Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM

1 MỞ ĐẦU WDM có khả cung cấp dung lượng truyền dẫn lớn cách ghép nhiều bước sóng sợi cáp, bước sóng coi liên kết vật lý nút mạng Theo cách này, dung lượng truyền dẫn liên kết tăng tỷ lệ với số bước sóng ghép liên kết đó, giải pháp khơng đủ để giải vấn đề nghẽn cổ chai mạng lưu lượng bùng nổ Tuỳ thuộc vào độ lớn mạng WDM, tổn thất lưu lượng cố xảy thành phần mạng có mức độ nghiêm trọng khác Để khắc phục vấn đề này, nhiều giải pháp nghiên cứu có phương thức bảo vệ phương thức khơi phục Phương thức bảo vệ cho phép mạng hồi phục nhanh nhờ chuyển lưu lượng luồng quang hoạt động bị gián đoạn thơng tin sang luồng quang dự phịng, luồng dự phòng chuẩn bị từ trước cố xảy Nhờ việc chuẩn bị trước luồng quang dự phòng mà phương thức bảo vệ đảm bảo khơi phục 100% khỏi cố với điều kiện cố không xuất đồng thời Trong đó, phương thức khơi phục tìm cách xác định đường bước sóng cho tuyến dự phòng sau cố xảy Bởi vậy, phương thức khơi phục khơng khắc phục cố thiếu tài ngun, chẳng hạn khơng có đủ bước sóng cho tuyến dự phịng Hơn nữa, phương thức khơi phục có xu hướng tiêu tốn nhiều thời gian để khắc phục cố so sánh với phương thức bảo vệ, thời gian để xác định tuyến dự phòng Xác định đường gán bước sóng cho tuyến hoạt động/dự phịng gọi phương thức thiết kế cấu hình mạng logic Phần lớn cách thức thông thường để thiết kế cấu hình mạng logic có bảo vệ/khơi phục mạng tập trung vào việc giảm thiểu số bước sóng cần sử dụng giảm thiếu xác suất từ chối thiết lập tuyến quang, xác suất xác suất mà yêu cầu thiết lập tuyến quang bị từ chối thiếu tài nguyên mạng Nhiều nghiên cứu triển khai, đa số tập trung vào giảm bước sóng cần thiết cách cho phép tuyến dự phịng dùng chung tài ngun bước sóng, đưa khái niệm chất lượng dịch vụ (QoS) khả hồi phục lỗi Một số nghiên cứu dựa mơ hình khơi phục lỗi theo xác suất có phần lưu lượng mà người dùng xác định trước khôi phục sau cố Bài luận giới thiệu chất lượng tin cậy QoR đơn vị định lượng QoS để dựa theo xây dựng tuyến quang có độ tin cậy cao Trong đề xuất QoR này, việc xây dựng mạng có độ tin cậy cao quan trọng nhiều so với việc sử dụng hiệu tài nguyên mạng, đặc biệt mà số lượng bước sóng sử dụng mạng WDM ngày tăng Điều đồng nghĩa với việc cần xây dựng cấu hình topology logic có sử dụng tài ngun bước sóng thật hiệu để đảm bảo thời gian khôi phục sau cố đảm bảo khôi phục 100% cố Tiếp đó, luận đề xuất thuật toán thực nghiệm để thiết kế cấu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hình logic cho mạng thoả mãn yêu cầu QoR kết nối sau so sánh với vài thuật tốn khác mặt số lượng bước sóng cần thiết để xây dựng cấu hình mạng thoả mãn yêu cầu QoR Trong phạm vi khn khổ có hạn, luận tổ chức sau: - Chương giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM - Chương trình bày sơ lược mạng quang định tuyến theo bước sóng ứng dụng rộng rãi mạng truyền dẫn Trong đề cập đến phần tử cấu thành, trình bày vấn đề liên quan đến việc định tuyến gán bước sóng mạng WDM - Chương giới thiệu chế bảo vệ nâng cao độ an toàn mạng quang - Chương giới thiệu tiêu chất lượng tin cậy dựa mơ hình thời gian khơi phục cực đại, xây dựng tốn thiết kế mạng đảm bảo an toàn sở đề xuất thuật tốn giải tốn định tuyến gán bước sóng mạng WDM thoả mãn QoR yêu cầu Các kết luận góp phần vào việc giải vấn đề lên, xây dựng cấu hình mạng thoả mãn tiêu chuẩn tin cậy cho trước hy vọng kết áp dụng vào thực tế tương lai LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM 1.1 Sự phát triển truyền dẫn sợi quang Truyền dẫn sợi quang bắt đầu áp dụng từ kỷ 19 đáp ứng nhu cầu truyền đưa dịch vụ Các hệ thống truyền dẫn sợi quang với ưu điểm dung lượng truyền tải, băng thông, cự ly truyền dẫn lớn, tỷ lệ lỗi thấp, tránh giao thoa điện trường, khả bảo mật ngày nghiên cứu phát triển ứng dụng rộng rãi Trong truyền dẫn quang, người ta có xu hướng sử dụng vùng phổ quang định, suy hao quang tính tốn thấp Những vùng này, thường gọi cửa sổ, nằm khu vực có độ hấp thụ ánh sáng cao Ban đầu, hệ thống thông tin quang hoạt động cửa sổ thứ nhất, khu vực bước sóng xấp xỉ 850nm trước người ta nhận cửa số thứ (băng S), khu vực bước sóng 1310nm, có hệ số suy hao thấp thấp khu vực cửa sổ thứ bước sóng 1550nm (băng C) Ngày nay, cửa sổ thứ tư (băng L) bước sóng 1625nm nghiên cứu để ứng dụng Bốn cửa sổ trình bày Hình 1.1 Vùng bước sóng minh hoạ hình 1.1 Cơng nghệ WDM áp dụng vào đầu năm 80’s sử dụng bước sóng cách xa vùng 1310nm 1550nm (hoặc 850nm 1310nm) gọi WDM băng rộng Vào đầu năm 90’s, bắt đầu xuất công nghệ WDM hệ thứ 2, gọi WDM băng hẹp, sử dụng từ đến kênh Các kênh thuộc cửa sổ 1550nm cách khoảng 400GHz Đến năm 90’s, hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) phát triển với 16 đến 40 kênh khoảng cách kênh từ 100 đến 200 GHz Cho đến cuối thập kỷ 90, hệ thống DWDM sử dụng tới 64 đến 160 kênh với khoảng cách kênh 50 chí 25 GHz LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1.2 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM 1.2.1 Lớp quang Trong hệ thống phân cấp mạng theo lớp, lớp quang có chức cung cấp dịch vụ cho lớp mạng cao SONET/SDH, IP, ATM Có thể coi lớp lớp khách hàng (client) lớp quang lớp phục vụ (server) Lớp quang chia nhỏ thành lớp Một định nghĩa lớp đề xuất khuyến nghị G.872, theo đó, lớp quang chia thành lớp con: lớp kênh quang OCH, lớp đoạn ghép kênh quang OMS lớp đoạn truyền dẫn quang OTS hình vẽ Lớp khách hàng (SONET/SDH), PDH Lớp kênh quang (OCH) Lớp quang Lớp đoạn ghép kênh quang (OMS) Lớp đoạn truyền dẫn quang (OTS) Giao diện quang Hình 1.2 Phân cấp mạng quang theo lớp Hình 1.3 Kiến trúc mạng truyền tải quang [3] Lớp kênh quang xử lý tồn trình mạng vận chuyển cách suốt tín hiệu khách hàng nhiều khn dạng khác (SDH, ATM, IP ) Lớp có chức sau: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com • Sắp xếp lại kết nối kênh quang để việc định tuyến mạng mềm dẻo • Giám sát kênh quang phép thực hoạt động khai thác quản lý mức mạng, chẳng hạn cung cấp kết nối, chất lượng dịch vụ QoS Lớp đoạn ghép kênh quang tương ứng với liên kết điểm-điểm tuyến kênh quang (bước sóng) có chức sau: • Xử lý phần mào đầu đoạn để đảm bảo tính tồn vẹn thơng tin đoạn ghép kênh quang • Giám sát đoạn ghép kênh quang phép thực hoạt động khai thác quản lý mức đoạn, chẳng hạn nâng cao an toàn đoạn ghép kênh Lớp đoạn truyền dẫn quang OTS tương ứng với chức truyền dẫn tín hiệu quang khác phương tiện truyền dẫn quang 1.2.2 Nguyên lý ghép bước sóng a Khái niệm Ghép kênh theo bước sóng (WDM) kỹ thuật truyền dẫn để tạo nên mạng quang Kỹ thuật sử dụng sợi quang (linh kiện quang) để mang nhiều kênh quang độc lập riêng rẽ Mỗi bước sóng biểu thị cho kênh quang sợi Ghép kênh theo bước sóng (WDM) kỹ thuật truyền dẫn sợi quang sử dụng bước sóng ánh sáng để truyền dẫn số liệu song song theo bit nối ký tự Qua trình phát triển cơng nghệ khái niệm WDM thay khái niệm DWDM Về ngun lý khơng có khác biệt giữ hai khái niệm trên, DWDM nói đến khoảng cách gần kênh cách định tính số lượng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) hệ thống Những kênh quang hệ thống DWDM thường nằm cửa sổ bước sóng, chủ yếu 1550 nm mơi trường ứng dụng hệ thống mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài dung lượng lớn Công nghệ cho phép chế tạo phần tử hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách kênh nhỏ 0,5 nm Hệ thống thiết bị thương mại hố Ngày nói đến WDM người ta thường liên tưởng đến DWDM diện khắp nơi sản phẩm thiết bị loại Để thuận tiện dùng thuật ngữ WDM để chung cho hai khái niệm Trong trường hợp cần có phân biệt hai khái niệm có phần thích kèm theo Như nói hệ thống DWDM thường ứng dụng cấp mạng đường trục (mạng trung kế) xuất phát từ nhu cầu thực tế Tuy nhiên chưa có tác động mạnh mẽ đến thị trường mạng nội hạt DWDM chiếm vị trí chắn kế hoạch phát triển mạng tương lai nhiều nhà khai thác Điều bởi, thứ áp lực lớn từ dịch vụ Multimedia đặc biệt Internet đòi hỏi nhà cung cấp dịch vụ phải giải toán dung LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com lượng truyền dẫn; thứ hai công nghệ chế tạo phần tử thiết bị truyền dẫn quang gần đạt tới hoàn thiện, ứng dụng cho mạng nội hạt (khoảng cách truyền dẫn thường ngắn) nên khơng địi hỏi phần tử quang phẩm chất cao giá thành hạ xuống đáng kể b Hệ thống WDM phần tử cấu thành Hệ thống WDM hoàn toàn tương tự hệ thống TDM truyền thống, bao gồm: phát thu hai phía, sợi quang lặp Sự khác biệt chỗ hệ thống WDM truyền dẫn đồng thời nhiều kênh quang qua sợi hệ thống TDM truyền dẫn có kênh Chúng ta xem hệ thống WDM nhiều hệ thống TDM song song dùng chung sợi quang thiết bị Về thành phần quang hệ thống WDM bao gồm nhiều nguồn phát (laser), ghép kênh, nhiều khuếch đại quang (ví dụ EDFA), khối xen/rẽ (OADM), sợi quang, tách kênh thu tương ứng với phía phát Mỗi phần tử hệ thống thực chức xác định cách xác Như biết hệ thống truyền dẫn hệ thống tương tác, nghĩa đầu thực chức phát tín hiệu (hướng đi) nhận tín hiệu (hướng về) Trong hệ thống WDM, tính tương tác thực qua môi trường sợi quang Người ta chia hệ thống WDM thành hai kiểu: - Hệ thống ghép bước sóng hướng: Sử dụng sợi quang cho hướng truyền dẫn Tx1 - Tx1 λN λ1, λ2 λN EDFA EDFA Hình 1.4 Hệ thống ghép bước sóng hướng λN Rx1 Rx2 RxN Hệ thống ghép bước sóng hai hướng: Sử dụng sợi quang chung cho hai hướng truyền dẫn λ1 λ1 λ1, λ2 λN λ2 DEMUX TxN λ2 MUX Tx2 λ2 DEMUX TxN λ1 MUX Tx2 λ1 λN EDFA λ1, λ2 λN EDFA λ2 λN Rx1 Rx2 RxN Hình 1.5.Hệ thống ghép bước sóng hai hướng c Ưu nhược điểm cơng nghệ WDM So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy ưu điểm trội: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Dung lượng truyền dẫn lớn: Hệ thống WDM mang nhiều kênh quang, kênh quang ứng với tốc độ bit (TDM) Do hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn nhiều so với hệ thống TDM Hiện hệ thống WDM 80 bước sóng với bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống 200Gbit/s thử nghiệm thành cơng Trong thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit đạt tới STM-256 (40Gbit/s) - Loại bỏ yêu cầu khắt khe khó khăn gặp phải với hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao: Không giống TDM phải tăng tốc độ số liệu lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM cần mang vài tín hiệu, tín hiệu ứng với bước sóng riêng (kênh quang), tốc độ kênh quang thấp Điều làm giảm đáng kể tác động bất lợi tham số truyền dẫn tán sắc… Do tránh phức tạp thiết bị TDM tốc độ cao - Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, chí hệ thống hoạt động: Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng mạng có mà khơng phải lắp đặt thêm sợi quang (hay cáp quang) Bên cạnh mở thị trường thuê kênh quang (hay bước sóng quang) việc thuê sợi cáp Việc nâng cấp đơn giản gắn thêm Card hệ thống hoạt động (plug-n-play) - Quản lý băng tần hiệu thiết lập lại cấu hình cách mềm dẻo linh hoạt: Việc định tuyến phân bổ bước sóng mạng WDM cho phép quản lý hiệu băng tần truyền dẫn thiết lập lại cấu hình dịch vụ mạng chu kỳ sống hệ thống mà không cần thi công lại cáp thiết kế lại mạng - Giảm chi phí đầu tư Bên cạnh ưu điểm WDM bộc lộ số mặt hạn chế nằm thân cơng nghệ Đây thách thức cho công nghệ này: - Dung lượng hệ thống nhỏ bé so với băng tần sợi quang: Công nghệ WDM ngày hiệu việc nâng cao dung lượng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn sợi quang Cho dù cơng nghệ cịn phát triển dung lượng WDM đạt đến giá trị tới hạn - Chi phí cho khai thác tăng có nhiều hệ thống hoạt động Tuy nhiên, chi phí cho bảo dưỡng hệ thống WDM nhỏ nhiều so sánh với hệ thống TDM có dung lượng tương đương 1.2.3 Các thành phần hệ thống WDM 1.2.3.1 Nguồn phát a Yêu cầu nguồn phát LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Độ rộng phổ hẹp phổ vạch: Nhìn chung, hệ thống WDM sử dụng nguồn phát giống hệ thống truyền dẫn đơn kênh cự ly dài Tuy nhiên trường hợp sử dụng loại Laser DFB DBR có vạch phổ dải phổ Độ rộng phổ tuỳ thuộc vào số lượng kênh hệ thống dung sai phần tử - Độ ổn định bước sóng phát: Trong hệ thống WDM cần giảm thiểu thay đổi bước sóng nguồn phát suốt thời gian hoạt động để tránh ảnh hưởng không mong muốn đến tiêu hệ thống - Nguyên nhân tượng mức lượng cao hốc cộng hưởng Laser bề mặt phản xạ sinh thăng giáng vật liệu suốt thời gian hoạt động gây nên trơi bước sóng phát - Khả chỉnh: Laser khả chỉnh có nghĩa lớn mạng quang tương lai, đặc biệt mạng quảng bá Khả điều chỉnh phát lẫn thu ảnh hưởng đến tiêu toàn hệ thống - Trong hệ thống WDM khơng địi hỏi sử dụng phát thu khả chỉnh Tuy nhiên nhà máy sản xuất linh kiện chế tạo số hữu hạn bước sóng nên để đảm bảo tính đa dạng việc chọn lựa bước sóng hoạt động có phát khả chỉnh, điều giải vấn đề trơi bước sóng - Laser đa bước sóng: Một yêu cầu mạng quang tương lai khả đáp ứng nhanh nguồn khả chỉnh Để thực điều tích hợp nhiều Laser có bước sóng khác Do kiểu Laser cho phép hoạt động đồng thời với nhiều bước sóng có khả điều chỉnh nhanh (bằng cách lựa chọn bước sóng phát) b Các loại nguồn phát sử dụng Nguồn phát quang thường sử dụng điode phát quang (LED) Laser bán dẫn (LD) 1.2.3.2.Phần tử tách ghép bước sóng Các phần tử tách ghép bước sóng có tham số sau: - Bước sóng trung tâm: Đối với cách tử bước sóng trung tâm băng phản xạ, cịn lọc bước sóng nằm hai bước sóng cạnh băng - Băng tần: Băng tần đặc trưng cho dải bước sóng phản xạ cách tử dải bước sóng lọc đặc trưng khoảng cách (theo thiết kế) cạnh lọc - Đỉnh phản xạ: Đỉnh phản xạ định nghĩa cho cách tử, tương ứng lượng ánh sáng phản xạ bước sóng trung tâm - Bước sóng danh định: Bước sóng danh định sử dụng cho lọc, qui định từ nhà sản xuất Bước sóng trung tâm thực tế thường khác bước sóng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Suy hao xen: Suy hao xen lượng tổn hao công suất tuyến truyền dẫn quang xuất ghép bước sóng Lượng tổn hao gồm hai loại: • Suy hao sinh điểm ghép nối ghép bước sóng với phần tử quang điện • Tổn hao thân ghép bước sóng Trong WDM tổn hao ghép nối chiếm ưu đặc biệt sử dụng thiết bị vi quang học sợi SM Tổn hao ghép bước sóng thứ i tính sau: Φ Li = 10 log ii  Φ oi   [dB]  (1.1) đó: Φii lượng đưa vào ghép bước sóng thứ i Φoi lượng đưa ghép bước sóng thứ i Khác với phần tử quang thụ động thông thường, suy hao xen xem xét bước sóng, tức với bước sóng thứ i suy hao xen tính là:  O (λi )  Li = −10 log   [dB]  I i (λ i )  (1.2)  O (λ )  Li = −10 log  i i  [dB]  I (λi )  (1.3) đó: • O(λi) I(λi) cơng suất tín hiệu vào bước sóng thứ i kênh chung • Ii(λi) Oi(λi) cơng suất tín hiệu bước sóng thứ i vào MUX DMUX - Xuyên kênh: Xuyên kênh xuyên nhiễu tín hiệu từ kênh sang kênh khác, nói cách khác xuất tín hiệu kênh kênh lân cận Sự xuyên kênh làm tăng nhiễu kênh tín hiệu dẫn đến giảm tỷ số S/N Nguyên nhân gây xuyên kênh : • Phổ kênh lọt vào băng thông kênh (khi ta coi đặc tính lọc bước sóng cách ly hồn hảo) • Do đặc tính (sự khơng hồn hảo) chọn lọc bước sóng hay cách ly quang • Do phản xạ hay hội tụ xảy khơng hồn toàn làm tia sáng bị tản mát LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 • Do hiệu ứng phi tuyến xảy đưa công suất quang cao vào sợi quang như: hiệu ứng SRS, SBS, FWM, XPM Khả để tách kênh mô tả suy hao xuyên kênh tính dB sau:  U (λ )  Di (λ k ) = −10 log  i k   I (λ k )  (1.4) với Ui(λk) lượng tín hiệu khơng mong muốn bước sóng thứ k (λk) có dị tín hiệu thứ i, mà có tín hiệu bước sóng λi Có hai loại xun âm: • Xuyên âm đầu gần: kênh khác đầu vào sinh ra, ghép thiết bị, Ui(λj), thường xảy hệ thống ghép bước sóng hướng • Xun âm đầu xa: kênh khác đầu vào gây ghép, ví dụ I(λk) sinh Ui(λk), thường xảy hệ thống ghép bước sóng hai hướng - Độ rộng phổ kênh: Độ rộng phổ kênh dải bước sóng dành cho kênh Độ rộng phổ phải đủ lớn để đảm bảo ngăn chặn nhiễu kênh, xác định tuỳ theo loại nguồn quang 1.2.3.3.Sợi quang a Sợi SMF (theo ITU G.652) Bảng 1.1 Các tham số sợi SMF Các tham số Đường kính trường mode 1310 nm Đường kính vỏ phản xạ Độ đồng tâm trường mode bước sóng 1550 nm Độ khơng trịn trường mode Độ khơng trịn vỏ phản xạ Suy hao uốn cong bước sóng 1550 nm Hệ số suy hao Hệ số tán sắc Dạng mặt cắt chiết suất Giá tr (9 ữ 10 àm) 10% 125 µm ≤ µm Rất nhỏ, không ảnh hưởng đến lan truyền đấu nối tín hiệu ≤ 2% ≤ dB uốn cong 100 vịng với bán kính uốn cong 37.5 mm ≤ 0.5 vùng bước sóng 1310 nm ≤ 0.3 vùng bước sóng 1550 nm ≤ 3.5 (1285 -1330 nm) ≤6 (1270 - 1340 nm) ≤ 20 (1550 nm) Thường có dạng mặt cắt chiết suất phân bậc Sử dụng loại sợi SMF cho phép đạt tới cự ly ∼ 1000 km tốc độ STM-16 mà không cần sử dụng bù tán sắc Tuy nhiên với tốc độ STM-64 sử dụng loại sợi đạt khoảng cách ∼ 60 km không sử dụng bù tán sắc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 59 - Bước 2: Cập nhật lại w cách tính tốn lại bước sóng sử dụng liên kết - Bước 3: Từ λ1 tới λw+1, tiến hành bước sau (mỗi bước tương ứng với λn) ƒ Bước 3.1: Kiểm tra xem liệu tuyến bao gồm bước sóng chưa sử dụng nút i j đồ thị Gn không Nếu không tồn tuyến quay lại bước kiểm tra bước sóng đồ thị Gn+1 Nếu có tuyến hoạt động, ký hiệu Lij thiết lập với bước sóng hoạt động λn cập nhật lại đơn vị cạnh Gn Nghĩa liên kết tương ứng Lij bị xố khỏi Gn đặt C pn số liên kết bị xoá ƒ Bước 3.2: Dựa SLSP, thiết lập tập tuyến dự phòng {P1, P2, , Pn} thoả mãn yêu cầu QoRij Để phục vụ cho mục đích này, đường tuyến dự phòng xác định cho tuyến dự phòng tách biệt khỏi tuyến hoạt động Lij tương ứng số chặng tuyến tối thiểu Để điều kiện thoả mãn, cần tính tốn chi phí C rn chi phí để gán bước sóng λn cho tuyến dự phịng Pr (1 ≤ r ≤ k) xác định tập tuyến dự phòng cho Lij o Bước 3.2.1: Nếu nút nguồn đích của Pr đồng nút Lij thử gán cho Pr bước sóng λi (với ≤ i ≤ w+1) Nếu tuyến dự phòng bảo vệ phần Lij, tiến hành bước 3.2.2 thuật toán đồ thị Gn để thoả mãn điều kiện liên tục bước sóng o Bước 3.2.2: Nếu tuyến dự phịng Pr thiết lập đồ thị Ge, chi phí Pr xác định số liên kết sử dụng Ge, chi phí đặt Ce Sau kiểm tra tất bước sóng (nghĩa từ G1 đến Gw+1), chọn e’ chi phí Ce’ tương ứng với Ge’ tối thiểu Sau đó, đặt Ce’ C rn k ƒ Bước 3.3: Đặt C n ← C pn + ∑ C rn , Cn chi phí để thiết lập r =1 bước sóng λn cho tuyến hoạt động tuyến dự phòng nút i j Quay trở lại bước - Bước 4: Chọn a cho Ca giá trị nhỏ số {C1, C2, Cw+1} gán bước sóng λa cho Pa Sau gán λe’ tính tốn bước 3.2.2 cho tuyến dự phịng Thuật tốn tính tốn chi phí việc gán bước sóng cho tuyến hoạt động tuyến dự phịng bước 3.1 3.2 Bước 3.3 tính tốn chi phí C rn cho LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 60 tuyến r bước sóng λn với chi phí số bước sóng sử dụng Bước xác định số bước sóng thực sử dụng tương ứng với chi phí cho việc gán tuyến hoạt động dự phòng nhỏ nhất, thiết lập tuyến quang với bước sóng λa Cần ý thuật toán đếm số bước sóng cần sử dụng w Tuy nhiên, số bước sóng cần sử dụng cho trước W từ bước 3.1 đến 3.4 thực kiểm tra bước sóng từ λ1 đến λw Tồn thuật tốn mơ tả dạng lưu đồ sau: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 61 Hình 4.8 Lưu đồ thuật tốn đồ thị phân lớp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 62 4.5 Đánh giá thuật tốn 4.5.1 Mơ hình mạng Ở đây, ta sử dụng mơ hình NSFNET 14 nút (hình 4.9) ma trận lưu lượng (bảng 4.3) để đánh giá thuật toán đưa Ở đây, ta đưa hệ số biến đổi lưu lượng γ coi yêu cầu lưu lượng thực tế ma trận cho nhân với hệ số γ Đơn vị ma trận lưu lượng bảng 4.3 tính Gbps Dung lượng bước sóng 10Gbps kết nối yêu cầu dung lượng lớn mức gán nhiều bước sóng để mang lưu lượng Khi nhiều bước sóng gán cho kết nối, tuyến tương ứng với bước sóng định tuyến theo đường Giả thiết ta sử dụng giá trị Dmin = 5ms, Dscale = 1ms, Dnode = 1ms Dconf = 0ms Hình 4.9 Mạng NSFNET 14 nút LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 63 Bảng 4.3 Ma trận lưu lượng cho mạng xét A B C D E F G H I J K L M N A 0.000 1.171 0.000 0.031 0.028 0.000 0.175 0.239 0.645 0.005 0.010 0.128 0.000 0.073 B 0.109 0.000 0.000 0.341 6.751 0.581 2.202 6.384 1.893 3.529 0.102 2.615 0.000 2.909 C 0.206 0.856 0.000 1.364 1.902 0.342 1.231 2.030 3.735 1.026 0.313 0.100 0.000 1.363 D 0.014 0.062 0.000 0.000 0.343 0.552 0.447 0.852 0.600 0.373 0.169 0.594 0.000 0.989 E 0.045 1.112 0.000 0.190 0.000 0.340 2.203 2.821 2.499 2.234 0.024 2.486 0.000 3.561 F 0.004 0.777 0.000 0.060 0.403 0.000 0.790 0.266 0.681 0.948 0.006 0.132 0.000 1.207 G 0.043 0.362 0.000 0.070 1.077 0.261 0.000 9.708 2.506 0.498 0.081 0.549 0.000 0.644 H 0.145 1.579 0.000 0.288 6.222 0.268 7.410 0.000 6.102 5.708 0.145 4.057 0.000 2.879 I 0.051 0.366 0.000 0.200 2.402 0.087 1.982 4.395 0.000 0.684 0.058 2.953 0.000 0.467 J 0.010 1.661 0.000 0.326 1.792 0.387 2.195 3.300 3.962 0.000 0.712 2.237 0.000 0.000 K 0.007 0.203 0.000 0.307 0.045 0.004 0.078 1.137 1.452 0.630 0.000 1.050 0.000 0.399 L 0.008 3.781 0.000 0.669 7.903 0.084 7.140 4.863 2.750 1.764 0.084 0.000 0.000 0.000 M 0.000 0.483 0.000 0.008 0.997 0.006 0.033 0.553 2.334 0.591 0.006 0.101 0.000 1.075 N 0.033 1.319 0.000 0.401 0.529 0.248 3.284 1.385 0.076 0.076 0.050 0.054 0.000 0.000 64 4.5.2 Đánh giá kết Đầu tiên tính tốn số bước sóng cần thiết theo thuật toán trường hợp cặp nút ij yêu cầu QoRij Cụ thể hơn, giả sử xét cặp nút 3,4 mạng NSFNET hình 4.9, tuyến hoạt động thiết lập [D → E] tuyến dự phòng [D → B → C → F → E] thời gian khôi phục cực đại là: RTx = α ∑d k =Sx k ( k +1) + Dnode × ( H x + 1) + Dconf = 2.8 + 1*4 + = 6.8ms Nếu tuyến quang thiết lập theo đường khác thời gian khơi phục cực đại lớn 6.8ms Bởi vậy, 6.8ms giá trị thời gian khôi phục cực đại nhỏ mà đảm bảo cho cặp nút 3,4 Ở đây, Dmin Dscale 5ms 1ms thời gian khôi phục cực đảm bảo QoR2 6ms QoR3 7ms Như vậy, QoR34(1) ánh xạ QoR2 Số bước sóng cần sử dụng so với QoRij 80 70 60 50 40 30 20 Graph 10 No protection QoRij(1) QoRij(3) QoRij(5) QoRij(7) QoRij(9) QoRij(11) QoRij(13) QoRij(15) QoRij(17) QoRij(19) Hình 4.10 Số bước sóng cần sử dụng tương ứng với mức QoRij Ở ví dụ này, tất cặp nút ij giả thiết yêu cầu mức QoR đồng để dễ dàng mối quan hệ QoRij số bước sóng cần thiết Trên hình vẽ 4.10, trục hồnh thị mức tiêu chất lượng mà cặp nút ij yêu cầu trục tung thị số bước sóng cần thiết để thiết lập tuyến hoạt động/dự phịng thoả mãn tiêu chuẩn QoR Trong đường ký hiệu “No protection” thị số bước sóng cần sử dụng hệ thống khơng có dự phịng Ta nhận thấy, hệ thống có hiệu mức QoRij = Đó yêu cầu thời gian khôi phục nhanh (mức QoRij nhỏ) miền bảo vệ (protection domain) tuyến thu hẹp dần dẫn đến tài nguyên mạng cần sử dụng phải lớn, tương tự thời gian khôi phục dài (QoRij lớn), số chặng tuyến dự phịng tăng lên nhiều bước sóng cần sử dụng trường hợp lớn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 65 Hệ thống đạt thoả hiệp tối ưu mức QoRij = Khi đó, số bước sóng cần sử dụng thấp xác suất từ chối thiết lập kết nối khơng có đủ tài ngun bước sóng nhỏ (hình 4.11) Số kết nối bị từ chối (blocked) 120 100 80 W=20 60 W=40 W=50 40 20 Q oR ij( 1) Q oR ij( 3) Q oR ij( 5) Q oR ij( 7) Q oR ij( Q oR ) ij( 11 Q oR ) ij( 13 Q oR ) ij( 15 Q oR ) ij( 17 Q oR ) ij( 19 ) Hình 4.11 Số kết nối bị từ chối giới hạn tài ngun bước sóng Trên hình vẽ 4.11 trục hồnh thị mức tiêu chuẩn QoRij yêu cầu cặp nút, cịn trục tung số kết nối khơng cấp phát tài nguyên bước sóng (bị từ chối) giới hạn số bước sóng sử dụng W 20, 40 50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 66 4.6 Kết luận hướng nghiên cứu Bài luận giới thiệu QoR khái niệm QoS xét độ tin cậy mạng WDM Cùng với khái niệm QoR, việc bảo vệ mạng không đơn xác định tuyến dự phịng đảm bảo an tồn cho mạng, mà xác định tuyến dự phòng đảm bảo thoả mãn yêu cầu hồi phục mạng sau khoảng thời gian yêu cầu người sử dụng.Tương ứng với cặp nút nguồn đích ij, luận đưa tiêu QoRij dựa khái niệm để đề xuất thuật toán thực nghiệm để thiết kế cấu hình logic cho mạng WDM với phương thức bảo vệ thoả mãn tiêu chí QoRij Mục đích thuật tốn giảm thiểu số bước sóng cần sử dụng để mang thơng tin phục vụ mục đích bảo vệ Các kết tính toán với lưu lượng giả định dựa thuật toán cho thấy Đây hướng nghiên cứu thú vị nhiều vấn đề cần tiếp tục giải Trong luận này, cặp nút nguồn đích ij giả thiết có yêu cầu mức QoR giống thực tế lưu lượng nút yêu cầu lớp QoR khác Bởi thuật toán phải tiếp tục phát triển để thiết kế cấu hình logic cho mạng với mức QoR khơng giống chí cho cặp nút ij Bài luận giả thiết lưu lượng lưu thông mạng mức thấp khả thiết bị hồn tốn đáp ứng Trong tương lai, lưu lượng tăng lên vượt dung lượng thiết bị thời, cần phân bổ cho hướng có lưu lượng cao khơng mà phải 2, hay tổng quát n bước sóng Như vấn đề gán bước sóng cho tuyến hoạt động dự phòng phức tạp Đây chủ đề cần tiếp tục nghiên cứu để hồn thiện Việc áp dụng tốn thiết kế mạng logic thoả mãn tiêu chí QoR mạng có sử dụng chuyển đổi bước sóng hướng nghiên cứu cần triển khai Một hướng nghiên cứu khả thi khác nâng cao độ tin cậy lớp phía WDM Bài luận đưa giả thiết việc bảo vệ thực hoàn toàn lớp WDM Tuy nhiên, lớp phía WDM có khả thức chức bảo vệ, chẳng hạn chức khôi phục lớp IP LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com i CÁC TỪ VIẾT TẮT ADM Add Drop Multiplexer Thiết bị xen/rẽ lưu lượng APS Automatic Protection Swtching Chuyển mạch bảo vệ tự động ASE Amplified Spontanneour Emission Bức xạ tự phát khuếch đại BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BLID Backup lighpath id Số nhận dạng tuyến dự phòng DP Dedicated Protection Bảo vệ dành riêng DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi dịch tán sắc DXC Digital Cross Connection Đấu nối chéo số EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Khuyếch đại quang sợi FAR Fixed Alternative Routing Định tuyến thích nghi cố định FWM Four-way mixing Trộn bốn sóng IEC International Electrotechnical Committee Uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế ILP Integer Linear Programming Quy hoạch tuyến tính nguyên ITU-T International Telecommunication Liên minh viễn thông quốc tế LSR Label Switch Router Router chuyển mạch nhãn MS Multiplex Section Đoạn ghép kênh MSDPRING Multiplex Section Delicated Protection Ring Ring bảo vệ riêng đoạn ghép kênh MSP Multiplex Section Protection Bảo vệ đoạn ghép kênh MSSPRING Multiplex Section Sharing Protection Ring Ring bảo vệ chung đoạn ghép kênh NE Network Element Phần tử mạng OA Optical Amplifier Khuyếch đại quang OADM Optical Add Drop Multiplexer Thiết bị xen / rẽ quang OAM Operation Adminitration and Maintenance Khai thác quản lý bảo dưỡng OCh Optical Channel Kênh quang OCHDPRing Optical Channel Dedicated Protection Ring Ring dành riêng bảo vệ mức kênh quang OMS Optical Multiplex Section Đoạn ghép kênh quang OMSDPRing Optical Multiplex Section Dedicated Protection Ring Ring bảo vệ riêng mức đoạn ghép kênh quang OMSSPRing Optical Multiplex Section Shared Protection Ring Bảo vệ chung mức đoạn ghép kênh quang OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang OTS Optical Transmission Section Đoạn truyền dẫn quang OTU Optical Transport Unit Khối truyền tải quang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ii OXC Optical Cross-Connect Nối chéo quang PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực PML Path Merge Label switched router LSR ghép tuyến PSL Path Switch Label switched router LSR chuyển mạch tuyến REG Regenerator Trạm lặp RS Regenerator Section Đoạn trạm lặp SDH Synchronous Digital Hierachy Phân cấp số đồng SLSP Short Leap Shared Protection Bảo vệ chung bước ngắn SNCP Sub-Network Connection Protection Bảo vệ kết nối mạng SOH Section OverHead Mào đầu đoạn SP Shared Protection Bảo vệ dùng chung SPM Self-Phase Modulation Tự điều chế pha SRLG Shared risk link group Nhóm liên kết chung rủi ro SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman STM Synchronous Transport Module Modul truyền dẫn đồng TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian TMN Telecommunications Management Network Mạng quản lý mạng viễn thơng WC Wavelength Conversion Chuyển đổi bước sóng WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng WL Wavelength Bước sóng WP Wavelength Path Luồng quang (bước sóng) WRA Wavelength Routing Assignment Định tuyến gán bước sóng XPM Cross-Phase Modulation Điều chế pha chéo LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com iii TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Helsiki University of Technology, 1998, “Wavelength division multiplexing; an overview” [2] P.S.Andre, A.L.Teixeira, “Nonlinear refractive index and chromatic dispersion simultanously measurement in non-zero dispersion shift optical fibres” [3] Erland Almström (1999), “Reconfigurable and transparent wavelength division multiplexed Optical networks, experiments, evaluation and designs” [4] NPL report COEM by R Billington (1999), “A Report on Four-Wave Mixing in Optical Fibre” [5] Andre Richter (2002), “Timing Jitter In Long-haul WDM Return-To-Zero Systems” [6] Mansoor Sheik-Bahae and Michael P.Hasselbeck, Department of Physics and Astronomy (2000), “Third order optical nonlinearities” [7] George N.Rouskas, “Routing and Wavelength Assigment in Optical WDM network” [8] Pin Han Ho and Hussein T.Mouftah, “A framework for Service-guaranteed shared protection in WDM mesh networks” [9] Guido Maier, Achille Pattavina, Simone De Patre Mario Martinelli, “Optical Network Survivability: Protection techniques in WDM layer”, 2002 [10] Adrea Fumagalli and Luca Valcarenghi, University of Texas at Dallas, “IP restoration vs WDM protection: Is there an optimal choice”, 2000 [11] Shin’ichi ARAKAWA, Masayuki MURATA and Hideo MIYAHARA, “Functional Partitioning for Multilayer Survivability in IP over WDM networks”, 1999 [12] Ori Gerstel and Galen Sasaki, “Quality of Protection (QoP): A Quantitive unifying paradigm to protection service grades” [13] Chadi Assi, Ahmad Khali, Nasir Ghani, Abdallah Shami and Mohamed Ali, “Performance evalution of efficient shared path protection in mesh networks” [14] Shuvendu Kumar Dang, University of Texas, 2004, “Quality of Protection (QoP) in WDM mesh networks” [15] Shengli Yuan and Jason P.Jue, Department of Computer and Sience, University of Texas at Dallas, “Shared protection routing algorithm for Optical Networks” [16] Junichi Katou (2002), Osaka University, “Design Method for Logical Topologies with Quality of Reliability in WDM Networks” LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM 1.1 Sự phát triển truyền dẫn sợi quang .3 1.2 Cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM 1.2.1 Lớp quang .4 1.2.2 Nguyên lý ghép bước sóng .5 1.2.3 Các thành phần hệ thống WDM 1.3 Xuyên nhiễu 14 1.3.1 Suy hao 15 1.3.2 Tán sắc 15 1.3.3 Các hiệu ứng phi tuyến 17 1.4 Vấn đề thiết kế kỹ thuật mạng WDM .20 1.4.1 Thiết bị mạng WDM 20 1.4.2 Vấn đề thiết kế kỹ thuật mạng WDM 23 1.5 Kết cuối chương 24 CHƯƠNG MẠNG QUANG ĐỊNH TUYẾN THEO BƯỚC SÓNG 25 2.1 Giới thiệu 25 2.2 Định tuyến gán bước sóng tĩnh .28 2.3 Định tuyến gán bước sóng động 30 2.4 Kết cuối chương 34 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ TRONG MẠNG WDM .35 3.1 Nâng cao độ tin cậy lớp quang 35 3.2 Bảo vệ mạng ring WDM 38 3.3 Bảo vệ mạng mesh WDM 39 3.4 Kết cuối chương 44 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠNG WDM ĐẢM BẢO CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG TIN CẬY QoR 45 4.1 Các phương thức nâng cao an toàn mạng WDM .45 4.1.1 Phương thức bảo vệ 45 4.1.2 Phương thức khôi phục .46 4.1.3 Bảo vệ SLSP (Short Leap Shared Protection) 46 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com v 4.1.4 4.2 Xác định định lượng chất lượng phương thức 48 QoR (chất lượng tin cậy) xây dựng mô hình thời gian hồi phục mạng 50 4.2.1 Phân loại QoS dựa thời gian hồi phục cực đại 50 4.2.2 Chỉ tiêu QoR cặp nút .51 4.2.3 Xây dựng mơ hình thời gian khơi phục 52 4.3 Xây dựng toán thiết kế đảm bảo an toàn mạng 53 4.4 Các thuật toán thiết kế topo mạng thoả mãn yêu cầu QoR 56 4.4.1 Thuật toán First-Fit .57 4.4.2 Thuật toán Max-Shared 57 4.4.3 Thuật toán thiết kế topo mạng dựa đồ thị phân lớp .58 4.5 Đánh giá thuật toán 62 4.5.1 Mơ hình mạng .62 4.5.2 Đánh giá kết 64 4.6 Kết luận hướng nghiên cứu 66 MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Vùng bước sóng Hình 1.2 Phân cấp mạng quang theo lớp .4 Hình 1.3 Kiến trúc mạng truyền tải quang Hình 1.4 Hệ thống ghép bước sóng hướng Hình 1.5.Hệ thống ghép bước sóng hai hướng Hình 1.6 OXC chuyển mạch sợi (a), OXC chuyển mạch lựa chọn bước sóng (b) chuyển mạch trao đổi bước sóng (c) 22 Hình 2.1 Mạng định tuyến theo bước sóng .25 Hình 2.2 OXC 3x3 với bước sóng sợi quang .26 Hình 2.3 Các kiểu biến đổi bước sóng 27 Hình 3.1 Phân loại phương thức bảo vệ đảm bảo trì mạng 37 Hình 3.5 Các cấu hình mạng khác xảy cố w1 w2 40 Hình 3.6 Bảo vệ theo tuyến mạng hình luới 41 Hình 3.7 Kỹ thuật bảo vệ double-cycle-cover 42 Hình 3.8 Bảo vệ p-cycle 43 Hình 3.9 Bảo vệ generalized loopback .43 Hình 4.1 Các phương thức bảo vệ 45 Hình 4.2 Miền bảo vệ P bảo vệ SLSP .47 Hình 4.3 Cấu hình topology mạng với độ trễ .51 Hình 4.4 Phương thức bảo vệ SLSP 52 Hình 4.6 Điều kiện liên tục bước sóng .56 Hình 4.7 Đồ thị phân lớp với số bước sóng W 58 Hình 4.8 Lưu đồ thuật toán đồ thị phân lớp .61 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các tham số sợi SMF 10 Bảng 1.2 Các tham số sợi DSF 11 Bảng 1.3 Các tham số sợi NZ-DSF 11 Bảng 4.1 QoR (chất lượng tin cậy) 51 Bảng 4.2: QoR phụ thuộc vào cặp nút .52 Bảng 4.3 Ma trận lưu lượng cho mạng xét 63 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... đoạn ghép kênh Lớp đoạn truyền dẫn quang OTS tương ứng với chức truyền dẫn tín hiệu quang khác phương tiện truyền dẫn quang 1.2.2 Nguyên lý ghép bước sóng a Khái niệm Ghép kênh theo bước sóng (WDM) ... quang Kỹ thuật sử dụng sợi quang (linh kiện quang) để mang nhiều kênh quang độc lập riêng rẽ Mỗi bước sóng biểu thị cho kênh quang sợi Ghép kênh theo bước sóng (WDM) kỹ thuật truyền dẫn sợi quang. .. lớp quang chia làm phần, kênh quang đoạn ghép quang Kênh quang tương ứng với bước sóng sử dụng mạng quang OTN Còn đoạn ghép kênh quang tập bước sóng đến thiết bị tách /ghép quang OADM Việc phân loại