• sleep and periodic wake-up
• power saving
• sleep control
• service-based
• 10G-EPON

Abstract

Even though Information and Communications Technologies (ICT) are currently consuming between 2% and 4% of the electricity consumed worldwide, the number of efforts devoted to reduce the communications network energy consumption is increasing. This is mainly due to the foreseen growth of ICT even in substitution of personal travel. Access networks are the network segment that currently consumes the highest percentage of energy. Even though the utilization of optical technologies can potentially reduce the energy consumed by current ADSL modems, the further reduction of the energy consumed by passive optical access networks (PON) is attracting a lot of interests.
Previous studies showed that, in PONs, the majority of the energy in consumed by the customer premises equipments, i.e. the Optical Network Units (ONUs), because of the many idle periods used only for synchronization. For this reason the target of our work is to save energy by exploiting cyclic sleep periods in the ONU. In particular the Sleep and Periodic Wake-up (SPW) technique is considered. The SPW mechanism is managed by the OLT and the choice of the sleep period for the ONUs can be based on different parameters. In this work two approaches are considered for deciding the sleep period: interarrival-based and service based.
The interarrival-based approach has been previously presented. In this thesis a simulator based on Opnet Modeler is built to verify the validity of the previously presented results. Then a novel service-based sleep time scheme is designed and evaluated. The novelty of our work resides in presenting a service-based saving energy technique with variable sleep period to maximize the energy efficiency guaranteeing the maximum tolerable delay of the applications subscribed by the ONU.
The main difference between the two approaches is how the sleep period is set. Following SPW technique, the OLT sets the sleep period according to traffic conditions such as average frame interval and queue length in the interarrival based algorithm, and class of service (CoS) in the service-based algorithm. In the interarrival-based the sleep period is fixed, instead in the servicebased the sleep period changes in function of the delay constraints of subscribed services to guarantee the service performance.
The simulation results in the interarrival-based approach are very similar to the published ones. In case of low and high bandwidths, the values of average power are matched, instead the values of
average queuing delay differ because of reasonable different assumptions. The increasing trend are the same in both results.
The service-based approach resulted in the average frame delay, which exploits the maximum tolerable delay maximizing the energy efficiency. The SPW technique with service-based approach was presented in the Optical Fiber Communication Conference and Exposition (OFC) 2012 in Los Angeles.

Riassunto analitico

Sebbene le Tecnologie di Informazione e Comunicazione (ICT) consumino ad oggi tra il 2% e il 4% del consumo di elettricità mondiale, il numero di sforzi mirati alla riduzione del consumo energetico delle reti di comunicazione è in aumento. Questo è maggiormente dovuto alla prevista crescita di ICT anche in sostituzione agli spostamenti fisici. Le reti di accesso sono la porzione di rete che attualmente consuma la più alta percentuale di energia. Anche se l'uso di tecnologie ottiche possono potenzialmente ridurre l'energia consumata dai correnti modem ADSL, la
conseguente energia consumata dalle reti di accesso passive (PON) attrae molto interesse.
Studi passati mostrano che, nelle PON, la maggior energia è consumata dalle apparecchiature di utenza, per esempio, le unità di rete ottica (ONU), a causa dei molti periodi di inattività usati solo per la sincronizzazione. Per questo motivo, l'obiettivo del nostro lavoro è il risparmio energetico sfruttando periodi ciclici di sleep nelle ONU. In particolare la tecnica Sleep and Periodic Wake-up è presa in considerazione. Il meccanismo SPW è gestito dall'OLT e la scelta del periodo di sleep per le ONU si può basare su diversi parametri. In questo lavoro due approcci sono considerati per decidere il periodo di sleep: interarrival-based e service-based.
L'approccio interarrival-based è stato presentato in precedenza. In questa tesi un simulatore basato su Opnet Modeler è implementato per verificare la validità dei risultati precedentemente presentati. Successivamente un nuovo schema service-based con periodi di sleep è stato progettato e valutato.
L'originalità del nostro lavoro consiste nella presentazione di una tecnica per risparmio energetico service-based con periodi di sleep variabile per massimizzare l'efficienza energetica garantendo il massimo ritardo tollerabile delle applicazioni a cui l'ONU è abbonato.
La principale differenza tra i due approcci riguarda come il periodo di sleep è impostato. Seguendo la tecnica SPW, l'OLT imposta il periodo di sleep in base alle condizioni di traffico come il tempo d'interarrivo medio e la lunghezza della coda nell'approccio interarrival-based, e come la classe di servizio (CoS) nell'approccio service-based. Riguardo l'interarrival-based il periodo di sleep è fisso, invece nel service-based il periodo di sleep cambia in funzione del limite di ritardo imposto delle applicazioni per garantire le prestazioni di servizio.
I risultati delle simulazioni nell'approccio interarrival-based sono molto simili a quelle pubblicate.
Nel caso di basse e alte bande, i valori di potenza media combaciano, mentre i valori di ritardo di accodamento medio differiscono a causa di diverse assunzioni. L'andamento delle curve è lo stesso.
L'approccio service-based con risultati riguardo il ritardo medio dei pacchetti, sfrutta il massimo ritardo tollerabile per massimizzare l'efficienza energetica.
La tecnica SPW con approccio service-based è stato presentato all'Optical Fiber Communication Conference and Exposition (OFC) 2012 a Los Angeles.