Gelecek nesil pasif optik erişim ağlarının analizi
Analysis of next generation passive optical access networks
Yazar: ÖZGÜR CAN TURNA
Danışman: PROF. DR. ABDÜLHALİM ZAİM ; PROF. DR. TÜLİN ATMACA
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Ağ benzetimi = Network simulation ; Ağ performansı = Network performance ; Bilgisayar ağları = Computer networks ; Optik ağlar = Optical networks ; Performans modelleme = Performance modelling

Özet:
İnsanlığın teknolojide ve özellikle bilgi teknolojisindeki son elli yıldaki ilerlemesi muazzam seviyeye ulaşmıştır. Bilgi teknolojilerindeki gelişmenin en önemli basamaklarından birini telekomünikasyon alanındaki gelişmeler oluşturmaktadır. Telekomünikasyon alt yapısının hayatımıza girişi önceleri telefon şebekeleri için tasarlanmış olsa da internetin keşfi, savaş ve bilim alanında ülkelerin teknoloji geliştirme için yaptıkları çalışmalarla telekomünikasyon altyapıları çeşitlenmiş ve gelişmiştir. Günümüzde telekomünikasyon teknolojileri uydu haberleşmesinden ev içi elektrik hattı üzerinden bilgi transferine kadar değişik varyasyonlarla karşımıza çıkmaktadır. Telekomünikasyon alt yapıları ele alındığında günümüzde en önem arz eden husus internettir denilebilir. İnternet tek bir telekomünikasyon alt yapısı değil birbirinden bağımsız birçok telekomünikasyon altyapısının bir arada çalıştığı bir sistem olarak ağların ağı şeklinde tanımlanmaktadır. İnternetin gelişimine bakılacak olursa ilk olarak bilimsel bir çalışma olarak başlayan çalışma artık tüm dünyayı birbirine bağlayan, rejimlerin değişmesine kadar insan hayatı üzerinde etkisi olan bir olgu haline gelmiştir. Başka bir açıdan bakılacak olursa internet gelişiminin yanında birçok sektörün doğmasına (servis sağlayıcı, operatör, ağ donanımı üreticisi ?) sebep olmuştur. İnternetin ticari yönü aktörlerinin teknolojik gelişmenin yanında daha fazla müşteri ve pazar arayışı içerisinde olmalarına neden olmuştur. Bu durum araştırmacıların giderek artan bant genişliği ihtiyacına cevap verebilecek ve daha fazla kullanıcıya daha düşük bütçelerle erişebilecekleri çözümleri aramalarını tetiklemiştir. Artan bant genişliği, uzak mesafede verinin hatasız taşınması gibi problemlere en uygun çözüm olarak optik ağlar öne çıkmaktadır.İnternet'i oluşturan ağ sistemleri hiyerarşik olarak üç yapıda; Omurga ağları WAN, Metropol ağlar MAN ve Erişim ağlar olmak üzere ele alınmaktadır. WAN ve MAN ağlarında optik fiberin kullanımı ve optik tabanlı anahtarlama teknikleri kullanımı çok eskilere dayanmaktadır. Erişim ağlarında bağlantı çözümleri kablosuz ve sabit çözümler olarak iki ana kategoride ele alınabilir. Sabit erişim ağları için çözüm olarak çift sarmal bakır kablo veya koaksiyal hatlar yakın geçmişe kadar yaygın olarak kullanılmaktaydı. Erişim ağlarındaki bu durum servis sağlayıcıların hali hazırdaki telefon veya kablolu TV şebekesini yeni hat döşemeksizin ucuza internet erişimi sağlama amacından kaynaklanmıştır. Çift sarmal bakır hatların veri iletim kapasitesi çok karmaşık teknikler kullanılsa bile belirli mesafelerde kısıtlı kalmaktadır. Bu durum İnternet yapısında WAN, MAN ve yerel ağların çalışma hızına karşın erişim ağlarının darboğaz oluşturmasına yol açmıştır. Erişim ağlarındaki darboğazın aşımı optik teknolojilere geçişin sağlanması ile giderilmektedir.Optik erişim ağlarını topoloji açısından üç kategori altında toplamak mümkündür. Bunlar noktadan noktaya bağlantılı topoloji, ara aktif eleman ihtiyacı olan yıldız topoloji ve pasif ayraçla birleştirilmiş ağaç topolojidir. Bu topolojilerden ilk ikisi pasif ara elemanlı ağaç topolojiye göre ya çalışma zamanı ya da gerçekleme zamanı bakımından daha maliyetli çözümlerdir. Ağaç yapısı pasif ara elemanlar sayesinde gerçekleme ve çalışma zamanı maliyet avantajından dolayı yaygın olarak kullanılmaya başlanmış ve üzerinde çalışmaların devam ettiği bir dal olmuştur. Bu yaklaşım literatürde pasif optik ağlar ?Passive Optical Networks ? PON? olarak geçmektedir.PON sistemi genelde servis sağlayıcının merkezi ofisinde bulunan Optik Hat Sonlandırıcı (Optical Line Terminal ? OLT ), kullanıcı kısmında bulunan Optik Ağ Ünitesi (Optical Network Unit ? ONU), bunlar arasındaki fiber kablolar ve pasif bağdaştırıcı-ayırıcı parçalarından oluşur. PON sistemleri kullanılan çoklu erişim mekanizmasına göre zaman bölmeli çoklamalı PON (TDM-PON) veya dalga boyu bölmeli çoklamalı PON (WDM-PON) olarak isimlendirilmektedirler. Ethernet-PON (EPON) ve Gigabit-PON (GPON), TDM-PON yapısındaki iki temel standartlaştırmadır. WDM-PON yapıları ekonomik olarak yeterli seviyede ucuzlamadığı için henüz tüm dünyada yaygın olarak kullanılmamaktadır. Fakat gelecek nesil PON yapılarının WDM-PON tabanlı veya melez çözümler olacağı düşünülmektedir ve bu konular üzerinde çalışmalar sürmektedir. Gelecek nesil PON standartları için iki temel problemin (daha fazla kullanıcıya ve daha uzak mesafeye erişmek, bant genişliği miktarını arttırmak) çözümüne odaklanılmıştır. Bunun dışında üzerinde çalışılan diğer konulardan bir tanesi de mobil cihazların ve mobil ağların günümüzde giderek artması ve bu cihazlardaki bant genişliği ihtiyacının karşılanması için optik-kablosuz birleşiminin (eş çalışmasının) sağlanacağı sistemlerin tasarımıdır.Bu çalışmada PON sistemleri hakkında genel bilgiler sunulmuş, var olan PON yapılarının çalışma mekanizmaları ve sınıflandırılmaları incelenmiştir. PON hakkındaki genel incelemenin ardından EPON için geliştirilmiş yeni bir dinamik bant genişliği algoritması anlatılmıştır. Geliştirilen algoritma yarı çevrimli işlem yapma özelliğinden esinlenilerek Yarı Çevrimli Dinamik Bant Genişliği Tahsisatı (Half Cycling Dynamic Bandwidth Allocation - hcDBA) algoritması olarak isimlendirilmiştir. Sonrasında hcDBA algoritmasının erken tahmin mekanizması ile iyileştirilmesi çalışması verilmektedir. Ayrıca tez çalışmasının son bölümünde EPON'un yukarı akım kanalı üzerindeki simülasyon trafiğinin davranışı ileriki çalışmalarda trafik üreteci seçimi konusunda yardımcı olması için incelenmiştir. Geliştirilen algoritmalar NS2 simülasyon ortamında gerçeklenerek bilinen EPON dinamik bant genişliği tahsisatı algoritmaları ile kıyaslanmıştır. Kıyaslama sonuçları ve performans analizi bulgular kısmında verilmiştir.Yapılan çalışmalar sonucu geliştirilen hcDBA algoritmasının var olan yöntemlere göre daha iyi başarım sunduğu veri kayıp oranları ve erişim gecikmeleri kıstaslarına göre tespit edilmiştir. Tezin sonuç kısmında bulgular yorumlanarak gelecek çalışmalar için fikirler sunulmuştur.

Abstract:
The advancement of humanity about technology and particularly information technologies has been progressed enormously. One of the most important steps of the progress in information technologies is improvements on telecommunications. Although the telecommunication infrastructure has been come into our lives at first for telephony networks, they have been diversified and enhanced by the discovery of Internet and technological studies of countries for war and science areas. Today, telecommunication technologies vary from satellite communication to communication over power lines at home. Considering the telecommunication infrastructures, Internet has the most importance. Internet is not only a telecommunication infrastructure but also a network of networks in which several independent telecommunication infrastructures operate as an overall system. Regarding the development of Internet, at first it started as a scientific study then became a worldwide phenomenon which is connecting the whole world and has impact on human life even such as changing the regimes. From a different point of view, development of Internet also revealed many sectors such as service providers, operators and network hardware vendors. The commercial side of Internet also caused to be in search of new customers and market in addition to the technological progress. These also triggered to develop solutions in order to appeal to more customers with lower budgets and satisfy the increasing bandwidth demands of researchers. Optical networks distinguish as a solution to problems such as increasing bandwidth and transmission of data as error free over long distances.The network architectures which constitute the Internet are handled as hierarchical three levels (backbone networks-WAN, metropolitan networks-MAN and access networks). The usage of optical fibers and optic based switching techniques in WAN and MAN networks are of long standing. The connection solutions can be considered as wireless and fixed in access networks. For fixed access networks, twisted pair copper cables or coaxial links were used until the recent past. This property of access networks is a result of service providers? intention to use existing telephony or cable TV systems without laying down new links. The data transmission capacity of twisted pair copper links is limited through specific distances even if they use complex techniques. In Internet infrastructures, this property causes the incidence of bottlenecks for access networks besides the operating of WAN, MAN and local area networks. Overcoming this bottleneck in access networks is provided by changeover to optical technologies.Optical access networks can be classified as three categories in terms of topology: point-to-point topology, start topology with intermediate active elements and start topology with passive splitter. The first two topologies are much more high cost ones than tree topology with passive splitter in terms of operating time or implementing time. By employing passive intermediate elements, tree structure has become to be used broadly due to its cost advantages of implementing and operating times and also revealed as a new section for further studies. This approach is called ?Passive Optical Networks-PON? in literature.PON system generally consists of Optical Line Terminals-OLT at central office of service provider, Optical Network Unit-ONU at user side, passive combiners/splitters and optical fibers between them. PON systems are named as Time Division Multiplexing PON (TDM-PON) and Wavelength Division Multiplexing PON (WDM-PON) according to the used multiple access mechanism. Ethernet PON (EPON) and Gigabit-PON (GPON) are two main standards over TDM-PON structure. WDM-PON structure is not widely used since they are not still cheap enough to be used. However, next generation PON structures are thought to based on WDM-PON or hybrid solutions. Two main problems (accessing more users over longer distances and increasing the bandwidth) are focused on for next generation PON standards. Also, one of the other studying topics is the increasing number of mobile devices and mobile networks and design of optical-wireless convergence system to satisfy the bandwidth demands of these devices.In this study, general overview about PON systems is presented and existing PON mechanisms and classification are investigated. After the general overview of PONs, a novel dynamic bandwidth allocation algorithm proposed for EPON is introduced. This proposed algorithm is named as ?Half Cycling Dynamic Bandwidth Allocation-hcDBA? by the inspiration of its half cycling processing mode. Later, an improvement of hcDBA algorithm with early prediction mechanism is presented. The behavior of simulation traffic of EPON?s upstream channel has been investigated in order to support the decision of traffic generator in further studies. The newly proposed algorithm have been implemented on NS2 simulation tool and compared to existing EPON dynamic bandwidth allocation algorithms. The comparison results and performance analysis are given in results section.As a result statement of the study, hcDBA algorithm performs better than existing mechanism in terms of packet loss ratio and access delays. In the conclusion section, results are discussed and future work ideas are presented.