Operation algorithms for energy-efficient backbone networks

Abstract

The Telecom Industry currently contributes 2% to 3% of the global energy consumption. This percentage is only expected to grow more due to the increased traffic demands of end users, the elevated user equipment capabilities, the increasing quality of media exchanged via the Internet and the global massive deployment of 5G radio that draws near. Content Delivery Networks, streaming services and cloud applications are now mainstream and constitute the greater portion of the Internet traffic. Backbone networks aggregate all this traffic, which is collected from a diverse set of access networks and must be transported globally with low latency and reliability. IP-over-WDM networks offer the flexibility and universal IP connectivity of the IP protocol combined with the massive WDM bandwidth capacity. Therefore, it is expected that optical backbone networks are able to handle the additional traffic volume. However, telecommunication vendors are concerned about the surge of power consumption due to the increased traffic volume. Global goals for the reduction of Greenhouse Gas emissions and government legislation that enforces the network operators to conform to CO2 emission policies are now a commonplace. The increase of research studies regarding energy-aware network management solutions during the last decade is now more relevant than ever. This thesis addresses the issue of energy efficient network management for the operation of optical backbone networks. To that end, novel operation algorithms for energy efficient IP-over-WDM networks have been proposed and published. The main goal of the proposed operation algorithms is to reduce the network power consumption by switching-off idle or underutilized network components without deteriorating the network performance. The proposed solutions focus on the issues of energy-aware traffic grooming and threshold based virtual topology reconfiguration by proposing new threshold mechanisms, a novel lightpath rating system and a new energy-aware reconfiguration policy. All proposed algorithms have been evaluated through extensive simulation experiments and demonstrated to be energy efficient when compared with relevant energy-aware approaches from the literature.

Η βιομηχανία τηλεπικοινωνιών συμβάλει κατά 2% με 3% στην παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση. Αυτό το ποσοστό αναμένεται να αυξηθεί λόγω των αυξημένων απαιτήσεων σε φόρτο από τους τελικούς χρήστες, των επαυξημένων δυνατοτήτων του εξοπλισμού των χρηστών, την αυξημένη ποιότητα των πολυμέσων που ανταλλάσσονται μέσω Διαδικτύου και την μαζική ανάπτυξη και εγκατάσταση της τεχνολογίας 5G radio. Η χρήση δικτύων διανομής περιεχομένου, υπηρεσιών ζωντανής μετάδοσης βίντεο και εφαρμογών νέφους είναι πλέον καθημερινή και αποτελεί το μεγαλύτερο ποσοστό της κίνησης στο Διαδίκτυο. Τα δίκτυα κορμού συγκεντρώνουν όλη αυτή την κίνηση, η οποία συλλέγεται από ένα σύνολο διαφορετικών δικτύων πρόσβασης και πρέπει να μεταδοθεί σε παγκόσμια κλίμακα με μικρή καθυστέρηση και αξιοπιστία. Τα δίκτυα IP-over-WDM προσφέρουν την προσαρμoστικότητα και την καθολική συνδεσιμότητα του IP πρωτοκόλλου σε συνδυασμό με το τεράστιο παρεχόμενο εύρος ζώνης των δικτύων πολυπλεξίας μήκους κύματος. Κατά συνέπεια, τα οπτικά δίκτυα κορμού έχουν την δυνατότητα να χειριστούν τον επιπρόσθετο φόρτο κίνησης. Παρόλα αυτά, ένα ζήτημα που προβληματίζει τους τηλεπικοινωνιακούς παρόχους είναι η αναμενόμενη αύξηση της ενεργειακής κατανάλωσης των δικτύων λόγω του επιπρόσθετου φόρτου. Παράλληλα, παρατηρείται η ανάπτυξη συλλογικών στόχων για την μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα, καθώς και η θέσπιση νομοθετικών πλαισίων για τη τήρηση περιβαλλοντικών πολιτικών. Η αύξηση των ερευνητικών εργασιών σχετικά με την ενεργειακά αποδοτική διαχείριση των οπτικών δικτύων κατά την διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας είναι πλέον πιο σχετική από ποτέ. Η παρούσα διατριβή αντιμετωπίζει το πρόβλημα της ενεργειακά αποδοτικής διαχείρισης δικτύων για την λειτουργία των οπτικών δικτύων κορμού. Στα πλαίσια αυτής προτάθηκαν και δημοσιεύθηκαν καινοτόμοι αλγόριθμοι λειτουργίας για ενεργειακά αποδοτικά δίκτυα IP-over-WDM. Ο κύριος στόχος των προτεινόμενων αλγορίθμων λειτουργίας είναι η μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης του δικτύου μέσω της απενεργοποίησης αδρανών ή υποχρησιμοποιούμενων δικτυακών συσκευών χωρίς όμως να επιδεινώνεται η απόδοση του δικτύου. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι επικεντρώνονται στα επιμέρους προβλήματα της ενεργειακά αποδοτικής δρομολόγησης της κίνησης και της αναδιαμόρφωσης της εικονικής τοπολογίας, προτείνοντας νέους μηχανισμούς ορίων φόρτου, ένα καινοτόμο σύστημα αξιολόγησης οπτικών μονοπατιών και μια νέα πολιτική αναδιαμόρφωσης. Όλοι οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι αξιολογήθηκαν μέσω εκτενών πειραμάτων προσομοίωσης, όπου και παρατηρήθηκε ότι είναι πιο ενεργειακά αποδοτικοί συγκριτικά με παρεμφερείς λύσεις από την βιβλιογραφία.