Αρχιτεκτονικές ελέγχου και τεχνικές μετάδοσης για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης οπτικών WDM δικτύων

Abstract

In modern telecommunications, the optical WDM network technology is arisen as the dominant trend for the development of broadband networks. This trend is suggested by the increasing need of users for more available bandwidth to serve a continuously extended set of modern broadband services, like multi-media applications, telematic services and fast Internet surfing. In this environment, the contemporary optical WDM networks have to provide guaranteed Quality of Service, reliability concerning the service time and the bit error rate, as well as tolerance to possible network faults. Many access protocols that either have already been developed or have been proposed in the literature, exploit control channels architectures for optical WDM networks to ameliorate the performance and to provide guaranteed Quality of Service. The present PhD thesis contributes to the development of reliable and efficient optical WDM networks. The PhD thesis proposes modern control architectures and transmission techniques for optical WDM networks, suitable for local and metropolitan area scale. The results of the PhD thesis conduce to the determination of efficient access algorithms for optical WDM networks aiming to avoid the packet loss and to improve the performance, taking into account the parameters that strongly affect to their operation. In the context of the PhD thesis, the multi-channel control architecture suitable for local WDM networks of passive star topology is proposed and some synchronous protocols for symmetric and asymmetric access rights are presented. In these protocols, the propagation delay latency is exploited as a key attribute of optical WDM networks to develop effective access algorithms that avoid the packet collisions at both the WDM channels and the destination. The analytical modeling of the proposed protocols performance using markovian analysis and the determination of strict mathematical formulas for the performance measures constitutes a significant contribution of the PhD research. Also, in the context of the PhD thesis the single-channel control architecture suitable for metropolitan area WDM networks of ring topology is proposed. The PhD research proposes a new node network interface that exploits the advantages of tunable transmitters and receivers providing high network scalability and maintenance. Multiple access protocols are proposed that utilize the control information by efficient algorithms to totally avoid the collisions at both the WDM channels and the destination, providing tolerance to network faults. The study is performed taking into account the bursty nature of telecommunication traffic at modern metropolitan area networks. The results of the PhD thesis prove that the proposed single-channel control architecture in conjunction with the access protocols achieves essential performance improvement, especially in high load conditions, effectively exploiting the fiber available bandwidth. The proposed in the present PhD thesis control architectures and transmission techniques manage multiple publications at several international scientific journals and conferences and aim to contribute to the international research study for the development of modern optical WDM networks and for their performance amelioration.

Στις σύγχρονες τηλεπικοινωνίες, η τεχνολογία οπτικών WDM δικτύων αναδεικνύεται ως επικρατούσα τάση για την ανάπτυξη ευρυζωνικών δικτύων. Η τάση αυτή υποδεικνύεται από τη συνεχώς αυξανόμενη ανάγκη των χρηστών για μεγαλύτερο διαθέσιμο εύρος ζώνης με σκοπό την εξυπηρέτηση ενός συνεχώς διευρυνόμενου συνόλου σύγχρονων ευρυζωνικών υπηρεσιών, όπως πολυμεσικών εφαρμογών, υπηρεσιών τηλεματικής και γρήγορης πλοήγησης στο διαδίκτυο. Στο περιβάλλον αυτό, τα σύγχρονα WDM δίκτυα οφείλουν να παρέχουν εξασφαλισμένη ποιότητα υπηρεσίας, αξιοπιστία σχετικά με το χρόνο εξυπηρέτησης και το ρυθμό εμφάνισης σφαλμάτων καθώς και ανοχή σε πιθανές δικτυακές ατέλειες. Αρκετά από τα πρωτόκολλα πρόσβασης σε οπτικά WDM δίκτυα, που είτε έχουν ήδη υλοποιηθεί είτε προτείνονται στη διεθνή βιβλιογραφία, αξιοποιούν αρχιτεκτονικές καναλιών ελέγχου για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης και την παροχή εγγυημένης ποιότητας υπηρεσίας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή συνεισφέρει στην ανάπτυξη αξιόπιστων και αποδοτικών οπτικών WDM δικτύων. Η διδακτορική διατριβή προτείνει σύγχρονες αρχιτεκτονικές ελέγχου και τεχνικές μετάδοσης σε οπτικά WDM δίκτυα, τόσο τοπικής όσο και μητροπολιτικής κλίμακας. Τα αποτελέσματα της διδακτορικής έρευνας συντελούν στην ανάπτυξη αποδοτικών αλγορίθμων πρόσβασης σε οπτικά WDM δίκτυα για την αποφυγή των απωλειών και τη βελτιστοποίηση της απόδοσης, συνυπολογίζοντας τις ιδιαίτερες παραμέτρους που επηρεάζουν τη λειτουργία τους. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής προτείνεται η πολυδιαυλική αρχιτεκτονική ελέγχου για τοπικά WDM δίκτυα τοπολογίας παθητικού αστέρα και διατυπώνονται σύγχρονα πρωτόκολλα συμμετρικής και ασύμμετρης πρόσβασης σε αυτή. Στα πρωτόκολλα αυτά αξιοποιείται ως εγγενής ιδιότητα των οπτικών δικτύων η καθυστέρηση διάδοσης της οπτικής ακτινοβολίας για τη διατύπωση αποτελεσματικών αλγορίθμων πρόσβασης που αποφεύγουν τις συγκρούσεις πακέτων τόσο στα WDM κανάλια όσο και στον προορισμό. Σημαντική συνεισφορά της διδακτορικής έρευνας αποτελεί η αναλυτική μοντελοποίηση της απόδοσης των προτεινόμενων πρωτοκόλλων με χρήση μαρκοβιανής ανάλυσης και ο καθορισμός αυστηρών μαθηματικών τύπων για τα μέτρα αποδοτικότητας. Επίσης, στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής προτείνεται η μονοδιαυλική αρχιτεκτονική ελέγχου για μητροπολιτικά WDM δίκτυα τοπολογίας δακτυλίου. Η διδακτορική έρευνα προτείνει μια νέα δικτυακή διεπαφή κόμβου η οποία αξιοποιεί τα πλεονεκτήματα των συντονιζόμενων εκπομπών και δεκτών παρέχοντας υψηλή ικανότητα κλιμάκωσης και συντήρησης. Προτείνονται πολλά πρωτόκολλα πρόσβασης που αξιοποιούν την πληροφορία ελέγχου με αποδοτικούς αλγορίθμους για την πλήρη αποφυγή συγκρούσεων στα κανάλια και στον προορισμό, παρέχοντας ανοχή σε δικτυακά σφάλματα. Η μελέτη πραγματοποιείται συνυπολογίζοντας τον εκρηκτικό χαρακτήρα της τηλεπικοινωνιακής κίνησης στα σύγχρονα μητροπολιτικά δίκτυα. Τα συμπεράσματα της διδακτορικής έρευνας καταδεικνύουν ότι η προτεινόμενη μονοδιαυλική αρχιτεκτονική ελέγχου σε συνδυασμό με τα πρωτόκολλα πρόσβασης βελτιώνει σημαντικά την απόδοση, ιδιαίτερα σε υψηλά φορτία, αξιοποιώντας αποτελεσματικά το διαθέσιμο εύρος ζώνης της οπτικής ίνας. Οι προτεινόμενες στην παρούσα διδακτορική διατριβή αρχιτεκτονικές ελέγχου και οι τεχνικές πρόσβασης έτυχαν πολλαπλής δημοσίευσης σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και συνέδρια και αποσκοπούν στο να συνεισφέρουν στη διεθνή ερευνητική μελέτη για ανάπτυξη σύγχρονων οπτικών WDM δικτύων και βελτιστοποίηση της απόδοσης τους.