mạng man đơn chặng lựa chọn bước sóng dựa trên awg

Mục lục Mục lục i Thuật ngữ viết tắt i LỜI NÓI ĐẦU 2 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG 3 1.1Mục tiêu và phương pháp tiếp cận 5 1.1.1 Mục tiêu 5 1.1.2 Phương pháp tiếp cận 9 1.2 Các phần tử cơ bản của mạng MAN đơn chặng lựa chọn bước sóng dựa trên AWG 10 1.2.1 Bộ kết hợp và bộ chia quang 10 1.2.2 Coupler hình sao thụ động (PSC) 12 2.1.3 Cách tử ống dẫn sóng (AWG) 13 1.2.4 Các máy phát và thu 18 Các nguồn quang băng thông rộng 18 Laser 19 Các bộ lọc quang 21 1.3 Các suy giảm truyền dẫn 22 1.3.1 Suy hao 23 1.3.2 Tán sắc 23 Tán sắc mode 24 Tán sắc ống dẫn sóng 24 Tán sắc màu 24 Tán sắc mode phân cực 25 1.3.3 Phi tuyến 25 Điều chế tự pha 25 Điều chế chéo pha 25 Hiệu ứng trộn bốn sóng 26 Phân bố Raman kích thích 26 Phân bố Brillouin kích thích 26 1.3.4 Xuyên âm 27 1.3.5 Nhiễu 27 Sự phát xạ tự phát bộ khuyếch đại 27 Nhiễu hạt 28 Nhiễu nhiệt 28 CHƯƠNG II. CÁC MẠNG WDM NỘI THỊ 29 2.1 Các mạng WDM nội thị ring 29 2.1.1 Mạng Komnet 29 2.1.2 RINGO 30 2.1.3 HORNET 32 2.1.4 IEEE 802.17 RPR 34 2.2 Các mạng WDM nội thị hình sao 34 2.2.1 RAINBOW 34 2.2.2 Telstra 35 2.2.3 NTT 36 2.3 Các mạng WDM đơn chặng 38 2.3.1 Các giao thức phân bổ trước 40 Các giao thức có xung đột bộ thu 40 Các giao thức mà không xung đột bộ thu 41 3.3.2 Các giao thức truy nhập ngẫu nhiên 42 Các giao thức có xung đột bộ thu 42 Các giao thức không xung đột bộ thu 42 3.3.3 Các giao thức đặt trước 44 Các giao thức có xung đột bộ thu 44 Các giao thức không có xung đột ở bộ thu 47 2.3.4 Các giao thức lai 54 CHƯƠNG III. MẠNG MAN ĐƠN CHẶNG LỰA CHỌN BƯỚC SÓNG DỰA TRÊN AWG 57 3.1. Các yêu cầu mạng 57 3.2. Kiến trúc mạng 59 3.2.1. Các nguyên lý cơ bản 59 3.2.1.1. Lát phổ quang học 59 3.2.1.2. Trải phổ điện 61 Sự lan rộng phổ điện tử 61 3.2.2 Kiến trúc mạng và node mạng 63 3.2.3 So sánh kiến trúc mạng 67 3.2.3.1. Các mạng dựa trên AWG đơn chặng và đa chặng 67 * Dung lượng 72 * Ưu nhược điểm của mạng đơn chặng 77 3.2.3.2. Mạng đơn chặng dựa trên AWG và PSC 81 Kiến trúc và gán bước sóng 84 3.2.3.3 Phân tích 90 Tính toán với một số thông số 95 * Kết luận 101 ii 3.3. Giao thức MAC 102 3.3.1. Giao thức 103 Thuận toán đồng bộ 105 3.3.2. Một ví dụ minh họa 112 iii Thuật ngữ viết tắt ỏn tt ngip i hc Chng 1. Gii thiu chung LI NểI U Đô thị là nơi tập trung đông đúc dân c và các doanh nghiệp phát triển của một quốc gia, là nơi xuất phát điểm của các nhu cầu đa dịch vụ dung lợng lớn, tốc độ cao, tin cậy và giá thành thấp. MAN có vai trò rất quan trọng trong việc đáp ứng các yêu cầu đó. Sự ra đời của kĩ thuật ghép kênh theo bớc sóng WDM cho phép phát triển mạng quang đô thị thành mạng quang băng rộng, có khả năng đáp ứng nhu cầu truyền dẫn đa dịch vụ hỗn hợp tốc độ cao và dễ dàng triển khai các dịch vụ mới. . Nội dung của đồ án gồm 3 chơng: Chơng 1: Giới thiệu chung Chơng 2: Các mạng WDM nội thị Chơng 3: Mạng MAN đơn chặng lựa chọn bớc sóng dựa trên AWG Do hạn chế về khả năng cũng nh thời gian nên đồ án không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, em mong nhận đợc ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn. Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG Mục đích ban đầu của các mạng viễn thông và Internet là cung cấp truy nhập thông tin tới bất cứ nơi đâu vào bất cứ thời điểm nào và dưới bất cứ hình thức nào chúng ta cần. Để đạt được mục tiêu này các công nghệ quang và không dây đóng một vai trò quyết định trong mạng viễn thông tương lai. Các mạng quang và không dây có tính bổ sung cho nhau. Mạng quang cho phép cung cấp một băng thông rất lớn mặc dù nó không thể xuất hiện ở mọi chỗ. Ngược lại, các mạng không dây có khả năng xuất hiện ở mọi chỗ nhưng lại chỉ có khả năng cung cấp các kênh truyền dẫn có băng thông giới hạn tuỳ thuộc vào việc triển khai khác nhau. Khác với các kênh không dây, sợi quang có một số ưu điểm về đặc tính truyền dẫn như là suy hao nhỏ, băng thông rộng và không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ. Các mạng quang là môi trường trung gian để cung cấp đủ băng thông khi số người sử dụng đang tăng nhanh. Có hai thế hệ mạng quang, ở hình 1.1a, mạng quang thế hệ thứ nhất thay thế các dây đồng bằng các sợi quang trong khi các node vẫn là điện. Trong mạng này cách chuyển đổi tín hiệu quang - điện - quang (OEO) xảy ra ở mỗi node. Ban đầu, mỗi sợi quang chỉ mang một bước sóng như trong các chuẩn FDDI và IEEE 802.6. Để giải quyết khả năng tăng nhanh các lưu lượng dữ liệu và để tận dụng tối đa băng thông của các sợi quang EDFA ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) đã ra đời đầu những năm 90. Nhờ WDM, mỗi kết nối sẽ mang nhiều bước sóng, mỗi bước sóng hoạt động ở một tốc độ khác nhau. Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung Hình 1.1 Các mạng quang: a. Thế hệ thứ nhất b. Thế hệ thứ hai Trong thế hệ thứ hai của mạng quang (hình 1.1b), các chuyển đổi OEO chỉ xảy ra tại các node nguồn và node đích, trong khi tất cả các node trung gian hoàn toàn là quang. Bằng cách sử dụng các node trung gian quang, các thắt cổ chai quang điện được loại bỏ và số lượng các card cổng giảm đi. Kết quả là chi phí mạng giảm đáng kể. Điều này là một trong các yếu tố quan trọng nhất đối với mạng quang. Hơn thế, các đường dẫn toàn quang từ đầu cuối đến đầu cuối có thể cung cấp các kênh trong suốt cho người sử dụng. Người sử dụng có thể tự chọn tốc độ bít, định dạng khối và giao thức. Sự trong suốt này cho phép dễ dàng hỗ trợ các bảo mật khác nhau cũng như các dịch vụ trong tương lai. Hình 1.2: Các chồng giao thức: a) IP/ATM/SONET(SDH)/WDM b) Chi tiết cấu trúc lớp của IP/ATM/SONET/WDM c) Chồng giao thức đơn giản IP/WDM IP ATM SONET/SDH WDM Network Data link Network Data link Network Data link Physical (WDM) IP & MPLS WDM & Protection/Restoration SONET ATM IP a) b) c) Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung Trong tương lai lưu lượng trong các mạng quang sẽ chủ yếu là IP. Thường thì, các truyền dẫn gói IP trong các mạng quang WDM được thực hiện theo kiểu trộn lẫn và kiểu ghép. Hình 1.2 mô tả trồng giao thức IP/ATM/SONET (SDH)/WDM mà hiện nay các mạng đang triển khai để truyền dẫn các gói IP. Các gói tin IP có kích cỡ khác nhau được phân mảnh thành các tế bào ATM với kích thước cố định rồi được truyền trên các khung SONET/SDH thông qua các kết nối WDM quang. Trồng giao thức này đòi hỏi một số thao tác sắp xếp giữa các giao thức. Điều này không chỉ làm tăng chi phí và độ phức tạp của mạng mà còn có xu hướng tạo ra các nghẽn cổ chai tính toán trong các mạng tốc độ cao. Hơn thế, như hình 1.2 chỉ ra trồng giao thức này là không hiệu quả vì cùng một khía cạnh quan tâm của mạng và tầng kết nối dữ liệu được đánh địa chỉ ở mỗi giao thức. Điều này dẫn đến các chức năng thừa và các sơ đồ kết nối tầng phức tạp. Để tránh những sự không hiệu quả này và để đơn giản sự hoạt động của mạng, cấu trúc tầng giao thức phức tạp trên có thể được thay thế bằng chồng giao thức IP/WDM ít phức tạp hơn nhiều. Chức năng ATM của kĩ thuật lưu lượng (QoS) sẽ được hấp thụ vào trong tầng IP nhờ sử dụng chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS). Và các khả năng truyền dẫn của SONET/SDH (bảo vệ và tái cấu hình) sẽ được hấp thụ bởi tầng WDM quang. Nhờ đó các mạng WDM tương lai sẽ có trồng giao thức rất đơn giản là IP/WDM như được mô tả trong hình 1.2c. Mạng IP WDM quang lắm các hứa hẹn rất lớn cho việc cung cấp hiệu quả một băng thông lớn với độ phức tạp của mạng nhỏ mặc dầu các công nghệ quang hiện nay vẫn còn một số giới hạn về tính ổn định và tính hiệu quả về mặt chi phí. Tuy nhiên, đáng chú ý là, trong tương lai sự phức tạp và chi phí trong các mạng WDM quang có thể được giải quyết. 1.1 Mục tiêu và phương pháp tiếp cận 1.1.1 Mục tiêu Mạng đường trục WDM quang Truy nhập không dây (eg UMTS,WWLAN) xDSL, cable modem ATM, FR, SDH, IP, GbE ESCON, Kênh sợi Mạng đô thị Mạng truy nhập (HFC, FTTx) Kết nối nội thị Kết nối nội thị Kết nối liên mạng Hình 1.3. Mạng phân cấp (được định nghĩa ở phụ lục B) Kết nối đường trục Kết nối đường trục Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung Trong hình 1.3, mô hình của mạng truyền thông sẽ gồm các mạng đường trục, mạng nội thị, mạng truy nhập trong đó các mạng sau sẽ thu thập/phân phối dữ liệu từ/đến các trạm trung gian khác ví dụ như các trạm không dây và các LAN. Các LAN gigabit Ethernet cùng với chuẩn 10 GbE IEEE 802.3ae được hoàn thiện năm 2002 được hi vọng sẽ cung cấp đủ băng thông cho ít nhất 5 năm tới. Các công ti điện thoại đã triển khai một số dạng của đường dây thuê bao số (DSL) và các công ti cáp triển khai các modem cáp. Nghẽn cổ chai ở bước truy nhập đầu tiên sẽ được loại bỏ nhờ ứng dụng chuẩn IEE802.3ab Ethernet mà được đề cập vào tháng 9 năm 2003. Các công nghệ truy nhập băng rộng này cùng với các dịch vụ không dây thế hệ tiếp theo ví dụ như UMTS và các LAN không dây (WLAN) và các giao thức tốc độ cao như ATM, FRAME RELAY (FR) IP, ESCON và kênh sợi quang sẽ đòi hỏi băng thông rất lớn và chất lượng dịch vụ QoS hỗ trợ từ các mạng cao hơn. Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương 1. Giới thiệu chung Nằm giữa các thuê bao tốc độ cao và các đường dẫn cực lớn của mạng đường trục là mạng truy nhập và mạng nội thị. Ban đầu các mạng truy nhập là các hệ thống HFC trong đó chỉ có phần nguồn nuôi ở giữa tổng đài trung tâm và node ở xa của mạng là quang còn mạng phân tán giữa node ở xa và các thuê bao vẫn là điện. Kết quả là, các mạng truy nhập FTTx đang nhận được sự chú ý rất lớn. Các mạng FTTx, nghĩa là mạng sợi quang tới đầu cáp FTTC hay sợi quang tới nhà FTTH, là mạng hoàn toàn quang nghĩa là tín hiệu được truyền dẫn thông qua sợi quang từ tổng đài trung tâm hoặc tất cả các con đường tới khách hàng. Về lí do chi phí nên các mạng truy nhập toàn quang đều không được cấp nguồn hay còn được gọi tương ứng là các mạng quang thu động (PON). Các PON đã được xem xét cho mạng truy nhập kể từ giữa những năm 90 trước cả khi nhu cầu băng thông cho Internet bùng nổ. Gần đây, các PON Ethernet cải tiến đang trở thành ứng viên đầy hứa hẹn để cung cấp đầy đủ băng thông cho truyền dẫn hiệu quả lưu lượng dữ liệu. Các mạng nội thị hiện nay chủ yếu là các mạng vòng SONET/SDH. Các mạng này có một số nhược điểm: - Việc giám sát kênh cho các mạng SONET/SDH mất quá nhiều thời gian thường là từ 6 tuần đến 6 tháng. Do đó giám sát dịch vụ nhanh là điều không thể - Thiết bị SONET/SDH rất đắt và làm giảm đáng kể vùng phủ trong thị trường nội thị rất nhạy cảm với chi phí trong đó chi phí chỉ được chia sẻ bởi một lượng ít khách hàng hơn nhiều so với mạng đường trục. Chính chi phí cao đã ngăn cản các công ti mới tham gia vào thị trường nội thị. - Việc nâng cấp một mạng vòng SONET/SDH ảnh hưởng tới tất cả các node chứ không chỉ các node nguồn và node đích mong muốn truyền thông ở tốc độ dữ liệu cao hơn. - Cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động (APS) của SONET/SDH (bảo vệ 1+1) là không hiệu quả về mặt băng thông bởi vì các đường bảo vệ và làm việc đều mang cùng loại lưu lượng. [...]... cách thay đổi bước sóng truyền dẫn Để làm được như vậy, mô hình chuyển mạch gói lưu trữ và chuyển tiếp truyền thống phải được thay thế bằng mô hình chuyển đổi bước sóng theo mỗi gói tin tại biên giới mạng Trong mạng lựa chọn bước sóng mỗi bước sóng được định tuyến chỉ trong một phần nhỏ của mạng, các phần còn lại của mạng có thể dùng cùng các bước sóng này Kết quả là việc tái sử dụng bước sóng theo không... đệm quang (RAM) các mạng quang không dùng bộ đệm sẽ được xem xét Kiến trúc mạng không chuyển mạch hoàn toàn thụ động sẽ được xem xét Các mạng thụ động không chỉ khá tin cậy mà còn có thể nâng cấp tới mạng thông minh rìa cho phép việc giảm chi phí mạng và đơn giản hoá trong duy trì, bảo dưỡng, hoạt động của mạng Mạng đang được xem xét là lựa chọn bước sóng Trong một mạng lựa chọn bước sóng tĩnh, mỗi node... dễ dàng thiết lập, cấu hình, điều khiển, và gỡ rối hơn Ở phía trên tầng vật lí của mạng hình sao mạng đơn chặng sẽ được xem xét Trong các mạng đơn chặng bất cứ một cặp node nguồn và đích nào cũng giao tiếp trực tiếp với nhau mà không thông qua một node trung gian nào Khác với mạng đa chặng, các mạng đơn chặng có một số lợi thế: Khoảng cách chặng trung bình được tối thiểu hoá (tính đồng nhất), không lãng... tới hai node đó khác với mạng đa chặng vì không có node trung gian nào cần phải nâng cấp Các mạng đơn chặng cũng giảm đáng kể độ phức tạp của chồng giao thức bởi vì việc định tuyến và chuyển tiếp trong truyền thông đơn chặng không xảy ra Kết quả là, tầng mạng sẽ hoàn toàn loại bỏ được Thêm vào đó, các gói tin truyền thông qua đơn chặng quang thụ động duy nhất giữa chặng nguồn và chặng đích, dẫn đến xác... hiện và sửa lỗi ở tầng liên kết dữ liệu có thể loại bỏ và các lỗi truyền dẫn còn lại có thể được loại bỏ ở tầng truyền dẫn 1.2 Các phần tử cơ bản của mạng MAN đơn chặng lựa chọn bước sóng dựa trên AWG Các linh kiện sau đây là các khối cơ bản để thiết kế mạng WDM Trong phần mô tả dưới đây sẽ tập trung vào các linh kiện quan trọng trong phần còn lại của đồ án này 1.2.1 Bộ kết hợp và bộ chia quang Coupler... hơn dựa vào ma trận chuyển đổi bước sóng Nhờ vào hoán vị bước sóng tại các cổng ra AWG nằm trong họ các bộ định tuyến bước sóng hoán vị Một AWG NxN cung cấp kết nối bên trong NxN đầy đủ Sử dụng một FSR có thể cho phép có đồng thời N2 kết nối Chú ý rằng một PSC NxN chỉ có thể cho phép mang đồng thời tối đa N kênh Các đặc tính truyền dẫn sau của một AWG NxN đóng một vai trò quan trọng trong các mạng. .. mỗi bước sóng tới một đầu ra nhất định Mỗi đầu ra nhận các bước sóng N, mỗi bước sóng từ một cổng vào riêng Ở đây tồn tại hoán vị bước sóng vòng lặp tại các dẫn sóng đầu ra nếu các dẫn sóng đầu vào khác nhau được sử dụng Trong hình 2.4 kết nối định tuyến của một AWG 8x8 được mô tả Mỗi tần số quang (tương ứng, chúng ta cũng có thể nói mỗi bước sóng) cho ta một chỉ dẫn định tuyến độc lập với cổng vào Do... các bước sóng cần dùng là hữu hạn Một số lượng nhỏ các bước sóng sẽ đòi hỏi các bộ thu rất nhạy bước sóng để có thể cho truyền qua một dải sóng rất hẹp Điều này lại cho phép ứng dụng các bộ thu chuyển đổi được mà có thời gian chuyển đổi nhỏ hơn so với các bộ thu với các giải chuyển đổi tương đối lớn Mạng được xem xét sẽ là mạng hình sao Các mạng hình sao cho thấy lợi thế về mặt công suất hơn các mạng. .. Receivers Hình 3.1 Mạng WDM nội thị KomNet 2.1.2 RINGO Mạng nội thị RINGO chuyển mạch gói là một mạng ring sợi đơn hướng Nó bao gồm N node trong đó N bằng với số bước sóng Mỗi node được trang bị một dãy các bộ phát cố định và một bộ thu cố định hoạt động ở bước sóng cho trước tương ứng với node đó Node j tách bước sóng λ j từ vòng ring Do vậy, để Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương II Các mạng WDM nội thị... học Chương II Các mạng WDM nội thị Hình 3.4 Cấu trúc node HORNET Truy cập tới tất cả các bước sóng được điều khiển nhờ giao thức MAC truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột (CSMA/CA) Khi một node truyền một gói tin nó ghép sóng âm thứ cấp vào gói tin tại một tần số thứ cấp tương ứng với bước sóng mà gói tin chuẩn bị truyền Do vậy, tất cả các gói tin trên vòng mang cùng với nó một sóng âm ghép kênh . trúc mạng và node mạng 63 3.2.3 So sánh kiến trúc mạng 67 3.2.3.1. Các mạng dựa trên AWG đơn chặng và đa chặng 67 * Dung lượng 72 * Ưu nhược điểm của mạng đơn chặng 77 3.2.3.2. Mạng đơn chặng dựa. bộ thu 47 2.3.4 Các giao thức lai 54 CHƯƠNG III. MẠNG MAN ĐƠN CHẶNG LỰA CHỌN BƯỚC SÓNG DỰA TRÊN AWG 57 3.1. Các yêu cầu mạng 57 3.2. Kiến trúc mạng 59 3.2.1. Các nguyên lý cơ bản 59 3.2.1.1 phần tử cơ bản của mạng MAN đơn chặng lựa chọn bước sóng dựa trên AWG 10 1.2.1 Bộ kết hợp và bộ chia quang 10 1.2.2 Coupler hình sao thụ động (PSC) 12 2.1.3 Cách tử ống dẫn sóng (AWG) 13 1.2.4 Các