Αποτίμηση της απόδοσης τηλεπικοινωνιακών δικτύων πολυδιάστατης κίνησης με έμφαση στα οπτικά δίκτυα

Abstract

In this PhD dissertation multi-rate models are examined for the performance analysis of telecommunication networks through mathematical analysis and simulation. Particular emphasis is given to optical networks. The main goal is the development of analytical models for the calculation of network performance metrics, such as blocking probabilities, transmission delay and utilization of the common channel. The proposed analytical models are distinguished according to the network technologies. Three different technologies are considered: A) Wavelength routed optical networks. B) Optical access networks. C) Wireless Internet access networks. Multi-rate loss models are proposed for the performance evaluation of wavelength routed optical networks. Firstly, the case of a single link is considered and then a mesh all-optical network is examined. In addition, analytical models are proposed for Optical Packet Switching (OPS) networks, for the case of an all-optical OPS switch and of an OPS mesh network. Multi-rate analytical models are proposed for the evaluation of the performance of Passive Optical Networks (PONs) implementing different multiple access methods. For the case of Time Division Multiple Access (TDMA) the Ethernet PON is studied, which supports multiple service-classes. Regarding the Wavelength Division Multiplexing (WDM) PONs a hybrid WDM-TDMA PON is considered and the call-level performance is evaluated. Calls are distinguished by their arrival process, which can be random or quasi random, by their bandwidth requirements, which can be fixed of elastic and by their behavior during their service, which can be calls of fixed transmission rate or calls that alternate between ON and OFF periods. Finally multi-rate loss models are proposed for the case of Optical Code Division Multiple Access (OCDMA) PONs that take into account the user activity and the presence of additive noise in the transmission channel.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάλυση και προσομοίωση τηλεπικοινωνιακών δικτύων πολυδιάστατης κίνησης, ενώ δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στα οπτικά δίκτυα. Βασικός σκοπός της διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη αναλυτικών μοντέλων για τον υπολογισμό παραμέτρων απόδοσης του δικτύου, όπως η πιθανότητα απώλειας σύνδεσης, πιθανότητα απώλειας κλήσης, η καθυστέρηση μετάδοσης και το ποσοστό χρησιμοποίησης του καναλιού μετάδοσης. Τα προτεινόμενα αναλυτικά μοντέλα διαφοροποιούνται ανάλογα με την τεχνολογία δικτύου. Οι τεχνολογίες αυτές είναι: Α) Οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος. Β) Οπτικά δίκτυα πρόσβασης. Γ) Ασύρματα δίκτυα πρόσβασης στο Διαδίκτυο. Για οπτικά δίκτυα δρομολόγησης μήκους κύματος αρχικά μελετάται η περίπτωση απλής οπτικής ζεύξης, ενώ στη συνέχεια εξετάζεται δίκτυο πολλαπλών κόμβων τυχαίας τοπολογίας. Επίσης, προτείνονται αναλυτικά μοντέλα για την περίπτωση της μεταγωγής οπτικών πακέτων με την αποτίμηση της απόδοσης ενός οπτικού διακόπτη, αλλά και δικτύου μεταγωγής οπτικών πακέτων τυχαίας τοπολογίας. Ακολούθως, προτείνονται αναλυτικά μοντέλα για την αποτίμηση της απόδοσης παθητικών οπτικών δικτύων, τα οποία υλοποιούν διαφορετικές μεθόδους πολλαπλής πρόσβασης. Για την περίπτωση της πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση χρόνου μελετάται το παθητικό οπτικό δίκτυο Ethernet, το οποίο υποστηρίζει πολυδιάστατη κίνηση. Αναφορικά με την πολυπλεξία με διαίρεση μήκους κύματος μελετάται ένα υβριδικό παθητικό οπτικό δίκτυο σε επίπεδο κλήσεων. Οι κλήσεις διακρίνονται ανάλογα με τη διαδικασία άφιξης σε τυχαίες και ψευδοτυχαίες κλήσεις, ανάλογα με τις απαιτήσεις σε εύρος ζώνης σε κλήσεις με σταθερές και ελαστικές απαιτήσεις και ανάλογα με τη συμπεριφορά τους κατά την παραμονή τους στο δίκτυο σε κλήσεις σταθερού ρυθμού μετάδοσης και σε κλήσεις οι οποίες εναλλάσσονται μεταξύ ενεργών περιόδων μετάδοσης και περιόδων σιγής. Τέλος, προτείνονται αναλυτικά μοντέλα υπολογισμού απωλειών για την περίπτωση της πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση οπτικού κώδικα, τα οποία λαμβάνουν υπ’ όψιν πολλαπλές υπηρεσίες, την παρουσία προσθετικού θορύβου, αλλά και τη δραστηριότητα του χρήστη. Για την αποτίμηση της απόδοσης ασύρματων δικτύων πρόσβασης στο Διαδίκτυο προτείνονται αναλυτικά μοντέλα, τα οποία υλοποιούν το πρωτόκολλο ΙΕΕΕ 802.11 ή το πρωτόκολλο ΙΕΕΕ 802.11e. Η προτεινόμενη ανάλυση υπολογίζει τόσο τη διεκπεραιωτική ικανότητα του δικτύου, όσο και τη συνολική καθυστέρηση μετάδοσης πακέτου ως συνάρτηση της καθυστέρησης στο ασύρματο μέσο και της καθυστέρησης στην ουρά αναμονής. Σε όλες τις περιπτώσεις η ακρίβεια των προτεινόμενων μοντέλων πιστοποιείται/ελέγχεται με την προσομοίωση του δικτύου στον υπολογιστή.