DUY TRÌ TRONG MẠNG QUANG WDM CHƯƠNG 3_2 docx

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI: DUY TRÌ TRONG MẠNG QUANG WDM CHƯƠNG III. MẠNG MAN ĐƠN CHẶNG LỰA CHỌN BƯỚC SÓNG DỰA TRÊN AWG Trong đó r biểu thị số lượng bộ thu phát cho mỗi node, mỗi bộ thu phát này hoạt động ở một bước sóng khác nhau, S biểu thị tốc độ dữ liệu của mỗi bộ thu phát, N biểu thị số lượng node trong mạng và h biểu thị khoảng cách chặng trung bình của mạng. Chúng ta giả thiết thiết rằng việc gửi nhận các gói tin ở đây là các gói tin có kích thước cố định. Cần nhớ rằng trong mạng đơn chặng mỗi node được trang bị r S bộ thu phát chuyển đổi được trong đó 1≤r S ≤N-1. Đối với mạng đơn chặng chúng ta giả thiết rằng các bộ thu phải được chuyển tới mỗi bước sóng đối với mỗi gói tin truyền dẫn. Do đó sự ước lượng dung lượng của chúng ta là khá ôn hoà ở khía cạnh là mỗi bộ thu, nói chung, có thể được chuyển tới cùng một bước sóng khi đang truyền dẫn nhiều hơn một gói tin theo hai hướng. Giả thiết τ biểu thị thời gian chuyển đổi của các bộ thu khác không. Thời gian này giảm một cách đáng kể tốc độ dữ liệu của mỗi bộ thu phát. Kết quả là tốc độ dữ liệu mạng cho mỗi bộ thu phát biểu thị bởi: S S = L .S (4.7) L +  1 .S ,  L =  (4.8) 1+  L L Trong đó τ L biểu thị thời gian chuyển đổi bộ thu phát đã được bình thường hoá bởi thời gian truyền dẫn gói tin L. Với khoảng cách chặng trung bình h S =1 thì dung lượng của mạng đơn chặng sẽ là: C S = r S . S . N (4.9) 1 +  L Hình 3.8 Khoảng cách chặng trung bình và r M với N = 16 Trong mạng đa chặng mỗi node có r M bộ thu phát trong đó 1≤r M ≤N- 1. Vì các bộ thu phát này là cố định nên sẽ không có thiết hại do thời gian chuyển đổi. Kết quả là tốc độ dữ liệu hiệu quả sẽ bằng S. Sử dụng giới hạn dưới của khoảng cách chặng trung bình cho trong phương trình 4.5 sẽ cho giới hạn trên của dung lượng mạng đa chặng như sau: C M≤ r M . S . N (4.10) h M r M . S . N . (N-1) [ N-1 ] [ N-1 ] + 1 r M r M r M + [(N-1) mod r M ] [ N-1 2 r M * Tính toán với một vài giá trị thực tế. Trong các kết quả dưới đây chúng ta xem xét các gói tin với kích thước cố định 1500 byte được thu – phát với tốc độ 10Gb/s. Vì thế thời gian truyền dẫn một gói tin sẽ là L = 1,2µs. Độ lớn của kênh được giả thiết là 100GHz (tương ứng với 0,8nm tại bước sóng 1,55µm). Đầu tiên chúng ta xem xét mạng đơn chặng trong đó mỗi node có các bộ thu phát quang âm chuyển đổi nhanh với thời gian chuyển đổi là 10ns. Nó sẽ dân đến thời gian chuyển đổi bộ thu phát đã bình thường hoá là r L =8,33.10 -3 . Với độ rộng kênh là 0,8nm và dải chuyển đổi bộ thu phát giới hạn là 10-15nm thì số lượng các bước sóng sẵn sàng sấp xỉ bằng 16. Điều này cho phép hiện thực hoá mạng đơn chặng và đa chặng với kích thước lên tới N=16 node. Hình 3.8 biểu thị khoảng cách chặng trung bình của hai loại mạng trên như là hàm của số lượng các bộ thu phát r M cố định được sử dụng tại mỗi node của mạng đa chặng. Rõ ràng là, khoảng cách chặng trung bình trong mạng đơn chặng luôn là 1 không phụ thuộc vào r M và đóng vai trò như một tham chiếu cho khoảng cách chặng trung bình của mạng đa chặng tương ứng. Đối với mạng đa chặng hình 3.8 chỉ ra giới hạn dưới của khoảng cách chặng trung bình được nêu ở phương trình 4.5. Chúng ta thấy rằng giới hạn dưới sẽ giảm nhanh chóng khi r M tăng. Kết quả là một vài bộ thu phát cố định tại mỗi node là đủ để giảm khoảng cách chặng trung bình của mạng đa chặng một cách đáng kể và tiếp cận với khoảng cách chặng trung bình của mạng đơn chặng. Bổ sung thêm các bộ thu phát cho mỗi node sau đó chỉ có tác dụng nhỏ lên khoảng cách chặng trung bình của mạng đa chặng. Cần chú ý rằng r M =(N-1) = 15 thì cả mạng đơn chặng và đa chặng đều có khoảng cách chặng trung bình bằng 1. Tuy nhiên từ quan điểm dung lượng mạng thì rất có hiệu quả nếu trang bị cho mỗi node trong mạng đa chặng càng nhiều bộ thu phát cố định càng tốt. Hình 3.9 miêu tả giới hạn trên của dung lượng đối với mạng đa chặng, được cho trong phương trình 4.11, như là hàm của r M . Dung lượng của mạng đa chặng tăng theo hàm mũ hai khi r M tăng. Điều này là bởi vì thực tế r M lớn không chỉ làm giảm khoảng cách chặng trung bình mà còn tăng tính đồng bộ bằng cách sử dụng đồng thời tất cả r M bộ thu phát tại mỗi node. Để so sánh hình 3.9 cũng chỉ ra dung lượng của mạng đơn hơp với số lượng bộ thu phát r S =1 tại mỗi node được cho trong phương trình 4.9. Chú ý rằng mạng đa chặng cần ít nhất bốn bộ thu phát cố định cho mỗi node để đạt được dung lượng bằng với mạng đơn chặng có một bộ thu phát chuyển đổi được ở mỗi node. 2 4 6 80 0 500 1000 1500 2000 2500 10 12 14 16 Single-hop network Multihop network Number of Fixed-tuned Transceivers Hình 3.9 Mạng dung lượng vàr M với N = 16 (r S =1, cố định) Chúng ta đã thấy rằng đối với một độ rộng kênh cho trước số lượng node N xác định dải chuyển đổi cần thiết của các bộ thu phát chuyển đổi được được sử dụng trong mạng đơn chặng. Với độ rộng kênh là 0,8nm và kích thước lên tới 16 node chúng ta có thể sử dụng các bộ thu phát quang điện với thời gian chuyển đổi không đáng kể. Tuy nhiên với số lượng node lớn hơn thì chúng ta phải sử dụngcác loại bộ thu phát khác với dải chuyển đổi rộng hơn và phải trả giá bởi sự mở rộng đáng kể thời gian chuyển đổi. Do đó với N > 16 các bộ thu phát quang âm cần phải được sử dụng. Chúng có thời gian chuyển đổi trường lớn hơn so với các bộ thu phát quang điện tương ứng dẫn đến thời gian chuyển đổi trung bình hoá là bình thường hoá τ L =8,33. Ảnh hưởng của các thời gian chuyển đổi bộ thu phát khác nhau lên dung lượng mạng đơn chặng được chỉ ra trong hình 3.10 cho 2≤N≤32 và r S =1. Chúng ta thấy rằng dung lượng mạng đơn chặng sẽ tăng tuyến tính theo N khi N≤16. Có điều này bởi vì mỗi node bổ sung sẽ có đóng góp như nhau vào dung lượng tổng. Khi N>16 các bộ thu phát quang âm với dải chuyển đổi lớn hơn sẽ phải được sử dụng. Trễ chuyển đổi bộ thu phát của loại này sẽ làm giảm đáng kể dung lượng mạng. Cần chú ý rằng với N>16 dung lượng mạng cũng vẫn tăng tuyến tính theo N nhưng với độ dốc nhỏ hơn. Network Capacity [Gbps] Hình 3.10 Mạng dung lượng vàr M với N (r S =1, r M =1 cố định) Ngoài ra hình 3.10 còn biểu thị giới hạn trên của dung lượng cho mạng đa chặng với r M =1 bộ thu phát cố định cho mỗi node. Điều thú vị là giới hạn này là hằng số khi thay đổi N. Có điều này bởi vì khi tăng N thì nhiều node sẽ được bổ sung vào dung lượng mạng nhưng mỗi node lại phải chuyển tiếp nhiều gói tin hơn do khoảng cách chặng trung bình tăng lên. Điều này lại dẫn tới làm giảm độ tận dụng kênh và làm giảm tốc độ dữ liệu mạng trên mỗi node. Điều này được thể hiện trong phương trình 4.11 trong đó giới hạn dưới của khoảng cách chặng trung bình cho mạng đa chặng tỷ lệ trực tiếp theo N. Kết quả là, giới hạn trên của dung lượng CM = 2.S = 20Gbit/s không phụ thuộc vào N. Các kết quả tương tự cũng có thể thực hiện cho r M >1. * Ưu nhược điểm của mạng đơn chặng Chúng ta đã xem xét các mô hình đơn chặng và đa chặng logic dựa trên AWG ở các mặt khoảng cách chặng trung bình và dung lượng. Mạng đơn chặng cho khoảng cách chặng trung bình tối thiểu bằng 1 nhưng đòi hỏi các bộ thu phát chuyển đổi được tại mỗi node. Ngược lại, các bộ thu phát trong mạng đa chặng thì không cần chuyển đổi được nhưng khoảng cách chặng trung bình nói chung lại lớn 1. Trong khi trang bị cho mỗi node các bộ thu phát bổ sung thì khoảng cách chặng trung bình trong mạng đa chặng sẽ giảm nhưng vố mạng đơn chặng thì khoảng cách chặng trung bình lại không phụ thuộc vào số lượng các bộ thu phát trong mỗi node. Ưu điểm của mạng đơn chặng + Tính trong suốt: Khác với mạng đa chặng, các gói tin trong mạng đơn chặng không phải truyền dẫn qua node trung gian dọc theo đường tới node đích của nó do đó tránh được bất cứ một chuyển đổi quang- điện-quang nào. Vì không có quá trình xử lý điện liên quan nên mạng đơn chặng không quan tâm tới cấu trúc dữ liệu và có thể mang đồng thời các giao thức khác nhau và các lược đồ mã hoá bit khác nhau. Hơn thế, chúng có thể mang một dải tốc độ bit khá lớn. Ngược lại các giải pháp OEO mạng loại lưu lượng duy nhất và đòi hỏi các thiết bị chuyển đổi có giá thành cao từ các giao thức khác đối với các chuẩn được hỗ trợ. Nó cũng nâng tính phức tạp của việc quản lý mạng. + Đơn giản hoá việc quản lý: Mạng đơn chặng dựa trên AWG là hoàn toàn thụ động và tỷ lệ bít/gói tin chỉ thay đổi tại biên giới của mạng. Tất cả sự thông minh mạng được chuyển vào phần ngoại vi mạng sẽ làm đơn giản hoá việc quản lý mạng. mạng đơn chặng cũng chịu đựng tốt hơn đối với các lỗi node so với mạng đa chặng vì các node này không tham gia vào qua trình chuyển tiếp gói tin. + Phù hợp với xu thế: Như đã được chỉ ra ở trên các mạng đơn chặng có khả năng mang hầu hết các giáo thức trong tương lai với các tốc độ khác nhau mà không phải thay thế các thành phần linh kiện mạng. Các dịch vụ tương lai như là thuê một bước sóng sẽ dễ dàng được hiện thực hoá. Để nâng cấp tốc độ bit giữa một cặp node cho trước bất kỳ, chỉ node nguồn và node đích cần sử dụng các linh kiện tiên tiến mới. Không giống như mạng đơn chặng, tất cả các node trung gian trong mạng đa chặng đều phải cần nâng cấp. + Giảm thiểu xử lý: Trong mạng đơn chặng không node trung gian nào phải lo lắng về việc lưu trữ và chuyển tiếp gói tin. Mỗi node chỉ phải xử lý các gói tin được đánh địa chỉ đến chính nó. + Nâng cao hiệu năng trễ-thông lượng: Trong mạng đơn chặng không xảy ra lãng phí băng thông do việc chuyển tiếp gói tin nên nâng cao được độ tân dụng kênh và thông lượng. Nói chung, mạng đơn chặng cung cấp trễ gói tin nhỏ hơn so với mạng đa chặng. Trong mạng đa chặng trễ có thể lớn vì truyền dẫn một gói tin giữa hai node đôi khi chỉ có thể thông qua rất nhiều chặng, mỗi lần vượt qua một AWG. Điều này có nghĩa là một tuyến đi dài hơn và do đó gây tăng cương trễ. Nó là thành phần trễ chính trong các mạng tốc độ cao. Nhược điểm của mạng đơn chặng là giới hạn về vùng phủ địa lí, khả năng kết hợp truyền dẫn phức hợp giữa các bộ thu chuyển đổi được, và chi phí hệ thống tương đối cao vì các bộ thu phát chuyển đổi được có giá thành cao. Các mạng đơn chặng là giải pháp đầy hứa hẹn cho mạng nội thị và mạng nội hạt nhưng không là giải pháp cho các mạng diện rộng. Các mạng đường dài thường là các mạng đa chặng chuyển đổi OEO tại các node trung gian để tái tạo tín hiệu, xử lý gói tin, và đệm. Trong mạng đơn chặng dựa trên AWG cả bộ thu và bộ phát đều phải chuyển đổi được do độ trễ chuyển đổi khác nhau rất lớn của các loại bộ thu phát khác nhau nên chỉ có các bộ thu phát quang điện với thời gian chuyển đổi vài nano giây là phù hợp để hiện thực hoá các mạng đơn chặng chuyển mạch gói đặc biệt trong môi trường tốc độ cao. Các bộ thu phát chuyển đổi nhanh với thời gian chuyển đổi vài ns đã được sử dụng trong các thí nghiệm mạng WDM nội thị. Với sự xuất hiện của laze DBR lưới mẫu hoá, các bộ thu phát chuyển đổi được không chỉ có thời gian chuyển đổi không đáng kể mà còn có dải chuyển đổi được mở rộng đáng kể lên tới hàng chục nm, công suất đầu ra lớn và tỷ lệ nén mode bên lớn. Tuy nhiên các bộ thu chuyển đổi nhanh vẫn chưa có trên thị trường tại thời điểm viết đồ án này. Chúng ta hy vọng rằng khó khăn về mặt công nghệ này sẽ nhận được nhiều sự quan tâm hơn. Việc sử dụng các bộ thu phát chuyển đổi được thực sự mang lại các lợi ích : [...]... nóng mạng sẽ không thể đủ khi chỉ trang bị cho các node điểm nóng nhiều bộ thu phát trong khi các node còn lại vẫn chỉ sử dụng một bộ thu phát duy nhất Trong mạng thực tế mỗi bộ thu phát chuyển đổi được phải được bảo vệ bởi một bộ thu phát thứ cấp để đảm bảo tính tồn tại trong trường hợp xảy ra lỗi Do đó trong mạng đơn chặng thực tế mỗi node sẽ bao gồm hai bộ thu phát chuyển đổi được giống hệt nhau Trong. .. Một mạng đơn chặng dựa trên AWG 8x8 chỉ cần các bộ thu phát với dải chuyển đổi 11,2nm so với 100,8nm cho một mạng dựa trên PSC Do vậy, trong mạng dựa trên AWG 8x8 các bộ thu quang điện có thể sử dụng Chúng có thời gian chuyển đổi nhỏ hơn nhiều so với bộ thu quang âm bắt buộc phải sử dụng trong mạng dựa trên PSC Do tổn hao chuyển đổi nhỏ hơn nên các kênh bước sóng được tận dụng hiệu quả hơn so với mạng. .. năng trễ, thông lượng của mạng đơn chặng dựa trên AWG sẽ được lợi như thế nào từ việc tái sử dụng bước sóng theo không gian Để thể hiện độ lợi hiệu năng nhờ tái sử dụng bước sóng theo không gian chúng ta sẽ so sánh mạng đơn chặng dựa trên AWG này với một mạng đơn chặng dựa trên PSC Tới nay hầu hết mạng WDM đơn chặng logic được triển khai trên một cấu hình sao dựa trên PSC vật lý Mạng này không cho phép... 3.14 thể hiện mạng đơn chặng dựa trên AWG trong đó đối với mỗi cổng vào và cổng ra AWG một bộ kết hợp N x1 và một bộ chia 1x N được ghép tương ứng Các thiết bị này là cần thiết để gắn N node tới mỗi cổng AWG Tất cả các bộ kết hợp và bộ chia phải nhạy cảm bước sóng Vì trong một mạng đơn chặng dựa trên AWG cả bộ phát và bộ thu đều phải chuyển đổi được để đảm bảo tính kết nối hoàn toàn trong mạng đơn chặng... 3.11 thể hiện tổn hao công suất trong phương trình 4.12 cho A{1,2,4,8,16,32,100} Rõ ràng tái sử dụng bước sóng theo không gian trong một mạng đơn chặng AWG chỉ xảy ra với tổn hao nhất định Hình 4.7 chỉ ra rằng đối với một AWG thực tế một xuyên âm khoảng –35dB và một tổn hao công suất 1dB Một bước sóng cho trước không thể tái sử dụng theo không gian nhiều quá 8 lần Do đó trong đồ án này chúng ta chỉ xem... cần số lượng bước sóng ít hơn nhiều so với PSC đặc biệt với N Điều này lại cho phép mạng đơn chặng dựa trên AWG triển khai các bộ thu phát quang điện có thời gian chuyển đổi vài ns đối với số lượng node mà ở đó một mạng đơn chặng dựa trên PSC đã phải sử dụng các bộ thu phát quang âm Chúng ta đã biết rằng các bộ thu phát quang âm có dải chuyển đổi rộng nhưng có thời gian trễ chuyển đổi rất lớn Ví dụ với... chuyển đổi được giống hệt nhau Trong khi mạng đa chặng yêu cầu nhiều hơn một bộ thu phát dự phòng tại mỗi node Mỗi bộ thu phát cố định phải được bảo vệ bởi một bộ thu phát khác hoạt động ở cùng bước sóng Kết quả là số lượng các bộ thu phát cố định trong một node trong mạng đa chặng có thể rất lớn Thông thường dãy các bộ thu phát này được tích hợp trên một chip duy nhất để giảm chi phí Nếu một bộ thu... hỗ trợ tính hoàn toàn kết nối và cho phép mỗi node truyền thông ở thời điểm bất kỳ Trong mạng đơn chặng dựa trên PSC mỗi node được gắn tới một cổng PSC riêng như trong hình 3.13 Mỗi node được trang bị một bộ thu phát giống hết nhau gồm một bộ thu và một bộ phát Bộ phát của một node được gắn tới một trong N cổng vào PSC trong khi bộ thu tương ứng gắn ở cổng ra đối diện Vì tất cả các node đều có mụcđích... băng thông so với một hệ thống trong đó mỗi node có thể chuyển bộ thu của nó tới bước sóng tương ứng của node nguồn Các bộ thu nhạy cảm bước sóng thì đắt hơn các bộ thu cố định Mặc dầu rất khó để dự đoán giá của các bộ thu phát chuyển đổi được sẽ có trong thị trường trong tương lai nhưng chúng ta cũng có thể rút ra được một số nhận xét sau Vì lý do kinh tế, mỗi node trong mạng đơn chặng dựa trên AWG không... tận dụng kênh và nâng cao hiệu năng trễ thông lượng của mạng 3 Tránh được việc phải gán một bước sóng dành riêng cho bộ thu cố định của một hoặc nhiều node sẽ làm giảm độ tận dụng kênh vì một bước sóng cho trước không thể sử dụng bởi các bộ thu khác khi nó rỗi 4 Hỗ trợ đa phiên sẽ không hiệu quả trong một mạng với node sử dụng bộ thu cố định Trong một hệ thống với mỗi node có một kênh dành riêng để . ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI: DUY TRÌ TRONG MẠNG QUANG WDM CHƯƠNG III. MẠNG MAN ĐƠN CHẶNG LỰA CHỌN BƯỚC SÓNG DỰA TRÊN AWG Trong đó r biểu thị số lượng bộ thu phát. cả các khe thời gian chỉ được gán tới bước sóng 1. AWG 2x2 2x1 2x1 2x1 2x1 2 3 4 1 2 3 4 R x T x a) R x . tỷ lệ lỗi là 10 -9 . Hình 3. 11 thể hiện tổn hao công suất trong phương trình 4. 12 cho A{1 ,2, 4,8,16 , 32 ,100}. Rõ ràng tái sử dụng bước sóng theo không gian trong một mạng đơn chặng AWG chỉ xảy