Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

Transkrypt

1 Katedra Sieci Telekomunikacyjnych i Komputerowych Politechnika Poznańska ul. Polanka 3, Poznań Rozprawa doktorska Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline Autor: mgr inż. Remigiusz Rajewski Promotor: dr hab. inż. Grzegorz Danilewicz, prof. PP Poznań 25

2 Spis treści Spis rysunków Spis tablic Streszczenie Abstract Wykaz ważniejszych oznaczeń v xi xiii xv xvii Wprowadzenie. Wstęp Cel pracy Struktura pracy Podstawowa terminologia 5 2. Wstęp Elementy komutacyjne Przeniki Struktury pól komutacyjnych Graf dwudzielny Graf krzyżujących się ścieżek Koszt komutatora Struktura pola komutacyjnego typu baseline 5 3. Wstęp Architektura pola komutacyjnego typu baseline Rozbudowa pola komutacyjnego typu baseline ii

3 mgr inż. Remigiusz Rajewski Spis treści 3.4 Reprezentacja architektury pola komutacyjnego typu baseline za pomocą grafu dwudzielnego Własność samosterowalności w architekturze pola komutacyjnego typu baseline Przeniki w architehturze pola komutacyjnego typu baseline Koszt architektury pola komutacyjnego typu baseline Nowa architektura pola komutacyjnego typu log 2 N Wstęp Architektura pola komutacyjnego typu log 2 N Rozbudowa architektury pola komutacyjnego typu log 2 N Reprezentacja architektury pola komutacyjnego typu log 2 N za pomocą grafu dwudzielnego Własność samosterowalności pola komutacyjnego typu log 2 N Przeniki w architekturze pola komutacyjnego typu log 2 N Koszt architektury pola komutacyjnego typu log 2 N Warunki nieblokowalności w wąskim sensie 3 5. Wstęp Struktury wielopłaszczyznowe Nieblokowalność w wąskim sensie pól komutacyjnych typu baseline Nieblokowalność w wąskim sensie pól komutacyjnych typu log 2 N Warunki przestrajalności 5 6. Wstęp Przestrajalne pola komutacyjne typu baseline Warunki przestrajalności pól komutacyjnych typu log 2 N Porównanie struktur pól komutacyjnych Wstęp Porównanie przeników w polach komutacyjnych typu baseline oraz log 2 N Porównanie kosztu budowy pól komutacyjnych typu baseline oraz log 2 N Porównanie nieblokowalnych w wąskim sensie pól komutacyjnych typu baseline oraz log 2 N Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline iii

4 Spis treści mgr inż. Remigiusz Rajewski 7.5 Porównanie przestrajalnych pól komutacyjnych typu baseline oraz log 2 N Podsumowanie 47 Bibliografia 5 iv Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

5 Spis rysunków. Umiejscowienie pola komutacyjnego w systemie wymiany informacji Umiejscowienie struktury pola komutacyjnego w urządzeniach sieciowych Układ wieloprocesorowy w strukturze Przykładowe rutery dedykowane użytkownikom końcowym Przykładowe rutery klasy operatorskiej część Przykładowe rutery klasy operatorskiej część Sposoby oznaczania komutatora o rozmiarze x y Architektura pola komutacyjnego przedstawiona ze pomocą symboli komutatorów i łączy Stany symetrycznego elementu komutacyjnego o rozmiarze Stany niesymetrycznego elementu komutacyjnego z ekspansją o rozmiarze Stany niesymetrycznego elementu komutacyjnego z kompresją o rozmiarze Komutator symetryczny o rozmiarze 4 4 zrealizowany za pomocą bramek logicznych Komutator symetryczny o rozmiarze 4 4 zrealizowany za pomocą mikroluster Stan mikrolustra Fizyczna realizacja mikrolustra Komutator symetryczny o rozmiarze 2 2 zrealizowany za pomocą półprzewodnikowych wzmacniaczy optycznych SOA Komutator symetryczny o rozmiarze 3 3 zrealizowany za pomocą półprzewodnikowych wzmacniaczy optycznych SOA Komutator symetryczny o rozmiarze 4 4 zrealizowany za pomocą półprzewodnikowych wzmacniaczy optycznych SOA v

6 Spis rysunków mgr inż. Remigiusz Rajewski 2.3 Komutator niesymetryczny z ekspansją o rozmiarze 2 3 zrealizowany za pomocą półprzewodnikowych wzmacniaczy optycznych SOA Komutator niesymetryczny z kompresją o rozmiarze 3 2 zrealizowany za pomocą półprzewodnikowych wzmacniaczy optycznych SOA Przeniki w komutatorze symetrycznym o rozmiarze Przeniki w komutatorze symetrycznym o rozmiarze Przeniki w komutatorze niesymetrycznym o rozmiarze 2 3 z ekspansją Przeniki w komutatorze niesymetrycznym o rozmiarze 3 2 z kompresją Moc sygnału wejściowego i sygnałów wyjściowych w komutatorze symetrycznym o rozmiarze 2 2 z jednym zestawionym połączeniem Moce sygnałów wejściowych i sygnałów wyjściowych w komutatorze symetrycznym o rozmiarze Moce sygnałów wejściowych i sygnałów wyjściowych w komutatorze niesymetrycznym o rozmiarze 2 3 z ekspansją Moce sygnałów wejściowych i sygnałów wyjściowych w komutatorze niesymetrycznym o rozmiarze 3 2 z kompresją Architektura pola komutacyjnego typu banyan Architektura pola komutacyjnego typu omega Architektura pola komutacyjnego typu baseline Reprezentacja komutatora o rozmiarze Architektura pola komutacyjnego typu baseline o pojemności N = 4 zbudowana z komutatorów symetrycznych o rozmiarze Graf krzyżujących się ścieżek dla architektury pola komutacyjnego typu baseline o pojemności N = 4 zbudowanej z komutatorów symetrycznych o rozmiarze Graf krzyżujących się ścieżek dla architektury pola komutacyjnego log Trzysekcyjna architektura pola komutacyjnego typu baseline o pojemności N = 8 (struktura pola komutacyjnego log 2 8) Trzysekcyjna architektura pola komutacyjnego typu baseline o pojemności N = 27 (struktura pola komutacyjnego log 3 27) vi Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

7 mgr inż. Remigiusz Rajewski Spis rysunków 3.3 Architektura pola komutacyjnego typu baseline o pojemności N = 4 wykonana z czterech komutatorów symetrycznych o rozmiarze 2 2 każdy Rozbudowa architektury pola komutacyjnego typu log 2 N do struktury pola komutacyjnego typu log 2 (2N) Kierowanie połączenia, 3 w architekturze pola komutacyjnego log Przeniki w strukturze pola komutacyjnego log Architektura pola komutacyjnego log Architektura pola komutacyjnego log Architektura pola komutacyjnego log Algorytm rozbudowy architektury pola komutacyjnego typu log 2 N część Algorytm rozbudowy pola komutacyjnego typu log 2 N część Architektura pola komutacyjnego log Krok algorytmu budowy architektury pola komutacyjnego log Krok 2 algorytmu budowy architektury pola komutacyjnego log Krok 3 algorytmu budowy architektury pola komutacyjnego log Krok 4 algorytmu budowy architektury pola komutacyjnego log Reprezentacja architektury pola komutacyjnego log Wzory możliwych grafów krzyżujących się ścieżek dla architektury pola komutacyjnego log 2 8 dla połączeń reprezentowanych przez ścieżki przechodzące przez wierzchołki grafu Reprezentacja architektury pola komutacyjnego log 2 6 za pomocą grafu dwudzielnego Wzory możliwych grafów krzyżujących się ścieżek dla architektury pola komutacyjnego log Graf dwudzielny dla architektury pola komutacyjnego log Wzory możliwych grafów krzyżujących się ścieżek dla architektury pola komutacyjnego log Kierowanie połączenia w architekturze pola komutacyjnego log Przykład kierowania połączenia w architekturze pola komutacyjnego log 2 32 dla połączenia 9, Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline vii

8 Spis rysunków mgr inż. Remigiusz Rajewski 4.8 Przeniki w architekturze pola komutacyjnego log Zajętość łączy w architekturze pola komutacyjnego log Ogólny przykład wielopłaszczyznowej architektury pola komutacyjnego Dwupłaszczyznowa architektura pola komutacyjnego log 2 (6,, 2) Graf krzyżujących się ścieżek dla architektury pola komutacyjnego log 2 8 z zaznaczonym rozpatrywanym połączeniem Graf krzyżujących się ścieżek dla architektury pola komutacyjnego log 2 6 z zaznaczonym rozpatrywanym połączeniem Graf krzyżujących się ścieżek dla architektury pola komutacyjnego log 2 32 z zaznaczonym rozpatrywanym połączeniem Graf krzyżujących się ścieżek dla architektury pola komutacyjnego log 2 6 z zaznaczonym rozpatrywanym połączeniem (pogrubiona linia ciągła) Architektura pola komutacyjnego log 2 6 z zaznaczonym rozpatrywanym połączeniem (pogrubiona linia ciągła) i czterema dodatkowymi połączeniami, w najbardziej niekorzystnym przypadku (linie przerywane) Architektura pola komutacyjnego log 2 6 reprezentowane za pomocą grafu krzyżujących się ścieżek z zaznaczonym rozpatrywanym połączeniem (pogrubiona linia ciągła) i czterema dodatkowymi połączeniami (linie przerywane) w najbardziej niekorzystnym przypadku Architektura pola komutacyjnego log 2 32 z zaznaczonym rozpatrywanym połączeniem (pogrubiona linia ciągła) i siedmioma dodatkowymi połączeniami w najbardziej niekorzystnym przypadku (linie przerywane) Architektura pola komutacyjnego log 2 32 reprezentowane za pomocą grafu krzyżujących się ścieżek z zaznaczonym rozpatrywanym połączeniem (pogrubiona linia ciągła) i siedmioma dodatkowymi połączeniami (linie przerywane) w najbardziej niekorzystnym przypadku część Architektura pola komutacyjnego log 2 32 reprezentowane za pomocą grafu krzyżujących się ścieżek z zaznaczonym rozpatrywanym połączeniem (pogrubiona linia ciągła) i siedmioma dodatkowymi połączeniami (linie przerywane) w najbardziej niekorzystnym przypadku część viii Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

9 mgr inż. Remigiusz Rajewski Spis rysunków 7. Odstęp użytecznego sygnału optycznego od szumu (OSXR) dla struktur pól komutacyjnych typu log 2 N oraz typu log 2 N (wyrażony w db) Koszt pól komutacyjnych typu log 2 N oraz typu log 2 N wyrażony w liczbie pasywnych elementów optycznych β Koszt pól komutacyjnych typu log 2 N oraz typu log 2 N wyrażony w liczbie aktywnych elementów optycznych α Koszt wielopłaszczyznowych pól komutacyjnych SSNB wyrażony w liczbie pasywnych elementów optycznych β Koszt wielopłaszczyznowych pól komutacyjnych SSNB wyrażony w liczbie aktywnych elementów optycznych α Koszt wielopłaszczyznowych pól komutacyjnych RRNB wyrażony w liczbie pasywnych elementów optycznych β Koszt wielopłaszczyznowych pól komutacyjnych RRNB wyrażony w liczbie aktywnych elementów optycznych α Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline ix

10 Spis rysunków mgr inż. Remigiusz Rajewski x Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

11 Spis tablic 3. Przeniki, sekcja po sekcji, w architekturze pola komutacyjnego log Przeniki, sekcja po sekcji, w architekturze pola komutacyjnego log 2 6 część Przeniki, sekcja po sekcji, w architekturze pola komutacyjnego log 2 6 część Przeniki, sekcja po sekcji, w architekturze pola komutacyjnego log 2 6 część Przeniki w poszczególnych komutatorach, sekcja po sekcji, w architekturze pola komutacyjnego log Przeniki w poszczególnych komutatorach, sekcja po sekcji, w architekturze pola komutacyjnego log 2 6 część Przeniki w poszczególnych komutatorach, sekcja po sekcji, w architekturze pola komutacyjnego log 2 6 część Odstęp użytecznego sygnału optycznego od szumu (OSXR) dla struktur pól komutacyjnych typu log 2 N oraz typu log 2 N (wyrażony w db) Koszt pól komutacyjnych typu baseline oraz typu log 2 N wyrażony w liczbie pasywnych elementów optycznych β Koszt pól komutacyjnych typu baseline oraz typu log 2 N wyrażony w liczbie aktywnych elementów optycznych α Koszt wielopłaszczyznowych pól komutacyjnych SSNB wyrażony w liczbie pasywnych elementów optycznych β Koszt wielopłaszczyznowych pól komutacyjnych SSNB wyrażony w liczbie aktywnych elementów optycznych α Koszt wielopłaszczyznowych pól komutacyjnych RRNB wyrażony w liczbie pasywnych elementów optycznych β xi

12 Spis tablic mgr inż. Remigiusz Rajewski 7.7 Koszt wielopłaszczyznowych pól komutacyjnych RRNB wyrażony w liczbie aktywnych elementów optycznych α xii Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

13 Streszczenie W rozprawie została omówiona struktura nowego pola komutacyjnego bazująca na dobrze znanej z literatury przedmiotu strukturze pola komutacyjnego typu baseline. Z tego też względu, główym punktem odniesienie jest architektura pola komutacyjnego typu baseline. Warto zaznaczyć, iż nowa struktura pola komutacyjnego typu log 2 N jest zbudowana z symetrycznych (czyli tak samo jak dotychczas znana architektura pola komutacyjnego typu baseline) jak i niesymetrycznych komutatorów. Nowa architektura pola komutacyjnego typu log 2 N jest zbudowana z jednej sekcji mniej niż struktura pola komutacyjnego typu baseline o tej samej pojemności (liczbie wejść i wyjść), co ma wpływ na przeniki i tłumienie sygnału. W rozprawie została kompleksowo opisana architektura nowego pola komutacyjnego typu log 2 N oraz sposób jego rozbudowy do struktury pola komutacyjnego o większej pojemności. Ponadto, określono sekcja po sekcji przeniki jakie pojawiają się w nowej strukturze pola komutacyjnego typu log 2 N. Zostały one porównane z przenikami, które mogą się pojawić w architekturze pola komutacyjnego typu baseline o tej samej pojemności. Nowa, zaproponowana w pracy architektura pola komutacyjnego typu log 2 N, zapewnia mniejsze przeniki niż struktura pola komutacyjnego typu baseline. W pracy zdefiniowano także sposób liczenia kosztu struktury pola komutacyjnego jako liczby optycznych elementów aktywnych i pasywnych potrzebnych do jej budowy. Przedstawiono ponadto kilka przykładów liczenia kosztu zarówno dla architektury pola komutacyjnego typu baseline jak i dla struktury pola komutacyjnego typu log 2 N. Koszty tych dwóch typów architektur pól komutacyjnych zostały także porównane między sobą i wskazano, że nowa struktura pola komutacyjnego typu log 2 N charakteryzuje się mniejszym kosztem budowy niż struktura pola komutacyjnego typu baseline o tej samej pojemności. W kolejnej części niniejszej rozprawy przedstawiono i udowodniono warunki nieblokowalności w wąskim sensie oraz warunki przestrajalności dla nowej struktury pola komutacyjnego typu xiii

14 Streszczenie mgr inż. Remigiusz Rajewski log 2 N. Otrzymane koszty budowy wielopłaszczyznowych struktur pól komutacyjnych typu multi-log 2 N, spełniających warunki przestrajalności i nieblokowalności w wąskim sensie, zostały porównane z wynikami dla typowych wielopłaszczyznowych architektur pól komutacyjnych typu baseline. Nowa, zaproponowana w pracy, struktura pola komutacyjnego typu multi-log 2 N spełniająca warunki nieblokowalności w wąskim sensie ma mniejszy koszt budowy, wyrażony w liczbie aktywnych i pasywnych elementów optycznych, niż wielopłaszczyznowa architektura pola komutacyjnego typu baseline o tej samej pojemności. Ponadto, nowa struktura pola komutacyjnego typu multi-log 2 N spełniająca warunki przestrajalności i zbudowana z nieparzystej liczby sekcji jest tańszym rozwiązaniem ze względu na mniejszą liczbę użytych aktywnych i pasywnych elementów optycznych od wielopłaszczyznowego pola komutacyjnego typu baseline mającego tę samą pojemność. Natomiast, gdy nowa struktura pola komutacyjnego typu multi-log 2 N zbudowana jest z parzystej liczby sekcji i spełnia warunki przestrajalności, to jest ona droższym rozwiązaniem niż odpowiadające mu wielopłaszczyznowe pole komutacyjne typu baseline o tej samej pojemności, ponieważ zbudowana jest z większej liczby optycznych elementów aktywnych i pasywnych. Na zakończenie przeprowadzono stosowną dyskusję otrzymanych rezultatów dla wszystkich wymienionych wcześniej kwestii. xiv Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

15 Abstract In this PhD thesis a new optical switching fabric which based on baseline switching network is proposed. Because of that the baseline switching network, which is well known in switching theory, constitutes the main point of all references included in this thesis. It should be noted that the new log 2 N switching fabric is built from symmetrical (like a baseline switching network) as well as asymmetrical optical switching elements. Moreover, the new log 2 N switching fabric contains one stage fewer than the baseline switching network of the same capacity (the number of inputs and outputs). It is important because of crosstalk and optical signal attenuation. In this thesis an architecture of the new log 2 N switching fabric as well as the extension method, which is used to construct a switching network of double capacity, is described in details. Moreover, stage-by-stage crosstalk in the new log 2 N switching fabric is determined. It is also compared with a crosstalk which appears in the baseline switching network of the same capacity. The new log 2 N switching fabric proposed in this thesis gives smaller crosstalk than the baseline switching network of the same capacity. In this thesis, a cost of the switching network is defined as the number of passive and active optical elements from which such a structure is constructed. The few examples of cost calculations for both baseline and log 2 N are presented. Costs of both mentioned structures are compared to each other showing a cheaper solution. It is showed that the new log 2 N switching fabric is cheaper than baseline switching network of the same capacity. The strict-sense and rearrangeable nonblocking conditions for the log 2 N are defined and proven. Costs of strict-sense as well as rearrangeable multiplane baseline and multi-log 2 N structures are compared to each other. The new strict-sense nonblocking multi-log 2 N switching fabric is a cheaper solution (is built from fewer number of passive and active optical elemens) than typical multiplane baseline switching fabric of the same capacity. Moreover, the xv

16 Abstract mgr inż. Remigiusz Rajewski new rearrangeable multi-log 2 N switching fabric which is built from the odd number of stages is also a cheaper solution than baseline network of the same capacity. When the number of stages in the rearrangeable multi-log 2 N switching fabric is even this network is more expensive (is built from the greater number of passive and active optical elements) than typical multiplane baseline switching network of the same capacity. Finally, the discussion of all achieved results on aspects mentioned above is delivered as well. xvi Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

17 Wykaz ważniejszych oznaczeń g, h - połączenie zestawione między wejściem g a wyjściem h pola komutacyjnego i - najmniejsza wartość całkowita większa bądź równa liczbie i i - największa wartość całkowita mniejsza bądź równa liczbie i [i] b - liczba i zapisana w reprezentacji binarnej α(ω) - liczba optycznych elementów aktywnych, z których zbudowana jest dana struktura pola komutacyjnego oznaczonego przez Ω β(ω) - liczba optycznych elementów pasywnych, z których zbudowana jest dana struktura pola komutacyjnego oznaczonego przez Ω β S (Ω) - liczba rozgałęźników optycznych, użytych w danej strukturze pola komutacyjnego oznaczonego przez Ω β C (Ω) - liczba łączników optycznych, użytych w danej strukturze pola komutacyjnego oznaczonego przez Ω b i - i-ty bit w reprezentacji binarnej numeru wyjścia struktury pola komutacyjnego c xy - sygnał kontrolny dla połączenia zestawianego w pojedynczym komutatorze między wejściem x a wyjściem y C(Ω) - koszt struktury pola komutacyjnego oznaczonego przez Ω d - liczba wejść lub wyjść pojedynczego komutatora w strukturach pól komutacyjnych typu banyan, baseline lub omega e - maksymalny rozmiar (liczba wejść i wyjść) pojedynczego komutatora w strukturze pola komutacyjnego typu log 2 N λ - długość fali optycznej reprezentująca dany sygnał optyczny G i - i-ty wierzchołek grafu J i - i-ty komutator w J-tej sekcji struktury pola komutacyjnego xvii

18 Wykaz ważniejszych oznaczeń mgr inż. Remigiusz Rajewski Ki s - i-ty stan w komutatorze symetrycznym Kei n - i-ty stan w komutatorze niesymetrycznym z ekspansją Kki n - i-ty stan w komutatorze niesymetrycznym z kompresją n - liczba sekcji w strukturach pól komutacyjnych typu banyan, bseline lub omega n - liczba sekcji w strukturze pola komutacyjnego typu log 2 N N - pojemność symetrycznej struktury pola komutacyjnego równa liczbie wejść i wyjść pola komutacyjnego Ω - ogólne oznaczenie rodzaju struktury pola komutacyjnego, np. Clos, baseline, banyan, omega, itd. OSE - komutator optyczny/optyczny element komutacyjny OSXR - odstęp sygnału optycznego od sygnału zakłócenia (przeniku) OXC - przełącznica optyczna P in - moc sygnału optycznego na wejściu komutatora P out - moc sygnału optycznego na wyjściu komutatora P x - moc sygnału optycznego będącego przenikiem na wyjściu komutatora r si - liczba komutatorów w sekcji s i struktury pola komutacyjnego RRNB - przestrajalne pole komutacyjne, warunki przestrajalności s i - i-ta sekcja struktury pola komutacyjnego SE - komutator/element komutacyjny SOA - półprzewodnikowy wzmacniacz optyczny SSNB - pole komutacyjne nieblokowalne w wąskim sensie, warunki nieblokowalności w wąskim sensie x - liczba wejść komutatora bądź struktury pola komutacyjnego x y - rozmiar komutatora lub struktury pola komutacyjnego o x wejściach i y wyjściach y - liczba wyjść z pojedynczego komutatora lub ze struktury pola komutacyjnego xviii Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

19 Wprowadzenie.. Wstęp Termin komutacja pochodzi od łacińskiego słowa commutatio oznaczającego przemianę []. W rozprawie rozważane są struktury pól komutacyjnych (ang. switching networks lub switching fabrics) [7 73, 75, 9, 28, 42] stosowane w urządzeniach, które służą do odpowiedniego kierowania sygnału między portem wejściowym a portem wyjściowym tego urządzenia. Koncepcyjne umiejscowienie pola komutacyjnego w węźle sieci przedstawione jest na rysunku.. Z kolei dokładne umiejscowienie struktury pola komutacyjnego w przykładowych urządzeniach sieciowych przedstawione jest na rysunku.2 [7, 9, 2]. Pole komutacyjne zapewnia przepływ informacji w żądanym kierunku. Z tego też względu, różne architektury pól komutacyjnych są szeroko wykorzystywane w urządzeniach pracujących w sieciach telekomunikacyjnych i komputerowych. Zgodnie z definicją zamieszczoną w Ilustrowanym leksykonie teleinformatyka [66] jednym z celów stosowania struktur pól komutacyjnych jest zapewnienie bezkonfliktowej komutacji, gdzie przez bezkonfliktową komutację należy rozumieć możliwość zestawienia nowych połączeń między danym zbiorem wejść a danym zbiorem wyjść architektury pola komutacyjnego tak, aby nie zakłóciła ona już wcześniej zestawionych połączeń w tej architekturze pola komutacyjnego. Bardzo często, aby to osiągnąć, stosuje się pierścień ze światłowodowego medium transmisyjnego

20 Wprowadzenie mgr inż. Remigiusz Rajewski Moduły wejściowe Pole komutacyjne Moduły wyjściowe N Sterowanie polem komutacyjnym Sterowanie węzłem telekomunikacyjnym N Terminal Terminal Rysunek.. Umiejscowienie pola komutacyjnego w systemie wymiany informacji o gigabitowej lub terabitowej przepływności bitowej, w którym znajduje się kilkadziesiąt tysięcy przyporządkowanych na stałe lub zmiennych w czasie szczelin. Wspomniane sieci stanowią w dzisiejszych czasach nieodzowną część naszego życia codziennego (połączenia telefoniczne z telefonów stacjonarnych i komórkowych, dostęp do sieci Internet, sprawdzanie poczty , sprawdzanie wiadomości w serwisach informacyjnych, dostęp do portali społecznościowych, itd.). Pole komutacyjne można spotkać między innymi w takich urządzeniach sieciowych jak: różnego rodzaju rutery używane przez użytkowników końcowych, 2 Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

21 mgr inż. Remigiusz Rajewski Wprowadzenie (a) (b) (c) Rysunek.2. Umiejscowienie struktury pola komutacyjnego w urządzeniach sieciowych: (a) Cisco MDS 9 Family Supervisor Module [9] (pole komutacyjne oznaczone kolorem czerwonym), (b) moduł struktury optycznego pola komutacyjnego Cisco MDS 953 Crossbar Switch Fabric Module [2], (c) Cisco Catalyst 65 Supervisor 2T Architecture [7] w ruterach klasy operatorskiej, w przełącznikach sieciowych, w układach mikroprocesorowych, czy też w centralach telekomunikacyjnych. Wykorzystanie pól komutacyjnych w układach mikroprocesorowych pozwala na rozwiązanie problemu wąskiego gardła (ang. bottleneck) przy konieczności przesłania informacji z kilku procesorów CPU (ang. Central Processing Unit) jednocześnie. Magistrala łącząca wiele proce- Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline 3

22 Wprowadzenie mgr inż. Remigiusz Rajewski sorów, na przykład z pamięcią RAM czy interfejsami wejściowymi/wyjściowymi I/O, umożliwia w danej chwili dostęp na przykład do pamięci RAM jedynie jednemu procesorowi CPU (patrz rysunek.3(a)). Drugi procesor (CPU 2), aby mógł uzyskać dostęp do pamięci RAM lub interfejsów wejścia/wyjścia I/O, musi oczekiwać aż procesor CPU skończy swoją komunikację z pamięcią RAM. Dopiero wówczas procesor CPU 2 będzie mógł przesłać bądź też pobrać informacje z pamięci RAM lub wspomnianych interfejsów I/O. Do magistrali podłączonych jest co prawda wiele podzespołów przesyłających informacje (procesory, pamięć RAM, interfejsy wejścia wyjścia I/O, itp.), ale w danym momencie magistrala umożliwia przesyłanie informacji tylko między dwoma takimi podzespołami, blokując tym samym transmisję między pozostałymi podzespołami. Aby rozwiązać ten problem, można zastosować zamiast magistrali pole komutacyjne, do którego są również podłączone wszystkie wspomniane podzespoły (patrz rysunek.3(b)). Zaletą pola komutacyjnego w stosunku do magistrali jest to, że jest wiele dróg połączeniowych, które umożliwiają przesyłanie informacji między różnymi parami podzespołów jednocześnie. W takiej sytuacji wiele procesorów CPU może w tej samej chwili uzyskać dostęp do pamięci RAM lub interfejsów I/O. Pozwala to na przykład na przyspieszenie wykonywanych obliczeń, itp. Struktury pól komutacyjnych o mniejszych pojemnościach (małej liczbie wejść i wyjść) montowane są w niedużych urządzeniach sieciowych używanych przeważnie przez użytkowników końcowych. Natomiast struktury pól komutacyjnych o większej pojemności wykorzystywane są przez operatorów oraz administratorów sieci telekomunikacyjnych i komputerowych w dużo większych urządzeniach sieciowych klasy operatorskiej zlokalizowanych przeważnie w sieciach szkieletowych. Użytkownik końcowy wykorzystuje najczęściej pola komutacyjne zaimplementowane wewnątrz urządzeń sieciowych, podczas korzystania z małych ruterów brzegowych, przełączników czy też punktów dostępowych (ang. access points) dostarczanych przeważnie przez dostawcę usług telekomunikacyjnych (operatora telekomunikacyjnego). Przykładowe rutery spotykane bardzo często w gospodarstwach domowych, czy też w biurach różnych firm i instytucji, przedstawione są na rysunku.4 [5, 5, 62, 63]. Użytkownik końcowy korzysta również, często bez większej świadomości, z infrastruktury sieci telekomunikacyjnej, w której znajdują się węzły telekomunikacyjne wyposażone w urządzenia klasy operatorskiej, które mają w sobie zaimplementowane fizycznie struktury pól komutacyjnych o dużych pojemnościach. Przykładowe rutery 4 Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

23 mgr inż. Remigiusz Rajewski Wprowadzenie Dostęp do pamięci Oczekiwanie na dostęp do pamięci CPU CPU 2 I/O I/O Pamięć Ograniczenie wydajności (a) Możliwy równoległy dostęp do pamięci CPU CPU 2 Pamięć Pamięć I/O I/O Zwiększenie efektywności transferu danych (b) Rysunek.3. Układ wieloprocesorowy w strukturze: (a) z magistralą danych procesor CPU 2 nie uzyska dostępu do pamięci RAM dopóki procesor CPU nie zakończy swojego dostępu, (b) z polem komutacyjnym procesory CPU i CPU 2 mogą korzystać z pamięci RAM w tym samym czasie Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline 5

24 Wprowadzenie mgr inż. Remigiusz Rajewski (a) (b) (c) (d) Rysunek.4. Przykładowe rutery dedykowane użytkownikom końcowym: (a) Linksys WRT54GL [5], (b) Sitecom WL-39 [5], (c) TP-Link TD-W998 [62], (d) TP-Link TL-R48T [63] tej klasy przedstawione są na rysunkach.5 [4] i.6 [4, 8]. W takich zastosowaniach struktura pola komutacyjnego nabiera dużo większego znaczenia, gdyż służy do łączenia większej liczby urządzeń końcowych ze sobą, do łączenia różnych sieci dostępowych i lokalnych między sobą, jak i do łączenia sieci rozległych. Tego typu urządzenia są powszechnie wykorzystywane na co dzień na przykład w sieci Internet. Ze względu na rozmiar, wskazane jest stosowanie struktur pól komutacyjnych charakteryzujących się jak najmniejszym kosztem budowy, gdzie przez pojęcie kosztu należy rozumieć liczbę elementów komutacyjnych (na przykład optycznych elementów pasywnych jak i aktywnych), 6 Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

25 mgr inż. Remigiusz Rajewski Wprowadzenie (a) (b) Rysunek.5. Przykładowe rutery klasy operatorskiej część : (a) Riedel MediorNet MetroN Core Router [4], (b) ruter z kilkuset interfejsami optycznymi z których dana architektura pola komutacyjnego jest zbudowana [32, 5]. Dokładniej pojęcie kosztu struktury pola komutacyjnego zostało omówione w rozdziale 2.7. Architektury pól komutacyjnych można porównywać między sobą na podstawie różnych kryteriów. Jednym z najczęściej wykorzystywanych jest koszt struktury pola komutacyjnego wyrażony w liczbie punktów komutacyjnych, z których dana struktura pola jest zbudowana [22]. Aby wynik porównania kosztu różnych struktur pól komutacyjnych był obiektywny należy porównywać między sobą struktury pól komutacyjnych o tej samej albo bardzo zbliżonej pojemności, gdzie przez pojemność należy rozumieć liczbę wejść i wyjść danego pola komutacyjnego. Struktury pól komutacyjnych można porównywać także ze względu na własności kombinatoryczne. Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline 7

26 Wprowadzenie mgr inż. Remigiusz Rajewski (a) (b) Rysunek.6. Przykładowe rutery klasy operatorskiej część 2: (a) Alcatel-Lucent 795 Extensible Routing System [8], (b) Cisco CRS- Multishelf System [4] 8 Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

27 mgr inż. Remigiusz Rajewski Wprowadzenie Możliwe są także inne kryteria porównywania architektur pól komutacyjnych między sobą, takie jak: tłumienie sygnałów, wartości przeników, opóźnienie sygnałów, itp. Są one jednak powiązane bardzo ściśle z technologią w jakiej dana struktura pola komutacyjnego jest wykonana. Z tego też względu są one rzadziej wykorzystywane do porównywania różnych struktur pól komutacyjnych między sobą [25, 32]. Wiele prowadzonych badań ma na celu znalezienie struktur pól komutacyjnych mających mniejszy koszt wytworzenia danej struktury ale zapewniających pożądane własności kombinatoryczne. Jest to szczególnie istotne w architekturach optycznych pól komutacyjnych, gdzie każdy aktywny element optyczny jest zdecydowanie droższy niż optyczny element pasywny [5]. Ograniczenie liczby elementów optycznych, przy zachowaniu tych samych własności kombinatorycznych struktury pola komutacyjnego, jest zatem szczególnie istotnym zagadnieniem z punktu widzenia kosztu architektury pola komutacyjnego. Innym ważnym aspektem, podkreślającym wagę zagadnienia, jest nagrzewanie się elementów optycznych użytych do budowy danej struktury pola komutacyjnego, szczególnie optycznych elementów aktywnych. Jeżeli udaje się zminimalizować liczbę elementów optycznych, to przekłada się to przeważnie (w większości przypadków, niemniej zależy to od technologii w jakiej jest wykonana dana architektura pola komutacyjnego) na mniejsze nagrzewanie się całej struktury pola komutacyjnego. Nagrzewające się elementy optyczne (szczególnie aktywne) muszą być chłodzone, a na to potrzeba dodatkowej energii, co ma coraz bardziej istotne znaczenie w ostatnim czasie, szczególnie w aspekcie ograniczenia zużycia energii (ang. green communication). Im mniej energii elektrycznej zużywa pole komutacyjne oraz im mniej potrzeba energii do jego chłodzenia, tym mniejsze są koszty eksploatacyjne związane z obsługą takiego pola komutacyjnego. Należy tutaj podkreślić, że architektury pól komutacyjnych są wykorzystywane w różnego rodzaju urządzeniach sieciowych, a zatem zagadnienie kosztów eksploatacyjnych stanowi także jeden z ważniejszych aspektów atrakcyjności urządzeń, które są wdrażane i używane w obecnych czasach, już nie tylko przez firmy i różnego rodzaju instytucje powiązane z rynkiem telekomunikacyjnym i sieci komputerowych, ale także i przez użytkownika końcowego (domowego). Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline 9

28 Wprowadzenie.2. Cel pracy mgr inż. Remigiusz Rajewski Celem pracy jest przedstawienie nowej architektury pola komutacyjnego typu log 2 N zbudowanego z symetrycznych elementów komutacyjnych o rozmiarze 2 2 i 3 3 oraz niesymetrycznych komutatorów o rozmiarze 2 3 i 3 2 bazującej na, dobrze znanej w literaturze przedmiotu, strukturze pola komutacyjnego typu baseline. Dodatkowo, celem pracy jest porównanie nowej architektury pola komutacyjnego typu log 2 N z architekturą pól komutacyjnych typu baseline pod kątem przeników a także pod względem kosztu budowy struktury pola komutacyjnego, wyrażonego liczbą aktywnych i pasywnych elementów optycznych. Do porównania różnych struktur pól komutacyjnych niezbędne było wprowadzenie warunków nieblokowalności w wąskim sensie i przestrajalności. W rozprawie przedstawiono warunki rozbudowy pola, sposób realizacji samosterowalności oraz zagadnienie odstępu sygnału użytecznego od szumu na wyjściu architektury pola komutacyjnego typu baseline oraz typu log 2 N. Ponadto, zaproponowano i udowodniono warunki nieblokowalności w wąskim sensie i warunki przestrajalności dla nowej struktury pola komutacyjnego typu multi-log 2 N. Nowa architektura pola komutacyjnego typu log 2 N została porównana z dobrze opisaną w literaturze przedmiotu architekturą pola komutacyjnego typu baseline. Porównane zostały koszty budowy obu wspomnianych typów struktur pól komutacyjnych wyrażone w liczbie aktywnych i pasywnych elementów optycznych, z których zbudowane są komutatory. Ponadto, porównane zostały przeniki sygnału optycznego w strukturach pól komutacyjnych typu baseline oraz typu log 2 N. Teza rozprawy brzmi następująco: Możliwe jest zbudowanie struktury pola komutacyjnego o takiej samej pojemności i zapewniającej takie same własności kombinatoryczne jak architektura pola komutacyjnego typu baseline, ale charakteryzującej się mniejszym kosztem, wyrażonym w liczbie aktywnych i pasywnych elementów optycznych, oraz zapewniającej lepszą jakość sygnału optycznego na wyjściu nowej struktury pola komutacyjnego niż architektura pola komutacyjnego typu baseline. W rozprawie przedstawione i udowodnione zostaną warunki nieblokowalności w wąskim sensie oraz warunki przestrajalności dla połączeń typu punkt-punkt dla nowej struktury pola Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

29 mgr inż. Remigiusz Rajewski Wprowadzenie komutacyjnego typu multi-log 2 N. Badania dotyczą również przeników pojawiających się w architekturze pola komutacyjnego typu log 2 N podczas zestawiania nowych połączeń i wpływu tych przeników na inne zestawione już wcześniej połączenia. Struktury pól komutacyjnych typu baseline stanowią od wielu lat przedmiot zainteresowania wielu ośrodków naukowych i badawczych. Zainteresowanie to nasiliło się jeszcze bardziej wraz z wprowadzaniem optycznych struktur pól komutacyjnych do powszechnego użytku. W literaturze przedmiotu właściwości tego typu architektur pól komutacyjnych są bardzo dobrze opisane [32, 43, 9, 28, 5]. Proponowana nowa architektura pola komutacyjnego typu log 2 N jest nową strukturą pola komutacyjnego, która wywodzi się ze struktury pola komutacyjnego typu baseline. Nowa struktura pola komutacyjnego typu log 2 N została po raz pierwszy opisana w literaturze przedmiotu przez autora rozprawy, dra hab. inż. G. Danilewicza, prof. PP i prof. dra hab. inż. W. Kabacińskiego w [34 36,92]. Architektura pola komutacyjnego typu log 2 N ma mniejszą liczbę aktywnych i pasywnych elementów optycznych potrzebnych do jej budowy dla praktycznego zakresu pojemności pola komutacyjnego. Ponadto, nowa struktura pola komutacyjnego typu log 2 N jest zbudowana zawsze z jednej sekcji mniej dla dowolnych pojemności pola komutacyjnego w stosunku do znanej wcześniej w literaturze przedmiotu struktury pola komutacyjnego typu baseline ma to niebagatelne znaczenie w optycznych strukturach pól komutacyjnych, gdyż wpływa na mniejsze tłumienie sygnału i mniejsze przeniki w polu..3. Struktura pracy Dalsza część pracy zawiera 7 kolejnych rozdziałów. Rozdział 2 poświęcony jest podstawowej terminologii używanej w pozostałej części niniejszej rozprawy. W rozdziale 2.2 wyjaśniono pojęcie komutatora oraz jego budowę. Zostały także opisane komutatory używane w omawianych w rozprawie strukturach pól komutacyjnych typu baseline oraz log 2 N. W rozdziale 2.3 zdefiniowano przeniki i omówiono ich powstawanie w obrębie pojedynczego komutatora. Ponadto, w rozdziale 2.4 opisane zostały pokrótce podstawowe struktury pól komutacyjnych znane z literatury przedmiotu, takie jak: crossbar, banyan, baseline oraz omega. W rozdziale 2.5 przedstawiono z kolei graf dwudzielny oraz graf krzyżujących się ścieżek, jako że są one wykorzystywane w późniejszych rozdziałach pracy do analizy własności kombinatorycznych struktur pól komutacyjnych typu baseline oraz typu log 2 N. Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

30 Wprowadzenie mgr inż. Remigiusz Rajewski W ostatniej części (rozdział 2.7) zdefiniowano ponadto pojęcie kosztu pojedynczego komutatora. Kolejny rozdział (rozdział 3) przedstawia kompleksowy opis struktury pola komutacyjnego typu baseline, która stanowi bezpośredni punkt odniesienia dla zaproponowanej w pracy nowej struktury pola komutacyjnego typu log 2 N. W rozdziale 3.2 przedstawiony jest dokładniejszy opis struktury pola komutacyjnego typu baseline zbudowanej z symetrycznych elementów komutacyjnych o rozmiarze 2 2. W rozdziale 3.3 przedstawiono sposób rozbudowy danej architektury pola komutacyjnego typu baseline do struktury o dwukrotnie większej pojemności, a w rozdziale 3.4 zaprezentowano narzędzia służące do opisu własności kombinatorycznych architektur pól komutacyjnych sposób reprezentacji danej architektury pola komutacyjnego za pomocą grafu dwudzielnego oraz grafu krzyżujących się ścieżek. Z kolei rozdział 3.5 zawiera opis sposobu zestawiania połączeń oraz wyjaśnienie pojęcia samosterowalności pola komutacyjnego typu baseline. Przeniki stanowią jedno z kryteriów porównywania różnych struktur pól komutacyjnych, z tego też względu stosowny opis ich powstawania w strukturze pola komutacyjnego typu baseline przedstawiono w rozdziale 3.6. Rozdział 3.7 zawiera opis liczenia kosztu architektury pola komutacyjnego typu baseline, gdzie koszt wyrażony jest w liczbie aktywnych i pasywnych elementów optycznych, z których dana struktura jest zbudowana. Koszt pola komutacyjnego stanowi kolejne oraz jedno z głównych kryteriów porównywania różnych architektur pól komutacyjnych między sobą. W rozdziale 4 opisano zaproponowaną przez autora rozprawy, nową architekturę pola komutacyjnego typu log 2 N. W rozdziale 4.2 przedstawiony został sposób budowy (przez odpowiednie połączenie ze sobą komutatorów symetrycznych i niesymetrycznych) nowej struktury pola komutacyjnego. W kolejnym rozdziale (rozdział 4.3) opisany został sposób rozbudowy struktury pola komutacyjnego typu log 2 N do struktury pola komutacyjnego o dwukrotnie większej pojemności. Ponadto przedstawiono, w rozdziale 4.4, sposób reprezentacji architektury pola komutacyjnego typu log 2 N za pomocą grafów dwudzielnych i grafów krzyżujących się ścieżek, co pozwala na analizę struktury pola komutacyjnego typu log 2 N pod kątem własności kombinatorycznych. Przeanalizowano również jak jest zestawiane nowe połączenie oraz na czym polega samoterowalność w strukturze pola komutacyjnego typu log 2 N (rozdział 4.5) oraz omówiono przeniki i ich wpływ na optyczny sygnał wyjściowy w danej strukturze pola komutacyjnego (rozdział 4.6). Wartości przeników stanowią w rozprawie jedno z kryteriów po- 2 Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

31 mgr inż. Remigiusz Rajewski Wprowadzenie równywania różnych struktur pól komutacyjnych między sobą. W rozdziale 4.7 przedstawiony został sposób liczenia kosztu zaproponowanej w rozprawie nowej architektury pola komutacyjnego typu log 2 N wyrażony, podobnie jak w rozdziale 3.7, w liczbie aktywnych i pasywnych elementów optycznych. Koszt stanowi w rozprawie główne kryterium porównania nowej struktury pola komutacyjnego typu log 2 N z architekturą pola komutacyjnego typu baseline. W rozdziałach 5 i 6 opisane zostały odpowiednio warunki nieblokowalności w wąskim sensie i przestrajalności, zarówno dla struktury pola komutacyjnego typu baseline jak i dla struktury pola komutacyjnego typu log 2 N. Ponadto, w rozdziale 5.2 omówione zostało zagadnienie wielopłaszczyznowości, oraz wyjaśniono zasadność stosowania struktur wielopłaszczyznowych pól komutacyjnych. Z kolei rozdział 7 poświęcony jest w całości porównaniu, znanej z literatury przedmiotu, zarówno jedno jak i wielopłaszczyznowej, struktury pola komutacyjnego typu baseline z zaproponowaną w rozprawie nową, także jedno jak i wielopłaszczyznową, strukturą pola komutacyjnego typu log 2 N. Porównano obie struktury pod względem wartości przeników (rozdział 7.2) jak również kosztu wyrażonego liczbą aktywnych i pasywnych elementów optycznych (rozdział 7.3). Porównano także koszt budowy wielopłaszczyznowych pól typu baseline i log 2 N i wskazano rozwiązanie o niższym koszcie w zależności od pojemności pola (rozdziały 7.4 i 7.5) W ostatnim rozdziale pracy (rozdział 8) przedstawiono podsumowanie i wnioski. Wymieniono ponadto najważniejsze rezultaty rozprawy. Wskazano również następne, możliwe kierunki kolejnych badań. Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline 3

32 Wprowadzenie mgr inż. Remigiusz Rajewski 4 Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

33 2 Podstawowa terminologia 2.. Wstęp Każda struktura pola komutacyjnego zbudowana jest z komutatorów, dlatego w rozdziale 2.2 opisano czym jest komutator i jego rozmiar. Omówiono budowę komutatora symetrycznego o rozmiarze 2 2, który jest wykorzystywany do budowy struktury pola komutacyjnego typu baseline. Taka architektura pola komutacyjnego stanowi bezpośredni punkt odniesienia dla nowej struktury pola komutacyjnego typu log 2 N zaproponowanego w tej pracy. Omówiono ponadto budowę komutatora symetrycznego o rozmiarze 3 3 jak i komutatorów niesymetrycznych o rozmiarach 2 3 i 3 2, które są wykorzystywane do budowy nowej struktury pola komutacyjnego. W rozdziale 2.3 opisano również zjawisko przeników pojawiających się w komutatorach o rozmiarze: 2 2, 2 3, 3 2 oraz 3 3. Wyznaczenie przeników w poszczególnych komutatorach pozwala określić jakie przeniki pojawiają się na wyjściach pól komutacyjnych typu baseline oraz typu log 2 N. Takie określenie jakości sygnału optycznego na wyjściu danej struktury pola komutacyjnego pozwala na porównywanie między sobą różnych struktur pól komutacyjnych i na wskazanie, która struktura może zapewnić lepszą jakość sygnału optycznego pojawiającego się na jej wyjściach. W rozdziale 2.4 przedstawiono przykładowe struktury pól komutacyjnych tworzone przez 5

34 Podstawowa terminologia mgr inż. Remigiusz Rajewski odpowiednie łączenie komutatorów. Poddano również dyskusji różne technologie wykonania struktur pól komutacyjnych, ze szczególnym uwzględnieniem rozwiązań optycznych. W kolejnym rozdziale (rozdział 2.5) zaprezentowano graf dwudzielny jako główne narzędzie analizy własności kombinatorycznych pola komutacyjnego typu baseline. W rozprawie graf dwudzielny został wykorzystany do wyznaczenia warunków nieblokowalności w wąskim sensie (rozdział 5) i warunków przestrajalności (rozdział 6) nowej architektury pola komutacyjnego. Wprowadzenie warunków nieblokowalności pozwoliło na porównanie nowej architektury pola komutacyjnego typu log 2 N ze strukturą pola komutacyjnego typu baseline. W rozdziale 2.6 zdefiniowano pojęcie grafu krzyżujących się ścieżek. Graf krzyżujących się ścieżek ułatwia wyznaczanie własności kombinatorycznych pola komutacyjnego. Dlatego też koncepcja grafów krzyżujących się ścieżek została także użyta w rozdziale 5 i rozdziale 6 do wyznaczenia odpowiednich warunków nieblokowalności. W rozdziale 2.7 zaproponowany został sposób liczenia kosztu poszczególnych komutatorów wykorzystywanych do budowy nowego pola komutacyjnego. Koszt taki wyrażony został w liczbie optycznych elementów pasywnych i aktywnych, z których dany komutator jest zbudowany. Dzięki wyznaczeniu kosztu pojedynczego komutatora, można wyznaczać koszt całej struktury danego pola komutacyjnego o określonej pojemności, zbudowanego z wielu komutatorów, a tym samym porównać koszt różnych struktur pól Elementy komutacyjne W teorii komutacji podstawowym elementem struktury pola komutacyjnego jest komutator, zwany także elementem przełączającym lub elementem komutacyjnym (ang. Switching Element SE). Realizuje on funkcję przełączania sygnału pojawiającego się na danym wejściu SE do określonego wyjścia z tego SE. Pojedynczy element komutacyjny składa się z kolei z mniejszych elementów zwanych punktami komutacyjnymi (ang. crosspoints) [22]. Jeden punkt komutacyjny realizuje jedynie połączenie pochodzące z jednego wejścia i kierowane do jednego wyjścia danego komutatora. Połączenie takiego typu jest też często w związku z tym nazywane połączeniem typu jeden do jednego (ang. point-to-point lub unicast) [22, 46, 72, 75, 9, 96, 28, 74]. Jeżeli na wejściu komutatora pojawi się jedno połączenie kierowane do więcej niż jednego wyjścia SE, to takie połączenie jest nazywane połączeniem rozsiewczym lub konferencyjnym 6 Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

35 mgr inż. Remigiusz Rajewski Podstawowa terminologia (ang. multicast) [24 29, 33, 68, 86]. Połączenia typu konferencyjnego nie stanowią jednak istoty rozprawy i nie będą dalej rozważane. Przykłady symboli oznaczających komutator o rozmiarze x y, gdzie x oznacza liczbę wejść a y liczbę wyjść komutatora, przedstawiony jest na rysunku 2. [72, 75]. W dalszej części rozprawy do oznaczania komutatorów stosowane będą jedynie symbole z rysunku 2.(a). y x y x y x y x (a) (b) (c) (d) Rysunek 2.. Sposoby oznaczania komutatora o rozmiarze x y Komutatory można ze sobą odpowiednio łączyć i grupować je w sekcje tworząc w ten sposób nowe struktury zwane polami komutacyjnymi [22,7 73,75,9,28,42]. Przykładowa struktura pola komutacyjnego, będąca wynikiem odpowiedniego połączenia kilku komutatorów ze sobą, przedstawiona jest na rysunku 2.2. Rysunek 2.2. Architektura pola komutacyjnego przedstawiona ze pomocą symboli komutatorów i łączy Szczególnym przypadkiem architektury pola komutacyjnego będzie pojedynczy komutator o rozmiarze x y. Pojedynczy komutator zawiera xy punktów komutacyjnych. Clos [22] wykazał, że można budować większe struktury pól, które przy tej samej pojemności x y zawierają Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline 7

36 Podstawowa terminologia mgr inż. Remigiusz Rajewski mniejszą liczbę punktów komutacyjnych niż pojedynczy komutator. Ograniczenie liczby punktów komutacyjnych pozwala obniżyć koszt danej struktury pola komutacyjnego (zagadnienie kosztu pola komutacyjnego jest omówione w rozdziale 2.7). Szczególny przypadek komutatora to komutator kwadratowy, czyli komutator, który ma tyle samo wejść i wyjść (y = x). Stąd, rozmiar komutatora wynosi x x i taki komutator nazywany jest komutatorem symetrycznym. Z komutatorów symetrycznych zbudowana jest architektura pola komutacyjnego typu baseline, która stanowi punkt wyjściowy dla zaproponowanej w pracy struktury pola komutacyjnego typu log 2 N (struktura ta opisana jest dokładniej w rozdziale 4). Z kolei pole komutacyjne typu log 2 N zbudowane jest zarówno z komutatorów symetrycznych o rozmiarze 2 2 i 3 3 jak i z komutatorów niesymetrycznych o rozmiarze 2 3 oraz 3 2. Każdy element komutacyjny SE o rozmiarze 2 2 może znajdować się w dwóch stanach punkt-punkt: stanie na wprost K s (ang. bar) lub stanie na krzyż K2 s (ang. cross), gdzie Ki s oznacza i-ty stan komutatora symetrycznego. Oba stany przedstawione są odpowiednio na rysunku 2.3(a) i rysunku 2.3(b). Gdy komutator jest w stanie na wprost, sygnał może być przesłany z danego wejścia na wyjście o takim samym numerze jak numer wejścia, z którego ten sygnał pochodzi. Będzie to spełnione dla połączenia, i, (rysunek 2.3(a)), gdzie x, y oznacza połączenie pomiędzy wejściem x a wyjściem y. Natomiast gdy komutator jest w stanie na krzyż, to sygnał może być przesłany z danego wejścia na wyjście o innym numerze niż numer wejścia, z którego ten sygnał pochodzi. Będzie to spełnione dla połączenia, i, (rysunek 2.3(b)). (a) (b) Rysunek 2.3. Stany symetrycznego elementu komutacyjnego o rozmiarze 2 2: (a) stan na wprost K s, (b) stan na krzyż Ks 2 Na rysunku 2.4 oraz na rysunku 2.5 przedstawione są komutatory niesymetryczne, z których zbudowana jest architektura nowego pola komutacyjnego typu log 2 N. 8 Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

37 mgr inż. Remigiusz Rajewski Podstawowa terminologia 2 2 (a) (b) 2 2 (c) (d) 2 2 (e) (f) Rysunek 2.4. Stany niesymetrycznego elementu komutacyjnego z ekspansją o rozmiarze 2 3: (a) stan K n e, (b) stan Kn e2, (c) stan Kn e3, (d) stan Kn e4, (e) stan Kn e5, (f) stan Kn e6 Każdy element komutacyjny SE o rozmiarze 2 3 może znajdować się w sześciu różnych stanach punkt-punkt: Ke, n Ke2, n Ke3, n Ke4, n Ke5 n i Ke6, n gdzie Kei n oznacza i-ty stan komutatora niesymetrycznego z ekspansją (ekspansja została wyjaśniona w dalszej części tego rozdziału). Odpowiednie stany przedstawione są na rysunku 2.4. Z kolei komutator o rozmiarze 3 2 może znajdować się także w sześciu różnych stanach punkt-punkt: Kk n, Kn k2, Kn k3, Kn k4, Kn k5 i Kk6 n, gdzie Kn ki oznacza i-ty stan komutatora niesymetrycznego z kompresją (kompresja została wyjaśniona w dalszej części tego rozdziału). Komutator może być wykonany w różnej technologii, na przykład może być zbudowany z wykorzystaniem bramek logicznych (ang. logical gates) [73, 9]. Przykład realizacji komutatora o rozmiarze 4 4 w takiej technologii jest przedstawiony na rysunku 2.6. Każda bramka jest sterowana sygnałem kontrolnym c xy, gdzie x oznacza numer wejścia a y numer wyjścia, które mają być ze sobą połączone w celu przesłania sygnału między nimi. Gdy sygnał kontrolny c xy jest ustawiony na (stan wysoki), to bramka logiczna jest otwierana i wówczas możliwe Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline 9

38 Podstawowa terminologia mgr inż. Remigiusz Rajewski 2 2 (a) (b) 2 2 (c) (d) 2 2 (e) (f) Rysunek 2.5. Stany niesymetrycznego elementu komutacyjnego z kompresją o rozmiarze 3 2: (a) stan K n k, (b) stan Kn k2, (c) stan Kn k3, (d) stan Kn k4, (e) stan Kn k5, (f) stan Kn k6 jest przesłanie sygnału informacyjnego między wejściem x a wyjściem y (połączenie x, y jest zestawione). Natomiast gdy sygnał kontrolny c xy = (stan niski), to bramka logiczna jest zamknięta i nie ma możliwości przesłania sygnału informacyjnego z wejścia x do wyjścia y. Każda bramka musi być kontrolowana oddzielnie, co oznacza, że potrzeba tyle sygnałów kontrolnych ile jest bramek logicznych w danym komutatorze. Liczba bramek logicznych jest uzależniona bezpośrednio od liczby wejść i wyjść danego komutatora, stąd całkowita ich liczba, z których zbudowany jest komutator o dowolnej pojemności, wynosi xy. Ponieważ komutator o rozmiarze N N (lub innymi słowy, komutator kwadratowy o pojemności N) zbudowany jest z N 2 bramek logicznych, to potrzebnych jest w sumie N 2 sygnałów sterujących. Elementy komutacyjne mogą umożliwiać przesyłanie nie tylko sygnałów elektrycznych, ale także i sygnałów optycznych. Pierwsze zainteresowania komutacją optyczną pojawiły się już w latach 7-tych ubiegłego wieku. Jednak dopiero w latach 8-tych poprzedniego stulecia i wprowadzenie jako medium transmisyjnego światłowodów do transmisji sygnałów optycznych 2 Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

39 mgr inż. Remigiusz Rajewski Podstawowa terminologia We c c c 2 c 3 We c c c 2 c 3 We 2 c 2 c 2 c 22 c 23 We 3 c 3 c 3 c 32 c 33 Wy Wy Wy 2 Wy 3 Rysunek 2.6. Komutator symetryczny o rozmiarze 4 4 zrealizowany za pomocą bramek logicznych spowodowało szybszy rozwój komutacji optycznej. Pierwsze doświadczenia czysto optyczne [7, 2, 53 6, 2, 2] polegały na odpowiedniej adaptacji wcześniejszych prac prowadzonych w dziedzinie komutacji nad: przełącznikami elektrycznymi, urządzeniami optycznymi i opto-elektronicznymi, obliczeniami optycznymi oraz z ówczesnej komutacji optycznej. Od początku lat 9-tych ubiegłego wieku technologia optyczna była już na tyle rozwinięta, że przystąpiono do bardziej zaawansowanych badań nad komutacją pozwalającą przesyłać sygnały optyczne. Od wczesnych lat 9-tych poprzedniego stulecia powstawały technologie pozwalające budować optyczne elementy komutacyjne. Jednak w początkowej fazie były one dość nowatorskim rozwiązaniem, stąd były często niedopracowane [53]. Głównymi technologiami z tego okresu były [42, 2, 2, 22, 25, 26, 39, 4, 43, 58, 59, 79, 8]: mikrolustra (ang. micromirrors) zastosowanie malutkich luster w miejscu tradycyjnych punktów komutacyjnych, Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline 2

40 Podstawowa terminologia mgr inż. Remigiusz Rajewski elektro-optyczne przełączniki fal (ang. guided-wave electro-optic switches) przeważnie stosowane włókna światłowodowe wykonane z niobianu litu domieszkowane tytanem T i : LiNbO 3, opto-mechaniczne przełączniki makro (ang.macro opto-mechanical switches) np. przełącznik światłowodowy (ang. fiber switch), przestrzenne modulatory światła (ang. spatial light modulators) zastosowanie ciekłych kryształów, półprzewodnikowe wzmacniacze optyczne (ang. semiconductor optical amplifiers SOA). Przykładowy komutator o rozmiarze 4 4 zrealizowany za pomocą mikroluster przedstawiony jest na rysunku 2.7. Wejściami takiego elementu komutacyjnego są włókna światłowodowe, wyjściami także są włókna światłowodowe, natomiast wewnątrz znajdują się mikroskopijne lustra, które odpowiednio ustawione kierują strumień światła. Odpowiedni wybór drogi połączeniowej jest powodowany sterowaniem podobnie jak ma to miejsce przy realizacji komutatora elektronicznego za pomocą bramek logicznych. Gdy lustro jest zamknięte (opuszczone), sygnał optyczny nie jest kierowany do żadnego wyjścia komutatora, natomiast gdy lustro jest otwarte (podniesione), sygnał optyczny pada na nie i odbija się, podążając do wybranego wyjścia SE. Stany mikrolustra przedstawione są na rysunku 2.8. W tym rozwiązaniu technologicznym, sygnał optyczny kierowany z dowolnego wejścia do dowolnego wyjścia danego komutatora może być odbijany jedynie przez jedno lustro. Na rysunkach 2.7 i 2.8 lustra otwarte zaznaczone są pogrubioną linią natomiast lustra zamknięte oznaczone są linią normalną. Podobnie sygnały optyczne, które odpowiadają zrealizowanym połączeniom w tym komutatorze, przedstawione są pogrubioną linią. Są to odpowiednio połączenia:,,, 2, 2, oraz 3, 3. Na rysunku 2.9(a) przedstawione jest zdjęcie mikrolustra [52], z kolei na rysunku 2.9(b) przedstawiony jest fragment matrycy złożonej z wielu mikroluster [45]. Komutatorem może być także sprzęgacz kierunkowy (ang. directional coupler) [59, 73]. Sprzęgacze są najczęściej używane w komutacji optycznej, aczkolwiek pojawiały się one także w komutacji elektrycznej w przełącznikach IP i ATM (miały wówczas dwa wejścia i dwa wyjścia). Najczęściej sprzęgacze kierunkowe mają rozmiar 2 2, ale można także spotkać sprzęgacze o jednym wejściu i kilku wyjściach, o kilku wejściach i jednym wyjściu, bądź też 22 Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline

41 mgr inż. Remigiusz Rajewski Podstawowa terminologia We We We 2 We 3 Wy Wy Wy 2 Wy 3 Rysunek 2.7. Komutator symetryczny o rozmiarze 4 4 zrealizowany za pomocą mikroluster (a) (b) Rysunek 2.8. Stan mikrolustra: (a) zamknięte (opuszczone), (b) otwarte (podniesione) sprzęgacze kierunkowe symetryczne lub niesymetryczne o kilku wejściach i kilku wyjściach [6, 4, 44, 6, 62, 83, 4, 68]. Komutator wykonany całkowicie w technologii optycznej (ang. Optical Switching Element OSE) może być zbudowany z półprzewodnikowych wzmacniaczy optycznych SOA. Wzmacniacze takie są optycznymi elementami aktywnymi. Zaletą wzmacniaczy SOA jest to, że charakteryzują się stosunkowo dużym pasmem przenoszenia sygnałów optycznych [23, 42]. W związku z tym, mogą one obsłużyć sygnały optyczne przenoszone za pomocą fal z większego spektrum dostępnych długości fal λ, co może przekładać się na większą elastyczność w późniejszym wykorzystaniu takiego komutatora. Każdy półprzewodnikowy wzmacniacz optyczny może mieć nieco inną charakterystykę wzmocnienia sygnału optycznego przechodzącego przed ten SOA [23,42]. Wzmacniacze SOA mogą być w związku z tym tak wysterowane, aby ich wzmocnienie kompensowało wszystkie straty wynikające z podziału sygnału optycznego w danym elemencie przełączającym. Generalnie przyjmuje się takie ustawienie wzmocnienia, aby sygnał na wyjściu komutatora charakteryzował Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline 23

42 Podstawowa terminologia mgr inż. Remigiusz Rajewski (a) (b) Rysunek 2.9. Fizyczna realizacja mikrolustra: (a) pojedyncze mikrolustro [52], (b) matryca mikroluster [45] się bardzo zbliżoną mocą sygnału optycznego jak na wejściu danego komutatora. Takie podejście zapewnia porównywalną moc sygnału optycznego w każdym miejscu danej struktury pola komutacyjnego. Stąd, przy architekturach pól komutacyjnych o bardziej skomplikowanej budowie, gdzie sygnał optyczny przesyłany jest przez różną liczbę elementów optycznych, łatwiej jest uzyskać na wyjściu takiej architektury pola komutacyjnego sygnał optyczny o pożądanej mocy optycznej. Rysunek 2.. Komutator symetryczny o rozmiarze 2 2 zrealizowany za pomocą półprzewodnikowych wzmacniaczy optycznych SOA Komutator symetryczny o rozmiarze 2 2, zbudowany w technologii półprzewodnikowych wzmacniaczy optycznych, był do niedawna najczęściej stosowanym rozwiązaniem w komutacji optycznej. Taki komutator przedstawiony jest na rysunku 2.. Ponieważ w rozprawie nie są rozważane struktury pól komutacyjnych zapewniające połączenia typu konferencyjnego, to sygnał optyczny pojawiający się na danym wejściu komutatora może trafić tylko do jednego 24 Nowa architektura optycznego pola komutacyjnego bazująca na strukturze typu baseline