Ferramenta Computacional para Simulação de Redes Ópticas Transparentes

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1 Ferramenta Computacional para ulação de Redes Ópticas Transparentes Daniel A. R. Chaves, Joaquim F. Martins-Filho Grupo de Fotônica, Departamento de Eletrônica e Sistemas Universidade Federal de Pernambuco,, Recife-PE, Carmelo J. A. Bastos-Filho Departamento de Sistemas e Computação, Universidade de Pernambuco, Recife-PE, Resumo Neste artigo é apresentado uma ferramenta para simulação computacional de redes totalmente ópticas que leva em consideração as características dos dispositivos empregados nestas redes. O ulador utiliza uma modelagem da camada física da rede que considera os efeitos de saturação de ganho nos amplificadores ópticos EDFA (Erbium Dopped Fiber Amplifier), dependência do ruído de emissão espontânea (ASE) nestes amplificadores com a potência de entrada, o crosstalk homodino nos comutadores ópticos, mistura de quatro ondas, atenuação e dispersão de modo de polarização (PMD) nas fibras ópticas e ruído de emissão espontânea no transmissor. No software é possível ajustar os parâmetros ópticos dos dispositivos, bem como escolher os algoritmos de roteamento e atribuição de comprimento de onda (RWA) utilizados na simulação. Além disso, a ferramenta dispõe de uma interface gráfica amigável para facilitar o processo de simulação. Palavras-chaves Redes ópticas, simulação, WDM, ruídos. I. INTRODUÇÃO Atualmente as redes ópticas constituem a tecnologia mais utilizada pelas grandes operadoras de telecomunicações para a implementação de seus backbones. Isso porque os sistemas ópticos oferecem ao mesmo tempo possibilidade de expansão em larga escala da capacidade de transmissão aliada à alta disponibilidade e confiabilidade [1]. As redes ópticas podem ser classificadas em três tipos: as redes opacas, as redes transparentes (ou totalmente ópticas) e as redes translúcidas [2]. Nas redes opacas, a camada óptica da rede é utilizada apenas para a transmissão. Todas as operações inteligentes, como a comutação ou a gerência são realizadas por circuitos eletrônicos. Nestas redes, em cada nó intermediário que interliga o nó origem ao nó destino do caminho óptico (lightpath) o sinal sofre uma conversão óptica-elétrica-óptica (O/E/O) [3]. Já nas redes totalmente ópticas o sinal óptico trafega desde o nó origem até o nó destino no domínio óptico, sem sofrer conversão O/E/O e tampouco regeneração [3]. As redes translúcidas são arquiteturas de rede que utilizam ilhas de transparências que são interligadas por regeneradores eletrônicos [2]. Apesar das redes totalmente ópticas apresentarem um custo menor que as redes opacas, como não há regeneração do sinal óptico ao longo dos nós intermediários de um lightpath, o si- Daniel A. R. Chaves, daniel_rchaves@yahoo.com.br, Joaquim F. Martins- Filho, jfmf@ufpe.br, Tel/Fax ; Carmelo J. A. Bastos-Filho, cjabf@dsc.upe.br, Tel Este trabalho foi parcialmente financiado por CNPq, CAPES e FACEPE. nal pode ser degradado a níveis não toleráveis [4] (e.g. Taxa de erro de bit muito elevada). Portanto, para a implementação de tais redes, torna-se necessário estimar a degradação do sinal óptico ao longo dos possíveis lightpaths [4]. Na tentativa de mensurar os impactos destes efeitos de degradação duas estratégias podem ser adotadas: formulação analítica do problema (solução formal) ou a implementação de um testbed óptico (solução experimental). A primeira é inviável para estimativa em tempo real devido à alta complexidade computacional do problema. A segunda é uma opção particularmente cara devido ao alto custo dos dispositivos ópticos empregados nas redes. Como alternativa à implementação de um testbed, os projetistas de rede podem utilizar simulações computacionais com modelos analíticos simplificados. A partir da modelagem dos dispositivos empregados na rede é possível montar um simulador para testar, comparar e avaliar o desempenho de algoritmos, protocolos e topologias utilizados nas redes. Nessa direção, vários simuladores de redes ópticas já foram desenvolvidos. Estas ferramentas podem ser divididas em dois grupos. No primeiro deles estão as ferramentas que não consideram a degradação do sinal na camada óptica, ou seja, são aplicáveis em redes ópticas opacas. Neste primeiro grupo podem-se listar os seguintes projetos: OWNS [5] (extensão do Network ulator [6]), OPNET [7] NIST MERLiN [8] e TONetS [9]. Um segundo grupo é composto por ferramentas que levam em consideração a degradação da qualidade do sinal na camada óptica durante o processo de simulação, estando assim aptas a simular o comportamento de redes ópticas transparentes. Neste grupo está o simulador SIMON [10]. Este último considera os seguintes efeitos da camada óptica: atenuação do sinal óptico nos dispositivos e nas fibras ópticas, saturação de ganho dos amplificadores ópticos e o crosstalk homodino nos comutadores ópticos. O simulador mostrado neste artigo considera, além dos efeitos considerados pelo simulador SIMON, outros efeitos da camada óptica da rede, como dispersão por modo de polarização (PMD), mistura de quatro ondas (FWM) e dependência do ruído ASE (Amplified Spontaneous Emission) com a potência de entrada nos amplificadores ópticos EDFA. II. DESCRIÇÃO DO SIMULADOR A modelagem da camada física, utilizado na ferramenta de simulação aqui apresentada foi desenvolvida por nossa equipe e está descrito detalhadamente em [11]. Os efeitos considerados são: a atenuação do sinal óptico nos

2 dispositivos e na fibra óptica, a saturação de ganho e a dependência do ruído ASE com a potência de entrada nos amplificadores ópticos, o crosstalk homodino nos comutadores ópticos, a dispersão por modo de polarização (PMD) e a mistura de quatro ondas (FWM) nas fibras ópticas. No software é possível ajustar os parâmetros dos dispositivos ópticos, bem como escolher o algoritmo de roteamento e atribuição de comprimento de onda (RWA) a ser utilizado. O software foi implementado em linguagem C++ e foi dividido em dois módulos: o simulador de redes ópticas e a interface gráfica com o usuário GUI (Graphic User Interface). III. PREMISSAS DE IMPLEMENTAÇÃO DO SIMULADOR Nesta seção serão mostrados os fundamentos utilizados na implementação do simulador, contemplando os vários aspectos considerados nesta implementação. A. Camada Física A camada física da rede óptica é a camada onde estão localizados os dispositivos ópticos como amplificadores, comutadores, etc. Uma rede é composta por um conjunto de nós e um conjunto de elementos que interligam estes nós, os enlaces. Para cada enlace da rede existe um par de fibras, sendo uma fibra óptica para transmissão e outra para recepção. Isto porque as conexões são estabelecidas de forma bidirecional. A ferramenta não suporta a capacidade de conversão de comprimento de onda nos nós, ou seja, desde o nó origem da chamada até o nó de destino o sinal óptico é transmitido em um mesmo comprimento de onda, não importando o número de nós que esse sinal óptico atravessa. A rede foi assumida como comutada a circuito. Os ganhos dos amplificadores ópticos podem ser ajustados para compensar exatamente as perdas do enlace, conforme a topologia projetada pelo usuário. A configuração de um enlace de rede entre dois nós adjacentes está mostrada na Fig.1. Nela, da esquerda para direita, aparecem: transmissor óptico, comutador, multiplexador, amplificador óptico, fibra óptica, amplificador óptico, demultiplexador, comutador e receptor óptico. Cada dispositivo possui parâmetros que devem ser fornecidos pelos usuários. A lista dos parâmetros de configuração dos dispositivos está mostrada na Tabela 1. Esta também apresenta os valores padrão para cada parâmetro. Para estimar a degradação do sinal óptico no receptor foi utilizada a relação sinal ruído óptica (OSNR, Optical signal to noise ratio). O cálculo da OSNR de um ligthpath é baseado na formulação recursiva proposta em [11]. A verificação da qualidade de serviço (QoS) de um lightpath é feita através da comparação da OSNR out na saída desse lightpath com um valor mínimo de OSNR (OSNR TH ) permitido. Para atender ao critério de QoS estabelecido pelo usuário, OSNR out deve ser maior que OSNR TH. TX X X a b c d e f g h Fig. 1. Dispositivos considerados pelo nosso modelo em um enlace. RX TABELA I. PARÂMETROS DOS DISPOSITIVOS ÓPTICOS QUE PODEM SER DEFINIDOS PELO USUÁRIO DO SOFTWARE. Dispositivo Parâmetros Valor padrão Laser Transmissor (Tx) Comutador Óptico Potencia do Laser Relação sinal ruído do Laser Menor comprimento de onda utilizado na grade Perda do comutador Fator de isolação 0 dbm 40 db 1550 nm 3 db 40 db Multiplexador Perda no multiplexador 3 db Amplificador Óptico Figura de ruído Potencia de saturação de saída Ganho 5 db 16 dbm Compensa perdas Fibra Óptica Comprimento Coeficiente de PMD Zero de dispersão Atenuação 50 km 0,1 ps/km 1/ nm 0,2 db/km B. Algoritmos de roteamento e atribuição de comprimento de onda (RWA) e estabelecimento de chamadas O algoritmo de RWA consiste em selecionar uma rota e um comprimento de onda, através dos nós de uma rede. Para solução do RWA a ferramenta de simulação segue o fluxograma mostrado na Fig. 2. Quando uma chamada é solicitada à rede, primeiro seleciona-se um comprimento de onda disponível utilizando-se o algoritmo de alocação desejado (no caso first-fit). A rota é definida por um dos algoritmos de roteamento disponíveis (menor distância, menor quantidade de saltos, menor ruído acumulado, balanceamento de carga). Após o cálculo da rota, é verificado se o alargamento do pulso pelo efeito de PMD é aceitável e se a OSNR do sinal no receptor está adequada. Se a OSNR out for maior que OSNR TH e o alargamento do pulso por PMD for menor que um certo limiar pré-estabelecido a chamada é aceita e estabelecida na rede usando a rota e o comprimento de onda selecionados. As chamadas são bloqueadas se não houver nenhum comprimento de onda disponível, se a OSNR out do lightpath selecionado estiver abaixo do limiar Seleciona outro comp de onda Não Requisição de chamada Seleção de Comp. de onda Comp. de onda disponível Seleção de rota Alargamento por PMD aceitável OSNR do lightpath é aceitável Não Não Chamada bloqueada Estabelece chamada Fig. 2. Fluxograma utilizado nas simulações para solução do problema de roteamento e atribuição de comprimentos de onda.

3 OSNR Th ou se o alargamento do pulso por PMD for maior que o limiar pré-estabelecido. As chamadas bloqueadas são perdidas. C. Geração de Chamadas e carga da rede Para simular o comportamento dinâmico da rede, os pedidos de conexões (ou chamadas) são gerados, dinamicamente, através de um processo estocástico. Esta abordagem é conhecida como estabelecimento dinâmico de lightpath DLE (DLE Dynamic Lightpath Establishment) [12]. Para cada chamada, dois nós da rede são escolhidos aleatoriamente seguindo uma distribuição uniforme. Isso quer dizer que todos os nós da rede são igualmente prováveis de serem sorteados. Estes dois nós sorteados são escolhidos como os nós fonte e destino da chamada. O processo de geração de solicitação de conexões segue um processo de Poisson: o intervalo de tempo entre chamadas é exponencialmente distribuído com média μ e a duração de cada chamada também segue uma distribuição exponencial, porém com média 1/H. Com estes parâmetros, pode-se definir a carga L rede da rede por: L rede = μl, na qual, H é o tempo, em média, que a chamada fica ativa e μ é a taxa, em média, com que as chamadas chegam à rede. D. Cálculo da probabilidade de bloqueio A probabilidade de bloqueio da rede estima a quantidade relativa de chamadas não aceitas pela mesma, seja por falta de recursos disponíveis na rede, seja por qualidade de serviço inadequada para a rota encontrada. Assim, quanto maior a probabilidade de bloqueio da rede para uma dada carga, menos usuários são atendidos e, conseqüentemente, pior é o desempenho da mesma. A probabilidade de bloqueio PB é obtida pela razão entre o número de chamadas bloqueadas e o número total de chamadas. É válido ressaltar que quanto maior for o número de chamadas empregado, maior é a resolução da probabilidade de bloqueio. IV. INTERFACE GRÁFICA A Fig. 3 ilustra a tela principal da GUI desenvolvida. Utilizando-a, pode-se projetar uma nova topologia de rede, salvar uma rede montada pelo usuário ou editar uma topologia salva. Pode-se escolher configurar os parâmetros de todos os nós, todos os enlaces, ou de um dispositivo específico presente na rede, selecionando o dispositivo desejado. Quanto aos enlaces, os seguintes parâmetros podem ser modificados: comprimento e coeficiente de atenuação da fibra, perdas dos multiplexadores e demultiplexadores, número de fibras (para o caso de utilização em sistemas multifibras), ganhos, potências de saturação de saída e figura de ruído dos amplificadores, conforme ilustrado na janela de configuração de parâmetros mostrada na Fig. 4. Fig. 4. Tela de configuração dos parâmetros de simulação relativos aos enlaces. Quanto aos nós, têm-se as seguintes opções de configuração: perda dos switchs, relação sinal ruído e potências dos Lasers, conforme ilustrado na Fig. 5. Fig. 5. Tela de configuração dos parâmetros de simulação relativos aos nós. A Fig. 6 ilustra os parâmetros de simulação, entre eles: número de chamadas que devem ser geradas, relação sinal ruído mínima tolerável (OSNR TH ), penalidades físicas que devem ser consideradas, algoritmos de roteamento e de alocação de comprimentos de onda disponíveis, tipos de parâmetros e intervalo de variação na análise considerada, além da opção de configurar todos os amplificadores da rede de modo a compensar todas as perdas, ou ainda, oferecer um ganho escolhido pelo usuário. Fig. 6. Tela de configuração dos parâmetros da simulação. Fig. 3. Tela de apresentação com a rede a ser simulada.

4 Ao fim da simulação, o software fornece um gráfico com os resultados da simulação conforme mostrado na Fig. 7. Estes gráficos são sempre mostrados em termos da probabilidade de bloqueio de chamadas na rede em função dos parâmetros dos dispositivos ópticos ou carga. Além de fornecer o resultado em forma de gráfico o software também pode fornecer um registro completo, salvo em arquivo de texto, com todos os resultados obtidos durante a simulação, que pode ser exportado para outro aplicativo gráfico Fig. 7. Tela de apresentação de resultados. IV. ESTUDO DOS CASOS DE USO DO SOFTWARE DE SIMULAÇÃO Para ilustrar o funcionamento do software desenvolvido é mostrado um estudo simplificado dos casos de uso do mesmo. Como mencionado anteriormente, o programa desenvolvido foi divido em dois módulos. A Fig. 8 mostra o diagrama de casos de uso do módulo de interface gráfica. A seguir é feita uma descrição simplificada de cada caso de uso da GUI. Fig.8 - Diagrama de casos de uso da interface gráfica. Criar Rede - Permite a criação de uma nova topologia de rede, ou seja, a definição dos nós da rede e dos enlaces que interligam os nós. Salvar Rede - Permite ao usuário salvar uma topologia de rede previamente projetada. Abrir Rede - O usuário pode, utilizando essa opção, abrir uma topologia de rede previamente salva. Modificar Rede - O usuário pode editar uma topologia de rede, adicionando ou removendo enlaces e/ou nós à topologia que está aberta na janela ativa da ferramenta. Compensar perdas - Usando esta opção, o usuário pode ajustar o ganho dos amplificadores ópticos de tal forma que os mesmos compensem as perdas dos dispositivos ópticos ao longo de um enlace. Configurar dispositivos - Permite a configuração dos parâmetros dos dispositivos ópticos utilizados na rede, como por exemplo, fibras ópticas, comutadores e amplificadores. A alteração dos parâmetros pode ser feita de duas formas: Todos os dispositivos - Altera os parâmetros de todos os dispositivos empregados nos nós ou nos enlaces, simultaneamente. Apenas um dispositivo - Altera os parâmetros de um dispositivo específico em um único enlace ou em um único nó. Solicitar ulação - Solicita a execução de uma simulação. Escolher algoritmo de RWA - Permite a escolha do algoritmo de roteamento que deverá ser utilizado durante a simulação. Quatro escolhas são possíveis até o presente momento: menor distância (SP) [12], balanceamento de carga (LRW) [13], menor degradação da relação sinal ruído do sinal (OSNR-R) [14] e menor número de saltos (HOP) [12]. O algoritmo de Atribuição de comprimentos de onda padrão utilizado é o first fit [12]. Outros algoritmos de roteamento e alocação de comprimentos de onda podem ser facilmente adicionados. Selecionar resultados - Neste caso, os gráficos fornecidos como resultados mostram sempre a probabilidade de bloqueio da rede em função de um dos parâmetros da simulação. Os parâmetros que podem ser utilizados são: número de comprimentos de onda na fibra, potência de saturação dos amplificadores, potência dos lasers de transmissão, coeficiente de PMD da fibra óptica, carga de rede, fator de isolação do switch, fator de ganho do amplificador, figura de ruído do amplificador e OSNR de entrada do laser de transmissão. Selecionar efeitos a serem considerados - Os efeitos da camada física que podem ser considerados para degradação do sinal na transmissão são: Ruído de ASE do amplificador, potência de saturação do amplificador, saturação do ganho e do ruído do amplificador, crosstalk homodino nos comutadores ópticos, mistura de quatro ondas nas fibras ópticas (FWM) e dispersão por modo de polarização (PMD). Exibir gráficos - Mostra graficamente os resultados da simulação sempre representando a probabilidade de bloqueio da rede em função de um dos seguintes parâmetros: Ruído de ASE do amplificador, potência de saturação do amplificador, saturação do ganho e do ruído do amplificador e crosstalk homodino nos comutadores ópticos, mistura de quatro ondas (FWM) e dispersão por modo de polarização (PMD) nas fibras ópticas. A Fig.9 mostra o diagrama de casos de uso do módulo de simulação. A seguir é feita uma descrição simplificada de cada caso de uso do módulo de simulação. ular - Permite realizar a simulação de desempenho de uma rede óptica transparente conforme os parâmetros dos dispositivos e a topologia selecionada pelo usuário no módulo de interface gráfica.

5 Gerador de requisição de conexões - Gera requisições de conexões entre nós da rede seguindo a descrição feita na seção III, item C. Calcular OSNR - Módulo que efetua o cálculo da relação sinal ruído óptica no receptor, para um dado lightpath, seguindo as equações apresentadas em [11]. instalação de comutadores ópticos com diferentes fatores de isolação entre portas (Fig. 13), variação do número de comprimentos de onda por enlace (Fig. 14) ou ainda, utilização de amplificadores com diferentes figuras de ruído (Fig. 15). Fig.9 - Diagrama de casos de uso do módulo de simulação. Gerenciar chamadas Módulo responsável por gerenciar a ocupação da rede dadas as requisições de alocação e finalização das conexões estabelecidas Estabelecer chamadas - Módulo responsável pelo estabelecimento de uma chamada na rede. Ele reserva o recurso de rede que será utilizado na conexão, calcula e armazena as potências do sinal óptico em cada ponto da rede. Retirar chamadas - Este módulo é responsável pela liberação dos recursos de rede utilizados pelas chamadas que já expiraram. Algoritmo de RWA - Algoritmo responsável por encontrar uma rota com comprimento de onda disponível para atender uma requisição de conexão. Na atual implementação, existem três diferentes tipos de algoritmos de roteamento préprogramados que podem ser utilizados: OSNR-R, LRW, SP e mínimo número de saltos. Fig. 10 Probabilidade de bloqueio da rede em função da potência óptica por canal para amplificadores com diferentes potências de saturação de saída. Fig. 11 Probabilidade de bloqueio da rede em função da potência óptica por canal para as fibras ópticas DSF e NZDSF. V. RESULTADOS Utilizando a ferramenta é possível efetuar estudos do desempenho das redes ópticas transparentes (em termos de probabilidade de bloqueio de chamadas) e fazer comparações de desempenho de rede entre os diferentes dispositivos ópticos. A título de exemplo, alguns dos possíveis estudos que podem ser feitos utilizando-se a ferramenta apresentada, em uma determinada topologia de rede, são mostrados a seguir. A Fig. 10 mostra um estudo de como a potência de saturação dos amplificadores e a potência de sinal dos lasers transmissores têm impacto no desempenho da rede. Esse gráfico pode ser usado por um projetista para dimensionamento correto dos dispositivos. A Fig. 11 mostra o desempenho da rede quando são utilizadas fibras DSF e fibras NZDSF. Também é possível realizar um estudo do impacto na rede de: instalação de fibras ópticas com diferentes coeficientes de PMD (ver Fig. 12), Fig Probabilidade de bloqueio da rede em função do coeficiente de PMD das fibras empregadas. Além do impacto dos dispositivos no desempenho da rede, a ferramenta pode também gerar comparações de desempenho entre diferentes algoritmos de roteamento e atribuição de comprimento de onda (RWA). A Fig. 16 mostra a curva de probabilidade de bloqueio em função da carga da rede para três algoritmos de roteamento distintos.

6 modulação de fase cruzada, além de outros dispositivos como amplificadores Raman, regeneradores ópticos e conversores de comprimento de onda. Uma versão demonstrativa da ferramenta pode ser encontrada em [15]. Fig.13 - Probabilidade de bloqueio da rede em função do fator de isolação do comutador óptico empregado. Fig.16 - Probabilidade de bloqueio da rede em função carga total para diferentes algoritmos de RWA. REFERÊNCIAS Fig.14 - Probabilidade de bloqueio da rede em função do número de canais WDM utilizados por enlace. Fig.15 - Probabilidade de bloqueio da rede em função da potência óptica por canal para amplificadores com diferentes figuras de ruído. V. CONCLUSÕES Este artigo apresentou uma ferramenta de simulação computacional para investigação dos impactos causados pela camada física em redes ópticas transparentes. O software descrito também apresenta uma evolução em relação aos simuladores de redes ópticas transparentes existentes por considerar uma maior quantidade de efeitos da camada física. Apesar de o software ser capaz de analisar muitos efeitos importantes da camada física de redes ópticas transparentes, os autores pretendem incluir outros efeitos importantes como: dispersão cromática residual, auto-modulação de fase e [1] B. Mukherjee, WDM Optical Communication Networks: Progress and Challenges, IEEE Journal of Selected Areas in Communications, vol. 18, no. 10, pp , [2] B. Ramamurthy, H. Feng, D. Datta, J. P. Heritage, B. Mukherjee, Transparent vs. opaque vs. translucent wavelength-routed optical networks, Optical Fiber Communication Conference, 1999, and the International Conference on Integrated Optics and Optical Fiber Communication. OFC/IOOC. Technical Digest, vol. 1, 1999, pp [3] B. Ramaswami, K. N. Sivarajan, Optical Networks: a practical Perspective, 2 nd ed. Morgan Kaufmann, [4] J. Strand, A. L. Chiu, R. Tkach, "Issues for routing in the optical layer", Communications Magazine, vol. 39, n.2, pp.81-87, February [5] B. Wen, N. M. Bhide, R. K. Shenai, K. M. Sivalingam, Optical wavelength division multiplexing (WDM) network simulator (OWns): architecture and performance studies, SPIE Optical Networks Magazine 2001; xx. [6] Network ulator 2, [7] OPNET ulator, [8] The NIST MERLiN environment, prd_merlin.html. [9] TONetS - Transparent Optical Network ulator, [10] B. Ramamurthy, D. Datta, H. Feng, J.P. Heritage, B. Mukherjee, SIMON: a simulator for optical networks, Fifth Annual Conference on All-Optical Networking, [11] H. A. Pereira, D. A. R. Chaves, C. J. A. Bastos-Filho, J. F. Martins-Filho, Noise Penalties Modeling for the Performance Evaluation of All-Optical Networks, Proceedings of 9th International Conference on Transparent Optical Networks ICTON 2007, vol, 4, pp , July [12] H. Zang, J. P. Jue, B. Mukherjee, A review of routing and wavelength assignment approaches for wavelength-routed optical WDM networks, Optical Networks Magazine, v. 1, n. 1, p , Janeiro [13] B. Wen, R. Shenai, K. Sivaligam, Routing, wavelength and time-slotassignment Algorithms for wavelength-routed optical wdm/tdm networks, Journal of Lightwave Technology, v. 23, n. 9, p , Setembro [14] J. F. Martins-Filho, C. J. A. Bastos-Filho, S. C. Oliveira, E. A. J. Arantes, E. Fontana, F. D. Nunes, Novel routing algorithm for optical networks based on noise figure and physical impairments, In: Proc. of European Conference and Exhibition on Optical Communication ECOC, v. 3. Optical Society of America, 2003, pp [15] Ferramenta para simulação de redes ópticas transparentes,