Design of packet-switched access nodes for time-multiplexed photonic networks

Abstract

Diese Dissertation konzentriert sich auf das Design von Zugriffsknoten für reinoptische Netze, die einen dynamischen hochbitratigen Zugriff auf optische Glasfasern ermöglichen. Dies kann durch die Vermittlung von Datenpaketen auf einer sehr hohen Datenrate in der optischen Domäne erreicht werden. Die im Netzknoten befindlichen und für die Erreichung hoher Bitraten und schneller Paketvermittlung erforderlichen Hochgeschwindigkeitssysteme sind der Schwerpunkt dieser Arbeit. Nach der Einleitung wird eine Übersicht über Technologien, die für die Implementierung sehr schneller Funktionen des Medienzugriffs verwendet werden können, gegeben. Außerdem wird eine Implementierungsstrategie für ultraschnelle Netzknoten vorgestellt. Die in dieser Arbeit untersuchten optischen Subsysteme umfassen vor allem Quellen von kurzen Pulsen, optische Schalter und Headerverarbeitungs- und Taktrückgewinnungssysteme. Ferner werden neue Techniken für die optische Ratenkonversion (bzw. Komprimierung und Dekomprimierung von langen optischen Paketen), Verarbeitung des Paket-Headers, Verbesserung der Paket-Übertragungseffizienz und der Kaskadierbarkeit von Komponenten und Netzknoten ebenso wie Multicastfähigkeit in der optischen Domäne vorgeschlagen. Adäquate Modelle basierend auf analytischen und numerischen Methoden können während des Knotenentwurfsprozesses von großem Nutzen sein. Verschiedene Methoden für die Modellierung von Komponenten und Funktionsbausteinen eines rein-optischen, paketvermittelten Netzes werden beschrieben und dazu verwendet, die Verhaltensweise, Interaktionen, und Einschränkungen des Systems vorherzusagen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die mit optischen Hochgeschwindigkeitssubsystemen ausgestatteten Netzknoten das Senden, Empfangen und Vermitteln von Datenpaketen in einer effizienten Weise auf hohen Bitraten von über 100 Gbit/s ermöglichen. Daher können sie für die Realisierung eines dynamischen paketvermittelten Netzes hoher Kapazität verwendet werden, das im Stande ist, heterogenen Datenverkehr zu übertragen.<br />

This thesis concentrates on the design of access nodes for all-optical networks that provide a dynamic high-speed access to the optical fiber. This can be achieved by transmitting data packets in a dynamic manner at a very high bit rate. High-speed subsystems that are required in the network nodes to attain ultra fast bit rates and fast switching on the packet-by-packet basis are investigated in this work. First, a survey on technologies for implementing the high-speed functions and an implementational strategy for ultra fast network nodes are given. The fast optical subsystems including short pulse sources, fast optical switches, header processing and clock recovery units are reviewed.<br />Further, novel techniques for optical rate conversion (i.e., compression and expansion of large optical packets), processing of packet's header, improvement of transmission efficiency and component/node cascadibility as well as architectures supporting multicast in the optical domain are proposed. Appropriate models based on analytical and numerical methods are exceedingly useful during the design process. Different methods for modelling the components and the main building blocks of an all-optical packet-switched network node are described and used to predict the behavior, interactions, and limitations of the system. This thesis shows that network nodes, when equipped with the proposed high-speed optical subsystems, can provide transmission, reception, and switching of optical packets at high bit rates beyond 100 Gbit/s in an effective manner, and thus can build a dynamic high-capacity packet-switched network capable of dealing with heterogeneous network traffic.<br />