universidad técnica federico santa maría metodología de

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN TECNO-ECONÓMICA
DE PROCESOS DE MIGRACIÓN EN REDES WDM
Ariel Edgardo Leiva López
Doctorado en Ingeniería Electrónica
Valparaíso, Octubre 2013.
UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN TECNO-ECONÓMICA
DE PROCESOS DE MIGRACIÓN EN REDES WDM
Tesis de Grado presentada por
Ariel Edgardo Leiva López
como requisito parcial para optar al grado de
Doctor en Ingeniería Electrónica
Profesor Guía
Dr. Alejandra Beghelli Zapata
Valparaíso, Octubre 2013
TÍTULO DE TESIS:
METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN TECNO-ECONÓMICA
DE PROCESOS DE MIGRACIÓN EN REDES WDM
AUTOR:
ARIEL EDGARDO LEIVA LÓPEZ
TRABAJO DE TESIS, presentado en cumplimiento parcial de los requisitos
para optar al Grado de Doctor en Ingeniería Electrónica de la Universidad
Técnica Federico Santa María.
COMITÉ DE TESIS:
Dr. Alejandra Beghelli Z.
___________________
Dr. Walter Grote H.
___________________
Dr. Ricardo Olivares V.
___________________
Dr. Nicola Sambo
___________________
Valparaíso, Chile, Octubre de 2013
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer a los profesores del área de Telecomunicaciones y de
Telemática del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad
Técnica Federico Santa María por sus enseñanzas en las asignaturas que cursé
en mi doctorado. En especial, quiero agradecer a mi profesora guía,
Dr. Alejandra Beghelli Z., por su incansable y constante ayuda, por su
prolijidad en su trabajo, por su asertividad, por su tremenda calidad como
profesional y persona, y por introducirme en el “mundo de la investigación”.
¡Muchas gracias!
Además, quiero agradecer a CONICYT y a la Universidad Técnica
Federico Santa María por el apoyo económico que me permitió financiar los
estudios de doctorado y la pasantía que realicé en UCL en Londres, Inglaterra.
METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN TECNO-ECONÓMICA
DE PROCESOS DE MIGRACIÓN EN REDES WDM
Tesis de Grado presentada por Ariel Edgardo Leiva López
como requisito parcial para optar al grado de
Doctor en Ingeniería Electrónica
Profesor Guía Dr. Alejandra Beghelli Zapata
RESUMEN
En esta tesis se presenta una metodología paso a paso para evaluar el
costo total de migrar desde una red WDM estática saturada a diferentes
alternativas de mayor capacidad e inclusive, de distinta operación en la capa
WDM. La metodología propuesta es el primer esfuerzo en contar con una
evaluación genérica (permitiendo la evaluación de escenarios con diferentes
tasas de crecimiento de tráfico, tecnologías ópticas, arquitecturas de red y
algoritmos de asignación de recursos) que considere en conjunto los costos de
capital y de operación para identificar la alternativa de migración de menor
costo. Trabajos previos sólo han evaluado escenarios específicos de migración o
sólo consideran costos de capital o sólo de operación (no ambos). A modo de
ilustrar el uso de la metodología propuesta, ésta es aplicada para comparar el
costo de dos alternativas de migración cuando una red WDM estática se
encuentre en un estado de saturación de sus conexiones: mantener la operación
estática de la red WDM pero aumentando la tasa de transmisión de sus
portadoras, o migrar a una operación dinámica de la capa WDM, aumentando,
también, la velocidad de transmisión de las portadoras. La metodología permite
identificar la alternativa de menor costo, categorizando los factores claves de
los costos de capital y de operación, y sus impactos en el costo de migración.
Sorpresivamente, los resultados de la aplicación en el caso de estudio muestran
que migrar a una red WDM dinámica no necesariamente lleva a ahorros de
costos en comparación de seguir con una operación estática.
Palabras claves: redes ópticas WDM, procesos de migración.
I
TECHNO-ECONOMICAL METHODOLOGY FOR
EVALUATING MIGRATION PROCESSES OF WDM
NETWORKS
ABSTRACT
This thesis presents a step-by-step methodology for evaluating the total
cost of migrating from a capacity-exhausted static WDM network to an
alternative of higher capacity. To the best of the author’s knowledge, the
proposed methodology is the first effort in having a generic evaluation
(allowing the evaluation of scenarios with different traffic growth rates, optical
technologies,
network architectures and resource allocation algorithms) that
jointly considers the capital and operational costs (CapEx and OpEx,
respectively). Previous related works have only evaluated specific migration
scenarios or focused just on CapEx or OpEx (not both simultaneously). To
illustrate the use of the proposed methodology, it was applied to compare the
cost of two migration alternatives to a capacity-exhausted static WDM
network: a) static operation of the WDM network is maintained but the bit rate
of optical carriers is increased, b) operation is changed from static to dynamic,
increasing also the transmission bit rate of the carriers. The methodology
identifies the least-cost alternative, categorizing the key factors of capital costs
and operating, and its impacts on the migration cost. Surprisingly, the results
of the application in the case study show that migrating to a dynamic WDM
network does not necessarily lead to cost savings in comparison to the static
alternative.
Keywords: WDM optical networks, migration processes.
II
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Fig. 1-1
Esquema
general
de
una
red
de
transporte
de
telecomunicaciones usando tecnología WDM…………………..
03
Fig. 1-2
Esquema genérico de un nodo óptico WDM…………………….
04
Fig. 1-3
Esquema general de un enlace bidireccional WDM usando
amplificadores ópticos……………………………………………..
Fig. 1-4
Ejemplo de conexiones ópticas en una red estática WDM a
lo largo del tiempo………………………………………………….
Fig. 1-5
09
Ejemplo de conexiones ópticas en una red dinámica WDM a
lo largo del tiempo………………………………………………….
Fig. 2-1
08
10
Tamaño de la unidad de datos de transmisión de las
distintas arquitecturas de redes WDM relacionados a los
requerimientos tecnológicos que éstas necesitan. (Nota: Esta
figura es una variación de la presentada en [Zapata06b]……
Fig. 2-2
Relación entre el dinamismo de las redes WDM versus el
uso eficiente de la capacidad de las conexiones ópticas………
Fig. 3-1
29
30
Evolución de la carga de tráfico, en función del tiempo,
considerando distintos escenarios iniciales de carga de
tráfico y distintas tasas de crecimiento de tráfico anual ….
Fig. 3-2
39
Contribución en el aumento de capacidad de sistemas WDM
submarinos (rutas principales) debido a la instalación de
nuevos cables entre el año 2007-2011…………………………...
Fig. 3-3
Mapa
mundial
de
cables
submarinos
disponible
49
en
http://www.telegeography.com …………………………………..
49
III
Fig. 3-4
Evolución temporal de la carga de tráfico y de los costos
asociados a alternativas de migración…………………………..
57
Fig. 3-5
Metodología de selección de alternativas de migración………
61
Fig. 4-1
Contribuciones en el costo del capital diferencial para cada
instante de inversión . …………………………………………..
Fig. 4-2
72
Contribuciones en los costos operacionales para cada periodo
de operación
………………………………………………………
77
Fig. 5-1
Algoritmo propuesto CRDF en [Leiva12]……………………….
93
Fig. 5-2
Diagrama en bloques del método de dimensionamiento de
longitudes de onda basado en simulación propuesto en
[Zapata06b]…………………………………………………….........
Fig. 5-3
97
Diagrama en bloques del algoritmo de dimensionamiento de
longitudes de onda ante eventos de fallas únicas de cables….
100
Fig. 5-4
Esquema de tráfico ON-OFF……………………………………
107
Fig. 5-5
Requerimientos de longitudes de onda de (a) NSFNet, (b)
EON sin la capacidad de conversión de longitud de onda,
obtenidos
aplicando
los
diferentes
algoritmos
de
dimensionamiento como función de la carga de tráfico y en
escenarios de fallas únicas de cable……………………………...
Fig. 5-6
112
Requerimientos de longitudes de onda de (a) NSFNet, (b)
EON con la capacidad de conversión de longitud de onda,
obtenidos
aplicando
los
diferentes
algoritmos
de
dimensionamiento como función de la carga de tráfico y en
escenarios de fallas únicas de cable……………………………...
113
Fig. 6-1
Topología física de la NSFNet…………………………………….
118
Fig. 6-2
Estructura de un nodo de red del escenario Inicial
escenario de migración
Fig. 6-3
y del
…………………………………………
120
Estructura de un nodo de red en el escenario de migración
…………………………………………………………………......
127
IV
Fig. 6-4
Evolución temporal de la carga de tráfico de las conexiones y
la máxima permitida para la NSFNet considerando una
carga inicial de 0,25 y una tasa de crecimiento anual de
30%. …………………………………………………………………..
Fig. 6-5
Fig. 6-6
normalizado para los escenarios
y
……………
132
137
Evolución temporal de la inversión, en términos de UN, de
los distintos componentes de red para los escenarios (a)
y (b)
Fig. 6-7
, respectivamente…………………………………………
140
Costo operacional total, en términos de UN, desagregado en
las contribuciones de reparación de fallas, mantención y
consumo energético para los escenarios de migración
y
……………………………………………………………………...
Fig. 6-8
144
Costo operacional total, en términos de UN, desagregado en
las aportes de cables y EDFAs, salario de técnicos de M&CS,
transpondedores y de los dispositivos de conmutación para
los escenarios de migración
Fig. 6-9
y
……………………………..
145
Evolución temporal de los costos de consumo energético,
reparación de fallas y mantención, en términos de UN, para
los escenarios (a)
Fig. 6-10
y (b)
, respectivamente………………
146
Costo de migración total, en términos de UN, desagregado
en las aportes de nodos, enlaces y M&CS para los escenarios
de migración
Fig. 6-11
y
……………………………………………….
Evolución temporal del costo de migración (
de UN, desagregado en los aportes de
los escenarios (a)
Fig. 6-12
Costo
de
y (b)
migración
), en términos
y
para
, respectivamente……………...
normalizado
en
147
función
de
149
las
variaciones del largo total de cableado, costo de componentes
y del salario de los técnicos………………………………………..
150
V
GLOSARIO DE TÉRMINOS
ASON
AWG
CM
DWDM
EDFA
FEC
FIT
GMPLS
M&CS
MTTR
NMS
OADM
OBS
OCS
OPS
PCE
PMD
ROADM
RWA
TCO
WDM
WROBS
Automatically Switching Optical Network
Arrayed Waveguide Grating
Capital Expenditure
Costo de Migración
Diferential Capital Expenditure
Dense Wavelength Division Multiplexing
Erbium Doped Fiber Amplifier
Forward Error Correction
Failure In Time
Generalized Multi-Protocol Label Switching
Management and Control System
Mean Time To Repair
Network Management System
Optical Add-Drop Multiplexer
Optical Burst Switching
Optical Circuit Switching
Operational Expenditure.
Optical Packet Switching
Path Computation Element
Polarization Mode Dispersion
Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer
Routing and Wavelength Assignment
Total Cost Ownership
Wavelength Division Multiplexing
Wavelength Routed Optical Burst Switching
VI
INDICE
Pág.
RESUMEN
I
ABSTRACT
II
ÍNDICE DE FIGURAS
III
GLOSARIO DE TÉRMINOS
VI
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1. ANTECEDENTES………………………………………………
01
1.2. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN……………....................
14
1.3. OBJETIVOS……………………………………………………...
15
1.4. CONTRIBUCIONES DE ESTE TRABAJO DE TESIS……
17
1.5. DISTRIBUCIÓN DE CAPÍTULOS…………………………...
17
1.6. PUBLICACIONES Y PRESENTACIONES EN
CONFERENCIAS……………………………………………….
19
CAPITULO 2
REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
2.1. TIPOS DE OPERACIÓN DE REDES WDM…………………...
22
2.2. ESTUDIOS COMPARATIVOS DE PROCESOS DE
MIGRACIÓN DE REDES WDM………………………………….
30
2.3. RESUMEN…………………………………………………………...
34
VII
CAPITULO 3
PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
DE ALTERNATIVAS
3.1. ANTECEDENTES DE UN PROCESO DE MIGRACIÓN DE
REDES WDM………………………………………………………...
36
3.2. ALTERNATIVAS DE AUMENTO DE CAPACIDAD………….
42
3.3. ALTERNATIVAS DE OPERACIÓN DE LA CAPA ÓPTICA
WDM………………………………………………………………......
50
3.4. PROCESO DE MIGRACIÓN……………………………………...
54
3.5. METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
DE MIGRACIÓN…………………………………………………….
60
3.6. RESUMEN……………………………………………………………
64
CAPÍTULO 4
COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIÓN EN PROCESOS DE
MIGRACIÓN DE REDES WDM
4.1. COSTO DEL CAPITAL DIFERENCIAL DE
MIGRACIÓN……........................................................................
67
4.2. COSTO OPERACIONAL DE ALTERNATIVAS DE
MIGRACIÓN………………………………………………………..
71
4.3. RESUMEN………………………………………………………….
77
CAPÍTULO 5
DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
5.1. IMPACTO DEL NÚMERO DE LONGITUDES DE ONDA Y
TRANSPONDEDORES DE TRANSMISIÓN/RECEPCIÓN
DE UNA RED SOBRE LOS COSTOS DE CAPITAL Y
OPERACIONALES……………………………………………….....
79
5.2. TOLERANCIA A FALLAS EN REDES WDM……………….....
85
5.3. DIMENSIONAMIENTO DE LONGITUDES DE ONDA EN
VIII
REDES WDM:
………………………………………………....
89
5.4. LIMITES INFERIORES PARA LOS REQUERIMIENTOS
DE LONGITUDES DE ONDA DE REDES WDM
TOLERANTES A CORTES DE UN CABLE A LA
VEZ…………………………………………………………………….
101
5.5. DIMENSIONAMIENTO DE TRANSMISORES Y
RECEPTORES…………………………………………………….....
104
5.6. RESULTADOS NUMÉRICOS…………………………………….
106
5.7. RESUMEN…………………………………………………………...
115
CAPÍTULO 6
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE
EVALUACIÓN
6.1. PASO 1: DEFINICIÓN DEL ESCENARIO INICIAL Y DE
LOS ESCENARIOS DE MIGRACIÓN……………………….......
117
6.2. PASO 2: DEFINICIÓN DE LA TASA DE CRECIMIENTO
DE TRÁFICO, DE LA CARGA DE TRÁFICO INICIAL Y
MÁXIMA………………………………………………………………
131
6.3. PASO 3: ESTIMACIÓN DEL TIEMPO DE OPERACIÓN…...
132
6.4. PASO 4: DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE
INSTANTES DE INVERSIÓN………………………...................
133
6.5. PASO 5: EVALUACIÓN DE COSTOS………………………......
134
6.6. PASO 6: COMPARACIÓN DEL COSTO DE LAS
ALTERNATIVAS DE MIGRACIÓN……………………………...
147
6.7. RESUMEN……………………………………………………..........
151
CONCLUSIONES
152
REFERENCIAS
155
IX
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
En este capítulo, se presentan los antecedentes del trabajo de
investigación realizado en el marco del desarrollo de esta tesis de doctorado,
para luego plantear la pregunta de investigación que guía este trabajo.
Posteriormente, se enuncian las distintas contribuciones hechas por el autor de
esta tesis en el área de redes ópticas WDM y la lista de publicaciones producto
de esta investigación.
1.1. ANTECEDENTES
1.1.a. Componentes de una red WDM
WDM (Wavelength Division Multiplexing) ha sido, en las últimas 2
décadas, la tecnología más adecuada para transmitir los grandes volúmenes de
tráfico de datos a través de las redes de transporte de telecomunicaciones
[Ellanti05, Winzer12]. La tecnología WDM consiste en utilizar distintas
portadoras ópticas, caracterizadas por sus longitudes de onda, en la misma
fibra para transmitir distintas señales de información, sin que éstas interfieran
entre sí. De esta manera, es posible aumentar significativamente la capacidad
de transmisión de los enlaces de fibra óptica [Agrawal10, Chomycz09]. De
manera experimental, actualmente se ha logrado alcanzar una capacidad de
transmisión de 102,3 Tbps por una fibra óptica [Sano12].
1
CAP.1. INTRODUCCIÓN
La Fig. 1-1 muestra un esquema general de una red de transporte de
telecomunicaciones basada en WDM. El esquema muestra una división de la
red en 2 capas: electrónica y WDM.
La Capa Electrónica está compuesta por dispositivos de red que procesan
las señales de información en el dominio electrónico. Para comunicarse con la
capa WDM, estos dispositivos tienen interfaces electro-ópticas. En las redes
actuales, la capa electrónica está compuesta por dispositivos SDH/SONET
[Perros05, Vasseur04], OTN [ITU.G.709_12, Walker02, Barlow03] o IP
[Tanenbaum10] capaces de multiplexar, conmutar, rutear, controlar y
gestionar las señales electrónicas que luego son transmitidas a la capa óptica
WDM. Nótese que no hay un enlace electrónico directo entre los dispositivos de
esta capa, por lo que para establecer la comunicación entre ellos siempre es
necesario que las señales electrónicas se envíen a través de la capa WDM para
su transporte.
La Capa WDM está constituida por dispositivos que utilizan tecnología
WDM (denotados como nodos WDM en la Figura 1-1) y los enlaces de fibra
óptica que (denotados como enlaces WDM en la Fig. 1-1) los interconectan
[Agrawal10, Stern09, Ramaswami02]. Los nodos WDM tienen la funcionalidad
de tomar la señal de salida de la capa electrónica para convertirla en una señal
WDM, es decir, a una señal en una portadora WDM según la grilla de la Rec.
G.694.1
de
la
ITU-T
(International
Telecommunication
Union
-
Telecommunication Standardization Sector) [ITU.G.694.1_12]. En la Fig. 1-1,
esta grila se ilustra a través de las distintas longitudes de onda denotadas
como
a
. A continuación, las señales WDM se transportan a través de la
infraestructura de la capa WDM para comunicar los dispositivos de la capa
electrónica.
Cada nodo WDM puede transmitir información generada localmente (en
el nivel de la capa electrónica) hacia otros nodos de la red, actuar como
2
CAP.1. INTRODUCCIÓN
conmutador de la información que recibe (enviando las señales de entrada
hacia los enlaces de salida apropiados, según el nodo de destino de la
información) o recibir información dirigida a él.
Para llevar a cabo estas
tareas, los nodos WDM están compuestos por 4 etapas, tal como se muestra en
la Fig. 1-2. En esta figura, cada etapa está demarcada por un rectángulo en
línea segmentada: de entrada, de conmutación, de interfaz capa electrónicaWDM y de salida. A continuación, se define cada una de ellas.
Fig. 1-1. Esquema general de una red de transporte de telecomunicaciones
usando tecnología WDM.
Etapa de entrada: Compuesta por demultiplexores (denotados como DEMUX
en la Fig. 1-2) y regeneradores y/o conversores de longitud de onda (denotados
por Reg/WC en la Fig. 1.2). La funcionalidad de esta etapa es: a) separar la
señal óptica entrante en sus distintos canales ópticos (función llevada a cabo
por los demultiplexores); b) regenerar la señal de cada canal óptico para
compensar la degradación de calidad experimentada durante su transmisión
3
CAP.1. INTRODUCCIÓN
por la fibra óptica. El conjunto de señales (una por cada canal óptico) ingresa
entonces a la etapa de conmutación del nodo.
Fig. 1-2: Esquema genérico de un nodo óptico WDM.
Etapa de conmutación: Compuesta por un dispositivo de conmutación óptica
(Ver Fig. 1-2 con un determinado número de puertos de entrada y de salida. La
funcionalidad de este elemento es conectar cada puerto de entrada (por el que
ingresa una señal proveniente de la etapa de entrada) a un puerto de salida
específico. Así, si alguna señal de la etapa de entrada va dirigida a la capa
electrónica del nodo, entonces el conmutador enlaza el puerto de entrada por el
que ingresa la señal con uno de los puertos de salida que se conecta a la etapa
de interfaz capa electrónica-WDM. En cambio, si una señal proveniente de la
4
CAP.1. INTRODUCCIÓN
etapa de entrada sólo usa el nodo como nodo de tránsito (su destino es otro
nodo de la red), entonces el conmutador enlaza el puerto de entrada por el que
ingresa dicha señal al puerto de salida correspondiente a la fibra y longitud de
onda que la señal necesita usar para llegar a destino.
Interfaz capa electrónica-WDM: Actualmente, la configuración más utilizada
en esta etapa corresponde al uso de transmisores monocanal (transmitiendo a
una longitud de onda portadora denotada como
en la Fig. 1-2),
transpondedores de transmisión, receptores monocanal y transpondedores de
recepción (denotados en la Fig. por Tx, TTx, Rx y TRx, respectivamente). Para
convertir las señales provenientes de la capa electrónica de los nodos a señales
WDM, la señal electrónica es transformada a una señal óptica mediante el uso
de un transmisor monocanal que emite señales ópticas en una longitud de onda
única
(1310 o 1550 nm). Esta señal óptica es posteriormente convertida a
una señal WDM (es decir, en una señal de una longitud de onda de la grilla
definida según la Rec. G.694.1 de la UIT-T) mediante el uso de un
transpondedor de transmisión.
La señal proveniente del transpondedor de
transmisión es enviada luego a la etapa de conmutación. En el sentido inverso,
para que la capa electrónica pueda recibir señales WDM, es necesario que la
señal WDM proveniente de otro nodo sea direccionada, a través del dispositivo
de conmutación, a un transpondedor de recepción. Éste tiene la funcionalidad
de convertir la señal WDM en una señal monocanal para que sea recibida por
el receptor monocanal. Este receptor a su vez convierte la señal óptica en una
señal eléctrica.
Etapa de salida: Compuesta por multiplexores (denotados como MUX en la Fig.
1-2) y regeneradores y/o conversores de longitud de onda (denotados por
Reg/WC en la Fig. 1-2). La funcionalidad de esta etapa es: a) regenerar las
señales provenientes de los distintos puertos de salida del dispositivo de
conmutación (función llevada a cabo por los regeneradores) y b) juntar las
5
CAP.1. INTRODUCCIÓN
distintas señales ópticas ya regeneradas para que se transmitan por las
distintas fibras ópticas o enlaces (función llevada a cabo por los multiplexores).
Por otra parte, los enlaces WDM son los encargados de traspasar la
información desde un nodo a otro mediante el uso de varias portadoras ópticas
por cada fibra óptica utilizada. La Fig. 1-3 muestra un esquema general de un
enlace bidireccional WDM entre dos nodos directamente conectados en la capa
WDM (nodos WDM A y B). Los enlaces están equipados con amplificadores
ópticos (denotados por AO en la Fig. 1-3) [Ramaswami02, Agrawal10,
Chomycs09] con la finalidad de compensar la atenuación que las señales
ópticas experimentan al ser propagadas por la fibra. Cada amplificador óptico
puede aumentar simultáneamente la potencia de todas las señales ópticas que
pasan a través de él sin necesidad de transformar las señales al dominio
electrónico.
El esquemático de la Fig. 1-3 muestra amplificadores ópticos del tipo
concentrado (la amplificación ocurre dentro de un sólo dispositivo, como por
ejemplo: EDFA: “Erbium Doped Fiber Amplifier” [Desurvire94]), los más
usados desde hace más de 15 años. Estos amplificadores concentrados, según
su funcionalidad y ubicación dentro de un enlace, pueden clasificarse en:
Booster, amplificadores de línea, y pre-amplificadores. Estos se diferencian
principalmente en el rango de potencia total de entrada (suma de la potencia de
todas las longitudes de onda incidentes) en el que deben operar para así
asegurar un nivel de ganancia de amplificación específico fuera del estado de
saturación del dispositivo [Ramamurthy01]. Los Boosters están ubicados al
inicio de un enlace (amplificadores inmediatamente conectados al nodo WDM A
en la Fig. 1.3) y son los amplificadores que proporcionan una ganancia media a
las señales que abandonan el nodo (en torno a los 5-15 dB [MRV_EDFA]) pero
son los tipos de amplificadores capaces de soportar mayores potencias de
entrada (en torno a los -10 a 15 dBm [MRV_EDFA]), la que es una
característica muy importante debido a que éstos deben operar próximos a los
6
CAP.1. INTRODUCCIÓN
regeneradores de la etapa de salida de los nodos. De este modo, con ganancias
medias pero con señales de entrada intensas, los boosters entregan señales con
una gran potencia (en torno a los 23 dBm [MRV_EDFA]). Los amplificadores de
línea (dispuestos en las estaciones intermedias de la Fig. 1-3) son
amplificadores que entregan una mayor ganancia a las señales, en comparación
a los otros tipos de amplificadores EDFAs (en torno a los 15 a 25 dB
[MRV_EDFA], y soportan señales de entrada de menor potencia (en torno a los
-28 a 3 dBm [MRV_EDFA]). De esta forma, con ganancias altas pero con
señales de entrada de baja intensidad, los amplificadores de línea entregan
señales de gran potencia (en torno a los 23 dBm [MRV_EDFA]). Y por último,
los pre-amplificadores están ubicados en el final de un enlace (amplificadores
directamente conectados al nodo WDM B en la Fig. 1-3) y proporcionan una
ganancia media (en torno a los 10 dB [MRV_EDFA]), menor en comparación a
los otros tipos de amplificadores EDFAs, a las señales atenuadas al final del
enlace, las que deben encontrarse en torno a -30 a 0 dBm [MRV_EDFA]. De
esta forma, con ganancias medias pero con señales de entrada de baja
intensidad, los pre-amplificadores entregan señales con una potencia baja pero
suficiente para que éstas superen el umbral de recepción de los receptores del
nodo de destino.
Además de los amplificadores ópticos concentrados, existen también
amplificadores del tipo distribuido (donde la amplificación ocurre a lo largo de
la misma fibra óptica que compone el enlace, como por ejemplo: amplificadores
Raman [Bromage04, Islam02, Kidorf99, Zyskind11]). Sin embargo, este tipo de
amplificación distribuida sólo ha comenzado a introducirse en sistemas WDM
comerciales hace un par de años [Alcatel_WS, Alcatel_LE], por lo que no son los
mayormente usados en los sistemas WDM actualmente instalados en el mundo.
7
CAP.1. INTRODUCCIÓN
Fig. 1.3: Esquema general de un enlace bidireccional WDM usando
amplificadores ópticos.
Hoy en día, los sistemas de transporte WDM ofrecidos comercialmente
operan con hasta 128 portadoras ópticas (longitudes de onda) por cada fibra
óptica y cada portadora puede operar con tasas de transmisión de hasta 40
Gbps [Alcatel_LX] en sistemas SDH/SONET y hasta 100 Gbps en sistemas
OTN (por ejemplo, 100 GbEthernet sobre OTU-4). Sin embargo, en pruebas de
laboratorio, por cada fibra óptica se ha podido transmitir simultáneamente
hasta 224 señales utilizando distintas longitudes de onda, cada una
transmitiendo hasta 548 Gbps [Sano12]. Es decir, es posible alcanzar
velocidades o capacidades netas de transmisión del orden de 102,3 Tbps por
fibra óptica [Sano12].
1.1.b. Operación de redes WDM
Hoy en día, la transferencia de datos entre los nodos de las redes de
transporte ópticas WDM se lleva a cabo mediante conexiones que se establecen
sobre caminos ópticos (lightpaths). Un camino óptico es una portadora óptica
(longitud de onda) que conecta dos nodos a través de una ruta en una red
WDM. Cuando se establece un camino óptico se habla también de que se ha
establecido una conexión WDM.
La mayoría de los caminos ópticos son del tipo casi-permanente o
estáticos. Es decir, se trata de conexiones en la capa WDM que permanecen
establecidas en escalas de tiempo de días a años [Yuan10, Fischer09,
8
CAP.1. INTRODUCCIÓN
Baroni97]. A modo de ilustración, la Fig. 1-4 muestra la evolución temporal (el
avance del tiempo se indica con la línea horizontal inferior) de una red de 5
nodos con dos conexiones ópticas permanentes identificadas con los colores rojo
y azul. La flecha indica el sentido en que se transmite la información: la
conexión en color rojo/azul permite transferir información desde el nodo 1/4
hacia el nodo 5/2. Note que en la medida que transcurre el tiempo, las
conexiones no cambian.
A las redes que operan con conexiones permanentes se las conoce como
redes ópticas WDM estáticas. En este tipo de redes ópticas WDM, las
conexiones permanecen establecidas sea que se usen para transmitir
información o no. Para provisionar las solicitudes de nuevas conexiones, las que
ocurren con baja frecuencia, se deben generar órdenes de trabajo al operador de
la red, el que actúa con retardos de horas a semanas en el establecimiento de
estas conexiones [Chahine05, Muñoz05].
Fig. 1-4. Ejemplo de conexiones ópticas en una red estática WDM a lo largo del
tiempo.
Como alternativa a la operación de las actuales redes de transporte
WDM, en las últimas décadas se han propuesto varias arquitecturas futuras de
redes ópticas WDM de operación dinámica: OPS (Optical Packet Switching
[Hunter00, Renaud97]), OBS (Optical Burst Switching) [Qiao99, Turner99],
OBS fin-a-fin [Düser02], OCS (Optical Circuit Switching) [ITU.G.8080_2005,
9
CAP.1. INTRODUCCIÓN
Chahine05, Jajszczyk05]). En estos tipos de redes WDM dinámicas, las
conexiones entre los nodos se establecerían por periodos de tiempo cortos (en
escalas de milisegundos a horas [Hunter00, Qiao99, Düser02, Chahine05]),
sólo cuando existiese información para ser transmitida. Una vez que el envío de
información finaliza, la conexión se liberaría y los recursos de red que habían
sido reservados para la conexión quedarían disponibles para establecer otras
conexiones a nivel de capa WDM. Este tipo de operación dinámica de la capa
óptica requiere de la inserción de un plano de control, el cual es el encargado de
configurar
los
dispositivos
para
nuevas
conexiones
o
desconexiones
[Jajszczyk04, Jajszczyk05] considerando algún algoritmo de asignación de
rutas y longitudes de onda. La Fig. 1-5 muestra una red con conexiones ópticas
del tipo dinámicas a lo largo del tiempo. A diferencia de la evolución de la red
de la Fig. 1-4, una red dinámica sí experimenta cambios temporales en las
conexiones provisionadas.
Fig. 1-5: Ejemplo de conexiones ópticas en una red dinámica WDM a lo largo
del tiempo.
De las arquitecturas de operación dinámica mencionadas, OCS es la que
menos requerimientos necesita para operar (en términos de velocidad de
configuración de dispositivos para establecer nuevas conexiones [Spadaro02]).
Esto implica que la arquitectura OCS sea la que probablemente se implemente
en un futuro cercano en las actuales redes WDM instaladas. La Recomendación
G.8080 de la ITU-T [ITU.G.8080_05] especifica las características de una
10
CAP.1. INTRODUCCIÓN
propuesta de arquitectura de red WDM bajo operación dinámica, basada en
conmutación de circuitos ópticos (OCS), denominada ASON (Automatically
Switched Optical Network). En los últimos años, diversos artículos de
investigación se han publicado reportando alternativas de implementación de
ASON, desde propuestas de elementos [Kaminov13a, Kaminov13b] hasta la
implementación del plano de control (por ejemplo, basados en GMPLS: General
Multiprotocol
Label
Switching
[Martinez06,
Perello07]
y
PCE:
Path
Computation Element [Ahmed11, Bernsteid08]).
Con la propuesta de operar dinámicamente la red WDM, se espera
conseguir ahorros en costos en equipamiento y de operación respecto de la
operación estática [Zapata06a, Zapata06b, Zapata08a, Zapata08b, Zapata09,
Leiva12a, Leiva12b, Leiva11, Leiva10a, Leiva10b, Leiva09, Chahine05,
Pasqualini05a, Pasqualini05b]. Los ahorros en equipamiento se conseguirían
al requerir los recursos de red (en nodos y enlaces) sólo cuando existe
información para transmitir, en vez de tenerlos permanentemente reservados
en el caso de las conexiones estáticas. De esta manera, en escenarios de bajo
tráfico de datos [Zapata06a, Zapata06b, Zapata08a, Zapata08b], sería posible
disminuir el número de longitudes de onda usados en los enlaces lo que a su
vez se traduce en menor número de regeneradores o conversores de longitud de
onda en los nodos; menor número de puertos en el dispositivo de conmutación y
multiplexores/demultiplexores
de
los
nodos
y
menor
número
de
transmisores/receptores en los nodos [Turkcu07a, Turkcu07b, Turkcu08]). Sin
embargo, la operación dinámica de la capa WDM necesitaría de nuevos tipos de
dispositivos y sistemas, los cuales no son necesarios en la operación estática:
transmisores/transpondedores
sintonizables,
dispositivos
de
conmutación
rápida y configuración remota, y un plano de control a cargo de procesar
automáticamente las solicitudes de conexión, la liberación de recursos cuando
termina la transmisión de información y el envío de señales de control de
configuración de los dispositivos. La necesidad de instalar este nuevo
11
CAP.1. INTRODUCCIÓN
equipamiento podría provocar que los ahorros de recursos que podrían
obtenerse con la operación WDM dinámica no sean suficientes para hacerla
económicamente más atractiva que la operación estática.
No obstante lo anterior, se espera que los costos de operación de las
futuras redes de transporte WDM dinámicas disminuyan con respecto a los de
las redes WDM estáticas debido a las siguientes causas: la reconfiguración
automática de la red ante cambios de tráfico o de nuevas solicitudes de
conexión resultaría en menores costos al necesitar menor número de etapas y
por ende, menor número de personas y tiempo [Chahine05]; y
eventuales
menores costos de mantención, reparación de fallas y consumo energético al
requerir un menor número de dispositivos de red que la operación estática para
funcionar [Zapata06a, Zapata06b, Zapata08a, Zapata08b, Leiva12a, Leiva12b,
Leiva11, Leiva10a, Leiva10b, Leiva09]. De este modo, el posible aumento en
costos asociados en equipamiento del funcionamiento dinámico de la red podría
verse compensado con una potencial disminución de los costos operacionales.
Hasta ahora, el análisis de las potenciales ventajas de las redes
dinámicas ha estado circunscrito a los círculos académicos, como es posible
apreciar en la literatura relacionada con el tema. Sin embargo, existen indicios
que permiten inferir que prontamente los operadores de las actuales redes
WDM se enfrentarán a la problemática de decidir qué tipo de red (estática o
dinámica) resultará más conveniente. Por una parte, a pesar de que los niveles
actuales de utilización promedio de los enlaces observados en la práctica son
bajísimos (en el orden del 1 a 40% en valor promedio y del 30 a 55 % en valor
peak según estadísticas disponibles en www.telegeography.com) de la
capacidad instalada [Saleh11, Walsworth09, Karmous09, Odlyzko03]), diversos
reportes muestran que la tasa de crecimiento de tráfico de datos se encuentra
entre un 23% a 70% por año [Saleh11, Simmons10, Cisco12]. Por otra parte, el
aumento de la instalación de redes de acceso de banda ancha está creciendo a
ritmo acelerado en zonas que por historia no tenían buena conectividad (sobre
12
CAP.1. INTRODUCCIÓN
todo en el continente Africano con una tasa de crecimiento de instalación de
tecnologías
de
acceso
de
banda
ancha
de
un
25%
anual
según
www.telegeography.com) y debiera llevar a la aparición masiva de aplicaciones
de red de alto consumo de ancho de banda. Estos factores permiten predecir
que en unos pocos años más, las actuales redes WDM estáticas se encontrarán
en un estado de utilización de su capacidad mayor que el que los operadores de
redes consideran, como criterio propio, apropiado [Desurvire06]. De este modo,
ante esta eventual mayor utilización de la capacidad instalada, los operadores
de redes tendrán que aumentar la capacidad o realizar un up-grade de las
actuales redes de transporte WDM estáticas. Este proceso de actualizar una
tecnología de menor a una de mayor capacidad, se denomina “proceso de
migración”.
Debido a la variedad de alternativas disponibles para aumentar la
capacidad de las redes WDM existentes (alternativas que mantienen la
operación estática de la capa WDM o que cambian a una operación dinámica),
será necesario contar con una metodología genérica de evaluación tecnoeconómica que permita analizar el costo de distintas alternativas de migración
(CM), y de esta manera, cuantificar económicamente las posibles ventajas de
migrar a una operación dinámica de la red WDM. Note que la evaluación de un
proceso de migración es diferente a una evaluación independiente de dos
escenarios greenfield: en un proceso de migración algunos dispositivos pueden
ser re-utilizados por la nueva configuración de red (por lo tanto, no contribuyen
a los gastos de adquisición de equipos) o algunos dispositivos nuevos pueden
comprarse/instalarse de forma paulatina de acuerdo a las características de
crecimiento del tráfico.
En la actualidad, no existe una metodología de evaluación exhaustiva
que permita evaluar la conveniencia de distintas alternativas de migración. En
particular, dadas las expectativas por migrar a la operación dinámica de las
actuales redes WDM, una metodología que permita modelar los costos
13
CAP.1. INTRODUCCIÓN
asociados a escenarios de migración con distintos modos de operación sería de
gran utilidad.
1.2. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN
Esta tesis tiene por objetivo responder la siguiente pregunta de investigación:
Frente a una red WDM que requiere ampliación de su capacidad y
existiendo distintas alternativas tecnológicas de migración, ¿cómo
seleccionar la alternativa más conveniente?
Para responder esta pregunta, primero es necesario definir qué significa
que una alternativa sea más conveniente que otra. En este trabajo de tesis,
entre las alternativas de migración que satisfagan a una misma cantidad de
usuarios con iguales patrones de generación de tráfico, la más conveniente será
aquella cuyo proceso de migración tenga un menor costo económico.
Cabe destacar que en términos de migración tecnológica, muchos
artículos de la literatura especializada
[Patel11, Leligou06, Düser05,
Gerstel03, Sengupta03, Assi01, Mahony01, Qiao99] reportan una expectativa
extendida en cuanto a que la migración a una operación dinámica de la red
WDM se realizará sin ninguna duda porque presenta mayores beneficios que la
operación estática en términos de configuración rápida, adaptabilidad frente a
variaciones de tráfico, y requerimientos de un menor número de dispositivos
cuando el nivel de utilización de las conexiones es bajo. Sin embargo, a la fecha,
no hay evidencia que respalde que una migración a una red WDM dinámica sea
más conveniente. Los trabajos relacionados con el análisis y evaluación de
alternativas de migración no han sido lo suficientemente concluyentes en
responder la pregunta de cuál escenario de migración es el más conveniente.
Más aún, la mayoría de éstos han analizado el costo de diferentes
14
CAP.1. INTRODUCCIÓN
configuraciones de manera aislada. Es decir, sin tomar en cuenta que en un
proceso de migración parte del equipamiento puede re-utilizarse, lo que afecta
los costos de las alternativas de migración. Adicionalmente, la mayoría de los
trabajos se focalizan sólo en el análisis del costo asociado a la adquisición de
equipamiento o inversión en infraestructura (
, por su nombre en Inglés:
Capital Expenditures [Huelsermann08]) o el asociado a operar la red (
, por
su nombre en Inglés: Operational Expenditures [Verbrugge05]), pero no en
ambos simultáneamente.
En esta tesis, se plantea una metodología tecno-económica genérica que
permite evaluar el costo de migración (CM) de distintas alternativas de
incremento de capacidad de una red óptica. A diferencia de esfuerzos previos en
el área, la metodología debe: a) ser lo suficientemente genérica para incorporar
escenarios con distintas tecnologías, algoritmos de asignación de recursos,
tasas de crecimiento de tráficos, y arquitecturas de red; b) considerar la
reutilización de equipamiento e infraestructura que naturalmente se produce
en un proceso de migración y c) incluir tanto los aspectos de
como de
.
1.3. OBJETIVOS
El objetivo general de este trabajo de investigación es responder a la pregunta
de investigación planteada. Para ello, se establecen los siguientes objetivos
específicos:
Objetivos Específicos:
1) Proponer y detallar escenarios de migración desde las actuales redes WDM
estáticas a otras tecnológicamente factibles y de mayor capacidad.
15
CAP.1. INTRODUCCIÓN
2) Establecer un modelo de costos de capital (
), aplicable a distintos
escenarios de migración.
3) Establecer un modelo de costos de operación (
), aplicable a distintos
escenarios de migración.
4) Establecer metodologías de obtención de parámetros influyentes de los
modelos de
y
(por ejemplo: capacidad o longitudes de
onda/transmisores/receptores necesarias en función de la utilización de los
enlaces, algoritmos de ruteo, probabilidad de bloqueo y esquemas de tolerancia
a fallas).
5) Elaborar una metodología de evaluación de alternativas de migración en
términos de costos de capital y operacionales.
6) Obtener resultados numéricos, aplicado a topologías de redes ópticas
existentes, de los parámetros que afectan los valores de
y
según
las metodologías del punto 4)
7) Aplicar la metodología elaborada en el punto 5) a un caso particular de
migración a modo de ejemplo.
8) Identificación de parámetros influyentes de los modelos de
y
(por ejemplo: consumo energético, capacidad o longitudes de onda necesaria
teniendo en cuenta distintas estrategias de tolerancia a fallas).
9) Someter los avances de la investigación al análisis de investigadores
experimentados y reconocidos a nivel mundial en el área. El medio para
alcanzar este objetivo será el envío de resultados parciales y finales de este
trabajo a publicación en conferencias y revistas científicas especializadas en el
área de redes ópticas WDM con Comité Editorial y mecanismo de revisión por
pares.
16
CAP.1. INTRODUCCIÓN
1.4. CONTRIBUCIONES DE ESTE TRABAJO DE TESIS
Las contribuciones de este trabajo de investigación al conocimiento en el área
de redes ópticas WDM son:

Desarrollo
de
una
metodología
tecno-económica
para
evaluar
alternativas de migración a las actuales redes WDM estáticas.

Resultados numéricos y análisis de un posible escenario de migración a
una red WDM dinámica.

Inclusión de la capacidad de tolerar fallas (cortes de cables) en el análisis
comparativo entre redes ópticas WDM estáticas vs dinámicas.

Realización de un análisis diferencial o de migración del
de
operaciones estáticas a dinámicas de las redes ópticas WDM.

Realización de un análisis de migración del
de operaciones
estáticas a dinámicas de las redes ópticas WDM.

Desarrollo de modelos de consumo energéticos para redes ópticas WDM
estáticas y dinámicas.

Propuesta de una arquitectura de un nodo WDM para operación estática
con la propiedad de bajo consumo energético.

Desarrollo de expresiones analíticas de límites inferiores para los
requerimientos de longitudes de onda para distintos esquemas de
tolerancia a fallas de cable en redes ópticas WDM estáticas y dinámicas.

Propuesta de esquemas de tolerancia a fallas alternativos basados en
protección para
cortes de cables en redes ópticas WDM estáticas y
dinámicas.
1.5. DISTRIBUCIÓN DE CAPÍTULOS
La distribución de los capítulos restantes de esta tesis es como sigue:
17
CAP.1. INTRODUCCIÓN
En el capítulo 2, se realiza una revisión del estado del arte en los
aspectos relevantes de esta tesis. Es así como primeramente se describen las
arquitecturas de redes WDM estáticas y dinámicas para luego presentar una
revisión exhaustiva del estado del arte en el área de comparaciones numéricas
entre redes WDM estáticas y dinámicas relacionadas con procesos de
migración.
En el capítulo 3 se presenta la metodología tecno-económica de
evaluación de alternativas de migración desde las actuales redes WDM
estáticas. Para ello el capítulo se inicia con un análisis de lo que es un proceso
de migración para luego plantear las expresiones generales del costo de
migración en términos de
y
. Con esta herramienta, los operadores
de redes podrán evaluar el proceso de migración de las actuales redes WDM
estáticas a cualquier configuración de redes WDM estáticas y/o dinámicas de
mayor capacidad.
En el capítulo 4, se plantean las expresiones genéricas que permiten
evaluar el
y el
de las distintas alternativas de migración,
conservando la operación estática o migrando a una operación dinámica.
En el capítulo 5, se entregan las herramientas para determinar el
número de componentes necesarios para evaluar los distintos escenarios de
migración. Se comienza justificando la dependencia que tiene el número de
longitudes de onda y el número de transpondedores de transmisión/recepción
de la red sobre el número de componentes necesarios en cada alternativa de
migración. Además, se revisan también los tipos de fallas más comunes en
redes WDM y mecanismos de tolerancia a falla. Se plantea, además, una
propuesta de dimensionamiento conjunto del número de longitudes de onda y
de transmisores/receptores para redes WDM estáticas y dinámicas con
tolerancia a fallas.
18
CAP.1. INTRODUCCIÓN
En el capítulo 6, se aplica la metodología tecno-económica de evaluación
de alternativas de migración propuesta en el capítulo 3, a un caso particular de
alternativas de migración. Se elabora un análisis de sensibilidad para luego
presentar las conclusiones de esta aplicación en particular.
Finalmente, se presentan las conclusiones generales de este trabajo de
tesis.
1.6. PUBLICACIONES Y PRESENTACIONES EN CONFERENCIAS
A continuación se listan las publicaciones resultantes del trabajo de
investigación desarrollado en el marco de esta tesis de doctorado.
Artículos en revistas ISI WoS.
A. Leiva, C. Mas Machuca, A. Beghelli, R. Olivares, “Migration cost analysis for
upgrading WDM networks”, IEEE Communications Magazine, Vol. 51 (11), pp.
87-93, November 2013.
A. Leiva, A. Beghelli, “Migrating from static to dynamic survivable WDM
networks: The capacity-availability trade-off”, Revista Facultad de Ingeniería
Universidad de Antioquía, n° 63, pp. 106-116, Junio 2012.
A. Leiva, J. M. Finochietto, B. Huiszoon, V. López, M. Tarifeño, J. Aracil, A.
Beghelli, “Comparison in Power Consumption of Static and Dynamic WDM
Networks”, Elsevier Optical Switching and Networking (OSN), Vol. 8 (3), pp.
149-161, 2011.
19
CAP.1. INTRODUCCIÓN
Artículos en conferencias internacionales.
A. Leiva, C. Mas, A. Beghelli, “Upgrading cost modelling of capacity-exhausted
static WDM networks”, presented at 16th Conference on Optical Network
Design and Modeling, ONDM 2012, Colchester, UK, April 17-20, 2012.
A. Leiva, A. Beghelli, C. Mas, “Impact of Energy Consumption on the OpEx of
WDM Networks”, presented at Optical Fiber Communication Conference and
Exposition (OFC) and The National Fiber Optic Engineers Conference
(NFOEC), OFC/NFOEC 2012, Los Angeles, CA, USA, March 2012.
A. Beghelli, P. Olivares, A. Leiva, H. Cancela, “Availability aware IP-overWDM networks under the overlay model”, in Proc. of 15th European Conference
on Networks and Optical Communications and
5th Conference on Optical
Cabling and Infrastructure (NOC/O&CI), pp. 159-165, Faro , Portugal, June
2010.
A. Leiva, A. Beghelli, “Dynamic Survivable WDM networks: the AvailabilityCapacity Trade-off for single and double cable failures”, in Proc. of 15th
European Conference on Networks and Optical Communications and
5th
Conference on Optical Cabling and Infrastructure (NOC/O&CI), pp. 167-172,
Faro , Portugal, June 2010.
A. Beghelli, H. Cancela, A. Leiva, P. Olivares, S. Sevilla, “Availability Aware
IP-over-WDM Networks”, presented at ALIO-INFORMS Joint International
Meeting, Buenos Aires, Argentina, June 2010.
A. Leiva L., J. M. Finochietto, V. López, B. Huiszoon, A. Beghelli, “Comparison
of Static and Dynamic WDM Networks in Terms of Energy Consumption”, in
Proc. of Optical Fiber Communication Conference (OFC/NFOEC 2010),
JThA44, San Diego, USA, March 2010.
20
CAP.1. INTRODUCCIÓN
A. Leiva L, A. Beghelli Z., “Wavelength requirements of fault-tolerant static and
dynamic WDM networks”, in Proc. of 14th European Conference on Networks
and Optical Communications and
4th Conference on Optical Cabling and
Infrastructure (NOC/O&CI), Valladolid, Spain, June 2009.
A. Zapata-Beghelli, A. Leiva L, R. Vallejos, M. Aravena, “Dynamic versus static
WDM networks under single link failure conditions”, presented at Conference
on Optical Network Design and Modelling 2009 (ONDM), Braunschweig,
Germany, February 2009.
Otras publicaciones.
A. Leiva L., P. Ríos L., F. Pinilla G., A. Beghelli Z., R. Villarroel V., G.
Fernandez S., “Estudio de la probabilidad de bloqueo en redes ópticas WDM
extremo-a-extremo bajo condiciones de falla”, Ingenerare, Revista de la
Facultad de Ingeniería Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Vol. 23,
pp. 33-40, 2009.
21
CAP.2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
CAPÍTULO 2
REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
En este capítulo se realiza una revisión del estado del arte en los
aspectos relevantes que contribuyen a contestar la pregunta de investigación
que aborda esta tesis. Con este fin, se comienza describiendo las arquitecturas
de redes WDM bajo operación estática y dinámica, para posteriormente
realizar una revisión exhaustiva de estudios comparativos de procesos de
migración entre escenarios que involucren conservar una operación estática y
otros que cambien a una operación dinámica.
2.1. TIPOS DE OPERACIÓN DE REDES WDM
2.1.a. Redes WDM bajo operación estática.
En este tipo de redes WDM, las conexiones ópticas son permanentes.
Esto es, se establecen lightpaths dedicados entre pares de nodos de la red,
independientemente del nivel de utilización de los mismos. Además, el
establecimiento de las conexiones ópticas se realiza antes de la puesta en
marcha de la red (de manera off-line) [Baroni97, Aleksic12, Yuan10].
Para establecer una conexión óptica que conecta dos nodos, se debe
establecer la ruta en la que viajará la información a través de la red WDM. Si
la red WDM no cuenta con la capacidad de conversión de longitud de onda en
los nodos, entonces, la conexión óptica a establecer debe conservar la misma
22
CAP.2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
longitud de onda en toda su ruta (esta condición se conoce como la “restricción
de continuidad de longitud de onda” [Zang00]). En caso contrario, cada
conexión óptica puede utilizar una longitud de onda distinta en cada enlace que
compone su ruta. Esta característica de conversión de longitudes de onda de las
redes permite disminuir el requerimiento de longitudes de onda en tan sólo un
5% según lo reportado en [Baroni97], por lo que para las redes WDM estáticas
no es un requisito contar con esta funcionalidad.
El problema de determinar la ruta y longitud de onda (una única
longitud de onda en el caso de redes sin conversión de longitud de onda y
eventualmente varias, para el caso contrario) se denomina RWA (Routing and
Wavelength Assignment) [Zang00, Wason11]. En una red WDM estática, el
problema RWA se soluciona de manera off-line antes de la puesta en marcha de
la red. Para esto se utilizan métodos de optimización cuyo objetivo es
minimizar
los requerimientos de longitudes de onda de la red (capacidad)
[Baroni97] o maximizar el número de conexiones que puedan establecerse con
una capacidad determinada y finita [Zang00].
Una vez instalada la red WDM y resuelto el problema RWA, se procede a
configurar la red para establecer la totalidad de las conexiones ópticas
requeridas. Para hacer esto, se debe configurar manual o remotamente cada
matriz de conmutación del dispositivo de conmutación de cada nodo de la red
WDM para que cada puerto de entrada quede conectado a su correspondiente
puerto de salida. De esta manera, los lightpaths se establecen a lo largo de las
rutas previamente definidas. Una vez configurada la red, ésta permanece sin
alteraciones por mucho tiempo, en escalas de meses a años. La Fig. 1-4, ilustra
este concepto.
La tarea de amplificar los lightpaths comúnmente se lleva a cabo
instalando cascadas de EDFAs (Erbium Doped Fiber Amplifiers) en los enlaces
de la red, como muestra la Fig. 1.3. Los EDFAs corresponden a la primera
23
CAP.2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
tecnología de amplificación óptica que estuvo disponible comercialmente
(alrededor de 1990), por lo que su presencia es aún dominante en las redes
actuales. Este tipo de amplificador óptico incluye un control de ganancia
automática (AGC: Automatic Gain Control) para mantener
la potencia de
entrada dentro de un rango en específico (la ganancia es constante dentro de
un rango de la potencia total de entrada al amplificador [Ramamurthy01,
Zyskind11]) en estos dispositivos. Si ésta experimenta fluctuaciones, por
ejemplo, debido a la falla de una longitud de onda, el sistema AGC mantiene
las características de amplificación intacta para todas las conexiones ópticas
que pasan por los enlaces, siempre y cuando la potencia total de entrada se
encuentre en el rango de operación del amplificador.
La operación de una red WDM se monitorea mediante un sistema de
gestión (NMS: Network Management System [Ellanti05, Michelis09]) a cargo de
revisar constantemente el estado de todos los dispositivos de red. De esta
manera, en caso de fallas, el sistema alerta a los ingenieros a cargo de la
supervisión de la red WDM quienes deben supervisar o activar los mecanismos
de tolerancia a fallas con los que esté provisto la red. En una red WDM la
ocurrencia de una falla puede resultar en la pérdida de datos del orden de Gbps
a Pbps. Por lo tanto, los mecanismos de tolerancia a fallas son de fundamental
importancia.
2.1.b. Redes WDM bajo operación dinámica.
En el caso de redes WDM dinámicas, los lightpaths se establecen bajo demanda
y sólo por el tiempo que se necesite para enviar información. Por lo tanto, la
configuración de la matriz de conmutación de los dispositivos de conmutación
de cada nodo óptico de la red varía en el tiempo. La frecuencia con la que ocurre
esta variación depende del tipo de red WDM dinámica utilizada. En un
extremo, se espera que las redes ópticas de conmutación de paquetes (OPS:
Optical Packet Switching [Renaud97, Hunter00, Mahony01, Hu12]) deban
24
CAP.2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
reconfigurar sus matrices de conmutación en escalas de tiempo del orden de ns
mientras que en el otro extremo, las redes de conmutación de flujos o circuitos
(OFS: Optical Flow Switching [He01]; OCS: Optical Circuit Switching
[ITU.G.8080_05, Jajszczyk05, Farrington12]) podrían necesitar cambios de
configuración en órdenes de magnitud de algunos centenares de ms. Entre las
alternativas intermedias se encuentran las redes de conmutación de ráfagas
(OBS: Optical Burst Switching “salto a salto” [Qiao99, Turner99] y “extremo a
extremo”[Düser02]).
Dada la naturaleza dinámica del establecimiento de los lightpaths y las
escalas de tiempo en las que se espera que operen las redes WDM dinámicas,
en estas redes el problema del RWA (Routing and Wavelenght Assignment) no
se resuelve de manera óptima como en el caso de las redes WDM estáticas. Por
lo tanto, la asignación de recursos realizada por el RWA dinámico no
necesariamente será la que minimice el uso de los recursos de la red y por lo
tanto, puede ocurrir que el uso del espacio de longitudes de onda no sea el más
eficiente. Por otra parte, una misma conexión podría tener asignado distintos
lightpaths cada vez que se establece, obligando a cambiar constantemente la
configuración de la red. Para enfrentar la reconfigurabilidad de la red, en las
redes WDM dinámicas se deben utilizar transmisores/receptores sintonizables
en la etapa de interfaz de la capa electrónica-WDM y conmutadores ópticos de
configuración automática de alta velocidad de configuración en la etapa de
conmutación. Para disminuir el impacto de la ineficiencia en la asignación de
recursos, es recomendable poseer dispositivos con la propiedad de conversión de
longitud de onda (WC) en las etapas de entrada y salida del nodo. La presencia
de estos dispositivos en la red permite disminuir los requerimientos de
capacidad de los enlaces [Zapata08b].
Una segunda diferencia importante entre las redes WDM estáticas y
dinámicas radica en la incorporación de un plano de control al sistema de
gestión (M&CS: Management and Control System) de la red dinámica
25
CAP.2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
[Bernstein08, Chahine05, Jajszcczyk05, Mukherjee11]. La principal función del
plano de control consiste en resolver el problema RWA de cada petición de
conexión de manera dinámica y enviar los mensajes de control necesarios para
configurar los distintos elementos de la red.
Al igual que las redes WDM estáticas, las redes WDM dinámicas pueden
sufrir fallas en sus dispositivos. Sin embargo, debido a la utilización de
dispositivos sintonizables (transpondedores) en las redes dinámicas, que tienen
tasas de fallas mayores que las de los dispositivos fijos, se espera una
frecuencia de ocurrencia de falla mayor que en el caso estático. Por esta razón,
al igual que en el caso estático, es fundamental que las redes WDM dinámicas
cuenten con algún esquema de tolerancia a fallas.
A diferencia del caso estático, en el caso dinámico existen diferentes
propuestas de arquitecturas que implementa el establecimiento bajo demanda
de los lightpaths. La diferencia entre las distintas propuestas radica en el tipo
de conmutación que utilizan. A continuación, se describe cada una de las
arquitecturas propuestas para operar una red WDM de manera dinámica:
-
Conmutación óptica de paquetes (Optical Packet Switching, OPS):
[Renaud97, Hunter00, Mahony01, Hu12]. En una red óptica de
conmutación de paquetes, los paquetes electrónicos se convierten en
señales ópticas e ingresan a la red WDM a través de una interfaz
electro-óptica presente en el nodo origen. La etapa de conmutación
del nodo origen dirige la señal óptica por la fibra óptica de salida que
la llevará al siguiente nodo de la ruta. En cada nodo que visita un
paquete durante su ruta de origen a destino, se produce un
procesamiento óptico del paquete en el que se extrae la cabecera y se
determina el próximo nodo al que debe ser enviado, emulando la
técnica
store
and
forward
[Tanenbaum10]
de
las
redes
de
conmutación de paquetes convencionales.
26
CAP.2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
La implementación de una red OPS enfrenta dos grandes desafíos
tecnológicos. Por un lado, el requerimiento de procesar ópticamente el
paquete para realizar la extracción de cabecera, almacenamiento de
paquete y ensamblaje del nuevo paquete es inviable hoy en día debido
a la falta de procesadores y memorias ópticas completamente
funcionales [Hu12]. Por otro lado, la conmutación de paquetes
(algunos de no más de 44 bytes) requiere que la configuración de los
dispositivos de conmutación ópticos se debe realizar en escalas de
tiempo del orden de ns, lo que está muy por debajo de los actuales
tiempos de conmutación de los dispositivos actuales [He12].
-
Optical Circuit Switching (OCS): [ITU.G.8080_05, Jajszczyk05,
Farrington12] En este tipo de arquitectura, antes de iniciar una
transmisión de paquetes se debe establecer previamente una
conexión óptica (lightpath) entre el nodo origen y el nodo destino de
los datos. De esta forma, los conmutadores ópticos de cada nodo que
compone la ruta del lightpath se configuran a priori por el tiempo que
sea necesario. El funcionamiento de esta tecnología tiene su análogo
en la red de telefonía fija de conmutación por circuitos (PSTN: Public
Switched Telephone Network). Sin embargo, al igual que una
conexión telefónica, el lightpath podría estar establecido y no
utilizarse para transmitir datos (equivalente a los momentos de
silencio en una conversación telefónica). Se espera que la duración de
una conexión OCS varíe entre unos pocos segundos a horas
[Spadaro02].
-
Optical Burst Switching (OBS): [Qiao99, Turner99, Düser02]. Este
tipo de arquitectura relaja los requerimientos tecnológicos de OPS.
Para esto, antes de iniciar la transmisión de paquetes, OBS conforma
una ráfaga de paquetes (del orden de kB a MB) en la capa electrónica.
Durante la conformación de la ráfaga, la capa electrónica se comunica
27
CAP.2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
con la capa de control de la red WDM para solicitar la reserva y
configuración necesaria en los distintos dispositivos para establecer
un lightpath. Esta reserva puede llevarse a cabo salto-a-salto
[Qiao99, Turner99] o de origen a destino [Düser02]. En el primer
caso, se envía un paquete de control previamente a la transmisión de
la ráfaga. Este paquete solicita reserva y configuración de los
dispositivos en cada nodo por el que la ráfaga pasará posteriormente.
Un tiempo después de enviado este paquete de control, se envía la
ráfaga de datos a la capa WDM sin esperar un paquete de
confirmación de la reserva de recursos. De esta forma, la ráfaga no es
procesada electrónicamente en cada nodo (sólo el paquete de control).
En el segundo caso, también denominado WROBS: Wavelength
Routed OBS [Düser_2002], también se envía un paquete de control
que reserva y configura los nodos del lightpath completo antes de
transmitir la ráfaga de datos. Sin embargo, WROBS espera la
confirmación del establecimiento del lightpath completo para
proceder al envío de la ráfaga.
A modo de resumen de las principales características de estos tres tipos
de arquitectura para redes WDM dinámicas, la Fig. 2-1 [Zapata06b] ilustra los
requerimientos tecnológicos y el tamaño de la unidad de datos que la capa
electrónica envía a la red WDM para los distintos tipos de operación dinámica.
Se puede apreciar que los mayores requerimientos tecnológicos aparecen en
una red WDM de conmutación por paquetes al requerir dispositivos para
procesar y almacenar en el dominio óptico cada paquete que pasa por un nodo.
Por otro lado, las redes WDM de conmutación por circuitos representan la
opción dinámica de menor requerimiento tecnológico debido a que establece un
circuito óptico desde el nodo origen al destino sin procesar cada paquete como
en el caso de OPS.
28
CAP.2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
Fig. 2-1: Tamaño de la unidad de datos de transmisión de las distintas
arquitecturas de redes WDM relacionados a los requerimientos tecnológicos
que éstas necesitan. (Nota: Esta figura es una variación de la presentada en
[Zapata06b]
La Fig. 2-2 muestra una comparación descriptiva entre la eficiencia del
uso de las conexiones ópticas que se establecen para enviar información y el
grado de dinamismo para los distintos tipos de conmutación de redes WDM. El
grado de dinamismo se entiende por las variaciones de lightpaths activos que
experimenta la red en un periodo de tiempo determinado. De esta forma, OPS
tiene un grado de dinamismo mayor que todas las otras redes WDM, debido a
que en OPS se establece un lightpath por cada paquete de datos que se desea
enviar.
De acuerdo a los antecedentes dados sobre los tipos de redes WDM, se
puede concluir que:

Las redes OPS son la opción más eficiente en el uso de ancho de
banda, pero demandan tecnología aún no disponible para su
implementación a gran escala.

Las redes OCS son la opción más viable de implementación en el
corto plazo. Sin embargo, al tratarse de una red pseudo-estática
29
CAP.2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
(por la gran duración de sus conexiones [Spadaro02]) hacen un uso
ineficiente del ancho de banda.

Las redes OBS presentan un mejor compromiso entre la eficiencia
en el uso del ancho de banda y los requerimientos tecnológicos y
por lo tanto es una opción que puede ser implementada en el
mediano plazo.
Debido a la factibilidad de implementación en el corto plazo, en este
trabajo de tesis se trabajará con redes WDM dinámicas del tipo WROBS y
OCS.
Fig. 2-2: Relación entre el dinamismo de las redes WDM versus el uso eficiente
de la capacidad de las conexiones ópticas. (Nota: Esta figura es una variación
de la presentada en [Zapata06b]
2.2. ESTUDIOS COMPARATIVOS DE PROCESOS DE MIGRACIÓN DE
REDES WDM
Los trabajos previos que se han enfocado en evaluar procesos de
migración no han sido capaces de entregar una respuesta completa acerca de
30
CAP.2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
qué escenario de migración es el más conveniente migrar (si conservar la
operación estática o migrar a una operación dinámica). La principal razón para
esta situación es que la mayoría de ellos han analizado el costo de diferentes
escenarios de red de manera independiente, sin tomar en cuenta que durante
un proceso de migración algunos dispositivos pueden re-utilizarse en la nueva
configuración de la red. Más aún, la mayor parte de los trabajos se han
focalizado sólo en análisis de
(no
) u
, pero no ambos
simultáneamente (necesarios para evaluar el TCO: Total Cost Ownership).
En [Zapata06a, Zapata06b, Zapata08b], se cuantifica el requerimiento de
longitudes de onda, en función de la carga de tráfico, que necesitan las redes
WDM estáticas y dinámicas para operar. El número de longitudes de onda
representa una forma indirecta de abordar el
, debido a que éstas
influyen en el número de dispositivos necesarios en los nodos de las redes
WDM. Los autores concluyen que las redes WDM dinámicas necesitan menores
requerimientos de longitudes de onda en comparación a las redes WDM
estáticas sólo a cargas de tráfico menores de 0,4. Esto último se cumple sólo si
la red cuenta con la capacidad de conversión de longitud de onda en los nodos.
Los autores no consideraron aspectos relacionados con
ni un proceso de
migración propiamente tal, ni tolerancia a fallas.
En [Huelsermann08] sólo hacen una evaluación del
de redes
WDM estáticas para nodos opacos y transparentes (completamente ópticos).
Resultados muestran que las redes WDM con nodos transparentes requieren
un menor
que las opacas. No fueron considerados análisis de
ni un
proceso de migración a redes WDM dinámicas.
En [De_Groote10] se analiza el impacto que tienen los distintos tipos de
algoritmos IA-RWA (Impairment-Aware Routing and Wavelength Assignment)
sobre los costos de capital y operación de distintos tipos de redes WDM
31
CAP.2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
translúcidas estáticas . No realiza un análisis ni una metodología del proceso
de migración, ni tampoco analiza redes WDM dinámicas.
En [Chahine05] se compara a redes WDM estáticas vs redes
ASON/ASTN en términos de
. Los mayores ahorros de las redes
ASON/ASTN se logran en el provisionamiento de conexiones: 5 veces más
pequeño que una red estática de configuración manual. Sin embargo, los
autores no consideran otros aspectos que conforman el
, como por ejemplo
el costo de consumo energético, costos de capital y tampoco un proceso de
migración.
En [Leiva11] se compara a redes WDM estáticas vs dinámicas en
términos de consumo energético. Se plantea un modelo genérico para evaluar el
consumo de arquitecturas genéricas de nodos estáticos y dinámicos. Se evalúa
el consumo energético en tres arquitecturas particulares de nodos WDM. Se
concluye que las redes WDM dinámicas
consiguen ahorros en el consumo
energético a cargas de tráfico menores a 0,4 en comparación a la operación
estática, debido al menor requerimiento de transpondedores. Sin embargo, este
análisis sólo representa una de las contribuciones del
el
sin tomar en cuenta
ni un proceso de migración.
En [Jaeger10] se compara una migración de una red óptica WDM
estática basada en SDH a otra estática basada en OTN. Se analizan escenarios
de migración gradual y “big bang”. Sin embargo, no considera un proceso de
migración a una red WDM dinámica.
En [Pasqualini05a, Pasqualini05b, Pasqualini05c, Verbrugge05], se
analiza el impacto de ahorro en costos operacionales que produce la inclusión
de un plano de control en redes WDM dinámicas vs la operación manual de
redes WDM estáticas. El foco de análisis está en comparar los procesos de
provisionamiento y cese de conexiones
entre redes WDM estáticas vs
dinámicas. Resultados muestran que las redes WDM dinámicas podrían
32
CAP.2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
alcanzar ahorros de hasta el 50% en comparación con la operación manual de
las redes WDM estáticas. Sin embargo, el análisis no contempla otros aspectos
de los costos operacionales como lo son el costo de reparación de fallas y de
consumo energético. Además, no considera
ni un proceso de migración a
una estructura WDM dinámica.
En [Renais10] se analiza un caso particular de migración de una red
WDM estática (basada en SDH) a distintas opciones de mayor capacidad del
tipo opacas, translúcidas, transparentes y que conservan la operación estática o
migran a una operación dinámica de conmutación por circuitos. El estudio está
basado en comparar costos de capital. Resultados muestran que las redes
transparentes dinámicas alcanzan mayores ahorros si se opta por una red
completamente opaca de operación estática. Sin embargo, el artículo no entrega
detalles de la metodología ni de la evaluación del proceso de migración, ni
incluye costos operacionales.
En [Geary11], se planifica y evalúa, en términos de
, la instalación
gradual de capacidad de una red SDH/DWDM estática tolerantes de falla desde
un escenario inicial greenfield. Suponen un horizonte un tiempo de evaluación
de 5 años de manera arbitraria, y suponiendo que al final de dicho periodo el
tráfico aumenta en 10 veces con respecto al fin del primer año. Resultados son
útiles para nuevos operadores de redes que desean insertarse en el mercado.
No representa un proceso de migración de una red instalada a otra, ni
considera la alternativa de instalar una red WDM dinámica, y tampoco
considera costos operacionales.
En [Infinera12], un proveedor de red DWDM relata su experiencia de
una migración de una red estática DWDM europea a otra red WDM estática de
mayor capacidad y flexibilidad en el dominio electrónico.
Este ejemplo
representa una migración del tipo “big bang”, al insertar tecnología totalmente
nueva en toda la red (ROADM: Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer
33
CAP.2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
en los nodos) y cambiar toda la red, la cual se encontraba operativa, en tan sólo
45 días. Los autores no presentan una metodología genérica, ni tampoco
incluyen análisis de costos de capital ni operacional.
La Tabla 2-1
muestra el resumen de las principales características,
relacionadas con esta tesis, de los trabajos anteriormente analizados: Si se
incluye un análisis de proceso de migración, el tipo de redes WDM consideradas
(estáticas y dinámicas), si se evalúan alternativas en términos de TCO,
u
, y si finalmente, las redes WDM analizadas cuentan con estrategia de
tolerancia a fallas.
Estos estudios comparativos no han sido concluyentes en la toma de
decisión acerca de si para un operador de red es más conveniente conservar la
operación WDM estática o migrar a una operación dinámica de la capa óptica.
Más aún, la mayoría no presenta una metodología clara de comparación de
alternativas de migración en términos del CM (TCO), y además, sólo analizan
costos de capital y operacional por separado. Y por último, la tolerancia a fallas
no es una característica común en los análisis recientemente expuestos. Por
estas razones, en esta tesis se trabaja en la propuesta de una metodología
genérica que evalúe tecno-económicamente (en términos de
y
)
distintas alternativas de migración (conservando la operación WDM estática o
migrando a una operación dinámica) ante una eventual saturación de las
conexiones establecidas.
2.3. RESUMEN
En este capítulo se han presentado las principales características de las
redes WDM bajo operación estática y dinámica. Además, se analizan trabajos
previos sobre procesos e migración que involucren alternativas WDM estáticas
y dinámicas de mayor capacidad cuando las redes se encuentren saturadas. El
34
CAP.2. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE
análisis realizado evidencia que los trabajos no han sido concluyentes en definir
qué tipo de operación (estática o dinámica) es más conveniente en términos de
y
, ni tampoco incluyen un proceso de migración en las que algunos
dispositivos podrían reutilizarse.
Tabla 2-1: Artículos y características de comparaciones tecno-económicas entre
redes WDM estáticas vs dinámicas.
Referencia
Proceso de
migración
No
Tipos de redes
WDM
Estáticas vs
dinámicas
(WROBS)
TCO
Huelsermann08
No
De_Groote10
No
Chahine05
No
Leiva11
No
Estáticas
(opacas y
transparentes)
Estáticas
(tipos de
translúcidas)
Estáticas vs
dinámicas
(ASON)
Estáticas vs
dinámicas
Jaeger10
Si (pero de
estática a
otra
estática)
No
Si
Zapata06
Zapata08a
Zapata08b
Pasqualini05a
Pasqualini05b
Pasqualini05c
Verbrugge05
Renais10
Infinera12
Geary11
Si
No
No
No
Si (indirecto a
través de
requerimiento
de longitudes
de onda)
Si
Tolerancia
a fallas
No
No
Si
Si
Si
Si
Si
No
No
No
No
Si
Estáticas
(SDH a OTN)
Si
Si
Si (centrado
en service
provisioning)
Si (sólo
consumo
energético)
Si
Estáticas vs
dinámicas
(ASON)
No
No
Si
Si
Estáticas y
dinámicas
(conmutada
por circuitos)
Estáticas
Estáticas
(SDH/DWDM)
No
Si
No
No
No
No
No
Si
No
No
Si
Si
No
Si
35
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
CAPÍTULO 3
PROCESO DE MIGRACIÓN Y
METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE
ALTERNATIVAS
En este capítulo se describe en qué consiste el proceso de migración
desde una red WDM estática en estado de saturación hacia alternativas de
mayor capacidad. Posteriormente, se plantea una metodología de evaluación
tecno-económica de alternativas de migración. Basándose en el escenario de red
al inicio del proceso de migración, el escenario al finalizar el proceso de
migración y la tasa de crecimiento de tráfico esperada, la metodología
determina los instantes en que deben realizarse nuevas inversiones y el
horizonte de tiempo cuando debe llevarse a cabo un nuevo aumento de
capacidad. La metodología propuesta es lo suficientemente general como para
considerar diferentes patrones de crecimiento de tráfico, configuraciones
(escenarios) de red y algoritmos de asignación de recursos.
3.1. ANTECEDENTES DE UN PROCESO DE MIGRACIÓN DE REDES
WDM
Actualmente, la mayoría de las redes WDM operan de manera estática
[Yuan10, Fischer09], es decir, los caminos ópticos se establecen de manera
36
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
permanente, independientemente de su nivel de utilización. Es así que en una
red WDM estática podría existir un camino óptico establecido por el que no se
transmita información en determinados períodos de tiempo. Cuando se produce
transmisión de información en un camino óptico, ésta ocurre a una tasa de
transmisión digital específica. En redes de transporte, esta tasa de transmisión
suele medirse en Gbps.
Los valores de velocidades de transmisión digital
comúnmente usados en las redes WDM de transporte actuales son: 2,5, 10 y 40
Gbps [Alcatel_WS, Alcatel_LE, Alcatel_LX]. Recientemente se han comenzado
a comercializar también sistemas de transmisión a 100 Gbps [Alcatel_100G],
basados en OTN.
Habitualmente, los operadores de redes WDM mantienen los caminos
ópticos con una baja utilización [Mukherjee11, Odlyzko2003]. El nivel de
utilización promedio de
los caminos ópticos se encuentra entre 1% y 40%,
mientras que la utilización máxima puede variar entre el 30% al 55%,
[Mukherjee11, Saleh11, Walsworth09, Karmous09, Odlysko03]. Las razones
que justifican la existencia de esta capacidad ociosa son: capacidad disponible
para venta a operadores de telecomunicaciones externos, posibles aumentos de
su propia capacidad, holgura para fines de tolerancia a falla y posibles
aumentos repentinos en el tráfico de datos [Mukherjee11, Dikbiyik12,
Batayneh07].
Por otra parte, varios estudios [Saleh11, Simmons10, Cisco12] han
reportado que la tasa de crecimiento de tráfico de datos (promedio y peak) se
encuentra entre el 23% al 70% por cada año. Estas tasas de crecimiento se
deben principalmente a la aparición de nuevas tecnologías de acceso óptico,
como por ejemplo, GPON [Hood12], y a diversas aplicaciones que demandan
grandes volúmenes de capacidad de transmisión de datos, como por ejemplo,
YouTube.
37
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
Para evitar que este aumento constante del tráfico de datos cause la
saturación de la capacidad de la red, periódicamente los operadores de redes
WDM realizan aumentos de capacidad (up-grade) cuando el nivel de utilización
de los enlaces alcanza un determinado umbral. Cabe destacar que el valor del
umbral puede variar según el criterio empleado por cada operador de red WDM
para calificar a la red en estado de saturación.
A modo de ejemplo, la Fig. 3-1 muestra la evolución temporal del valor
de utilización de una red, tomando en cuenta dos valores iniciales de utilización
(iguales a 1% y 40% de la capacidad de transmisión de la red, líneas con
círculos y triángulos, respectivamente) y distintas tasas de crecimiento anual
(iguales a 35% y 70%, representadas por líneas negras
segmentadas y
continuas, respectivamente). La Figura ilustra además dos valores para el
umbral donde el operador de red estima que debe realizarse un nuevo aumento
de capacidad, los cuales se representan con las líneas horizontales segmentadas
de color rojo y azul. El valor del nivel de utilización para un año determinado,
suponiendo un crecimiento exponencial del tráfico, se evalúa según la Ec. (3.1):
(
Donde
tráfico inicial y
)
es la carga de tráfico al final del i-ésimo año,
(3.1)
es la carga de
es la tasa de crecimiento de tráfico anual en [%/año].
caso de un proceso de migración,
En el
es la carga de tráfico inmediatamente
después de haber llevado a cabo el aumento de capacidad de la red.
38
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
Fig. 3-1: Evolución de la carga de tráfico, en función del tiempo, considerando
distintos escenarios iniciales de carga de tráfico
y
distintas tasas de
crecimiento de tráfico anual .
De la Fig. 3-1, se puede apreciar que:

Como es de esperar, los casos con cargas de tráfico iniciales
mayores experimentan un crecimiento más veloz en comparación
con los casos de cargas iniciales menores. De hecho, para los casos
estudiados en la Fig. 3-1, un incremento de 40 veces de la carga
inicial puede provocar que el nuevo aumento de capacidad deba
realizarse 12 años antes (caso tasa de crecimiento de carga del
35% según Fig. 3-1).

Para los casos estudiados, un aumento de 2 veces la tasa de
crecimiento de tráfico puede provocar una diferencia de entre 1 a 7
años en alcanzar un nivel umbral para comenzar a actualizar la
red, dependiendo del valor inicial de la carga de tráfico.

Distintos valores para el nivel del umbral en el que el operador de
red considera que la red se encuentra en estado de saturación
afecta el número de años en que debe realizarse una migración.
Sin embargo, este efecto es sólo considerable para cargas de tráfico
39
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
iniciales bajas. Por ejemplo, para una carga inicial del 1%, el
número de años de operación de la red (antes de iniciar un nuevo
proceso de actualización) varía de 7 a 15 años para un umbral de
60% o 100%, respectivamente. En cambio, para una carga inicial
del 40%, del número de años de operación sólo varía entre 1 a 2
años.
La información entregada por la Fig. 3-1 muestra que las redes WDM
actuales deberán enfrentarse a un nuevo proceso de aumento de su capacidad
en un corto a mediano plazo (entre 1 a 15 años, dependiendo de la tasa de
crecimiento de tráfico y el nivel de utilización que presenten en la actualidad).
Sin embargo, no está claro si el aumento de capacidad se llevará a cabo
manteniendo la operación estática de la red.
La operación estática de la red tiene algunas desventajas, a saber:
-
Baja utilización de los enlaces: Diversos estudios reportan que los
niveles de utilización de los canales ópticos se encuentran entre el 1
al 40% [Odlyzko03, Karmous09, Walsworth09]. Esto implica la
existencia de una capacidad ociosa excesiva en cada canal óptico,
traduciéndose en gastos innecesarios de
-
y
.
Técnicos con mayores funcionalidades [Chahine05, Pasquialini05a,
Pasqualini05b, Pasqualini05c, Verbrugge05, Kirstädter06]: Debido a
que las distintas configuraciones de la red relacionadas al
establecimiento y cese de conexiones deben realizarse de manera
manual, es necesario contar con técnicos para dichas funcionalidades.
Estas funcionalidades se suman a las de monitoreo y supervisión de
la red, por lo que eventualmente se podría requerir un mayor número
de técnicos en comparación con un sistema que se configure
automáticamente.
Para eliminar estas desventajas, en la última década la propuesta de
operar las redes ópticas de forma dinámica ha cobrado cada vez más fuerza.
40
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
Ejemplos de propuestas en esta línea son las redes ópticas de conmutación
automática (Automatically Switched Optical Networks, ASON [Jajszczyk05]).
En una red WDM que opera de manera dinámica, el establecimiento de
caminos ópticos se realiza bajo demanda. Es decir, se establecen sólo cuando
existe una petición para ello y sólo por el tiempo necesario para el envío de
información. Es decir, los recursos necesarios para mantener establecida esta
conexión sólo son reservados y utilizados por un tiempo limitado. De esta
manera se espera que la red se beneficie en términos de:
-
Alta utilización de los recursos de red [Jajszczyk04, Jajszczyk05]:
Debido a que los recursos sólo son reservados mientras se necesita
enviar información, se espera que la utilización de los enlaces en este
tipo de operación sea alta. Esto implica que si la red se encuentra
trabajando con cargas de tráfico medianas a bajas (<60%), se podría
dar servicio al mismo número de usuarios que en el caso estático pero
con menores recursos de red [Zapata08b] o más clientes con la misma
capacidad.
-
Rápido
establecimiento
Pasquialini05a,
de
nuevas
Pasqualini05b,
conexiones
Pasqualini05c,
[Chahine05,
Verbrugge05,
Kirstädter06, Jajszczyk04, Jajszczyk05]: Una vez que un cliente ya se
encuentra conectado a una red, el establecimiento de nuevas
conexiones (y su eventual cese) se realiza remota y rápidamente.
-
Menor número de técnicos necesarios [Chahine05]: Debido a que las
configuraciones o reconfiguraciones de la red pueden realizarse de
manera automática (una vez que el cliente ya se encuentra conectado
a la red), el número de técnicos necesarios es menor al caso de redes
de configuración manual.
En esta tesis, el proceso mediante el cual una red WDM se actualiza con
el objetivo de incrementar su capacidad para hacer frente a las crecientes
41
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
demandas de transporte de datos o de cambiar su modo de operación se
denomina “Proceso de migración”.
Un proceso de migración tiene dos grandes etapas. La primera consiste
en decidir cuál alternativa de aumento de capacidad y operación de la capa
WDM se implementará. Para esto existen consideraciones tanto técnicas como
económicas. La segunda corresponde a la implementación propiamente tal. En
esta tesis el foco se encuentra en el desarrollo de una metodología que asista en
la toma de decisiones respecto de cuál alternativa de aumento de capacidad y
operación de la capa WDM seleccionar.
3.2. ALTERNATIVAS DE AUMENTO DE CAPACIDAD
Actualmente, las alternativas comúnmente consideradas para aumentar
la capacidad de las redes ópticas WDM son:

Aumentar la tasa de transmisión digital de los caminos ópticos
existentes.

Aumentar el número de longitudes de onda a utilizar en el sistema
WDM conservando la tasa de transmisión digital. El aumento en
el número de longitudes de onda puede implementarse ya sea
insertando portadoras ópticas en la misma fibra que se está
utilizando para transportar información, o bien usando longitudes
de onda de fibras ópticas adicionales, disponibles dentro del mismo
u otro cable.

Usar una combinación de las anteriores.
A continuación, se describen estas alternativas de aumento de capacidad
de la red:
42
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS

Aumento de la tasa de transmisión digital de los canales existentes: Esta
opción es utilizada por los operadores de red cuando el sistema WDM
instalado no permite que la transmisión de la información ocurra a la
máxima velocidad digital disponible comercialmente. Los sistemas de
transmisión WDM de larga distancia instalados operan con tecnologías
de transmisión SDH, SONET u OTN. Estas tecnologías de transmisión,
que operan sobre la capa WDM, trabajan con tasas de bits de 155 Mbps,
622 Mbps, 2,5 Gbps, 10 Gbps, 40 Gbps y 100 Gbps (este último sólo por
OTN). Por lo tanto, si un sistema que está operando con tasas de
transmisión de 10 Gbps necesita aumentar su capacidad de transmisión,
podría hacerlo realizando los ajustes necesarios para poder operar sus
canales a tasas de 40 Gbps.
Dependiendo de la magnitud del aumento de la tasas de
transmisión, esta opción podría involucrar un rediseño de los enlaces
WDM existentes. Esto se debe a fenómenos de transmisión que ocurren
en fibras ópticas, los que limitan el producto (velocidad de transmisión) x
(alcance) [Agrawal10, Cvijetic13], degradando la calidad de la señal
transmitida y el posterior desempeño del receptor [Chomycz09].
Ejemplos
de
estos
fenómenos
son:
dispersión
cromática,
PMD
(Polarization Mode Dispersion) y efectos no lineales [Agrawal10,
Cvijetic13]. En la práctica, si el sistema transmisor/receptor de mayor
velocidad de transmisión no cuenta con técnicas de compensación de los
fenómenos o de minimización de sus efectos - como técnicas de precompensación de la dispersión (por ejemplo, técnica del pre-chirp
[Agrawal10, Cvijetic13]), técnicas de corrección de errores (por ejemplo,
códigos FEC: Forward Error Correction Kaminov13b) o técnicas de
detección coherente [Kaminov13b] -, el operador de red se verá obligado
a variar la estructura de los enlaces al instalar dispositivos ópticos de
compensación
de los fenómenos antes mencionados (por ejemplo,
módulos compensadores de dispersión o DCM [Chomycz09]).
43
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS

Aumento del número de longitudes de onda del sistema WDM
conservando la tasa de transmisión digital. Los canales que pueden
usarse en un sistema WDM están determinados por el tipo de grilla
espectral adoptada. La grilla espectral de los sistemas WDM de larga
distancia se encuentra estandarizada por la Recomendación G.694.1,
denominada “Spectral grids for WDM applications: WDM frequency
grid”. En ésta, se definen las frecuencias centrales de los canales ópticos
para sistemas WDM operando en la tercera ventana (en torno a los 1550
nm
o 199,8616 THz de frecuencia óptica portadora) para distintas
separaciones espectrales entre ellos: 12,5, 25, 50 y 100 GHz.
Para un rango espectral de operación fijo (por ejemplo, los 35 nm
de la tercera ventana de operación óptica), la separación espectral entre
longitudes de onda determina el máximo número de canales WDM que
se pueden utilizar para transmitir información. De esta manera, si la
separación espectral entre canales es
(en [THz]) y el tamaño de la
grilla es
(en [THz]), el número máximo de canales está dado por
.
La ubicación de los distintos canales en la grilla espectral
(frecuencia central) está dada por la Rec. G.694.1 de la ITU-T según la
siguiente expresión:
, en [THz], donde 193,1 [THz] es una
frecuencia de referencia dada por la ITU-T y
es un valor entero que
puede tomar valores enteros positivos, negativos y cero.
La Tabla 3-1 muestra un extracto de la rejilla de frecuencias de la
Rec. G.694.1. En cada columna se muestran las frecuencias centrales de
operación de los canales ópticos para diferentes separaciones espectrales,
a excepción de la última columna donde se muestra la longitud de onda
correspondiente a la frecuencia central. De la Tabla 3-1 se puede
apreciar que el conjunto de frecuencias centrales de los canales de las
rejillas de frecuencia con separaciones espectrales mayores está
44
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
contenido en las de menor separación espectral. Este hecho es relevante
al momento de decidir aumentar el número de canales de una red WDM.
Si un operador de red decide aumentar el número de longitudes de
onda de su sistema WDM en la misma fibra óptica utilizada, tendrá 2
opciones:
-
Conservar la separación espectral entre canales del sistema
WDM existente, denotado como
, e introducir los nuevos
canales en otras frecuencias portadoras. Esta opción es la más
simple, ya que sólo se deben adquirir las tarjetas de
transpondedores operando a las nuevas frecuencias portadoras
(con un ancho de banda que no supere
para no interferir con
otros canales, donde el ancho de banda es el rango espectral
efectivo de transmisión) y, si es necesario, adquirir nuevos
multiplexores y demultiplexores WDM si el nuevo número de
canales supera la capacidad de estos dispositivos.
-
Disminuir la separación espectral
entre canales del sistema
WDM, para introducir nuevos canales entre los canales
existentes previamente. En este caso, si el ancho de banda de
los transpondedores existentes no supera la nueva separación
espectral, entonces, no es necesario actualizarlos. En caso
contrario, deben remplazarse todos los transpondedores que
posean un ancho de banda compatible con el nuevo
.
45
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
Tabla 3-1: Rejilla WDM según la Rec. G.694.1 de la ITU-T.
Frecuencias
Frecuencias
Frecuencias
Frecuencias
para
para
para
para
Longitud de
separación de
separación
separación
separación
onda en
12,5 GHz en
de 25 GHz
de 50 GHz
de 100 GHz
[nm]
[THz]
en [THz]
en [THz]
en [THz]
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
195,9375
-
-
-
1530,0413
195,9250
195,925
-
-
1530,1389
195,9125
-
-
-
1530,2365
195,9000
195,900
195,90
195,9
1530,3341
195,8875
-
-
-
1530,4318
195,8750
195,875
-
-
1530,5295
195,8625
-
-
-
1530,6271
195,8500
195,850
195,85
-
1530,7248
195,8375
-
-
-
1530,8225
195,8250
195,825
-
-
1530,9203
195,8125
-
-
-
1531,0180
195,8000
195,800
195,80
195,8
1531,1157
195,7875
-
-
-
1531,2135
195,7750
195,775
-
-
1531,3112
195,7625
-
-
-
1531,4090
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
46
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
Si un operador de red decide aumentar el número de longitudes de
onda de su sistema WDM utilizando longitudes de onda de otras fibras
ópticas, tendrá 2 opciones:
-
Utilizar fibra óptica oscura disponible en cables instalados. Los
cables instalados en redes de telecomunicaciones de transporte
disponen de múltiples filamentos de fibra óptica en su interior.
A modo de ilustración, la Tabla 3-2 lista el número de pares de
fibras ópticas que poseen los cables de algunos sistemas
submarinos WDM actualmente en operación. Se utiliza el
término “par de fibras ópticas (FO)” debido a que los sistemas
de transmisión ocupan 2 fibras para intercambiar información:
una para transmitir y otra para recibir.
Tabla 3-2: Características de transmisión de algunos sistemas
de
cableado
submarino
existentes
en
el
mundo.
[www.telegeography.com]
Nombre del
Países que
N° total
N° de pares
N° de long.
Bit Rate
sistema de
une
de pares
de FO
de onda
por
dad
de FO
utilizadas
por par de
long. de
poten-
cableado
submarino
FO
SAC
Capaci-
onda
cial
(Gbps)
(Gbps)
4
-
-
10
1200
USA-Japón
8
3
96
10
7680
USA-Japón
8
2
96
10
7680
USA-
4
-
16
10
640
4
2
48
10
1920
(Sudamerican
Crossing)
TATA
TGN-
Pacific North Leg
TATA
TGN-
Pacific South Leg
Southern Cross
Australia
Kodiak Kenai
USA
La información presentada en la Tabla 3-2 muestra que
estos sistemas utilizan un
número de fibras menor que el
47
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
número total de fibras ópticas disponibles en el cable. La fibra
que no se utiliza para transmitir información se conoce como
fibra oscura. La existencia de fibras oscuras es una situación
común en las redes WDM actuales que
permite a los
operadores aumentar la capacidad de sus enlaces sin
necesidad de intervenir físicamente la infraestructura para
agregar nuevos filamentos de fibra.
La activación de la fibra oscura para conseguir un
aumento de la capacidad de la red requiere la adquisición de
equipamiento WDM nuevo, como por ejemplo: transpondedores
de transmisión/recepción WDM para cada uno de los canales
que se activarán en la fibra, multiplexores/demultiplexores
WDM, amplificadores ópticos y compensadores de dispersión
para mantener una calidad aceptable de la señal óptica que
viaja por la fibra y racks para alojar el nuevo equipamiento.
De esta forma, al utilizar otro par de fibras ópticas, es
necesario instalar un nuevo sistema de transmisión WDM.
-
Instalar nuevos cables de fibras ópticas: Si el operador no
cuenta con fibra oscura, deberá instalar un cableado extra de
fibras ópticas. De esta forma, los sistemas ópticos WDM
pueden transmitir por las nuevas fibras ópticas disponibles, y
así, aumentar la capacidad de transmisión del sistema. La Fig.
3-2,
construida
en
base
a
estadísticas
de
www.telegeography.com, muestra el porcentaje de la capacidad
total instalada que corresponde a la instalación de nuevos
cables ópticos entre los años 2007-2011 en algunas de las rutas
principales de las redes ópticas WDM submarinas. Estas rutas
se pueden apreciar en la Fig. 3-3.
48
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
Fig. 3-2: Contribución en el aumento de capacidad de sistemas WDM
submarinos (rutas principales) debido a la instalación de nuevos cables entre el
año 2007-2011.
Fig.
3-3:
Mapa
mundial
de
cables
submarinos
disponible
en
http://www.telegeography.com
Al igual que en el caso de la ampliación de capacidad de la red
mediante el uso de fibra oscura, la instalación de nuevos cables requiere
49
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
la adquisición de un sistema WDM nuevo para poder transmitir
información por la fibra óptica del cableado extra.

Uso de una combinación de las anteriores. Las alternativas anteriores de
aumento de capacidad en sistemas WDM no son mutuamente
excluyentes, por lo que pueden utilizarse en conjunto.
3.3. ALTERNATIVAS DE OPERACIÓN DE LA CAPA ÓPTICA WDM
Las alternativas de aumento de capacidad de los sistemas WDM recién
descritas en la sección 3.2 son las utilizadas actualmente por los operadores de
las redes WDM. Note que todas estas alternativas se refieren únicamente a
cómo incrementar la capacidad de la capa física. No se refieren a mecanismos
que operan en capas superiores de la red y que podrían contribuir a un uso más
eficiente de los recursos de la capa física. Uno de los mecanismos de capas
superiores que tiene mayor impacto en el uso eficiente de recursos es la
asignación de recursos a las distintas conexiones de la red [Zang00, Zapata08b,
Baroni97]. Los mecanismos de asignación de recursos se pueden clasificar en:
-
Estático:
Es
el
mecanismo
de
asignación
de
recursos
mayormente usado en las redes WDM. En éste, los recursos de
la red se asignan de manera permanente a las distintas
conexiones. En esta tesis, las redes que utilizan este tipo de
mecanismos se denominan “Redes WDM estáticas”, como en
[Baroni97, Yuan10].
-
Dinámico: En este caso los recursos se asignan bajo demanda y
sólo por el tiempo necesario que se desea enviar información en
una conexión. En esta tesis, las redes que utilizan este tipo de
mecanismos se denominan “Redes WDM dinámicas”[Qiao99,
Düser02].
50
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
A continuación, se describen estas alternativas de operación de la capa
WDM:

Operación estática: Este tipo de operación ha sido la más utilizada en el
mundo durante los últimos 20 años en las redes WDM. En ésta, los caminos
ópticos (lightpaths) entre un par de nodos de una red se establecen por
períodos de tiempo de días a años [Yuan10, Fischer09, Baroni97]. Por esta
última razón, estos caminos ópticos son calificados como “permanentes”.
Cuando el escenario inicial opera de manera estática y la alternativa de
migración conserva la misma operación, entonces los cambios requeridos en
la red dependerán de la alternativa de aumento de capacidad adoptado (ver
sección 3.2). A continuación, se analizan estas opciones:
Aumento de la tasa de transmisión digital de los canales existentes
conservando la operación estática: En este caso, se deben reemplazar todos
los componentes dependientes de la tasa de transmisión digital de la capa
WDM.
Según la estructura genérica de un nodo, mostrada en la Fig. 1-2, los
dispositivos que se deben reemplazar son los siguientes: transpondedores
de transmisión, de recepción y de regeneración por unos que funcionen bajo
la nueva tasa de transmisión digital del escenario de migración. En cambio,
los dispositivos de la capa óptica de los nodos WDM, los cuales no son
dependientes de la tasa de transmisión de los canales, y como consecuencia
no necesitan ser reemplazados, son los siguientes: multiplexores (etapa de
salida), demultiplexores WDM (etapa de entrada) y el dispositivo de
conmutación
(optical
patch
pannel
u
OADM:
Optical
Add
Drop
Multiplexer).
Según la estructura genérica de un enlace, mostrada en la Fig. 1-3, ésta
podría sufrir alteraciones (inserción de compensadores de dispersión) si el
51
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
nuevo sistema no cuenta con técnicas de minimización de los efectos de los
fenómenos físicos que cobran mayor relevancia al aumentar la tasa de
transmisión de las portadoras ópticas, como se expuso en la sección 3.2.
Aumento del número de longitudes de onda del sistema WDM conservando
la tasa de transmisión digital, la operación estática y la misma fibra óptica:
En este caso, el reemplazo, conservación e inserción de dispositivos
dependerá de la manera en que se aumente el número de longitudes de
onda en el escenario de migración.
Si la inserción de portadoras ópticas (conservando la tasa de transmisión
digital inicial) se realiza conservando la separación espectral entre los
canales del sistema WDM original (por ejemplo, 12,5 GHz, 25 GHz, 50 GHz
o 100 GHz [ITU.G.694.1_12]), entonces, según el esquema genérico del nodo
WDM de la Fig.1-2, se deben agregar transpondedores de transmisión,
recepción y de regeneración, y un conmutador óptico (si es que el número de
puertos del conmutador en uso no es suficiente ante el aumento de
portadoras) a los ya existentes. Los transpondedores originales se
conservan debido a que la inserción de portadoras se realiza en ubicaciones
espectrales diferentes a los de los canales existentes. Al aumentar el
número de longitudes de onda de la red, entonces, será necesario usar más
puertos en el conmutador, por lo que si éste no posee puertos de holgura,
será necesario adquirir uno nuevo (agregándolo al ya existente o
reemplazando al inicial). En el caso de los enlaces, éstos no sufrirían
variaciones debido a que éstos están basados en amplificadores ópticos, los
cuales no tienen un límite teórico en el número de portadoras que pueden
amplificar siempre y cuando la potencia total de entrada se encuentre
dentro
de
su
rango
de
operación
[Desurvire94,
Ramamurthy01,
Ramaswami02, Zyskind11].
52
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
Si la inserción de portadoras (conservando la tasa de transmisión digital
inicial) en el sistema WDM se realiza disminuyendo la separación espectral
original entre ellas (por ejemplo, de 25 a 12,5 GHz, de 50 a 25 GHz o de 100
a 50 GHz [ITU.G.694.1_12]) con la finalidad de intercalar nuevos y
antiguos canales, se deben reemplazar todos los transpondedores de los
nodos que no puedan operar con el nuevo
y menor ancho de banda
asignado a cada canal. En caso que el ancho de banda asignado a cada
canal sea mayor que el de las señales con que trabajan los transpondedores
del nodo del sistema original, entonces, esos dispositivos pueden
conservarse y sólo agregar los relacionados a la inserción de nuevas
portadoras. Para el caso del conmutador, la inserción de portadoras hará
necesario usar un mayor número de puertos. Debido a esto, si el
conmutador no posee puertos de holgura, será necesario adquirir uno nuevo
(agregándolo al ya existente o reemplazando al inicial).

Operación dinámica: Este tipo de operación para la capa óptica fue
propuesto hace más de 10 años como reemplazo de la operación estática.
Ejemplos de arquitecturas de red óptica propuestas para operar
dinámicamente
son:
OPS
(Optical
Packet
Switching
[Hunter00,
Renaud97]), OBS (Optical Burst Switching) [Qiao99, Turner99], OBS fin-afin [Düser02], OCS (Optical Circuit Switching [Jajszczyk05]). En este tipo
de arquitectura, los caminos ópticos entre un par de nodos se establecen
bajo demanda y por el periodo necesario para transmitir información (de
fracciones de segundo a días). Por esta razón, este tipo de conexiones se
denominan “dinámicas”.
Cuando se migra de una operación estática a una operación dinámica con
un mayor bit rate de las portadoras, se hace necesaria la instalación de
equipamiento nuevo en la red. En el caso de los nodos, este equipamiento
corresponde a transpondedores (de transmisión, recepción y regeneración)
sintonizables, dispositivos de conmutación que permitan reconfiguración
53
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
rápida y de manera remota y un nuevo plano de control y gestión (para el
proceso de establecimiento de conexiones y desconexiones). En el caso de los
enlaces, debido a que los amplificadores ópticos operan con control de
ganancia automática (AGC: Automatic Gain Control), no sufren impacto en
su desempeño al amplificar distintos números de conexiones para distintos
instantes de tiempo.
3.4. PROCESO DE MIGRACIÓN
Como se describió en las secciones anteriores de este capítulo, en la etapa de
planificación de un proceso de migración se debe elegir:

La estrategia de migración (de tipo “big bang” o gradual)

la alternativa de mayor capacidad a implementar y,

el modo de operación de la capa WDM.
Un proceso de migración puede realizarse de manera gradual o como un “big
bang”. Estos se diferencian en cómo enfrentan el crecimiento de tráfico de las
conexiones, el cual es de de tipo heterogéneo, es decir, las distintas conexiones
entre nodos experimentan distintas cargas de tráfico y además, distintas tasas
de crecimiento. Esto produce que todas las conexiones saturen su capacidad en
tiempos distintos. Sin embargo, una migración gradual enfrenta esta
heterogeneidad del comportamiento del tráfico de las conexiones, aumentando
la capacidad de manera individual y en distintos tiempos. En cambio, un
proceso del tipo “big bang” ocurre cuando un operador WDM cambia
completamente la tecnología de la red, la que es incompatible con la anterior o
por que se ha ganado un gran contrato con alguna empresa lo que obliga a
realizar un aumento de capacidad general de la red. O sea, la heterogeneidad
del comportamiento del tráfico de las conexiones es tratada según el peor caso
(se trabaja con el valor de carga de tráfico mayor y con la tasa de crecimiento
54
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
mayor que experimentan las distintas conexiones en una red). De esta forma,
una migración del tipo “big bang” trabaja suponiendo una carga y tasa de
crecimiento de tráfico uniforme. Ejemplos de migración del tipo “big bang”
pueden encontrarse en [Renais10, Infinera12]. Esta Tesis trata sobre procesos
de migración del tipo “big bang”, debido a que representan una opción del peor
caso y un desafío muy riesgoso para el operador de red al cambiar
completamente su tecnología o características de la red.
La elección de una de las distintas opciones para incrementar la
capacidad de la red y el modo de operación de la capa WDM define una
“alternativa
de
migración”.
Dicha
alternativa
de
migración
estará
caracterizada por los dispositivos, infraestructura y capacidad técnica
necesarios para realizar el proceso de migración. La elección final de la
alternativa de migración a implementar está determinada por consideraciones
tanto económicas como técnicas.
Consideraciones económicas: Cada alternativa de migración tiene un costo
asociado a su implementación. En esta Tesis, este costo se denomina “costo de
migración” (CM). El costo de migración está determinado por la suma de dos
contribuciones: Costos de capital y costos de operación:
Costos de capital o CapEx (Capital Expenditures): Como se
trata de un proceso de migración (es decir, la red se encontraba
ya operativa bajo una configuración inicial), es posible que
parte del equipamiento e infraestructura del escenario inicial
sea reutilizado por la alternativa de migración. Por lo tanto,
este costo se compone de los costos asociados a la adquisición,
instalación
y
configuración
inicial
del
equipamiento
e
infraestructura nuevos de nodos, enlaces y el sistema de
gestión y control. El equipamiento e infraestructura que pueda
reutilizarse no forma parte de este costo. Debido a que sólo se
55
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
considera la diferencia de equipamiento e infraestructura
asociada a las nuevas adquisiciones, a estos costos de capital se
les denomina
-
diferencial o
Costos de operación u
en esta tesis.
(Operational Expenditures):
consiste en los costos incurridos para mantener operativa una
determinada alternativa de migración, desde el momento que
se implementa hasta que se realiza una nueva actualización de
la red. A diferencia del
, los costos operacionales
involucran a todos los componentes (los nuevos y los antiguos,
que continúan en operación luego de la migración) de la
alternativa de migración; ya que todos ellos contribuyen al
gasto en que se incurre para mantener la red
en
funcionamiento.
En esta Tesis, los costos de operación corresponden a la
suma de los costos de consumo energético, reparación de fallas,
de mantención y de arriendos de espacios, infraestructura y
dispositivos relacionados a los nodos, enlaces o el sistema de
gestión de la red. A continuación, se definen cada uno de éstos:
Costo de mantención: Son los costos relacionados con la
mano de obra técnica para establecimiento de conexiones y
mantención en general.
Costos de consumo energético: Son los costos asociados a la
energía consumida de todos los dispositivos activos de la red
óptica WDM.
Costos de reparación de fallas: Son los costos relacionados
con la reparación de las fallas que ocurran en la red óptica
WDM.
Costos de arriendo: Son los costos relacionados al arriendo
de infraestructura, espacio o dispositivos en los que tiene que
56
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
incurrir un operador de red WDM si es que no optó por
adquirirlos.
Mayores detalles de las distintas contribuciones al
y al
pueden
encontrarse en el Cap. 4.
Tanto el
como el
de un proceso de migración exhiben una
evolución temporal distinta, dependiendo del tipo de operación de la red. La
Fig. 3-4 muestra un esquemático que ilustra estas diferencias. En ésta, se
ilustra un proceso de migración del tipo “big bang”.
Fig. 3-4. Evolución temporal de la carga de tráfico y de los costos asociados a
alternativas de migración.
57
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
La Fig. 3-4 consta de 4 secciones: la sección inferior muestra una línea
temporal, dividida en períodos de tiempo, que cubre el período de operación de
la red actualizada. Este período se inicia en el momento en que se realiza la
implementación de las alternativas de migración seleccionada ( ) hasta que se
requiere una actualización de la red (
). Los períodos de tiempo intermedios
pueden corresponder a meses, años u otra opción temporal, dependiendo como
lo defina el operador de la red. La sección superior de la Fig. 3-4 muestra de
manera genérica la evolución temporal de la carga de tráfico de los enlaces
ópticos. En el instante en que se dio inicio a la migración ( ) la carga de tráfico
es
(carga de tráfico ofrecida por la red inmediatamente después de aumentar
la capacidad de los enlaces en el instante
). A medida que el tiempo pasa, la
carga de tráfico se incrementará hasta que alcanza a un punto (denotado como
) en que la capacidad de la red nuevamente se encuentre saturada y como
consecuencia, se requiera un nuevo aumento de capacidad. Este valor de
es definido según el criterio del operador de la red WDM.
La sección media de la Fig. 3-4 está divida en dos partes: la superior
para la alternativa de migración estática, y la inferior para la opción dinámica.
En ambos casos, la Fig. 3-4 muestra la evolución temporal del
y
.
En la opción estática, se puede apreciar que todos los nuevos dispositivos
requeridos para realizar la migración deben ser instalados en el instante
(de
otra manera, la red WDM no podría operar correctamente ya que
independiente de la carga de tráfico efectiva, se debe asignar un camino óptico
permanente). En otras palabras, la evolución temporal del
aumento en el instante
muestra un
, y luego, un valor de cero al no requerirse nuevas
compras o inversiones de dispositivos hasta que un nuevo aumento de
capacidad sea necesario al operar según un proceso de migración del tipo “big
bang”.
En términos de
, la alternativa de migración estática exhibe
costos operacionales que se incrementan año a año debido al incremento de los
costos de sus parámetros (como por ejemplo: energía y salarios). En relación a
58
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
la alternativa de migración dinámica (la que representa una migración del tipo
“big bang” al cambiar de una operación dinámica totalmente incompatible con
una operación estática), tal como se demuestra en [Zapata08b, Tarifeño11], los
requerimientos en cuanto al número de dispositivos se incrementan al
aumentar la carga de tráfico. Esto permite instalar sólo el equipo necesario
para operar la red durante el primer periodo de tiempo (el cual es más bajo que
el requerimiento total de dispositivos cuando la carga de tráfico es cercana al
valor
), retrasando la adquisición e instalación de los restantes dispositivos
a próximos periodos de tiempo, de acuerdo a la tasa de crecimiento de tráfico.
Es decir, en el caso dinámico, se realizarían varias inversiones en dispositivos,
en distintos períodos de tiempo, los que se instalarán a medida que la carga de
tráfico vaya aumentando. El número de instantes de inversión es denotado
como
. En este ejemplo,
es igual a 1 y 3 para los casos de migración a
una red estática y dinámica, respectivamente. Se puede apreciar en este
ejemplo, que el valor
de nuevos instantes de inversión para el caso
dinámico va disminuyendo en comparación con las inversiones de instantes
anteriores, debido al menor número de dispositivos adicionales requeridos y a
la disminución del valor comercial de la tecnología al pasar los años. Si el
número de dispositivos es mayor de un periodo a otro, entonces el valor del
podría aumentar con respecto a un periodo anterior. Para el caso de
una migración a una operación dinámica de la capa WDM, los costos
operacionales de la red aumentarán de acuerdo al aumento de dispositivos
instalados, al aumento anual del valor de salarios y al aumento del costo de la
energía.
Consideraciones técnicas: Las características de cada alternativa de migración
está sujeta a la existencia de ésta en el mercado. Por ejemplo, del punto de
vista del incremento de la capacidad a través del aumento de la tasa de
transmisión
digital
de
las
portadoras,
las
alternativas
disponibles
comercialmente son de 2,5, 10, 40 y a un corto plazo de 100 Gbps (Ver
59
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
http://www2.alcatel-lucent.com). Para el caso del número de longitudes de
onda, se ofrecen sistemas de hasta 128 portadoras ópticas (DWDM)
[Alcatel_LX].
3.5. METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS DE
MIGRACIÓN.
A continuación, se propone una metodología que permite evaluar el costo
económico de distintas alternativas de migración, suponiendo un escenario
inicial

y un escenario de migración .
: Es el costo total de migrar desde un escenario inicial
un escenario
hacia
y mantener la operación de la red en el escenario
durante un periodo . Este costo tiene dos contribuciones:
y
.

: Incluye los costos de cualquier nuevo equipamiento de
mayor capacidad, infraestructura, NMS (Network Management System)
y, eventualmente, el plano de control necesarios para la migración del
escenario
al
. Como se mencionó anteriormente, no incluye los costos
de equipamiento que se usó en el escenario
y se seguirá usando en el
escenario .

: Incluye los gastos de mantención, consumo energético, de
reparación de fallas y de arriendo de dispositivos, infraestructura y
espacio relacionados a todos los componentes (incluyendo antiguos y
nuevos dispositivos) operando en el escenario B durante un período .
De esta forma, el costo de migrar de un escenario
por
a un escenario , denotado
, está dado por:
60
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
(3.2)
La metodología propuesta para que un operador de red WDM determine la
alternativa de migración más conveniente se muestra en la Fig. 3-5.
Fig. 3-5: Metodología de selección de alternativas de migración.
A continuación, se detalla cada paso de la metodología propuesta en la Fig. 3-5.
61
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
1) Definir el escenario inicial ( ) y los distintos escenarios de migración ( ).
La definición de escenarios consiste en especificar la arquitectura y
componentes usados (escenario ) y a utilizar (escenarios
a comparar)
de nodos, enlaces, el sistema de gestión (NMS) y control.
2) Determinar el valor de la tasa de crecimiento de tráfico anual, denotada
como , y las cargas de tráfico inicial y máxima permitida, denotadas
como
y
, respectivamente. Estos parámetros son importantes para
estimar el tiempo en que un escenario de migración se encontrará en
operación antes de una nueva actualización de la red. La tasa de
crecimiento
puede estimarse considerando el comportamiento del
tráfico en períodos inmediatamente anteriores a la migración (por
ejemplo, ver [Saleh11]). La carga de tráfico inmediatamente después de
la migración,
, se puede obtener a través de la división entre el valor
de la carga de tráfico antes del aumento de capacidad (escenario inicial
) y el número de veces que la capacidad del nuevo sistema aumentó
(escenario de migración
). Finalmente,
es la carga de tráfico
máxima que puede alcanzar la red en el escenario
(definida según el
criterio del operador de la red). Una vez alcanzada, se debe realizar un
nuevo proceso de migración. El criterio del operador de red para definir
el valor de
toma en cuenta el comportamiento que exhiba el tráfico
en su red (por ejemplo: si existen variaciones temporales importantes en
torno a la carga de tráfico promedio, entonces no es recomendable
utilizar un
cercano al
100% debido a que en determinados
momentos podría saturarse la red provocando pérdida de información).
3) Determinar el periodo
(periodo de operación de la red hasta que un
nuevo aumento de capacidad sea requerido). El período
que transcurre desde que la red tiene una carga de tráfico
alcanza el valor de
obtenerse despejando
es el tiempo
hasta que
. Usando la Ec. (3.1), este periodo puede
de la Ec. (3.1), la expresión que determina el
período T está dada por:
62
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
⌊
(3.3)
⌋
4) Para cada alternativa de migración (escenarios ):
Determinar el número de instantes de inversión (
), esto es, el número
de veces que el operador de la red WDM debe incurrir en un nuevo
. Si la alternativa de migración conserva la operación estática
WDM, entonces
=1. En cambio, si la alternativa de migración
contempla una operación dinámica de la red WDM,
es función de
,
y a la carga de tráfico a la cual los requerimientos de capacidad de la
red WDM dinámica serían iguales al de una operación estática, denotada
como
. EL valor de
, se puede obtener de la curva de
requerimientos del número de longitudes de onda de la red vs carga de
tráfico, como en [Zapata06a], y corresponde a la carga de tráfico donde
los requerimientos de longitudes de onda de las redes WDM dinámicas
alcanzan a los requerimientos de las redes WDM bajo operación estática.
De esta forma, remplazando
=
en la Ec.(3.1), entonces,
ser obtenido despejando la variable
periodos para alcanzar
desde
⌊⌋
puede
(variable que indica el número de
):
⌊
(3.4)
⌋
5) Para cada alternativa de migración (escenarios ):
a) Evaluar, para cada instante de inversión, el
, considerando
la contribución en costos de nuevos elementos en los nodos, enlaces,
NMS y sistema de control requeridos por el escenario de migración B.
De esta forma,
estará dado por:
∑
Donde
instante
(3.5)
es el costo diferencial de capital efectuado en el
considerando un proceso de migración de
hacia
.
63
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
Mayores detalles sobre la evaluación de
se encuentran en
el Capítulo 4 de esta tesis.
b) Evaluar
fallas,
, considerando los gastos en energía, reparación de
mantención
y
arriendo
de
componentes,
espacio
e
infraestructura en los nodos, enlaces, el sistema de gestión (NMS) y
control de la red. De esta forma,
, está dado por:
(3.6)
∑
Donde
representa el costo operacional en el periodo
considerando un proceso de migración de
sobre la evaluación de
hacia . Mayores detalles
se encuentran en el Capítulo 4 de
esta tesis.
6) Para cada alternativa de migración B:
a) Evaluar
de acuerdo a la Ec. (3.2).
b) Seleccionar la alternativa que tenga el menor valor de
.
3.6. RESUMEN
En este capítulo se han presentado las razones que gatillan la necesidad
de migrar de una alternativa WDM estática a otra de mayor capacidad así
como las alternativas de migración de aumento de capacidad. Estas
alternativas son: conservar el número de portadoras ópticas de los enlaces pero
aumentando el bit rate de ellas, o conservando el sistema inicial pero
aumentando la capacidad replicando el sistema existente. En paralelo con la
estrategia de aumento de capacidad,
se plantea la necesidad de definir la
futura operación de la red WDM: Conservar la operación estática o migrar a
una operación dinámica de la capa WDM.
Con la finalidad de que el operador de red WDM pueda escoger entre
variadas alternativas de mayor capacidad y distintos tipos de operación
64
CAP.3. PROCESO DE MIGRACIÓN Y METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS
(estática o dinámica), el capítulo luego se enfoca en el planteamiento de una
metodología tecno-económica que permite la evaluación económica de distintas
alternativas de migración. La metodología es lo suficientemente general como
para incluir distintos tipos de tasas de crecimiento de tráfico, tecnologías
ópticas, arquitecturas de redes y algoritmos de asignación de recursos.
Adicionalmente, a diferencia de trabajos previos en el área de estudios de
migración, la metodología incluye tanto la evaluación de la inversión asociada
al proceso de migración (costos de capital) como de la operación del nuevo
escenario de red (costos operacionales).
En el siguiente capítulo, se plantean las ecuaciones que permiten
cuantificar los costos de capital y operacionales que caracterizan las distintas
alternativas de migración.
65
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
CAPÍTULO 4
COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIÓN EN
PROCESOS DE MIGRACIÓN DE REDES
WDM
En este capítulo se derivan las expresiones para evaluar tanto el costo de
capital diferencial como el de operación resultantes de un proceso de migración
desde un escenario inicial
hacia otro escenario .
En la primera parte de este capítulo, se plantean las expresiones para el
costo del capital que debe adquirirse para efectuar una migración desde un
escenario en el que se cuenta con una red WDM estática a otro de mayor
capacidad. Cabe recordar que, debido a que este costo sólo incluye la inversión
en instalaciones y componentes nuevos necesarios para la migración y no el
capital existente que puede re-utilizarse, se denomina costo del capital
diferencial de migración.
En la segunda parte de este capítulo, se plantean las expresiones para el
costo operacional en que debe incurrir el operador de red para mantener
funcionando la alternativa de migración
hasta el momento en que sea
necesario realizar una nueva migración del sistema. A diferencia del costo
diferencial del capital, todos los componentes (nuevos y reutilizados)
contribuyen a los costos operacionales de la red.
66
CAP.4. COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIÓN EN PROCESOS DE MIGRACIÓN DE REDES WDM
4.1. COSTO DEL CAPITAL DIFERENCIAL DE MIGRACIÓN.
El costo del capital diferencial de migración, denotado por
,
representa los costos incurridos debido a nuevo equipamiento, mobiliario e
infraestructura en nodos y enlaces físicos de la topología de red debido a un
proceso de migración desde un escenario
hacia un escenario
. Asimismo,
incluye el costo eventual de un nuevo sistema de gestión y control de la red
(M&CS: Management and Control System) [Gunkel06, Huelsermann08,
Mas08], que podría ser necesario implementar debido al proceso de migración.
Como fue enunciado en el Cap. 3,
migración
dependiendo del escenario de
, la inversión del capital diferencial puede efectuarse por etapas o
instantes de inversión ( ). Por lo tanto, como establece la Ec. (3.5),
es la suma de los distintos costos del capital diferencial de los distintos
instantes de inversión .
A su vez, el costo del capital diferencial del instante de inversión
denotado
,
, se compone de la contribución al costo de capital que
hacen nodos, enlaces y el sistema de gestión y control de la red.
Por lo tanto, la expresión que permite evaluar el costo de capital
diferencial incurrido en el instante ,
∑
, es la siguiente:
∑
(4.1)
Donde

y
representan el número de nodos y cables de la red,
respectivamente.
67
CAP.4. COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIÓN EN PROCESOS DE MIGRACIÓN DE REDES WDM

es el costo incurrido en la adquisición de nuevo
equipamiento, mobiliario e infraestructura requerida en el nodo n en el
instante de inversión , debido a la migración del escenario

al ;
representa el costo incurrido en la adquisición de nuevo
equipamiento, mobiliario e infraestructura requerida en el enlace físico o
cable
en el instante de inversión
, debido a la migración del escenario
al ;

es el costo de cualquier nuevo sistema de gestión y
control de la red requerido en el instante de inversión
migración del escenario
Sea
, debido a la
al .
una variable genérica que representa ya sea un nodo, enlace o el
de la red de la alternativa de migración . Entonces,
está
dado por la siguiente expresión:
(4.2)
Donde
es el costo de adquisición de los nuevos componentes en , en
el instante
, debido a la migración del escenario inicial
al escenario
;
es el costo debido a la instalación y configuración (si fuese necesario)
de los nuevos componentes en
escenario inicial
, en el instante
al escenario
;
, debido a la migración del
es el costo del nuevo espacio
requerido y su adecuación (infraestructura) producto del nuevo equipamiento
en , en el instante , debido a la migración del scenario
al .
A continuación, se detallan las expresiones utilizadas para evaluar
,
y
.
Los costos de adquisición de los nuevos componentes están dados por:
∑
{
(
)}
(4.3)
Donde:
68
CAP.4. COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIÓN EN PROCESOS DE MIGRACIÓN DE REDES WDM

representa un tipo componente (de equipamiento o mobiliario).

es el número de nuevos componentes (equipamiento o
requeridos en h debido a la migración del escenario
mobiliario) de tipo
al , adquiridos y a instalar en el instante de inversión .

) es el costo, en [USD], del grupo de componentes de tipo
(
, adquiridos en
, puestos en la oficina central del operador de red
WDM;
Los costos de instalación (y configuración si fuese necesario) de los nuevos
componentes están dados por:
∑
{
(
(4.4)
)}
Donde:

) es el costo, en [USD], del personal técnico encargado del
(
traslado de la oficina central del operador de red WDM a la ubicación de
, de la instalación y configuración, si fuese necesario, del grupo de
componentes del tipo
necesarios en el instante ;
) está dado por la Ec. (4.5):
(
(
)
(
) (
(
(
))
)
(4.5)
(
) es el número de técnicos necesarios para instalar,
Donde:

configurar (si es necesario), y trasladar los nuevos
a

debido a la migración desde el escenario inicial
es el salario por hora en
componentes
al escenario .
, en [USD/h], de un técnico
especializado a cargo de la instalación, configuración (si es necesario) y
del traslado de un componente de tipo
de la oficina central del
operador de la red WDM a .
69
CAP.4. COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIÓN EN PROCESOS DE MIGRACIÓN DE REDES WDM

(
) ) es la estimación del tiempo, en horas [h], del
(
trabajo de los técnicos especializados en la instalación, configuración (si
es necesario) y del traslado de los nuevos
componentes en
debido a la migración desde el escenario inicial

al escenario .
es costo, en [USD], incurrido en el instante de inversión
,
debido a alojamiento y alimentación de un técnico debido al viaje desde
la oficina del operador de red WDM a la ubicación de
, estadía en la
localidad más cercana a , y viaje de regreso.

) es el costo, en [USD], relacionado a: el arriendo del
vehículo
encargado
del
traslado
del
equipamiento
y
técnicos,
combustible, peajes, y costo de estacionamiento, si es necesario.
está dado por la Ec. (4.6):
(4.6)
Donde:
es el espacio adicional, en [m2], requerido en h debido a la

instalación de los nuevos componentes necesarios debido la migración
del escenario

al
en ;
es el costo, en [USD/m2], de construir una ampliación y
adecuación del espacio físico en
en el instante
, debido a la inserción
de los nuevos componentes para el correcto funcionamiento de todo el
equipamiento (antiguos y nuevos).

y
es el costo, en [USD], de los materiales para construir la
ampliación y adecuación de espacio en
en el instante .
, de la Ec. (4.6), está dado por:
(
)
(4.7)
70
CAP.4. COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIÓN EN PROCESOS DE MIGRACIÓN DE REDES WDM
Donde:

es el número de técnicos necesarios para realizar la
ampliación y adecuación del nuevo espacio requerido en
en el instante
.

es el salario por hora, en [USD/h], de un técnico
especializado en la realización de la ampliación y/o adecuación del nuevo
espacio requerido en

en el instante .
es la estimación en tiempo, en horas [h], del
trabajo de los técnicos especializados en la realización de la ampliación
y/o adecuación del nuevo espacio requerido en

en el instante .
ya definido en las expresiones de la Ec. (4.5).

es el costo relacionado al traslado de materiales de
construcción y técnicos a .
Cabe destacar que el operador de la red WDM deberá planificar la
adecuación de espacios con antelación, ya que conoce el requerimiento de
componentes que determinan las necesidades de espacio adicional. La
adecuación de espacios podrá hacerse en etapas (instantes
completamente al inicio de la operación del escenario
) o realizarse
(instante
).
A modo de resumen de los elementos que afectan el cálculo del
,
la Fig. 4-1 muestra un esquemático representando la contribución de nodos,
enlaces y M&CS al costo de capital diferencial en cada instante de inversión.
4.2. COSTO OPERACIONAL DE ALTERNATIVAS DE MIGRACIÓN.
El costo operacional, denotado por
, representa el costo
incurrido para mantener funcionando la alternativa de migración
período de tiempo
durante un
(periodo de tiempo que transcurre desde el instante de
71
CAP.4. COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIÓN EN PROCESOS DE MIGRACIÓN DE REDES WDM
migración del escenario
a la alternativa
hasta el instante en que debe
iniciarse un nuevo proceso de migración). A diferencia del costo del capital
diferencial de la red, en el costo operacional se incluye a la totalidad de los
dispositivos, debido a que todos éstos deben mantenerse operativos para que la
alternativa de migración
funcione correctamente.
Fig. 4-1: Contribuciones en el costo del capital diferencial para cada instante de
inversión .
De acuerdo a la Fig. 3-4, el período
intervalos de operación
puede ser descompuesto en
. De este modo, la expresión para el
está
dado por:
∑
Similarmente al caso del
(4.8)
( )
diferencial dado en la Ec.(4.1), el costo
operacional de la alternativa de migración
durante el periodo
está
determinado por las contribuciones de los nodos, enlaces y el sistema de gestión
y control de la red. Esto es:
∑
Donde
,
∑
( )
mantener operativo un nodo
y
( )
, enlace
( )
( )
(4.9)
representan los costos para
, y el sistema de gestión y
72
CAP.4. COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIÓN EN PROCESOS DE MIGRACIÓN DE REDES WDM
control de la red (M&CS) de la alternativa de migración
durante el período
,
respectivamente.
La mantención operativa de una red óptica involucra 4 actividades:

Proveer de electricidad a los dispositivos de los nodos, enlaces y el
sistema de gestión y control de la red. De esta forma, en cada
periodo
, el operador de red WDM deberá pagar por la energía
consumida (medida en [kW-h]).

Proveer de un servicio de reparación o remplazo de dispositivos
cuando éstos experimenten fallas en los nodos, enlaces y el
sistema de gestión y control de la red.

Proveer de un servicio de mantención de los componentes y
espacio físico.

Arrendar espacio o componentes en caso de que se prescinda de la
compra de éstos.
Sea
una variable genérica que representa ya sea un nodo, enlace o el
sistema de gestión y control de la red de la alternativa de migración
Entonces
.
está dado por la siguiente expresión:
( )
( )
( )
( )
(4.10)
Donde
( )
es el
costo por energía consumida,
costo por reparación de fallas, y
dispositivos de la parte
periodo
. El término
( )
( ) el costo por mantención de los
de la red de la alternativa de migración
( )
durante el
corresponde a los eventuales costos
relacionados al arriendo de componentes e infraestructura en la parte
red de la alternativa de migración
el
durante el periodo
de la
.
73
CAP.4. COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIÓN EN PROCESOS DE MIGRACIÓN DE REDES WDM
El término
( ) se puede evaluar según la Ec. (4.11):
( )
( ) ∑ {
| |
(4.11)
}
Donde:

es el j-ésimo periodo de operación.

| | es la magnitud de periodo

medido en [h].
( ) es el costo o valor de la energía durante el periodo
medido
en [USD/kW-h].

representa un tipo de componente de la red,

es el número de dispositivos de tipo , de la parte
la alternativa de migración
período

de la red de
, que se encuentran operando durante el
.
es la potencia consumida nominal, expresada en [kW], por un
componente de tipo .
El término
( ) se puede evaluar de acuerdo a la Ec.(4.12). En esta
ecuación, se supone que el costo de reparación de fallas está relacionado con
componentes en nodos (transpondedores y dispositivos de conmutación), en los
enlaces (cortes de cables y fallas en amplificadores ópticos) y en el M&CS. Esta
labor de reparación la realizaría personal externo o personal de jornada
completa (de planta) de la empresa propietaria de la red WDM. Cabe
mencionar que si la reparación de fallas la realiza el personal técnico de planta
de la red WDM, esta labor estaría incorporada en las funciones propias de este
tipo de trabajadores y se paga a través de su salario fijo mensual.
( )
∑
(
{
(
)
) [
( )
(
)
]}
(4.12)
Donde:
74
CAP.4. COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIÓN EN PROCESOS DE MIGRACIÓN DE REDES WDM

) es el número de fallas acumuladas durante el período
(
de los componentes de tipo

de la parte
de la red.
) es el salario promedio por hora en el período
(
, [USD/h] que
se le debe pagar a un técnico especializado en reparación de fallas de
dispositivos de tipo
. Si la labor de reparación de falla la realiza
personal de planta de la empresa propietaria de la red WDM, este valor
se aproxima a 0.

es el número de técnicos necesarios para reparar sólo una
falla de un dispositivo de tipo .

es el tiempo medio, medido en [h], de reparación de un
componente de tipo .

(
)
es el costo promedio de traslado (ida y vuelta) de los
técnicos, dispositivos de remplazo si fuese necesario e implementos para
reparar un dispositivo de tipo
durante el período

que se encuentra en la parte
.
( ) es el costo promedio de alojamiento, durante período
técnicos en un lugar cercano a la parte

(
)
de la red
, de los
de la red.
es el costo al inicio del periodo
, en USD, de un
dispositivo de tipo , necesario como repuesto.
La expresión para estimar el número de fallas acumuladas durante el
período
de los componentes de tipo
(
)
de la parte
| |
de la red está dado por:
(4.13)
Donde:

, del inglés “Failure in Time”, es el número promedio de fallas del
dispositivo de tipo
por cada componente durante 109 horas de
operación.
75
CAP.4. COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIÓN EN PROCESOS DE MIGRACIÓN DE REDES WDM

es el factor de conversión, igual a 1/109, para ajustar el
en
número promedio de fallas por cada componente*hora.
El valor de
( ) se puede obtener de acuerdo a la Ec. (4.14). En esta
ecuación se supone que las labores de mantención son realizadas por los
técnicos de planta del operador de la red WDM asociados a . Las labores de
mantención, según [Pasqualini05a], son: monitorear la red (componentes) y sus
servicios, administrar componentes y reemplazarlos (si fuese necesario, ya sea
por labores de mantención preventiva o correctiva si son dispositivos de los
nodos), administrar aplicaciones de software y actualizarlas (si fuese necesario)
y administrar la seguridad de los elementos de la red (personas que ingresen a
las instalaciones o intrusos vía software)
(4.14)
( )
Donde:

es el número de técnicos necesarios para realizar la
mantención de los dispositivos de la parte
de la red de la alternativa de
migración , que se encuentran operando durante el período

es el salario total acumulado durante
.
, medido en [USD], de
un técnico a cargo de realizar la mantención de los dispositivos en
en el
escenario de migración .
El término
( )
se puede obtener usando la Ec. (4-20). En esta
ecuación, se consideran todos los componentes e infraestructura que no son
comprados por el operador de la red WDM, sino sólo arrendados.
( )
∑
{
(
)}
(4.20)
Donde:
76
CAP.4. COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIÓN EN PROCESOS DE MIGRACIÓN DE REDES WDM

(
) es el costo de arrendar
infraestructura de tipo
durante
A modo de resumen del cálculo del
dispositivos o
.
, la Fig. 4-2 muestra un esquema
de las actividades que contribuyen a los costos de operación de la alternativa de
migración
en función de los distintos periodos de operación
.
Fig. 4-2: Contribuciones en los costos operacionales para cada periodo de
operación
.
4.3. RESUMEN
En este capítulo se han descrito las expresiones que permiten evaluar la
contribución de distintos componentes y actividades al costo de migrar de una
red WDM estática (escenario inicial
) a otra de mayor capacidad bajo
operación estática o dinámica (escenario de migración ), que opera durante un
periodo . Estas contribuciones se clasifican en dos grandes categorías: el costo
diferencial del capital (
) y el costo operacional (
) de los
distintos nodos, enlaces y del sistema de gestión y control (M&CS) de la
alternativa de migración .
Respecto del costo diferencial del capital, se compone de los costos de los
nuevos componentes, su respectiva instalación y configuración, y el eventual
nuevo espacio requerido en el escenario de migración
(Ver Fig. 4-1). Por otra
parte, el costo operacional está compuesto por los costos de consumo energético,
77
CAP.4. COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIÓN EN PROCESOS DE MIGRACIÓN DE REDES WDM
reparación de fallas, mantención y arriendo (si fuese el caso) de la totalidad de
los componentes en el escenario de migración
Las expresiones generales para
(Ver Fig. 4-2).
y
permiten comparar
distintas alternativas de migración en términos de sus costos totales. Sin
embargo, para poder utilizar estas expresiones es necesario determinar el
número de dispositivos necesarios en cada escenario de migración.
En el
capítulo siguiente se describe el método empleado para determinar el número
de dispositivos en distintos escenarios de migración.
78
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
CAPÍTULO 5
DIMENSIONAMIENTO DE
COMPONENTES
En este capítulo, se entregan los fundamentos y las herramientas para
determinar el número de componentes necesarios cuando se debe migrar de un
escenario de red WDM estática
proceso
de
determinar
el
a un escenario de mayor capacidad
número
de
componentes
se
le
. Al
llama
dimensionamiento.
El capítulo comienza describiendo el impacto que tiene el número de
longitudes de onda requeridos para la operación de la red sobre el número de
componentes necesarios para cada alternativa de migración
. Luego, se
justifica la utilización de estrategias de tolerancia a fallas en las redes WDM y
se proponen métodos de dimensionamiento de longitudes de onda y de
transpondedores de transmisión y recepción para redes WDM estáticas y
dinámicas tolerantes a fallas. Finalmente, se dimensionan las topologías de red
de la NSFNet y EON, configuradas como redes WDM estáticas y dinámicas
tolerantes a falla.
5.1. IMPACTO DEL NÚMERO DE LONGITUDES DE ONDA Y
TRANSPONDEDORES DE TRANSMISIÓN/RECEPCIÓN DE UNA RED
SOBRE LOS COSTOS DE CAPITAL Y OPERACIONALES.
79
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
De las ecuaciones (4.1)-(4.20), que permiten cuantificar el costo de
migración de un escenario
(red WDM estática) a un escenario
(red WDM
estática o dinámica de mayor capacidad), es posible apreciar que tanto el
como el
se componen de las contribuciones de 3 partes de
la red: los nodos, los enlaces, y el sistema de gestión y control de la red ( M&CS).
Las contribuciones de estas 3 partes de la red se describen a continuación.
5.1.a) Contribución de los nodos y de los enlaces en
y
.
Del análisis de las ecuaciones (4.1)-(4.20) se puede apreciar que los factores
claves para la obtención del
y
componentes a utilizar en el instante de inversión
son el tipo y número de
, denotados como
y
, respectivamente. Una vez que el tipo y número de componentes han
sido definidos, el resto de la información requerida para evaluar el
y el
se obtiene fácilmente de los proveedores de los equipos (costos de
adquisición, instalación y configuración del tipo y número de componentes
definidos; consumo energético, estadística de fallas), del operador de la red
(salarios) y de inmobiliarias, constructoras o valores de mercado de pública
disponibilidad (espacio requerido y su adecuación, arriendo de espacios).
El tipo y número de componentes necesarios en el escenario
dependen
del tipo de operación de la red en el nuevo escenario (estático o dinámico) y el
mecanismo empleado para aumentar la capacidad de la red (aumentar la tasa
de transmisión de las longitudes de onda o aumentar el número de éstas). A
continuación, se analiza el impacto que cada etapa de los nodos y enlaces de la
red tiene en el tipo y número de componentes necesarios, dependiendo del tipo
de operación y el mecanismo de aumento de capacidad de la red.
-
En la etapa de entrada de los nodos (Ver Fig. 1-2), los demultiplexores
WDM deben remplazarse por unos con número de puertos o adquirir
un mayor número de éstos si la elección del escenario
consiste en
80
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
aumentar la capacidad del sistema a través de la inserción de nuevas
portadoras ópticas conservando la operación estática. En cambio, si el
escenario
se implementa aumentando la capacidad del sistema
únicamente a través del aumento de la tasa de transmisión de las
portadoras conservando el número de éstas así como la operación
estática, entonces no es necesario reemplazar a los demultiplexores
WDM. Esto se debe a que los multiplexores son dispositivos pasivos,
insensibles a la tasa de transmisión con la que operan. En el caso de
migrar a una red con operación dinámica y aumento de la tasa de
transmisión
digital de las portadoras, tampoco es necesario
reemplazar o modificar los multiplexores ya que el número de canales
ópticos se conserva o disminuye con respecto al escenario inicial (si la
arquitectura del nodo cuenta con transpondedores que tengan la
funcionalidad de conversión de longitudes de onda [Zapata08a]).
-
En la etapa de entrada de los nodos, considerando la estructura
genérica de la Fig. 1-2, si la opción de migración consiste en agregar
portadoras ópticas conservando la tasa de transmisión digital y la
operación estática (el número de transpondedores necesarios en el
nodo de la Fig. 1-2 corresponde a la suma de todas las portadoras
ópticas incidentes a dicho nodo), el número de transpondedores de
regeneración necesarios debe aumentar. Si la opción de migración
involucra un aumento de la capacidad de la red a través de una
mayor velocidad de transmisión digital, conservando el número de
portadoras ópticas (independientemente de que el tipo de operación
sea estática o dinámica), entonces se deben reemplazar los
transpondedores de regeneración del escenario
al ser su operación
dependiente de la tasa de transmisión. Cabe destacar que algunas
propuestas de arquitecturas de nodos eliminan los transpondedores
de regeneración al suplir la funcionalidad de éstos con otros
elementos en otras etapas del nodo (por ejemplo, en [Leiva11]).
81
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
-
En la etapa de conmutación WDM, si la opción de migración involucra
un aumento del número de portadoras ópticas conservando la
operación estática, entonces se debe aumentar el número de puertos
del dispositivo de conmutación del nodo (el número de puertos
necesarios es la suma del número de transpondedores de transmisión,
recepción y del número de longitudes de onda llegan y salen del nodo).
El aumento de puertos puede llevarse a cabo agregando/activando
nuevos puertos en el dispositivo existente o comprando un dispositivo
de mayor capacidad. En cambio, si la opción de migración consiste en
aumentar la tasa de transmisión digital de las portadoras
conservando su número y la operación estática, entonces, el
dispositivo de conmutación óptico no necesita variación si se trata de
un dispositivo transparente. Para una alternativa de migración de
operación dinámica, el dispositivo de conmutación debe reemplazarse
por uno que permita atender la naturaleza dinámica de las
conexiones y desconexiones ópticas.
-
En la etapa de interfaz de las capas electrónica-WDM, si la
alternativa de migración considera una operación estática a la misma
velocidad de transmisión digital y aumentando el número de
portadoras ópticas, entonces los transpondedores de transmisión y
recepción existentes se conservan y se deben agregar los relacionados
a la inserción de las nuevas portadoras. En cambio, si la velocidad de
transmisión digital aumenta sin cambiar el número de portadoras y
la operación estática, entonces se debe reemplazar este tipo de
transpondedores, conservando el número inicial, por unos que operen
a la nueva velocidad de transmisión. Finalmente, si se opta por una
operación dinámica para la alternativa de migración, entonces, se
deben reemplazar los transpondedores de transmisión y recepción por
unos del tipo sintonizables y el número de éstos dependerá de un
proceso de dimensionamiento que deberá considerar la carga de
82
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
tráfico y la probabilidad de bloqueo umbral de la red (parámetro de
calidad de servicio) [Seitz03].
-
En la etapa de salida, los demultiplexores y transpondedores de
regeneración experimentan la misma situación que los multiplexores
y transpondedores de la etapa de entrada.
-
Para el caso de los enlaces, no son necesarios cambios (con respecto al
escenario inicial
) ni de tipo ni número de componentes cuando el
aumento de capacidad del sistema se realiza aumentando el número
de portadoras, independientemente de una operación estática o
dinámica. Esto es debido a que los amplificadores ópticos operan con
control de ganancia automática (AGC), lo que soluciona el problema
de oscilaciones de ganancia que aparece debido a la variación
temporal del número de longitudes de onda activas (potencia total de
entrada a los amplificadores) [Ramamurthy01]. En cambio, si se
aumenta
la
tasa
de
transmisión
digital
de
las
portadoras
manteniendo el número de éstas, será necesario mitigar posibles
efectos nocivos que provoca este aumento en los enlaces de
comunicaciones ópticas si se cuenta con transpondedores de detección
directa [Chomycz09]. En cambio, si el escenario de migración cuenta
con transpondedores con tecnología con técnicas de mitigación de
efectos producidos por fenómenos de transmisión o cuenta con
tecnología coherente, no sería necesario realizar cambios en los
elementos de los enlaces [Kaminov13a, Kaminov13b].
La Tabla 5-1 presenta los cambios de dispositivos de los nodos WDM que
se deben efectuar (reemplazo o adición) cuando se migra a un escenario
de
mayor capacidad (considerando las opciones de migración descritas en el
capítulo 3), a partir de un escenario inicial
(según la Fig. 1-2) de operación
estática.
83
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
Tabla 5-1: Modificación de los dispositivos de un nodo WDM ante la migración
a un escenario .
Etapa de nodos
WDM
Dispositivos
Entrada
Demultiplexores
WDM
Transpondedores de
regeneración
Dispositivo de
conmutación WDM
Transpondedores de
transmisión/recepción
Transpondedores de
regeneración WDM
Multiplexores WDM
Conmutación
Interfaz capa
electro-WDM
Salida
5.1.b) Contribución del M&CS en
Modificación (cambio del tipo o inserción del
mismo tipo) de dispositivos en escenario con
respecto a escenario .
Escenario
Escenario
Escenario
con operación
con operación con operación
estática y
estática y
dinámica y
mayor tasa de
mayor
mayor tasa de
transmisión
número de
transmisión
portadoras
NO
SI
NO
SI
SI
SI
NO
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
NO
SI
NO
y
.
Para el caso del sistema de gestión y control, es razonable suponer que
aumentará sus costos al poseer mayor complejidad [Hassan12, Ghani08,
Jajszczyk04, Martinez06, Michelis09]. Esta complejidad es dependiente del
nuevo dinamismo de la red, del número de nodos y enlaces, y de la capacidad de
la red (número de longitudes de onda) [Hassan12].
Debido a que las características y el número de dispositivos en el
escenario de migración
dependen del número de longitudes de onda (número
de portadoras ópticas) y/o del número transpondedores de transmisión y
recepción, entonces es posible afirmar que tanto el
como el
también se ven influenciados por éstos. Por lo tanto, en las secciones 5.3 y 5.4
se plantean métodos para determinar el número de longitudes de onda y el
número de transpondedores de transmisión/recepción de redes WDM en
operación estática y dinámica.
84
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
Como las redes ópticas WDM sufren de fallas con frecuencia [Zhang04,
Schupke04], cualquier proceso de dimensionamiento debe considerar la
capacidad adicional requerida para que la red pueda seguir operando a pesar
de la ocurrencia de fallas. A continuación se revisan conceptos de tolerancia a
fallas y los métodos usados en esta tesis para luego proceder a dimensionar las
redes considerando la ocurrencia de fallas.
5.2. TOLERANCIA A FALLAS EN REDES WDM
El concepto de “tolerancia a fallas” en redes ópticas WDM se refiere a la
capacidad de la red para mantener su operación con las mismas condiciones
previas a la ocurrencia de la falla mientras la red se encuentre en estado de
falla.
A continuación, se describen los principales tipos de fallas en redes
ópticas WDM.
5.2.1 Tipos de fallas en redes ópticas WDM
Las redes ópticas WDM sufren fallas con una alta frecuencia [Zhang04].
Los tipos de fallas más comunes en este tipo de redes son las de enlace, nodo y
canal, las que se describen a continuación.
a) Fallas de enlace: Este tipo de falla se produce debido al mal funcionamiento
de los amplificadores ópticos o a cortes de cables de fibra óptica [Zhang04].
Dado que por un enlace actualmente se pueden transportar volúmenes de
tráfico de unos pocos Gbps hasta decenas de Tbps [Sano12], una falla de enlace
con un número considerable de fibras ópticas en su interior podría interrumpir
tasas de datos del orden de Gbps a Pbps.
85
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
b) Fallas de nodo: Este tipo de falla ocurre cuando el dispositivo de
conmutación
o
los
multiplexores/demultiplexores
funcionamiento anómalo [Zhang04].
WDM
presentan
un
Dado que en un nodo pueden incidir
muchos cables de fibra óptica, una falla de nodo puede significar la
interrupción de tráfico de varios Pbps. Una falla de nodo puede modelarse como
un corte múltiple de los cables incidentes al nodo.
c) Fallas de canal: Este tipo de falla ocurre cuando la operación de
transpondedores de transmisión, recepción y regeneración que operan sólo en
un canal WDM en particular [Zhang04] se ve degradada. El tráfico
interrumpido por este tipo de falla no supera algunas decenas de Gbps (hasta
40 Gbps por SDH/SONET y 100 Gbps por OTN),
cifra muy inferior a las
mencionadas en los otros tipos de fallas. Aun así, la tolerancia a fallas a este
tipo de malfuncionamiento es importante debido a que una señal de 40 o 100
Gbps puede transportar tráfico de muchos clientes (por ejemplo, una señal
STM-256 con una tasa de transmisión de 40 Gbps puede transportar hasta
483840 canales tele fónicos convencionales).
La
Tabla 5.2 muestra un resumen de las características y el
impacto de los tipos de fallas en redes WDM.
Tabla 5.2: Dispositivos afectados y magnitud de tráfico interrumpido para
fallas de enlace, nodo y canal.
Tipo de Falla
Dispositivos afectados
Orden de magnitud del
tráfico interrumpido
Enlace
Fibras ópticas, Cables y
Gbps a Pbps
amplificadores ópticos.
Nodo
Dispositivos de
conmutación, multiplexores
Gbps a Pbps
y demultiplexores WDM.
Canal
Transponders de
transmisión, recepción y de
Gbps.
regeneración
86
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
Debido a que las fallas de enlace son las que afectan a una mayor
cantidad de tráfico y a que las fallas de nodo se pueden modelar en base a fallas
múltiples de enlace, esta tesis se enfoca en dimensionar redes tolerantes a
fallas de enlace.
5.2.2. Esquemas de tolerancia a fallas de enlace en redes ópticas WDM.
Existen dos grandes grupos de esquemas de tolerancia a fallas de enlace
en redes ópticas WDM: protección y restauración [Mohan00, Bouillet07,
Zhang04, Gerstel00, Wang02]. En esquemas de protección (también conocido
como protección pre-diseñada), los recursos de respaldo o backup se determinan
y reservan previo a la ocurrencia de una falla. En cambio, en un esquema de
tolerancia a fallas basado en restauración, sólo en el momento de que ocurre
una falla se busca dinámicamente un lightpath de respaldo para poder reestablecer la(s) conexión(es) interrumpida(s). Los esquemas de restauración
suelen ser más eficientes en el uso de los recursos de la red en comparación con
los esquemas de protección [Bouillet07]. Es decir, requieren menos recursos
(capacidad de enlaces o longitudes de onda) para sobrevivir a fallas. Sin
embargo, los esquemas de protección poseen un tiempo de recuperación de falla
menor comparado al caso de restauración, debido a que este último debe
calcular on-line las rutas de respaldo y los esquemas de protección deben sólo
leerlas de una tabla de ruteamiento. Además, al ser un esquema pre-diseñado,
se garantiza la sobrevivencia al número de fallas simultáneas a la cuál fue
diseñada, en cambio, restauración podría no establecer un lightpath de
respaldo al encontrar que no hay recursos disponibles al momento de calcular
una ruta (en el momento de falla).
Existen diversos esquemas de protección pre-diseñada [Mohan00,
Bouillet07, Zhang04, Gerstel00, Wang02].
Automatic Protection Switching
(APS) y Self-healing ring (SHR) son los esquemas más usados para protección
87
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
en las redes de fibra óptica monocanal (no WDM) [Vasseur04]. En cambio,
Mesh protection es el más popular de los esquemas de tolerancia a fallas de
cables usados en sistemas WDM [Zhang04]. Por lo tanto, esta tesis se enfoca en
el esquema de Mesh protection.
Actualmente, es posible categorizar a los esquemas de mesh protection
bajo dos criterios: a) de acuerdo a la porción del lightpath que es protegido por
el esquema [Zhang04, Wang02] y b) de acuerdo a la política de compartición de
recursos con otros lightpaths de respaldo [Zhang04].
a) Mesh protection de acuerdo a la porción del lightpath que es
protegido por el esquema: En un esquema Mesh protection, el lightpath
primario (o principal, el cuál es el que lleva la información en un estado
libre de fallas [Zhang04]) es se divide en segmentos. Así, a cada
segmento se le ofrece protección por separado. El segmento menor
corresponde a un enlace mientras que el segmento mayor corresponde al
lightpath completo. De esta forma, de acuerdo al tamaño del segmento,
este tipo de protección puede clasificarse como protección por enlace,
segmento y trayecto.
En protección por enlace, a cada enlace que compone la ruta de un
lightpath primario le es asignado un lightpath de respaldo. De esta
forma, cuando un enlace en particular es afectado por una falla o corte, el
mecanismo de protección sólo activará el ligthpath de respaldo
correspondiente al par de nodos en que el enlace afectado unía. En
cambio, para protección por trayecto, al lightpath primario completo le es
asignado un lightpath de respaldo completamente disjunto. De esta
forma, cuando cualquier enlace de la ruta primaria es afectado por un
corte, se activa el lightpath de respaldo. En el esquema de protección por
segmentos, el lightpath primario se divide en varios segmentos y a cada
segmento se le asigna un lightpath de respaldo.
88
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
b) Mesh protection de acuerdo a la política de compartición de recursos
con otros lightpaths de backup: Un esquema Mesh protection según la
política de compartición de recursos con otros lightpaths de respaldo se
divide en dedicado y compartido [Zhang04]. Protección dedicada se
refiere a que los recursos o lightpaths destinados a respaldo (o segmentos
de ellos) son de uso exclusivo de la conexión protegida. En cambio, en el
esquema compartido, los recursos de respaldo no son de uso exclusivo de
alguna conexión. Sin embargo, este último esquema requiere de una
correcta planificación para asegurar que si ocurre una falla que afecta a
dos o más conexiones, éstas no tengan asignados los mismos recursos de
respaldo.
5.3. DIMENSIONAMIENTO DE LONGITUDES DE ONDA EN REDES
WDM:
Debido a que la mayoría de las características de los dispositivos de la
red dependen del número de longitudes de onda requeridas así como del
número de transpondedores de transmisión/recepción, para evaluar el
diferencial y el
de las distintas alternativas de migración es necesario
primero determinar estos requerimientos.
En esta sección se describen los métodos usados para cuantificar los
requerimientos de longitudes de onda y el número de transpondedores de
transmisión/recepción de redes WDM estáticas y dinámicas tolerantes a la
falla de un cable a la vez (corte).
89
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
5.3.a) Dimensionamiento de longitudes de onda para redes WDM estáticas
En este sub-capítulo se definen las variables y el método que se utilizan en
el dimensionamiento de longitudes de onda para redes WDM estáticas con
capacidad de tolerar cortes de cables.
El método de sobrevivencia a fallas de cables para redes WDM estáticas
considerado en esta tesis corresponde al mecanismo de protección compartida
por trayecto. Esto se debe a que éste requiere menor capacidad adicional en
comparación con otros mecanismo de protección [Boulliet07].
Respecto del número de fallas simultáneas con que la red puede seguir
operando, en esta tesis se considera la ocurrencia de fallas únicas. Es decir,
durante el tiempo de reparación del cable en falla, la probabilidad de que
ocurra un segundo corte es despreciable. Por lo tanto, cuando la red se
encuentra en estado de falla es debido al corte de un único cable en un instante
determinado. Esta suposición se hace en base a los valores de la probabilidad
de ocurrencia de fallas simples (un único cable) y múltiples. Por ejemplo, en
una red continental de 25.000 km con una tasa de 114 fallas en 10 9 horas por
cada km [Zhang04], la probabilidad de ocurrencia de cortes únicos en la red es
del 0,08. En cambio, la probabilidad de ocurrencia de 2 fallas es un orden de
magnitud menor (0,004) y la ocurrencia de 3 o más fallas es igual a 0,0001. Por
lo tanto, es razonable analizar estados únicos de fallas o cortes de cables en un
momento determinado de la red WDM estática.
El método de dimensionamiento de longitudes de onda de redes WDM
estáticas con protección compartida por trayecto para sobrevivir fallas únicas
de cable se describe a continuación.
Método de dimensionamiento:
Sean:
-
G =(N,L): Grafo de la red.
90
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
-
N : conjunto de nodos de la red.
-
E: Conjunto de cables de la red.
-
L: conjunto de enlaces unidireccionales (fibras ópticas activas) de la red.
-
: Número total de nodo de la red (cardinalidad del conjunto N).
-
: Número total de enlaces unidireccionales de la red (cardinalidad del
conjunto L).
-ésimo nodo de la red, tal que
∈ N.
-
:
-
: -ésimo cable de la red, tal que ∈ E.
-
: -ésimo enlace unidireccional (fibra óptica) de la red, tal que ∈L.
-
, el número de conexiones cuyos caminos ópticos (lightpaths) primarios
usan el enlace unidireccional l. Se entiende por camino óptico primario a
la ruta y longitud de onda por donde una conexión envía datos en
condiciones de operación normales de la red (libre de un evento de falla).
-
: conjunto de falla asociado al cable , definido como el conjunto de
lightpaths primarios que son afectados cuando se corta el cable
(cuando
se corta un cable, se supone que todos los enlaces unidireccionales o
fibras ópticas que contiene dicho cable también se cortan).
-
: número de conexiones cuyos caminos ópticos de respaldo usan el
enlace l y cuyos caminos ópticos primarios pertenecen al conjunto de falla
. Se entiende como camino óptico de respaldo a la ruta y longitud de
onda por donde una conexión envía datos en caso de que su camino
óptico primario se encuentre en estado de falla.
Entonces,
, el máximo número de longitudes de onda requeridas en el
enlace unidireccional l para proveer tolerancia a una falla o corte de cable a la
vez, está dado por:
(5.1)
91
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
De esta forma, el requerimiento de longitudes de onda del enlace l,
,
para que una red WDM estática pueda proveer tolerancia a una falla a la vez,
está dado por:
(5.2)
El valor de
,
L, es determinado por un algoritmo de asignación de
rutas y longitudes de onda (RWA) aplicado a caminos ópticos primarios. En
esta tesis, los caminos ópticos primarios son asignados como en [Baroni97], el
que ha demostrado tener un desempeño muy cercano a la solución óptima (la
que usa el mínimo número de longitudes de onda) y ha sido utilizado en
numerosos artículos en el área.
El valor de
depende del esquema de asignación de caminos ópticos de
respaldo. En este trabajo de tesis, se propone un algoritmo para asignación de
caminos ópticos de respaldo, denominado CRDF (Cálculo de Rutas Dependiente
de la Falla). El diagrama de flujo de esta propuesta de algoritmo se presenta en
la Fig. 5-1.
92
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
ΨE: Lista de cables
E de G
=(N,L).
Seleccionar primer elemento
en ΨE.
Γ(e): lista de caminos ópticos
primarios afectados por una
falla en el cable , ordenados
de forma decreciente de
acuerdo al número de saltos.
La falla de cable es modelada
borrando los correspondientes
enlaces de la topología física.
Función de pesos del enlace l
{L – e}: Gl(e). Inicialmente
Gl(e)=0
Para cada camino óptico
afectado por la falla, un
camino óptico de respaldo de
mínimo costo es calculado. El
costo inicial está dado por
Gl(e)=0.
a. i: índice del nº de
caminos ópticos en Γ(e).
b. Lb(i) : camino óptico de
respaldo para el i-ésimo
camino óptico primario
listado en Γ(e).
c. El valor de Gl(e) es
actualizado sumando 1
en cada enlace l donde
un camino óptico de
respaldo es asignado.
d. || Γ(e) ||: nº de caminos
ópticos en la lista Γ(c).
Si al menos un elemento en
ΨE
no
ha
sido
aún
seleccionado, el valor de Gl(e)
y la topología física son
restaurados a su estado
inicial para la próxima
iteración de simulación de un
corte de cable diferente.
Si al menos un elemento en ΨA no ha sido aún selecc
Fig. 5-1: Algoritmo propuesto CRDF [Leiva12c].
Para cada camino óptico primario, el algoritmo CRDF de la Fig. 5-1
calcula un camino óptico de respaldo diferente dependiendo de cuál cable del
93
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
camino primario es afectado por una falla. Cada camino óptico de respaldo se
calcula
con el objetivo de minimizar el número de longitudes de onda
adicionales requeridas para proveer tolerancia a fallas. Para esto, se trata de
re-usar enlaces donde ya se hayan asignado caminos ópticos de respaldo
asociados a la falla de otros (protección compartida por trayecto).
La Tabla 5-3 compara los requerimientos totales de longitudes de onda
(suma de los requerimientos de longitudes de onda de cada enlace
unidireccional de la red), bajo condiciones de falla única de cable del algoritmo
CRDF propuesto en esta tesis y del enfoque clásico de asignar sólo 2 caminos
ópticos disjuntos (CD) para cada conexión: el primario y uno de respaldo que es
independiente de la localización de la falla. En ambos casos se utiliza
protección compartida por trayecto y se obtienen resultados para las topologías
Eurocore, NSFNet, EON y ARPANet, suponiendo que es necesario establecer
una conexión entre cada par de nodos de la red.
De la Tabla 5-3 se puede apreciar que, comparado con el esquema CD, el
algoritmo propuesto (CRDF) requiere hasta un 8% menos de requerimientos de
longitudes de onda totales de la red.
5.3.b. Dimensionamiento de longitudes de onda para redes WDM
dinámicas.
La evaluación de los requerimientos de longitudes de onda en redes
WDM dinámicas no es una tarea trivial dado que depende de la carga de tráfico
ofrecida a la red por las distintas conexiones, el algoritmo de asignación de
longitudes de onda (RWA), el algoritmo de tolerancia a fallas y la probabilidad
de bloqueo a garantizar por conexión [Valllejos07, Zapata06b, Zapata08b].
94
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
Tabla 5-3: Requerimiento total de longitudes de onda para diferentes
mecanismos de protección considerando fallas únicas de cables.
Topología
Eurocore ( =11,
=25)
NSFNet ( =14,
=21)
Requerimiento total de
longitudes de onda
CD
CRDF
250
230
612
594
1584
1552
1912
1873
11
10
0
7
8
3
1
4
12
6
2
13
5
9
EON ( =20, =39)
13
17
19
12
2
14
4
6
11
5
7
15
3
9
8
0
16
1
10
18
ARPANet ( =20,
=31)
19
18
10
0
1
2
3
4
11
17
9
12
6
8
16
13
5
7
15
14
Debido a la complejidad asociada a la derivación de modelos
matemáticos para evaluar la probabilidad de bloqueo de algoritmos RWA en
redes WDM dinámicas extremo a extremo (sin conversión de longitud de onda)
bajo modelos de tráfico ON-OFF, en este trabajo se han determinado los
requerimientos de longitudes de onda aplicando una técnica numérica basada
95
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
en simulación de eventos discretos [Law00, Guizani10] propuesto en
[Zapata06b, Zapata08b].
Esta técnica permite determinar el número de
longitudes de onda de cada enlace unidireccional en una red WDM dinámica
sin conversión de longitud de onda en sus nodos y también, permite estimar los
requerimientos de longitudes de onda de la misma red pero con la capacidad de
conversión de longitudes de onda (como fue mostrado en [Zapata06b,
Zapata08b]). El diagrama de flujo que describe la operación de este método de
dimensionamiento, se muestra en la Fig. 5-2.
Los parámetros de entrada al método de dimensionamiento mostrado en
la Fig. 5-2 son: topología de entrada, algoritmo RWA, el valor de probabilidad
de bloqueo umbral
para todas las conexiones ópticas (parámetro de calidad
de servicio), criterio de parada de la simulación (número de peticiones de
conexión y desconexión para cada par de nodos de la red) y valor de la carga de
tráfico que ofrecen las conexiones a la red ( e igual a todas las conexiones). Se
supone que el tráfico se puede modelar como un proceso ON-OFF. En
particular, se supone que el tiempo que una conexión se encuentra activa
(conectada y en estado ON) se distribuye exponencialmente con valor medio
y el tiempo que una conexión no se encuentra activa (desconectada y en estado
OFF) también se distribuye exponencialmente con valor medio
forma, la carga de tráfico es igual a
. De esta
.
96
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
Fig. 5-2: Diagrama en bloques del método de dimensionamiento de longitudes
de onda basado en simulación propuesto en [Zapata06b].
97
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
El método se inicia asignando un valor de capacidad para cada enlace (en
términos de longitudes de onda) igual a
= 1. Posteriormente, se fijan los
valores iniciales de los indicadores de utilización de la red:
, capacidad utilizada en cada enlace
-
de la red en un instante
determinado, igual a 0 (medido en número de longitudes de onda)
, máximo número de longitudes de onda utilizadas en el enlace
-
durante la simulación, igual a 0,
-
, el número identificador mayor de las longitudes de onda usadas en el
enlace en un momento determinado de la simulación, igual a 0, e
, el número identificador mayor de las longitudes de onda usadas en
-
el enlace durante la simulación, igual a 0.
Luego, el simulador de eventos discreto comienza generando peticiones de
establecimiento de conexiones (y posteriores desconexiones) hasta que el
número de peticiones de conexión entre cada par de nodos llegue hasta un valor
pre-establecido. De esta forma,
-
Para cada requerimiento de establecimiento de una conexión entre un
par de nodos, el simulador de red intenta asignar recursos disponibles
(ruta y longitud de onda) a través del algoritmo RWA especificado en los
parámetros de entrada a la simulación. Si la asignación de recursos tiene
éxito, entonces se actualizan los indicadores de utilización de los enlaces
que componen el lightpath establecido: se suma 1 a
y se actualiza
en todos los enlaces que componen la ruta del lightpath. Si estos valores
de
y de
son mayores a los indicadores de utilización de lo que lleva
la simulación
e
, entonces estos últimos se actualizan. En
cambio, si no fue posible encontrar recursos disponibles para establecer
un lightpath, entonces se rechaza la solicitud de conexión.
98
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
-
Para cada evento de desconexión, se deben liberar los recursos utilizados
por el lightpath a lo largo de todos los enlaces que la componen y restar
una unidad a
y actualizar .
Una vez finalizada esta etapa de la simulación (al cumplir el criterio de
parada), se registran los valores
e
bloqueo de cada una de las conexiones
, y se calcula la probabilidad de
. Si el valor de algún
valor de probabilidad de bloqueo umbral
es mayor al
, entonces se repite la simulación
pero agregando una longitud de onda más a cada enlace de la red (
Este proceso se repite hasta que cada valor de
es menor a
se termina la simulación. El valor final de
e
requerimientos de longitudes de onda del enlace
).
, y entonces
corresponden a los
para redes WDM dinámicas
sin y con la capacidad de conversión de longitudes de onda en los nodos de la
red, respectivamente. El valor de requerimiento de longitudes de onda de la red
corresponde a la sumatoria de cada
e
para todos los enlaces de la
red.
La técnica en [Zapata06b, Zapata08b] fue propuesta para un escenario
irreal donde las redes no son afectadas por fallas de cable. Para aplicar esta
técnica en redes WDM tolerantes a un corte de cable a la vez, la técnica de
simulación debe ser ejecutada 1 +
veces, cada vez con una diferente topología.
La primera vez es ejecutada para la topología completa. En este caso, se ejecuta
el algoritmo RWA usado para condiciones libres de falla. A continuación, la
técnica de simulación recién descrita se ejecuta
veces (una vez por cada cale
de la red). Cada vez, se simula el corte de un cable eliminándolo de la topología
original. En este caso, se aplica el mecanismo de tolerancia a fallas escogido
para asignar los caminos ópticos afectados por la falla. Después de ejecutar la
técnica de simulación 1 +
veces, se obtienen 1 +
valores distintos de
requerimientos de longitudes de onda para cada enlace unidireccional. El
requerimiento final de longitudes de onda de cada enlace unidireccional de la
99
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
red es, entonces, igual al máximo valor entre los 1 +
obtenidos. La Fig. 5-3
muestra un diagrama de bloques de este método de dimensionamiento.
Fig. 5-3: Diagrama en bloques del algoritmo de dimensionamiento de
longitudes de onda ante eventos de fallas únicas de cables.
100
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
5.4.
LIMITES INFERIORES PARA LOS REQUERIMIENTOS DE
LONGITUDES DE ONDA DE REDES WDM TOLERANTES A CORTES DE
UN CABLE A LA VEZ.
La capacidad de tolerar fallas requiere que la red disponga de recursos
adicionales por cada enlace para así,
ante la ocurrencia de una falla,
las
conexiones afectadas puedan ser reacomodadas con un mínimo de recursos
adicionales. De esta forma, un aspecto importante es la evaluación del mínimo
número de longitudes de onda adicionales posibles requeridas para proveer
tolerancia a un corte de cable a la vez. Sería deseable contar con una expresión
matemática cerrada que permita evaluar los requerimientos de longitudes de
onda mínimos posibles de la red. En el caso de redes WDM estáticas, esta
expresión es relativamente fácil de obtener, como se hace en [Baroni97]. Sin
embargo, en un escenario dinámico, la capacidad extra depende de la
probabilidad de bloqueo umbral, del algoritmo
de asignación de caminos
ópticos primarios/respaldo usado y de la carga de tráfico, haciendo que la
derivación de una expresión matemática cerrada sea muy difícil de realizar.
En esta sección, se plantean expresiones para obtener los límites
inferiores (expresiones analíticas que representan una aproximación para el
mínimo valor posible de los requerimientos de longitudes de onda) para proveer
tolerancia a fallas en redes WDM estáticas y dinámicas. Estos límites
representan parte de la contribución de esta tesis, ya que sólo se han obtenido
previamente límites inferiores para los requerimientos de longitudes de onda
pero sólo en escenarios libres de fallas [Zapata08b].
Sean
,
,
, los límites inferiores de los requerimientos de
longitudes de onda por enlace unidireccional para proveer tolerancia a un corte
de cable en redes WDM estáticas con protección, dinámicas con protección y
dinámicas con restauración, respectivamente.
101
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
5.4.a.- Límite inferior para caso estático:
Extendiendo el análisis presentado en [Baroni97],
⌈
Donde
, está dado por:
⌉
es el máximo (entre todos los distintos escenarios con una falla) largo
medio de los caminos ópticos de respaldo (medido en número de saltos) en la
red cuando se desea proveer tolerancia a una falla de cable (debido a ésto es
que en el denominador de la Ec. (5-3) se redujo el número de enlaces
unidireccionales por el número de fibras ópticas activas en un cable
).
5.4.b. Límite inferior para caso dinámico con protección:
Bajo la suposición que se utiliza un ruteo fijo en una red WDM dinámica
con protección y modificando los límites inferiores propuestos en [Zapata06b]
dado para condiciones libres de fallas,
está dado por:
∑
Donde
es el máximo (entre todos los escenarios con una falla) número de
conexiones activas (en estado ON) en un escenario con una falla en el enlace
unidireccional ,
tal que este enlace es provisto con suficiente capacidad
(longitudes de onda) para garantizar una probabilidad de bloqueo umbral para
cada conexión. La evaluación de
es como sigue: En un escenario particular de
falla, y suponiendo que el bloqueo es independiente en cada enlace, la
probabilidad de bloqueo
de la conexión con ruta
está dada por:
102
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
∏
Donde
es la probabilidad de bloqueo del enlace . Suponiendo que la
probabilidad de bloqueo es la misma en todos los enlaces componentes de una
ruta y que la ruta más larga que usa el enlace
tiene
saltos,
está dada
por:
√
La Ec. (5.6) permite determinar el valor de
tal que la probabilidad
de bloqueo umbral por conexión es garantizada. Por otro lado,
estimado como la probabilidad de tener más conexiones activas
longitudes de onda en el enlace
puede ser
que
.
Así,
√
Donde
∑ ( )
es el número de conexiones activas (en estado ON) en un escenario
cualquiera con 1 falla a la vez. De esta forma, el valor de
numéricamente de Ec. (5.7). Sin embargo, el valor de
el valor mayor de
puede ser obtenido
se obtendrá escogiendo
entre todos los posibles escenarios con una falla a la vez.
5.4.c.- Límite inferior para caso dinámico con restauración:
Modificando los límites inferiores propuestos en [Zapata06b] dado para
condiciones libre de fallas, el límite inferior de requerimientos de longitudes de
onda por enlace para redes WDM dinámicas operando con esquema de
restauración está dado por:
⌈
̂
̂
⌉
103
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
Donde ̂ corresponde al conjunto de conexiones activas usando las rutas más
largas y
̂
corresponde al largo promedio (en término de saltos) de las rutas
de las conexiones en el conjunto ̂ .
expresión ̂
̂
Los detalles de la evaluación de la
se pueden encontrar en [Zapata06b].
5.5. DIMENSIONAMIENTO DE TRANSMISORES Y RECEPTORES.
En el caso estático, el número de transmisores/receptores por nodo
depende del número de caminos ópticos que se establecen entre cada par de
nodos de la red. Como se trata de conexiones dedicadas, se necesita un par
transmisor/receptor por cada camino óptico, independientemente de la carga de
tráfico. Por ejemplo, si se necesita establecer un camino óptico entre cada par
de nodos en una red con
nodos, en cada nodo se requerirá
-1 transmisores y
-1 receptores.
En el caso de una red WDM dinámica, existen 2 enfoques para
estimar el número de transmisores y receptores por cada nodo de la red.

El primer enfoque supone que a cada posible conexión se le asigna un
transmisor y un receptor, de la misma forma que en la red WDM
estática. De esta forma, mientras que las longitudes de onda de los
enlaces se comparten por las distintas posibles conexiones en distintos
instantes de tiempo, los transmisores y receptores son recursos
dedicados (un par por cada conexión posible). En este caso, la
probabilidad de bloqueo de las conexiones se debe únicamente a la
restricción del número del número de longitudes de onda por enlace. Este
es el enfoque clásico usado en la mayoría de los estudios sobre redes
WDM dinámicas, por ejemplo, ver
[Zang00, Düser02, Zapata06b,
Zapata08b].
104
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES

El segundo enfoque supone que, al igual que el número de longitudes de
onda, el número de transmisores y receptores puede dimensionarse de
acuerdo a la carga de tráfico y la probabilidad de bloqueo
máxima
aceptada por las conexiones (criterio de diseño de calidad de servicio).
Este enfoque ha sido poco usado en la literatura y generalmente se
aborda mediante el uso de simulación, como en [Turkcu07a, Turcku07b,
Turkcu08].
A continuación se presenta una heurística que permite dimensionar el
número de transmisores y receptores en función de la carga de tráfico, del
algoritmo RWA y de la probabilidad de bloqueo umbral permitida por conexión.
Esta heurística fue publicada en [Leiva11].
-
Paso 1: se aplica el método de dimensionamiento basado en simulación
propuesto en [Zapata08b] (redes WDM dinámicas en escenarios libres de
fallas) para determinar el número de longitudes de onda por enlace de
una red, suponiendo
-1 transmisores y
-1 receptores por nodo. Se debe
recordar que este método es dependiente de la carga de tráfico, del valor
umbral de probabilidad de bloqueo permitida por conexión y del
algoritmo RWA usado.
-
Paso 2: una vez obtenido el número de longitudes de onda que satisface
la condición sobre la probabilidad de bloqueo, se ejecuta una simulación
que estima la probabilidad de bloqueo de la red WDM dinámica usando
como parámetros de entrada el número de transmisores y receptores por
nodo, el número de longitudes de onda por enlace, el algoritmo RWA y el
valor de la carga de tráfico. Usando los valores de longitudes de onda
obtenidos en el paso anterior (relacionados a un específico esquema
RWA, carga de tráfico y probabilidad de bloqueo umbral) se hace
decrecer el número de transmisores y receptores por nodo desde
-1
hasta el mínimo valor que cumpla con el valor de probabilidad de
bloqueo umbral aceptable por cada conexión. Este valor encontrado se
105
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
denota como
para el número de transmisores en el nodo
para el número de receptores en el nodo
empleado,
y
. Debido al método
e igual en todos los nodos de la red.
5.6. RESULTADOS NUMÉRICOS
En esta sección se presentan los resultados numéricos luego de aplicar
los métodos de dimensionamiento de longitudes de onda (presentados en las
secciones 5.3 a 5.5) ante escenarios de hasta una falla de cable a la vez en 2
topologías físicas de red.
5.6.1. Topologías de red.
Los requerimientos de longitudes de onda para redes WDM estáticas y
dinámicas tolerantes a fallas o cortes de cables fueron cuantificados para 2
topologías mostradas en la Tabla 5-3: NSFNet y EON. Los resultados de
de
la Ec.(5.3) para estas dos topologías son 2,14 (NSFNet) y 2,38 (EON).
5.6.2. Modelo de tráfico
Sea C el conjunto de conexiones en una red. Cada conexión c
C
corresponde a un par específico de nodos fuente-destino. Se supone que cada
conexión genera tráfico de acuerdo a un proceso ON-OFF.
Durante el período ON, el nodo fuente de la conexión c transmite a una
tasa de transmisión igual a bi,j (donde i y j corresponden a los nodos fuente y
destino de la conexión c, respectivamente). Durante el período OFF, la fuente
no transmite información. La duración media de los períodos ON y OFF son tON
y tOFF, respectivamente. La Fig. 5-4 muestra un esquema del tráfico generado
por una conexión c de acuerdo a un proceso ON-OFF.
106
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
Fig. 5-4: Esquema de tráfico ON-OFF.
La carga de tráfico ofrecida por cada conexión a la red,
Donde
, está dado por:
es el bit rate de la longitud de onda portadora. Se debe notar
que cuando la fuente transmite a la tasa de transmisión de la longitud de onda
portadora, la expresión para la carga de tráfico se reduce a tON/(tON + tOFF) como
en [Zapata08b].
En el caso de una red WDM estática un lightpath es permanentemente
asignado para cada conexión. De esta forma, el número de lightpath a
establecer es
.
En el caso de una operación WDM dinámica, un lightpath es asignado
sólo por el tiempo necesario (al existir una petición de conexión entre dos
nodos) para enviar una ráfaga de paquetes, siempre y cuando existan recursos
disponibles en el momento de la petición de conexión.
En este trabajo se supone un tráfico uniforme para ambos tipos de
operación, es decir,
para todo par de nodos.
107
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
5.6.3.- Mecanismos de tolerancia a fallas usados.
Caso de redes WDM estáticas:
En este caso, se utiliza un mecanismo de protección compartida por
trayecto. Los caminos ópticos primarios son asignados como en [Baroni97]. En
cambio, los caminos ópticos de respaldo son asignados de acuerdo al diagrama
mostrada en la Fig. 5-1 (Algoritmo CRDF).
Caso de redes WDM dinámicas:
Para el caso de protección compartida por trayecto, los caminos ópticos
primarios son establecidos de acuerdo a un algoritmo de ruteamiento fijo con
asignación de longitudes de onda del tipo First Fit (primera disponible)[Zang00,
Wason11] . El conjunto de rutas es el mismo que el usado en el caso estático.
Las rutas de respaldo son las mismas que las correspondientes calculadas en
el caso estático, usando el mismo algoritmo RWA que el caso sin fallas pero con
las rutas correspondientes a la falla en particular. En este caso, los resultados
del método de simulación fueron validados comparándolos con los obtenidos a
través del método matemático de dimensionamiento propuesto en [Vallejos07],
el cual fue desarrollado para redes WDM dinámicas con conversión de longitud
de onda bajo un modelo de tráfico ON-OFF y ruteamiento del camino más
corto. Los resultados fueron similares.
Para el caso de restauración, los caminos ópticos primarios se establecen
usando el algoritmo AUR-E [Mokhtar98]. AUR-E es un algoritmo adaptivo y
ejecuta el algoritmo de Dijkstra en grafos coloreados (un grafo por longitud de
onda) cada vez que se produce una nueva petición de establecimiento de
conexión en la red. Se ha demostrado que AUR-E alcanza el mejor rendimiento
en términos de probabilidad de bloqueo a la fecha [Zapata08b]. Cuando ocurre
una falla, se ejecuta el mismo algoritmo AUR-E para encontrar de manera online los caminos ópticos de respaldo de las conexiones afectadas.
108
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
5.6.4. Resultados sobre requerimientos de longitudes de onda.
Los requerimientos de longitudes de onda para las topologías NSFNet y
EON, mostradas en la Tabla 5-3, configuradas como redes WDM estáticas,
fueron evaluados aplicando el algoritmo descrito en la sección 5.3.
Los requerimientos de longitudes de onda de las redes WDM dinámicas
fueron evaluados mediante simulación, de acuerdo a la técnica presentada en
la sección 5.3 y usando un simulador de eventos discretos desarrollado en C.
El simulador de eventos discretos fue construido con las siguientes
suposiciones:
-
la duración de los periodos ON y OFF se distribuyen exponencialmente.
Para alcanzar el criterio de eficiencia [Düser02], tON se estableció en 10 y
25 ms para las redes de Europa, y U.S.A., respectivamente. La duración
del período tOFF se ajustó para obtener los distintos valores de carga de
tráfico, de acuerdo a la Ec. (5.8), igual para todas las conexiones o par de
nodos (tráfico uniforme).
-
todos los canales WDM tienen el mismo ancho de banda.
-
todos los nodos fuente, cuando se encuentran en estado ON, transmiten
a la misma tasa de transmisión, igual a la tasa de transmisión de la
longitud de onda.
-
el bloqueo de una conexión ocurre únicamente debido a la contención de
longitudes de onda. Todos los otros recursos de red están disponibles
para ser usados cuando se requiera. De esta forma,
, el número de transmisores/receptores por cada nodo será igual al
número de posibles destinos:
-1.
Como en [Zapata06b, Zapata08b, Zapata09], la probabilidad de
bloqueo umbral de las conexiones fue fijada en 10-3 (valores más bajos de
109
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
probabilidad de bloqueo podrían ser prohibitivos debido al alto tiempo de
procesamiento y valores más altos podrían no ser de interés práctico).
Para garantizar resultados estadísticamente válidos, después de
eliminar el comportamiento transitorio, se generaron 104 peticiones de conexión
por cada par de nodos y el número de longitudes de onda por enlace se ajustó
hasta obtener un máximo de 10 requerimientos bloqueados (para garantizar
una probabilidad de bloqueo umbral de 10-3 por conexión).
La Fig. 5.5 (a)-(b) muestra el número de longitudes de onda requeridos
para una red libre de ocurrencia de fallas (sección blanca de cada barra) y para
una red con tolerancia a 1 falla de enlace (barra completa) en función de la
carga de tráfico ofrecida a las topologías NSFNet y EON sin la capacidad de
conversión de longitud de onda. Para cada carga de tráfico se pueden apreciar 3
barras, de izquierda a derecha: red WDM estática con protección, dinámica con
protección y dinámica con restauración. Además, se incluyen 3 curvas que
representan los límites inferiores del requerimiento de longitudes de onda para
tolerar falla de un corte a la vez: red WDM estática (línea segmentada), red
WDM dinámica con protección (línea continua con triangulo) y red WDM
dinámica con restauración (línea continua con cuadrado). La Fig. 5.6 (a)-(b)
muestra los mismos casos que la Fig. 5.5 pero considerando que los nodos de la
red están equipados con la funcionalidad de conversión de longitud de onda.
De las Fig. 5-5 y 5-6, se puede concluir que:

En términos de capacidad adicional para proveer tolerancia a fallas
únicas de cable, las redes WDM dinámicas con restauración ofrecen
beneficios significativos con respecto a las redes estáticas y dinámicas
con protección en el rango entero de cargas de tráfico: redes con
restauración requieren hasta un 8% de capacidad extra versus un 43%
en el caso dinámico con protección y 70% en el caso estático con
protección. Esto sucede debido a que el mecanismo de restauración
110
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
estudiado en esta tesis calcula los caminos ópticos primarios y de
respaldo de manera on-line, tomando en cuenta los cambios topológicos y
el estado on-line de la utilización de los enlaces, llevando a un mejor uso
de los recursos de la red.

En términos de requerimientos de la capacidad total de la red para
proveer tolerancia a cortes únicos de cable, otra vez las redes WDM
dinámicas con restauración obtienen significantes ahorros con respecto a
las redes WDM estáticas con protección (en todo el rango de cargas de
tráfico cuando se cuenta con conversión de longitud de onda y para
cargas de tráfico menores a 0.7-0.9 cuando no se cuenta con conversión
de longitud de onda, dependiendo de la topología de red). Aún más, redes
WDM estáticas sin tolerancia a fallas requieren un mayor número de
longitudes de onda que redes dinámicas con restauración tolerantes a
fallas únicas de cable para cargas de tráfico menores a 0.3 para todas
las topologías estudiadas. Esta es la primera vez que la operación
dinámica de redes WDM dinámicas alcanza significantes ahorros de
longitudes de onda con respecto al caso estático.

Los valores de los límites inferiores predijeron que los mecanismos de
restauración (línea con cuadrados) proveen el mejor rendimiento en
términos de requerimientos de longitudes de onda, los cuales fueron
confirmados
por
el
proceso
de
simulación.
En
promedio,
los
requerimientos de longitudes de onda de las redes WDM dinámicas con
restauración son un 20% más alto que los predichos por el límite inferior.

Las redes WDM dinámicas con mecanismo de protección requieren
menos longitudes de onda que las redes estáticas pero sólo en un
limitado rango de cargas de tráfico (<0.3). La capacidad de conversión de
longitud de onda reduce los requerimientos de capacidad, pero sin
significantes cambios en el valor de carga de tráfico a la cual se
comienzan a experimentar dichos ahorros.
111
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
Fig. 5-5: Requerimientos de longitudes de onda de (a) NSFNet, (b) EON sin la
capacidad de conversión de longitud de onda, obtenidos aplicando los diferentes
algoritmos de dimensionamiento como función de la carga de tráfico y en
escenarios de fallas únicas de cable.
112
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
Fig. 5.6: Requerimientos de longitudes de onda de (a) NSFNet, (b) EON con la
capacidad de conversión de longitud de onda, obtenidos aplicando los diferentes
algoritmos de dimensionamiento como función de la carga de tráfico y en
escenarios de fallas únicas de cable.
Redes WDM dinámicas con restauración
son la mejor opción (en
términos de requerimientos de longitudes de onda) para construir redes WDM
tolerantes a fallas únicas. Sin embargo, son más complejas de implementar que
un esquema de protección pre-diseñada. Se debe hacer notar que este no es un
resultado obvio. A pesar que es muy conocido que los mecanismos de
restauración requieren menos longitudes de onda que los esquemas de
protección [Bouillet07], el hecho que redes dinámicas sin conversión de longitud
de onda no tolerantes a fallas requirieran mucho más longitudes de onda que la
contraparte estática no garantizaba que redes WDM dinámicas podrían
ahorrar recursos con respecto al caso estático con protección. Estos menores
113
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
requerimientos de longitudes de onda de las redes dinámicas en relación a la
contraparte estática tolerantes a falla influyen en el
al requerir menor
número de dispositivos (por ejemplo, transpondedores de regeneración en las
etapas de entrada y salida de los nodos). Sin embargo, estos ahorros en el
número de dispositivos podrían no ser suficientes para compensar el aumento
del costo unitario de dispositivos para la operación WDM dinámica (por
ejemplo, transpondedores sintonizables y la inserción de un plano de control).
5.6.5. Resultados de requerimientos de transmisores/receptores.
En esta sub-sección se aplica el método de dimensionamiento de
transmisores y receptores planteado en la sección 5.5 a las topologías NSFNet y
EON en operación dinámica (en operación estática, el número de par
transmisores/receptores por nodo es de
-1 al igual que en el caso dinámico sin
dimensionamiento de este parámetro). Suponemos que los dispositivos extras,
relacionados al requerimiento de longitudes de onda, para proveer tolerancia a
fallas sólo se activan por el tiempo que duren las fallas. Por esta razón, los
requerimientos de transmisores y receptores corresponden al caso sin fallas y
equivalentes para cualquier escenario de fallas de cables. Los resultados para
y
se muestran en la Tabla 5-4, suponiendo una probabilidad
de bloqueo umbral por conexión de 10-3.
De la Tabla5-4 se puede apreciar que ahorros en transmisores/receptores
para redes WDM dinámicas en relación a la operación estática se producen
para cargas de tráfico menores que 0,5. Este ahorro, sumado al ahorro de
longitudes de onda, podría producir un menor
si la alternativa de
migración fuese una red WDM dinámica en vez de una red WDM estática.
114
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
Tabla 5-4: Requerimientos de transmisores/receptores y longitudes de onda
para las topologías NFNet y EON bajo operación dinámica y como función de la
carga de tráfico.
NSFNet
EON
0.1
269
98
98
490
180
180
0.2
331
126
126
625
240
240
0.3
367
154
154
725
300
300
0.4
386
168
168
800
320
320
0.5
390
182
182
850
340
340
0.6
390
182
182
890
380
380
0.7
390
182
182
898
380
380
0.8
390
182
182
898
380
380
0.9
390
182
182
898
380
380
5.7. RESUMEN
En este capítulo se ha planteado la influencia que tiene el requerimiento
de longitudes de onda y de transmisores/receptores sobre el número y
características de los dispositivos de las redes WDM estáticas y dinámicas.
Además, se justifica la necesidad de que las redes WDM cuenten con
estrategias de tolerancia a fallas a cortes de un cable a la vez. Como
consecuencia, se proponen métodos de dimensionamiento de longitudes de onda
y transmisores/receptores para redes WDM estáticas y dinámicas tolerantes a
cortes de un cable a la vez. Del punto de vista teórico, se plantean expresiones
teóricas acerca del límite del requerimiento de longitudes de onda necesarias
para redes WDM estáticas con protección, redes WDM dinámicas con
protección y redes WDM dinámicas con restauración ante cortes de un cable a
la vez. Resultados muestran que para topologías de red de la NSFNet y EON,
las redes WDM dinámicas tolerantes a falla requieren menor número de
longitudes de onda y transmisores/receptores que las redes WDM estáticas
115
CAP.5. DIMENSIONAMIENTO DE COMPONENTES
para cargas menores a 0,5. Estos resultados son interesantes al abrir la
posibilidad de que una posible migración a una red WDM dinámica sea más
conveniente que permanecer en una operación estática.
116
CONCLUSIONES
CAPÍTULO 6
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE
METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
En este capítulo se ilustra la aplicación, paso a paso, de la metodología
propuesta en el Capítulo 4 para evaluar tecno-económicamente un proceso de
migración. El ejemplo considera la migración desde una red WDM estática
hacia 2 posibles escenarios de mayor capacidad: uno en que se conserva la
operación estática y otro en que se migra a una operación dinámica.
6.1.
PASO 1: DEFINICIÓN DEL ESCENARIO INICIAL Y DE LOS
ESCENARIOS DE MIGRACIÓN.
En el ejemplo que se desarrolla en este capítulo se considera una
topología física de cobertura continental, como es el caso de la red
norteamericana NSFNet (National Science Foundation´s Network), la que se
muestra en la Fig. 6-1. Esta topología está compuesta por 14 nodos ( ),
interconectados por 21 cables ( ) [Baroni97, Zapata08a]. Se supone que cada
cable posee 2 fibras ópticas activas, por lo que el número total de fibras activas
en la red ( ) es igual a 42 (
.
117
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
Fig. 6-1. Topología física de la NSFNet.
A continuación, se describen las principales características de las redes
WDM del escenario inicial y de dos posibles escenarios de migración.
Escenario Inicial :
La red utilizada como escenario inicial en este ejemplo tiene las siguientes
características:

Opera de manera estática (i.e. cada conexión es permanente).

Se establece una conexión entre cada par de nodos de la red.

Cada conexión se puede modelar como una fuente de tráfico ON-OFF.
Las distintas conexiones ofrecen la misma carga de tráfico a la red (carga
homogénea).

La red se encuentra en un estado cercano a la saturación de su
capacidad. Cada operador puede tener distintos criterios para declarar la
red en estado de saturación. En este ejemplo, se supone que el estado de
saturación ocurre cuando la carga de tráfico se encuentra sobre 95%.

La tasa de transmisión digital para cada una de las conexiones ópticas es
de 10 Gbps.

La infraestructura de red (espacio físico para nodos, enlaces y NMS) es
propiedad del operador de red WDM.
118
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN

Cuenta con un sistema de gestión de red (NMS) en la que trabajan 6
ingenieros de jornada completa.

La red cuenta con tolerancia a una falla única de enlace a través del
mecanismo de protección compartida por trayecto (Shared Path
Protection).

Para la reparación de fallas, el operador de red contrata a una empresa
externa.
Se supone que la arquitectura de cada nodo de la red es el que se muestra
en la Fig. 6-2. Esta arquitectura estática fue propuesta en [Leiva11] con la
finalidad de reducir el consumo energético de la arquitectura mostrada en la
Fig. 1-2, tradicionalmente usada para implementar un nodo óptico. La
reducción
de
consumo
energético
se
consigue
al
eliminar
todos
los
transpondedores de regeneración en la etapa de entrada y disminuir el número
de transpondedores en la etapa de salida. Con esto, se implementan sólo
comunicaciones directas sin regeneración entre pares de transpondedores de
nodos distintos, eliminando comunicaciones entre transpondedores del mismo
nodo. De esta forma, se disminuye el número de transpondedores en las etapas
de entrada y salida. Sin embargo, éstos requieren ser de mayor alcance para
transmitir a larga distancia (a nodos vecinos) con respecto a los del nodo
estándar de la Fig. 1-2.
A continuación se describe cada etapa del nodo de la Fig. 6-2:

Etapa de interfaz capa electrónica-WDM de cada nodo en escenario :
Esta etapa, que opera como interfaz entre los dispositivos electrónicos y la
capa WDM, está compuesta por 13 transpondedores de transmisión (
transpondedores de recepción (
-1 (donde
) y 13
) por cada nodo. Este número corresponde a
es el número de nodos de la red) y es el resultado de la suposición
de que existe una conexión entre cada par de nodos de la red a través de un
camino óptico o lightpath
119
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
Fig. 6-2: Estructura de un nodo de red del escenario Inicial
de migración
y del escenario
.
En la Fig. 6-2, los transpondedores de transmisión se encuentran
en la zona izquierda de la etapa de interfaz de la capa electrónica-WDM.
Cada transpondedor de transmisión consta de un receptor SR (Short
Reach), que recibe una señal de información monocanal (típicamente a
1310 nm o 1550 nm y denotada como
en la Fig. 6-2) proveniente del
dispositivo electrónico (el que realiza la conversión de una señal
electrónica a una óptica monocanal en sus puertos de salida), seguido de
un transmisor LR (Long Reach), el
cual transmite la señal a una
longitud de onda según la grilla WDM hacia el optical patch panel
(dispositivo de conmutación). Con un receptor SR es suficiente debido a
120
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
la escasa distancia entre el dispositivo electrónico y los transpondedores
de transmisión (un par de metros). Sin embargo, es necesario usar un
transmisor LR conectado hacia el conmutador debido a que esta señal
viaja sin regeneración 3R (Reamplification, Reshaping, and Retiming)
hasta el siguiente nodo que compone la ruta del lightpath (varias
centenas de km para la NSFNet).
Los transpondedores de recepción se encuentran en la zona
derecha de la etapa de interfaz de la capa electrónica-WDM en la Fig. 62. Cada transpondedor de recepción consta de un receptor LR (Long
Reach). Este receptor recibe una señal de información proveniente de
otro nodo (habiendo pasado antes por la etapa de entrada y de
conmutación del nodo) en una longitud de onda de la grilla WDM. El
receptor LR está seguido de un transmisor SR (Short Reach), el que
transmite la señal hacia el dispositivo electrónico del nodo a través de
una señal óptica monocanal (denotada como
en la Fig. 6-2). En este
caso, es el dispositivo electrónico quien realiza la conversión de una señal
óptica monocanal a una señal electrónica en sus puertos de entrada. Se
utiliza un receptor LR debido a la gran distancia sin regeneración que
recorre la señal recibida antes de llegar al nodo (desde el último nodo que
compone la ruta del lightpath de la conexión) y se utiliza un transmisor
SR debido a la corta distancia (un par de metros) que recorre la señal
regenerada hasta el dispositivo electrónico.

Etapa de entrada de cada nodo en el escenario :
La etapa de entrada está compuesta por demultiplexores WDM a cargo
de descomponer cada señal óptica proveniente de las distintas fibras
incidentes al nodo en señales WDM individuales (cada señal de un
misma fibra en una longitud de onda distinta). De esta forma, cada señal
WDM individual es conducida a la etapa de conmutación a través de una
121
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
fibra óptica exclusiva para ella. Esto se puede apreciar en la Fig. 6-2, en
donde existen F fibras incidentes al nodo (el número de demultiplexores
es igual al número de fibras incidentes al nodo), cada una con un número
específico de longitudes de onda (por ejemplo, la fibra 1 transporta K
longitudes de onda y la fibra F, M longitudes de onda). Por lo tanto, el
número total de fibras ópticas a la salida del conjunto de demultiplexores
es igual a la suma de todas las longitudes de onda incidentes al nodo.

Etapa de conmutación de cada nodo en el escenario :
La etapa de conmutación de cada nodo se implementa con un
conmutador óptico pasivo (optical patch panel), que simplemente conecta
una determinada entrada con una salida específica. Esta configuración
se realiza manualmente. A los puertos de entrada de este conmutador
ingresan las señales provenientes de los demultiplexores de la etapa de
entrada (igual al número de longitudes de onda incidentes al nodo
,
) y de los transpondedores de transmisión de la etapa de interfaz
capa WDM-electrónica (igual a
-1) del nodo. Por los puertos de salida
del conmutador se transmiten las señales WDM individuales a la etapa
de salida del nodo (igual al número de longitudes de onda que dejan al
nodo
,
)
y a los transpondedores de recepción de la etapa de
interfaz capa WDM-electrónica (igual a

-1) del nodo.
Etapa de salida de cada nodo en escenario :
La etapa de salida está compuesta por transpondedores de
regeneración 3R y multiplexores WDM. Cada transpondedor de
regeneración está compuesto por un receptor LR seguido de un
transmisor LR. La característica LR de la parte receptora del
transpondedor de regeneración es necesaria para solucionar problemas
de atenuación y distorsión de las señales recibidas, que llegan a este tipo
de dispositivos provienentes de otros nodos luego de haber viajado
distancias
que
oscilan
entre
varias
decenas
a
1500
km,
aproximadamente. Análogamente, la característica LR del transmisor de
122
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
cada transpondedor de regeneración
responde a la necesidad de
transmitir señales que deben viajar largas distancias antes de llegar a
otro
nodo
para
su
regeneración.
Cabe
mencionar
que
los
transpondedores, al tratarse básicamente de un receptor y un transmisor
electrónicos en cascada, también pueden convertir la longitud de onda de
las señales portadoras que llegan a ellos. El número de los
transpondedores de la etapa de salida del nodo , corresponde al número
de longitudes de onda que salen de éste menos el número de
transpondedores de transmisión de la etapa de interfaz de la capa
electrónica-WDM,
esto
es:
(
).
La
falta
de
( -1)
transpondedores en la etapa de salida se debe a que la parte transmisora
de los transpondedores de transmisión del nodo son del tipo LR y no
necesitan volver a ser regenerados en el mismo nodo de origen.
Según los resultados obtenidos en el Capítulo 5, referidos a los requerimientos
de longitudes de onda de la NSFNet operando de manera estática (iguales a
∑
transmisión
) y
los requerimientos de transpondedores de
y recepción (iguales a
∑
,
∑
respectivamente) los requerimientos de dispositivos de todos los nodos de la red
en el escenario
son los que se listan en la Tabla 6-1.
Tabla 6-1: Requerimiento de dispositivos en todos los nodos del escenario
para la NSFNet.
Etapa del nodo
Interfaz capa
WDM
Entrada
Conmutación
Salida
electrónica-
Nombre de dispositivo
Transpondedor de transmisión
fijo (10 Gbps)
Transpondedor de recepción fijo
(10 Gbps)
Demultiplexor WDM
Optical Patch Panel
Transpondedor de Regeneración
Fijo (10 Gbps)
Multiplexor WDM
N° de dispositivos en la red
=182
=182
42
=14
=430
42
123
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
A continuación se describen las características de los enlaces del escenario
,
en donde cada uno de ellos tiene la estructura genérica de la Fig. 1-3.

En el inicio de cada enlace se instala un booster (físicamente instalado en
los nodos, a continuación de la etapa de salida).

Se instala un EDFA cada 80 km por cada fibra óptica activa del cable.
Estos se instalan en una opto-estación intermedia.

Al final de cada enlace se instala un pre-amplificador (físicamente
instalada en los nodos, anterior a la etapa de entrada).

Cada EDFA cuenta con un sistema de control de ganancia (AGC) para
mantener constante la ganancia ante variaciones de la potencia de
entrada.
Escenario de migración
:
El primer escenario de migración considerado en este ejemplo (denotado como
) es igual al escenario inicial
con la única diferencia de que la velocidad de
transmisión digital de las portadoras ópticas sube de 10 a 40 Gbps.
En este escenario, los dispositivos que se deben remplazar son aquellos que
son dependientes de la tasa de transmisión digital: transpondedores de
transmisión, recepción y de regeneración que operan a 10 Gbps por otros que
operan a 40 Gbps. En cambio, los dispositivos pasivos como los multiplexores
WDM, demultiplexores WDM y el conmutador óptico se conservan.
En la Tabla 6-2, se listan los requerimientos de los dispositivos que deben
adquirirse al migrar del escenario estático
al escenario estático
.
124
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
Tabla 6-2: Requerimiento de nuevos dispositivos en todos los nodos del
escenario
Etapa del nodo
Interfaz
WDM
capa
para la NSFNet.
Nombre de dispositivo
electrónica-
Entrada
Conmutación
Salida
Escenario de migración
N°
de
adquirir
Transpondedor de transmisión
fijo (40 Gbps)
Transpondedor de recepción fijo
(40 Gbps)
Demultiplexor WDM
Optical Patch Panel
Transpondedor de Regeneración
Fijo (40 Gbps)
Multiplexor WDM
dispositivos
a
=182
=182
0
0
=430
0
:
El segundo escenario de migración considerado en este ejemplo (identificado
como

) presenta las siguientes características:
Opera de manera dinámica. Es decir, las conexiones se establecen bajo
demanda y por el tiempo que se necesite para enviar la información. Una
vez finalizada la transmisión de datos, las conexiones se desconectan y se
liberan los recursos de red utilizados para su establecimiento. Se supone
una reservación de recursos fin-a-fin [Düser02, Zapata08a, Jajszczk05].

Al igual que en el caso estático, el número de conexiones posibles entre
cada par de nodos se supone igual 1 [Baroni97, Zapata08a] Como
consecuencia, dada la naturaleza dinámica del establecimiento y
liberación de conexiones, el máximo número de conexiones activas en
este tipo de operación en un instante en particular se encuentra en el
rango [0;

].
La tasa de transmisión digital para cada una de las conexiones ópticas es
de 40 Gbps (4 veces mayor que la del escenario inicial )
125
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN

El tráfico generado por cada conexión se modela como una fuente de
tráfico ON-OFF. Se supone carga homogénea.

Se ocupan las mismas instalaciones físicas (edificios, estaciones) del
escenario , de la cual es propietaria del operador de red.

Se agrega un plano de control para el proceso dinámico de
establecimiento y desconexión de conexiones. En este caso, el número de
trabajadores disminuye a sólo 2 ingenieros de jornada completa
[Chahine05].

Se ocupa el esquema protección para proveer tolerancia a una falla de
cable a la vez propuesto en el Cap. 5

El operador cuenta con una empresa externa de reparación de fallas.

Se conserva la misma estructura de enlaces del escenario .
La arquitectura de cada nodo de la red dinámica del escenario
se muestra
en la Fig. 6-3. Esta arquitectura fue propuesta en [Huang04].
126
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
Fig. 6-3: Estructura de un nodo de red en el escenario de migración
.
Las distintas etapas del nodo de la Fig. 6-3 son como se describe a
continuación:

Etapa de interfaz capa electrónica-WDM de cada nodo en escenario
:
Esta etapa está compuesta transpondedores de transmisión SR-SR
sintonizables y por transpondedores de recepción SR-SR no sintonizables
de 40 Gbps. El número de estos tipos de dispositivos en cada nodo
depende de la carga de tráfico ( ) y la probabilidad de bloqueo
(parámetro de calidad de servicio que se quiera alcanzar) aceptable por
las conexiones de la red. En el capítulo 5 se propuso un método de
dimensionamiento para determinar el número necesario de los
transpondedores de esta etapa, denotados por
) y
) para
transpondedores de transmisión y recepción, respectivamente. Los
127
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
transpondedores de esta etapa son SR, debido a que todos éstos deben
comunicarse con otra transpondedor en la etapa de entrada o salida del
mismo nodo (un par de metros de distancia). A diferencia del nodo
estático, no se pueden eliminar transpondedores en las etapas de
entrada y salida debido a las características de operación del dispositivo
de conmutación, el cual se explica más adelante en esta sección.

Etapa de entrada cada nodo en escenario
:
La etapa de entrada está compuesta por demultiplexores WDM y, a
diferencia de los escenarios
y
, por transpondedores de regeneración
LR-SR de 40 Gbps. Los demultiplexores WDM tienen la función de
separar las señales WDM provenientes de las distintas fibras incidentes
al nodo. De esta forma, cada señal WDM es conducida a un
transpondedor sintonizable LR-SR antes de pasar a la etapa de
conmutación. El número de transpondedores de esta etapa depende del
número de longitudes de onda incidentes al nodo (
). Este número
de portadoras ópticas se puede obtener a través un proceso de
dimensionamiento que tome en cuenta la carga de tráfico y la
probabilidad de bloqueo que se requiere alcanzar. El proceso de
dimensionamiento usado en esta Tesis está descrito en la sección 3 del
Capítulo 5. La parte transmisora de los transpondedores de esta etapa
deben ser sintonizables debido a las características del dispositivo de
conmutación usado en este ejemplo. La explicación del funcionamiento
del dispositivo de conmutación se expone en la siguiente subsección.
Como se aprecia en la Fig. 6-3, cada transpondedor de esta etapa cuenta
con un receptor LR seguido de un transmisor SR. La característica LR de
los receptores se debe a que las señales incidentes tuvieron su última
regeneración en el nodo anterior de su respectiva ruta dentro de la red,
lo que se traduce en decenas, centenas o miles de km. La característica
SR de la etapa transmisora de los transpondedores se debe a que la
próxima regeneración se realiza en etapas cercanas del mismo nodo (en
128
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
la interfaz de capa electrónica-WDM o en la etapa de salida dependiendo
si las señales terminan o transitan por el nodo, respectivamente).

Etapa de conmutación cada nodo en escenario
:
Esta etapa está compuesta por un dispositivo de conmutación
denominado AWG (Arrayed Waveguide Grating). Éste es un dispositivo
pasivo que posee una matriz de conmutación interna prefijada por cada
longitud de onda. Es otras palabras, el AWG envía por un puerto de
salida distinto a cada longitud de onda (si ingresa una longitud de onda
en particular por un puerto específico del AWG, el puerto de salida
siempre será el mismo, pero si otra longitud de onda entra por ese mismo
puerto, otro será el puerto de salida). Debido a esta característica
operacional del AWG, es que se necesitan conversores de longitud de
onda (transpondedores) para que las señales entrantes al dispositivo
puedan ser enviadas a cualquier puerto de salida. El número de puertos
(de entrada y salida) necesarios en el AWG corresponde a la suma de
longitudes de onda de entrada al nodo, de salida del nodo y del número
de transpondedores de transmisión y recepción.

Etapa de salida cada nodo en escenario
:
Esta etapa está compuesta por transpondedores de regeneración SR-LR
de 40 Gbps y por multiplexores WDM. Cada señal que sale por los
puertos del AWG viene con una longitud de onda auxiliar, sólo con la
finalidad de que la matriz de conmutación fija del AWG permita conectar
cualquier puerto de entrada con uno de salida. Debido a esta última
razón, es que los transpondedores de regeneración de la etapa de salida
deben convertir las longitudes de onda para no producir colisión con
otras señales en los enlaces de salida del nodo. La característica SR de la
parte receptora se debe a que las señales que llegan a estos dispositivos
tuvieron su última regeneración en otras etapas de este mismo nodo
(distantes un par de metros), y la característica LR de parte transmisora
se debe a que las señales que salen de este nodo tendrán su próxima
129
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
regeneración en la etapa de entrada de otro nodo (distantes decenas a
miles de km). El número de transpondedores de esta etapa depende del
número de longitudes de onda que salen del nodo (
). Este número
de portadoras ópticas se puede obtener a través un proceso de
dimensionamiento que tome en cuenta la carga de tráfico y la
probabilidad de bloqueo que se requiere alcanzar. El proceso de
dimensionamiento usado en esta Tesis está descrito en la sección 5 del
Capítulo 5.
La Tabla 6-3 muestra los requerimientos de dispositivos de todos los nodos de
la red en el escenario
.
Tabla 6-3: Requerimiento de dispositivos en todos los nodos en el escenario
para la NSFNet.
Etapa del nodo
Interfaz
WDM
capa
Nombre de dispositivo
electrónica-
Entrada
Conmutación
Salida
N°
de
adquirir
Transpondedor de transmisión
sintonizable (40 Gbps)
Transpondedor de recepción fijo
(40 Gbps)
Demultiplexor WDM
Transpondedor de Regeneración
Sintonizable (40 Gbps)
dispositivos
a
0
AWG
=14
Transpondedor de Regeneración
Fijo (40 Gbps)
Multiplexor WDM
0
Utilizando los resultados obtenidos en el Capítulo 5 para la red NSFNet
operando de manera dinámica, referidos a los requerimientos de longitudes de
onda
(
∑
∑
),
y
de
transpondedores en la etapa de interfaz de capa electrónica-WDM (
∑
∑
) , la Tabla 6-4 muestra estos valores,
[Leiva11, Zapata09, Tarifeño11], para distintas cargas de tráfico y una
probabilidad de bloqueo considerada aceptable para cada conexión igual a 10 -3
[Seitz03, Zapata08a].
130
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
Tabla 6-4: Requerimiento total de capacidad (longitudes de onda) y de
transpondedores de transmisión/recepción en función de la carga de tráfico en
la NSFNet.
=
0,1
99
300
0,2
128
392
Carga de tráfico ( )
0,3
0,4
149
155
478
536
0,5
170
582
0,6-0,9
182
612
Una vez definido el escenario de operación actual y los escenarios
alternativos de migración, se ejecuta el segundo paso de la metodología
propuesta.
6.2. PASO 2: DEFINICIÓN DE LA TASA DE CRECIMIENTO DE
TRÁFICO, DE LA CARGA DE TRÁFICO INICIAL Y MÁXIMA.
Tasa de crecimiento de tráfico: La tasa de crecimiento anual, , supuesta en
este ejemplo de aplicación es del 30%. Esta suposición se basa en que los
valores típicos de este parámetro se encuentran entre 23% al 70% según lo
reportado en [Saleh11, Simmons10, Cisco12]. De esta forma, el valor de
=
30% representa una proyección conservadora.
Carga de tráfico inicial y carga de tráfico máxima permitida: La carga de
tráfico inicial en el instante
, denotada como
, es calculada dividiendo la
carga de tráfico justo antes del momento de efectuar la migración por el
número de veces que se aumenta la capacidad. La carga de tráfico de la red en
el momento inmediatamente anterior a la actualización de la red (aumento de
capacidad) se denota como
. Su valor se fija según el criterio que aplique el
operador de red la WDM por lo que distintas redes podrían tener distintos
valores de capacidad máxima. De esta forma, suponiendo una carga de tráfico
inmediatamente antes de efectuar el proceso de migración prácticamente igual
131
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
a1(
) y que el aumento de capacidad es de 4 veces (al pasar de 10 Gbps
a 40 Gbps en los escenarios
y
), la carga de tráfico inicial,
, es del 0,25.
6.3. PASO 3: ESTIMACIÓN DEL TIEMPO DE OPERACIÓN.
De acuerdo a la Ec. (3.3), y considerando una tasa de crecimiento de
tráfico anual, , igual a 30%, una carga de tráfico inicial,
carga de tráfico máxima permitida,
aumento de capacidad luego de 5 años (
, igual a 0,25, y una
, igual a 1, se requerirá un nuevo
La Fig. 6-4 ilustra la obtención
del tiempo de operación al mostrar la variación de carga de tráfico en función
del tiempo (línea azul), la que alcanza el valor máximo permitido (línea roja) en
aproximadamente 5 años.
Fig.6-4. Evolución temporal de la carga de tráfico de las conexiones y la
máxima permitida para la NSFNet considerando una carga inicial de 0,25 y
una tasa de crecimiento anual de 30%.
132
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
6.4. PASO 4: DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE INSTANTES DE
INVERSIÓN.
A continuación, se determinan el número de instantes de inversión para los
escenarios
y
.
Número de instantes de inversión para el escenario
: Basados en un proceso
de migración del tipo big bang, y tal como se ilustra en la Fig. 3-4, el número de
instantes de inversión (
(escenario
(escenario
requeridos para migrar de un escenario estático
) a otro con el mismo tipo de operación pero de mayor capacidad
) es igual a 1.
Número de instantes de inversión para el escenario
: De acuerdo a la Ec.
(3.4), el número de instantes de inversión requeridos al migrar a una operación
dinámica depende de los siguientes parámetros:
,
y la carga de tráfico
umbral para la cual los requerimientos de capacidad (medida en términos del
número de longitudes de onda) de la red WDM dinámica serían iguales al de
una operación estática, denotada como
. La carga de tráfico inicial,
, es
igual a 0,25; la tasa de crecimiento de tráfico, , es igual al 30% ; y la carga de
tráfico umbral,
, es de 0,6 (tomando en cuenta los valores de la Tabla 6.4, en
donde se aprecia que para una carga de tráfico igual a 0,6, los requerimientos
de longitudes de onda de la NSFNet operando como red WDM dinámica
alcanzan al valor requerido por una operación estática, el que corresponde a
612). De esta forma, el número de instantes de inversión es igual a 3 (en
,
y
).
133
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
6.5. PASO 5: EVALUACIÓN DE COSTOS
El costo de migrar (
capacidad
(
o
)
desde un escenario estático
) se compone de la suma de
a otro de mayor
y de
.
Tabla 6.5: Tipo, número y costo de nuevos dispositivos requeridos en los
escenarios
Escenario
de
migración
y
.
Sección de la
red
Nodo:
Interfaz capa
electrónicaWDM
Nodo: Etapa
de salida
Nodo:
Interfaz capa
electrónicaWDM
Nodo: Etapa
de entrada
Nodo: Etapa
de
conmutación
Nodo: Etapa
de salida
M&CS
Nombre
de dispositivo
Transpondedor
transmisión fijo
Gbps)
Transpondedor
recepción fijo
Gbps)
Transpondedor
Regeneración
(40 Gbps)
Transpondedor
transmisión
sintonizable
Gbps)
Transpondedor
recepción fijo
Gbps)
Transpondedor
Regeneración
Sintonizable
Gbps)
AWG
N° de
dispositivos
necesarios
para operar
182
Costo
unitario
(UN)
de
(40
182
2,585
de
Fijo
430
3,62
de
(40
1,2 2,585
de
(40
de
(40
(Tabla 6.4)
1,2 2,585
(Tabla 6.4)
1,2 3,62
de
(40
Transpondedor
de
Regeneración
Fijo
(40 Gbps)
Plano de control
2,585
(Tabla 6.4)
=14
(75 n° de
puertos +
800)/(7500
USD)
3,62
(Tabla 6.4)
1
20
Paso 5.a) Evaluación del costo diferencial del capital.
La Tabla 6.5. muestra el tipo, número y costo (adquisición, instalación y
configuración) de cada nuevo componente necesario para migrar a las
134
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
distintas alternativas analizadas en este capítulo [Huelsermann08,
Buus06]. Se debe notar que los costos están normalizados al costo de un
transpondedor de 10 Gbps de 750 km de alcance (denominado “Unidad
Normalizada” o UN e igual a 7500 USD), como se hace en
[Huelsermann08].
Debido a que la configuración de los enlaces permanece sin
variaciones para los escenarios
y
, no se debe adquirir nuevo
equipamiento en los enlaces. Sin embargo, al migrar a un escenario
dinámico (
) se debe implementar un plano de control, el que se supone
de un valor igual a 20 UN [Hassan12].
En la Tabla 6-6, se muestra el número de dispositivos necesarios a
instalar o adquirir en cada inicio de periodo de operación. Esta fue
construida tomando en cuenta el comportamiento de la carga de tráfico
en función del tiempo de la Fig. 6-4 y los requerimientos de dispositivos
de las Tablas 6.4 y 6.5.
Considerando los valores de los componentes (Tabla 6.5), el
número de componentes requeridos en los distintos escenarios de
migración (Tablas 6.6)
y aplicando las ecuaciones (4.1) a (4.7), se
obtienen los valores del costo diferencial del capital para los escenarios
y
. La Fig. 6-5 muestra los resultados, diferenciando la contribución
al costo que hacen los transpondedores de las etapas de entrada y salida
(barra púrpura), los transpondedores de transmisión y recepción (barra
verde), el sistema de administración de la red (barra roja) y el dispositivo
de conmutación (barra azul). Se supone una depreciación del 7% anual
en el costo de todos los componentes.
135
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
Tabla 6-6: Número total de nuevos dispositivos a instalar en los nodos en
los distintos inicios de cada año.
Escenario
de
migración
Sección del
nodo
Nombre de
dispositivo
Interfaz capa
electrónicaWDM
Transpondedor
de transmisión
fijo (40 Gbps)
Transpondedor
de recepción fijo
(40 Gbps)
Transpondedor
de Regeneración
Fijo (40 Gbps)
Transpondedor
de transmisión
sintonizable (40
Gbps)
Transpondedor
de recepción fijo
(40 Gbps)
Transpondedor
de Regeneración
Sintonizable (40
Gbps)
182
0
0
0
0
0
182
0
0
0
0
0
430
0
0
0
0
0
155
15
12
0
0
0
155
15
12
0
0
0
536
46
30
0
0
0
AWG
14
0
0
0
0
0
Transpondedor
de Regeneración
Fijo (40 Gbps)
536
46
30
0
0
0
Etapa
salida
de
Interfaz capa
electrónicaWDM
Etapa
entrada
de
Etapa
de
conmutación
Etapa
de
salida
N° de dispositivos necesarios a instalar
136
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
Fig. 6-5:
normalizado para los escenarios
De la Fig. 6-5, se puede apreciar que el
es menos de la mitad que el valor del
(2498 UN vs 5966 UN). Es decir,
y
.
total del escenario
total del escenario
el costo de inversión en nuevo
equipamiento en el escenario dinámico
es un 139% mayor a la
inversión de conservar la operación estática (escenario
). La principal
razón detrás de este comportamiento radica en el mayor gasto en
adquisición de transpondedores para los nodos (2498 UN en el escenario
y 5929 UN en el escenario
). En el caso dinámico, no solo los
transpondedores son de mayor costo (debido a la propiedad de
sintonización que poseen los transpondedores de transmisión y de
regeneración de la etapa de salida) sino que además es necesario
adquirir un mayor número de ellos (de la Tabla 6.5 el número de
transpondedores necesarios a instalar en las diferentes etapas del
escenario
es de 794, mientras que para el escenario
es de 1588
cuando alcanza la carga de tráfico umbral.)
137
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
Con una contribución mucho menor al
(solo un 0,6%)
también se puede apreciar que en el escenario
se produce la
adquisición de componentes nuevos: el sistema de control (M&CS) y los
nuevos dispositivos de conmutación (AWG). Esto no sucede en el caso
,
debido a que este escenario hereda el equipamiento del M&CS y los
dispositivos de conmutación del escenario inicial .
En la Fig. 6-6 se puede apreciar el número y la magnitud de las
distintas inversiones en los escenarios de migración. Tal como en la Fig.
3-4, se puede apreciar que en el escenario de migración estático se
realiza una sola inversión en
correspondiente a 2498 UN. En cambio,
en el escenario de migración dinámico se realizan 3 inversiones en
y
correspondientes a
,
5968, 427 y 271 UN, respectivamente. En este
último escenario, se puede notar que la inversión va decreciendo año a
año debido a los menores requerimientos de transpondedores extras (en
comparación con el año anterior) y en menor medida a la depreciación de
los componentes (supuesta igual al 7% anual).
Paso 5.b: Evaluación del costo operacional
Para calcular los costos operacionales de las alternativas de migración,
se han hecho las siguientes suposiciones:

El costo de la energía es igual a 0,15 USD/kWh (www.energy.eu).

El salario de cada técnico de una empresa externa es de 0,01 UN/h de
acuerdo a reportes del proyecto OASE (www.ict-oase.eu). Este tipo de
técnicos son los encargados de reparar las fallas de componentes en
los distintos nodos de la red, cortes de cables y fallas de
amplificadores ópticos en las opto-estaciones intermedias en los
enlaces.

El tiempo medio de viaje para que un grupo de técnicos llegue a
algún punto de falla de la NSFNet es de 8,5 h.
138
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN

El salario mensual de los ingenieros de jornada completa que se
encuentran a cargo del sistema de gestión y establecimiento de
conexiones (plano de control) es 1,2 UN/mes (www.ict-oase.eu).

Los salarios y el costo de energía aumentan en un 3% cada año.

El costo de componentes de reemplazo es parte de los costos de
reparación de fallas y el número a adquirir en cada periodo de
operación depende de la estimación del número de fallas según la Ec.
(4.13).

El número de técnicos necesarios para reemplazar los componentes
de los nodos en caso de fallas es igual a 1, para los EDFAs es igual a
2 y para reparar cortes de cables se requiere de 3 técnicos.
La Tabla 6-7 muestra los valores de FIT (Failure in Time: número
de fallas en 109 horas), MTTR (Mean Time To Repair: Tiempo medio de
reparación) y potencia eléctrica,
medida en [W], de los elementos de la
red [Chen10, Leiva12a, Leiva12b, Mas06, Mas08, Mas11, Schupke04,
Zhang04].
La Tabla 6-8 muestra el detalle de la estimación del número de
fallas de cada componente de los nodos (considerando la Ec. 4.13) en los
distintos periodos de operación de las alternativas de migración
y
.
Se puede apreciar que número de fallas anuales de los dispositivos de los
nodos en el escenario B1 es bajo (de 0 a 5). La principal razón para esto
radica en el bajo valor de FIT para cada uno de ellos y al número de
dispositivos en la NSFNet. El número de fallas para los dispositivos del
escenario dinámico es prácticamente el doble que el caso estático (entre 5
y 10 fallas anuales) debido al mayor número de transpondedores de
regeneración (el caso estático no posee de estos dispositivos en la etapa
de entrada y el dinámico, si) y mayor FIT de los dispositivos
sintonizables.
139
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
Fig. 6-6: Evolución temporal de la inversión, en términos de UN, de los
distintos componentes de red para los escenarios (a)
y (b)
,
respectivamente.
140
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
Tabla 6-7: Valores de FIT, MTTR y potencia media de los dispositivos de red de
los escenarios
Escenario
de
migración
y
.
Sección de la
red
Nombre de
dispositivo
FIT
MTTR
[h]
[W]
Nodo
Transpondedor de
transmisión fijo (40
Gbps)
Transpondedor de
recepción fijo
(40
Gbps)
Demultiplexor
WDM
Optical Patch Panel
Transpondedor de
Regeneración Fijo
(40 Gbps)
Multiplexor WDM
Cables de fibras
ópticas
EDFA
Transpondedor de
transmisión
sintonizable
(40
Gbps)
Transpondedor de
recepción fijo (40
Gbps)
Demultiplexor
WDM
Transpondedor de
Regeneración
Sintonizable
(40
Gbps)
256
2
70
256
2
70
325
2
0
200
256
6
2
0
70
325
114/km
6
0
0
2000
931
8
2
8
15
250
2
15
325
2
0
815
2
70
200
256
6
2
0
70
325
114/km
2
6
0
0
2000
8
8
Cables
Interfaz capa
electrónicaWDM
Entrada
Conmutación
Salida
Cables
AWG
Transpondedor de
Regeneración Fijo
(40 Gbps)
Multiplexor WDM
Cables de fibras
ópticas
EDFA
141
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
Tabla 6-8: Número de fallas de los dispositivos de los nodos en los
distintos periodos de operación para los escenarios
Escenario de
migración
y
.
Sección del
nodo
Nombre de
dispositivo
Interfaz
capa
electrónicaWDM
Transpondedor
de transmisión
fijo (40 Gbps)
Transpondedor
de
recepción
fijo (40 Gbps)
Demultiplexor
WDM
Transpondedor
de
Regeneración
Fijo (40 Gbps)
Optical Patch
Panel
Transpondedor
de
Regeneración
Fijo (40 Gbps)
Multiplexor
WDM
Transpondedor
de transmisión
sintonizable
(40 Gbps)
Transpondedor
de
recepción
fijo (40 Gbps)
Demultiplexor
WDM
Transpondedor
de
Regeneración
Sintonizable
(40 Gbps)
0
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
1
2
1
2
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
3
5
5
4
4
AWG
0
0
0
0
0
Transpondedor
de
Regeneración
Fijo (40 Gbps)
Multiplexor
WDM
1
1
2
1
1
0
0
0
0
0
Etapa
de
entrada
Etapa
de
conmutac.
Etapa
de
salida
Interfaz
capa
electrónicaWDM
Etapa
de
entrada
Etapa
de
conmutac.
Etapa
de
salida
N° de fallas por período
142
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
La Tabla 6-9 muestra la estimación del número de fallas de cables
y EDFAs, considerando un largo total de 25000 km de cables y 725
amplificadores ópticos (considerando amplificadores de línea cada 80 km
y booster y pre-amplificadores al inicio y final de cada enlace,
respectivamente). No hay diferencias entre el caso estático y dinámico ya
que ambos escenarios usan la misma configuración en los cables.
Tabla 6-9: Número de fallas de los dispositivos de los enlaces en los
distintos periodos de operación para los escenarios
Nombre de
dispositivo
EDFAs
Cable óptico
y
.
N° de fallas por período
12
24
13
25
13
25
12
25
13
25
Con las suposiciones hechas, y los datos de las Tablas 6.7 a 6.9, se
construye la Fig. 6-7, la que muestra el
normalizado desagregado
en costos de reparación de fallas (barra verde), de mantención (barra
café) y de energía (barra azul).
De la Fig. 6-7 se puede apreciar que el escenario de migración
dinámico tiene mayores costos de reparación de fallas y energía en
comparación al caso estático. En el caso de reparación de fallas, el cuál
es afectado por el costo de los dispositivos de repuesto y por el salario de
los técnicos para reparar dichos dispositivos, el mayor costo del escenario
dinámico se debe al mayor número de fallas de los dispositivos
sintonizables de los nodos. De hecho, el número total de fallas en los
nodos durante todo el período de operación de la red es de 35 y 8 para el
caso dinámico y estático, respectivamente. La contribución del costo de
reparación de fallas en los enlaces es el mismo para ambos casos de
migración. En el caso de costos de energía, el mayor valor para el caso de
143
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
migración dinámico se debe al mayor número de dispositivos en los
nodos en comparación al caso estático.
Fig. 6-7: Costo operacional total, en términos de UN, desagregado en las
contribuciones de reparación de fallas, mantención y consumo energético para
los escenarios de migración
y
.
A pesar de los mayores costos en reparación de fallas y de consumo
energético, el
normalizado es menor para el caso del escenario de
migración dinámico en comparación al caso estático (642 UN vs
Como ha sido reportado previamente
813 UN).
en [Chahine05], esto se debe
principalmente a la contribución de los costos de mantención al
(ingenieros de jornada completa a cargo del M&CS: 6 para el estático y 2 para
el dinámico).
En la Fig. 6-8 se muestra la contribución de los distintos componentes de
red en el
de las distintas alternativas de migración. Se puede apreciar
que las mayores diferencias entre ambos escenarios se centran en la
contribución del M&CS (459 UN vs 153 UN para el caso estático y dinámico,
144
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
respectivamente) y de los transpondedores de regeneración (41 UN vs 189 UN
para el caso estático y dinámico, respectivamente). En relación a la diferencia
en la contribución del M&CS se debe al salario de los 6 ingenieros de planta
para el caso estático en comparación al caso de 2 ingenieros para el caso
dinámico. En relación a la diferencia de la contribución de los transpondedores
de regeneración, ésta se debe al mayor número de estos dispositivos en el
escenario dinámico y
a su mayor costo unitario por su capacidad de
sintonización.
Fig. 6-8: Costo operacional total, en términos de UN, desagregado en las
aportes de cables y EDFAs, salario de técnicos de M&CS, transpondedores y de
los dispositivos de conmutación para los escenarios de migración
y
La Fig. 6-9 muestra la contribución de los costos de consumo energético
(barra azul), reparación de fallas (barra roja), y de mantención (barra verde) en
el OpEx en función de los periodos de operación (
migración (a)
y (b)
a
) para los escenarios de
, respectivamente. Se puede apreciar que los costos de
145
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
consumo energético y mantención (M&CS) suben año a año por el aumento
anual del salario y del costo de la energía el que corresponde a un 3%. En
cambio, el costo de reparación de fallas experimenta un comportamiento
distinto debido principalmente a la diferencia en el número de fallas que
experimenta la red en distintos años.
Fig. 6-9: Evolución temporal de los costos de consumo energético, reparación de
fallas y mantención, en términos de UN, para los escenarios (a)
y (b)
,
respectivamente.
146
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
6.6. PASO 6: COMPARACIÓN DEL COSTO DE LAS ALTERNATIVAS
DE MIGRACIÓN.
El costo de migración total (
) se muestra en las Fig. 6-10 y 6-11,
considerando los costos del capital diferencial y los operacionales obtenidos en
los pasos 4 y 5 de la aplicación de la metodología de evaluación de alternativas
de migración.
Fig. 6-10: Costo de migración total, en términos de UN, desagregado en las
aportes de nodos, enlaces y M&CS para los escenarios de migración
De las Fig. 6-10
y
y 6-11 se puede apreciar que, para los escenarios
analizados, una migración a una alternativa de operación dinámica (escenario
) resulta significativamente más costosa que mantener una operación
estática (escenario
): 6607 UN vs 3311 UN. De esta forma, los ahorros de
147
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
OpEx del escenario
no son suficientes para contrarrestar la gran inversión
en nuevos dispositivos.
Además, en la Fig. 6-10 también se puede apreciar que los costos
operacionales representan un pequeño porcentaje en el costo de migración total
de las alternativas de migración: un 25% y un 10% para los escenarios
y
,
respectivamente. Esta diferencia se debe principalmente a que el escenario
necesita menos ingenieros para el M&CS y más transpondedores que el
escenario
. Esto deja en evidencia que los esfuerzos en reducir los costos
operacionales de las alternativas de migración impactan en menor proporción
que los ahorros en adquisición de dispositivos.
La metodología propuesta en esta tesis no sólo permite cuantificar a
ya
, sino que también permite la identificación de los factores de
mayor contribución en la evaluación del costo de migración. En el ejemplo
propuesto en este capítulo, los factores de mayor contribución son:
-
El costo de los componentes.
-
El salario de los técnicos.
-
El largo total del cableado de la red.
148
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
Fig 6-11: Evolución temporal del costo de migración (
desagregado en los aportes de
(b)
y
), en términos de UN,
para los escenarios (a)
y
, respectivamente.
La Fig. 6-12 (a)-(c) muestra el valor del costo de migración normalizado para
el escenario B2 cuando se varían, por separado, el costo de componentes,
salario de técnicos y el largo del cableado de la red en un ±25% y ±50%,
149
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
respectivamente (cabe mencionar que el costo de migración para el escenario
B1 varía de manera similar pero en distinta escala). Se muestra que el factor
que produce mayores variaciones en el costo de migración es el costo de los
componentes: un incremento del 25% (50%) de los componentes de la red
provocaría un crecimiento casi lineal del costo de migración (24% y 27%,
respectivamente). Sin embargo, el costo de migración es casi insensible a las
variaciones del salario de los técnicos o del largo total del cableado de la red: un
incremento del 50% del salario de los técnicos o del cableado de la red provoca
sólo cerca de un 1% de variación del costo de migración. Esto implica que el
costo de migración no sufriría mayores variaciones si en lugar de analizar la
NSFNet, se hubiese analizado una red con las dimensiones de un país de
Europa. Esto es debido a que una red de un país europeo podría tener un largo
total de cableado de hasta 10 veces menos que una red continental como la
NSFNet.
Fig. 6-12: Costo de migración normalizado en función de las variaciones del
largo total de cableado, costo de componentes y del salario de los técnicos.
150
CAP.6. EJEMPLO DE APLICACIÓN DE METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN
6.7. RESUMEN
En este capítulo se aplica la metodología de evaluación de alternativas
de migración propuesta en esta tesis a un ejemplo en particular. El escenario
inicial es una red WDM estática cuyas portadoras ópticas funcionan con tasas
de transmisión de 10 Gbps. Las dos alternativas de migración constan de
portadoras ópticas operando a 40 Gbps pero difieren entre sí en la operación de
la capa WDM: estática vs dinámica. Ambas alternativas poseen estructuras de
nodos distintas pero igual configuración de enlaces. Además, a la alternativa de
operación dinámica es necesario agregarle un sistema de control al NMS. Se
supone que la migración ocurre cuando la red inicial alcanza cerca del 100% de
utilización de sus conexiones ( = 1) y debido que la capacidad de las portadoras
ópticas aumentó en un factor de 4, la carga inicial
de los escenarios de
migración corresponde a 0,25. Suponiendo una tasa de crecimiento de tráfico
del 30% anual, el número de periodos (años) para que una nueva migración se
produzca es de 5 años. Además, basados en las curvas del requerimiento de
longitudes de onda presentadas en el Cap. 5, la carga de tráfico a la cual las
curvas de requerimiento de longitudes de onda de las redes WDM dinámicas
coinciden con las del caso estático es de 0,6. Esto implica que el número de
inversiones sea de 3. Basados en costos de dispositivos y de operación
publicados en distintos artículos, se procedió a evaluar el
y
,
llegando a la conclusión que la operación WDM dinámica con la arquitectura de
nodo propuesta en [Huang04] requiere mayor
y menor
que la
operación estática con la arquitectura de nodo propuesta en [Leiva11]. De este
modo, en este ejemplo de aplicación en particular, no es conveniente migrar a
una operación WDM dinámica.
151
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
En esta tesis se propuso una metodología, paso a paso, para evaluar
alternativas de migración de redes WDM y seleccionar la más conveniente
cuando una red WDM se encuentre en un estado cercano a la saturación de sus
conexiones y se deba realizar un aumento de capacidad. La metodología evalúa
las alternativas en términos del costo diferencial de capital y del costo
operacional. El costo diferencial de capital fue definido como la inversión de
sólo el nuevo equipamiento necesario para operar y el costo operacional se
definió como los gastos para mantener la red en funcionamiento (energía,
reparación de fallas y salarios). Además, esta metodología es lo suficientemente
general para considerar distintas arquitecturas de redes WDM, tipos de
operación de la capa WDM (estática o dinámica), algoritmos de asignación de
recursos y técnicas de tolerancia a fallas. Cabe destacar que esta metodología
fue propuesta y publicada en [Leiva13].
A modo de ilustración del uso de la metodología propuesta, ésta fue
aplicada a una red WDM en particular (según la topología de la NSFNet)
operando de manera estática, con conexiones de 10 Gbps entre cada par de
nodos y cercanas a la saturación. Se analizaron dos posibles escenarios de
migración: el primero, conserva la operación estática de la red y aumenta la
velocidad de transmisión de las conexiones existentes de 10 a 40 Gbps, en
cambio, el segundo, cambia a una operación dinámica con conexiones de 40
Gbps. Suponiendo una tasa de crecimiento de tráfico anual del 30% y una carga
inicial de 0,25, el periodo de tiempo para que un nuevo aumento de capacidad
sea necesario es de 5 años. Además, de acuerdo al comportamiento de la carga
de tráfico a través de los años y a los requerimientos de capacidad en función
152
CONCLUSIONES
de la carga de tráfico entregados en el Cap. 5 (dimensionamiento de
componentes), el número de instantes de inversión para las alternativas de
operación WDM estática y dinámica es de 1 y 3, respectivamente. El costo
diferencial de capital para el escenario de operación dinámica es 139 % mayor
al escenario de operación estática. Esto se debe principalmente por el mayor
número de nuevos transpondedores necesarios en los nodos dinámicos. El costo
operacional para el escenario de operación estático es 27 % mayor al escenario
de operación dinámica. Esto se debe principalmente a la contribución de los
costos de mantención (mayor número de ingenieros de jornada completa para el
caso estático a cargo del provisioning). Del punto de visto global, el costo de
migración (CM) de la alternativa dinámica resulta ser aproximadamente 100%
mayor que para el caso estático. La mayor contribución en el CM es producto
del costo diferencial de capital: un 75% y 90% para los casos estáticos y
dinámicos, respectivamente. De esta forma, a pesar que la operación dinámica
logra ahorros en aspectos de operación, éstos no son suficientes para compensar
los grandes costos incurridos en equipamiento para el nuevo tipo de
funcionamiento de la red WDM.
Se espera que esta metodología ayude a los diseñadores de redes ópticas
WDM a identificar la alternativa de migración de menor costo y los factores
claves que la afectan. De esta forma, es posible evaluar el impacto de decisiones
técnicas sobre los costos de migración.
Aparte de la metodología propuesta, en esta tesis se propusieron y
detallaron escenarios de migración desde las actuales redes WDM estáticas; se
propusieron modelos de costos de capital y de operación aplicables a procesos
de migración de redes WDM (publicados en [Leiva12a]). Cabe destacar que la
arquitectura de nodos WDM de operación estática considerada en el ejemplo de
aplicación de la metodología, fue propuesta y publicada en [Leiva11] con la
finalidad de disminuir el consumo energético en comparación con arquitecturas
convencionales.
Además,
fueron
propuestos
novedosos
métodos
de
153
CONCLUSIONES
dimensionamiento de longitudes de onda y transmisores/receptores para redes
WDM estáticas y dinámicas tolerantes a falla (publicados en [Leiva09,
Leiva10b, Leiva11, Leiva12a]).
Las principales limitaciones de este trabajo tienen relación con las
siguientes suposiciones hechas en esta tesis: la red completa alcanza un estado
de saturación de las conexiones en un mismo tiempo y no hay cambios
topológicos durante la migración. Estas suposiciones describen un proceso de
migración “big bang”, en donde toda la red es actualizada al mismo tiempo.
Para superar estas limitaciones, entonces sería necesario considerar en un
trabajo futuro un proceso de migración gradual, en donde las conexiones se
actualizan individualmente en distintos tiempos de acuerdo a las cargas de
tráfico y tasas de crecimiento anual.
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