Proposta de um Mecanismo de Eficiência Energética
em Redes Ópticas Passivas de Próxima Geração
Luis G. T. Zulai e Taufik Abrão
Fábio Renan Durand
Departamento de Eng. Elétrica
Universidade Estadual de Londrina
Londrina – PR – Brasil
[email protected]
Departamento de Eng. Elétrica
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Cornélio Procópio – PR – Brasil
[email protected]
Abstract— Neste trabalho é proposto e analisado um
mecanismo de eficiência energética em redes ópticas passivas
WDM-OCDM-TDM-PON que são baseadas nas redes
10GEPON. O mecanismo híbrido proposto emprega o esquema
de hibernação das ONUs previsto para o padrão 10GEPON em
conjunto com o controle/alocação de potência dos lasers, baseado
na otimização por enxame de partículas (PSO). Os resultados
mostram que a energia consumida por bit em cada ONU pode
diminuir 10-7 para 10-12 quando emprega-se o mecanismo
proposto. Ainda, verificou-se que o algoritmo proposto é robusto,
apresentando elevada taxa de convergência (>0,95) em função da
variação de potência na rede.
Keywords—Redes ópticas, 10GEPON, enxame de partículas.
I.
INTRODUÇÃO
As redes ópticas passivas (PON – Passive Optical Network)
se consolidaram como uma das principais tecnologias de redes
de acesso de banda larga [1], sendo empregadas para conectar
usuários residenciais ou comercias com redes metropolitanas.
As PONs possuem arquitetura ponto-multiponto que permite
que uma única fibra óptica seja compartilhada por múltiplos
usuários, não empregando elementos ativos entre os
equipamentos das operadoras de telecomunicações (OLT –
Optical Line Terminal) e os equipamentos dos usuários (ONU
– Optical Network Unit) [1][2]. As PONs podem ser utilizadas
sozinhas ou em conjunto com outras tecnologias como Digital
Subscriber Line (DSL), Hybrid Fiber Cable (HFC), FiberWireless (Fi-Wi), entre outros [1]. Neste contexto, a evolução
das redes PONs vem aumentando o seu alcance de 20 km para
aproximadamente 100 km, e podendo substituir as redes
metropolitanas (MAN – Metropolitan Area Network) [2].
Os padrões atuais de PONs, IEEE 802.3ah Gigabit Ethernet
PON (GE-PON) e ITU-T G.984 Gigabit PON (GPON),
utilizam a tecnologia de divisão de tempo (TDM – Time
Division Multiplexing) para compartilhamento de largura de
banda e suportam até 32 ONUs [1]. O padrão GE-PON é o
padrão dominante na Asia e o GPON é o padrão largamente
empregado nos EUA e Europa [3]. Estes padrões empregam a
transmissão por difusão (broadcasting) com taxa de 2,5 e 1,25
Gbps no sentido da OLT para as ONUs (downstream) para
GPON e GE-PON, respectivamente. Por outro lado, é utilizada
a transmissão por rajadas com taxa de 1,25 Gbps na direção das
ONUs para a OLT (upstream) em ambos os padrões. A
próxima etapa de evolução dos padrões de PONs é baseada em
tecnologias TDM com taxa de transmissão de 10 Gbps (XGPON e 10GE-PON) [1][3]. As redes XG-PON e 10GE-PON já
são comerciais atualmente, porém a evolução destes padrões
com intuito de ampliar o alcance, taxa de transmissão e número
de ONUs está em discussão pelos grupos de padronização,
visto que a limitação tecnológica apresentada pela técnica
TDM está sendo alcançada. Assim, a tendência de evolução
das PONs é baseada no emprego de tecnologias como a
multiplexação por divisão de comprimentos de onda (WDM –
Wavelength Division Multiplexing), multiplexação por divisão
de freqüência ortogonal (OFDM – Orthogonal Frequency
Division Multiplexing) e multiplexação por divisão de códigos
ópticos (OCDM – Optical Code Division Multiplexing), sendo
estas tecnologias utilizadas de forma isoladas ou em conjunto
[1]-[3].
Uma tecnologia promissora para evolução das PONs é a
utilização do esquema híbrido WDM-TDM-OCDM-PON que é
baseado no aproveitamento das redes legadas 10GE-PON com
taxa de 10 Gbps bidirecional, demonstrado por meio de
simulação e experimentos em [2 ][3]. As vantagens das WDMTDM-OCDM-PON são a ampliação do alcance ( ~100 km), da
taxa de transmissão (> 10 Gbps) e do número de ONUs (>
3000). Além de aproveitar a infraestrutura da tecnologia das
redes 10GE-PON, o emprego das WDM-TDM-OCDM-PON
permite a expansão do número de ONUs sem sacrificar a taxa
de transmissão entre as ONUs e OLT [2]. Apesar das
vantagens apresentadas por estas redes, ainda não foram
investigados os seus aspectos de eficiência energética [1]-[3].
Portanto, considerando que as redes de acesso apresentam
elevado consumo de energia e que existe a tendência de
expansão deste tipo de rede, é fundamental o estudo dos
aspectos de eficiência energética das arquiteturas de PONs de
próxima geração [1]. Neste contexto, o objetivo deste trabalho
é a proposta de um mecanismo que possibilite a economia de
energia em redes WDM-TDM-OCDM-PON. O mecanismo
proposto é baseado no emprego de esquemas de economia de
energia das redes 10GEPON previstas em 1904.1-2013 [4] para
a tecnologia TDM, em conjunto com o controle e otimzação de
alocação de recursos para as tecnologias OCDM [5]. Os
recursos que podem ser controlados são a potência transmitida
e a taxa de transmissão. Neste sentido, o controle e otimização
dos recursos será realizado por meio da otimização por enxame
de partículas (PSO – Particle Swarm Optimization)
OCDM- n
OCDM- n
OC 2
λk
1
2
•••
m
Tempo
OC2
OC 1
1
WDM - k
•• •
2
m
1
2
•• •
Tempo
m
1
OC 1
1
2
•••
m
2
•• •
m
Tempo
Tempo
Tempo
TDMA - m
OCDM- n
OC2
λ1
1
2
•• •
m
TDMA - m
Tempo
ONU1
OC1
1
λ1
2
•••
m
Tempo
λ1 ... λk
λ1 ... λk
Filtro
OLT
ONU2
λ1
Filtro
TDMA - m
ONUm
Divisor
λk
OLT
OC1
OC1
Divisor
Filtro
λ1 ... λk
λ1
Filtro
λ1 ... λk
λ1 ... λk
Filtro
OCn
λ1 ... λk
Codificador/
Decodificador
AWG
ONU2
λ1
ONU1
Divisor
Filtro
ONUm
ONU1
ONUm
OCn
Divisor
λk
ONU2
λk
ONUm
λ1 ... λk
Filtro
OLT
OLT
ONU1
Codificador/
Decodificador
AWG
λ1 ... λk
Filtro
λk
ONU2
ONUm
Fig. 1. Arquitetura da rede WDM-TDM-OCDM-PON.
em função da relação custo-benefício quando comparado com
outras técnicas de otimização que empregam inversão de
matrizes, métodos numéricos e outros algoritmos heurísticos.
O restante deste artigo está organizado da seguinte forma:
Na Seção 2 é apresentada a arquitetura da rede WDM-TDMOCDM-PON e, na Seção 3 são discutidos os mecanismos de
economia de energia e apresentado o mecanismo de eficiência
energética proposto neste trabalho. A Seção 4 ilustra a
metodologia empregada para obter o desempenho do
mecanismo proposto e, na Seção 5 são discutidos os principais
resultados obtidos. Finalmente, na Seção 6 ilustram-se as
conclusões obtidas.
II.
ARQUITETURA DA REDE PON
A arquitetura da PON empregada neste trabalho é baseada
na proposta de WDM-TDM-OCDM-PON apresentada na Fig.
1 que foi desenvolvida em [2][3]. Nesta arquitetura são
utilizados dois codificadores/decodificadores multiportas
baseados em arranjo de guias de onda (AWG – Arrayed
Waveguide Gratings) para a codificação OCDM [3] do sinal
TDM. Assim, aumento de escala é obtido por meio da
introdução de comprimentos de onda da tecnologia WDM [2].
Desta forma, o custo das ONUs é menor, pois não são
instalados codificadores/decodificadores em cada ONU. O
intervalo entre os comprimentos de onda é disposto de acordo
com a faixa espectral livre (FSR – Free Spectral Range) do
AWG para aproveitar a periodicidade espectral do codificador.
Assim, é permitida a reutilização dos códigos ópticos em todos
os comprimentos de onda. Esta arquitetura apresenta um
número de m pacotes TDM, n códigos OCDM e k
comprimentos de onda. Neste contexto, a taxa de transmissão
agregada das ONUs para a OLT (upstream) em uma 10GEPON será 10 Gbps × n × k, sendo a taxa de transmissão
individual de upstream de cada ONU igual a (10 Gbps/m). Por
exemplo, para uma arquitetura com 16 ONUs (m = 16), 8
códigos ópticos (n = 8) e k comprimentos de onda apresentará
taxa agregada de k × 80 Gbps com taxa individual de 600
Mbps.
O codificador/decodificador multiportas OCDM
empregado na rede é baseado em dispositivos AWG em
fabricado em circuitos ópticos passivos planares (PLC Passive Planar Lightwave Circuit) vem sendo largamente
estudado e testado [2][3]. Este dispositivo consiste de N guias
de onda de entrada/saída acoplados a dois guias de onda
planares que formam dois acopladores em estrela. Estes
acopladores em estrela estão interligados por meio do AWG.
Cada guia de onda do AWG possui um comprimento constante
que difere em ∆L dos outros guias adjacentes. A luz que é
lançada na entrada do dispositivo excita os guias de onda do
AWG. Neste momento há a interferência construtiva da luz em
determinado ponto do segundo guia de onda planar. O local
onde ocorre esta interferência construtiva depende do
comprimento de onda, pois o atraso de fase em cada guia de
onda do AWG é dado por 2π∆L λ [3]. Assim, cada código PSK
(Phase Shift Keying) é obtido por meio da combinação de N
pulsos de luz com diferença de fase. O intervalho de chip (Tc),
ou seja, o intervalo de tempo entre dois pulsos consecutivos em
cada código óptico é dado por ∆ = ∆⁄ , sendo ns o índice
de refração dos guias de onda e c a velocidade da luz. O
intervalo de chip é igual ao inverso da FSR e o número de
códigos gerados (cardinalidade) depende da combinação de
pulsos na entrada do dispositivo, entretanto empregando uma
combinação conservadora N/2, pode-se obter uma
cardinalidade dada pelo binômio . O comprimento do
⁄2
código será N e a máxima correlação cruzada dada por (N – 1)2
e máxima autocorrelação dada por N2 [2][3].
III.
MECANISMOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
A. Mecanismos da 10GEPON
Os mecanismos de eficiência energética das redes baseadas
na tecnologia TDM são classificadas de acordo com a camada
de rede em que são realizados, entretanto esta classificação não
pode ser considerada rígida. Desta forma, os mecanismos
podem ser classificados como mecanismos de camada física,
de camada de enlace ou híbrido [4]. Os mecanismos da camada
física tem o intuito de aumentar a eficiência energética dos
aspectos construtivos dos dispositivos e equipamentos das
redes, neste aspecto se destaca o elevado nível de integração
eletrônica. Por outro lado, os mecanismos da camada de enlace
utilizam técnicas de gerenciamento do consumo de energia
para aumento da eficiência energética, sendo a técnica mais
promissora a hibernação (sleep) de dispositivos ou de parte de
equipamentos que estão ociosos nas ONUs. Os mecanismos
híbridos combinam ambas as propostas. De uma forma geral, a
eficiência energética em PONs é obtida por meio do
desligamento de funções não essenciais ou de componentes
dentro das ONUs, sempre que estiver inativo [4]. Em
funcionamento padrão uma ONU está totalmente ligada, porém
considera-se inativa, quando o tráfego em downstream é
destinada para outras ONUs e esta ONU não está transmitindo
nada em upstream.
B. Mecanismos da Tecnologia OCDM
O controle, alocação e otimização de recursos, como
potência transmitida dos lasers e taxa de transmissão, vem
sendo empregado recentemente como uma forma de obter
eficiência energética em redes que empregam tecnologia
OCDM [5]. Nestas redes, controle de potência é utilizado
eliminar a restrição do efeito near-far, em que o sinal recebido
dos nós próximos ao receptor apresenta menor interferência
em função da maior potência recebida. Assim, o balanço de
potência realizado tem intuito de garantir que a potência
recebida por todos nós seja equalizada, porém a penalidade de
potência existente em função da interferência de múltiplos
usuários (MAI – Multiple Access Interference) varia de acordo
com o número de nós que estão transmitindo instantaneamente
[2]. Desta forma, o controle de potência tem o intuito de
garantir que a equalização da potência recebida ocorra de
forma dinâmica e independente do número de nós que estejam
transmitindo instantaneamente [5]. Por outro lado, o controle
de potência pode ser empregado para definir níveis distintos
de qualidade de serviço (QoS – Quality of Service), ou seja, os
códigos que forem recebidos com um nível maior de potência
apresentarão menor BER.
C. Mecanismo Proposto
Os aspectos de eficiência energética ainda não foram
investigados na rede WDM-OCDM-TDM-PON, entretanto
como esta rede é baseada na evolução da 10GEPON o
mecanismo proposto para obtenção de energia consiste no
emprego de um esquema de economia de energia das redes
10GEPON. Assim, será empregado o modo de hibernação
quando a ONU estiver fora do seu período de transmissão que
é definido pelo algoritmo de alocação de banda (DBA –
Dynamic Bandwidth Allocation) [4]. Por outro lado, a variação
dinâmica do número de ONUs ativas, ou seja, injetando
potência óptica na rede altera fortemente o desempenho da rede
com tecnologia OCDM. Esta variação pode elevar o nível de
MAI e diminuir muito a vazão da rede [3][5]. Desta forma,
deve ser empregado o controle de potência, de forma
semelhante a tecnologia CDMA sem fio. Neste sentido, o
algoritmo que realizará o controle de potência pode ser
empregado para otimizar a potência transmitida, de acordo com
os requisitos de QoS e restrições de eficiência energética. A
proposta deste trabalho é empregar um algoritmo de controle e
alocação de recursos baseado no PSO. O PSO foi escolhido em
função da relação custo-benefício quando comparado com
outras técnicas de otimização que utilizam inversão de
matrizes, métodos numéricos e outros algoritmos heurísticos
[5].
IV.
METODOLOGIA DE ANÁLISE
A análise de desempenho do mecanismo proposto consiste
em três aspectos: i) Modelamento do consumo de energia dos
transmissores/receptores, ii) Modelamento do consumo de
energia das ONUs no modo de hibernação com DBA e, iii)
Controle e alocação de recursos empregando o PSO.
A. Consumo de Energia de Transmissores/Receptores
Os transmissores das OLTs e ONUs consistem de lasers
com modulação direta ou modulação externa dependendo da
taxa de transmissão e alcance requerido. De uma forma geral,
a potência consumida nos transmissores é dada por [6]:
PT (W) = Pdriver + V laser I laser + Lmod PCW
(1)
sendo Pdriver a potência consumida pelo circuito do driver de
acionamento do laser, V laser a tensão média do laser, I laser a
corrente média do laser, Lmod são as perdas do modulador
externo e PCW é a potência contínua do laser. Se o laser
empregar modulação direta o último termo (Lmod PCW) é
desconsiderado. Por outro lado, Os receptores empregados são
compostos de circuitos eletrônicos e amplificador EDFA
(Erbium Doped Fiber Amplifier) na configuração de préamplificador. Desta forma, a potência consumida nos
receptores é dada por [6]:
V 
1 
PR (W) = in V pol +
+ Pamp
(2)
Rin 
ηℜ 
sendo Vin a tensão de entrada no receptor que depende da
potência óptica recebida, Rin a resitência de entrada, Vpol a
tensão para a polarização (bias) dos circuitos eletrônicos, η a
eficiência de conversão e ℜ a responsividade, Pamp é a
potência consumida no pré-amplificador EDFA. Se for
empregado um receptor com amplificador de transimpedância
o último termo (Pamp) será desconsiderado. A relação entre a
potência (P) e a energia consumida por bit (Eb) é dada por Eb
= P/R, sendo R a taxa de transmissão.
B. Consumo de Energia no Modo de Hibernação
As PONs que empregam DBA podem operar com pequeno
consumo de potência quando estão fora do período de
transmissão. A relação entre o tempo de hibernação, tempo
ativo, potência de hibernação (Poff) e potência de operação
ativa (Pon) são largamente estudadas com intuito de obter a
melhor relação custo-benefício, pois a ONU necessita de
tempo para entrar em sincronismo com as janelas de tempo
empregadas [4]. Assim, a energia consumida por uma ONU
sem mecanismos de eficiência energética é dada por [4]:
E = TDBA Pon
(3)
sendo TDBA o tempo entre duas transmissões ou recepções
consecutivas da mesma ONU. Por outro lado, a energia
consumida por uma ONU com mecanismos de eficiência
energética é dada por [4]:
Eef = (Ts + Tw ) Pon + (TDBA − Ts + Tw ) Poff
(4)
sendo Ts o período alocado para transmissão/recepção de cada
ONU (Ts = TDBA/m), Tw o tempo necessário para a ONU
retornar ao modo ativo e recuperar o sincronismo.
C. Controle e alocação de recursos
O controle de potência transmitida em uma rede OCDM é
um problema de otimização. Denominando-se Γi a razão entre
a potência da portadora pela potência da interferência (CIR)
desejada na entrada do decodificador de interesse, tendo em
vista obter uma certa QoS associada a BER máxima tolerada
para o nó i, e definindo-se o vetor-coluna K-dimensional da
potência óptica transmitida P = [P1, P2,... PK]T, então o
problema do controle de potência óptico centralizada consiste
em encontrar o vetor de potência P que minimiza a função
custo J ( p ) = 1T p =
Γi =
∑
K
p
i =1 i
, sujeito as restrições [5]:
Gii pi
K
∑
≥ Γ*
2
Gij p j + σ ASE
j =1, j ≠ i
Pmin ≤ p i ≤ Pmax
(5)
∀ i = 1,.., K,
sendo pi a potência transmitida, Gij a atenuação entre o
transmissor j e o receptor i, K o número de nós da rede, Pmin e
Pmax, a potência mínima e máxima permitida na rede,
2
respectivamente. σ ASE
é o ruído em função do ruído de
emissão espontânea (ASE - Amplified Spontaneous Emission)
2
dado por σ ASE
= nSP hf ( G − 1) Bo , sendo nsp o fator de emissão
espontânea, h é a constante de Planck, f é a frequência da
portadora óptica, G é o ganho do amplificador e Bo é a largura
de banda óptica. Considerando que a MAI apresenta
características Gaussianas (BER) é dada por Pb (i) = erfc γ i 2
, sendo erfc a função de erro complementar. A relação sinalruído-interferência (SNIR) e a CIR é dada por γ i ≈ ( N / σ )2 Γi ,
sendo σ a variância aperiódica média Hamming da amplitude
de correlação cruzada. Γ * é a CIR mínima para o QoS
desejado. Desta forma empregando notação matricial, pode-se
reescrever (5) como Ι − Γ*H  p ≥ u , sendo I a matriz


identidade de dimensão K, H é matriz interferência
normalizada, na qual os elementos podem ser obtidos por
hij = Gij Gii no caso de i ≠ j e zero caso contrário. Assim, a a
versão escalar da potência de ruído é dada por
2
ui = 2Γ*σ ASE
Gii . Portanto, o vetor de potência otimizada é
obtido por meio da substituição da desigualdade por uma
igualdade e é realizada a inversão matricial p* =  Ι − Γ*H  −1 u .


Este vetor representa o equilíbrio de potência no nó receptor
de acordo com a CIR requerida, entretanto se uma CIR maior
for solicitada deverá ocorrer um aumento de potência
transmitida. A potência otimizada transmitida por cada nó
obtida pela inversão matricial representa o controle
centralizado de alocação de potência. Desta forma, o controle
central deve obter atualização de informações sobre nós ativos
na rede, tornando o controle centralizado um fator limitador
no desempenho da rede OCDM [3][5]. Neste contexto, com
intuito de realizar o controle de potência de forma distribuída,
ou seja, propiciar que cada ONU estabeleça o controle de seus
recursos de acordo com as condições da rede, será empregado
o algoritmo de controle de alocação de recursos baseado no
PSO. O PSO é uma meta-heurística baseado no movimento de
uma população (enxame) de indivíduos (partículas)
distribuídos aleatoriamente no espaço de busca, sendo que
cada indivíduo possui uma posição e velocidade. Neste
trabalho a posição das partículas = b b … b representa
o
vetor
de
potência
otimizada
e
= v
v
… v
o vetor com a velocidade de
deslocamento de cada partícula. Assim, cada partícula
armazena sua melhor posição encontrada no espaço de busca
que verificado em cada iteração [t] por meio da função custo.
A melhor posição entre todas as partículas é denominada
. O deslocamento das partículas no espaço de busca é
dado por [5]:
− '
+ 1 = ! ∙ + # $ %
+ # ∙
$ % + 1 = + + 1,
− '
) = 1, … , *
(6)
(7)
sendo ω o peso de inércia com relação a velocidade anterior,
Up1 e Up2 são matrizes diagonais cujos elementos são variáveis
aleatórias uniformemente distribuídas no intervalo [0 , 1] ,
e são os melhores vetor-posição global e local, C1 e
C2 são coeficientes de aceleração individual e global
respectivamente. * é o número de partículas e a limitação de
velocidade é dada por ±4567 .
A função custo empregada no PSO para alocação de
recursos com restrição de taxa de transmissão e eficiência
energética é dada por:
8 9:; = max
F
1
)A
? ℱAB C1 −
E
>
D567
(8)
AG
M
HA ≥ HA∗ , 0 < )AM ≤ DOPQ , R M = ROST
∀V ∈
>M , and ∀Y = 1,2, … , sendo L o número de taxas de transmissão permitidas e >M o
úmero de ONUs no lth grupo com taxa de transmissão mínima
R# = 1 − Z
8 − 8: ∗
Z
8: ∗
(9)
sendo J[t] o valor da função custo para iteração t e J[p*] o
valor da função custo para o valor de potência otimizada.
V.
RESULTADOS
Para obtenção dos resultados foi considerada a utilização
de fibras ópticas com 0,2 dB/km de atenuação,
codificador/decodificar (16 × 16) AWG com perdas de 14 dB,
nsp = 2, h = 6.63 × 10-34 J/Hz, f = 193,1 THz, G = 20 dB, Bo =
30 GHz, Pdriver = 212 fJ, pi = V laser I laser definido pelo PSO,
Rin = 50 Ω, ℜ = 0,7 A/W, η = 1%, Pamp = 1 W (50 % dos
canais utilizados), VpolVin/ Rin < 200 µW. Laser transmissor
com taxa de repetição de 10 GHz com largura de pulso de 2
ps. Foram empregados 16 códigos PSK com comprimento de
16 chips e intervalo de chip de 5 ps. Na configuração estudada
serão consideradas 16 ONUs (m =16) e 16 códigos ópticos (n
= 16) que resulta em 256 ONUs por comprimento de onda. No
PSO foram empregadas * = + 2 partículas, C1 =1,8 e C2
=2,0, ω =1,0 e Vmax = 0,2 (Pmax – Pmin). A distância entre as
OLTs e ONUs é obtida por meio de uma distribuição uniforme
de 2 a 100 km.
A Fig. 2 ilustra a energia consumida por bit de uma ONU
em função da taxa de convergência considerando três
situações: i) Tradicional - Nenhum mecanismo de eficiência
energética é empregado, ii) Mecanismo de Hibernação - O
mecanismo de hibernação emprega Tw = 0,5TDBA e Poff =
0,3Pon, iii) Algoritmo proposto – Algoritmo de controle e
alocação de recursos (PSO) com mecanismo de hibernação
com mesmos valores do item ii).
1E-5
Energia consumida por bit (J/bit)
1E-6
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
1E-5
1E-6
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
1E-11
1E-12
Tradicional
Mecanismo de hibernação
Algoritmo proposto
1E-13
1E-14
0.0
1E-11
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Taxa de convergência
1E-12
Tradicional
Mecanismo de hibernação
Algoritmo proposto
1E-13
1E-14
0.0
com o emprego do mecanismo de hibernação a energia
consumida por bit será 1,0 × 10-9 J. Desta forma, verifica-se
que é possível obter uma elevada economia de energia
empregando os recursos de economia de energia previstos
para as 10GEPONs [1]. Porém, com a utilização do algoritmo
proposto neste trabalho é possível alcançar um valor de
energia consumida por bit de aproximadamente 9,0 × 10-12 J
para uma taxa de convergência de 0,5 e 5,0 × 10-12 J para uma
taxa de convergência de 1,0. Esta economia de energia obtida
por meio do algoritmo proposto ocorre em virtude do ajuste da
potência transmitida dos lasers. Este ajuste da potência do
laser apresenta uma economia média em torno de 60% da
potência consumida [6]. Por outro lado, o mecanismo de
hibernação resulta na diminuição de ONUs ativas, assim
ocorre uma quantidade menor de MAI na rede, portanto a
potência transmitida pode ser ainda menor. Com intuito de
aprimorar o algoritmo proposto foram realizadas várias
simulações para obter os valores ótimos das relações entre Tw
/TDBA e Poff / Pon. Neste sentido, verificou-se que a utilização
da seguintes relações Tw = 0,2TDBA e Poff = 0,1Pon resultam
num menor valor de energia consumida por bit conforme
ilustra a Fig. 3. A Fig. 3 ilustra a energia consumida por bit de
uma ONU em função da taxa de convergência considerando
três situações: i) Tradicional - Nenhum mecanismo de
eficiência energética é empregado, ii) Mecanismo de
Hibernação - O mecanismo de hibernação emprega Tw =
0,2TDBA e Poff = 0,1Pon, iii) Algoritmo proposto – Algoritmo de
controle e alocação de recursos (PSO) com mecanismo de
hibernação com mesmos valores do item ii).
Energia consumida por bit (J/bit)
M
dada por ROST
. A convergência do algoritmo pode ser
calculada por meio da taxa de convergência [5]:
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Fig. 3. Energia consumida por bit de uma ONU em função da taxa de
convergência.
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Taxa de convergência
Fig. 2. Energia consumida por bit de uma ONU em função da taxa de
convergência.
Por meio da Fig. 2 se observa que a energia consumida por
bit é aproximadamente 1,5 × 10-7 J no caso de uma ONU sem
nenhum mecanismo de eficiência energética, por outro lado
Por meio da Fig. 3 se observa que a energia consumida por
bit é aproximadamente 5,0 × 10-10 J. Desta forma, verifica-se
que existe uma variação de 50 % com relação ao resultado
ilustrado na Fig. 2. Neste contexto, com a utilização do
algoritmo proposto neste trabalho é possível alcançar um valor
de energia consumida por bit de aproximadamente 2,0 × 10-12
J para uma taxa de convergência de 0,5 e 1,0 × 10-12 J para
uma taxa de convergência de 1,0. Desta forma, verifica-se que
existe uma variação de 77,8 e 80 % de economia de energia
para uma taxa de convergência de 0,5 e 1,0, respectivamente,
com relação ao resultado ilustrado na Fig. 2.
A utilização do mecanismo de hibernação pelo algoritmo
proposto resulta na variação do número de ONUs com
transmissão ativa, portanto ocorre uma variação da potência
transmitida e, por consequência uma variação do MAI. A Fig.
4 ilustra a taxa de conversão em função do número de
iterações
1.0
Fig. 5. Potência transmitida por comprimento de onda.
Por meio da Fig. 5 se verifica a convergência da potência
transmitida obtida por meio do algoritmo proposto e os valores
de potência obtidos por meio do controle centralizado
(inversão matricial). Ainda, se observa que o aumento da
distância média resulta no aumento da potência transmitida.
Neste contexto, com intuito de diminuir a potência transmitida
e evitar os efeitos não lineares que são excitados por potências
elevadas (> 10 mW) é necessário prever a instalação de
EDFAs no caso das redes PONs de longo alcance.
0.9
Taxa de convergência
0.8
VI.
Sem variação
0.7
0.6
0.5
Variação de potência:
10 %
20 %
30 %
40 %
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Número de iterações
Fig. 4. Taxa de convergência em função do número de iterações para
variação de potência nos enlaces de 10, 20, 30 e 40%.
Por meio da Fig. 4 observe que o aumento do número de
iterações resulta no aumento da taxa de convergência. Por
outro lado, o aumento da variação de potência resulta na
diminuição da taxa de convergência, entretanto se verifica que
mesmo com uma variação de potência de 40% nos enlaces da
rede a taxa de convergência será maior que 0,95. Portanto, o
algoritmo proposto é robusto não sendo afetado pela variação
da potência em função da hibernação das ONUs.
A Fig. 5 ilustra a potência transmitida por comprimento de
onda em função do número de iterações obtida por meio do
algoritmo proposto e por meio da inversão de matricial para
uma distância média entre ONUs e OLT de 20, 50 e 60 km.
Potência por comprimento de onda (W)
1
Neste trabalho foi proposto e analisado um mecanismo de
eficiência energética em redes ópticas passivas WDMOCDM-TDM-PON que são baseadas nas redes comerciais
10GEPON. Desta forma, busca-se ampliar o alcance, taxa de
transmissão e número de ONUs das redes 10GEPON. O
mecanismo de eficiência energética híbrido proposto emprega
o mecanismo de hibernação previstos para o padrão
10GEPON em conjunto com o controle e alocação de potência
dos lasers baseado na otimização por enxame de partículas
(PSO). Portanto, procura-se aproveitar as características do
TDM e OCDM que são o modo de hibernação e o controle de
potência para obter o aumento da eficiência energética. Os
principais resultados mostram que a energia consumida por bit
por ONU pode diminuir aproximadamente de 10-7 para 10-12
quando emprega-se o mecanismo proposto. Ainda, verificouse que o fato de colocar as ONUs em hibernação, ou seja, com
o laser sem potência de transmissão, não afeta a taxa de
convergência do PSO. Finalmente, foi demonstrado que os
valores de potência transmitida obtidos pelo PSO convergem
para os valores de potência obtidos por meio da inversão
matricial.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
[2]
Distância média entre ONUs e OLT:
20 km
50 km
60 km
0.1
[3]
0.01
[4]
1E-3
[5]
1E-4
Linhas pontilhadas:
Obtidas por inversão matricial (Controle Centralizado)
[6]
1E-5
0
100
200
300
400
500
600
Iterações
700
800
900
1000
CONCLUSÕES
E. Wong, “Next-Generation Broadband Access Networks and
Technologies,” J. Lightw. Technol., vol. 30, no. 4, pp. 597 – 608, Feb.,
2012.
T. Kodama, Y. Tanaka, S. Yoshima, N. Kataoka, J. Nakagawa, S.
Shimizu, N. Wada, and K. Kitayama, “Scaling the system capacity and
reach of a 10G-TDM-OCDM-PON system without an en/decoder at an
ONU,” J. Opt. Commun. Netw., vol. 5, no. 2, pp. 134–143, Feb. 2013.
S. Yoshima, Y. Tanaka, N. Kataoka, N. Wada, J. Nakagawa, and K.
Kitayama, “Full-duplex, extended-reach 10G-TDM-OCDM-PON
system without En/decoder at ONU,” J. Lightw. Technol., vol. 31, no.
1,pp. 43–49, Jan. 2013.
L. Valcarenghi et al, “Energy Efficiency in Passive Optical Networks:
Where, When, and How?, IEEE Network, pp. 61 – 68,
November/December 2012.
F. Durand and T. Abrão, “Energy-Efficient Power Allocation for
WDM/OCDM Networks With Particle Swarm Optimization,” J. Opt.
Commun. Netw., vol. 5, no. 5, pp. 512–523, May. 2013.
Rodney S. Tucker, "Green Optical Communications - Part I: Energy
Limitations in Transport", J. Sel. Quantum Electron., vol. 17, no. 2, pp.
245 – 260, March-April 2011.