NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG (OPS)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - 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 THƠNG - 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: TS NGUYỄN MINH HỒNG PGS TS HỒ QUANG QUÝ HÀ NỘI – 2017 i LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết luận án trung thực chưa đựợc cơng bố cơng trình tác giả khác Người cam đoan Cao Hồng Sơn ii LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới Thầy hướng dẫn, TS Nguyễn Minh Hồng PGS.TS Hồ Quang Quý, định hướng liên tục hướng dẫn nhiệm vụ khoa học suốt trình thực luận án Nghiên cứu sinh xin bày tỏ biết ơn ý kiến dẫn nhà khoa học GS.TSKH Nguyễn Ngọc San, TS Vũ Văn San, PGS.TS Bùi Trung Hiếu giúp nghiên cứu sinh có kiến thức học thuật quý báu Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn Lãnh đạo Học viện, thầy cô khoa Quốc tế Đào tạo Sau Đại học, khoa Viễn thông Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Những hỗ trợ, động viên nghiên cứu cộng xin chân thành ghi nhận Nghiên cứu sinh chân thành bày tỏ lòng cảm ơn tới gia đình ln chia sẻ động viên nghiên cứu sinh suốt trình thực nội dung luận án Hà Nội, tháng 11 năm 2017 Cao Hồng Sơn 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 1.1 GIỚI THIỆU MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG 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 chuyển mạch quang .13 1.1.2.4 Khối giao diện 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 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 1.4.3 Hiệu sử dụng mạng 18 1.4.4 Xác suất gói 18 iv 1.4.5 Tỉ số tín hiệu nhiễu quang 18 1.5 CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN .19 1.5.1 Các cơng trình nghiên cứu nước 19 1.5.2 Các cơng trình nghiên cứu giới 19 1.5.2.1 Các nghiên cứu công nghệ chuyển mạch toàn quang cực nhanh 19 1.5.2.2 Các nghiên cứu giải pháp xử lí mào đầu gói 20 1.6 NHẬN XÉT VỀ CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA CÁC TÁC GIẢ KHÁC VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 26 1.6.1 Nhận xét cơng trình nghiên cứu tác giả khác 26 1.6.2 Hướng nghiên cứu bố cục luận án 27 1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG I 29 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 31 2.1 CHUYỂN MẠCH TOÀN QUANG CỰC NHANH .31 2.1.1 Chuyển mạch quang cực nhanh dựa UNI 32 2.1.2 Chuyển mạch quang cực nhanh dựa TOAD 32 2.1.3 Chuyển mạch quang cực nhanh dựa MZI 34 2.2 KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ SOA CHO CHỨC NĂNG CHUYỂN MẠCH .35 2.2.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động SOA .35 2.2.2 Mô hình lý thuyết SOA .36 2.2.2.1 Phương trình tốc độ 36 2.2.2.2 Phương trình truyền 37 2.2.2.3 Phương trình dịch pha 37 2.2.3 Khảo sát tham số SOA cho chức chuyển mạch 38 2.3 CHUYỂN MẠCH TOÀN QUANG CỰC NHANH MACH-ZEHNDER ĐỐI XỨNG (SMZ) 41 v 2.3.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động chuyển mạch SMZ 41 2.3.2 Phát triển chuyển mạch SMZ với coupler đầu không đối xứng xung điều khiển có cơng suất khác hai nhánh 45 2.3.3 Phân tích hiệu 47 2.4 MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN .51 2.4.1 Mơ hình mơ 51 2.4.2 Kết mô thảo luận 54 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 58 CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP XỬ LÝ MÀO ĐẦU GĨI TỒN 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 tồn 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 GĨI TỒN QUANG 67 3.2.1 Bảng định tuyến MPPM 67 3.2.2 Tách mào đầu gói tồn quang MPPM .70 3.3 KHẢO SÁT HIỆU NĂNG GIẢI PHÁP XỬ LÝ MÀO ĐẦU GĨI TỒN QUANG DỰA TRÊN KỸ THUẬT MPPM 70 3.3.1 Thời gian xử lí mào đầu, THP 70 3.3.2 Công suất điều chế quang trung bình, Pavg .72 3.3.3 Kết khảo sát hiệu thảo luận 72 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 77 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG KHỐI XỬ LÝ MÀO ĐẦU DỰA TRÊN KỸ THUẬT MPPM SỬ DỤNG CHO NÚT CHUYỂN MẠCH GĨI TỒN QUANG .78 4.1 MƠ HÌNH KIẾN TRÚC NÚT CHUYỂN MẠCH GĨI TỒN QUANG SỬ DỤNG KHỐI MPPM-HP 78 vi 4.1.1 Mơ hình kiến trúc nút OPS sử dụng khối MPPM-HP 78 4.1.2 Hoạt động nút chuyển mạch gói MPPM-HP 79 4.2 MƠ HÌNH CẤU TRÚC KHỐI XỬ LÝ MÀO ĐẦU TOÀN QUANG DỰA TRÊN MPPM (MPPM-HP) 82 4.2.1 Mơ hình cấu trúc khối MPPM-HP 82 4.2.2 Các khối chức MPPM-HP 83 4.2.2.1 Khối tách định thời (CEM) 83 4.2.2.2 Khối tách mào đầu điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM-HEM) 88 4.2.2.3 Khối tạo bảng định tuyến MPPM .92 4.2.2.4 Các cổng AND tự tương quan quang 94 4.3 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 95 4.3.1 Các tham số đánh giá hiệu 95 4.3.1.1 Hiệu sử dụng mạng, U 95 4.3.1.2 Xác suất gói, PLP .95 4.3.1.3 Tỉ số tín hiệu nhiễu quang, OSNR 96 4.3.2 Kết đánh giá hiệu thảo luận 98 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .118 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .121 TÀI LIỆU THAM KHẢO .123 PHỤ LỤC 135 Phụ lục A: Giới thiệu phần mềm mô OptiSystem 135 vii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng việt A ASE Amplified Spontaneous Phát xạ tự phát khuếch Emission đại Phương thức truyền không ATM Asynchronous Transfer Mode AWG Arrayed Waveguide Grating Cách tử ống dẫn sóng dãy BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bít BPF BandPass Filter Bộ lọc thông băng BRF Birefringent Fiber Sợi chiết quang BSS Broadcast and Select Switch đồng 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 Contrast Ratio Tỉ số phân biệt CW ClockWise Cùng chiều kim đồng hồ DeMultiplexer Bộ tách kênh Dense Wavelength Division Ghép kênh theo bước sóng mật Multiplexing độ cao Bộ Mach-Zehder xung va chạm D DEMUX DWDM viii F FBG Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi FIFO First In First Out Vào trước trước FWHM Full Width at Half Maximum FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm Internet Protocol Giao thức Internet KEys to Optical Packet Các vấn đề then chốt Switching chuyển mạch gói quang Lightwave Switched Path Đường chuyển mạch quang Độ rộng tối đa nửa giá trị cực đại G GVD I IP K KEOPS L LSP M MEMS MPPM Micro-Electro-Mechanical Systems Modified Pulse Position Modulation Hệ vi điện Điều chế vị trí xung sửa đổi MPPM- MPPM- Address Conversion Khối chuyển đổi địa sang ACM Module MPPM MPPM- MPPM- Header Extraction HEM Module MPPM-HP MPPM- Header Processer Bộ xử lí mào đầu MPPM MPPRT MPPM Routing Table Bảng định tuyến MPPM MPP-SRT MPPM Sub-Routing Table Bảng định tuyến MPPM Khối tách mào đầu MPPM ... kỹ thuật mạng chuyển mạch gói quang OPS (Optical Packet Switching), giải pháp xử lý mào đầu gói mạng chuyển mạch quang, giới thiệu số công nghệ chuyển mạch quang, tham số đánh giá hiệu mạng OPS... toàn quang sử dụng chuyển mạch toàn quang cực nhanh để áp dụng cho nút chuyển mạch gói tồn quang Trên sở khảo sát hiệu nút mạng OPS sử dụng giải pháp cải thiện hiệu đề xuất Đối tượng nghiên cứu. .. sát nghiên cứu liên quan đến hiệu mạng OPS để từ tìm hạn chế nghiên cứu trước đề xuất hướng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu hướng tiếp cận, giải luận án 1.1 GIỚI THIỆU MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG