CÔNG NGHỆ MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG: CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG I - TIỂU LUẬN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG GIẢNG VIÊN: Cao Hồng Sơn NHĨM 23 : Ngơ Tuấn Đức_B18DCVT 111 Lê Sỹ Hùng_B18DCVT 183 Cao Thị Huyền_B18DCVT 207 HÀ NỘI - 2021 MỤC LỤC MỤC LỤC i THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ii DANH MỤC HÌNH ẢNH iii LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC THU TỐI ƯU CHO KÊNH CÓ NHIỄU CỌNG GAUSSIAN 1.1 Thu tối ưu cho tín hiệu có nhiễu cọng gaussian .2 1.1.1 Bộ thu tối ưu cho tín hiệu nhị phân 1.1.2 Bộ thu tối ưu cho tín hiệu trực giao M mức .8 1.3 Xác suất xác định sai dung xác định đường bao tín hiệu trực giao M mức 10 1.4 Xác suất lỗi phương pháp xác định đường bao tín hiệu nhị phân tương quan 13 CHƯƠNG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG 15 2.1 Giới thiệu .15 2.2 Ghép kênh phân chia theo thời gian quang OTDM .20 2.2.1 xen kẽ bit 22 2.2.3 Cổng AND Quang học 27 KẾT LUẬN 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 i THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ viết tắt Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt PPS Photonic packet-switched Chuyển mạch gói quang TWC Tunable wavelength converters Bộ chuyển đổi bước sóng điều chỉnh AWG Arrayed waveguide grating Cách tử ống dẫn sóng Wavelength converters Bộ chuyển đổi bước sóng OTDM Optical TDM TDM quang học RZ Return-to-zero Trở ( xung ) WC TOAD The terahertz optical asymmetric Bộ The nonlinear mirror kênh quang không đối xứng terahertz demultiplexer NOLM tách optical loop Gương vòng quang phi tuyến NLE Nonlinear element Phần tử phi tuyến SOA Semiconductor optical amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Bộ thu tối ưu tín hiệu nhị phân Hình 2: Đồ thị I0(x) Hình 3: Bộ giải điều chế xác định theo luật bình phương cho tín hiệu FSK nhị phân .8 Hình 4: Giải điều chế tín hiệu PSK M mức cho xác định không liên kết Hình 5: Xác suất sai bit xác định khơng liên kết tín hiệu trực giao 12 Hình 6: Xác suất lỗi thu không liên kết 14 Hình 1: Một mạng lưu trữ chuyển tiếp chung 17 Hình 2: Một nút định tuyến mạng Hình 2.1 17 Hình 3: Một chuyển mạch gói quang bao gồm chuyển đổi bước sóng AWG 19 Hình 4: TMD quang học 22 Hình 5: Một ghép kênh quang để tạo dòng TDM xen kẽ bit thể Hình 2.4 (a) 23 Hình 6: Bộ phân kênh quang để trích xuất kênh ghép kênh từ luồng TDM xen kẽ bit .24 Hình 7: Bộ ghép kênh quang để tạo luồng TDM đan xen gói 25 Hình 8: Bộ phân kênh quang để trích xuất kênh ghép kênh từ luồng TDM đan xen gói .26 Hình 9: (a) Một gương vòng quang phi tuyến (b) Một gương lặp vòng khuếch đại phi tuyến 28 Hình 10: Bộ tách kênh quang khơng đối xứng terahertz 28 Hình 11: Sơ đồ khối cổng AND bẫy soliton 30 Hình 12: Minh họa hoạt động cổng AND bẫy soliton 31 iii LỜI MỞ ĐẦU Từ đời thông tin quang trở thành hệ thống truyền dẫn trọng yếu mạng lưới viễn thông Và mạng truyền dẫn dựa hệ thống truyền thông sợi quang xương sống mạng viễn thơng Trong cáp quang trở thành cốt lõi sở hạ tầng mạng liệu phương tiện truyền dẫn ưu tiên cho liệu với tốc độ vài chục megabit / giây thứ từ km trở lên Do để xây dựng hệ thống thơng tin quang cần tìm hiểu đầy đủ Bài tiểu luận chúng em tìm hiểu cụ thể hai vấn đề bao gồm: • Chương 1: Cấu trúc thu tối ưu cho kênh có nhiễu cọng Gaussian • Chương 2: Chuyển mạch gói quang CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC THU TỐI ƯU CHO KÊNH CÓ NHIỄU CỌNG GAUSSIAN 1.1 Thu tối ưu cho tín hiệu có nhiễu cọng gaussian Trong phần ta xét việc thiết kế thu tối ưu tín hiệu điều chế pha vật mang khơng xác định phía thu khơng cần xác định giá trị Sự không xác định pha vật mang phía thu nguyên nhân sau: dao động phía phát phía thu thường không đồng pha trễ truyền lam tín hiệu từ phía phát tới phía thu thường khơng biết xác Tín hiệu truyền biểu diễn là: s  t   Re  g (t )e j 2 fct  Tín hiệu truyền lan với độ trễ t0 tín hiệu nhận là: s  t  t0   Re  g (t  t0 )e j 2 fc (t t0 )   Re  g (t  t0 )e j 2 fct e j 2 fct0  Dịch chuyển pha trễ truyền lan   2 f c t0 Chú ý độ dịch chuyển pha lớn trễ truyền lan nhỏ Trong số kênh (ví dụ kênh radio), trễ truyền lan tín hiệu từ phía phát tới phía thu thay đổi nhanh ngẫu nhiên Như pha tín hiệu nhận thay đổi cách ngẫu nhiên.Trong trường hợp khơng biết pha vật mang, ta coi tham số tín hiệu biến ngẫu nhiên 1.1.1 Bộ thu tối ưu cho tín hiệu nhị phân Ta xét hệ thống truyền thông sử dụng hai tín hiệu s1 (t ) s2 (t ) để truyền thông tin với: sm (t )  Re  s1m (t )e j 2 fct  , m = 1, 2,  t  T (1.1.1) Trong s1m (t ) tín hiệu tần số thấp tương đương m  1, Giả sử hai tín hiệu có lượng giống nhau: T    Sm2 (t )dt  T Slm2 (t ) dt  20 (1.1.2) Và đặc trưng hệ số tương quan phức: 12    T s  * l1 (1.1.3) (t ) sl (t )dt Tín hiệu nhận lệch pha so với tín hiệu phát bị ảnh hưởng nhiễu:   n(t )  Re  nc (t )  jns (t ) e j 2 tct  Re  z (t )e j 2 fct  (1.1.4) Như tín hiệu nhận phía thu là:  r (t )  Re  slm (t )e j  z (t )  e j 2 tct  Với rl (t )  slm (t )e j  z(t ) (1.1.5) (1.1.6) Là tín hiệu tần số thấp tương đương Tín hiệu nhận qua giải điều chế lấy mẫu thời điểm t  T tới xác định Bộ giải điều chế tối ưu : ta chứng minh tín hiệu nhận có tương quan với tập hợp hàm trực chuẩn  f n (t ) tạo thành khơng gian tín hiệu, đầu tương quan cho ta tập hợp thơng số đủ để xác định tín hiệu với xác suất xác định sai cực tiểu Một phân tách trực chuẩn tương tự thực với tín hiệu nhận được, ta sử dụng tín hiệu tần số thấp tương đương để biểu diễn toán học cho thuận lợi Người ta tìm đáp ứng xung lọc phối hợp với tín hiệu tần số thấp tương đương sl (t ) ,  t  T là: h1 (t )  sl* (T  t ) (1.1.7) Và đầu lọc thời điểm t  T là: T  s (t ) l dt  2 (1.1.8) Với  lượng tín hiệu Ta nhận kết tương tự tín hiệu sl (t ) tương quan với tín hiệu sl* (t ) tương quan lấy mẫu t  T Do giải điều chế tối ưu tín hiệu tần số thấp tương đương sl (t ) thực hai lọc phối hợp mắc song song hình 7-4-1 Đầu lọc lấy mẫu hai số phức: rm  rmc  jrms , m  1, (1.1.9) Giả sử tín hiệu truyền sl (t ) Dễ chứng minh rằng: r1  2 cos   n1c  j  2 sin   n1s  r2  2  cos(   )  n2 c  j  2  sin(   )  n2 s  (1.1.10) Hình 1: Bộ thu tối ưu tín hiệu nhị phân Với  hệ số tương quan phức,    exp( ) Các biến ngẫu nhiên n1c n1s n2c n2 s biến ngẫu nhiên gaussian có giá trị trung bình sai phương giống Bộ xác định tối ưu Bộ xác định tối ưu nhận tín hiệu ngẫu nhiên r   r1c r1s r2c r2 s  với r1  r1c  jn1s r2  r2 c  jr2 s , xác định sở xác suất hậu nghiệm P( sm r ) , m  1, Các xác suất là: P( sm r )  p(r sm ) P( sm ) p(r ) (1.1.11) Và luật xác định tối ưu biểu diễn là: P(s1 r )ss12 P(s2 r ) Hay cách tương đương: s p(r s1 ) P( s2 ) p(r s2 )  s P( s1 ) (1.1.12) Tỷ số phía trái gọi tỷ số khả ký hiệu là: (r )  p(r s1 ) p ( r s2 ) (1.1.13) Vế phải (1.1.12) tỷ số hai xác suất hậu nghiệm hai tín hiệu đồng xác suất Có thể nhận hàm mật độ phân bố xác suất p(r s1 ) p(r s2 ) cách lấy trung bình p(r sm ,  ) theo hàm mật độ phân bố xác suất pha ngẫu nhiên, nghĩa là: 2 p(r sm )   p (r s m ,  ) p( )d ( ) (1.1.14) Ta thực tích phân trường hợp đặc biệt hai tín hiệu trực giao hay   Trong trường hợp này, đầu giải điều chế là: r1  r1c  jr1s  2 cos   n1c  j (2 sin   n1s ) r2  r2 c  jr2 s  n2 c  jn2 s (1.1.15) Với (n1c n1s n2c n2 s ) biến ngẫu nhiên gaussian có giá trị trung bình 0, khơng có tương quan chéo độc lập thống kê Ta có:   r1c  2 cos  2   r1s  2 sin  2  p  r1c , r1s s1 ,    exp    2 2   p  r2 c , r2 s    r22c  r22s  exp   2  2  (1.1.16) Với   2 N0 Vì  phân bố đồng nên ta thực xác định cách đơn giản, với p    1/ 2 ,    2 Thay vào (1.1.14) ta nhận được: 2 2  p  r1c , r1s s1 ,   d   r  r  4  1 exp   1c 1s  2 2   2  2  r1c cos   r1s sin    exp d 0  2  2 (1.1.17) Và: 2  2 r  r  2  r1c cos   r1s sin    1c 1s d  I  2 0 exp      2     (1.1.18) Với I  x  hàm Bessel sửa đổi bậc Tương tự s2  t  truyền đi, ta có:  r22c  r22s  4   2 r22c  r22s p  r2c , r2 s s2   exp    I  2 2 2        (1.1.19) Thay kết vào (1.1.13) ta nhận được:  r    I  2  /  I 2 r12c  r12s /  r r 2c 2s Bộ xác định tối ưu tính  s1 P  s2  P  s1  (1.1.20)  s2    r12c  r12s , r22c  r22s , I 2 r12c  r12s /  , I 2 r22c  r22s /   ta thấy cần phải biết sai phương nhiều  Tỷ số tương ứng so sánh với P  s2  / P  s1  để xác định tín hiệu truyền Trong trường hợp hai tín hiệu đồng xác suất, tính đơn điệu hàm Bassel hình 1.2 ta có:  s1 r12c  r12s  s r22c  r22s (1.1.21) Hình 2: Đồ thị I0(x) Như xác định dựa hai đường bao r12c  r12s r22c  r22s , để xác định tín hiệu, nên ta gọi xác định đường bao Tương tự ta dựa vào r12c  r12s r22c  r22s , xác định gọi xác định luật bình phương Tín hiệu nhị phân PSK ví dụ tín hiệu trực giao nhị phân Hai tần số tín hiệu PSK f1 f  f1  f Cách lựa chọn độ phân tách tần số f cực tiểu xét sau Tín hiệu biểu diễn là: Ghép kênh Bộ định tuyến ghép nhiều luồng tốc độ thấp thành luồng tốc độ cao Chúng thực hoạt động phân kênh ngược Hình 3: Một chuyển mạch gói quang bao gồm chuyển đổi bước sóng AWG Đồng hóa: định nghĩa cách rộng rãi trình xếp hai luồng tín hiệu thời gian Trong mạng PPS, đề cập đến liên kết luồng xung đến luồng xung đồng hồ có sẵn cục đến liên kết tương đối hai luồng xung đến Tình xảy trình ghép kênh phân kênh, tình thứ hai xảy đầu vào định tuyến nơi luồng gói khác cần chỉnh để có hiệu suất chuyển mạch tốt Mạng PPS phải thực tất chức mô tả Một số chức liên quan đến lượng hợp lý xử lý phức tạp xử lý tốt lĩnh vực điện Đặc biệt, chức định tuyến chuyển tiếp phù hợp với danh mục Cho đến nay, hầu hết đề xuất PPS giả định tiêu đề gói truyền riêng biệt với liệu tốc độ thấp xử lý điện tử Tuy nhiên, nghiên cứu số cách tiếp cận để cung cấp xử lý tiêu đề thô sơ miền quang học Do hạn chế công nghệ, khó thực chức cịn lại chuyển mạch, đệm, ghép kênh đồng hóa miền quang Điều trở nên rõ ràng khám phá kỹ thuật khác để thực chức Do đó, mạng PPS thời điểm cịn phịng thí nghiệm nghiên cứu chưa tham gia vào thị trường thương mại Để đơn giản hóa thực hiện, đặc biệt chức điều khiển, nhiều đề xuất PPS giả định việc sử dụng gói có kích thước cố định, đưa giả định tương tự chương Tất nhiên, thực tế, phải đối phó với kích thước gói tin khác Nếu kích thước gói cố định sử dụng bên mạng, gói dài phải phân đoạn đầu vào mạng tập hợp lại với 19 cuối Ngồi ra, thiết kế nút PPS để chuyển đổi gói có kích thước thay đổi, đề xuất phức tạp Chúng ta bắt đầu chương cách mô tả kỹ thuật ghép kênh phân kênh tín hiệu quang miền thời gian, phương pháp thực đồng hóa miền quang Đồng hóa u cầu trì hỗn luồng luồng chúng bị lệch thời gian Trong bối cảnh này, nghiên cứu cách nhận độ trễ quang học điều chỉnh Sau đó, chúng tơi thảo luận giải pháp khác để giải vấn đề đệm Chúng kết thúc chương cách thảo luận chuyển mạch liên tục, biến thể PPS số công việc thử nghiệm thực để chứng minh khía cạnh khác PPS 2.2 Ghép kênh phân chia theo thời gian quang OTDM Tại đầu vào mạng, luồng liệu tốc độ thấp ghép kênh quang học thành luồng tốc độ cao đầu mạng, luồng tốc độ thấp phải trích xuất quang học từ luồng tốc độ cao cách phân kênh hàm số Về mặt chức năng, TDM quang học (OTDM) giống với TDM điện tử Sự khác biệt hoạt động ghép kênh phân kênh thực hoàn toàn quang học tốc độ cao Tốc độ tổng hợp điển hình hệ thống OTDM 100 Gb /s OTDM minh họa Hình 2.4 Các tín hiệu quang đại diện cho luồng liệu từ nhiều nguồn xen kẽ thời gian để tạo luồng liệu Việc xen kẽ thực sở bit Hình 2.4 (a) Giả sử liệu gửi dạng gói, thực sở gói, thể Hình 2.4 (b) Nếu gói có độ dài cố định việc nhận biết ranh giới gói đơn giản nhiều Trong phần tiếp theo, giả sử gói có độ dài cố định sử dụng Trong trường hợp xen kẽ bit xen kẽ gói, xung đóng khung sử dụng Trong trường hợp xen kẽ gói, xung đóng khung đánh dấu ranh giới gói Trong trường hợp xen kẽ bit, n luồng liệu đầu vào ghép kênh n bit sử dụng xung đóng khung Lưu ý từ Hình 2.4 xung ngắn - ngắn nhiều so với khoảng thời gian bit luồng ghép kênh - phải sử dụng hệ thống OTDM Cho quan tâm đến việc đạt tốc độ bit tổng thể từ vài chục đến hàng trăm gigabit giây, độ rộng xung mong muốn theo thứ tự vài pico giây Một 20 chuỗi tuần hoàn xung ngắn tạo cách sử dụng laser khóa chế độ cách sử dụng tia laser sóng liên tục với điều chế bên ngồi Vì xung ngắn nên phổ tần số chúng lớn Do đó, trừ thực số chăm sóc đặc biệt, có mở rộng xung đáng kể ảnh hưởng phân tán sắc độ Giả sử n luồng liệu ghép kênh chu kỳ bit luồng T Cũng giả sử xung đóng khung sử dụng Khi độ rộng xung τ = T / (n + 1) n + xung (bao gồm xung đóng khung) phải truyền chu kỳ bit Do độ rộng thời gian τp xung phải thỏa mãn τp ≤ τ Lưu ý thường τp