Energy efficient optical backbone networks

Abstract

The need for bandwidth is growing more than ever before as technology evolves and high bandwidth-dependent applications have increased at unprecedented level. This feverish Internet growth brought about the development of optical networks in global use. The extent use of optical networks is based not only due to the greatly increased bandwidth they provide, but also because they meet the requirements of low cost, high reliability and extensive geographical coverage. The rapid spread of the Internet has also contributed to a significant increase in energy consumption of network equipment, an equally important issue for the research community. Since the energy crisis and environmental protection are of increasing concern in recent years many research efforts related to finding technological solutions are in use to save energy. Thus, despite the significant development of optical networks in the last decade regarding the provided capacity, initiatives must be taken in order to further improve the energy efficiency. Therefore, energy conservation in optical networks is important for the survival of the future Internet. The aims of the current research are to define the key causes of energy consumption for the current IP Over WDM fixed grid optical networks as well as the future flexible grid IP Over elastic platform, and to propose and compare strategies to increase their energy efficiency. Regarding the IP Over WDM optical networks, novel energy efficient schemes are presented, aiming to increase the lightpath reuse rate during the VT design. The proposed algorithms manage to lower the number of the established lightpaths in the VT and take advantage of the remaining capacity of the optical paths by exploiting the lightpaths' resources in a more efficient way. Furthermore, backbone networks in countries with high seismicity suffer from unexpected link failures caused by earthquakes, which in turn, cause a huge amount of bandwidth loss and service disruptions. To that end, a new scheme is proposed which uses actual seismic information in order to maintain tolerant connectivity of the backbone network after a large scale earthquake occurs, while supporting energy efficiency. The objective of the proposed scheme is the design of a power and earthquake aware WDM network, by establishing the minimum number of backup paths in the VT in order to maintain tolerant connectivity. Another important approach to energy saving in optical networks is to selectively disable the network's components under low utilization when the load is reduced, while maintaining the network's vital functions in order to serve the remaining traffic. Regarding the IP Over Elastic Optical Networks, a power aware algorithm is introduced, which selectively switches off network links under low utilization scenarios supporting energy efficiency, while maintaining a low bandwidth blocking probability (BBP) under dynamic traffic. Finally, a new adaptive power-aware algorithm is implemented, which selectively turns off bandwidth variable transponders to achieve energy efficiency under low utilisation conditions, during the network operation. This novel adaptive scheme makes use of Learning Automata in order to curtail the overall energy consumption while maintaining the BBP at low levels.

Η πυρετώδης ανάπτυξη του Διαδικτύου επέφερε την εξέλιξη των οπτικών δικτύων σε παγκόσμιο επίπεδο. Η ευρεία χρήση των οπτικών δικτύων οφείλεται όχι μόνο στο αυξημένο εύρος ζώνης που παρέχουν, αλλά ταυτόχρονα επειδή πληρούν τις απαιτήσεις χαμηλού κόστους, υψηλής αξιοπιστίας και εκτεταμένης γεωγραφικής κάλυψης. Επιπλέον, η ταχεία αυτή εξάπλωση του Διαδικτύου συνέβαλε σημαντικά στην αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας του δικτυακού εξοπλισμού, ένα εξίσου σημαντικό ζήτημα που προβληματίζει την ερευνητική κοινότητα. Έτσι, παράλληλα με τη σημαντική βελτίωση των οπτικών δικτύων την τελευταία δεκαετία σχετικά με την παρεχόμενη χωρητικότητα, πρέπει να αναληφθούν πρωτοβουλίες προκειμένου να βελτιωθεί περαιτέρω και η ενεργειακή απόδοσή τους. Οι στόχοι της παρούσας έρευνας είναι να προσδιοριστούν οι βασικές αιτίες της κατανάλωσης ενέργειας στα οπτικά δίκτυα κορμού σταθερού και ευέλικτου πλέγματος IP Over WDM και IP Over EON αντίστοιχα, και να προταθούν και να συγκριθούν στρατηγικές για την αύξηση της ενεργειακής τους απόδοσης. Όσον αφορά στα οπτικά δίκτυα σταθερού φάσματος IP Over WDM, παρουσιάζονται νέα ενεργειακά αποδοτικά σχήματα, με στόχο την αύξηση του ρυθμού επαναχρησιμοποίησης των μονοπατιών φωτός κατά τη φάση του σχεδιασμού της Εικονικής Τοπολογίας (ΕΤ). Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι καταφέρνουν να μειώσουν τον αριθμό των προεγκατεστημένων μονοπατιών φωτός στην ΕΤ και να επωφεληθούν από την εναπομένουσα χωρητικότητα των οπτικών διαδρομών εκμεταλλευόμενοι τους πόρους των μονοπατιών φωτός με πιο αποτελεσματικό τρόπο. Επιπλέον, τα δίκτυα κορμού σε χώρες με υψηλή σεισμικότητα υποφέρουν από απροσδόκητες αστοχίες συνδέσεων που προκαλούνται από σεισμούς, οι οποίοι με τη σειρά τους, προκαλούν τεράστια απώλεια εύρους ζώνης και διακοπές υπηρεσιών. Προς αυτή λοιπόν την κατεύθυνση, προτείνεται ένα νέο σχήμα που χρησιμοποιεί πραγματικές σεισμικές πληροφορίες προκειμένου να διατηρήσει τη συνδεσιμότητα του δικτύου μετά από έναν σεισμό μεγάλης κλίμακας, ενώ ταυτόχρονα υποστηρίζει την ενεργειακή του απόδοση. Ο στόχος του προτεινόμενου σχήματος είναι ο σχεδιασμός ενός δικτύου WDM, που καθορίζοντας τον ελάχιστο αριθμό εναλλακτικών διαδρομών στην ΕΤ διατηρεί τη συνδεσιμότητα στο δίκτυο. Μια άλλη σημαντική προσέγγιση όσον αφορά στην εξοικονόμηση ενέργειας στα οπτικά δίκτυα είναι η επιλεκτική απενεργοποίηση των δικτυακών στοιχείων κάτω από συνθήκες χαμηλής χρησιμοποίησης, διατηρώντας παράλληλα τις ζωτικές λειτουργίες του δικτύου έτσι ώστε να εξυπηρετείται η υπολειπόμενη κίνηση. Όσον αφορά στα δίκτυα μεταβλητού φάσματος IP Over EON, εισάγεται ένας νέος ενεργειακά αποδοτικός αλγόριθμος, ο οποίος εφαρμόζεται υπό δυναμική κίνηση και απενεργοποιεί επιλεκτικά τους συνδέσμους του δικτύου σε σενάρια χαμηλής χρήσης, διατηρώντας παράλληλα την πιθανότητα αποκλεισμού των συνδέσεων σε χαμηλά επίπεδα. Στο τελευταίο μέρος αυτής της διατριβής παρουσιάζεται και αναλύεται ένας νέος προσαρμοστικός ενεργειακά αποδοτικός αλγόριθμος, ο οποίος απενεργοποιεί επιλεκτικά τους μεταδότες μεταβλητού εύρους ζώνης για να επιτύχει ενεργειακή απόδοση υπό συνθήκες χαμηλής χρήσης, κατά τη λειτουργία του δικτύου. Ο νέος αυτός προσαρμοστικός αλγόριθμος χρησιμοποιεί ένα Μανθάνων Αυτόματο προκειμένου να περιορίσει τη συνολική κατανάλωση ενέργειας του δικτύου διατηρώντας παράλληλα την πιθανότητα αποκλεισμού των συνδέσεων σε χαμηλά επίπεδα.