Τεχνικές επεξεργασίας σήματος για οπτικές διασυνδέσεις εντός υπολογιστικών κέντρων

Abstract

Η συνεχής αύξηση της ζήτησης της χωρητικότητας των κέντρων δεδομένων λόγω του μεγάλου όγκου πληροφορίας οδηγεί στην ανάγκη ανάπτυξης ταχύτερης επεξεργασίας, αποθήκευσης και μεταφοράς δεδομένων. Στην ικανοποίηση αυτής της ανάγκης συμβάλλουν οι επικοινωνίες δια μέσου οπτικών ινών, οι οποίες παρουσιάζουν ελάχιστη εξασθένιση στη μετάδοση του σήματος και καλύπτουν ένα τεράστιο εύρος ζώνης. Το τεράστιο διαθέσιμο φάσμα των οπτικών ινών σε συνδυασμό με τεχνικές πολυπλεξίας μήκους κύματος και με σχήματα διαμόρφωσης ανώτερης τάξης αποτελούν τους κύριους τρόπους αντιμετώπισης του προβλήματος. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναφέρονται αρχικά κάποια γενικά στοιχεία για τα κέντρα δεδομένων, την ενεργειακή κατανάλωση, τις αρχιτεκτονικές δικτύων, τις οπτικές διασυνδέσεις που χρησιμοποιούνται για τη διασύνδεση των servers και την εξέλιξη της ταχύτητας των διασυνδέσεων από 100Gbps σε 400Gbps. Στη συνέχεια γίνεται μια εισαγωγή και περιγραφή των στοιχείων μιας οπτικής διασύνδεσης για επικοινωνίες εντός των κέντρων δεδομένων, περιγραφή των τεχνικών επεξεργασίας σήματος που χρησιμοποιούνται για βελτίωση της ποιότητας του σήματος και αντιστάθμιση των ατελειών του συστήματος μετάδοσης και προσομοίωση μιας οπτικής διασύνδεσης που υλοποιείται με ρυθμό μετάδοσης 56 Gbaud, σχήμα διαμόρφωσης PAM-4, πολυπλεξία στο μήκος κύματος (WDM) για συνολική χωρητικότητα 400Gb/s και 800Gb/s και τεχνικές επεξεργασίας σήματος (Nyquist filtering, upsampling, resampling, time recovery) με το κατάλληλο λογισμικό VPI Transmission Maker. Πιο συγκεκριμένα, αλλάζοντας παραμέτρους του συστήματος, όπως το διαθέσιμο εύρος ζώνης του πομπού και του δέκτη, το σημείο πόλωσης και το διαθέσιμο πλάτος του σήματος οδήγησης του διαμορφωτή ηλεκτροαπορρόφησης, μελετήσαμε την επίδρασή τους στην επίδοση του συστήματος χρησιμοποιώντας βασικούς δείκτες απόδοσης, όπως το ρυθμό λαθών στο δέκτη (Symbol Error Rate) και του λόγου σβέσης. Επίσης με τη χρήση κατάλληλου αλγορίθμου ισοστάθμισης (Decision Feedback Equalizer που υλοποιεί τον Least Mean Square) μελετήσαμε την ικανότητα μετριασμού των ατελειών. Επιπλέον, μελετήσαμε την επίδραση της ολίσθησης του μήκους κύματος εκπομπής του λέιζερ λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών στην οπτική ισχύ εξόδου του πολυπλέκτη. Τέλος μοντελοποιήθηκε εν μέρει στο Matlab μια οπτική διασύνδεση 56 GBaud PAM4, στην οποία εφαρμόζεται Nyquist filtering, Continuous Time Linear Equilizer (CTLE) με peaking και time recovery, ώστε να αντισταθμιστούν οι ατέλειες του συστήματος και να ληφθεί το σωστό σήμα. Εκτός από το σχεδιασμό του συστήματος μετάδοσης παρατίθεται ο κώδικας και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης καθώς επίσης και διάφορα διαγράμματα.