KR102346028B1 - 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR(optical signal-to-noise ratio) 분석 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시 예에 따른 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법은, 프로세서의 제어 하에 광신호의 경로(Ps)에 대한 유효성을 검사하고, 검사된 상기 광신호 경로를 광신호 경로의 후보군으로 설정하는 단계; 설정된 상기 광신호 경로의 후보군 각각을 선택하고, 선택된 상기 광신호 경로의 후보군 중에서 누화 잡음이 발생하는 누화잡음 경로(Px)를 탐색하는 단계; 및 탐색된 상기 누화잡음 경로와 상기 광신호 경로의 후보군에서 OSNR(optical signal-to-noise ratio)이 가장 작은 상기 광신호 경로를 이용하여, 최악의 OSNR을 산출하는 단계;를 포함한다.

Description

광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR(optical signal-to-noise ratio) 분석 방법 및 장치{Worst-Case OSNR(optical signal-to-noise ratio) Analysis method and appratus for Optical Network-on-Chip}

본 발명은 광학 네트워크-온-칩(Optical Networks-On-Chip, ONoC) 환경에서 누화잡음을 고려하여 OSNR((optical signal-to-noise ratio)의 정밀도를 개선할 수 있는 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법 및 장치에 관한 것이다.

싱글 코어 프로세서의 전력 효율 대비 성능의 한계로 인해 다중 코어를 이용한 다중 프로세서 시스템-온-칩(Multi-Processor System-on-Chip, MPSoC)이 개발되었다. 이러한 다중 프로세서 시스템-온-칩에서는 기존의 버스(bus) 구조를 적용할 경우 병목의 문제가 발생되어 전체 시스템 성능 향상이 저하될 수 있다. 이로 인해, 수백개 이상의 코어와 IP(Intellectual Property)가 집적된 첨단 SoC 구조에 온-칩 네트워크(On-chip Network, OCN) 개념을 적용한 네트워크-온-칩(Network-on-Chip, NoC)이 등장하였다. NoC는 매우 복잡한 의사 소통 중심의 SoC 설계를 위한 확장 가능한 솔루션으로 부상하고 있다. 이러한 NoC 패러다임은 전체 시스템 성능에서 통 신 용량에 미치는 영향을 강조하고 있으며, 따라서 기존의 통신 방식인 버스(bus) 구조는 온-칩 네트워크에 기 반한 분산된 스위치/라우터로 대체되고 있다.

광학 네트워크 온 칩(OnoC)의 핵심인 광학 라우터에서는 광 스위치의 스위칭 및 광 도파관의 교차시 신호 감쇄가 발생된다. 따라서, 대량의 광 스위치가 포함될 수 있으며 빈번한 광 스위칭이 발생되는 대규모 광학 네트워크 온 칩(OnoC)에서는 이에 따른 신호 손실이 큰 문제가 될 수 있다.

또한, 광학 네트워크 온 칩(OnoC)에서 네트워크 전력 소모를 유발하는 요인 중 가장 높은 비중을 차지하는 것은 레이저 광원이며, 레이저 광원의 출력은 광 검출기의 threshold와 광 신호의 최악의 OSNR(optical signal-to-noise ratio)에 의해 결정된다.

광 검출기의 threshold는 광 검출 소자의 물리적 특성에 의해 결정되기 때문에 결국 정밀한 OSNR 분석이 레이저 광원 출력 최적화에 기여하며 광 네트워크 전력 소모를 감소시킨다.

또한, 종래의 광학 네트워크 온 칩(OnoC)의 OSNR 분석 기법은 특정 토폴로지(메시, 팻트리 등)에 한정되어 있으며, 2차 누화잡음을 무시함으로써 정밀도가 떨어진다는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 n 차 누화잡음을 고려하면서 OSNR 정밀도를 높이고 다양한 신호를 고려하면서 발생하는 시뮬레이션 시간 증가를 semi-greedy 접근법을 통해 감쇠킬 수 있는 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR((optical signal-to-noise ratio) 분석 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 정밀하고 빠른 최악의 OSNR 분석 기법을 제안함으로써 레이저 광원 출력 최적화를 가능하게하며 이를 바탕으로 광학 네트워크-온-칩의 소모 전력을 감소시킬 수 있는 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR((optical signal-to-noise ratio) 분석 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 목적들은 이상에서 언급한 사항들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 이하 설명할 본 발명의 실시예들로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 고려될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예들로서 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 일실시 예에 따른 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법은, 프로세서의 제어 하에 광신호의 경로(Ps)에 대한 유효성을 검사하고, 검사된 상기 광신호 경로를 광신호 경로의 후보군으로 설정하는 단계; 설정된 상기 광신호 경로의 후보군 각각을 선택하고, 선택된 상기 광신호 경로의 후보군 중에서 누화 잡음이 발생하는 누화잡음 경로(Px)를 탐색하는 단계; 및 탐색된 상기 누화잡음 경로와 상기 광신호 경로의 후보군에서 OSNR(optical signal-to-noise ratio)이 가장 작은 상기 광신호 경로를 이용하여, 최악의 OSNR을 산출하는 단계;를 포함한다.

또한, 상기 탐색 단계는, 설정된 기준 누화잡음보다 높은 경우에 상기 누화잡은 경로를 탐색하는 것을 포함할 수 있다.

또한, 상기 탐색 단계는, 상기 설정된 기준 누화잡음의 임계값에 따라 탐색 조건을 달리하는 것을 포함할 수 있다.

또한, 상기 탐색 조건은, 상기 광신호 경로와 상기 누화잡음 경로가 교차하는 라우터로부터 인접한 라우터에서 출발하는 광신호 경로를 우선적으로 탐색하는 것을 포함할 수 있다.

또한, 상기 탐색 조건은, 상기 광신호 경로와 상기 누화잡음 경로가 교차하는 라우터로부터 상기 광신호 경로의 목적지가 가까운 상기 누화잡음 경로를 우선적으로 탐색하는 것을 포함할 수 있다.

또한, 상기 탐색 조건은, 상기 광신호 경로와 교차할 때까지 더 적은 수의 드랍 상태의 MR(micro-ring resonator)을 지나는 상기 누화잡음 경로를 우선적으로 탐색하는 것을 포함할 수 있다.

또한, 상기 탐색 조건은, 동일한 누화잡음을 가지는 복수의 상기 누화잡음 경로 중 더 적은 수의 라우터를 통과하는 상기 누화잡음 경로를 최악의 경우로 선정하는 것을 포함할 수 있다.

또한, 상기 탐색 조건은, 상기 누화잡음 경로 중 상기 누화잡음이 상기 설정된 기준 누화잡음의 임계값 이상일 경우 탐색을 종료하는 것을 포함할 수 있다.

또한, 상기 탐색 조건은, 탐색가능한 상기 누화잡음 경로가 없을 경우, 탐색을 종료하는 것을 포함할 수 있다.

상술한 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 다양한 네트워크에 적용 가능한 범용성 있는 OSNR 분석 기법을 통해 WDM(wavelength devision multiplexing), SOA(semiconductor optical amplifier) 등이 적용된 광학 네트워크-온-칩에서 빠르고 정밀한 OSNR 최적화를 가능하게 하며 이를 바탕으로 네트워크의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 정밀하고 빠른 최악의 OSNR 분석 기법으로 레이저 광원의 출력을 최적화시켜 전력 마진을 감소시킴으로써 광학 네트워크-온-칩의 소모 전력을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 이하의 본 발명의 실시예들에 대한 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다. 즉, 본 발명을 실시함에 따른 의도하지 않은 효과들 역시 본 발명의 실시예들로부터 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 도출될 수 있다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되고, 첨부된 도면들은 본 발명에 대한 다양한 실시예들을 제공한다. 또한, 첨부된 도면들은 상세한 설명과 함께 본 발명의 실시 형태들을 설명하기 위해 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 네트워크 온 칩의 다중 라우팅 경로 설정 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 광 라우터 내 광 스위치 및 광 도파관을 통해 신호가 전송되는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따라 제2 단계에 의해 결정된 PX의 하위 집합을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법을 알고리즘으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따라 메시 기반 광학 네트워크-온-칩의 OSNR을 dB 스케일에서 비교한 것을 설명한 도이다.
도 7은 도 6을 그래프로 표현한 도이다.
도 8은 본 발명의 일실시 예에 따라 메시 기반 광학 네트워크-온-칩에서 제안하는 기법의 실행시간을 나타낸 것이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들로서 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR((optical signal-to-noise ratio) 분석 방법 및 장치에 대해서 설명한다.

이하의 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들을 소정 형태로 결합한 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려될 수 있다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성할 수도 있다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다.

도면에 대한 설명에서, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 부분, 장치 및/또는 구성 등은 기술하지 않았으며, 당업자의 수준에서 이해할 수 있을 정도의 부분, 장치 및/또는 구성 또한 기술하지 아니하였다. 또한, 도면에서 동일한 도면 부호를 사용하여 지칭하는 부분은 장치 구성 또는 방법에서 동일한 구성 요소 또는 단계를 의미한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "~부" 또는 "~기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다. 또한, "일(a 또는 an)", "하나(one)", "그(the)" 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서(특히, 이하의 청구항의 문맥에서) 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에서 사용되는 특정(特定) 용어들 및/또는 기호들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 네트워크 온 칩의 다중 라우팅 경로 설정 장치를 설명하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 일반적으로 광학 네트워크 온 칩(Optical Network-on-Chip, ONoC)은 적어도 하나 이상의 코어(110)들 간에 패킷을 전달하는 네트워크 인터페이스와 출발지에서 목적지까지 패킷을 전송하기 위한 경로를 제공하는 광 라우터(120)를 포함한다.

이때, 광 라우터(120)는 일종의 네트워크 스위치(network switch) 또는 스위칭 허브(switching hub)일 수 있다. 또한, 광 라우터(120)는 복수의 포트를 포함할 수 있다. 또한, 광 라우터(120)는 복수의 포트를 통하여 설정된 하나의 코어(110) 또는 하나 이상의 타 광 라우터(120)와 연결될 수 있다.

광학 네트워크 온 칩은 정형의 타일(tile)(200)들로 모델링되는 정형 메시 구조일 수 있으며, 각각의 타일은 마이크 로프로세서, DSP 또는 전용 하드웨어 블럭 등이 될 수 있다. 이러한 타일(200)은 코어(110)와 라우터(120)로 구성되어 있고, 타일들이 온-칩 네트워크 인터페이스에 의해 상호 연결되어 있다.

이와 같이, 광학 네트워크 온 칩은 하나의 코어(110)마다 하나의 광학 라우터(120)가 연결된 구조로서, 코어(110)는 패킷을 라우터를 통해 전송하기 위한 방법을 기술하는 라우팅 알고리즘, 패킷을 정해진 시간 동안 전송하기 위한 플로우 컨트롤 제어 등을 수행한다. 이러한 코어(110)는 각각의 연산을 수행하는 프로세서 코어(Processor Core) 또는 IP블록(IP block)이라 지칭되기도 한다.

정형 메시 구조의 네트워크 온 칩에서 타일(200)은 코어간 발생하는 트래픽에 따라 서로 다른 라우팅 알고리즘을 이용하여 라우터의 라우팅 경로 설정 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 메모리(210) 및 메모리(210)에 기록된 프로그램을 실행하기 위한 프로세서(220)를 포함한다. 이때, 프로세서(220)는 상기에서 설명한 바와 같이 라우팅 알고리즘 등을 수행하는 코어 또는 프로세서 코어일 수 있다.

메모리(210)는 프로세서(220)가 처리하는 데이터를 일시적 또는 영구적으로 저장하는 기능을 수행한다. 여기서, 메모리(210)는 휘발성 저장 매체(volatile storage media) 또는 비휘발성 저장 매체(non-volatile storage media)를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

프로세서(220)는 광학 네트워크 온 칩에서 2차 누화잡음을 포함하는 통신 간 발생할 수 있는 가능한 모든 누화잡음을 고려해 최악의 OSNR 분석할 수 있는 방법을 제공하는 전체 과정을 제어한다.

프로세서(220)는 경로 유효성을 검사해 가능한 모든 경로를 Ps 후보군으로서 설정하고, 각각의 Ps 후보군을 선택해 해당 PS에 누화잡음을 가장 크게 유발하는 누화잡음 경로(Px)들을 찾고, 각각의 Ps 후보군 중 OSNR이 가장 작은 Ps를 찾아 최악의 OSNR을 구할 수 있다. 프로세서(220)가 수행하는 각 단계에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.

여기서, 프로세서(220)는 프로세서(processor)와 같이 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망 라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에서 광 라우터 내 광 스위치 및 광 도파관을 통해 신호가 전송되는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에서 광 라우터(120) 내에 배치되는 복수의 광 스위치(121) 및 광 도파관(122)을 통한 신호 전송 방법에 대해서 설명하도록 한다.

광 스위치(121)는 광 도파관(122)을 통해 전송되는 신호(즉, 광 신호)의 진행 방향을 변경시키는 스위치 소자이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 광 스위치(121)는 어느 하나의 광 도파관(122)을 통해 일 방향으로 전송되던 신호를 다른 광 도파관(123)으로 전환시켜 진행 방향을 변경시킬 수 있다.

도 2에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 스위치(121)는 마이크로 링 공진기(micro-ring resonators, MR)일 수 있다. 또한, 광 스위치(121)는 서로 교차된 광 도파관 간에 신호를 전환시키는 교차 스위치 소자(crossing switch element, 121a)와, 서로 평행된 광 도파관 간에 신호를 전환시키는 평행 스위치 소자(parallel switch element, 121b)를 포함할 수 있다.

도 2의 (a) 및 (b)에서는 교차된 두 광 도파관(Optical waveguide)(122, 123)의 사이에서 광 신호(Optical signal)의 진행 방향을 전환시키는 교차 스위치 소자(121a)의 온(on) 상태 및 오프(off) 상태를 나타낼 수 있다.

도 2의 (a)에서와 같이, 광 신호가 제1 광 도파관(122)을 통해 입력(input)으로부터 직진(through) 방향으로 진행하던 중 교차 스위치 소자(121a)가 온(on)되면, 제1 광 도파관(122)을 통해 진행하던 광 신호가 제2 광 도파관(123)으로 커브되어 드롭(drop) 방향으로 진행될 수 있다.

도 2의 (b)에서와 같이, 광 신호가 제1 광 도파관(122)을 통해 입력(input)으로부터 직진(through) 방향으로 진행할 때 교차 스위치 소자(121a)가 오프(off)된 상태이면, 광 신호는 그대로 직진 방향으로 계속 진행될 수 있다.

도 2의 (c) 및 (d)에서는 평행한 두 광 도파관(Optical waveguide)(124, 125)의 사이에서 광 신호(Optical signal)의 진행 방향을 전환시키는 평행 스위치 소자(121b)의 온(on) 상태 및 오프(off) 상태를 나타낼 수 있다.

도 2의 (c)에서와 같이, 광 신호가 제1 광 도파관(124)을 통해 입력(input)으로부터 직진(through) 방향으로 진행하던 중 평행 스위치 소자(121b)가 온(on)되면, 제1 광 도파관(124)을 통해 진행하던 광 신호가 제2 광 도파관(125)으로 커브되어 드롭(drop) 방향으로 진행될 수 있다. 즉, 앞서 도 2의 (a)에서는 두 도파관(122, 123)이 교차된 상태이므로, 광 스위치(121)가 온(on)됨에 따라 광 신호가 제1 광 도파관(122)으로부터 하부 수직 방향으로 구부러져 제2 광 도파관(123)으로 전환되는 것을 나타낼 수 있다.

이에 비해, 도 2의 (c)에서는 두 광 도파관(124, 125)이 서로 평행하므로 평행 스위치 소자(121b)가 온(on)됨에 따라 광 신호가 제1 광도파관(124)으로부터 180도 구부러져 제2 광 도파관(125)으로 전환될 수 있다. 즉, 평행 스위치 소자(121b)에 의해 광 신호가 입력(input)되던 방향을 향해 다시 돌아가도록 전환될 수 있다. 그리고 도 2의 (d)에서와 같이 광 신호가 제1 광 도파관(124)을 통해 입력(input)으로부터 직진(through) 방향으로 진행할 때 평행 스위치 소자(121b)가 오프(off)된 상태이면, 광 신호는 그대로 직진 방향으로 계속 진행될 수 있다.

광 스위치(121)의 불완전성에 의해, 도 2에 나타낸 바와 같이, 광 스위치(121)가 온(on)된 상태에서는 신호가 통과되는 방향(즉, 직진)으로 누설 광 신호가 전달되어 크로스토크 노이즈가 발생될 수 있다. 즉, 광 스위치(121)에 의한 신호 턴(turn)마다 일정량의 신호 손실이 발생되며, 광 스위치(121)에 의한 신호의 방향 전환 횟수가 증가됨에 따라, 신호 손실량 또한 축적될 수 있다. 광 라우터(120)에서의 포트 간 광 신호 스위칭은, 삽입 손실(insertion loss)이 없는 '직접 연결' 또는 일정량의 삽입 손실이 발생하는 '광 스위치'를 통할 수 있다. 이때, 직접 연결이 광 스위치를 통한 스위칭에서보다는 삽입 손실이 작으나, 하나의 광 라우터(120) 내에서 포트-포트 연결 쌍 중에서 입력/출력 포트 쌍만이 직접 연결이 가능하다. 따라서, 직접 연결되는 포트-포트 연결 쌍 외의 나머지 스위칭 기능들은 광 스위치에 의해 구현되므로 스위치 소자의 개수 및 그 배치를 최적화하여야 한다.

한편, 위와 같은 광 스위치(121)의 스위칭 활동에 의한 신호 손실뿐만 아니라, 도 2에서와 같이 광 도파관이 서로 교차할 경우 추가적인 신호 손실이 발생할 수 있다. 비록 이러한 광 도파관 간의 교차에 의한 신호 손실은 광 스위치의 스위칭 활동에 의한 신호 손실보다는 작으나, 대규모 스케일의 광학 네트워크 온 칩에서는 광 도파관의 교차가 발생되는 상황이 빈번하게 발생되므로 전체적으로 큰 영향을 미칠 수 있다.

상술한 바와 같이, 광학 네트워크-온-칩에서 광 신호는 전파되면서 광 요소를 통과하는데, 이때 도파관 측벽의 불완전함과 빛의 산란으로 인해 신호의 세기가 감쇠되는 것을 삽입손실이라 할 수 있다.

또한, 광학 네트워크-온-칩의 평면 구조로 인해 요구되는 광 신호의 교차와 스위칭은 광 신호 간 간섭을 일으키며 광 신호 간 위상차로 인해 하나의 광 신호에 누적되는 다른 광 신호를 누화 잡음이라 할 수 있다. 삽입손실로 인한 광 신호 세기의 감쇠와 누화잡음으로 인한 잡음 세기의 증가는 모두 OSNR(optical signa-to-noise ratio)에 악영향을 미칠 수 있다.

본 발명은 n차 누화잡음을 포함하는 통신 간 발생할 수 있는 가능한 모든 누화잡음을 고려해 최악의 OSNR 분석의 정확도를 증가시킬 수 있다. 여기서 n은 2 이상의 자연수일 수 있다.

최악의 OSNR 분석을 위해 모든 프로세싱 코어 간 통신에서 삽입손실과 누화잡음을 계산하는 것은 NP-hard 문제일 수 있다. 이에 본 발명에서 제안하는 최악의 OSNR 분석 방법은 semi-greedy 접근 방식을 통해 시뮬레이션 시간 복잡도를 대폭 감소시키면서 광 신호의 특성을 고려한 탐색 조건을 통해 semi-greedy 접근 방식으로 인한 최악의 OSNR 분석 정밀도 저하를 완화시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법을 설명하기 위한 도이다. 도 4는 본 발명의 일실시 예에 따라 제2 단계에 의해 결정된 Px의 하위 집합을 나타낸 것이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법은 제1 단계 내지 제3 단계를 포함할 수 있다.

제1 단계는 Ps 후보군 설정하는 단계로서 경로 유효성을 검사해 가능한 모든 경로를 Ps 후보군으로서 설정할 수 있다(S110).

제2 단계는 탐색하는 단계로서 각각의 Ps 후보군을 선택해 해당 Ps에 누화잡음을 가장 크게 유발하는 Px들을 찾을 수 있다(S130).

제3 단계는 결정 또는 산출하는 단계로서 각각의 Ps 후보군 중 OSNR이 가장 작은 Ps를 찾아 최악의 OSNR을 구할 수 있다(S150).

Ps는 OSNR 분석에서 지정된 광 신호 경로라 정의하고, Px는 Ps에 대한 누화 경로라 정의할 수 있다.

본 발명은 최악의 OSNR을 유발할 수있는 Ps 후보 그룹과, 후보 그룹의 각 P의 목적지 노드에서 OSNR을 최소화하는 Px를 결정할 수 있다. 본 발명은 특정 검색 범위를 가진 후보 그룹을 결정하는 semi-greedy 휴리스틱을 사용하여 로컬 최소값의 확률인 Pxs를 결정하는 과정을 포함할 수 있다.

본 발명은 후보 그룹의 다양한 검색 조건을 사용하여 최적의 하위 집합을 구할 수 있다. 본 발명은 semi-greedy 알고리즘의 장점인 낮은 계산 복잡도를 유지하면서 매우 정확한 최악의 경우 OSNR을 유도할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법에 대해 자세하게 설명하면 다음과 같다.

1) Ps 후보군을 설정하는 단계

제1 단계는 광신호 경로(PS) 후보군을 설정하는 단계(S110)이며, 경로 유효성을 검사해 가능한 모든 경로를 PS 후보군으로서 설정할 수 있다.

프로세서는 단일 라우터의 입출력 비율 테이블을 셋팅할 수 있다. 프로세서는 Ps 검색 조건에 따라 Ps 후보 그룹을 설정하고, 설정된 Ps 후보 그룹을 단일 라우터의 입출력 비율 테이블에 적용시킬 수 있다. 입출력 비율 테이블은 작업 매핑 테이블이라 칭할 수 있다.

본 발명의 프로세서는 Ps 검색 조건에 따라 선택 가능한 노드가 더 이상 없을 때까지 모든 통신 가능 노드에서 소스 및 대상 쌍을 선택할 수 있다.

그 후 프로세서는 소스 및 대상 쌍으로 구성된 선택된 노드를 Ps 후보 그룹에 추가할 수 있다. 프로세서는 작업 매핑이 미리 수행된 경우, 작업 매핑 테이블의 소스 및 대상 쌍만 후보 그룹에 추가할 수 있다.

프로세서는 EWOSA(Extended Worst-Case OSNR Searching) 알고리즘에 기반하여 동작할 수 있다. 또한, 프로세서는 EWOSA 알고리즘의 서브 알고리즘인 패스파인딩(pathfinding) 알고리즘을 이용하여 소스 및 대상 노드 쌍에 의해 결정된 신호 경로와 변경된 MR 상태 및 포트 점유 상태를 추적할 수 있다. 프로세서는 분석할 광 신호 경로가 방해되지 않도록 사전에 회로 스위칭을 제어할 수 있다. 이때 패스파인딩(pathfinding) 알고리즘은 소스 및 대상 노드를 인수로 수신하고 경로 유효성을 확인하도록 작업할 수 있다.

프로세서는 패스파인딩(pathfinding) 알고리즘을 이용하여 각 라우터의 포트에 해당 포트가 점유되었는지 확인할 수 있다. 예를 들어, 각 신호 경로가 라우터를 통과할 때마다 신호가 통과하는 라우터 포트의 플래그가 0에서 1로 변경될 수 있다. 통신이 종료되거나 해당 신호 경로가 통신 패턴에서 제외되면 신호 경로에 해당하는 플래그가 0으로 변경될 수 있다.

프로세서는 경로 유효성을 확인하기 위해 입력 소스 노드에서 대상 노드로 한 번에 하나씩 라우터를 추적합니다. 이때 프로세서는 패스파인딩(pathfinding) 알고리즘 또는 라우팅 알고리즘을 적용할 수 있다.

프로세서는 신호가 플래그가 1인 포트를 통과해야하거나 라우팅 알고리즘에 따라 신호 경로가 대상 노드와 일치할 수 없는 경우 신호 경로가 유효하지 않은 것으로 판단할 수 있다.

상술한 바와 같이, 프로세서는 패스파인딩(pathfinding) 알고리즘을 통해 각 라우터의 입출력 포트의 연결 정보를 표시함으로써, 해당 신호 경로가 통과하는 라우터의 포트를 쉽게 찾을 수 있도록 제어할 수 있다.

MR(micro-ring resonator) 상태는 프로세서의 제어 하에 각 라우터에 표시된 정보를 통해 간단히 변경될 수 있다.

2) Px 검색하는 단계

제2 단계는 누화잡음 경로(Px)들을 찾는 탐색 또는 검색하는 단계(S130)이며, Ps 후보군을 선택해 해당 Ps에 누화잡음을 가장 크게 유발하는 누화잡음 경로(Px)들을 탐색할 수 있다. 프로세서는 Px 검색 조건에 따라 Ps 후보 그룹 중 각 P의 OSNR을 최소화하는 Px를 선택하고, 해당 OSNR을 산출할 수 있다.

프로세서는 Px 검색 조건에 따라 Ps 후보 그룹 중 각 P의 OSNR을 최소화하는 Px를 선택하고, 해당 OSNR을 산출할 수 있다.

프로세서는 작업 매핑이 미리 수행된 경우 작업 매핑 테이블에서 통신할 수 있는 소스 및 대상 쌍만 Px로 검색 범위로 제한할 수 있다.

프로세서는 semi-greedy 알고리즘에 기초하여 검색 조건을 통해 미리 검색된 후보 그룹 중 최악의 OSNR을 유발하는 신호 경로를 결정 또는 선택할 수 있다.

광 신호의 특성상 더 많은 광학 요소를 지날수록 삽입손실이 커지기 때문에 Ps가 정해지면 해당 Ps에 인접한 Px가 적은 삽입손실을 받아 더 큰 누화잡음을 유발할 가능성이 커질 수 있다.

프로세서는 하나의 라우터에서 발생할 수 있는 최대 누화잡음과 삽입손실을 계산하면서 탐색을 중지할 문턱값(threshold)을 결정할 수 있다. 프로세서는 누화잡음의 문턱값(threshold)으로 인한 탐색 조건에 의해 semi-greedy 알고리즘의 탐색 범위를 결정할 수 있다. 즉, 프로세서는 semi-greedy 알고리즘을 통해 적어도 하나 이상의 탐색 조건을 만족할 경우 탐색 범위가 결정할 수 있다.

탐색조건 1은 Ps와 Px가 교차하는 라우터로부터 인접한 라우터에서 출발하는 Px를 우선적으로 탐색할 수 있다.

탐색조건 2는 Ps와 Px가 교차하는 라우터로부터 Ps의 목적지가 가까운 Px를 우선적으로 탐색할 수 있다.

탐색조건 3은 Ps와 교차할 때까지 더 적은 수의 드롭(drop) 상태의 MR(micro-ring resonator)을 지나는 Px를 우선적으로 탐색할 수 있다.

탐색조전 4는 같은 누화잡음을 유발하는 Px들 중 더 적은 수의 라우터를 통과하는 Px를 최악의 경우로 선정할 수 있다.

탐색조건 5는 탐색한 Px가 유발하는 누화잡음이 특정 문턱값(threshold) 이상이라면 탐색을 종료할 수 있다.

탐색조건 6은 더 이상 탐색가능한 Px가 존재하지 않다면 탐색을 종료할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 탐색 조건 중 누화 문턱값(threshold) TC의 최대 값은 알고리즘의 정확도와 실행 시간을 결정하는 중요한 요소일 수 있다. 따라서 삽입 손실과 누화 잡음 계수에 따라 고려할 필요가 있다.

TC는 먼저 탐색 조건으로 간주되지 않는 Px의 누화 크기에 대한 다른 요인의 영향 크기에 의해 결정될 수 있다.

라우터에서 발생할 수 있는 삽입 손실의 최대 값과 최소값만큼 누화가 있는 신호는 처음 검색된 신호 경로가 라우터를 통과할 때마다 최악의 경로에 존재할 수 있다.

따라서 Ps와 교차하는 라우터에서 크로스 토크가 발생하면 라우터에서 발생할 수 있는 크로스 토크 계수의 최대 값과 최소값의 차이만큼 차이가 발생할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 6Х6 메시 기반 광학 네트워크 온 칩에서 제안하는 기법의 OSNR 계산 예제를 나타낸다.

현재 Px가 현재 광 경로에 적용되는 누화 노이즈는 빨간색 화살표로 표시될 수 있다. 누화 잡음이 Ps 및 전류 Px에 영향을 미치기 때문에 삽입 손실과 함께 2차 누화 잡음이 고려될 수 있다.

소스에서 Ps의 대상까지 two hops인 Px4에 의해 감소된 OSNR의 크기는 소스에서 one hop인 Px1, Px2 및 Px3에 의해 감소된 OSNR의 크기보다 클 수 있다.

이는 삽입 손실의 영향이 신호가 통과하는 라우터의 수에만 의존하지 않음을 의미하며, 이러한 경향은 광 라우터의 최대 및 최소 삽입 손실과 누화 노이즈 효과를 고려하여 TC를 결정할 수 있음을 알 수 있다.

통신에서 신호 경로의 수가 증가하면 노이즈가 신호 경로를 따라 축적되고 전파되기 때문에 2차 누화 효과가 증가될 수 있다.

다시 말해 각각의 누화잡음 경로들이 서로에게 미치는 누화잡음까지 고려되어 계산되는 것을 확인할 수 있으며, 신호 경로의 수가 증가할수록 잡음이 신호 경로를 따라 축적되면서 2차 누화잡음이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

3) 최악의 OSNR 검색

제3 단계는 최악의 OSNR을 구하여 결정하는 단계(S150)이며, 각각의 PS 후보군 중 OSNR이 가장 작은 Ps를 찾아 최악의 OSNR을 구할 수 있다. 프로세서는 계산된 OSNR 중 가장 낮은 OSNR을 유발하는 Ps 및 해당 Px를 최악의 경우로 결정하고 OSNR을 최악의 경우의 OSNR로 간주할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법을 알고리즘으로 나타낸 것이다.

도 5를 참조하면, 첫번째 줄과 두번째 줄은 가능한 모든 신호 경로를 Ps 후보군으로서 추가하는 알고리즘의 제1 번째 단계에 해당될 수 있다.

세번째 줄 내지 열여섯번째 줄은 해당 Ps에 최악의 OSNR을 유발하는 Px들을 찾는 알고리즘의 제2 단계에 해당될 수 있다.

다섯번째 줄 내지 일곱번째 줄은 탐색 조건에 따라 누화잡음을 계산할 Px 탐색 범위를 결정하는 것이고, 아홉번째 줄 그리고 열번째 줄은 결정된 Px 탐색 범위안에서 최악의 OSNR을 유발하는 Px를 선택하는 것이다.

열일곱번째 줄 내지 열아홉번째 줄은 최악의 OSNR을 찾는 알고리즘의 제3 단계에 해당될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시 예에 따라 메시 기반 광학 네트워크-온-칩의 OSNR을 dB 스케일에서 비교한 것을 설명한 도이다. 도 7은 도 6을 그래프로 표현한 도이다.

도 6을 참조하면, FWC는 2차 누화잡음을 고려하지 않은 종래의 최악의 OSNR 분석 방식을, EWOSA는 제안하는 최악의 OSNR 분석 기법을 나타내며 EWOSA가 FWC에 비해 8x8 네트워크에서는 0.18 dB 더 낮은 OSNR을 찾을 수 있었으며 16x16 네트워크에서는 약 0.12 dB 더 낮은 OSNR을 찾는 것이 가능했다.

Quality factor Q가 9000이고 파장의 수가 각각 1, 2, 4, 8이고 가장 낮은 파장의 길이가 1550 nm일 때 WDM 기반 광학 네트워크-온-칩에서의 OSNR을 비교한 그래프는 도 7에 표현되었다.

파장의 수가 각각 1, 2, 4, 8일 때 EWOSA는 각각 평균 0.09 dB, 0.09 dB, 0.11 dB, 0.17 dB 더 낮은 OSNR을 찾는 것이 가능했다. 파장의 수가 커지면서 EWOSA의 성능이 향상되는 이러한 경향은 파장의 수가 커지면서 사용하는 MR의 수가 늘어나고 라우터의 구조가 달라지기 때문이다. 결과적으로 2차 누화잡음의 영향이 커질 수 있다.

이에 따라 광학 네트워크의 조건 및 환경 변화에 유연하게 대응하도록 설계된 EWOSA가 FWC에 비해 더 정확한 OSNR을 계산할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일실시 예에 따라 메시 기반 광학 네트워크-온-칩에서 제안하는 기법의 실행시간을 나타낸 것이다.

도 8을 참조하면, 해당 실험 결과를 바탕으로 천 개 가까이의 프로세서 코어를 가정한 네트워크에서도 수십 시간 이내의 시간으로 전체 네트워크의 최악의 OSNR을 분석 가능한 매우 빠른 실행 속도를 보인 것을 확인할 수 있다.

상술한 본 발명의 실시예들은 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상술한 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

110 : 코어
120 : 광라우터
121 : 광 스위치
122 : 광 도파관
200 : 타일
210 : 메모리
220 : 프로세서

Claims (9)

1. 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법에 있어서,
   프로세서의 제어 하에 광신호의 경로(Ps)에 대한 유효성을 검사하고, 검사된 상기 광신호 경로를 광신호 경로의 후보군으로 설정하는 단계;
   설정된 상기 광신호 경로의 후보군 각각을 선택하되 광 신호의 특성을 고려하여 설정된 탐색 조건을 통해 미리 특정 탐색 범위를 가진 후보군을 결정하고, 선택된 상기 광신호 경로의 후보군 중에서 누화 잡음이 발생하는 누화잡음 경로(Px)를 탐색하되 상기 탐색 조건의 만족 여부에 따라 탐색 범위 또는 탐색 종료를 결정하는 단계; 및
   탐색된 상기 누화잡음 경로와 상기 광신호 경로의 후보군에서 OSNR(optical signal-to-noise ratio)이 가장 작은 상기 광신호 경로를 이용하여, 최악의 OSNR을 산출하는 단계;
   를 포함하는 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 탐색 단계는,
   설정된 기준 누화잡음보다 높은 경우에 상기 누화잡음 경로를 탐색하는 것을 특징으로 하는 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법.
   
3. 제2 항에 있어서,
   상기 탐색 단계는,
   상기 설정된 기준 누화잡음의 임계값에 따라 탐색 조건을 달리하는 것을 특징으로 하는 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법.
   
4. 제3 항에 있어서,
   상기 탐색 조건은,
   상기 광신호 경로와 상기 누화잡음 경로가 교차하는 라우터로부터 인접한 라우터에서 출발하는 광신호 경로를 우선적으로 탐색하는 것을 특징으로 하는 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법.
   
5. 제3 항에 있어서,
   상기 탐색 조건은,
   상기 광신호 경로와 상기 누화잡음 경로가 교차하는 라우터로부터 상기 광신호 경로의 목적지가 가까운 상기 누화잡음 경로를 우선적으로 탐색하는 것을 특징으로 하는 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법.
6. 제3 항에 있어서,
   상기 탐색 조건은,
   상기 광신호 경로와 교차할 때까지 더 적은 수의 드랍 상태의 MR(micro-ring resonator)을 지나는 상기 누화잡음 경로를 우선적으로 탐색하는 것을 특징으로 하는 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법.
   
7. 제3 항에 있어서,
   상기 탐색 조건은,
   동일한 누화잡음을 가지는 복수의 상기 누화잡음 경로 중 더 적은 수의 라우터를 통과하는 상기 누화잡음 경로를 최악의 경우로 선정하는 것을 특징으로 하는 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법.
   
8. 제3 항에 있어서,
   상기 탐색 조건은,
   상기 누화잡음 경로 중 상기 누화잡음이 상기 설정된 기준 누화잡음의 임계값 이상일 경우 탐색을 종료하는 것을 특징으로 하는 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법.
9. 제3 항에 있어서,
   상기 탐색 조건은,
   탐색가능한 상기 누화잡음 경로가 없을 경우, 탐색을 종료하는 것을 특징으로 하는 광학 네트워크-온-칩의 최악의 OSNR 분석 방법.
   

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