Técnicas adaptativas y cognitivas para la gestión de recursos en redes de acceso ópticas pasivas y de transporte

Résumé

El incremento del ancho de banda demandado, junto con la aparición de nuevas aplicaciones y servicios con requisitos muy diversos, hacen que la calidad de servicio (QoS, Quality of Service) se convierta en uno de los puntos clave en las redes actuales de telecomunicaciones basadas en fibra óptica. Por ello, en esta Tesis se proponen varios métodos adaptativos y cognitivos para el control eficiente de los recursos en redes de acceso y troncales, con el fin de ofrecer una calidad de servicio y una calidad de transmisión adecuada a los requisitos estipulados por los proveedores de servicio y demandada por los usuarios. En este sentido, el punto fundamental de la Tesis se centra en el desarrollo de nuevas técnicas de control de acceso al medio en redes ópticas pasivas de largo alcance (LR-PON, Long-Reach Passive Optical Networks). Estas redes se posicionan como una tecnología muy prometedora para el segmento de acceso, ya que aparte de proporcionar un gran ancho de banda al utilizar la fibra como medio de transmisión, resultan muy económicas. Las redes LR-PON aumentan la distancia extremo a extremo hasta 100 km, lo que implica, por un lado, que son capaces de dar cobertura a un mayor número de abonados, y por otro lado, que simplifican la arquitectura de red, al combinarse la red metropolitana y de acceso en una sola, reduciendo los costes considerablemente. No obstante, a nivel de acceso estas redes tienen que solventar las posibles ineficiencias de los mecanismos de control derivadas del incremento de la distancia. Además, las redes LR-PON tienen que ser capaces de soportar de forma simultánea diferentes tipos de aplicaciones con diversos requisitos de calidad, así como usuarios con perfiles de demanda distintos. Por ello, los mecanismos de control de acceso al medio tienen que tener en cuenta todas estas consideraciones y restricciones. Por este motivo, los algoritmos propuestos en esta Tesis asignan dinámicamente el ancho de banda con el objetivo conjunto de ofrecer una calidad de servicio acorde a las necesidades requeridas y de hacer frente a los problemas surgidos del incremento de la distancia extremo a extremo. En esta línea, una de las principales aportaciones de esta Tesis es la incorporación de controladores PID (Proporcional, Integral, Derivativo) en los algoritmos de asignación de ancho de banda. Gracias a estos sistemas, se consigue una gestión muy eficiente del ancho de anda disponible y se controlan parámetros clave para ofrecer calidad de servicio. En este sentido, se han desarrollado algoritmos para asignar unos niveles de ancho de banda garantizado según el perfil del abonado y para mantener el retardo medio por debajo de unas cotas máximas establecidas dependiendo del tipo de tráfico y de la prioridad del abonado. Por tanto, se realiza una doble diferenciación, a nivel de usuario y a nivel de servicio, para conseguir que la calidad de servicio y la calidad de experiencia de los usuarios sea la adecuada. Además, la inclusión de estos sistemas de control PID otorga a los algoritmos independencia frente a las condiciones de red, ya que permiten adaptabilidad a diferentes escenarios de red y patrones de tráfico. También se ha llevado a cabo una optimización de estos algoritmos, mediante el uso de técnicas automáticas, adaptativas y cognitivas para realizar el proceso de sintonización del PID. Este proceso, que consiste en la determinación de los parámetros del controlador PID, tiene una gran importancia en su funcionamiento, ya que tanto la estabilidad como la rapidez del sistema dependen de que los valores se hayan seleccionado correctamente dependiendo del escenario de red. Por tanto, se han desarrollado métodos basados en algoritmos genéticos, redes neuronales y la técnica cognitiva de razonamiento basado en casos, para poder realizar una sintonización automática y adaptativa que ofrezca siempre los parámetros más adecuados del controlador PID, para así obtener una mejora en las prestaciones de ciertos parámetros de red, tales como el retardo y el ancho de banda, en términos de estabilidad, rapidez de convergencia hacia los niveles y precisión. Así mismo, se han desarrollado técnicas cognitivas para la estimación de la calidad de transmisión en redes ópticas troncales. En este sentido, la señal óptica, a medida que se propaga por la fibra, se degrada, de forma que puede que no cumpla con los requisitos de calidad establecidos. Por ello, resulta de gran interés determinar antes del establecimiento de una nueva conexión si ésta ofrecerá la calidad requerida o si su establecimiento degradará muy significativamente la calidad de otras conexiones ya establecidas, con el objetivo de hacer un uso eficiente de los recursos existentes en la red troncal. Con este fin, se ha diseñado e implementado un estimador cognitivo de la calidad de transmisión basado en la técnica de razonamiento basado en casos que realiza estas predicciones con un alto grado de exactitud, y que ha sido validado no solo mediante simulación, sino también experimentalmente.