Дослідження особливостей побудови енергоефективних фотонних транспортних мереж

Тропін, Денис Андрійович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8278

Title:	Дослідження особливостей побудови енергоефективних фотонних транспортних мереж
Authors:	Івченко, Олександр Віталійович Тропін, Денис Андрійович
Keywords:	Комп’ютерні мережі;фотонні транспортні мережі;оптичні комутатори;енергоефективність мереж;математичні моделі
Issue Date:	2021
Abstract:	"Основним завданням роботи є аналіз підходів та наведення рекомендацій по вдосконаленню мережевої енергоефективності. В роботі запропонована модель енергоефективної оптичної мережі, та рекомендації для покращення енергоефективності для існуючих мереж. Запропонований оптимальний варіант з точки зору економічного підходу до вибору мережевого обладнання. "
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8278
Appears in Collections:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
М_172_ТК_Тропін_Івченко.pdf Restricted Access		3.56 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

Форма № Н-6.01

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
(повне найменування вищого навчального закладу)

електронних технологій і робототехніки
(повне найменування інституту, назва факультету (відділення))

кафедра робототехнічних і телекомунікайних систем та кібербезпеки
(повна назва кафедри, циклової комісії)

Пояснювальна записка
до дипломної роботи
магістр
(освітньо-кваліфікаційний рівень)
на тему: «Дослідження особливостей побудови
енергоефективних фотонних транспортних мереж»

Виконав: Студент ІІ курсу, групи ТК-006
спеціальності 172 – «Телекомунікації та
радіотехніка» освітня програма «Телекомунікації»
Тропін Д.А.
(прізвище та ініціали)
Керівник Івченко О.В.
(прізвище та ініціали)
Рецензент Протасов С.Ю.
(прізвище та ініціали)

м. Черкаси – 2021 рік
Форма № Н-9.01
Черкаський державний технологічний університет

Факультет електронних технологій і робототехніки
Кафедра робототехнічних і телекомунікайних систем та кібербезпеки
Освітньо-кваліфікаційний рівень магістр
Напрям підготовки
(шифр і назва)
Спеціальність 172–«Телекомунікації та радіотехніка» спеціалізація
Телекомунікації

(шифр і назва)

ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри В.В. Палагін
“_____” ___________________ 2021 року

З А В Д А Н Н Я
НА ДИПЛОМНУ РОБОТУ СТУДЕНТУ

Тропіну Денису Андрійовичу .
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи Дослідження особливостей побудови енергоефективних
фотонних транспортних мереж
керівник роботи Івченко Олександр Віталійович, к.т.н.
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджені наказом вищого навчального закладу від “21” вересня 2021 р. № 289-1/01
2. Строк подання студентом проекту (роботи) 10.12.2021
3. Вихідні дані до проекту (роботи) Фотонна мережа; моделі фотонних
транспортних мереж; пропускна здатність мережі; Wi-Fi роумінг; VPN IPSec
/ L2TP клієнти;
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно
розробити) 1. Аналіз методів побудови фотонних транспортних мереж; 2.
Моделі фотонних транспортних мереж; 3 Визначення енергоефективності
оптичних транспортних мереж
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)
Різновиди і класифікація фотонних транспортних систем, моделі фотонних
транспортних мереж, Математична модель визначення параметра
енергоефективності.

6. Консультанти розділів проекту (роботи)
Підпис, дата
Прізвище, ініціали та посада
Розділ завдання завдання
консультанта
видав прийняв
Основний розділ к.т.н. Івченко О.В.

7. Дата видачі завдання 12 вересня 2021 року

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

№ Назва етапів дипломного Строк виконання Примітка
з/п проекту (роботи) етапів проекту
(роботи)
1. Аналіз методів побудови фотонних 12.09.2021 –

транспортних мереж 28.09.2021
2. Огляд моделей фотонних транспортних 28.09.2021 –

мереж 15.10.2021
3. Аналіз математичної моделі визначення 15.10.2021 –
30.10.2021
параметра енергоефективності
транспортної мережі
4. Визначення параметра енергоефективності 30.10.2021 –
10.11.2021
транспортної мережі
5. оформлення пояснювальної записки 10.11.2021 –

24.11.2021

Студент __________ Тропін Д.А.
(підпис) (прізвище та ініціали)
Керівник проекту (роботи) _________ Івченко О.В.
(підпис) (прізвище та ініціали)

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ…………………………………….……..6
ВСТУП……………………………………………………………………….……....8

РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ МЕТОДІВ ПОБУДОВИ ФОТОННИХ
ТРАНСПОРТНИХ МЕРЕЖ …………………………………………..…............9
1.1 Різновиди і класифікація фотонних транспортних систем…………………...9
1.2 Елементи та пристрої в оптичних транспортних мережах…………………..15
1.4. Висновки до розділу ……………………………………………………..……21

РОЗДІЛ 2 МОДЕЛІ ФОТОННИХ ТРАНСПОРТНИХ МЕРЕЖ……..........22
2.1 Моделі для побудови транспортних мереж…………………………………..22
2.2 Математичні моделі для аналізу оптичної транспортної мережі…………...31
2.2.1 Теорія графів.................................................................................................... 31
2.2.2 Тензорний аналіз……………………………………………………………..33
2.2.3 Моделі випадкових графів…………………………………………………...34
2.2.4 Модель Ердос-Ренеі…………………………………………………………..35
2.2.5 Узагальнені випадкові графи………………………………………………...36
2.2.6 Безмасштабні мережі та модель Барабаші-Альберта……………………….40
2.2.7 Теорія перколяції……………………………………………………………..41
2.2.8 Методи діакоптики для дослідження і побудови мереж великих розмірів..42
2.4. Висновки до розділу…………………………………………………………...45

ТК006.020701.248 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Тропін Д.А. Літера Аркуш Аркушів
Керівник Івченко О.В. Дослідження особливостей 4
Реценз Протасов С.Ю. побудови енергоефективних
Н.контр. ЧДТУ, ТК-006
фотонних транспортних мереж
Затверд

РОЗДІЛ 3 ВИЗНАЧЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ ОПТИЧНИХ
ТРАНСПОРТНИХ МЕРЕЖ……………………………………………………..….46
3.1 Рішення для підвищення енергоефективності оптичних транспортних мереж.46
3.1.1 Технологічні рішення для покращення енергоефективності оптичних
транспортних мереж………………………………………………………………..…47
3.1.2 Пасивна оптична мережа доступу РОN…………………………………….….49
3.1.3 Архітектурні підходи для покращення енергоефективності…………………53
3.2 Методика визначення енергоспоживання оптичної транспортної мережі
Загальний принцип визначення параметра енергоефективності…………………..55
3.3 Математична модель визначення параметра енергоефективності транспортної
мережі………………………………………………………………………………….58
3.4 Визначення енергоефективності транспортної частини телекомунікаційної
мережі…………………………………………………………………………………..62
3.4.1 Визначення параметра енергоефективності маршрутизатора транспортної
оптичної мережі……………………………………………………………………….64
3.4.2. Визначення параметра енергоефективності для акустооптичного
комутатора……………………………………………………………………………..67
4.4.3. Визначення параметра енергоефективності за зміни швидкості передачі
даних……………………………………………………………………………………69
3.4.4. Визначення параметра енергоефективності комутатора залежно від кількості
наскрізних каналів………………………………………………………………….…70
3.4.5. Визначення параметра енергоефективності електрооптичного
модулятора……………………………………………………………………………..71
3.4.6. Вплив типу модуляції на енергетичне споживання фотонних транспортних
мереж…………………………………………………………………………………...74
3.8.Висновки до розділу................................................................................................77

ВИСНОВКИ…………………………………………………………………………....78
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ ………………………….…….……....80
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 5
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

ATM - Asynchronous Transfer Mode - асинхронний спосіб передачі даних.
ВНР - Burst Header Packet - пакет заголовка блока.
,DWDM - Dense Wavelength Division Multiplexing щільне хвильове -
мультиплексування
EDFA- Erbium Doped Fiber Amplifier - ербієвий волоконно-оптичний підсилєвач
FGN - Future Generation Network мережа майбутнього покоління. ' "
GMPLS - Generalised MPLS узагальнена багатопротокольна комутація за мітками
HDWDM - High-Dense Wavelength Division Multiplexing високощільне хвильойве
мультиплексування.
JET-Just Enough Time - мінімальний необхідний час.
INI - Intermediate Node Initiation - підтвердження через проміжний вузол.
IP - Internet Protocol - міжмережний протокол.
ITU -T- International Telecommunication Union - Telecommunication sector-
Міжнардний союз електрозв'язку - сектор телекомунікації.
LER - Isabel Edge Routers - граничний маршрутизатор міток.
LSP - Label Switch Path - шляхи комутації міток.
LSR - Label Swithing Routers - мітка комутуючих маршрутизаторів.
MPLS - Multiprotocol Label Switching - багатопротокольна комутація за мітками.
OADM - Optical Add/Drop Multiplexer-оптичний мультиплексор.
OBS - Optical Burst Switching - оптичний блок комутації.
OOК - on-off keying - включено-виключено (вид маніпуляції оптичним сигналом).
OTN - Optical transport network - оптична транспортна мережа.
ОХС - Optical Cross Connect - оптичні крос-комутатори.
РМ-і QAM - Polmultiplexing-/ Quadrature Amplitude Modulation - поляризаційне
мультиплексування і-квадратурної амплітудної маніпуляції (і=16 та 32).
PM-QPSK - Polmultiplexing Quadruple Phase Shifted Keying - поляризаційне
мультиплексування квадратичної фазової маніпуляції.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 6
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

PLP - Photon Line Path - фотонний лінійний тракт.
PLT - Photon Line Terminal - фотонний лінійний термінал.
PTN - Photonic І ransport Network - фотонна транспортна мережа.
PTS — Photonic I ransport System — фотонна транспортна система.
QoS - Quality of Service - якість обслуговування.
SDH Synchronous Digital Hierarchy-синхронна цифрова ієрархія.
SOA - Semiconductor optical amplifier напівпровідниковий оптичний підсилювач,
ТAW - Tell and Wait - відправити і чекати.
TCP - I ransmission ( ontrol Protocol протокол управління пересиланням.
UDP - User Datagram,,. Protocol протокол данограм користувача.
AO акуеюоіничний.
EO -електрооптичний.
ЕОК електрооптична комірка,
ОЕО-оптоелектрооптичний
ООО- повністю оптичний, фотонний
ФК фотонний кристал.

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 7
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

ВСТУП

В сучасному світі побудова високошвидкістних транспортних мереж
пов’язана з використанням технологій оптичних систем зв’язку з відповідним
комутаційним обладнанням. У зв’язку із постійним зростанням потреб в отриманні
інформації і відповідно збільшенням трафіку виникають нові вимоги до
обслуговування у транспортній мережі. Особливого значення набувають
енергоефективні технології. Щоб задовольнити вимоги підвищення ефективності
мережі необхідно вирішувати задачі технічного, фізичного та математичного
характеру, зокрема побудова ефективних мережних структур на основі новітніх
елементів мережної архітектури (засобів та протоколів). Важливою задачею
залишається розробка мережних пристроїв з найефективнішим використанням
матеріалів для активного комутаційного обладнання.
В сучасних транспортних мережах поступово відбувається перехід до
повністю оптичних мереж, тобто фотонних мереж, які максимально позбуваються
оптоелектрооптичних (ОЕО) перетворень. Також для збільшення пропускної
здатності OTN розробляються та розвиваються технології швидкої комутації.
Активно використовують комутацію за мітками - MPLS або GMPLS, а також
реалізовується технологія OBS, яка забезпечує оптичну комутацію блоків із
використанням оптичних комутаторів, що дає можливість зменшити час передачі
даних. Для забезпечення необхідної якості та кількості наданих телекомунікаційних
послуг необхідно також упроваджувати новітні мережні засоби, такі як ФКВ, а
також об'єднання існуючих технологій, наприклад, IP/MPLS/DWDM.
Завантаженість PTN зазнає різних за характером змін, унаслідок чого
виникають можливості перевантажень оптичної мережної платформи, а відповідно
й імовірних втрат у процесі передачі інформації і погіршення часових параметрів.
Виникає необхідність у дослідженні PTN, а саме методів та протоколів управління
навантаженням, зокрема під час застосування OBS і способів зменшення до
мінімуму витрати матеріалів і споживання енергоресурсів.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 8
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ МЕТОДІВ ПОБУДОВИ ФОТОННИХ
ТРАНСПОРТНИХ МЕРЕЖ
Зростання швидкості передачі інформаціїї по оптичному волокну спричиняє
проблеми з розподілом інформаційних каналів, особливо проблему забезпечення
часових параметрів – проблема затримки. Суть проблеми полягає в тому, що
швидкості інформаційних потоків в одномодовому волокні набагато більша ніж
швидкість обробки комутуючих пристроїв, які використовують ОЕО перетворення.
Вирішення цієї проблеми можливе через перехід до фотонних мереж (PTN).
Фотонні мережі використовують тільки оптичні технології в тому числі і під час
оброблення сигналів (перетворення, мультиплексування, підсилення):оптичні
мультиплексори, оптичні лінійні повторювачі, фотонні-крос-конектори.
Оптична транспортна мережа (OTN) є ключовою технологією побудови
магістральних волоконно-оптичних мереж зв'язку, яка прийшла на зміну синхронній
цифровій ієрархії (SDH/SONET).
Принцип технології OTN полягає в тому, що сигнали різних форматів
упаковуються в стандартні контейнери, які потім передаються волоконно-оптичною
мережею. Таким чином забезпечується можливість передачі по транспортній мережі
будь-яких необхідних типів клієнтських сигналів (STM, ATM, IP, Fibre Channel,
InfiniBand та ін), а також ефективне використання пропускної здатності за рахунок
щільного пакування різнорідного трафіку.
Оптичні транспортні мережі будуються з набору оптичних мережевих
елементів, з'єднаних оптоволоконними каналами, здатними забезпечити такі
функції, як транспорт, мультиплексування, маршрутизація, керування, контроль та
живучість каналів, якими передаються сигнали.

1.1 Різновиди і класифікація фотонних транспортних систем

Відмінною характеристикою OTN є її здатність транспортувати будь-який цифровий
сигнал, незалежно від специфіки клієнта. Це забезпечується тим, що межа OTN
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 9
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

розташовується між рівнем клієнта та оптичним каналом (рис. 1.1) таким чином, щоб
увімкнути сервер-специфічні процеси та виключити клієнтські. У контексті
структури протоколу такий поділ досягається за рахунок загортання (wrapping)
даних клієнта в цифровий конверт із службової (overhead – OH) інформації. Тому
стандарт ITU-T G.709, який описує технологію OTN, часто називають Digital
Wrapper (DW).
Як видно із рис. 1.1, транспортний рівень OTN поділяється на три складові [1,2].
Його елементами є оптичні канали (Optical Channel – OCh), секції оптичного
мультиплексування (Optical Multiplexing Section layer – OMS) та секції оптичної
передачі (Optical Transmission Section layer – OTS). На кожному з рівнів з'єднання
між двома кінцевими точками, які називаються доріжками (trail), містять дані про
вищележачий рівень, а також службову інформацію, необхідну для завершення
доріжки та локалізації помилок.

Рис .1.1 Багаторівнева структура OTN

Фотонні транспортні системи можна поділити за двома основними режимами
передачі даних:
1. Режим із ОЕО перетворенням;
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 10
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

2. Прозорий режим, де немає проміжного ОЕО перетворення, тобто ООО. Перший
режим характеризується зручністю керування мережею, сумісністю обладнання від
різних виробників і здатністю до хвильової конвертації, але вимагає використання
енергозатратного ОЕО перетворення на кожному із проміжних вузлів [3]. Головною
особливістю прозорості мережі PTN є гнучкість щодо додатків, які
використовуються у пунктах досту пу (GbE. 1Р. SDH).
На вищому рівні відбуватиметься передача виключно службових або кінцевих
даних. Варто зазначити, що прозорий режим передбачає відкриття наскрізного
каналу між двома кінцевими вузлами, тобто відбувається резервування часових і
спектральних мережних ресурсів на проміжних вузлах шляху Під час комутації
каналів у мережі створюється наскрізний канал передачі даних. Наскрізний канал
передачі даних передбачає резервування часових і спектральних ресурсів для
передачі певного об’єму даних між двома вузлами транспортної мережі. Такий
підхід вимагає розробки методів, які дають змоту максимально завантажувати
кожну доступну довжину хвилі. Отже, виконання прозорого режиму передачі даних
підвищує еноргоефективнісгь OТN за рахунок усунення дорогого і енергозатратного
ОЕО перетворення, а також розвантажує пристрої верхніх рівнів ієрархії.
Також можна провести класифікацію PTS за їх характеристиками:
- за шириною смуги частот, яка відводиться кожному оптичному тракту у робочому
діапазоні частот (довжин хвиль) волокна або за відстанню;
- за поколінням або за часом початку виробництва і появи на ринку PTS різних
технологій хвильового мультиплексування;
- за призначенням PTS різних технологій хвильовою мультиплексування із
застосуванням у різних мережах;
- за робочим діапазоном довжин хвиль (частот).
В сучасних мультисервісних мережах активно використовується технологія
спектрального ущільнення, яка забезпечує істотне підвищення пропускної здатності
мережі.
Розрізняють PTS технології зі спектральним ущільненням:
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 11
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

1. CWDM, у яких відстань по довжині хвилі (по частоті) між сусідніми
оптичними трактами становить не менше ніж 10 нм (1250 ГГц) [4]. Такі PTS у
сумарному (S+С+L)-діапазоні довжин хвиль 1460... 1625 нм одного ООВ дають
змогу утворити вісім оптичних трактів. Максимальна відстань передачі CWDM
складає біля 160 км.
2. WDM, де рознос за довжиною хвилі 1,6; 3,2; 4 або 8 нм, а робочий діапазон
довжин хвиль становить 1528-1561 нм (діапазон частот 192-196 ТГц). Одне ООВ
утворює 4, 8. 10 або 20 оптичних трактів [5].
3. DWDM, у яких рознос за частотою відповідно до рекомендації ITU-T G.692
становить 100 ГГц, у сумарному (С+L)-діапазоні довжин хвиль. Одне ООВ утворює
64 або 80 оптичних трактів. Максимальна відстань передачі DWDM складає більше
160 км. [6, 7].
4. HDWDM. мають рознос за частотою (довжиною хвилі) відповідно до
рекомендації ITU-T G.692 50 ГГц (0,4 нм). Сучасні PTS-технології HDWDM
працюють у сумарному (С+L)-діапазоні довжин хвиль. Одне ООВ утворює 160 або
192 оптичних тракти. Також PTS технології HDWDM утворюють у сумарному
(S+С+L)-діапазоні довжин хвиль 1476,81-1619,06 нм одного ООВ 273 оптичні
тракти [8].
5. NWDM (Narrowband Wavelength Division Multiplexing - вузькосмугове
хвильове мультиплексування), рознос за частотою (довжиною хвилі) становить 25
ГГц (0,2 нм), що в С-діапазоні довжин хвиль із смутою 1530-1570 нм одного ООВ
становить 160 оптичних фактів.
6. UNWDM (Ultra Narrowband Wavelength Division Multiplexing -
надвузькосмугове хвильове мультиплексування), рознос за частотою (довжиною
хвилі) становить від 12,5 (0,1 нм) до 5 ГГц (0,04 нм).
На рисунку 1.2 показане рознесення каналів при використанні технологій CWDM і
DWDM.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 12
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 1.2 Рознесення каналів CWDM і DWDM
Загалом сумарна потужність в ООВ не може перебільшувати 100 мВт (20 дЬ) [9]. За
збільшення кількості хвиль за рахунок спектрального ущільнення системи потрібно
зменшити потужності кожної хвилі для уникнення нелінійних оптичних ефектів
[10]. Це призводить до зменшення довжини регенераційної ділянки і частого
використання регенераторів. Використання додаткової кількості хвиль викликає
додаткові капітальні і експлуатаційні витрати. Витрата електроенергії на одну
довжину хвилі становить порядку 1,2 кВт [11]. Отже, для підвищення енергетичної
ефективності DWDM мереж потрібно максимально завантажити кожну доступну
хвилю.

За призначенням мережі, які використовують PTS-технології WDM, DWDM.
HDWDM діляться на три великі групи [2] :
1. До першої належать PTN, які використовуються для побудови глобальних
підводних (океанських і морських) волоконно-оптичних ліній передачі.
2. До другої групи належать PTS, які використовуються на магістральних
транспортних мережах окремих країн або між країнами, наприклад, оптична мережа
OPEN.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 13
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

3. До третьої групи належать PTS для місцевих (міських) оптичних мереж
доступу. Представниками таких систем є PTS ОРТега Metro компанії Nortel. Metro і
Sentry 4000 - компанії Ciena, РММ Metro компаній Ericsson і Marconi.
Для побудови фотонних лінійних трактів використовують такі види діапазонів
довжин хвиль [2]:
1. Перший вид становлять PTS, які використовують довгохвильову частину С-
діапазону довжин хвиль у межах 1546-1561 нм. Розроблені PTS-технології WDM і
DWDM, які утворюють 8 і 16 оптичних трактів, відповідно. Наприклад. PTS типу
TransXpress Infinity WL - 8/16 компаній Siemens у діапазоні довжин хвиль 1548.51-
1561,42 нм утворює або вісім оптичних трактів з розносом 1,6 нм (200 ГГц), або 16
оптичних трактів із розносом 0.8 нм (100 ГГц) [12]. Компанія Ericsson розробила
PTS-технологію DWDM, яка в діапазоні довжин хвиль 1546,92-1558,98 нм утворює
16 оптичних трактів [13].
2. Другий вид утворюють PТS технології DWDМ і HDWDM, які займають
фактично увесь С-діапазон довжин хвиль 1528-1561 нм. у якому вони утворюють
або 40 оптичних трактів з розносом 0,8нм (100 ГГц). або 80 оптичних трактів із
розносом 0,4 нм (50 ГГц). Типовим представником таких PTS є оптична лінійна
система WavcStar ОLS-400G компанії Lucent [14].
3. Третім видом є PTS-технології DWDM і HDWDM, які працюють у L-діапазоні
довжин хвиль 1570-1625 нм. У L-діапазоні довжин хвиль можна утворити 64 оптичні
тракти з розносом 0,8 нм (100 ГГц). або 128 оптичних фактів з розносом 0,4 нм (50
ГГц).
4. Четвертий вид PTS-технологій DWDM і HDWDM, які працюють у сумарному
(С+L)-діапазоні довжин хвиль 1528-1613нм і утворюють 80 оптичних трактів із
розносом 0,8нм (100ГГц). або 160 оптичних трактів із розносом 0,4 нм (50 ГГц). Як
приклад можна вказані РTS-технологію NWDM.

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 14
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

1.2 Елементи та пристрої в оптичних транспортних мереж
Приклад архітектури оптичної транспортної мережі предсталений на рис. 1.3. Така
мережа складається як з пасивних оптичних компонентів (регулятори рівня,
мультиплексори, розгалуджувачі) так і активних оптичних пристроїв (оптичні
бустери, оптичні лінійні повторювачі, хвильові конвертори). Таким чином в таких
мережах весь тракт проходження інформаційних сигналів є оптичним.

Рис. 1.3 Фрагмент оптичної мережі
У сучасних оптичних мережах активно використовуються нові типи волокон
з унікальними характеристиками:
Анізотропні оптичні волокна
Для зберігання в оптичному волокні деякого виділеного стану поляризації
світла використовуються виготовлені за спеціальною технологією анізотропні
волокна, де використовують ефект фотопружності для штучної підтримки
поляризації світлового сигналу у волокні, введенням у конструкцію спеціальних
силових елементів з відмінним від решти матеріалу коефіцієнтом термічного
розширення, що сприяє створенню поля внутрішньої напруги. Ця напруга повинна
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 15
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

бути певного рівня для забезпечення необхідних оптичних •характеристик волокна
і не повинна порушувати його міцності.
Такі волокна створюють певні проблеми за стику в оптичних роз’ємах. Інтерес
до анізотропних оптичних волокон зумовлений можливістю створювати
розгалужувачі сигналів, самофокусуючі оптичні волокна, а також істотно
зменшувати поляризаційну модову дисперсію [15].
В основу реалізації цих пристроїв покладено властивості анізотропного
.середовища: подвійне променезаломлення, тензорний характер діелектричної
проникливості, поляризаційну дисперсію [16].
На рис. 1.4 показані деякі поширені типи волоконних світловодів з власним
двозаломленням. У цих волокнах двозаломлення залежить від багатьох параметрів:
фотопружної константи серцевини, модуля Юнга кварцового скла, коефіцієнта
Пуассона, різниці коефіцієнтів термічного розширення еліптичної оболонки і
кварцового скла, температури розм’якшення оболонки.

Рис. 1.4 Анізотропні оптичні волокна
Параметри лазерного випромінювання, які змінюються у процесі його модуляції,
називаються інформаційними.
Інформаційними параметрами когерентного оптичного випромінювання
незалежні параметри плоскої монохроматичної хвилі [17]: амплітуда напруженості
поля, частота зміни поля у часі, вид поляризації, направлене обертання поляризації,
початкова фаза коливань, напрямок поширення хвилі. Очевидно, що за типом
змінюваного інформаційного параметра модулятори когерентного випромінювання
оптичного діапазону можуть бути амплітудні частотні, фазові, поляризаційні і
просторові [18].
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 16
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

У системах передачі даних зі швидкістю близько 1Гбіт/с використовуються
лазери із внутрішньою модуляцією. За високих швидкостей передачі даних такий
тип модуляції призводить до нестійкості лазера, що негативно позначається на
передачі даних. Тому у високошвидкісних лініях передачі використовують
напівпровідникові лазери із зовнішньою модуляцією [19], принцип роботи яких
ґрунтується на ЕО ефекті чи АО взаємодії.

Оптичні комутатори у транспортних мережах
Електричні комутатори мають великий час швидкодії і тому не здатні працювати із
великими пропускними здатностями. Існує широкий вибір повністю оптичних
комутаторів (табл. 1.1).
Таблиця 1.1
Порівняльна характеристика видів повністю оптичних комутацій
Тип комутації Час комутації Втрати, дБ Споживання, мВт
Механікооптична <20мс <1.15 420
<4мс <0.6 230
<10мс <1.3 420
МEMS <10мс <1.8 325
<30мс <2.4 500
<10мс <1.3 170
<20мс <1.1 40
ЕО <10нс <4 9,4
чагнітооптич на <200мкс <1.2 30
Рідкокристалічна <100нс <3
Термооптична <22мс <7.5 11
АО <10мкс <1
МЕМS-комутатори, хоча й характеризуються низькими втратами, але мають
низький час комутації [20]. що не відповідає сучасним вимогам [21]. Недоліками
термооптичних комутаторів є низький час комутації і великі втрати. За технічними
характеристиками комутатори на магнітооптичній [22] та рідкокристалічній [23]
структурах відстають від пристроїв, що базуються в акусто- [24] та ЕО основі [20],
що має велике практичне значення. Комутатори на основі цих оптичних ефектів
характеризуються високим часом комутації і низьким енергоспоживанням.
На рис. 1.5 показаний повністю оптичний комутатор (All-optical Switch) компанії
Polatis.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 17
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 1.5 All-optical Switch компанії Polatis з технологією комутації DirectLight
Optical Switc
На рис. 1.6 показана узагальнена схема оптичної системи передавання, в якій
блоками відображені можливі типи обладнання ОТС.
В ОТС широкого застосування набули оптичні мультиплексори xWDM та цифрові
мультиплексори технологій PDH, SDH, ATM.
В ОТС як ВОЛЗ, в основному, використовуються скляні волоконні світловоди, які
забезпечують малі втрати оптичної потужності та низькі спотворення сигналів.
Принципи побудови цифрової ОТМ ОТІ реалізовано на апаратному рівні за
допомогою інформаційних структур, які використовуються відповідно до
функціональних вузлів.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 18
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 1.6 Узагальнена схема оптичної системи передавання
В PTS використовуються технології хвильового мультиплексування, що
забезпечують виникнення в одному ООВ необхідної кількості лінійних трактів,
кожному з яких відводиться визначена смуга частот (діапазон довжин хвиль).
Хвильових мультиплексор – це пристрій що забезпечує виділення/введення заданої
кількості оптичних трактів [1]. На рис. 1.7 показаний оптичний пасивний
мультиплексор/демультиплексор спектрального ущільнення DWDM на основі
технологій Athermal AWG та Flat-top, який призначений для об'єднання/поділу
сорока шести оптичних каналів передачі даних по двох одномодових волокнах.
Мультиплексор застосовується в мережах зв'язку загального користування для
об'єднання кількох несучих довжин хвиль з C-діапазону DWDM (сітки 50 ГГц і 100
ГГц) груповий оптичний сигнал і передачі по оптоволоконної лінії зв'язку.
Демультиплексор на стороні, що приймає, виділяє несучі довжини хвиль.

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 19
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 1.7 Оптичний пасивний мультиплексор/демультиплексор спектрального
ущільнення DWDM
Усі мультиплексори є пасивними пристроями і потребують живлення від
електромережі.
Важливим елементом в оптичних мережах є оптичний крос-комутатор [9, 10].
Оптичний крос-комутатор або апаратура оперативного перемикання оптичних
трактів – це комплекс пристроїв, який забезпечує маршрутизацію і взаємний обмін
сигналами різних довжин хвиль між трактами в оптичному вигляді у пункті
розгалудження. Крос-комутатори вносять гомодинні перехідні перешкоди і тому
погіршують характеристики передачі. На рис. 1.8 показаний оптичний крос-
комутатор ємністю 16 портів.

Рис. 1.8 Оптичний крос-комутатор ємністю 16 портів
Для підсилення сигналу, який проходить черз ООВ використовують оптичні
підсилювачі OLA(Optical line Amplifier) або лінійні повторювачі OLR(Optical line
Repeater). В сучасних мережах намагаються мінімізувати кількість регенераторів, та
як вони вносять нелінійні ефекти в ООВ [15]. На рис. 1.9 показаний оптичний
підсилювач HA5100-Booster CATV мереж зі смугою спектра підсилення в межах
1540-1565 нм з підсиленням 13-27 дБм.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 20
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 1.9 Оптичний підсилювач HA5100-Booster

1.4. Висновки до розділу
Активний розвиток фотонних технологій вносить свій вплив на побудову
оптичних мереж, де лінійних тракт є повністю оптичним, що дозволяє значно
підвищити пропускну здатність таких мереж порівнянно з мережами, які містять
електрооптичне перетворення в лінійному тракті. Для аналізу параметрів таких
мереж використовуються різні підходи, в тому числі і математичне моделювання.
Важливим залишається питання побудови нових більш адекватних математичних
моделей фотонних мереж, якіб відображали і параметри енергоефективності. В
наступних розділах будуть розглянуті моделі оптичних мереж, на основі яких
можна проводити аналіз параметрів оптичної транспортної мережі в тому числі і
аналіз методів і підходів щодо зменьшення енергоспоживання і як наслідок
покращення енергоефективності телекомунікаційних мереж.

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 21
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

РОЗДІЛ 2 МОДЕЛІ ФОТОННИХ ТРАНСПОРТНИХ МЕРЕЖ
Базовими мережевими магістральними технологіями є: DWDM, SDH, ATM,
OTN-OTH, Gigabit Ethernet, RPR. Розглянимо найбільш поширені моделі побудови
транспортних мереж.
2.1 Моделі для побудови транспортних мереж
Сучасні транспортні мережі будують відповідно до таких моделей мереж (рис. 2.1)
[1]:
- транспортна мережа SDH, рекомендації G.707, G.783. G.803 та ін.:
- транспортна мережа ATM (Asynchronous Transfer Mode - асинхронний спосіб
передачі даних), рекомендації 1.311,1.326 та ін.;
- транспортна мережа OTN-OTH, рекомендації ITU-T G.709, G.798. G.872 та ін.;
- транспортна мережа Ethernet, рекомендації G.8010, G.8011, G.8012.
В перерахованих моделях мереж можна виділити такі особливості [1]:
1. вони мають ієрархічна побудову з самостійними і незалежними від інших рівнями
набірів функцій;
2. фізичний рівень представлений системою передачі і організацією секцій;
3. допускається існування маршругів фізичного і віртуального характеру;
Такий спосіб побудови транспортних мереж дозволяє мати уявлення про
особливості взаємодії апаратних, мережних частин під час передачі даних по мережі
Розглянемо більш детально особливості кожної з наведених моделей
транспортних оптичних мереж.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 22
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 2.1 Моделі побудови транспортних мереж
Модель транспортної мережі SDH
Синхронна цифрова ієрархія SDH (Synchronous Digital Hierarchy) – це набір
ієрархічних цифрових транспортних структур (циклів), стандартизованих для
транспортування адаптованого навантаження через фізичну мережу.
Модель транспортної мережі SDH складається з трьох рівнів: рівень
середовища передачі, рівень трактів (маршрутів передачі інформації) та рівнень
каналів.
Рівень середовища передачі будується в основному на оптоволоконних лініях.
Ділянки регенерації лінійних сигналів та мультиплексування даних формуються в
рівні середовища.
Рівень маршрутів передачі інформації волоконно-оптичної системи передачі
розпочинається і закінчується ділянкою мультиплексування. Ділянка
мультиплексування містить від однієї до кількох ділянок регенерації, які необхідні
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 23
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

для усунення спотворень лінійних імпульсних сигналів та відновлення їх форми і
потужності.
В рівні каналів мережі SDH забезпечуються інтерфейси для користувачів
транспортної мережі. На рівні каналів проводиться узгодження з вторинними
мережами (користувачами).
Система управління забезпечує створення та підтримка усіх з’єднань у мережі
SDH і контроль усіх функцій. Вона має мережу виділених каналів зв’язку і засоби
протокольної взаємодії через ці канали.
Модель транспортної мережі АТМ
ATM – це пакетна технологія комутації, мультиплексування та передачі, що
використовує пакети малої та фіксованої довжини, які називаються осередками
АТМ. У комірці постійної довжини 53 байти (октету) інформація користувача
міститься в 48 байт, а заголовок комірки, 5 байт, містить інформацію передачі,
мультиплексування і комутації в мережі. Осередки, що передаються дуже великими
швидкостями, наприклад, 155Мбіт/с або 622 Мбіт/с, забезпечують мережі гнучкість
та ефективність використання ресурсів.
В моделы транспортної мережі АТМ виділено три самостійні за своєю
організацією рівні (рис.2.1): рівень середовища передачі; рівень асинхронного
режиму передачі АТМ; рівень адаптації АТМ.
Серед особливостей АТМ можна виділити те, що вона дозволяє будувати
єдину мережу послуг електрозв'язку завдяки віртуальним з'єднанням і обєднувати
багато мереж з комутацією каналів, пакетів та доставкою даних без встановлення
з'єднань. При цьому головна перевага – ефективне використання транспортного
середовища.
У моделі транспортної мережі ATM рівень середовища передачі може бути
реалізований згідно зі стандартами ATM будь-якою системою передачі. При цьому
може бути задіяне будь-яке середовище і устаткування передачі. Рівень ATM
розбитий на підрівні віртуального каналу і віртуального шляху.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 24
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Серед відмінностей моделей транспортних мереж SDH і ATM можна виділити
наступне:
- у розпорядження користувача надається постійно транспортний ресурс
мережі SDH, незалежно від інформаційного потоку і з фіксованою швидкістю
передачі, що часто є причиною низької ефективності використання з’єднань,
наприклад, у телефонії з комутацією каналів під час завантаженості каналу від 0,1
до 1,0;
- основним транспортним ресурсом мережі ATM є віртуальний канал, що
підтримується комутаторами з маршрутними таблицями кожного з’єднання,
надаються тільки за наявності інформаційного навантаження, коли фрейм ATM
формується і прямує через фізичне середовище.
Технологія ATM забезпечує пристосування швидкості передачі швидкості
генерації осередків, що дозволяє раціонально використовувати ємність мережі.
Таким чином, за зниження швидкості передачі одним джерелом може бути
організована або збільшена швидкість передачі іншими джерелами, тобто
мультиплексування має статистичний характер. Це дає змогу в кілька разів
підвищити ефективність використання фізичного з’єднання, наприклад, тракту
SDH.
Однак головний недолік ATM полягає в тому, що повинна забезпечуватись
значна надмірність при встановленні з'єднання, навіть у разі передачі кількох
осередків, що ефективніше реалізується в дейтаграмних мережах.

Модель транспортної мережі Ethernet
Модель транспортної мережі Ethernet і двох рівнів: рівень середовища
передачі кадрів Ethernet і формування кадрів (пакетів) Ethernet.
Структура базового кадру Ethernet визначена стандартом IEEE802.1basic. Кадр
призначений реалізації обміну даними у локальній мережі комп'ютерів. Взаємодія
відбувається через міст/комутатор завдяки заздалегідь прописаним адресам у
таблиці маршрутизації (MAC-адреси).
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 25
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Модель транспортної мережі OTN-OTH
Модель транспортної мережі OTN-OTH представлена двома самостійними за
своєю організацією рівнями: рівень мережі OTN та рівень користувача.
Оптична транспортна мережа OTN на основі технології мультиплексування
оптичної транспортної ієрархії OTH призначена для побудови транспортних
магістралей із пропускною спроможністю до десятків Тбіт/с. Це досягається
поєднанням гнучкого цифрового мультиплексування стандартних циклічних блоків
з одного боку та гнучкою побудовою оптичних каналів та їх мультиплексуванням у
керовані оптичні модулі з іншого боку.
Рівень мережі OTN складається із трьох фізично і логічно пов’язаних
підрівнів: середовища передачі сигналів з поділом за довжиною хвилі за
спектрального ущільнення (WDM, DWDM та ін.); опт ичних секцій ретрансляції
OTS (Optical Transmission Section) і мультианексування OMS (Optical Multiplex
Section); оптичних каналів OCh (Optical Channel) з навантаженням у вигляді
оптичних транспортних блоків OTUk (Optical I ransport Unit-k) з включенням до них
блоків даних оптичних каналів 01) ODUk (Oplical channel Data)
Рівень користувача OIN OTM-OTН виконує функції інтерфейсу між
транспортною мережею та мережами користувачів транспортних послуг, до яких
належать мережі SDH, АТМ, Ethernet та ім. Для ефективного узгодження між
мережами застосовують різні протокольні рішення з розміщенням даних
користувачів в оптичних каналах. До таких протоколів можна віднести: загальну
процедуру формування кадру GFP (Generic Framing Procedure), протокол захисного
пакетного кільця або пакетного кільця з самовідновленням RPR (Resilient Packet
Ring) та ін. Протоколи дають змогу узгодити циклічну передачу даних в оптичних
каналах із випадковою у часі передачею пакетів даних різної ємності від
користувачів, наприклад, пакетів IP, MPLS або Ethernet.
Якщо порівняти три розглянуті моделі транспортних мереж, то можна
відзначити, що найбільший транспортний ресурс може забезпечити тільки модель
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 26
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

мережі OTN-OTH. При цьому вона підтримує трансляцію даних мереж SDH і ATM.
Модель мережі OTN-OTH призначена для мереж зв’язку з великим об’ємом трафіку.
Рівень середовища передачі мережі Ethernet характерний для локальних і
міських мереж зв’язку. Під час організації зв’язку на великі відстані (наприклад,
більше як 100 км) рівень середовища передачі може бути представлений
транспортними мережами SDH, ATM, OTN.
Розвитком моделі мережі Ethernet є модель транспортної мережі з комутацією
по мітках MPLS.
Транспортна технологія SDH, яка активно використовується різними
операторами зв’язку, неефективно використовує пропускну здатність каналів і
погано адаптується під миттєве зростання IP трафіку [25]. На противагу SDH
активно впроваджуються технології OTN та Gigabit Ethernet. Їх використання дає
змогу ефективніше використовувати доступну пропускну здатність оптичного
середовища, оскільки час відправлення транспортного фрейму не є чітко визначений
і доступна смуга може використовуватись іншим абонентам. Однією із головних
переваг технології OTN є використання механізмів корегування помилок FEC
(Forward Error Correction), що уможливлює отримання додатково 6 дБ до оптичного
бюджету лінії [26], що є важливим параметром для збільшення довжини
регенераційної ділянки. Оптичний: бюджет лінії - це прогнозована сума втрат
оптичного сигналу на усіх компонентах лінії. Використання асинхронних
транспортних технологій разом із розробленням методів перегрупування потоків
дасть змогу зменшити необхідну кількість робочих хвиль, що підвищить
енергоефективність транспортних мереж, оскільки витрата електроенергії на одну
довжину хвилі становить порядка 1,2 кВт.

Моделі комутації в оптичних транспортних мережах
Для підвищення ефективності використання смуги пропускання каналу з
значно більшою пропускною здатністю, ніж канали 100Гб і при цьому забезпечуючи
агрегацію низькошвидкісних сервісів в OTN як в межах одного каналу
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 27
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

використовують архітектуру з багаторівневою комутацією. Це дозволяє
оптимізувати маршрутизацію каналу між кінцевими пунктами маршруту за
допомогою оптичної комутації на основі гнучкої сітки частот. Отриманий у
результаті “оптичний рівень даних” також ідеально підходить для використання
інтегрованого рівня управління, зокрема технологій MPLS, GMPLS та OBS.
Багатопротокольна комутація за мітками
Метою механізму багатопротокольної комутації за мітками MPLS є пришвидшення
процесу обробки пакетів і забезпечення traffîc engineering в ІР мережах. Узагальнена
багатопротокольна комутація за мітками GMPLS розширює MPLS для забезпечення
спільної площини управління (сигналізації і маршрутизації) для пристроїв, що
комутують у будь-яких доменах (пакети, блоки даних, хвилі і волокна).
MPLS — це технологія швидкої комутації пакетів у багатопротокольних мережах,
що ґрунтується на використанні міток [27]. В основу MPLS покладено принцип
обміну міток. Будь-який переданий пакет асоціюється з тим або іншим класом
мережного рівня (Forwarding Equivalence Class, FEC), кожен з яких ідентифікується
певною міткою [27, 28]. Основна перевага міток полягає в тому, що вони
комутуються швидше, ніж маршрутизуються пакети в стандартних IP-мережах.
Технологія MPLS дає можливість створення наскрізного віртуального каналу з будь-
яким протоколом передачі, незалежного середовища передачі. Застосовуючи різні
мітки, можна створювати кілька різних віртуальних мереж на базі тих самих вузлів.
Також можна масштабувати мережі MPLS.
Для явного проходження навантаження через транспортну мережу MPLS потрібно
кожен з її вузлів умовно поділити не лише на вхідний (Ingress LSR) та вихідний
(Egress LSR), як в ІР, але й на транзитний вузол (Intermcdiate LSR). Транзитні вузли
відповідають ядру мережі MPLS, а саме ІР-маршрутизаторам (LSR), на яких аналіз
заголовка мережного рівня не відбувається, а рішення про передачу пакета
наступного маршрутизатора здійснюється тільки на підставі порівняння значення
MPLS-мітки а наперед розрахованими значеннями у таблицях маршрутизації.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 28
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 2.2 Структура транспортної мережі MPLS
MPLS підтримує формати кадрів технологій РРР, Ethernet, Frame Relay і ATM. У цих
кадрах можна розміщувати пакети мережного рівня. Найпоширенішим на
мережному рівні є протокол IP. У цьому випадку мітка MPLS вбудовується в
заголовок IP. Основні характеристики та параметри технології MPLS описані в
Internet Engineering Task Force (IETF): RFC-2547, 2917, 3031, 3032, 3035, 3270 [30,
31]. Приклад найпростішої мережі MPLS показано на рис. 2.2 [32].
Базовим пристроєм мережі MPLS є маршрутизатор комутації міток (Label Switch
Router, LSR), який у випадку визначається, як пристрій будь-якого типу, здатний
створювати, змінювати і видаляти мітки MPLS в IP-пакетах [33, 34].
Маршрутизатор LSR також може виступати в ролі IP-роутера, комутатора Frame
Relay, а також комутатора АТМ.
У мережах MPLS розрізняють кілька типів маршрутизаторів комутації міток.
Вхідний (граничний) маршрутизатор, як випливає з назви, це перший пристрій
в домені MPLS, призначений для зв'язку з іншими мережами. У документаціях
різних виробників граничний маршрутизатор часто позначають LER (Label Edge
Router) або PER (Provider Edge Router). Саме цей тип роутера генерує та ставить
мітку відразу після того, як IP-пакет потрапляє в мережу MPLS. Крім того,
використовується термін CER (Customer Edge Router). Під цією назвою виступає
граничний маршрутизатор користувача, який підключено до мережі провайдера.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 29
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Термін PER визначає граничний маршрутизатор провайдера, до якого
підключаються пристрої CE. Щоб прийняти пакет, LER, крім роботи з мітками
MPLS, повинен також підтримувати роботу з іншими протоколами — такими,
наприклад, як звичайна маршрутизація IP-адресою.
Вихідний (граничний) Egress LSR – це останній маршрутизатор у домені
MPLS. Цей пристрій знімає мітку та відправляє «чистий» IP-пакет у зовнішню
мережу. Проміжний (внутрішній) Intermediate LSR працює з протоколами MPLS,
змінює мітки для різних пристроїв у домені MPLS та комутує пакети по мітці. Під
LSP (Label Switched Path) розуміють сукупність всіх роутерів, якими передається
пакет у мережах MPLS.
Особливості роботи вузла на основі оптичного комутатора
Для уникнення перетворення оптичного сигналу в електричний, і навпаки
[2], у сучасній гелекомунікаційній мережі розглядається впровадження технології
OBS, яка об'єднала переваги двох гехнологій DWDM/OSC та OPS[35-37].
Основним принципом, на якому ґрунтується мережа з оптичною комутацією
блоків, є розділення інформаційних та службових каналів, Інформаційні канали
ООО відповідають за комутацію блоків з одного із вхідних каналів на один з
вихідних (передаються від ODMX (Optical Demultiplexer — оптичний
демультиплексор) на оптичний комутатор, а потім на OADM), а службові —
здійснюють обробку пакетів BHP з ОЕО перетворенням.
Алгоритм функціонування мережі OBS розроблений з урахуванням того, що
вузол побудований за суміщеною архітектурою. Він може бути крайовим і
проміжним вузлом, залежно від того, які дані приходять на вхід.
Процес передачі даних у мережі з використанням технології OBS реалізується
методом формування віртуального каналу від вузла передачі до вузла прийому.
Відповідно пакет ВНР передається мережею через усі вузли і кожен вузол формує
свою частину каналу до наступного вузла, створюючи у мережі прозорий оптичний
канал.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 30
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

В основу роботи OBS покладено застосування часової оптичної комутації, як
тільки формується відповідний блок даних. OBS використовує принципи і
властивості оптичного каналу для передачі певного об’єму даних.

2.2 Математичні моделі для аналізу оптичної транспортної мережі
Для аналізу і дослідження телекомунікаційних мереж досить часто
використовують математичний апарат.
Під час дослідження телекомунікаційної мережі важливо визначити якість
надання послуг під час передачі даних. Важливим є стан мережі, який і впливає на
можливість втрат під час передачі інформації. Якнайповніше оцінити стан мережі
дозволяє теорія масового обслуговування [38]. Часто для аналізу
телекомунікаційних мереж використовуються такі методика: Система масового
обслуговування [39] і теорія графів [38, 40].
Телекомунікаційні мережі з різною топологією під час дослідження
завантаженості мережі часто є випадковими. Тому важливі науково-практичні
результати можна отримати за допомогою теорії випадкових графів, тобто графів, у
яких ребра розподілені випадково [38].
Математичною основою досліджень багатовимірних та багаторівневих
мережних структур можуть бути багатовимірні матриці [41] та тензорна модель [42-
44].
Стан або структура телекомунікаційної мережі може розглядатися як система
координат у межах тензорного аналізу [43,44], тоді будь-які зміни у мережі
відповідають різним системам координат.
Ідея тензорного підходу полягає у тому, що усі вимірювані фізичні величини
можна описати тензорами [42].
2.2.1 Теорія графів
Дослідження різних мережних структур традиційно здійснюється за
допомогою теорії графів [38, 40, 45, 46].
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 31
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Для побудови моделей локальних систем зв’язку використовуються методи
теорії випадкових графів [46]. Згідно з моделями, розробленими з використанням
теорії випадкових графів, множина вузлів мережі {V} і множина ребер {Е}
утворюють граф в. Під час переходу графа Gn-1 зі стану n-1 в стан n є рівноймовірною
поява будь-якого графа в з множиною можливих графів {G}. За збільшення кількості
вузлів V>>1 ймовірність появи будь-якого графа {G} з множини графів прямує до
нуля. Для системи зв’язку це означає, що ймовірність появи маршрутів, попередньо
розрахованих по цій моделі, прямує до нуля.
Відмінними особливостями моделей, побудованих із використанням
випадкових графів, є залежності ймовірності появи ребра між парою вершин від
умов розповсюдження пакетів.
Для дослідження випадкового навантаження з неоднорідною зайнятістю у
телекомунікаційній мережі доцільно використовувати теорію перколяції.
Теорія перколяції - це математична теорія, яка використовується для опису
виникнення зв’язних структур у випадкових середовищах (кластерах), що
складаються з окремих елементів. В літературі часто вживають терміни “теорія
протікання” і “теорія просочування” [47].
Теорія перколяції вивчає виникнення шляхів передачі даних залежно від р
(ймовірність занятих/вільних каналів) [38, 47]. Для малих значень р завантаженість
каналів є малою і зв’язок між вузлами може відбуватися без втрат.
Теорія перколяції зручна для аналізу та математичного описання різних критичних
явищ [47]. У [47] зазначено, що більшість результатів в теорії перколяції отримано
на основі комп’ютерного моделювання. За допомогою перколяційних моделей
можна проводити ефективні розрахунки, досліджувати ймовірність відмови у
мережі і визначати ступінь захищеності та багатозв’язності вузла у
телекомунікаційній мережі [47]. Мережні структури та інформаційні потоки
аналогічні з фізичними процесами, що вивчаються у межах теорії перколяції [48].
Під час передачі даних з одного вузла в інший існує багато комбінацій можливих
різних шляхів маршрутизації. У певний момент часу кількість шляхів може
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 32
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

зменшуватися, оскільки окремі канали та вузли у певний момент часу є зайнятими.
Можливо й таке, коли мережа перевантажена і передача між певними вузлами є
неможливою. Очевидно існує критична ймовірність рс, коли мережа стає
перевантаженою.
Необхідно визначити критичну ймовірність рс, коли мережа є квазіперевантажена і
між деякими вузлами втрачається зв’язок.
Отже, важливою проблемою транспортної мережі є вивчення механізму контролю і
керування квазіперевантаженої мережі.
У теорії перколяції важливу роль відіграє виникнення кластерів [47]. Якщо
завантаженість мережі у певних ділянках є доволі великою, то у певний момент часу
можливе виникнення груп сусідніх завантажених вузлів або каналів. Таку цілісну
групу називають кластером.
Кластер це об’єднання кількох однорідних елементів, які можуть розглядатися як
самостійна одиниця, що має певні властивості.
Досліджуються особливості виникнення різних кластерів, визначення розмірів та
кількості, а також поява нескінченного кластера. Кластер, у якому є шлях від
передавача до приймача, називається перколяційним [47], стягуючим чи
з’єднувальним [76]. У нескінченній мережі перколяційний кластер нескінченний і
єдиний (гігантська компонента).
2.2.2 Тензорний аналіз
У [42, 43, 49] дослідження телекомунікаційних мереж за допомогою тензорного
аналізу проводиться за аналогією з електричними мережами.
Тензор - це математичний об’єкт, представлений набором компонент (проекцій
тензора), який не залежить від зміни системи координат, але його компоненти зі
зміною системи координат перетворюються за визначеним математичним законом.
Тензор можна подати у координатній і безкоординатній формах [44].
У координатній формі тензор - це математичний об’єкт із верхніми
(контрваріантними) та нижніми (коваріантними) індексами, який перетворюється за
законом:
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 33
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

де - частинні похідні функції, що задають нові координати щодо старих, і
навпаки.
У безкоординатному визначенні тензор - це полілінійна форма на векторах (v,w,...) і
ковекторах (й, г,...), тобто:

яка є лінійною за усіма аргументами.
Зв'язок між безкоординатною та координатною формами визначення тензора можна
подати, як:

За допомогою тензорних методів можна обчислювати характеристики системи
зв’язку при зміні навантаження у мережі. Математично такі мережі можна описати
за допомогою тензорного аналізу з використанням диференціальної геометрії.
Передача даних у вигляді мережі простору з розглядом криволінійного підпростору
шляхів описує поведінку різних параметрів. наприклад, навантаження
досліджуваної мережі [50]. Диференціальна залежність стану мережі від кількості
даних на шляхах дає змогу дослідити її динамічну поведінку. У певний момент часу
стану мережі повідає певна точка у досліджуваному геометричному просторі. Усі
зміни стану телекомунікаційної мережі, які можуть спостерігатися, потрапляють в
діл довкола цієї точки. Очевидно, що з часом навантаження у мережі • ч
нюватиметься, отже, змінюватиметься і стан мережі.

2.2.3 Моделі випадкових графів
Топологічна модель транспортної мережі може бути представлена у вигляді графа,
елементами якого є вершини та ребра. Існують різні комбінації шляхів для
проходження навантаження між абонентами в мережі, серед яких важливо
відзначити найефективніші.
Граф - пара множин [38]:
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 34
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

де V - множина N вузлів (вершин або точок) та Е - це множина ребер (з’єднань або
ліній), які з’єднують вузли, тобто елементи множин V.
Якщо протягом певного часу змінюється склад множини вузлів, то отримуємо нову
множину:

2.2.4 Модель Ердос-Ренеі
Згідно з моделлю Ердос-Ренеі граф визначають як N помічених вершин, з’єднаних n
ребрами, які обрані випадково з N(N-l)/2 можливих ребер (див. рис. 2.3) [38]. Загалом
існує №|а^|м графів з N вершинами і n ребрами, які формують імовірнісний простір,
у якому кожна реалізація рівноймовірна [51].

Рис. 2.3 Процес зміни графа у моделі Ердос-Ренеі
Отже, загальна кількість ребер є випадковою величиною з очікуваним значенням
.
Якщо Gо - граф із вершинами V1, V2,..., VN
і з n ребрами, то ймовірність отримання такого графа під час побудови [51]:

У [178, 179] виявлено, що часто деякі властивості випадкових графів з'являються
доволі несподівано. За заданої імовірності здебільшого усі графи або мають, або не
мають деяких властивостей Q. Перехід між областю існування і неіснування
властивості є критичною ймовірністю рс.
Порівнюючи графи різних розмірів з однаковим значенням р, бачимо, що більші
графи мають більшу кількість ребер. Отже, така властивість, як наявність циклів,
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 35
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

буде частіше зустрічатись за малих значень р у більших графах. Це означає, що для
багатьох властивостей Q для випадкових графів немає незалежної від N межі, але
можна визначити граничну функцію, яка залежить від розміру системи. Тим не
менше, середній ступінь графа визначається з виразу:
.
має критичне значення, яке не залежить від розміру системи.
У моделі Ердос-Ренеі графи з однаковими значеннями N і р мають приблизно
однаковий діаметр. Діаметр графа - максимальна відстань між парою вершин [51],
яку визначають за формулою:

2.2.5 Узагальнені випадкові графи
Реальні телекомунікаційні мережі відрізняються від випадкових графів
степеневим законом розподілу ступенів вершин:
(2.1)
де у спадає від ∞ до 0.
Ці мережі описуються за допомогою узагальнених випадкових графів і
подеколи їх називають “мережі без масштабу” [45, 46].

Середній ступінь мережі зростає зі спаданням γ. За великого γ мережа
складається з ізольованих маленьких кластерів [51]. За малого γ мережа стає
повністю зв'язаною [51]. Існує критичне значення γс, за якого формується
гігантський кластер.
Загальний опис випадкових графів із заданим розподілом ступенів
розроблений у [52] з використанням функції генерації розподілу ступенів [46]:
т
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 36
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

де

Для вивчення структури кластера досліджують функцію генерації розподілу
ступенів найближчих сусідів випадково вибраної вершини:

Середня кількість перших сусідів дорівнює середньому ступеню графа:

Визначення кластера здійснюється за алгоритмом пошуку у ширину, тобто
починають із довільної вершини, яку позначають як частину кластера, і зараховують
до множини пройдених. На першому кроці позначають вершини, що з'єднані за
допомогою ребра з цією вершиною безпосередньо, які належать множини
«непройдених». На наступному кроці розглядається зазначена вершина, яка
належить до множини “непройдених”. Цю вершину переносять у множину
“пройдених” і шукають вершини, які не зауважені і з'єднані з цією вершиною
безпосередньо. Знайдені вершини помічають і зараховують до множини
“непройдених”. Процес продовжується доти, поки не знайдуть нові вершини.
Множина зазначених вершин становить ізольований кластер.
Функція генерації Н1(х) розподілу розміру кластерів [51]:

Розширюючи метод обчислення середньої кількості найближчих сусідів через
модель узагальненого випадкового графа, визначається середня кількість т-х сусідів:

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 37
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

де z1 і z2 — кількість найближчих та інших за близькістю сусідів. Використовуючи
цей вираз, можна отримати приблизне співвідношення для середньої довжини
шляху у графі.
Розглядаючи певну вершину, видно, що усі вершини графа можуть бути досягнуті
через 1 кроків. Враховуючи це, отримують:

Для графів N>> z1 , і z2>> z1,
середня довжина шляху буде дорівнювати[51]:

У разі зв’язних дерев існує точніший метод [184], згідно з яким середня довжина
оцінюється як:

Модель Уотса-Строгатса враховує, що у більшості мереж великих розмірів шлях від
одного вузла до іншого порівняно невеликий. Відстань між вузлами дорівнює
кількості ребер найкоротшого шляху.
У [53] запропонована модель, у якій граф пов’язаний із кінцевомірною решіткою.
Такий алгоритм предсталений як модель Уотса-Строгатса (рис. 2.4).
Послідовність кроків для використання моделі Уотса-Строгатса повинна бути:
1 крок. На початку розглядається коло з N вузлами, у якому кожен вузол
з’єднаний зі своїми К сусідами однаково з кожного боку. Припускаємо, що
N>>K>>In(N)>>1.
2 крок. Рандомізація, коли кожне ребро решітки існує з імовірністю р і вилучаються
подвійні ребра та перенесення ребер. Граф згідно з моделлю Уотса-Строгатса має
рNК/2 ребер.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 38
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 2.4 Модель Уотса-Строгатса
Модель Уотса-Строгатса відповідає одновимірній решітці, коли кожен вузол
пов’язаний із К близькими вузлами (рис. 2.4)| причому більшість найближчих сусідів
також є сусідами між собою, тобто решітка кластеризована.
Згідно з теорією топології мереж, одновимірна решітка складається із двох
зовнішніх вузлів (які мають тільки одного сусіда) і деякої кількості внутрішніх ( у
яких є по два сусідніх вузли). Під час зєднання обох зовнішніх вузлів отримують
кільцеву топологію. У багатовимірній решітці кожне ребро паралельне до певної осі
і з’єднує два суміжних вузли вздовж цієї осі.
Середня Довжина шляху 1 залежить від розміру ‘фистеми. Зокрема, середня
довжина шляху не зменшується, поки р>2/NК [57]. Це означає, що існує р-залежний
перехідний розмір N*. Коли N<N*, то 1~N, але якщо N>N*, то 1~ln(М). Отже, згідно
з [51], середня довжина шляху дорівнює:

де

Середня довжина шляху може бути визначена з виразу[54]:
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 39
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

або[57]:
(2.1)

де де f(u) - універсальна функція масштабування, яку визначають так:

Співвідношення (2.1) показує, що середня довжина шляху у моделі Уотса-
Строгатса залежить від трьох параметрів: р, К і N.
У моделі Уотса-Строгатса за К> 2 немає ізольованих вершин і мережа зв’язна,
на відміну від моделі Ердос-Ренеі, у якій ізольовані кластери існують для широкого
діапазону ймовірностей з’єднань.

2.2.6 Безмасштабні мережі та модель Барабаші-Альберта
Розглянуті моделі випадкового графа припускають, що ймовірність, з якою дві
вершини з’єднуються, не залежить від ступеня вершин, а нові ребра розташовані у
випадковий спосіб. У більшості реальних мереж нова вершина найімовірніше
приєднається до вершини із більшим ступенем. Тому за появи нових вузлів
транспортну мережу доцільно розглядати за домогою моделі Барабаші-Альберта
[55, 56], алгоритм побудови якої такий:
На першому етапі відбувається ріст мережі.На кожному часовому кроці додається
т нових вузлів, кожен з який з’єднується з кт іншими вузлами.
На другому етапі відбувається переважне приєднання. Вибір вузла, з яким новий
вузол з’єднуватиметься, залежить від його ступеня. Тобто ймовірність П, з якою
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 40
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

новий вузол з’єднуватиметься з уже існуючим вузлом і, залежить від кількості
зв’язків кі вузла і:

У такій моделі ступені вершин розподілені за степеневим законом (2.1)
[54].
Під час визначення середньої довжини шляху на основі моделі Барабаші- Альберта
[54] користуються такими співвідношеннями:

Отже, середня довжина шляху змінюється логарифмічно. Водночас реальна
топологія такої мережі є зіркою, тобто вузли зі ступенем ~N з’єдані з рештою вузлів.

2.2.7 Теорія перколяції
За умови d→∞ перколація розглядається, як частковий випадок теорії випадкових
графів [51].
У [57] під час розгляду теорії перколації параметр рс ототожнюють із появою
нескінченного кластера. Водночас з погляду забезпечення повного зв’язку між усіма
вузлами мережі необхідно враховувати кількість кластерів різних розмірів.
Розглядають чорні та білі кластери. Переважно до чорних належать канали або
вузли, які є вільними, до білих — зайняті [57]. Отже, існує зворотне завдання:
визначити частку вузлів (або каналів), які потрібно зайняти (блокувати), щоб
перколяційний кластер розпався на незв’язні частини.
Теорія перколяції використовуєтьс переважно для аналізу завантаженості мережі
між двома вузлами. У роботі проведено дослідження у мережі під час встановлення
зв’язку між кількома вузлами одночасно.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 41
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Зазначимо, що є роботи, у яких висвітлюється впровадження методів перколяції для
мережних алгоритмів [48]:
1. Лавинна маршрутизація на основі перколяції для сенсорних мереж.
2. Перколяційна маршрутизація для оптичної кластерної мережі.
3. Перколяційний пошук у мережах зі степеневим розподілом зв’язності.
Ймовірність того, що вибраний у випадковий спосіб канал або вузол належить
нескінченному кластеру, визначають за виразом[58]:

де N∞ - кількість каналів, що належать до безмежного кластера; sns(р) -кількість
зайнятійх каналів, що належать кластерам розміром s; Кількість зайнятим каналів,
що належать кластерам розміром s:

ns - розподіл кластерів за розмірами, визначається так:

де N - повна кількість каналів; NS- середня кількість кластерів розміром s.

Середній розмір кластера:

2.2.8 Методи діакоптики для дослідження і побудови мереж великих розмірів
Методом діакоптики можна проводити обчислення та аналіз телекомунікаційних
мереж будь-яких великих розмірів
Методи діакоптики розглядають телекомунікаційну мережу у вигляді підмереж, які
належать до підмножини J1, а зв’язок підмереж належить до підмножини J2.
Об’єднана топологічна структура — це уся мережа, яка математично подається
множиною J. Сукупність множин J1 та J2 об’єднана у структурну множину J=J1×J2
[59].
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 42
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Для розрахунку телекомунікаційної мережі методом діакоптики задається система і
записується її рівняння стану у символьній формі, наприклад, формули Літла з
тензорного аналізу: [50]:
H=TL,
В цій формулі кожен тензор представляє сукупність відповідних значень параметрів
для вузлів та гілок мережіпропускної здатності L, часу затримки Т та навантаження
Н. Користуючись тензорними операціями , можна визначати параметри мережі,
зокрема методом згортки можна визначити час перебування даних у вибраній
ділянці мережі:
T=HL-1
Завдання зводиться до розв’язку цієї системи рівнянь, де Н та L–задані, а час
затримки не відомий.
На початковому етапі розв’язку задачі методом розділення задана тільки
досліджувана система, а розв’язки рівняння - відсутні.
Перший етап. Розділення моделі. Розглядаються підмережі з підмножини J1, які
діляться на кілька підсистем.
Другий етап. Видалення розділених зв’язків.
З досліджуваної системи видаляються усі цикли з’єднання між підсистемами. У
підсистемах не залишається жодних зв’язків з іншими підсистемами, за якими
можна було б визначити, як вони були пов’язані один з одним. Тобто
передбачається, що розділені гілки не належать до жодної з nд підсистем початкової
системи. Оскільки ними можна знехтувати, то їх потрібно зарахувати до додаткової
nд+1-ї підсистеми, яку необхідно побудувати.
Третій етап — отримання і розв’язання рівняння для кожної підсистеми. Вводиться
параметр F1=L-1.
Четвертий етап полягає в отриманні і розв’язанні рівнянь системи, що називаються
колом перетинів.
Оскільки (n+1)-а система перетинів відіграє центральну роль у методі розділення, то
виділяються чотири кроки її побудови:
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 43
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

I. З повних схем підсистем виділяються тільки ті фрагменти, які важливі для
взаємодії з іншими підсистемами. Для цих фрагментів записується спрощена
матриця обернених пропускних здатностей, яка є основою пля побудови “опорного”
кола перетинів.
II. Видалені зв’язки відновлюються, але без врахування пропускної здатності.
III. Фрагменти підсистем об’єднуються і утворюють “опорну” систему зеретинів.
IV. Вводяться пропускні здатності видалених раніше гілок і остаточно формується
матриця F.
П’ятий етап. Алгоритм розрахунку матриці значень часових затримок.
Для виконання цього алгоритму задані матриці L, F1 і матриці переходу С
телекомунікаційної системи, що складається із n+1 підсистем.
Необхідно знайти вектор Т значень часових затримок у вузлах вихідна системи.
Вектор, який одержують на кожному етапі розрахунку, має відповідні« фізичний
зміст, а саме:
1. Т1=F1Н — час затримки передачі даних в ізольованих підсистемах за заданого
навантаження Н на вузлах.
2. t=-CtT1 час затримки передачі даних у перерізі j, який здійсню роз’єднання
зв’язків у J2
3. h=L’t - навантаження, що проходить через J2
4. Ht=Ch додаткове навантаження у підсистемах J1, що виникає за рахунок
навантаження у зв’язках між підсистемами J2.
5. T=FlHt час затримки передачі даних у вузлах внаслідок взаємодії а додатковим
навантаженням системи J2.
6. Т=Т1+Т2 - результуюче значення величини часу затримки передачі даних в
об’єднаній системі.
В описаному алгоритмі уже відомі процедури поєднуються разом у новій
послідовності для розрахунку параметрів великих телекомунікаційних мереж,
зокрема, повністю оптичних.

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 44
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

2.3. Висновки до розділу
Визначено, що великими перспективами в порянні з традиційними архітектурами
SDH, ATM та SONET є технологія комутації на базі кодування та передачі міток -
MPLS. Останній, у тому числі її різновид — λ-MPLS має великі переспективи в плані
швидкості здійснення комутації та її ефективності. Однак, вимагає додаткового
дослідження та вдосконалення методу для високопродуктивної комутації каналів та
пакетів даних. Серед перспективних оптичних мереж - волоконно-оптичні мережі на
базі суміщених архітектури PON (Passive Optical Network) c MPLS і як її варіант —
λ-MPLS комутації, які поєднують у собі переваги дешевої пасивної архетиктури та
швидкої комутації на основі оптичних міток. Однак для отримання нових
результатів та достовірних відомостей необхідно провести більш глибокі
дослідження та розробку методів. У роботі в цілому визначено проблеми та завдання
для подальшого дослідження інформаційних мереж з метою вдосконалення їх
продуктивності та комутації в них для задоволення сучасних проблем та вимог до
інформаційним системам 21 ст.

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 45
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

РОЗДІЛ 3 ВИЗНАЧЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ ОПТИЧНИХ
ТРАНСПОРТНИХ МЕРЕЖ
3.1 Рішення для підвищення енергоефективності оптичних транспортних
мереж
Важливим є вирішення питання зменьшення енергоспоживання мережевих
пристроїв на фоні зростання попит на інфокомунікаційні послуги. Сучасні
телекомунікаційні пристрої споживають приблизно 5 % електроенергії із загальної
виробленої потужності. Тому оператор намагається максимально ефективно
використовувати свої ресурси. Параметр енергоефективності показує витрати
електроенергіі на передачу одного біта інформації між двома вузлами. Для
зменшення цього параметра потрібно впроваджувати новітні технології і
насамперед позбуватись проміжного ОЕО перетворення.
Згідно досліджень енергоефективності телекомунікацій виділяють делідька
підходів до вдосконалення енергоефективності оптичної мережі: технологічний ,
архітектурний [60].
На рис 3.1 показані запропоновані підходи щодо підвищення
енергоефективності мережної інфраструктури.

Рис. 3.1 Підходи щодо підвищення енергоефективності мережної інфраструктури
В роботі розглядаються технлогогічний і архітектурний підходи для
покращення енергоефективності оптичних мереж (рис. 3.2).
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 46
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 3.2 Технлогогічний і архітектурний підходи для покращення
енергоефективності оптичних мереж
3.1.1 Технологічні рішення для покращення енергоефективності оптичних
транспортних мереж
Відомо, що ООО комутатори порівняно із ОЕО витрачають на 96% менше
електроенергії. Перехід на використання використання ООО призводить до економії
витрат на енергетичному і розподільному обладнанні. Також слід враховувати, що
телекомунікаційні пристрої потребують охолодження (на 1Вт електроенергії
телекомунікаційного пристрою потрібно витрачати 1Вт на його охолодження [11].
Розглянемо особливості енергоспоживання такими оптичними пристроями
як: оптичні комутатори , оптични конвертори.
Виділяють такі технічні елементи та параметри, які впливають на визначення
оцінки енергоефективності оптичних комутаторів:
 вхідна потужність оптичного сигналу,
 використання ОЕО,
 використання хвильових конверторів,
 внесені втрати,
 рівень вихідного сигналу.
Для проведення процесу комутації необхідний достатній рівень оптичного
сигналу, оскільки пристрій вносить втрати (за ЕО комутації внесені втрати можуть
сягати 5 дБ ).
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 47
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Підвищення енергоефективності для оптичних модуляторів необхідно
здійснювати за допомогою пошуку орієнтації оптоелектронних матеріалів, які є
ключовими елементами такого пристрою [61].
Для оптичного комутатора введення/виведення трафіку з/в мережу доступу,
проведення хвильової конвертації та процесу комутації використання ОЕО
перетворення є визначальним для параметра енергоспоживання. Потрібно
зазначити, що введення/виведення трафіку з/в мережу доступу на проміжних вузлах
та використання хвильових конверторів з ОЕО перетворенням призводить до
споживання близько 85 % електроенергії [61]. Сьогодні можна замінити дороге і
енергозатратне ОЕО перетворення. Наприклад, введення/виведення трафіку з/в
мережу доступу без використання проміжного ОЕО перетворення може
здійснюватися за допомогою статичних чи реконфігурованих оптичних
мультиплексорів вводу/виводу [62], а ОЕО хвильові конвертори можуть бути
замінені на оптичні, які розроблені на основі нелінійних ефектів [63].
Енергоспоживання оптичних конверторів визначається такими параметрами:
 вхідна потужність оптичного сигналу,
 вхідна потужність допоміжних оптичних сигналів,
 використання напівпровідникових оптичних підсилювачів,
 вибір нелінійних матеріалів,
 вихідна потужність оптичного сигналу.
Вхідна цотужність оптичного сигналу є визначальним параметром роботи
оптичних хвильових конверторів, оскільки конвертори, які розроблені на основі
нелінійних ефектів, дають змогу отримати вихідні сигнали порядку 0,1% від
амплітуди основного вхідного сигналу [63]. Це унеможливлює використовувати
попередні і кінцеві підсилювачі, що підвищують енергоспоживання такого
пристрою. Виходом із цієї ситуації є використання нелінійно-оптичних матеріалів
[63].
Робочим елементом у таких пристроях є напівпровідниковий оптичний
підсилювач (Semiconductor optical amplifier - SOA). Конвертор з крос-фазовою
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 48
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

модуляцією використовує два SOA підсилювачі, проте потребує меншої потужності
вхідного сигналу. Конвертор з крос-модуляцією інтенсивності передбачає
використання тільки одного такого підсилювача. Підтримка оптимального значення
вхідної потужності оптичного сигналу і кількості підсилювачів SOA підвищить
енергоефективність таких пристроїв.
На рис. 3.3 показаний порівняльних гафік поширених ядрових
маршрутизаторів Juniper ТІ600 і CISCO CRS-1. Як видно з графіка
найенергоефективнішим обладнанням є обладнання компанії Juniper [11]. Проте
продуктивність маршрутизаторів CISCO CRS-1 є вищою. Під час вибору
оператором телекомунікаційного обладнання недоцільно спиратись тільки на
параметр енергоефективності, а потрібно шукати компроміс між усіма технічними
параметрами пристрою.

Рис. 3.3 Порівняння пропускної здатності\потужності споживання
маршрутизаторів CISCO і Juniper
3.1.2 Пасивна оптична мережа доступу РОN
Телекомунікаційні компанії поступово переходять Fiber to the Home (FTTH),
що дозволяють технологіям швидко розвиватися. Активні оптичні мережі (active
optical networks-AON) та пасивні оптичні мережі (passive optical networks-PON) – дві
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 49
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

основні системи, які уможливлюють широкосмугові з'єднання FTTH. PON, які
можуть надавати економічні рішення, більш поширені у більшості розгортань FTTH.
Однією в енергоефективних мереж доступу є PON, яка в основному включає основні
компоненти та пов'язані технології, включаючи OLT, ONT, ONU та ODN.
Пасивна оптична мережа відноситься до волоконно-оптичної мережі, що
використовує топологію точки-багатоточки та оптичні розгалужувачі для доставки
даних з однієї точки передачі в кілька кінцевих точок користувачів. На відміну від
AON, кілька клієнтів підключені до одного модуля через окремі оптичні волокна і
пасивні блоки розгалужувача/суматора, які повністю працює в оптичній області і
без живлення в архітектурі PON. В даний час існує два основних стандарти PON:
Gigabit Passive Optical Network (GPON) та Ethernet Passive Optical Network (EPON).
Їхні топологічні структури в основному однакові. Рішення PON, яке є першим
вибором у багатьох сценаріях розгортання FTTH, має кілька важливих переваг:
Низьке енергоспоживання
Менше потрібного простору
Вища пропускна здатність
Безпека вищого рівня
Легше встановлення та розширення
Зниження витрат на експлуатацію та управління

Структура та компоненти PON
У системі Gigabit Ethernet Passive Optical Network (GEPON) є оптичний
лінійний термінал (optical line terminal-OLT) в центральному офісі постачальника
послуг та ряд оптичних мережевих блоків (optical network units-ONU) або оптичних
мережевих терміналів (optical network terminal-ONT) поруч з кінцевими
користувачами, а також оптичний розгалужувач (optical splitter-SPL). Крім того,
оптична розподільна мережа (optical distribution network-ODN) також
використовується під час передачі між OLT та ONU/ONT.

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 50
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Optical Line Terminal (OLT)
OLT є відправною точкою для пасивної оптичної мережі, яка підключена до
комутатора рівня ядра через кабелі Ethernet. Основна функція OLT полягає у
перетворенні, кадруванні та передачі сигналів для мережі PON, а також у
координації мультиплексування оптичних мережевих терміналів для поділеної
висхідної передачі. OLT має два плаваючі напрями: висхідний потік (отримання
розподілу різних типів даних та голосового трафіку від користувачів) та низхідний
потік (отримання даних, голосу та відеотрафіку з міської мережі або мережі на
далекі відстані та відправлення їх усім модулям ONT в ODN.) Максимальна
відстань, що підтримується для передачі через ODN, становить 20 км.

Optical Network Unit (ONU)/Optical Network Terminal (ONT)
ONU перетворює оптичні сигнали, що передаються волокнами в електричні
сигнали. Ці електричні сигнали потім надсилаються окремим абонентам. Як
правило, між ONU та розташуванням кінцевого користувача існує віддалена або
інша мережа доступу. Крім того, ONU може відправляти, агрегувати та обробляти
різні типи даних, що надходять від клієнта, і відправляти їх у висхідному напрямку
в OLT. OLT підтримує розподіл пропускної спроможності, що дозволяє плавно
передавати дані OLT, які зазвичай надходять від клієнта пачками. ONU може бути
підключений різними методами та типами кабелів, таких як мідна кручена пара,
коаксіальний кабель, оптичне волокно або через Wi-Fi.
Пристрої кінцевого користувача можуть також називатися оптичним
мережевим терміналом (ONT). Власне ONT по суті те саме, що ONU. ONT – це
термін ITU-T, а ONU – термін IEEE. Вони обидва відносяться до обладнання в
системі GEPON. Але на практиці між ONT та ONU є невелика різниця в залежності
від їхнього розташування (рис. 3.4).
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 51
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 3.4
Optical Distribution Network (ODN) ODN, невід'ємна частина системи PON
пропонує оптичне середовище передачі для фізичного підключення ONU до OLT на
відстані 20 км або більше. В ODN, оптоволоконні кабелі, оптоволоконні роз'єми,
пасивні оптичні розгалужувачі та допоміжні компоненти взаємодіють один з одним.
В ODN є п'ять сегментів: фідерне волокно, оптична точка розподілу, розподільне
волокно, оптична точка доступу і оптичне волокно. Фідерне волокно починається
від оптичного розподільчого каркаса (ODF) у телекомунікаційній кімнаті
центрального офісу та закінчується в оптичній розподільній точці для покриття
великих відстаней. Розподільче волокно від оптичної точки розподілу до оптичної
точки доступу розподіляє оптичні волокна по областях поруч із нею. Відвідне
волокно з'єднує оптичну точку доступу з терміналами (ONT), забезпечуючи подачу
оптичного волокна до будинків користувачів. Шлях через ODN необхідний для
передачі даних PON, і його якість безпосередньо впливає на продуктивність,
надійність і масштабованість системи PON.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 52
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 3.5
OLT, ONU або ONT та ODN є основними компонентами системи GEPON, які
досі широко використовуються в додатках FTTH. Зменшена кабельна
інфраструктура (без активних елементів) та гнучка передача мультимедіа роблять
пасивні оптичні мережі більш ідеальними для домашнього Інтернету, голосових та
відео додатків. Крім того, пасивні оптичні мережі також можуть застосовуватися в
університетських містечках та бізнес-середовищі, забезпечуючи економічні
рішення. Оскільки технологія PON продовжує вдосконалюватися, розширюються й
потенційні програми.
3.1.3 Архітектурні підходи для покращення енергоефективності
Відомо, що основним споживачем енергії в транспортній мережі є ядровий ІР-
маршрутизатор [64] (рис. 3.6, а). Електроспоживання ІР-маршрутизатора
визначають такі складові: живлення і охолодження (PS&C), робота пристрою (FE),
комутаційна фабрика (SF), площина управління (СР), вхідні/вихідні карти (I/O),
буфери (В). На рис. 3.6 показано відсоткове співвідношення споживання енергії
цими елементами.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 53
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 3.6 Співвідношення споживання енергії елементами ядрового ІР-
маршрутизатора
ІР-маршрутизатор для обробки одного біта інформації споживає приблизно 10
нДж електроенергії [64]. Відповідно другий рівень OSI, на якому працюють
технології SDH, OTN, Gigabit Ethernet, для обробки одного біта інформації споживає
енергії порядку 1 нДж. Для трафіку, що комутується виключно на WDM рівні, для
обробки 1 біта потрібно тільки 0,1 нДж. Тому завдяки обробці службової інформації
на ядрових маршрутизаторах проміжних вузлів можна істотно підвищити
енергоефективність транспортної мережі. Ці маршрутизатори
використовуватимуться тільки на кінцевих вузлах передачі даних. Перший рівень,
де працює технологія WDM, є найенергоефективнішим з погляду обробки службової
інформації, проте реалізація комутації виключно на WDM рівні є складним
технічним завданням. Тому оптимальним рішенням є впровадження процесу
обробки на другому рівні, який буде узгоджено працювати із першим і третім
рівнями. Такі рішення потребують розробки методів, які дадуть змогу усувати від
процесу обробки проміжні ядрові маршрутизатори. Відкриття наскрізних каналів
передбачає процес комутації на WDM рівні із резервуванням необхідних часових і
спектральних ресурсів, що також підвищує енергоефективність мережі.

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 54
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

3.2 Методика визначення енергоспоживання оптичної транспортної мережі
Загальний принцип визначення параметра енергоефективності

В якості моделі реальної мережі розглянемо мережну структуру, що показана
на рис. 3.7. Вона розділена на три частини у відповідності до виконуваних функцій:
 Мережа доступу;
 Транспортна мережа;
 Корпоративна мережа.
В якості обладнання розглядалося обладнання компаній Cisco, Huawei,
EOspace
Для виявлення найенергоємніших елементів мережі і їх вдосконалення
спочатку здійснено розрахунок витрат електроенергії для мережі доступу/агрегації і
транспортної мережі за передачі одного IP-пакета завдовжки 1000 байт. Кінцевий
користувач має доступ до мережі за допомогою технології Ethernet To The Home
(ETTH) зі швидкістю 100 Мбіт/с. При цьому в якості мережі доступу
використовується мережна технологія PON. Транспортна мережа є повністю
оптичною. Швидкість передачі всередині ядра мережі становить 10 Гбіт/с.

Рис. 3.7 Модель телекомунікаційної мережі
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 55
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

У таблиці 3.1 наведено енергетичне споживання телекомунікаційного
обладнання.
Розрахунок витрат електроенергії здійснювався на прикладі передачі одного
ІР-пакета від кінцевого користувача до дата-центру, включаючи тільки частини
телекомунікаційної мережі (мережі доступу/агрегації і транспортної мережі). Для
кожного обладнання була (найдена витрата електроенергії на обробку одного біта
інформації на основі параметрів енергоспоживання обладнання і максимального
навантаження, яку він може обробити за одиницю часу. Після цього визначаємо
витрату електроенергії для передачі пристроєм одного ІР-пакету, середня довжина
якого становить 1000 байт.
Табл. .3.1 Енергоспоживання телекомунікаційних пристроїв
Обладнання Енергоспоживання, Вт/год Марка моделі, виробник
OLT 40 UFiber OLT GPON (UF-OLT)
Ubiquiti Networks
Ethernet switch 170 Cisco ME 2600x Ethernet Switch
ONU 12 BDCOM ONU P1004R
O/O/O комутатор 0,0094 EOspace Electro-optic switch
Енергоспоживання,
Обладнання пВт/біт Посилання
Core router 2,7 [153]
Транспортна 0,27 [153]
технологія
O/E перетворення 0,336 [240]
E/O перетворення 0,722 [241]
Комутаційна 0,405 [153]
фабрика ОЕО

UFiber OLT (UF-OLT) (рис. 3.8) – професійний оптичний термінал (Optical Line
Terminal) операторського рівня, призначений для розгортання пасивних
оптоволоконних мереж GPON операторами зв'язку та провайдерами (Вартість на
2021р - 1610$).
UF-OLT має у своєму розпорядженні 8 інтерфейсів GPON SFP та 2 слоти SFP+ з
підтримкою швидкостей 10 Гбіт для організації високошвидкісного підключення
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 56
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

до засобів маршрутизації. Кожен PON-інтерфейс здатний обслужити до 128
кінцевих абонентських ONU (Optical Network Unit). Таким чином, в цілому один
UFiber OLT здатний обслуговувати до 1024 клієнтів.

Рис. 3.8 Оптичний термінал UFiber OLT GPON (UF-OLT) Ubiquiti Networks
Розрахунки проведені для двох режимів роботи: з ОЕО-перетворенням на
проміжних вузлах і без нього, тобто відкриттям наскрізного каналу між двома
кінцевими вузлами транспортної мережі. В останньому випадку на верхні рівні,
тобто рівні, де працює транспортна технологія і ядрові маршрутизатори, передається
тільки службова інформація ІР-пакета (заголовок пакета 20 байт), а не увесь пакеті,
як у режимі із оптоелектронним перетворенням. Також вважається, що пакет
проходить три проміжні вузли у ядрі мережі, внаслідок чого отримується сумарна
витрата електроенергії для передачі одного пакета, детальний склад якої наведено у
табл. 3.2.
Табл. 3.2 Визначення параметра енергоефективності для оптичної транспортної
мережі для режимів із ООО і ОЕО
Частина мережі Режим із ОЕО Режим без ОЕО
ОЕО 5,603 1,088
ООО 0 0,783
Транспортний рівень 2,216 0,555
Ядрові маршрутизатори 13,85 5,543
Сумарна витрата 21,669 7,969
електроенергії

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 57
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

3.3 Математична модель визначення параметра енергоефективності
транспортної мережі
На рис. 3.9 зображено розширена модель транспортної частини
телекомунікаційної мережі, яка представлена трьома рівнями моделі OSI: ядровий
маршрутизатор, який виконує функції третього рівня; обладнання транспортної
технології, що виконує функції канального рівня; DWDM-обладнання, що виконує
функції фізичного рівня.
В роботі [65] розглянуто модель для визначення параметра енергоефективності
оптичної транспортної мережі. Згідно запропонованої моделі енергоспоживання
вузлів мережі визначається їхньою архітектурою (як програмних, так і апаратних
частин). Окремо виділяють граничні та проміжні вузли, оскільки їх
енергоспоживання відрізняється способом обробки даних (рис. 3.9 - “вверх”,
“вниз”). Для трирівневої структури OTN енергоспоживання визначається так:
(3.1)

де Рр.с - загальне енергоспоживання мережі за передачі даних; PEdge -споживання
електроенергії на граничному вузлі; Ро і РЕ - енергоспоживання проміжних вузлів
без і з проміжним ОЕО-перетворенням, відповідно; N і К -кількість вузлів без і з
проміжним ОЕО-перетворенням; М - кількість блоків даних; PROE - витрата
електроенергії на регенераційне обладнання.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 58
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 3.9 Модель транспортної мережі

Під час визначення Рр.с. в (3.1) вперше враховуються параметри: Ptransp~ витрата
електроенергії на відкриття наскрізних каналів, Pd_time - потужність, яка витрачається
під час роботи обладнання на неробочому ходу. Усі потужності подані у Вт.
У [11] описано середнє енергоспоживання обладнанням відповідних рівнів
для цього вузла, яке подано функцією:
(3.2)

де Pip - енергоспоживання електроенергії пристроями мережного рівня;
Ptr.l - енергоспоживання електроенергії пристроями канального рівня;
PDWDM - енергоспоживання електроенергії пристроями фізичного рівня.
Розроблена модель враховує параметри оптичного та електричного доменів за
різних конфігурацій мережі. Тут доменом є фізична частина мережі, яка
представляється наявністю (електричний) чи відсутністю (оптичний) опто-
етектронного перетворення. Враховуючи, що мережа є багатошаровою, енер-
гоефективність можна визначати як сумарну витрату електроенергії кожного із
рівнів, яка є узагальненою до значення (3.1):
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 59
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

де Ps_ip - енергоспоживання електроенергії всіх пристроїв мережного рівня;
Ps_Tr.l - енергоспоживання електроенергії всіх пристроїв канального рівня;
PS_DWDM - енергоспоживання електроенергії всіх пристроїв фізичного рівня.
У роботі здійснюється розрахунок енергоспоживання згідно з моделлю, яка
визначається за допомогою формули (3.1).
Підвищення точності вимірювання параметра енергоефективності дасть змогу
оператору конфігурувати параметри мережі для підвищення її енергоефективності.
Для підвищення точності визначення цього параметра необхідно враховувати
службові дані та заголовки. Тому у роботі прийнято, що визначення параметра
енергоефективності здійснюється щодо довжини транспортного блока (нВт/біт):
(3.3)

де Lblоск - довжина блока, що вимірюється кількістю бітів блока.
Для підвищення точності визначення параметра енергоефективності
враховується службове навантаження канального і мережного рівня, тому
обчислення цього параметра здійснюєтсья щодо блока даних канального рівня.
Енергоспоживання телекомунікаційних мереж визначає в основному
виробник обладнання. Для електричних частин мережі витрати електроенергії для
обробки одного блока даних становлять:
(3.4)

де Pmax витрата електроенергії пристроєм за його максимального завантаження
(Вт/с); N — кількість блоків даних, яку може обробити пристрій за 1 с.
Для лінійного терміналу PTN потужність, яка витрачається для обробки
одного блоку даних, визначається так:
(3.5)

де Рequip.op(t)- витрата електроенергії пристроєм за одиницю часу;
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 60
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

V — швидкість передачі оптичного сигналу у мережі (біт/с);
Lblock - довжина робочого блоку даних.
Для граничних вузлів енергетичне споживання визначається так:
(3.6)

Наявність чи відсутність ОЕО-перетворейня на DWDM рівні говорить про тип
комутації і режим передачі даних. За здійснення OЕО-перетворення на проміжних
вузлах здебільшого сигнал піднімається на верхній рівень для його обробки, а потім
опускається вниз, де перетворюється знову в оптичний сигнал. Відповідно
енергетичне споживання проміжного вузла з ОЕО-перетворенням для обробки
одного блока даних становить:
(3.7)

За відсутності проміжного ОЕО-перетворення відкривається наскрізний
канал. Під час відкриття наскрізного каналу на певний час резервуються часові і
спектральні ресурси мережі. Для його відкриття відсилається певна кількість
службових блоків даних (Nслуж), для обробки яких витрачається Рtransp потужності,
що враховується у визначенні параметра енергоефективності (3.1). Відповідно
витрачена енергія на вузлі без ОЕО-перетворення становитиме:
(3.8)
(3.9)

де Рsw – витрата енергії оптичним комутатором.
Енергетична ефективність оптичних комутаторів визначається так:
(3.10)

де Рs витрата електроенергії оптичним комутатором; Рwc - витрата електроенергії
оптичним хвильовим конвертором за зміни довжини хвилі за одиницю часу; V -
швидкість передачі.
Очевидно, що зі збільшенням швидкості передачі витрати електроенергії
оптичними пристроями будуть менші.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 61
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Необхідно врахувати використання як оптичних підсилювачів, так і ЗR-
регенераторів, звідки визначається витрати електроенергії на один блок даних:
(3.11)

де Q кількість використаних оптичних підсилювачів від пункту А до пункту Б;
Т - кількість використаних ЗR-регенераторів від пункту А до пункту Б; РОА -витрата
електроенергії оптичним підсилювачем за одиницю часу; Р3R витрата електроенергії
електричним регенератором за одиницю часу.

3.4 Визначення енергоефективності транспортної частини телекомунікаційної
мережі
Наведемо приклад розрахунку енергоефективності телекомунікаційної мережі
згідно з наведеним математичним апаратом, де використані вихідні параметри, що
наведені у табл. 3.3-3.5.
Відповідно до цієї методики знаходимо витрати електроенергії на обробку
одного блоку даних згідно з формулою (3.4), а результати наведено у табл. 3.6.
Встановлено, що робочий блок даних OTU-контейнер розміром 15296 байтів вміщає
15 ІР-пакетів із довжиною 1000 байт. Відповідно, Pip=15Pblock=31.25нВт, Рtr.l.
=0,84978 Вт.
Параметри розрахунку енергоефективності телекомунікаційної мережі Таблиця 3.3
Параметр Значення Параметр Значення
Кількість проміжних 3 Вид Cisco, Huawei, Mikrotik,
вузлів використовуваного EOspace, Fujitsu Flash
обладнання wave, FINISAR, HiLink
Архітектура вузла трирівнева Кількість проміжних 0
ОЕО- перетворень, К
Вид транспортної OTN Тип комутації оптична
технології
Розмір блока даних, у 122368 Використання немає
бітах, Lblock (OTN); хвильових
8000 (IP) конверторів
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 62
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

10
Швидкість передачі (транспорт Кількість оптичних 6
даних, Гвіт/с, V на мережа) підсилювачів, Q
Кількість блоків даних, Кількість ЗЯ-
100 2
М регенераторів, Т

Енергоспоживання телекомунікаційного обладнання (електричний домен)
Енергоспо Кількість блоків
Обладнання живання, даних, яку може
(електричного Вт/год обробити пристрій,
домену) Нпах Марка моделі, виробник
Core router 8ꞏ106 ІР пакетів Mikrotik Cloud Core Router
60
1036-12G-4S
Equipment of 50 163440 блоків Cisco ONS 15454 10- Gbps
transport level (ОТU) Multirate Enhanced
(transponder) Transponder
Таблиця 4.5
Енергоспоживання телекомунікаційного обладнання (оптичний домен)
Обладнання (оптичного Енергоспоживання,
домену) Вт/год Марка моделі, виробник
Equipment of DWDM
level 811 (на хвилю) Fujitsu Flashwave
Оптичний комутатор 0,0094 ЕО space Electro
Optical EDFA amplifier 2.5 FINISAR single Channel Micro
EDFA
3R-regeneration 24 3R Regeneration technology XFP
Module Optics
Таблиця 3. 6
Результати енергоефективності для електричного домену
Nmax, кількість блоків/с Pblock витрата енергії
Тип обладнання Рmах, Вт/С
на блок, нВт
Core router 0.016667 8000000 (IP пакетів) 2,08333
Transport level 0.013889 163440(OTU фрейм) 0,84978
Під час визначення витрати на електроенергію в оптичному домені
вважатимемо, що режим передачі даних у цьому випадку є прозорий, - перед
передачею даних необхідно відіслати блок даних, який на кожному вузлі зарезервує
необхідні частотні і часові ресурси, що враховано у формулі (3.8). Швидкість
передачі всередині мережі становить 10 Гбіт/с. Згідно з умовою кількість хвильових
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 63
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

конверторів дорівнює 0, відповідно, Рwc=0. Обчислення здійснюється за допомогою
(3.8)—(3.11), а результати наведено у табл. 3.7. На основі (3.6)-(3.9) знаходимо, що
Р =
Edge=2.8729 мкВт, Ро=16,99 мкВт, Рtransp.=1,026 мкВт, РROE 0,2141 мкВт. На основі
(3.1)-(3.3) знаходимо Р =
p.c. 113.683 мкВт, Рbit=9.289 пВт.
Згідно з моделлю [11] також був визначений параметр енергоефективності
транспортної мережі для аналогічних вихідних даних. У цьому випадку параметр
енергоефективності обчислюється щодо витрати електроенергії обладнанням трьох
рівнів для обробки одного біта інформації. Для цієї моделі витрати потужності
будуть такими: РІР=10 нДж, Рtг.l.=1нДж, РDWDM =0.1нДж [64]. Враховуючи
особливості обробки інформації на граничних і проміжних вузлах згідно з (3.6) і
(3.7) був обчислений параметр енергоефективності для моделі [11]: для блока даних
і одного біта інформації: Рр.с. =105,2 мкВт, Р =
BIT 8,6 пВт, відповідно.
Таблиця 3.7
Результати енергоефективності для оптичного домену
Тип обладнання Рmax Вт/с Pblock, нВт
DWDM 0,225278 2756,68(PDWDM)
Optical switch 2,61ꞏ10-6 0,003195 1(Psw)
Електричні регенератори та 0,000694(0)+ 214,144(PROE)
оптичні підсилювачі 0,006667(3R)

3.4.1 Визначення параметра енергоефективності маршрутизатора транспортної
оптичної мережі

Робота граничних і проміжних вузлів PTN пов’язана з роботою пристроїв
мережевого рівня. Енергоспоживання пристроїв електричного домену визначається
за допомогою виразу (3.4).
Для маршрутизатора параметр енергоспоживання Рmах визначається так [66]:

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 64
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

де V визначає тип шасі, контролера, встановлених лінійних карт, конфігурації і
профілю трафіку пристрою залежно від швидкості передачі даних у компонентах
маршрутизатора. Функція PСhas(v) визначає енергетичне споживання шасі; U -
кількість використовуваних контролерів; Pproc(vu) визначає енергетичне споживання
певного типу контролера; N - кількість використовуваних лінійних карт; PLC(vi)
визначає енергоспоживання усіх лінійних карт у базовій конфігурації (фізичних
інтерфейсів, портових адаптерів, комутаційних фабрик і модулів управління).
Суму PLC можна представити у вигляді:

де РPLIM(vj) енергоспоживання інтерфейсних модулів і портових адаптерів
PLIM (Physical Layer Interface Module); PSW(vm) - енергоспоживання комутаційних
фабрик SW (Switch Fabric); PMSC(vk) -енергоспоживання модулів управління MSC
(Modular Services Card).
Відповідно функцію, яка визначає енергоспоживання маршрутизатора,
можна подати такою формулою:

Збільшення швидкості передачі вимагає продуктивніших елементів. За
збільшення швидкості передачі відбувається доволі істотне збільшення
енергоспоживання контролера і лінійних карт маршрутизатора.
Шасі є найенергомісткішим елементом таких маршрутизаторів. Воно може
мати частку до 80 % їхного енергоспоживання [66]. Енергоспоживання шасі
визначається заповненням лінійними картами. Наприклад, шасі Cisco CRS-3 24-Slot
Fabric-Card Chassis [67] під час завантаження лише на третину споживає 3,244 кВт,
а за повного — 7,66 кВт. Підвищення швидкості передачі даних (використання
лінійних карт зі швидкіснішими інтерфейсами) не приведе до істотного підвищення
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 65
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

енергоспоживання шасі. Це буде раціональним використанням енергоресурсів таких
маршрутизаторів.
Ключовим елементом у маршрутизаторі є центральний контролер (CPU -*
central processing unit). Для багатостійкових маршрутизаторів енергоспоживання
контролерів становить близько 2 % енергоспоживання стійки [67]. Проте у
моноблокових маршрутизаторах це значення може сягати 45 % [67].
Енергоспоживання мережних CPU визначається сумою енергоспоживання таких
елементів: арифметично-логічного пристрою (ALU - arithmetic and logic unit),
тактового генератора, кешу і елементів пам’яті. Енергоспоживання кожного
елемента визначається такою формулою [68]:
(3.12)

де С - агрегаційна ємність навантаження для кожного компонента;
Vdd - робоча напруга;
а - активність кожного елемента для кожного такту генератора (0<a<l);
f - тактова частота контролера.
Збільшення швидкості передачі даних на інтерфейсах маршрутизатора
ставить вищі вимоги до мережного CPU. Це призводить до зростання параметра
активності елементів (a→l) і до лінійного підвищення енергоспоживання CPU
Збільшення тактової частоти генератора також призводить до лінійного зростання
енергетичного споживання контролера.
Енергоспоживання усіх лінійних карт у базовій конфігурації (фізичних
інтерфейсів, портових адаптерів, комутаційних фабрик і модулів управління)
визначається виробником обладнання. На рис. 3.3 показано діаграми зміни
енергоспоживання маршрутизаторів (з урахуванням їх максимального заванта-
ження і комплектації) за переходу від 40 до 100 Гбіт/с компаній Cisco [68] і Huawei.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 66
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 3.3. Діаграми зміни енергоспоживання маршрутизаторів
Для лінійних карт Cisco CRS 16-Slot Single-Shelf System значення
енергоспоживання зменшується за збільшення швидкості передачі. Для Huawei
ситуація є протилежною. Збільшення швидкості передачі даних у будь-якому
випадку призведе до збільшення енергоспоживання цілої системи маршрутизатора.
Проте, як показують діаграми (рис. 3.3), параметр енергоефективності не зростає зі
збільшенням швидкості передачі.

3.4.2. Визначення параметра енергоефективності для акустооптичного
комутатора

Оптичні модулятори і комутатори визначають енергоспоживання пристроїв
DWDM-рівня. Розглянемо залежність енергоспоживання АО-комутатора від
швидкості передачі даних.
Енергетичне споживання запропонованої архітектури пристрою визначається
за такою формулою:

де Pproc(v) - енергоспоживання контролера (3.12); PgenV(v) - енергоспоживання
генератора напруги; Pwave(v) — електроенергія, яка витрачається на хвильову
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 67
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

конвертацію; Pcool(v) електроенергія, яка витрачається на охолодження комутатора і
визначається так:

Відомо, що під час споживання мережним пристроєм 1 Вт електроенергії,
витрачається близько 1 Вт електроенергії на його охолодження. Приймаємо
параметр k у межах 0,5≤ k ≤1, який визначає частку електроенергії що припадає на
охолодження, від сумарного енергоспоживання комутатора.
Енергоспоживання генератора напруги PgenV(v) визначається із загального
означення потужності -добутку напруги і струму:

де значення керуючої напруги АО-комутатора змінюється в діапазоні
0<Umanag<Uacous Максимально допустима керуюча напруга генератора Uacous
необхідна для забезпечення режиму Брега.

3.4.3. Визначення параметра енергоефективності за зміни швидкості передачі
даних

Визначено вплив зміни орієнтацій зразка АО-комутатора на енергетичне
споживання цього пристрою. Оцінка параметра енергоефективності здійснюва-лась
за двома: значеннями параметра акустичної якості М2: за прямого зрізу зразка 7×10-
15 с3/кг [50]; за оптимальної орієнтації зразка, визначеної за допомогою вказівної
поверхні: 15,9×10-15 с3/кг .
Вхідні дані для моделювання Таблиця 3.8
Параметр Значення Параметр Значення
Контролер Параметри кристала і генератора
Акустичний опір
матеріалу
Напруга, U 1,25 В 29100 кг/с
звукопроводу,
Zsn
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 68
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Тактова Ширина акустичного
2,8 ГГц 11 мм
частота, f стовпа, b
СЄН ALU, Довжина акустичного
310 пФ 6 мм
СALU стовпа, l
СЄН тактового Довжина акустичної
3330 пФ 6 мм
генератора, Сclk взаємодії, L
СЄН кешу Сс 957 пФ Коефіцієнт передачі, ȵ 85%
СЄН кешу і 7×10-15 с3/кг
0,088 фФ Параметр АО-якості. М2
шин Cmchl 15,9×10-15 с3/кг
Параметри п’єзоперетворювача
Резонансна
частота Механічна добротність
18,5 МГц 200
п’єзоперетворю п'єзоперетворювача, Q
вача, f
П’єзомодуль
матеріалу 2 Висота ультразвукового
17,1 м /В < 1 мм
п’єзоперетво- п’єзоперетворювача, Н
рювача, dij
Параметри оптичного тракту
Кількість Кількість оптичних
4 10
волокон хвиль в одному волокні

Вхідні дані наведені у табл. 3.8. Результати моделювання показують, що
збільшення швидкості передачі даних призводить до збільшення параметра
активності елементів контролера (a→l) та енергетичного споживання комутатора.
Результати моделювання наведено у табл 3.9. За М2=7×10-15 с3/кг і за
збільшення швидкості передачі даних від 10 до 100 Гбіт/с енергоспоживання
контролера збільшилось на 69,4 %, системи охолодження - на 29,8 %.
Під час використання АО-комірки Щ параметром М2=15,9×10-15 с3/кг
енергоспоживання контролера за збільшення швидкості передачі до 100 Гбіт/с
збільшилось на 71,2 %, системи охолодження - на 36,9 %. В обох випадках
енергоспоживання генератора напруги майже не змінилось, а загальне
енергоспоживання збільшилось на більш як 130 Вт.

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 69
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Таблиця 3.9
Результати моделювання (за зміни орієнтацій зразка комутатора)
М =7×10-15
2 с3/кг М2=15,9×10-15 с3/кг
Швидкість
Елементи модулятора Енергетичне споживання, Вт
Рргос(v) 26,9 25,3
РgenV(V) 138,6 89,2
Рwave(v) 4,6 4,5
10 Гбіт/с
Pсооl(v) 136,1 98,7
222,1
Pswitch(v) 306,3
Рргос(v) 87,8 87,9
РgenV(V) 140,5 91,9
100 Гбіт/с
Рwave(v) 15,8 15,9

Pсооl(v) 193,9 156,6
Pswitch(v) 436,2 352,4

3.4.4. Визначення параметра енергоефективності комутатора залежно від
кількості наскрізних каналів
В імітаційній моделі використано п’ять наборів наскрізних каналів передачі. У
результаті моделювання отримано, що за збільшення кількості наскрізних каналів
передачі від 0 до 15 відбуваються зменьшення енергетичного споживання
контролера на 19 % (табл. 3.10 - 3.11). Це вияснюється тим, що збільшення кількості
наскрізних каналів призводить до зменшення кількості службових даних, яку
обробляє контролер на одному блоці даних. За 15 каналів зменшилось енергетичне
споживання комутатора на 10,7 %. Крім того, зменшення енергетичного споживання
контролера збільшить час роботи пристрою.

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 70
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Таблиця 3.10
Результати моделювання, коли М2=15,9ꞏ10-15с3/кг (за зміни кількості
наскрізних каналів передачі даних)
0 наскрізних каналів 10 наскрізних каналів
Елементи
Швидкість передачі передачі
модулятора
Енергетичне споживання, Вт
10 Рргос(v) 26,9 25,5
Гбіт/с Pswitch(v) 222,4 220
100 Рргос(v) 87,9 71,1
Гбіт/с Pswitch(v) 352,5 314,8

Результати моделювання (за зміни кількості наскрізних каналів передачі даних
- енергоспоживання виключно для контролера)
Енергетичне споживання контролера,
Кількість
Вт
наскрізних
швидкість 10 швидкість 100
каналів передачі
Гбіт/с Гбіт/с
0 26,9 87,8
3 26,5 8І7
7 25,9 75,9
10 25,5 71,0
15 24,9 64,4

3.4.5. Визначення параметра енергоефективності електрооптичного
модулятора
Враховуючи структуру ЕО-модулятора (рис. 3.4), енергоспоживання дорівнює:
(4.22)
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 71
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 3.4 Структурна схема ЕО-модулятора основі інтерферометра Маха-Цендера
де Р _
рrос(v) енергоспоживання контролера, яке визначається енергоспоживанням
контролера (4.18);
PgenV(v) - «енергоспоживання генератора напруги;
Рсооl(v) - електроенергія, яка витрачається на охолодження модулятора і визначається
як:
(4.23)
Відповідно енергоспоживання модулятора визначатиметься так:
(4.24)
Миттєве енергоспоживання генератора PgenV(v) дорівнює добутку миттєвих значень
напруги і струму. Півхвильова напруга Е|^ дорівнює (4.12) і є Загальне енергетичне
споживання генератора напруги можна визначити за такою формулою:
(4.25)
де максимальним значенням керуючої напруги Umanag(t) для симетричної структури
ЕО-модулятора на основі інтерферометра Маха-Цендера (рис. 3.4) і знаходиться в
межах:
0< Umanag <Uλ/2
де Uλ/2 - півхвильова напруга ЕОК:

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 72
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

де λ – довжина хвилі; d- товщина зразка; n-показник заломлення; rij – ЕО коефіцієнт;
L – довжина хвилі.
Енергоспоживання кожного елемента контролера визначається згідно з
4.18).
Здійснено імітаційне моделювання загального енергоспоживання модулятора
з вхідними даними табл. 4.13. Моделювання проведено для двох
значень швидкості передачі (10 і 100 Гбіт/с) і двох значень ЕО-коефіцієнта: rij
=32,2ꞏ10-12 -12
М/В; rij =39.7ꞏ10 М/В .
Результати моделювання у табл. 4.14 демонструють, що за збільшення швидкості
передачі даних від 10 до 100 Гбіт/с, енергоспоживання контролера зросло на 71,4%,
енергоспоживання системи охолодження - на 21,1%. Загальне енергоспоживання
зросло на 32,4 Вт, тобто на 26 % (за rij =32,2ꞏ10-12
М/В). Під час використання ЕОК із
параметром rij =39.7ꞏ10-12М/В енергоспоживання контролера також збільшилось на
71,4%. Загальне енергоспоживання зросло на 32,3 Вт, тобто у 2,4 раза.
Вхідні дані для моделювання
Таблиця 4.13
Параметр Значення Параметр Значення
Контролер Параметри кристала і генератора
Напруга, U 1,25 В Показник заломлення, n 2,2378
Тактова 2,8 ГГц Довжина хвилі, λ 632,8 нм
частота, f
СЄН ALU, 310 пФ ЕО-коефіцієнт, rij 39,7-10-12 м/В
СALU,
СЄН тактового 3330 пФ Товщина зразка, d 13.4 мм
генератора, Сclk
СЄН кешу Сc 957 пФ Довжина зразка, L 18,5 мм
СЄН кешу і шин 0,088 фФ Значення струму генератора, І 20 мА
Сmchl

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 73
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Енергетичне споживання елементів електрооптичного модулятора за різних
швидкостей передачі
Таблиця 4.14
rij =32,2ꞏ10-12 /В r =39,7ꞏ10-12
М ij М/В
Швидкість Елементи модулятора
Енергетичне споживання, Вт
Ррrос(v) 7,2 7,2
10 PgenV(v) 6.3 5,1
Гбіт/с Рcool(v) 10,9 9,9
Pmodul(v) 24,5 22,3
Ррrос(v) 25,2 25,2
100 PgenV(v) 6,9 5,1
Гбіт/с Рcool(v) 25,3 24,3
Pmodul(v) 57,4 54,6

3.4.6. Вплив типу модуляції на енергетичне споживання фотонних
транспортних мереж

Для забезпечення високих швидкостей передачі використання типової ООК (on-off
keying) модуляції є неефективним. За швидкості 100 Гбіт/с така модуляція
характеризується низькою спектральною ефективністю 0,5 біт/с/Гц [69].
Схематичну структуру модулятора, який використовує ООК, показано на рис. 3.4, а.

а)
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 74
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 4.4. Структура ОЕО-компонент типового передавача:

Для забезпечення швидкості передачі 100 Гбіт/с переважно використовується
РМ-QPSK-модуляція [69], яка характеризується спектральною ефективністю
порядку 2 біт/с/Гц. Схематичну, структуру модулятора, який використовує РМ-
QPSK -модуляцію, показано на рис. 4.4, б.
Для швидкості 200 Гбіт/с. 400 Гбіт/с і вище використовуються аналогічні
структури модуляторів (рис. 4.4, б) із множенням кількості відповідних робочих
Частин пристрою [69]. Наприклад, для досягншшя швидкості передачі даних
порядку 200 Гбіт/с використовується РМ-QPSK -модулятор, де швидкість передачі
даних на модуляторах Маха-Цендера становить 50 Гбіт/с. Тобто порівняно зі
швидкістю модуляції 100 Гбіт/с в РМ-QPSK на модуляторах Маха-Цендера
відбуваються перехід від 25 до 50 Гбіт/с. Для забезпечення швидкості 400 Гбіт/с
використовується 16QAM -модулятор, який побудований за допомогою дублювання
обладнання РМ-QPSK модулятора зі швидкістю передачі на модуляторах Маха—
Цендера 50 Гбіт/с.
Ключовими елементами у таких пристроях є інтерферометр Маха-Цен-дера
(модулятор), контролер, генератор напруги ЕОК, суматори і фазообертачі.
Параметр енергоефективності ЕО -модул торів визначається за формулою
(4.22) .
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 75
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Для трьох структур ЕО-модуляторів ООК, РМ-QPSK та РМ-16QАМ -
проведено моделювання для визначення параметра енергоефективності. Структура
пристроїв для РМ-16QАМ-модуляцїї аналогічна (рис. 4.4, б) із дублюванням
відповідних модуляторів і фазообертачів.
Вхідні дані для моделювання наведені у табл. 4.15.
Параметр Значення Параметр Значення
Контролер Параметри кристала і генератора
Напруга, U 1,25 В Показник заломлення, n 2,2378
Тактова частота, f 2,8 ГГц Довжина хвилі, λ 632,8 нм
СЄН ALU. СALU, 310 пФ ЕО-коефіцієнт, rij 39,7-10-12 м/В
СЄН тактового генератора, Сclk 3330 пФ Товщина зразка, d 13.4 мм
СЄН кешу Сc 957 пФ Довжина зразка, L 18,5 мм
СЄН кешу і шин Сmchl 0,088 фФ Значення струму 20 мА
генератора, І
Збільшення швидкості передачі даних призводить до збільшення енергетичного
споживання мережних пристроїв [153, 246], що і спостерігається для РМ-16QАМ-
модулятора (400 Гбіт/с, табл. 4.16). Однак енергоспоживання не залежить лінійно
від швидкості передачі. Встановлено, що під час використання РМ-16QАМ-
модулятора, параметр енергоефективності зменшується на 0.77 нВт (41,6 %) по
відношенню до РМ-QРSК-модулятора (табл. 4.16, рис. 4.5).
Таблиця 4.16
Результати моделювання - енергетичне споживання модуляторів
Елементи ООК PM-QPSK PM-16QAM,
модулятора (100 Гбіт/с) (100 Гбіт/с) (400 Гбіт/с)
Ррroc(v) 25.2 Вт 25.2 Вт 85.1 Вт
Рgenv(v) 12.8 Вт 77.3 Вт 154.5 Вт
Pcool(v) 30.2 Вт 82.0 Вт 191.6 Вт
Рtotal(v) 68.5 Вт 184.5 Вт 431.1 Вт
Параметр енергоефективності 0,685 нВт/біт 1,845 нВт/біт 1,078 нВт/біт
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 76
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

Рис. 4.5. Складові параметра енергоефективності для різних типів модуляції
Необхідно дослідити, чи виграш енергоефективності перекриє втрати за рахунок
зменшення часу експлуатації таких модуляторів.

Висновки до розділу
Наведені математичні моделі для визначення енергоспоживання дозволяються
проводити моделювання енергоефективності оптичних транспортних мереж. Із
наведених прикладів моделювання отримані такі результати:
 за збільшення швидкості передачі даних від 10 до 100 Гбіт/с,
енергоспоживання контролера зросло на 71,4%, енергоспоживання системи
охолодження - на 21,1%. Загальне енергоспоживання зросло на 32,4 Вт, тобто на 26
% (за rij =32,2ꞏ10-12
М/В). Під час використання ЕОК із параметром rij =39.7ꞏ10-12
М/В
енергоспоживання контролера також збільшилось на 71,4%. Загальне
енергоспоживання зросло на 32,3 Вт, тобто у 2,4 раза.
 під час використання АО-комірки Щ параметром М2=15,9×10-15 с3/кг
енергоспоживання контролера за збільшення швидкості передачі до 100 Гбіт/с
збільшилось на 71,2 %, системи охолодження - на 36,9 %.
 під час використання РМ-16QАМ-модулятора, параметр енергоефективності
зменшується на 0.77 нВт (41,6 %) по відношенню до РМ-QРSК-модулятора

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 77
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

ВИСНОВОК
В дипломній роботі розв’язана задача моделювання роботи транспортної
оптичної мережі з можливістю визначення параметрів енергоспоживання окремих
мережевих пристроїв. Використання наведених моделей дозволяє при проектуванні
транспортних мереж більш точно враховувати параметри енергоефективності. При
виборі обладнання для транспортних мереж на основі використання розглянутої
моделі можна шукати компроміс між продуктивністю і енергоефективністю.
Показана залежність енергоспоживання мережевої структури від
використовуваного виду модуляції дозволяє орієнтуватися на необхідне
енергоживлення обладнання при побудові і реконфігурації транспортних мереж.
При цьому отримані наступні результати:
наведено огляд основних моделей транспортних мереж з зазначенням
переваг кожної;
проведено аналіз математичних моделей, які можуть бути використані при
дослідженні оптичних телекомунікаційних мереж;
проаналізовано та запропоновано апаратно-програмні засоби та аспекти
організації мережевої інфраструктури оптичних транспортних мереж;
проаналізовані технологічні принципи підвищення енергоефективності
оптичних транспортних мереж;
розглянута методика визначення енергоефективності оптичної
транспортної мережі;
на основі розглянутої методики проведено визначення енергоефективності
оптичної мережі згідно до запропонованої моделі .
Завдання створення ефективних сучасних телекомунікаційних мереж з
покращеним параметром енергоефективності може бути вирішено за допомогою
технологій оптичних мереж з попереднім використанням набору математичних
методів і моделей і їх реалізацією на сучасному телекомунікаційному обладнанні,
такому як mikrotik, cisco, juniper, ubiquiti, тощо. За умови розумного проектування
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 78
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

мережі з дотриманням вимог до енергоефективності такий підхід дозволяє будувати
мережі, які відповідають сучасним запитам.

Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 79
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Фокин В.Г. Оптические системы передачи и транспортные сети: учеб.
пособ. / В.Г.Фокин. –М.: Эко-Трендз, 2008. -284 с.
2. Хмелев К. Основы фотонного транспорта: моногр. /К. Хмелев. – К.:
Тэхника, 2008. -680с.
3. Tellium. Optical switches: making optical networks a brilliant reality. - Mode
of access: WWW. URL: http://www. hit. bme. hu/~jakab/edu/litr/ wdm/ OXC 2. pdf. —
Title from the screen.
4. Nebeling M. Coarse wavelength division multiplexing: technologies and
applications / M. Nebeling, H. J. Thiele. - CRC Press 2007. - P. 376.
5. Убайдуллаев Р. Р. Волоконно-оптические сети / Р. Р. Убайдуллаев. - М.: Эко-
Трендз. 2000. - 276 с.
6. ECI Telecom. XDM™ - интеллектуальная масштабируемая оптическая
сетевая платформа: Общее описание // Lightscape Networks Ltd. - 2001. март. —№ 2.
- 198 е.
7. Siemens. Technical Description SURPASS hiT 7550. - 2003. - Vol. 8, No.2.
- P. 78.
8. Заркевич E. А. Технические возможности современных кабельных систем
передачи информации / Е. А. Заркевич. Е. Б. Алексеев. О. К. Скляров. С. А. Устинов
// Электросвязь. - 2003.-№9.-С. 15-19.
9. Кись О. М. Проектування волоконно-оптичної транспортної мережі: навч.
посіб. /O. М. Кись, В. І. Корнійчук. - Одеса: ОНАЗ ім. О. С. Попова. 2014. - 92 с.
10. Singh S. Р. Nonlinear effects in optical fibers: origin, management and
applications / S. P. Singh. N. Singh // Progress in electromagnetics research. PIER. - 2007.
- Vol. 73. - P. 249.
11. Idzikowski F. Power Consumption of network elements in IP over WDM
networks / F. Idzikowski // In: Technische Universität Berlin, Telecommunication
Networks Group, TKN Technical Report TKN-09-006. - 2009. - Vol. 7. - P. 1-16.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 80
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

12. Siemens. Technical Description DWDM Line Systems TransXpress Infinity
WL. - Release 2.3 and 2. 35.-2000.-Vol. 11.-P.36.
13. Ericsson Telecom. General Description ERJONTM. - 2000. - Vol. 2. - P. 47.
14. Lucent Technologies. WaveStar Optical Line Systems OLS 400 G. Application.
Planning&Ordening Guide (APOG). - Release 3. 0. - 2000. - Vol. 3. No. 2. - P. 1022.
15. Li М. J. Effect of residual stress on polarization mode dispersion of fibers
made with different types of spinning / M. J. Li, Xi Chen, D. A. Nolan // Opt. Lett. - 2004.
pVol. 29, No. 5. 0 P. 448-450.
16. Кайдан M. В. Дослідження анізотропних оптичних волокон / М. В. Кайдан
// Всеукр. наук.-практ. конф. “Сучасні проблеми телекомунікацій і підготовка
фахівців в галузі телекомунікації-2014”. СПТЕЛ-2014: матер, конф. ЗО жовтня - 2
листопада 2014 року. - Львів, 2014.j*C. 184-185.
17. Семенов А. Б. Структурированные кабельные системы Щ А. Б. Семенов,
К. Стрижаков, И. Р. Сунчелей.і» М.: АйТи Пресс, 2004. - 640 с.
18. Данилов В. В. Классификационный анализ акустооптических устройств
управления лазерным пучком / В. В. Данилов // Технология и конструирование в
электронной аппаратуре. - 2000Щ № 2-3. - С. 52-57.
19. Берикашвили В. Ш. Электрооптические модуляторы и фильтры на
основе кольцевых микрорезонаторов для волоконно-оптических систем связи / В.
Ш. Берикашвили, Н. Т. Ключник, М. Я. Яковлев // Берикашвили - місце видання
невідоме / Технология и конструирование в электронной аппаратуре. -2011. № 4. -
С. 3-4
20. Yadav R. Survey and comparation of optical switch fabrication techniques
and arhitectures / R. Yadav, R. R. Aggarwal // Journal of computing. - 2010. - Vol. 2, No.
4|jl P. 133-137.
21. Watanabe K. Extremely-low-power-consumption thermo-optic switch with
silicon-silica hybrid structure / K. Watanabe, R. Kasahara, Y. Hashizume // NTT Technical
Review. - 20 Ющ Vol. 8, No. 2.-P. 1- 5...
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 81
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

22. BahugunaR. Magneto-optic-based fiber switch for optical communications /
R. Bahuguna, M. Mina, J-W. Tioh, R. J. Weber j| Bahuguna: IEEE Trans. Magn. - 2006. -
Vol. 42, №10. 3099-3101.
23. Scholles M. Electro-optical liquid crystal waveguide switch / M. Scholles, F.
Costache M: Fraunhofer institute for photonic microsystems ipms.: Mode of access:
www.ipms.fraunhofer.de/content/dam/ipms/ common/products/AMS/lc-multiplexer-
e.pdf. — Title from the screen.
24. Маккавеев В. Фотонные коммутаторы / В. Маккавеев // Компоненты и
техноло¬гии. - 2006. - № 2. - С. 142-146.
25. Пріоком. Технологія синхронної цифрової ісрархії (SDH) [Електронний
ресурс]. - Режим доступу: http://priocom. com/ua/ products/arterial-networks/mpls.
26. ITU. Optical transport network (OTN) tutorial. [Electronic resource] / Mode
of access: http://www.itu.int/ITU-T/studygroups/coml5/otn/ OTNtutorial. pdf. - Title from
the screen.
27. Алексеев И. В. Введение в архитектуру MPLS / И. В. Алексеев // Сети. -
1999. - № 12-С. 48-53.
28. Коммутируемый по меткам тракт LSP [Електронний ресурс]. — Режим
доступу: http://www. intuit, ru/studies/courses/1150/157/lecture/28716?page=3.
29. Гольдштейн А. Б. Технология и протоколы MPLS / А. Б. Гольдштейн, Б.
С. Гольдштейн. - СПб.: БХВ-Санкт-Петербург, 2005. - 304 с.
30. G. 692., TU-T Rec. TU-T Rec. G. 692. Optical Interfaces for Multi-Channel
Systems With Optical Amplifiers (10. 1998).

31. G. 694. 1., TU-T Rec. TU-T Rec. G. 694. 1. Spectral Grids for WDM
Applications: DWDM Frequency Grid (06. 2002).
32. Muhmmad Ahsan Chishti, Ajaz Hussain Mir. Performance Analysis of Traffic
Engineering (TE) in IPv6 with IPv4 over Multi Protocol Label Switching (MPLS). //
International Journal of Computing and Network Technology. January, 2015.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 82
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

33. E. Rosen, A. Viswanathan, R. Callon. Multiprotocol Label Switching
Architecture. // RFC 3031. January, 2001.
34. Edmira Xhaferra. A Review Paper: Analysis of OSPF & RIPv2 over MPLS
VPN with OPNET Simulation // ImperialJournal of Interdisciplinary Research (IJIR).
2016. Vol. 2.
35.Зингеренко Ю. А. Оптические цифровые телекоммуникационные системы
и сети синхронной цифровой иерархии / Ю. А. Зингеренко. - СПб.: НИУ ИТМО,
2013. - 393 с.
36. Бакланов И. Г. SDH-NGSDH Практический взгляд на развитие
транспортных сетей / И. Г. Бакланов. - М.: Метротек, 2006. - 736 с.
37. Yan Y. FPGA-based optical programmable switch and interface card for
disaggregated OPS/OCS data centre networks / Y. Yan. Y. Shu. G. M. Saridis. B. R.
Rofoee. G. Zervas. D. Simeonidou // European Conference on Optical Communication
(ECOC). - Valencia, 2015. - P. 1-3.
38. Климаш М. М. Теоретические основы телекоммуникационных сетей:
моногр. / М. М. Климаш, Б. М. Стрихалюк, М. В. Кайдан. - Saarbrücken, Germany:
LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014. - 644 c.
39. Кофман А. Массовое обслуживание (теория и приложения) / А. Кофман, Р.
Крюон; пер. с фр.; под ред. И. Н. Коваленко. - М.: Мир, 1965.- 302 с.
40. Зыков А. А. Основы теории графов / А. А. Зыков.- M.: Вузовская книга,
2004. -664 с.
41. Соколов. H. П. Пространственные матрицы и их приложения / Н. П.
Соколов. - М.: Физмат, 1960. -299 с.
42. Петров А. Е. Тензорная методология в теории систем / А. Е. Петров. — М.:
Радио и связь, 1985. - 151 с.
43. Математичні основи теорії телекомунікаційних систем / В. В. Поповський,
С. О. Сабурова, В. Ф. Олійник та ін.; за ред. В. В. Поповського. — Харків: ТОВ
‘‘Компанія СМІТ”, 2006.- 564 с.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 83
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

44. Арменский А. Е. Тензорные методы построения информационных систем
/А.Е. Арменский.- М.: Наука, 1989.- 148 с.
45. Diestel R. Graph Theory. Electronic Edition / R. Diestel. “NY: Springer-Verlag,
2005. -422 p.
46. Оре О. Теория графов / О. Ope. - М.: Наука, 1980. - С. 336.
47. Тарасевич Ю. Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы / Ю. Ю.
Тарасевич. -М.: УРСС, 2012.-112 с.
48. Голубев А. С. Эффект перколяции в информационных сетях с
неустойчивыми связями / А. С. Голубев, М. Ю. Звягин, Д. С. Милованов //
Информационные технологии. Вестник Нижегородского университета им. Н. И.
Лобачевского. - 2011. — № 3 (2). - С. 260-263.
49. Климаш М. М. Використання інваріантності тензора для моделювання
телекомунікаційних мереж / М. М. Климаш, Б. М. Стрихалюк, М. В. Кайдан // Зб.
наук. пр. “Моделювання та інформаційні технології*”. - К., 2008. - Вип. 49. - С. 72-
79.
50. Климаш М. М. Тензорна модель характеристик мультисервісного трафіку
в NGN мережах / М. М. Климаш, Б. М. Стрихалюк, М. В. Кайдан // Комп’ютерні
технології друкарства: зб. наук. пр. -2010. -№ 23. - С. 79-88.
51. Albert R. Statistical mechanics of complex networks//R. Albert, A. L. Barabasi
// Rev. Mod. Phys. -2002.-Vol. 74. -P. 47-97.
52. Newman M. E. J. Random graphs with arbitrary degree distributions and their
applications/ M. E. J. Newman, S. H. Strogatz, D. J. Watts// Phys. Rev. E. - 2001, Vol. 64,
No. 2. - August 2001.-026118.-P. 1-19.
53. Watts D. J. Collective dynamics of‘small-world’ networks / D. J. Watts, S. H.
Strogatz // Nature. - 1998. - Vol. 393. - P. 440-442.
54. Жаринов И. В. Конструирование графов с минимальной средней длиной
пути / И. В. Жаринов, В. В. Крылов // Вестник ИжГТУ. - 2008. - № 4. - С. 164-169.
55. Barabarsi A.-L. Emergence of scaling in random networks / A.-L. Barabarsi, R.
Albert// Science. - 1999. - Vol. 286 (5439). - P. 509-512.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 84
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

56. Barabarsi A.-L. Mean-field theory for scale-free random networks/ A.-L.
Barabarsi, R. Albert, H. Jeong // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. -
1999. - Vol. 272(1).-P. 173-187.
57. Некрасова А. А. Исследование возможности применения теории
перколяции для управления потоками данных в информационных сетях на
транспорте / А. А. Некрасова, С. С. Соколов // Вестник государственного
университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. - 2015. - № 4
(32). - С. 192-198.
58. Федер Е. Фракталы / Е. Федер. - М.: Мир, 1991. - 260 с.
59. Klymash М. Traffic routing in telecommunication nets and its diakoptics
representation / M. Klymash, B. Strykhalyuk, M. Kaidan, I. Demydov // Computational
Problems of Electrical Engineering. -2011.- No. 1 ( 1 ). - P. 15-19
60. Tucker R. Energy efficiency in cloud computing and optical networking. / R.
Tucker, K. Hinton, R. Ауrе // ECOC 2012 Tutorial. IEEE Network. - 2012. - P. 1-6. (Th.
1. G. 1.)
61. Enscoe R. F., Kocka R. J. Electro-optic modulation: system and applications.
Інтернет: http://www. polytec. com/ iileadmin/ user uploads/ Products/
Laser_und_Zubehoer/ Laserkomponenten/Documents/Accessories. pdf
62. Perrin S. The need, for next-generation ROADM network. Mode of access:
http://www.calient.net/wp-content/uploads/downloads/2010/11/NG_ROADM_WP.pdf.

63. Слепов Н. Оптические волновые конверторы и модуляторы / Н. Слепов
// Электроника: наука, технология, бизнес. - 2000. - № 6. - С. 6-10.
64. Tucker R. Energy efficiency in cloud computing and optical networking. / R.
Tucker, K. Hinton, R. Ауrе // ECOC 2012 Tutorial. IEEE Network. - 2012. - P. 1-6. (Th.
1. G. 1.)
65. Климаш М. М. Методи та моделі побудови енергоефективних фотонних
транспортних мереж / М. М. Климаш, М. В. Кайдан, В. С. Андрущак, Ю. В. Климаш.
Львів : Видавництво Львівської політехніки, 2018. 176 c.
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 85
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

66. Chabarek J. Power awareness in network design and routing / J. Chabarek, J.
Sommers, P. Barford and others // INFOCOM 2008. The 27th Conference on computer
communications. IEEE. 13-18 Aprils 2008.
67. Cisco Carrier Routing System. Cisco CRS-3 24-Slot Fabric-Card Chassis Data
Sheet [Electronic resource] Data Sheet 2013. jig Mode M accejjft http://www.
cisco.com/c/en/us/products/collateral/routers/carrier-routing-system/data_sheet_c78-
408226. html. - Title from the screen.
68. Franklin M. A. Power considerations in network processor design / M. A.
Franklin, T. Wolf// Network Processor Design: Issues and Practices. - 2003.-No. 2.-Р. 29-
50.
69. Lach E. Modualtion formats for 100G and beyond / E. Lach, Wilfried Idler //
Optical Fiber Technology. - 2011. - No. 17. - P. 377-386
Арк.
ТК006.020142.248 ПЗ 86
Зм. Арк. № документа Підпис Дат.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets