Técnicas de monitorización todo-ópticas para redes de conmutación de paquetes

Abstract

[ES] El gran crecimiento de la demanda de servicios de telecomunicación en los últimos años ha forzado la necesidad de redes de nueva generación que incrementen la capacidad y las tasas de envío. El uso de Wavelength Division Multiplexing (WDM) ofrece gran ancho de banda a un coste atractivo, pero estas redes sólo ofrecen granularidad a nivel de longitud de onda. Para redes que necesitan proporcionar gran variedad de servicios en un entorno dinámico, se requiere otra tecnología más flexible. La conmutación de paquetes ofrece la flexibilidad y eficiencia de ancho de banda requeridas para este escenario. Actualmente las redes que están desplegadas se basan en tecnologías WDM. La migración de estas redes hasta las futuras redes de conmutación de paquetes de alta velocidad será gradual y se realizará en varias fases. En esta tesina se han estudiado y propuestos diferentes escenarios de migración que se basan en tecnologías híbridas que combinan distintas capacidades de conmutación. De todos los caminos de migración definidos, la solución híbrida formada por una red mixta con una capa OCS y otra de AOPS parece que es la más realista y factible. Por tanto, se concluye que sería interesante instalar una arquitectura de red híbrida en la que se implementan una red todo-óptica de conmutación de paquetes y conmutadores ópticos OXCs en dos redes paralelas. Hasta obtener las redes todo-ópticas de conmutación de paquetes, las aplicaciones para esta red híbrida podrían ser servicios de gran ancho de banda y servicios en los que el usuario decidiera establecer caminos ópticos o enviar paquetes mediante longitudes de onda.

Las redes ópticas de conmutación de paquetes se convertirán en la solución para las futuras redes puesto que ofrecen gran capacidad y una alta velocidad, pero si ocurriese un fallo en la fibra conllevaría la pérdida de gran cantidad de datos. Por tanto, la fiabilidad de la red es un aspecto clave para este tipo de redes y las técnicas de monitorización óptica de prestaciones (OPM, optical performance monitoring) han suscitado gran interés en los últimos años. OPM es una herramienta útil para los proveedores de servicios para garantizar a sus usuarios transmisiones con una calidad de la señal determinada. Especialmente en las redes ópticas dinámicas, los formatos de los datos y la tasa de bit deben ser transparentes lo que significa que un camino óptico es capaz de transmitir datos con diferentes formatos y tasas de bit y que las señales ópticas pueden seguir diferentes rutas y atravesar diferentes componentes. Entonces, cada señal óptica tiene su propia historia y calidad. De esta manera, para determinar la ¿salud¿ de las señales ópticas, es necesario monitorizar algunos parámetros de la capa física tales como la potencia óptica, la longitud de onda del canal, la relación señal-ruido óptica (OSNR), dispersión cromática, tasa de error de bit (BER), factor-Q, dispersión de polarización (PMD) y jitter. Estas técnicas de monitorización proporcionan la capacidad de extender la administración del fallo y la monitorización de la calidad de servicio (QoS) al dominio óptico. En esta tesina se hace un estudio de las aplicaciones y técnicas de OPM existentes en la literatura y se realiza una comparativa entre los distintos métodos, exponiendo sus principales ventajas e inconvenientes. De entre los parámetros de capa física, esta tesina se centra en la monitorización de BER para determinar la calidad de la señal en las redes ópticas de conmutación de paquetes. Las técnicas basadas en la medida de BER son las preferidas para la administración de los fallos puesto que ofrecen la misma métrica que la utilizada en los nodos de terminación de la red para analizar la calidad de servicio (QoS). Estas técnicas se basan en el análisis de la información estadística de la señal recibida para determinar la tasa de error por lo que requieren conversiones O/E en los nodos y sus tiempo de respuesta son muy lentos. Así, aunque proporcionan una estimación muy buena de la calidad de la señal, no son las técnicas más adecuadas para las futuras redes de conmutación de paquetes. Para solventar esta limitación, en esta tesina se propone una técnica que monitoriza la calidad de la señal óptica mediante el uso de un correlador óptico con requerimientos de velocidad menores. Para ello, se inserta un campo de monitorización en la cabecera del paquete óptico el cual se procesa en cada uno de los nodos intermedios mediante un correlador óptico basado en redes de difracción de Bragg. La potencia del pulso de autocorrelación se muestrea y se define una variable estadística llamada Pdecision que se compara con cierto umbral para decidir si un paquete se enruta o no de acuerdo a los requerimientos de calidad. Además, se realiza un estudio para determinar los valores más apropiados de algunas variables que influyen en la Pdecision tales como el número de bits del campo de monitorización y el umbral óptimo de modo que se estime de forma adecuada los valores reales de BER. En las simulaciones, se concluye que con un campo de monitorización de 12 bits y un umbral fijado a la mitad de la potencia de un `1¿, los valores de BER y de la Pdecision tienen el mismo orden de magnitud. Por otro lado, también se realiza un estudio de la eficiencia de tráfico que se obtiene con esta técnica. Pero como el porcentaje de descarte de los paquetes no es lo suficientemente eficiente, se introduce una modificación que consiste en replicar varias veces un campo de monitorización de longitud inferior, 2 bits. Con esta mejora, se obtiene una reducción de la carga de tráfico de la red de un 1%.

[EN] Due to the tremendous increment of the telecommunication service demand over the last years, it is necessary new networks to increase the bandwidth of them to match the increase in traffic. Nowadays, the wavelength-division multiplexing (WDM) increases the capacity of fiber links by multiplexing many signals at different wavelengths within a single fiber and offering high capacity with low cost. However, the granularity of a WDM light-path network is coarse (granularity of wavelength). For the future dynamically reconfigurable optical transport networks which offer different type of service in a dynamic scenario, other technology more flexible is needed. The optical packet switching (OPS) gives the flexibility and bandwidth efficiency required in these networks. The current optical networks are based on WDM technology. The migration of these networks towards the future optical packet-switched networks will be gradual and it will perform in various steps. In this work, different migration scenarios based on hybrid technologies which combine different types of switching are proposed. Among all migration scenarios, the hybrid solution that consists of a mixed network with an OCS layer and other AOPS layer seems the alternative most realistic and feasible. Therefore, it would be interesting to install a hybrid network architecture in which all-optical packet-switches and optical cross connects are installed in parallel networks. Awaiting a full all-optical burst/packet switched network, the applications for this hybrid form of AOB/PS and wavelength-switched networks, would be high bandwidth services and grid of which the customers could decide to set-up lightpaths or send wavelength routed bursts. This parallel hybrid network thus fits exactly in the migration roadmap that was derived from the workshop at NOC and the migration progress towards all-optical burst/packet-switching, LASAGNE, networks. The advantages of optical networks are high capacity and transmission rates, but when a cable breaks, a lot of gigabits of data are lost. Therefore, the network feasibility is a vital issue for these types of networks and optical performance monitoring (OPM) has attracted great interest during the last years due to the progress in optical networking techniques. Optical performance monitoring will be helpful for carriers to provide guaranteed quality of signal transmission to their users. Especially in dynamic transparent optical networks, data formats and bit rate will be transparent which means that a lightpath will be capable of carrying data with different formats and bit rate, and optical signals may traverse different paths and different optical components. Thus, each optical signal will have its own history and signal quality. To determine the health of optical signals in optical networks, it is necessary to monitor many parameters in physical layer such as optical power or channel wavelength, optical signal-to-noise ratio (OSNR), chromatic dispersion, Q-factor, Bit Error Rate (BER), PMD and time jitter. These advanced monitoring methods have the potential to extend fault management and quality-of-service (QoS) monitoring into the optical domain. In this work, the current OPM applications and techniques are studied and the role of OPM as an enabling technology for advances in high-speed and optically switched networks. Among the physical layer monitoring parameters, this work focuses on BER monitoring to assess the signal quality in optical packet-switched networks. The techniques based on BER estimation are the preferred one for fault management, as it is the same metric that is used at each network end-terminal for QoS. These methods are focus on the analysis of statistical information of the signal to determine the error rate and BER measurements require O/E conversions which limit the signal bit rate. Although BER methods give a good estimation of the signal quality, they are not appropriate for the future ultra high-speed transparent optical networks. To overcome this limitation, a novel technique based on the use of optical pulse correlation with relaxed speed requirements is proposed. An specific data word (monitoring-field) inserted into the packet header is processed by means of an optical correlator based on fibre Bragg gratings. The pulse peak power at the output of this subsystem is then sampled and used as an statistical variable, Pdecision, to assess the performance of the optical link. The proposed approach is verified in a typical optical packet-switched network, showing that it can be used in collaboration with optical switching devices to take real time decisions about routing or dropping optical packets according to their signal quality, thus contributing to a reduction in the network traffic load. Moreover, an study about the correct values of different variables that affect to the Pdecision such as the number of bits of the monitoring-field and the optimum threshold are carried out, concluding that with a 12-bits monitoring-field and a threshold fixed to the half power of one bit at high level, the Pdecision and the BER have the same order of magnitude. Besides, the traffic efficiency is calculated and in order to increase it a modification of the monitoring-field is introduced. This modification consists of replicate a monitoring-field of 2 bits several times obtaining a reduction in network load around 1%.