Kết quả đánh giá hiệu năng và thảo luận

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG KHỐI XỬ LÝ MÀO ĐẦU DỰA TRÊN KỸ THUẬT

4.3 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG

4.3.2 Kết quả đánh giá hiệu năng và thảo luận

Trong phần này sẽ so sánh các mạng OPS toàn quang sử dụng lược đồ xử mào đầu đề xuất MPPM với các lược đồ xử lí mào đầu khác như lược đồ xử lí mào đầu điện (OOK), hay lược đồ xử lí PPM thông thường.

Đầu tiên sẽ phân tích các kết quả tính toán số dựa trên hiệu quả sử dụng mạng, U dựa trên biểu thức (4.9). Các kết quả đưa ra trên hình 4.16, hình 4.17 và hình 4.18 biểu thị hiệu quả sử dụng mạng phụ thuộc chiều dài gói tương ứng trong trường hợp tốc độ bit truyền gói Rd= 10Gb/s, 80Gb/s và 160Gb/s. Thời gian xử lí mào đầu điện OOK như đưa ra trong [86] là xấp xỉ 10 s.

Từ hình 4.16, hình 4.17 và hình 4.18 cho thấy hiệu quả sử dụng mạng đối với giải pháp xử lí mào đầu dựa trên PPM và MPPM là lớn hơn rất nhiều so với hiệu quả sử dụng mạng đối với giải pháp xử lí mào đầu điện, đặc biệt khi chiều dài gói, Tpacket

< 1ms. Tuy nhiên, khi Tpacket> 1ms thì hiệu quả sử dụng mạng trong cả ba giải pháp xử lí mào đầu là tương đối giống nhau và xấp xỉ bằng 100% vì khi đó Tpacket dài hơn rất nhiều so với so với THP. Khi chiều dài gói nhỏ hơn 1s, thì hiệu quả sử dụng mạng của giải pháp xử lý mào đầu MPPM cao hơn nhiều so với hiệu quả sử dụng mạng của giải pháp xử lí PPM. Điều này có thể thấy rất rõ khi chiều dài gói nhỏ hơn 0,1s.

Nhìn vào hình 4.18 thấy rõ là khi tốc độ bit truyền của gói càng lớn thì hiệu quả sử dụng mạng của giải pháp xử lý mào đầu PPM và MPPM sẽ càng lớn, đặc biệt khi chiều dài gói, Tpacket < 1ms.

Như vậy, trên cơ sở phân tích về tham số hiệu quả sử dụng mạng của ba giải pháp xử lý mào đầu ở trên và dựa trên các loại dịch vụ sử dụng trên mạng hiện nay xin được đề xuất với lưu lượng truyền trên mạng OPS chủ yếu là các dịch vụ gói có độ dài gói lớn với Tpacket> 1ms khuyến nghị sử dụng giải pháp xử lý mào đầu PPM, với lưu lượng truyền trên mạng OPS chủ yếu là các dịch vụ gói có độ dài gói khá nhỏ với 0,1s <Tpacket< 10s khuyến nghị sử dụng PPM/MPPM, với lưu lượng truyền trên mạng OPS chủ yếu là các dịch vụ gói có độ dài gói nhỏ với Tpacket< 0,1s khuyến nghị sử dụng MPPM.

(a)

(b)

(c)

Hình 4.16: Hiệu quả sử dụng mạng phụ thuộc vào chiều dài gói khi Rd=10Gb/s (a) N=5, C=2, TPPM-HP 800ps, TMPPM-HP 425ps và Tpacket<10ms.

(b) N=5, C=2, TPPM-HP 800ps, TMPPM-HP 425ps và Tpacket<10s.

(c) N=5, C=2, TPPM-HP 800ps, TMPPM-HP 425ps và Tpacket<0,01s.

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 50

55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Packet Length,Tpacket (s)

Utilization Efficiency, U(%)

OOK PPM MPPM

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

x 10-5 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Packet Length,Tpacket (s)

Utilization Efficiency, U(%)

OOK PPM MPPM

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

x 10-9 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Packet Length,Tpacket (s)

Utilization Efficiency, U(%)

OOK PPM MPPM

(a)

(b)

Hình 4.17: Hiệu quả sử dụng mạng phụ thuộc vào chiều dài gói khi Rd=80Gb/s, (a) N=5, C=2, TPPM-HP 100ps, TMPPM-HP 55ps và Tpacket<10ms.

(b) N=5, C=2, TPPM-HP 100ps, TMPPM-HP 55ps và Tpacket<10s.

(c) N=5, C=2, TPPM-HP 100ps, TMPPM-HP 55ps và Tpacket<0,01s.

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 50

55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Packet Length,Tpacket (s)

Utilization Efficiency, U(%)

OOK PPM MPPM

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

x 10-5 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Packet Length,Tpacket (s)

Utilization Efficiency, U(%)

OOK PPM MPPM

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

x 10-9 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Packet Length,Tpacket (s)

Utilization Efficiency, U(%)

OOK PPM MPPM

(a)

(b)

(c)

Hình 4.18: Hiệu quả sử dụng mạng thay đổi theo tốc độ bit truyền gói khi (a) N=5, C=2, và Tpacket =10ms.

(b) N=5, C=2 và Tpacket=10s.

(c) N=5, C=2 và Tpacket=0,1s.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

99.9 99.91 99.92 99.93 99.94 99.95 99.96 99.97 99.98 99.99 100

BitRate/ Rb (Gb/s)

Utilization Efficiency, U(%)

OOK PPM MPPM

0 20 40 60 80 100 120 140 160

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

BitRate/ Rb (Gb/s)

Utilization Efficiency, U(%)

OOK PPM MPPM

0 20 40 60 80 100 120 140 160

0 10 20 30 40 50 60 70 80

BitRate/ Rb (Gb/s)

Utilization Efficiency, U(%)

OOK PPM MPPM

Tiếp theo chúng ta sẽ so sánh xác suất mất gói, PLP của nút và của mạng OPS khi sử dụng các giải pháp xử lý mào đầu khác nhau.

Hình 4.19 và hình 4.20 chỉ ra quan hệ xác suất mất gói theo số bước sóng với chiều dài gói khác nhau tại một nút OPS. PLP được tính như theo công thức (4.11) trong trường hợp tốc độ bit truyền gói Rd= 10Gb/s và 80Gb/s. Thời gian xử lí mào đầu điện OOK như đưa ra trong [86] là xấp xỉ 10 s. Rõ ràng là, xử lí mào đầu dựa trên MPPM giúp làm giảm xác suất mất gói, PLP so với xử lí mào đầu điện tử và xử lí mào đầu dựa trên PPM, đặc biệt khi chiều dài gói ngắn và tốc tốc độ gói đến các nút mạng lớn. Từ hình 4.19 và hình 4.20 cho xác suất mất gói, PLP đối với giải pháp xử lí mào đầu dựa trên PPM và MPPM là nhỏ hơn rất nhiều so với xác suất mất gói đối với giải pháp xử lí mào đầu điện, đặc biệt khi chiều dài gói, Tpacket < 1s và tốc độ đến của gói p>105 gói/s. Tuy nhiên, khi Tpacket> 1s thì xác suất mất gói trong cả ba giải pháp xử lí mào đầu là tương đối giống nhau vì khi đó Tpacket dài hơn rất nhiều so với so với THP.

Khi chiều dài gói nhỏ hơn 1ns, thì xác suất mất gói của giải pháp xử lý mào đầu MPPM nhỏ hơn rất nhiều so với xác suất mất gói của giải pháp xử lí PPM, đặc biệt khi tốc độ gói đến lớn. Hơn nữa, khi tốc bit truyền gói càng tăng thì xác suất mất gói của mạng OPS càng giảm, cũng như khi số bước sóng sử dụng W trên cổng ra càng tăng sẽ làm giảm xác suất mất gói của mạng OPS.

Tiếp theo chúng ta sẽ so sánh tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang, OSNR của mạng OPS khi sử dụng các giải pháp xử lý mào đầu khác nhau. Thiết lập mô phỏng định tuyến 3 chặng (H=3) dựa trên xử lý mào đầu PPM-HP và MPPM-HP trong gói phần mềm OptiSystem. Sơ đồ thiết lập định tuyến ba chặng như trên hình 4.21 với hai kiến trúc nút OPS khác nhau. Loại thứ nhất là kiến trúc nút OPS với khối xử lý mào đầu PPM-HP và khối chuyển mạch quang sử dụng phần tử chuyển mạch quang cực nhanh SMZ thông thường đã được các tác giả trong [67] đề xuất để phân tích hiệu năng OSNR của mạng chuyển mạch gói quang tốc độ cao. Loại thứ hai là kiến trúc nút OPS với khối xử lý mào đầu MPPM-HP và khối chuyển mạch quang sử dụng phần tử chuyển mạch quang cực nhanh SMZ đề xuất.

(a)

(b)

(c)

Hình 4.19: Xác suất mất gói, PLP thay đổi theo số bước sóng W sử dụng (a) Khi Rd=10Gb/s, k=10 nút, p=103 gói/s, TPacket=0,1ms

(b) Khi Rd=10Gb/s, k=10 nút, p=106 gói/s, TPacket=0,1s (c) Khi Rd=10Gb/s, k=10 nút, p=108 gói/s, TPacket=1ns

0 1 2 3 4 5 6 7

10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100

Number of Wavelengths, W

Packet Loss Probability, PLP

OOK PPM MPPM

0 2 4 6 8 10 12

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100

Number of Wavelengths, W

Packet Loss Probability, PLP

OOK PPM MPPM

0 2 4 6 8 10 12 14 16

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100

Number of Wavelengths, W

Packet Loss Probability, PLP

OOK PPM MPPM

(a)

(b)

(c)

Hình 4.20: Xác suất mất gói, PLP thay đổi theo số bước sóng W sử dụng (a) Khi Rd=80Gb/s, k=10 nút, p=103 gói/s, TPacket=0,1ms

(b) Khi Rd=80Gb/s, k=10 nút, p=106 gói/s, TPacket=0,1s (c) Khi Rd=80Gb/s, k=10 nút, p=108 gói/s, TPacket=1ns

0 1 2 3 4 5 6 7

10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100

Number of Wavelengths, W

Packet Loss Probability, PLP

OOK PPM MPPM

0 2 4 6 8 10 12

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100

Number of Wavelengths, W

Packet Loss Probability, PLP

OOK PPM MPPM

0 5 10 15

10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100

Number of Wavelengths, W

Packet Loss Probability, PLP

OOK PPM MPPM

Hình 4.21: Sơ đồ thiết lập định tuyến ba chặng trong phần mềm OptiSystem

Sơ đồ khối của nút OPS dựa trên MPPM-HP và cấu trúc các khối chức năng trong nút OPS dựa trên MPPM-HP như trên hình 4.23, thành phần chuyển mạch sử dụng trong các khối chức năng là loại chuyển mạch quang cực nhanh SMZ đề xuất (như trình bày trong chương 2). Các tham số mô phỏng cho tương ứng trong bảng 4.2, được chọn dựa trên các các tham số đề xuất của các công trình đã công bố [25], [67] và của các hệ thống quang đã triển khai trong thực tế ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Các gói quang được phát ở tốc độ 80 Gbit/s từ nút nguồn, mỗi gói gồm bít định thời, địa chỉ mào đầu 5 bít, và tải trọng 512 bít (64Byte). Thời gian bao vệ giữa các gói 1ns (được chọn lớn hơn thời gian hồi phục khuếch đại SOA). Công suất quang trung bình đầu vào khối CEM và PPM/MPPM-HEM yêu cầu 1mW. Các gói quang được khuếch đại trước khi truyền để bù cho suy hao tuyến quang (suy hao sợi và suy hao ghép nối). Mỗi chặng gồm 30 Km sợi quang đơn mode (SSM) và 5 Km sợi bù tán sắc (DCF) để bù tán sắc trong sợi quang. Ngoài ra trên mỗi chặng có các bộ suy hao khả chỉnh để hiệu chỉnh cho công suất đỉnh đầu vào các nút bằng 1mW.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e) (f)

(g) (h)

(i)

Hình 4.22: Sơ đồ khối của nút OPS dựa trên PPM-HP và các khối chức năng:

(a) Sơ đồ khối của nút OPS dựa trên PPM-HP; (b)Sơ đồ cấu trúc khối chức năng CEM; (c) Sơ đồ cấu trúc khối chức năng PPM-HEM; (d) Sơ đồ cấu trúc khối chức năng PPRT 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; (h) Sơ đồ cấu trúc của các khối OS; (i) Sơ đồ cấu trúc của các khối OSC.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e) (f)

(g) (h)

(i)

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.

Bảng 4.2: Các tham số mô phỏng cho định tuyến 3 chặng dựa trên nút OPS.

Tham số Các giá trị

Tốc độ bit dữ liệu đầu vào Chiều dài tải trọng gói Chu kỳ bit- Tb

Băng bảo vệ gói

Công suất (đỉnh) xung dữ liệu, Ppk

Độ rộng xung dữ liệu và điều khiển- FWHM Bước sóng quang - (tương ứng tần số quang f) Độ rộng cửa sổ chuyển mạch quang- TSW

Số bít địa chỉ- N Số đầu ra của nút- K Chiều dài SSMF Chiều dài DCF

Hệ số nhiễu bộ tiền khuếch đại- NF0

(Tham số nghịch đảo SOA- nsp) Chu kỳ gói- Tpk

Gh (h=1, 2,..., H) với mạng OPS dựa trên PPM-HP Gh (h=1, 2,..., H) với mạng OPS dựa trên MPPM-HP Suy hao tổng của chặng, Lh (h=1, 2,..., H)

Hệ số khuếch đại bộ tiền khuếch đại, G0

Suy hao chặng đầu tiên, L0

Độ rộng băng tần quang, B0

Hệ số nhiễu OSW, NFOSW

Số CPm cho OSW Chiều dài SOA – LSOA

Chiều rộng SOA – WSOA

Chiều cao SOA – HSOA

80 Gbit/s

64 Byte (512 bít) 12,5 ps

1 ns

0 dBm (1mW) 4 ps

1554nm (193.05 THz) 6 ps

5 4 30 Km 5 Km 4,5 dB 1,4 6,475 ns 18 dB 19,1 dB

18 dB (PPM-HP) 19,1 dB (MPPM-HP) 9 dB

- 9 dB 300 GHz 6 dB 256

500 x 10-6 m 3x 10-6 m 80 x 10-6 m

Hệ số giam hãm - 

Suy hao tán xạ ống dẫn sóng - α Hệ số khuếch đại vi phân - Ag

Mật độ hạt mang tại điểm truyền qua - N0

Hệ số mở rộng đường phổ - LEF

Hệ số tái kết hợp - RA

Hệ số tái kết hợp - RB

Hệ số tái kết hợp - RC

Mật độ hạt mang ban đầu- Ni Dòng bơm DC hiệu dụng - Ip

0,2

40×102 m-1 2,8×10-20 m2 1,4×1024 m-3 4

1,43 × 10-8 s-1 1 × 10-16 m3s-1 3 × 10-41 m6s-1 3×1024 m-3 0,15 A

Hình 4.24 (a) đưa ra dạng sóng thời gian của 32 gói đầu vào với địa chỉ gói từ 0-31. Các xung định thời được tách từ các gói đầu vào của các nút 1, 2 và 3 như tương ứng trên hình 4.24 (b)-4. (d). Hình 4.25 minh họa các gói ở đầu ra 4 tương ứng của các nút 1, 2 và 3. Trong đó, hình 4.25 (a), (c) và (e) biểu thị các gói ở đầu ra 4 tương ứng của các nút 1, 2 và 3 dựa trên PPM HP, hình 4.25 (b), (d) và (f) biểu thị các gói ở đầu ra 4 tương ứng của các nút 1, 2 và 3 dựa trên MPPM HP. Từ hình 4.25 có thể thấy rõ các gói ở đầu ra các nút OPS dựa trên xử lý mào đầu MPPM có công suất đỉnh xung lớn hơn so với các gói ở đầu ra các nút OPS dựa trên xử lý mào đầu PPM khoảng hơn 1,1 dBm (hệ số khuếch đại của khối chuyển mạch quang của nút OPS dựa trên PPM HP và của khối chuyển mạch quang của nút OPS dựa trên MPPM HP tương ứng bằng 18dB và 19,1dB). Kết quả này là do trong các nút OPS dựa trên xử lý mào đầu MPPM sử dụng chuyển mạch SMZ đề xuất và như đã thực hiện mô phỏng đánh giá hiệu năng của chuyển mạch SMZ trong chương 2, với chuyển mạch SMZ đề xuất cho kết quả đã khảo sát tại BER=10-12 thì độ thiệt thòi công suất cải thiện được 1,12 dB.

(a) (b)

(c) (d)

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.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

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.

Hình 4.26 đưa ra dạng sóng thời gian của mào đầu gói 1 với trường địa chỉ tương ứng với giá trị thập phân bằng 0, ở đầu vào và đầu ra nút 1. Trong đó hình 4.26 (a) là dạng sóng thời gian mào đầu gói 1 ở đầu vào nút 1, hình 4.26 (b) là dạng sóng thời gian mào đầu gói 1 ở đầu ra nút 1 dựa trên PPM HP và hình 4.26 (c) là dạng sóng thời gian mào đầu gói 1 ở đầu ra nút 1 dựa trên MPPM HP. Rõ ràng từ hình 4.26 có thể thấy vị trí thời gian mào đầu gói 1 ở đầu ra (gói đầu ra) của nút bị trễ so với vị trí thời gian mào đầu gói 1 ở đầu vào của nút (gói đầu vào), cụ thể đối với nút dựa trên PPM HP có khoảng thời gian trễ hơn 100ps và đối với nút dựa trên PPPM HP có khoảng thời gian trễ hơn 55ps. Như vậy, với kiến trúc nút OPS dựa trên MPPM HP

cho phép thời gian chuyển tiếp gói nhỏ hơn so với kiến trúc nút OPS dựa trên PPM HP, kết quả này là hoàn toàn phù hợp với phân tích và khảo sát ở chương 3.

(a) (b) (c)

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.

Hình 4.27 biểu thị OSNR theo tính toán và mô phỏng phụ thuộc vào số chặng định tuyến. Từ tính toán theo lý thuyết từ biểu thức 4.11, giả thiết các gói có công suất giống nhau. Tuy nhiên, trong thực tế công suất của gói quang bị thay đổi do sự thay đổi của mẫu lưu lượng. Các ảnh hưởng này được minh họa trong hình 4.25, trong đó kết quả OSNR lý thuyết là khá giống nhau cho mạng OPS khi sử dụng các giải pháp xử lý mào đầu PPM và MPPM, kết quả này là do tính toán chỉ xem xét đến nhiễu ASE mà không xét đến các loại nhiễu khác. Tuy nhiên, kết quả OSNR mô phỏng cho mạng OPS khi sử dụng giải pháp xử lý mào đầu MPPM cải thiện hơn so với mạng OPS khi sử dụng giải pháp xử lý mào đầu PPM, kết quả này là do mạng OPS khi sử dụng các chuyển mạch SMZ đề xuất trong các nút mạng đã cải thiện được xuyên nhiễu dư. Lưu ý là để hệ thống quang hoạt động tốt thì yêu cầu OSNR 20dB . Như vậy, với giả thiết các gói có công suất giống nhau ở đầu vào các nút OPS, rõ ràng mạng OPS khi sử dụng giải pháp xử lý mào đầu MPPM và kết hợp sử dụng chuyển mạch toàn quang cực nhanh SMZ đề xuất thực tế cho kết quả OSNR tốt hơn, đồng thời cải thiện được cự li truyền dẫn của các chặng.

Tải trọng Mào đầu

CKL

Địa chỉ:

“00000”

Hình 4.27: OSNR ở đầu ra mỗi nút thay đổi theo mỗi chặng định tuyến.

Tóm lại, trong mạng OPS khi sử dụng giải pháp xử lý mào đầu MPPM và kết hợp sử dụng chuyển mạch toàn quang cực nhanh SMZ đề xuất đã góp phần cải thiện được hiệu năng của mạng.