Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu năng mạng chuyển mạch gói quang (OPS)

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chính mà luận án hướng đến là nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp khả thi để cải thiện hiệu năng mạng OPS thông qua kỹ thuật xử lý mào đầu gói toàn quang kết hợp sử dụng các chuyển mạch quang cực nhanh. Để đạt được mục tiêu chính này, luận án phải xây dựng được mô hình giải tích để mô hình hóa giải pháp xử lý mào đầu gói toàn quang và xây dựng mô hình cấu trúc khối xử lý mào đầu toàn quang mới sử dụng các chuyển mạch toàn quang cực nhanh để áp dụng cho nút chuyển mạch gói toàn quang. Trên cơ sở đó khảo sát hiệu năng nút và mạng OPS sử dụng các giải pháp cải thiện hiệu năng đã đề xuất.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu năng mạng chuyển mạch gói quang (OPS)

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CAO HỒNG SƠN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG (OPS) MÃ SỐ: 62.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2017
Công trình được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Nguyễn Minh Hồng 2. PGS.TS. Hồ Quang Quý Phản biện 1: ……………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………… Phản biện 3: ……………………………………………… Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Vào hồi: giờ, ngày……..tháng…….năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: 1. Thư viện Quốc Gia Việt Nam. 2. Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.
1 MỞ ĐẦU Chuyển mạch gói là một mô hình thông tin trong đó thông tin được phát dưới dạng gói. Ở đây, các gói là các khối dữ liệu rời rạc được định tuyến giữa các nút qua các liên kết dữ liệu. Trong công nghệ chuyển mạch gói quang OPS (Optical Packet Switching) dữ liệu trong các gói được giữ trong miền quang mà không chuyển đổi O/E (Optical/Electronic) và E/O (Electronic/Optical) tại các nút chuyển mạch. Các ưu điểm mà công nghệ OPS có được bao gồm cung cấp tốc độ bít cao, khuôn dạng trong suốt và cấu hình mềm dẻo do hoạt động chuyển mạch ở lớp vật lí. Ngoài ra, mạng OPS có thể cung cấp phân bổ băng tần động trên cơ sở gói xen gói. Phân bổ động này dẫn tới mức độ ghép kênh thống kê cao làm cho mạng đạt được khả năng sử dụng tối ưu khi lưu lượng thay đổi và có tính bùng nổ. Để có thể hiện thực hóa công nghệ OPS cần vượt qua các thách thức đối với mạng OPS hiện nay trong việc giảm thời gian xử lí gói tại các nút đến từ việc xử lí mào đầu gói quang cũng như xây dựng các mô hình kiến trúc chuyển mạch quang nhanh, dung lượng lớn kết hợp các phương pháp đệm, định tuyến hiệu quả. Do đó, việc nghiên cứu đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng của mạng OPS là rất cần thiết. Mục tiêu chính mà luận án hướng đến là nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp khả thi để cải thiện hiệu năng mạng OPS thông qua kỹ thuật xử lý mào đầu gói toàn quang kết hợp sử dụng các chuyển mạch quang cực nhanh. Để đạt được mục tiêu chính này, luận án phải xây dựng được mô hình giải tích để mô hình hóa giải pháp xử lý mào đầu gói toàn quang và xây dựng mô hình cấu trúc khối xử lý mào đầu toàn quang mới sử dụng các chuyển mạch toàn quang cực nhanh để áp dụng cho nút chuyển mạch gói toàn quang. Trên cơ sở đó khảo sát hiệu năng nút và mạng OPS sử dụng các giải pháp cải thiện hiệu năng đã đề xuất. Đối tượng nghiên cứu của luận án là mạng OPS và hiệu năng của mạng OPS. Phạm vi nghiên cứu giới hạn với các mạng OPS đồng bộ phân khe. Tham số hiệu năng của nút và mạng OPS được đánh giá, khảo sát trong luận án này là thời gian xử lý mào đầu, công suất phát quang trung
2 bình, hiệu quả sử dụng mạng, xác suất mất gói và tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang. Để đạt được mục tiêu nghiên cứu nêu trên, các nhiệm vụ nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận án được xác định bao gồm: (1) nghiên cứu tổng quán về OPS, (2) đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng mạng OPS và (3) kiểm chứng các giải pháp đã đề xuất. Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án là nghiên cứu lý thuyết dựa trên mô hình giải tích với các công cụ toán học kết hợp với mô phỏng. Luận án sẽ được bố cục thành bốn chương như sau: Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương 2: Phát triển chuyển mạch SMZ với coupler đầu ra không đối xứng và xung điều khiển công suất khác nhau ở hai nhánh Chương 3: Phát triển giải pháp xử lý mào đầu gói toàn quang dựa trên kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi Chương 4: Xây dựng khối xử lý mào đầu toàn quang dựa trên kỹ thuật MPPM sử dụng cho nút chuyển mạch gói toàn quang Kết luận và định hướng nghiên cứu tiếp theo.
3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tóm tắt: Nội dung của chương trình bày về các đặc tính kỹ thuật của mạng chuyển mạch gói quang OPS (Optical Packet Switching), các giải pháp xử lý mào đầu gói trong mạng chuyển mạch quang, giới thiệu một số công nghệ chuyển mạch quang, các tham số đánh giá hiệu năng mạng OPS [J6,J7,J8]. Nội dung chính của chương sẽ tập trung khảo sát các nghiên cứu liên quan đến hiệu năng mạng OPS để từ đó tìm ra các hạn chế của các nghiên cứu trước đây và đề xuất hướng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và hướng tiếp cận, giải quyết của luận án. 1.1 GIỚI THIỆU MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG 1.1.1 Kiến trúc trúc mạng chuyển mạch gói quang Kiến trúc chung của mạng OPS như trong Hình 1.1. Hình 1.1. Kiến trúc chung của mạng chuyển mạch gói quang Kiến trúc mạng gồm có mạng lõi và mạng khách hàng (client). Nút biên hoạt động như một giao diện giữa mạng khách hàng và mạng lõi và nằm ở biên của mạng. Tại nút biên các gói điện đến được tập hợp và sắp xếp vào các gói quang với tải trọng có tốc độ bít rất cao nhằm sử dụng hiệu quả băng tần của mạng lõi. Phần mào đầu tốc độ bít thấp cũng được thêm vào và được chuyển vào mạng lõi. Thông tin lưu trong mào đầu được sử dụng để định tuyến gói. Các gói quang được chuyển qua các nút lõi với tải trọng vẫn được duy trì trong miền quang. Khi các gói đến các nút biên đầu ra các gói điện được tách từ tải trọng và đưa đến các mạng khách hàng.
4 1.1.2 Nút chuyển mạch gói quang Hình 1.2 đưa ra sơ đồ khối chung của một nút chuyển mạch gói quang. Các khối chức năng chính bao gồm: Khối đầu vào; Khối đệm và chuyển mạch; Khối điều khiển; Khối đầu ra. Hình 1.2. Sơ đồ khối chung của nút chuyển mạch gói quang 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ MÀO ĐẦU GÓI QUANG 1.2.1 Các giải pháp xử lý mào đầu gói quang Giải pháp xử lí mào đầu gói được phân làm hai loại chính là giải pháp xử lí mào đầu gói trong miền điện và giải pháp xử lí mào đầu gói trong miền quang. 1.2.2 Các vấn đề đặt ra khi xử lý mào đầu gói quang Trong mạng chuyển mạch gói quang (OPS), mào đầu gói quang được truyền đi cùng với tải trọng gói quang. Khi đến một nút chuyển mạch mào đầu gói quang được tách ra để xử lí nhằm thực hiện định tuyến, dẫn đến gói quang bị trễ và gây ra nghẽn cổ chai tại nút. Mặt khác, trong các nút OPS có các đầu vào/ra lớn đòi hỏi khối xử lý mào đầu gói quang phức tạp, số lượng các bộ tương quan quang lớn. 1.3 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH QUANG Theo thời gian chuyển mạch, công nghệ chuyển mạch được chia làm hai nhóm. Nhóm 1, có thời gian chuyển mạch > 1ps; Nhóm 2, có thời gian chuyển mạch < 1ps (gọi là các chuyển mạch quang cực nhanh). 1.4 CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG - Thời gian xử lý mào đầu - Công suất phát quang trung bình - Hiệu quả sử dụng mạng - Xác suất mất gói - Tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang
5 1.5 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.5.1 Các công trình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam số lượng các kết quả nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến OPS còn rất hạn chế. 1.5.2 Các công trình nghiên cứu trên thế giới 1.5.2.1 Các nghiên cứu về công nghệ chuyển mạch quang cực nhanh Các chuyển mạch quang cực nhanh (UF-OSW) được thực hiện theo nhiều cách khác nhau sử dụng các thành phần quang phi tuyến thụ động hoặc tích cực. 1.5.2.2 Các nghiên cứu về giải pháp xử lí mào đầu gói - Giải pháp xử lí mào đầu gói trong miền điện - Giải pháp xử lí mào đầu gói trong miền quang 1.6 HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1.6.1 Nhận xét về công trình nghiên cứu của các tác giả khác a) Các nghiên cứu về chuyển mạch toàn quang cực nhanh - UF-OSW sử dụng thành phần phi tuyến thụ động: Công suất quang bơm lớn và có cấu trúc không nhỏ gọn nên khả năng tích hợp kém. - UF-OSW sử dụng thành phần phi tuyến tích cực: Với UNI yêu cầu chiều dài BRF lớn; Với TOAD mặt cắt cửa sổ chuyển mạch cố định và không đối xứng; Với SMZ xuyên âm dư còn tương đối cao và công suất xung điều khiển sử dụng vẫn chưa hiệu quả. b) Các nghiên cứu về giải pháp xử lí mào đầu gói trong miền điện - Sử dụng kỹ thuật khóa ON-OFF nên có thời gian xử lí lâu (xấp xỉ 10 s) gây trễ lớn. - Mạch tách mào đầu phải thực hiện chức năng chuyển đổi O/E/O. c) Các nghiên cứu về giải pháp xử lí mào đầu gói trong miền quang - Xử lý mào đầu gói tự định tuyến có chiều dài trường địa chỉ tăng khi số chặng tăng và làm cho thời gian xử lý mào đầu tăng lên. - Xử lý mào đầu gói dựa trên bộ tương quan quang FBG có số lượng bộ tương quan tăng theo hàm mũ khi chiều dài trường địa chỉ tăng, làm cho thời gian xử lý mào đầu tăng lên.
6 - Xử lý mào đầu gói dựa trên bộ tương quan quang XOR hoặc AND có số lượng khối nhận dạng địa chỉ tăng theo hàm mũ khi chiều dài trường địa chỉ tăng, làm cho thời gian xử lý mào đầu tăng lên. - Xử lý mào đầu gói toàn quang dựa trên kỹ thuật điều chế vị trí xung (PPM) có chiều dài địa chỉ mào đầu trong bảng định tuyến lớn, cấu trúc khối chuyển đổi địa chỉ PPM còn khá phức tạp, làm cho thời gian xử lý mào đầu lớn. 1.5.2 Hướng nghiên cứu của luận án Trên cơ sở kết quả phân tích các hạn chế của các nghiên cứu liên quan, hướng nghiên cứu được đề xuất trong luận án này là: (1) Phát triển chuyển mạch SMZ với coupler đầu ra không đối xứng và xung điều khiển công suất khác nhau ở hai nhánh nhằm cải thiện hiệu năng chuyển mạch. (2) Phát triển giải pháp xử lý mào đầu gói toàn quang dựa trên kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM) nhằm giảm chiều dài các địa chỉ mào đầu trong bảng định tuyến và giảm thời gian xử lý mào đầu. (3) Xây dựng khối xử lý mào đầu toàn quang mới dựa trên kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM) được sử dụng trong các nút chuyển mạch gói toàn quang (OPS) nhằm cải thiện hiệu năng mạng OPS. 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Nội dung của Chương 1 đã trình bày khái quát về mạng OPS. Sự khác biệt về cấu trúc chức năng của mạng OPS với mạng quang truyền thống cho thấy tiếp cận chuyển mạch toàn quang cực nhanh là hướng đi tất yếu cho bài toán xử lý mào đầu gói quang của mạng OPS. Bên cạnh đó, các trở ngại chính trong vấn đề xử lý mào đầu gói quang của mạng OPS cũng được trình bày nhằm chỉ rõ các điểm then chốt khi xây dựng kỹ thuật xử lý mào đầu gói toàn quang cho các nút mạng OPS. Qua phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu liên quan, các tồn tại của các nghiên cứu trước đây đã được chỉ ra. Trên cơ sở đó, xác định hướng nghiên cứu của luận án là xây dựng lược đồ xử lý mào đầu gói toàn quang dựa trên kỹ thuật MPPM sử dụng các chuyển mạch toàn quang cực nhanh SMZ và áp dụng cho nút chuyển mạch gói toàn quang.
7 CHƯƠNG 2: PHÁT TRIỂN CHUYỂN MẠCH SMZ VỚI COUPLER ĐẦU RA KHÔNG ĐỐI XỨNG VÀ XUNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT KHÁC NHAU Ở HAI NHÁNH Tóm tắt: Để giảm thời gian xử lí và chuyển mạch trong các nút của mạng OPS toàn quang, cần sử dụng các chuyển mạch toàn quang cực nhanh để cải thiện hiệu năng của nút mạng OPS. Do đó, nội dung của chương 2 sẽ trình bày về chuyển mạch toàn quang cực nhanh, với mô hình giải tích khảo sát hiệu năng cho chuyển mạch toàn quang cực nhanh Mach-Zehnder đối xứng SMZ. Trên cơ sở này là đề xuất nghiên cứu sinh về chuyển mạch toàn quang cực nhanh SMZ với coupler đầu ra không đối xứng và xung điều khiển có công suất khác nhau ở hai nhánh với mục đích để cải thiện hiệu năng cho chuyển mạch SMZ. [J4]. 2.1 CHUYỂN MẠCH TOÀN QUANG CỰC NHANH 2.1.1 Chuyển mạch quang cực nhanh dựa trên UNI UNI bao gồm hai đoạn sợi quang duy trì phân cực (BRF), một coupler 3 dB, một SOA, hai bộ cách li quang nhạy phân cực (PSI) và hai bộ lọc quang (BPF). Tín hiệu đầu vào được chia thành hai thành phần phân cực trực giao. Khi xung điều khiển công suất cao (CP) được bơm vào giữa hai tín hiệu phân cực trực giao trước khi đưa vào SOA, tạo ra dịch pha giữa hai tín hiệu phân cực này. Kết quả, sau khi truyền qua BRF thứ hai thì hai tín hiệu phân cực khác nhau được kết hợp và được PSI thứ hai tách ra. Như vậy, khi có mặt CP tín hiệu đầu vào sẽ được đưa đến cổng đầu ra. 2.1.2 Chuyển mạch quang cực nhanh dựa trên TOAD TOAD bao gồm một vòng sợi, hai coupler 3 dB, một SOA, một bộ quay vòng một chiều quang và hai bộ lọc quang. Tín hiệu đầu vào được chia làm hai phần với hướng truyền khác nhau. cùng chiều kim đồng hồ (CW) và ngược chiều kim đồng hồ (CCW). Khi không có xung điều khiển CP, cả hai tín hiệu CW và CCW đều có pha giống nhau và kết hợp tại coupler 3dB và tín hiệu xuất hiện ở cổng phản xạ. Khi có tín hiệu CP, tín hiệu CW và CCW sẽ có dịch pha khác nhau do đó tín hiệu đưa ra ở cổng đầu ra.
8 2.1.3 Chuyển mạch quang cực nhanh dựa trên MZI Về cơ bản, MZI gồm hai nhánh ống dẫn sóng quang với hai SOA và một số coupler 3 dB. Tín hiệu vào được chia thành nhánh dưới và nhánh trên. Khi không có xung điều khiển CP, tín hiệu ở hai nhánh có pha giống nhau sẽ kết hợp tại coupler 3 dB đầu ra và tín hiệu chuyển đến cổng ra 2. Khi có xung điều khiển đưa vào hai nhánh ở thời điểm khác nhau, tín hiệu ở hai nhánh sẽ bị dịch pha khác nhau do đó sẽ xuất hiện ở cổng ra 1. 2.2 KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ SOA CHO CHỨC NĂNG CHUYỂN MẠCH 2.2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của SOA 2.2.2 Mô hình lý thuyết SOA Mô hình giải tích được sử dụng để khảo sát các tham số ảnh hưởng đến đặc tính khuếch đại và pha (chuyển mạch) của SOA. Mô hình dựa trên các phương trình tốc độ phụ thuộc vị trí và phương trình truyền quang đối với mật độ hạt mang và hệ số khuếch đại theo hướng truyền cho tín hiệu vào. 2.2.3 Khảo sát các tham số SOA cho chức năng chuyển mạch Để khảo sát các tham số SOA cho chức năng chuyển mạch dựa trên mô hình phân đoạn, liên quan đến dòng định thiên, chiều dài SOA, bước sóng và công suất tín hiệu đầu vào. 2.3 CHUYỂN MẠCH CỰC NHANH MACH-ZEHNDER ĐỐI XỨNG (SMZ) 2.3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của chuyển mạch SMZ Cấu trúc của chuyển mạch SMZ thông thường bao gồm một giao thoa có hai nhánh, hai SOA và một số các coupler 3dB, đường dây trễ quang (FDL), bộ phân cực (Pol) và bộ chia tia phân cực (PBS). 2.3.2 Phát triển chuyển mạch SMZ với coupler đầu ra không đối xứng và xung điều khiển có công suất khác nhau ở hai nhánh Để cải thiện xuyên nhiễu dư RCXT và cải thiện công suất của của tín hiệu chuyển mạch ở cổng đầu ra, chuyển mạch SMZ với coupler 2×2 đầu ra không đối xứng và xung điều khiển có công suất khác nhau ở hai nhánh được đề xuất. RCXT được cải thiện nhờ hạn chế mức bão hòa khuếch đại của SOA2 đến mức nó chồng lên mức của SOA1 trong vùng hồi phục. Mức giảm R tối ưu được xác định như sau:
9 G2 (t , PCP 2 )  G1 (t  TSW , PCP1 )   PCP1 (2.16) R  P  CP 2 Để cải thiện công suất của tín hiệu chuyển mạch ở cổng đầu ra nhờ thay đổi mặt cắt cửa sổ chuyển mạch SMZ để tăng hệ số khuếch đại SOA nhờ thay đổi hệ số ghép αC của coupler đầu ra. Hệ số khuếch đại cửa sổ chuyển mạch SW tương ứng của OP1 và OP2 được tính như sau: SW1 (t )  (1   C )3 G1 (t )   C2 (1   C )G2 (t )  2 (1   C ) 4  C2 G1 (t )G2 (t ) cos  12 (t )  SW2 (t )   C (1   C ) 2 G1 (t )   C (1   C ) 2 G2 (t )  2 (1   C ) 4  C2 G1 (t )G2 (t ) cos  12 (t )  (2.17) 2.3.3 Phân tích hiệu năng Hình 2.14 là mô hình hệ thống truyền dẫn OTDM đặc trưng sử dụng chuyển mạch SMZ làm bộ tách kênh, gồm một máy phát OTDM, tuyến sợi quang, bộ tách kênh sử dụng chuyển mạch SMZ và bộ thu quang. Hệ thống được sử dụng để làm mô hình phân tích hiệu năng của chuyển mạch SMZ. Tuyến Máy phát sợi quang Bộ tách Bộ lọc Máy thu OTDM kênh SMZ băng quang quang Hình 2.14: Hệ thống OTDM với bộ tách kênh dựa trên chuyển mạch SMZ. Các tham số chính để đánh giá hiệu năng của chuyển mạch toàn quang SMZ, bao gồm các tham số: Xuyên nhiễu dư (RCXT), tỉ số lỗi bit (BER) và độ thiệt thòi công suất thu (Prx). RCXT, được định nghĩa là tỉ số của công suất tín hiệu kênh không mong muốn chuyển mạch Pnt và công suất tín hiệu kênh mong muốn chuyển mạch Pt, bằng:  t0 TC  T2b   1  T  SW(t ) p p (t  t0 )dt  P   C t0  Tb  (2.18) RCXT (dB)  10 log10  nt   10 log  2 Tb   Pt   t0  2   1   TC Tb S W(t ) p (t  t ) dt p 0  t0   2 
10 BER được xác định theo biểu thức sau: BER  0,5erfc(Q / 2) (2.19) trong đó, hệ số Q được tính theo : Q  ( I m  I s ) / ( t ,m   t ,s ) (2.20) trong đó, I m và I s dòng tách quang thu trung bình khi thu được tương ứng bit 1 (Im) và bit 0 (Is).  t2,m và  t2,s là phương sai nhiễu tổng khi thu tín hiệu tương ứng bit 1 và bit 0. Với RCXT cao (nghĩa là chuyển mạch SMZ thông thường với xung điều khiển CP có công suất bằng nhau, R=0), sig-ase là số hạng trội, do đó Q và công suất quang thu Prx,R=0 được tính như sau: 2 KPs (2.31) Q 8KPs (1  RCXTC ) I ASE Be / B0  8KPs ( RCXTC ) I ASE Be / B0 Prx ,C  2Q 2 Be KBo  I ASE 1  RCXTC  1  2 RCXTC  2 RCXTC (1  RCXTC )  (2.32) trong đó, K=inGoutLfRp. in và out là hệ số ghép đầu vào và đầu ra SOA, G là hệ số khuếch đại SOA, Lf là suy hao bộ lọc quang, Rp là độ nhạy bộ thu quang và Ps là công suất tín hiệu thu trung bình không có RCXT, IASE là dòng phát xạ tự phát khuếch đại (ASE), Be là băng tần điện, B0 là băng tần quang, RCXTC là xuyên nhiễu trong chuyển mạch SMZ thông thường. Với RCXT nhỏ (trong chuyển mạch SMZ đề xuất với xung điều khiển CP có công suất không bằng nhau, R=Ropt và sử dụng coupler đầu ra không đối xứng) thì số hạng nhiễu trội là nhiễu phách khi thu tương ứng bit 1 (nghĩa là  t2,m ). Do đó, Q và công suất quang Prx, Ropt được tính theo: 2 KPs (2.33) Q 8KPs (1  RCXTP ) I ASE Be / B0 2Q 2 Be I ASE 1  RCXTP  2 Prx , P  (2.34) KBo trong đó, RCXTP là xuyên nhiễu trong chuyển mạch SMZ đề xuất. Do đó, cải thiện độ thiệt thòi công suất thu sẽ bằng: Prx  Prx , P  Prx ,C (2.35)
11 2.4 MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Các mô phỏng được thực hiện trên công cụ mô phỏng OptiSystem và kịch bản ứng dụng điển hình của hệ thống OTDM. 2.4.1 Mô hình mô phỏng Hình 2.15 đưa ra mô hình mô phỏng cho chuyển mạch SMZ, mô hình là một hệ thống OTDM gồm có máy phát OTDM gồm 8 kênh mỗi kênh 10Gb/s, chuyển mạch SMZ và một bộ thu quang, chuyển mạch SMZ đóng vai trò như một bộ tách kênh OTDM. Hình 2.15: Mô hình mô phỏng hệ thống OTDM sử dụng chuyển mạch SMZ trong phần mềm OptiSystem [J4]. 2.4.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận Hình 2.22: Kết quả mô phỏng BER kênh cần tách, TSW=12,5 ps [J4].
12 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của RCXT được quan sát rõ nhất dựa trên hiệu năng BER như minh họa trong Hình 2.22. Với quá trình tách kênh thứ nhất 10 Gb/s từ hệ thống 80 Gb/s, tại BER=10-12 thì độ thiệt thòi công suất là 0,87 dB và 1,99 dB (cải thiện được 1,12 dB) tương ứng với chuyển mạch SMZ thông thường và chuyển mạch SMZ đề xuất so với nối lưng đấu lưng (B-B). Tại BER=10-12 thì độ thiệt thòi công suất là 1,77 dB và 1,99 dB (cải thiện được 0,22 dB) tương ứng với chuyển mạch SMZ (Chiang, Ming-Feng đưa ra) và chuyển mạch SMZ đề xuất so với nối lưng đấu lưng (B-B). 2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Chương 2 đã trình bày các đóng góp của nghiên cứu sinh trong việc phát triển chuyển mạch SMZ với coupler đầu ra không đối xứng và xung điều khiển có công suất khác nhau ở hai nhánh nhằm cải thiện hiệu năng chuyển mạch. Các kết quả mô phỏng dựa trên mô hình hệ thống OTDM sử dụng chuyển mạch SMZ làm bộ tách kênh OTDM cho thấy rằng, chuyển mạch SMZ đề xuất có hiệu năng được cải thiện đáng kể so với các chuyển mạch SMZ khác đã được công bố. CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP XỬ LÝ MÀO ĐẦU GÓI TOÀN QUANG DỰA TRÊN KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VỊ TRÍ XUNG SỬA ĐỔI Tóm tắt: Nội dung của chương này đề cập đến kỹ thuật điều chế vị trí xung PPM và ứng dụng cho xử lí mào đầu gói toàn quang trong các mạng OPS, đây là một kỹ thuật sử dụng rất hiệu quả trong xử lí mào đầu gói toàn quang so với các kỹ thuật khác đã được công bố. Trên cơ sở của kỹ thuật này trong luận án đã phát triển một giải pháp xử lý mào đầu gói toàn quang dựa trên kỹ thuật điều chế xung sửa đổi (MPPM) để nâng cao hiệu năng quá trình xử lý mào đầu gói [J1]. Để đánh giá hiệu năng của giải pháp đề xuất, ở mục cuối của chương cũng đưa ra các kết quả đánh giá, phân tích. 3.1 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VỊ TRÍ XUNG SỬA ĐỔI (MPPM) 3.1.1 Kỹ thuật điều chế vị trí xung (PPM) Trong mạng chuyển mạch gói, địa chỉ mào đầu gói được sử dụng để quyết định định tuyến tại các nút trung gian trên đường định tuyến. Phương pháp mã hóa PPM sử dụng một địa chỉ mã hóa PPM có một bít ở vị trí cụ
13 thể cho một mẫu địa chỉ duy nhất. Lược đồ mã hóa này về cơ bản đưa ra tương quan trực tiếp giữa địa chỉ mào đầu gói và bảng định tuyến vị trí xung có trong nút. Do đó làm giảm được thời gian tương quan mào đầu so với các lược đồ tương quan mào đầu khác. 3.1.2 Kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM) Giải pháp điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM) được đề xuất dựa trên giải pháp PPM với mục đích giảm chiều dài địa chỉ chuyển đổi PPM và giảm thời gian xử lí mào đầu gói trong các nút OPS. Giải pháp này thực hiện theo nguyên tắc là trường địa chỉ có N bit được chia thành hai trường, thứ nhất là trường điều khiển (để chọn bảng định tuyến con trong bảng định tuyến MPPM) có C bit (2C  K), và thứ hai là trường địa chỉ chuyển đổi MPPM có (N-C) bit. Khi đó bảng định tuyến PPM tiêu chuẩn sẽ được chia thành K bảng con, trong đó mỗi bảng con sẽ có 2N/2N-C mẫu địa chỉ. Nghĩa là, mỗi mẫu địa chỉ PPM tiêu chuẩn (được coi là một bảng con) sẽ được chia thành một nhóm các mẫu địa chỉ MPPM trong các bảng định tuyến con MPPM (MPP-SRT). Như vậy, rõ ràng là trong các MPP-SRT của giải pháp MPPM đề xuất, chiều dài của các mẫu địa chỉ giảm xuống chỉ còn 2 N C Ts. Ngoài ra, nhờ có trường điều khiển C sẽ chọn duy nhất một MPP-SRT cho hoạt động tương quan quang nên rút ngắn được thời gian xử lý mào đầu. 3.2 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MPPM CHO XỬ LÝ MÀO ĐẦU 3.2.1 Bảng định tuyến MPPM Các địa chỉ mào đầu có cùng cổng ra sẽ được nhóm thành một nhóm và chuyển thành một mẫu địa chỉ PPM tiêu chuẩn Ek có độ dài 2N×Ts Trường địa chỉ mào đầu có (N-C) bit để chuyển đổi sang địa chỉ MPPM. Tương ứng các mẫu địa chỉ Ekj trong các bảng định tuyến con MPPM (MPP-SRT) có độ dài chỉ còn 2N-C×Ts. 3.2.2 Tách mào đầu gói toàn quang MPPM Khi một gói quang đến một nút OPS, xung tín hiệu định thời Clk được tách ra để điều khiển hoạt động chuyển đổi địa chỉ sang dạng MPPM và tạo các mẫu địa chỉ trong bảng định tuyến con MPPM. Tiếp theo, tách các bít điều khiển (C bit) để điều khiển chọn bảng định tuyến con MPPM theo yêu cầu. Đồng thời tách các bit địa chỉ mào đầu ((N-C) bit) và chuyển đổi các
14 bít địa chỉ mào đầu sang dạng địa chỉ MPPM. Nhận dạng địa chỉ mào đầu được thực hiện bằng tương quan trường địa chỉ chuyển đổi MPPM (gồm (N-C) bit) với một mẫu địa chỉ của bảng định tuyến con MPPM sử dụng duy nhất một cổng AND. Đầu ra bộ tương quan quang (AND) sẽ nhận được một xung tương hợp và được đến khối chuyển mạch, điều khiển chuyển mạch gói quang đầu vào được đưa đến đúng cổng ra mong muốn. 3.3 KHẢO SÁT HIỆU NĂNG GIẢI PHÁP XỬ LÝ MÀO ĐẦU GÓI TOÀN QUANG DỰA TRÊN KỸ THUẬT MPPM Để đánh giá hiệu năng của giải pháp pháp xử lí mào đầu toàn quang dựa trên kỹ thuật MPPM đề xuất, bằng cách so sánh với giải pháp xử lý mào đầu điện (OOK) và giải pháp xử lý mào đầu toàn quang dựa trên kỹ thuật PPM. Các tham số đánh giá hiệu năng bao gồm thời gian xử lí mào đầu THP và công suất điều chế quang trung bình Pavg. 3.3.1 Thời gian xử lí mào đầu, THP Thời gian xử lý mào đầu trong lược đồ PPM được tính theo biểu thức: TPPM  HP  TCE  TPPM  ACM  TAND  TCE  2 N  TS  TAND (3.5) trong đó TCE là thời gian tách định thời, N là các bít địa chỉ mào đầu, TS là chu kỳ khe PPM và TAND là thời gian tương quan. Biểu thức tính thời gian xử lí mào đầu trong lược đồ MPPM như sau: TMPPM  HP  TCE  TMPPM  ACM  TAND  TCE  2 N C  TS  TAND (3.7) 3.3.2 Công suất điều chế quang trung bình, Pavg Công suất điều chế quang trung bình được xác định theo biểu thức: 2 Pavg   POOK (3.9) LF log 2 LF trong đó LF là độ dài khung, POOK là công suất quang trung bình yêu cầu cho lược đồ xử lí mào đầu điện thông thường (OOK). 3.3.4 Kết quả khảo sát hiệu năng Trong Hình 3.8, Thời gian xử lí mào đầu được khảo sát theo tốc độ bit truyền gói trong trường hợp N=14 và C=1, C=2 hoặc C=3. Hình 3.8 cho thấy thời gian xử lí mào đầu dựa trên MPPM trong dải ps là rất nhỏ so với thời gian xử lí mào đầu điện OOK (xấp xỉ 10 s). Trong lược đồ MPPM đề xuất có thời gian xử lí mào đầu so với thời gian xử lí mào đầu PPM tiêu
15 chuẩn khi chọn N=14 đã giảm tương ứng gần 2 lần khi C=1, gần 3 lần khi C=2 và gần 4 lần khi C=3. Thời gian xử lý mào đầu , THP (p/s) Tốc độ bit, Rb (Gb/s) Hình 3.8. Thời gian xử lí mào đầu thay đổi theo tốc độ bit truyền gói khi N=14 và C=1, C=2 hoặc C=3 [J1]. Hình 3.12 đưa ra mối quan hệ giữa công suất quang trung bình yêu cầu phụ thuộc độ dài địa chỉ mào đầu N, tương ứng với trường điều khiển C=1, C=2 và C=2. Rõ ràng là công suất quang trung bình yêu cầu đối với lược đồ MPPM là bé hơn nhiều so với giải pháp xử lí mào đầu dựa trên OOK khi độ dài trường địa chỉ mào đầu lớn, tương ứng khoảng 9,5dBm, 7,5dBm và 5,5dBm với N=6. 0 OOK MPPM, C=1 -5 MPPM, C=2 Average Optical Power, Pavg (dBm) MPPM, C=3 -10 -15 -20 -25 -30 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Header Address Bits, N Hình 3.11: Công suất quang trung bình thay đổi theo từ mã địa chỉ mào đầu với với POOK=0 dBm và C=1, C=2 hoặc C=3 [J1]. 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 Trong chương 3, đã trình bày chi tiết về mô hình giải tích của kỹ thuật điều chế vị trí xung PPM để ứng dụng cho xử lí mào đầu gói toàn quang
16 trong mạng OPS. Bên cạnh đó, cũng đã trình bày đóng góp của nghiên cứu sinh trong việc xây dựng mô hình giải tích của kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi MPPM nhằm nâng cao hiệu năng xử lý mào đầu gói toàn quang trong các mạng OPS. Phần cuối của chương là phần đánh khảo sát và đánh giá hiệu năng của giải pháp xử lý mào đầu toàn quang đề xuất. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG KHỐI XỬ LÝ MÀO ĐẦU DỰA TRÊN KỸ THUẬT MPPM SỬ DỤNG CHO NÚT CHUYỂN MẠCH GÓI TOÀN QUANG Tóm tắt: Nội dung của chương 4 trình bày những đóng góp của nghiên cứu sinh trong việc xây dựng mô hình cấu trúc khối xử lý mào đầu gói toàn quang dựa trên giải pháp điều chế vị trí xung sủa đổi MPPM (MPPM-HP). Trong đó đã phân tích và đánh giá các ảnh hưởng của các tham số đến hoạt động của các khối chức năng con trong khối MPPM-HP, đưa ra các kết quả mô phỏng dựa trên phần mềm OptiSystem [J2]. Trên cơ sở của mô hình cấu trúc của khối MPPM-HP đề xuất, trong chương 4 còn trình bày một mô hình kiến trúc nút chuyển mạch gói toàn quang sử dụng khối MPPM-HP. Thông qua mô hình giải tích đã tiến hành khảo sát và đưa ra các kết quả liên quan tới các tham số hiệu năng của nút và mạng chuyển mạch gói toàn quang sử dụng khối MPPM-HP [J3], [J5] . 4.1 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC NÚT CHUYỂN MẠCH GÓI TOÀN QUANG SỬ DỤNG KHỐI MPPM-HP 4.1.1 Mô hình kiến trúc của nút OPS sử dụng khối MPPM-HP Mô hình kiến trúc của nút 1K OPS sử dụng MPPM-HP đơn bước sóng được đưa ra trong Hình 4.1. Về cơ bản mô hình kiến trúc nút OPS sử dụng MPPM-HP bao gồm hai khối chức năng chính: khối xử lý mào đầu (MPPM-HP) và khối chuyển mạch quang (OSW). Trong khối MPPM-HP có bốn khối chức năng con: khối tách định thời (CEM), khối tách địa chỉ mào đầu toàn quang sử dụng điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM-HEM), khối tạo bảng định tuyến MPPM (MPPRT) và khối tương quan quang với các cổng AND quang.
17 Hình 4.1. Kiến trúc nút lõi toàn quang đề xuất dựa trên MPPM-HP [J2]. 4.1.2 Hoạt động của nút chuyển mạch gói MPPM-HP Gói tin đầu vào Pin(t) sau khi được phân chia nhờ bộ chia (Splitter) và đưa tới các khối chức năng con: CEM, SPC và OS với thời gian trễ tương ứng bằng 0, TCEM (thời gian yêu cầu để tách định thời), và TMPPM-HP (tổng thời gian yêu cầu để xử lý mào đầu MPPM). Xung định thời Clk(t) được tách nhờ CEM, sử dụng để điều khiển hoạt động các khối chức năng con: khối SPC, khối MPPM-ACM và khối tạo bảng định tuyến MPPM (MPPRT). Khi xung định thời đưa tới các khối chức năng con này có thời gian trễ tương ứng lần lượt là 0, TACM và TMPPRT, để tách các bít địa chỉ, chuyển đổi các bít địa chỉ sang dạng MPPM và tạo MPPRT. 4.2 MÔ HÌNH CẤU TRÚC KHỐI XỬ LÝ MÀO ĐẦU TOÀN QUANG DỰA TRÊN MPPM (MPPM-HP) 4.2.1 Mô hình cấu trúc khối MPPM-HP Hình 4.3 mô tả mô hình cấu trúc của khối xử lý mào đầu toàn quang dựa trên MPPM. Khối MPPM-HP bao gồm các khối chức năng con: khối tách định thời (CEM), khối tách địa chỉ mào đầu điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM-HEM), khối tạo bảng định tuyến con MPPM (MPP-SRT) và khối tương quan quang với các cổng AND quang. 4.2.2 Các khối chức năng con trong MPPM-HP 4.2.2.1 Khối tách định thời (CEM) CEM gồm 2 chuyển mạch SMZ nối tầng, chuyển mạch SMZ là chuyển mạch với xung điều khiển không cân bằng và coupler không đối xứng đã
18 được đề xuất trong chương 2 của luận án. Sử dụng cấu trúc nối tầng để nén các tín hiệu dư ở đầu ra SMZ-1 và đạt được CR (Contrast Ratio) cao hơn. Hình 4.3: Mô hình cấu trúc của khối MPPM-HP [J2]. 4.2.2.1 Khối tách mào đầu điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM-HEM) MPPM-HEM gồm có khối chuyển đổi nối tiếp- song song (SPC) và khối chuyển đổi địa chỉ MPPM (MPPM-ACM). SPC gồm có N chuyển mạch SMZ đơn với các cửa sổ chuyển mạch hẹp để tách các bít địa chỉ riêng biệt ai (1iN). MPPM-ACM được thực hiện nhờ truyền xung định thời x(t) qua (N-C) tầng chuyển mạch 12. 4.2.2.3 Khối tạo bảng định tuyến MPPM Khối tạo bảng định tuyến MPPM khởi tạo các mẫu địa chỉ trong các bảng định tuyến con từ xung định thời Clk(t) tách từ gói đầu vào. 4.2.2.4. Các cổng AND tự tương quan quang KM cổng AND 2 đầu vào được yêu cầu để thực hiện tương quan giữa địa chỉ MPPM XMPPM(t) và M mẫu địa chỉ MPPM Em(t). 4.3 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 4.3.1 Các tham số đánh giá hiệu năng 4.3.1.1. Hiệu quả sử dụng mạng, U Hiệu quả sử dụng mạng được định nghĩa như sau: T (4.9) packet U T T packet HP trong đó, Tpacket là chiều dài gói và THP là thời gian xử lí mào đầu.