Nghiên cứu phân bổ tối ưu bộ chuyển đổi bước sóng trong mạng AON

Nghiên cứu phân bổ tối ưu bộ chuyển đổi bước sóng trong mạng AON

Sự bùng nổ của mạng Internet, sự phát triển số lượng người sử dùng, sựphát triển của các ứng dụng và dịch vụ mới trên nền IP, đó là những gì màchúng ta đã chứng kiến trong vòng gần một thập kỉ qua Xét về mặt kỹ thuật,để đáp ứng được sự phát triển đó, hạ tầng mạng truyền dẫn bao gồm mạngđường backbone và mạng truy nhập đã và đang phải nâng cao dung lượngbằng cách chuyển dần sang mạng truyền dẫn cáp sợi quang Mạng truyền dẫnquang đã đáp ứng được rất nhiều yêu cầu về dung lượng (tối đa 50Tbps), chiphí xây dựng và tính bảo mật thông tin Hai công nghệ quan trọng gần đâygiúp tăng dung lượng hệ thống là WDM và khuêch đại sợi quang EDFA Từkhoảng năm 1986 trở lại đây có rất nhiều các dự án xây dựng mạng đườngtrục cáp quang biển quốc tế được triển khai, đã giúp tăng cường khả năngtrao đổi thông tin giữa các quốc gia, lãnh thổ trên thế giới Tiếp đến là cácmạng đường trục trên đất liền ở các quốc gia được xây dựng trên nền tảngtruyền dẫn sợi quang.

Vào đầu năm 1988, các công nghệ SONET và SDH là những chủ đềnóng được đề cập đến như là những chuẩn ghép kênh cho các mạng đườngtrục trong tương lai SONET và SDH là các chuẩn thiết kế từ đầu cho các hệthống TDM (chiếm đa số vào những năm 1980) Sử dụng TDM, một luồng dữliệu ở tốc độ cao hơn được tạo ra trực tiếp bằng cách ghép các kênh có tốc độbit thấp hơn Thực tế đã có rất nhiều các hệ thống SDH/SONET đã và vẫnđang được triển khai Các hệ thống TDM dung lượng cao hoạt động ở tốc độOC-192 hoặc 10Gbps Tuy nhiên ta sẽ gặp khó khăn khi muốn chuyển lên tốcđộ OC-768 hoặc lớn hơn do hạn chế tần số hoạt động của linh kiện điện tử.Đến năm 1997, công nghệ WDM được đánh giá là công nghệ ghép kênh sốmột giúp tăng dung lượng hệ thống lên hàng trăm lần, giảm chi phí đầu tư.Công nghệ WDM cho phép ghép nhiều kênh tốc độ bít khác nhau trên cùng

nay đã có thiết bị ghép kênh WDM có khả năng ghép 80 kênh (bước sóng).Với việc chỉ xử lý tín hiệu quang tại các node mạng, đã loại bỏ sự hạn chế củathiết bị điện tử, và đưa ra một mạng mới tên là mạng toàn quang (AON).Mạng toàn quang định tuyến bước sóng được coi là ứng cử viên cho mạngbackbone diện rộng thế hệ tiếp theo Mạng AON được xây dựng từ các thiếtbị ghép kênh WDM (kèm theo khả năng xen/tách) và các thiết bị đấu chéoOXC (cross-connect) Hệ thống DWDM có khả năng ghép 32 bước sóng hoặcnhiều hơn trong dải 1550nm, tăng dung lượng trên sợi quang đang có và trongsuốt với tốc độ bít

Mạng AON làm việc với các bước sóng khác nhau ở lớp vật lý, ghépkênh WDM và định tuyến theo bước sóng Nó gồm các node định tuyến bướcsóng quang được nối với nhau bằng các kết nối sợi quang Một lightpath phảiđược thiết lập giữa hai node định tuyến bất kì trước khi chúng trao đổi thôngtin Mạng sẽ phải xác định tuyến (route/path) nối node này và gán một bướcsóng rỗi cho các kết nối dọc theo đường đi Lightpath chính là một kết nốiquang trực tiếp giữa hai node không qua bất kì một thiết bị điện tử trung giannào Để thiết lập một lightpath, thông thường yêu cầu mạng phải phân bổ mộtbước sóng chung trên tất cả các kết nối dọc theo đường đi của lightpath Đóchính là yêu cầu về tính liên tục bước sóng, điều khiến cho mạng định tuyếnbước sóng khác với các mạng điện thoại chuyển mạch truyền thống Một yêu

cầu sẽ bị từ chối nếu không có bước sóng chung còn rỗi trên toàn tuyến Một

trong những mục tiêu cơ bản của bài toán thiết kế mạng AON định tuyếnbước sóng là phải giảm tối thiểu xác suất nghẽn toàn mạng.

Để tận dụng tài nguyên bước sóng và giảm xác nghẽn, tại các nodemạng người ta phải đặt các bộ chuyển đổi bước sóng (WC) Khi đó mỗi kếtnối từ node nguồn đến node đích, thông tin được truyền đi trên cùng một hoặccác bước sóng khác nhau Xong câu hỏi đặt ra là có cần phải đặt các bộ

chuyển đổi bước sóng ở tất cả các node? Nếu không thì những node mạng nàonên đặt và cần bao nhiêu bộ chuyển đổi đặt tại node đó?

Trước khi đi ta trả lời hai câu hỏi trên, ta cần phải biết là giá thành củacác bộ chuyển đổi hiện nay rất đắt mặc dù đã có những đột phá về công nghệ.Mạng có tất cả các node được trang bị bộ chuyển đổi bước sóng sẽ đạt đượcchất lượng tốt nhất (xác suất nghẽn nhỏ nhất), nhưng kéo theo đòi hỏi chi phíđầu tư lại rất lớn Đối với nhà khai thác mạng khi đầu tư, yếu tố chi phí đầu tưban đầu (CAPEX) luôn được quan tâm đâu tiên vì nó ảnh hưởng đến giáthành dịch vụ và hiệu quả đầu tư kinh doanh sau này Mặt khác lý thuyết vàthực tế đã chứng minh, có những node mạng không cần phải có bộ chuyển đổibước sóng vì không có lưu lượng đi qua nó cần chuyển đổi Chính vì lý do đóđã thúc đẩy các nhà thiết kế, quy hoạch mạng tìm ra một thuật giải phân bổcác bộ chuyển đổi bước sóng sao cho số lượng bộ chuyển đổi bước sóng sửdụng là tối thiểu, nhưng lại đạt chất lượng gần với mạng được trang bị đầy đủ.Đó chính là yêu cầu của bài toán phân bổ tối ưu các bộ chuyển đổi bước sóngđược tác giả nghiên cứu trong luận văn này Có thể coi đây là bài toán controng cả một bài toán lớn về thiết kế và quy hoạch mạng truyền dẫn toànquang Đầu vào của bài toán gồm có : Topo mạng, số lượng bộ chuyển đổi, vàthống kế lưu lượng của mạng Đầu ra của bài toán này sẽ cho biết phải đặt bộchuyển đổi ở node mạng nào và số lượng bao nhiêu để mạng có xác suấtnghẽn nhỏ nhất Dựa vào đó, nhà khai thác sẽ có cơ sở để lên cấu hình thiết bịcho các node mạng Do đó bài toán WCP rất quan trọng đối với nhà khai thácmạng đường trục khi chuyển dần mạng truyền dẫn quang hiện tại sang mạngWDM, hoặc xây dựng một mạng truyền dẫn quang WDM mới xếp chồng lênmạng đang có

Sau khi nhận thấy tầm quan trọng của các bộ chuyển đổi bước sóng,yếu tố giá thành, và đặc biệt là nhận xét về sự dư thừa không cần thiết khitrang bị các bộ chuyển đổi bước sóng tại node mạng, đã có rất nhiều công

trình nghiên cứu và đưa ra các thuật toán phân bổ tối ưu các bộ chuyển đổibước sóng cho các cấu trúc mạng khác nhau (Mesh, Ring ) Lúc đầu các thuậttoán này được nghiên cứu độc lập, sau đó nó được nghiên cứu gắn liền vớicác thuật giải định tuyến và gán bước sóng RWA Dựa trên mô phỏng, cáccông trình đã có sự so sánh chất lượng giữa các thuật toán cũ và mới đề xuất.

Trong luận văn này, tác giả không đưa ra một thuật giải mới Mà mụcđích chính là để nêu ra một vấn đề mà các nhà thiết kế và quy hoạch mạngphải quan tâm trước khi đầu tư mua thiết bị, đó là chất lượng mạng không chỉphụ thuộc vào thuật toán đính tuyến và gán bước sóng được chọn, mà phân bổtối ưu bộ chuyển đổi bước sóng là một bài toán góp phần nâng cao hơn nữachất lượng mạng Do đó đầu tiên tác giả nêu bật tầm quan trọng của bộchuyển đổi bước sóng và ý nghĩa của việc chọn thuật toán phân bổ tối ưu bộtrong thiết kế và quy hoạch mạng

Trong luận văn này, tác giả đề cập đến mạng truyền dẫn quang đườngtrục cấu trúc mesh và ring Mạng mesh sẽ được chọn là mạng đường trụctrong tương lai vì tính dư thừa cần thiết của nó mặc dù sẽ tăng chi phí đầu tưban đầu Mạng vòng ring hay được triển khai trong thực tế do khả năng dựphòng của nó rất tốt Nếu xét về khả năng chuyển đổi bước sóng, thì đốitượng nghiên cứu của luận văn là mạng có phân bố bộ chuyển đổi bước sóngrời rạc và có khả năng chuyển đổi hạn chế (SPWC- Sparse Partial WavelengthConverter) Hai ưu điểm quan trọng của mạng này là giảm chỉ phí đầu tư nhờviệc sử dụng ít bộ chuyển đổi hơn mà vẫn đạt được chất lượng mạng như yêucầu, và mang lại thuận lợi cho các nhà khai thác khi nâng cấp dần lên hệthống full-complete.

ch-¬ng 1: TỔNG QUAN MẠNG TRUYỀN DẪNTOÀN QUANG

1.1 Các thành phần cơ bản của mạng truyền dẫn quang1.1.1 Sợi quang

Sợi quang (Optical fiber) được chọn làm môi trường truyền dẫn tín hiệutrong các mạng tốc độ cao do nó sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với cácmôi trường truyền dẫn truyền thống Có thể liệt kê ra như : Phổ tần sử dụngrộng, suy hao thấp, tiêu thụ công suất ít, không bị gây nhiễu bởi điện từtrường bên ngoài, sử dụng vật liệu chế tạo ít, nhỏ gọn và giá thành rẻ hơn.Cũng nhờ đó mà các hệ thống thông tin quang thường có tỉ lệ BER rất thấp,nhỏ hơn 10-11

Tuy nhiên sợi quang vẫn tồn tại các hiện tượng vật lý như: suy hao, tánsắc, và các hiệu ứng phi tuyến đã làm ảnh hưởng đến việc tận dụng tối đa tàinguyên của nó, đặc biệt trong các mạng đường trục tốc độ cao Có hai vùngsuy hao thấp quan trọng hay được sử dụng:1300nm, bề rộng 200nm, suy haonhỏ hơn 0.5dB/Km; và 1550nm, bề rộng 200nm, suy hao thấp khoảng 0.2dB/Km Băng thông được tính xấp xỉ 50THz theo công thức: Δff ≈

λ2 Δfλ

H×nh 1.1: Phổ suy hao của sợi quang

Có hai loại sợi quang là sợi quang đơn mode(SMF) và sợi quang đamode (MMF) Nhược điểm chính của sợi quang đa mode là do hiện tượng tánsắc giữa các mode (Iinter-mode Dispersion), làm giảm giá trị tích BR*D( BR- Bit Rate; D – Distance) xuống chỉ còn vài chục Mb/s/Km Sử dụng sợiquang có chiết suất bậc (Step- Index), và sợi quang chiết suất giảm dần(Graded- Index) có thể nâng lên hàng (Gb/s )-Km, tuy nhiên vẫn không đảmbảo khi khoảng cách truyền dẫn lớn Trong khi đó, sợi quang đơn mode loạibỏ tán sắc giữa các mode bằng cách giảm đường kính của lõi sợi quang Tuynhiên, hiện tượng tán sắc (Chromatic Dispersion)-do sự tồn tại nhiều thànhphần hài trong phổ tín hiệu quang truyền trong sợi quang gây nên- lại là yếutố ảnh hưởng sâu sắc đến chất lượng truyền quang

Một số loại sợi quang đơn mode chuẩn, do ITU-T khuyến nghị hayđược dùng trong các mạng truyền dẫn quang gồm có : Non- DispersionShifted Fiber (G.652), Dispersion-Shifted (C.653), 1550-nm Loss minimizedFiber (G.654) và Nonzero-Dispersion Fiber (G.655)

 NDSF (ITU-T G.652 )

Là loại sợi quang được sử dụng nhiều nhất Nó được chế tạo tối ưu chovùng 1310nm, có tán sắc bằng 0 tại chính bước sóng 1310nm, và gần20ps/nm-Km ở bước sóng 1550nm

 DSF (ITU-T G.653)

Là loại sợi quang được thiết kế tối ưu cho vùng 1500-1600nm, có hệ sốtán sắc xấp xỉ 3.3ps/nm-Km tài cửa sổ 1550nm và gần bằng 0 tại bước sóng1550nm Loại sợi quang này không phù hợp cho mạng WDM do ảnh hưởngcủa các hiệu ứng phi tuyến

 1550nm Loss Minimized Fiber (ITU-T G.654)

Đây là loại sợi quang đơn mode chuẩn đặc biệt, có tổn hao rất thấp tạivùng cửa sổ 1550nm ITU G.654 được thiết kế tối ưu cho vùng 1500-1600nm.Bước sóng cutoff hiệu dụng là một thông số quan trọng trong thiết kế loại sợi

này Tổn hao thấp là nhờ sử dụng lõi thuỷ tinh tinh khiết Sản xuât ITU G.654tốt kém, giá thành cao, nên nó ít được sử dụng Loại sợi quang này phù hợpnhất là cho hệ thống cáp quang biển hoặc mạng cáp quang đường trục

 NZ-DSF (ITU-T G.655)

Là loại sợi quang SMF có hệ số tán sắc lớn hơn một giá trị khác khôngở cả vùng 1500nm Hiện tượng tán sắc này làm giảm ảnh hưởng của các hiệuứng phi tuyến như: FXM, SPM,XPM xuất hiện trong các hệ thống DWDM.Loại sợi quang này phù hợp nhất, hoạt động tối ưu nhất là tại vùng 1500-1600nm.

1.1.2 Bộ phát/thu tín hiệu quang Bộ phát tín hiệu quang

Bộ phát tín hiệu quang (Optical transmitter) có chức năng chuyển tínhiệu điện thành tín hiệu quang ánh sáng phát ra từ các nguồn này được bơmvào sợi quang để truyền đi Có hai loại linh kiện dùng làm nguồn phát quanghiện nay là LED (Light Emitting Diode) và LASER ( Light Amplification byStimulated Emission Radiation) Các nguồn phát sáng quang cần có các tínhchất vật lý sau :

 Phù hợp với kích thước sợi quang

 Bơm đủ công suất vào sợi quang để đảm bảo tín hiệu có thể đượcphát hiện ở đầu thu với suy hao biết trước.

 Phát ra ánh sáng ở bước sóng có suy hao và tán xạ thấp Độ rộngphổ hẹp để giảm thiểu tán xạ.

 Duy trì đặc tính ổn định trong điều kiện môi trường thay đổi  Cho phép điều chế trực tiếp công suát quang phát ra

 Giá thành thấp và độ tin cậy cao

LEDs là nguồn phát lý tưởng cho các hệ thống quang đa mode sử dụngtrong mạng LAN hoặc các mạng truy cập Tuy nhiên LEDs không thể cung

cấp đủ ánh sáng vào sợi quang đơn mode trên một khoảng cách truyền dẫnlớn.

LASER là nguồn phát ánh sáng được sử dụng phổ biến nhất trong cáchệ thống truyền dẫn quang Hầu hết các hệ thống phát Laser được thiết kế đểlàm việc với nhưng bước sóng được quy định bởi ITU-T Đối với các hệthống WDM, người ta thường dùng loại nguồn Laser có thể điểu chỉnh được

đến các bước sóng khác nhau (Tunable Laser) nhằm tiết kiệm chi phí Cáchkhác là dùng các Laser cố định bước sóng (Fixed Tune Laser) DFB làm việc

rất tốt với các ứng dụng hiện nay Với các hệ thống WDM có số bước sónglớn gồm hàng chục đến hàng trăm bước sóng, cách này trở thành rất tốn kém,gây khó khăn cho nhà sản xuất và công tác vận hành Một lựa chọn khác là

dùng mảng Laser (Laser Array), bao gồm một tập các Laser, với mỗi Laser

đã hoạt động ở một bước sóng cố định khác nhau Nhưng mặt hạn chế là sốbước sóng có sẵn trong một mảng Laser là cố định và hiện tại giới hạn khoảng20 bước sóng

Thiết bị thu tín hiệu quang

Thiết bị thu tín hiệu quang (Optical Receiver) thực hiện chuyển đổi tínhiệu quang thành tín hiệu điện bằng cách sử dụng linh kiện Photodetector tạora dòng điện có cường độ tỷ lệ với công suất quang thu được Dòng điện sauđó được khuếch đại và cho đi qua một thiết bị ngưỡng Một bít phát đi đượcxác định là ở mức 0 hay 1 phụ thuộc dòng điện này ở trên hay dưới mộtngưỡng nào đó trong suốt thời gian bit Nói cách khác sự quyết định đượcthực hiện dựa vào cường độ ánh sáng trong suốt khoảng thời gian bit đó.

1.1.3 Bộ lọc và bộ ghép kênh quang

Các bộ lọc quang (Optical Filter) là những thành phần chủ yếu trong hệthống truyền dẫn WDM đối với ít nhất hai ứng dụng là ghép và tách các bướcsóng, các thiết bị này được gọi là các bộ ghép kênh (MUX) và các bộ phân

kênh (DEMUX) Ngoài ra bộ lọc còn làm phẳng độ lợi và lọc nhiễu trong cácbộ khuếch đại quang

H×nh 1.2: Bộ lọc và bộ ghép kênh

Một bộ lọc đơn giản là một thiết bị hai cổng chọn một bước sóng vàloại bỏ các bước sóng khác Nó có thể có một cổng thứ ba thêm vào mà trênđó thu được các bước sóng bị loại bỏ Một bộ ghép kênh (MUX) kết hợp cáctín hiệu ở các bước sóng khác nhau trên các đầu vào đưa tín hiệu kết hợp ởmột đầu ra chung Bộ DEMUX thực hiện chức năng ngược lại MUX vàDEMUX được dùng trong các thiết bị đầu cuối mạng WDM, các bộ kết nốichéo bước sóng (WXC) và các bộ ghép kênh xen/tách bước sóng (ADM)

MUX và DEMUX có thể được nối liên tầng để tạo ra các WXC Hình1.3 là một ví dụ về WXC cố định Thiết bị gửi các tín hiệu từ một đầu vào đếnmột ngõ ra dựa trên bước sóng WXC động có thể được xây dựng bằng cáchkết hợp sử dụng các bộ chuyển mạch quang với các bộ ghép kênh và phânkênh.

H×nh 1.3: Bộ kết nối chéo cố định.

1.1.4 Bộ chuyển mạch quang

Các mạng thông tin quang trước đây sử dụng chuyển mạch điện tử tạicác node mạng Tuy nhiên ngày nay tốc độ của chuyển mạch điện tử khôngthể đáp ứng với yêu cầu về tốc độ bit, và hiệu suất sử dụng băng thông của sợiquang Chuyển mạch điện tử ở các node trung gian trong mạng cũng làm giatăng trễ Những yếu tố này đã thúc đẩy sự phát triển của mạng toàn quangtrong đó các thành phần chuyển mạch điện tử được thay thế bằng chuyểnmạch quang với khả năng chuyển mạch các luồng dữ liệu quang băng thôngcao

Các bộ chuyển mạch quang được sử dụng trong các mạng quang chonhiều ứng dụng khác nhau Mỗi ứng dụng yêu cầu thời gian chuyển mạch vàsố cổng chuyển mạch khác nhau Một ứng dụng của các bộ chuyển mạch

quang là cung cấp các lightpaths Trong ứng dụng này, các chuyển mạch

được sử dụng bên trong các bộ WXC nhằm cấu hình lại chúng để cung cấpcác lightpaths mới Sẽ phải có một phần mềm dùng để quản lý mạng từ đầucuối đến đầu cuối Một ưng dụng quan trọng khác là chuyển mạch bảo vệ ởđây các chuyển mạch được sử dụng để chuyển các luồng lưu lượng từ một sợichính sang một sợi khác trong trường hợp sợi chính bị hỏng Toàn bộ quátrình chuyển luồng phải được hoàn thành trong hàng chục ms, bao gồm thờigian tìm ra lỗi, thông tin lỗi đến các phần tử mạng để điều khiển việc chuyểnmạch, và thời gian chuyển mạch thật sự Vì vậy thời gian chuyển mạch yêucầu khoảng một vài ms Có thể có các dạng chuyển mạch bảo vệ khác nhau,phụ thuộc vào phương pháp sử được sử dụng, số lượng cổng chuyển mạchcần thiết có thể thay đổi từ hàng trăm đến hàng ngàn cổng khi sử dụng trongcác bộ kết nối chéo bước sóng.

Các bộ chuyển mạch quang cũng là phần tử quan trọng trong mạngchuyển mạch gói quang tốc độ cao Trong các mạng này, các chuyển mạch

được sử dụng để chuyển các tín hiệu trên cơ sở các gói Với ứng dụng này,thời gian chuyển mạch phải nhở hơn nhiều thời gian của một gói nên cần cócác bộ chuyển mạch tốc độ cực cao Ví dụ kích thước của một cell trongmạng ATM là 53bytes ở tốc độ 10Gbps dài 42ns, vì vậy thời gian chuyểnmạch yêu cầu khoảng một vài ns.

Các bộ chuyển mạch quang còn được sử dụng như là cá bộ điều chếbên ngoài để mở và đóng dữ liệu trước một nguồn Laser Trong trường hợpnày, thời gian chuyển mạch phải là một phần nhỏ của độ rộng bit Do đó mộtbộ điều chế bên ngoài cho một tín hiệu 10Gbps (với một khoảng thời gian bit100ps) phải có thời gian chuyển mạch khoảng 10ps

1.1.5 Bộ chuyển đổi bước sóng

Bộ chuyển đổi bước sóng (Wavelength Converter) là thiết bị có khảnăng chuyển đổi tín hiệu quang từ bước sóng này ở đâu vào sang một bướcsóng khác ở ngõ ra Bộ WC rất hữu ích trong việc làm giảm xác suất nghẽnmạng Nếu các bộ WC được tích hợp vào các bộ OXC trong mạng toànquang, thì các kết nối có thể được thiết lập giữa nguồn và đích ngay cả khibước sóng đó không có trên tất cả các tuyến của đường đi Chúng sẽ giúp loạibỏ sự bắt buộc về tính liên tục bước sóng Dưới đây là một số đặc điểm màmột bộ WC lý tưởng nên có:

 Trong suốt đối với tốc độ bit và các định dạng tín hiệu. Thời gian tạo bước sóng ở đầu ra nhanh

 Chuyển đổi được cả những bước sóng ngắn và dài Dải bước sóng rộng đối vớicác tín hiệu vào/a Có tỷ số SNR cao để đảm bảo khả năng ghép tầng Có độ nhậy thấp với phân cực của tín hiệu vào Chi phí thấp và lắp đặt đơn giản

Các bộ chuyển đổi bước sóng có thể được chia thành hai dạng dựa vàolượng chuyển đổi có thể Một số bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ có thể

chuyển một bước sóng ngõ vào thành bất kỳ bước sóng nào ở ngõ ra Một bộchuyển đổi bước sóng giới hạn chỉ có thể chuyển một bước sóng ngõ vàothành một số các bước sóng nào đó ở ngõ ra Một mạng mà có các bộ chuyểnđổi bước sóng đầu đủ ở tất cả các node sẽ có chất lượng tốt hon xét về khíacạnh tối thiểu hóa xác suất nghẽn Tuy nhiên, điều này khó thực hiện trongthực tế do yếu tố chi phí và phụ thuộc các giới hạn kỹ thuật Vì vậy thườngmột mạng chỉ có một số node được trang bị các bộ WC đầy đủ hoặc giới hạn.Vì vậy vấn đề lựa chọn các node thích hợp để đặc các bộ WC trở nên hết sứcquan trọng.

Các kỹ thuật thiết kế bộ chuyển đổi bước sóng có thể được chia ra haidạng chuyển đổi bước sóng quang-điện và chuyển đổi bước sóng toàn quang.Dưới đây sẽ trình bày hai kỹ thuật này.

1.1.5.1 Chuyển đổi bước sóng O-E

Trong phương pháp này, tín hiệu quang trước tiên được chuyển thành tín hiệuđiện sử dụng một bộ tách sóng Luồng bit được lưu trữ trong bộ đệm Sau đótín hiệu điện được dùng dể lái ngõ vào của một Tuable Laser để tạo thành mộtbước sóng mong muốn ở ngõ ra Phương pháp này không thích hợp cho cáctốc độ bít cao hơn 10Gb/s Sự tiêu hao nhiều công suất hơn và các thủ túcphức tạp là một số trở ngại củ phương pháp này khi so với các phương phápkhác Tuy nhiên quá trình chuyển đổi O-E ảnh hưởng một cách bất lợi đếntính trong suốt.

1.1.5.2 Chuyển đổi bước sóng toàn quang

Trong phương pháp này tín hiệu quang ở trong miền quang trong suốtquá trình chuyển đổi Ta có thể chia phương pháp này thành các loại sau:

a) Chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng kết hợp

Các phương pháp này dựa vào hiệu ứng trộn 4 bước sóng Trộn bướcsóng phát sinh từ hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang khi có nhiều hơn 2 bướcsóng cùng truyền trên một sợi quang Kết quả là sinh ra một bước sóng khác

mà cường độ tỉ lệ với cường dộ các sóng tương tác Trộn bước sóng duy trìthông tin về pha và biên độ, cung cấp một sự trong suốt nghiêm ngặt Nó cũnglà phương pháp duy nhất cho phép đồng thời chuyển một tập nhiều bước sóngở ngõ vào thành một tập các bước sống ở ngõ ra và có thể cung cấp các tínhiệu với tốc độ bit vượt qua 100Gb/s Trong hình 1.4, giá trị n=3 tương ứngvới FWM và n=2 tương ứng với DFG Các kỹ thuật này được mô tả dưới đây:

sợi thủy tinh, nó làm cho ba sóng quang với các tần số fa , fb , và fc vớia#b,c tương tác với nhau trong hệ thống ghép kênh đa bước sóng tạo ra bướcsóng thứ tư có tần số fabc=fa+fb−fc FWM có thể thực hiện được trong

các ống dẫn sóng bán dẫn hoặc trong môi trường tích cực như bộ SOA Kỹthuật này cho phép tạo ra sự độc lập dạng điều chế và tốc độ bit Tuy nhiênhiệu suất chuyển đổi từ năng lượng bơm vào thành năng lượng tín hiệu khôngcao lắm.

tác phi tuyến của một môi trường với hai sóng quang : một sóng bơm và mộtsóng tín hiệu Kỹ thuật này cung cấp một phạm vi trong suốt hoàn toàn màkhông thêm vào nhiễu, nhưng hiệu suất thấp và nhạy với sự phân cực Khókhăn chính trong việc thực hiện kỹ thuật này nằm ở chỗ làm khớp pha của cácsóng tương tác và chế tạo một ống dẫn sóng suy hao thấp để đạt được năngsuất chuyển đổi cao.

H×nh 1.4: Chuyển đổi bước sóng

b) Chuyển đổi bước sóng dùng điều biên chéo (XPM)

Kỹ thuật này sử dụng các thiết bị bán dẫn tích cực như các bộ khuêchsđại quang học và laser bán dẫn

Nguyên tắc sử dụng một bộ khuêch dại ở chế độ điều chế chéo độ lợi hay hệsố khuêch đại (XGM) như sau : tín hiệu ngõ vào điều chế độ lợi trong SOA.Một tín hiệu sóng liên tục (CW) ở bước sóng ngõ ra mong muốn ( λc ) đượcđiều chế bằng sự thay đổi độ lợi để cho nó mang cùng thông tin với tín hiệungõ vào ban đầu Tín hiệu CW có thể được phóng vào SOA cùng hướng hoặcngược hướng với tín hiệu vào XGM cho ra một tín hiệu được chuyển đổibước sóng đảo ngược lại so với tín hiệu ngõ vào Phương pháp XGM dễ dàngthực hiện, tuy nhiên nó gặp trở ngại là sự đảo lại của luồng bít được chuyểnđổi

Hoạt động của bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng SOA trong mode điềuchế xuyên pha XPM dựa vào sự phụ thuộc của chỉ số khúc xạ của SOA vàomật đọ sóng mang trong vùng tích cực Một tín hiệu đi vào sẽ điều chế chỉ sốkhúc xạ và kết quả là điều chế pha của tín hiệu CW được phép chuyển đổi.Với XPM, tín hiệu ngõ ra được chuyển đổi có thể bị đảo cũng có thể không.XPM mang lại hiệu quả cao hơn so với XGM.

được điều chế bởi ánh sáng tín hiệu ngõ vào thông qua sự bão hòa Tín hiệungõ ra thu được bị đảo so với tín hiệu ngõ vào.

1.1.6 Bộ khuêch đại quang

Trong quá trình truyền cường độ tín hiệu quang bị suy hao do các hiệntượng vật lý trong sợi quang gây nên Ngoài ra các thành phần quang khác,như các bộ ghép nối, mối hàn cũng gây ra suy hao Sau một khoảng cáchnhất, suy hao tích lũy làm cho tín hiệu bị yếu dần đến mức dưới độ nhạy củabộ thu quang Do đó để có thể truyền được tín hiệu quang đi xa, ngoài việc

tăng công suất phát ban đầu, ta phải dùng các bộ lặp tái sinh hoặc bộ khuếchđại quang sau một khoảng cách truyền nhất định Một bộ lặp tái sinh sẽ phảithực hiện biến đổi O/E/O, nên nó sẽ làm hạn chế tính trong suốt đối với đặctính tín hiệu truyền, đồng thời tăng chi phí bảo trì

Kỹ thuật khuếch đại quang mang lại nhiều thuận lợi hơn các bộ lặp Bộkhuếch đại quang không phụ thuộc vào tốc bit và các định dạng tín hiệu Mộthệ thống sử dụng khuếch đại quang có thể dễ dàng nâng cấp hơn, ví dụ nhưđến một tốc độ bit cao hơn mà không cần phải thay thế các bộ khuếch đại.Hơn nữa, các bộ khuếch đại quang có một băng thông khá rộng nên có thểđược dùng khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM Nếu không với mỗibước sóng ta phải có một bộ lặp Điều này cho thấy các bộ khuếch đại quangthật sự cần thiết cho các hệ thống ghép kênh theo bước sóng.

Ở đây ta sẽ xem xét hang loại khuếch đại quang cơ bản: EDFA( Eribium-Doped Fiber Amplifiers) và SOA (Sermiconductor OpticalAmplifiers)

Bộ khuếch đại EDFA

Bộ khuếch đại quang EDFA hoạt động trong dải từ 1530nm đến1560nm Cấu tạo EDFA gồm một đoạn silica ma phần lõi được cấy vào cácion E3+ của nguyên tố Eribi ở đầu cuối sợi quang, một laser phát đi một tínhiệu (pumped signal) vào sợi quang Để kết hợp tín hiệu gốc đặt ở đầu vàovới tín hiệu laser, người ta dùng một bộ ghép phụ được đặt trước đoạn cáp.Thông thường sẽ có một bộ cách ly được dùng trước ngõ vào hoặc ngõ ra củabộ khuyếch đại để ngăn cản sự phản xạ ngược trở lại vào trong bộ khuếch đại.

H×nh 1.5: Cấu tạo bộ khuêch đại EDFA

Tín hiệu bơm kích thích các nguyên tử Er3+ đến một mức năng lượngcao hơn Sự chuyển dịch mức năng lượng của điện tử từ cao xuống thấp sẽphát ra một photon, được goi là bức xạ tự phát nếu như không có bất cử mộttác động nào khác chen vào, hoặc bức xạ kích thích do sự có mặt của cácphoton chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển Thời gian sống củacác điện tử ở mức năng lượng cao vào khoảng 10-9s đảm bảo cho các ion E3+đợi để được khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ kích thích Khi tín hiệu đầu vàođược bơm vào EDFA, nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạngtháI kích thích, do vậy khuếch đại công suất tín hiệu.

Hầu hết các EDFA được bơm bằng laser với bước sóng 980nm hoặc1480nm Bước sóng 980nm cho hiệu suất độ lợi khoảng10dB/mW, trong khibước sóng 1480nm cho hiệu suất khoảng 5dB/mW Một hạn chế của khuếchđại quang là độ lợi phổ không đồng đều Độ lợi phổ EDFA được vẽ tronghình 1.6 dưới đây Ngoài ra, các bộ khuếch đại cũng khuếch đại nhiễu như tínhiệu, và vùng tích cực của bộ khuếch đại cũng tự động phát ra các photon vàvùng tích cực của bộ khuếch đại cũng tự động phát ra các photon, làm hạnchế hiệu suất của bộ khuếch đại

H×nh 1.6: Đường cong độ lợi khuếch đại theo bước sóng

Một số phương pháp làm phẳng độ lợi của EDFA đã được nghiện cứunhư sử dụng bộ lọc quanh tần số 1530nm để nén đỉnh trong vùng này Tuynhiên khi có nhiều bộ khuếch đại EDFA được ghép liên tầng, một đỉnh khácxuất hiện quanh bước sóng 1560nm, lúc đó một bộ lọc ở tần số 1560nm đựcsử dụng Một phương pháp khác là hiệu chỉnh công suất phát đầu vào để chocông suất trên mọi bước sóng nhận được ở bên thu như nhau Cách này đượcáp dụng trong mạng vòng Ring WDM.

Bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA

Về cơ bản bộ khuếch đại SOA (Semiconductor Optical Amplifier) cócấu tạo là một ghép nối P-N (xem hình 1.7) Lớp giữa được hình thành ở mốinối hoạt động như là một vùng tích cực Ánh sáng được khuếch đại do sự phátxạ kích thích khi nó lan truyền qua vùng tích cực này Đối với một bộ khuếchđại, hai đầu cuối của vùng tích cực được phủ một lớp không phản xạ để loạibỏ gợn sóng trong độ lợi của bộ khuếch đại.

H×nh 1.7: Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại bán dẫn

Hai dạng Laser bán dẫn cơ bản là Fabry-Perot Amplifier và Wave Amplifier (TWA) Sự khác nhau cơ bản giữa hai loại này là tính phảnxạ của hai gương đầu cuối Tính phản xạ của Fabry-Perot khoảng 30%, của

Travelling-TWA khoảng 0.01% Tính phản xạ cao hơn trong Fabry-Perot gây ra cộnghưởng trong bộ khuếch đại làm cho dải thông hẹp khoảng 5GHz Vì vậyTWA thích hợp hơn Fabry –Perot dùng cho các mạng WDM.

Ngày nay các bộ khuếch đại bán dẫn có thể đạt được độ lợi 25dB vớimột độ bão hoà là 10dBm, độ nhạy phân cực là 1dB và phạm vi băng thông40nm Một thuận lợi của các bộ khuếch đại bán dẫn là khả năng tích hợpchúng vào các thành phần khác.

1.2 Cấu trúc mạng DWDM

Trong phần này ta sẽ đi tìm hiểu cấu trúc tổng quát của một mạngWDM Cấu trúc của mạng được mô tả trong hình 1.8 gồm các thiết bị đầucuối (OLT), các bộ ghép kênh xen/tách quang (OADM) và các bộ kết nốichéo quang OXC liên kết với nhau qua các kết nối sợi quang Hình vẽ khôngchỉ ra các bộ khuếch đại quang, được triển khai dọc theo tuyến truyền dẫnnhằm đảm bảo công suất quang tại đầu thu Ngoài ra, trong các OLT, OADM,OXC cũng có thể tích hợp các bộ khuếch đại quang bên trong để bù suy hoa.ở đây, OLT được triển khai rộng rãi, OADM được triển khai ở phạm vi nhỏhơn và OXC chỉ mới bắt đầu được triển khai.

Cấu trúc mạng này liên kết các mạng thuộc các loại khác nhau nhưmạng vòng (Ring), mạng mắt lưới (mesh) Một số đặc điểm đáng chú ý củakiến trúc này:

trong mạng có thể sử dụng cùng bước sóng khi chúng không trung nhau trênbất cứ tuyến nào Khả năng sử dụng lại này cho phép mạng hỗ trợ một số lớncác lightpath sử dụng một số giới hạn các bước sóng.

đổi bước sóng dọc theo lộ trình (route) của nó Chuyển đổi bước sóng có thểcải thiện hiệu quả sử dụng các bước sóng trong mạng Chuyển đổi bước sóng

cũng cũng cần thiết ở những phần giáp danh mạng ngoài nhằm đưa các tínhiệu từ các nguồn bên ngoài vào bước sóng phù hợp để sử dụng bên trongmạng.

các tốc độ bit, định dạng khác nhau

lớp quang có thể được thiết lập và kết thúc theo yêu cầu Điều này giống nhưviệc thiết lập và giải phóng các kênh trong mạng chuyển mạch kênh

trường hợp bị đứt một lightpath nào đó, các ligthpath có thể được định tuyếnlại bằng các đường thay thế một cách tự động

H×nh 1.8: Cấu trúc mạng định tuyến bước sóng DWDM

1.2.1 Thiết bị đầu cuối OLT

Thiết bị đầu cuối là phần tử mạng tương đối đơn giản xét về mặt cấutrúc Chúng được dùng ở đầu cuối của một liên kết điểm-điểm để ghép vàphân kênh các bước sóng Hình 1.9 mô tả ba phần tử chức năng bên trong một

OLT gồm: bộ tiếp sóng(transponder), bộ ghép kênh bước sóng (WavelengthMultiplexer) và một bộ khuếch đại quang không được vẽ ra trên hình Bộ tiếpsóng có chức năng biến đổi tín hiệu đi vào từ người sử dụng sang một tín hiệuphù hợp sử dụng trong mạng và tương tự theo chiều ngược lại Giao diện giữangười sử dụng và bộ tiếp sóng có thể thay đổi phụ thuộc vào người sử dụng,tôc độ bit và khoảng cách hoặc suy hao giữa người dùng và bộ chuyển tiếp.Giao diện phổ biến nhất là SONET/SDH.

H×nh 1.9: Cấu trúc một thiết bị đầu cuối OLT

Tín hiệu có thể cần được chuyển sang một bước sóng thích hợp trongmạng quang Các bước sóng tạo ra bởi bộ tiếp sóng tuân theo các tiêu chuẩncủa ITU trong cửa sổ 1.55micromet, trong khi tín hiệu đến có thể là tín hiệu1,3micromet Bộ tiếp sóng có thể thêm vào phần vào đầu (overhead) nhằmmục đích quản lý mạng Nó cũng có thể thêm thông tin sửa lỗi FEC, đặc biệtcho các tín hiệu 10Gbps và các tốc độ cao hơn Trong một số trường hợp, việclàm thích nghi chỉ cho hướng đi vào và bước sóng ITU ở hướng ngược lạiđược gửi trực tiếp đến thiết bị người sử dụng Trong một số trường hợp khác,ta có thể tránh sử dụng bộ tiếp sóng bằng cách thực hiện chức năng thích nghibên trong thiết bị người sử dụng như phân tử mạng SONET có chỉ ra tronghình 1.9.

Tín hiệu ra khỏi bộ tiếp sóng được ghép kênh với các tín hiệu khác ởcác bước sóng khác nhau sử dụng bộ ghép kênh theo bước sóng phát ra trênmột sợi quang Thêm vào đó, có thể phải sử dụng bộ khuếch đại quang để đẩycông suất tín hiệu lên trước khi chúng được gửi đến bộ phân kênh, rồi truyềntới bộ tiếp sóng hoặc trực tiếp đến thiết bị người sử dụng

OLT cũng là đầu cuối của một kênh giám sát quang OSC OSC đượcmang trên một bước sóng riêng, tách biệt với các bước sóng mang lưu lượng.Nó dùng để giám sát việc thực hiện của các bộ khuếch đại dọc theo tuyến, vàmột số chức năng quản lý khác

1.2.2 Bộ ghép/xem OADM

OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) là thiết bị được sử dụng trongcác hệ thống WDM để ghép và định tuyến các kênh quang vào đi vào/ra mộtsợi quang đơn mode (SMF) Đây là loại node quang thường hay được dùngđể xây dựng mạng quang cấu trúc mạch vòng Ơ đây “Add” và “Drop” chỉ rakhả năng đưa thêm một hay nhiều kênh bước sóng mới vào tín hiệu WDM đabước sóng đang có và /hoặc tách (rớt) một hay nhiều kênh bước sóng, rồi địnhtuyến sang một tuyến khác của mạng (xem hình 1.10) Một thiết bị OADM cóthể coi như làm một loại chuyển mạch quang (Optical Cross-connect) đặcbiệt

H×nh 1.10: Cấu tạo của một bộ OADM sử dụng FBG và hai bộ Circulator

Cấu trúc điển hình của một OADM gồm 3 khối: Khối tách kênh quang(Optical Demux), khối ghép kênh quang (Optical Mux), ở giữa là khối chuyển

mạch quang (optical switch) Tất cả các lightpath đi trực tiếp qua OADM gọilà cut-through ligthpath., trong khi nhũng lightpath được xen/rớt tại nodeOADM gọi là added/dropped lightpath Một OADM có các chuyển mạch

quang có thể cấu hình lại từ xa được gọi là ROADM (ReconfigurabelOADM) Về mặt vật lý, có một số cách để thực hiện OADM Có rất nhiềucông nghệ tách/ghép kênh như: dùng bộ lọc, FBG (Fiber Bragg Gratings) vớicác bộ Circulator quang, … Cũng có rất nhiều các công nghệ chuyển mạchhay cấu hình lại: Fiber Patch Panel, công nghệ MEMS, các chuyển mạchquang nhiệt và tinh thể lỏng trong các mạch dẫn sóng phẳng Mặc dù đều cóchức năng xen/rớt, nhưng OADM lại khác với các bộ ADM (Add-DropMultiplexer) về dạng tín hiệu làm việc OADM xen/rớt các kênh quang trongmạng WDM, trong khi ADM xen/rớt các luồng TDM tín hiệu điện trongmạng SONET/SDH.

Bộ xen/tách quang cung cấp một phương tiện điều khiển lưu lượng hiệuquả trong mạng OADM có thể dùng tại những vị trí khuếch đại trong cácmạng đường trục, nhưng cũng có thể sử dụng như những phần tử mạng độclập Để hiểu được các lợi ích của bộ xen/tách quang, ta xét một mạng giữa banode A,B, và C với các bộ định tuyến IP đặt ở mỗi node như trong hình 1.11.Dựa vào cấu trúc mạng, lưu lượng giữa A và C đi xuyên qua node B Để đơngiản ta giả thuyết các tuyến kết nối hoàn toán song công giống như hầu hếtcác mạng quang hiện nay

H×nh 1.11: Vai trò của OADM trong mạng 3 node

Giả sử yêu cần lưu lượng như sau: một bước sóng giữa A và B, mộtbước sóng giữa B và C, và ba bước sóng giữa A và C Bây giờ ta xây dựng hệthống WDM điểm nối điểm để đáp ứng nhu cầu lưu lượng này Trong giảipháp đưa ra trong hình 1.11a, mỗi liên kết điểm điểm sử dụng một OLT ởcuối tuyến OLT gồm các bộ Mux/demux, các bộ tiếp sóng Chí phí bộ tiếpsóng là một phần quan trọng trong chi phí chung của mạng Node B có haiOLT, mỗi OLT kết thúc bốn bước sóng và vì vậy yêu cầu bốn bộ tiếp sóng.Tuy nhiên, chỉ có một trong bốn bước sóng này là dành cho node B, các bướcsóng còn lại được sử dụng để cung cấp lưu lượng giữa A và C Vì thế sautrong tám bộ tiếp sóng ở node B dùng để điều khiển lưu lượng Đây là việclàm tốn kém.

Xét giải pháp dùng OADM trong hình 1.11b Thay vì thực hiện các hệthống WDM điểm nối điểm, ta triển khai một mạng định tuyến bước sóng.Mạng sử dụng một OLT ở node A và C và một OADM ở node B OADMtách một trong bốn bước sóng, sau đó kết thúc trong các transponder Ba bướcsóng còn lại đi xuyên qua trong miền quang sử dụng các kỹ thuật lọc tươngđối đơn giản, mà khôngphảI kết thúc trong các transponder Kết quả là chỉ có

hai transponder cần thiết ở node B thay vì tám transponder như ở giải pháp1.11a Điều này cho thấy OADM sẽ giảm bớt chi phí đáng kể

H×nh 1.12: Các loại ROADM trong mạng toàn quang có thể cấu hình lạiTuy nhiên các OADM hiện tại khá cứng nhắc do nó không có khả năngthay đổi lựa chọn các kênh được tách và đi xuyên qua băng phần mềm điềukhiển khi đang hoạt động Với ROADM (Reconfigurable OADM) sử dụngcác bộ lọc và laser hiệu chỉnh đáp ứng được yêu cầu về tính mềm dẻo của cấuhình hệ thống Các mạng toàn quang cấu hình lại được có bộ khung chính làcác node ROADM (xem hình 1.12 ở trên) Hiện nay có 4 loại ROADM chínhgồm ROADM loại I/II, WSS (Wavelength Selective Switches), và OXC(Optical Cross-Connects) Bảng 1.1 tổng hợp các đặc điểm quan trọng của cácloại ROADM này

kênh Add/Drop Nhiều bướcsóng trênmột cổng

Các công nghệthành phầnROADM loại I

Wavelength Blocker (LCD or MEMS) + Fixed Filters (TFF)

Demux + Small Switch Array + Mux (PLC)

ROADM loại II

(Any λ to any port) M Không Wavelength Blocker( LCD or MEMS)+Tunalbe Filters/LasersDemux+Small Switch

Array+Mux+MxN Switches (PLC)WSS

(Any multiple λ ’s to any

M-1(1xM WSS)

Có1xN Wavelength Selective Switch (LCD or LCoS or MEMS)

(Any multiple λ ’s from any

port to any port)

N/A(Mesh connectivity

1.2.3 Bộ kết nối chéo quang OXC

OADM là phân tử mạng hữu ích để điều khiển các cấu trúc mạng đơngiản như cấu trúc tuyến tính trong hình 5.4 hoặc cấu trúc vòng Ring với sốbước sóng ít Với mạng có cấu trúc mắt lưới phức tạp hơn và số bước sóng sửdụng nhiều hơn, người ta phải sử dụng một phần tử khác là bộ kết nối chéoOXC OXC là thiết bị dùng để chuyển mạch các tín hiệu quang tốc độ caotrong mạng sợi quang Có thể coi OADM là một trường hợp đặc biệt củaOXC.

OXC được đặt ở vị trí trung tâm, điều khiển lưu lượng lớn Một OXCcũng là phần tử mạng chính cho phép cấu hình lại các mạng quang, ở đó cáclightpath được thiết lập và giải phóng theo yêu cầu, chứ không được cung cấpmột cách cố định

Có một số cách thực hiện một OXC Loại thứ nhất thực hiện OXC trênmiền điện tử Sau khi được tách kênh qua bộ Demux, tất cả các tín hiệu quangđầu vào được chuyển đổi sang tín hiệu điện Các tín hiệu điện này sau đóđược chuyển mạch bởi một module chuyển mạch điện tử Cuối cùng các tínhiệu điện chuyển mạch được chuyển đổi trở lại tín hiệu quang bằng cách sửdụng chúng để điều chế các bộ laser và sau đó các tín hiệu quang thu được sẽđược ghép kênh với nhau trước khi đưa vào sợi quang để truyền đi Loại cấutrúc này gọi là OXC cấu trúc OEO Các cross-connects dựa trên một quá trình

chuyển mạch OEO có hạn chế đó là chuyển mạch điện tử sẽ hạn chế băngthông cực đại của tín hiệu Tuy nhiên, ta lại dễ giám sát chất lượng tín hiệutrong thiết bị OEO, vì tất cả các tín hiệu được chuyển đổi sang tín hiệu điệntại node chuyển mạch Một ưu điểm nữa là các tín hiệu quang được tái tạo lại,nên không gây ra tán sắc hay suy hao khi tín hiệu quang đi qua node chuyển

mạch Một OXC điện tử được gọi là opaque OXC

Cách thứ hai để thực hiện OXC là chuyển mạch các tín hiệu quang

trong thiết bị toàn quang Loại OXC này được gọi là Transparent OXC hay

Photonic Cross-Connect (PXC) Cụ thể là, qua khối tách kênh quang (Optical

Demux)tín hiệu quang được tách thành các kênh bước sóng, rồi được đưa đếnkhối chuyển mạch quang(Optical Switch) Sau chuyển mạch, các kênh quangnày được ghép kênh, rồi phát vào sợi quang bằng các bộ ghép kênh quang(Optical Mux) Loại cấu trúc OXC này sẽ giữ nguyên được các đặc điểm vềtốc độ bit và trong suốt với giao thức lớp trên Tuy nhiên do các tín hiệu nàyđược duy trì ở dạng quang, nên khó giám sát chất lượng tín hiệu quang

Một loại OXC thứ ba kết hợp cả hai loại trên, gọi là translucent OXC.

Trong cấu trúc này, có một tầng chuyển mạch bao gồm một khối chuyểnmạch quang và một khối chuyển mạch điện Các tín hiệu quang đi qua tầngchuyển mạch có thể được chuyển mạch bằng khối chuyển mạch quang hoặckhối chuyển mạch điện Trong hầu hết các trường hợp, khối chuyển mạchquang hay được sử dụng hơn do tính trong suốt của nó Khi tất cả các giaodiện của khối chuyển mạch quang đều bận, hoặc do tín hiệu quang cân đượctái tạo thông qua quá trình chuyển đổi O/E/O thì khối chuyển mạch điện đượcsử dụng Như vậy node Translucent OXC có khả năng kết hợp cả hai ưu điểmđó là trong suốt với tín hiệu quang và khả năng tái tạo, giám sát chất lượng tínhiệu quang

OXC làm việc trực tiếp với các phần tử mạng SONET/SDH cũng nhưcác bộ IP Router và các chuyển mạch ATM, các thiết bị đầu cuối WDM và

các bộ OADM như chỉ ra trong hình 1.13 Một số người coi OXC như là mộtbộ chuyển mạch kết nối chéo với các thiết bị đầu cuối OLT xung quanh Tacó thể xây dung mạng sử dụng các thiết bị OXC và OLT từ các nhà sản xuấtkhác nhau OXC cung cấp nhiều chức năng như sau:

dịch vụ, trong một mạng lớn một cách tự động mà không phải bằng tay Khảnăng này trở nên quan trọng khi giải quyết số bước sóng lớn hơn trong mộtnode hoặc với số node trong mạng lớn Nó cũng khá quan trọng khi cáclightpath trong mạng cần được cấu hình lại để đáp ứng với sự thay đổi lưulượng Các OXC có thể cấu hình từ xa đảm nhận chức năng này

H×nh 1.13: Kết nối OXC với các phần tử khác

sự có trong mạng là những chức năng quan trọng nhất được mong đợi từ bộkết nối chéo Bộ kết nối chéo là một phần tử mạng thông minh Nó có thểphát hiện ra sự cố trong mạng và nhanh chóng định tuyến lại các lightpath.Các bộ kết nối chéo cho phép nâng cao hiệu quả sử dụng băng thôngcho cácmạng mesh.

với tốc độ bit và các định dạng khung tùy ý là một thuộc tính mong muốn củacác OXC

hiệu từ cổng này sang cổng khác, OXC cũng có thể kết hợp thêm khả năngchuyển đổi bước sóng bên trong.

 Thực hiện ghép kênh WDM

H×nh 1.14: Một số cấu trúc OXC được triển khai

Hình 1.14 là một số cấu trúc của OXC được triển khai trong thực tế.Hình 1.14a mô tả một OXC gồm một lõi chuyển mạch điện bao quanh bởi cácbộ chuyển đổi quang-điện (O/E) OXC hoạt động với các OLT thông qua cácgiao diện quang phi WDM, tiêu biểu ở 1310nm OLT có các bộ tiếp sóng đểchuyển tín hiệu này bước sóng WDM thích hợp, hoặc tự OXC có thể có cáclaser bước sóng riêng biệt hoạt động với các OLT mà không cần những bộtiếp sóng giữa chúng Hình 1.14b,d mô tả các OXC với một lõi chuyển mạchquang Sự khác nhau chính nằm ở chỗ các OXC làm việc với những thiết bịWDM Lưu ý rằng các cấu hình 1.14a,b và c đều có chuyển đổi bước sóng vàtái sinh tín hiệu trong bản thân OXC hoặc sử dụng các bộ tiếp sóng gắn vào

các OLT Để khả năng phục hồi tín hiệu, và chuyển đổi bước sóng, cầu hình ởhình 1.14d được bổ sung để thêm vào bộ kết nối chéo lõi điện tử như tronghình 1.15 Cấu hình này cho phép hầu hết các tín hiệu được chuyển mạchtrong miền quang, tối thiểu chi phí và tối đa dung lượng mạng, trong khi chophép ta định tuyến các tín hiệu xuống lớp điện khi cần thiết

H×nh 1.15: Node mạng kết nối chuyển mạch quang và chuyển mạch điệnTrong hình 1.16, tín hiệu vào trong các đôi sợi quang khác nhau trướctiên được phân kênh bởi các OLT Tất cả các tín hiệu ở cùng một bước sóngcho trước được gửi đến một bộ chuyển mạch dành cho bước sóng đó, và cáctín hiệu từ các ngõ ra của các chuyển mạch được ghép lại với nhau bằng cácOLT Trong một node với F đôi sợi WDM và W bước sóng trên mỗi cặp sợi,sự xếp đặt này sử dụng F bộ OLT và W bộ chuyển mạch 2Fx2F Điều này chophép bất kì tín hiệu trên bất kì bước sóng nào được rớt cục bộ Ngược lại cấuhình 1.15 sử dụng F bộ OLT và một bộ chuyển mạch 2WFx2WF để cung cấpcùng dung lượng Ví dụ xét F=4 và W=32 là những giá trị thực tế hiện đang

dùng Trong trường hợp này cấu hình 1.16 sử dụng 4 bộ OLT và 32 bộchuyển mạch 8x8 Ngược lại cấu hình 1.14b cần 4 bộ OLT và một chuyểnmạch 256x256 Như đã biết, các bộ chuyển mạch quang càng lớn thì càng khóchế tạo hơn so với những chuyển mạch nhỏ.

H×nh 1.16: Cấu trúc OXC cải tiến

Do vậy sử dụng cấu hình 1.16 mạng lại sự lựa chọn với chi phí thấphơn cho các bộ chuyển mạch quang không nghẽn kích thước lớn hơn Tuynhiên, ta không xem xét làm thế nào để tối ưu số bộ kết cuối xen/rớt (là cáctransponder hoặc các giao diện O/E) Cả hai hình 1.15 và 1.16 đều giả thiết cóđủ các cổng để kết thúc tất cả WF tín hiệu Hầu như đây là trường hợp hiếmkhi nào xảy ra, vì chỉ một phần lưu lượng sẽ cần được lấy xuống và các thiếtbị kết cuối thì đắt tiền Nếu thực sự cần WF kết thúc trên một chuyển mạchđiện, thì giải pháp tốt nhất là sử dụng cấu hình lõi điện trong hình 1.14a.

Nếu ta có tổng cộng T thiết bị đầu cuối, tất cả đều có các laser chỉnh được bước sóng và ta muốn rớt bất cứ tín hiệu nào trong số WF tín hiệu, điều

này yêu cầu một chuyển mạch quang TxWF thêm vào giữa những bộ chuyển mạch và các thiết bị kết cuối như trong hình 1.17 Ngược lại, với một bộ chuyển mạch không nghẽn kích thước lớn, ta chỉ đơn giản kết nối T thiết bị kết cuối đến T cổng của bộ chuyển mạch này, tạo ra một chuyển mạch (WF+T)x(WF+T).

H×nh 1.17: Cấu trúc OXC mới nhất

Tóm lại sử dụng mô hình 1.16 ta cần phải tính luôn số sợi, phần lưulượng được xen/rớt, số bộ kết cuối và các khả năng điều chỉnh cũng như cácthông số riêng biệt trong thiết kế Hiện nay các OXC có lõi chuyển mạchđiện với toàn bộ dung lượng lên đến một vài Tb.s, có khả năng phân luồngxuống tới luồng STS-1 (51Mbps) đã có mặt trên thị trường Các OXC vớitrung tâm chuyển mạch quang với hơn 1000 cổng cũng đang nổi lên như cácsản phẩm thương mại.

1.3 Một số công nghệ quan trọng trong mạng AON1.3.1 Công nghệ kênh quang

1.3.1.1 Kênh quang

Dung lượng truyền dẫn điểm-điểm đã tăng lên hơn hai lần trong vòngmột thập kỷ qua nhờ việc sử dụng truyền dẫn sợi quang, với hệ thống có tốcđộ 10Gb/s đang được xây dựng Tuy nhiên, các hệ thông SDH, ATM, và hệthống IP gặp phải một cản trở khi muốn tăng tốc độ truyền dẫn lên 10Gbps,đó chính là sự hạn chế tốc độ của thiết bị chuyển mạch điện tử tại các node.Công nghệ đường dẫn quang (Optical path) là bước ngoặt phá bỏ sự hạn chếnày Các đường dẫn quang được tách biệt bằng các bước sóng khác nhau Sựra đời của nó tạo ra bước nhảy vọt về cả dung lượng truyền dẫn và tốc độchuyển mạch (Cross-connect throughput) bằng việc khai thác các công nghệWDM và định tuyến bước sóng (Wavelength routing)

B¶ng 1.2: Các công nghệ kênh ghép kênh

Ở bảng 1.2 một số công nghệ ghép kênh và tạo đường dẫn khác nhau đượcso sánh về cách nhận biết path và cơ chế định tuyến Các path lớp 2 đượcnhận ra nhờ nhãn/mào đầu (Label/header)gắn vào gói/tế bào(packet/cell) Cácđường dẫn số của SDH và PDH ở lớp 1 được xác định bằng vị trí khe thờigian trong khung TDM Trong WDM, các bước sóng được sử dụng để phânbiệt các path với nhau Định tuyến bước sóng có các đặc điểm quan trọng sau: Định tuyến bằng phần cứng cho phép thông lượng của node định tuyến

rất lớn.

 Định tuyến dựa trên cơ chế Store and Forward rất khó, do thiếu bộ nhớ.Định tuyến bước sóng cho phép tại một thời điểm định tuyến được nhiềutín hiệu có định dạng khác nhau trên cùng một sợi quang.

Mặt mạnh của công nghệ WDM và định tuyến theo bước sóng là chophép xây dựng được các hệ thống truyền dẫn quang có kích thước nhỏ, tiêuthụ công suất thấp, và có thông lượng cực lớn Tuy nhiên số lượng path trênmột sợi quang bị hạn chế khoảng nhỏ hơn 1000, dung lượng của một pathkhoảng hơn vài trăm Mb/s Vì vậy đường dẫn quang được ứng dụng nhiềunhất là để tăng dung lượng đường transaccess giữa các node như mô tả ở hình1.18 Các đường dẫn điện (Electric Path), như các đường dẫn số, VP, LSP, sẽđược sử dụng làm đường dẫn truy nhập dịch vụ để cung cấp các dịch vụ cụthể and để thực hiện kỹ thuật lưu lượng cần thiết Hiện tại các đường dẫnquang không những sẽ thay thế tất cả các đường dẫn điện, mà còn bổ sungcho chúng ví dụ dưới dạng các đường dẫn transacces Theo đó, các mạngđường dẫn quang sẽ dần dần thay thế các mạng dựa trên đường dẫn điện.

Tóm lại, công nghệ đường dẫn quang đã mạng lại lợi ích vô cùng to lớncho mạng truyền dẫn nói chung, cụ thể là:

 Ứng dụng công nghệ WDM nâng cao dung lượng truyền dẫn  Định tuyến bước sóng nâng cao thông lượng của node chuyển

 Khả năng truyền dẫn linh hoạt

 Khả năng bảo vệ/phục hồi mạng hiệu quả

 Dung lượng đường dẫn >1Gb/s, và số lượng đường dẫn trên mộtsợi quang <1000

H×nh 1.18: Ứng dụng của đường dẫn quang

Trong khi công nghệ WDM làm tăng dung lượng truyền dẫn, nâng caohiệu quả sử dụng băng thông sợi quang, thì định tuyến bước sóng(Wavelength routing) lại mở rộng thông lượng của node chuyển mạch Thônglượng của một hệ thống chuyển mạch đường dẫn quang lớn hơn hệ thốngchuyển mạch TDM rất nhiều, đồng thời phần cứng thực hiện cũng đơn giảnmặc dù lưu lượng cần chuyển qua rất lớn Đó là bởi vì định tuyến bước sóngkhông nhạy với dung lượng đường dẫn chỉ cần các thiết bị quang thụ động(Passive Optical Devices), không cần đồng bộ giữa các đường dẫn quang (cáckênh WDM không cần được đồng bộ

Hình 1.19 so sánh công nghệ IPoWDM (IP over WDM) với các côngnghệ đường dẫn quang (ví dụ photonic MPLS ) Trong mạng IPoWDM, đểtruy nhập tuyến truyền dẫn sợi quang, tất cả các tín hiệu WDM trong sợiquang đó phải được biến đổi thành tín hiệu điện và kết thúc ở mỗi node Toàn

bộ băng thông tín hiệu trên mỗi tuyến phải được định tuyến (từng gói một)dựa trên phần mào đầu của gói tại mỗi node gói đi qua Trong mạng IP, hầuhết các gói đơn giản chỉ đi qua node, và chỉ một phần của toàn bộ dung lượngsợi quang được kết cuối tại mỗi node Nếu lưu lượng được định tuyến khôngsử dụng chuyển đổi O/E và không thực hiện xử lý từng gói một tại node, thìviệc xử lý IP tại node này được giảm thiểu và thông lượng tổng cộng củanode tăng lên rất lớn Điều này có thể thực hiện bằng việc sử dụng các đườngdẫn quang và định tuyến bước sóng

H×nh 1.19: IP over WDM

Định tuyến đường dẫn quang có thể được thực hiện từ các linh kiện thụđộng Kỹ thuật này sẽ loại bỏ tình trạng nghẽn lưu lượng hay thấy ở các nodeđịnh tuyến hiện nay Đây là ưu điểm đáng chú ý khi dung lượng tuyến tổngcộng rất lớn do nó giảm thiểu việc chuyển đổi luồng bit tôc độ cao từ dạng nốitiếp sang song song và xử lý tín hiệu điện Nghẽn thắt cổ chai do xử lý điệnđược tháo gỡ nhờ việc đưa ra sử dụng các đường dẫn quang

Chi phí mạng có thể giảm nhờ việc sử dụng các đường dẫn quang (IPover Photonic) trong các mạng có thông lượng lớn Hình 1.20 là một ví dụ

tính toán chi phí mạng Giả thiết các giao diện IP router có tốc dộ 2.5Gb/s, vàtốc độ truyền dẫn của một sợi quang 20Gb/s (ghép WDM 8 bước sóng) Chỉcó chi phí node là được tính do chi phí truyền dẫn không quan trọng trongtổng chi phí mạng nhờ ưu điểm của truyền dẫn WDM Rõ ràng là sử dụngchuyển mạch PTS sẽ giảm chi phí node tổng cộng so với phương pháp địnhtuyến IP xử lý tín hiệu điện (All-Electronic IP router) còn gọi là IPoWDM.Khi số node trung gian tăng lên, những lợi ích chi phí này càng trở lên quantrọng hơn Lý do là bởi vì định tuyến các đường dẫn quang dung lượng lớn sẽgiảm chi phí các node trung gian

H×nh 1.20: Giảm chi phí với hệ thống XC đường dẫn quang

Các đường dẫn quang dị bộ với nhau, nên rất dễ để thực hiện ghép/táchcác đường dẫn quang tốc độ cao do không cần phải thực hiện đồng bộ bit.Đặc tính dị bộ này cho phép chúng ta thiết kế hệ thống chuyển mạch với khảnăng tăng thông lượng (số bước sóng trên một sợi quang, số sợi quang, và tốcđộ của kênh) bằng cách lắp thêm các module vào hệ thống (xem hình 1.21).Khi đó ta có thể thay đổi hệ thống dễ dàng nhằm đáp ứng mọi yêu cầu về

thông lượng đặt ra Điều này đặc biệt có ý nghĩa kinh tế khi đầu tư xây dựngmột hệ thống mới.

H×nh 1.21: Mở rộng dung lượng hệ thống chuyển mạch quang

Đối với các dịch vụ IP, các công nghệ khác nhau như: IP overATM/[SDH/SONET]/WDM hay IPover[SDH/SONET]/WDM đang được phát triển.Hình 1.22 là ví dụ một mô hình phân lớp, trong đó có một số chức năng củamỗi lớp bị lặp lại ở các lớp khác Như các chức năng ghép kênh, định tuyến,và chức năng bảo vệ/phục hồi đều có mặt ở tất cả các lớp Không chỉ tồn tạilặp lại chức năng, mà còn xảy ra xung đột về chức năng bảo vệ/phục hồi khimạng xảy ra lỗi giữa các lớp

H×nh 1.22: Mô hình phân lớp với sự lặp lại chức năng

Đối với mạng quang WDM, đường dẫn quang được thiết kế có thể hỗtrợ các định dạng tín hiệu điện khác nhau Như đã nói ở trên, các dạng tínhiệu điện khác nhau được mang trên các bước sóng khác nhau trong một sợiquang sử dụng gán bước sóng Rõ ràng, đường dẫn quang sẽ cung cấp một hạtầng truyền dẫn truyền được nhiều dạng tín hiệu khác nhau, nhanh chóng vàdễ dàng nâng cấp để đưa ra các dịch vụ mới.

H×nh 1.23: So sánh mạng định tuyến tín hiệu điện với mạng truyền dẫn quangHình 1.23 so sánh các mạng định tuyến công nghệ điện tử với mạngtruyền dẫn quang dựa trên công nghệ đường dẫn quang Có hai đặc điểm quantrọng đối với mạng truyền dẫn quang Thứ nhất là sự đơn giản hoá mạngtruyền dẫn lõi ( ở đó chỉ cần định tuyến bước sóng và do vậy chỉ cần dùngmột loại thiết bị định tuyến OXC (Optical cross-connect)/OADM (OpticalAdd/Drop Multiplexer)), định tuyến cho các dạng tín hiệu điện khác nhautrong lớp quang Thứ hai là việc tách các chức năng lớp lõi và lớp biên Lớplõi (core network) có nhiều node thông lượng cao được kết nối bằng các tuyếncó dung lượng lớn và tất cả đều có dự phòng, có khả năng bảo vệ/phục hồi.Các node xử lý tín hiệu điện nằm ở mạng biên (edge network) kết nối trựctiếp với nhau bằng các đường dẫn quang

1.3.1.2 Đường dẫn bước sóng và đường dẫn bước sóng ảo

Các đường dẫn quang được tách biệt với nhau bằng bước sóng củachúng Có hai loại đường dẫn quang: WP (Wavelength Path) và VWP(Virtual Wavelength Path) Đối với WP, một đường dẫn quang được thiết lập

giữa hai node băng cách phân bổ một bước sóng cho đường dẫn đó Các nodetrung gian dọc theo WP thực hiện định tuyến WP theo bước sóng này Cònđối với VWP, bước sóng của nó được phân bổ trên từng tuyến (link) Vì vậybước sóng của mỗi VWP trên tuyến chỉ có ý nghĩa nội bộ thay vì toàn mạngnhư của WP Điều này giống như nguyên tắc gán VPI (Virtual PathIdentifier) trong mạng ATM Vì lí do này, loại này được gọi là Virtual WP.Trong mô hình VWP sẽ cần bộ chuyển đổi bước sóng tại các node chuyểnmạch.

H×nh 1.24: So sánh WP và VWP

Hình 1.24 so sánh hai loại đường dẫn quang này Yêu cầu là phải thiếtlập 4 WP, và 4 VWP trên các tuyến giống nhau Kết quả là mô hình WP cầnsử dụng 3 bước sóng, VWP sử dụng chỉ 2 bước sóng Tức là mô hình VWP