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La Comunicazione N.R.&N. 163 Riduzione dei consumi energetici nelle reti core ottimizzando le prestazioni dei sistemi ottici WDM Energy consumption reduction in core networks optimizing WDM optical system performance Sommario: Questo lavoro riporta una serie di studi fatti sul risparmio energetico nelle reti core ed in particolare è mostrato un semplice modello analitico per valutare le prestazioni dei sistemi WDM, che permette di studiare il problema energetico nella metodologia dell’instradamento e dell’assegnazione delle lunghezze d’onda (Routing and Wavelength Assignment) in reti WDM con rigenerazione del segnale. E’ mostrato come considerare gli effetti di degradazione che subiscono i segnali nella trasmissione in fibra ottica e quando effettuare la rigenerazione 3R, proponendo un metodo per assegnare efficacemente l'insieme delle connessioni ottiche, assumendo diversi bit rate e formati di modulazione, con lo scopo di minimizzare la potenza totale consumata nella rete. Abstract: A simple analytical model to evaluate the WDM system performance, verified by means of numerical simulations, has been applied to study the energy-efficient RWA (Routing and Wavelength Assignment) problem in translucent networks, analyzing the consequent need for signal regeneration. We show that taking into account physical layer impairments and the consequent possible regeneration is mandatory to achieve satisfactory energy efficiency in RWA algorithms. Then, we asses the energy efficiency achievable with different modulation formats. The case of mixed line-rate networks is also considered and a heuristic method is proposed to efficiently decide the set of connections, at different bit rates, to be assigned to each traffic demand with the goal of minimizing the total consumed power. 1. Introduzione La crescita del traffico nella rete di accesso, che prevede nei prossimi anni per l’utenza capacità anche superiori ai 100 Mb/s, rischia di far esplodere i consumi energetici nelle reti di telecomunicazioni. Occorre tuttavia fare una distinzione tra la parte di accesso e quella core della rete, in quanto nel segmento di accesso l’introduzione delle architetture in fibra ottica dovrebbe portare ad un miglioramento del Francesco Matera Fondazione Ugo Bordoni

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Page 1: riduzione consumi sistemi ottici wdm...La Comunicazione N.R.&N. 163 Riduzione dei consumi energetici nelle reti core ottimizzando le prestazioni dei sistemi ottici WDM Energy consumption

La Comunicazione N.R.&N.

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Riduzione dei consumi energetici nelle reti core ottimizzando le prestazioni dei sistemi ottici WDM Energy consumption reduction in core networks optimizing WDM optical system performance

Sommario: Questo lavoro riporta una serie di studi fatti sul risparmio energetico nelle reti core ed in particolare è mostrato un semplice modello analitico per valutare le prestazioni dei sistemi WDM, che permette di studiare il problema energetico nella metodologia dell’instradamento e dell’assegnazione delle lunghezze d’onda (Routing and Wavelength Assignment) in reti WDM con rigenerazione del segnale. E’ mostrato come considerare gli effetti di degradazione che subiscono i segnali nella trasmissione in fibra ottica e quando effettuare la rigenerazione 3R, proponendo un metodo per assegnare efficacemente l'insieme delle connessioni ottiche, assumendo diversi bit rate e formati di modulazione, con lo scopo di minimizzare la potenza totale consumata nella rete.

Abstract: A simple analytical model to evaluate the WDM system performance, verified by means of numerical simulations, has been applied to study the energy-efficient RWA (Routing and Wavelength Assignment) problem in translucent networks, analyzing the consequent need for signal regeneration. We show that taking into account physical layer impairments and the consequent possible regeneration is mandatory to achieve satisfactory energy efficiency in RWA algorithms. Then, we asses the energy efficiency achievable with different modulation formats. The case of mixed line-rate networks is also considered and a heuristic method is proposed to efficiently decide the set of connections, at different bit rates, to be assigned to each traffic demand with the goal of minimizing the total consumed power.

1. Introduzione

La crescita del traffico nella rete di accesso, che prevede nei prossimi anni per l’utenza capacità anche superiori ai 100 Mb/s, rischia di far esplodere i consumi energetici nelle reti di telecomunicazioni. Occorre tuttavia fare una distinzione tra la parte di accesso e quella core della rete, in quanto nel segmento di accesso l’introduzione delle architetture in fibra ottica dovrebbe portare ad un miglioramento del

Francesco Matera Fondazione Ugo Bordoni

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risparmio energetico rispetto alle architetture in rame, come è stato ampiamente dimostrato nei laboratori ISCOM [1]. Viceversa l’aumento del traffico nella rete di accesso, garantito dalle infrastrutture FTTx (dove x sta per curb, building e home), renderà assai più pesante il funzionamento della parte core dove i router saranno chiamati ad instradare traffici con bit rate superiori ai Tb/s, con importanti ripercussioni sui consumi energetici [2].

Come già mostrato in molti studi, la parte più critica dal punto di vista del consumo energetico è il processo che porta, a ogni nodo, alla conversione del segnale da ottico ad elettrico, al successivo instradamento a livello IP e poi alla nuova conversione del segnale da elettrico ad ottico.

Quindi nel futuro bisognerà puntare a tecniche di instradamento che evitino il più possibile questa doppia conversione ottica-elettrico-ottica con relativo routing IP, cercando di aggregare il traffico già a livello ottico nelle parti Edge della rete con un percorso ottico che punti direttamente all’insieme di utenze connesse in un altro punto della rete EDGE. Perciò il routing IP a livello core andrebbe sostituito il più possibile con un routing fatto a livello EDGE e sfruttando le enormi capacità permesse dalle fibre ottiche, in particolare con le tecniche WDM che permettono il trasporto di tantissime lunghezze d’onda (canali) anche con bit rate e formati di modulazione diversi.

Il tema dell'efficienza energetica nelle reti core WDM è già stato studiato in diversi contributi proponendo diverse metodologie che operano sia a livello di elettronica (IP) [2] e ottica (WDM) [3-6]. Uno dei principali principi utilizzati per l’efficienza energetica in reti WDM è quello basato sul metodo del Routing Power-Aware e Wavelength Assegnazione (PA-RWA) che consiste nell’aggregazione dei percorsi ottici (lightpath) su un numero ridotto di collegamenti in fibra in modo da minimizzare il numero di amplificatori ottici e riducendo così il consumo di energetico della rete.

Sebbene siano stati proposti vari algoritmi tipo PA-RWA per ridurre significativamente il consumo di potenza nei collegamenti ottici, tutti assumono una rete ottica trasparente trascurando perciò le degradazioni che i segnali possono avere a livello fisico e in particolare quelle dovute al segnale nella sua propagazione in fibra che risulta molto forte su lunghe distanze tipiche delle reti operanti su lunghe distanze. Il PA-RWA può portare ad una notevole riduzione dei costi e risparmi energetici perché riesce ad evitare l’utilizzo di percorsi ottici che consumano energia a causa delle tante apparecchiature di elaborazione elettronica.

Tuttavia, i dispositivi ottici inducono diversi disturbi sul segnale ottico che limitano la portata massima della trasmissione, riducendo così la dimensione della rete “ trasparente”. E’ quindi necessario l’utilizzo della rigenerazione 3R per portare la qualità del segnale ad un livello accettabile. In questo contesto, le reti cosiddette “traslucide”

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(cioè senza blocchi ma con rigenerazione), sembrano essere l'unica architettura realizzabile per reti core operanti su vaste aree geografiche come quelle nazionali e continentali [7].

Quindi gli algoritmi PA-RWA, finora presentati [4-5], generalmente producono un aumento della lunghezza dei percorsi e ciò solleva la questione se il risparmio energetico derivante da un uso più limitato del numero delle connessioni può essere parzialmente o totalmente annullato dalla crescita del consumo energetico derivante dalla introduzione della rigenerazione 3R.

Questo problema è stato studiato per la prima volta in [8], dove è stato preso in considerazione un modello per la valutazione delle prestazioni dei sistemi WDM, che ha permesso il calcolo della distanza massima di trasmissione trasparente considerando la degradazione derivante dalla fibra in condizioni di propagazione sia lineare che non lineare. Per mezzo di questo modello le prestazioni del sistema WDM possono essere calcolate e quindi l'impatto della rigenerazione elettronica sul consumo energetico della rete è stato analizzato quando viene utilizzato un algoritmo PA-RWA. In questo lavoro applichiamo questo metodo, dedicando particolare interesse al caso dei sistemi WDM con bit rate e formati di modulazione diversi (MIxed Line Rate).

Il lavoro è organizzato nel modo seguente. Dopo questa introduzione nella Sez. II si descrive il modello per il calcolo delle prestazioni dei sistemi WDM, nella Sez. III riportiamo una breve panoramica sugli strumenti per valutare l'efficienza energetica delle reti core, nella Sez. IV descriviamo alcuni dei principi base dei metodi per ottenere risparmi energetici, con cenni agli algoritmi utilizzati. Nella Sez. V riportiamo i principali risultati sul risparmio energetico nelle reti a grande estensione geografica, mentre le conclusioni sono riportate nella Sez. VI.

2. Il Modello WDM

Recentemente diversi approcci analitici sono stati presentati che permettono di valutare le prestazioni dei sistemi WDM tenendo conto della interazione non lineare tra i canali e consentendo il calcolo del fattore Q anche con elevata precisione [13-16]. In particolare tra gli approcci analitici WDM uno dei più importanti è quello che è stato ottenuto nel contesto di un approccio nel dominio della frequenza, che è noto come Gaussian Noise (GN) [13]. In tale approccio il rumore può essere ipotizzato approssimativamente come gaussiano e additivo.

D'altra parte, adottando un approccio perturbativo nel dominio del tempo è possibile utilizzare un altro modello per sistemi WDM di tipo semplice che ha dimostrato di essere affidabile nella maggior parte delle reti WDM attuali e future [11]. In particolare in [11] il comportamento non lineare a canale singolo è stato studiato con

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l'introduzione della lunghezza di interazione non lineare, , che tiene conto della interazione non lineare di tipo Kerr tra gli impulsi. Tale parametro può essere valutato analiticamente seguendo l'approccio descritto in [12] [18] per segnali modulati sia in ampiezza che in fase.

Tale modello è stata verificato per diversi sistemi WDM [11], anche nel contesto di sistemi di linea con bit rate e formati di modulazione diversi [11]. Quindi per ottenere l'assegnazione delle lunghezze d'onda tenendo in conto dei limiti indotti dalla propagazione non lineare abbiamo adottato il calcolo del fattore Q riportato in [11] in cui:

22

232232

4

b

BAAvNLIAvASEb

Av

R

NSLPNLPNNR

PQ

β

γργξ

χϑ ++

=

Nel denominatore possiamo distinguere 3 diversi contributi di rumore; NNR ASEbASE ξσ =2 è il rumore ASE emesso dagli amplificatori

ottici supposti con un guadagno G, ϑργ NLP NLIAv232 è il rumore dovuto

alla interazione nonlineare di tipo Kerr per il canale sotto osservazione

e 22

322 4

b

BAAvWDM R

NSLPβ

γσχ

= è l’interazione di tipo Kerr tra canali. AVP è

la Potenza media del segnale in ingresso e spASE nGN )1(0 −= ω è la densità spettrale del rumore ASE per unità di banda che è aggiunto da ciascun amplificatore di linea , è la costante ridotta di Plank, 0ω la

frequenza centrale e spn il fattore di emissione spontanea. ξ è un

valore che dipende dal formato di modulazione e rivelazione, bR è il symbol rate. γ è il coefficiente nonlineare. Il contributo di rumore dovuto alla interazione nonlinerare tra segnali ortogonali in polarizzazione [9][19] è tenuto in conto mediante il fattore ρ ed in particolare ρ =1 in assenza di multiplazione di polarizzazione, mentre assume un valore maggiore di 1 nel caso di sistemi POLMUX; inoltre tale parametro dipende anche dalla sovrapposizione temporale che hanno gli impulsi [20] e quando sono perfettamente sovrapposti temporalmente ρ =1.7 [9], mentre quando la sovrapposizione è minima ρ si riduce a 1.07.

Il termine ϑ dipende dal tipo di compensazione della dispersione cromatica e varia tra 1 e 2. In particolare nel caso di compensazione periodica in-line ϑ =2, mentre nel caso di compensazione tutta alla fine ϑ tende ad assumere valori più bassi e nei casi trattati in questo lavoro ≈ϑ 1.4. BS prende in considerazione l'interazione tra gli m canali WDM e nel caso di molti canali (m>>1), per il canale centrale si può assumere ( )[ ]57.02/ln +

∆≈ m

fRS b

B πκ , dove f∆ è la spaziatura in

frequenza tra canali adiacenti e κ dipende dal tipo di modulazione e

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per i nostri casi vale sempre 0.21 tranne che 0.36 per l’8QAM. L'eq, (1) può anche essere estesa ai sistemi aventi canali con bit rate diversi come riportato in [11].

La rete che consideriamo in questo lavoro è costituita da fibre G.652 con collegamenti costituiti da N tratte con lunghezza AL =80 km, che corrisponde alla spaziatura tra gli amplificatori ottici. La dispersione cromatica è 16 ps/nm/km, le perdite 0.25 dB/km e il coefficiente nonlineare 1.3 W-1km-1 [8]. Il guadagno degli amplificatori ottici è di 20 dB e nsp=2. Nella tabella 1 riportiamo i parametri espressi nella eq. (1) per i diversi sistemi utilizzati in questo lavoro.

Modulation-detection scheme

Bit-rate (Gbit(s)) T ( (ps) ξ NLIL Nmax

W=40W=80

NRZ-IMDD 10 100 2 0.5 95 90

RZ-DQPSK 40 14 2 0.77 30 29

8QAM 100 7.5 2 3.4 18 17

PM-QPSK 100 12 1.5 0.83 28 27

3. Modello della Rete Core e consumi energetici

L'architettura tipica di una rete core è generalmente composta da due strati, come illustrato in Fig. 1. Lo strato superiore è una rete IP i cui nodi sono router IP, mentre quello inferiore è una rete ottica WDM a commutazione di circuito, i cui nodi sono Optical Cross Connect (OXC). I collegamenti tra gli OXC sono costituiti da fibre ottiche. Diversi canali (lunghezza d'onda diverse) sono multiplati nello stesso collegamento in fibra ottica mediante un multiplexer (MUX) e un de-multiplexer (DEMUX) all'altra estremità del collegamento. Un certo numero di amplificatori ottici (OA) sono disposti lungo ciascun collegamento in fibra ottica; ciascun OA amplifica tutte le lunghezze d'onda che si propagano in una fibra.

Un collegamento tra due core router (rappresentato dalla linea tratteggiata in figura 1) è costituito quindi da un percorso ottico (lightpath) stabilito nella rete ottica mediante un canale WDM con un formato di modulazione e bit rate definito nell' ambito della rete. Chiaramente due router potranno essere anche connessi con diversi lightpaths.

Tabella 1. Parametri dei sistemi utilizzati in questo lavoro. NRZ Non Return to Zero, RZ Return to Zero, IMDD Intensity modulation with Direct Detection, DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying, QAM Quadrature Amplitude Modulation, PM Polarization Multiplexing. T è la durata degli impulsi.

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Il consumo energetico della rete core è dato dalla somma di diversi contributi che possono così essere riassunti per quanto riguarda la parte ottica [9]

REGREGm

TRTRm

OXCm PNPNP += (2)

DEMUXPABAILAILAmn

FLmn PPPPNP +++= (3)

dove OXCmP è la potenza consumata dall' m-esimo OXC, , TRP e REGP

sono le potenze consumate da ciascun transponder e rigeneratore 3R, mentre TR

mN and REGmN sono il numero di transponder e rigeneratori

3R dell'm-esimo OXC. Per completare i contributi del consumo energetico per ogni nodo occorre tenere in conto il consumo, PR, dovuto alla elaborzione elettronica dei router per l'instradamento del traffico. In genere PR assume valori anche 10 volte maggiori rispetto a

OXCmP .

I termini nell'eq. (3) si riferiscono alla potenza del collegamento nella fibra (m e n sono i punti di terminazione della fibra), al numero e alla potenza degli amplificatori in linea (ILA) oltre alla potenza del buster, del preamplificatore e del DEMUX. Utilizzando i valori di consumi adottati in [3] abbiamo PILA=40 W, PBA + PPA + PDEMUX = 240 W e per i trasponder assumiamo 50 W, 100 W, and 150 W rispettivamente per i sistemi a 10 Gbit/s, 40 Gbit/s, and 100 Gbit/s. Le eq. (2) e (3), insieme ai valori riportati ci fanno subito intuire che una diminuzione del consumo energetico nella rete avviene se limitiamo la conversione ottica-elettrica-ottica e quindi l'utilizzo di transponder e elaborazione IP in pratica dobbiamo cercare di far propagare il segnale il più possibile a livello ottico, evitando l'utilizzo dei rigeneratori 3R, e quindi dobbiamo cercare di evitare connessioni troppe lunghe, dove l'effetto Kerr e l'ASE potrebbero dare una forte degradazioni del segnale.

Figura 1. Architettura di una rete core (backbone) di tipo IP over WDM .

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4. Metodi per il risparmio energetico nelle reti core: gli algoritmi

Finora, la maggior parte dei metodi per ridurre il consumo energetico nelle reti core si sono basati sull'aggregazione di lightpath su un insieme ridotto di collegamenti a fibre ottiche ed è stato mostrato l'importanza di questi algoritmi che adottavano questo principio e che sono stati denominati di Power Aware Routing e Wavelength Assignment (PA-RWA) [4], che comunque inducono un aumento delle massime distanze percorse dai lightpath, con conseguente degrado del segnale e con la necessità dell'introduzione di rigeneratori. Pertanto il comportamento della metodologia PA-RWA doveva essere rivisto tenendo conto delle limitazioni indotte dalla propagazione del segnale. Questa indagine è stata condotta per la prima volta, a nostra conoscenza in [8], dove è stata introdotta una formulazione di ottimizzazione della rete attraverso un modello di tipo Integer Linearing Problem ( ILP). Purtroppo modello ILP presentato in [8] porta a soluzioni che sono possibili solo nel caso di piccole reti. Tuttavia in [8] è stato proposto anche un algoritmo euristico per minimizzare i consumi energetici tenendo in conto i limiti della propagazione e l'uso dei rigeneratori 3R, anche nel caso di grandi reti. L'analisi e la descrizione di questi algoritmi è assai complessa e può comunque essere trovata in tutta la sua formulazione in [8]. In questo lavoro preferiamo soffermarci sui risultati e le consequenze sulla realizzazioni delle reti.

5. Analisi dei risultati

In questa sezione presentiamo i risultati numerici ottenuti eseguendo simulazioni in diverse condizioni per la rete e per il traffico. Prima di tutto, si valuta il consumo energetico supponendo l'utilizzo del metodo PA-RWA, trascurando i limiti della propagazione in fibra e quindi l'utilizzo dei rigeneratori 3R. Successivamente si considerano i problemi della propagazione e l'incremento del consumo energetico dovuto alla necessità di introdurre i rigeneratori 3R. Infine, si valutano i consumi nel caso di reti MLR.

Al fine di ricavare risultati validi in condizioni molto ampie, abbiamo generato topologie di reti fisiche in maniera casuale secondo il metodo descritto in [8]. In questo modo, possiamo considerare reti con diverse caratteristiche topologiche. Specificamente, topologie di rete vengono generate fissando il numero di nodi N e il grado di connessione media dei nodi K. I nodi sono distribuiti uniformemente in un'area quadrata di lato pari a L Km. Abbiamo preso in considerazione un numero di nodi N pari a 25 e diversi valori di K e L. Si assumono sistemi WDM che trasportano 80 lunghezze d'onda (cioè, W = 80). Per ogni combinazione dei precedenti parametri topologici vengono generati 20 diverse topologie e, per ciascuno di essi, sono considerati 20 diverse matrici che descrivono il traffico tra i nodi.

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a) Conseguenze dei limiti trasmissivi delle fibre ottiche per il risparmio energetico

La prima serie di risultati, mostrati in Fig. 2, ha lo scopo di valutare, ai fini del risparmio energetico, i limiti imposti dalla propagazione in fibra vedendo come cambiano i consumi quando si applica un algoritmo RWA che punta al risparmio energetico semplicemente aggregando il traffico per spegnere i collegamenti in fibra con poco traffico. Come detto nel Capitolo III questo algoritmo porterebbe a considerare lightpath operanti su distanze molto lunghe, e quindi a causa delle limitazioni della fibra sarebbe necessaria l'introduzione di rigeneratori 3R, che aumenterebbero i consumi di potenza.

I grafici in Fig. 2 mostrano il consumo energetico della rete senza rigenerazione e con rigenerazione 3R in funzione della quantità di traffico, espressa come traffico totale medio generato e terminato in ciascun nodo, supponendo sistemi WDM con solo canali a 40 Gbps e due differenti dimensioni di rete (1000 e 3000 km). Sono anche considerati due diversi gradi di connessione K.

La fig. 2 mostra chiaramente che tenendo conto del deterioramento della trasmissione ottica è richiesto un consumo di energetico più elevato a causa della necessità di rigeneratori 3R. In particolare per L = 1000 km la differenza tra con e senza rigenerazione è piccola poiché i percorsi ottici di lunghezza superiore alla distanza massima di propagazione (vedere tabella 1) sono pochi. Considerando altri risultati riportati in [8] possiamo dire che il metodo PA-RWA, per L = 1000 km, porta sempre ad un risparmio energetico dell'ordine del 30% che è praticamente mantenuto pur tenendo in considerazione i limiti trasmissivi. Viceversa per L = 3000 km i cammini ottici, che presentano una lunghezza maggiore della massima permessa dalla trasmissione in fibra, sono diversi e richiedono quindi un sensibile uso di rigeneratori 3R, il che porta ad un maggiore consumo energetico.

Quindi questa figura indica che il metodo PA-RWA deve essere modificato per fare una aggregazione del traffico che prenda in considerazione anche la massima distanza percorribile e questo verrà mostrato nelle due successive figure seguendo l'approccio riportato in [8].

La fig. 2 sottolinea anche l'importanza del grado K: infatti aumentando il numero di lightpath a disposizione per ogni nodo si produce una riduzione del consumo energetico.

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Nelle stesse condizioni topologiche di fig. 2, esaminando i risultati per canali a 10 e 100 Gbps, che non riportiamo per brevità, possiamo riassumere che per 10 Gbps nessuna variazione può essere osservata anche per L = 3000 km perchè la massima distanza di propagazione supera i 3000 km (tabella 1). Viceversa nel caso di 100 Gbps una grossa differenza può essere osservata sia adottando la tecnica 8QAM o la PM-QPSK. In particolare il comportamento di 100 Gbps PM-QPSK, in termini di percentuale di rigenerazione 3R rispetto al senza 3R, è molto simile al caso 40 Gbps, viceversa un ampio aumento di 3R è mostrato nel caso di 8QAM, a causa della forte riduzione della distanza massima di propagazione per questo formato di modulazione.

b) Efficienza dei diversi formati di modulazione

In questo paragrafo analizziamo la dipendenza dell'efficienza energetica della rete dal formato di modulazione (e il relativo bit-rate) . Fig. 3 mostra l'energia consumata dalla rete per ogni bit trasmesso in funzione del traffico medio totale per il nodo (Gbps). Chiaramente meno è il consumo energetico per bit e più efficiente è la rete dal punto di vista energetico. Come previsto, quando il traffico richiesto è basso, le modulazioni a minor bit rate (10 Gbps) portano a risultati migliori.

Infatti utilizzando formati di modulazione con bit rate più alti non si ottiene una riduzione dei collegamenti, mentre la potenza assorbita da ciascuno di essi aumenta notevolmente a causa del maggior consumo dei transponder e del maggior numero di rigenerazioni richieste. Al contrario, quando il carico di traffico è elevato, adottando reti con canali a 40 e 100 Gbps (PM QPSK) il

Figura 2. Il consumo di energia senza rigenerazione 3R (linee tratteggiate) e con rigenerazione 3R (linee continue) in funzione del traffico totale medio generato e terminato in ogni nodo, supponendo canali a 40 Gbps. K è il grado di connessione media dei nodi .

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trasporto diventa sempre più efficiente. Viceversa i limiti del 8QAM in termini di massima distanza di propagazione non permettono alcun miglioramento in termini di efficienza energetica.

Si può anche vedere che la gamma di convenienza dei sistemi a 40 Gbps rispetto ai 100 Gbts PM QPSK vale solo per basso traffico ed è comunque molto debole. Il 10 Gbps conviene nettamente per basso traffico mentre per altro traffico è molto conveniente il 100 Gbps con formato PM QPSK, mentre il 100 Gbps 8QAM non mostra alcuna convenienza rispetto agli altri sistemi di modulazione.

C) Prestazioni per reti con Mixed Line Rate (MLR) .

L'ultima analisi riguarda l'efficienza delle reti MLR utilizzando il meccanismo presentato in [8].

I risultati presentati in Fig. 4 mostrano la percentuale di risparmio energetico rispetto al miglior risultato ottenuto nelle reti utilizzando sempre lo stesso formato di modulazione, e cioè, 10, 40, o 100 Gbps (PM QPSK e 8QAM). Possiamo vedere che, sfruttando adeguatamente il paradigma MLR, si arriva a risparmiare fino al 25%.. Infatti lo schema proposto è in grado di scegliere la modulazione più efficace in funzione del carico di ogni richiesta traffico e la "distanza" tra ogni coppia di nodi specifica, ottenendo così un comportamento quasi ottimale fra i contributi del consumo di potenza descritti nel Par. III.

Infine, il beneficio del meccanismo proposto è più evidente per reti molto estese, in cui più richieste di traffico possono essere realizzate in maniera efficace da connessioni a 10 Gbps specialmente nel caso di nodi molto distanti ma con basso traffico.

Figura 3. Efficienza energetica in funzione del traffico medio nel nodo considerando diversi formati di modulazione.

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Conclusioni

Questo lavoro descrive una analisi sulla progettazione di reti core ottiche con l’obiettivo del risparmio energetico e tenendo in considerazione i vincoli dovuti alla propagazione dei collegamenti WDM e l'uso di rigeneratori 3R per aumentare la lunghezza dei cammini ottici del segnale.

I risultati mostrati in questo documento dimostrano che con la forte crescita del traffico il risparmio energetico può essere efficientemente ottenuto aumentando il numero di lightpath (connessioni ottiche) tra i nodi e diminuendo quindi il routing IP elettronico, ed in particolare cercando di collegare direttamente la sorgente e la destinazione con un percorso ottico " trasparente", e cioè senza rigenerazione, e sfruttando quindi tutta la massima distanza di trasmissione permessa dallo schema di modulazione-rivelazione adottato. Un ulteriore vantaggio in termini di efficienza energetica sarà ottenuto con l'adozione di sistemi WDM con bit rate misti in cui ogni canale utilizza un bit rate che si adatta al carico da trasportare.

Ringraziamenti

Lavoro realizzato nell'ambito del progetto ATENA-RE sostenuto dal Ministero dello Sviluppo Economico. Si ringraziano il Prof. Marco Listanti e il Dott. Angelo Coiro per il supporto dato a questo lavoro.

Figura 4. Risparmio di Potenza con la tecnica MLR valutato rispetto al miglior comportamento per reti con unico formato di modulazione: 10, 40 e 100 (PM QPAK e 8QAM) Gbps.

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F. Matera

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