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