosted if we allow any
node in the trail from source to sink to do grooming with cascade even if this intermediate node does
not have any traffic to send to sink, working as hub node.
The results discussed in this dissertation are very useful in the meaning of network planning
and optimization for the future Optical Transport Networks. This will help operators to delay new
investments and get more revenue from the old network with some minor improvements.
Keywords
Planning, Grooming, Transponders, Muxponders, Optical Transport Network, Integer Linear Pro-
gramming.
v
Resumo
O rápido crescimento da Internet e de alguns serviços interactivos tais como IPTV fazem crer
que brevemente atingir-se-á o estrangulamento das redes, havendo por isso uma necessidade ime-
diata de se efectuar uma optimização eficaz de forma a termos um aumento gradual da capacidade.
Das duas opções que se colocam aos operadores, aborda-se nesta dissertação a optimização das
redes ópticas com multi-débito com agregação de tráfego multi-débito recorrendo-se a muxponders
em cascata nos nós fonte, destino e também em todos os nós intermédios que façam parte do ca-
minho escolhido para transportar o tráfego desde que a operação se justifique em termos de custos
e utilização dos recursos da rede. Para este objectivo desenvolveram-se dois algoritmos, o primeiro
foi elaborado recorrendo-se a Programação Linear Inteira e o segundo é um modelo heurístico que
nos permite uma aproximação a solução óptima para o problema em estudo. Os modelos criados
permitem-nos concluir que é possível optimizar-se os recursos da rede colocando em cada compri-
mento de onda disponível uma maior quantidade de tráfego com granularidades diferentes, passando
cada serviço por um processo de multiplexagem interno sempre que seja necessário ajustar o seu
ritmo de entrada com os demais serviços. Nas redes de telecomunicações a parte mais penosa
em termos orçamentais de se alterar é a infraestrutura que suporta a cablagem. Os modelos aqui
apresentados permitem-nos planear e optimizar as redes com o mínimo custo para os operadores
tirando proveito do estado da rede quer de infraestrutura quer de equipamentos.
O rápido e incessante crescimento da Internet motivado pelos serviços agora disponibilizados
aos utilizadores que vão desde uma simples página informativa passando por operações bancárias
até as redes socais, têm forçado os servidores de Internet a aumentarem a capacidade de trans-
porte de dados nas suas redes. Porém, hoje em dia, nenhum operador pode ficar indiferente às leis
do mercado, a globalização e os factores económicos que devem estar presentes em cada decisão
estratégica e que tem levado as empresas no sector das telecomunicações a desenvolverem metodo-
logias de planeamento cada vez mais eficientes. A redução de custos pode passar pela reutilização
dos equipamentos já existentes na rede, tornando-a mais eficiente ou, instalar novos equipamentos
com uma relação custo-beneficio que comprove ser mais vantajosa em termos globais para a em-
presa. Nas redes, existe uma componente que podemos designar como a componente estática ou
seja, ligações físicas entre os diferentes elementos de rede dispostos pelo conjunto de nós (ligação
por fibra óptica). Os operadores de redes de transporte ópticas sempre que possível tentam não
efectuar alterações a infraestrutura já existente por se tratar dum processo bastante dispendioso.
Por esta razão, o correcto aproveitamento dos canais por cada banda deve ser constantemente per-
seguido evitando-se assim modificações para acréscimo de fibras na rede. A tecnologia existente
(Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)) combinada com lasers de elevada eficiência es-
pectral e filtros cada vez mais selectivos permite que dezenas de canais com débitos de linha até
1111 Gbit/s sejam agrupados na mesma banda com um espaçamento de apenas 25 GHz entre cada
canal empurrando a capacidade dessas redes para os Terabit/s por ligação física.
Apesar dos novos avanços permitirem dezenas de canais a operarem ao débito máximo de li-
nha, é ainda necessário ter em consideração a variedade de sinais provenientes da camada supe-
rior (camada de serviço) e se os mesmos estão optimizados para serem transportados numa rede
Syncronous Digital Hierarchy (SDH) ou Optical Transport Network (OTN). Uma vez que a grande
parte dos dados que ocupam as redes de transporte são provenientes de routers Ethernet com ca-
pacidades significativamente inferiores a capacidade de linha, torna-se essencial proceder a uma
agregação de vários routers de modo a criar-se um sinal com um débito mais elevado reduzindo o
número de canais ópticos ocupados. Este trabalho centra-se no caso em que os sinais agrupados
têm granularidades de 2.5, 10 e 40 Gbit/s, como se verifica nas redes de transporte de longo alcance,
tendo em consideração que os mesmos podem ser combinados em qualquer ponto/nó estratégico
da rede. Esta combinação será objecto de estudo de modo a inferir-se sobre o impacto causado em
termos de custos relativamente ao tipo de tráfego que tem de ser encaminhado tendo em atenção
as limitações de distância impostas pela camada física. Uma vez que o custo do investimento na
rede pode ser previamente estimado em relação ao custo de operação de rede, é natural que este
seja um critério várias vezes escolhido para decisões de investimento e por isso deve representar
tão bem quanto possível a realidade dos operadores.
Todos os factores descritos acima quando combinados forçam as redes a serem escaláveis e
1Para simplicidade este valor poderá ser referenciado como 100 Gbit/s.
2
flexíveis para que possam satisfazer o grande fluxo de tráfego proveniente dos mais variados sec-
tores. Ter uma rede desenhada com equipamento que permite acompanhar a evolução da Internet
maximizando ao mesmo tempo as receitas é fundamental para a sobrevivência no sector das te-
lecomunicações e é por esta razão que se estuda a optimização com recursos a muxponders e
agregação intermédia de tráfego não homogéneo.
1.2 Conceitos e Trabalho Relacionado
O problema da agregação de tráfego ou Grooming2 está identificado desde as redes SDH [10],[11]
conhecidas pela sua topologia em anel. Porém, ao transpor-se este conceito para redes com topo-
logia que se aproxima a uma malha ou seja, conjunto de anéis interligados, devemos ter em consi-
deração que redes SDH em funcionamento dito normal os sinais percorrem todos o mesmo sentido
(rede direccional) e, em caso de falha ou corte o mesmo caminho mas no sentido oposto suporta a
ligação. Nestas redes (SDH) poucos são os nós com grau3 três (ver figura 1.1), havendo por isso
dois conceitos de agregação; Intra-anel e Inter-Anel. Agregação intra anel consiste em criar um trail
não fechado permitindo que outros nós dentro do trail possam usar os recursos disponíveis para
transmitir dados. No caso do Inter-Anel, a agregação processa-se na Digital Cross Connect (DXC)
de alta ordem onde todo o tráfego que deve ser enviado para um outro anel é agrupado. Nas redes
em malha facilmente encontram-se nós com grau superior a três o que permite que o tráfego flua de
forma não controlada ou pré-defina, deixando a cargo de cada nó na rede a decisão de encaminha-
mento. Para redes/nós onde a opção de encaminhamento para o canal em serviço não está restricta
a apenas uma saída, é possível aplicar o protocolo Automatically switched optical network (ASON)
[12] deixando a rede/nó decidir de forma independente qual o caminho a usar para transportar o seu
tráfego dentro das alternativas e das restrições de distância que por sua vez são dependentes do
débito a transportar. De forma a reduzir-se a complexidade do problema introduziu-se o conceito de
Reachability Graph que permite saber para um determinado nó da rede quais os nós que estão ao
seu alcance sem que o sinal óptico seja regenerado antes de atingir o seu destino. Em seguida são
descritos os conceitos principais da área científica onde este trabalho se insere.
Redes de Longo Alcance : São redes onde a distância física entre dois pontos encontra-se
normalmente contida entre os 1000 e 3500 quilómetros, valores estes que dependem do débito a
transmitir mas a tendência aponta para distâncias cada vez maiores. Estas redes são normalmente
esparsas e a distância é maioritariamente balizada pelos limites tecnológicos dos emissores e recep-
tores [1] bem como pelo ruído introduzido pelos amplificadores de linha conhecido como Amplified
Spontaneous Emission (ASE) [13]. Em [1], é apresentado um estudo sobre o impacto nos custos
da rede com o aumento do alcance máximo que cada nó pode atingir permitindo que alguns sinais
sejam comutados no domínio óptico sem haver necessidade de regeneração apenas a introdução
de Optical Cross Conect (OXC) (figura 1.2) que apresenta, em média, um custo inferior a um rege-
nerador. O estudo mostra ainda que nós com capacidade de alcance entre 2500 e 3500 reduzem2Termo anglo-saxónico adoptado na literatura3número de ligações físicas que incidem no nó
3
Figura 1.1: OADM com grau três, [1].
o número de equipamentos activos (regeneradores) a 90 % o que torna o custo da rede muito mais
reduzido quando comparado com ligações com 1000 Km. Alguns resultados obtidos por [1] estão
ilustrados na figura 1.3 onde é possível verificar para quatro redes distintas o mesmo comportamento.
Figura 1.2: Bypass óptico, [1].
Embora se esteja a caminhar para redes que trabalhem totalmente no domínio óptico, ainda con-
tinuará a ser necessário regenerar o sinal para que este atinja o seu destino em condições aceitáveis
para ser recuperado e interpretado. Mais informações sobre tipos de arquitectura de regeneração
que podem ser usados estão em [1] tendo em consideração o custo e a flexibilização em termos de
reconfiguração. Dos três tipos que podem ser encontrados no estudo, o método mais simples porém
menos flexível e que é tido em consideração ao longo desde trabalho é, ligando dois transponders
costas com costas (back-to-back ) quando não há necessidade de agrupar os sinais. Caso seja ne-
cessário agrupar os sinas, os transponders e muxponder são ligados através de um backplane que
permite uma maior flexibilidade de configuração das ligações alcançando-se, para o mesmo custo,
maior capacidade de configuração da rede e eficiência.
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Figura 1.3: A figura, extraída de [1], mostra o comportamento para o número de regeneradores que são neces-sários instalar em função do alcance máximo para o sinal óptico
Light-Trail e Ligth-Path: Light-trail designa um caminho que é percorrido por um feixe de luz e
que pode ser acedido em qualquer ponto da rede para extracção e adição de tráfego. Mais ainda,
um light-trail pode ser partilhado por vários nós como ilustra a figura 1.4, onde se pode encontrar a
comparação entre os dois modelos para transporte de serviços. É importante realçar que a partilha
no domínio óptico do mesmo caminho (trail) e comprimento de onda requer protocolos adicionais
(ex. Time Division Multiplexing (TDM)) de acesso ao meio. Por outro lado, o Ligth-path é um caminho
entre a fonte e o destino ao qual é atribuído um comprimento de onda que não pode ser acedido
para operações de adição e extracção de tráfego nos nós intermédios. O estudo elaborado em [14]
analisa qual o melhor comprimento para os light-trails que se traduz numa melhoria no uso da largura
de banda disponível onde conclui que ligth-trails mais curtos ou seja, com menor número de saltos
são melhores que ligth-trails mais longos.
A figura 1.4 mostra os nós a trabalharem em modo de rajada. No caso que estamos a estu-
dar podemos ver o sistema como uma junção entre o light-trail e o light-path porque temos nós a
trabalharem em modo contínuo e nós a acederem ao tráfego que flui entre a fonte e o destino.
Reachability Graph: É um grafo que contém todos os caminhos possíveis entre um par de nós
por onde o sinal óptico pode ser encaminhado com condições de degradação aceitáveis sem ser ne-
cessário recorrer a regeneração a meio do percurso. Estes grafos permitem reduzir a complexidade
dos algoritmos de encaminhamento e o tempo de computação ao criar uma camada de abstração
que nós permite verificar e validar todas as limitações provocadas pelos fenómenos físicos que se
fazem sentir nas redes de longo alcance, [15] utiliza ASE e o factor Q para criar um conjunto de
5
Figura 1.4: Light-trail versus Light-path, retirada de [2].
grafos que se vão interligando com o objectivo de reduzir o número de nós opacos. Trabalho se-
melhante pode ser encontrado em [16],[17] e [18] onde o objectivo é minimizar o número de nós de
regeneração e de elementos activos na rede para satisfazer todos os pedidos de tráfego.
Tem sido prática comum nos trabalhos científicos que abordam questões de optimização efectuar
testes aos modelos propostos sobre as redes Pan-Europeia (Cost 266) e Americana NSF. Para estas
redes, [19] elaborou um estudo em 2004 sobre as características de tráfego bem como as previsões
de crescimento e, como demonstra o estudo, o tráfego Internet Protocol (IP) já predominava sobre
o tráfego de voz e dados e a previsão de crescimento a cada ano era de 100% para IP contra os
10% e 30% para voz e dados respectivamente. Estudos mais recentes sobre a utilização de circui-
tos, apresentados em [3], mostram que 80% dos circuitos operavam a 10 Gbit/s e a percentagem
correspondente aos circuitos a 40 Gbit/s e 100 Gbit/s são circuitos com muxponders como se pode
verificar na ilustração 1.5. O mesmo estudo prevê ainda para 2012 um aumento de duas vezes no
uso de muxponders nas redes de longo alcance para acomodar o crescimento da rede IP.
Figura 1.5: Ocupação dos circuitos nas redes de transporte ópticas apresentados em [3].
6
1.2.1 Evolução do Processo para Agregação de Tráfego
Na sua maioria, os estudos científicos sobre agregação de tráfego nas redes ópticas, modelados
sobre programação linear inteira, lidam apenas com a problemática na fonte e também separam ou
simplesmente não incluem a conversão de comprimentos de onda nos nós opacos onde é efectuada
a regeneração do sinal. Além disso, poucos são os que focam o custo efectivo dos equipamentos
nas suas abordagens quer em Programação Linear Inteira (Integer Linear Programming (ILP)) como
heurísticas. O artigo [20] foi das primeiras publicações a estudar a agregação de tráfego tendo em
vista a redução de custos com a utilização de equipamentos activos na rede. A abordagem adoptada
simplificava o problema centrando o custo nos transmissores/receptores (transceivers), definindo à
priori um conjunto de light-paths baseado no caminho mais curto entre dois nós. O modelo deixa cla-
ramente de fora a atribuição de comprimentos de onda e a liberdade de utilização de outros possíveis
caminhos. A heurística apresentada utiliza uma das abordagens de [21] onde primeiro se satisfaz
cada pedido e posteriormente tenta-se utilizar a capacidade máxima disponível em cada light-path,
eliminando sucessivamente àqueles que apresentam uma baixa eficiência espectral migrando o seu
tráfego para outros.
O objectivo de [22] é apresentar um modelo matemático flexível em termos de objectivos podendo-
se inferir sofre o número máximo de light-paths ou, por exemplo, a quantidade total de DXC. En-
quanto [20] não considera restrições ao nível de atribuição e continuidade de comprimentos de onda
nem a possibilidade de agrupar no mesmo ligth-path pedidos de diferentes fontes, [22] já considera
todas estas hipóteses no seu modelo elaborado um ano mais tarde, em 2002. Em ambos os es-
tudos é considerado que os pedidos de tráfego são todos da mesma granularidade não havendo
qualquer diferenciação. Por sua vez, [23] torna o problema mais próximo da realidade permitindo
que os pedidos de tráfego possam ser uma fracção da capacidade do canal com objectivo de mi-
nimizar o número de Add Drop Multiplexer (ADM) maximizando a quantidade de pedidos que são
transportados em cada light-path que se estabelece. Ao contrário de [20] e [22], [23] menciona que
os sinais deverão ser agrupados no domínio eléctrico usando TDM, técnica esta que ainda perma-
nece dominante para este tipo de operações devido a complexidade do processo no domínio óptico.
[23] no seu modelo de programação linear não tem em consideração o custo em ter light-paths com
diferentes débitos permitindo que pedidos de débito mais baixo sejam encaminhados directamente
aumentando a probabilidade de bloqueio para pedidos de alto débito que se traduz numa maior ine-
ficiência no uso da largura de banda disponível em cada canal. [23] não descreve no seu estudo o
impacto em termos de custo ao fazer-se a agregação de vários pedidos de tráfego com granularida-
des distintas. O trabalho em [24, 25] é bastante semelhante a [23] tendo o primeiro como objectivo
a redução do atraso de propagação que é proporcional ao número de saltos que cada light-path
deve dar até atingir o seu destino e o segundo a redução dos custos com transponders. [25] resolve
primeiro o problema de encaminhamento e só depois a atribuição dos comprimentos de onda o que
pode levar ao bloqueio de alguns pedidos como demonstra [26]. Para questões de agregação de
tráfego com preocupações no consumo de energia o artigo [27] serve como referência.
Os autores em [28] pela primeira vez apresentam um modelo ILP para resolver a questão de
7
agregação usando light-trails mas, a complexidade da formulação (NP-hard) [21] torna o problema
intratável para a maioria das redes. Adicionalmente, o conceito light-trail introduz em cada nó em
que o sinal atravessa uma penalidade na potência devido a necessidade de dividir o sinal a entrada
e recombina-lo novamente na saída o que limita a sua utilização para redes que operam a débitos
acima dos 10 Gbit/s porque, embora se possa amplificar o sinal várias vezes, existe um limite im-
posto pelo ruído que se acumula de secção em secção e que não é possível eliminar sem se recorrer
ao domínio eléctrico para regenerar o sinal. O artigo [28] utiliza estrategicamente alguns nós como
concentradores (hub) para maximizar a carga em determinadas ligações e minimizar o número de
comprimentos de onda a custa de menor balanceamento da carga na rede. A abordagem utilizada
nesta dissertação é semelhante embora permita que todos os nós se comportem como concentrado-
res não apenas um conjunto pré-seleccionado. O estudo apresentado em [29] analisa com algoritmos
não matemáticos a probabilidade de bloqueio entre ligth-path versus ligth-trails no que diz respeito a
agregação de tráfego. Os trabalhos de [30, 31] apresentam modelos que combinam light-paths com
light-trails explorando agregação de tráfego só ao nível óptico com resultados bastante promissores
na redução de operações Optical-Electrical-Optical (OEO) mas, partindo de um conjunto vasto de
suposições que na prática podem ser de difícil implementação.
O conceito light-trail tem conquistado espaço na comunidade científica pelo facto de permitir a
redução significativa de conversões OEO porém, em todos os modelos consultados não foi possível
perceber a partir de que ponto se torna mais viável usar ligth-trails em detrimento de ligth-paths uma
vez que os custo de se ter todos os equipamentos, desde os simples monitores da rede que permitem
verificar os time-slots livres, os encaminhadores ópticos ou Wavelength-Routing Switch (WRS) até
aos transmissores não é estudado.
Em relação ao problema da agregação de tráfego e colocação de regeneradores tendo em con-
sideração as limitações físicas, expressas no Reachability Graph, encontra-se na heurística de [4]
um estudo aprofundado com um modelo de custos pré-definido para os elementos de rede, ficando
apenas de fora a utilização de muxponders em cascata, a possibilidade das ligações poderem ser
efectuadas por qualquer caminho que cumpra com as restrições e o estudo para débitos de 100
Gbit/s. O modelo em [4] compara a utilização de duas cartas de linha com cartas de agregação
para regenerar o sinal interligando-as através do backplane do Reconfigurable Optical Add-Drop
Multiplexer (ROADM) (figura 1.6), em conjunto com cartas de regeneração através de um algoritmo
heurístico. Os mesmos autores, apresentam uma nova versão [5] mas desta vez modelando o pro-
blema sobre programação linear inteira. A tabela 1.1 mostra os valores que foram usados nos dois
artigos mencionados. O modelo de custos bem como os algoritmos apresentados nestes artigos
([4],[5]) foram de elevada importância na realização desta dissertação tendo servido como ponto de
partida e de referência ao longo do processo de desenvolvimento dos algoritmos.
Os autores de [9] abordam um problema semelhante ao que é abordado nesta dissertação, apre-
sentando um modelo matemático extenso e complexo com utilização de transponders e muxponders
e ainda protecção de tráfego. O problema da atribuição de comprimento de onda é resolvido de
forma separada além dos nós capazes de agregação serem pré-definidos numa camada superior
8
Tabela 1.1: Table de preços extraída de [4],[5]
Figura 1.6: Arquitectura de nó com ROADM, [4] e [5]
com base em caminhos pré-escolhidos balizados pelos limites tecnológicos. [32] suaviza o modelo
matemático e relaxa algumas restrições permitindo obter resultados para redes até 16 nós. O autor
da dissertação recomenda [32] para uma visão geral da solução para problema em questão.
A presente dissertação teve também como base de cálculo para os seus modelos ILP a tabela de
custos para equipamentos activos do artigo [5], excluindo os custos associados as cartas de cliente
e cartas de linha por não fazerem parte do modelo que foi desenvolvido.
1.3 Contribuições Originais
O presente documento tem como objectivo principal o desenvolvimento de uma ferramenta para
o dimensionamento optimizado de redes ópticas multi-débito com agregação de tráfego intermédio.
Neste sentido, apresenta-se de forma sucinta as funcionalidades dos algoritmos desenvolvidos e
descritos no capítulo 3 para o objectivo a que nos propusemos. A primeira contribuição deste trabalho
foi elaborada recorrendo-se a Programação Linear Inteira que nos permite obter soluções óptimas
9
para os problemas em estudo enquanto a segunda é uma heurística criada a partir dos resultados
observados após aplicação do modelo matemático e que nos permite atingir uma aproximação ao
valor ideal sendo, em contrapartida, menos complexa em termos computacionais. Para a segunda
solução foram aplicados conhecimentos de programação (C#) que ajudaram a criar uma ferramenta
simples e intuitiva permitindo qualquer utilizador testar as soluções que aqui se apresentam bem
como dos trabalhos científicos que foram usados como base, colmatando-se assim alguma lacuna
existente nesse sentido.
1.3.1 Contribuição Científica
O trabalho realizado no âmbito da presente dissertação vem clarificar alguns resultas publicados
na literatura e introduz novos modelos matemáticos para optimização de redes de transporte hete-
rogéneas. O dimensionamento das redes de transporte com agregação de tráfego é abordado quer
com modelos já estudados na literatura e melhorados de modo a atender as exigências futuras de
requisitos de banda que vai de certo forçar a adopção prematura de OTN. As grandes contribuições
científicas, que serão detalhadas no capítulo 3, são as seguintes:
1. Desenvolvimento de um algoritmo ILP que permite efectuar a agregação de tráfego na fonte
usando Muxponders que agregam tráfego do seguinte modo : 4 × 2.5 Gbit/s para 10 Gbit/s, 4
× 10 Gbit/s para 40 Gbit/s e por último, 2 × 40 Gbit/s para 100 Gbit/s.
• 1o Melhoramento: Permitir que vários muxponders possam ser agrupados em cascata.
• 2o Melhoramento: Permitir que na entrada de um muxponder esteja um sinal proveniente
de outro muxponder de débito inferior ou um sinal proveniente de um transponder.
• 3o Melhoramento: Possibilidade de ter-se sinais de 2.5 Gbit/s agrupados com sinais de
40 Gbit/s para serem transportados num canal a 100 Gbit/s utilizando os andares de mux-
ponders.
Para os melhoramentos propostos no primeiro algoritmo o autor desconhece qualquer estudo
publicado sobre o assunto sendo esta uma nova abordagem que visa responder aos problemas
de custos de instalação e operação que os operadores enfrentam.
2. Desenvolvimento (ou melhoramento do anterior) de um modelo ILP que permite efectuar todas
as operações descritas no primeiro algoritmo com as seguintes novas funcionalidades:
• 1o : O tráfego pode ser agrupado em qualquer nó da rede sem perder as propriedades do
primeiro algoritmo. Agregação Intermédia com muxponders em escada.
• 2o : O nó em que é feita a agregação não tem de necessariamente produzir tráfego po-
dendo servir apenas como um ponto de aglomeração de todos ou alguns sinais que por ele
passam. Até onde o autor conhece através da investigação efectuada, os modelos apre-
sentados só permitem agregação de tráfego quando o nó agregador em causa também
tem pedidos para serem satisfeitos.
10
3. Desenvolvimento de um algoritmo heurístico que permite resolver o problema de dimensiona-
mento para redes de maior escala. O algoritmo efectua agregação do tráfego comparando para
K caminhos qual o caminho que oferece melhor poupança em termos de custos totais da rede.
Para dar alguma clareza em relação aos modelos publicados no que diz respeito ao transporte
de 100 Gbit/s, o modelo permite verificar se é possível transportar um sinal de alto débito na
rede e, caso não seja possível não se efectua agregação de 40 Gbit/s para 100 Gbit/s mas
sim uma multiplexagem inversa que consiste em dividir o sinal de 40 Gbit/s em quatro sinais
distintos de 10 Gbit/s.
1.3.2 Contribuição não Científica - Software
Dado o número de variáveis e pré-processamento necessários para se implementar e testar os
modelos desenvolvidos, criou-se uma ferramenta em software que permite a qualquer utilizador vali-
dar os modelos apresentados nesta dissertação, visualizar grafos e ainda efectuar outras pequenas
operações através de uma interface de utilizador gráfica desenvolvida em C#, ver figura 1.7. Mais
detalhe sobre a utilização desta ferramenta pode ser encontrado no anexo A
Figura 1.7: Aplicação desenvolvida para auxiliar o utilizador a obter e interpretar os resultados dos modelosapresentados.
1.4 Organização do Documento
O presente documento organiza-se da seguinte forma:
O capitulo dois apresenta a caracterização das redes ópticas salientando os aspectos fundamen-
tais da multiplexagem por comprimento de onda, vulgo WDM, prossegue com uma descrição breve
sobre as questões fulcrais a ter com consideração aquando do planeamento de uma rede de teleco-
municações em geral e em particular as redes de transporte de longo alcance. Descreve a divisão
11
das redes em dois tipos de topologia e apresenta as diferentes formas como estas podem ser usadas
para transportar os distintos protocolos da camada de rede. Ainda neste capítulo é abordada a ques-
tão do encaminhamento dos pedidos bem como a gestão dos comprimentos de onda. Apresenta-se
e descreve-se os elementos quer passivos e activos relevantes nas redes WDM e por fim estuda-se
as limitações impostas pelo meio físico.
Reserva-se para o capítulo 3 a apresentação do algoritmo para agregação na fonte com objectivo
de resolver o problema mais simples do dimensionamento para posteriormente acrescentar-se gra-
dualmente os modelos seguintes que vão tentar resolver o problema abrangendo um número maior
de possibilidades. No capítulo 4 descreve-se o ambiente de simulação e a bateria de testes utilizada
para se comparar os modelos apresentados. O capítulo 5 traz as conclusões gerais discutidas no
capítulo 4 e infere sobre o cumprimento dos objectivos e a sua utilidade. Algumas directrizes para
futuras pesquisas na área de planeamento de redes ópticas heterogéneas são aqui mencionadas.
A regeneração do sinal é feita no domínio eléctrico com recurso a duas cartas de linha (trans-
ponders ou muxponders) ligadas costas-com-costas. Os nós amplificadores normalmente recorrem
a Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) e, à entrada e saída de cada amplificador encontra-se um
módulo usado para a compensação de dispersão.
2.4.4 Recolha de informação
A recolha de informação sobre os diferentes aspectos afectos a transmissão deve ser feita logo
no inicio do planeamento da rede. As principais questões, dadas na tabela 2.3, envolvem débitos
binários, taxas de erro de bits, largura de banda, efeitos não lineares, relação sinal-ruído e distâncias
de transmissão. Estas questões de quão longe, quão bom e quão rápido definem as restrições do
sistema.
20
Tabela 2.3: Considerações de planeamento
Factores Considerações / EscolhasDistância de transmissão Complexidade aumenta com a distânciaTipos de fibras ópticas Multimodal ou UnimodalDispersão Regeneração ou Compensação de dispersãoNão Linearidades Comprimentos de onda e potências de emissãoComprimento de onda de serviço Janelas de transmissão (Banda-C, Banda-E)Fonte de luz LED ou LASERSensibilidade do receptor Débito e distância de transmissãoFoto-detector PIN, APDModulação Externa, chirp e débito a transmitirBit Error Ratio (BER) 10−9, 10−12, possibilidade de usar FECRelação Sinal-Ruído Limites por secção e da cadeia completaComprimento de secção Número de conectores e perdas de inserçãoRequisitos de funcionamento Temperatura, voltagens de trabalho, espaço
2.5 Agregação de Tráfego nas Redes de Transporte
Tendo sido notório o rápido crescimento em termos de largura de banda que os utilizares con-
somem nas suas casas onde grande fatia desde consumo está ligada as aplicações interactivas
como mostra o estudo da figura 2.10. O tráfego correspondente aos dados tem vindo a aumen-
tar de uma forma insaciável e as redes têm convergido cada vez mais para redes IP. As redes
que se encarregam de transportar o tráfego IP são, na sua maioria, redes SDH/Synchronous Optical
Network (SONET). Uma vez que as redes metro têm requisitos diferentes das redes de longo alcance
[13], a escolha do tipo de tecnologia deve ser cautelosamente estudada para que não exista sobre
dimensionamento ou sub-dimensionamento e para isso os operadores desenvolvem ou compram
ferramentas para os ajudar nesse processo.
A Ethernet foi desenvolvida com o objectivo de interligar diferentes máquinas no âmbito das redes
locais de computadores. No entanto, com a evolução e o baixo custo da tecnologia, a Ethernet foi-se
expandindo e actualmente encontra-se largamente usada quer nas redes do cliente como nas redes
metropolitanas de acesso e core. Hoje, já é possível adquirir-se um computador pessoal com uma
interface Ethernet com capacidade para gerar informação a um ritmo até 1 Gbit/s que corresponde
ao um décimo do tipo de tráfego dominante nas redes de transporte ou seja, 10 Gbit/s. O SDH
convencional devido a sua estrutura de multiplexagem (figura 2.9) apresenta algumas ineficiências
no transporte de tramas Ethernet e por isso foi desenvolvido o SDH de nova geração que permite
concatenação virtual (Virtual Concatenation (VCAT)) dos contentores que transportam a informação
aumentando para quase 100 % a eficiência como se pode ver na tabela 2.4. Com VCAT parte do pro-
blema fica resolvido mas a questão do desperdício de largura de banda com a protecção de serviços
não cruciais (best-effort) mantém-se. Para estes serviços a protecção de tráfego não é de elevada
importância e transportá-los sobre a tecnologia SDH com protecção de caminho seria sem duvida
um desperdício de capacidade e custos não lhes conferindo nenhuma vantagem adicional. Com
OTN e WDM podemos ter na mesma fibra vários canais a transportar diferentes serviços e em caso
de falha podemos comutar os sinais para outros portos que correspondem a caminhos redundantes
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por ordem de severidade do serviço. Assim, serviços mais críticos são alocados primeiro ocupando
a largura de banda disponível na ligação.
Figura 2.9: Mapeamento e multiplexagem do SDH, [8]
A pilha de protocolos IP sobre ATM sobre SDH sobre WDM é ineficiente e redundante. IP so-
bre WDM oferece menos latência, aprovisionamento automático e elevada utilização da largura de
banda. Para fazer face ao rápido crescimento do volume de tráfego gerado pelos consumidores do-
méstico é imperativo instalar o mais breve possível sistemas eficientes com capacidade de 40 Gbit/s
e planear para o futuro 100 Gbit/s segundo as previsões de crescimento a médio prazo. Para isso, as
redes de transporte ópticas OTN da norma ITU-T G.709 são o novo objectivo providenciando modos
de multiplexagem mais directos reduzindo a complexidade e número de protocolos na pilha.
Tabela 2.4: Eficiência do SDH convencional versus SDH de nova geração [8]
2.6 Aspectos Físicos da Agregação de Tráfego
Existem algumas arquitecturas físicas propostas para a agregação de tráfego. A figura 1.6 des-
creve o modo de funcionamento de um nó equipado com tecnologia capaz de efectuar agregação de
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tráfego bem como comutação de tráfego entre as fibras de entrada e saída. O ROADM recebe os
canais das fibras provenientes do lado oeste e faz um das seguintes operações:
• Comuta o comprimento de onda directamente para uma fibra de saída (este).
• Encaminha o comprimento de onda (oeste) para um regenerador que posteriormente o reen-
caminha para processamento adicional ou directamente para saída.
• O ROADM pode também encaminhar o sinal óptico para uma carta de agregação através de
cartas de linha auxiliares.
• As cartas Transponder Card (TC) são responsáveis por agrupar os sinais provenientes dos
clientes que se ligam neste ponto da rede. As TCs podem ser vistas como muxponders porque
além de tornam os sinais coerentes com a tecnologia WDM de transporte também os agrupam
em sinais de maior débito.
• As Grooming Card (GC) são responsáveis por agrupar os sinais. que chegam em Line Card
(LC) ou Client Card (CC).
Figura 2.10: Consumo de largura de banda nas redes por todos continentes
Como já foi referido neste documento, os sinais podem ser regeneradores de diferentes modos;
com carta regeneradora, transponders/muxponders ou utilizando cartas de agregação como mostra
a figura 1.6. O modelo de custos apresentado por [5] na tabela 1.1 considera que um transponder
que faz agregação de tráfego dos clientes tem um custo que é metade do custo previsto para os
regeneradores com a mesma granularidade de tráfego. Já os autores em [9] aprestam um modelo de
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custo onde o valor dos transponder é diferenciado dos muxponders como se pode observar na tabela
2.5. Das duas relações de custos consultadas (tabelas 1.1 e 2.5) o autor desta dissertação decidiu
combinar e derivar uma terceira relação que será usada na presente dissertação e encontra-se na
tabela 2.6. Para além disso, e uma vez que não há uma correspondência unívoca, na ferramenta
desenvolvida é possível variar os custos ajustando-se os valores a cada realidade.
Figura C.1: Matrizes 2.5, 10, 40 Gbps geradas de forma aleatória
C-2
DResultados da validação do modelo
global
D-1
IGGsd_15_r_1_j3 V alue : 1IGGsd_32_r_1_j1 V alue : 1IGsd_56_r_0_j4 V alue : 1IMs1d2_r0_i1 V alue : 1IMs1d2_r0_i2 V alue : 1IMs1d2_r1_i11 V alue : 1IMs1d5_r0_i1 V alue : 1λs1d5_r0 V alue : 1λs1d2_r0 V alue : 6λs1d5_r1 V alue : 1λs3d2_r1 V alue : 3λs3d5_r2 V alue : 1λs4d6_r0 V alue : 1λs4d2_r1_i4_j2_w0 V alue : 1λs5d2_r0_i3_j2_w0 V alue : 1λs5d2_r0_i5_j3_w0 V alue : 1λs5d6_r0_i5_j4_w0 V alue : 1λs5d6_r2_i5_j6_w0 V alue : 1Ms1d2_r2_i1_j2_w0 V alue : 1Ms1d5_r1_i1_j3_w0 V alue : 1Ms3d2_r1_i3_j1_w0 V alue : 1Ms3d5_r2_i3_j5_w0 V alue : 1Ms4d6_r0_i4_j6_w0 V alue : 1Pij1, 2_w0_k1_r3 V alue : 1Pij1, 3_w0_k1_r2 V alue : 1Pij3, 1_w0_k1_r2 V alue : 1Pij3, 2_w0_k2_r0 V alue : 1Pij3, 5_w0_k1_r3 V alue : 1Pij4, 2_w0_k1_r1 V alue : 1Pij4, 6_w0_k1_r1 V alue : 1Pij5, 3_w0_k1_r0 V alue : 1Pij5, 4_w0_k1_r0 V alue : 1Pij5, 6_w0_k1_r2 V alue : 1