Risparmio energetico nelle reti di prossima generazione

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1 Istituto di Tecnologie della Comunicazione, dell Informazione e della Percezione Risparmio energetico nelle reti di prossima generazione Piero Castoldi, Luca Valcarenghi Forum Internazionale sulle nuove energie per lo sviluppo della smart city Pisa Maggio

2 Sommario Introduzione al consumo di energia nelle reti telecom Risparmio energetico Nel segmento di accesso Nel segmento metropolitano Nella rete di dorsale Conclusioni 2

3 Consumo di potenza di dispositivi domestici Lampadina compatta a basso consumo Gigabit Ethernet ADSL modem o Optical Network Unit (ONU) ~20 W (100 W ad incandescenza) 6 ore/giorno 120 Wh/giorno ~10 W 24 ore/giorno 240 Wh/giorno 3

4 United States Japan Germany France United Kingdom Korea Italy Mexico Spain Canada Turkey Netherlands Australia Poland Belgium Sw eden Sw itzerland Greece Denmark Portugal Austria Hungary Chile Norw ay Czech Republic Finland New Zealand Ireland Slovak Republic Luxembourg Iceland Banda Larga nel mondo Total fixed (w ired) broadband subscriptions, by country, m illions, June Netherlands Denmark 0.5% popolazione ( ) Fibra Source: OECD velocità di download di almeno 256 kbit/s (21,3% della popolazione residente) OECD Fixed (wired) broadband subscriptions per 100 inhabitants, by technology, June 2010 Switzerland Korea Norway Luxembourg Iceland France Sweden Germany United Kingdom Canada Belgium United States Fonte: OECD Broadband Portal ( DSL Cable Fibre/LAN Other OECD average Finland Japan New Zealand Australia Austria Spain Italy Ireland Portugal Greece Hungary Czech Republic Poland Slovak Republic Chile Mexico Turkey 20.9% popolazione ( ) DSL 4

5 Consumo Energetico per categorie Consumo energia delle reti di telecomunicazione Parte rimanente home networks Consumo per tecnologia di trasmissione Consumo di Sistemi a singolo canale o consumo per canale Multi-lunghezza d'onda Fonte [Didier Colle, ONDM 2010] 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 Efficienza energetica: WDM trasparente è più efficiente BB aggregato più efficiente di accesso metro Commutazione di circuito più efficiente di commutazione di pacchetto 5

6 Approcci per la Green Internet Energy Efficiency in PONs Fonte: L. Valcarenghi, D. Pham Van, P. Castoldi, How to Save Energy in Passive Optical Networks, Invited paper, ICTON 2011 Physical Approach Joint Approach Data Link Approach 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 Device oriented Service 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) 6

7 Le reti con la modalità Sleep Rete CORE ADM ADM ADM ADM ADM ADM Rete METRO ADM HDTV U N I V E R S I T Y Rete ACCESSO Residenziali o reti aziendali PSTN GSM UMTS client aziendali Corporate Consumo di energia deve essere proporzionale alla utilizzazione Proportional energy networking 7

8 Reti di Accesso 8

9 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 9

10 Fast Sleep/Dozing Mode ONU k ONU 2 ONU 1 ONU Receive BW allocation 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 10

11 Reti WDM Metro 11

12 Progetto di rete ottica ad anello 3 unità 9 unità FG SONET traffic demands SH FG: First Generation SH: Single Hop MH: Multi Hop MH OC-12 Lightpath LT terminal 12

13 Architettura di nodo con grooming Traffico uscente Traffico entrante DXC WSS Pe: power for electronic ports Po: power for optical ports OADM 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 13

14 Reti WDM Core 14

15 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 (inizializzazione o ripristino) Resv msg Off Sleep On Macchina a stati manutenzione r lightpaths & re-instradamento 15 guasto

16 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 l l l Il link l è candidato allo sleep Re-instradamento del lightpath Il link l è posto in sleep 16

17 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 17

18 Grazie! Domande? Piero Castoldi Luca Valcarenghi sssup.it sssup.it 18

19 Back-up 19

20 Performance Evaluation TDM Schedule Sleep time vs. Active time T s = (N-1) * T ON - T OH Option 3 architecture could offer savings in current 125μs GTC frames 20 20

21 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 21

22 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 22