REDES ÓPTICAS ELÁSTICAS COGNITIVAS: OTIMIZAÇÃO DO PROBLEMA DO ROTEAMENTO E ALOCAÇÃO DE ESPECTRO

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

THIAGO BATISTA DE OLIVEIRA ROMA

REDES ÓPTICAS ELÁSTICAS COGNITIVAS: OTIMIZAÇÃO DO PROBLEMA DO ROTEAMENTO E ALOCAÇÃO DE ESPECTRO

RECIFE, 15 DE JUNHO DE 2015

1. JUSTIFICATIVA

        Com o contínuo crescimento das redes de comunicações associado às altas taxas exigidas pelas aplicações de alto consumo de dados tais como conteúdo multimídia, computação em nuvem e ubíqua; cada vez mais é necessário que a infraestrutura das redes ofereça novos atributos, a exemplo de complexidade, escalabilidade, adaptabilidade e melhor gestão de custos na concepção e operação destas redes.

Dentre as redes de telecomunicações propostas e implementadas ao longo dos anos pelo mercado de tecnologia, as comunicações ópticas são as que se apresentaram como as mais promissoras no atendimento aos requisitos das redes de dados, e foram desenhadas para suportar serviços específicos compreendendo diversas plataformas baseadas em tecnologias de propagação de ondas, tais como ATM, SDH, OTN, etc.

        Devido a estas necessidades, diversas pesquisas sobre planejamento e otimização das redes ópticas vem sendo desenvolvidas e algumas perspectivas foram apontadas e estão sendo perseguidas. Para acompanhar os novos desafios, diversos avanços foram observados neste campo de estudo e a tecnologia fotônica amadureceu e, apesar de limitações apresentadas, vem mostrando-se como a solução atual mais apropriada para prover recursos que atendam a crescente demanda de tráfego no backbone das redes de transporte em operação.

         Inicialmente, a solução recente adotada foi o aumento no número de fibras ópticas utilizadas, porém esta estratégia mostrou-se ineficaz, pois com a necessidade de crescimento e demanda das redes em ritmo acelerado, tal aumento implicava diretamente no custo financeiro e no aumento da complexidade das redes. Então, foi proposto um modelo baseado em multiplexação dos sinais nas fibras ópticas, as redes WDM (wavelenght Division Multiplexing), que no momento de sua implementação, trouxeram grande ganho nas taxas de transmissão dos backbones, dado que multiplexava em uma única fibra diversos sinais separados por comprimento de onda, aportando escalabilidade às redes existentes e evitando a necessidade de altos investimentos em infraestrutura. Porém, nos últimos anos a demanda da capacidade dos sistemas ópticos tem crescido num ritmo muito forte, dobrando a cada 2 anos [1], impondo a este modelo de rede necessidades de mudanças profundas em curto espaço de tempo, restando claro que ele não será capaz de acompanhar os novos desafios de mercado, dado a pouca flexibilidade apresentada.

        Devido a esta limitação, foi introduzido um novo modelo de redes ópticas em [1] denominado Spectrum-Sliced Elastic Optical Path Network (SLICE), que vislumbra propor novos paradigmas capazes de solucionar diversas das limitações impostas pelo sistema atual.

        Recentemente muitos estudos estão sendo conduzidos na direção desta nova tecnologia no que concerne ao planejamento/operação das redes ópticas, sendo o estudo deste novo modelo o objetivo a ser desenvolvido na futura pesquisa de mestrado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Pernambuco.

        

2. REVISÃO DE LITERATURA

As redes ópticas WDM consistem na otimização dos recursos de infraestrutura (e.g. Fibras ópticas, Amplificadores, etc.), demonstrando capacidade de redução dos custos envolvidos. Para alcançar este objetivo é utilizado multiplexação por divisão em comprimento de onda, adotando alocação de frequência de tamanho fixo, sendo a largura de banda da fibra óptica dividida em diversas seções espectrais com espaçamentos uniformes e rígidos, utilizados para acomodar as demandas do tráfego em todo o caminho óptico. Com a adoção desta tecnologia várias conexões podem ser estabelecidas em uma mesma fibra, impactando numa melhor utilização dos recursos disponíveis.

        Para que se estabeleça comunicação entre dois nós de uma rede WDM é necessário que seja definido o caminho óptico que será adotado e alocar os recursos necessários para o estabelecimento desta conexão. Porém, o tamanho fixo do canal de transmissão para acomodação das conexões, impacta na pouca flexibilidade destas redes, dado que existe um limite inferior para a granularidade e falta otimização na agregação de diversos desses canais para alcançar velocidades superiores. A fim de melhorar este mecanismo de alocação de recursos da rede (e.g. caminho ópticos, banda necessária, comprimento de onda a ser utilizado, etc.) surgiram diversas pesquisas para otimizar a alocação desses recursos, o que foi chamado de problema RWA (Routing and wavelenght Assignment), que consistia no uso de técnicas computacionais e heurísticas em busca da melhor forma de alocar os recursos nas comunicações.

 Embora os algoritmos RWA tenham evoluído para atender/otimizar as diversas demandas de serviços de telecomunicações, observou-se a impossibilidade de transpor as limitações impostas pelo problema das grades fixas das redes WDM, surgindo um novo desafio na evolução das comunicações ópticas.

        Devido às desvantagens da grade fixa nas redes WDM, recentemente tem surgido um crescente interesse nos estudos de uma arquitetura de rede óptica com menor grau de rigidez através do uso de uma grade flexível de comprimentos de onda. Em [1], Jinno propôs uma arquitetura de rede utilizando-se caminhos ópticos elásticos. A principal característica desta rede seria promover uma maior flexibilidade (elasticidade) e capacidade adaptativa na implementação dos caminhos ópticos.

        Para isso foi adotado o sistema de transmissão O-OFDM (Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing), onde é possível a alocação dos sinais em qualquer intervalo contínuo de frequência do caminho óptico através do uso de subportadoras ortogonais de mais baixa velocidade.

Devido ao uso dessas subportadoras com um a largura de banda muito menor que os comprimentos de ondas utilizados nas redes WDM, é possível alcançar um excelente grau de granularidade. Sendo possível a transmissão de sinais com baixa velocidade ou agregação de diversas destas subportadoras para alcançar maiores capacidades.