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

Trong các mạng OPS đồng bộ phân khe vấn đề chính liên quan đến chuyển mạch gói quang là phải xử lí hiệu quả mào đầu gói toàn quang và phải phát triển được các chuyển mạch toàn quang cực

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

LỜI CAM ĐOAN

Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính mình Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng đựợc công bố trong bất

cứ công trình của bất kỳ tác giả nào khác

Người cam đoan

Cao Hồng Sơn

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới các Thầy hướng dẫn, TS Nguyễn Minh Hồng và PGS.TS Hồ Quang Quý, vì đã định hướng và liên tục hướng dẫn các nhiệm vụ khoa học trong suốt quá trình thực hiện luận án này

Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự biết ơn các ý kiến chỉ dẫn của các nhà khoa học GS.TSKH Nguyễn Ngọc San, TS Vũ Văn San, PGS.TS Bùi Trung Hiếu đã giúp nghiên cứu sinh có được các kiến thức học thuật quý báu

Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn Lãnh đạo Học viện, các thầy cô của khoa Quốc tế và Đào tạo Sau Đại học, khoa Viễn thông 1 tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Những hỗ trợ, động viên nghiên cứu của các cộng sự xin được chân thành ghi nhận

Nghiên cứu sinh chân thành bày tỏ lòng cảm ơn tới gia đình đã luôn chia sẻ và động viên nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện nội dung luận án

Hà Nội, tháng 11 năm 2017

Cao Hồng Sơn

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

1.4.3 Hiệu quả sử dụng mạng 18

1.4.4 Xác suất mất gói 18

1.4.5 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang 18

1.5 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 19

1.5.1 Các công trình nghiên cứu trong nước 19

1.5.2 Các công trình nghiên cứu trên thế giới 19

1.5.2.1 Các nghiên cứu về công nghệ chuyển mạch toàn quang cực nhanh 19 1.5.2.2 Các nghiên cứu về giải pháp xử lí mào đầu gói 20

1.6 NHẬN XÉT VỀ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA CÁC TÁC GIẢ KHÁC VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 26

1.6.1 Nhận xét về công trình nghiên cứu của các tác giả khác 26

1.6.2 Hướng nghiên cứu và bố cục của 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 trên UNI 32

2.1.2 Chuyển mạch quang cực nhanh dựa trên TOAD 32

2.1.3 Chuyển mạch quang cực nhanh dựa trên MZI 34

2.2 KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ SOA CHO CHỨC NĂNG CHUYỂN MẠCH 35

2.2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của 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 các tham số SOA cho chức năng chuyển mạch 38

2.3 CHUYỂN MẠCH TOÀN QUANG CỰC NHANH MACH-ZEHNDER ĐỐI XỨNG (SMZ) 41

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

3.3.1 Thời gian xử lí mào đầu, T HP 70

3.3.2 Công suất điều chế quang trung bình, P avg 72

3.3.3 Kết quả khảo sát hiệu năng và thảo luận 72

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 77

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG KHỐI XỬ LÝ MÀO ĐẦU DỰA TRÊN KỸ THUẬT MPPM SỬ DỤNG CHO NÚT CHUYỂN MẠCH GÓI TOÀN QUANG 78

4.1 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC NÚT CHUYỂN MẠCH GÓI TOÀN QUANG SỬ DỤNG KHỐI MPPM-HP 78

4.1.1 Mô hình kiến trúc của nút OPS sử dụng khối MPPM-HP 78

4.1.2 Hoạt động của nút chuyển mạch gói MPPM-HP 79

4.2 MÔ HÌNH CẤU TRÚC KHỐI XỬ LÝ MÀO ĐẦU TOÀN QUANG DỰA TRÊN MPPM (MPPM-HP) 82

4.2.1 Mô hình cấu trúc khối MPPM-HP 82

4.2.2 Các khối chức năng con trong 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 năng 95

4.3.1.1 Hiệu quả sử dụng mạng, U 95

4.3.1.2 Xác suất mất gói, PLP 95

4.3.1.3 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang, OSNR 96

4.3.2 Kết quả đánh giá hiệu năng và thảo luận 98

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 117

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 118

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

đồng bộ

B

chọn

C

chạm

D

Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng mật

độ cao

F

L

M

MPPM-ACM

MPPM- Address Conversion Module

Khối chuyển đổi địa chỉ sang MPPM

MPPM-HEM

MPPM- Header Extraction

MUX Multiplexer Bộ ghép kênh

N

O

quang

PSI Polarisation Sentitive optical

Chuyển mạch quang ATM-

Dự án nghiên cứu và phát triển truyền thông tiên tiến ở Châu

Âu

S

Buffers

Chuyển mạch có các bộ đệm quang lớn

đối xứng

song song

T

Demultiplexer

Bộ ghép không đối xứng quang terahertz

sóng

X

∆𝑃𝑟𝑥 Độ thiệt thòi công suất thu

G(t) Mặt cắt khuếch đại theo thời gian của SOA

𝑖𝑎2 Mật độ phổ công suất của dòng nhiễu đầu vào bộ khuếch đại điện

𝐼̅𝑠 Dòng tách quang thu trung bình với tín hiệu thu điểm không

L excess Suy hao vượt của bộ chia

L splitter Suy hao xen của bộ chia

L combiner Suy hao xen của bộ kết hợp

L SPPRT Suy hao công suất tổng do MPPRT

m k (t) Xung tương hợp đầu ra tương quan thứ k

N(t) Mật độ hạt mang

N k Số xung trong một mẫu địa chỉ E k (số các thành phần P k)

N k,tot Tổng số mẫu địa chỉ trong bảng định tuyến

𝑃𝑎𝑣𝑔 Công suất phát quang trung bình

P in (t) Gói tin đầu vào

P out,k (t) Gói chuyển mạch ở cổng ra thứ k

R (%) Tỉ lệ giảm tính theo phần trăm thời gian xử lý mào đầu gói

RCXT Xuyên nhiễu dư

𝜎𝑡𝑚2 Phương sai nhiễu tổng khi thu tín hiệu tương ứng bít 1 (điểm cực)

𝜎𝑡,𝑠2 Phương sai nhiễu tổng khi thu tín hiệu tương ứng bít 0 (điểm không)

𝜎𝑅𝐼𝑁2 Phương sai nhiễu cường độ tương đối RIN

𝜎𝑟𝑒𝑐2 Phương sai nhiễu nổ và nhiễu nhiệt của máy thu

T ACM Thời gian trễ yêu cầu để chuyển đổi địa chỉ PPM

T AND Thời gian tương quan quang

T packet Chu kỳ gói

T CEM Thời gian yêu cầu để tách định thời trong CEM

T delay Thời gian trễ giữa hai tín hiệu điều khiển

T MPPM-HP Thời gian xử lí yêu cầu cho khối MPPM-HP

T MPPRT Thời gian yêu cầu để tạo các mẫu địa chỉ trong MPPRT

t bias Thời gian đạt trạng thái ổn định

X MPPM Địa chỉ MPPM chuyển đổi

x(t) Xung định thời đầu vào của ACM

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 T SW = 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 G 1 và G 2 theo thời gian của SOA1 và SOA2 trong chuyển mạch SMZ với T SW = 12,5ps đối với lược đồ xung điều khiển có công suất không bằng nhau với R opt = 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 2.16: BER của kênh tín hiệu cần tách thay đổi theo công suất đỉnh của tín hiệu

điều khiển CP 55

Hình 2.17: BER của kênh tín hiệu cần tách thay đổi theo công suất đỉnh của tín hiệu điều khiển CP 55

Hình 2.18: BER của kênh tín hiệu cần tách thay đổi theo tỉ số giảm của các xung điều khiển CP khi R=0-1,9dB 56

Hình 2.19: BER của kênh tín hiệu cần tách thay đổi theo tỉ số ghép α C của coupler đầu ra 56

Hình 2.20: Xuyên âm dư theo mô phỏng thay đổi theo tỉ số giảm (R) 57

Hình 2.21: Độ thiệt thòi công suất thu P rx thay đổi theo R với T SW =12,5ps 57

Hình 2.22: Kết quả mô phỏng BER kênh thứ nhất, T SW =12,5 ps 58

Hình 3.1: Cấu trúc gói quang với địa chỉ mào đầu dạng PPM [79] 61

Hình 3.2: Bảng định tuyến thông thường (với N=5, có thể có 32 mẫu địa chỉ P) tại một nút và các tương quan tuần tự [41] 62

Hình 3.3: Tương quan giữa địa chỉ PPM và các mẫu địa chỉ trong PPRT tiêu chuẩn [41] 65

Hình 3.4: Sơ đồ khối MPPRT đối với địa chỉ mào đầu gói 5 bit (N=5) cho nút OPS có 4 cổng đầu ra (K=4) 69

Hình 3.5: Thời gian xử lí mào đầu thay đổi theo số bit trong địa chỉ mào đầu

khi C=1, C=2 hoặc C=3; T b =100ps (R b =10Gb/s); T CE =200ps; T SW =100ps 73

Hình 3.6: Thời gian xử lí mào đầu thay đổi theo số bit trong địa chỉ mào đầu

khi C=1, C=2 hoặc C=3; T b =12,5ps (R b =80Gb/s); T CE =25ps; T SW =12,5ps 74

Hình 3.7: Thời gian xử lí mào đầu thay đổi theo số bit trong địa chỉ mào đầu

khi C=1, C=2 hoặc C=3; T b =6,25ps (R b =160Gb/s); T CE =12,5ps; T SW =6,25ps 74

Hình 3.8: Thời gian xử lí mào đầu thay đổi theo tốc độ bit truyền gói khi N=14 và C=1, C=2 hoặc C=3 75

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; R b =10Gb/s, R b =80Gb/s hoặc R b =160Gb/s 76

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 CR CH2 theo CP SMZ1-OP1 và CP SMZ1-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 P E-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 P E-k PPRT thứ k 93

Hình 4.14: (a) Tương quan của X MPPM và E m ; ( b) Cổng tương quan AND dựa vào chuyển mạch SMZ [41], 94

Hình 4.15: Sơ đồ thiết lập định tuyến đa chặng 97

Hình 4.16: Hiệu quả sử dụng mạng phụ thuộc vào chiều dài gói khi R d =10Gb/s (a) N=5, C=2, T PPM-HP 800ps, T MPPM-HP 425ps và T packet <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 99

Hình 4.17: Hiệu quả sử dụng mạng phụ thuộc vào chiều dài gói khi R d =80Gb/s, (a) N=5, C=2, T PPM-HP 100ps, T MPPM-HP 55ps và T packet <10ms, (b) N=5, C=2, T PPM-HP

100ps, T MPPM-HP 55ps và T packet <10s, (c) N=5, C=2, T PPM-HP 100ps, T MPPM-HP

55ps và T packet <0,01s 100 Hình 4.18: Hiệu quả sử dụng mạng thay đổi theo tốc độ bit truyền gói khi (a) N=5, C=2 và T packet =10ms (b) N=5 , C=2 và T packet =10s (c) N=5 , C=2 và T packet =0,1s 101 Hình 4.19: Xác suất mất gói, PLP thay đổi theo số bước sóng W sử dụng (a) Khi

R d =10Gb/s, k =10 nút, p =10 3 gói/s, T Packet =0,1ms (b) Khi Rd=10Gb/s, k =10 nút,

p =10 6 gói/s, T Packet =1s (c) Khi Rd=10Gb/s, k =10 nút, p =10 8 gói/s, T Packet =0,01s 103 Hình 4.20: Xác suất mất gói, PLP thay đổi theo số bước sóng W sử dụng (a) Khi

R d =80Gb/s, k =10 nút, p =10 3 gói/s, T Packet =0,1ms (b) Khi R d =80Gb/s, k =10 nút,

p =10 6 gói/s, T Packet =1s(c) Khi R d =80Gb/s, k =10 nút, p =10 8 gói/s, T Packet =0,01s 104 Hình 4.21: Sơ đồ thiết lập định tuyến ba chặng trong phần mềm OptiSystem 105 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 108 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 110

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 3 113 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 115 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 116 Hình 4.27: Sơ đồ thiết lập định tuyến ba chặng trong phần mềm OptiSystem 117

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Các tham số của SOA cho tính toán dịch pha 38

Bảng 2.2: Các tham số của SOA cho tính toán mặt cắt khuếch đại 43

Bảng 2.3: Các tham số SOA cho mô phỏng (1) 53

Bảng 2.4: Các tham số SOA cho mô phỏng (2) 53

Bảng 2.5: Các tham số của OTDM và chuyển mạch SMZ cho mô phỏng 54

Bảng 2.6: Kết quả mô phỏng xuyên âm dư thay đổi theo tỉ số giảm 57

Bảng 2.7: Kết quả mô phỏng độ thiệt thòi công suất thu P rx thay đổi theo R với

T SW =12,5ps 57

Bảng 3.1: Bốn mẫu địa chỉ PPM trong bảng PPRT tiêu chuẩn được tạo ra từ bảng định tuyến thông thường (RT) trong hình 3.2 [41] 64

Bảng 3.2: Chuyển đổi PPRT tiêu chuẩn sang MPPRT 68

Bảng 4.1: Các tham số của CEM 86

Bảng 4.2: Các tham số mô phỏng cho định tuyến 3 chặng dựa trên nút OPS 111

MỞ ĐẦU

Chuyển mạch gói là một mô hình thông tin trong đó thông tin được phát dưới dạng gói Ở đây, các gói là các khối dữ liệu rời rạc được định tuyến giữa các nút qua các liên kết dữ liệu Trong mỗi nút mạng, các gói được đệm hoặc phát tới đầu ra và gây ra trễ hàng đợi Điều này là ngược hoàn toàn với chuyển mạch kênh, trong đó các liên kết được thiết lập trước và được giữ cho đến khi truyền xong thông tin Công nghệ chuyển mạch gói được sử dụng để tối ưu dung lượng kênh trong mạng mà vẫn duy trì thời gian truyền dữ liệu qua mạng và tăng khả năng hoạt động cho mạng Chuyển mạch gói thực hiện ghép kênh thống kê với tính hạt băng tần rất mịn [72]

Trong công nghệ chuyển mạch gói quang OPS (Optical Packet Switching) dữ liệu

trong các gói được giữ trong miền quang mà không chuyển đổi O/E

(Optical/Electronic) và E/O (Electronic/Optical) tại các nút chuyển mạch Các ưu

điểm mà công nghệ OPS có được bao gồm cung cấp tốc độ bít cao, khuôn dạng trong suốt và cấu hình mềm dẻo do hoạt động chuyển mạch ở lớp vật lí Ngoài ra, mạng OPS có thể cung cấp phân bổ băng tần động trên cơ sở gói xen gói Phân bổ động này dẫn tới mức độ ghép kênh thống kê cao làm cho mạng đạt được khả năng sử dụng tối

ưu khi lưu lượng thay đổi và có tính bùng nổ

Mạng OPS được phân làm hai loại là mạng đồng bộ và mạng không đồng bộ với các gói có kích cỡ cố định hoặc thay đổi [108] Đối với mạng đồng bộ, tất cả các gói đầu vào phải được đồng chỉnh trước khi đưa vào ma trận chuyển mạch Ngược lại, trong mạng không đồng bộ các gói đến không cần phải đồng chỉnh khi đưa vào

ma trận chuyển mạch, nên hoạt động chuyển mạch gói xen gói có thể xuất hiện ở bất

kể thời điểm nào [121] Tuy nhiên, mạng OPS không đồng bộ rất khó hiện thực hóa

trong thực tế hiện nay, do có một số khó khăn như các RAM (Random Access Memory)

quang bây giờ đang được nghiên cứu và một số công nghệ, một số tiêu chuẩn mới chỉ đang được hoàn thiện

Trong các mạng OPS đồng bộ phân khe vấn đề chính liên quan đến chuyển mạch gói quang là phải xử lí hiệu quả mào đầu gói toàn quang và phải phát triển được các chuyển mạch toàn quang cực nhanh để giảm thiểu thời gian chuyển tiếp gói tại

các nút, ngoài ra còn phải xây dựng được kiến trúc của các nút chuyển mạch hiệu quả trong khi tối ưu hóa được các yêu cầu đệm và vấn đề tranh chấp gói nhằm nâng cao hiệu năng của mạng OPS Hiện nay, với sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ linh kiện quang tử cùng với nhu cầu sử dụng ngày càng tăng nhiều loại hình dịch vụ băng rộng của nhiều khách hàng, việc ứng dụng công nghệ OPS đang thu hút được nhiều quan tâm nghiên cứu

Để có thể hiện thực hóa được công nghệ OPS cần phải vượt qua các thách thức trong việc giảm thời gian xử lí mào đầu gói quang tại các nút cũng như xây dựng các

mô hình kiến trúc chuyển mạch quang nhanh, dung lượng lớn kết hợp các phương pháp đệm, định tuyến hiệu quả Do đó, việc nghiên cứu đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng của mạng OPS là rất cần thiết

Xu hướng nghiên cứu hiện nay trên thế giới là tìm kiếm, đề xuất các giải pháp làm giảm thời gian xử lí gói tại các nút nhằm cải thiện hiệu năng của mạng OPS, đồng nghĩa với mục tiêu tối ưu hoạt động của mạng Theo hướng tiếp cận này, trong luận

án của mình, nghiên cứu sinh hướng tới phát triển giải pháp xử lí mào đầu gói toàn quang dựa trên kỹ thuật tự tương quan song song kết hợp sử dụng các chuyển mạch quang cực nhanh áp dụng cho OPS thông qua mô hình giải tích, cải thiện được các thông số hiệu năng mạng OPS Các kết quả nghiên cứu được đánh giá và minh chứng qua phân tích số và mô phỏng Các mô hình toán học và chương trình tính toán mô phỏng này sẽ là công cụ hỗ trợ cho những nghiên cứu tiếp theo, cho việc thiết kế, đánh giá tính khả thi và điều kiện hoạt động tin cậy của mạng OPS phân khe đồng bộ Đây chính là ý nghĩa khoa học của luận án Ý nghĩa thực tiễn mà nghiên cứu hy vọng đạt được thể hiện ở giải pháp mà luận án đưa ra nhằm cải thiện hiệu năng, cụ thể giảm thời gian xử lý gói tại các nút và tăng được cự ly các chặng kết nối trong mạng OPS,

từ đó góp phần thúc đẩy quá trình triển khai ứng dụng công nghệ mạng OPS trong mạng truyền thông

Mục tiêu chính mà luận án hướng đến là nghiên cứu tìm kiếm 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

Đối tượng nghiên cứu của luận án là mạng OPS và hiệu năng của mạng OPS Phạm vi nghiên cứu giới hạn với các mạng OPS đồng bộ phân khe Tham số hiệu năng của nút và mạng OPS được đánh giá, khảo sát trong luận án này là thời gian xử

lý mào đầu, công suất phát quang trung bình, hiệu quả sử dụng mạng, xác suất mất gói và tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, các nhiệm vụ nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận án bao gồm:

1 Nghiên cứu tổng quát về OPS: Tập trung nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu năng; Phân tích đánh giá các kết quả nghiên cứu của các tác giả đi trước để rút ra những hạn chế và phát hiện hướng nghiên cứu của mình

2 Đề xuất ý tưởng nâng cao hiệu năng, tiến hành nghiên cứu xây dựng giải pháp nâng cao hiệu năng dựa trên các ý tưởng khả thi

3 Kiểm chứng các giải pháp đã nghiên cứu xây dựng Luận án sử dụng mô hình giải tích và mô hình mô phỏng để kiểm chứng

Trên cơ sở các nhiệm vụ nghiên cứu đã nêu ở trên, nghiên cứu sinh dựa trên phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng Phương pháp nghiên cứu

lý thuyết dựa trên mô hình giải tích được sử dụng cho nghiên cứu về nguyên lý hoạt động của các phần tử mạng OPS như chuyển mạch toàn quang cực nhanh, xử lý mào đầu gói toàn quang Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng được

sử dụng để đánh giá hiệu năng nút và mạng OPS

Với các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu đã nêu ở trên, các kết quả nghiên cứu của luận án được bố cục thành bốn chương với các nội dung chính như sau:

Chương 1 với tiêu đề “Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ” trình bày về mô

hình kiến trúc mạng và nút OPS, các giải pháp xử lý mào đầu gói trong mạng chuyển

mạch quang, các công nghệ chuyển mạch quang Các tham số đánh giá hiệu năng mạng OPS cũng được giới thiệu trong chương này Nội dung chính của chương tập trung khảo sát các các nghiên cứu liên quan đến hiệu năng hệ thống OPS, từ đó phát hiện ra một số vấn đề tồn tại của các nghiên cứu trước đây và xác định hướng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu cũng như phương thức tiếp cận, giải quyết của luận án Một phần nội dung của chương liên quan tới vấn đề khảo sát các chuyển mạch quang trong OPS và vấn đề xử lý mào đầu gói quang đã được nghiên cứu sinh công bố trong 3 bài báo đăng trên Tạp chí Công nghệ thông tin và truyền thông [J6],[J7],[J8]

Chương 2 với tiêu đề “Phát triển chuyển mạch SMZ với coupler đầu ra không đối xứng và xung điều khiển công suất khác nhau ở hai nhánh” trình bày

về mô hình giải tích, các tham số về chuyển mạch quang cực nhanh Mach-Zehnder

đối xứng SMZ (Symmetric Mach-Zehnder) và các ứng dụng SMZ trong xử lý toàn

quang Đóng góp mới của luận án trong chương này là kết quả nghiên cứu của nghiên cứu sinh liên quan đến việc hoàn thiện kết quả của các tác giả trước đề xuất nhằm cải thiện hiệu năng của chuyển mạch SMZ Một phần nội dung của chương 2 liên quan đến chuyển mạch SMZ với coupler đầu ra không đối xứng và xung điều khiển công

suất khác nhau ở hai nhánh đã được công bố trong 01 bài báo đăng trên Tạp chí nghiên

cứu khoa học và công nghệ quân sự - Viện khoa học Công nghệ và Quân sự [J4]

Chương 3 với tiêu đề “Phát triển giải pháp xử lý mào đầu gói toàn quang dựa trên kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi” trình bày về phương pháp xây dựng

các mô hình giải tích nhằm khảo sát hiệu năng các giải pháp xử lý mào đầu gói toàn quang Đặc biệt, đóng góp của luận án trong chương này là đề xuất giải pháp xử lý mào đầu gói toàn quang dựa trên kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM-

Modified Pulse Position Modulation) nhằm cải thiện hiệu năng quá trình xử lý mào

đầu gói Các đóng góp của luận án được trình bày trong chương này đã được công bố

trong 01 bài báo báo đăng trên Tạp chí nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự -

Viện khoa học Công nghệ và Quân sự [J1]

Chương 4 với tiêu đề “Xây dựng khối xử lý mào đầu toàn quang dựa trên

kỹ thuật MPPM sử dụng cho nút chuyển mạch gói toàn quang” tập trung trình bày

về mô hình kiến trúc nút chuyển mạch gói toàn quang mới MPPM-HP (MPPM-

Header Processing) Giải pháp cải thiện hiệu năng cho nút mạng và mạng OPS được

đề xuất trong chương này là khối xử lý mào đầu toàn quang dựa trên kỹ thuật MPPM Tính đúng đắn của đề xuất được xác minh thông qua phân tích lý thuyết và kiểm chứng qua mô phỏng thông qua các tham số hiệu năng Các đóng góp của luận án trong chương này đã được công bố trong 02 bài báo khoa học: 01 bài báo đăng trên

Tạp chí nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự - Viện khoa học Công nghệ và

Quân sự [J2], 01 bài báo đăng trên Tạp chí quốc tế (International Journal of

Electronics and Data Communications, Vol.3, No.3, pp.90-99, Nov 2015) [J3] và 01

bài báo được chấp nhận đăng trên Tạp chí khoa học và công nghệ - Trường Đại học

Công nghiệp Hà Nội [J5]

Trong phần Kết luận, nghiên cứu sinh tóm tắt các nội dung đề xuất chính trình

bày trong luận án cùng với những bàn luận xung quanh đóng góp mới cả về ưu điểm

và nhược điểm từ đó đưa ra những gợi mở cần tiếp tục nghiên cứu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tóm tắt (1): Nội dung của chương trình bày về các đặc tính kỹ thuật của mạng chuyển

mạch gói quang OPS (Optical Packet Switching), các giải pháp xử lý mào đầu gói trong mạng chuyển mạch quang, giới thiệu một số công nghệ chuyển mạch quang, các tham số đánh giá hiệu năng mạng OPS [J6],[J7],[J8] Nội dung chính của chương

sẽ tập trung khảo sát các nghiên cứu liên quan đến hiệu năng mạng OPS để từ đó tìm

ra các hạn chế của các nghiên cứu trước đây và đề xuất hướng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và hướng tiếp cận, giải quyết của luận án

1.1 GIỚI THIỆU MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG

Trong những năm gần đây lưu lượng Internet đã tăng rất nhanh là do số lượng

người sử dụng WWW (World Wide Web) tăng đột biến, ngày càng có nhiều máy chủ

thông tin trực tuyến, các loại hình dịch vụ mạng đã được phát triển rộng rãi, công nghệ truyền thông đa phương tiện tích hợp dữ liệu âm thanh và hình ảnh đóng vai trò hết sức quan trọng Vì vậy việc mở rộng băng tần mạng là một nhu cầu cấp bách Với sự tăng trưởng bùng nổ của Internet và sự phát triển nhanh của kỹ thuật

ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao (DWDM- Dense Wavelength

Division Multiplexing), sợi quang đã trở thành môi trường truyền tải hoàn hảo cho

các mạng tốc độ cao hiện tại và trong tương lai Trong hệ thống DWDM, mỗi sợi quang truyền đồng thời được rất nhiều kênh, mỗi kênh hoạt động ở một bước sóng khác nhau Một hệ thống truyền dẫn quang như thế có thể cung cấp dung lượng hơn

50 Tb/s trên một sợi quang [76]

Các mạng điển hình hiện nay thường có mô hình nhiều lớp và mỗi lớp có một

kỹ thuật khác nhau, thí dụ mô hình IP/ATM/SDH/DWDM gồm bốn lớp: Lớp IP

(Internet Protocol) để truyền các dịch vụ và các ứng dụng, lớp ATM (Asynchronous

Transfer Mode) dành cho kỹ thuật lưu lượng, lớp SONET/SDH (Synchronous Optical Network/ Synchronous Digital Hierachy) dành cho truyền tải và lớp DWDM dành

cho băng thông Khi một luồng dữ liệu đến một điểm chuyển mạch, tín hiệu dữ liệu quang được biến đổi thành dạng điện, việc xử lý và chuyển mạch được thực hiện trong miền điện Quá trình này được gọi là biến đổi quang/ điện (O/E) Khi tín hiệu

dữ liệu dạng điện chuyển tới cổng đầu ra, nó sẽ được biến đổi ngược lại thành tín hiệu quang (E/O) Những điểm chuyển mạch như thế đã thực hiện chuyển đổi O/E/O Trong các mạng này, chất lượng truyền tín hiệu sẽ bị hạn chế bởi khả năng xử lý trong miền điện Mặc dù hiện nay các bộ định tuyến IP điện tử tốc độ cao có dung lượng lên tới vài trăm Gb/s nhưng vẫn không tương xứng với dung lượng truyền dẫn của hệ thống quang DWDM [69]

Nếu lưu lượng IP đóng vai trò chính thì kiến trúc mạng phân lớp truyền thống không còn thích hợp với sự phát triển của Internet nữa Trong kiến trúc nhiều lớp, mỗi lớp có thể làm hạn chế đến qui mô và tăng thêm chi phí cho toàn bộ mạng Do

dung lượng của cả các bộ định tuyến và các bộ nối chéo quang (OXC- Optical

Cross-Connect) tăng nhanh, nên luồng dữ liệu quang tốc độ cao được đề xuất bỏ qua các

lớp ATM và SONET/SDH và chuyển các chức năng cần thiết của chúng đến lớp khác [69] Kết quả là mạng có chi phí hiệu quả hơn mà vẫn truyền tải được lưu lượng rất lớn, đồng thời kiến trúc lại rất đơn giản IP/quang được xem là một giải pháp hứa hẹn cho mạng thế hệ sau vì nó không còn có các lớp trung gian, do đó có thể bỏ qua các chức năng không cần thiết của các lớp trung gian này

Còn có một số khó khăn trong việc hiện thực hóa mạng toàn quang, như các RAM quang bây giờ đang được nghiên cứu và một số công nghệ và một số tiêu chuẩn đang được hoàn thiện Do đó việc xử lý các gói IP trong miền quang vẫn chưa được thực hiện và hệ thống điều khiển bộ định tuyến chỉ được thực hiện bằng điện tử Trong những năm qua, hầu như chỉ nghiên cứu các mạng truyền tải quang bán trong

suốt, trong đó bản tin điều khiển được xử lý trong miền điện và dữ liệu được truyền trong các kênh quang tốc độ cao Để hiện thực hóa kiến trúc IP/DWDM, các nhà nghiên cứu mạng đã đề xuất một số phương pháp như chuyển mạch kênh quang

(OCS- Optical Channel Switching) còn được gọi là mạng định tuyến bước sóng (WR-

Wavelength Routing), chuyển mạch burst quang (OBS- Optical Burst Switching) và

chuyển mạch gói quang (OPS) Các kỹ thuật chuyển mạch này khác nhau chủ yếu dựa vào các tài nguyên mạng được phân bổ như thế nào và mức độ chi tiết hoá băng tần đối với phân bổ tài nguyên mạng [12]

Trong mạng OCS, một kết nối toàn quang gọi là một đường quang được thiết lập để tạo một kênh nối giữa hai nút biên thông qua các nút lõi Các đường này có thể thiết lập động theo các yêu cầu kết nối trong mạng hoặc được cung cấp tĩnh dựa trên các yêu cầu lưu lượng Dù OCS phù hợp với lưu lượng có tốc độ cố định như lưu lượng thoại, nhưng nó có thể không phù hợp với lưu lượng thay đổi [12] Hơn nữa,

do các đường quang được thiết lập khi sử dụng sơ đồ hai hướng nên phải chịu trễ quay vòng Mào đầu thiết lập kết nối lớn nên không phù hợp đối với các lưu lượng nhỏ Hơn nữa, khi lưu lượng bùng nổ thì phải có khả năng giám sát băng tần để cung cấp tải lưu lượng cao nhất, dẫn đến sử dụng mạng không hiệu quả khi tải nhỏ hoặc rỗi [92]

Trong mạng OBS, dữ liệu vào được ghép thành các đơn vị cơ bản gọi là burst

dữ liệu, sau đó được truyền qua mạng lõi quang Báo hiệu điều khiển (được thực hiện ngoài băng nhờ các gói điều khiển) mang thông tin về chiều dài, địa chỉ đích và yêu

cầu QoS (Quality of Service) của burst quang Gói điều khiển tách rời burst một

khoảng thời gian bù, cho phép gói điều khiển được xử lý tại mỗi nút trung gian trước khi dữ liệu burst đến OBS cung cấp phân bổ băng tần động và ghép kênh dữ liệu thống kê [35], [94]

Trong mạng OPS, dữ liệu được phát dưới dạng các gói quang và được chuyển qua các nút trung gian mà không phải chuyển thành dạng điện Mạng OPS có thể cung cấp phân bổ băng tần động trên cơ sở gói xen gói Phân bổ động này dẫn tới

mức độ ghép kênh thống kê cao làm cho mạng đạt được khả năng sử dụng tối ưu khi lưu lượng thay đổi và có tính bùng nổ [35]

Mong muốn đối với các mạng truyền tải quang trong tương lai là truyền lưu lượng ngày càng tăng và phục vụ được đa dạng các loại hình dịch vụ trong điều kiện các mẫu lưu lượng thay đổi động Các nghiên cứu trong những năm vừa qua đã đưa

ra một số kết quả có tính thuyết phục là các kiến trúc mạng quang OCS có các chức năng xử lý và định tuyến đơn giản trong mạng DWDM tốc độ bit cao, dung lượng lớn [36], [123] Tuy nhiên, kiến trúc này có hạn chế là hiệu suất sử dụng băng tần không hiệu quả, tính linh hoạt thấp Đối với mạng OBS ưu điểm là không cần sử dụng các bộ nhớ quang nhưng do phải ghép/tách các gói IP vào/từ burst tại các nút biên và trễ truyền burst lớn, nên hiệu năng không cao Hiện nay, với những tiến bộ đạt được trong việc nghiên cứu chế tạo các bộ đệm quang, các chuyển mạch quang tốc độ cao cũng như đề xuất các kỹ thuật xử lí thông tin điều khiển toàn quang đã mở ra một tương lai đầy hứa hẹn cho mạng OPS [7], [15], [47] Trong tương lai, khi có hệ thống mạng toàn quang trở thành hiện thực mạng sẽ cung cấp các kết nối trong miền kênh quang (bước sóng) giữa các bộ định tuyến biên trên một mạng lõi quang; nếu lúc này các kết nối kênh quang là hoàn toàn tĩnh, chúng không thể tự cung cấp lưu lượng một cách hiệu quả Lý tưởng để cung cấp tốt nhất trong mạng quang là chuyển mạch quang tại mức gói quang [30]

Mạng viễn thông Việt Nam hiện đang trong giai đoạn chuyển đối, hướng tới mạng NGN Với tốc độ phát triển cơ sở hạ tầng như hiện nay, khả năng ứng dụng chuyển mạch quang trong mạng viễn thông Việt Nam là rất lớn Hiện nay chuyển mạch kênh quang đang được thực hiện Chuyển mạch kênh quang sẽ đóng vai trò rất lớn khi nâng cấp mạng quang WDM điểm-điểm thành thế hệ mạng quang trong định tuyến theo bước sóng DWDM Trong xu hướng phát triển mạng truyền tải toàn quang, chuyển mạch quang sẽ tiến tới chuyển mạch gói quang Việc ứng dụng chuyển mạch quang cho mạng viễn thông Việt Nam trong tương lai cần phải xây dựng mục tiêu đáp ứng lưu lượng chuyển mạch cũng như khả năng duy trì mạng

1.1.1 Kiến trúc trúc mạng chuyển mạch gói quang

Kiến trúc chung của mạng OPS được trình bày như trong hình 1.1 Kiến trúc mạng gồm có mạng lõi và mạng khách hàng (client) Nút biên hoạt động như một

giao diện giữa mạng khách hàng và mạng lõi và nằm ở biên của mạng Tại nút biên các gói điện đến được tập hợp và sắp xếp vào các gói quang với tải trọng có tốc độ bít rất cao nhằm sử dụng hiệu quả băng tần của mạng lõi Phần mào đầu tốc độ bít thấp cũng được thêm vào và được chuyển vào mạng lõi Thông tin lưu trong mào đầu được sử dụng để định tuyến gói Các gói quang được chuyển qua các nút lõi với tải trọng vẫn được duy trì trong miền quang Khi các gói đến các nút biên đầu ra các gói điện được tách từ tải trọng và đưa đến các mạng khách hàng

Hình 1.1: Kiến trúc chung của mạng chuyển mạch gói quang [124]

Do đó, vấn đề then chốt liên quan đến mạng quang là thiết kế cấu trúc bộ định tuyến/chuyển mạch để thực hiện hoạt động chuyển mạch hiệu quả với tốc độ dữ liệu cao Các chuyển mạch này được phân thành các chuyển mạch quang hoặc chuyển mạch toàn quang Trong phương thức chuyển mạch quang dữ liệu vẫn được giữ trong miền quang mà không cần một sự chuyển đổi O/E và E/O nào ở các nút trung gian nhưng hoạt động điều khiển phải thực hiện trong miền điện Chuyển mạch gói quang vẫn cung cấp tốc độ bít cao, khuôn dạng trong suốt và cấu hình mềm dẻo do hoạt động chuyển mạch ở lớp vật lí Trong phương thức toàn quang, truyền dữ liệu và xử

lí tín hiệu được thực hiện trong miền quang

Nói chung mạng OPS được phân làm hai loại: Mạng đồng bộ và mạng không đồng

bộ với kích cỡ gói cố định hoặc kích cỡ gói thay đổi [108]

1.1.2 Nút chuyển mạch gói quang

Hình 1.2 đưa ra sơ đồ khối chung của một nút chuyển mạch gói quang Các

khối chức năng chính bao gồm [97], [104]: Khối đầu vào; Khối đệm và chuyển mạch; Khối điều khiển; Khối đầu ra

Các gói quang khi đến nút chuyển mạch sẽ được đưa qua một bộ tách kênh

quang (ODEMUX- Optical DeMultiplexer) để tách phần tải trọng đưa vào bộ đệm

quang (đường dây trễ), và thông tin điều khiển đưa vào khối đầu vào của khối điều khiển chuyển mạch nhằm xử lý lấy thông tin định tuyến để điều khiển khối chuyển mạch Thực hiện chuyển mạch gói dữ liệu tới đầu ra phù hợp, rồi qua bộ ghép quang

(OMUX- Optical Multiplexer) và được đưa lên đường truyền quang tới nút tiếp theo

trên đường đi từ nút nguồn tới nút đích

Hình 1.2: Sơ đồ khối chung của nút chuyển mạch gói quang [97]

1.1.2.1 Khối giao diện đầu vào

Chức năng chính của khối giao diện đầu vào là thu, đồng chỉnh gói quang để chuẩn bị đưa vào trường chuyển mạch và tách thông tin điều khiển đưa lên khối điều khiển chuyển mạch

Đồng chỉnh gói là vấn đề cơ bản cần phải quan tâm khi các chuyển mạch quang đơn kết hợp thành mạng chuyển mạch tập trung hoặc phân tán Để thực hiện định

tuyến thành công, cần phải đồng chỉnh các gói trong cơ cấu chuyển mạch nhờ mào đầu trong bộ xử lí định tuyến Nói chung, đồng bộ trong mạng chuyển mạch gói quang được chia làm hai loại tùy thuộc mạng phân khe (đồng bộ) và không phân khe (không đồng bộ) Do trạng thái cơ cấu chuyển mạch chỉ thay đổi ở các thời điểm riêng biệt, nên người thiết kế mạng quyết định (hoặc không) đồng chỉnh tất cả các gói đầu ra trước khi đưa vào cơ cấu chuyển mạch Trong cả hai trường hợp này, đồng bộ bit và khôi phục đồng hồ nhanh được yêu cầu để nhận ra mào đầu gói Trong mạng phân khe, các gói kết hợp với mào đầu để đặt vào trong một khe thời gian cố định Độ dài khe lớn hơn độ dài tổng của gói Điều này sẽ cung cấp băng bảo vệ hiệu quả giữa các gói Trong hầu hết các trường hợp, đệm quang được thực hiện bằng cách sử dụng các vòng sợi hoặc các đường dây trễ có trễ truyền bằng hoặc là bội số của chiều dài khe Dẫn đến yêu cầu tất cả các gói đến ở các cổng đầu vào phải được đồng chỉnh trong ranh giới khe thời gian với tham chiếu định thời nội bộ Trong mạng không phân khe, các gói đến có thể có hoặc không có cùng kích cỡ Các gói đến và đưa vào chuyển mạch mà không cần phải đồng chỉnh Ở đây khả năng xẩy ra tranh chấp lớn hơn bởi

vì cách thức hoạt động của các gói đầu vào là không dự đoán trước được và ít được chỉnh lại Trong các mạng này, bộ đệm quang sẽ phức tạp hơn Bằng cách thiết kế hiệu quả cấu trúc nút và các giao thức theo các đặc tính mạng thì có thể đạt được hiệu năng mong muốn ngay cả trong hệ thống không phân khe [97]

1.1.2.2 Khối điều khiển chuyển mạch

Khối này thực hiện thu nhận các thông tin từ khối đầu vào và phân tích thông tin điều khiển nhằm tìm kiếm cơ sở dữ liệu định tuyến (thông tin này nằm trong phần mào đầu của gói quang) và thực hiện điều khiển khối chuyển mạch (lựa chọn cổng ra

và sau đó cấu hình các phần tử chuyển mạch để gói được chuyển tới cổng ra mong muốn tại thời điểm lập lịch) Ngoài ra sau khi phân tích xong thông tin điều khiển còn phải có chức năng cấu tạo lại phần thông tin điều khiển đưa tới khối đầu ra (tráo đổi/tái tạo mào đầu)

1.1.2.3 Khối đệm và chuyển mạch quang

Đây là thành phần chính trong mỗi nút chuyển mạch quang thực hiện chức năng chuyển mạch thông tin từ đầu vào tới đầu ra theo yêu cầu và giải quyết tranh chấp gói

Chuyển mạch là cơ chế thực hiện cấu hình trạng thái/liên kết chuyển mạch để chuyển gói tới cổng ra được chọn

Tranh chấp gói xẩy ra khi ở đầu vào của chuyển mạch, có thể nhận đồng thời nhiều gói yêu cầu chuyển tiếp tới cùng một cổng đầu ra Do một gói được phát đến cổng ra tại thời điểm đã cho nên xuất hiện tranh chấp Để giải quyết tranh chấp có thể

sử dụng ba giải pháp sau [3], [38], [75]: Định tuyến lệch hướng trong miền không gian; Chuyển đổi bước sóng trong miền quang; Đệm quang trong miền thời gian

1.1.2.4 Khối giao diện ra

Thực hiện đệm đầu ra, ghép thông tin tải trọng và thông tin điều khiển mới (thay thế mào đầu), biến đổi thành tín hiệu phù hợp với đường truyền và đưa lên đường truyền dẫn.Thay thế mào đầu liên quan đến việc tính toán, tạo và chèn lại mào đầu với tải trọng trước khi ra khỏi cổng ra chuyển mạch tương ứng Có một số trường hợp trong đó yêu cầu các chức năng này, nghĩa là trong một chuyển mạch gói toàn quang thì mào đầu được tách hoàn toàn khỏi tải trọng để xử lí, hoặc các chiến lược định tuyến yêu cầu thay đổi mào đầu gói Quan trọng là kỹ thuật tái tạo mào đầu phải hoạt động với các chuyển mạch nối tầng và độc lập với số chuyển mạch và gói chuyển qua

Cấu trúc chung của gói gồm có mào đầu và tải trọng Mào đầu chỉ chứa thông tin được xử lí bởi các chuyển mạch Nó có thể bao gồm địa chỉ đích, ưu tiên, bit chèn gói và chiều dài gói Tải trọng chứa thông tin chỉ xử lí bởi nguồn và đích Nó có thể bao gồm dữ liệu, số gói và địa chỉ nguồn Vì mào đầu được xử lí tại mỗi nút chuyển mạch, nên mong muốn mào đầu phải có tốc độ bit cố định tương đối nhỏ Sử dụng các gói có chiều dài cố định sẽ đơn giản thực hiện giải quyết tranh chấp, định tuyến gói và đồng bộ gói Chuyển mạch gói không yêu cầu liên kết có băng tần dữ trữ hoặc dành riêng Phụ thuộc vào mạng và băng tần sẵn có trên các đường khác nhau thì bất

cứ gói nào cũng đều có thể chiếm một số tuyến để đi đến đích Trong trường hợp này, trong các gói có số tuần tự để đảm bảo các gói không bị thu nhầm nếu chúng đến không đúng trật tự Kích cỡ của các gói (cố định/thay đổi) phụ thuộc vào cấu trúc thiết kế mạng

1.2 CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ MÀO ĐẦU GÓI QUANG TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG

1.2.1 Các giải pháp xử lý mào đầu gói quang

Theo các tài liệu đã công bố hiện nay, giải pháp xử lí mào đầu gói được phân làm hai loại chính là giải pháp xử lí mào đầu gói trong miền điện và giải pháp xử lí mào đầu gói trong miền quang

Giải pháp xử lí mào đầu gói trong miền điện đã được công bố trong các dự án: RACE ATMOS [71], KEOPS [46] và WASPNET [84] Trong giải pháp xử lí mào đầu gói này, dùng kỹ thuật khóa ON-OFF nhờ các phần tử biến đổi quang-điện

Xử lý mào đầu gói trong miền toàn quang là một thách thức lớn cho các nút chuyển mạch gói quang Chuyển mạch gói quang yêu cầu xử lý tín hiệu của địa chỉ mào đầu gói quang bên trong nút Nó bao gồm việc tách mào đầu gói tin (bộ định thời và địa chỉ) và hoạt động tương quan địa chỉ gói tin Việc xử lý mào đầu thông thường được thực hiện ở miền điện bằng cách truyền các mào đầu gói ở tốc độ thấp hơn nhiều so với tải trọng [71] Trong chuyển mạch gói quang, nhận dạng mào đầu gói thường được thực hiện bằng cách truyền các mào đầu gói và tải trọng trong hai miền khác nhau (biên độ, bước sóng, pha, hoặc phân cực) [52], [61] Tuy nhiên, đây không phải là một nhiệm vụ dễ dàng để duy trì cùng một phân cực hoặc pha giống nhau dọc theo đường truyền vì tác động, ảnh hưởng của tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến kết hợp trong các sợi quang và các thiết bị quang [61], [89] Mào đầu gói truyền

ở dạng biên độ khác nhau cũng bị ảnh hưởng xấu đi do sự biến thiên công suất gây

ra bởi suy hao công suất khác nhau/ đặc tính khuếch đại của mỗi đường quang dọc theo đường truyền [61] Mào đầu truyền với bước sóng khác nhau sẽ dẫn đến thời

gian đến khác nhau do ảnh hưởng của tán sắc vận tốc nhóm (GVD- Group Velocity

Dispersion) khi một gói tin truyền qua mạng Chuyển mạch gói quang đã được nghiên

cứu rộng rãi để thực hiện định tuyến trong mạng toàn quang [47], [50] Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, mào đầu tráo đổi/ điều chế được yêu cầu tại mỗi nút chuyển mạch, do đó làm tăng sự phức tạp của các bộ định tuyến [50], [62] Một số sơ

đồ xử lý mào đầu gói toàn quang và tương quan địa chỉ đã được đề xuất, và có thể được phân thành ba loại:

1- Tự định tuyến [53], [58]: Địa chỉ mào đầu gói được thiết lập để trực tiếp điều khiển trạng thái đóng/ mở của các chuyển mạch đầu ra Mô hình này ít phức tạp hơn vì không có mối tương quan giữa địa chỉ và bảng định tuyến Tuy nhiên, khi số chặng tăng thì phải tăng chiều dài của trường địa chỉ mào đầu gói

2- Bộ tương quan cách tử Bragg sợi quang (FBG- Fiber Bragg Grating) [49], [72]:

Một thiết bị thụ động thường được sử dụng trong mạng Tuy nhiên, khi chiều dài của địa chỉ mào đầu tăng, số lượng bộ tương quan yêu cầu cũng tăng tỉ lệ theo

3- Tương quan cổng logic: Tất cả các cổng logic quang, chẳng hạn như cổng XOR [101], [114] và cổng AND [74] thường được sử dụng để so sánh các thông tin địa chỉ với bảng định tuyến nội bộ Tuy nhiên, sự phức tạp của các khối nhận dạng địa chỉ càng lớn khi tăng độ dài địa chỉ

1.2.2 Các vấn đề đặt ra khi xử lý mào đầu gói quang

Trong mạng chuyển mạch gói quang (OPS), các mào đầu gói quang được gắn với tải trọng của gói quang và tốc độ tải trọng thường lớn hơn nhiều so với tốc độ mào đầu gói quang Mào đầu gói quang được truyền đi cùng với tải trọng, tuy nhiên đến một nút chuyển mạch thì mào đầu gói quang phải được tách ra để xử lí nhằm thực hiện định tuyến đường đi tiếp theo cho gói quang, dẫn đến hiện tượng gói quang bị trễ và gây ra nghẽn cổ chai tại nút Mặt khác, trong các nút chuyển mạch gói quang

có các đầu vào/ra lớn đòi hỏi khối xử lý mào đầu gói quang phức tạp, số lượng các

bộ tương quan quang lớn

Như vậy để giải quyết các vấn đề đã đặt ra, cần phải chọn được giải pháp xử

lí mào đầu gói toàn quang hiệu quả: chiều dài trường địa chỉ mào đầu gói phải nhỏ, thời gian xử lí tiêu đề địa chỉ phải nhanh, số lượng các bộ tương quan trong khối xử

lí mào đầu gói quang phải nhỏ Đây cũng làmục tiêu chính mà luận án hướng đến là

nghiên cứu tìm kiếm 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 toàn quang cực nhanh

1.3 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH QUANG

Theo thời gian chuyển mạch, công nghệ chuyển mạch được chia làm hai nhóm Nhóm 1, có thời gian chuyển mạch > 1ps; Nhóm 2, có thời gian chuyển mạch < 1ps (gọi là các chuyển mạch quang cực nhanh) [34], [78]

Nhóm 1 đã có một số công nghệ chuyển mạch quang được đề xuất:

(a) Chuyển mạch hệ thống vi cơ điện (MEMS- Micro-Electro-Mechanical

Systems): trong đó các gương rất nhỏ được đặt trong các đế silic và điều khiển

nó nhờ sử dụng phương pháp điện từ Thời gian chuyển mạch của các MEMS

là khoảng 10ms [11], [116]

(b) Chuyển mạch tinh thể lỏng: Gắn điện áp vào tế bào để thay đổi phân cực ánh

sáng Nhờ sử dụng bộ tách và kết hợp tia phân cực, ánh sáng được chuyển mạch Thời gian chuyển mạch của các chuyển mạch tinh thể khoảng 4ms [70], [89]

(c) Chuyển mạch bọt (bubble): Sử dụng công nghệ tương tự máy in phun, nhằm

tạo ra các bọt để làm lệch ánh sáng Thời gian chuyển mạch của chuyển mạch

bọt khoảng 10ms [70], [89]

(d) Chuyển mạch nhiệt – quang: Sử dụng nhiệt độ để thay đổi chiết suất của hai

ống dẫn sóng Khi đó pha của tín hiệu trên hai ống dẫn sóng sẽ khác nhau, dẫn đến làm chuyển mạch tín hiệu Thời gian chuyển mạch của các chuyển mạch

nhiệt- quang khoảng 3ms [70], [89]

(e) Chuyển mạch điện- quang: Để thay đổi chiết suất trong vùng ghép nhờ điện

áp gắn vào Thời gian chuyển mạch của các chuyển mạch điện quang khoảng

10ps [70], [89]

(f) Chuyển mạch quang- âm: Hoạt động của thiết bị này dựa trên hiệu ứng

quang- âm Hiệu ứng này là do sự thay đổi chiết suất của môi trường, gây ra

do căng cơ học khi sóng âm bề mặt truyền qua Các sóng này thiết lập một

cách tử nhiễu xạ trong môi trường Bước cách tử có thể làm thay đổi phân cực

tín hiệu quang khi truyền qua môi trường

(g) Ngoài ra, trong những năm gần đây cũng đã có các nghiên cứu về chuyển mạch quang cực nhanh dựa trên các vật liệu mới như Ôxit thiếc Indi [48], dàn tinh thể tổ ong của các nguyên tử Cácbon [81], với ưu điểm dễ tích hợp và đặc biệt là tiêu thụ năng lượng quang thấp (6.0 mW cm-2) Thời gian chuyển mạch của loại chuyển mạch này khoảng 63ps [17]

Nhóm 2 là các chuyển mạch toàn quang cực nhanh:

Tất cả các chuyển mạch như bộ giao thoa phi tuyến cực nhanh (UNI- Ultrafast

Nonlinear Interferometer) [87], bộ tách không đối xứng quang Terahertz (TOAD- Terahertz Optical Asymmetric Demultiplexer) [64], [99], và bộ giao thoa Mach-

Zehnder (MZI- Mach-Zehnder Interferometer) [60], [65], [114] dựa trên hiệu ứng điều chế pha chéo (XPM- Cross Phase Modulation) của SOA (Semiconductor

Optical Amplifier), để làm lệch pha tín hiệu trong bộ giao thoa dẫn đến làm chuyển

mạch tín hiệu

Các chuyển mạch toàn quang dựa trên hiệu ứng XPM của SOA được sử dụng rộng rãi cho chức năng định tuyến trong miền quang do thời gian chuyển mạch cực nhanh (< 1ps) [34], [78] Các chuyển mạch này sẽ được nghiên cứu cụ thể trong nội dung chương 2

1.4 CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG

Thuật ngữ hiệu năng là một khái niệm chung Nó có thể được xem là hiệu suất các bit được hình thành, chuyển tải và thu trong mạng Các tham số hiệu năng điển hình trong trường hợp này là tỉ số lỗi bit (BER) hoặc tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) Cũng có thể coi hiệu năng là hiệu suất các gói truyền tải qua mạng bằng các giao thức mạng Các giao thức mạng khi hoạt động có thể bị trễ và đôi khi gây mất gói, nên các tham số hiệu năng chủ yếu là trễ gói trung bình (thời gian xử lí gói) và xác suất mất gói mà cơ bản được xem là tỉ lệ mất gói trong mạng