Cải thiện hiệu năng mạng chuyển mạch gói toàn quang đa chặng sử dụng phương pháp xử lý mào đầu điều chế vị trí xung sửa đổi

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[r]

CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN MẠCH GĨI TỒN QUANG ĐA CHẶNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ MÀO ĐẦU

ĐIỀU CHẾ VỊ TRÍ XUNG SỬA ĐỔI

IMPROVING THEPERFORMANCE OF MULTI-HOP ALL-OPTICAL PACKET - SWITCHING USING A MODIFIED PULSE POSITION MODULATION HEADER PROCESSING METHOD

Cao Hồng Sơn

TĨM TẮT

Bài báo trình bày mơ hình mô đánh giá hiệu mạng chuyển mạch gói quang (OPS) đa chặng dựa nút chuyển mạch gói tồn quang sử dụng khối xử lý mào đầu điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM) đề xuất Các kết tính tốn mơ cho thấy thời gian xử lý mào đầu nút mạng giảm đáng kể tham số hiệu mạng dựa tỉ số tín hiệu nhiễu quang (OSNR) cải thiện so với trường hợp mạng sử dụng giải pháp xử lý mào đầu điều chế vị trí xung thơng thường (PPM)

Từ khóa: Chuyển mạch gói quang (OPS), chuyển mạch gói quang đồng với các gói kích cỡ cố định, xử lý mào đầu gói quang dựa MPPM

ABSTRACT

In this paper we present the modeling and simulation to estimate the performance of Multi-hop All-Optical Packet Switching using Modified Pulse Position Modulation (MPPM) Header Processor The numerical and simulated results show that the processing time of the nodes in the network is significantly reduced and that the network performance in terms of the optical signal-to-noise ratio (OSNR) is improved compared to that of the network using conventional pulse position modulation (PPM) method

Keywords: Optical packet switching (OPS), synchronous OPS switching with fixed-sized packets, MPPM-based optical packet header processing

Khoa Viễn thông 1, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Email: sonch@ptit.edu.vn

Ngày nhận bài: 15/9/2018

Ngày nhận sửa sau phản biện: 08/11/2018 Ngày chấp nhận đăng: 25/12/2018

1 GIỚI THIỆU

Ngày nay, với bùng nổ mạng Internet, gia tăng nhanh chóng số lượng người sử dụng dịch vụ ứng dụng dịch vụ IP, cần thiết phải phát triển hệ thống thơng tin tồn quang nhằm đảm bảo băng tần truyền dẫn lớn hơn, độ tin cậy kết nối đầu cuối - đầu cuối cao chi phí lắp đặt rẻ so với hệ thống thông tin truyền dẫn cự li dài Cơng nghệ

chuyển mạch gói quang (OPS) công nghệ đầy hứa hẹn cho kiến trúc mạng hệ sau Trong mạng OPS liệu phát từ nút tới nút khác dạng gói [1] Chuyển mạch gói quang thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu OPS có khả đạt thơng lượng cao, mềm dẻo phù hợp với dịch vụ có tính bùng nổ Đặc biệt, giải tượng thắt nút cổ chai, gia tăng thông lượng chuyển mạch Tuy nhiên, để áp dụng hiệu thành công cơng nghệ chuyển mạch gói quang vào thực tiễn cần phải giải số vấn đề quan trọng sau: giảm thiểu thời gian xử lí chuyển mạch gói nút đến từ việc xử lí mào đầu gói quang xây dựng mơ hình kiến trúc chuyển mạch tồn quang cực nhanh, dung lượng lớn

Trong mạng OPS thông thường, mào đầu gói chuyển thành dạng điện xử lý miền điện [2], liệu truyền miền quang Khi băng tần kênh liệu tăng đột biến, xử lý mào đầu điện tử gây nghẽn mạng Do đó, bắt buộc phải giảm thời gian xử lý mào đầu để cải thiện hiệu mạng Trong năm gần đây, có nhiều nghiên cứu liên quan đến xử lý mào đầu cho mạng chuyển mạch Phương pháp làm giảm thời gian xử lý mào đầu gói hiệu cơng bố sử dụng xử lý mào đầu dựa PPM, xử lý mào đầu thực miền quang [3, 4]

Bài báo cấu trúc sau: Phần phần giới thiệu; Tiếp theo kiến trúc nút OPS đề xuất phân tích hiệu OSNR mạng OPS tồn quang đa chặng trình bày phần thứ hai; Các kết tính tốn số mơ khảo sát thảo luận phần thứ ba; Cuối cùng, phần thứ tư phần kết luận

2 MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG ĐA CHẶNG DỰA TRÊN CÁC NÚT TOÀN QUANG SỬ DỤNG KHỐI MPPM-HP ĐỀ XUẤT

2.1 Khối xử lý mào đầu dựa MPPM

Hình 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

Gói đầu vào ( ) sau qua chia (coupler): phần đưa đến khối tách định thời (CEM) phần đưa vào khối tách địa mào đầu MPPM (MPPM-HEM) Đầu khối CEM xung định thời ( ) sử dụng để điều khiển hoạt động khối chức con: khối SPC, khối MPPM-ACM tạo bảng định tuyến MPPRT (bao gồm bảng định tuyến MPPM,

MPP-SRTs) Khi xung định thời ( ) đưa tới khối chức

con SPC tiến hành tách bit địa dạng nhị phân: Các bit điều khiển (C) đưa đến tạo bảng định tuyến MPP-SRT để điều khiển chọn bảng định tuyến hoạt động, kết hợp với tín hiệu định thời ( ) đưa vào bảng định tuyến tạo mẫu địa

bảng định tuyến ( ); Các bit địa nhị phân lại

(N-C) đưa sang MPPM-ACM, kết hợp với tín hiệu định

thời ( ) đưa vào MPPM-ACM để chuyển đổi sang dạng

địa MPPM, ( ) Quá trình tương quan quang

xảy cổng AND có địa

( ) mẫu địa ( ) đưa vào, đầu

tương quan thứ k nhận xung tương hợp, ( )

Xung tương hợp ( ) đưa đến điều khiển

chuyển mạch để điều khiển chuyển mạch gói đầu vào

( ) đến cổng mong muốn ( )

Hình Mơ hình cấu trúc khối MPPM-HP

2.2 Mơ hình kiến trúc nút OPS sử dụng khối MPPM-HP

Mơ hình kiến trúc nút × OPS sử dụng MPPM-HP

đơn bước sóng đưa hình Về mơ hình kiến trúc nút OPS sử dụng MPPM-HP giống nút sử dụng PPM-HP bao gồm hai khối chức chính: khối xử lý mào đầu (MPPM-HP) khối chuyển mạch quang Hoạt động nút chuyển mạch gói MPPM-HP phân tích chi tiết [5]

Hình Kiến trúc nút lõi toàn quang đề xuất dựa MPPM-HP

2.3 Mạng chuyển mạch gói quang đa chặng sử dụng giải pháp xử lý mào đầu MPPM

Sơ đồ thiết lập mạng chuyển mạch gói quang định tuyến đa chặng minh họa hình [6] Trong mạng OPS gói liệu chuyển mạch qua số nút trung gian trước tới đích, làm ảnh hưởng đến chất lượng gói đầu thu Giả thiết nhiễu tuyến kết nối đặc tính hóa nhiễu chuyển mạch nhiễu tích lũy qua nút

Hình Sơ đồ thiết lập mạng chuyển mạch gói quang định tuyến đa chặng [6]

2.4 Phân tích hiệu

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 [6]:

, = ,ℎ ( − 1) , = 0, 1, … , (1) đó, , tương ứng hệ số phát xạ tự phát hệ số khuếch đại khuếch đại quang, ℎ số Planck,

tần số quang băng tần quang OSNR đầu

tại nút chuyển mạch thứ H tính sau [6]:

= ( ∏ ( / ))

∑ , ∏ ( / ) + ,

(2) đó, tổng suy hao từ đầu nút thứ (h-1) đến đầu vào nút thứ h

3 KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG VÀ THẢO LUẬN

Trong phần so sánh mạng OPS toàn quang sử dụng phương pháp xử mào đầu đề xuất MPPM với phương pháp xử lí PPM thông thường

Khi khảo sát OSNR mạng OPS sử dụng phương pháp xử lý mào đầu dựa PPM MPPM, cơng suất đỉnh gói lấy 1mW hệ số khuếch đại chuyển mạch quang lấy tương ứng 18dB 19,1dB mạng OPS sử dụng phương pháp xử lý mào đầu dựa PPM MPM

Để so sánh tỉ số tín hiệu nhiễu quang, OSNR mạng OPS sử dụng phương pháp xử lý mào đầu khác nhau, tiến hành thiết lập mơ hình mơ định

tuyến chặng ( = 3) dựa xử lý mào đầu PPM-HP

MPPM-HP gói phần mềm OptiSystem Sơ đồ thiết lập định tuyến ba chặng hình với hai kiến trúc nút OPS khác Loại thứ kiến trúc nút OPS với khối xử lý mào đầu PPM-HP khối chuyển mạch quang sử dụng phần tử chuyển mạch quang cực nhanh SMZ thông thường tác giả [6] đề xuất để phân tích hiệu OSNR mạng chuyển mạch gói quang tốc độ cao Loại thứ hai kiến trúc nút OPS với khối xử lý mào đầu MPPM-HP khối chuyển mạch quang sử dụng phần tử chuyển mạch quang cực nhanh SMZ đề xuất [7]

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

Sơ đồ khối nút OPS dựa PPM-HP sơ đồ khối nút OPS dựa MPPM-HP hình Các tham số mơ cho tương ứng bảng 2, Các gói quang phát tốc độ 80 Gbit/s từ nút nguồn, gói gồm bít định thời, địa mào đầu bít, tải trọng 512 bít (64Byte) Thời gian bao vệ gói 1ns (được chọn lớn thời gian hồi phục khuếch đại SOA) Công suất quang trung bình đầu vào khối CEM PPM/MPPM-HEM yêu cầu 1mW Các gói quang khuếch đại trước truyền để bù cho suy hao tuyến quang (suy hao sợi suy hao ghép nối) Mỗi chặng gồm 30 Km sợi quang đơn mode (SSM) Km sợi bù tán sắc (DCF) để bù tán sắc sợi quang Ngồi chặng có suy hao khả chỉnh để hiệu chỉnh cho công suất đỉnh đầu vào nút 1mW

a)

(b)

Hình Sơ đồ khối nút OPS: (a) dựa PPM-HP; (b) dựa MPPM-HP Bảng Các tham số hệ thống

Tham số Giá trị Tốc độ bit liệu đầu vào - 1/ 80 Gb/s Chiều dài tải trọng gói 64 Byte Băng bảo vệ gói ns Cơng suất (đỉnh) xung liệu - dBm (1mW) Độ rộng xung liệu điều khiển - ps Bước sóng quang -  (tương ứng tần số quang ) 1554nm

(193,05 THz) Độ rộng cửa sổ chuyển mạch quang- ps Chu kỳ bit - 12,5 ps Số bít địa - Số đầu nút - Chiều dài SSMF 30 Km

Chiều dài DCF Km

Hệ số nhiễu tiền khuếch đại - 4,5 dB Chu kỳ gói - 6,475 ns

(ℎ = 1,2, … , ) với mạng OPS dựa MPPM-HP 19,1 dB Suy hao tổng chặng, (ℎ = 1,2, … , ) 18 dB (PPM-HP)

19,1 dB (MPPM-HP) Hệ số khuếch đại tiền khuếch đại, dB Suy hao chặng đầu tiên, -9 dB Độ rộng băng tần quang, 300 GHz Hệ số nhiễu OSW, dB

Số cho OSW 256

Bảng Các tham số SOA

Tham số Giá trị Chiều dài SOA - 500 × 10 Chiều rộng SOA - × 10 Chiều cao SOA - 80 × 10 Hệ số giam hãm - Γ 0,2 Suy hao tán xạ ống dẫn sóng 40 × 10 Hệ số khuếch đại vi phân 2,8 × 10 Mật độ hạt mang điểm truyền qua 1,4 × 10 Hệ số mở rộng đường phổ Hệ số tái kết hợp A 1,43 × 10 Hệ số tái kết hợp B × 10 Hệ số tái kết hợp C × 10 Mật độ hạt mang ban đầu × 10 Dịng bơm DC hiệu dụng 150 mA

Từ hình thấy rõ gói đầu nút OPS dựa xử lý mào đầu MPPM có cơng suất đỉnh xung lớn so với gói đầu nút OPS dựa xử lý mào đầu PPM khoảng 1,1 dBm

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Hình Dạng sóng thời gian (a) Các gói đầu nút dựa PPM HP; (b) Các gói đầu nút dựa MPPM HP; (c) Các gói đầu nút dựa PPM HP; (d) Các gói đầu nút dựa MPPM HP; (e) Các gói đầu nút dựa PPM HP; (f) Các gói đầu nút dựa MPPM HP

trễ so với vị trí thời gian mào đầu gói đầu vào nút (gói đầu vào), cụ thể nút dựa PPM HP có khoảng thời gian trễ 100ps nút dựa PPPM HP có khoảng thời gian trễ 56ps Như vậy, với kiến trúc nút OPS dựa MPPM HP cho phép thời gian chuyển tiếp gói nhỏ so với kiến trúc nút OPS dựa PPM HP, kết hoàn tồn phù hợp với phân tích khảo sát [5]

(a) (b)

(c)

Hình Dạng sóng thời gian (a) Mào đầu gói đầu vào nút 1; (b) Mào đầu gói đầu nút dựa PPM HP; (c) Mào đầu gói đầu nút dựa MPPM HP

Hình biểu thị OSNR theo tính tốn mơ phụ thuộc vào số chặng định tuyến Trong kết tính tốn OSNR theo lý thuyết dựa vào biểu thức 2, giả thiết gói có cơng suất giống Tuy nhiên, thực tế công suất gói quang bị thay đổi có thay đổi mẫu lưu lượng Các ảnh hưởng quan sát thấy rõ qua minh họa hình 6, 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 không 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 Lưu ý để hệ thống quang hoạt động tốt yêu cầu 20dBm Như vậy, với giả thiết gói có cơng suất giống đầu vào nút OPS, rõ ràng mạng OPS sử dụng giải pháp xử lý mào đầu MPPM kết hợp sử dụng chuyển mạch toàn quang cực nhanh SMZ đề xuất thực tế cho kết OSNR tốt hơn, đồng thời cải thiện cự li truyền dẫn chặng

Hình OSNR đầu nút thay đổi theo chặng định tuyến

4 KẾT LUẬN

Trong báo, đề xuất nút chuyển mạch gói tồn quang sử dụng xử lý mào đầu MPPM Trên sở nút OPS thiết lập mạng chuyển mạch gói tồn quang đa chặng Mơ hình kiến trúc nút chuyển mạch toàn quang sử dụng khối xử lý mào đầu gói tồn quang dựa kỹ thuật điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM) đề xuất, mơ hình thiết lập mạng đa chặng hiệu mạng phân tích Các kết tính tốn số mơ cho thấy mạng OPS sử dụng phương pháp xử lý mào đầu MPPM đề xuất nút mạng góp phần cải thiện hiệu mạng Cụ thể làm giảm trễ truyền gói qua mạng cải thiện tỉ số tín hiệu nhiễu quang (OSNR) chặng định tuyến mạng chuyển mạch gói quang

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Pallavi S, M Lakshmi, 2013 “AWG Based Optical Packet Switch Architecture” IJITCS,Vol 5, No 4, pp 30-39

[2] Gambini, Piero et al, 1998 “Transparent optical packet switching: network architecture and Demonstrators in the KEOPS Project”. IEEE J Selected Areas in Commu., Vol 16, No 7, pp 1245 - 1259

[3] Le-Minh, Hoa, et al., 2009 "All-optical router with pulse-position modulation header processing in high-speed photonic packet switching networks" IET Communications, vol.3, no.3, pp 465-476

[4] Chiang, Ming-Feng, et al., 2010 “1xM Packet Switched router based on the PPM header address for all-optical WDM networks”. The Mediterranean Journal of Electronics and Communications, vol.6, no.3, pp.78-85

[5] Cao Hong Son, Nguyen Minh Hong, 2015 “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

[6] Le-Minh, Hoa, et al., 2009 "All-optical router with pulse-position modulation header processing in high-speed photonic packet switching networks" IET Communications, vol.3, no.3, pp 465-476