Ανάπτυξη εργαλείου προσομοίωσης φυσικού επιπέδου για χρήση σε σχεδίαση οπτικών δικτύων

• Κύριος συγγραφέας: Γεωργόπουλος, Χαράλαμπος
• Άλλοι συγγραφείς: Georgopoulos, Charalampos
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Πολυπλεξία διαίρεσης χώρου; Πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος; Ποιότητα μετάδοσης; Δέσμες μονότροπων οπτικών ινών; Οπτικές ίνες με πολλαπλούς πυρήνες; Προσομοιώσεις Monte Carlo; Οπτικά μονοπάτια; Διαφωνία εντός των κόμβων; Οπτικές επικοινωνίες; Διαφωνία; Μεταγωγέας επιλογής μήκους κύματος; Οπτική δια-σύνδεση; Εργαλείο προσομοίωσης φυσικού επιπέδου; Σχεδίαση οπτικών δικτύων; Οπτικά δίκτυα; Space division multiplexing (SDM); Wavelength division multiplexing (WDM); Quality of transmission (QoT); Bundle of single mode fibers (BuSMFs); Multi-core fiber (MCF); Spectrally and Spatially Flexible Optical Networks (SS-FONs); Monte Carlo simulations; Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer (ROADM); Light-paths; Node crosstalk; Optical communications; Crosstalk; Wavelength selective switch (WSS); Optical cross-connect (OXC); Superchannels; Micro-electro mechanical system (MEMS); Liquid crystals on silicon (LCoS); Physical layer simulation tool; Optical network planning; Physical layer aware; Optical networks

Τα τελευταία χρόνια έχει υπάρξει μία εκθετική αύξηση του όγκου κυκλοφορίας δεδομένων στα οπτικά δίκτυα με αποτέλεσμα την επιστράτευση διαφόρων τεχνολογιών και τεχνικών για την αντιμετώπισή της. Μία προσέγγιση, που φαίνεται πολλά υποσχόμενη και έχει ήδη αρχίσει να χρησιμοποιείται, είναι η πολυπλεξία διαίρεσης χώρου (Space Division Multiplexing – SDM). Μέσω της SDM και της εδραιωμένης πια πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing – WDM) έχει αυξηθεί η χωρητικότητα (capacity) των οπτικών δικτύων, αλλά με συμβιβασμό (trade-off) το αυξημένο κόστος, τη μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας και τη δημιουργία δύσκαμπτων (rigid) φασματικά και χωρικά οπτικών δικτύων. Η λύση των παραπάνω προβλημάτων είναι ο σχεδιασμός (network planning) και υλοποίηση Spectrally and Spatially Flexible Optical Networks (SSFONs). Η ενσωμάτωση όλων αυτών των δυνατοτήτων και τεχνικών, καθώς και το συνήθως μεγάλο μέγεθος και περιπλοκότητα των οπτικών δικτύων, καθιστούν την ανάλυσή τους με χρήση αναλυτικών μαθηματικών εκφράσεων και τεχνικών, όπως η μέθοδος Split-Step Fourier – SSF, μία εξαιρετικά χρονοβόρα διαδικασία με μεγάλη απαίτηση σε υπολογιστικούς πόρους. Αποτέλεσμα της προηγούμενης κατάστασης είναι η δημιουργία εργαλείων προσομοίωσης φυσικού επιπέδου, που μέσω διαφόρων παραδοχών και υποθέσεων, παρέχουν μία πολύ πιο γρήγορη προσομοίωση, η οποία έχει μειωμένη ακρίβεια αποτελεσμάτων, αλλά προσεγγίζει σε ικανοποιητικό βαθμό τη συμπεριφορά του πραγματικού δικτύου. Ένα τέτοιο εργαλείο δημιουργήθηκε στα πλαίσια του ερευνητικού έργου INSPACE, το οποίο λαμβάνει υπ’ όψιν του όλα τα φαινόμενα που δρουν αρνητικά εντός των οπτικών ινών, αλλά δεν ασχολείται με τα φαινόμενα διαφωνίας εντός των κόμβων. Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η εξέλιξη και ο εμπλουτισμός του εργαλείου, κυρίως στο κομμάτι της διαφωνίας (crosstalk) εντός των κόμβων, ώστε να πραγματοποιείται μία πιο ρεαλιστική και πλήρης εύρεση της ποιότητας μετάδοσης (Quality of Transmission – QoT) των οπτικών μονοπατιών. Στο εμπλουτισμένο εργαλείο ενσωματώθηκε η δυνατότητα υπολογισμού της διαφωνίας εντός των κόμβων για διαφορετικές αρχιτεκτονικές και για διαφορετικές τεχνολογίες υλοποίησης αυτών. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε προσθήκη της δυνατότητας Μόντε Κάρλο προσομοιώσεων (Monte Carlo Simulations – M.C.) για την πληρέστερη αποτύπωση της συμπεριφοράς του οπτικού δικτύου, όπου μπορεί να υπάρξουν μεγάλες διακυμάνσεις στα αποτελέσματα, λόγω του τρόπου με τον οποίο προστίθενται οι όροι διαφωνίας. Οι όροι διαφωνίας δεν προστίθενται πάντα με την ίδια φάση και η παραδοχή τής εύρεσης μόνο του χειροτέρου δυνατού σεναρίου δεν προσφέρει μία πλήρη και ρεαλιστική εικόνα της συμπεριφοράς ενός οπτικού δικτύου. Οι τιμές διαφωνίας που εισάγουν τα δομικά στοιχεία (WSSs, OXCs και χωρικοί πολυπλέκτες/αποπολυπλέκτες) εντός των κόμβων, βασίζονται σε πραγματικά διαθέσιμα δομικά στοιχεία από κατασκευαστές αλλά και σε επιστημονικές δημοσιεύσεις για διαστάσεις που ακόμα δεν είναι εμπορικά διαθέσιμες. 7 Στη συνέχεια, μέσω δύο παραδειγμάτων που αφορούν ένα οπτικό μονοπάτι εντός του εθνικού δικτύου της Ισπανίας TID (Telefónica Spain), παρουσιάζονται οι επιπτώσεις και η αξία της μοντελοποίησης της διαφωνίας εντός των κόμβων. Συγκεκριμένα, για μικρής διάστασης κόμβους με χρήση WSSs μεγέθους 2 x (1 x 3) και 2 x (1 x 4) έγινε αντιπαράθεση δύο βασικών και ώριμων τεχνολογιών υλοποίησης WSS, η LCoS και η MEMS τεχνολογία. Επιπλέον, παρατηρήθηκε ότι για αυτές τις μικρές διαστάσεις των WSSs οι επιπτώσεις στο οπτικό μονοπάτι είναι σχετικά μικρές (στο worst case scenario το Q-factor penalty ≈ - 0.42 dB και το SNR penalty ≈ - 0.41 dB). Αντίθετα, για το ίδιο οπτικό μονοπάτι, στο δεύτερο παράδειγμα, όπου τα WSSs έχουν διαστάσεις 2 x (1 x 43), και 2 x (1 x 64) οι ποινές είναι αντίστοιχα Q-factor penalty ≈ -3.94 dB και SNR penalty ≈ -3.81 dB. Το BER από 6.29 ∗ 10−7 όταν δεν λαμβάνεται υπ’ όψιν η διαφωνία στους κόμβους, αυξάνεται στο 1.00 ∗ 10−3 , στο χειρότερο δυνατό σενάριο διαφωνίας. Τέλος, παρουσιάστηκαν οι γραφικές παραστάσεις των διαφόρων όρων διαφωνίας, καθώς και της συνολικής διαφωνίας, σε συνάρτηση του μεγέθους (διάστασης) των κόμβων με χρήση μεθόδου M.C.. Ο σκοπός των γραφικών είναι να αναδειχθεί ο τρόπος αύξησης της συνολικής διαφωνίας, όταν αυξάνεται το μέγεθος του κόμβου. Επιπλέον, να πραγματοποιηθεί μία αντιπαραβολή των όρων που συντελούν στη διαφωνία, δηλαδή να παρουσιαστούν σε κοινούς άξονες όλοι οι όροι με τις περιοχές διακύμανσής τους. Ένα βασικό συμπέρασμα που εξήχθη από τις γραφικές παραστάσεις είναι ότι η χρήση MCFs σε οπτικά δίκτυα με MEMS OXC κόμβους επιφέρει σημαντική αλλοίωση του QoT (13 dB αύξηση διαφωνίας κόμβου), ενώ στους LCoS WSS κόμβους η επίπτωση είναι πολύ μικρή (κάτω από 1 dB αύξηση διαφωνίας κόμβου).