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© 2011 Scuola Superiore Sant’Anna

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Risparmio energetico nelle reti di prossima generazione

Piero Castoldi, Luca Valcarenghi

Forum Internazionale sulle nuove energie per lo sviluppo della smart city

Pisa 26-27 Maggio 2011

Istituto di Tecnologie

della Comunicazione, dell’Informazione

e della Percezione


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Sommario

• Introduzione al consumo di energia nelle reti telecom

• Risparmio energetico

– Nel segmento di accesso

– Nel segmento metropolitano

– Nella rete di dorsale

• Conclusioni


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Consumo di potenza di dispositivi domestici

~20 W (100 W ad incandescenza)

Lampadina compatta a basso consumo

Gigabit Ethernet ADSL modem o Optical Network Unit (ONU)

~10 W

6 ore/giorno → 120 Wh/giorno 24 ore/giorno → 240 Wh/giorno


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Banda Larga nel mondo

Total fixed (wired) broadband subscriptions, by country, millions, June 2010

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

IcelandLuxembourg

Slovak RepublicIreland

New ZealandFinland

Czech RepublicNorw ay

ChileHungaryAustria

PortugalDenmarkGreece

Sw itzerlandSw edenBelgiumPoland

AustraliaNetherlands

TurkeyCanada

SpainMexico

ItalyKorea

United KingdomFrance

GermanyJapan

United States

12.849.074 (21,3% della popolazione residente)

velocità di download di almeno 256 kbit/s

Fonte: OECD Broadband Portal (http://www.oecd.org/document/54/0,3343,en_2649_34225_38690102_1_1_1_1,00.html)

0

5

10

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20

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40

Net

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Turke

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Source: OECD

DSL Cable Fibre/LAN Other

OECD Fixed (wired) broadband subscriptions per 100 inhabitants, by technology, June 2010

OECD average

20.9% popolazione (12.607.776) DSL

0.5% popolazione (301.621) Fibra


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Consumo Energetico per categorie

Parte rimanente home networks

Fonte: C. Lange, D. Kosiankowski, R. Weidmann, and A. Gladisch, “Energy Efficiency in the Future Internet: A Survey of Existing Approaches and Trends in Energy-Aware Fixed Network Infrastructures”, IEEE JSTQE, March/April, 2011

Consumo energia delle reti di telecomunicazione Consumo per tecnologia di trasmissione

Fonte [Didier Colle, ONDM 2010]

Consumo di Sistemi a singolo canale o consumo per canale

Multi-lunghezza d'onda

• Efficienza energetica:

– WDM trasparente è più efficiente

– BB aggregato più efficiente di accesso metro

– Commutazione di circuito più efficiente

di commutazione di pacchetto


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Approcci per la Green Internet Fonte: L. Valcarenghi, D. Pham Van, P. Castoldi, “How to Save Energy in Passive Optical Networks”, Invited paper, ICTON 2011 Fonte: Shing-Wa Wong, L. Valcarenghi, She-Hwa Yen, D.R. Campelo, S. Yamashita, L. Kazovsky, “Sleep Mode for Energy Saving PONs: Advantages and Drawbacks”, GrennComm2, IEEE Globecom 2009 Workshops BEST PAPER AWARD

Energy Efficiencyin PONs

Data LinkApproach

Joint ApproachPhysical Approach

Service orientedDevice oriented

• Physical approach riduzione del consumo di potenza a livello di strato fisico

— device oriented: si basa sulla riduzione del consumo dei dispositivi di ciascun sublayer (es. link rate adaptation)

— service oriented: si basa sul miglioramento delle funzionalità di un sublayer per abilitare nuove funzioni negli strati superiori (es. sleep mode in trx ma non rx)

• Data link approach riduzione del consumo di potenza a livello di MAC layer (spegnimento dell’intero dispositivo di linea)


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Le reti con la modalità “Sleep”

HDTV

ADMADM

U N I V E R S I T YU N I V E R S I T Y

ADMADM

ADMADM ADMADM

ADMADM

ADMADM ADMADM

Residenziali o reti aziendali

PSTN GSM UMTS client aziendali Corporate

Rete CORE

Consumo di energia deve essere proporzionale alla utilizzazione

Proportional energy networking

Rete METRO

Rete ACCESSO


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Reti di Accesso


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Modalità sleep” nelle reti ottiche passive

• Gestione dell'alimentazione del dispositivo ONU

• Utilizzo di sleep & wake-up dinamico per diminuire il consumo di energia ONU

• Problema del wake-up

• Tecniche

– Lato OLT: splitter di potenza a riparto variabile e potenza in trasmissione regolabile

– Lato ONU (come definito nella ITU-T G.Sup45)

• “shedding” (Rx/Tx ON but some services, e.g. analog TV, OFF)

• “dozing” mode (Rx ON/Tx OFF)

• “sleep” mode (Rx/Tx OFF)

– Deep sleep (continuos sleep periods) vs. fast sleep (sequence of sleep cycles): significativi risparmi in deep sleep


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Fast Sleep/Dozing Mode

• Obiettivo: consentire modalità sleep e wake-up veloce della ONU-up senza grandi cambiamenti nelle architetture ONU

• Proposta: utilizzare formato di modulazione Manchester invece di NRZ per trasmissione dati

ONU1

ONU2

ONUk

ONU1

ONU2

ONUk

ONU

Receive BW

allocation

ONU

Receive BW

allocation


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Reti WDM Metro


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Progetto di rete ottica ad anello

LT terminal

OC-12 Lightpath

LT terminal

OC-12 Lightpath

FG

SH

MH

FG: First Generation

SH: Single Hop

MH: Multi Hop

SONET

traffic demands

SONET

traffic demands

9 unità 3 unità


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Architettura di nodo con grooming

• Il digital crossconnect (DXC) fa la conversione ottico-elettrico per fare il grooming, mentre optical add-drop multiplexer (OADM) con wavelength selective switch (WSS) effettua l’eventuale by-pass ottico

Pe: power for

electronic ports

Po: power for optical

ports

OADM

WSS

DXC

Traffico uscente

Traffico entrante


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Reti WDM Core


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Modalità “sleep” dei link nelle reti WDM

• I link di rete (e le relative interfacce) possono essere

– off nessun consumo di potenza

– sleep consumo di potenza trascurabile

– On attivo

• Si può attivare la modalità sleep in maniera dinamica

– Mettendo i link

scarsamente o non

utilizzati in modalità

sleep

Macchina a stati

guasto

Off Sleep On

(inizializzazione o ripristino)

r lightpaths & re-instradamento

Resv msg

manutenzione


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Re-instradamento “make-before-break”

• Tre stati: "sleep mode" definito link di reti ottiche (oltre a "on" e "off")

• Stato di funzionamento di link pubblicizzati da OSPF e considerato quando si esegue il routing (instradamento)

• Viene introdotto un periodico re-instradamento per ridurre il consumo di energia (es. notte e giorno) con il make-before-break approccio guidato dal nodo sorgente

Il link l è candidato

allo “sleep”

l l l

Re-instradamento

del lightpath Il link l è posto

in “sleep”


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Conclusioni

• Risparmio energetico può essere ottenuto mediante l'attivazione della modalità sleep

• Risparmio energetico particolarmente apprezzabile usando l’ottica

• Il concetto di messa in rete di energia proporzionale all’uso è applicabile anche in:

– architetture di rete di interconnessione

– stazioni di base per le reti wireless


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Grazie! Domande?

Piero Castoldi Luca Valcarenghi piero.castoldi @ sssup.it luca.valcarenghi @ sssup.it


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Back-up


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Performance Evaluation – TDM Schedule

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• Sleep time vs. Active time

– Ts = (N-1) * TON - TOH

– Option 3 architecture could offer savings in current 125μs GTC frames


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Network Power Consumption

versus Port Power Consumption

Total power consumption vs. Po and vs. Pe in a 10-node ring for

– Pe = 189 mW (left) and Po = 197mW (right) respectively [Tucker JLT 2006]

– connection rate is 1/3 of channel rate (40 Gb/s)

– 1 connection between each pair of nodes


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Normalized Power Consumption

SMU-GMPLS SMA-GMPLS

up to 35% power saving

up to 40% power saving

• Power consumption normalized to GMPLS without sleep mode

• r =0 : no re-routing

• r >0 : re-routing

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