Принципы и методы построения фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, доктор наук Барабанова Елизавета Александровна

• Барабанова Елизавета Александровна
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Барабанова Елизавета Александровна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ НАУКИ В ОБЛАСТИ ФОТОННЫХ КОММУТАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

1.1 Технологии разработки оптических коммутационных систем

1.2 Применение современных материалов для построения оптических коммутационных систем

1.3. Архитектуры коммутационных систем

1.3.1 Обобщенная схема построения оптической коммутационной системы

1.3.2 Матричная схема

1.3.3 Баньяноподобные структуры

1.3.4 Схемы Бенеша

1.3.5 Многокаскадные сети на основе хордового кольца сети

1.3.6 Схемы Шпанке и Шпанке-Бенеша

1.3.7 Трёхкаскадные схемы Клоза

1.3.8 Сравнение характеристик коммутационных систем

1.4 Алгоритмы работы оптических коммутационных систем

Выводы по 1 главе и постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. НОВЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ФОТОННЫХ КОММУТАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ЭЛЕМЕНТОВ 4x4

2.1 Архитектура коммутатора 4x4

2.1.1 Принцип работы коммутатора 4x4

2.1.2 Оптическое интегральное устройство

2.2 Алгоритм работы коммутатора 4x4

2.3 Архитектура и алгоритм работы фотонного коммутатора 16x16

2.4 Архитектура и алгоритм работы коммутационной системы 256x256

2.5 Архитектура фотонной коммутационной системы 65536x65536

2.6 Оценка неблокируемости фотонных коммутационных систем

2.6.1 Неблокируемость коммутатора 4x4

2.6.2 Неблокируемость коммутатора 16x16

2.7 Математические модели для расчета сложности и диаметра фотонных коммутационных систем

2.7.1 Расчет сложности базового элемента

2.7.2 Расчет схемной и коммутационной сложностей

2.7.3 Расчет диаметра системы

Выводы по 2 главе

ГЛАВА 3. НОВЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ФОТОННЫХ КОММУТАЦИОННЫХ СИСТЕМ С ДУБЛИРОВАНИЕМ

КОММУТАЦИОННОГО ЭЛЕМЕНТА

3.1 Фотонный коммутатор 8x8

3.2 Фотонный коммутатор 8x8 с дублированием коммутационного элемента

3.2.1 Архитектура и принцип работы

3.2.2 Алгоритм работы коммутатора 8x8

3.3 Фотонная коммутационная система 64x64

3.3.1 Архитектура и принцип работы

3.3.2 Архитектура коммутатора 4096x4096

3.3.3 Алгоритм работы коммутатора 64x64

3.4 Оценка неблокируемости оптических коммутационных систем с дублированием коммутационного элемента

3.4.1 Неблокируемость коммутатора 8x8

3.4.2 Неблокируемость коммутатора 64x64

3.5 Математические модели для расчета сложности фотонных коммутационных

систем с дублированием коммутационного элемента

3.5.1 Расчет сложности базового элемента 8x8

3.5.2 Схемная и коммутационная сложность фотонных коммутационных систем на основе ячеек 8x8

Выводы по 3 главе

ГЛАВА 4. ПРИНЦИПЫ РАСШИРЕНИЯ ФОТОННЫХ КОММУТАЦИОННЫХ СИСТЕМ СЕТЕЙ СВЯЗИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

4.1 Многокаскадные коммутаторы большой сложности

4.1.1 Метод расширения фотонных коммутаторов

4.1.2 Математические модели для расчета сложности коммутаторов

4.2 Многокаскадные коммутаторы средней сложности

4.2.1 Масштабирование на основе мультиплексоров 4x1 и демультиплексоров 1x4

4.2.2 Масштабирование на основе мультиплексоров 16x1 и демультиплексоров 1x16

4.3 Сравнение сложности, диаметра и периода сигналов фотонных коммутационных систем для разных подходов

4.4 Сравнение сложностей фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения и неблокируемой схемы Клоза

Выводы по 4 главе

ГЛАВА 5 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ФОТОННЫХ КОММУТАЦИОННЫХ СИСТЕМ СЕТЕЙ СВЯЗИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ .... 167 5.1 Управляемые материалы

5.1.1 Магнитооптические материалы

5.1.2 Плазмоподобные среды

5.2 Расчет коэффициентов отражения и прохождения

5.2.1 Построение матрицы преобразования и нахождение коэффициентов отражения для изотропной структуры

5.2.2 Построение матрицы преобразования и нахождение коэффициентов отражения для анизотропной структуры

5.3 Принцип работы отклоняющих систем

5.3.1 Отклоняющая система 1x4, работающая на отражение

5.3.2 Отклоняющая система 1x4, работающая на прохождение

5.3.3 Отклоняющая система 1x8, работающая на прохождение

5.3.4 Отклоняющая система 1x4, работающая на отражение и прохождение

5.4 Оптический мультиплексор

5.5 Характеристика сигналов коммутационной системы

5.6 Фильтр Брэгга

5.7 Частотный детектор

5.8 Принцип формирования управляющего сигнала

5.9 Анализ быстродействия схемы

Выводы по 5 главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Принципы и методы построения фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения»

Актуальность темы исследования

В связи с увеличением объема передаваемой информации в узлах связи и центрах обработки данных к пропускной способности современных систем телекоммуникаций предъявляются высокие требования [1,2]. С одной стороны, волоконно-оптические линии связи способны передавать информационные потоки со скоростью порядка 1 Тбит/с [3-5], с другой -самые производительные коммутаторы не позволяют обработать этот объем информации без задержек, так как их пропускная способность не превышает сотни Гбит/с [6,7]. Данное несоответствие обусловлено тем, что на практике чаще всего используются оптоэлектронные коммутаторы, обладающие недостаточным быстродействием для обработки больших объемов информации в перспективных 5 О и 60 сетях [8]. В то же время полностью оптические коммутаторы способны решить задачу транспортировки больших данных без задержек в сетях связи нового поколения. Они имеют ряд существенных преимуществ, таких как высокое быстродействие, меньшие геометрические размеры, меньшую потребляемую мощность, меньшие потери и т. д [3]. В связи с этим задача разработки методов построения полностью оптических коммутационных систем нового поколения, обладающих высоким быстродействием и позволяющих обрабатывать большие объемы данных, представляется актуальной для проектирования оптических систем связи и имеет большое практическое значение.

В последнее время для разработки оптических коммутаторов рядом ученых предлагается использовать новые материалы: наноповерхности, метаповерхности и объемные метаматериалы [9-18]. Представленные в научной литературе коммутационные ячейки на такого рода современных материалах дают приемлемое на практике быстродействие (Тбит/с), однако авторы представленных разработок не брали в расчет задержки системы управления и скорость изменения параметров структуры, например, теплоемкость и т.д., а также задержки за счет несовершенства схемных решений. Более того, эти ячейки фактически

представляют собой оптические ключи с двумя выходами, которые обеспечивает либо прохождение, либо отражение информационного луча при наличии управляющего сигнала. Использование такого рода элементов для построения коммутационных систем большой размерности приводит к значительному увеличению числа каскадов системы и ее сложности, а также увеличивает время обработки сигнала.

Поэтому актуальным и значимым является теоретическая и практическая разработка оптических коммутационных систем сетей связи нового поколения, основанных на современных материалах и обеспечивающих высокую пропускную способность систем телекоммуникаций.

Степень научной разработанности темы

Изучением вопросов построения оптических коммутационных систем занимаются ученые, круг научных интересов которых лежит в области построения быстродействующих вычислительных систем и систем телекоммуникаций. Разработкой схем многокаскадных коммутационных систем, алгоритмов распределенной обработки данных, а также математических методов, которые могут быть использованы для описания как оптических, так и электронных узлов связи занимаются ученые Института проблем управления РАН им. Трапезникова: Вишневский В.М., Подлазов В.С., Стецюра Г.Г., Каравай М.Ф. [19-31]. Научная школа из НИИ МВС Южного федерального университета под руководством Каляева И.А. занимается разработкой архитектур реконфигурируемых мультиконвейерных вычислительных структур, в том числе на базе многокаскадных коммутационных систем [32-35]. Существенный вклад в развитие теории коммутации и передачи данных с учетом требований, предъявляемых современными технологиями связи, внесли Степанов С.Н., Нетес В.А., Кучерявый А.Е., Гольдштейн Б.С., Карташевский В.Г. и др [36,37]. В лаборатории «Параллельных информационных технологий» научно -исследовательского вычислительного центра МГУ ведутся разработки высокопроизводительных технологий, которые служат основой для развития

одного из крупнейших суперкомпьютерных комплексов в России [37-39]. Разработкой фотонных вычислительных систем, основанных на потоковых вычислениях и бесконфликтных алгоритмах обработки информации процессорами, занимаются ученые из Всероссийского НИИ экспериментальной физики (г.Саров). В качестве быстродействующей мультипроцессорной коммутационной системы, объединяющей фотонные процессоры, ученые предлагают использовать такие топологии как BD-тор, ^-гиперкуб и Dragonfly, главным недостатком которых является блокируемость при параллельной передаче данных [40,41]. Актуальными также являются вопросы обработки информации в оптических системах связи, которыми занимаются ученые Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича (Кузьмин М.С., Рогов С.А. и др.) [42-43], а также проводимые в Федеральном научно-исследовательском центре «Кристаллография и фотоника» РАН разработки высокоскоростных оптических межсоединений на печатной плате [44]. Исследованиями, посвященными разработке новых схем, алгоритмов оптических коммутационных систем, развитию и интеграции оптоволоконных и беспроводных систем связи занимаются и зарубежные ученые, среди них наибольший интерес в рамках данной работы представляют труды Tarek S. El-Bawab, Martin Maier, Ronelle Geldenhuys, Francesco Testa, Lorenzo Pavesi и др [1,3,45-49]. Большинство исследований как отечественных, так и зарубежных ученых направлены на развитие оптических систем связи и обработки информации за счет применения новых алгоритмов работы сетей, использования современных подходов к аппаратной реализации коммутационных узлов и обработки сигналов. При этом вопросам построения масштабируемых оптических коммутационных систем с сохранением свойства неблокируемости и обладающих высокой пропускной способностью уделяется недостаточное внимание. Поэтому возникает необходимость в разработке нового подхода к построению полностью оптических коммутационных систем нового поколения для обработки больших объемов данных, отличающихся невысокой сложностью, а также отсутствием

блокировок при произвольных перестановках и параллельной передаче информации.

Потребность в разработке новых технологий для обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта обуславливает их включение в перечень приоритетных перспективных направлений научно-технологического развития Российской Федерации.

Выполненный анализ научных работ показал, что, несмотря на значительные результаты в теории построения электронных и оптоэлектронных коммутаторов, отсутствует теоретическое обоснование для разработки полностью оптических коммутационных систем, алгоритмов их работы и математических моделей для расчета основных характеристик. В соответствии с этим, научной проблемой диссертации является разработка принципов и методов построения полностью оптических коммутационных систем без внешнего электронного управления для перехода на фотонные системы передачи информации.

Согласно выше сказанному, были сформулированы объект, предмет, а также цель и задачи исследования.

Цель и задачи исследования

Целью диссертации является разработка новых принципов и методов построения и функционирования полностью оптических неблокируемых коммутационных систем для обеспечения высокоскоростной обработки информации и передачи больших объемов данных в современных системах телекоммуникаций.

Задачи исследования

Для достижения цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1. Анализ современного состояния науки и техники в области построения оптических коммутационных систем.

2. Разработка метода параллельной передачи сигналов для неблокируемых фотонных коммутационных систем с распределенным управлением.

3. Разработка новых принципов построения и алгоритмов работы фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения на основе коммутаторов 4x4 нового типа.

4. Разработка новых принципов построения и алгоритмов работы фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения на основе коммутаторов 8x8 нового типа.

5. Разработка метода оценки сложности фотонных коммутационных сетей связи нового поколения.

6. Разработка математических моделей для расчета сложности фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения на основе коммутаторов 4x4 и 8x8 нового типа.

7. Разработка методов расширения фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения, предназначенных для обработки больших объемов данных.

8. Разработка физико-математических моделей устройств коммутационных систем сетей связи нового поколения (отклоняющих систем, частотного детектора, фильтра Брэгга, формирователя управляющих сигналов).

Объектом исследования являются фотонные коммутационные системы сетей связи нового поколения.

Предметом исследования являются математические и физико-математические модели, схемы и алгоритмы работы фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения и их элементов.

Методы исследований

Для построения математических моделей фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения использованы элементы теории множеств и теории графов, а также метод математической индукции. При разработке схем коммутационных систем в целом использованы методы каскадного расширения

коммутатора. Для расчета сложностей базовых элементов коммутационных систем использованы методы булевой алгебры. Алгоритмы работы коммутационных систем разработаны с использованием теории алгоритмов и языка блок-схем. Оценка периода сигналов, требуемого для обеспечения неблокируемости фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения, проводится на основе метода имитационного моделирования. Для создания программы-имитатора использован язык программирования Python.

При расчете коэффициентов отражения и прохождения в изотропных и анизотропных структурах, на основе которых построены элементы коммутационных систем сетей связи нового поколения, использованы матричные методы расчета в геометрической оптике. Вычислительные эксперименты проводятся в программном пакете Maple.

Научная новизна работы

1. Новый метод параллельной передачи сигналов для фотонных коммутационных систем с распределенным управлением, отличающийся поразрядной передачей информационных и управляющих сигналов и позволяющий обеспечить полностью оптическую передачу и обработку информации без блокировок.

2. Математические модели фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения размерностью 4*4, 8*8, 16*16, 64x64 и 256*256, позволяющие оценить их схемную и коммутационную сложности.

3. Алгоритмы работы фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения размерностью 4*4, 8*8, 16*16, 64*64 и 256*256, основанные на теории множеств и графов, отличающиеся введением специальных функций и дополнительных условий, отвечающих спецификам функционирования предлагаемых фотонных коммутационных систем.

4. Схемы фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения размерностью 4*4, 8*8, 16*16, 64*64 и 256*256, отличающиеся наличием самонастраивающихся элементов в коммутационных устройствах, реализующих

метод параллельной поразрядной передачи сигналов и обеспечивающих полностью оптическую передачу и обработку информации без блокировок.

5. Новые схемы оптических коммутационных ячеек и их физико-математические модели, имеющие четыре и восемь пространственно-разнесенных выходов на основе двумерных фотонных кристаллов сложной конфигурации, отличающиеся использованием принципа пространственного разнесения сигналов в зависимости от значения управляющего воздействия.

6. Новый принцип пространственного разделения каналов связи, отличающийся использованием метаматериала для увеличения разнесения информационных лучей в оптической коммутационной ячейке, что повышает помехоустойчивость узлов связи и раскрывает новые возможности и перспективы использования данных материалов в системах телекоммуникаций.

7. Новая схема системы управления коммутационными устройствами, отличаю

щаяся наличием управляемых линий задержки и элементов управления отклоняющей системой, позволяющая реализовать децентрализованный поиск свободных каналов связи без блокировок.

8. Новый принцип построения многокаскадных неблокируемых фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения большой емкости, отличающийся применением метода инвариантного расширения произвольных системных сетей на основе квазиполного орграфа к новым схемам (пункт 4), позволяющий уменьшить величину задержки сигналов в 12 раз.

9. Математические модели многокаскадных фотонных коммутационных систем большой размерности, позволяющие оценить их сложность для задачи выбора варианта построения фотонной коммутационной системы, наиболее подходящего при заданных характеристиках сети связи.

Теоретическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в разработке комплекса методов построения фотонных коммутационных систем сетей связи нового

поколения, включающих в себя математические и физико-математические модели, схемы и алгоритмы работы устройств, методику расчета параметров систем и характеристик устройств.

Практическая значимость работы

Предложенные в диссертационном исследовании принципы и методы построения фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения позволят повысить быстродействие оптических систем связи. Результаты диссертации внедрены в проектную деятельность ООО «Терра-Юг» (г.Краснодар), в деятельность предприятия ПАО «Ростелеком» (г.Астрахань), ООО ПКФ «Астрахань-Телеком», ООО «Связьинформ» и использованы на практике в учебном процессе Астраханского государственного технического университета и Волгоградского государственного технического университета, о чем имеются соответствующие акты о внедрении.

Положения, выносимые на защиту

1. Метод параллельной поразрядной передачи сигналов для неблокируемых фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения, который позволяет обеспечить передачу и обработку информации без блокировок в полностью оптических системах.

2. Математические модели, которые позволяют проводить расчеты и оценку схемной и коммутационной сложностей неблокируемых фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения размерностью 4*4, 8x8, 16*16, 64*64 и 256*256.

3. Схемы фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения размерностью 4*4, 8*8, 16*16, 64*64 и 256*256, которые обеспечивают неблокируемую высокоскоростную параллельную поразрядную передачу оптических сигналов без использования внешнего управляющего устройства.

4. Алгоритмы работы фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения, обеспечивающие выполнение условий строгой неблокируемости и децентрализации управления в процессе их функционирования, в том числе для полностью оптических систем размерностью 4x4, 8x8, 16x16, 64x64 и 256x256.

5. Схемы оптических коммутационных ячеек, имеющих четыре и восемь пространственно-разнесенных выходов на основе двумерных фотонных кристаллов сложной конфигурации, которые обеспечивают быстродействие коммутационной системы порядка единиц пикосекунд, а также их физико-математические модели, которые позволяют рассчитать потери в узлах системы.

6. Принцип пространственного разнесения каналов связи на основе использования элементов коммутации с включением слоев из метаматериала, позволяющий осуществлять функционирование коммутационных систем в рамках линейных характеристик, что существенно увеличивает их быстродействие.

7. Новая схема системы децентрализованного управления оптическими коммутационными устройствами с использованием ректенн, которая обеспечивает быстродействие порядка единиц пикосекунд, что на порядок выше быстродействия существующих оптических систем коммутации.

8. Новый принцип построения фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения большой емкости, обеспечивающий строгую неблокируемость при увеличении быстродействия в 12 раз.

9. Математические модели, которые позволяют проводить расчеты и оценку сложности неблокируемых фотонных коммутационных систем большой емкости.

Достоверность результатов диссертационной работы

Достоверность научных положений и выводов определяется корректным применением строгих аналитических методов исследований, подтверждается

вычислительными экспериментами, результатами имитационного моделирования, а также успешным внедрением результатов в различных организациях, о чем имеются соответствующие акты.

Апробация полученных результатов

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: The Third International Conference "High Performance Computing" (Украина, Киев, Октябрь 7-11, 2013); The International Scientific - Practical Conference «Innovative information technologies» (Чехия, Прага, 21-25 апреля 2014 год), 11th Joint Conference on Knowledge-Based Software Engineering (Волгоград, 2014 год), Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2014, АПЭП-2016 и АПЭП-2018 (Саратов, 25-26 сентября 2014, 22-23 сентября 2016, 27-28 сентября 2018 г.); First conference Creativity in Intelligent, Technologies and Data Science (Волгоград, 2015); 21st International Conference, DCCN 2018 (Москва, 17-21 сентября 2018); IEEE Northwest Russia Conference on Mathematical Methods in Engineering and Technology (Санкт-Петербург, 10-14 сентября 2018); 12th International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena - Metamaterials (Финляндия, Espoo, 27-30 августа 2018), International Conference on Metamaterials and Nanophotonics (Сочи, 17-21 сентября 2018), II международной молодежной конференции «Информационные технологии и технологии коммуникации: современные достижения» (Астрахань, 11-14 сентября 2018г.); 2019 и 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (Санкт-Петербург, 28-29 января 2019, 27-28 января 2020); V международной конференции «Информационные технологии и нанотехнологии» (Самара, 21 -24 мая 2019); 13th International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena - Metamaterials (Италия, Рим, 16-19 сентября 2019), 22st International Conference, DCCN 2019 (Москва, 23-27 сентября 2019); III Международной молодежной конференции «Информационные технологии и технологии коммуникации: современные достижения» (Астрахань, 1-5 октября 2019 год).

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной научно-исследовательской работой кафедры «Связь» Астраханского государственного технического университета по теме «Перспективные высокоскоростные инфокоммуникационные системы» 2013-2019г. (№ГОС.РЕГИСТРАЦИИ 01201450580); научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами, проводимыми ФГБОУ ВО АГТУ в рамках государственного задания учредителя (Росрыболовство) по темам: «Разработка автоматизированных рабочих мест для специалистов рыбохозяйственного комплекса и сельского хозяйства с использованием мобильных приложений» 2015г. (№ ГОС.РЕГИСТРАЦИИ 115031110019); «Разработка систем поддержки принятия решений для специалистов рыбохозяйственной отрасли и в сфере сельского хозяйства с использованием геоинформационных технологий» 2016г. (№ ГОС.РЕГИСТРАЦИИ АААА-А16-116031150055-8), «Создание банков данных и геоинформационных систем различного назначения с использованием открытой топографической информации для обеспечения потребностей рыболовства» 2017г. (№ГОС.РЕГИСТРАЦИИ АААА-А18-118012390402-3), «Исследование средств обеспечения поддержки принятия решений в технологических процессах рыбохозяйственной отрасли» 2018г. (№ГОС.РЕГИСТРАЦИИ АААА-А18-118031990036-5); «Технологии инфокоммуникаций и связи нового поколения в рыбохозяйственной отрасли» 2019 г. (№ГОС.РЕГИСТРАЦИИ АААА-А19-119041990053-0).

Работа проводилась при поддержке Гранта РФФИ: 18-37-00059 мол а по теме «Исследование двумерных фотонных кристаллов на основе гиперболических метаматериалов и управляемых анизотропных материалов для построения быстродействующих оптических коммутационных систем», по которому автор диссертации является руководителем.

Результаты работы изложены на конкурсе «Цифровой экономики, инноваций и инновационных проектов - новое поколение 2017/2018» Международной академии связи в номинации «Конкурс концептуальных идей, методик и рекомендаций» по теме: «Повышение производительности оптических

систем обработки информации, основанное на применении нового типа коммутационных элементов на базе современных метаматериалов и анизотропных нанопленок», работа удостоена диплома Лауреата 1 степени.

Публикации

Основные результаты диссертационного исследования изложены в 55 публикациях, из них: 2 - монографии, 20 - в изданиях, входящих в международные реферативные базы данных Scopus/Web of Science; 7 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, из них 1 - из списка RSCI. Получено 4 патента и два свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Личный вклад автора

Вклад автора заключается в выполнении основного объема исследований. Основные результаты, выносимые на защиту, получены автором лично. Во всех работах, которые выполнены в соавторстве, соискатель непосредственно участвовал в постановке задач, разработке методов их решения, получении, обработке и анализе результатов исследований.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 279 страниц машинописного текста, 122 рисунка, 27 таблиц и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 250 наименований и приложения на 13 листах.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ НАУКИ В ОБЛАСТИ ФОТОННЫХ КОММУТАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

В данной главе проведен анализ современного состояния науки в области построения фотонных коммутационных устройств, рассматриваются существующие технологии разработки полностью оптических коммутаторов, особенности применения современных материалов для их построения, а также схемы и алгоритмы работы.

1.1 Технологии разработки оптических коммутационных систем

На сегодняшний день различные оптические коммутационные системы для обработки больших объемов информации и их элементы широко изучаются в современном научном мире [1-18, 45-97]. В зависимости от способа управления оптическим лучом в современной литературе различают: механические, электрооптические, термооптические коммутаторы, оптоэлектронные коммутаторы на основе полупроводниковых оптических усилителей (SOA-Semiconductor Optical Amplifier), интегральные активно-волноводные коммутаторы, коммутаторы на фотонных кристаллах, коммутаторы на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах, коммутаторы на интегральных схемах с набором матриц оптоэлектронных вентилей. Из всех существующих на сегодняшний день видов коммутаторов наибольшим быстродействием обладают электрооптические коммутаторы [45,66-68], время переключения которых составляет сотни пикосекунд. Тем не менее другие коммутаторы также имеют свои преимущества.

Механические коммутаторы имеют один или два (дуплексных) входных и n выходных портов; их время переключения составляет от 10 до 500мс. Они применимы только для автоматической реконфигурации сети. Достоинством этих устройств являются небольшие вносимые потери (до 0,5дБ) и большое переходное затухание (до 55дБ). Емкость коммутаторов данного типа достигает сотен выходных портов (например, у коммутаторов FS-S, FS-M, FS-L компании Fujikura от 50 до 1600 выходных портов). Однако число входных портов, как

правило, ограничено одной парой, что и определяет специфику их использования. Хотя эти типы коммутаторов наиболее детально описаны, их применение в системах большой размерности проблематично не только с точки зрения числа входов, но и из-за сложности управления процессом коммутации [66]. Время переключения этих коммутаторов и размеры достаточно большие в сравнении с другими типами. Следовательно, исследование и разработка таких коммутаторов не является перспективной для оптоэлектроники.

Проблема уменьшения габаритных размеров в последнее время решается использованием в механических фотонных коммутаторах набора подвижных зеркал диаметром менее миллиметра [70-75]. Такие системы называются микроэлектронные механические системы (Micro-Electro Mechanical System). В работе [73] описаны экспериментальные результаты работы оптического коммутатора 64x64 состоящего из 4096 микроэлектронных механических систем, размещенных на фотонном кристалле размером 7ммх7мм, время переключения коммутатора составило 0,91мкс, переходное затухание составило 60дБ. В работе [75] представлены результаты работы малогабаритного коммутатора 17,4мм хх 16мм на основе микроэлектронной механической системы на 128 входов и 128 выходов. Эксперимент проводился на длине волны 1310нм, вносимые потери составили 2,5дБ, угол отклонения зеркал - не более 10 градусов.

Принципы работы малогабаритного коммутатора на основе микроэлектронной механической системы показаны на Рисунке 1.1.

Рисунок 1.1- Конструкция оптических переключателей на основе микроэлектронных механических систем

Он основан на отражении оптического луча от поверхности тонкого зеркала. Так на Рисунке 1.1 показано, что при различном положении зеркала обеспечивается процесс переключения сигнала со второго входа на первый или второй выход. В оптоэлектронике различают двумерные и трехмерные структуры микроэлектронных механических систем. Достоинством переключателей на основе микроэлектронных механических систем является хорошая масштабируемость. Так, на основе двумерных массивов размером 32x32 могут быть построены системы до 256 портов. Однако у этих систем есть и недостатки, такие как сложность изготовления микрозеркал, а также недостаточная механическая прочность. Кроме этого, очевидно, что скорость движения зеркал ограничена и увеличить ее можно за счет уменьшения углов отклонения зеркал. Такая технология получила название «быстрые микроэлектронных механических систем». Тем не менее, даже при уменьшении углов поворота зеркал скорость коммутации в таких системах составляет нескольких миллисекунд, что не удовлетворяет современным требованиям к системам связи.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Барабанова Елизавета Александровна, 2020 год

/ / / /

К1 Н2 КЗ К4

1

1

1

-г-

х1 V ^ & Л, &Л2 V х'3 V х4&\&Я2

Рисунок 2.20 - Схема функции хп =/ ( х'п, А\ , Аг)

Аналогично можно представить в виде схем и конъюнкции, из которых строится функции уп. При этом максимальная сложность одной конъюнкции Кп будет равна: 19+4=23 (Рисунок 2.21).

х, & Ау & Л^

Рисунок 2.21 - Схема конъюнкции х1 & \ &Х1

Пусть уп =/ (хп, Х1 , Х2) , а К1 V К2 V К3 V К4 - это ее совершенная дизъюнктивная нормальная форма. Схема f строится из цепочки из т конъюнкций К и цепочки из т-1 дизъюнкторов (цепочка имеет т входов) и объединяет выходы схем конъюнкций (Рисунок 2.22).

у1=х1 8с\ v х2 \ х^&А^&А^ v х4

Рисунок 2.23 - Схема функции у1 Сложность представленной схемы можно определить следующим образом:

54 = 4*т+ 3 = 4*23+3= 92+3=95-96

Таким образом сложность одного базового элемента равна 96, что составляет примерно 6Ы2.

По аналогичной методике можно определить сложность базового элемента КК4 (Рисунок 2.18). Сравнивая схему КК4 со схемой К4 (Рисунок 2.16) можно сделать вывод, что сложность базового элемента КК4 в 4 раза больше и равна 384.

2.7.2 Расчет схемной и коммутационной сложностей

Рассмотрим сложность коммутационных схем, построенных на элементах К4. Различают два подхода к этому вопросу. Первый подход основывается непосредственно на анализе структурных схем предлагаемых коммутационных схем, представленных на Рисунках 2.1, 2.6, 2.10, 2.11 и 2.14, при этом сложность базового элемента принимается равной единицы. Таким образом, если обозначить сложность коммутатора Ык*Ык как ¿к, где к - число каскадов, а ЫкхЫк -размерность коммутатора (число входовхчисло выходов), то можно рассчитать сложность одно-, двух-, четырех и восьмикаскадных схем следующим образом: ¿1 = N1/4 = 1, 5*2 = N2/2=8, £4 = N4 =256, 5*8 = N8 -2=131072, где N1 = 4, N2 = 16, N4 = 256, N = 65536. Будем считать данную сложность схемной сложностью коммутатора.

Однако, учитывая то, что предлагаемые элементы коммутации представляют собой сложные структуры, то первый подход не является достаточно полным и для решения поставленной задачи необходимо рассчитать сложность коммутационных схем, учитывая число точек коммутации. Таким образом, второй подход, подразумевает расчет коммутационной сложности. При этом будем рассматривать базовый элемент как «мультиплексор-демультиплексор» (Рисунок 2.16). Тогда, коммутационная сложность коммутатора ^х^ задается как: 51 = 8 = 2Щ , 52 = 64 = 4^ , 54 = 2048 =8^, т.е. вычисляется по формуле: Бк = 2^к.

Для вывода формул расчета схемной и коммутационной сложностей системы при любом числе Nк выразим число каскадов, число входов и сложностей коммутационной системы через порядковый номер схемы п. Далее воспользуемся методом математической индукции.

Рассмотрим возможные схемы с различным числом каскадов в порядке возрастания и поставим им в соответствие некоторый порядковый номер п

(Таблица 2.5). Исходя из принципа построения многокаскадной схемы на данном типе коммутаторов, каждая последующая схема имеет в два раза больше каскадов, чем предыдущая, т.е. число каскадов может быть выражено через порядковый номер как 2п (см. первую и вторую строки таблицы 2.5). Поскольку каждый базовый элемент имеет четыре выхода, то однокаскадная схема имеет тоже четыре выхода. Двухкаскадная схема имеет 16 выходов, поскольку в выходном каскаде задействовано четыре элемента с четырьмя выходами. Четырехкаскадная схема имеет 256 выходов, поскольку выходной каскад включает 64 элементов с четырьмя выходами, ^-каскадная схема имеет 22к = 22'2™ выходов, поскольку выходной каскад имеет 22(к—1) = 22(2П—1) элементов с четырьмя выходами. Аналогичные выводы можно сделать для схемы с порядковым номером п+1 (см. последний столбец таблицы 2.5).

Теперь рассмотрим схемную сложность, определяемую количеством базовых элементов схемы. Ее значения, в том числе и для порядковых номеров схем п и п+1, записаны в предпоследней строке таблицы исходя из анализа схемы. Здесь они выражены через порядковый номер схемы, исходя из анализа этих схем. Для доказательства справедливости этих выражений достаточно ввести новую переменную т=п+1 для формул в последнем столбце таблицы. Тогда они, очевидно, будут соответствовать формулам предпоследнего столбца для порядкового номера схемы п.

Далее аналогичным образом рассмотрим коммутационную сложность, определяемую числом точек коммутации. Учитывая, что каждый базовый элемент схемы содержит восемь точек коммутации, значит, коммутационная сложность будет в восемь раз больше схемной сложности = - 8 = 22'2П+п—2 - 23 = 22 2 +« 1, запишем значения коммутационной сложности для порядковых номеров схем п и п+1 в последних строках таблицы. Для доказательства справедливости этих выражений аналогично введем новую переменную т=п+1 для формул в последнем столбце таблицы. Тогда они, очевидно, будут

соответствовать формулам предпоследнего столбца для порядкового номера схемы п.

Таблица 2.5- Формулы для расчета схемной и коммутационной сложностей при разном значении п

Порядковый номер, п 0 1 2 п п+1

Число каскадов, к 1 2 4 2п 2п+1

Число элементов входного (выходного) каскада 1 4 64 22(2п-1) 22(2п+х-1)

Число входов (выходов), Ык 4 16 256 22-2П 22-2п+х

Схемная сложность, Бк 1 8 256 22-2п+П-2 22-2п+1+П-1

Коммутационная сложность, Бк 8 64 2048 22-2п+П+1 22-2" +П+2

Учитывая результаты, приведенные в таблице 2.5, выразим схемную сложность коммутаторов через число входов и число каскадов

5,1-2 __2

где Бк- число базовых элементов, а к-число каскадов.

Аналогично выразим коммутационную сложность коммутатора через число входов и каскадов:

5к = 22^+п+1 = 22"2П2- • 21 = 2Ыкк (2.18)

Далее выведем формулу для расчета схемной сложности в зависимости от числа входов Ык. Для этого проанализируем данные таблицы 2.3. Так как к = 2п, а Ык = 22'2П, то п = 1од2 к, а, следовательно,

^ = 22-2г°52* (2.19)

Прологарифмируем обе части (2.19) по основанию два и получим

/о^Мк = 2 - 2^

или

/о^/^ = 2^ (2.20)

Прологарифмируем повторно (2.20) и получим

¿0^2 ¿002 7^ = /о#2 к

Таким образом, число каскадов можно выразить по формуле:

^ = ^2 (2.21)

Подставляем формулу 2.21 в формулу 2.17 и находим схемную сложность коммутатора:

^ = ^ = ^^ = ^ ^ ^ (2.22)

Подставляем формулу 2.21 в формулу 2.18 находим коммутационную сложность коммутатора:

= 2^ - к = 2^ - 7^* = Л* ^2 ^ (2.23)

Теперь рассчитаем схемную и коммутационную сложности коммутационных систем, построенных на базе элементов КК4.

Базовый элемент К4 представляет собой пару демультиплексор-мультиплексор (Рисунок 2.16) и его схемная сложность принята за единицу (^ = 1). Каждый коммутатор КК4 рассматривается как четыре пары демультиплексор-мультиплексор (Рисунок 2.18), следовательно, его схемная сложность равна 4.

Анализируя схемы построения многокаскадных коммутаторов (Рисунок 2.6, 2.10,2.11,2.13,2.18), а также то, что схемная сложность одного базового элемента КК4 равна четырем, запишем выражения для определения схемной сложности

коммутаторов на 4,16,256 входов соответственно: ¿1 = N =4, ¿2 = 2Ы2 = 32, ¿4 = 4Ы4 = 1024. Коммутационная сложность коммутатора ЫкхЫк задается как: £1 = 8М=32, 52 = 16Ы2=256, £4 = 32Ы4=8192.

В таблице 2.6 в предпоследней строке таблицы записаны значения схемной сложности коммутаторов на базе элемента КК4, в том числе и для порядковых номеров схем п и п+1. Для доказательства справедливости этих выражений достаточно ввести новую переменную т=п+1 для формул в последнем столбце таблицы. Тогда они, очевидно, будут соответствовать формулам предпоследнего столбца для порядкового номера схемы п.

Таблица 2.6- Формулы для расчета схемной и коммутационной сложностей при разном значении п

Порядковый номер, п 0 1 2 п п+1

Число каскадов, к 1 2 4 2п 2п+1

Число элементов входного (выходного) каскада 1 4 64 22(2" -1) 22(2"+1-1)

Число входов (выходов), Ык 4 16 256 22-2" 22-2 "+1

Схемная сложность, ¿к 4 32 1024 г^1-2п +п 22'2" +п+1

Коммутационная сложность, Бк 32 256 8192 22-2" + п+3 22-2" +п+4

Учитывая результаты, приведенные в таблице 2.6, выразим схемную сложность коммутаторов через число входов и число каскадов

= 22-2П+п = 22-2П+п = ^ (2.24)

где Бк- число базовых элементов, а к-число каскадов.

Аналогично выразим коммутационную сложность коммутатора через число входов и каскадов:

= 22-2П+п+3 = 22-2П - 2П - 23 = 8^ (2.25)

Подставим формулу (2.21) в выражения (2.24) и (2.25) и получим математические модели для расчета схемной Бк (2.26) и коммутационных сложностей Бк (2.27) коммутатора на основе КК4:

N

(2.26)

= 4 - N - N (2.27)

Численные значения схемной и коммутационной сложностей коммутационных систем, построенных на базовых элементах К4 и КК4 на 4,16 и 256 входов приведены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Значения схемной и коммутационной сложностей коммутационных систем на 4,16 и 256 входов

Наименование коммутационной схемы Число входов

4 16 256

Схемная сложность предлагаемых схемы на основе К4 1 8 256

Схемная сложность предлагаемых схем на основе КК4 4 32 1024

Коммутационная сложность на основе К4 8 64 2048

Коммутационная сложность на основе КК4 32 256 8192

Анализируя значения сложностей (Таблица 2.7) сделан вывод, что сложность системы 256*256 в 8 раз меньше сложности полного коммутатора

(8=Ы2).

На Рисунке 2.24 представлены зависимости схемной сложности

предлагаемых оптических схем, основанных на новых элементах К4 и КК4.

^ 5х1°3

4хЮ3 3x103 2x103 1хЮ3

°0 200 400 600 800

n

Рисунок 2.24- Зависимости схемной сложности коммутационных схем на основе базовых элементов К4 и КК4 от числа входов N

Анализируя данные, представленные в Таблице 2.10 и зависимости на Рисунке 2.24, можно сделать вывод, что схемная сложность предлагаемых оптических коммутационных схем на основе базовых элементов К4 в 4 раза меньше схемной сложности оптических коммутационных систем на основе базовых элементов КК4.

На Рисунке 2.25 представлены зависимости коммутационной сложности предлагаемых оптических схем, основанных на новых элементах К4 и КК4. Анализируя данные, представленные в Таблице 2.11 и на Рисунке 2.25 можно сделать вывод, что коммутационная сложность предлагаемых оптических коммутационных схем на базовых элементах К4 в 4 раза меньше коммутационной

КК4/

К4

сложности многокаскадных коммутационных систем, построенных на основе элементов КК4.

КК4

• К4

°0 200 400 600 800

N

Рисунок 2.25- Зависимости коммутационной сложности коммутационных схем от

числа входов N

2.7.3 Расчет диаметра системы

Число каскадов определяет такую характеристику как диаметр коммутационной системы. От диаметра коммутационной системы зависит величина задержки сигнала, а значит его быстродействие. Чем меньше диаметр, тем выше быстродействие.

Анализируя схемы, представленные на Рисунках 2.1, 2.5, 2.9, 2.10, рассчитаем диаметр одно-, двух-, четырех и восьмикаскадных схем следующим образом: к = ^4N1 = 1, = log4 N2 = 2, к4 = ^4N4 =4, к8 = 4N = 8 (N1 = 4, N = 16, N1^ = 256, N = 65536). Число каскадов (диаметр системы) определяется по формуле 2.3. Коммутационные системы, построенные на основе элементов К4 и КК4 имеют одинаковый диаметр.

В таблице 2.8 представлены конкретные значения диаметра коммутационных систем с числом входов 4,16,256.

Таблица 2.8- Значения диаметра коммутационных систем на 4,16 и 256 входов

Наименование коммутационной схемы Число входов

4 16 256

Схема Бенеша 3 7 15

Схема Шпанке 4 8 16

Схема Шпанке-Бенеша 4 16 256

Предлагаемые схемы 1 2 4

На Рисунке 2.26 изображены зависимости диаметров типовых коммутационных системах и разработанных фотонных коммутационных системах, основанных на новых элементах 4*4.

к

1 2

\ 1' ¡:

\ 4

о---—-

О 500 1Х103 1.5Х103

N

1 -схем а Шпанке-Бенеш а

2 - схем а Шпанке

3 - схем а Бенеш а

4-предлагаемая коммутационная система на основе ячеек 4x4

Рисунок 2.26- Зависимости диаметра коммутационных схем от числа входов N

Анализируя данные, представленные в Таблице 2.8 и на Рисунке 2.26, можно сделать вывод, что диаметр предлагаемых фотонных коммутационных схем в 3+3,75 раз меньше диаметра известных многокаскадных коммутационных систем. В частности, при числе входов и выходов N=256 диаметр к предлагаемой двухкаскадной схемы будет в 3,75 раза меньше схемы Бенеша, в 4 раза меньше схемы Шпанке и в 64 раза меньше схемы Шпанке-Бенеша. При этом необходимо отметить, что предлагаемые схемы являются строго неблокируемыми в отличие от более простых известных схем.

Выводы по 2 главе

1. Разработан метод параллельной поразрядной передачи сигналов для неблокируемых фотонных коммутационных систем с распределенным управлением. Метод сочетает шинный и канальный способы коммутации и позволяет обеспечить полностью оптическую статическую маршрутизацию с распределенным управлением в системах телекоммуникаций.

2. Разработаны схемы и алгоритмы работы фотонных коммутационных систем сетей связи нового поколения, основанные на ячейках 4*4. Особенностью предлагаемых схем является строгая неблокируемость при произвольных перестановках, которая обеспечивается динамическим буфером и статической маршрутизацией с распределенным управлением.

3. Разработаны два типа коммутаторов 4*4, на основе которых строятся фотонные неблокируемые многокаскадные коммутационные системы. Коммутаторы К4 и коммутаторы КК4 строятся на базе предлагаемых базовых мультиплексоров и демультиплексоров и отличаются их схемой соединения и сложностью.

4. Определены условия неблокируемости фотонных коммутационных систем на основе коммутаторов 4*4. Неблокируемость достигается за счет использования линий задержки разной длины в разных каскадах и временного разнесения сигналов. Показано, что при построении коммутационной системы на 256 входов и 256 выходов в третьем каскаде приходится использовать линии

задержки достаточно большой длины, и дальнейшее увеличение числа каскадов может привести к техническим трудностям реализации устройства. Следовательно, для построения неблокируемых многокаскадных фотонных коммутационных систем большой емкости необходимо доработать метод расширения систем, исключающий данный недостаток.

5. Разработаны математические модели для расчета сложности и диаметра фотонных коммутационных систем, основанных на коммутаторах 4*4, а также произведен расчет сложности базовых элементов систем. Проведено сравнение сложностей многокаскадных систем, построенных на разных типах базовых элементах. Показано, что применение более сложных базовых элементов приводит к усложнению схемы многокаскадной системы в целом, но при этом период сигналов уменьшается в 4 раза. Диаметр предлагаемых фотонных коммутационных схем в 3+3,75 раз меньше диаметра известных многокаскадных коммутационных систем.

ГЛАВА 3. НОВЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ФОТОННЫХ КОММУТАЦИОННЫХ СИСТЕМ С ДУБЛИРОВАНИЕМ КОММУТАЦИОННОГО ЭЛЕМЕНТА

В предыдущей главе рассмотрены принципы построения коммутационных систем на основе базовых коммутаторов 4*4. В данной главе рассматриваются принципы построения коммутационных систем на основе новых базовых коммутаторов 8*8 с дублированием коммутационного элемента. Используя коммутаторы данного типа, можно построить системы 64*64, 4096*4096, 16777216*16777216 и т.д.

3.1 Фотонный коммутатор 8x8

Рассмотрим принцип построения и работы коммутатора 8*8, который аналогичен принципу построения и работы коммутатора 4*4, предлагаемого во второй главе.

Оптический коммутатор 8*8 состоит из элемента коммутации и буферного устройства. Элемент коммутации состоит из фильтра Брэгга (ФБ), частотного детектора (ЧД), отклоняющей системы 1*8 (ОС) и формирователя управляющего сигнала (ФУС). Фильтр Брэгга производит разделение управляющих и информационной длин волн (^-управляющая длина волны, ^-информационная длина волны). Управляющие длины волн отражаются от фильтра и поступают на частотный детектор, а информационная волна проходит через фильтр Брэгга.

Амплитудно-модулированный оптический сигнал с частотного детектора поступает на формирователь оптического сигнала, где происходит преобразование амплитуды оптической волны в управляющий сигнал. Но в отличие от коммутатора 4*4 отклоняющая система, предлагаемая для использования в коммутаторе 8*8, имеет 8 выходов, а значит для ее управления необходимо иметь восемь комбинаций значений управляющего сигнала. Таким образом, используя одну из восьми комбинаций управляющего сигнала, можно передать информационный сигнал на один из восьми выходов. Управляющие сигналы представляют собой комбинации из трех длин волн по аналогии с

представлением числа в двоичной системе счисления. Комбинации управляющих сигналов, соответствующие номерам выходов представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1- Комбинации управляющих сигналов, соответствующие номерам выходов коммутатора

Номер выхода Управляющие сигналы

1 0 0 0

2 0 0 Аз

3 0 %2 0

4 0 А2А3

5 А1 0 0

6 А1 0 Аз

7 А1 А2 0

8 А1 А2 Аз

Так как вход в элемент коммутации один, а число входов в ячейку коммутации восемь, то в схеме ячейки предусмотрено буферное устройство. Оно состоит из линий задержки (ЛЗ) по одной на каждый вход, управляемых оптическим интегральным устройством (ОИУ), выполняющего функцию мультиплексора. Каждая из восьми линий задержки подключена ко входу оптического интегрального устройства. Если на один из входов оптической ячейки поступил оптический сигнал, то сигналы на семь других входах задерживаются в линиях задержки и на вход оптического интегрального устройства не поступают.

Далее сигнал поступает на вход элемента коммутации, где в зависимости от трех значений управляющих сигналов (напряжение, напряженность магнитного поля или интенсивность света) он будет передан на один из восьми выходов ячейки. Структурная схема фотонной ячейки коммутации 8*8 представлена на Рисунке 3.1.

ЛЗ1

ЛЗ2

3 —

ЛЗЗ

л /I

ч 4

о «

ЛЗ4

11 П 11 II ,1

ЛЗ5

ЛЗ6

ЛЗ7

ЛЗ8

Буферное устройство

ОИУ

Коммутационный элемент

Ас

ФБ - ЧД

Ар

ОС

тттутт

выходы

ФУС

1

2

5

6

7

8

Рисунок 3.1- Структурная схема фотонного коммутатора 8*8 В данном случае по сравнению с коммутатором 4*4 значительно усложнена схема оптического интегрального устройства, за счет увеличения числа линий задержки и их управляющих устройств. Подробная схема оптического интегрального устройства представлена на Рисунке 3.2.

ЛЗ11

вх.1 ,

ОО1

М1

вх.2

ОО2

ЛЗ21

М2

вх.3

ОО3

Л331

М3

вх.4,

ОО4

ЛЗ41

М4

ОО5

ЛЗ51

М5

вх.6 ,

ОО6

ЛЗ61

М6

вх.7

ОО7

ЛЗ71

М7

вх.8,

ОО8

ЛЗ81

М8

БУ1

Кл1 ЛЗ12

БУ2

БУ3

БУ4

БУ5

БУ6

БУ7

БУ8

л

вх.1

Кл2 ЛЗ22

вх.2

Кл3 ЛЗ32

вх.3

Кл4 ЛЗ42

вх.4

Кл5 ЛЗ52

вх.5

Кл6 ЛЗ62

вх.6

Кл7 ЛЗ72

вх.7

Кл8 ЛЗ82

вх.8

М9

выход -►

2

2

1

3

2

1

1

3

2

1

3

2

1

3

2

1

3

2

1

3

2

1

1

3

2

1

Рисунок 3.2- Схема оптического интегрального устройства коммутатора 8*8

Рассмотрим принцип работы оптического интегрального устройства. Пусть сигнал поступает на первый вход из восьми. В оптическом ответвителе (ОО1) он делится на три сигнала, один из них поступает на первый выход оптического

ответвителя ОО1 и через мультиплексор (М1) - на бистабильное оптическое устройство (БУ1), на второй вход которого может поступить сигнал с третьего входа оптических ответвителей ОО2-ОО8, относящихся ко второму-восьмому входам. Если на втором-восьмом входах БУ1 сигнал отсутствует, то на выходе бистабильного устройства БУ1 сигнал также отсутствует и на управляющем входе ключа Кл1 сигнал также отсутствует. На второй вход ключа Кл1 поступает сигнал с второго выхода оптического ответвителя ОО1 через линию задержки ЛЗ11. Так как ключ Кл1 открыт, - сигнал поступает на 1 вход оптического мультиплексора М9 и затем на его выход. Если на входе бистабильного устройства БУ1 присутствует сигнал с третьего выхода оптических ответвителей ОО2-ОО8, относящихся ко второму-восьмому входам, оно вырабатывает управляющий сигнал на входе 1 ключа Кл1, ключ Кл1 переключается и входной сигнал с оптического ответвителя ОО1 поступает на линию задержки ЛЗ12 по цепочке ОО1-М1-БУ1-Кл1-ЛЗ12, а от ЛЗ12 сигнал поступает на оптический мультиплексор М1. Движение сигнала по замкнутому контуру обратной связи ОО1-М1-БУ1-Кл1-ЛЗ12-М1 будет продолжаться до тех пор, пока второй-восьмой входы бистабильного устройства БУ1 освободятся от передачи информации. Аналогично описывается работа устройства при поступлении сигнала на оставшиеся семь входов.

По сравнению с коммутатором 4*4 коммутатор 8*8 имеет следующие недостатки:

- линия задержки должна быть рассчитана на более длительное время хранения информации, так как число входов в оптическое интегральное устройство увеличено в два раза по сравнению с ячейкой 4*4, что значительно увеличивает размер линии задержки;

- увеличивается число управляющих сигналов (вместо двух необходимо использовать три управляющих сигнала),

- увеличивается время настройки отклоняющей системы, так как она содержит три управляемых слоя вместо двух;

- в ячейке не предусмотрено резервирование, следовательно, для построения надежных коммутационных систем потребуется дублировать полностью весь коммутатор 8*8.

3.2 Фотонный коммутатор 8x8 с дублированием коммутационного элемента

3.2.1 Архитектура и принцип работы

Одним из недостатков фотонных коммутационных ячеек 8*8 (Рисунок 3.1) является большой размер буфера для обеспечения неблокируемости при произвольных перестановках. Следовательно, возникает задача разработать новый коммутатор 8*8, на основе которого можно строить неблокируемые коммутационные структуры большой емкости. Такой фотонный коммутатор 8*8 с дублированием элемента коммутации состоит из устройства управления и элемента коммутации (Рисунок 3.3).

ЛЗ 1

ЛЗ 2

ЛЗ 3

УЭ 1

УЭ 2

&1

УЭ 3

к—

&2

ЛЗ 4

УЭ 4

&3

ЛЗ 5

ЛЗ 6

ЛЗ 7

ЛЗ 8

УЭ 5

&4

□

УЭ 6

&5

УЭ 7

&6

УЭ 8

&7

□

&8 -1

'-Кл 1-,

Кл 2

Кл 3

Кл 4

Кл 5

Кл 6

Кл 7

Кл 8

Кл 9 УУ 1

ЭК1

А

ФБ1

ОС 1

ЧД1

и

ФУС1

М1

М2

М3

М4

Кл 10

УУ 2

ЭК2

А

ФБ2

ОС 2

Ь И

ЧД2

ФУС2

М5

М6

М7

М8

Рисунок 3.3- Структурная схема коммутатора 8*8 с дублированием коммутационного элемента

Коммутатор работает следующим образом. На входы восьми управляющих элементов (УЭ1-УЭ8) элемента управления поступает оптический пакет, состоящий из двух сигналов, разделенных по времени и длине волн информационного Ар и управляющих сигналов Ас. Каждый управляющий элемент УЭ имеет три выхода и три входа. С первого выхода каждого из управляющих элементов УЭ оптические сигналы поступают на вход ключа Кл9. Со второго выхода каждого из управляющих элементов УЭ оптические сигналы поступают на вход ключа Кл10 через управляемые ключи Кл1-Кл8. С выхода ключа Кл 9 сигналы поступают на управляющее устройство УУ1, а с выхода Кл 10 сигналы поступают на управляющее устройство УУ2.

Пусть в начальный момент времени и управляющие устройства УУ1 и УУ2 свободны от передачи информации. Тогда сигналы с выходов УЭ1-УЭ8 поступают на Кл9 по описанному выше пути: УЭп - Кл9-УУ1. Принимая во внимание, что сигналы со входов поступают на управляемые ключи Кл9 неодновременно, на УУ1 поступит только один из входных сигналов, поступивший на вход управляемого ключа Кл9 первым. При этом с выходов управляющего устройства УУ1 поступают управляющие сигналы на ключ Кл9, элементы И (&п) и управляющие входы ключей Кл1-Кл8. Сигнал, поступающий на ключ Кл9 закрывает его для оставшихся входных сигналов. Сигнал, поступающий на управляющие входы ключей Кл1-Кл8, открывает их для передачи входных сигналов и оставшиеся входные сигналы поступают на вход ключа Кл10 через ключи Кл1-Кл8. Принимая во внимание, что сигналы со входов поступают на Кл10 неодновременно, на УУ2 поступит только один из оставшихся входных сигналов, поступивший на вход Кл10 первым. При этом с выходов УУ2 поступают управляющие сигналы на Кл10 и элементы И (&п). Сигнал, поступающий на ключ Кл10 закрывает его для оставшихся входных сигналов.

Так как на элементы И (&п) поступают два управляющих сигнала (с УУ1 и УУ2), то данные элементы открываются и с выходов этих элементов поступают управляющие сигналы на управляющие элементы УЭ1-УЭ8. В этот момент управляющие элементы УЭ1-УЭ8 закрываются и с их выходов сигналы на Кл9 и

Кл10 не поступают, а поступают через третий выход управляющего элемента УЭ на линии задержки ЛЗ1-ЛЗ8. Таким образом, сигнал будет передаваться по цепи ЛЗ-УЭ до тех пор, пока одно из управляющих устройств не освободится.

Как только хотя бы одно из управляющих устройств УУ1 или УУ2 освобождается, элементы &п закрываются и сигналы с управляющих устройств УУ1-УУ8 поступают на управляющее устройство УУ1 напрямую, либо на управляющее устройство УУ2 через ключи Кл1-Кл8, если занято управляющее устройство УУ1.

От управляющих устройств УУ1 и УУ2 сигналы поступают на элементы коммутации ЭК1 и ЭК2 соответственно. Вначале сигналы поступают на фильтр Брэгга, где происходит разделение сигнала на управляющий и информационный, в соответствии с длиной волны. Разделение происходит следующим образом: управляющие длины волн (А А А) отражаются от фильтра Брэгга, а информационная длина волны Ар проходит через отклоняющую систему ОС. Это дает возможность задержать информационный сигнал, пока произойдет настройка управляющей системы. В данном случае происходит передача трех управляющих длин волн, а затем одна информационная волна. С Фильтра Брэгга каждый управляющий сигнал поступает на частотный детектор, где происходит преобразование интенсивности света, соответствующей определенной длине волны, в амплитуду управляющего сигнала. В формирователе управляющего сигнала происходит формирование значения управляющего сигнала и в соответствии со значением управляющего сигнала информационный сигнал поступает на один из 8 выходов отклоняющей системы, далее сигнал поступает на выход оптического коммутатора предварительно проходя через один из оптических мультиплексоров (М1 -М8).

Оптическое интегральное устройство состоит из устройства управления УУ и оптического мультиплексора (М3). Схема оптического интегрального устройства представлена на Рисунке 3.4.

Рисунок 3.4- Схема оптического интегрального устройства Рассмотрим принцип работы оптического интегрального устройства. Пусть сигнал поступает на первый вход. В оптическом ответвителе (ОО1) он делится на три сигнала, один из них через оптический мультиплексор (М1) поступает на бистабильное оптическое устройство (БУ1), на второй вход которого может поступить сигнал с третьего входа оптического ответвителя 002, относящегося ко второму входу. Если на втором входе сигнал отсутствует, то на выходе бистабильного устройства (БУ1) сигнал также отсутствует и на управляющем входе ключа Кл1 сигнал также отсутствует. На второй вход ключа Кл1 поступает сигнал с второго выхода оптического ответвителя 001 через линию задержки ЛЗ11. Так как ключ Кл1 открыт, - сигнал поступает на 1 вход оптического мультиплексора М3 и затем на его выход. Если на входе бистабильного устройства БУ1 присутствует сигнал с третьего выхода оптического ответвителя 002, относящегося ко второму входу, оно вырабатывает управляющий сигнал на входе 1 ключа Кл1, ключ Кл1 переключается и входной сигнал с оптического разделителя 001 поступает на линию задержки ЛЗ12 по цепи 001-М1-БУ1-Кл1-ЛЗ12, а от ЛЗ12 сигнал поступает на входной мультиплексор М1. Движение сигнала по цепи 001-М1-БУ1-Кл1-ЛЗ12-Тр1 будет продолжаться до тех пор, пока не освободится второй вход бистабильного устройства БУ1.

Аналогично описывается работа устройства при поступлении сигнала на второй вход.

3.2.2 Алгоритм работы коммутатора 8x8

Особенностью работы предлагаемого фотонного коммутатора является выбор одного из двух коммутационных элементов. При этом используется рассмотренный в Главе 2 метод поразрядной передачи управляющих сигналов параллельно с информацией.

Представим коммутатор 8*8 в виде двудольного графа (Рисунок 3.5).

а1 Ъ1 ^ ь 2

а5 О^Ъ^^ю ь

аб сп Ь

а7 1 ь

Ь8

Рисунок 3.5- Граф коммутационной системы 8*8

Пусть ^={а1; а2, а3, а4, а5, аб, а7, а8}- множество входов коммутатора; В ={Ь1; Ь2, Ь3, Ь4, Ь5, Ьб, Ь7, Ь8}- множество выходов коммутатора; 5'={*1,

*8}- множество линий задержки на входах коммутатора; К={ у2, у3, у4, у5, уб, у7, у8}- множество линий задержки на выходах коммутатора; С={с1; с2 }-множество коммутационных элементов; ^1={1,0}-множество состояний первого коммутационного элемента (1-занят; 0-свободен); ^2={1,0}-множество состояний второго коммутационного элемента (1-занят; 0-свободен); ^3={1,0}-множество состояний выходных линий задержки (1 -занят; 0-свободен).

На входные полюсы подается множество входных переменных Х={хк}, где хи = { А, А, Ли, Ар }, I = 1,2;у = 1,2; к =1,2.

Далее для корректного построения алгоритма работы необходимо определить функции состояния канала связи, состояния входов и выходов,

распределения сигналов по линиям задержки, а также функцию формирования канала связи.

Функцию состояния входов а в момент времени ? определим по формуле:

г г л л — О, если сигнал присутствует на входе а^ . .

<У( ¿Л )> к ) {0, если сигнал отсутствует на входе а^ ( ' )

где I = 1,2,3,4,5,6,7,8. Т.е. если в некоторый момент времени ? сигнал поступает на вход а^ коммутатора, то функция ^(х^), принимает значение сигнала, в противном случае она равна нулю.

Введем функции состояния первого и второго коммутационных элементов (КЭ) С1 и С2 /1(0 и /2(0 соответственно:

Г1, если КЭ занят в момент времени t -'1( ) = {0, если КЭ свободен в момент времени t ( ' )

Г1, если КЭ занят в момент времени t У2( ) = {0, если КЭ свободен в момент времени t ( " )

Введем функцию состояния оптического интегрального устройства:

¿ю={0:

(3.4)

\1, если КЭ занят в момент времени t ¡.0, если КЭ свободен в момент времени t

Тогда функции распределения сигналов по входным рь^) и выходным р2$)

линиям задержки с номером I можно определить выражениями

Ри(^) = <

^(а^ О, если

Р2ЛО =

0, 0,

если

'Л(0 = 1 /2(0 = 1

,0(*л(О,а1,О = 1 Л(0 = 0 /2(0 = 0 #(х^0,а;,0 = 0