Abstract : a more efficient energy utilization in

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1 Piero Castoldi, Luca Valcarenghi, Isabella Cerutti cuola uperiore ant Anna, Pisa, Italy NOTE EFFICIENZA ENERGETICA NELLE RETI A LARGA BANDA (ENERGY EFFICIENCY IN BROADBAND NETWORK) ommario : un utilizzo più efficiente dell'energia nelle reti di telecomunicazione avrebbe il duplice effetto non solo di abbassare il consumo energetico del settore Information and Communications Technology (ICT), ma anche di abbassare l impatto ambientale di molte attività umane. In questo scenario le reti ottiche assumono un ruolo primario per loro elevata capacità trasmissiva ed il basso consumo energetico. ebbene minore rispetto a quello delle reti opto-elettroniche, il consumo energetico delle reti ottiche può essere ottimizzato ed ulteriormente ridotto. Questo lavoro presenta alcune linee di ricerca in corso per ottimizzare l'utilizzo dell'energia nelle reti ottiche nei tre segmenti: core, metro e accesso. ono considerati due casi di studio. Il primo è relativo alle reti ottiche di accesso passive: consentendo alle Optical Network Units (U) di passare alla modalità sleep (cioè, stand-by), attraverso l'hardware e il protocollo di controllo, è possibile ridurre sensibilmente il consumo di energia della rete di accesso. Il secondo è relativo alle reti metropolitane: un'attenta combinazione di dispositivi ottici ed elettronici durante la progettazione e lo sviluppo di reti metropolitane possono portare ad un consumo energetico ottimale. Abstract : a more efficient energy utilization in communication networks would have the double effect of not only lowering the energy consumption of the Information and Communications Technology (ICT) sector itself but also to lower the carbon footprint of many human activities. The deployment of optical networks in place of electronic networks is foreseen as a mean for both increasing bandwidth availability and reducing communications network energy consumption. However even the energy consumption of optical networks can be optimized. In this paper current initiatives in optimizing energy utilization in core, metro, access optical networks are surveyed. Then two use cases are presented. The first one is related to passive optical access networks: we show that allowing Optical Network Units (U) to switch to sleep-mode (i.e., stand-by), through hardware and control protocol, sensibly reduces optical access network energy consumption. The second one is related to metro networks: we show that a careful combination of optical and electronic devices during the design and the deployment of metro networks can lead to an optimal energy consumption. 37

2 NOTE Piero Castoldi, Luca Valcarenghi, Isabella Cerutti Introduzione Le attività umane sono le principali responsabili delle emissioni di gas serra, sia direttamente (ad esempio, l'industria aeronautica impiega grandi quantità di combustibili fossili, e questo processo di combustione rilascia gas serra) o indirettamente (ad esempio, il settore ICT, consuma elettricità, una cui parte è prodotta da combustibili fossili). La quantità di gas serra (riportato, per semplicità, in tonnellate di CO 2 equivalente - CO 2e ) prodotti direttamente o indirettamente, è definito come "carbon footprint" [1]. Le tecnologie ICT assumono un duplice ruolo in questo scenario. Da un lato, grazie alla virtualizzazione, alle trasmissioni di informazione e alle teleconferenze, l ICT evita la necessità di trasportare documenti e persone e, di conseguenza, diminuisce le emissioni di gas serra generate dal trasporto [2][3][4]. D'altra parte, il carbon footprint dell ICT, dovuto ad emissioni indirette, è valutato comparabile a quello del trasporto aereo e si stima che rappresenti il 2-10% della CO 2 prodotta dalle attività umane [2][5]. Tali emissioni sono previste in costante aumento nei i prossimi anni, a causa dell'incremento degli utenti e del maggiore ricorso alla virtualizzazione. Pertanto l ICT può avere un ruolo in conflitto nella riduzione dei gas serra e potrebbe portare benefici, soltanto se la diminuzione del consumo energetico, ottenuto attraverso l'ottimizzazione delle reti di comunicazione e dei relativi sottoprodotti (ad esempio, l'abbassamento del consumo di energia richiesta dal sistema di raffreddamento), permetterà di superare l'aumento di energia richiesto dal maggiore utilizzo del settore ICT. Attualmente, le stime indicano che circa il 37% delle emissioni di carbonio dell ICT è dovuto alla produzione di energia necessaria al funzionamento (ad esempio, le spese operative - OPEX) dell'infrastruttura di telecomunicazione e dei dispositivi, soprattutto nei segmenti metropolitani e di accesso [2][6][7][8]. Le reti metropolitane e di accesso consumano circa il 60% dell'energia totale utilizzata dalle reti di telecomunicazione. Oggi la maggior parte del segmento di accesso alla rete è basata su tecnologie ad alto consumo energetico, come l'accesso xdl e wireless. Tuttavia, anche con l'introduzione della fibra ottica nell accesso, il consumo di energia dovrebbe crescere con l'aumento medio di bit rate di accesso [8][9]. Inoltre, le Optical Network Units (Us) delle reti ottiche passive sono al primo posto per energia per bit richiesta tra i dispositivi di rete [10]. Nel settore ICT, gli organismi di standardizzazione hanno avviato varie iniziative per migliorare l'efficienza energetica delle tecnologie utilizzate e dei relativi protocolli. Fra queste iniziative, è importante sottolineare che l'international Telecommunication Union Telecommunication tandardization ector (ITU-T) ha istituito il Gruppo di tudio 5 su "Ambiente e cambiamenti climatici", per il periodo ( studygroups/com05/index.asp). Allo stesso modo, l'istituto degli Ingegneri Elettrotecnici ed Elettronici (IEEE) ha costituito l'ieee P802.3az Energy Efficient Ethernet Task Force per sviluppare lo standard Ethernet ad alta efficienza energetica ( Inoltre, iniziative accademiche ed industriali per cercare soluzioni a basso consumo energetico mirate al settore ICT hanno preso avvio in tutto il mondo. CANARIE ( l'organizzazione canadese di reti avanzate, ha lanciato un programma pilota per sviluppare un'infrastruttura ICT alimentata da fonti di energia pulita. Negli tati Uniti, il progetto del Lawrence Berkeley National Lab.,denominato Digital Energy Efficient Networks ( si focalizza sulle reti Ethernet ed ha come obiettivo lo studio e la progettazione di tecnologie per la regolazione automatica della velocità di trasmissione e per il supporto della modalità sleep mode nei collegamenti dati Ethernet. In Europa, il 7 Programma Quadro ha finanziato la rete di eccellenza BE ( che ha uno specifico workpackage sulle reti a basso impatto ambientale e persegue attivamente vari sforzi di ricerca sul tema. In Giappone, il gruppo NTT ha lanciato il gruppo Ecologia programma 21, nell ambito del quale persegue la riduzione della potenza elettrica necessaria ad alimentare i dispositivi di comunicazione degli utenti ( Infine, è in corso uno studio dell'impatto delle ICT sulle emissioni di CO 2 in Giappone nel breve termine (fino al 2010) e nel lungo termine (fino al 2050). Gli studi tengono conto di dati provenienti da altri settori, come il trasporto pubblico, e cercano anche di capire in 38

3 ADM EFFICIENZA ENERGETICA NELLE RETI A LARGA BANDA (ENERGY EFFICIENCY IN BROADBAND NETWORK) NOTE qual misura gli utenti saranno disposti ad accettare la virtualizzazione offerta dall ICT [4].Altri studi stanno valutando strategie e tecniche per ridurre il consumo energetico delle attuali reti di comunicazione, sia ottiche che opto-elettroniche. Esempi di tali studi sono la progettazione e la gestione di dispositivi e reti di telecomunicazione ad alta efficienza energetica. RETI OTTICHE AD ALTA EFFICIENZA ENERGETICA Questa sezione presenta brevemente i vari studi su come le reti ottiche di comunicazione possano ridurre il consumo energetico della rete, nonché alle modalità per ottimizzare l'energia consumata dalle stesse. L'obiettivo di tali studi mira a ridurre il consumo energetico dei singoli dispositivi e/o della rete nel suo complesso. Le principali soluzioni sono basate su supporto di dispositivi in modalità di sospensione (sleep mode) o di ottimizazione dell'utilizzazione delle risorse dispiegate nella rete ottica. Tali soluzioni vengono applicate e attualmente studiate in ogni segmento di rete come illustrato nella Figura 1. Così, questi sforzi sono classificati in base al segmento di rete a cui si rivolgono. Residential or corporate network PTN GM UMT Data center Core Network Metro Network Passive Optical Network (P) Corporate enterprise clients Figure 1 Efficienza energetica nei segmenti di rete Efficienza energetica nelle reti ottiche core In generale, le reti core presentano un architettura multistrato, in cui router elettronici sfruttano una rete ottica di trasporto sottostante statica o dinamica costituita da crossconnect ottici e collegamenti in fibra ottica. Precedenti studi hanno leep Mode Energy-efficient design valutato il consumo energetico della struttura generale focalizzandosi, in particolare, sul confronto tra un sistema interamente elettronico, un sistema tuttoottico ed un architettura ibrida. I principali risultati di questi studi dimostrano che l'aggregazione del traffico nei collegamenti ottici ad alta velocità riduce il consumo energetico per bit necessario per la trasmissione. La rete ottica di trasporto (a divisione di lunghezza d'onda) rappresenta solo una piccola frazione dell'energia totale consumata da Internet, ove la maggior parte dell'energia viene assorbita dalla rete di accesso e dalle funzionalità elettroniche di routing del segmento core[11]. Le tecnologie ottiche devono essere considerate come una strategia chiave per una crescita sostenibile del consumo energetico delle reti core. Altri studi propongono di utilizzare fonti energetiche rinnovabili e alternative per alimentare i dispositivi di rete collocati nelle vicinanze. In questo scenario, il routing e la virtualizzazione del dispositivo consente agli utenti di sfruttare le diverse funzionalità del dispositivo. e i router elettronici con interfacce ottiche o commutatori tutto ottici sono utilizzati nella rete core, la riduzione del consumo di potenza si può realizzare disattivando temporaneamente interfacce sottoutilizzate controllando il router attraverso nuove estensioni ad-hoc per la suite di protocollo GMPL [13]. Efficienza energetica nelle reti ottiche metropolitane Attualmente, i segmenti metropolitani e sul bordo delle reti consistono principalmente di dispositivi elettronici come gateway di rete a banda larga (BNGs) o Broadband Remote Access erver (BRA). Tali dispositivi appresentano il punto d'ingresso della rete core. Negli ultimi anni, sono state proposte reti metropolitane basate su dispositivi solo ottici per offrire la capacità richiesta dal previsto aumento degli utenti di Internet. Tuttavia la soluzione più promettente per le reti metropolitane è basta su un' architettura ibrida, con dispositivi sia ottici che elettronici. Infatti, sebbene la tecnologia ottica sia efficiente sotto il profilo energetico, l'aggregazione del traffico raccolto dalle reti di accesso può essere effettuato solo nel dominio elettronico. Pertanto, è importante una corretta ottimizzazione della progettazione della rete metropolitana per ridurre al minimo il consumo 39

4 NOTE Piero Castoldi, Luca Valcarenghi, Isabella Cerutti energetico delle apparecchiature ottiche ed elettroniche [14]. Efficienza energetica nelle reti ottiche di accesso Lo studio in [16] dimostra che le tecnologie ADL, P e FTTN, i modem degli utenti o le U consumano oltre il 65% della potenza totale della rete di accesso. Quindi, la potenza complessiva del segmento di accesso può essere drasticamente ridotta, ottimizzando il consumo energetico dei dispositivi installati presso gli utenti finali. Una soluzione è quella di sfruttare la modalità di sospensione (cioè, stand-by), dei dispositivi, quando sono inattivi, cioè quando non trasmettono né ricevono traffico. Questa soluzione che sfrutta la modalità sospensione o risparmio energetico è attualmente studiata dalla 802.3az Energy Efficient Ethernet IEEE Task Force, per ridurre il consumo di energia nei collegamenti Ethernet [17]. oluzioni analoghe sono in corso di studio e standardizzazione all'interno del gruppo di lavoro IEEE 802.3av [18] e all'interno della ITU-T. In particolare, ITU-T ha recentemente pubblicato G.sup45 che affronta una serie di problematiche pratiche riguardo all'integrazione delle diverse tecniche di risparmio energetico delle U nelle reti degli operatori [19]. Modalita leep nelle reti ottiche di accesso La sfida di ridurre il consumo di energia delle reti ottiche passive (P) è stata accolta da vari gruppi di ricerca e di standardizzazione. La maggior parte degli studi condotti sia all'interno della comunità di ricerca [20][21] e gruppi di lavoro in seno agli organi di standardizzazione [18] sviluppano l'idea di consentire ad elementi di rete della P, in particolare la U, di passare alla modalità stand-by per risparmiare energia. La motivazione di tale approccio deriva dalla natura della P che è basata su trasmissioni multiple a divisione di tempo (TDMA). Il traffico downstream viene trasmesso a tutte le U, che quindi ricevono tutti i dati trasmessi dal nodo centrale (chiamato OLT), ma li scarta se non destinati a loro. Ciò comporta notevoli sprechi di energia poiché ogni U deve ricevere e decodificare i dati destinati alle altre U. Per risparmiare energia, ogni U potrebbe rimanere in modalità sleep qualora la trasmissione non dovesse ricevere dati destinati a sè. Analogamente, se una U non ha necessità di trasmettere, potrebbe rimanere in modalità sleep mentre le altre U sono in trasmissione. In pratica, ogni U può risparmiare energia passando dinamicamente alla modalità sleep quando non deve inviare o ricevere traffico. Tuttavia, per attuare le modalità sleep nella U, è necessario risolvere alcuni problemi. Nella rete con accesso a divisione del tempo (TDMA)- Ethernet P (EP), le U sincronizzano il loro clock locale con il clock delle OLT per mezzo dei loro circuiti di clock e recupero dati (CDR) che ricevono il flusso continuo di bit (dati o inattivo) dalla OLT [22]. e l'u interrompe la ricezione dei dati trasmessi downstream, la sincronizzazione del clock di U viene perduta. L'attuale architettura U richiede tempi lunghi di recupero quando il clock di U si risveglia dalla modalità sleep. Inoltre, la mancanza di sincronizzazione tra le diverse U potrebbe provocare collisioni dei pacchetti dati trasmessi alla OLT. In generale, l'energia consumata da ogni U che sfrutta la modalità sleep durante un ciclo di trasmissione T C (cioè il tempo che intercorre tra due consecutive trasmissione upstream dalla stessa U) può essere scritta come: E = P T + P (T +T )= (P P )(T +T )+ P T (1) C OH dove P e P sono la potenza consumata dal circuito ricevente della U durante il tempo in cui l'u è accesa () e in modalità sleep (), rispettivamente, T è il tempo per il quale la U è accesa (), TOH è il tempo necessario per il ricevitore di sincronizzarsi con il clock della OLT e riguadagnare la sincronizzazione con lo scheduling di downstream (overhead). L Eq. (1) dimostra che l'energia consumata da una U in un ciclo è linearmente dipendente non solo dal tempo in cui la stazione è accesa (), ma anche dall'intervallo di tempo richiesto per la sincronizzazione della U. Inoltre, E C è direttamente proporzionale alla potenza consumata durante il tempo di sleep mode P. Questo indica che si possono sfruttare due dimensioni per diminuire l'energia consumata dalla OH C 40

5 EFFICIENZA ENERGETICA NELLE RETI A LARGA BANDA (ENERGY EFFICIENCY IN BROADBAND NETWORK) NOTE U: 1) il tempo, cioè, la durata dell intervallo di sincronizzazione e dei periodi di attività (), e 2) la potenza consumata, soprattutto quando la U è in modalità sleep. Progetto di reti metro energicamente efficienti Un gran numero di studi ha investigato il problema di ridurre al minimo i dispositivi da installare o allocare in reti metropolitane al fine di sostenere il traffico proveniente e destinato da e per le reti di accesso. Ridurre al minimo i dispositivi da allocare può contribuire a ridurre il consumo complessivo. Tuttavia, le reti metropolitane sono basate su uno strato ottico ed uno strato di elettronica, che consumano una quantità diversa di potenza. Pertanto, l'allocazione delle risorse dove render conto della potenza consumata da entrambi i sottosistemi ottici ed elettronici. In generale, la potenza consumata da un anello metropolitano con N nodi può essere scritta come : PC N (PL + PN ) + nl (h PO + P = TRX ) (2) dove n l è il numero di connessioni ottiche necessarie per supportare il traffico dato, h è la lunghezza media delle connessioni ottiche, e P L,P N, P O,P TRX sono la potenza consumata da ogni collegamento ottico (ad esempio, per effetto degli amplificatori di linea), da ogni nodo (per esempio, add-drop multiplexer), da un'interfaccia ottica e un bypass ottica a un nodo, e da un transceiver, rispettivamente. L Eq. (2) mostra che si possono sfruttare due dimensioni per ridurre il consumo complessivo: 1) ridurre il consumo di energia delle apparecchiature e 2) ridurre al minimo, tramite aggregazione di traffico, il numero di collegamenti ottici da assegnare e la loro lunghezza (h). Purtroppo, il numero di canali ottici cresce come N2 e può rendere il secondo termine dominante. Inoltre, quando h è piccolo, un gran numero di connessioni ottiche sono necessarie, anche se il traffico può essere ben aggregato. Al contrario, quando h è maggiore, un minor numero di connessioni ottiche sono necessarie (ad esempio, il traffico può essere inviato attraverso una sola connessione ottica). La combinazione ottimale di queste esigenze contrastanti devono essere affrontate con algoritmi di ottimizzazione. Conclusioni In questo articolo è stata presentata una rassegna delle attività in corso nel settore sia privato che pubblico che mirano ad un utilizzo più efficiente dell'energia nelle reti di comunicazioni. L attenzione è stata focalizzata in modo particolare sulle reti ottiche, per le loro potenzialità nel ridurre il consumo energetico e per la capacità di fornire connessioni a banda larghissima. I casi di studio esaminati (reti metropolitane e di accesso ottiche) hanno dimostrato che attraverso la progettazione e il controllo ottimale della rete ottica è possibile raggiungere un risparmio energetico, limitando l'impatto sul traffico trasportato. 41

6 NOTE Piero Castoldi, Luca Valcarenghi, Isabella Cerutti cuola uperiore ant Anna, Pisa, Italy BIBLIOGRAFIA [1] Carbon footprint:an introduction for organisations, Carbon Trust, Aug [2] The climate group, MART 2020: Enabling the low carbon economy in the information age, [3] Lan Ti and H. R. Thomas, A review of research on the environmental impact of e-business and ICT, Environment International vol. 33, no. 6,Aug. 2007, pp [4] M. Matsumoto et al., Prospects for an environmentally sustainable ICT society, Eco Design 2005http://unfccc.int/2860.php [5] Gartner press release, 67, 2007 [6] A. Gladisch; C. Lange; R. Leppla, Power efficiency of optical versus electronic access networks, ECOC 2008 ymposium on Network olutions to Reduce the Energy Footprint of ICT [7] F.Cucchietti, Energy efficiency an enabler for the Next Generation Networks, Bruxelles 2006 [8] J. Baliga, K. Hinton, R..Tucker, Energy consumption of the Internet, published in Proc. COIN 2007 [9] C. Lange and A. Gladish, Energy Consumption of Telecommunication Networks: A Network s Operator View, Energy Footprint of ICT: Forecasts and Network olutions, OFC 2009 [10] witching and Energy, (Plenary), Photonics in witching, 2009, Pisa, Italy, ept , 2009 [11] R..Tucker et al., Evolution of WDM Optical IP Networks: A Cost and Energy Perspective, IEEE/OA JLT, vol. 27, no. 3, Feb. 1, 2009, pp [12]. Figuerola et al., Converged Optical Network Infrastructure in upport of Future Internet and Grid ervices Using Iaa to Reduce GHG Emissions, IEEE/OA JLT, vol. 27, no. 12, pp , 2009 [13] L. Chiaraviglio et al., Energy-aware Backbone Networks: a Case tudy, 1st IEEE Workshop on Green Communications GreenComm, IEEE ICC 2009 [14] I. Cerutti et al., Designing Power-Efficient WDM Ring Networks, Gridnets 2009 [INVITED] [15] E. Yetginer and G. Rouskas, Power Efficient Traffic Grooming in Optical WDM Networks, Globecom 2009 [16] Baliga et al., Energy Consumption in Optical IP Networks, IEEE/OA JLT, vol. 27, no. 13, Jul. 1, 2009 [17] [18] I. Mandin, Epon power saving via sleep mode, IEEE 802.3av Meeting, eptember 2008 [19] GP Power Conservation, ITU-T G- series Rec. - upplement 45 (G.sup45), ITU- T, 05/2009 [20] T. mith, R..Tucker, K. Hinton, and A.V.Tran, Implications of sleep mode on activation and ranging protocols in Ps, IEEE LEO 2008 [21].-W. Wong, et al., leep Mode for Energy aving Ps: Advantages and Drawbacks, 2nd IEEE Workshop on Green Communications GreenComm, Globecom 2009 [22] C. Lam (Ed.), Passive Optical Networks: Principles and Practice, Academic Press- Elsevier,