Skriv ut

Lena Wosinska minskar förlusterna i optonätet

Universitetsforskning inom optiska nät har mötts av kalla handen i Sverige sedan Ericsson tappade intresset för teknikområdet i början av 2000-talet. Men Ericsson är tillbaka. Och Sverige är numera en attraktivt plats för att bygga framtida datacenter. Det bäddar för forskarutmaning i KTH:s optiska nätverkslabb, grundat av professor Lena Wosinska som leder den dagliga verksamheten.
 
Lena Wosinska
Titel: Professor
i telekommunikation.
Utbildning: Civ.ing-examen inom elektronik med inriktning mot lasrar från Warszawas Tekniska Högskola.
Född: 1951.
Familj: Man och vuxen son.
Bor: Sollentuna.
Intresse: Film, broderi­design, m m.
Vi är de enda universitetsforskare i Sverige som jobbar med optiska nät, säger Lena Wosinska, som ansvarar för forskningen som bedrivs vid KTH i Electrum i Kista.

Under många år har det varit svårt att få gehör för forskning inom optiska nät, eller fiberburen kommunikation, här i Sverige.

Ericsson drog sig ur forskningen år 2002. Runt 200 personer varslades på Ericsson Optoelectronics i Kista, medan en liten forskargrupp gick över till Acreo. På den tiden var det enbart trådlöst som intresserade företaget. Och så har det förblivit i Sverige – tills nyligen.

Det var för drygt ett år sedan som KTH-forskarna tillsammans med Acreo involverades i projektet Kista 5G Transport som drivs av Ericsson. Totalt deltar runt 25 personer i projektet, däribland två KTH-doktorander.

Sedan starten har en demonstrator byggts upp. Med hjälp av den ska man visa att den funktionalitet som forskarna arbetat med under året verkligen fungerar.

− Idén bygger på ett förenklat optiskt nät, där ingen intelligens finns i själva nätet utan den ligger i ändpunkterna. Vi jobbar med software defined networking för styrning av nätet. Man vill nå hög prestanda, flexibilitet och låg energiförbrukning med enkel hårdvara och programmerbarhet.

Upprinnelsen till projektet är den kraftigt ökande trafiken i nätet som spås när 5G introduceras i framtiden. Det i kombination med att accessdelen i näten kommer att bli en blandning av trådlös mobilteknik som exempelvis LTE och 5G, men också wifi liksom trådbundna fiberuppkopplingar gör att man vill kunna styra allt med en enda styrenhet, så kallad orchestrator. För det krävs att gränssnittet mot styrningen blir oberoende av klient.

− Jag var lite skeptisk till att låta våra doktorander jobba med implementation av mjukvara i demonstratorn för de måste pub­licera. Men vi har hittat en bra balans och det är bra att de är involverade i uppbyggnaden för sen kan de enkelt använda den för att undersöka sina algoritmer och idéer, säger Lena Wosinska.

Strax före årsskiftet demonstrerade Erics­son den nybyggda demonstratorn framgångsrikt för första gången. Under detta år ska mer funktionalitet adderas.

En intressant reflektion är emellertid att samarbetet inom Kista 5G Transport Lab inte är i fas med annan forskning som KTH-teamet jobbat med inom bland annat olika euro­peiska projekt. Där har forskningen siktat på att eliminera metronätet. Det går att göra om fiber används i accessnätet som då kan sträckas ända ut till stamnätet; en topologi som kan spara väldigt mycket energi eftersom man slipper en aggregation i nätet.

Ericsson har dock gjort beräkningar som pekar på att lösningen som tagits fram inom det egna projektet drar mindre energi än topologin utan metronät.

− Vi får se vilken lösning som vinner i framtiden. Idag finns det inte en enighet kring det, säger Lena Wosinska diplomatiskt.

Klart är i varje fall att en viktig ingrediens i framtida nät är energiförbrukningen. När trafiken i näten ökar lavinartat får energi som slukas där inte skena i samma tempo.

 
För nästan exakt tre år sedan – i början av år 2012 – tilldrog sig två viktiga händelser för KTH:s forskning inom optisk kommunikation. Dels utsågs Lena Wosinska till professor i telekommunikation, med fokus på optiska nät. Dels lade hon grunden till Optical Networks Lab (ONLab), en verksamhet som i dagsläget inkluderar en professor, två biträdande lektorer, tre postdoc-tjänster, sju doktorander samt ett stort antal doktorander på besök från Brasilen, Kanada, Japan, Kina samt olika europeiska länder.

Forskargruppen som Lena Wosinska leder är den enda på svenska universitet som jobbar med fibernät. Forskningen täcker sju olika huvudområden.
•    Optiska stam- och accessnät
•    Nätverk för moln och datacenter
•    Konvergens mellan trådlösa och optiska nät
•    Smarta städer
•    Styrning och hantering
•    Energi och kostnadseffektivitet
•    Säkerhet och tillförlitlighet

De två sistnämnda forskningsområdena går igenom i allt, medan forskningen inom datacenter är ett ganska nytt men hett område just nu (se artikeln).

Tillsammans med Ericsson bedriver KTH och Acreo ett det nystartade projektet Kista 5G Transport där man fokuserar på nätkonvergens, alltså styrning där man ser accessdelen av nätet som ett enda nät och inte som separata trådlösa och fibernät (se artikeln).

Inom forskningsområdena smarta städer har bland annat ett sensorintensivt projekt drivits i samarbete med Brasilien och Saab.
ONLab tillhör KTH ICT-skolan (skolan för informations och kommunikationsteknik) i Kista och inlemmas under institutionen för kommunikationssystem.
Det finns många sätt att angripa energiförbrukningen. Ett är att införa heloptiska nät, så kallade transparenta nät, eftersom mycket energi går förlorad vid omvandlingen mellan optiska och elektriska signaler och tillbaka.

− Forskningen inom transparenta optiska nät har pågått i flera tiotals år och man är inte där ännu. Fortfarande är noderna i stamnätet oftast elektroniska och man terminerar i många fall signalen i flera noder. I metronätet har man däremot kommit längre.

Rent tekniskt finns det fortfarande begränsningar på hur långt man kan transportera en signal i ett heloptiskt nät eftersom optiska förstärkare adderar brus, vilket begränsar möjligheten att kompensera för dämpning av signalen i nätet. Samtidigt finns det optiska förstärkare som både kan snygga till signalen och hantera dess timing (re­shaping och retiming), men de är ännu inte kommersiellt tillgängliga.

− Fast den verkliga bromsklossen är inte tekniken, utan operatörerna som inte är speciellt pigga på att byta ut all sin utrustning eftersom det kostar stora pengar.

Ett annat sätt att stävja energiåtgången i nätet är att använda passiva komponenter så mycket som möjligt, eftersom de aktiva drar energi.

I Sverige är fibernätet ofta byggt med dedicerad fiber från accessnoden ända till användaren. I vissa fall använder man aktiva komponenter såsom Ethernetswitchar nära slutanvändaren för att minska mängden fiber som behövs för att ansluta dem till nätet. Om man ersätter Ethernetswitcharna med passiva power- eller våglängdssplittrar får man passiva optiska nät, så kallade PON (passiv optical network).

Tittar man på de länder i världen som har högst penetration av fiber i accessnätet så ligger Sverige på tredje plats, efter Japan och Korea som till skillnad mot Sverige nästan enbart har passiva nät.

Dilemmat med dagens passiva teknik är att den har svårare att stödja öppen access, vilket innebär att det inte är enkelt att låta flera operatörer och nätverksleverantörer använda samma nätinfrastruktur.

− Inom vår forskning tittar vi på nätverksarkitekturer som stöder öppen access. Rimligen bör det ju vara möjligt för den som är ansluten till fibernätet att fritt få välja provider.

Ytterligare en populär metod att spara energi är att låta delar av utrustningen gå i så kallat sleepmode – helt enkelt stänga av delar under kortare eller längre stund.

Fast det har visat sig att den metoden inte alls behöver vara positiv för den totala energiförbrukningen i ett livscykelperspektiv. I en undersökning som KTH-forskarna gjort har man kunnat konstatera att utrustning som ofta går mellan att vara aktiv till sovläge snabbt tappar i tillförlitlighet.

− Om du har en sändare med livslängden hundra år, så kan den minskas till runt hälften om man nyttjar sleepmode. Då kan man fundera på om det är ett bra sätt att spara energi, eftersom man måste tillverka fler ljusskällor för att ersätta de som gått sönder. Dessutom kostar reparationen av nätet.

I accessnätet kan det i vissa fall vara vettigt att spara energi genom att använda sleep­mode. Metoden har dock visat sig var mind­re lämplig att använda på fiberförstärkare i stamnäten för att spara energi.

− Vi kom på en fiffig algoritm för att sätta många fiberförstärkare i sleepmode, men det är inte rimligt för man sparar ganska lite energi samtidigt som man kan försämra nätverkets övriga prestanda och också få ökade reparationskostnader på grund av minskad tillförlitlighet. Däremot kan man tänka sig att transceivrar i stamnätet kan sättas i sleepmode. De drar relativt mycket energi jämfört med optiska förstärkare och det skulle vara fördelaktigt att kunna göra så många av dem som möjligt inaktiva under långa stunder.

Å andra sidan tycks det vara nätverk i datacenter – som är ett relativt nytt forskningsområde för gruppen i Kista – som allra snabbast kan komma att vinna mycket på den forskning som bedrivs där.

I Sverige har intresset för datacenter ökat radikalt sedan Facebook öppnade sin gigantiska anläggning i Luleå för två år sedan. En viktig anledning till etableringen är klimatet i norra Sverige som är gynnsamt ur kylningssynvinkel eftersom anläggningen nästan kan kylas gratis. Att det är intressant kan man förstå om man vet att kylning av ett datacenter står för minst lika mycket av den totala energiförbrukningen som driften.

Nyligen fick Lena Wosinskas forskargrupp ett anslag för ett ramprogram från Vetenskapsrådet och ett projekt från Stiftelsen för Strategisk. Forskningen inom ramprogrammet bedrivs i samarbete med Chalmers och Linköpings universitet där ONLabs expertis inom optiska nät kompletteras med kompetens i transmission och signalbehandling hos Chalmers och LiU.

Den svenska forskargruppen har likt andra forskare i världen antagit utmaningen att hitta lösningar som kan minska energiförbrukningen i framtida datacenter radikalt. I dessa nätverk krävs det att energiförbrukningen per bit minskar 100 gånger.

− Idag har vi en lösning där vi minskar energiförbrukningen per bit med tio gånger jämfört med andra lösningar, men vi har en idé på hur vi kan minska den ytterligare.

Grundbulten är att byta ut de elektriska switchar som sitter i dagens datacenter mot optiska lösningar.

Många forskargrupper i världen, inklusive KTH-teamet, har tagit fram förslag på optiska lösningar mellan rack och coreswitch i datacenter, där coreswitchen är den som hanterar trafiken mellan olika rack och från rack ut till stamnätet.

− Vi samarbetar med företag som gör stora switchar baserade på piezoelektriska element, som man kan använda i core-switchen. Men vi är också först med att titta på passiva optiska lösningar on-top-of-the-rack. Det är vår originalidé och väldigt nytt och innovativt, säger Lena Wosinska.

Med uttrycket on-top-of-the-rack menar hon kommunikationen mellan servrarna i ett och samma rack. Den kräver switchar. Idag används elektroniska switchar, men om de kan bytas ut mot optiska lösningar så skulle väldigt mycket energi kunna sparas.

− Hittills har vi gjort en beräkning på hur mycket man kan spara baserat på energikonsumtionen i hårdvara som är aktiv hela tiden, men vi har också en idé på hur man kan spara ytterligare genom att använda energisparalgoritmer för att sätta vissa ljuskällor och mottagare i sleepmode. Det är nästa steg och ett sätt att optimera nätverket.

I datacenter kan man vinna mycket på att utnyttja sleepmode till skillnad mot i stamnät, som inte är speciellt lämpat för sleepmode, och accessnät där metoden visserligen kan användas med försiktighet.

− Så är det eftersom man i datacenter kan optimera användandet av aktiva komponenter och system på ett helt annat sätt genom att exempelvis försöka maximera antal servrar som är inaktiva, förklarar Lena Wosinska.

Och hon fortsätter:

− Optiska nät i datacenter har blivit ett väldigt viktigt forskningsområde för oss. Vi kommer att rekrytera ytterligare medarbetare och utöka den här forskningen framöver.
Kategori: Intervjuer