Gán bước sóng động cho yêu cầu điểm đa điểm trong các mạng toàn quang wdm

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH KHẢ TÚ GÁN BƯỚC SÓNG CHO YÊU CẦU ĐIỂM-ĐA ĐIỂM TRONG CÁC MẠNG TOÀN QUANG WDM Chuyên ngành : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ Mã số ngành : 2.07.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2004 1.1 Sự đời mạng quang Vào cuối năm kỷ 20, phát triển mạnh mẽ công nghệ mạng ảnh hưởng vào việc tổ chức hệ thống máy tính Mô hình gồm máy tính đơn dùng để phục vụ nhu cầu tính toán tổ chức (một công ty hay trường đại học,…) thay mô hình gồm máy tính riêng biệt kết nối với để thực công việc Nói cách khái quát hơn, mạng máy tính tập hợp máy tính độc lập kết nối (thông qua cáp đồng, sóng vi ba, sợi quang hay vệ tinh) để hỗ trợ thông tin theo nhiều cách Ngoài việc cung cấp môi trường thông tin tốt, vấn đề chia sẻ nguồn tài nguyên có sẵn (các chương trình liệu máy tính có sẵn người sử dụng mạng mà không cần quan tâm đến vị trí địa lý máy tính người sử dụng), đáng tin cậy dịch vụ cải tiến (do hành nhiều máy tính) tính hiệu chi phí (bởi máy tính nhỏ có tỉ số giá cả/ thực thi (price/performance) tốt máy tính lớn) … số ưu điểm mạng Từ thời điểm Arpanet biết đến mạng tốc độ cao ngày nay, vấn đề thiết kế kỹ thuật liên quan đến lónh vực mạng máy tính trở thành trình dài Nhu cầu kênh thông tin không lỗi băng thông cao gia tăng Các dịch vụ cung cấp mạng máy tính bao gồm truy cập thông tin từ xa (thông tin người nơi chứa sở liệu từ xa_ví dụ truy cập World Wide Web) thư điện tử (thông tin người người) hàng triệu người khắp hành tinh sử dụng Sự phát triển mạnh mẽ Internet ứng dụng tăng cường băng thông xem phim ảnh theo yêu cầu (ví dụ chọn phim nơi xem trực tiếp), hội nghị đa truyền thông (yêu cầu thiết lập kết nối băng thông cao nhiều người khác cho họp ảo bảo đảm mức chất lượng phục vụ mong muốn cho họp ảo đó, ví dụ: băng thông rộng, tốc độ tổn hao gói liệu hợp lý,…), … đòi hỏi mạng truyền tải băng thông cao mà dung lượng (băng thông) mạng phải vượt nhiều so với băng thông mà mạng tốc độ cao (như mạng ATM) cung cấp Vì thế, xét đến mạng có dung lượng cao chi phí thấp mạng quang trở thành ứng viên sáng giá Sợi quang cung cấp môi trường lý tưởng để truyền lượng liệu lớn (gần 50 Terabits giây [Tb/s]) Ngoài việc cung cấp băng thông lớn thế, sợi quang có chi phí tương đối thấp (gần $0.30 yard), tốc độ lỗi bit thấp (0.2dB/km), sái dạng tín hiệu thấp, yêu cầu lượng thấp, sử dụng vật liệu yêu cầu không gian nhỏ Ngoài ra, so với cáp đồng sợi quang an toàn hơn, từ việc lấy trộm nghe thông tin (bởi ánh sáng không xạ từ sợi quang gần gắn thiết bị vào mà không bị phát hiện) tránh tượng giao thoa xuyên kênh Các mạng quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) xem kỹ thuật mạng tương lai 1.2 Các mạng quang Các mạng quang (trong liệu chuyển đổi thành hạt sáng gọi photons sau truyền qua sợi quang) truyền nhanh mạng truyền thống (trong liệu chuyển đổi thành electrons truyền qua cáp đồng) photons nhẹ electrons nữa, không giống electrons, photons không ảnh hưởng lẫn chúng di chuyển sợi (bởi chúng không mang điện) không bị tác động photons rải rác bên nh sáng có tần số cao nên bước sóng ngắn thế, với chiều dài, sợi quang chứa nhiều thông tin cáp đồng Những sợi quang suốt, dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần bên trong, biết đến vào năm 1850s triển khai cho đèn soi vào đầu năm 1900s Việc sử dụng sợi thủy tinh (sợi quang) kiến nghị Kao Hockham vào năm 1966 Sợi quang chế tạo vào năm 1970s Sự đa dạng mạng quang xuất vào cuối năm 1980s đầu năm 1990s, cáp quang thay cáp đồng để cải tiến tốc độ cao 1.2.1 Nguyên lý sợi quang Sợi quang bao gồm khối thủy tinh (lõi) hình trụ mà ánh sáng truyền thông qua Lõi bao bọc lớp thủy tinh đồng tâm (lớp bảo vệ) lớp lại bảo vệ vỏ bọc nhựa mỏng (Hình 1.1(a)) Lõi có hệ số khúc xạ cao lớp bảo vệ Tỉ số hệ số khúc xạ lớp bảo vệ lõi, gọi góc tới hạn θc Yếu tố làm nên hoạt động sợi quang phản xạ toàn phần bên trong: Khi tia sáng từ lõi tiếp cận đến bề mặt lõi lớp bảo vệ với góc tới nhỏ θc, tia sáng bị phản xạ hoàn toàn trở lõi (Hình 1.1(b)) Core (glass) Cladding (glass) Jacket (plastic) (a) θc (b) Hình 1.1 (a) Sợi quang (b) Sự phản xạ sợi quang Bởi tia sáng đến bề mặt lõi lớp bảo vệ góc tới nhỏ θc (góc tới hạn) bị phản xạ bên trong, nhiều tia sáng khác từ lõi phản xạ góc khác Trong trường hợp đó, tia xem có mode khác thế, sợi có đặc tính gọi sợi đa mode (multimode fiber) (Hình 1.2(a)) Nhiều mode làm cho tia sáng giao thoa nhau, giới hạn tốc độ bit cực đại có Nếu đường kính lõi hẹp, sợi hoạt động giống ống dẫn sóng, tia sáng truyền theo đường thẳng dọc theo trục sợi Sợi có đặc tính gọi sợi đơn mode (single-mode fiber) (Hình 1.2(b)) Các sợi đơn mode truyền liệu hàng Gigabits giây với khoảng cách hàng trăm km đắt tiền Trong sợi đa mode, đường kính lõi 50μm, đường kính lõi sợi đơn mode từ 8μm đến 10μm Đường thẳng trực tiếp (Direct Path) Đường phản xa Ï(Reflected Path) (a) (b) Hình 1.2 (a) Sợi đa mode (nhiều tia theo đường truyền khác nhau) (b) Sợi đơn mode (chỉ truyền theo hướng sợi) 1.2.2 Hệ thống truyền quang Một hệ thống truyền quang có ba thành phần bản: phát, môi trường truyền thu (Hình 1.3) Bộ phát bao gồm nguồn sáng (Laser hay Led) điều chế với tín hiệu điện ngõ vào để tạo thành tia sáng truyền vào sợi quang (môi trường truyền) Một cách tiêu biểu chuỗi thông tin nhị phân chuyển thành xung có ánh sáng mà sau truyền vào môi trường sợi quang Tại thu, xung có ánh sáng chuyển trở tín hiệu điện phát quang.Vì thế, có hệ thống truyền đơn hướng (hoạt động theo hướng), hệ thống nhận tín hiệu điện, chuyển đổi truyền tín hiệu xung ánh sáng qua môi trường sợi quang, sau chuyển đổi xung ánh sáng thành tín hiệu điện thu Tín hiệu điện Bộ phát Môi trường truyền Bộ điều chế Bộ phát lại Bộ thu Bộ phát Tín hiệu điện Nguồn quang Hình 1.3 Hệ thống truyền quang Sự suy hao sợi dẫn đến tổn hao công suất tín hiệu tín hiệu truyền qua khoảng cách Khi phát minh vào năm 1970, sợi quang có tổn hao 20dB/km, vòng 10 năm, sợi quang với tổn hao 0.2dB/km Sự suy hao theo dB tính 10log10(công suất truyền/công suất nhận) Sự suy hao ánh sáng sợi tùy thuộc vào bước sóng sử dụng Hình 1.4 trình bày suy hao theo dB km (tuyến tính) sợi Từ hình vẽ ta thấy có ba cửa sổ (dải) tổn hao thấp, tập trung 0.85; 1.30; 1.55 μm Các hệ thống truyền sợi quang (vào năm 1970s) hoạt động dải 0.85μm với tốc độ hàng chục Mb/s sử dụng Led tương đối không đắt để làm nguồn sáng Trong đó, hệ thống truyền thông quang sử dụng nguồn Laser hoạt động dải 1.30 1.55 μm, với tốc độ đạt hàng Gb/s.Về bản, suy hao tùy thuộc vào độ tinh khiết (hơi nước) sợi thủy tinh tán xạ Rayleigh (khi môi trường không đồng tuyệt đối, gây dao động nhỏ hệ số khúc xạ, điều làm cho tia sáng bị tán xạ làm suy hao tín hiệu truyền) Để khắc phục suy hao, sử dụng phát lại, hay gọi lặp, đặt sợi (Hình 1.3), lưu giữ tín hiệu bị phân rã để tiếp tục truyeàn Suy hao (dB/km) 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Bước sóng (μm) 1.6 1.7 1.8 Hình 1.4 Nhiễu theo bước sóng sợi quang Khi xung ánh sáng truyền qua sợi, xung trải dài ra, điều có nghóa độ rộng xung mở rộng Sự trải rộng gọi tán sắc lượng tán sắc phụ thuộc bước sóng Sự tán sắc giới hạn khoảng thời gian xung liên tiếp (bởi giao thoa xung có ánh sáng trước sau) giới hạn tốc độ bit Có hai loại tán sắc sợi tán sắc intermodal, tán sắc chromatic Tán sắc intermodal xuất sợi đa mode, sợi này, lượng xung truyền mode khác nhau, mode có tốc độ ánh sáng khác nhau, xung trở nên mờ sau di chuyển qua khoảng cách dọc theo sợi Tán sắc chromatic gây truyền tia Laser, tia gửi tất photons vào bước sóng cách xác bước sóng khác di chuyển với tốc độ khác Một dạng xung đặt biệt, gọi solitons, trì dạng truyền qua sợi quang Các solitons cung cấp lời giải cho toán tán sắc Các thực nghiệm chứng minh solitons đạt vận tốc 80Gb/s qua khoảng cách 10.000km 1.2.3 Mạng quang hệ thứ hai Sợi quang hiển nhiên trở thành phương tiện truyền dẫn ưa thích ngày nay, truyền dẫn ghép kênh phân chia bước sóng WDM dùng rộng rãi mạng Những năm gần đây, người ta nhận mạng quang có khả cung cấp nhiều chức truyền dẫn điểm nối điểm Những thuận lợi chủ yếu đạt cách hợp vài chức chuyển mạch định tuyến thực điện tử vào phần quang mạng Ví dụ tốc độ liệu cao, việc xử lý liệu điện tử trở nên khó khăn Giả sử thiết bị điện tử phải xử lý liệu khối 53 bytes (chiều dài tế bào phương thức truyền bất đồng ATM) Trong luồng liệu 100Mb/s, ta có 4.24μs để xử lý khối, với luồng 10Gb/s, khối phải xử lý vòng 42.4ns Trong mạng quang hệ thứ nhất, thiết bị điện tử nút phải điều khiển không tất liệu dành cho nút mà tất liệu xuyên qua đến nút khác mạng Nếu liệu định tuyến miền quang, tải trọng thiết bị điện nút giảm đáng kể Đây nguyên nhân cho đời mạng quang hệ thứ hai Các mạng quang dựa vào mô hình triển khai Kiến trúc mạng Hình 1.5, ta gọi mạng mạng định tuyến bước sóng Mạng cung cấp lightpaths cho người sử dụng, thiết bị cuối SONET định tuyến IP Lightpaths kết nối quang mang từ đầu cuối đến đầu cuối bước sóng tuyến trung gian Ở nút trung gian mạng, lightpaths định tuyến chuyển mạch từ tuyến sang tuyến khác Trong số trường hợp, lightpaths chuyển từ bước sóng thành bước sóng khác dọc theo đường Các lightpaths mạng định tuyến bước sóng sử dụng bước sóng không dùng chung tuyến truyền dẫn Điều cho phép bước sóng sử dụng lại phần khác mạng Ví dụ hình vẽ 1.5 lightpaths Lightpath B C, lightpath D E, lightpaths E F không dùng chung tuyến liên kết mạng thiết lập sử dụng bước sóng λ1 Đồng thời lightpath A F dùng chung kết nối với lightpath B C nên phải sử dụng bước sóng khác (λ2) Tương tự, hai lightpaths E F phải gán bước sóng khác Chú ý tất lightpaths sử dụng bước sóng kết nối đường Đây ràng buộc cần phải giải mạng đủ khả chuyển đổi bước sóng Giả sử mạng có sẵn hai bước sóng muốn thiết lập lightpath hai nút E F Không có chuyển đổi bước sóng, thiết lập lightpath Nói cách khác, nút trung gian X thực chuyển đổi bước sóng, thiết lập lightpath sử dụng bước sóng λ2 tuyến EX bước sóng λ1 tuyến XF IP router A OXC OLT λ2 Lightpath λ1 λ1 C SONET terminal B OADM SONET terminal X λ2 D λ1 IP router E IP router λ1 F λ2 IP router Hình 1.5 Sơ đồ mạng quang định tuyến bước sóng 1.2.4 Các mạng toàn quang Một đặc trưng dịch vụ lightpath cung cấp mạng hệ thứ hai dạng dịch vụ suốt liệu thật gửi lightpath thiết lập Chẳng hạn tốc độ bit lớn nhỏ định rõ, dịch vụ chấp nhận liệu tốc độ bit dạng nghi thức vòng giới hạn Nó mang liệu tương tự Tính suốt mạng cung cấp nhiều thuận lợi Một điều hành viên cung cấp loại dịch vụ khác sử dụng sở hạ tầng riêng rẽ Ta nghó điều tính suốt dịch vụ Thứ hai, nghi thức Trường hợp có nút (dạng kết nối 2) Trường hợp có nút (dạng kết nối 3) Trường hợp có nút (dạng kết nối 1) Trường hợp có nút (dạng kết nối 2) Trường hợp có nút (dạng kết nối 3) Trường hợp có 10 nút (dạng kết nối 1) Trường hợp có 10 nút (dạng kết nối 2) Trường hợp có 10 nút (dạng kết nối 3) TRƯỜNG HP MẠNG VÒNG HAI HƯỚNG Trường hợp Unicast Nút chọn nút đích Nút chọn nút đích Nút chọn nút đích Nút chọn nút đích Nút chọn nút đích Trường hợp Multicast ... tục bước sóng gán bước sóng phân biệt kết nối quang ứng dụng cho mạng định tuyến bước sóng áp dụng cho mạng sóng ánh sáng tuyến tính Ngoài ra, có hai điều kiện định tuyến mà dành cho mạng sóng ánh... mạng quang WDM chuyển đổi từ liên kết WDM điểm- điểm thành mạng toàn quang (all-optical Networks), chức chuyển mạch định tuyến thực miền quang Trong mạng toàn quang, kết nối (lightpath) quang. .. tránh tượng giao thoa xuyên kênh Các mạng quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) xem kỹ thuật mạng tương lai 1.2 Các mạng quang Các mạng quang (trong liệu chuyển đổi thành hạt