Métodos analíticos para o estudo do desempenho de redes ópticas elásticas
| Autor: | Bortoletto, Rodrigo Campos |
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| Přispěvatelé: | WALDMAN, Helio (Helio Waldman), Almeida Júnior, Raul Camelo de Andrade, Mello, Darli Augusto de Arruda, Yacoub, Michel Daoud, Nascimento, Luiz Henrique Bonani do, Pavani, Gustavo Souza |
| Jazyk: | portugalština |
| Rok vydání: | 2020 |
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| Zdroj: | Repositório Institucional da UFABC Universidade Federal do ABC (UFABC) instacron:UFABC |
| Popis: | Orientador: Prof. Dr. Helio Waldman Coorientador: Prof. Dr. Raul Camelo de Andrade Almeida Júnior Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia da Informação, Santo André, 2020. A crescente demanda por largura de banda por parte dos usuários da rede mundial de computadores tem gerado mudanças na abordagem do uso do espectro das redes ópticas, que atualmente constituem o principal meio de transmissão de dados por longas distâncias. Sendo assim, as Redes Ópticas Elásticas surgiram com o objetivo de aumentar a eficiência de uso do espectro, por meio da alteração da grade de frequências igualmente espaçadas, legada pelas redes ópticas baseadas em Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda desde a virada do século. Uma das questões de pesquisa em Redes Ópticas Elásticas tem relação com o problema da atribuição de rota, espectro e modulação pelos enlaces que constituem a rede. Este trabalho tem o objetivo de estudar o problema de atribuição de espectro nesse contexto, modelando matematicamente um enlace avulso que recebe múltiplas classes de requisições por slots em uma Rede Óptica Elástica. O enlace avulso foi estudado tanto sob tráfego incremental como dinâmico utilizando duas abordagens analíticas diferentes, com a intenção de desenvolver políticas e algoritmos de atribuição de espectro capazes de gerar eficiência espectral e imparcialidade entre os serviços que compartilham a rede. No caso do tráfego incremental, foi adotada uma abordagem baseada em programação dinâmica, admitindo tanto políticas vorazes como não-vorazes de alocação a fim de obter algoritmos capazes de minimizar a ociosidade esperada do sistema até a exaustão do espectro. Foram obtidos algoritmos capazes de prevenir impasses durante a ocupação do espectro sempre que possível, bem como promover a minimização da ociosidade esperada até a exaustão completa do espectro. No contexto dos sistemas sujeitos a tráfego dinâmico, a abordagem analítica foi baseada no uso de cadeias de Markov em tempo contínuo. As dependências tanto da ocupação espectral como da vazão com o perfil do tráfego foram analisadas, considerando seus efeitos sobre a probabilidade de bloqueio e sobre a receita potencial, respectivamente. A reversibilidade das cadeias associadas ao enlace desfragmentado foi demonstrada, e o aparecimento de estados assintóticos ineficientes associados à forte incidência de parcialidade associada ao congestionamento da rede foi identificada. Foi proposta uma solução para este problema, baseada no truncamento das correspondentes cadeias de Markov reversíveis com o fim de eliminar os estados parcialmente bloqueantes, identificados como os únicos responsáveis pela parcialidade do sistema. Foi possível caracterizar a penalidade de eficiência associada à eliminação total da parcialidade tanto no congestionamento como fora dele, bem como as penalidades associadas à mitigação da parcialidade. Finalmente, os métodos estudados foram usados num ensaio de validação cruzada entre um simulador e um enlace irreversível sujeito à fragmentação espectral, com vistas à futura extensão dos resultados através de futuras simulações sobre instâncias analiticamente intratáveis. The growing demand for bandwidth by users of the world wide web has generated changes in approaching the assignment of spectrum in the optical networks which currently constitute the main means of transmitting data over long distances. Thus, the Elastic Optical Networks emerged with the purpose of increasing the efficiency of spectrum utilization, by changing the legacy grid of equally spaced frequencies used in optical networks based on Wavelength Division Multiplexing since the turn of the century. One of the research issues in elastic optical networks has to do with the joint problem of routing, spectrum and modulation assignment on the network links. This work discusses the problem of spectrum assignment in this context by means of the mathematical modelling of a single link that receives multiple classes of requests for slots in an Elastic Optical Network. The single link was analysed both under incremental and dynamic traffic conditions using two different analytical approaches with the aim of identifying spectral assignment policies and algorithms able to generate spectral efficiency and fairness between different service classes sharing the network resources. In the case of incremental traffic, an analytical approach based on dynamic programming was adopted, allowing both greedy and nongreedy assignment policies in order to obtain algorithms that minimize the expected idleness of the system over time until the spectrum is fully exhausted. The proposed algorithms are able to avoid the deadlock of spectral resources whenever possible, while still minimizing the expected idle slot time until the full exhaustion of the available spectrum. In the context of systems subject to dynamic traffic, the analytical approach was based on the use of continuous-time Markov chains. The dependence of both spectral occupation and throughput on the traffic profile were analysed, considering their effects on blocking probabilities and potential revenue, respectively. The reversibility of the chains associated with the defragmented link was proved and the ensuing emergence of inefficient asymptotic states associated with the strong incidence of unfairness under network congestion was identified. A solution to this problem was proposed, based on the truncation of the corresponding reversible Markov chains with the aim of eliminating the partially blocking states, which are identified as the only states responsible for the system unfairness. The throughput efficiency penalty associated with the total elimination of unfairness with or without congestion was derived, as well as the penalties associated with the mitigation of unfairness. Finally, the same analytical methods were used in a cross-validation test between a simulator and a small irreversible link subject to spectrum fragmentation, aiming at the future extension of the obtained results through future simulations of analytically intractable instances. |
| Databáze: | OpenAIRE |
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