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)

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2017


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)
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 62.52.02.08

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. NGUYỄN MINH HỒNG
2. PGS. TS. HỒ QUANG QUÝ

HÀ NỘI – 2017




iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... vii
DANH MỤC KÍ HIỆU ............................................................................................ xii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. xvi
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... xxi
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................6
1.1 GIỚI THIỆU MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG ..................................6
1.1.1 Kiến trúc trúc mạng chuyển mạch gói quang ...........................................10
1.1.2 Nút chuyển mạch gói quang ......................................................................11
1.1.2.1 Khối giao diện đầu vào .......................................................................11
1.1.2.2 Khối điều khiển chuyển mạch .............................................................12
1.1.2.3 Khối đệm và chuyển mạch quang .......................................................13
1.1.2.4 Khối giao diện ra ................................................................................13
1.2 CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ MÀO ĐẦU GÓI QUANG TRONG MẠNG
CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG ..........................................................................14
1.2.1 Các giải pháp xử lý mào đầu gói quang ....................................................14
1.2.2 Các vấn đề đặt ra khi xử lý mào đầu gói quang ........................................15
1.3 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH QUANG....................................16
1.4 CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI
QUANG .................................................................................................................17
1.4.1 Thời gian xử lý mào đầu ...........................................................................18
1.4.2 Công suất phát quang trung bình ..............................................................18

2.2.2.2 Phương trình truyền ...........................................................................37
2.2.2.3 Phương trình dịch pha ........................................................................37
2.2.3 Khảo sát các tham số SOA cho chức năng chuyển mạch .........................38
2.3 CHUYỂN MẠCH TOÀN QUANG CỰC NHANH MACH-ZEHNDER ĐỐI
XỨNG (SMZ) ........................................................................................................41


v

2.3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của chuyển mạch SMZ ........................41
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 .................................................45
2.3.3 Phân tích hiệu năng ...................................................................................47
2.4 MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN .....................................................................51
2.4.1 Mô hình mô phỏng ....................................................................................51
2.4.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận ................................................................54
2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ................................................................................58
CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP XỬ LÝ MÀO ĐẦU GÓI TOÀN QUANG
DỰA TRÊN KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VỊ TRÍ XUNG SỬA ĐỔI (MPPM)............59
3.1 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VỊ TRÍ XUNG SỬA ĐỔI (MPPM) .......................59
3.1.1 Kỹ thuật điều chế vị trí xung (PPM) .........................................................59
3.1.1.1 Nguyên tắc kỹ thuật PPM ...................................................................60
3.1.1.2 Ứng dụng kỹ thuật PPM cho xử lý mào đầu gói toàn quang .............61
3.1.2 Kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM) .........................................66
3.2 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MPPM CHO XỬ LÝ MÀO ĐẦU GÓI TOÀN
QUANG .................................................................................................................67
3.2.1 Bảng định tuyến MPPM ............................................................................67
3.2.2 Tách mào đầu gói toàn quang MPPM .......................................................70
3.3 KHẢO SÁT HIỆU NĂNG GIẢI PHÁP XỬ LÝ MÀO ĐẦU GÓI TOÀN
QUANG DỰA TRÊN KỸ THUẬT MPPM .........................................................70

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ...............................................121
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................123
PHỤ LỤC ................................................................................................................135
Phụ lục A: Giới thiệu phần mềm mô phỏng OptiSystem........................................135


vii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng việt

A
ASE

Amplified Spontaneous

Phát xạ tự phát được khuếch

Emission

đại
Phương thức truyền không

ATM

Asynchronous Transfer Mode


B

Chuyển mạch quảng bá lựa
chọn

C
CEM

Clock Extraction Module

Khối tách định thời

CCW

Counter ClockWise

Ngược chiều kim đồng hồ

CP

Control Pulse

Xung điều khiển

CPMZ

Colliding-Pulse Mach-Zehnder

CR


viii

F
FBG

Fiber Bragg Grating

Cách tử Bragg sợi

FIFO

First In First Out

Vào trước ra trước

FWHM

Full Width at Half Maximum

FWM

Four Wave Mixing

Trộn bốn sóng

Group Velocity Dispersion

Tán sắc vận tốc nhóm


MPPM

Micro-Electro-Mechanical
Systems
Modified Pulse Position
Modulation

Hệ vi cơ điện

Điều chế vị trí xung sửa đổi

MPPM-

MPPM- Address Conversion

Khối chuyển đổi địa chỉ sang

ACM

Module

MPPM

MPPM-

MPPM- Header Extraction

HEM

Module

MZI

Mach-Zehnder Interferometer

Bộ giao thoa Mach-Zehnder

Nonlinear Optical Loop Mirror

Gương vòng quang phi tuyến

OADM

Add/Drop Multiplexer

Bộ ghép xen/rẽ quang

OBS

Optical Burst Switching

Chuyển mạch Burst quang

ODL

Optical Delay Line

Đường dây trễ quang

OCS


Chuyển mạch toàn quang

OSC

OS Control

N
NOLM
O

Chuyển đổi quang/ điện/
quang

Điều khiển chuyển mạch toàn
quang

Optical Time Division

Ghép kênh quang phân chia

Multiplex

thời gian

Optical Cross-Connect

Bộ nối chéo quang

PBS


P


x

PSI

Polarisation Sentitive optical

Bộ cách li quang nhạy phân

Isolator

cực

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

Q
QoS
R
The Research and development
RACE
ATMOS

in Advanced Communications
in Europe- Asynchronous
Transfer Mode Optical
Switching


Buffers

quang lớn

S
SDH
SLOB

SMZ

Symmetric Mach-Zehnder

SNR

Signal Noise Ratio

SOA

Semiconductor Optical
Amplifier

Bộ giao thoa Mach-Zehnder
đối xứng
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Bộ khuếch đại quang bán dẫn
Mạng quang đồng bộ

SONET



Demultiplexer

quang terahertz

U
UF-OSW

UltraFast- Optical Switching

Chuyển mạch quang cực
nhanh

Ultrafast Nonlinear

Bộ giao thoa phi tuyến cực

Interferometer

nhanh

Wavelength Switched Packet

Mạng gói chuyển mạch bước

Network

sóng

Wavelength Division


Cross Gain Modulation

Điều chế khuếch đại chéo

UNI
W
WASPNET

WDM

Chuyển mạch định tuyến bước
sóng

X


xii

DANH MỤC KÍ HIỆU
α

Hệ số suy hao

αC

Tỉ số ghép của coupler

ai


n

Biến đổi chiết xuất hiệu dụng



Dịch pha giữa hai mặt cắt khuếch đại

E

Năng lượng điện tử

Eg

Độ lệch năng lượng

Ek

Mẫu địa chỉ PPRT k

𝐸𝑘′

Mẫu địa chỉ MPPRT k

Ekj

Mẫu địa chỉ j trong MPP-SRT k

f


H

Chiều cao vùng tích cực

𝐼𝐴𝑆𝐸

Dòng phát xạ tự phát khuếch đại tương đương


xiii

𝑖𝑎2

Mật độ phổ công suất của dòng nhiễu đầu vào bộ khuếch đại điện

Id

Dòng tối

Ip

Cường độ dòng định thiên SOA

̅
𝐼𝑚

Dòng tách quang thu trung bình với tín hiệu thu điểm cực

𝐼𝑠̅


Lexcess

Suy hao vượt của bộ chia

Lsplitter

Suy hao xen của bộ chia

Lcombiner

Suy hao xen của bộ kết hợp

LSPPRT

Suy hao công suất tổng do MPPRT

mA

Giá trị thập phân của các bít địa chỉ dạng nhị phân

mk(t)

Xung tương hợp đầu ra tương quan thứ k

N

Số bít địa chỉ mào đầu gói

Ni


out

Hệ số ghép đầu ra SOA

P

Công suất tín hiệu quang


xiv

𝑃𝑎𝑣𝑔

Công suất phát quang trung bình

PCP

Công suất đỉnh của xung quang điều khiển

Pe

Công suất đỉnh của xung e(t) đầu vào MPPRT

PE-k

Công suất ở đầu ra MPP-SRT

Pi

Công suất đỉnh của xung đầu vào


Điện tích điện tử

R

Tỉ lệ giảm công suất

R (%)

Tỉ lệ giảm tính theo phần trăm thời gian xử lý mào đầu gói

RA

Hệ số không phát xạ

RB

Hệ số tái kết hợp phát xạ tự phát

Rb

Tốc độ bit gói dữ liệu

RC

Hệ số tái kết hợp Auger

RCXT

Xuyên nhiễu dư


2
𝜎𝑅𝐼𝑁

Phương sai nhiễu cường độ tương đối RIN

2
𝜎𝑆𝑂𝐴

Phương sai nhiễu ASE của SOA


xv

2
𝜎𝑟𝑒𝑐

Phương sai nhiễu nổ và nhiễu nhiệt của máy thu



Cường độ lưu lượng

TACM

Thời gian trễ yêu cầu để chuyển đổi địa chỉ PPM

TAND

Thời gian tương quan quang


Thời gian xử lí yêu cầu cho khối MPPM-HP

Ts

Độ dài khe PPM

TSW

Độ rộng thời gian cửa sổ chuyển mạch

TMPPRT

Thời gian yêu cầu để tạo các mẫu địa chỉ trong MPPRT

𝜏𝑠

Thời gian sống hạt mang

tbias

Thời gian đạt trạng thái ổn định

U

Hiệu quả sử dụng mạng

V

Thể tích vùng tích cực SOA

xvi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Kiến trúc chung của mạng chuyển mạch gói quang [124].......................10
Hình 1.2: Sơ đồ khối chung của nút chuyển mạch gói quang [97]. .........................11
Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của UNI [10]..................................................................32
Hình 2.2: Chuyển mạch quang cực nhanh TOAD [80]. ...........................................33
Hình 2.3: Chuyển mạch quang cực nhanh MZI:(a) CPMZ, (b) SMZ và (c) Cửa sổ
chuyển mạch MZI [80]. ............................................................................................34
Hình 2.4: Cấu trúc bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA [59]. ..................................35
Hình 2.5: Dạng xung Gausian quang đầu vào trong khảo sát. ................................39
Hình 2.6: Đáp ứng khuếch đại chuẩn hóa của SOA khi không có tín hiệu vào…. ...40
Hình 2.7: Công suất đầu vào yêu cầu cho chuyển mạch như một hàm của dòng định
thiên tại các bước sóng khác nhau ............................................................................40
Hình 2.8: Công suất đầu vào yêu cầu cho chuyển mạch theo dòng định thiên với các
chiều dài của SOA khác nhau. ..................................................................................41
Hình 2.9: Cấu trúc của chuyển mạch SMZ thông thường ........................................42
Hình 2.10: Các mặt cắt khuếch đại theo thời gian của SOA1 và SOA2 trong chuyển
mạch SMZ với TSW= 12,5ps.......................................................................................44
Hình 2.11: Cấu trúc của chuyển mạch SMZ với coupler đầu ra không đối xứng và
xung điều khiển có công suất khác nhau ở hai nhánh. .............................................45
Hình 2.12: Các mặt cắt khuếch đại G1 và G2 theo thời gian của SOA1 và SOA2 trong
chuyển mạch SMZ với TSW= 12,5ps đối với lược đồ xung điều khiển có công suất
không bằng nhau với Ropt= 0,375 dB. .......................................................................46
Hình 2.13: Mặt cắt cửa sổ chuyển mạch đối với SMZ: (a) sử dụng coupler đầu ra đối
xứng (50:50); (b) sử dụng coupler đầu ra có tỉ số ghép α=0,6 (60:40)[77] ............47
Hình 2.14: Sơ đồ khối của hệ thống OTDM điển hình với bộ tách kênh dựa trên
chuyển mạch SMZ. ....................................................................................................48
Hình 2.15: Mô hình mô phỏng hệ thống OTDM sử dụng chuyển mạch SMZ trong
phần mềm OptiSystem. ..............................................................................................52

Hình 3.9: Tỉ lệ giảm (theo phần trăm) giữa thời gian xử lí mào đầu MPPM và thời
gian xử lý mào đầu PPM thay đổi theo trường bit địa chỉ mào đầu khi C=1, C=2
hoặc C=3; Rb=10Gb/s, Rb=80Gb/s hoặc Rb=160Gb/s. ...........................................76


xviii

Hình 3.10: Công suất quang trung bình thay đổi theo số bit trong địa chỉ mào đầu
với POOK=0 dBm và C=1, C=2 hoặc C=3. ............................................................76
Hình 4.1: Kiến trúc nút lõi toàn quang đề xuất dựa trên MPPM-HP. .....................79
Hình 4.2: Kiến trúc nút lõi toàn quang dựa trên MPPM-HP với N=5, C=2. ..........80
Hình 4.3: Mô hình cấu trúc của khối MPPM-HP. ....................................................83
Hình 4.4: Tách định thời dựa trên 2 chuyển mạch SMZ nối tầng [26],[41]. ...........84
Hình 4.5: Dạng ghép thời gian và mã hóa nhị phân gói quang với xung định thời (1
bit), mào đầu (5 bit) và tải trọng. ..............................................................................85
Hình 4.6: (a) Các gói dữ liệu đầu vào, (b) xung định thời tách tại đầu ra SMZ-1, (c)
xung định thời tách tại đầu ra SMZ-2 với tín hiệu dư đã được khử. ........................87
Hình 4.7: Sự phụ thuộc của CR theo công suất đỉnh xung gói vào với các giá trị GCP
khác nhau. .................................................................................................................88
Hình 4.8: Khối tách mào đầu MPPM toàn quang. ...................................................88
Hình 4.9: Chuyển mạch dựa trên 2 SMZ 1×2 tỉ số nghịch đảo cao [41]:
(a) không có tín hiệu điều khiển, (b) có tín hiệu điều khiển. .....................................90
Hình 4.10: Sự phụ thuộc của CRCH2 theo CPSMZ1-OP1 và CPSMZ1-OP2.........................91
Hình 4.11: Khối tạo bảng định tuyến con. ................................................................92
Hình 4.12: Công suất đầu vào Pe tỉ lệ nghịch với công suất đầu ra của mẫu địa chỉ
PE-k MPPRT thứ k. .....................................................................................................93
Hình 4.13: Công suất đầu vào Pe tỉ lệ nghịch với công suất đầu ra của mẫu địa chỉ
PE-k PPRT thứ k. ........................................................................................................93
Hình 4.14: (a) Tương quan của XMPPM và Em ; ( b) Cổng tương quan AND dựa vào
chuyển mạch SMZ [41], ............................................................................................94

của các khối AND; (g)Sơ đồ cấu trúc khối chức năng OS_OSC; (h) Sơ đồ cấu trúc
của các khối OS; (i) Sơ đồ cấu trúc của các khối OSC. ......................................... 108
Hình 4.23: Sơ đồ khối của nút OPS dựa trên MPPM-HP và các khối chức năng:
(a) Sơ đồ khối của nút OPS dựa trên MPPM-HP; (b)Sơ đồ cấu trúc khối chức năng
CEM; (c) Sơ đồ cấu trúc khối chức năng MPPM-HEM; (d) Sơ đồ cấu trúc khối chức
năng MPPRT 4entry; (e)Sơ đồ cấu trúc khối chức năng ANDs gate; (f) Sơ đồ cấu trúc
của các khối AND; (g)Sơ đồ cấu trúc khối chức năng OS_OSC; (f) Sơ đồ cấu trúc
của các khối OS ....................................................................................................... 110


xx

Hình 4.24: Dạng sóng thời gian của (a)Các gói đầu vào nút 1, (b) Xung định thời
được tách từ nút 1, (b) Xung định thời được tách từ nút 2, (c) Xung định thời được
tách từ nút 3............................................................................................................. 113
Hình 4.25: Dạng sóng thời gian của (a)Các gói đầu ra nút 1 dựa trên PPM HP, (b)
Các gói đầu ra nút 1 dựa trên MPPM HP, (c) Các gói đầu ra nút 2 dựa trên PPM
HP, (d) Các gói đầu ra nút 2 dựa trên MPPM HP, (e)Các gói đầu ra nút 3 dựa trên
PPM HP, (f) Các gói đầu ra nút 3 dựa trên MPPM HP......................................... 115
Hình 4.26: Dạng sóng thời gian của (a)Mào đầu gói đầu vào nút 1, (b)Mào đầu gói
đầu ra nút 1 dựa trên PPM HP, (c)Mào đầu gói đầu ra nút 1 dựa trên MPPM HP
................................................................................................................................. 116
Hình 4.27: Sơ đồ thiết lập định tuyến ba chặng trong phần mềm OptiSystem ....... 117


xxi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Các tham số của SOA cho tính toán dịch pha. .........................................38
Bảng 2.2: Các tham số của SOA cho tính toán mặt cắt khuếch đại. ........................43

được tạo ra từ bảng định tuyến thông thường (RT) trong hình 3.2 [41]. .................64
Bảng 3.2: Chuyển đổi PPRT tiêu chuẩn sang MPPRT. ............................................68
Bảng 4.1: Các tham số của CEM. .............................................................................86
Bảng 4.2: Các tham số mô phỏng cho định tuyến 3 chặng dựa trên nút OPS. ......111


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 mỗi nút mạng, các gói được đệm hoặc phát tới đầu ra và
gây ra trễ hàng đợi. Điều này là ngược hoàn toàn với chuyển mạch kênh, trong đó các
liên kết được thiết lập trước và được giữ cho đến khi truyền xong thông tin. Công
nghệ chuyển mạch gói được sử dụng để tối ưu dung lượng kênh trong mạng mà vẫn
duy trì thời gian truyền dữ liệu qua mạng và tăng khả năng hoạt động cho mạng.
Chuyển mạch gói thực hiện ghép kênh thống kê với tính hạt băng tần rất mịn [72].
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.
Mạng OPS được phân làm hai loại là mạng đồng bộ và mạng không đồng bộ
với các gói có kích cỡ cố định hoặc thay đổi [108]. Đối với mạng đồng bộ, tất cả các
gói đầu vào phải được đồng chỉnh trước khi đưa vào ma trận chuyển mạch. Ngược
lại, trong mạng không đồng bộ các gói đến không cần phải đồng chỉnh khi đưa vào
ma trận chuyển mạch, nên hoạt động chuyển mạch gói xen gói có thể xuất hiện ở bất

phỏng này sẽ là công cụ hỗ trợ cho những nghiên cứu tiếp theo, cho việc thiết kế,
đánh giá tính khả thi và điều kiện hoạt động tin cậy của mạng OPS phân khe đồng bộ.
Đây chính là ý nghĩa khoa học của luận án. Ý nghĩa thực tiễn mà nghiên cứu hy vọng
đạt được thể hiện ở giải pháp mà luận án đưa ra nhằm cải thiện hiệu năng, cụ thể giảm
thời gian xử lý gói tại các nút và tăng được cự ly các chặng kết nối trong mạng OPS,
từ đó góp phần thúc đẩy quá trình triển khai ứng dụng công nghệ mạng OPS trong
mạng truyền thông.
Mục tiêu chính mà luận án hướng đến là nghiên cứu tìm kiếm 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,