Instytut ST

Pola komutacyjne dla nowoczesnych sieci telekomunikacyjnych

(ang. Switching fabrics for modern telecommunication networks)

Czas trwania projektu

03.03.2017-02.03.2020

Instytucja finansująca

Narodowe Centrum Nauki

Osiągnięcia

1. Osiągnięcia naukowe
Przedstawienie kompleksowej teorii realizacji połączeń wieloszczelinowych z zachowaniem ciągłości szczelin w nieblokowalnych i blokowalnych polach komutacyjnych możliwych do użycia w węzłach współczesnych sieci telekomunikacyjnych.
2. Publikacje naukowe
10 publikacji w czasopismach ze współczynnikiem wpływu (IF) za łączną liczbę IF = 25,956
13 publikacji w materiałach konferencyjnych i pozostałych czasopismach
11 publikacji dostępnych w otwartym dostępie (Open Access)
3. Osiągnięcia w szkoleniu kadry między innymi w związku z realizacją zadań projektowych
• Obroniony z wyróżnieniem doktorat oraz nadanie stopnia doktora panu Mustafie Abdulsahibowi – stypendyście zatrudnionemu w projekcie (2019).
• Postępowanie habilitacyjne zakończone nadaniem stopnia doktora habilitowanego panu Mariuszowi Żalowi – członkowi zespołu projektowego (2019).)
• Postępowanie habilitacyjne zakończone nadaniem stopnia doktora habilitowanego członkowi zespołu projektowego – panu Remigiuszowi Rajewskiemu (2019).
• Nadanie tytułu profesora kierownikowi projektu – panu Grzegorzowi Danilewiczowi (2019).
• (Pośrednio) Rozpoczęcie procedury nadania stopnia doktora pani Atyaf Al-Tameemi, która nie jest członkiem zespołu projektowego, ale jest współautorką 11 publikacji, które powstały w wyniku realizacji projektu.

Uzyskane wyniki

W trakcie realizacji projektu zespół dążył do wykonania założonych w harmonogramie zadań. Znalazło to odzwierciedlenie w przyroście liczby publikacji naukowych, które powstawały już w pierwszym roku realizacji projektu, ale ich liczba zwiększyła się w latach 2019-2020. Tematyka publikacji odzwierciedla założone cele projektu. Zespół zaproponował nowe struktury pól komutacyjnych, które mogą być stosowane w węzłach nowoczesnych sieci telekomunikacyjnych. Punktem wyjścia dla realizacji projektu była elastyczna sieć optyczna (ang. Elastic Optical Network – EON). Następnie w projekcie były badane zaproponowane struktury pól w celu wyznaczenia warunków nieblokowalnej pracy (w wąskim i szerokim sensie oraz przestrajalności) oraz znalezienia struktur o mniejszym koszcie budowy, ale akceptowalnych właściwościach ruchowych. Poniżej przedstawiono najważniejsze wyniki prac badawczych, które zostały opublikowane.

A. Wyniki naukowe opublikowane w materiałach konferencyjnych (pozycje literatury oznaczone literą K) i czasopismach (pozycje literatury oznaczone literą C):

1. Przedstawienie zasad budowy trzysekcyjnych pól komutacyjnych typu Wavelength-Space-Wavelength (długość fali-przestrzeń-długość fali) oznaczanych jako W-S-W, czy szerzej Conversion-Space-Conversion (konwersja-przestrzeń-konwersja) oznaczanych jako C-S-C proponowanych do pracy w węzłach sieci telekomunikacyjnych, w tym w elastycznych sieciach optycznych.
2. Zaproponowanie budowy dwóch struktur pól typu C-S-C:
   • CSC1 z pojedynczymi komutatorami z konwersją umieszczonymi w sekcjach skrajnych,
   • CSC2 z wieloma komutatorami z konwersją umieszczonymi w sekcjach skrajnych.
3. Przedstawienie zasad budowy trzysekcyjnych pól komutacyjnych typu Space-Wavelength-Space (przestrzeń-długość fali-przestrzeń) oznaczanych jako S-W-S, czy szerzej Space-Conversion-Space (przestrzeń-konwersja-przestrzeń) oznaczanych jako S-C-S proponowanych do pracy w węzłach sieci telekomunikacyjnych, w tym w elastycznych sieciach optycznych.
4. Zaproponowanie budowy dwóch struktur pól typu S-C-S:
   • CSC1 z pojedynczymi komutatorami przestrzennymi umieszczonymi w sekcjach skrajnych,
   • CSC2 z wieloma komutatorami przestrzennymi umieszczonymi w sekcjach skrajnych.
5. Przebadanie pól typu C-S-C i S-C-S, w których realizowane są połączenia wieloszczelinowe ograniczone do sąsiednich szczelin (ograniczenie wynikające z paradygmatu realizacji połączeń elastycznych w sieciach EON), a w szczególności:
   • wyznaczenie warunków przestrajalności pól typu CSC1, w których realizowane są połączenia wieloszczelinowe z ograniczoną do dwóch liczbą żądanych przepływności [K2, C5, C14],
   • wyznaczenie warunków przestrajalności pól typu CSC1, w których realizowane są połączenia wieloszczelinowe z ograniczoną liczbą żądanych przepływności [C1, K1, C11],
   • wprowadzenie algorytmów przestrojeń połączeń wieloszczelinowych w polach typu CSC1, bazujących na dekompozycji macierzy stanu [K2, C5, C7, C11, C14],
   • wprowadzenie algorytmów realizacji jednoczesnych połączeń wieloszczelinowych w polach typu CSC1, bazujących na dekompozycji macierzy stanu [K1, C6, K3],
   • wyznaczenie warunków przestrajalności pól typu CSC2 [C8, C11],
   • wprowadzenie algorytmów realizacji jednoczesnych połączeń wieloszczelinowych w polach typu CSC2, bazujących na dekompozycji macierzy stanu [C8],
   • wyznaczenie warunków nieblokowalności w szerokim sensie pól typu CSC1 dla połączeń wieloszczelinowych [C9],
   • wprowadzenie algorytmów realizacji połączeń wieloszczelinowych z zachowaniem ciągłości szczelin opierającego się na dekompozycji funkcjonalnej spektrum w polach nieblokowalnych w szerokim sensie typu CSC1 [C9, K5],
   • wyznaczenie warunków nieblokowalności w szerokim sensie pól typu CSC2 dla połączeń wieloszczelinowych [C9, C15],
   • wprowadzenie algorytmów realizacji połączeń wieloszczelinowych z zachowaniem ciągłości szczelin opierających się na dekompozycji funkcjonalnej komutatorów w sekcji środkowej w polach nieblokowalnych w szerokim sensie typu CSC2 [C9, C15],
   • optymalizacja ze względu na liczbę elementów konstrukcyjnych nieblokowalnych w wąskim sensie pól komutacyjnych typu CSC1 o ustalonej pojemności [C3],
   • optymalizacja ze względu na liczbę elementów konstrukcyjnych nieblokowalnych w wąskim sensie pól komutacyjnych typu CSC2 o ustalonej pojemności [C3],
   • wyznaczenie optymalnych nieblokowalnych w wąskim sensie struktur pól typu C-S-C o zadanej pojemności, gdzie koszt wyznaczony jest liczbą elementów konstrukcyjnych [C3],
   • optymalizacja ze względu na liczbę elementów konstrukcyjnych nieblokowalnych w szerokim sensie pól komutacyjnych typu CSC1 o ustalonej pojemności [C4],
   • optymalizacja ze względu na liczbę elementów konstrukcyjnych nieblokowalnych w szerokim sensie pól komutacyjnych typu CSC2 o ustalonej pojemności [C4],
   • porównanie optymalnych struktur pól typu CSC1 i CSC2 nieblokowalnych w wąskim i szerokim sensie [C4],
   • optymalizacja struktur pól typu CSC1 i CSC2 zbudowanych z elementów o ograniczonej pojemności [C4],
   • symulacyjne wyznaczenie liczby konwerterów w blokowalnych polach typu C-S-C, która zapewnia współczynnik blokady połączeń na poziomie 10^-10 [K4, C10, K6, C13],
   • porównanie kosztu budowy pól typu C-S-C nieblokowalnych w wąskim sensie i pól blokowalnych [K4, C10, K6, C13],
   • wprowadzenie algorytmów defragmentacji pasma w łączach międzysekcyjnych pól komutacyjnych typu CSC1 [C12],
   • porównanie kosztu budowy pól typu C-S-C nieblokowalnych w wąskim sensie i pól blokowalnych [K4, C10, K6, C13],
   • wprowadzenie algorytmów defragmentacji pasma w łączach międzysekcyjnych pól komutacyjnych typu CSC1 [C12],
   • symulacyjne porównanie skuteczności działania algorytmów defragmentacji pasma [C12],
   • wyznaczenie liczby szczelin w łączach międzysekcyjnych poniżej której algorytmy defragmentacji nie będą zawsze kończyły się powodzeniem [C12],
   • wyznaczenie warunków nieblokowalności w wąskim sensie symetrycznych pól typu SCS1, w których realizowane są połączenia wieloszczelinowe, w których jedno połączenie żąda m szczelin, gdzie 1<=m_min<=m<=m_max<=[n/2][C2],
   • wyznaczenie warunków nieblokowalności w wąskim sensie asymetrycznych pól typu SCS1 dla dwóch przepływności połączeń wieloszczelinowych [C16],
   • wyznaczenie warunków nieblokowalności w wąskim sensie asymetrycznych pól typu SCS1 dla połączeń szczelinowych w których 1<=m_min<=m<=m_max<=[min{f_in;f_out}/2] [C16],
   • wyznaczenie warunków nieblokowalności w wąskim sensie asymetrycznych pól typu SCS2 dla dwóch przepływności połączeń wieloszczelinowych [C17],
   • wyznaczenie warunków nieblokowalności w wąskim sensie asymetrycznych pól typu SCS2 dla połączeń wieloszczelinowych, w których 1<=m_min<=m<=m_max<=[min{f_in;f_out}/2] [C17],
   • wprowadzenie algorytmu wyboru drogi połączeniowej opierającego się na podziale funkcjonalnym komutatorów sekcji środkowej w asymetrycznych polach typu SCS2 [C17],
   • wyznaczenie warunków nieblokowalności w szerokim sensie asymetrycznych pól typu SCS2 dla połączeń wieloszczelinowych, w których 1<=m_min<=m<=m_max<=[min{f_in;f_out}/2] [C17].

B. Osiągnięcia zawarte w raportach z realizacji zadań projektowych (możliwe do dalszej publikacji w materiałach konferencyjnych i czasopismach)

1. Optymalizacja pól komutacyjnych typu S-C-S.
   W wyniku realizacji projektu powstały artykuły naukowe, w których kompleksowo przedstawiono zagadnienia dotyczące budowy pól komutacyjnych, które mogą przełączać sygnały w węzłach komutacyjnych w przestrzeni (między różnymi systemami transmisyjnymi przyłączonymi do wejść i wyjść węzłów komutacyjnych) oraz dokonujące konwersji sygnałów przesyłanych w systemach transmisyjnych przy czym wyniki prac teoretycznych mogą być wykorzystywane do budowy węzłów konwertujących sygnał w dowolnej domenie (na przykład w częstotliwości, długości fali czy czasie). Istotnym ograniczeniem, które zostało wzięte pod uwagę przy badaniu nowych struktur pól, a które nie było wcześniej rozważane w teorii komutacji, jest konieczność realizacji połączeń wieloszczelinowych w sąsiednich szczelinach w medium transmisyjnym. Ograniczenie takie wpływa na warunki pracy pola komutacyjnego, w tym warunki nieblokowalności i dodatkowo uniemożliwia wykorzystanie wyników wcześniejszych prac poświęconych budowie pól komutacyjnych.
   Po opublikowaniu wyników prac zrealizowanych w ramach projektu w teorii komutacji znane są struktury pól typu S-C-S i C-S-C, które realizują połączenia wieloszczelinowe tylko w sąsiednich szczelinach (a więc mogą znaleźć zastosowanie do przełączania sygnałów przesyłanych w sieciach pracujących według paradygmatu nowoczesnych, elastycznych sieci optycznych). Dodatkowo dla pól typu C-S-C znane są warunki nieblokowalnej pracy (przestrajalności, w wąskim sensie i szerokim sensie) tego typu pól oraz komutacji jednoczesnej połączeń. Podanie warunków przestrajalności i nieblokowalności w szerokim sensie wymagało także wprowadzenia nowych algorytmów wyboru drogi połączeniowej. Prowadzono także prace badawcze wskazujące zasady defragmentacji połączeń w łączach międzysekcyjnych tego typu pól. Znajomość liczby elementów potrzebnych do budowy pól nieblokowalnych pozwoliła także na poszukiwanie struktur pól blokowalnych z założonym współczynnikiem strat. Badania symulacyjne pokazały, że zgadzając się na nieznaczne straty połączeń w polu (rzędu 10^-10) można uzyskać znaczące oszczędności w koszcie budowy pola.
   Dla drugiej z zaproponowanych struktur pól (typu S-C-S) także wyznaczono warunki nieblokowalnej pracy w wąskim i w szerokim sensie (dla różnych warunków ograniczających liczbę szczelin wykorzystywanych przez pojedyncze połączenie elastyczne). Warunki dla tego typu pól wyznaczono zarówno dla pól symetrycznych jak i niesymetrycznych. Ponadto w niepublikowanych raportach z wykonania zadań zamieszczono wyniki optymalizacji tego typu pól, a rezultaty tam zamieszczone będą stanowiły podstawę dalszych publikacji po zakończeniu projektu.

Publikacje, raporty lub patenty będące rezultatem projektu

[C1]	W. Kabaciński, R. Rajewski, and A. Al-Tameemi, “Przestrojenia w polach komutacyjnych o małej pojemności dla elastycznych sieci optycznych obsługujących kilka rodzajów połączeń,” Przegląd Telekomun., vol. XC, no. 8–9, pp. 933–940, 2017, DOI: 10.15199/59.2017.8-9.63.
[C2]	W. Kabaciński, R. Rajewski, and A. Al-Tameemi, “Przestrojenia w polach komutacyj-nych o małej pojemności dla elastycznych sieci optycznych obsługujących kilka rodzajów połączeń,” Przegląd Telekomun., vol. XC, no. 8–9, pp. 933–940, 2017, DOI: 10.15199/59.2017.8-9.63.
[C2]	G. Danilewicz, M. Michalik, and W. Kabaciński, “Pola komutacyjne SWS1 niebloko-walne w wąskim sensie dla połączeń elastycznych,” Przegląd Telekomun., vol. XC, no. 8–9, pp. 686–691, 2017. DOI: 10.15199/59.2017.8-9.10.
[C3]	W. Kabaciński, M. Michalski, and R. Rajewski, “Optimization of strict-sense nonblocking wavelength-space-wavelength elastic optical switching fabrics,” Optical Switching and Net-working, vol. 33, pp. 76–84, 2019, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.osn.2017.10.003, IF=1,353, Open Access, Koszt: 11.239,62 zł.
[C4]	M. Abdulsahib, M. Michalski, and W. Kabaciński, “Optimization of wide-sense nonblocking elastic optical switches,” Optical Switching and Networking, vol. 33, pp. 85–94, 2019, DOI: https://doi.org/10.1016/j.osn.2018.01.003, IF=1,353, Open Access, Koszt: 10848,76 zł.
[C5]	W. Kabaciński, R. Rajewski, and A. Al-Tameemi, “Rearrangeability of 2x2 W-S-W elastic switching fabrics with two connection rates,” Journal of Telecommunications and Information Technology, vol. 2018, no. 1, pp. 11–17, 2018, DOI: 10.26636/jtit.2018.123417, Open Access, Koszt: 0 zł.
[C6]	W. Kabaciński, R. Rajewski, and A. Al-Tameemi, “Algorytmy do jednoczesnego ze-stawiania połączeń w polach typu WSW1 o pojemności 2x2 obsługujących dwa rodzaje połączeń,” Prze-gląd Telekomun. i Wiadomości Telekomun., vol. XCI, no. 8–9, pp. 815–821, 2018, DOI: 10.15199/59.2018.8-9.58.
[C7]	W. Kabaciński, A. Al-Tameemi, and R. Rajewski, “Necessary and sufficient condi-tions for the rearrangeability of WSW1 switching fabrics,” IEEE Access, vol. 7, pp. 18622-18633, 2019, DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2896283, IF=4,098, Open Access, Koszt: 6.911,73 zł.
[C8]	W. Kabacinski, A. Al-Tameemie, and R. Rajewski, “Rearrangeability of Wavelength-Space-Wavelength Switching Fabric Architecture for Elastic Optical Switches,” IEEE Access, vol. 7, pp. 64993–65006, 2019, DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2917092, IF=4,098, Open Access, Koszt: 7.007,34 zł.
[C9]	W. Kabaciński, M. Abdulsahib, and M. Michalski, “Wide-sense nonblocking W-S-W node architectures for elastic optical networks,” IEICE Trans. Commun., vol. E102–B, no. 5, pp. 978–991, 2019, DOI: 10.1587/transcom.2018EUP0004, IF=0,580.
[C10]	M. Abdulsahib, M. Michalski, and W. Kabacinski, “Analiza wydajności pól komuta-cyjnych w architekturze WSW2 dla optycznych sieci elastycznych z ograniczoną liczbą konwerterów długości fali,” Przegląd Telekomun., vol. XCII, no. 7, pp. 705–708, 2019, DOI: 10.15199/59.2019.7.41.
[C11]	W. Kabaciński, A. Al-Tameemi, and R. Rajewski, “Warunki konieczne przestrajalno-ści elastycznych pól komutacyjnych o konfiguracji W-S-W,” Przegląd Telekomun., vol. XCII, no. 7, pp. 645–650, 2019, DOI: 10.15199/59.2019.7.31.
[C12]	R. Rajewski, W. Kabaciński, and A. Al-Tameemi, “Combinatorial Properties and Defragmentation Algorithms in WSW1 Switching Fabrics,” International Journal of Electronics and Tel-ecommunications, vol. 66, no. 1, pp. 99–105, 2020, DOI: 10.24425/ijet.2019.130271, Open Access, Koszt: 0 zł.
[C13]	M. Abdulsahib and W. Kabaciński, “Wide-sense nonblocking and blocking convert-ing-space-converting switching node architecture under XsVarSLOT algorithm,” Optical Switching and Networking, vol. 37, no. May, p. 100557, 2020, DOI: 10.1016/j.osn.2020.100557, IF=1,353, Open Ac-cess, Koszt: 0 zł.
[C14]	W. Kabaciński, R. Rajewski, and A. Al-Tameemi, “Rearrangeable 2x2 elastic optical switch with two connection rates and spectrum conversion capability,” Photonic Network Communica-tions, vol. 39, pp. 78–90, 2020, DOI: 10.1007/s11107-019-00858-8, IF=1,328, Open Access, Koszt: 0 zł.
[C15]	W. Kabaciński and M. Abdulsahib, “Wide-Sense Nonblocking Converting-Space-Converting Switching Node Architecture Under XsVarSWITCH Control Algorithm,” IEEE/ACM Trans. Netw., pp. 1–12, 2020, DOI: 10.1109/TNET.2020.2989639, (przyjęte do druku – dostępne jako early ac-cess), IF=3,597, Open Access.
[C16]	G. Danilewicz, “Asymmetrical Space-Conversion-Space SCS1 StrictSense and Wide-Sense Nonblocking Switching Fabrics for Continuous Multislot Connections”, IEEE Access, vol. 7, pp. 107058-107072, 2019, DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2932871, IF=4,098, Open Access, Koszt: 0 zł.
[C17]	G. Danilewicz, “Supplement to “Asymmetrical Space-Conversion Space SCS1 Strict-Sense and Wide-Sense Nonblocking Switching Fabrics for Continuous Multislot Connections” - the SCS2 Switching Fabrics Case”, IEEE Access, vol. 7, pp. 167577-167583, 2019, DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2932871, IF=4,098, Open Access, Koszt: 7122,21 zł.
[K1]	W. Kabaciński, R. Rajewski, and A. Al-Tameemi, “Simultaneous Connections Routing in W-S-W Elastic Optical Switches with Limited Number of Connection Rates,” in 21th International Conference on Optical Networks Design and Modeling, pp. 1–6, Budapeszt, Węgry, 2017, DOI: 10.23919/ONDM.2017.7958549.
[K2]	W. Kabaciński, R. Rajewski, and A. Al-Tameemi, “Rearrangeability of 2x2 W-S-W Elastic Switching Fabrics with Two Connection Rates,” in Proceedngs of the IEICE Information and Communication Technology Forum (ICTF 2017), M. Piechowiak and P. Zwierzykowski, Eds. Poznań, Polska, pp. 1–4, 2017.
[K3]	W. Kabaciński and A. Al-Tameemi, “Control Algorithms for Simultaneous Connec-tions Routing in Flexible Optical Switching Networks,” in IEEE The International Conference on “Pho-tonics in Switching and Computing – PSC”, Limassol, Cypr, pp. 1–3. 2018.
[K4]	W. Kabaciński, M. Abdulsahib, and M. Michalski, “Performance evaluation of WSW2 switching fabric architecture with limited number of spectrum converters,” in IEEE Advances in Wireless and Optical Communications RTUWO’18, Ryga, Łotwa, pp. 124–129, 2018, DOI: 10.1109/RTUWO.2018.8587794.
[K5]	M. Abdulsahib and W. Kabaciński, “Wide-Sense Nonblocking Converting-Space-Converting Switching Node Architecture under XsVarSLOT Algorithm,” in 2019 IEEE 20th Interna-tional Conference on High Performance Switching and Routing (HPSR), pp. 1–6, 2019. DOI: 10.1109/HPSR.2019.8808115.
[K6]	M. Abdulsahib, W. Kabaciński, and M. Michalski, “Performance Evaluation of the WSW1 Switching Fabric Architecture with Limited Resources,” in Image Processing and Communica-tions. IP&C 2019. Techniques, Algorithms and Applications, M. Choraś and R. S. Choraś, Eds. Springer, Cham, pp. 189–196, 2020, DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-31254-1_23.

Koordynator projektu

prof. dr hab. inż. Grzegorz Danilewicz,

Kierownik projektu PP

prof. dr hab. inż. Grzegorz Danilewicz,

Uczestnicy projektu PP

prof. dr hab. inż. Grzegorz Danilewicz,
prof. dr hab. inż. Wojciech Kabaciński,
dr hab. inż. Mariusz Żal
dr hab. inż. Remigiusz Rajewski
dr inż. Mustafa Abdulsahib

Partnerzy w projekcie