[論文レビュー] Survivability Improvement Against Earthquakes in Backbone Optical Networks Using Actual Seismic Zone Information

Anuj Agrawal, Purva Sharma+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2017

Optical Network Technologies被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、実際のインド地震帯データを用いて、バックボーン光ネットワークの地震耐性を向上させるノード再配置方式（SZANR）を提案する。260×260 kmの範囲内で3つの制約条件下でノードを再配置することで、従来の保護方式よりも帯域幅損失を低減し、生存率（ESR）をより効果的に向上させ、将来の弾性光ネットワーク（EONs）において最大50％の帯域幅損失低減を達成する。

ABSTRACT

Optical backbone networks carry a huge amount of bandwidth and serve as a key enabling technology to provide telecommunication connectivity across the world. Hence, in events of network component (node/link) failures, communication networks may suffer from huge amount of bandwidth loss and service disruptions. Natural disasters such as earthquakes, hurricanes, tornadoes, etc., occur at different places around the world, causing severe communication service disruptions due to network component failures. Most of the previous works on optical network survivability assume that the failures are going to occur in future, and the network is made survivable to ensure connectivity in events of failures. With the advancements in seismology, the predictions of earthquakes are becoming more accurate. Earthquakes have been a major cause of telecommunication service disruption in the past. Hence, the information provided by the meteorological departments and other similar agencies of different countries may be helpful in designing networks that are more robust against earthquakes. In this work, we consider the actual information provided by the Indian meteorological department (IMD) on seismic zones, and earthquakes occurred in the past in India, and propose a scheme to improve the survivability of the existing Indian optical network through minute changes in network topology. Simulations show significant improvement in the network survivability can be achieved using the proposed scheme in events of earthquakes.

研究の動機と目的

• 実際の地震リスクデータを用いて、既存のバックボーン光ネットワークの地震による障害に対する耐性を向上させること。
• 地球温暖化やテクトニクス活動の影響により、通信インfraの地震影響が増加する中、その影響を軽減すること。
• 既存ネットワーク構造への最小限の変更で、顕著な耐性向上を実現するトポロジー基盤のレジリエンス戦略を提案すること。
• WDMおよび将来の弾性光ネットワーク（EONs）における地震に配慮したノード再配置の有効性を評価すること。
• 帯域幅効率および生存率の観点から、従来の保護方式（例えば専用経路保護（DPP））と比較して、提案手法の有効性を検証すること。

提案手法

• 提案された SZANR（地震帯に配慮したノード再配置）方式は、260×260 kmの領域内で、既存のネットワークノードを地震リスクが低い地域（II級またはIII級）に再配置することで、地震リスクを低減する。
• ノード再配置は3つのルールに制限される：リンク長制約（LLC）、ノード探索空間制約（NSSC）、境界ノードの移動制限（LMBC）、これにより既存の接続性への最小限の影響が保証される。
• 再配置意思決定には、インド気象庁（IMD）の実際の地震帯マップと、2014年～2016年の歴史的地震データ（および過去の大規模な地震事例）が使用される。
• シミュレーションは RailTel の WDM ネットワークトポロジーを対象とし、SZANR と地震帯無視型（SZU）トポロジーの両方における生存率を比較する。
• WDM ネットワークでは、静的ルーティングと波長割り当て（First-Fitスペクトル割り当て）が使用され、EONs では静的ルーティングとスペクトル割り当て（RSA）が使用される。
• 性能評価には、地震生存率（ESR）およびTHz単位の合計帯域幅損失といった指標が用いられ、DPPベースの保護方式と比較される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノードを低地震帯に再配置することで、大規模地震発生時におけるネットワークの生存率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 提案された SZANR 方式は、従来の専用経路保護（DPP）と比較して、帯域幅効率および生存率（ESR）の観点で優れているか？
• RQ3 過去の地震が再発した場合、地震帯に配慮したトポロジー再構成は、将来の弾性光ネットワーク（EONs）における帯域幅損失をどの程度低減できるか？
• RQ4 提案手法は、既存ネットワークへの構造的変更を最小限に抑えながら、ネットワーク接続性と性能を維持できるか？
• RQ5 実際の地震リスクマップと歴史的地震データを用いて、事前的なネットワークレジリエンス計画を効果的に実施できるか？

主な発見

• 提案された SZANR 方式は、元の地震帯無視型（SZU）トポロジーおよびDPP保護付きSZUネットワークと比較して、より高い平均地震生存率（ESR）を達成する。
• 過去の大規模地震のシナリオにおいて、SZANR トポロジーのESRはDPP保護付きSZUネットワークを上回り、二重スペクトル割り当てを要せずとも優れた生存率を示す。
• 将来のEONsにおいて過去の地震が再発した場合、SZANR方式は元のSZUトポロジーと比較して、合計帯域幅損失をほぼ50％低減する。
• 短期間のシナリオにおいても、SZANRの利点は顕著で、最近2年間の地震イベントを模擬したシミュレーションで、生存率の向上と帯域幅損失の低減が明確に観察された。
• LLC、NSSC、LMBCの3つの制約を遵守しながら、260×260 kmの範囲内でノードを再配置することで、ネットワークの機能性と接続性が正常に維持された。
• 結果から、実際の地震リスクデータをネットワーク設計に統合することは、特に高帯域幅のEON環境において、従来の保護手法（DPP）よりも効果的かつ効率的であることが示された。