Grupo de Trabalho Ethernet

Dynamic Bandwidth and Wavelength Allocation Scheme for Next-Generation Wavelength-Agile EPON

Lin Wang, Xinbo Wang, Massimo T ornatore, Hwan Seok Chung, Han H yub Lee, Soomyung Park, and Biswanath Mukherjee

Abstract

Recentemente, o Grupo de Trabalho Ethernet IEEE 802.3 classificou três arquiteturas para a rede óptica passiva Ethernet de próxima geração (NG-EPON). Eles são denominados PON de domínio de agendamento único (SSD), PON de domínio de multi-agendamento (MSD) e PON de comprimento de onda (WA), e eles diferem com base em como um grupo de unidades de rede óptica (ONUs) compartilha um comprimento de onda. Os esquemas de alocação de largura de banda dinâmica e de comprimento de onda existentes (DBWA) para EPON convencional podem ser aplicados em MSD-PON e SSD-PON, mas não WA-PON. Isso ocorre porque o WA-PON é uma nova arquitetura com flexibilidade total onde um número flexível de comprimentos de onda pode ser atribuído a uma ONU e várias ONUs podem transmitir ao mesmo tempo. Neste trabalho, desenvolvemos um modelo matemático e um novo esquema DBWA para programação de transmissão em WA-PON. No entanto, como WA-PON incorre em penalidades em termos de atraso e consumo de energia quando uma ONU ativa suas transmissões em novos comprimentos de onda, um trade-off entre economia de energia e redução de latência de transferência de dados precisa ser cuidadosamente abordado ao executar o agendamento de transmissão. Então, desenvolvemos um modelo de consumo de energia e modificamos o esquema DBWA proposto para aumentar a eficiência energética do WA-PON. Finalmente, realizamos experimentos de simulação para avaliação de desempenho das três arquiteturas PON em termos de latência e taxa de perda de pacotes. Nós avaliamos quantitativamente a influência de vários parâmetros, como o número de transceptores da ONU e o tamanho do buffer da ONU, sobre a latência WA-PON e a relação de perda de pacotes e avaliamos o ganho de eficiência energética do esquema DBWA modificado.

1. INTRODUÇÃO

O recente índice de rede visual da Cisco [1] informa que a quantidade de dados de IP tratados pelas redes de acesso deverá realizar aumentos sustentados e excederão 190 exabytes até 2018, com um ritmo até atingir 500 exabytes em 2020. Esse aumento das demandas de largura de banda é estimulante novas implementações de redes ópticas passivas (PONs), devido às suas características desejáveis, como alta capacidade, baixa latência e eficiência de custos.

Entre as atuais tecnologias PON, o Ethernet PON (EPON) com 1 Gbit / s wavelength tem sido uma tecnologia de acesso óptico líder do mercado por vários anos. No entanto, como 1G-EPON não pode satisfazer o crescimento da taxa de dados de acesso previsto devido à sua capacidade limitada de comprimento de onda, um IEEE

O grupo de trabalho 802.3 ad hoc [2] foi criado para EPON da próxima geração (NG-EPON). Recentemente, um novo padrão foi lançado [2] afirmando que o NG-EPON deve operar a uma taxa agregada de dados de 10 Gbit / s por comprimento de onda com cobertura de até 100 km.

Um sistema PON genérico consiste em um terminal de linha óptica (OLT) localizado no escritório central e conectado a múltiplas unidades de rede óptica (ONUs) através de uma rede de distribuição óptica baseada em árvore ou em anel. Dependendo da conectividade lógica direta, o NG-EPON pode suportar diferentes arquiteturas, incluindo PON de fibra dedicada, PON de multiplexação por divisão de tempo (TDM), multiplexação por divisão de onda (WDM) PON e multiplexação de divisão de tempo e onda (TWDM ) PON híbrido. Em particular, no PON híbrido, um conjunto de comprimentos de onda é compartilhado ao longo do tempo por ONUs diferentes em vez de serem dedicados como no WDM-PON, e isso melhora a eficiência do uso de recursos de rede.

Dependendo de como a largura de banda é gerenciada em vários comprimentos de onda, o PON híbrido pode ser classificado como PON de domínio único de agendamento (SSD), multi-agendamento de domínio (MSD) PON e PON [2] ágil de comprimento de onda (WA). Neste estudo, investigamos os esquemas dinâmicos de alocação de largura de banda e onda (DBWA) para esses três PONs híbridos. DBWA é um mecanismo implementado em OLTs para alocar dinamicamente a largura de banda em vários comprimentos de onda em termos de janelas de tempo para transmissão de dados em cada ONU em montante. Cada ONU pode transmitir dados apenas no (s) seu (s) comprimento (s) de onda atribuído durante a janela de tempo alocada para evitar conflitos com outras ONUs. Em MSD-PON, cada ONU pode transmitir apenas um comprimento de onda a montante, e muitas ONUs podem transmitir simultaneamente em diferentes comprimentos de onda, como mostrado na Fig. 1 (a). Em SSD-PON, cada ONU deve transmitir em todos os comprimentos de onda a montante, como mostrado na Fig. 1 (b); portanto, as ONUs não podem transmitir simultaneamente. Essas duas soluções de PON híbridas foram reconhecidas como suficientes em cenários convencionais.

Fig. 1. Illustrations of three hybrid PON solutions: (a) MSD-PON, (b) SSD-PON, and (c) WA-PON.

No entanto, novas tendências estão sendo observadas no comportamento do tráfego dos usuários em redes de acesso, por exemplo, 1) negócios e usuários residenciais têm horas ocupadas diferentes, o que significa que apenas algumas ONUs exigem grande largura de banda em um determinado momento do dia e A ONU com grandes requisitos de largura de banda pode mudar durante o dia e 2) a distribuição do tráfego é muito distorcida, com, por exemplo, cenários de implantação real onde 10% dos assinantes consomem cerca de 50% de todo o tráfego de dados [3,4]. Portanto, o NG-EPON deve ser projetado para um cenário mais complexo [5-9], onde "fluxo de elefantes", por exemplo, uma estação base celular coexiste com "fluxo de camundongos", por exemplo, uma máquina para máquina (M2M ) comunicação.

Para melhor acomodar essa diversidade de tráfego entre as ONUs, a WA-PON foi recentemente proposta pelo Grupo de Trabalho Ethernet IEEE 802.3 como outra solução híbrida PON. O WA-PON suporta flexibilidade total de atribuição e compartilhamento de comprimento de onda, uma vez que qualquer número de comprimentos de onda podem ser atribuídos a qualquer ONU em um determinado momento e muitas ONUs podem transmitir simultaneamente desde que seus comprimentos de onda atribuídos não sejam sobrepostos, como mostrado na Fig. 1 (c). Nesta figura, note que a ONU6 tem muito mais dados para transmitir do que ONU1 e ONU8, então nós atribuímos dois comprimentos de onda a ONU6 e um comprimento