Kỹ thuật đa truy nhập trong mạng quang và ứng dụng

Kỹ thuật đa truy nhập trong mạng quang và ứng dụng

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

Lời Mở đầu

Chương 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 được bước sóng 7

1.4.1 Điều chỉnh nhiệt 8

1.4.2 Điốt laze điều chỉnh được bước 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 được … 12

Chương 2 : Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bước sóng - wdma 2.1 Tổng quan về kỹ thuật WDMA 14

2.2 Mạng WDMA đơn bước 14

2.2.1 Mạng WDMA “ quảng bá và lựa chọn ” 14

2.2.2 Mạng WDMA “định tuyến theo bước 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 bước 25

2.2.3.2 Xuyên kênh 26

2.3 Mạng WDMA đa bước 29

2.3.1 Khái niệm chung về mạng WDMA đa bước 29

2.3.2 Đặc điểm của mạng WDMA đa bước ……… 31

2.4 ứng dụng mạng kỹ thuật đa truy nhập WDMA 36

2.4 1 Mạng WDMA đơn bước 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

3.2 Hiệu suất của mạng scma đơn kênh … 51

3.2.1 Nhiễu lượng tử Short noise ……… 53

3.2.2 Nhiễu nhiệt của máy thu 54

3.2.3 Nhiễu cường 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

Chương 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

Chương 5 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo m∙ - 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

Chương 6 : đề xuất mô hình ứng dụng mạng man Tại bưu 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

ATM Asynchronous Transfer Mode Mode chuyển giao không đồng bộ

B-ISDN Broadband Integrated Service Digital network

Mạng số liên kết đa dịch vụ băng rộng

BPF BandPass Filter Bộ lọc băng thông

BRAS Broadband Access Server Server truy nhập băng rộng CNR Carrier –to- Noise Ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu COT Central Office terminal Thiết bị đầu cuối tổng đài CT Central terminal Thiết bị đầu cuối tập trung DBR 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 Đường dây thuê bao số DSLAM DSL access Multiplexer Bộ ghép đường 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 cư

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 FWM Four –Wave Mixing Trộn bốn sóng

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 cường độ IMD Intermodulation Distortion Méo điều chế tương hỗ

LED Light Emitting Diode Điốt phát quang LED

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

MQW Multiple Quantum Well Giếng lượng tử

OA Optical amplifier Bộ khuếch đại quang OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ quang OFA 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 cường độ tương 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 gian TDMA Time division Multiple Access Đa truy nhập theo thời gian TT Tunable transmitter Bộ phát điều chỉnh được TR Tunable receiver Bộ thu điều chỉnh được FT Fixed – tuned transmitter Bộ phát cố định

VPN Virtual private network Dịch vụ mạng riêng ảo WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh theo bước sóng WDMA Wavelength Division Multiple

danh mục bảng

Bảng 2.1 Quan hệ giữa số nút mạng (N) và số bước (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 1.9 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 được 12

Hình 2.1 Mạng WDMA hình sao đơn bước “quảng bá và lựa chọn” 15

Hình 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số bước sóng được sử dụng

17 Hình 2.3 Quan hệ số bước sóng bận -Tải ρ và số bước sóng cực đại 20

Hình 2.4 Nguyên lý định tuyến bước sóng mạng WDMA đơn bước 220

Hình 2.5 Mạng định tuyến theo bước sóng N = 3 nút ,sử dụng phần tử WDM

21 Hình 2.6 Mạng định tuyến theo bước sóng sử dụng chuyển mạch không gian chọn bước sóng

23

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạng LLN ……… 24

Hình 2.8 Tái sử dụng bước sóng trong mạng LLN 25

Hình 2.9 Quan hệ thời gian đợi và tải cho mạng đệm đầu ra đầu vào 26 Hình 2.10 Chọn kênh trong mạng WDMA thu kết hợp 27

Hình 2.11 Mất mát công suất do xuyên kênh trong bộ tách sóng quang 28 Hình 2.12 Quan hệ giữa công suất cực đại trên kênh và số kênh cho 4 ảnh hưởng phi tuyến trong mạng WDMA ………

29 Hình 2.13 Cấu trúc mạng đa chặng WDMA hình sao 8 nút 30

Hình 2.14 Biểu đồ kết nối trực tiếp Shufflenet mạng đa chặng hình sao 8 nút

32 Hình 2.15 Biểu diễn thông lượng trên một nút, số nút N cho mạng WDMA shuffleNet

35 Hình 2.16 Cấu trúc mạng Lambdanet WDMA 36

Hình 2.17 Cấu trúc cơ bản của mạng FOX 38

Hình 2.18 Cấu trúc mạng WDMA –Hypass 39

Hình 2.19 Minh hoạ thuật toán thăm dò hình cây trong trường 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 ρ trong mạng 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 53

có độ lệch tần số trung tâm bằng δv

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 (SNRtot) tổng và 4 loại nhiễu trong hệ thống SCMA đơn kênh

59 Hình 3.4 Hướng lên hệ thống FITL dựa trên SCMA –PON 60

Hình 3.5 Mạng SCMA đa kênh , N bước sóng và M nút mạng trên một bước 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

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 Bưu 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 – Bưu điện Hà Nội 93 Hình 6.5 Sơ đồ triển khai MAN ứng dụng công nghệ HORNET trên mạng Hà Nội

108

Lời mở đầu

Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của thông tin, trong đó công nghệ thông tin và truyền thông là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội Do đó, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa phương tiện trong đời sống kinh tế – xã hội của từng quốc gia cũng như kết nối toàn cầu

Để đáp ứng được 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 lượng 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 lưu lượng 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 lưu lượng được đặt ra như 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 được khai thác có hiệu quả và đã đáp ứng được 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 được đặt ra nhằm thoả mãn sự phát triển của mạng và các loại hình dịch vụ có băng tần và chất lượng cao Để thực hiện các mục đích trên người 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:

Chương 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 được ứng dụng trong mạng quang đa truy nhập (Bộ phát thay đổi, bộ thu thay đổi và bộ lọc thay đổi được)

Chương 2 sẽ trình bày về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bước

sóng WDMA trong đó đưa ra tổng quan về công nghệ WDMA, các khái niệm về mạng WDMA đơn bước và đa bước đồng thời phân tích cấu trúc, đặc tính kỹ thuật của các mạng WDMA đơn bước và đa bước và nghiên cứu một số cấu trúc và giao thức mạng ứng dụng kỹ thuật WDMA

Chương 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, đưa ra các phân tích ảnh hưởng về nhiễu gây ra liên quan đến hiệu suất của mạng và nêu ứng dụng của kỹ thuật SCMA

Chương 4 mô tả kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA với hai

phương thức xử lý ghép dòng tín hiệu dưới 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)

Chương 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

Chương 6 đề xuất khả năng ứng dụng mô hình ứng dụng MAN trên

mạng của Bưu điện Hà nội để chuyển tải lưu lượng cho các mạng băng rộng và từng bước có thể thay thế các mạng truyền dẫn kênh truyền thống Việc triển khai ứng dụng mạng MAN nhờ kỹ thuật WDMA cũng như ứng dụng của kỹ thuật WDMA trong các mạng đường trục và mạng diện rộng được mô tả cho thấy mức độ và tính khả thi khi áp dụng cấu trúc MAN cho việc truyền tải dữ liệu chuyển mạch gói rất phù hợp cho các ứng dụng của mạng thế hệ sau NGN vào thực tế như thế nào

Chương 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 bước sóng ta có kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM tương ứng là kỹ thuật truy nhập WDMA, ghép kênh nhiều sóng mang SCM tương 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 hướng đi từ người sử dụng đến tổng đài có lưu lượng nhỏ và hướng về từ tổng đài đến người sử dụng có lưu lượng lớn hơn rất nhiều, vì vậy, kỹ thuật truy nhập cho các hướng cũng khác nhau

Để thực hiện được mạng quang đa truy nhập cần phải có một số cấu kiện quang, thông thường được gọi là các thiết bị quang thụ động Tuỳ theo các chức năng thực hiện mà chúng được chia ra các loại như 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 ngược lại của bộ chia, nó tổng hợp một số tín hiệu quang ở các đường vào và đưa tới một đầu ra duy nhất

• Bộ ghép hình sao quảng bá: Thiết bị này thực hiện việc kết hợp các tín hiệu quang từ các cổng vào và chia đều nó cho các cổng ra

• Thiết bị ghép kênh theo bước sóng : Thiết bị này tổng hợp các kênh có bước sóng khác nhau tại các đầu vào và đưa ra một đầu ra duy nhất • Thiết bị tách kênh theo bước sóng : Thiết bị này chia đa kênh quang từ

một đầu vào thành các đầu ra khác nhau tuỳ thuộc vào bước sóng của chúng

• 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 đưa kênh được chọn này đến đầu ra

Ngoài ra trong một số mạng quang đa truy nhập yêu cầu một vài phần tử điều chỉnh được, ví dụ như bộ phát thay đổi được (Tx- Tunable), bộ thu

thay đổi được (Rx- Tunable) và các bộ lọc quang thay đổi được 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 bước sóng (WDMA)

Hình 1.1 Cấu kiện quang thụ động

a Bộ chia quang d Bộ ghép kênh theo bước sóng b Bộ tổng hợp quang e Bộ tách kênh theo bước sóng c Bộ ghép hình sao quảng bá f Bộ cách ly quang

1.2 Bộ ghép hình sao quảng bá

Hình 1.2 Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode Vai trò của một bộ ghép hình sao là kết hợp các tín hiệu quang từ các cổng đầu vào và chia đều nó trên các cổng đầu ra như chỉ ra trên hình 1.2 Không như các bộ tách kênh, các bộ ghép hình sao không chứa các phần tử

9

10

11

12 8

5

4 3 2 1

MN

λn λ1

lựa chọn bước sóng Vì vậy chúng không có khả năng tách các kênh riêng rẽ Trong trường 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 được 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 được 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 như vậy cho cấu trúc hình sao 8x8 tạo thành từ 12 bộ ghép 2x2 Để tạo ra được bộ coupler hình sao NxN thì số bộ coupler 3 dB cần thiết được tính theo biểu thức sau:

NC log22

Nếu gọi β là suy hao của tín hiệu khi đi qua coupler 3dB thì hệ số này được xác định bằng tổng số công suất đầu ra trên tổng công suất đầu vào, thông thường giá trị này được biểu diễn theo đơn vị deciBel Suy hao tổng của tín hiệu khi đi qua bộ ghép hình sao NxN được tính như biểu thức (1.2) Như vậy khi số cổng tăng lên thì suy hao tín hiệu qua bộ ghép cũng tăng lên

10 10(1 3.3log ).loglog

Có một giải pháp khác được đưa ra là sử dụng các bộ ghép

biconical-taper (thắt làm hai hình chóp nóng chảy) để tạo ra các bộ ghép hình sao vững

vàng, chắc chắn Hình 1.3 mô tả sơ đồ sao truyền dẫn và sao phản xạ được tạo ra bằng công nghệ này Kỹ thuật này làm nóng chảy một số lượng 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 được ghép lại với nhau và chia đều ra trên các cổng đầu ra Cấu trúc như vậy hoạt động tương đối tốt với sợi đa mode Còn trong trường hợp sợi đơn mode thì nó bị hạn chế do chỉ có thể làm nóng chảy được vài sợi Các bộ ghép nóng chảy 2x2 sử dụng sợi đơn mode được chế tạo từ khá sớm Chúng có thể được thiết kế để hoạt động trên một phạm vi bước sóng rộng

a, Bé ghÐp sao truyÒn dÉn ; b, Bé ghÐp sao ph¶n x¹ H×nh 1.3 C¸c bé ghÐp h×nh sao

i(λ1 λn) i1(λ1)

in(λn)

O1(λ1)

On(λn)

laze đơn mode thường không phát một lượng công suất đáng kể nào ở ngoài độ rộng phổ kênh đã định trước 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 thường nhạy cảm trên cả một vùng rộng các bước sóng cho nên nó có thể thu được toàn bộ các bước sóng đã được phát đi từ phía thiết bị phát Như 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 bước sóng cắt chính xác

Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép kênh nào cũng có thể được dùng làm bộ tách kênh Như vậy hiểu đơn giản, từ “bộ ghép-Multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để tương thích cho cả bộ ghép và bộ tách kênh, ngoại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng

Người 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 được dùng cho phương án truyền dẫn theo một hướng, còn loại thứ ba (MUX-DEMUX) được sử dụng cho phương án truyền dẫn hai hướng 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 bước sóng, nó biểu thị các tín hiệu quang đi vào cửa thứ i và ra cửa ra thứ j

Oi(λi)

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 hướng ở hình 1.4 và thiết bị hai hướng như ở hình 1.5 Các ký hiệu I(λi) và O(λk) tương ứng là các tín hiệu có bước sóng λi , λk ở đường chung Ký hiệu Ik(λk) là tín hiệu đầu vào được ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k Ký hiệu Oi(λi) là tín hiệu có bước sóng λi đã được 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 như sau :

Suy hao xen : Được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong

tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép bước 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 được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ ghép coupler chung, nhưng có điểm khác là ở WDM chỉ xét cho một bước sóng đặc trưng:

= đối với thiết bị MUX 1.3

= đối với thiết bị DEMUX 1.4 Với Li là suy hao tại bước sóng λi khi thiết bị được ghép xen vào tuyến

Xuyên kênh : Là hiện tượng một lượng nhỏ tín hiệu từ kênh này bị rò

sang kênh khác Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc vào trường hợp áp dụng, nhưng nhìn chung phải đảm bảo nhỏ hơn –30 dB trong mọi trường hợp Trong một bộ tách kênh lý tưởng sẽ không có sự rò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng λi sang các kênh khác có bước sóng khác với λi Nhưng trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nhất định điều đó làm giảm chất lượng truyền dẫn của hệ thống Khả năng tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB :

( )( )]

λλ

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

Độ rộng kênh : Là dải bước sóng dành cho mỗi kênh mà nó định ra do

nguồn phát quang Nếu nguồn phát quang là các điốt laze thì các độ rộng kênh được 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 như khi nhiệt độ làm việc thay đổi sẽ làm trôi bước sóng Đối với nguồn phát quang là điốt phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần Như vậy, độ rộng kênh phải đảm bảo đủ lớn để tránh nhiễu giữa các kênh, vì thế nó được xác định tuỳ theo từng loại nguồn phát

1.4 điốt laze điều chỉnh được bước sóng

Đối với việc thiết kế hệ thống thì điốt laze lý tưởng là loại phát xạ đơn mode dọc với độ rộng phổ rất hẹp và tốc độ điều chỉnh bước sóng cỡ nano giây trên khoảng bước sóng cỡ 100 nm quanh bước sóng 1.3 hoặc 1.5 àm Đã có nhiều kỹ thuật được phát triển cho ứng dụng điều chỉnh bước sóng Tuy nhiên cho đến nay các kỹ thuật này vẫn chưa hoàn thiện và đáp ứng được tất cả các yêu cầu ứng dụng một cách đồng thời Do đó có những thoả hiệp nhất

DEMUX

Oi(λi) + Ui(λk) Sợi quang

I(λi) I(λk)

(a)

λj λk

I(λi) I(λk) O(λj)

(b)

Oi(λ i) + Ui(λk) + Ui(λj)

Ij(λj)

định về tốc độ điều chỉnh và khoảng bước sóng mà trên đó laze có thể điều chỉnh được liên tiếp Trong phần này sẽ đề cập đến một số loại kỹ thuật để tạo điốt laze có bước sóng thay đổi được

1.4.1 Điều chỉnh nhiệt

Do ảnh hưởng chỉ số khúc xạ của lớp laze tích cực phụ thuộc vào nhiệt độ, như vậy một cách đơn giản để làm laze thay đổi bước sóng là làm thay đổi nhiệt độ của nó Tỷ lệ thay đổi bước sóng theo nhiệt độ là vào khoảng – 0.1nm/ 0C ( + 13 GHz/ 0C tại bước sóng 1.5 àm) Do khoảng thay đổi nhiệt độ bị khống chế nhỏ hơn ± 10 0 C để đảm bảo độ tin cậy, do vậy khoảng điều chỉnh thực tế có thể được thực hiện bằng phương pháp này vào khoảng 2 nm là tối đa Gần đây khoảng điều chỉnh đã được cải thiện tới 10.8 nm khi sử dụng

laze giếng lượng tử – phản xạ phân bố Bragg MQW-DBR Tuy nhiên, tốc

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

1.4.2 Điốt laze điều chỉnh được bước sóng sử dụng hốc ngoài

Một phương pháp đơn giản để tạo điốt laze điều chỉnh được trên một khoảng rộng là thêm vào một bộ lọc thay đổi được tại một đầu ra Các laze như vậy được xem như là laze bán dẫn có hốc ngoài Bằng cách điều chỉnh bộ lọc, bước sóng của mode chọn có thể thay đổi cho tới khi xuất hiện bước nhảy tới mode mới của buồng cổng hưởng Fabry-Perot Đối với chiều dài hốc 10 cm thì các mode Fabry-Perot lân cận được phân cách cỡ δf ≈ 1 GHz (hay δλ ≈ 0.005 nm) Như vậy, khoảng điều chỉnh được thực hiện bằng các bước nhảy giữa các mode Fabry-Perot Nguyên tắc này được tuân thủ cho các loại điốt laze thay đổi được

Mặc dù rất nhiều dạng bộ lọc ngoài khác nhau đã được làm ra, tuy nhiên loại được 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 được chuẩn trực bằng thấu kính trước khi đi đến cách tử tán xạ, cách tử này đáp ứng như là gương phản xạ và cũng như bộ lọc băng hẹp Bước sóng được điều chỉnh bằng cách di chuyển cách tử ; Điều chỉnh thô được tạo ra bằng cách quay cách tử trong lúc đó điều chỉnh tinh được thực hiện bằng cách dịch chuyển cách tử theo chiều dọc Với kỹ thuật này khoảng điều chỉnh đạt được đến 240 nm tại bước sóng 1.55 àm khi sử dụng điốt laze giếng lượng tử (MQW)

Hình 1.7 Điốt laze điều chỉnh được 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 thước vật lý tương đối lớn và khó thực hiện được độ ổn định cơ học cho các bộ phát quang Những hạn chế này gần đây đã được khắc phục bằng phương pháp mới dựa trên nguồn quang bán dẫn có thể chọn được từng bước 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 bước sóng

Điều chỉnh thô 50 –240 nm

12 nm

2 nmCách tử tán xạ cố

định

Tín hiệu quang ra

Hai mảng phần tử tích cực

này sử dụng hai mảng phần tử tích cực tổ hợp với cách tử tán xạ cố định Sơ đồ thiết bị này được chỉ ra trong hình 1.8 và được gọi là laze MAGIC ( multistripe array grating-integrated cavity laser) Mỗi sọc được đánh địa chỉ một cách độc lập để tạo ra các bước sóng laze khác nhau Việc chọn và liên kết cách tử với một sọc là duy nhất với một bước sóng Thiết bị kiểu này có khả năng đánh địa chỉ cho 15 bước 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 bước sóng nhanh cỡ nano giây có thể được thực hiện bằng cách phun sóng mang vào môi trường laze tích cực, điều này làm giảm chỉ số khúc xạ hiệu dụng tạo nên sự thay đổi bước sóng laze đầu ra Khoảng điều chỉnh bước sóng có thể được ước tính bằng biểu thức δλ/λ=δneff/neff Trong thực tế khoảng thay đổi của chiết suất tương đối là vào khoảng 1% do hạn chế về nhiệt Như vậy khoảng thay đổi bước sóng lớn nhất cỡ từ 10 đến 15 nm có thể được thực hiện ở phương pháp này Để thực hiện điều chỉnh một cách độc lập bước 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 bước sóng phát xạ, điện cực còn lại được sử dụng để biển đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang được điều chế ở đầu ra Sơ đồ dựa trên cấu trúc hồi tiếp phân bố chỉ ra ở hình 1.9 được 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 được xác định bằng đoạn thứ nhất với thiên áp ngưỡng trên Bước sóng quang phát xạ chủ yếu được xác định bằng phần bơm

Lớp chống phản xạ

Tín hiệu quang ra Dòng điều khiển

Iakhuyếch đạiIb điều chỉnh

thứ hai tại cường độ dòng điện thấp hơn một chút so với cường độ ngưỡng trung bình Với công nghệ này người ta đã đưa 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 lượng cho phép cực đại của sóng mang phun vào phần điều khiển bước sóng

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

Việc cải thiện khoảng điều chỉnh bước sóng được thực hiện bằng cách tách vùng cách tử chọn bước sóng Bragg ra khỏi vùng khuyếch đại bên trong hốc laze Vùng Bragg lớn hơn vùng khuyếch đại Do đó, vùng Bragg có thể được bơm rất mạnh mà không cần sự đóng góp từ bộ tạo photon dẫn đến khoảng thay đổi được rộng hơn Cấu trúc này được xem như 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 bước sóng người ta đưa thêm phần thứ ba nhằm để điều chỉnh phase bước sóng bên trong hốc laze, cấu trúc của nó được chỉ ra ở hình 1.10 Nguyên lý điều chỉnh bước sóng trong bộ phản xạ phân bố Bragg ba đoạn có thể được hiểu như sau: Phần DBR đưa 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 như laze nếu phase của nó là bội số 2π Phần dịch phase sử dụng để điều chỉnh phase

ống sóng1.5àm InGaAsP

z=0 z=l

n+ InP p+ InP

Đầu ra quangDòng điều khiển

K Đại Ia

Ip phase Ib Bragg

Điều chỉnh

InGaAs/ InGaAsP MQW tích cực

của hành trình, như vậy bước sóng laze có thể được 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 như liên tục từ 8 nm đến 10 nm Gần đây người ta đã chế tạo được 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 được

Các bộ thu thay đổi được là phần tử then chốt trong mạng WDMA, nó có thể chọn được một kênh mong muốn trong một tập kênh ghép theo bước Thông thường việc chọn kênh đòi hỏi một bộ lọc quang thay đổi được, sơ đồ chức năng của bộ lọc quang điều chỉnh được trình bày trong hình 1.11, trong đó rất nhiều kênh đầu vào nhưng chỉ xuất hiện một kênh ở đầu ra

Hình 1.11 Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh được

Có rất nhiều loại thiết bị lọc quang điều chỉnh được, 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 bước sóng Một số thiết bị này cũng có thể được sử dụng trong các bộ thu quang kết hợp mặc dù bộ thu thay đổi trong tách sóng quang kết hợp thông thường đạt được từ bộ giao động nội có khả năng điều chỉnh (laze thay đổi) như đã trình bày mục trên Để đánh giá các bộ lọc quang thay đổi được người ta dựa trên một số thông số cơ bản như sau :

-Khoảng điều chỉnh ∆λ : Bằng khoảng giữa bước sóng ngắn nhất và dài nhất

mà bộ lọc có thể chọn được

-Số kênh cực đại : Định nghĩa bằng tỷ số của khoảng điều chỉnh được trên độ

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 bước sóng tới bước sóng mới bên trong khoảng điều chỉnh Đối với

Bộ lọc quang điều chỉnh được

Điều khiển chọn bước

sóng

Kênh được chọn

Tách sóng quang λ

λi λ

λ1 λ2 λn ∆λ

δλ

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

-Mức độ suy hao : Thông thường tín hiệu quang được chọn sẽ chịu một lượng

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 hưởng đến quỹ công suất của mạng

-Mức độ phụ thuộc vào phân cực: Tốt nhất là bộ lọc không bị ảnh hưởng bởi

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 được khống chế sao cho nó

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

-Yêu cầu về kích thước : Nhỏ gọn phù hợp với ứng dụng trong mạng quang

Hiện tại đã có rất nhiều loại bộ lọc điều chỉnh được như : 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

Nhận xét: Chương 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 được (Tx –Tunable; Rx- Tunable; bộ lọc quang thay đổi)

Với sự phát triển rất nhanh của công nghệ, do vậy nhiều cấu kiện cũng như các phần tử mới (ví dụ bộ xen rẽ quang, cách tử dẫn sóng ) đã và đang được nghiên cứu chế tạo nhằm tạo ra kiến trúc mạng quang hiện đại, mềm dẻo và ổn định để đáp ứng được các dịch vụ băng rộng cho khách hàng và cũng như 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 chương tiếp theo

Chương 2

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bước sóng –WDMA

2.1 Tổng quan về kỹ thuật WDMA

Việc sử dụng công nghệ WDM cho phép ta xây dựng một phương thức mạng trong đó bước sóng của kênh tự nó có thể được sử dụng cho chuyển mạch định tuyến hoặc phân phát từng kênh đến địa chỉ của nó Bước sóng ở đây được sử dụng cho đa truy nhập nên được xem là phương thức đa truy nhập theo bước sóng viết tắt là WDMA Về cơ bản để thực hiện được mạng WDMA yêu cầu các phần tử quang có khả năng điều chỉnh được bước sóng như là các nguồn phát quang điều chỉnh được hoặc là các bộ lọc quang điều chỉnh được Các phần tử này tạo thành các bộ thu phát quang điều chỉnh được để kết hợp vào mỗi nút mạng và nó được sử dụng vào các mục đích khác nhau phụ thuộc vào loại cấu trúc mạng WDMA được lựa chọn Mạng đa truy nhập sử dụng kỹ thuật ghép bước sóng được phân làm hai loại chính là : Mạng WDMA đơn bước (còn gọi là các mạng WDMA toàn quang) và mạng WDMA đa bước

1 Trong mạng đơn bước WDMA: Chuỗi tín hiệu được truyền dưới

dạng quang trong toàn mạng mà không có biến đổi quang-điện-quang và tái truyền dẫn ở các bước trung gian Mạng này được phân thành hai loại chính là

WDMA "quảng bá lựa chọn" và "định tuyến theo bước sóng"

2 Trong mạng đa bước 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 dưới dạng quang với các bước sóng thích hợp

2.2 Mạng WDMA đơn bước

Mạng WDMA đơn bước được phân loại thành hai loại chính là: Mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” và mạng WDMA “định tuyến theo bước 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 bước sóng, còn tại các đầu thu "quảng bá" có thể điều chỉnh để thu được nhiều bước sóng Trong mạng WDMA "quảng bá ", tất cả các bước

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

Ngược lại trong WDMA "lựa chọn" các bước sóng từ λ1,λ2 λn được đưa qua bộ tách WDM để đưa từng bước sóng đến Ri tương ứng Tại các bộ ghép WDM có thể thu cả, hoặc lựa chọn một số bước 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 được Nói chung mỗi nút mạng có thể được 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 bước sóng cụ thể Tuỳ thuộc vào các chức năng của các đầu thu, đầu phát mà mạng có các tính chất khác nhau:

Hình 2.1 Mạng WDMA hình sao đơn bước “quảng bá và lựa chọn” + Khi các bộ phát là điều chỉnh được trong khi các bộ thu được chỉnh cố định ở một bước sóng, một kết nối được thiết lập giữa bộ phát và bộ thu bằng cách điều chỉnh bước 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 được 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 được và một bộ thu cố định (được xem là mạng TT-FR) thì các nút trong mạng bị hạn chế

Mảng các bộ thu cố định - FR

λn

λ1 λ1

λ2 λi λn

Star Coupler NxN

R2 R1

r 1 r n

Ri

kết nối “điểm-tới-điểm” Đối với các kết nối “đa điểm - điểm” được thực hiện thì mỗi nút thu của mạng WDMA phải được trang bị tối thiểu từ hai bộ thu cố định trở nên (mạng kiểu này ký hiệu TT-FRm) Tương tự ta có khái niệm mạng kết nối kiểu multicast “điểm – tới - đa điểm” được thực hiện bằng việc trang bị tại mỗi nút phát của mạng từ hai bộ phát điều chỉnh được trở lên (ký hiệu mạng TTm -FR)

+ Mạng WDMA trở nên linh hoạt hơn có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các bộ phát cố định và bộ thu điều chỉnh được (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 bước sóng nó còn cung cấp khả năng kết nối Multicast Tương tự như các mạng TT-FR, Các kết nối “đa điểm – tới - điểm” cũng được cung cấp nếu các nút mạng WDMA được trang bị từ hai bộ thu điều chỉnh đựơc trở nên (ký hiệu là mạng FT-TRm).ưu điểm của các mạng FT-TR là tự động ngăn ngừa được các xung đột dữ liệu do mỗi kênh sử dụng các bước sóng khác nhau Tuy nhiên do các bộ thu chỉ có thể điều chỉnh tới một bước sóng ở một thời điểm nên dễ xảy ra mất dữ liệu trong mạng kiểu này Trong trường hợp này chất lượng của mạng FT–TR được cải thiện bằng cách thông báo cho các bộ thu biết được phải điều chỉnh đến bước 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 được (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 như 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 được điều chỉnh để phối hợp các luồng dữ liệu trong mạng

Như đã trình bày trong phần trên về các mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” với giả thiết rằng số bước sóng có khả năng sử dụng được W bằng với số nút N kết nối vào mạng Tuy nhiên trong thực tế do nhiều lý do về công nghệ nên số bước sóng có khả năng sử dụng W thường bị hạn chế, thường 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 bước bước sóng phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu Điều này dựa trên giả thiết rằng mỗi nút mạng đều có khả năng biết được hoàn toàn trạng thái

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

Khi số nút gán vào mạng hình sao quảng bá bằng N và số bước sóng có thể được dùng bằng W, trong đó W< N Một gói tin đi đến nút i được 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 như nhau cho tất cả các nút, các gói tin đến ở mỗi nút tuân theo hàm phân bố Poisson với tốc độ trung bình λ gói trên giây Do đó tải trung bình của mỗi tuyến vào bằng

àλρ=

Nw 2

(b) bộ phát điều chỉnh/bộ thu điều chỉnh.

Hình 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số bước sóng sử dụng Đối với mỗi giá trị ρ xác định thì số bước sóng bận w thay đổi ngẫu nhiên tuỳ theo thống kê của các tuyến vào Tính chất thay đổi động của w có thể được mô hình hoá bằng quá trình “sinh ra – mất đi ”như chỉ ra trong hình Hình 2.2 (a) tương ứng với trường hợp hoặc chỉ là bước sóng điều chỉnh được ở bộ phát hoặc bước sóng điều chỉnh được ở bộ thu, trong khi đó hình 2.2 (b) tương ứng với trường hợp bước sóng điều chỉnh được ở cả phát và thu Trong tất cả các trường hợp chuyển dịch trạng thái về hướng trái là kết quả là do giải phóng một bước sóng bận sau khi kết nối thành công Đối với một trạng thái xác định mà trong đó w bước sóng bận thì xác suất chuyển dịch trạng thái về hướng trái được tính theo biểu thức 2.1

σ ω →ω ư1 =w 2.1

Xác suất chuyển dịch trạng thái sang phía phải tương ứng với việc bổ sung thêm một bước sóng kích hoạt trong mạng, phụ thuộc vào vị trí của bước sóng điều chỉnh được đối với bộ phát và thu Khi chỉ có các bộ phát điều chỉnh được thì việc chuyển dịch trạng thái chỉ có thể xảy ra nếu đáp ứng 02 điều kiện sau:

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

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

=+

hai) có xác suất chuyển dịch trạng thái thái giống nhau Trường hợp cả hai phía phát và phía thu đều có khả năng điều chỉnh được 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 như sau được tính như sau:

Qua phân tích mở rộng đối với các trường 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 lượng nhỏ các bộ phát và bộ thu điều chỉnh được trên mỗi nút Điều này có thể xảy ra vì với giả thiết lưu lượng 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 như 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 được tính theo biểu thức 2.5

⎝⎛ ư⎟⎠⎞⎜⎝⎛

1 k=0, 1, N 2.5

Hình 2.3 Quan hệ số bước sóng bận – Tải ρ và số bước sóng cực đại

2.2.2 Mạng WDMA “định tuyến theo bước sóng”

Tổ hợp các phần tử định tuyến bước sóng λj

λi

λk T1

TN

RN Ri R1 λj

λk

λi

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

thu thay đổi Mạng hoặc phát hoặc thu thay đổi

N=250

Hình 2.4 Nguyên lý định tuyến bước sóng trong mạng WDMA đơn bước

Loại thứ hai của mạng WDMA đơn chặng được nói đến là mạng định tuyến theo bước sóng Hình 2.4 và 2.5 chỉ ra sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động của mạng WDMA đơn bước sử dụng kỹ thuật định tuyến theo bước sóng Mạng này bao gồm các phần tử lựa chọn (định tuyến) bước sóng thụ động và một kết nối duy nhất đựơc xác định bằng bước sóng của tín hiệu phát và nút mà qua đó tín hiệu được đưa vào mạng Ví dụ mạng định tuyến bước sóng NxN có thể được xây dựng từ các phần tử WDM được nối với nhau bằng N2 sợi cáp như chỉ ra trên hình 2.4(b) với N=3 Mỗi nút được trang bị 01 bộ

R3

λ1 λ0

λ2 λ1 λ0

λ1λ2

phát và 01 bộ thu có khả năng điều chỉnh được Bằng cách điều chỉnh bộ phát đến một bước sóng đã được lựa chọn, tín hiệu đưa vào được định tuyến thụ động đến bộ thu định trước, bộ thu này cũng phải điều chỉnh đến cùng bước sóng để nhận gói tin Điều này có nghĩa có thể kết nối đầy đủ NxN kết nối trong mạng chỉ với N bước sóng phân biệt và mỗi nút thu có thể thu được từ bất kỳ bộ phát nào mà không ảnh hưởng đến nhau

Trong thực tiễn ưu điểm của mạng WDMA “định tuyến theo bước sóng” so với mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” là mạng WDMA định tuyến theo bước 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 được hoặc là phải bố trí mảng các phần tử phát hoặc thu đã được điều chỉnh trước đến một số bước sóng cố định khác nhau Đổi lại thì mạng WDMA định tuyến theo bước sóng có khả năng điều chỉnh động cấu trúc định tuyến bên trong theo yêu cầu phân bố lưu lượng của mạng Điều này rất có lợi cho mạng khi có lưu lượng 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 bước sóng, các tín hiệu chuyển mạch động từ một đường tới một đường khác bằng cách thay đổi định tuyền WDM trong mạng

2 Sử dụng các bộ biến đổi bước sóng để chuyển đổi tín hiệu từ một bước sóng sang bước sóng khác

Hình 2.6 Mô tả mạng định tuyến theo bước sóng sử dụng chuyển mạch không gian chọn bước sóng có 2 nút ở đây có thể xem các chuyển mạch như thiết bị có ba cổng có khả năng điều khiển bất kỳ bước sóng nào ở đầu vào đến một trong hai cổng ra Nói cách khác bất kỳ tập bước sóng λ1 …… λN trên cổng đầu vào của thiết bị có thể được lựa chọn và truy cập trực tiếp đến một trong hai cổng ra Sự lựa chọn này được sắp xếp lại do đó đường đi của bất kỳ bước sóng nào trong mạng cũng có thể được thay đổi khi mong muốn

Hình 2.6 Mạng định tuyến theo bước sóng sử dụng chuyển mạch không gian chọn bước sóng

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

Mỗi nút mạng sử dụng một bước sóng riêng để thiết lập kết nối mong muốn Ví dụ kết nối từ nút 1 đến nút 1* được thiết lập trên bước sóng λ1 qua tuyến A-B-C-F-G, trong cùng thời điểm đó kết nối từ nút 2 tới nút 2* thông qua bước sóng λ2 qua tuyến H-B-C Với việc đưa thêm các bước sóng, các kết nối khác có thể được 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 trường 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 bước sóng

WDMλ11

λ21, λ31

λ22, λ32

1, λ31, λ12 λ11, λ22, λ32 TR

Nhóm thu cố định -FR λ12

, λ22, λ32

Phát thay đổi Nhóm phát cố đinh -FT

λ11, λ21, λ31

T2 T11

T31

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạng LLN

Để tránh tán xạ đa đường từ cùng một nút mạng nguồn, các đường khác nhau nên được bố trí theo cấu trúc hình cây Theo hình 2.7 tán xạ đa đường 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 bước sóng λ1 cũng có thể truyền theo tuyến A-H-B-C-F-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 lượng kết nối bị giảm do nhiều giữa các biểu tượng Người ta đã nghiên cứu và đưa vào sử dụng coupler bước sóng phẳng ∆x∆ trong mạng LLN, một giải pháp mới đưa ra cùng với việc thiết lập hệ số phù hợp để tránh tán xạ đa đường

Mặc dù suy hao tín hiệu trong mạng LLN lớn hơn các mạng định tuyến theo bước sóng sử dụng các phần tử WDM hoặc các chuyển mạch nhưng nó cho một đặc tính rất hữu ích là sử dụng lại bước sóng Điều này có thể thực hiện được là do nếu sau khi đi qua một số bộ coupler tín hiệu tại bước sóng xác định bị suy hao do đó các kết nối tại cùng thời điểm ở các phần khác của mạng có cùng bước sóng này có thể dùng lại Điều này được 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 đường thấp và kết hợp với kỹ thuật sử dụng lại bước sóng sẽ mở ra hướng ứng dụng cho các mạng MAN dung lượng cao

A H

Hình 2.8 Tái sử dụng bước 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 bước

Trong mạng đa truy nhập theo bước sóng thì chất lượng, 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 hưởng đến đặc tính và hiệu suất của các mạng WDMA đơn bước như : 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 bước sóng

2.2.3.1 Vị trí bộ đệm trong mạng WDMA đơn bước

Thông thường do tính ngẫu nhiên của lưu lượng 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 được đưa 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 được 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

A H

Hình 2.9 Thời gian đợi trung bình và tải cho mạng đệm đầu ra và đầu vào Trong các mạng WDMA đơn bước bộ đệm có thể được đặt ở đầu vào (bộ phát) hoặc đầu ra (bộ thu) của hệ thống Giả sử các bộ đệm hoạt động theo nguyên lý vào trước ra trước (FIFO) đặt tại mỗi nút Điều đó chỉ ra rằng dung lượng của một hệ thống đệm đầu vào với N≥ 20 bằng khoảng 58 % dung lượng hệ thống đệm đầu ra Nguyên nhân giảm dung lượng của hệ thống đệm đầu vào là do hiện tượng block luồng dữ liệu (HOL) : Khi tất cả các gói tin định tuyến đến cùng một đầu ra thì lúc đó chỉ một gói được truy nhập vào mạng trong lúc đó các gói tin khác bị giữ lại trong bộ đệm

Hình 2.9 chỉ ra quan hệ giữa thời gian đợi và tải cho cả hai hệ thống đệm đầu vào và đầu ra.Trong các hệ thống đệm đầu ra, hiện tượng block HOL không thể xuất hiện do tất cả các gói tin tại đầu của các bộ đệm FIFO (ở phía các bộ phát) có thể tự do định tuyến đến các nút đích của nó trong khi đó các gói tin được đệm trong các bộ đệm FIFO tại đầu thu Cần phải chú ý là để có dung lượng mạng lớn, thì cũng cần phải có thời gian trễ rất nhỏ cùng với việc giữ nguyên trật tự vào ra của các gói tin trong các bộ đệm FIFO

2.2.3.2 Xuyên kênh

Một vấn đề rất quan trọng liên quan đến chất lượng các mạng WDMA là mức xuyên kênh giữa các kênh ghép theo bước sóng Hiện tượng xuyên kênh có thể được phân biệt theo hai loại sau:

Hàng đợi đầu ra

0 5

Tải ρ Hàng đợi

đầu vào

- Xuyên kênh tuyến tính, nguyên nhân do các đặc tính không lý tưởng của các thiết bị chọn kênh

- Xuyên kênh phi tuyến, do hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang hoặc do hiệu ứng bão hoà độ tăng ích trong các bộ khuyếch đại quang bán dẫn

Xuyên kênh tuyến tính:

Lựa chọn kênh trong mạng WDMA có thể được thực hiện bằng cách sử dụng hoặc là bộ lọc quang điều chỉnh được với bộ thu tách sóng trực tiếp hoặc là sử dụng Laze có bộ dao động nội điều chỉnh được và một bộ lọc điện thông dải (BPF) trong các bộ thu tách sóng kết hợp Xuyên kênh tuyến tính phụ thuộc vào loại thiết bị sử dụng để chọn kênh cũng như là khoảng cách giữa các kênh Trong thực tế thì khoảng cách giữa các kênh được xác định bằng đặc tính của các thiết bị chọn kênh và mức xuyên âm cho phép

Hình 2.10 Chọn kênh trong mạng WDMA kết hợp

Trong mạng WDMA tách sóng kết hợp, việc chuyển kênh được thực hiện bằng cách điều chỉnh bước sóng của bộ dao động nội Laze trong vùng lân cận của kênh được chọn và sau đó truyền tín hiệu điện đã tách sóng qua bộ lọc BPF điều chỉnh cố định có tần số trung tâm bằng tần số trung tần IF Xuyên kênh tuyến tính bị ảnh hưởng bởi độ rộng phổ tần số trung tần ( ∆v =∆vs + ∆vlotrong đó ∆vs và ∆vlo là độ rộng phổ của laze phát và bộ dao động nội tương ứng) và hàm truyền của bộ lọc BPF điện Độ rộng trung tần gây ra hiện tượng xuyên âm có thể giảm nhỏ một cách đáng kể khi ta chọn ∆v/B <0.1 (trong đó B là tốc độ bít tín hiệu) Bộ lọc điện thông giải gây ra hiện tượng xuyên kênh

Dao động nội

Hàm truyền của BPF

vlo–v11 4 2

Tần số quang

Tần số điện trung

tần Vif