Core switching paradigms in multi-core elastic optical networks

Abstract

A quantidade de banda transmitida pela Internet apresenta uma média de crescimento próximo a 30% ao ano. Estimativas apontam que em 10 anos as redes de transporte óptico crescerão em torno de 14 vezes, comparado ao cenário atual. Por isso, inovações tecnológicas nas redes ópticas de núcleo são constantemente exploradas, na busca por soluções que suportem de maneira eficiente o aumento contínuo da demanda por largura de banda. O aumento no número de conexões também é impactado pela introdução de novas gerações de redes móveis, que compreende o estabelecimento da atual geração 5G e expectativas em torno do 6G e as futuras gerações [1]. As novas arquiteturas de rede trazem requisitos ainda mais rigorosos para latência de transmissão e disponibilidade de largura de banda na infraestrutura de rede. A infraestrutura atual da espinha dorsal das redes de comunicação é composta por fibras ópticas, opera predominantemente na banda C, utiliza detecção direta e transmissão Wavelength-Division Multiplexing (WDM) [2]. Embora esta tecnologia permita capacidades de transferência de até 1 Tbps por fibra, ela fica aquém se comparada aos requisitos de taxa por base station previstos para 5G (100 Gbps) e 6G (1 Tbps) [3] Portanto, é necessário adotar tecnologias inovadoras para aprimorar a infraestrutura e apoiar a expansão contínua da Internet. Considerando a necessidade de maior capacidade de transmissão para as fibras, as Elastic Optical Networks (EON) ganham destaque como tecnologia capaz de tornar mais eficiente a utilização do espectro óptico [4]. Nas EON, multiplos circuitos podem ser estabelecidos em paralelo na mesma fibra, por meio da alocação de diferentes canais espectrais. Esses canais são compostos por slots, faixas de frequência de 12,5 GHz no espectro óptico que podem ser alocadas independentemente para circuitos em paralelo. Por fim, os slots podem ser agrupados, formando canais de transmissão de maior capacidade, que admitem circuitos com maiores requisitos de largura de banda. Na maior parte dos trabalhos que discutem as EON, os enlaces de transmissão são compostos por fibras com um único núcleo, denominadas Single Core Fibers (SCF). Como forma de aumentar a disponibilidade de recursos, alguns trabalhos consideram a utilização de um tipo diferente de fibra óptica, chamada Multi-Core Fiber (MCF) [5]. As MCFs possuem mais de um núcleo (geralmente 7 ou 12) e cada núcleo possui seu próprio conjunto de slots. Superficialmente, cada MCF é operada como um grupo de fibras com núcleo único. Nos cenários com aplicação de SCF, o aumento da quantidade de fibras causa crescimento linear na quantidade de equipamentos, também causando aumento linear do consumo de energia. As MCFs ajudam a superar esta situação com soluções de equipamentos que operam em todos os núcleos simultaneamente (como amplificadores [6], [7]), ou soluções mecânicas para separar os núcleos (como fan-in/fan-out [8]) substituindo a utilização de splitters em fibras de único núcleo. Também há ganho na economia de material utilizado na produção das fibras. É importante destacar que o ganho econômico é justificado quando as MCF com n núcleos apresentam desempenho similar a um conjunto de n fibras de único núcleo. O uso de MCFs habilita a Spatial-Division Multiplexing (SDM), o que aumenta os recursos espectrais pela utilização dos diferentes canais espaciais (núcleos) das MCF. A respeito da arquitetura para a comutação de circuitos entre os diferentes núcleos, a literatura atual sobre SDM-EON é dividida em dois paradigmas principais: core constrained e Spatial Lane Change (SLC). A primeira representa arquiteturas nas quais o processo de alocação de recursos deve sempre considerar a utilização do mesmo núcleo para um dado circuito ao longo de toda a sua rota. Por outro lado, no cenário com SLC, a alocação de recursos pode atribuir diferentes núcleos nos múltiplos enlaces que compõem a rota. O impacto causado pelas duas arquiteturas se dá no custo de implantação e energético, que crescem em juntamente com o grau de flexibilidade na alocação de recursos. Neste trabalho, são propostas soluções para melhorar a eficiência de utilização dos recursos nos dois paradigmas. A primeira solução apresentada nesta tese, chamada Allocation with Strengthened Medium Core (ASMC), é uma solução de alocação de recursos para arquiteturas com paradigma core-constrained. Esta arquitetura requer reduzido investimento em termos de equipamento de comutação, em específico Spectrum Selective Switch (SSS). Entretanto, a restrição de continuidade espectral diminui a flexibilidade para alocação de recursos, limitando as oportunidades de uso eficiente do espectro. Essa arquitetura também gera maior grau de fragmentação espectral, na qual as faixas de frequência disponíveis para alocação estão distribuídas em pequenos canais de slots livres e dispersos no espectro óptico dos núcleos. Para cenários com arquitetura voltada ao paradigma core constrained, essa tese propõe uma solução de alocação de recursos com núcleos dedicados para as diferentes taxas de transmissão e formatos de modulação aplicados no circuito. A heurística ASMC aloca no núcleo central das MCF os circuitos que utilizam modulações mais resistentes ao impacto de camada física, em especial o crosstalk. Os circuitos com formato de modulação mais eficiente devem ser alocados nos núcleos periféricos, onde o efeito de crosstalk é menos intenso. Qualquer núcleo externo pode ser alocado por circuitos com qualquer formato de modulação classificado como eficiente, porém haverá divisão entre circuitos com número de slots ímpar ou par, que devem ser alocados apenas em núcleos com paridade correspondente. O objetivo desta solução é manter circuitos mais resistentes à interferências físicas nos núcleos que sofrem maior impacto deste fator, além de adotar técnicas para reduzir a fragmentação espectral durante a alocação. Comparamos a solução ASMC com outras soluções encontradas na literatura [9], [10]. Simulações são utilizadas para gerar os resultados de desempenho avaliados neste trabalho, e a qualidade das soluções é medida em função da taxa de bloqueio de circuitos e de banda. A organização espectral promovida pelo ASMC viabiliza o atendimento de mais circuitos quando comparada com as outras soluções da literatura. O ASMC reduz o bloqueio de banda em uma faixa média de 43.64% quando comparado à segunda melhor solução no cenário avaliado. Em cenários com o paradigma de comutação SLC habilitado, um circuito estabelecido pode transitar entre núcleos de índice diferentes ao longo da sua rota. A restrição de continuidade de núcleo é removida, possibilitando a escolha de núcleos diferentes em cada um dos enlaces da rota durante a definição dos recursos espectrais para alocar. O paradigma SLC também relaxa a restrição de continuidade espectral, pois a alocação de recursos dispõe de múltiplos núcleos contendo seu próprio conjunto independente de slots. É importante destacar que a restrição de continuidade exige a alocação da mesma faixa espectral em cada enlace da rota para o mesmo circuito, e o conjunto de recursos escolhidos não podem ser alterados, exceto em casos de falhas na rede. No contexto de arquiteturas com SLC habilitado, essa tese propõe uma solução para a desfragmentação da SDM-EON, combinando as técnicas push-pull e fast-switching para reorganizar os circuitos alocados sem interrupção ou suspensão do serviço. Para realizar o push-pull, o transmissor muda progressivamente o intervalo de frequência alocado por um circuito, deslizando a frequência central até um destino escolhido previamente. Esse ajuste permite mover o circuito pelos slots, contanto que não exista nenhum outro circuito ativo entre os slots de origem e destino selecionados. Já o fast-switching permite a mudança de núcleos entre as opções disponíveis de alocação, sem alteração do intervalo de frequência ocupado pelo circuito e sem sua interrupção. A solução proposta nesta tese aplica as duas técnicas mencionadas durante fases de desfragmentação da rede. A desfragmentação é acionada sempre que um circuito não pode ser alocado na rede, e com o push-pull e fast-switching, os circuitos são deslocados para os slots de índice mais baixo, promovendo uma política first-fit para o reposicionamento do circuito. O objetivo desta solução é reduzir o estado de fragmentação da rede sempre que um determinado gatilho é acionado, resultando em maior disponibilidade de recursos após a reorganização espectral. Por fim, nós avançamos o estado da arte com a proposta de um terceiro paradigma, derivado da combinação dos dois paradigmas citados anteriormente. A comutação esparsa de núcleos consiste em uma arquitetura com a aplicação seletiva da capacidade de comutação de núcleos. Neste paradigma, o comportamento previsto para a rede em termos de tráfego é considerado no processo de escolha de nós que terão maior capacidade de comutação de núcleos. Dessa forma, os diferentes nós da rede contam com diferentes graus de flexibilidade para realizar comutação de núcleos. O objetivo principal da comutação esparsa de núcleo é reduzir o custo de implantação para valores próximos ao cenário sem comutação (core constrained), mantendo a flexibilidade de comutação em nós que tragam maior impacto positivo para a rede. Para distribuir a capacidade de comutação, uma avaliação de tráfego deve ser feita antes da fase operacional. Nessa avaliação, uma simulação é feita considerando as informações da rede, incluindo o perfil de tráfego suportado. Além disso, durante esse teste é considerado que todos os nós têm capacidade total de comutação, equivalente ao cenário com o paradigma SLC. O objetivo é habilitar todas as comutações de núcleo da rede, e medir quais nós e núcleos utilizam mais a capacidade de comutação. Após o teste, os pares de núcleos são ordenados de acordo com sua utilização, e a distribuição de portas comutadoras segue a ordem da lista até que se esgote o orçamento disponível ou um limite pré-estabelecido seja alcançado. Por fim, uma simulação é executada representando a fase operacional da rede, e a comutação é restrita aos núcleos conectados pelas portas distribuidas na etapa anterior. A avaliação de desempenho compara a solução de comutação esparsa com os outros dois paradigmas. Além disso, também é utilizada a distribuição aleatória como referência. Os resultados mostram que a heurística utilizada para comutação esparsa permite alcançar o desempenho do paradigma SLC com apenas 20.14% do orçamento requisitado na topologia USA, e 14.4% na topologia COST239. Com maior investimento, o desempenho da solução supera o paradigma com SLC habilitado nas duas topologias. Como conclusão, após apresentar os dois paradigmas de comutação da literatura e propor um terceiro paradigma, essa tese lista uma série de desafios e possibilidades de trabalhos futuros no escopo de comutação de núcleo e redes ópticas elaśticas.