Converged optical access networks for mobile blackhaul

Abstract

Τα τελευταία χρόνια, η ζήτηση για δίκτυα πρόσβασης μεγάλης χωρητικότητας αυξάνεται συνεχώς, οπότε οι πάροχοι υπηρεσιών ψάχνουν πάντοτε για αποδοτικές και αποτελεσματικές λύσεις για την αρχιτεκτονική των δικτύων πρόσβασης, λαμβάνοντας επίσης υπόψη την ενσωμάτωση των αρχιτεκτονικών οπτικών ινών επόμενης γενιάς με τα ευρυζωνικά δίκτυα ασύρματης τεχνολογίας, που θα μπορούν να υποστηρίξουν πλήρως τόσο την ασύρματη όσο και τη ενσύρματη διακίνηση δεδομένων. Ως εκ τούτου, όπως επισημάνθηκε και από ομάδα της Οργάνωσης ITU-T } που εστιάζεται στα Δίκτυα του 2030 (FG NET-2030), πρέπει να αναπτυχθούν νέα οπτικά δίκτυα πρόσβασης επόμενης γενιάς για να υποστηρίξουν και να εγγυηθούν τη διακίνηση δεδομένων για τα ασύρματα δίκτυα επόμενης γενεάς (5G και μετέπειτα). Ο συνδυασμός της χωρητικότητας των παθητικών οπτικών δικτύων χρησιμοποιώντας πολυπλεξία κατά μήκος κύματος με την κινητικότητα που παρέχουν τα ασύρματα δίκτυα αποτελεί μια ισχυρή πλατφόρμα για την υποστήριξη και τη δημιουργία μελλοντικών εφαρμογών και υπηρεσιών. Συγκεκριμένα, οι αρχιτεκτονικές παθητικών οπτικών δικτύων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την μεταφορά δεδομένων από μεμονωμένους σταθμούς βάσης στον ελεγκτή δικτύου ραδιοσυχνοτήτων. Ωστόσο, για να χρησιμοποιηθούν με τέτοιο τρόπο οι αρχιτεκτονικές παθητικών οπτικών δικτύων, απαιτείται να μπορούν να λειτουργούν με κατανεμημένο τρόπο. Επιπλέον, σε αυτά τα συγκλειόμενα δίκτυα οπτικής-ασύρματης πρόσβασης, σφάλματα εμφανίζονται συχνά και μερικές φορές με σοβαρές συνέπειες. Παρόλο που τα σφάλματα δεν μπορούν να αποφευχθούν, η γρήγορη ανίχνευση και αποκατάσταση των σφαλμάτων είναι απαραίτητη για την αξιόπιστη λειτουργία του δικτύου. Έτσι, η ενσωμάτωση των αρχιτεκτονικών παθητικών οπτικών δικτύων με πολυπλεξία κατά μήκος κύματος με τις τεχνολογίες κινητής ευρυζωνικής πρόσβασης επόμενης γενιάς παρουσιάζει μια σειρά από ανοικτά ζητήματα, προκλήσεις, και ευκαιρίες που πρέπει να μελετηθούν προκειμένου τα μελλοντικά δίκτυα οπτικής-ασύρματης πρόσβασης να μπορούν να παρέχουν υπηρεσίες αποτελεσματικά και αξιόπιστα. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη προβλημάτων που σχετίζονται με την αποτελεσματική κατανομή μήκους κύματος και τον προγραμματισμό τόσο της σταθερής όσο και της ασύρματης κίνησης δεδομένων σε οπτικά-ασύρματα δίκτυα πρόσβασης, καθώς και καινοτόμες αρχιτεκτονικές και τεχνικές για την αποκατάσταση τόσο της σταθερής όσο και της ασύρματης κίνησης δεδομένων σε αυτά τα δίκτυα. Συγκεκριμένα, προτείνονται νέοι αλγόριθμοι για την αποτελεσματική υποστήριξη της κυκλοφορίας του δικτύου. Επίσης, προτείνεται μια νέα, ευέλικτη αρχιτεκτονική δικτύου οπτικής πρόσβασης η οποία μπορεί να υποστηρίξει αποτελεσματικά όχι μόνο τους σταθερούς χρήστες αλλά και τους χρήστες των ασύρματων δικτύων κάτω από κανονικές συνθήκες λειτουργίας του δικτύου και σε περιπτώσεις που υπάρχουν σφάλματα στο δίκτυο, ελαχιστοποιώντας τον μέσο χρόνο παράδοσης των δεδομένων και χωρίς να χρησιμοποιούνται επιπλέον οπτικές ίνες για λόγους προστασίας του δικτύου. Ο κύριος στόχος είναι η παροχή υπηρεσιών υψηλής ταχύτητας, συμμετρίας, ανθεκτικών στα σφάλματα και με εγγυημένη ποιότητα εξυπηρέτησης, για τους σταθερούς και κινητούς χρήστες του δικτύου. Αυτή η διατριβή συμπληρώνει ένα υπάρχον κενό στην αρένα δικτύων πρόσβασης με τη διατύπωση και την ανάπτυξη λύσεων για το πρόβλημα της αποτελεσματικής και αξιόπιστης μεταφοράς σταθερής και ασύρματης κίνησης δεδομένων σε συγκλίνοντα δίκτυα πρόσβασης.

Over the last few years, demand for high-bandwidth access networks has been growing continuously, thus service providers are always searching for efficient and effective architecture solutions for the access arena, while also considering the integration of next-generation optical access architectures with mobile broadband access technologies that can fully support both mobile and fixed traffic. Further, wireless/mobile networks have recently received significant attention, resulting in a growing gap (imbalance) between the current fixed and future mobile components of next-generation networks; thus, as also highlighted by the ITU-T Focus Group Technologies for Network 2030 (FG NET-2030), next generation fixed access networks are required to be developed in order to support and guarantee 5G’s (and beyond) data throughput. Combining the capacity of WDM-PONs with the ubiquity and mobility of wireless networks forms a powerful platform for the support and creation of future applications and services. In particular, PON architectures can be utilized to backhaul traffic from individual base stations (BSs) to the Radio Network Controller (RNC), which then connects to the mobile operators’ core network or gateway (this mobile backhaul is also referred to as the Radio Access Network (RAN)). However, in order for the PON architectures to backhaul mobile traffic, new distributed TDM/WDM-PON-based backhaul architectures are needed, as next-generation wireless technologies require more distributed RAN architectures. Furthermore, in these types of converged optical-wireless access networks, failures occur often and sometimes with serious consequences. Even though failures cannot be avoided, quick detection and recovery of a fault are essential for highly reliable network operation. Thus, integration of WDM-PON architectures with next-generation mobile broadband access technologies presents a number of open issues, challenges, and opportunities which need to be studied in order to be able to provide innovative future Fiber-Wireless (FiWi) networks. The objective of this dissertation is to study problems related to efficient wavelength sharing and scheduling for both fixed and wireless traffic in converged optical-wireless access networks, as well as novel converged access architectures and techniques for failure recovery of both fixed and wireless traffic in converged access networks. Specifically, new heuristics and optimization algorithms are proposed for converged ring based WDM-PON optical access networks in order to support efficiently the network traffic. Also, a resilient wheel-based optical access network architecture is proposed that can efficiently support not only the fixed users but also the mobile users in both downstream and upstream operations under normal and failure scenarios, while minimizing the average traffic delivery time and without using extra redundant fibers for protection purposes. The main objective is to provide services that are high-speed, symmetric, survivable, and with guaranteed QoS, supporting different types of traffic for both fixed and mobile users. This dissertation fills an existing void in the access arena by formulating and developing solutions for the problem of efficiently and reliably transporting fixed and wireless traffic in converged access networks.