osnr modelo pt

Photon Netw Commun (2009) 18:137-149 DOI 10.1007/s11107-008-0178-2

OSNR modelo a ser considerado deficincias da camada fsica em redes pticas transparentes

Helder A. Pereira Daniel A. R. Chaves Carmelo J. A. Bastos-Filho Joaquim F. Martins-Filho

Recebido: 17 de junho, 2008 / Aceito em 04 de setembro de 2008 / Publicado on line em: 21 de setembro de 2008 Springer Science + Business Media, LLC 2008

Abstrato Propomos um modelo que considera vrios phys- deficincias iCal no todo-redes pticas com base na ptica sinal-rudo de degradao. Nosso modelo considera o ganho efeito de saturao e amplificado emisso espontnea depleo- o em amplificadores pticos, crosstalk coerente em ptica interruptores, e quatro ondas de mistura de fibras de transmisso. Ns aplicar o nosso modelo para investigar o impacto de diferentes physi- deficincias cal sobre o desempenho das redes integralmente pticas. Os resultados da simulao mostram o impacto de cada deficincia no desempenho da rede, em termos de probabilidade de bloqueio como uma funo de parmetros do dispositivo. Tambm aplicamos o modelo

como uma mtrica para insuficincia restrio de roteamento em todas as pticas

net- obras. Mostramos que a nossa proposta de encaminhamento e comprimento

de onda algoritmo de atribuio supera duas abordagens comuns.

Palavras-chave Quatro ondas de mistura Deficincias fsicas Comunicaes pticas Rudo ptica tico sinal-para-rudo Roteamento e comprimento de onda atribuio Wavelength Division Multiplexing

1 Introduo

All-redes pticas tm sido considerados como a mais soluo fivel e econmica para realizar transmisso de altura capacidades Sio com custo relativamente baixo. Nessas redes, o sinal permanece no domnio ptico entre a borda nodos, ie, o sinal se propaga ao longo do ncleo da ptica rede sem qualquer converso ptico-eltrico-ptico. Existem dois principais desafios para a gesto dessas redes pr- fornecendo qualidade de servio (QoS): projetar um encaminhamento

adequado e algoritmo de atribuio de comprimento de onda (RWA) e obter um aceitvel relao sinal-rudo ptico (OSNR) para cada sinal ptico com o n-destino [1,2]. Linear e nonlin- efeitos de ouvido em fibras e rudo acrescentado pelos elementos da rede ao longo de transmisso pode levar a OSNR degradao, que ter impacto sobre a QoS. As deficincias fsicas principais que impactam o desempenho da rede ptica so a ampli- fier saturao de ganho, emisso espontnea amplificada (ASE) e seu processo de saturao, crosstalk coerente em switches, disperso cromtica, disperso de polarizao modo (PMD), e os efeitos no-lineares em fibras [1,3-11]. Alm disso, o processo de roteamento tem um impacto significativo sobre o desempenho da rede. Alguns algoritmos de roteamento usar heursticas com base em mtricas pr-definidas. Alguns exemplos so: caminho mais curto (SP) [12] atraso, menor [12], balanceamento de carga

[12], contagem de saltos (HW), comprimento de onda disponvel (AD),

contagem de saltos e comprimentos de onda disponveis (HAW), comprimentos de onda totais e

disponibi- comprimentos de onda capaz (TAW), contagem de saltos e comprimentos

de onda totais e comprimentos de onda disponveis (HTAW) [13], a resistncia e menos peso (LRW) [14]. O objetivo principal dessas abordagens a atingir uma distribuio de carga melhorado, ou para optimizar lquido- recursos de trabalho, como uso de comprimento de onda, para obter menor probabilidades de bloqueio. Muitos esforos tm sido feitos para desenvolver algoritmos RWA que consideram deficincias fsicas. Na rede ptica

H. A. Pereira Departamento de Engenharia Eltrica, Universidade de Pernambuco, 52720-001 Recife, PE, Brasil e-mail: helder.pereira @ upe.poli.br

D. A. R. Chaves J. F. Martins-Filho (B) Departamento de Eletrnica e Sistemas, Universidade Federal de Pernambuco, 50740-530 Recife, PE, Brasil e-mail: [email protected]

C. J. A. Bastos-Filho Departamento de Computao e Sistemas, Universidade de Pernambuco, 52720-001 Recife, PE, Brasil e-mail: [email protected]

123

138 Photon Netw Commun (2009) 18:137-149

constrito por deficincias, a maioria relatou estudos de preocupao o a soluo do problema RWA podem ser classificados em trs categorias principais. Na primeira categoria, a RWA algo- rithm tratado em duas etapas: primeiro, a computao em um caminho

ptico um mdulo de camada de rede fornecido, seguido por um caminho ptico verificao executado pelo mdulo de camada fsica. Difere- rentes esquemas de roteamento foram propostos utilizando esta abordagem. Em [4], Ramamurthy et al. modelado sua deficincia-aware Algoritmo RWA tendo em conta o rudo gera-ASE ated em EDFA e conversas cruzadas acrescentado pelo interruptor ptico e comparou a taxa de erro estimada bit (BER) contra um determi- extrado limiar. Em [3], Huang et al. modelado sua prejudicar- mento-aware algoritmo RWA tendo em conta a PMD OSNR e parmetros de desempenho separadamente e comparados -os contra a dois nveis de limiar no final do percurso. Na segunda categoria, o algoritmo de RWA tratado em trs etapas: primeiro, um clculo lightpath em uma camada de rede mdulo fornecido resultando em um (ou nenhum) vivel de luz caminho para cada comprimento de onda na rede. Depois, para cada lightpath vivel encontrada, uma verificao realizada pela mdulo de camada fsica. Entre os caminhos pticos que passaram na verificao da camada fsica do mdulo o melhor cho- sen, considerando alguns mtrica. Pointurier e Brandt-Pearce [15] utilizou esta abordagem e desenvolveu um esquema de roteamento com base em Q-factor, que incorpora os efeitos da-COM crosstalk bateu tanto na verificao da camada fsica do mdulo e escolhendo lightpath para configurar a chamada. Em [16], Anagnos- topoulos et al. desenvolvida uma abordagem semelhante, no entanto, considerando quatro ondas de mistura, cross-modulao de fase, e Rudo EDFA efeitos ASE. Na terceira categoria, o algoritmo de RWA em si ciente de deficincia fsica e usa a informa-deficincias o para o encaminhamento dos procedimentos. Martins-Filho et al.

proposta na [8] um algoritmo de roteamento dinmico que seleciona a rota com base sobre os menores deficincias fsicas, incluindo ASE acu- mento, a saturao de ganho do amplificador, e comprimento de onda-

dependente ganhar ao longo do caminho, e ento calcular BER para verificar a exigido qualidade do sinal. Em [17], Cardillo et al. proposto utilizar o modelo OSNR considerado em [3] com alguns aperfeioamentos a considerar penalidades no lineares, bem como os efeitos lineares que ocorrem ao longo da transmisso lightpath. Em [18], Kulkarni et ai. utilizou o Q-factor como um parmetro de desempenho e integra a interao de deficincias lineares (cromtica dis- persion, PMD, o rudo ASE, crosstalk, e filtro de concatena- o). Embora os regimes de comprometimento de restrio de roteamento

outper- formar as abordagens imparidade mais comuns, os inconscientes uso destes algoritmos implica um com-maior computacional complexidade. Portanto, o desenvolvimento de modelos que utilizam

simples equaes analticas de suma importncia. Alguns mod- els consideram a degradao SNR ou fator Q [4,16,19-22]. Outra abordagem a de considerar a degradao da OSNR [3,23-28].

Neste artigo, relatamos o desenvolvimento de um Analyt- modelo ical com base na degradao OSNR para ter em conta o efeito de saturao de ganho e depleo de rudo ASE em amplificadores de crosstalk, coerente em switches pticos, FWM, e PMD em fibras pticas. Diferentemente da anteriormente relatou o trabalho, o nosso modelo considera estes efeitos completamente e utiliza simples equaes analticos obtidos a partir de bem- conhecido comportamento fundamental ou experimental da rede dispositivos. Ns aplicamos o nosso modelo para investigar o impacto da cada deficincia fsica no desempenho da rede [29], para dois diferentes topologias de rede. O desempenho da rede avaliada em termos de probabilidade de bloqueio como uma funo de parmetros do dispositivo e de carga de rede. Tambm aplicamos o

nosso modelo de imparidade restrio de roteamento. Ns apresentamos um

RWA algoritmo que encontra a rota com base em OSNR usando o nosso pro- colocado modelo (OSNR-R), e comparamos seu desempenho com outros algoritmos RWA. Em Sect. 2, descrevemos em detalhes nosso modelo que considera deficincias fsicas em todas as pticas redes. Em Sect. 3, apresentamos as caractersticas gerais e parmetros utilizados em nossas simulaes considerando dois dife- rede de fibra ptica rente topologias. Em Sect. 4, vamos mostrar a resultados de simulao para a anlise do impacto das fs- deficincias iCal no desempenho da rede utilizando o nosso pro- posou de modelo. Em Sect. 5, apresentamos a proposta OSNR-R algoritmo e mostramos os resultados da simulao para a rede desempenho para trs diferentes algoritmos RWA, incluindo OSNR-R. Em Sect. 6, damos as nossas concluses.

2 modelagem deficincia fsica

A nossa frmula quantifica a degradao OSNR ao longo do propagao do sinal ptico nas redes todo-pticos. O impacto das deficincias da camada fsica levada em conta considerando a potncia do sinal e da potncia de rudo na n de destino, ambas afetadas por ganhos e perdas ao longo o caminho ptico. Alm disso, alguns elementos de rede adicionar rudo componentes ou ter uma resposta no-linear. O amplificador ptico adicionar amplificadores de potncia de rudo ASE e tambm so afetados

pelo ganho saturao e depleo ASE como a potncia total de entrada de sinal aumenta. Os switches pticos adicionar rudo devido no-ideal iso- mento entre os portos. E as fibras de transmisso adicionar rudo devido FWM quando o comprimento de onda do sinal prximo de zero

dis- persion comprimento de onda (0) e tambm induzir a ampliao de pulso devido PMD. Neste artigo, vamos negligenciar o efeito da cromtica disperso supondo que totalmente compensada na net- trabalhar links. A considerao da disperso residual est sob desenvolvimento e ser objecto de futura publicao. Figura 1mostra a configurao do comprimento de onda de rede roteamento n. semelhante ao assumido em [4]. Figura 2mostra os dispositivos de rede consideradas no nosso modelo em cada link. As ligaes tm os seguintes elementos: chave do transmissor, ptico, multiplexer, amplificador booster,

123

Photon Netw Commun (2009) 18:137-149 139

1

2 . . .

.

Mudar 1

Mudar 2

1

2 . .

.

. . .

Mudar W M

tico fibra

tico amplificador

M

tico amplificador

tico fibra DEMUX MUX

1 2 TX

W W 2 RX

1

simplicidade, consideramos aqui que o mesmo para todos os comprimento de onda, por exemplo, no o canal dependente. Em pontos ce gconsideramos a contribuio da multiplexer e elementos Demultiplexer. Ele e Brandt-Pearce [33] considerada uma fonte de crosstalk devido a WDM imperfeito demultiplexao. Eles descobriram que significativo para a alta den- sidade de canais na rede. No entanto, neste artigo, ns ter em conta as perdas MUX e DEMUX apenas. Em pontos de fna fig. 2, levarmos em conta o rudo induzido pelos amplificadores pticos, bem como o ganho de satu- efeito rao. Considerando o espancamento sinal-espontneo como a principal fonte de rudo, este rudo pode ser quantificada por [34]:

h f BoGampres Fampres ,(2) 2 onde h a constante de Planck, f o sinal ptico fre- freqncia, Bo a largura de banda ptica do filtro, Gamp o linear ganho do amplificador dinmico e Famp o fator de rudo do amplificador. O amplificador de ganho efeito de saturao tido em conta usando a seguinte expresso [8,9]:

Nampres =PASE =

Gampres = G0 1+ Pfora

Psentou-se

Fig. 1 Rede de comprimento de onda de configurao do n de roteamento, para Mfibras com Wcomprimentos de onda

TX um X b c d e f g X h RX

Fig. 2 O link de configurao para ns adjacentes, com dispositivos pticos considerado no nosso modelo analtico

, (3)

fibra ptica, pr-amplificador, desmultiplexador, o interruptor ptico, e receptor. Os pontos umpara hna fig. 2so pontos de avaliao onde o sinal eo rudo pode ser determinada na Opti- domnio cal. Em ponto um, temos o sinal de entrada ptica alimentao (Pin) e entrada de energia do rudo ptico (Nin). O razo entre Pem e Nem define o OSNR do-trans transmissor (OSNRin). Para o passo de luz com Eulinks, os elementos entre be hso repetidos Eu-1 vezes antes de o sinal chega ao receptor no n de destino. Em pontos be hna fig. 2, considerarmos o rudo induzido por interferncia coerente nos switches pticos assumindo que crosstalk incoerente pode ser filtrado para fora na sada de comutao. Este efeito ocorre basicamente devido fuga de energia a partir de outros co-propagando sinais para o sinal de referncia ptica, no mesmo comprimento de onda, devido a no ideais interruptores pticos. A potncia de rudo ptico gerado por cada comutador ptico em um comprimento de onda dada por [30]:

n

onde G0 o ganho do amplificador insaturada, Pdestaca a optical de energia na sada do amplificador e Psab o amplificador fora colocar o poder de saturao. Pode-se notar em (3) que Gampres depende sobre a potncia ptica na entrada do amplificador. Desde Fampres tambm depende da potncia de entrada ptica, ns desenvolvida empiricamente a seguinte expresso para obter o comportamento real do Famp como uma funo da potncia de entrada ptica:

Fampres =F0 1 +A1- A1 1+ Pem

A2

, (4)

NMudar =

j = 1

PSW j (), (1)

onde PSW j () a potncia ptica do j fibra tica no mesmo comprimento de onda do sinal de referncia ptica, o fator de isolamento, e n o nmero de sinais em mesmo comprimento de onda nas portas de entrada do comutador. Para o

n configurao usada aqui, mostrado na fig. 1, n=M. Pointurier et ai. [31], considerou que tem um efeito dinmico dependendo sobre o estado da rede, enquanto que em [32] os autores consideraram que no-linearidades da fibra melhorar a crosstalk detuned quando sinais so transmitidos a longas distncias. Por causa de

onde F0 o fator de rudo do amplificador para a entrada de baixa opti- poderes CAL e A1 e A2 so parmetros da funo. Estes os parmetros podem ser obtidas pelo ajuste de resultados experimentais. Figura 3mostra o ganho do amplificador ea figura rudo como um funo da potncia ptica por canal a partir de uma Erbium- amplificador de fibra dopada (EDFA), construdo em nossos laboratrios.

O resultados experimentais so tpicas de EDFAs e so repre- representada por smbolos e os resultados do modelo so representados por As curvas slidos. Os parmetros da funo de NQA. 3e 4que se encaixam os resultados experimentais da Fig. 3so: G0=1000 (30 dB), F0=3 (4,77 dB), Psentou-se =15 dBm, A1=500, e A2=2 W. Em reais amplificadores pticos, tanto o ASE eo amplificador ganhar diminuir medida que a potncia de entrada ptico aumenta [35].

Em Fig. 3pode-se observar que a figura de rudo aumenta com a potncia de entrada ptica, no entanto, o ganho do amplificador decai mais rpido do que o aumento na figura rudo. Como consequncia, utilizando (2), o poder ASE diminui quando a potncia ptica aumenta. No ponto ena fig. 2, considerarmos o rudo gerado pelo FWM efeito [36]. Este efeito no-linear depende do

123

140

-30 -25 -20 -15 -10

30

Ganho do

amplificador

(dB)

25

20

15

10

5

0

-30 -25 -20 -15 -10 -505 10 15 Potncia de entrada por canal ptico (dBm)

-5 0 5 10 15

10 Amplificador

figura de

rudo (dB) 9

8

7

6

5

4

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ao longo da propagao do sinal, e dada por:

Pfora = GAMP1 e-d GAMP2

L2Switch LMux LDemux Pem , (8)

onde GAMP1 e GAMP2 so os ganhos dinmicos lineares do reforo e pr-amplificador, o coeficiente de perda de fibra, d o comprimento da fibra, LSwitch, LMux, e LDemux so a ptica switch, multiplexer, e as perdas Demultiplexer. Nfora avaliada a partir do n de origem para o destino n, incluindo os componentes de rudo nos respectivos pontos de avaliao (uma para hna fig. 2) ao longo do caminho ptico e dada por:

Nfora = GAMP1 e-d GAMP2

LMux LDemux L2Switch Nem

n

Fig. 3 Ganho do amplificador ea figura rudo do amplificador como uma funo de entrada potncia ptica por canal obtido a partir de resultados experimentais (smbolos) e modelo de montagem (slido curvas)

G AMP1 e-d GAMP2 + LMux LDemux LMudar

PSW1, j()

j = 1

espaamento de canal, a potncia do sinal ptico por canal, o nmero de comprimentos de onda de propagao na fibra ptica disperso de fibras, coeficiente, eo comprimento de onda de disperso zero da-trans fibra misso. Cada potncia FWM gerado pode ser avaliada utilizando a seguinte equao proposta por Song et ai. [37]:

PFWM () =Pi jk ()

= 2 2 DPi P j e Pk-d 9

1-e-d 2

2

G AMP1 e-d GAMP2 + LDemux LMudar Fampresh () Bo FAMP1 +-d 2 2eG AMP1 G AMP2 + LDemux LMudar

m PFWM j()

j = 1

, (5) s

+

j = 1

PSW2, j(), (9)

onde a eficincia FWM, D o fator de degenerescncia que igual a trs ou seis para degenerar e nondegen- rado FWM, o coeficiente no-linear, Pi ,P j , E Pk so as potncias de entrada para os sinais a frequncias f i ,f j , E f k , respectivamente, o coeficiente de atenuao da fibra ptica, e d o comprimento da fibra. As frequncias geradas pelo processo de FWM pode ser determinada por [36]:

f i jk =f i +f j -f k , (6)

onde Nem a potncia de rudo na sada do transmissor. Divid- ing Ppor Nfora, pode-se obter o OSNR no n de destino (OSNRout). A OSNR limite pode ser estabelecido para guar- rantir a QoS (OSNRQoS) para solicitaes de chamadas na rede. Considerando-se uma rota com Eulinks, temos:

PforaEu=

e

NforaEu= Nforai-1 LMux LDemux LMudar GAMP1, i e-di G AMP2, i h () Bo + LDemux LSwitch2 Fampres FAMP1, i +-d 2, i e i G AMP1, i

+ GAMP2, i

LDemux LMudar

s

m

Gampresi, 1 e-di G ampresi, 2

LMux LDemux LMudar Pforai-1 (10)

onde ndices Eue jso diferentes das k. Considerando todos os componentes de potncia ptica gerada por FWM no comprimento de onda do sinal de referncia, temos:

m

GAMP1, i e-di G AMP2, i

NFWM =

j = 1

PFWM j(), (7)

onde NFWM a potncia de rudo devido FWM e PFWM j() um dos mpticos componentes de potncia gerado pelo Efeito FWM que cai no mesmo sinal de propagao de ondas comprimento. Finalmente, no ponto hna fig. 2, pode-se avaliar a sada a potncia do sinal ptico (Pout) ea sada de potncia de rudo ptico (Nout). Pfora avaliada de acordo com os ganhos e perdas

PFWMi, j ()

j = 1

+

j = 1

PSwi 1, j (), (11)

123


120 km

Eu t=B

j = 1

2DPMD (j) d (j), (12)

km 60

8

4

70 km 7

60 kmkm

onde B a taxa de bits de transmisso, DPMD (j) o PMD coeficiente, e d (j) o comprimento do j vincular pertencem- o para o caminho ptico. O valor tdeveria ser inferior a um pulso mximo predeterminado alargamento ().

120 km

(A)

3 caractersticas de simulao

Figura 4mostra o fluxograma do nosso algoritmo de simulao usando o caminho mais curto, como as mtricas de encaminhamento. Este

algoritmo usado em Sect. 4para fins de anlise fsicas deficincias. Para cada simulao de rede, um conjunto de pelo menos 105 chamadas so gerados aleatoriamente escolher o par origem-destino. O processo de pedido de chamada caracterizada como um processo de

Poisson

(B)

Fig. 5 Redes pticas utilizados em nossas simulaes: (a) topologia normal e (b) Americana topologia. N distncias so mostradas

Fig. 4 Fluxograma do encaminhamento e algoritmo de atribuio de comprimento de onda empregues nas simulaes de rede

ea durao de tempo para cada chamada estabelecida caracteres zada como um processo exponencial. Nosso algoritmo de simulao funciona da seguinte forma: aps uma

chamada solicitar que determina uma rota utilizando uma mtrica pr-definida. Em

seguida, ele seleciona um comprimento de onda disponvel a partir de uma lista

usando o primeiro caber algoritmo. O OSNR lightpath avaliada. Se estiver acima o nvel pr-determinado do estabelecimento da chamada (OSNRQoS). Nosso algoritmo bloqueia uma chamada se o pulso ampliao ( t) est acima do nvel mximo (), se no houver disponvel comprimento de onda ou se o OSNR para o comprimento de onda

correspondente abaixo dos OSNRQoS. As chamadas bloqueadas so perdidas. O bloco- probabilidade ing obtido a partir da razo do nmero de bloqueados chamadas eo nmero de chamadas solicitadas. Assumimos circuitos comutados ligaes bidirecionais em duas fibras e nenhuma capacidade de converso de comprimento de onda. Foram

utilizados dois diferem- redes rentes em nossas simulaes para evitar qualquer particularidade que podem surgir a partir de uma topologia de rede especfica. Figura 5a mostra uma topologia de rede normal, enquanto que a rede pr- tantes na fig. 5b tem uma topologia irregular e semelhante a NSFnet, mas com diferentes distncias. O amplificador ganhos so inicialmente configurados para compensar as perdas totais de

link e os parmetros padro utilizados nos nossos simulaes so mostrados na Tabela 1. Os parmetros de rede (principalmente o nmero de comprimentos de onda) foram escolhidas de tal modo que os bloqueios de

chamadas foram principalmente devido degradao OSNR, em vez de falta de disponveis comprimentos de onda.

120 km

onde Pout0 =Pem / L Mude e Nout0 =(Nem / L Mudar )+ n PSW1, j().j = 1 Alm disso, tambm consideramos o efeito do pulso-ampliao causada por PMD em uma rota utilizando a seguinte expresso [38]:

1 60

70 km

120 km 2

6

70 km

5 70 km

60 km

KKM

3

123

142

Tabela 1 Simulao de parmetros padro

Parmetro

Psentou-se OSNRin OSNRQoS

B Bo W

f Eu 0

LMux LDemux LMudar F0 (NF) A1 A2

DPMD Carregar

Valor

16 dBm 30 dB 23 dB

40 Gbps 100 GHz 36

100 GHz 1550.12 nm 1510 nm 0,2 dB / km 3 dB 3 dB 3 dB 3,162 (5 dB) 100 4W -40 dB

10% 0,05 ps/km1/2

60 Erlang

Definio

Amplificador de potncia de saturao de sada Entrada relao sinal-rudo ptico Relao sinal-rudo ptico para QoS critrio

Taxa de bits de transmisso Largura de banda do filtro ptico Nmero de comprimentos de onda em um enlace ptico

Espaamento entre canais O menor comprimento de onda da grade Zero comprimento de onda de disperso Coeficiente de perda de fibras Perda Multiplexer Perda Demultiplexer Perda de interruptor ptico Fator amplificador de rudo (figura de rudo) Rudo parmetro modelo de fator Rudo parmetro modelo de fator Mudar fator de isolamento Pulso mxima ampliao PMD coeficiente Carga da rede


(A)

(B)

4 A anlise deficincia fsica

Nesta seo, aplicamos nossa proposta de modelo para a ava- o do impacto de cada deficincia fsica na-net trabalhar desempenho. Ns avaliamos o desempenho da rede em termos de probabilidades de bloqueio usando o caminho mais curto algo- rithm para determinar rotas entre a origem eo destino nodos, como descrito na Sect. 3. Contrrio, o Simula- o parmetros so apresentados na Tabela 1. Figura 6mostra a probabilidade de bloqueio em funo do potncia de entrada por canal ptico para cargas de rede diferentes, considerando duas topologias de rede ptica diferente, e para um amplificador de potncia de saturao de sada igual a 19 dBm. Nota que, para cada topologia da rede o mnimo de bloqueio pro- capacidade obtida para um poder de entrada diferente ptica por Chan- nel, que -1 dBm para fig. 6a, e -3 dBm para fig. 6b. Para mais elevadas potncias de laser, a diafonia coerente, efeito FWM, e efeito de saturao de ganho so responsveis pelo aumento na probabilidade de bloqueio, uma vez que aumentam com o aumento do a potncia do sinal, como visto nas Equaes. 1, 3, 5, e 7. Por menor poderes a laser, a ASE se torna mais relevante, uma vez que este fonte de rudo no diminui com a diminuio do sinal de alimentao, como visto na Equao. 2. A probabilidade de bloqueio de

requerida chamadas aumenta quando aumenta a carga de rede. De fato, como o trfego de rede torna-se maior, as deficincias fsicas

Fig. 6 Probabilidade de bloqueio como uma funo da potncia de entrada ptica por canal para cargas de rede diferentes, considerando-se duas tica diferente topologias de rede: (a) topologia regular e (b) Americana topologia, e para a saturao do amplificador de potncia de sada igual a 19 dBm

tornam-se mais relevante, causando a degradao mais OSNR para os sinais. No entanto, constatamos em nossas simulaes que para cargas de rede de 80 Erlang ou superior dos bloqueios de chamadas devido a falta de comprimentos de onda disponveis no mais insignificante. Figura 7mostra a probabilidade de bloqueio em funo do o nmero de comprimentos de onda em uma ligao, considerando dois

diferem- ent rede ptica topologias, para sada do amplificador diferente poderes de saturao. A carga da rede de 60 Erlang. Existe uma limiar em termos de nmero de comprimentos de onda em cada rede, acima do qual a probabilidade de bloqueio devido ao fsico deficincias (degradao OSNR). Por menos do que este limiar idade, a probabilidade de bloqueio causado basicamente pela falta de comprimentos de onda disponveis. Pode-se verificar que os 36

comprimentos de onda em uma ligao so necessrios para obter o mnimo de bloqueio pro- possibilidade de ambas as potncias de sada do amplificador de saturao

em ambos topologias de rede consideradas. Adicionando mais comprimentos de onda no resultar em qualquer melhoria da rede de desem- Mance, para a carga da rede considerada na fig. 7(60 Erlang).

123


(A)

Fig. 7 Probabilidade de bloqueio como uma funo do nmero de comprimentos de onda na um link, considerando duas topologias de rede ptica diferente para diferentes amplificador poderes de saturao de sada

(B)

Fig. 9 Probabilidade de bloqueio como uma funo da potncia de entrada ptica por canal, considerando duas topologias de rede ptica diferente: (a) regular topologia e (b) topologia americano, por figuras de rudo diferentes e amplificador poderes de saturao de sada

Fig. 8 Probabilidade de bloqueio em funo do factor de isolamento interruptor, considerando duas topologias de rede ptica diferente para diferentes ampli- saturao Fier potncias de sada

Figura 7tambm mostra que a potncia de saturao do amplificador tem

uma grande impacto sobre o desempenho da rede quando o bloqueio probabilidade limitada pela restrio QoS (por exemplo, para obter mais de 30 comprimentos de onda disponveis). Um aumento de 3 dB no seu

valor (16-19 dBm) conduz a uma reduo no bloqueio pro- capacidade por uma ordem de magnitude para a topologia regulares e por duas ordens de magnitude para a topologia Americana. No entanto, quando os bloqueios de rede so devido falta de comprimentos de onda disponveis (por exemplo, para menos de 20

comprimentos de onda na as redes aqui estudadas), os prejuzos fsicos tm pouco impacto. Figura 8mostra a probabilidade de bloqueio em funo do o fator de isolamento, considerando dois diferentes optical topologias de rede para a sada de amplificador diferente saturao- o poderes. Notamos que para abaixo -40 dB o efeito do crosstalk coerente pode ser negligenciado, ea rede de bloco-

reis so limitados por outras deficincias fsicas. Quando aumentada para alm -40 dB, observamos que o impacto da crosstalk coerente aumenta drasticamente. Figura 8mostra que o fator de isolamento switch um parmetro crtico para o dispositivo desempenho das redes integralmente pticas. Figura 9mostra a probabilidade de bloqueio em funo do potncia de entrada por canal ptico, considerando dois diferentes topologias de rede ptica para as figuras de rudo diferentes e amplificador poderes de saturao de sada. Observamos que apenas 2 dB diferena na figura rudo amplificador tem um considervel impacto no desempenho da rede. Alm disso, nota-se que para maiores valores de rudo, a potncia de entrada ptico que alcana menor probabilidade de bloqueio desloca-se para altas potncias. Este porque o rudo ASE aumenta para valores mais elevados de rudo. Figura 10 mostra a probabilidade de bloqueio em funo do potncia de entrada por canal ptico, considerando dois diferentes topologias de rede ptica para fibras pticas com diferentes a zero comprimentos de onda de disperso e de saturao de sada do

amplificador

123


(A)

(B) Fig. 11 Probabilidade de bloqueio em funo do coeficiente de PMD, con- rando duas topologias de rede ptica diferente para o amplificador diferente sada poderes de saturao, para uma taxa de bits de 40 Gbps

Fig. 10 Probabilidade de bloqueio como uma funo da potncia de entrada ptica por canal, considerando duas topologias de rede ptica diferente: (a) regu- LAR topologia e (b) topologia americano, por fibras pticas com diferentes zero de comprimentos de onda de disperso e os poderes de saturao do amplificador de

sada

topologias de rede para a saturao do amplificador de sada diferente poderes, para uma taxa de bits de 40 Gbps. Fazemos notar que h um Comportamento Ththreshold para o

coeficiente de PMD (DPMD). Para DPMD abaixo do limiar, a PMD pode ser negligenciado e bloqueios de chamadas ocorrer pela degradao OSNR. Para DPMD Thabove DDMP, o efeito PMD torna-se mais relevante e a causa da maior parte dos bloqueios de chamadas. E neste caso, o probabilidade de bloqueio no pode ser melhorada atravs do aumento do amplificador de potncia de saturao porque o PMD afeta o sig- nais no domnio do tempo. Para a topologia regular, encontramos ThDPMD =0,16 ps/km1/2, e para a topologia americana ns Thfound DPMD =0,19 ps/km1/2. A topologia regular mais sensveis PMD porque o seu comprimento mdio de percurso mais

longo (124,02 km) do que para a topologia americano (84,99 km).

poderes. Quando a disperso diferente de zero deslocado fibra (NZ-DSF) usado, 0=1510 nm, obtm-se o mnimo de bloqueio probabilidades. Quando a disperso deslocada fibra (QSD) usado, 0=1550 nm, observamos que o bloqueio da rede Proba- dades so mais elevados do que no caso NZ-DSF. Neste caso, o a utilizao de amplificadores com maior potncia de sada de saturao, tal como Psentou-se =19 dBm, no traz muita melhoria para o desempenho da rede. Ela ocorre basicamente porque o FWM efeito torna-se mais relevante para este tipo de fibra ptica. Figura 10 tambm mostra que para as fibras de QSD necessrio usar os poderes inferiores de entrada ptica para a realizao de bloqueio

mais baixos probabilidades. No entanto, para a topologia regular o bloqueio probabilidade muito elevada e, neste caso, deve-se usar maior espaamento de canal para reduzir o efeito FWM. A FWM consciente algoritmo de comprimento de onda de atribuio, em vez de ajuste em

primeiro lugar, deve tambm melhorar o desempenho da rede. Figura 11 mostra a probabilidade de bloqueio como uma funo do coeficiente de PMD, considerando-se duas diferentes ptico

5 Anlise RWA

Nesta seo, aplicamos o nosso modelo como uma mtrica para uma

prejudicar- mento restrio de atribuio de roteamento de comprimento de onda e

algo- rithm. Ns apresentamos um algoritmo de RWA que encontra as rotas

baseadas no OSNR mnimo para um dado comprimento de onda disponvel. Nosso OSNR algoritmo baseado no encaminhamento (OSNR-R) comparada

para o caminho mais curto (SP) [13] e ao peso menor resistncia (LRW) [14] algoritmos em termos de probabilidade de bloqueio e custos de computao. Cada um destes algoritmos tm a sua prpria mtricas ou funes peso. Estas funes peso so utilizados como uma funo de custo no algoritmo de Dijkstra menor custo para resolver o problema de roteamento considerando deficincias fsicas ao longo do caminho ptico. Por uma questo de equidade na compa- filho entre os algoritmos, usamos o nosso modelo proposto para calcu- tarde OSNR o dos caminhos pticos determinada por cada

encaminhamento algoritmo. Se a rota encontrada pelo algoritmo de encaminhamento tem

uma 123


dada por [13]

wi, j =di, j , (13)

onde di, j o comprimento ligao fsica entre os ns Eue j.

5,2 peso menor resistncia

A funo peso ligao wi, j calculada em uma base per-link para um determinado link entre os ns Eue j. O peso LRW funo dada por [14] T CmaxA se Ci, j =0,Awi, j =Ci, j(14) Ase Ci, j =0, Aonde Ci, j denota o nmero atual de onda disponvel Tcomprimentos no link, Ci, j indica o nmero total de onda Tcomprimentos no link, e Cmax representa o mximo num- TTbro de comprimentos de onda no link; ou

seja, Cmax =max (Ci, j ).

5,3 roteamento baseado em OSNR

A idia por trs desta funo peso encontrar uma rota com degradao OSNR menor para um dado comprimento de onda. Pode-se observar a partir da formulao de rudo (Eq. 11) que a sada OSNR em uma cadeia de Euligaes dependente das ligaes anteriores na cadeia. Portanto, a magnitude relativa do rudo pena induzida pela om ligao dependente do rudo acu- mento em links anteriores da cadeia. Assim, para o OSNR-R algoritmo que no corrigir para modelar uma funo de ponderao para

um ligao dada independente da via escolhida como considerado na as outras duas abordagens (SP e LRW). No entanto, OSNR-R pode ser facilmente implementado com custo mnimo de Dijkstra algoritmo. Ele pode recalcular totalizar OSNR acumulado de n fonte ao n atualmente visitada. Deve ser de alta iluminado que uma maior OSNR em lightpath significa um melhor sinal qualidade. Portanto, o algoritmo de Dijkstra deve ser definida para

encontrar o valor mximo para OSNR em vez do uso comum deste algoritmo que tenta minimizar algumas mtricas. Math- ematically, se (s, d) representa todas as rotas possveis entre ns se d, e fOSNR [ (s, d), ] representa a sada OSNR para estas vias no comprimento de onda . Em seguida, o percurso encontrado por OSNR-R no pode ser expressa por

Rs, d =max {fOSNR [ (S, d) , ]}.

Fig. 12 Fluxograma do encaminhamento OSNR-based e comprimento de onda algoritmo de atribuio de empregados em nossas simulaes de rede

OSNR abaixo dos OSNRQoS a ligao bloqueada. O problema da atribuio de comprimento de onda resolvido utilizando o

primeiro caber algoritmo [39]. Deve ser ressaltado que para todo-onda comprimentos a rota encontrada por SP funo peso o mesmo. Este no o caso para LRW e OSNR-R algoritmos. Para o algoritmo OSNR-R os comprimentos de onda diferentes na mesma rota pode mostrar acmulo de rudo diferente. O OSNR-R algoritmo funciona da seguinte forma: aps um pedido de chamada ele

seleciona um comprimento de onda a partir de uma lista usando o algoritmo de ajuste

primeiro. O percurso determinado usando o OSNR como a funo de custos na Algoritmo de Dijkstra. Se o OSNR do caminho ptico est acima o nvel pr-determinado (OSNRQoS) do estabelecimento da chamada. O algoritmo bloqueia uma chamada se o pulso ampliao ( t) acima do nvel mximo (), se no houver nenhum comprimento de onda dispon- capaz ou se o OSNR para o comprimento de onda respectivo est abaixo os OSNRQoS. Figura 4mostra o fluxograma de SP e LRW algoritmos e Fig. 12 mostra o fluxograma da OSNR-R algoritmo utilizado em simulaes nossos de rede.

5,1 caminho mais curto

A funo peso ligao wi, j calculada em uma base per-link para um determinado link entre os ns Eue j. A funo peso

(15)

Figura 13 mostra a probabilidade de bloqueio como uma funo de carga da rede, considerando-se duas redes diferentes ptica topologias, para os trs diferentes algoritmos de roteamento. Pode-se Observe que, para tanto topologias de rede o algoritmo OSNR-R apresenta menores probabilidades de bloqueio de todas as cargas de rede. Isto porque o algoritmo OSNR-R encontra o percurso com degradao OSNR menor. Assim, proporciona equilbrio de carga para a rede, pois se alguns links ficar mais cheia, o OSNR

123


(A) (A)

(B) (B)

Fig. 13 Probabilidade de bloqueio em funo da carga da rede, considere- ing dois rede diferente ptico topologias: (a) regular e topologia (B) Americana topologia, para trs diferentes algoritmos de roteamento

do sinal passando estas ligaes ir degradar e, portanto, o algoritmo OSNR-R tender a evitar tais ligaes, encontrando rotas alternativas. Como resultado, a probabilidade de bloqueio devido a baixa QoS (OSNR inaceitvel) menor para o OSNR-R do que para os outros algoritmos que no levam em conta a deficincias fsicas no processo de roteamento. Figura 13 mostra que o algoritmo OSNR-R supera o SP e algoritmos LRW em termos de bloqueio probabilidade. No entanto, devemos tambm comparar o tempo gasto por esses abordagens para resolver o problema RWA. Utilizou-se um Pentium Core 2 Duo com 2,13 GHz e 3 GB de RAM para executar esta comparao. Os resultados para o tempo mdio gasto pelo OSNR-R algoritmo para resolver o RWA por chamada so mostrados na Fig. 14, para a topologias regular e americano, como uma funo de carga da rede. O tempo mdio obtido a partir de 5-simulao es de 10.000 chamadas cada um. Figura 14 mostra que o OSNR-R algoritmo pode levar at 63 e 134 ms para encontrar uma rota no regular e americano topologias, respectivamente. E tambm que

Fig. 14 Tempo mdio gasto pelo algoritmo OSNR-R para resolver o RWA por chamada, para a topologias regular e americano, como uma funo de carga da rede, considerando: (a) todas as deficincias fsicas e (b) no Efeito FWM

o tempo mdio de computao rota tem uma dependncia linear com a carga da rede, com uma inclinao de 0,4 ms / Erlang para a regu- LAR e 1,0 ms / Erlang para o americano topologias. Enquanto que o algoritmo LRW resolve o problema RWA em cerca de 0,7 ms para a topologia regular e cerca de 1,2 ms para a americana topologia, e ele no apresenta dependncia com a carga da rede. Ele Deve-se notar que o algoritmo LRW aqui considerado por faz uma verificao QoS aps definio de rota atravs do clculo o OSNR sinal no fim do percurso escolhido e verificando -lo contra o valor aceitvel (OSNRQoS). Descobrimos que esta avaliao OSNR a principal contribuio para o LRW computao vezes algoritmo. Os resultados para o LRW no so mostrado na fig. 14. Portanto, o algoritmo OSNR-R resolve o problema RWA at 112 vezes mais lentas do que LRW. Isto por causa dos clculos que consomem tempo para avaliar o deficincias fsicas realizadas pelo OSNR-R.

123


Estes tempos de rotas longas computao apresentados pela OSNR-R algoritmo, atingindo centenas de milissegundos, pode ser considerado como proibitivo para aplicaes prticas. Como Entretanto, descobrimos que o efeito FWM o principal responsvel para eles. Na fig. 14b apresentamos resultados semelhantes com a fig. 14, mas considerando qualquer efeito FWM nos clculos OSNR. Em Neste caso pode-se ver que o algoritmo OSNR-R pode levar at para 0,6 e 1,5 ms para encontrar uma rota no regular e americano topologias, respectivamente. O tempo mdio de computao rota ainda apresenta uma dependncia linear com a carga da rede, com um declive de 0,003 ms / Erlang para a regular e 0,010 ms / Erlang para o americano topologias. Considerando que o algoritmo LRW resolve o problema RWA em cerca de 0,06 ms para a regular topologia e cerca de 0,13 ms para a topologia americana, e mais uma vez, no apresenta dependncia com a carga da rede. Neste sit- tuao, o algoritmo OSNR-R de at 11,5 vezes mais lento do que o algoritmo LRW. E mais importante, a rota OSNR-R tempos de computao situar-se dentro da gama de sub-milissegundos, atingindo um pouco mais de um milsimo de segundo, o que pode ser

considerado razovel para aplicaes prticas. Alm disso, os tempos de computao mdia da rota pode ser sig- significativamente reduzido se se usa um computador mais poderoso para clculos de rota. Alm disso, o algoritmo de avaliao FWM efeito deve ser melhorada e simplificada para reduzir a sua com- complexidade putation. No consideramos o algoritmo SP para anlise do tempo, uma vez que no um algoritmo de

encaminhamento adaptativo.

6 Concluses

Foi apresentado um novo modelo para considerar vrias fsica deficincias em todas as redes pticas. Nosso modelo baseado na a degradao da OSNR ao longo dos caminhos pticos e considera- ers os efeitos de saturao de ganho e rudo ASE em amplificadores, crosstalk coerente em switches pticos, e FWM no opti- fibras de cal. Para nosso conhecimento, ns somos os primeiros a considerar esses

efeitos todos juntos em um modelo simples baseado em OSNR, usando ana- equaes analticas obtidas conhecido fundamental ou comportamento experimental de dispositivos de rede. Alm disso, estamos tambm o primeiro a considerar a dependncia do ganho, o fator de rudo, e potncia de rudo total do amplificador na potncia do sinal total. Ns apresentamos uma aplicao do nosso modelo para o eval- o do desempenho da rede, em termos de bloqueio pro- capacidade. Nossos resultados mostram o impacto de cada imparidade o desempenho da rede como uma funo de parmetros do dispositivo. Para potncias de sinal baixo, a probabilidade de bloqueio principalmente

devido ao rudo amplificadores, e que para potncias de sinal de alta, o contribuio principal para a probabilidade de bloqueio vem do Efeito FWM, crosstalk coerente, e efeito de saturao de ganho. Notamos que a potncia do sinal timo depende da rede dispositivo parmetros de topologia e de rede. Nossos resultados de simulao mostram tambm que a rede desem- O desempenho altamente dependente dos parmetros do dispositivo, tais

como

amplificador de potncia de saturao de sada, figura de rudo do

amplificador, mudar fator de isolamento, e do tipo de fibra. Estes parmetros dispositivo

de ters ter um impacto considervel sobre os custos do dispositivo. Para o

nosso conhe- borda, somos os primeiros a apresentar esse tipo de avaliao, por exemplo, o desempenho da rede, em termos de parmetros do dispositivo. H- Portanto, o modelo, bem como os resultados de simulao para a-lquido casos de trabalho apresentados neste trabalho pode ser de grande interesse para os projetistas de rede. Apresentamos tambm uma aplicao de nosso modelo proposto na insuficincia restrio de roteamento. A proposta RWA algo- rithm encontra o percurso com base nas OSNR dos caminhos pticos. Os resultados das simulaes mostraram que o nosso algoritmo OSNR R- supera o caminho mais curto (SP) e peso menor resistncia (LRW) algoritmos em termos de probabilidade de bloqueio. No entanto, o OSNR-R muito mais lenta (cerca de 100 vezes) do que o LRW algoritmo, atingindo mdia de tempo de computao de rota no ordem de uma centena de milissegundos. Descobrimos tambm que a

maioria demorado parte do clculo OSNR o FWM avaliao do efeito. Se negligenciarmos o efeito FWM da mdia tempo de computao percurso reduzida para cerca de um milsimo de

segundo. O efeito FWM pode ser negligenciada se NZ-DSF ou padro fibras so utilizados. Portanto, acreditamos que nosso modelo tem aplicaes em derrota- ing e algoritmos de atribuio de comprimento de onda, e tambm em

lquido- trabalhar o planejamento para equilibrar os custos e desempenho. Alm

disso, uma vez que o nosso modelo baseia-se na OSNR, compatvel com alguma sinal de monitoramento de tcnicas, que podem ser implementadas em alguns pontos escolhidos estrategicamente na rede para medir o OSNR real e alimentar essa informao para o modelo, melhorar a sua preciso e funcionalidade. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio financeiro da FACEPE, CNPq, CAPES e de bolsas e subsdios.

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Joaquim F. Martins-Filho foi nascido em Recife, Brasil, em 1966. Recebeu o B.Sc. licenciatura em Engenharia Eletrnica da Universidade Federal de Pernambuco, buco (UFPE), Recife, em 1989, eo M.Sc. licenciatura em Fsica da mesma instituio em 1991, estudar ptica no-linear em opti- fibras de cal. Ele recebeu seu doutorado licenciatura em Engenharia Electrnica da Universidade de Glasgow, Esccia, em 1995, investigando ultra-rpida gerao de pulso ptico de modo-bloqueado semicondutor lasers de poos qunticos. Desde 1998 ele professor associado no Grupo de Fotnica do Departamento de Eletrnica e Sistemas da UFPE, em Recife. Seus interesses atuais so dispositivos, os subsistemas de transmisso, sistemas, redes e para comunicaes pticas e ptica sen- sores. Prof Joaquim Martins-Filho membro da OSA (Optical Society da Amrica), SBMO (Brasileira de Microondas e Optoeletrnica Soci- ety), SBrT (Sociedade Brasileira de Telecomunicaes) e SBF (brasileiro Fsica Society), bem como um pesquisador do National Research Conselho do Brasil (CNPq).

Biografias dos Autores

Helder A. Pereira nasceu em Paulista, Brasil, em 1980. Ele recebeu o B.Sc. licenciatura em Elec- tronics Engenharia da Uni- versidade de Pernambuco (UPE), Recife, Brasil, em 2000, o Mestrado grau de Telecomunicaes National Institute (Inatel), Santa Rita do Sapuca, Brasil, em 2002, e do grau de Doutor em Electri- cal Engenharia da Fed- Universidade ral de Pernambuco (UFPE), Recife, Brasil, em 2007. Ele um professor da Eltrica Departamento de Engenharia da Universidade de Pernambuco (DEE-UPE).

Daniel A. R. Chaves nasceu em Recife, Brasil, em 1981. Ele recebeu o B.Sc. licenciatura em Elec- tronics Engenharia da Fed- Universidade ral de Pernambuco (UFPE) em 2006, eo Mestrado grau da mesma instituio em 2008. Ele est atualmente trabalha- o para o Ph.D. licenciatura em Engenharia Eltrica da Fed- Universidade ral de Pernambuco (UFPE). Seus interesses esto relacionados para lightwave comunicao sys- ETMs incluindo amplificadores pticos, de alta capacidade de transmisso WDM, efeitos no-lineares, da rede ptica ing, e inteligncia computacional aplicada a redes pticas.

Carmelo J. A. Bastos-Filho foi nascido em Recife, Brasil, em 1978. Recebeu o B.Sc. grau em Engenharia Eletrnica Universidade Federal de Per- Pernambuco (UFPE) em 2000. Ele recebeu o M.Sc. e PhD graus em Engenharia Eltrica da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), em 2003 e 2005, respectivamente. Seus interesses esto relacionados com lightwave comu- caes, incluindo sistemas de ptica amplificadores de alta capacidade WDM transmisso, os efeitos no-lineares, redes pticas, e inteligncia artificial. Ele tambm trabalha desenvolver- o algoritmos inteligentes para problemas de busca e otimizao. Ele atualmente professor no Departamento de Computao e Sistemas da Universidade de Pernambuco (DSC-UPE). Ele o coordenador do diviso de pesquisa da Escola Politcnica de Pernambuco.

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osnr modelo pt

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