Dynamic wavelength allocation in IP/WDM metro access networks

Abstract

Bant genişliği talebindeki artış ve paket tabanlı trafiğin çoğalması iletişim altyapısında mimari değişikliklere sebep olmaktadır. Bu evrimde metro ağları hem kapasite hem de dinamik uyarlanabilirlik kısıtları ile karşı karşıya bulunmaktadır. Erişim ve omurga hızlarındaki artış yüksek bant genişliği ihtiyacını doğururken, kablosuz ağların popülerliği ve metro alanındaki kısıtlı kullanıcı sayısı trafiğe uyarlanabilirliği gerektirmektedir. Çevrim anahtarlamalı bağlantılar için eniyilenmiş olan geleneksel mimari bu ihtiyaçları karşılamaktan oldukça uzaktır. Son zamanlarda, yeni nesil metro erişim ağları için çeşitli mimariler önerilmiştir. Bu çözümlerin hemen tamamı trafik talebindeki dalgalanmaları takip etmek için bant genişliğinin dinamik olarak tahsisini desteklemektedir. Ancak, bu süreçte kullanılabilecek yeniden düzenleşim politikaları henüz tam anlamıyla araştırılmamıştır. Bu tezde, düzenleşim gecikmesine sahip IP/WDM ağları için dinamik dalgaboyu tahsisi (DWA) politikaları ele alınmaktadır. Sinyalleşme gecikmeleri ve optik verici-alıcıların akortlanma zamanlarından dolayı düzenleşim süresi boyunca kapasitenin bir bölümünün atıl kalması, yeniden düzenleşim eylemleri için bir maliyet oluşturmaktadır. DWA probleminin kesin formülasyonu bir Markov Karar Süreci (MDP) olarak geliştirilmiş ve hem debi etkinliğini hem de servis adilliğini sağlayacak yeni bir maliyet fonksiyonu önerilmiştir. Büyük problemler için, ilk geçiş olasılıkları tabanlı buluşsal bir yöntem geliştirilmiştir. Yöntemin başarımı hem durağan hem de durağan olmayan trafik koşullarında değerlendirilmiştir. Gecikme ve akış boyutu gibi ilgili parametrelerin etkileri de tartışılmıştır. Son olarak, DWA metotları için performans sınırları derlenmiştir.

Increasing demand for bandwidth and proliferation of packet based traffic have been causing architectural changes in the communications infrastructure. In this evolution, metro networks face both the capacity and dynamic adaptability constraints. The increase in the access and backbone speeds result in high bandwidth requirements, whereas the popularity of wireless access and limited number of customers in metro area necessitates traffic adaptability. Traditional architecture which has been optimized for carrying circuit-switched connections, is far from meeting these requirements. Recently, several architectures have been proposed for future metro access networks. Nearly all of these solutions support dynamic allocation of bandwidth to follow fluctuations in the traffic demand. However, reconfiguration policies that can be used in this process have not been fully explored yet. In this thesis, dynamic wavelength allocation (DWA) policies for IP/WDM metro access networks with reconfiguration delays are considered. Reconfiguration actions incur a cost since a portion of the capacity becomes idle in the reconfiguration period due to the signalling latencies and tuning times of optical transceivers. Exact formulation of the DWA problem is developed as a Markov Decision Process (MDP) and a new cost function is proposed to attain both throughput efficiency and fairness. For larger problems, a heuristic approach based on first passage probabilities is developed. The performance of the method is evaluated under both stationary and non-stationary traffic conditions. The effects of relevant network and traffic parameters, such as delay and flow size are also discussed. Finally, performance bounds for the DWA methods are derived.