Методы анализа и синтеза коммутационных схем фотонных коммутаторов на примере схемы Шпанке

Развитие высокоскоростного железнодорожного транспорта требует внедрения новых телекоммуникационных технологий, реализованных в интегрированной цифровой системе технологической связи (ИЦТС). Одной из особенностей построения таких систем является обеспечение коммутации оптических каналов данных с использованием фотонных коммутаторов (ФК). Процессы коммутации в ФК происходят на фотонном (оптическом) уровне. Особенностью построения ФК является использование многозвенных топологий, выполненных на бинарных коммутаторах (БК). БК представляет собой простейший коммутационный элемент с количеством входных/выходных портов, равным одному или двум. Концепции построения ФК основаны на технологиях известных коммутационных схем на БК, которые, как правило, носят фамилии их создателей (схемы Бенеша, Шпанке, Шпанке–Бенеша, сеть Клоза и др.). С увеличением ёмкости ФК усложняется его структура: увеличиваются число звеньев в схеме коммутации, общее число БК, длина маршрутов коммутации, коэффициент избыточности. Кроме того, возникает необходимость расчёта вероятностей возникновения внутренних блокировок в коммутационных схемах, скорости коммутации оптических сигналов, величины затухания оптического сигнала в схеме ФК и т.д. Целью исследования является разработка методов анализа и синтеза коммутационных схем фотонных коммутаторов на примере схем Шпанке заданной ёмкости с расчётом вероятностей возникновения внутренних блокировок. В статье авторами использованы общенаучные и инженерные методы математического моделирования, теории вероятностей и массового обслуживания. В качестве примера авторами рассмотрен алгоритм анализа структур схем Шпанке с ёмкостью от 4×4 до 128×128. Определены их топологические и вероятностные характеристики (число звеньев в схеме коммутации, общее число БК, длины маршрутов коммутации, вероятности возникновения внутренних блокировок в схемах ФК). Результаты расчётов представлены в форме таблиц. Разработанные методы анализа и синтеза могут применяться при исследовании подобных коммутационных схем, построенных на БК.

1. Agrawal, G. P. Nonlinear Fiber Optics. 3rd ed. Eds.: Kelley, P. L., Kaminow, I. P., Agrawal, G. P. Boston, Academic Press, 2000, 468 p. [Электронный ресурс]: http://read.pudn.com/downloads143/ebook/620953/Nonlinear_Fiber_Optics_3E.pdf. Доступ 09.01.2021. DOI: 10.1007/3-540-46629-0_9.

2. Liu, Ai-qun; Zhang, Xuming; Lu, Cheng; Wang, F.; Liu, Zishun. Optical and mechanical models for a variable optical attenuator using a micromirror drawbridge. Journal of Micromechanicsand Microengineering, 2003, Vol. 13 (3), pp. 400–411. [Электронный ресурс]: https://www.researchgate.net/publication/228697763_Optical_and_mechanical_models_for_a_variable_optical_attenuator_using_a_micromirror_drawbridge. Доступ 09.01.2021.

3. Säckinger, E. Broadband Circuits for Optical Fiber Communication. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005, 453 p. [Электронный ресурс]: https://b-ok.global/book/490967/864d86. Доступ 09.01.2021.

4. Grade, J. D., Jerman, H., Kenny, T. W. Design of Large Deflection Electrostatic Actuators. Journal of Microelectromechanical Systems, 2003, Vol. 12, Iss. 3, pp. 335–343. DOI: 10.1109/JMEMS.2003.811750.

5. Bryzek, J., Abbott, E., Flannery, A., Cagle, D., Maitan, J. Control Issues for MEMS. 42nd IEEE International Conference on Decision and Control (IEEE Cat. No. 03CH37475), Maui, Hawaii, Dec, 2003. DOI: 10.1109/CDC.2003.1273090.

6. Hiroyuki, Fujita; Hiroshi, Toshiyoshi. Electrostatic Micro Torsion Mirrors for an Optical Switch Matrix. Journal of Microelectromechanical Systems, 1996, Vol. 5, No. 4, pp. 231–237. [Электронный ресурс]: https://www.researchgate.net/profile/Hiroyuki_Fujita/publication/3329122_Electrostatic_micro_torsion_mirrors_for_an_optical_switch_matrix/links/0deec52b39513cd648000000/Electrostatic-micro-torsion-mirrors-for-an-optical-switchmatrix.pdf. Доступ 09.01.2021.

7. Kurzweg, T. P., Morris III, A. S. Macro-Modeling of Systems Including Free-Space Optical MEMS. 2000 International Conference on Modeling and Simulation of Microsystems – MSM 2000, Tech. Proc. San Diego, California, USA, March 27–29, pp. 146–149. [Электронный ресурс]: https://www.researchgate.net/publication/2635436_Macro-Modeling_of_Systems_Including_Free-Space_Optical_MEMS. Доступ 09.01.2021.

8. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика / Пер. с англ. – М.: Мир, 1996. – 323 с. [Электронный ресурс]: https://www.studmed.ru/agraval-gp-nelineynayavolokonnaya-optika_56ae28bf45d.html. Доступ 09.01.2021.

9. Убайдуллаев Р. Р. Волоконно-оптические сети. – М.: Эко-Трендз, 2001. – 267 с. [Электронный ресурс]: https://docplayer.ru/26025483-R-r-ubaydullaev-volokonnoopticheskie-seti.html. Доступ 09.01.2021.

10. Фокин В. Г. Когерентные оптические сети: Учебное пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики; кафедра многоканальной электросвязи и оптических систем. – Новосибирск, 2015. – 372 с. [Электронный ресурс]: https://docplayer.ru/61495673-Kogerentnye-opticheskie-seti.html. Доступ 09.01.2021.

11. Дмитриев С. А., Слепов Н. Н. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и перспективы. – 2-е изд. – М.: ООО «Волоконно-оптическая техника», 2005. – 576 с. [Электронный ресурс]: https://www.studmed.ru/dmitriev-s-a-slepov-n-n-volokonno-opticheskaya-tehnikasovremennoe-sostoyanie-i-perspektivy_c0ecd82d2ee.html. Доступ 09.01.2021.

12. Скляров О. К. Волоконно-оптические сети и системы связи: Учебное пособие. – 2-е изд., стер. – СПб.: Издательство «Лань», 2010. – 272 с. [Электронный ресурс]: https://www.studmed.ru/sklyarov-ok-volokonnoopticheskie-seti-i-sistemy-svyazi-uchebnoeposobie_45ecba93b72.html. Доступ 09.01.2021.

13. Руденко Д. В. Структурные характеристики оптических коммутаторов // Мир транспорта. – 2012. – № 4. – С. 125–129. [Электронный ресурс]: https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/714/1063. Доступ 09.01.2021.

14. Барабанова Е. А. Оптическая двухкаскадная коммутационная система для обработки больших объёмов данных // Научный вестник НГТУ. – 2018. – № 1 (70). – С. 7–18. DOI: 10.17212/1814-1196-2018-1-7-18.

15. Листвин А. В., Листвин В. Н. Рефлектометрия оптических волокон. – М.: ЛЕСАРарт, 2005. – 208 с. [Электронный ресурс]: https://www.studmed.ru/listvin-avlistvin-vn-reflektometriya-opticheskih-volokon_505adaab51a.html. Доступ 09.01.2021. 16. Zhou, Ting; Jia, Hao. Method to optimize optical switch topology for photonic network-on-chip. Optics Communications, 2018, Vol. 413, pp. 230–235. DOI: 10.1016/j.optcom.2017.12.062.