Alokacja widma w elastycznej sieci optycznej
Gdy pojawia się żądanie nowego połączenia optycznego, operator sieci musi wybrać wykonalną ścieżkę w topologii oraz zarezerwować widmo na każdym łączu tej ścieżki. Wybór ścieżki to trasowanie. Wybór zasobu częstotliwości na wybranej ścieżce to alokacja widma (SA). Obie operacje określa się razem jako Routing and Spectrum Assignment (RSA). W sieci z elastyczną siatką decyzje są powiązane, ponieważ wymagana szerokość szczeliny musi być dostępna na całej trasie.
W , dostępne widmo jest przedstawiane jako małe zasoby częstotliwościowe zwane szczelinami częstotliwościowymi. Żądanie połączenia wymaga określonej liczby sąsiadujących szczelin, czyli ciągłego bloku. Algorytm alokacji widma musi wybrać blok wolny na każdym łączu trasy, zachować ciągłość widma, jeżeli nie ma konwertera, oraz uniknąć nakładania na istniejące przydziały. Powinien także pozostawić układ widma użyteczny dla kolejnych żądań.
Fragmentacja widma
Jednym z głównych wyzwań alokacji widma jest fragmentacja widma. W dynamicznej sieci połączenia są zestawiane i zwalniane w różnym czasie. Zwolnienie połączenia oddaje jego szczeliny, lecz kolejne żądania mogą zająć tylko część powstałej luki. Wielokrotna alokacja i zwalnianie może pozostawić wiele rozproszonych wolnych bloków, które są zbyt wąskie dla nowego żądania.
Fragmentacja ma znaczenie, ponieważ duża suma wolnego widma nie gwarantuje użytecznej alokacji. Nowe żądanie może zostać odrzucone, gdy żaden pojedynczy blok szczelin nie jest wystarczająco szeroki na wszystkich łączach rozważanej trasy. Efekt należy oceniać razem z dostępnością trasy, szerokością szczeliny i ograniczeniem ciągłości.
Konsekwencje fragmentacji
Niewłaściwie zarządzana alokacja widma może zwiększać fragmentację oraz wynikające z niej prawdopodobieństwo blokady. Połączenie jest „blokowane”, gdy sieć nie może znaleźć odpowiedniej trasy i bloku widma, choć suma wolnych szczelin może wydawać się wystarczająca. Prawdopodobieństwo blokady jest miarą wydajności sieci. Jego wpływ na przychody i doświadczenie klienta zależy od umów, zapotrzebowania oraz polityki przyjmowania ruchu.
Heurystyki alokacji widma
Znalezienie optymalnej alokacji dla zmiennego zbioru żądań jest zadaniem obliczeniowo trudnym (). Kontrolery sieci korzystają więc z heurystyk, które stosują proste reguły i szybko zwracają wykonalną alokację. Heurystyka może poświęcać optymalność na rzecz przewidywalnego czasu obliczeń.
Rozważmy łącze światłowodowe, którego indeksy szczelin biegną od 0 do 319. Żądanie wymaga czterech sąsiednich szczelin. Wolne są blok 10-15 obejmujący sześć szczelin, blok 40-43 obejmujący cztery szczeliny oraz blok 90-95 obejmujący sześć szczelin. Reguła alokacji określa, który kwalifikujący się blok zostanie wybrany.
Strategie alokacji
First-Fit (FF), pierwsze dopasowanie
Reguła: Przeskanuj widmo, zaczynając od najniższej częstotliwości (szczeliny 0) w górę, i przydziel pierwszy dostępny, ciągły blok szczelin, który jest wystarczająco duży, aby obsłużyć żądanie.
W naszym przykładzie: Algorytm przeskanowałby widmo, znalazł wolny blok 10-15, stwierdził, że jest wystarczająco duży i przydzieliłby szczeliny 10, 11, 12 i 13 do nowego połączenia.
Implikacje: FF jest prosty i szybki w implementacji. Często zapełnia szczeliny o niższych indeksach, co może pozostawić większe bloki przy wyższych indeksach, lecz wynik zależy od czasu trwania połączeń, topologii i szerokości żądań. Skuteczność pod względem blokady należy mierzyć dla konkretnej sieci, zamiast zakładać ją na podstawie samej reguły.
Last-Fit (LF), ostatnie dopasowanie
Reguła: Przeciwieństwo First-Fit. Przeskanuj widmo, zaczynając od najwyższej częstotliwości w dół, i przydziel pierwszy wystarczająco duży blok.
W naszym przykładzie: Algorytm przeskanowałby od góry, znalazł wolny blok 90-95 i przydzielił szczeliny 92, 93, 94 i 95 (lub 90-93).
Implikacje: Ta strategia upakowuje połączenia przy wyższych indeksach widma i pozostawia wolne miejsce na dole. Jej działanie jest odpowiednikiem FF przy odwróconym kierunku skanowania, lecz wynik nadal zależy od ruchu, topologii i użytecznego zakresu częstotliwości urządzeń.
Random-Fit (RF), losowe dopasowanie
Reguła: Zidentyfikuj wszystkie dostępne ciągłe bloki, które są wystarczająco duże dla żądania, a następnie wybierz jeden z nich losowo.
W naszym przykładzie: Algorytm zidentyfikowałby bloki , i jako kandydatów i losowo wybrał jeden dla połączenia czteroszczelinowego.
Implikacje: Losowe rozmieszczanie może rozpraszać alokacje po widmie i tworzyć bardziej oddzielone luki. To, czy poprawia lub pogarsza blokadę, zależy od modelu ruchu, topologii i reguły porównawczej, dlatego RF wymaga oceny zamiast uniwersalnego rankingu względem FF.
Exact-Fit, dokładne dopasowanie
Reguła: Poszukaj wolnego bloku, który ma dokładnie taki sam rozmiar jak żądanie. Jeżeli nie ma dokładnego bloku, implementacja musi stosować zdefiniowaną regułę awaryjną, na przykład wybrać większy blok inną polityką albo odrzucić żądanie.
W naszym przykładzie: Algorytm najpierw poszukałby bloku 4-szczelinowego. Znalazłby blok i natychmiast by go wybrał, pozostawiając większe bloki i nietknięte dla potencjalnych większych żądań w przyszłości.
Implikacje: Dokładne dopasowanie może zachować większe bloki, jeżeli reguła awaryjna jest dobrana starannie. Wymaga dodatkowego warunku wyszukiwania i nie gwarantuje mniejszej blokady dla każdego modelu ruchu. Korzyść należy sprawdzić razem z regułą awaryjną i obciążeniem sieci.
Ograniczenia poza regułą alokacji
Poza regułą wyboru szczeliny praktyczny system alokacji widma musi uwzględniać ograniczenia optyczne oraz możliwości sygnalizowane przez transceivery i węzły przełączające. Płaszczyzna sterowania może przenosić w sygnalizacji wymaganą częstotliwość centralną i szerokość szczeliny, lecz dokładna procedura zależy od architektury sterowania.
Modulacja i zasięg
Wymagana szerokość szczeliny nie jest stała. Zależy od szybkości symbolowej, kodowania i formatu modulacji, a dopuszczalny format zależy od tłumienia, szumów, efektów nieliniowych oraz wymaganego zasięgu.
Rozważmy żądanie 100 Gb/s jako przykład zależny od profilu urządzenia:
- Na krótkiej ścieżce profil urządzenia może obsługiwać modulację wyższego rzędu 16-QAM i przydzielić trzy szczeliny. Dokładna szerokość zależy od szybkości symbolowej, kodowania i konstrukcji transceivera.
- Na dłuższej ścieżce ten sam profil może wybrać format niższego rzędu, taki jak BPSK, aby uzyskać większy margines odporności na szum. Wtedy może wymagać ośmiu szczelin dla tej samej przepływności klienta. Są to przykłady poglądowe, które wymagają weryfikacji bilansem łącza.
Algorytm SA nie może więc szukać wyłącznie „jakiegoś wolnego bloku”. Najpierw musi wyznaczyć wykonalny profil sygnału na podstawie ograniczeń trasy i transceivera, a następnie znaleźć ciągły blok o szerokości wystarczającej dla tego profilu. Przydział musi pozostać dostępny na całej trasie.
Defragmentacja widma
Gdy fragmentacja ogranicza kolejne alokacje, jednym z rozwiązań jest defragmentacja widma. Istniejące połączenia przenosi się do innych prawidłowych zakresów częstotliwości, aby połączyć małe wolne bloki w większe. Procedura musi zachować ograniczenia sygnału na każdej zmienianej trasie oraz skoordynować węzły na tych trasach.
Dla działającego ruchu potrzebny jest mechanizm make-before-break albo inny mechanizm bezprzerwowy oraz koordynacja płaszczyzny sterowania. Jeżeli urządzenia nie potrafią przesunąć kanału bez przerwy, defragmentacja może wymagać zaplanowanej zmiany usługi. Wybór zależy od przestrajania transceivera, obsługi przełączania i polityki ochrony operatora.