Kỹ thuật đa truy nhập trong mạng quang và ứng dụng

111 Thuật ngữ và chữ viết tắt ADSL Asymmetric Digital Sub Line Thuê bao số không đối xứngAON All –optical network Mạng toàn quang ADM Add/ Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽAPD Avalanc

Lêi cam ®oan

Em xin cam ®oan luËn v¨n nµy lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña b¶n th©n C¸c nghiªn cøu trong luËn v¨n nµy dùa trªn nh÷ng tæng hîp lý thuyÕt vµ hiÓu biÕt thùc tÕ cña em, kh«ng sao chÐp

T¸c gi¶ luËn v¨n

NguyÔn ThÕ D¬ng

Mục lục

0B

Lời Mở đầu

Chơng 1: các phần tử sử dụng trong mạng quang đa truy nhập 1.1 giới thiệu chung ……… 1

1.2 Bộ ghép hình sao quảng bá ……… 2

1.3 bộ ghép kênh và tách kênh 4

1.4 điốt laze điều chỉnh đợc bớc sóng 7

1.4.1 Điều chỉnh nhiệt 8

1.4.2 Điốt laze điều chỉnh đợc bớc sóng sử dụng hốc ngoài 8

1.4.3 điốt laze hồi tiếp phân bố (DFB) hai đoạn 10

1.4.4 Điốt laze phản xạ phân bố Bragg hai đoạn và ba đoạn 11

1.5 bộ lọc quang điều chỉnh đợc … 12

Chơng 2 : Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bớc sóng - wdma 2.1 Tổng quan về kỹ thuật WDMA 14

2.2 Mạng WDMA đơn bớc 14

2.2.1 Mạng WDMA “ quảng bá và lựa chọn ” 14

2.2.2 Mạng WDMA “định tuyến theo bớc sóng” 20

2.2.3 Các vấn đề liên quan đến hiệu suất và thiết kế mạng 25

2.2.3.1 Vị trí bộ đệm trong mạng WDMA đơn bớc 25

2.2.3.2 Xuyên kênh 26

2.3 Mạng WDMA đa bớc 29

2.3.1 Khái niệm chung về mạng WDMA đa bớc 29

2.3.2 Đặc điểm của mạng WDMA đa bớc ……… 31

2.4 ứng dụng mạng kỹ thuật đa truy nhập WDMA 36

2.4 1 Mạng WDMA đơn bớc 36

2.4.1.1 Mạng LAMBDANET 36

2.4.1.2 Mạng RAINBOW 37

2.4.1.3 FOX –Bộ kết nối chéo quang tốc độ cao………

38 2.4.1.4 HYPASS (High performance packet switch system………

39 2.4.1.5 Mạng RINGGO 42

2.4.2 Mạng WDMA đa bớc 43

2.4.2.1 Mạng Starnet 43

2.4.2.2 Mạng HORNET 44

Chơng 3 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng mang phụ – SCMA 3.1 Giới thiệu chung 49

3.2 Hiệu suất của mạng scma đơn kênh … 51

3.2.1 Nhiễu lợng tử Short noise ……… 53

3.2.2 Nhiễu nhiệt của máy thu 54

3.2.3 Nhiễu cờng độ Laser 55

3.2.4 Nhiễu giao thoa quang 55

3.2.5 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng 58

3.2.6 ứng dụng của các hệ thống SCMA đơn kênh 55

3.3 Đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh 60

3.3.1 Khái niệm về hệ thống SCMA đa kênh 61

3.3.2 Đặc điểm của hệ thống SCMA đa kênh … 62

3.3.3 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng 64

3.3.4 ứng dụng của các hệ thống SCMA đa kênh 65

Chơng 4 : kỹ thuật đa truy nhập

phân chia theo thời gian – TDMA

4.1 Giới thiệu chung 68

4.2 Các khái niệm cơ bản của Kỹ thuật TDMA ……… 68

4.3 ứng dụng mạng Kỹ thuật đa truy nhập TDMA 71

4.3.1 ATM-PON (ATM dựa trên mạng quang thụ động) 71

4.3.2 E- PON (Ethernet dựa trên mạng quang thụ động) 74

Chơng 5 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã - cdma 5.1 Tổng quan kỹ thuật đa truy nhập CDMA 78

5.2 Các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA 78

5.2.1 Mạng sử dụng kỹ thuật CDMA tách sóng trực tiếp 78

5.2.2 Mạng CDMA quang kết hợp 85

5.2.3 Đặc điểm của các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA quang 87

Chơng 6 : đề xuất mô hình ứng dụng mạng man Tại bu điện hà nội 6.1 Hiện trạng mạng viễn thông của BĐHN 88

6.1.1 Mạng truyền dẫn 88

6.1.2 Mạng tổng đài 88

6.1.3 Mạng DDN truyền thống ……… 90

6.1.4 Mạng truyền số liệu ATM + IP 90

6.1.5 Mạng truy nhập băng rộng ADSL & SHDSL 91

6.2 Đánh giá ứng dụng truy nhập quang của bđhn 94 6.3 Dự báo nhu cầu phát triển 96

6.4 Phân tích giải pháp ứng dụng xây dựng mạng 99

6.5 Lựa chọn giải pháp công nghệ truy nhập 103

6.6 Một số chỉ tiêu cơ bản khi xây dựng mạng …… 105

6.7 Đề xuất cấu hình ứng dụng mạng MAN 107

Kết luận 110 Tài liệu tham khảo 111

Thuật ngữ và chữ viết tắt

ADSL Asymmetric Digital Sub Line Thuê bao số không đối xứngAON All –optical network Mạng toàn quang

ADM Add/ Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ

APD Avalanche Photodiode Điốt tách sóng thác

AR Antireflection Coating Vỏ chống phản xạ

ASK Amplitude Shift Keying Khoá dịch biên độ

ATM Asynchronous Transfer Mode Mode chuyển giao không

đồng bộ B-ISDN Broadband Integrated Service

CT Central terminal Thiết bị đầu cuối tập trungDBR Distributed Bragg Reflecter Phản xạ phân bố Bragg

DCN Digital Communication network Mạng thông tin số

DCS Digital Cross -connect system Bộ nối chéo số

DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép (tách) kênh DFB Distributed Feedback Hồi tiếp phân bố

DLC Digital loop Carrier Truyền tải mạch vòng số

DR Distributed reflector Bộ phản xạ phân bố

DSL Digital sub line Đờng dây thuê bao số

DSLAM DSL access Multiplexer Bộ ghép đờng thuê bao số FBG Fiber Bragg grating Cách tử quang Bragg

FP-LD Fabry-Perot laser diode Đi ốt la-de Fabry Perot

-FSK Frequency Shift Keying Khoá dịch tần số

FTTB Fiber to the Building Cáp quang tới toà nhà

FTTC Fiber to the Curb Cáp quang tới khu dân c FTTH Fiber to the home Cáp quang tới nhà

FTTL Fiber to the loop Mạch vòng cáp quang

FTTO Fiber to the office Cáp quang tới công sở

GGL Gain Guided laser Lade điều khiển khuyếch

đại

GRIN Graded refractive Index Chỉ số chiết suất Gradien

IF Intermediate frequency Trung tần

IGL Index Guided laser Lade điều khiển chỉ số chiết

suất

IM Intensity Modulation Điều biến cờng độ

IMD Intermodulation Distortion Méo điều chế tơng hỗ

LED Light Emitting Diode Điốt phát quang LED

LOC Large Optical Cavity Hốc cộng hởng quang rộngMAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực nội thị

MQW Multiple Quantum Well Giếng lợng tử

Zehnder

OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ quangOFA Optical fiber amplifier Bộ khuếch đại quang sợi ONI Optical Network interface Giao diện mạng quang

ONNI Optical network – to – network

interface

Giao diện mạng –mạng quang

ONU Optical network Unit Thiết bị mạng quang

OTN Optical transport network Mạng truyền tải quang OXC Optical Cross connect Nối chéo quang

PDS Passive Distribute Service Dịch vụ phân phối thụ động PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN

PON Passive optical network Mạng quang thụ động

PSK Phase shift keying Khoá dịch pha

RIN Relative Intensity Noise Nhiễu cờng độ tơng đối RPR Resilient packet ring Mạng vòng chuyển mạch

gói tự hồi phục SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích SCM Subcarrier Multiplexing Ghép kênh sóng mang phụ SDSL Symmetric digital sub line Thuê bao số đối xứng

SEL Surface Emitting laser La-de phát mặt

SPM Self phase modulation Tự điều chế pha

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ raman kích thích TDM Time division Multiplexing Ghép kênh theo thời gianTDMA Time division Multiple Access Đa truy nhập theo thời gian

TT Tunable transmitter Bộ phát điều chỉnh đợc

TR Tunable receiver Bộ thu điều chỉnh đợc

FT Fixed – tuned transmitter Bộ phát cố định

RF Fixed – tuned receiver Bộ thu cố định

VPN Virtual private network Dịch vụ mạng riêng ảo

l h i i i l i lWDMA Wavelength Division Multiple

bớc sóng

WT Wavelength terminal Thiết bị kết cuối bớc sóng XPM Cross Phase Modulation Điều chế ngang (chéo) pha

danh mục bảng

Bảng 2.1 Quan hệ giữa số nút mạng (N) và số bớc (h) xuất phát từ

một nút nguồn trong giản đồ ShuffleNet (p,k)

33 Bảng 2.2 Một số thông số đại diện biểu đồ ShuffleNet 34

Bảng 2.3 Các tham số thử nghiệm mạng HORNET 45

Bảng 6.1 Kỹ thuật truyền dẫn từ tổng đài đến thuê bao ……… 104

Bảng 6.2 Kỹ thuật truyền dẫn từ thuê bao đến tổng đài ……… 104

Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Một số cấu kiện quang thụ động 2

Hình 1.2 Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode 2 Hình 1.3 Các bộ ghép hình sao 4

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống WDM 4

Hình 1.5 Thiết bị ghép –tách kênh hỗn hợp (MUX DEMUX) -

5 Hình 1.6 Xuyên kênh 9

Hình 1.7 Điốt laze điều chỉnh đợc sử dụng hốc ngoài 9

Hình 1.8 Laser MAGIC 9

Hình 1.9 Điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn 10

Hình 1.10 Sơ đố cấu trúc diode laze phản xạ phân bố Bragg 11

Hình 1.11 Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh đợc 12

Hình 2.1 Mạng WDMA hình sao đơn bớc “quảng bá và lựa chọn” 15

Hình 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số bớc sóng đợc sử dụng

17

Hình 2.3 Quan hệ số bớc sóng bận -Tải ρ và số bớc sóng cực đại 20 Hình 2.4 Nguyên lý định tuyến bớc sóng mạng WDMA đơn bớc 220 Hình 2.5 Mạng định tuyến theo bớc sóng N = 3

4 ảnh hởng phi tuyến trong mạng WDMA ………

39

Hình 2.19 Minh hoạ thuật toán thăm dò hình cây trong trờng hợp

có 4 gói dữ liệu đồng thời đến cùng một đích

40

Hình 2.20 Quan hệ giữa thời gian trễ trung bình

và tải trong mạρ ng Hypass

41

Hình 2.21 Mạng metro WDM ringo 42 Hình 2.22 Cấu trúc nút RINGO 43 Hình 2.23 Cấu trúc chuyển mạch Starnet 43

Hình 2.24 Cấu trúc mạng HORNET 46

Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc nút truy nhập (AN) trong mạng HORNET 46

Hình 2.26 Nguyên lý hoạt động giao thức CSMA/CA trong mạng HORNET ………

47 Hình 3.1 Nguyên lý kỹ thuật điều chế SCM ……… 49

Hình 3.2 Mạng SCMA cấu trúc hình sao 51

Hình3.2 (a) Phổ công suất quang của hai Laser đơn mode dọc có độ lệch tần số trung tâm bằng δv

53 Hình 3.2(b) Phổ công suất điện của thành phần nhiễu khi δv ≠0 57

Hình 3.2 (c) Phổ công suất điện của thành phần nhiễu khi δv = 0 57

Hình 3.3 Tỷ số (SNRR tot R) tổng và 4 loại nhiễu trong hệ thống SCMA đơn kênh

59 Hình 3.4 Hớng lên hệ thống FITL dựa trên SCMA –PON

60 Hình 3.5 Mạng SCMA đa kênh , N bớc sóng và M nút mạng trên một bớc sóng

61 Hình 3.6 Gán kênh tần trong mạng SCMA đa kênh 62

Hình 3.7 Cấu trúc chuyển mạch gói tốc độ cao dựa trên SCMA đa kênh ứng dụng cho MAN ………

66 Hình 4.1 Mạng quang thụ động dựa trên cấu trúc Bus 69

Hình 4.2 Cấu trúc của ATM-PON 72

Hình 4.3 Khung thời gian ATM-PON đối xứng 155 Mbps 74

Hình 4.4 Sơ đồ ứng dụng E-PON 75

Hình 4.5 Khe thời gian hớng lên và hớng xuống E-PON 76

Hình 5.1 Mạng CDMA quang 79

Hình 5.2 Mã hoá bít nguồn tin ‘1’ với chuỗi chíp CDMA Số các chíp, F=25 Số các chip 1, K=5

79 Hình 5.3 (a) Bộ mã hoá quang và (b) bộ giải mã quang sử dụng các đờng dây trễ quang song song

82 Hình 5.4 Hai mã quang trực giao A và B 84

Hình 5.5 Mã hoá và giải mã phổ các xung ánh sáng cực ngắn

trong các mạng CDMA quang kết hợp

86

Hình 6.1 Sơ đồ đấu nối các trạm tổng đài - mạng Bu điện Hà Nội 89 Hình 6.2 Cấu trúc mạng truyền số liệu ATM + IP 91 Hình 6.3 Sơ đồ cấu trúc mạng truy nhập ADSL & SHDSL 92 Hình 6.4 Sơ đồ mạng truy nhập ADSL và SHDSL – Bu điện Hà

Để đáp ứng đợc vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung lợng lớn Một trong giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn đó là mạng thông tin quang tốc độ cao Mặc dù

có sự phát triển nhanh về công nghệ, cấu trúc mạng và cấu hình các hệ thống truyền dẫn quang trong các ứng dụng thực tế, song về cơ bản mạng thông tin quang có thể chia làm hai phần là mạng truy nhập và mạng truyền tải

Mạng truyền tải với mục tiêu truyền các lu lợng lớn với băng tần rộng nhằm thoả mãn nhu cầu truyền tải trong cấu trúc mạng hiện đại Trên cơ

sở đó, vấn đề thông suốt lu lợng đợc đặt ra nh là một nền tảng cho việc thoả mãn nhu cầu băng tần rộng của khách hàng mà không cần quan tâm tới nội dung của luồng tín hiệu Đây cũng là nội dung yêu cầu tiến đến mạng toàn quang thế hệ sau (all optical network) Mạng truy nhập quang ở nhiều nơi đã

đợc khai thác có hiệu quả và đã đáp ứng đợc nhiều loại hình dịch vụ Tuy nhiên, nhu cầu thông tin ngày một phát triển mạnh, các yêu cầu về các hệ thống truy nhập quang cho mạng nội hạt có băng tần rộng đã đợc đặt ra

nhằm thoả mãn sự phát triển của mạng và các loại hình dịch vụ có băng tần và chất lợng cao Để thực hiện các mục đích trên ngời ta đã và đang nghiên cứu rất nhiều các giải pháp kỹ thuật, một trong số đó là kỹ thuật đa truy nhập quang nhằm tạo ra các sở cứ khoa học cho việc thiết kế và ứng dụng các mạng quang đa truy nhập, nội dung luận văn bao gồm:

Chơng 1 giới thiệu một số phần tử sử dụng trong mạng quang đa truy

nhập Nghiên cứu chức năng, nguyên lý hoạt động và đặc tính kỹ thuật của một số cấu kiện quang thụ động và các phần tử điều chỉnh đợc ứng dụng trong mạng quang đa truy nhập (Bộ phát thay đổi, bộ thu thay đổi và bộ lọc thay đổi đợc)

Chơng 2 sẽ trình bày về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bớc

sóng WDMA trong đó đa ra tổng quan về công nghệ WDMA, các khái niệm

về mạng WDMA đơn bớc và đa bớc đồng thời phân tích cấu trúc, đặc tính

kỹ thuật của các mạng WDMA đơn bớc và đa bớc và nghiên cứu một số cấu trúc và giao thức mạng ứng dụng kỹ thuật WDMA

Chơng 3 nghiên cứu về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng

mang phụ SCMA tìm hiểu các đặc điểm về kỹ thuật đa truy nhập sóng mang phụ đơn kênh, kỹ thuật đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh, đa ra các phân tích ảnh hởng về nhiễu gây ra liên quan đến hiệu suất của mạng và nêu ứng dụng của kỹ thuật SCMA

Chơng 4 mô tả kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA với hai

phơng thức xử lý ghép dòng tín hiệu dới dạng chèn bít và dạng khối Trình bày các mạng ứng dụng: Mạng A PON (ATM dựa trên mạng quang thụ động) -

và Mạng E-PON (Ethernet dựa trên mạng quang thụ động)

Chơng 5 nghiên cứu đặc điểm của kỹ thuật phân chia theo mã CDMA

liên quan đến các kỹ thuật CDMA tách sóng trực tiếp và mạng CDMA quang kết hợp và đặc điểm của các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA quang

Chơng 6 đề xuất khả năng ứng dụng mô hình ứng dụng MAN trên mạng của Bu điện Hà nội để chuyển tải lu lợng cho các mạng băng rộng và từng bớc có thể thay thế các mạng truyền dẫn kênh truyền thống Việc triển khai ứng dụng mạng MAN nhờ kỹ thuật WDMA cũng nh ứng dụng của kỹ thuật WDMA trong các mạng đờng trục và mạng diện rộng đợc mô tả cho thấy mức độ và tính khả thi khi áp dụng cấu trúc MAN cho việc truyền tải dữ

liÖu chuyÓn m¹ch gãi rÊt phï hîp cho c¸c øng dông cña m¹ng thÕ hÖ sau NGN vµo thùc tÕ nh thÕ nµo

Chơng 1 tổng quan về các phần tử sử dụng trong

mạng quang đa truy nhập

1.1 giới thiệu chung

Trong kỹ thuật đa truy nhập quang, về mặt bớc sóng ta có kỹ thuật ghép kênh theo bớc sóng WDM tơng ứng là kỹ thuật truy nhập WDMA, ghép kênh nhiều sóng mang SCM tơng ứng là kỹ thuật truy nhập SCMA, về mặt thời gian ta có kỹ thuật truy nhập theo thời gian TDMA và truy nhập phân chia theo mã CDMA

Trong các mạng truy nhập quang dòng bít dữ liệu hớng đi từ ngời sử dụng

đến tổng đài có lu lợng nhỏ và hớng về từ tổng đài đến ngời sử dụng có lu lợng lớn hơn rất nhiều, vì vậy, kỹ thuật truy nhập cho các hớng cũng khác nhau

Để thực hiện đợc mạng quang đa truy nhập cần phải có một số cấu kiện quang, thông thờng đợc gọi là các thiết bị quang thụ động Tuỳ theo các chức năng thực hiện mà chúng đợc chia ra các loại nh sau :

• Bộ chia quang: Bộ này thực hiện chia công suất quang từ một đầu vào duy nhất tới một số đầu ra

• Bộ tổng hợp quang: Bộ này thực hiện chức năng ngợc lại của bộ chia,

nó tổng hợp một số tín hiệu quang ở các đờng vào và đa tới một đầu

• Các bộ các ly quang: Có nhiệm vụ bảo vệ bộ phát hoặc bất cứ thiết bị liên quan đến độ nhạy từ những tín hiệu phản xạ không mong muốn

• Bộ lọc quang : Thiết bị này thực hiện chọn lọc một kênh trong số các kênh đến đầu vào, và đa kênh đợc chọn này đến đầu ra

Ngoài ra trong một số mạng quang đa truy nhập yêu cầu một vài phần

tử điều chỉnh đợc, ví dụ nh bộ phát thay đổi đợc (Tx Tunable), bộ thu -

thay đổi đợc (Rx Tunable) và các bộ lọc quang thay đổi đợc Đây là các - phần tử tích cực, nó có vị trí đặc biệt quan trọng trong các mạng quang sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo bớc sóng (WDMA)

Hình 1.1 Cấu kiện quang thụ động

a Bộ chia quang d Bộ ghép kênh theo bớc sóng

lựa chọn bớc sóng Vì vậy chúng không có khả năng tách các kênh riêng rẽ Trong trờng hợp tổng quát số các cổng đầu vào và các cổng đầu ra không cần phải bằng nhau và ký hiệu là (NxM), trong đó N là số cổng đầu vào và M là số cổng đầu ra

Có một số kiểu bộ ghép hình sao đã đợc phát triển Loại bộ ghép đầu tiên sử dụng các bộ ghép sợi 3dB Mỗi bộ ghép sợi có khả năng ghép hai tín hiệu đầu vào và phân chia đều trên hai cổng đầu ra, cũng có nghĩa là bộ ghép hình sao 2x2 Các hình sao bậc cao hơn NxN có thể đợc tạo ra bằng cách gộp một số bộ ghép 2x2 với nhau trong đó N là bội số lần của 2 Hình 1.2 mô tả sơ

đồ nh vậy cho cấu trúc hình sao 8x8 tạo thành từ 12 bộ ghép 2x2 Để tạo ra

đợc bộ coupler hình sao NxN thì số bộ coupler 3 dB cần thiết đợc tính theo biểu thức sau:

Nếu gọi là suy hao của tín hiệu khi đi qua coupler 3dB thì hệ số này β

đợc xác định bằng tổng số công suất đầu ra trên tổng công suất đầu vào, thông thờng giá trị này đợc biểu diễn theo đơn vị deciBel Suy hao tổng của tín hiệu khi đi qua bộ ghép hình sao NxN đợc tính nh biểu thức (1.2) Nh vậy khi số cổng tăng lên thì suy hao tín hiệu qua bộ ghép cũng tăng lên

NdB

Loss

N

10 10

log

10 10(1 3.3log ).loglog

10]

biconical-ra bằng công nghệ này Kỹ thuật này làm nóng chảy một số lợng lớn các sợi lại với nhau và kéo dài phần nóng chảy thành dạng cấu trúc thắt hai phần ở phần có dạng hình nêm, tín hiệu từ mỗi sợi đợc ghép lại với nhau và chia đều

ra trên các cổng đầu ra Cấu trúc nh vậy hoạt động tơng đối tốt với sợi đa mode Còn trong trờng hợp sợi đơn mode thì nó bị hạn chế do chỉ có thể làm nóng chảy đợc vài sợi Các bộ ghép nóng chảy 2x2 sử dụng sợi đơn mode

đợc chế tạo từ khá sớm Chúng có thể đợc thiết kế để hoạt động trên một phạm vi bớc sóng rộng

a, Bộ ghép sao truyền dẫn ; b, Bộ ghép sao phản xạ

Hình 1.3 Các bộ ghép hình sao

1.3 bộ ghép kênh (MUX) và tách kênh (DE-MUX)

1.3.1 Nguyên lý cơ bản ghép kênh theo bớc sóng quang

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống WDM Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bớc sóng quang đợc minh hoạ

ở hình 1.4 Có hai phơng án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bớc sóng quang WDM đó là: Phơng án truyền dẫn ghép bớc sóng quang theo một hớng, là sự kết hợp các tín hiệu có bớc sóng khác nhau vào sợi quang tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở

đầu kia Thông thờng cần phải sử dụng hai sợi quang để thực hiện truyền tín hiệu thông tin cho chiều đi và chiều về Phơng án truyền dẫn hai hớng thì không qui định phát ở một đầu và thu ở một đầu; điều này tức là có thể truyền thông tin theo một hớng tại các bớc sóng λR 1 R, λR 2 R,Rλ3, λj λn và đồng thời cũng truyền thông tin khác theo hớng ngợc lại tại các bớc sóng λ1’,

λ2’,λ3’, .λj’ λn’ Phơng án này chỉ cần sử dụng một sợi cũng có thể thiết lập đợc một hệ thống truyền dẫn cho cả chiều đi và chiều về Để thực hiện một hệ thống WDM theo một hớng, thì cần phải có bộ ghép kênh bớc sóng MUX ở đầu phát để kết hợp các tín hiệu quang từ các nguồn phát quang khác nhau đa vào một sợi quang chung Tại đầu thu, cần phải có một bộ tách kênh DEMUX để thực hiện tách các kênh quang tơng ứng Nhìn chung, các

laze đơn mode thờng không phát một lợng công suất đáng kể nào ở ngoài

độ rộng phổ kênh đã định trớc của chúng, cho nên không cần phải để ý đến vấn đề xuyên kênh ở đầu phát Vấn đề đáng quan tâm ở đây là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép ít bị suy hao Đối với bộ tách kênh, vì các bộ tách sóng quang thờng nhạy cảm trên cả một vùng rộng các bớc sóng cho nên nó có thể thu đợc toàn bộ các bớc sóng đã đợc phát đi từ phía thiết bị phát Nh vậy, để ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có biện pháp cách ly tốt các kênh quang Để thực hiện điều này, cần thiết kế các bộ tách kênh chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định và có bớc sóng cắt chính xác

Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép kênh nào cũng có thể đợc dùng làm

bộ tách kênh Nh vậy hiểu đơn giản, từ “bộ ghép-Multiplexer” trong trờng hợp này thờng đợc sử dụng ở dạng chung để tơng thích cho cả bộ ghép và

bộ tách kênh, ngoại trừ trờng hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng

Ngời ta chia thiết bị ghép sóng quang thành ba loại : Bộ ghép kênh (MUX ), bộ tách kênh (DEMUX) và các bộ ghép và tách hỗn hợp (MUX-DEMUX) Các bộ MUX và DEMUX đợc dùng cho phơng án truyền dẫn theo một hớng, còn loại thứ ba (MUX DEMUX) đợc sử dụng cho phơng -

án truyền dẫn hai hớng trên một sợi Hình 1.5 mô tả cấu trúc thiết bị ghép – tách kênh hỗn hợp Việc phân tích chính xác thiết bị ghép phải dựa trên ma trận chuyển đổi với các phần tử của ma trận là Aij(x) Các phần tử này là các

hệ số phụ thuộc vào bớc sóng, nó biểu thị các tín hiệu quang đi vào cửa thứ i

1.3.2 Các tham số cơ bản của bộ ghép kênh và tách kênh

Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính của các bộ ghép – tách kênh hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh, độ rộng kênh Để đơn giản, ta hãy phân biệt ra thành thiết bị một hớng ở hình 1.4 và thiết bị hai hớng nh ở hình 1.5 Các ký hiệu I(λi) và O(λk) tơng ứng là các tín hiệu có bớc sóng λi , λk ở

đờng chung Ký hiệu Ik(λk) là tín hiệu đầu vào đợc ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này đợc phát từ nguồn phát quang thứ k Ký hiệu Oi(λi) là tín hiệu có bớc sóng λi đã đợc tách và đi ra từ cửa thứ i Bây giờ ta xem xét ba tham số cơ bản là suy hao xen, xuyên kênh, và độ rộng kênh nh sau :

tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép bớc sóng quang WDM Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao bản thân các thiết bị ghép gây ra Suy hao xen đợc diễn giải tơng tự nh suy hao đối với các bộ ghép coupler chung, nhng có điểm khác là ở WDM chỉ xét cho một bớc sóng đặc trng:

) (

) ( log 10

i i

i i

I

O L

) ( log 10

i

i i i

I

O L

λ

λ

−

Với Li là suy hao tại bớc sóng λikhi thiết bị đợc ghép xen vào tuyến

sang kênh khác Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc vào trờng hợp áp dụng, nhng nhìn chung phải đảm bảo nhỏ hơn –30 dB trong mọi trờng hợp Trong một bộ tách kênh lý tởng sẽ không có sự rò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bớc sóng λi sang các kênh khác có bớc sóng khác với λi Nhng trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nhất

định điều đó làm giảm chất lợng truyền dẫn của hệ thống Khả năng tách các kênh khác nhau đợc diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và đợc tính bằng dB :

( )( )]

log[

10)

(

k

k i k

i

I

UD

λ λ

Từ hình 1.6 (a) ta thấy Ui(λk) là lợng tín hiệu không mong muốn ở bớc sóng λk do có sự rò tín hiệu trên cửa ra thứ i, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bớc sóng λi Trong thiết bị ghép –tách kênh hỗn hợp nh ở hình 1.6 (b), việc xác định suy hao xuyên kênh cũng đợc áp dụng nh bộ tách kênh Trong trờng hợp này, phải xem xét cả hai loại xuyên kênh “xuyên kênh đầu xa” là do các kênh khác đợc ghép đi vào đờng truyền gây ra, ví dụ nh I(λk) sinh ra Ui(λk) “ xuyên kênh đầu gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh

ra, nó đợc ghép ở bên trong thiết bị, nh Ui (λj) Khi tạo ra các sản phẩm, các nhà chế tạo phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị

a) Bộ tách kênh và b) Bộ ghép tách kênh hỗn hợp.–

Hình 1.6 Xuyên kênh

nguồn phát quang Nếu nguồn phát quang là các điốt laze thì các độ rộng kênh

đợc yêu cầu vào khoảng một vài đến hàng chục nano mét để đảm bảo không

bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra, ví dụ nh khi nhiệt độ làm việc thay đổi sẽ làm trôi bớc sóng Đối với nguồn phát quang là điốt phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần Nh vậy, độ rộng kênh phải đảm bảo đủ lớn để tránh nhiễu giữa các kênh, vì thế nó đợc xác định tuỳ theo từng loại nguồn phát

1.4 điốt laze điều chỉnh đợc bớc sóng

Đối với việc thiết kế hệ thống thì điốt laze lý tởng là loại phát xạ đơn mode dọc với độ rộng phổ rất hẹp và tốc độ điều chỉnh bớc sóng cỡ nano giây trên khoảng bớc sóng cỡ 100 nm quanh bớc sóng 1.3 hoặc 1.5 àm Đã

có nhiều kỹ thuật đợc phát triển cho ứng dụng điều chỉnh bớc sóng Tuy nhiên cho đến nay các kỹ thuật này vẫn cha hoàn thiện và đáp ứng đợc tất cả các yêu cầu ứng dụng một cách đồng thời Do đó có những thoả hiệp nhất

DEMUX

O i (λ i ) + U i ( λ k ) Sợi quang

(b)

O i (λ i ) + U i (λ k ) + U i (λ j )

I j (λ j )

định về tốc độ điều chỉnh và khoảng bớc sóng mà trên đó laze có thể điều chỉnh đợc liên tiếp Trong phần này sẽ đề cập đến một số loại kỹ thuật để tạo

điốt laze có bớc sóng thay đổi đợc

1.4.1 Điều chỉnh nhiệt

Do ảnh hởng chỉ số khúc xạ của lớp laze tích cực phụ thuộc vào nhiệt

độ, nh vậy một cách đơn giản để làm laze thay đổi bớc sóng là làm thay đổi nhiệt độ của nó Tỷ lệ thay đổi bớc sóng theo nhiệt độ là vào khoảng – 0.1nm/ P

0

P

C ( + 13 GHz/ P

0 P

C tại bớc sóng 1.5 m) Do khoảng thay đổi nhiệt độ à

bị khống chế nhỏ hơn ± 10 P

0 P

C để đảm bảo độ tin cậy, do vậy khoảng điều chỉnh thực tế có thể đợc thực hiện bằng phơng pháp này vào khoảng 2 nm là tối đa Gần đây khoảng điều chỉnh đã đợc cải thiện tới 10.8 nm khi sử dụng

độ thay đổi bị giới hạn bởi trở kháng nhiệt cỡ vài mili giây do đó phơng pháp này hạn chế cả về độ rộng lẫn tốc độ điều chỉnh

1.4.2 Điốt laze điều chỉnh đợc bớc sóng sử dụng hốc ngoài

Một phơng pháp đơn giản để tạo điốt laze điều chỉnh đợc trên một khoảng rộng là thêm vào một bộ lọc thay đổi đợc tại một đầu ra Các laze nh vậy đợc xem nh là laze bán dẫn có hốc ngoài Bằng cách điều chỉnh bộ lọc, bớc sóng của mode chọn có thể thay đổi cho tới khi xuất hiện bớc nhảy tới mode mới của buồng cổng hởng Fabry Perot Đối với chiều dài hốc 10 -

cm thì các mode Fabry-Perot lân cận đợc phân cách cỡ δf ≈ 1 GHz (hay δλ ≈0.005 nm) Nh vậy, khoảng điều chỉnh đợc thực hiện bằng các bớc nhảy giữa các mode Fabry-Perot Nguyên tắc này đợc tuân thủ cho các loại điốt laze thay đổi đợc

Mặc dù rất nhiều dạng bộ lọc ngoài khác nhau đã đợc làm ra, tuy nhiên loại đợc sử dụng rộng rãi nhất là cách tử tán xạ chỉ ra trên hình 1.7

ánh sáng đi ra từ một đầu của điốt laze đợc chuẩn trực bằng thấu kính trớc khi đi đến cách tử tán xạ, cách tử này đáp ứng nh là gơng phản xạ và cũng nh bộ lọc băng hẹp Bớc sóng đợc điều chỉnh bằng cách di chuyển cách tử

; Điều chỉnh thô đợc tạo ra bằng cách quay cách tử trong lúc đó điều chỉnh tinh đợc thực hiện bằng cách dịch chuyển cách tử theo chiều dọc Với kỹ thuật này khoảng điều chỉnh đạt đợc đến 240 nm tại bớc sóng 1.55 àm khi

sử dụng điốt laze giếng lợng tử (MQW)

Hình 1.7 Điốt laze điều chỉnh đợc sử dụng hốc ngoài

Hình 1.8 Laze MAGIC Mặt hạn chế của các điốt laze sử dụng cách tử là tốc độ điều chỉnh thấp, kích thớc vật lý tơng đối lớn và khó thực hiện đợc độ ổn định cơ học cho các bộ phát quang Những hạn chế này gần đây đã đợc khắc phục bằng phơng pháp mới dựa trên nguồn quang bán dẫn có thể chọn đợc từng bớc sóng ra Thay vì sử dụng điốt laze đơn và dịch chuyển cách tử, thiết bị mới

Đầu ra

điốt laze

Khuếch đại

Lớp chống phản xạ

Lăng kính chuẩn trực

Tinh chỉnh GHz

Cách tử tán xạ

5 đến 25 cm

Chọn bớc sóng

Điều chỉnh thô

này sử dụng hai mảng phần tử tích cực tổ hợp với cách tử tán xạ cố định Sơ đồ thiết bị này đợc chỉ ra trong hình 1.8 và đợc gọi là laze MAGIC ( multistripe array grating-integrated cavity laser) Mỗi sọc đợc đánh địa chỉ một cách độc lập để tạo ra các bớc sóng laze khác nhau Việc chọn và liên kết cách tử với một sọc là duy nhất với một bớc sóng Thiết bị kiểu này có khả năng đánh địa chỉ cho 15 bớc sóng khác nhau với độ phân cách bằng 1.89 nm trong cửa sổ 1.5 àm

1.4.3 điốt laze hồi tiếp phân bố (DFB) hai đoạn

Điều chỉnh bớc sóng nhanh cỡ nano giây có thể đợc thực hiện bằng cách phun sóng mang vào môi trờng laze tích cực, điều này làm giảm chỉ số khúc xạ hiệu dụng tạo nên sự thay đổi bớc sóng laze đầu ra Khoảng điều chỉnh bớc sóng có thể đợc ớc tính bằng biểu thức δλ λ=δ/ neff/neff Trong thực tế khoảng thay đổi của chiết suất tơng đối là vào khoảng 1% do hạn chế

về nhiệt Nh vậy khoảng thay đổi bớc sóng lớn nhất cỡ từ 10 đến 15 nm có thể đợc thực hiện ở phơng pháp này Để thực hiện điều chỉnh một cách độc lập bớc sóng và công suất ra của điốt laze cần ít nhất hai điện cực: Trong đó một điện cực sử dụng để thay đổi chỉ số khúc xạ tức là điều chỉnh bớc sóng phát xạ, điện cực còn lại đợc sử dụng để biển đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang đợc điều chế ở đầu ra Sơ đồ dựa trên cấu trúc hồi tiếp phân bố chỉ ra ở hình 1.9 đợc gọi là điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn

Hình 1.9 Điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn

Công suất quang đầu ra đợc xác định bằng đoạn thứ nhất với thiên áp ngỡng trên Bớc sóng quang phát xạ chủ yếu đợc xác định bằng phần bơm

Lớp chống phản xạ

Tín hiệu quang ra

Dòng điều khiển

I a khuyếch đại I b điều chỉnh

thứ hai tại cờng độ dòng điện thấp hơn một chút so với cờng độ ngỡng trung bình Với công nghệ này ngời ta đã đa ra thiết bị có khoảng thay đổi liên tục 3.3 nm với độ rộng phổ 15 MHz và công suất ra 1- -mW Khoảng điều chỉnh về cơ bản bị giới hạn bởi lợng cho phép cực đại của sóng mang phun vào phần điều khiển bớc sóng

1.4.4 Điốt laze phản xạ phân bố Bragg (DBR) hai đoạn và ba đoạn

Việc cải thiện khoảng điều chỉnh bớc sóng đợc thực hiện bằng cách tách vùng cách tử chọn bớc sóng Bragg ra khỏi vùng khuyếch đại bên trong hốc laze Vùng Bragg lớn hơn vùng khuyếch đại Do đó, vùng Bragg có thể

đợc bơm rất mạnh mà không cần sự đóng góp từ bộ tạo photon dẫn đến khoảng thay đổi đợc rộng hơn Cấu trúc này đợc xem nh là bộ phản xạ phân bố Bragg hai đoạn

Hình 1.10 Sơ đố cấu trúc điốt laze phản xạ phân bố Bragg

Để cải thiện hơn nữa khoảng điều chỉnh bớc sóng ngời ta đa thêm phần thứ ba nhằm để điều chỉnh phase bớc sóng bên trong hốc laze, cấu trúc của nó đợc chỉ ra ở hình 1.10 Nguyên lý điều chỉnh bớc sóng trong bộ phản xạ phân bố Bragg ba đoạn có thể đợc hiểu nh sau: Phần DBR đa ra mức phản xạ cao bên trong một băng tần hạn chế vào khoảng 3 nm Mode gần nhất

có mức phản xạ cực đại của bộ phản xạ phân bố Bragg sẽ hoạt động nh laze nếu phase của nó là bội số 2 Phần dịch phase sử dụng để điều chỉnh phase π

ống sóng1.5àm InGaAsP

của hành trình, nh vậy bớc sóng laze có thể đợc điều chỉnh quanh mỗi băng tần phản xạ Bragg Với sự điều chỉnh độc lập của ba dòng điện trong các phần tích cực, Bragg, phase thì các khoảng điều chỉnh là hầu nh liên tục từ 8

nm đến 10 nm Gần đây ngời ta đã chế tạo đợc điốt laze có khoảng thay đổi lớn hơn 10 nm thậm chí đạt đến 80 nm khi sử dụng siêu cách tử

1.5 bộ lọc quang điều chỉnh đợc

Các bộ thu thay đổi đợc là phần tử then chốt trong mạng WDMA, nó

có thể chọn đợc một kênh mong muốn trong một tập kênh ghép theo bớc Thông thờng việc chọn kênh đòi hỏi một bộ lọc quang thay đổi đợc, sơ đồ chức năng của bộ lọc quang điều chỉnh đợc trình bày trong hình 1.11, trong

đó rất nhiều kênh đầu vào nhng chỉ xuất hiện một kênh ở đầu ra

Hình 1.11 Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh đợc

Có rất nhiều loại thiết bị lọc quang điều chỉnh đợc, tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo Các công nghệ này chủ yếu là khai thác hiệu ứng giao thoa quang để tạo ra sự lựa chọn bớc sóng Một số thiết bị này cũng có thể đợc

sử dụng trong các bộ thu quang kết hợp mặc dù bộ thu thay đổi trong tách sóng quang kết hợp thông thờng đạt đợc từ bộ giao động nội có khả năng

điều chỉnh (laze thay đổi) nh đã trình bày mục trên Để đánh giá các bộ lọc quang thay đổi đợc ngời ta dựa trên một số thông số cơ bản nh sau :

mà bộ lọc có thể chọn đợc

rộng kênh yêu cầu tối thiểu để đảm bảo độ xuyên kênh nhỏ nhất

-Tốc độ điều chỉnh : Là tốc độ mà bộ lọc quang thay đổi có thể chuyển từ một bớc sóng tới bớc sóng mới bên trong khoảng điều chỉnh Đối với

Bộ lọc quang điều chỉnh đợc

Điều khiển chọn bớc sóng

Kênh đợc chọn

Tách sóng quang

chuyển mạch kênh thì thời gian thay đổi cỡ mili giây là đủ, trong khi đó đối với các ứng dụng chuyển mạch gói thì đòi hỏi thay đổi cỡ micro giây

suy hao nhất định do suy hao đấu nối và suy hao bên trong bộ lọc Suy hao này càng nhỏ càng tốt để tránh ảnh hởng đến quỹ công suất của mạng

tính chất phân cực (điều này có nghĩa là hàm truyền đạt độc lập với các trạng thái phân cực có thể xảy ra của tín hiệu quang đến)

-Độ ổn định về nhiệt và các yếu tố cơ học: Phải đợc khống chế sao cho nó

ảnh hởng ít nhất đến hàm truyền đạt của bộ lọc và khống chế độ trôi ở khoảng một vài phần trăm độ rộng của kênh

Hiện tại đã có rất nhiều loại bộ lọc điều chỉnh đợc nh : Bộ lọc Fabry –Perot (FPF); Bộ lọc Mach Zender (MZF); Bộ lọc sử dụng các hiệu ứng điện -– quang (EOTF); Bộ lọc dựa trên các phần tử bán dẫn; Bộ lọc dựa trên hiệu ứng phi tuyến quang Brillouin

U

Nhận xétU: Chơng 1 của luận văn đã hệ thống lại một số cấu kiện quang thụ động cơ bản, nghiên cứu cấu trúc và các đặc tính kỹ thuật của các bộ: Ghép hình sao quảng bá, ghép kênh, tách kênh và các phần tử điều chỉnh đợc (Tx –Tunable; Rx Tunable; bộ lọc quang thay đổi) -

Với sự phát triển rất nhanh của công nghệ, do vậy nhiều cấu kiện cũng nh các phần tử mới (ví dụ bộ xen rẽ quang, cách tử dẫn sóng ) đã và đang

đợc nghiên cứu chế tạo nhằm tạo ra kiến trúc mạng quang hiện đại, mềm dẻo

và ổn định để đáp ứng đợc các dịch vụ băng rộng cho khách hàng và cũng nh các yêu cầu quản lý mạng Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn chúng ta chỉ đề cập đến những phần tử cơ bản nhất và nó là cơ sở trong việc

nghiên cứu các chơng tiếp theo

Chơng 2

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bớc sóng –WDMA

2.1 Tổng quan về kỹ thuật WDMA

Việc sử dụng công nghệ WDM cho phép ta xây dựng một phơng thức mạng trong đó bớc sóng của kênh tự nó có thể đợc sử dụng cho chuyển mạch định tuyến hoặc phân phát từng kênh đến địa chỉ của nó Bớc sóng ở

đây đợc sử dụng cho đa truy nhập nên đợc xem là phơng thức đa truy nhập theo bớc sóng viết tắt là WDMA Về cơ bản để thực hiện đợc mạng WDMA yêu cầu các phần tử quang có khả năng điều chỉnh đợc bớc sóng nh là các nguồn phát quang điều chỉnh đợc hoặc là các bộ lọc quang điều chỉnh đợc Các phần tử này tạo thành các bộ thu phát quang điều chỉnh đợc để kết hợp vào mỗi nút mạng và nó đợc sử dụng vào các mục đích khác nhau phụ thuộc vào loại cấu trúc mạng WDMA đợc lựa chọn Mạng đa truy nhập sử dụng kỹ thuật ghép bớc sóng đợc phân làm hai loại chính là : Mạng WDMA đơn bớc (còn gọi là các mạng WDMA toàn quang) và mạng WDMA đa bớc

1 Trong mạng đơn bớc WDMA: Chuỗi tín hiệu đợc truyền dới dạng quang trong toàn mạng mà không có biến đổi quang-điện quang và tái -truyền dẫn ở các bớc trung gian Mạng này đợc phân thành hai loại chính là

WDMA "quảng bá lựa chọn" và "định tuyến theo bớc sóng".

2 Trong mạng đa bớc WDMA: Chuỗi tín hiệu khi qua các nút trung

gian phải chuyển thành tín hiêụ điện Sau đó nút trung gian tiếp tục truyền tới các nút khác bằng cách phát lại chuỗi tín hiệu dới dạng quang với các bớc sóng thích hợp

2.2 Mạng WDMA đơn bớc

Mạng WDMA đơn bớc đợc phân loại thành hai loại chính là: Mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” và mạng WDMA “định tuyến theo bớc sóng”

2.2.1 Mạng WDMA “ quảng bá và lựa chọn “

Trong mạng WDMA "quảng bá và lựa chọn" đầu phát chỉ phát một

hoặc một số bớc sóng, còn tại các đầu thu "quảng bá" có thể điều chỉnh để

thu đợc nhiều bớc sóng Trong mạng WDMA "quảng bá ", tất cả các bớc

sóng λ1,λ2 λn phía phát đợc ghép vào trong một cáp và gửi đến đầu thu R

Ngợc lại trong WDMA "lựa chọn" các bớc sóng từ λ1,λ2 λn đợc đa qua

bộ tách WDM để đa từng bớc sóng đến Ri tơng ứng Tại các bộ ghép

WDM có thể thu cả, hoặc lựa chọn một số bớc sóng cần thiết Một số khả

năng có thể xảy ra phụ thuộc vào hoặc các bộ thu hoặc các bộ phát hoặc cả hai

đều có khả năng điều chỉnh đợc Nói chung mỗi nút mạng có thể đợc trang

bị với một số bộ phát và một số bộ thu, một trong số chúng có khả năng điều

chỉnh động trong khi các số khác đựơc điều chỉnh cố định tới một vài bớc

sóng cụ thể Tuỳ thuộc vào các chức năng của các đầu thu, đầu phát mà mạng

Hình 2.1 Mạng WDMA hình sao đơn bớc “quảng bá và lựa chọn”

+ Khi các bộ phát là điều chỉnh đợc trong khi các bộ thu đợc chỉnh

cố định ở một bớc sóng, một kết nối đợc thiết lập giữa bộ phát và bộ thu

bằng cách điều chỉnh bớc sóng trùng nhau của bộ phát và bộ thu Về cơ bản

mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” là kiểu chuyển mạch không gian theo

thứ tự dữ liệu vào Xung đột dữ liệu có thể xảy ra trong mạng do hai hoặc

nhiều gói dữ liệu từ các nút khác nhau gửi đến đồng thời cùng một địa chỉ

đích Vấn đề tranh chấp này đợc giải quyết bằng các giao thức mạng kết hợp

với các kết nối trong mạng

Các mạng WDMA đơn chặng với một bộ phát điều chỉnh đợc và một

bộ thu cố định (đợc xem là mạng TT-FR) thì các nút trong mạng bị hạn chế

kết nối “điểm-tới điểm” Đối với các kết nối “đa điểm - điểm” đợc thực hiện thì mỗi nút thu của mạng WDMA phải đợc trang bị tối thiểu từ hai bộ thu cố

-định trở nên (mạng kiểu này ký hiệu TT-FRP

m P

) Tơng tự ta có khái niệm mạng kết nối kiểu multicast “điểm – tới - đa điểm” đợc thực hiện bằng việc trang

bị tại mỗi nút phát của mạng từ hai bộ phát điều chỉnh đợc trở lên (ký hiệu mạng TTP

m

P

-FR)

+ Mạng WDMA trở nên linh hoạt hơn có thể đợc xây dựng bằng cách

sử dụng các bộ phát cố định và bộ thu điều chỉnh đợc (ký hiệu là mạng FT –TR), với mạng kiểu này ngoài khả năng cung cấp kết nối “điểm –tới -điểm”, bằng cách điều chỉnh đồng thời các bộ thu của một số nút về cùng một bớc sóng nó còn cung cấp khả năng kết nối Multicast Tơng tự nh các mạng TT-

FR, Các kết nối “đa điểm – tới điểm” cũng đợc cung cấp nếu các nút - mạng WDMA đợc trang bị từ hai bộ thu điều chỉnh đựơc trở nên (ký hiệu là mạng FT-TRP

m P

)P P.u điểm của các mạng FT-TR là tự động ngăn ngừa đợc các xung đột dữ liệu do mỗi kênh sử dụng các bớc sóng khác nhau Tuy nhiên do các bộ thu chỉ có thể điều chỉnh tới một bớc sóng ở một thời điểm nên dễ xảy

ra mất dữ liệu trong mạng kiểu này Trong trờng hợp này chất lợng của mạng FT–TR đợc cải thiện bằng cách thông báo cho các bộ thu biết đợc phải điều chỉnh đến bớc sóng ở thời điểm nào thông qua các giao thức

+ Khả năng thứ ba đối với mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” là khi cả hai bộ phát và bộ thu đều có khả năng điều chỉnh đợc (ký hiệu TT-TR) Các mạng TT-TR có khả năng hỗ trợ các kết nối “điểm tới điểm” và “đa – -

điểm –tới -điểm” cũng nh các kết nối multicast vì vậy đây là mạng linh hoạt nhất trong ba loại, do đó mạng này đòi hỏi các giao thức mạng phức tạp hơn yêu cầu cả hai bộ phát và bộ thu phải đợc điều chỉnh để phối hợp các luồng dữ liệu trong mạng

Nh đã trình bày trong phần trên về các mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” với giả thiết rằng số bớc sóng có khả năng sử dụng đợc W bằng với

số nút N kết nối vào mạng Tuy nhiên trong thực tế do nhiều lý do về công nghệ nên số bớc sóng có khả năng sử dụng W thờng bị hạn chế, thờng nhỏ hơn rất nhiều so với số nút mạng N Do đó việc phân tích sau này sẽ tập trung vào đặc tính mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” với điều kiện W < N

Trong ba loại mạng trên thì mạng TT-TR tận dụng tốt nhất tiềm năng của các bớc bớc sóng phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu Điều này dựa trên giả thiết rằng mỗi nút mạng đều có khả năng biết đợc hoàn toàn trạng thái

của tất cả các bớc sóng trong hệ thống Tại các nút không có bộ đệm khi gói tin đến, chỉ có khả năng hoặc là gói tin đợc truyền hoặc là mất ngay lập tức phụ thuộc vào kết nối đợc phép hay không một cách tơng ứng và trễ lan truyền dữ liệu đợc bỏ qua Do đó phân tích này là thích hợp với cả mạng chuyển mạch kênh cũng nh chuyển mạch gói tập trung

Khi số nút gán vào mạng hình sao quảng bá bằng N và số bớc sóng có thể đợc dùng bằng W, trong đó W< N Một gói tin đi đến nút i đợc gửi đến nút j với xác suất 1/N không phụ thuộc vào i và j Chiều dài gói tin phân bố theo luật hàm mũ với thời gian chiếm giữ trung bình 1/ à (giây/gói tin ) và là nh nhau cho tất cả các nút, các gói tin đến ở mỗi nút tuân theo hàm phân bố Poisson với tốc độ trung bình gói trên giây Do đó tải trung bình của mỗi λ tuyến vào bằng

Hình 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số bớc sóng sử dụng.

Đối với mỗi giá trị ρ xác định thì số bớc sóng bận w thay đổi ngẫu nhiên tuỳ theo thống kê của các tuyến vào Tính chất thay đổi động của w có thể đợc mô hình hoá bằng quá trình “sinh ra – mất đi ”nh chỉ ra trong hình Hình 2.2 (a) tơng ứng với trờng hợp hoặc chỉ là bớc sóng điều chỉnh

đợc ở bộ phát hoặc bớc sóng điều chỉnh đợc ở bộ thu, trong khi đó hình 2.2 (b) tơng ứng với trờng hợp bớc sóng điều chỉnh đợc ở cả phát và thu Trong tất cả các trờng hợp chuyển dịch trạng thái về hớng trái là kết quả là

do giải phóng một bớc sóng bận sau khi kết nối thành công Đối với một trạng thái xác định mà trong đó w bớc sóng bận thì xác suất chuyển dịch trạng thái về hớng trái đợc tính theo biểu thức 2.1

à

σω→ω−1 = w 2.1 Xác suất chuyển dịch trạng thái sang phía phải tơng ứng với việc bổ sung thêm một bớc sóng kích hoạt trong mạng, phụ thuộc vào vị trí của bớc sóng điều chỉnh đợc đối với bộ phát và thu Khi chỉ có các bộ phát điều chỉnh

đợc thì việc chuyển dịch trạng thái chỉ có thể xảy ra nếu đáp ứng 02 điều kiện sau:

+ Một yêu cầu kết nối đợc tạo ra từ một trong số (N-w) bộ phát còn rỗi

+ Kết nối này đợc đánh địa chỉ đến một trong số các bộ thu cố định còn rỗi Do hệ thống có W bớc sóng đợc sử dụng mà trong đó w bớc sóng

đã bận do vậy xác suất để thoả mãn điều kiện thứ hai là (1-w/W) Vì vậy việc dịch chuyển trạng thái từ w tới trạng thái w +1 xuất hiện với xác suất

)1

)(

(

ww

hai) có xác suất chuyển dịch trạng thái thái giống nhau Trờng hợp cả hai phía phát và phía thu đều có khả năng điều chỉnh đợc thì xác suất chuyển dịch trạng thái sang phía phải là lớn hơn do cả hai phía đều có khả năng điều chỉnh Công thức tính xác suất chuyển đổi nh sau đợc tính nh sau:

) 1

dụ W=125) thì giá trị trung bình của bớc sóng bận luôn luôn nhỏ hơn W, thậm chí khi giá trị của tải ρ tiến đến 1

Qua phân tích mở rộng đối với các trờng hợp nhiều bộ phát và nhiều

bộ thu trên một nút Kết quả đã chỉ ra rằng để hiệu suất tiến gần đến giới hạn biên trên khi W=N thì chỉ cần với một số lợng nhỏ các bộ phát và bộ thu điều chỉnh đợc trên mỗi nút Điều này có thể xảy ra vì với giả thiết lu lợng không thay đổi thì xác suất để nhiều hơn một gói tin đi đến cùng một địa chỉ

đích tại cùng một thời điểm là rất nhỏ Thực vậy, chúng ta giả thiết rằng tất cả các gói tin đến đầu vào của một nút là độc lập và cũng bằng và giống nh đi

đến mỗi nút trong số N nút trong mạng Với cùng giá trị tải ρ cho tất cả các

luồng tín hiệu vào các nút, Xác suất pk mà k gói đồng thời đi đến cùng nút

đợc tính theo biểu thức 2.5

k N k

k N

Hình 2.3 Quan hệ số bớc sóng bận – Tải ρvà số bớc sóng cực đại

2.2.2 Mạng WDMA “định tuyến theo bớc sóng“

Tổ hợp các phần tử định tuyến bớc sóng

W=125 _ Mạng phát và thu thay đổi

Mạng hoặc phát hoặc thu thay

đổi

N=250

Hình 2.4 Nguyên lý định tuyến bớc sóng trong mạng WDMA đơn bớc

động và một kết nối duy nhất đựơc xác định bằng bớc sóng của tín hiệu phát

và nút mà qua đó tín hiệu đợc đa vào mạng Ví dụ mạng định tuyến bớc sóng NxN có thể đợc xây dựng từ các phần tử WDM đợc nối với nhau bằng

phát và 01 bộ thu có khả năng điều chỉnh đợc Bằng cách điều chỉnh bộ phát

đến một bớc sóng đã đợc lựa chọn, tín hiệu đa vào đợc định tuyến thụ

động đến bộ thu định trớc, bộ thu này cũng phải điều chỉnh đến cùng bớc sóng để nhận gói tin Điều này có nghĩa có thể kết nối đầy đủ NxN kết nối trong mạng chỉ với N bớc sóng phân biệt và mỗi nút thu có thể thu đợc từ bất kỳ bộ phát nào mà không ảnh hởng đến nhau

Trong thực tiễn u điểm của mạng WDMA “định tuyến theo bớc sóng” so với mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” là mạng WDMA định tuyến theo bớc sóng sử dụng các bộ WDM không sử dụng các bộ coupler hoặc van quang nên tránh đựơc suy hao tách quang Tuy nhiên mặt hạn chế chính của nguyên lý khi sử dụng các phần tử định tuyến thụ động là các nút phải cung cấp các bộ phát và bộ thu đều phải điều chỉnh đợc hoặc là phải bố trí mảng các phần tử phát hoặc thu đã đợc điều chỉnh trớc đến một số bớc sóng cố định khác nhau Đổi lại thì mạng WDMA định tuyến theo bớc sóng

có khả năng điều chỉnh động cấu trúc định tuyến bên trong theo yêu cầu phân

bố lu lợng của mạng Điều này rất có lợi cho mạng khi có lu lợng không cân bằng giữa các nút khi nối vào mạng Việc thay đổi định tuyến động có thể thực hiện theo hai cách sau:

1 Sử dụng các bộ chuyển mạch không gian chọn bớc sóng, các tín hiệu chuyển mạch động từ một đờng tới một đờng khác bằng cách thay đổi

đến một trong hai cổng ra Nói cách khác bất kỳ tập bớc sóng λ1 …… λN trên cổng đầu vào của thiết bị có thể đợc lựa chọn và truy cập trực tiếp đến một trong hai cổng ra Sự lựa chọn này đợc sắp xếp lại do đó đờng đi của bất kỳ bớc sóng nào trong mạng cũng có thể đợc thay đổi khi mong muốn

Hình 2.6 Mạng định tuyến theo bớc sóng

sử dụng chuyển mạch không gian chọn bớc sóng

Gần đây đã phát triển một kiểu mạng định tuyến bớc sóng đợc gọi là mạng quang tuyến tính LLN mạng này đợc đề xuất ứng dụng cho lu lợng chuyển mạch kênh Để giải thích nguyên lý hoạt động của mạng này ta khảo sát hình 2.7 Trong đó các nút đợc nối nhau thông qua bộ coupler 2x2 không phụ thuộc vào bớc sóng, hệ số liên kết αi đợc cho phép lấy bất kỳ giá trị nào giữa 0 và 1

Mỗi nút mạng sử dụng một bớc sóng riêng để thiết lập kết nối mong muốn Ví dụ kết nối từ nút 1 đến nút 1* đợc thiết lập trên bớc sóng λ1 qua tuyến A-B-C-F-G, trong cùng thời điểm đó kết nối từ nút 2 tới nút 2* thông qua bớc sóng λ2 qua tuyến H-B-C Với việc đa thêm các bớc sóng, các kết nối khác có thể đợc thực hiện ở cùng thời điểm với việc cung cấp giá trị αi

thích hợp Giá trị của hệ số liên kết αi có thể quản lý tập trung thông qua bộ

điều khiển trung tâm hoặc sử dụng giao thức điều khiển phân bố Trong cả hai trờng hợp trên hệ số liên kết mỗi coupler phụ thuộc vào việc thiết lập của các coupler khác trên toàn mạng Từ các phân tích trên ta thấy các mạng LLN phù hợp với mô hình hoạt động của mạng chuyển mạch kênh trong khi không phù hợp với mạng chuyển mạch gói

Điều khiển chuyển mạch

Chuyển mạch chọn bớc sóng

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạng LLN

Để tránh tán xạ đa đờng từ cùng một nút mạng nguồn, các đờng khác nhau nên đợc bố trí theo cấu trúc hình cây Theo hình 2.7 tán xạ đa đờng xuất hiện tại các coupler B và F đối với kết nối từ 1 đến 1* Thật vậy bằng cách thiết lập kết nối A-B-C-F-G tín hiệu tại bớc sóng λ1 cũng có thể truyền theo tuyến A- -B-C-F-H G, A H- -B-D-E-F-G do đó liên kết từ F tới G sẽ chứa 4 bản copy trễ theo thời gian của các luồng tín hiệu từ nút 1 dẫn đến chất lợng kết nối bị giảm do nhiều giữa các biểu tợng Ngời ta đã nghiên cứu và đa vào sử dụng coupler bớc sóng phẳng ∆ ∆x trong mạng LLN, một giải pháp mới đa ra cùng với việc thiết lập hệ số phù hợp để tránh tán xạ đa đờng

Mặc dù suy hao tín hiệu trong mạng LLN lớn hơn các mạng định tuyến theo bớc sóng sử dụng các phần tử WDM hoặc các chuyển mạch nhng nó cho một đặc tính rất hữu ích là sử dụng lại bớc sóng Điều này có thể thực hiện đợc là do nếu sau khi đi qua một số bộ coupler tín hiệu tại bớc sóng xác định bị suy hao do đó các kết nối tại cùng thời điểm ở các phần khác của mạng có cùng bớc sóng này có thể dùng lại Điều này đợc mô tả trong Hình 2.8, các kết nối ở λ1 có thể xảy ra đồng thời đối với kết nối giữa nút 1 đến 4*

và giữa nút 3 đến 1* Khi kỹ thuật ngày càng hoàn thiện tạo ra các bộ coupler suy hao thấp, mức tán xạ đa đờng thấp và kết hợp với kỹ thuật sử dụng lại bớc sóng sẽ mở ra hớng ứng dụng cho các mạng MAN dung lợng cao

Hình 2.8 Tái sử dụng bớc sóng trong mạng LLN

(Kết nối từ 1 đến 4 * và từ 3 đến 1* có thể xảy ra đồng thời trên λ1 )

2.2.3 Các vấn đề liên quan đến hiệu suất, thiết kế mạng WDMA đơn bớc

Trong mạng đa truy nhập theo bớc sóng thì chất lợng, tốc độ điều chỉnh của các bộ thu và bộ phát là rất quan trọng, tuy nhiên cho đến ngày nay các công nghệ này vẫn còn có rất nhiều hạn chế Bên cạnh đó còn có một số yếu tố khác ảnh hởng đến đặc tính và hiệu suất của các mạng WDMA đơn bớc nh : Giao thức mạng, vị trí của các bộ đệm số liệu đảm bảo tránh mất gói, mức xuyên kênh giữa các kênh WDM và yêu cầu độ ổn định bớc sóng

2.2.3.1 Vị trí bộ đệm trong mạng WDMA đơn bớc

Thông thờng do tính ngẫu nhiên của lu lợng bên trong mạng nên xuất hiện xung đột giữa các gói dữ liệu đồng thời đi đến cùng một nút là không thể tránh khỏi Các gói số liệu xung đột có thể hoặc bị loại bỏ hoặc

đợc đa vào hàng đợi để phát lại sau đó Nếu gói tin bị loại bỏ thông tin sẽ bị mất vĩnh viễn, rõ rãng điều đó là không thể chấp nhận đợc trừ khi xác suất mất gói tin là rất nhỏ trong phạm vi cho phép Do vậy bộ đệm cần thiết phải

có để chống lại việc mất gói dữ liệu