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

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.

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 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) MÃ SỐ: 62.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2017 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Minh Hồng PGS.TS Hồ Quang Quý Phản biện 1: ……………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………… Phản biện 3: ……………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Vào hồi: giờ, ngày…… tháng…….năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc Gia Việt Nam Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Chuyển mạch gói mơ hình thơng tin thơng tin phát dạng gói Ở đây, gói khối liệu rời rạc định tuyến nút qua liên kết liệu Trong công nghệ chuyển mạch gói quang OPS (Optical Packet Switching) liệu gói giữ miền quang mà khơng chuyển đổi O/E (Optical/Electronic) E/O (Electronic/Optical) nút chuyển mạch Các ưu điểm mà cơng nghệ OPS có bao gồm cung cấp tốc độ bít cao, khn dạng suốt cấu hình mềm dẻo hoạt động chuyển mạch lớp vật lí Ngồi ra, mạng OPS cung cấp phân bổ băng tần động sở gói xen gói Phân bổ động dẫn tới mức độ ghép kênh thống kê cao làm cho mạng đạt khả sử dụng tối ưu lưu lượng thay đổi có tính bùng nổ Để thực hóa cơng nghệ OPS cần vượt qua thách thức mạng OPS việc giảm thời gian xử lí gói nút đến từ việc xử lí mào đầu gói quang xây dựng mơ hình kiến trúc chuyển mạch quang nhanh, dung lượng lớn kết hợp phương pháp đệm, định tuyến hiệu Do đó, việc nghiên cứu đề xuất giải pháp cải thiện hiệu mạng OPS cần thiết Mục tiêu mà luận án hướng đến nghiên cứu tìm kiếm giải pháp khả thi để cải thiện hiệu mạng OPS thông qua kỹ thuật xử lý mào đầu gói tồn quang kết hợp sử dụng chuyển mạch quang cực nhanh Để đạt mục tiêu này, luận án phải xây dựng mơ hình giải tích để mơ hình hóa giải pháp xử lý mào đầu gói tồn quang xây dựng mơ hình cấu trúc khối xử lý mào đầu 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 luận án mạng OPS hiệu mạng OPS Phạm vi nghiên cứu giới hạn với mạng OPS đồng phân khe Tham số hiệu nút mạng OPS đánh giá, khảo sát luận án thời gian xử lý mào đầu, công suất phát quang trung bình, hiệu sử dụng mạng, xác suất gói tỉ số tín hiệu nhiễu quang Để đạt mục tiêu nghiên cứu nêu trên, nhiệm vụ nghiên cứu trình thực luận án xác định bao gồm: (1) nghiên cứu tổng quán OPS, (2) đề xuất giải pháp cải thiện hiệu mạng OPS (3) kiểm chứng giải pháp đề xuất Phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án nghiên cứu lý thuyết dựa mơ hình giải tích với cơng cụ tốn học kết hợp với mô Luận án bố cục thành bốn chương sau: Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Phát triển chuyển mạch SMZ với coupler đầu không đối xứng xung điều khiển công suất khác hai nhánh Chương 3: Phát triển giải pháp xử lý mào đầu gói tồn quang dựa kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi Chương 4: Xây dựng khối xử lý mào đầu toàn quang dựa kỹ thuật MPPM sử dụng cho nút chuyển mạch gói tồn quang Kết luận định hướng nghiên cứu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tóm tắt: Nội dung chương trình bày đặc tính 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 [J6,J7,J8] Nội dung chương tập trung khảo 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 1.1.1 Kiến trúc trúc mạng chuyển mạch gói quang Kiến trúc chung mạng OPS Hình 1.1 Hình 1.1 Kiến trúc chung mạng chuyển mạch gói quang Kiến trúc mạng gồm có mạng lõi mạng khách hàng (client) Nút biên hoạt động giao diện mạng khách hàng mạng lõi nằm biên mạng Tại nút biên gói điện đến tập hợp xếp vào gói quang với tải trọng có tốc độ bít cao nhằm sử dụng hiệu băng tần mạng lõi Phần mào đầu tốc độ bít thấp thêm vào chuyển vào mạng lõi Thông tin lưu mào đầu sử dụng để định tuyến gói Các gói quang chuyển qua nút lõi với tải trọng trì miền quang Khi gói đến nút biên đầu gói điện tách từ tải trọng đưa đến mạng khách hàng 1.1.2 Nút chuyển mạch gói quang Hình 1.2 đưa sơ đồ khối chung nút chuyển mạch gói quang Các khối chức bao gồm: Khối đầu vào; Khối đệm chuyển mạch; Khối điều khiển; Khối đầu Hình 1.2 Sơ đồ khối chung 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 phân làm hai loại giải pháp xử lí mào đầu gói miền điện giải pháp xử lí mào đầu gói miền quang 1.2.2 Các vấn đề đặt xử lý mào đầu gói quang Trong mạng chuyển mạch gói quang (OPS), mào đầu gói quang truyền với tải trọng gói quang Khi đến nút chuyển mạch mào đầu gói quang tách để xử lí nhằm thực định tuyến, dẫn đến gói quang bị trễ gây nghẽn cổ chai nút Mặt khác, nút OPS có đầu vào/ra lớn địi hỏi khối xử lý mào đầu gói quang phức tạp, số lượng tương quan quang lớn 1.3 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH QUANG Theo thời gian chuyển mạch, cơng nghệ chuyển mạch chia làm hai nhóm Nhóm 1, có thời gian chuyển mạch > 1ps; Nhóm 2, có thời gian chuyển mạch < 1ps (gọi chuyển mạch quang cực nhanh) 1.4 CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG - Thời gian xử lý mào đầu Cơng suất phát quang trung bình Hiệu sử dụng mạng Xác suất gói Tỉ số tín hiệu nhiễu quang 1.5 CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.5.1 Các cơng trình nghiên cứu nước Ở Việt Nam số lượng kết nghiên cứu vấn đề liên quan đến OPS hạn chế 1.5.2 Các cơng trình nghiên cứu giới 1.5.2.1 Các nghiên cứu công nghệ chuyển mạch quang cực nhanh Các chuyển mạch quang cực nhanh (UF-OSW) thực theo nhiều cách khác sử dụng thành phần quang phi tuyến thụ động tích cực 1.5.2.2 Các nghiên cứu giải pháp xử lí mào đầu gói - Giải pháp xử lí mào đầu gói miền điện - Giải pháp xử lí mào đầu gói miền quang 1.6 HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1.6.1 Nhận xét cơng trình nghiên cứu tác giả khác a) Các nghiên cứu chuyển mạch toàn quang cực nhanh - UF-OSW sử dụng thành phần phi tuyến thụ động: Công suất quang bơm lớn có cấu trúc khơng nhỏ gọn nên khả tích hợp - 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 không đối xứng; Với SMZ xuyên âm dư cịn tương đối cao cơng suất xung điều khiển sử dụng chưa hiệu b) Các nghiên cứu giải pháp xử lí mào đầu gói 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 chức chuyển đổi O/E/O c) Các nghiên cứu giải pháp xử lí mào đầu gói miền quang - Xử lý mào đầu gói tự định tuyến có chiều dài trường địa tăng số chặng tăng làm cho thời gian xử lý mào đầu tăng lên - Xử lý mào đầu gói dựa tương quan quang FBG có số lượng tương quan tăng theo hàm mũ chiều dài trường địa tăng, làm cho thời gian xử lý mào đầu tăng lên - Xử lý mào đầu gói dựa tương quan quang XOR AND có số lượng khối nhận dạng địa tăng theo hàm mũ chiều dài trường địa tăng, làm cho thời gian xử lý mào đầu tăng lên - Xử lý mào đầu gói tồn quang dựa kỹ thuật điều chế vị trí xung (PPM) có chiều dài địa mào đầu bảng định tuyến lớn, cấu trúc khối chuyển đổi địa PPM phức tạp, làm cho thời gian xử lý mào đầu lớn 1.5.2 Hướng nghiên cứu luận án Trên sở kết phân tích hạn chế nghiên cứu liên quan, hướng nghiên cứu đề xuất luận án là: (1) Phát triển chuyển mạch SMZ với coupler đầu không đối xứng xung điều khiển công suất khác hai nhánh nhằm cải thiện hiệu chuyển mạch (2) Phát triển giải pháp xử lý mào đầu gói tồn quang dựa kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM) nhằm giảm chiều dài địa mào đầu bảng định tuyến giảm thời gian xử lý mào đầu (3) Xây dựng khối xử lý mào đầu toàn quang dựa kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM) sử dụng nút chuyển mạch gói tồn quang (OPS) nhằm cải thiện hiệu mạng OPS 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Nội dung Chương trình bày khái quát mạng OPS Sự khác biệt cấu trúc chức mạng OPS với mạng quang truyền thống cho thấy tiếp cận chuyển mạch toàn quang cực nhanh hướng tất yếu cho tốn xử lý mào đầu gói quang mạng OPS Bên cạnh đó, trở ngại vấn đề xử lý mào đầu gói quang mạng OPS trình bày nhằm rõ điểm then chốt xây dựng kỹ thuật xử lý mào đầu gói tồn quang cho nút mạng OPS Qua phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu liên quan, tồn nghiên cứu trước Trên sở đó, xác định hướng nghiên cứu luận án xây dựng lược đồ xử lý mào đầu gói tồn quang dựa kỹ thuật MPPM sử dụng chuyển mạch toàn quang cực nhanh SMZ áp dụng cho nút chuyển mạch gói toàn quang CHƯƠNG 2: PHÁT TRIỂN CHUYỂN MẠCH SMZ VỚI COUPLER ĐẦU RA KHÔNG ĐỐI XỨNG VÀ XUNG ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT KHÁC NHAU Ở HAI NHÁNH Tóm tắt: Để giảm thời gian xử lí chuyển mạch nút mạng OPS toàn quang, cần sử dụng chuyển mạch toàn quang cực nhanh để cải thiện hiệu nút mạng OPS Do đó, nội dung chương trình bày chuyển mạch tồn quang cực nhanh, với mơ hình giải tích khảo sát hiệu cho chuyển mạch toàn quang cực nhanh Mach-Zehnder đối xứng SMZ Trên sở đề xuất nghiên cứu sinh chuyển mạch toàn quang cực nhanh SMZ với coupler đầu không đối xứng xung điều khiển có cơng suất khác hai nhánh với mục đích để cải thiện hiệu cho chuyển mạch SMZ [J4] 2.1 CHUYỂN MẠCH TOÀN QUANG CỰC NHANH 2.1.1 Chuyển mạch quang cực nhanh dựa UNI UNI bao gồm hai đoạn sợi quang trì phân cực (BRF), coupler dB, SOA, hai cách li quang nhạy phân cực (PSI) hai lọc quang (BPF) Tín hiệu đầu vào chia thành hai thành phần phân cực trực giao Khi xung điều khiển công suất cao (CP) bơm vào hai tín hiệu phân cực trực giao trước đưa vào SOA, tạo dịch pha hai tín hiệu phân cực Kết quả, sau truyền qua BRF thứ hai hai tín hiệu phân cực khác kết hợp PSI thứ hai tách Như vậy, có mặt CP tín hiệu đầu vào đưa đến cổng đầu 2.1.2 Chuyển mạch quang cực nhanh dựa TOAD TOAD bao gồm vòng sợi, hai coupler dB, SOA, quay vịng chiều quang hai lọc quang Tín hiệu đầu vào chia làm hai phần với hướng truyền khác chiều kim đồng hồ (CW) ngược chiều kim đồng hồ (CCW) Khi khơng có xung điều khiển CP, hai tín hiệu CW CCW có pha giống kết hợp coupler 3dB tín hiệu xuất cổng phản xạ Khi có tín hiệu CP, tín hiệu CW CCW có dịch pha khác tín hiệu đưa cổng đầu 2.1.3 Chuyển mạch quang cực nhanh dựa MZI Về bản, MZI gồm hai nhánh ống dẫn sóng quang với hai SOA số coupler dB Tín hiệu vào chia thành nhánh nhánh Khi xung điều khiển CP, tín hiệu hai nhánh có pha giống kết hợp coupler dB đầu tín hiệu chuyển đến cổng Khi có xung điều khiển đưa vào hai nhánh thời điểm khác nhau, tín hiệu hai nhánh bị dịch pha khác xuất cổng 2.2 KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ SOA CHO CHỨC NĂNG CHUYỂN MẠCH 2.2.1 Cấu trúc ngun lý hoạt động SOA 2.2.2 Mơ hình lý thuyết SOA Mơ hình giải tích sử dụng để khảo sát tham số ảnh hưởng đến đặc tính khuếch đại pha (chuyển mạch) SOA Mơ hình dựa phương trình tốc độ phụ thuộc vị trí phương trình truyền quang mật độ hạt mang hệ số khuếch đại theo hướng truyền cho tín hiệu vào 2.2.3 Khảo sát tham số SOA cho chức chuyển mạch Để khảo sát tham số SOA cho chức chuyển mạch dựa mơ hình phân đoạn, liên quan đến dịng định thiên, chiều dài SOA, bước sóng cơng suất tín hiệu đầu vào 2.3 CHUYỂN MẠCH CỰC NHANH MACH-ZEHNDER ĐỐI XỨNG (SMZ) 2.3.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động chuyển mạch SMZ Cấu trúc chuyển mạch SMZ thơng thường bao gồm giao thoa có hai nhánh, hai SOA số coupler 3dB, đường dây trễ quang (FDL), phân cực (Pol) chia tia phân cực (PBS) 2.3.2 Phát triển chuyển mạch SMZ với coupler đầu không đối xứng xung điều khiển có cơng suất khác hai nhánh Để cải thiện xuyên nhiễu dư RCXT cải thiện công suất của tín hiệu chuyển mạch cổng đầu ra, chuyển mạch SMZ với coupler 2×2 đầu khơng đối xứng xung điều khiển có cơng suất khác hai nhánh đề xuất RCXT cải thiện nhờ hạn chế mức bão hòa khuếch đại SOA2 đến mức chồng lên mức SOA1 vùng hồi phục Mức giảm R tối ưu xác định sau: 12 Kết mô ảnh hưởng RCXT quan sát rõ dựa hiệu BER minh họa Hình 2.22 Với trình tách kênh thứ 10 Gb/s từ hệ thống 80 Gb/s, BER=10-12 độ thiệt thịi cơng suất 0,87 dB 1,99 dB (cải thiện 1,12 dB) tương ứng với chuyển mạch SMZ thông thường chuyển mạch SMZ đề xuất so với nối lưng đấu lưng (B-B) Tại BER=10-12 độ thiệt thịi cơng suất 1,77 dB 1,99 dB (cải thiện 0,22 dB) tương ứng với chuyển mạch SMZ (Chiang, Ming-Feng đưa ra) chuyển mạch SMZ đề xuất so với nối lưng đấu lưng (B-B) 2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày đóng góp nghiên cứu sinh việc phát triển chuyển mạch SMZ với coupler đầu khơng đối xứng xung điều khiển có công suất khác hai nhánh nhằm cải thiện hiệu chuyển mạch Các kết mô dựa mơ hình hệ thống OTDM sử dụng chuyển mạch SMZ làm tách kênh OTDM cho thấy rằng, chuyển mạch SMZ đề xuất có hiệu cải thiện đáng kể so với chuyển mạch SMZ khác công bố CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP XỬ LÝ MÀO ĐẦU GĨI TỒN QUANG DỰA TRÊN KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VỊ TRÍ XUNG SỬA ĐỔI Tóm tắt: Nội dung chương đề cập đến kỹ thuật điều chế vị trí xung PPM ứng dụng cho xử lí mào đầu gói tồn quang mạng OPS, kỹ thuật sử dụng hiệu xử lí mào đầu gói tồn quang so với kỹ thuật khác công bố Trên sở kỹ thuật luận án phát triển giải pháp xử lý mào đầu gói tồn quang dựa kỹ thuật điều chế xung sửa đổi (MPPM) để nâng cao hiệu trình xử lý mào đầu gói [J1] Để đánh giá hiệu giải pháp đề xuất, mục cuối chương đưa kết 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 mào đầu gói sử dụng để định định tuyến nút trung gian đường định tuyến Phương pháp mã hóa PPM sử dụng địa mã hóa PPM có bít vị trí cụ 13 thể cho mẫu địa Lược đồ mã hóa đưa tương quan trực tiếp địa mào đầu gói bảng định tuyến vị trí xung có nút Do làm giảm thời gian tương quan mào đầu so với 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) đề xuất dựa giải pháp PPM với mục đích giảm chiều dài địa chuyển đổi PPM giảm thời gian xử lí mào đầu gói nút OPS Giải pháp thực theo nguyên tắc trường địa có N bit chia thành hai trường, thứ trường điều khiển (để chọn bảng định tuyến bảng định tuyến MPPM) có C bit (2C  K), thứ hai trường địa chuyển đổi MPPM có (N-C) bit Khi bảng định tuyến PPM tiêu chuẩn chia thành K bảng con, bảng có 2N/2N-C mẫu địa Nghĩa là, mẫu địa PPM tiêu chuẩn (được coi bảng con) chia thành nhóm mẫu địa MPPM bảng định tuyến MPPM (MPP-SRT) Như vậy, rõ ràng MPP-SRT giải pháp MPPM đề xuất, chiều dài mẫu địa giảm xuống N C Ts Ngồi ra, nhờ có trường điều khiển C chọn MPP-SRT cho hoạt động tương quan quang nên rút ngắn 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 mào đầu có cổng nhóm thành nhóm chuyển thành mẫu địa PPM tiêu chuẩn Ek có độ dài 2N×Ts Trường địa mào đầu có (N-C) bit để chuyển đổi sang địa MPPM Tương ứng mẫu địa Ekj bảng định tuyến MPPM (MPP-SRT) có độ dài cịn 2N-C×Ts 3.2.2 Tách mào đầu gói tồn quang MPPM Khi gói quang đến nút OPS, xung tín hiệu định thời Clk tách để điều khiển hoạt động chuyển đổi địa sang dạng MPPM tạo mẫu địa bảng định tuyến MPPM Tiếp theo, tách bít điều khiển (C bit) để điều khiển chọn bảng định tuyến MPPM theo yêu cầu Đồng thời tách bit địa mào đầu ((N-C) bit) chuyển đổi 14 bít địa mào đầu sang dạng địa MPPM Nhận dạng địa mào đầu thực tương quan trường địa chuyển đổi MPPM (gồm (N-C) bit) với mẫu địa bảng định tuyến MPPM sử dụng cổng AND Đầu tương quan quang (AND) nhận xung tương hợp đến khối chuyển mạch, điều khiển chuyển mạch gói quang đầu vào đưa đến cổng mong muốn 3.3 KHẢO SÁT HIỆU NĂNG GIẢI PHÁP XỬ LÝ MÀO ĐẦU GĨI TỒN QUANG DỰA TRÊN KỸ THUẬT MPPM Để đánh giá hiệu giải pháp pháp xử lí mào đầu tồn quang dựa kỹ thuật MPPM đề xuất, cách so sánh với giải pháp xử lý mào đầu điện (OOK) giải pháp xử lý mào đầu toàn quang dựa kỹ thuật PPM Các tham số đánh giá hiệu bao gồm thời gian xử lí mào đầu THP cơng suất điều chế quang trung bình Pavg 3.3.1 Thời gian xử lí mào đầu, THP Thời gian xử lý mào đầu lược đồ PPM tính theo biểu thức: (3.5) TPPM  HP  TCE  TPPM  ACM  TAND  TCE  N  TS  TAND TCE thời gian tách định thời, N bít địa mào đầu, TS chu kỳ khe PPM TAND thời gian tương quan Biểu thức tính thời gian xử lí mào đầu lược đồ MPPM sau: TMPPM  HP  TCE  TMPPM  ACM  TAND  TCE  N C  TS  TAND (3.7) 3.3.2 Cơng suất điều chế quang trung bình, Pavg Cơng suất điều chế quang trung bình xác định theo biểu thức: Pavg   POOK LF log LF (3.9) LF độ dài khung, POOK cơng suất quang trung bình u cầu cho lược đồ xử lí mào đầu điện thơng thường (OOK) 3.3.4 Kết khảo sát hiệu Trong Hình 3.8, Thời gian xử lí mào đầu khảo sát theo tốc độ bit truyền gói trường hợp N=14 C=1, C=2 C=3 Hình 3.8 cho thấy thời gian xử lí mào đầu dựa MPPM dải ps 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 Thời gian xử lý mào đầu , THP (p/s) chuẩn chọn N=14 giảm tương ứng gần lần C=1, gần lần C=2 gần lần C=3 Tốc độ bit, Rb (Gb/s) Hình 3.8 Thời gian xử lí mào đầu thay đổi theo tốc độ bit truyền gói N=14 C=1, C=2 C=3 [J1] Hình 3.12 đưa mối quan hệ cơng suất quang trung bình u cầu phụ thuộc độ dài địa mào đầu N, tương ứng với trường điều khiển C=1, C=2 C=2 Rõ ràng cơng suất quang trung bình u cầu lược đồ MPPM bé nhiều so với giải pháp xử lí mào đầu dựa OOK độ dài trường địa mào đầu lớn, tương ứng khoảng 9,5dBm, 7,5dBm 5,5dBm với N=6 Average Optical Power, Pavg (dBm) OOK MPPM, C=1 MPPM, C=2 MPPM, C=3 -5 -10 -15 -20 -25 -30 10 11 12 13 14 15 Header Address Bits, N Hình 3.11: Cơng suất quang trung bình thay đổi theo từ mã địa mào đầu với với POOK=0 dBm C=1, C=2 C=3 [J1] 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương 3, trình bày chi tiết mơ hình giải tích kỹ thuật điều chế vị trí xung PPM để ứng dụng cho xử lí mào đầu gói tồn quang 16 mạng OPS Bên cạnh đó, trình bày đóng góp nghiên cứu sinh việc xây dựng mơ hình giải tích kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi MPPM nhằm nâng cao hiệu xử lý mào đầu gói tồn quang mạng OPS Phần cuối chương phần đánh khảo sát đánh giá hiệu 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 GĨI TỒN QUANG Tóm tắt: Nội dung chương trình bày đóng góp nghiên cứu sinh việc xây dựng mơ hình cấu trúc khối xử lý mào đầu gói tồn quang dựa giải pháp điều chế vị trí xung sủa đổi MPPM (MPPM-HP) Trong phân tích đánh giá ảnh hưởng tham số đến hoạt động khối chức khối MPPM-HP, đưa kết mô dựa phần mềm OptiSystem [J2] Trên sở mơ hình cấu trúc khối MPPM-HP đề xuất, chương cịn trình bày mơ hình kiến trúc nút chuyển mạch gói tồn quang sử dụng khối MPPM-HP Thơng qua mơ hình giải tích tiến hành khảo sát đưa kết liên quan tới tham số hiệu nút mạng chuyển mạch gói tồn quang sử dụng khối MPPM-HP [J3], [J5] 4.1 MƠ HÌNH KIẾN TRÚC NÚT CHUYỂN MẠCH GĨI TỒN QUANG SỬ DỤNG KHỐI MPPM-HP 4.1.1 Mơ hình kiến trúc nút OPS sử dụng khối MPPM-HP Mơ hình kiến trúc nút 1K OPS sử dụng MPPM-HP đơn bước sóng đưa Hình 4.1 Về mơ hình kiến trúc nút OPS sử dụng MPPM-HP bao gồm hai khối chức chính: khối xử lý mào đầu (MPPM-HP) khối chuyển mạch quang (OSW) Trong khối MPPM-HP có bốn khối chức con: khối tách định thời (CEM), khối tách địa mào đầu tồn quang sử dụng điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM-HEM), khối tạo bảng định tuyến MPPM (MPPRT) khối tương quan quang với cổng AND quang 17 Hình 4.1 Kiến trúc nút lõi tồn quang đề xuất dựa MPPM-HP [J2] 4.1.2 Hoạt động nút chuyển mạch gói MPPM-HP Gói tin đầu vào Pin(t) sau phân chia nhờ chia (Splitter) đưa tới khối chức con: CEM, SPC OS với thời gian trễ tương ứng 0, TCEM (thời gian yêu cầu để tách định thời), TMPPM-HP (tổng thời gian yêu cầu để xử lý mào đầu MPPM) Xung định thời Clk(t) tách nhờ CEM, sử dụng để điều khiển hoạt động khối chức con: khối SPC, khối MPPM-ACM khối tạo bảng định tuyến MPPM (MPPRT) Khi xung định thời đưa tới khối chức có thời gian trễ tương ứng 0, TACM TMPPRT, để tách bít địa chỉ, chuyển đổi bít địa sang dạng MPPM tạo MPPRT 4.2 MƠ HÌNH CẤU TRÚC KHỐI XỬ LÝ MÀO ĐẦU TOÀN QUANG DỰA TRÊN MPPM (MPPM-HP) 4.2.1 Mơ hình cấu trúc khối MPPM-HP Hình 4.3 mơ tả mơ hình cấu trúc khối xử lý mào đầu toàn quang dựa MPPM Khối MPPM-HP bao gồm khối chức con: khối tách định thời (CEM), khối tách địa mào đầu điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM-HEM), khối tạo bảng định tuyến MPPM (MPP-SRT) khối tương quan quang với cổng AND quang 4.2.2 Các khối chức MPPM-HP 4.2.2.1 Khối tách định thời (CEM) CEM gồm chuyển mạch SMZ nối tầng, chuyển mạch SMZ chuyển mạch với xung điều khiển không cân coupler không đối xứng 18 đề xuất chương luận án Sử dụng cấu trúc nối tầng để nén tín hiệu dư đầu SMZ-1 đạt CR (Contrast Ratio) cao Hình 4.3: Mơ hình cấu trúc 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) khối chuyển đổi địa MPPM (MPPM-ACM) SPC gồm có N chuyển mạch SMZ đơn với cửa sổ chuyển mạch hẹp để tách bít địa riêng biệt (1iN) MPPM-ACM thực 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 mẫu địa bảng định tuyến 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 đầu vào yêu cầu để thực tương quan địa MPPM XMPPM(t) M mẫu địa MPPM Em(t) 4.3 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 4.3.1 Các tham số đánh giá hiệu 4.3.1.1 Hiệu sử dụng mạng, U Hiệu sử dụng mạng định nghĩa sau: U T T packet T packet HP đó, Tpacket chiều dài gói THP thời gian xử lí mào đầu (4.9) 19 4.3.1.2 Xác suất gói, PLP Sử dụng cơng thức Erlang B để thu xác suất gói với chiều dài gói thay đổi theo phân bố M Công thức Erlang B cho hệ thống m-server với cường độ lưu lượng  xác định sau: (4.10)  m / m! Erl (  , m)  m  ( i / i !) i 0 Dựa mơ hình này, cổng nút OPS hoạt động hệ thống tổn thất M/M/W/W, W số bước sóng cổng Cường độ lưu lượng  hàng đợi    p (k (THP  Tsw )  Tpacket ) ,trong THP thời gian xử lí mào đầu, Tsw thời gian chuyển mạch chuyển mạch toàn quang, 𝑝 tốc độ đến gói k số nút OPS trung bình tuyến truyền gói từ nguồn tới đích Do đó, xác suất gói (PLP) cho bởi:   W   p k (THP  TswOPS )  Tpacket   ! PLP  W w i 1  p k (THP  TswOPS )  Tpacket     i 0 i !  (4.11)  4.3.1.3 Tỉ số tín hiệu nhiễu quang, OSNR Trong mạng OPS gói liệu chuyển mạch qua số nút trung gian trước tới đích, làm ảnh hưởng đến chất lượng gói đầu thu Khi gói có cơng suất đỉnh Ppk phát từ nút nguồn tới nút đích qua H nút trung gian, gói liệu khuếch đại chuyển qua chặng sợi quang trước đến nút trung gian thứ Công suất nhiễu ASE chuyển mạch cho sau: PASE ,i  2nsp ,i hf  Gi  1 B0 i  0, 1, , H (4.10) đó, nsp ,i Gi tương ứng hệ số phát xạ tự phát hệ số khuếch đại khuếch đại quang, h số Planck, f tần số quang B0 băng tần quang OSNR đầu nút chuyển mạch thứ H tính sau: OSNRH  G   H 1 h 0 P H ASE , h H 1 h 0   GH / LH   PPK H k  h 1  Gk / Lk 1    PASE , H (4.11) đó, LH tổng suy hao từ đầu nút thứ (h-1) đến đầu vào nút thứ h 20 4.3.2 Kết đánh giá hiệu Đầu tiên phân tích kết tính tốn số dựa hiệu sử dụng mạng Các kết đưa hình 4.16 biểu thị hiệu sử dụng mạng phụ thuộc chiều dài gói tương ứng trường hợp tốc độ bit truyền gói Rd= 10Gb/s Thời gian xử lí mào đầu điện OOK xấp xỉ 10 s Từ hình 4.16 cho thấy hiệu sử dụng mạng giải pháp xử lí mào đầu dựa PPM MPPM lớn nhiều so với hiệu sử dụng mạng giải pháp xử lí mào đầu điện, đặc biệt chiều dài gói, Tpacket < 1ms 100 OOK PPM MPPM 95 Utilization Efficiency, U(%) 90 85 80 75 70 65 60 55 50 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 Packet Length,Tpacket (s) 0.008 0.009 0.01 (a) 100 OOK PPM MPPM 90 Utilization Efficiency, U(%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Packet Length,Tpacket (s) 0.8 0.9 -5 x 10 (b) 100 OOK PPM MPPM 90 Utilization Efficiency, U(%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Packet Length,Tpacket (s) 0.8 0.9 -9 x 10 (c) Hình 4.16 Hiệu sử dụng mạng phụ thuộc vào chiều dài gói Rd=10Gb/s, (a) N=5, C=2, TPPM-HP 800ps, TMPPM-HP 425ps Tpacket 1s xác suất gói ba giải pháp xử lí mào đầu tương đối giống Tpacket dài nhiều so với so với THP Tiếp theo so sánh tỉ số tín hiệu nhiễu quang, OSNR mạng OPS sử dụng giải pháp xử lý mào đầu khác Hình 4.27 biểu thị OSNR theo tính tốn mô phụ thuộc vào số chặng định tuyến kết OSNR lý thuyết giống cho mạng OPS sử dụng giải pháp xử lý mào đầu PPM MPPM, kết tính tốn xem xét đến nhiễu ASE mà khơng xét đến loại nhiễu khác Tuy nhiên, kết OSNR mô cho mạng OPS sử dụng giải pháp xử lý mào đầu MPPM cải thiện so với mạng OPS sử dụng giải pháp xử lý mào đầu PPM, kết mạng OPS sử dụng chuyển mạch SMZ đề xuất nút mạng cải thiện xuyên nhiễu dư (c) Hình 4.27: OSNR đầu nút thay đổi theo chặng định tuyến 23 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Nội dung chương trình bày chi tiết mô kiến trúc nút chuyển mạch tồn quang sử dụng khối xử lý mào đầu gói toàn quang dựa kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi MPPM Bên cạnh đó, trình bày đóng góp nghiên cứu sinh việc xây dựng mơ hình kiến trúc khối xử lý mào đầu gói tồn quang dựa kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi MPPM, sở mơ hình giải tích phần mềm mơ OptiSystem phân tích đánh giá ảnh hưởng tham số đến hoạt động khối chức đánh giá hiệu nút mạng OPS thơng qua kết tính tốn mô KẾT LUẬN Nội dung luận án đạt mục tiêu đề nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao hiệu nút mạng chuyển mạch gói quang (OPS) Các kiến thức tảng kết nghiên cứu trình bày luận án với bố cục bốn chương sau: (1) Tổng quan vấn đề nghiên cứu; (2) Phát triển chuyển mạch SMZ với coupler đầu không đối xứng xung điều khiển công suất khác hai nhánh; (3) Phát triển giải pháp xử lý mào đầu gói tồn quang dựa kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi MPPM; (4) Xây dựng mơ hình khối xử lý mào đầu toàn quang dựa kỹ thuật MPPM sử dụng nút OPS Các kết đóng góp khoa học luận án phân thành ba nhóm lớn Đề xuất chuyển mạch quang cực nhanh SMZ với coupler đầu không đối xứng xung điều khiển có cơng suất khác hai nhánh Đề xuất giải pháp xử lý mào đầu gói tồn quang dựa kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM) Đề xuất xây dựng khối xử lý mào đầu toàn quang dựa kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM) đề xuất áp dụng cho nút chuyển mạch gói tồn quang Bằng phân tích lý thuyết kết tính tốn, mơ trình bày luận án cho thấy số ưu điểm định giải 24 pháp xử lý mào đầu gói tồn quang dựa kỹ thuật MPPM sử dụng nút mạng chuyển mạch gói tồn quang Tuy nhiên, vấn đề sau cần tiếp tục nghiên cứu hướng phát triển (i) Vấn đề liên quan đến thời gian hoạt động chuyển mạch toàn quang cực nhanh đa dạng phức tạp Bên cạnh thời gian chuyển mạch đề cập luận án, thời gian đáp ứng vấn đề mở cần tiếp tục nghiên cứu (ii) Để đánh giá cách xác đầy đủ ảnh hưởng giải pháp xử lý mào đầu gói quang dựa kỹ thuật MPPM đến hiệu mạng chuyển mạch gói tồn quang cần phải xây dựng thiết lập số cấu hình mạng mô chạy thử nghiệm điều kiện mạng khác trễ định tuyến đa chặng, thông lượng mạng, kích cỡ mạng lược đồ quản lý tán sắc… (iii) Kết nghiên cứu luận án mới tập trung vào nút chuyển mạch gói tồn quang đầu vào nhiều đầu ra, sử dụng giải pháp xử lý mào đầu gói quang dựa kỹ thuật MPPM hoạt động bước sóng Tuy nhiên, để thỏa mãn yêu cầu ứng dụng thực tế cần phải mở rộng vấn đề nghiên cứu cho cấu trúc nút chuyển mạch gói toàn quang nhiều đầu vào nhiều đầu hoạt động đồng thời nhiều bước sóng (iv) Để đánh giá đầy đủ hoạt động mạng chuyển mạch gói tồn quang cần phải xem xét thêm vấn đề liên quan đến phương pháp đệm hoạt động giao thức định tuyến 25 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ BÀI BÁO KHOA HỌC [J1] [J2] [J3] [J4] [J5] Cao Hong Son, “Optical packet header processing using novel pulse position modulation”, Tạp chí nghiên cứu khoa học cơng nghệ qn sự, Viện khoa học Công nghệ Quân số 29, trang 114-120, 2014 Cao Hong Son, Nguyen Minh Hong, “All-optical Packet Switching Node based on the Modified Pulse Position Modulation Header Processor” Tạp chí nghiên cứu khoa học công nghệ quân sự, Viện khoa học Công nghệ Quân sự, số 38, trang 84-90, 8-2015 Son H.Cao, Hong M.Nguyen, and Quy Q.Ho “Improving Performance of AllOptical Packet Switching Network with a Modified Pulse Position Modulation Routing Table”, International Journal of Electronics and Data Communications, Vol.3, No.3, pp.90-99, 11-2015 Cao Hong Son, “All-optical Symmetric Mach-Zehnder Switch with Unequal-Power Control Pulses and Asymmetric Output Coupler”, Tạp chí nghiên cứu khoa học công nghệ quân sự, Viện khoa học Công nghệ Quân số 43, trang 126-135, 62016 Son H.Cao, “Multi-wavelength All-Optical Packet Switching Node Using Modified Pulse Position Modulation Header Processing”, Tạp chí khoa học cơng nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (chấp nhận đăng số tháng 12/2017) CÁC BÀI BÁO CÓ LIÊN QUAN [J6] [J7] [J8] Cao Hồng Sơn, “Một số công nghệ chuyển mạch quang mạng tồn quang”, Tạp chí Cơng nghệ thông tin truyền thông kỳ tháng 12/2009 Cao Hồng Sơn, “Một số ứng dụng công nghệ quang mạng chuyển mạch gói tồn quang”, Tạp chí Cơng nghệ thông tin truyền thông kỳ tháng 6/2010 Cao Hồng Sơn, “Các kỹ thuật tạo xử lí tiêu đề quang mạng chuyển mạch gói quang (OPS)”, Tạp chí Cơng nghệ thơng tin truyền thơng kỳ tháng 11/2011 26 ... Do đó, việc nghiên cứu đề xuất giải pháp cải thiện hiệu mạng OPS cần thiết Mục tiêu mà luận án hướng đến nghiên cứu tìm kiếm giải pháp khả thi để cải thiện hiệu mạng OPS thông qua kỹ thuật xử... 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... 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