S-38.164 Laajakaistainen välitystekniikka

Harjoitustyö 1999

 

 

 

Referaatti artikkelista:

IEEE journal on Selected Areas in Communications, Vol. 16, No. 7, September 1998

Multiple-Star Wavelength-Router Network and Its Protection Strategy

Alan M. Hill, Mike Brierley, R. Michael Percival, Richard Wyatt, Danny Pitcher, Khairul M. Ibrahim Pati, Ian Hall, and Jean-Pierre Laude, Associate Member, IEEE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jussi Laine, 44238H

Ville Penttilä, 42997A

Esa Jaakola, 42881V

 

Sisällysluettelo:

1. Johdanto *

2. Reitittimien varmistus *

3. Polkujen varmistus *

4. Monitähtiverkot verrattuna WDM ADM renkaisiin *

4.1 Tähtiverkko – yksinkertaistettu analyyttinen teoria *

4.1.1 Kriteria 1 – Add/Drop kokonaiset aallonpituuskanavat *

4.1.2 Kriteria 2 – Add/Drop tarkka kapasiteetti *

4.2 WDM ADM rengas – yksinkertaistettu analyyttinen teoria *

4.2.1 Kriteria 1 – Add/Drop kokonaiset aallonpituuskanavat *

4.2.2 Kriteria 2 – Add/Drop tarkka kapasiteetti *

4.3 Rengas- ja tähti verkkojen vertailua *

4.4 RACE IMMUNE esimerkki verkko *

5. Eksperimentaalinen demonstraatio polkujen suojaus strategiasta…………………………….11

6. 22 x 22 aallonpituus multiplekseri…………………………………………………………….11

7. Johtopäätöksiä…………………………………………………………………………………12

 

    1. Johdanto

WDM (Wavelength Division Multiplexing) –tekniikkaa ollaan ottamassa käyttöön runkoverkoissa. Aluksi käytetään 1+1 –varmistettuja point-to-point –yhteyksiä, sitten ehkä WDM –renkaita päätyen lopulta hallittuun optiseen kuljetuskerrokseen SDH:n ja ATM:n päälle.

WDM –tekniikka mahdollistaa enemmän kuin vain suuremmalla kapasiteetilla varustetun kopion rakentamisen nykyisistä verkoista. WDM:ää käyttämällä voidaan saada verkolle huomattavasti yksinkertaisempi, säännöllinen rakenne, joka mahdollistaa tunnettujen välitysalgoritmien käytön nopeaan uudelleen konfigurointiin. Tämä on tärkeää sillä verkkojen liikenteen kasvaessa multimedia-, laajakaista- ja IP-liikenteen vuoksi, myös liikenteen ennustettavuus vaikeutuu. Vaihtelevien ja epävarmojen liikennemäärien vuoksi verkkojen on oltava joustavasti uudelleen konfiguroitavissa. Myös verkonhallinnan (network management) ja yhteyksien hallinnan (connection control) välinen ero hämärtyy, kun optinen kuljetuskerros tukee sekä yhdistettyä liikennettä sähköisten kytkimien välillä että yksityisiä korkeakapasiteettisia aallonpituuskanavia. Päästä-päähän yhteyksien nopea muodostus antaisi verkko-operaattoreille tärkeän edun.

Näihin tavoitteisiin pääsemiseksi suunnitellaan käytettäväksi uutta WDM-monitähti –verkkorakennetta (Kuva 1) yhdistämään N sähköistä kytkinsolmua kansallisen tason runkoverkossa. Verkon rakenne muistuttaa kärrynpyörää, jossa solmujen yhdistämiseen toisiinsa käytetään pyörän keskiössä olevia N´ N aallonpituusreitittimiä, jotka on kytketty kuidulla kaikkiin solmuihin pyörän puolia pitkin. Verkkoa varmistetaan varmistuskuiduilla, jotka joko yhdistävät solmut suoraan toisiinsa pyörän kehää pitkin tai toimivat varayhteytenä joidenkin solmujen ja navassa olevien reitittimien välillä.

Kuva 1 Monitähtiverkkorakenne

Polkujen varmistus puolien rikkoutumisten varalle hoidetaan varakuiduilla, jotka ovat joko varsinaisten toimivien puolakuitujen rinnalla tai omina varapuolinaan, joihin liikenne voidaan ohjata renkaan pyörän kehällä olevia kuituja pitkin. Tärkeää on, että varsinaiset yhteydet ja varayhteydet mistä tahansa solmusta mihin tahansa reitittimeen ovat erillisiä (ts. niillä ei ole samoja pisteitä matkan varrella).

Uudella tähtirakenteella tulee olemaan myös muita etuja kuin nopeus ja verkonhallinta solmujen välillä. Näitä ovat esim.:

 

    1. Reitittimien varmistus

      2. Jos jonkun solmun kapasiteetti vaatii usean kuidun liittämistä tähän solmuun, voidaan jokainen kuitu liittää eri reitittimeen (r kpl), joista jokaisen käsiteltäväksi tulee tällöin vain 1/r koko verkon kapasiteetista. N reitittimen yhtäaikaiseen hajoamiseen voidaan varautua ottamalla käyttöön n kpl lisää reitittimiä varmistamaan kytkentä. Näihin voitaisiin kytkeä solmuista käyttämällä n kpl varakuituja jokaisesta solmusta varareitittimiin, mutta tämä vaatisi paljon ylimääräistä kuitua. Kuva 2 esittää tapaa, jolla n:r varmistus saadaan aikaiseksi huomattavasti pienemmällä kuitumäärällä Tällöin vikatapauksissa liikenne kulkee lähellä (kuitenkin tarpeeksi kaukana, jottei vika vaikuta niihin) olevissa, käytössä olevissa kuiduissa. Toimivat reitittimet (r kpl) saavat olla korkeintaan etäisyydellä xR (R=koko verkon säde) varareitittimistä. Järjestelmällä saadaan kuidunlisäyskertoimeksi 1 + 2x, mikä on hyvä kompromissi hinnan ja luotettavuuden suhteen.

      Kuva 2 n :r varmistus reititinrikkojen varalle

    2. Polkujen varmistus

      3. Yksinkertaistetussa monitähtiverkon rakenteessa kaikki solmut ovat pyörän kehällä ja reitittimet keskiössä. Tällöin sopivin lukumäärä yhdestä solmusta lähteville kaapeleille on 3; suoraan keskiöön ja molempiin vieressä oleviin solmuihin, joiden kautta vikakohdat voidaan kiertää. Kuiturikkoja varten käytetään yleensä m:N varmistusta, jossa toimivat kuidut viedään keskiöön N:ää ja varakuituja m:ää puolaa pitkin. Kun lisäksi varakuituja viedään kehää pitkin, saadaan kuidunlisäystekijöiksi 1+m/N+mp /N tai 1+m/N+m2p /N (erilliset puolat varakuiduille).

      Koska m:N varmistusstrategialla joka solmusta on 2 mahdollista varmistusreittiä ja m jaettua varapolkua muiden solmujen kautta reitittimeen, on varmistusstrategiaa kontrolloitava keskitetysti reititinpisteestä. Ainoastaan kontrolleri tietää kaikkien verkon solmujen tilan ja käytetyt varakuidut, joten kuiturikoista on ilmoitettava ensin reititinpisteelle, jotta kontrolleri voi valita sopivan varapolun. Pisin viive kuiturikosta siihen, että kontrolleri saa tietää siitä esiintyy silloin, jos rikko tapahtuu juuri reitittimen jälkeen myötäsuuntakuidussa. Maksimiaika rikon ja myötäsuuntakanavien palauttamisen välillä on:

      ,

      jossa on kokonaisaika tehon menetyksen huomaamiseen solmussa ja reitittimessä , aika, joka varasolmulla menee kanavien huomaamiseen, optisen kytkimen kytkentäaika, kokonaiskulkuviive vian huomaamisesta solmussa palautettujen kanavien saapumiseen solmuun, kontrollerin päätöksen tekoon kuluva aika ja aika, jonka aikana optisen kanavan ominaisuuksia voi testata ennen palautusta.

      Maksimiaika vastasuuntakanavan palautukselle on

      ,

      jossa, verrattuna myötäsuuntatapaukseen, vaaditaan lisää aikaa kulkuviiveeseen, havaitsemiseen, testaukseen ja kytkentään, jotta vastasuuntakanavat saavuttavat kaikki muut solmut varapolkua ja -reititintä käyttäen.

    3. Monitähti- ja WDM ADM -rengasverkko

      4. Kappaleessa 4. verrataan monitähtiverkkojen kuituominaisuuksia WDM ADM -renkaan kuituominaisuuksiin. Käytetyssä analyysissä on käytetty uniform –ruuhkamatriisia yksinkertaistamaan tilannetta.

      1. Tähtiverkko – yksinkertaistettu analyyttinen teoria

        2. Yksinkertaistettu analyysi olettaa kaikkien tähtiverkon solmujen muodostavan ympyrän. Analyysissä kuitujen määrä on pidetty minimissään kuitenkin siten että tarvittava reititys ja reitin varmistus on huomioitu.

        Taatakseen täysin joustavan liikenteen kaikkien solmujen on oltava liitettynä kaikkiin toimiviin reitittimiin. Tämä merkitsee että reitittimissä on yhtä monta porttia kuin mitä verkossa on solmuja.

        Mikäli solmujen välinen liikenne ei täytä koko aallonpituus kanavan kaistaa muodostuu hukkakapasiteettia. Hukkakapasiteetiltä vältytään käyttämällä aikajakoista solmu-solmu yhteyttä piirikytkettävän TDM –multipleksoinnin (time division multiplexing) tapaan.

        Mikäli käytössä on useita kanavia, jotka eivät ole kokonaan täynnä, lähetetään ensin täydet kanavat ja vajaat kanavat vasta täytyttyään.

        1. Kriteria 1 – Add/Drop kokonaisilla aallonpituuskanavilla

          2. Kun kokonaisia kaistanleveys kanavia lisätään ja poistetaan, ja aallonpituuskanavien määrä on i-1 ja i:n välillä pätee:

          Mikäli solmu-solmu parien välillä on käytössä useampia aallonpituuskanavia pyöristetään niiden määrä seuraavaan kokonaislukuun i ja käytetty yhtälö on muotoa:

          Tällöin on käytössä i(N-1) aallonpituutta kustakin solmusta kaikkiin muihin solmuihin. Tämä puolestaan edellyttää että kustakin solmusta lähtee i(N-1)/L kuitua kuhunkin suuntaan.

          Tarvittavalle kokonaiskuitukapasiteetille pätee:

           

        2. Kriteria 2 – Add/Drop tarkalla kapasiteetilla

        Käytettäessä tarkan kapasiteetin Add/Drop -menettelyä vältytään epäjatkuvuuksilta. Tarkan kapasiteetin Add/Drop -menettelyssä käytetään TDM –multipleksointia.

        Tarkan kapasiteetin Add/Drop menettelyn kuitutarpeelle pätee:

        Kuvissa 3 ja 4 on kuvattu monitähtiverkkon ja rengasverkon solmujen sekä verkkokapasiteetin suhdetta tarvittavaan kuitumäärään.

        Kuva 3. Solmujen lukumäärän vaikutus kuidun tarpeeseen

        Kuva 4. Verkkokapasiteetin vaikutus kuidun tarpeeseen

        Kuvissa 3. ja 4. a) kuvaa WDM ADM –rengasta ja b) monitähtiverkkoa käytettäessä solmujen välillä kokonaisia aallonpituuskanavia, c) kuvaa WDM ADM –rengasta ja d) monitähtiverkkoa käytettäessä solmujen välistä tarkkaa kapasiteettia.

         

      2. WDM ADM rengas – yksinkertaistettu analyyttinen teoria

        3. WDM ADM -renkaan edut ovat selkeät. WDM ADM -rengas hyödyntää tehokkaasti siirtokaistaa aallonpituuksien uudelleenkäytöllä. Lisäksi kuituvaatimukset voidaan puolittaa lähettämällä renkaassa liikennettä molempiin suuntiin.

        1. Kriteria 1 – Add/Drop kokonaisilla aallonpituuskanavilla

          2. WDM ADM –renkaassa, solmujen välisen kapasiteetin ollessa i-1 ja i:n välillä, 4.1.1 kappaleen kaavat pätevät ja kuhunkin suuntaan kulkevien aallonpituuksien määrä on i(N-1)/2. Aallonpituuskanavien kokonaismäärä kaikista renkaan solmuista määräytyy kaavan

          mukaan ja totaalinen kuitumäärä renkaassa molempiin suuntiin saadaan kaavasta

        2. Kriteria 2 – Add/Drop tarkalla kapasiteetilla

        Mikäli solmujen välistä kapasiteetin tarvetta voidaan lisätä ja poistaa tarkasti, kustakin solmusta lähtevä kapasiteetti (kumpaankin suuntaan) on C/2N. Pudotettu kapasiteetti solmujen välillä määräytyy C/N(N-1) mukaan ja kokonaiskapasiteetti renkaassa kuhunkin suuntaan on

        Totaalinen kuidunmäärä molempiin suuntiin on

      3. Rengas- ja tähti verkkojen vertailua

        4. Käytetyssä analyysissä monitähtiverkko tarvitsee vähemmän kuitua kuin WDM ADM –rengas. Tämä pätee riippumatta käytettävästä Add/Drop –menettelystä.

        Monipalveluverkon topologia mahdollistaa minkä tahansa liikenne matriisin toteutuksen (ts. minkä tahansa solmujen välisen liikenteen jaon tietylle kapasiteetille). WDM –rengas tarvitsisi puolet suuremman kuitu määrän tarjotakseen samankaltaista joustavuutta.

        Monipalveluverkko tarjoaa myös paremman resilience-tason kuin WDM –rengas, jossa useat virheet johtavat renkaan osan katkeamiseen. WDM-renkaassa kaksi yhtäaikaista virhettä hukkaa noin puolet liikenteestä, kolme virhettä noin 2/3 liikenteestä jne.

      4. RACE IMMUNE -verkko

      RACE IMMUNE -projektin verkkoa on käytetty konkreettisena esimerkkinä monitähtiverkkon ja rengasverkon ominaisuuksien vertaamisessa.

      IMMUNE -projektin verkkorakenne selviää kuvasta 5. Projektissa on 23 pääkytkin solmua, jotka toimivat liikenteen lähettäjinä ja vastaanottajina. Solmut sisältävät joko WDM Tx/Rx (monitähtiverkko) tai WDM ADM (rengas) laitteistot.

      Jokainen solmu vaatii seitsemän tai kahdeksan kuitua kuhunkin reitittimeen. Reitittimiä on käytössä kahdeksan. Monitähtiverkkossa totaalisen kuidun pituus on tällöin 364 858km. Lisäämällä ainoastaan kaksi ylimääräistä linkkiä IMMUNE -verkkoon varmistetaan ettei verkosta löydy kahta solmua enempää solmuja jotka jakavat saman linkin (Nämä ovat Umbria 2 – Foro 2 ja Tyrolia – Foro 3). Tämä pienentäisi kokonaiskuitutarvetta 311 106 km:iin. Yhdeksän linkin lisäys alentaisi verkon kuitutarpeen määrän minimiin. Tällöin löytyisi enää yksi solmu, joka käyttäisi linkkiä.

      Rengas rakenteessa renkaan kokonaispituus on 4044km, joka johtaa 372 048 km:n totaaliseen kuitutarpeeseen.

      Kuitutarpeen suhde WDM monitähtiverkkon ja ADM –rengasverkon välillä laskettuna on 364858/372048 = 0.98 (2% vähemmän kuitua) ja lisäämällä kaksi solmua päästään jo 0.84 (16% vähemmän) suhteeseen.

      Kuva 5. IMMUNE -projektin rakenne

    4. demonstraatio polkujen suojaus strategiasta

      5. Kuva 6. Koejärjestely demonstraatiossa

      Koejärjestely m ; N polkujen suojaus kytkennälle löytyy kuvasta 6. Kuvassa näkyvä hubi pitää sisällään 22 * 22 aallonpituus reitittimen (esitelty kappaleessa 6) sekä polun suojaus kontrollerin. Hubi on kytkettynä meno ja paluu poluilla suureen kytkin pisteeseen, sekä kahdella erillisellä valmius polulla. Vahvistimien välissä olevien kuitujen väliin lisättiin vaimentimia, jotta saatiin normaalia käytössä olevaa kuitulinkkiä vastaava maksimi vaimennus.

      Simuloidakseen kuidun hajoamista, kytkintä S1 (kuva 6) operoitiin avaamaan polku. Vastaanottajalla, tunnistin D1 havaitsi tehon laskun, ja aiheutti pisteen lähetyspuolella olevan S2:den lopettamaan kaiken lähettämisen. Kun S2 lopettaa lähettämisen, havaitsee tunnistin D2 signaalin loppumisen. Tämän jälkeen informaatio lähetetään PC:lle, jonka kontrolli algoritmi etsii uuden vara polun tuntemansa verkkotilan perusteella. Valitun valmius polun mukaan, tietyt kytkimet kierretään, ja valmius polku otetaan käyttöön. Signalointi etenee valmiuspolulla, ja lopulta myös D1:ssä havaitaan vaihtoehtoinen polku.

      Kyseisessä kokeessa saavutettiin 55 ms:n kytkentänopeus täydelliselle palautumiselle. Kuten aikaisemmin todettiin, tämä voisi olla viive maanlaajuiselle verkolle, mikäli käytettäisiin nopeampia kytkimiä sekä optimoituja tunnistimia.

    5. 22 x 22 aallonpituus multiplekseri

      6. N x N aallonpituus multiplekseri on 22 x 22 -porttinen reititin. Se käyttää hyväkseen Stimaxin multiplekserikonfiguraatiota tarjotakseen N x N WDM-multiplekserin. Plekseri tarjoaa maksimoidun kanavan leveyden suhteessa kanavoiden väleihin, käyttäen yksimuoto kuituja.

    6. Johtopäätöksiä

Uutta monitähtiverkkorakennetta on ehdotettu käytettäväksi N:n suuren elektronisen kytkimen yhdistämiseen, peruselementtinä NxN -aallonpituusmultiplekseri. Tämä menetelmä soveltuu erityisesti täyden kapasiteetin reitittimien varmentamiseen, sillä menetelmä takaa täyden varmistuksen useille reitittimille kohtuullisin kustannuksin.

Verrattaessa kahta erilaista mallia, WDM ADM ympyrää ja monitähtimallia, monitähtimalli tarvitsee vähemmän kuitua kuin WDM ADM sekä tarjoaa paremman palautumisen ongelmien määrän kasvaessa. Monitähti tarjoaa myös täydellisen liikennematriisin tietyllä kuitujen määrällä, mikä tekee siitä erityisen mielenkiintoisen laajakaistaista tulevaisuutta ajatellen.