Chuyển mạch chùm quang (OBS- Optical Burst Switching) là phương pháp kết hợp các ưu điểm của cả hai kỹ thuật chuyển mạch kênh quang và chuyển mạch gói quang. Nó được thiết kế đạt được cân bằng giữa những ưu điểm của chuyển mạch kênh quang và nhược điểm của chuyển mạch gói quang. Nó thực hiện việc truyền tải thông tin dưới dạng các burst quang. Chuyển mạch burst quang (OBS) như một giải pháp cho sự truyền tải lưu lượng trực tiếp qua mạng WDM quang mà không cần bộ đệm tại các node trung gian.
Trong mạng chuyển mạch chùm quang, các thông tin cần truyền được cấu trúc thành các burst, bao gồm một gói điều khiển được gửi đi trước để đăng kí tài nguyên mạng và phần thông tin dữ liệu bao gồm một hay nhiều gói tin được cấu trúc thành một burst đi theo sau gói điều khiển đã được gửi đi (Hình 4.4).
Một mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm các nút chuyển mạch chùm quang được liên kết với nhau qua các tuyến sợi quang. Nút mạng OBS được chia làm hai loại, nó có thể hoặc các nút biên hoặc là các nút lõi.
41
Hình 4.4. Mô hình mạng chuyển mạch chùm quang.
Trong đó, bộ định tuyến lõi bao gồm một bộ nối chéo OXC và một khối điều khiển chuyển mạch (Switching Control Unit - SCU). Khối điều khiển chuyển mạch tạo và duy trì bảng chuyển tiếp và thực hiện cấu hình OXC. Khi SCU nhận được một gói tiêu đề chùm nó xác định đích của chùm và chỉ thị cho bộ định tuyến xử lý báo hiệu để tìm ra cổng ra mong muốn. Nếu cổng ra khả dụng khi đó chùm số liệu đến, SCU cấu hình cho OXC cho số liệu đi qua. Nếu cổng ra không khả dụng thì OXC sẽ được cấu hình phụ thuộc trên mức độ tranh chấp bổ sung trong mạng. Tóm lại SCU thực hiện phiên dịch tiêu đề, lập lịch, phát hiện tranh chấp, quyết định, tra cứu bảng định tuyến, điều khiển ma trận chuyển mạch, ghi lại tiêu đề chùm và điều khiển chuyển đổi bước sóng. Trong trường hợp một chùm số liệu đến OXC trước gói điều khiển của nó, chùm khi đó sẽ bị mất.
Bộ định tuyến biên thực hiện các chức năng sắp xếp các gói, đệm các gói, kết hợp các gói thành chùm, tách các gói nguyên thuỷ của nó. Kiến trúc định tuyến biên bao gồm một khối định tuyến (Routing Module - RM), một bộ kết hợp chùm một bộ lập lịch. Khối định tuyến lựa chọn cổng ra thích hợp cho mỗi gói và gửi mỗi gói đến khối kết hợp chùm tương ứng. Mỗi khối kết hợp chùm thực hiện kết hợp các gói với các tiêu đề cho bộ định tuyến lối cụ thể. Trong khối kết hợp chùm, có một hàng đợi gói riêng cho từng lớp lưu lượng. Bộ lập lịch tạo ra một chùm theo kỹ thuật kết hợp chùm và truyền chùm ra cổng ra mong muốn. Tại bộ định tuyến đầu ra, chùm được tách ra thành các gói và chuyển lên lớp mạng cao hơn.
Về đặc điểm, chuyển mạch chùm quang có những đặc trưng sau:
- Kích thước đơn vị truyền dẫn của chuyển mạch chùm lớn hơn so với chuyển mạch gói quang nhưng nhỏ hơn so với chuyển mạch kênh.
- Giữa gói điều khiển và burst truyền trên các bước sóng riêng. Gói điều khiển được truyền trên một bước sóng riêng và không truyền đi cùng với burst.
42 - Kích thước burst có thể thay đổi và có thể phát burst bổ sung.
- Trong chuyển mạch chùm không sử dụng bộ đệm. Các node trung gian không thực hiện đệm tín hiệu mà các burst được truyền thẳng qua các node trung gian tới các node đích.
- Tốc độ chuyển mạch cao và cho phép đồng thời truyền dẫn đa dịch vụ.
- Đáp ứng được với các yêu cầu truyền dẫn, đặc biệt phù hợp cho các dịch vụ truyền dẫn chất lượng cao.
- Vẫn còn hạn chế về mặt công nghệ, chất lượng các thiết bị chưa được chính xác. Do đó, chuyển mạch burst vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trong mạng quang.
Hiện tại, chuyển mạch trong mạng toàn quang là chuyển mạch kênh. Các chuyển mạch gói vẫn đang được nghiên cứu và phát triển. Các mạng chuyển mạch gói tuy có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với chuyển mạch kênh nhưng do thiết bị quang cũng như kỹ thuật chuyển mạch vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu nên hiện nay nên chuyển mạch gói chưa phát triển rộng rãi. Còn đối với chuyển mạch chùm quang, là công nghệ kết hợp các ưu điểm của chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói, đây là chuyển mạch hứa hẹn sẽ thay thế dần cho các công nghệ chuyển mạch hiện tại.
Ở Việt Nam, mạng viễn thông hiện đang trong giai đoạn chuyển đối, hướng tới mạng NGN. Với tốc độ cơ sở hạ tầng phát triển như hiện nay, khả năng ứng dụng chuyển mạch quang trong mạng viễn thông Việt Nam là rất lớn. Tại thời điểm hiện nay, chuyển mạch kênh quang là hoàn toàn có thể thực hiện được. Chuyển mạch kênh quang sẽ đóng vai trò rất lớn nâng mạng quang WDM điểm-điểm thành thế hệ mạng quang trong định tuyến theo bước sóng DWDM. Nằm trong xu hướng phát triển mạng truyền tải tiến tới mạng toàn quang, chuyển mạch quang sẽ tiến tới chuyển mạch gói quang; chuyển mạch chùm quang sẽ là bước đệm cho chuyển đổi từ chuyển mạch kênh quang sang chuyển mạch gói quang hoàn toàn.[30]
4.4. Kết luận chƣơng
Trong chương này đã tập trung trình bày về khái niệm chuyển mạch quang và phân loại các chuyển mạch quang. Nắm một cách tổng quan về khái niệm cũng như các ưu nhược điểm của từng loại chuyển mạch, so sánh và phân tích khả năng ứng dụng của từng loại chuyển mạch hiện tại và xu hướng phát triển trong tương lai.
43
CHƢƠNG 5
BỘ GHÉP KÊNH XEN/RỚT QUANG CẤU HÌNH ĐƢỢC COADM 5.1. Bộ ghép kênh xen/rớt quang cấu hình đƣợc COADM
Ở chương 3, chúng ta đã tìm hiểu vai trò và chức năng quan trọng của bộ xen/rớt kênh quang trong mạng WDM. Nhưng các cấu trúc OADM ở trong chương này đều là các OADM cố định, tức là không có khả năng cấu hình lại được. Các loại OADM này khá cứng nhắc do không có khả năng điều khiển hay lựa chọn các kênh cần xen/ rớt bằng phần mềm điều khiển. Trong khi đó, thuộc tính có thể cấu hình lại là thuộc tính rất cần thiết phải có đối với tất cả các thiết bị truyền dẫn WDM nhằm tạo ra sự linh động mềm dẻo trong việc thiết lập cũng như điều khiển các đường quang trong mạng. OADM cấu hình được cho phép chúng ta điều khiển được việc xen/rớt hoặc nối thông các kênh bằng phần mềm. Các OADM có khả năng cấu hình lại còn được gọi là các OADM “động”. Các mạng toàn quang có thể cấu hình lại có bộ khung chính là các node OADM “động”. Điều này tạo ra sự mềm dẻo của cấu hình hệ thống. Dưới đây là một số cấu trúc OADM có thể cấu hình lại.
(a)
44 (c)
(d)
Hình 5.1. Các cấu trúc OADM có thể cấu hình lại.[31]
(a)Cấu trúc song song với các bộ chuyển mạch xen/rớt quang và các bộ chuyển đổi tín hiêu bước sóng cố định.
(b)Cấu trúc nối tiếp với các bộ chuyển đổi tín hiệu bước sóng cố định. (c)Cấu trúc nối tiếp với các bộ chuyển đổi tín hiệu hiệu chỉnh được. (d)Cấu trúc song song với các bộ chuyển đổi tín hiệu hiệu chỉnh được.
Cấu trúc chung của các OADM trên có đặc điểm chung là bao gồm các bộ chuyển mạch quang để thực hiện xen/ rớt và các bộ chuyển đổi tín hiệu. Các bộ chuyển đổi tín hiệu này được phân làm hai loại là bộ chuyển đổi tín hiệu cố định và bộ chuyển đổi tín hiệu điều chỉnh được. Trong đó, bộ chuyển đổi tín hiệu cố định thực hiện nhận và phát với một bước sóng cố định trong lớp kênh quang. Bộ chuyển đổi tín hiệu điều chỉnh được, cấu tạo gồm có một bộ phát laser có thể điều chỉnh được và một diode thu quang có băng thông rộng, có thể thực hiện nhận và phát với nhiều bước sóng khác nhau.
Hình 5.1.(a) là một biến thể của cấu trúc song song, nó dùng bộ chuyển mạch quang để thực hiện xen/rớt một kênh tín hiệu nào đó khi cần thiết và sử dung bộ chuyển đổi tín hiệu cố định.
45 Trên hình 5.1.(b) là một biến thể của cấu trúc nối tiếp khi các SC-OADM lúc này là các thiết bị có thể điều chỉnh được bước sóng hoạt động, hoặc cấu hình cho đi qua tất cả các bước sóng.
Tuy nhiên, cả hai cấu trúc nêu ở trên mới chỉ giải quyết được vấn đề “cấu hình lại” một phần vì vẫn phải dùng các bộ chuyển đổi tín hiệu cố định. Khi dùng bộ chuyển đổi tín hiệu cố định trong cấu hình “động” của OADM sẽ dẫn đến yếu tố mà ta cần phải cân nhắc. Ðó là tính kinh tế khi vì ta phải lắp đặt tất cả các bộ chuyển đổi tín hiệu đối với tất cả bước sóng mà có thể không dùng đến. Chính vì vậy, để giải quyết trọn vẹn vấn đề “cấu hình lại” đối với OADM, người ta giới thiệu cấu trúc như cho trên hình 5.1.(c) và (d). Cấu trúc OADM trên hình 5.1.(c) là cấu trúc nối tiếp, và cấu trúc OADM trên hình 5.1.(d) là cấu trúc song song.
Cả hai cấu trúc này đều phải dùng các bộ chuyển đổi tín hiệu bước sóng có thể điều chỉnh được để thực hiện chuyển đổi sang bước sóng chuẩn.
Các cấu trúc này khắc phục được vấn đề về mặt kinh tế của các cấu trúc OADM dùng bộ chuyển đổi tín hiệu cố định và đang dần được ứng dụng rộng rãi trong mạng thực tế.
Việc triển khai các OADM có khả năng cấu hình lại vào mạng quang là rất cần thiết để tăng tính linh động, mềm dẻo trong định tuyến các đường quang. Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ, các OADM có khả năng cấu hình được đã dần thay thế các node OADM sử dụng bộ điều khiển cố định bởi tính vượt trội của nó về mặt khả năng cấu hình lại mạng toàn quang một cách linh hoạt. Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu về bộ xen/rẽ quang cấu hình được (COADM 4x4- Configurable Optical Add-Drop Multiplexer).
5.1.1. Cấu trúc bộ COADM
Hình 5.2 là một sơ đồ cấu trúc đơn giản của một COADM. Cấu trúc cơ bản của bộ xen/rớt điều khiển này bao gồm một bộ chuyển đổi quang số 2x2 (Digital optical switch) và một bộ điều khiển bit để chọn trạng thái đầu ra (Bit control).
46
Hình 5.2. Cấu trúc đơn giản của một COADM.
Trong đó, bộ chuyển đổi quang số 2x2 gồm 2 cổng đầu vào và 2 cổng đầu ra (Hình 5.2). Với cổng vào 1 là cổng bước sóng chính truyền trên kênh quang, đầu vào 2 là lối vào bước sóng được xen vào kênh truyền. Đầu ra 1 là đường quang truyền thẳng trực tiếp (cut-through ligthpath), đầu ra 2 là tín hiệu quang được tách ra. Các tín hiệu đầu ra được điều khiển bởi bộ điều khiển bit theo nguyên tắc:
- Nếu bit điều khiển là “0” thì tín hiệu ở đầu vào 1 thì lối ra là ở cổng ra 1, tín hiệu đầu vào 2 sẽ ra ở lối ra 2.
- Nếu bít điều khiển là “1” thì tín hiệu ở đầu vào 1 thì lối ra là ở cổng ra 2 và tín hiệu vào ở đầu vào 2 sẽ ra ở lối ra 1.
Nguyên tắc hoạt động của bộ chuyển đổi quang số cũng tương tự như các bộ chuyển đổi quang khác, khi tín hiệu điều khiển là 0, quá trình chuyển đổi được thiết lập là 1, còn khi tín hiệu điều khiển là 1, quá trình chuyển đổi sẽ được thiết lập là 0.
Như vậy, nếu bit điều khiển là “0” thì tín hiệu quang được truyền trực tiếp qua bộ chuyển đổi quang, còn nếu bit điều khiển là “1” thì tín hiệu quang được tách ra từ kênh truyền (dropped lightpath ) ở cổng đầu ra 2 và một tín hiệu được xen và kênh truyền(added lightpath) ở đầu vào 2.
Dựa vào cấu trúc đơn giản của một COADM ở trên, người ta đưa ra cấu trúc của bộ COADM 4x4 như hình 5.3 dưới đây.
47
Hình 5.3. Cấu trúc của COADM 4x4.
Cấu trúc của bộ xen/rớt COADM 4x4 gồm bốn bộ chuyển đổi quang số 2x2 được mắc song song với nhau và tương ứng là bốn bộ điều khiển bit chọn trạng thái. Tín hiệu vào Input ở đây là tín hiệu quang WDM, ở đây gồm bốn bước sóng riêng biệt được ghép với nhau.
Các bộ Drop/Add WDM có nhiệm vụ tách riêng các kênh bước sóng WDM (Drop WDM) hay xen các bước sóng lại với nhau(Add WDM).
Đối với bộ xen/rớt COADM 4x4 thì có tối đa 4 bước sóng được ghép(xen) vào sợi quang và tối đa 4 kênh bước sóng được tách ra để truyền sang hướng khác của mạng. Số lượng các kênh xen/ rớt được điều khiển bởi chuỗi bit điều khiển chọn trạng thái.
5.1.2. Nguyên lý hoạt động bộ COADM
Được thiết kế để cung cấp tăng chức năng và sự linh hoạt cần thiết cho các mạng quang học tiên tiến ngày nay, COADM 4x4 cho phép lên đến 4 kênh bước sóng được thêm vào một cách độc lập hay tách các kênh bước sóng theo mong muốn.
Bố trí một mạng WDM sử dụng bộ xen/rớt quang cấu hình được COADM 4x4 được cho như sơ đồ hình 5.4.
48
Hình 5.4. Sơ đồ một mạng WDM sử dụng COADM.
Đầu vào của COADM được kết nối với mảng CW Laser 1, tạo ra 4 tín hiệu bước sóng khác nhau. Mảng CW Laser 2 tạo ra các kênh kết nối với các cổng đầu vào ADD. Các tín hiệu đầu vào sẽ có độ rông kênh là 1 MHz, và các tín hiệu được thêm vào sẽ có độ rộng kênh là 10 MHz. Sự khác biệt này nhằm để dễ nhận biết của các nguồn tín hiệu khi sử dụng OSAS. Các bit điều khiển trạng thái có vai trò cấu hình COADM bằng cách thay đổi chuỗi 4 bit điều khiển để lựa chọn các bước sóng và định hướng kênh truyền.
Các tín hiệu được phát ra bởi CW LASER 1 gồm 4 tín hiệu có tần số khác nhau, chúng được đưa qua một bộ cộng lý tưởng trước khi đưa truyền tới đầu vào COADM. Lúc này, 4 tín hiệu được ghép này được coi như một tín hiệu WDM gồm 4 kênh bước sóng. Chúng được tách ra tại COADM thông qua các bộ tách kênh tần số WDM (WDM Drop- Hình 5.3). Mỗi kênh sau khi được tách sẽ đưa đến đầu vào 1 của bộ chuyển đổi quang số. Ở đầu vào 2 của bộ chuyển đổi quang số là tín hiệu được ghép xen phát ra từ mảng CW LASER 2. Tại đây, quá trình cấu hình xen/rớt các bước sóng được điều khiển bởi 4 bộ điều khiển bit. Các tín hiệu đầu ra 1 của bộ chuyển đổi quang (các tín hiệu truyền thẳng trực tiếp) lại được ghép với nhau thông qua bộ ghép tần WDM (WDM Add- Hình 5.3 ) tạo thành tín hiệu WDM rồi truyền tiếp. Các tín hiệu được tách ra ở đầu ra 2 cũng được ghép lại với nhau và truyền qua một tuyến khác của mạng.
49
5.2. Mô phỏng hoạt động bộ COADM 4x4 bằng phần mềm OptiSystem
5.2.1. Sơ đồ
- Nguồn phát Laser 1 phát 4 tín hiệu bước sóng ứng với tấn số 193.4 (λ1), 193.3(λ2), 193.2(λ3), 193.1(λ4), có độ rộng kênh là 1Mhz.
- Nguồn phát Laser 2 phát 4 tín hiệu bước sóng tương tự nguồn 1 nhưng có độ rộng kênh là 10Mhz
Kênh bước sóng Tần số(Ghz) Công suất(dBm)
λ1 193.4 0
λ2 193.3 0
λ3 193.2 0
50
Hình 5.5. Tín hiệu CW Laser 1
51 Các bộ điều khiển bit tương tứng với các bộ chuyển đổi quang số và kênh bước sóng đầu vào cho bởi bảng sau:
Kênh bƣớc sóng Bộ điều khiển bit Bộ chuyển đổi quang số
λ1 Control # 4 Digital Optical Switch 0
λ2 Control # 3 Digital Optical Switch 1
λ3 Control # 2 Digital Optical Switch 2
λ4 Control # 1 Digital Optical Switch 3
5.2.2. Kết quả mô phỏng
Quá trình xen/rớt các kênh tín hiệu được điều khiển bởi chuỗi 4 bít điều khiển (Bit Control). Chúng ta xét một số trường hợp sau:
Chuỗi bit: 0000
Như đã trình bày ở trên, khi các bit điều khiển ở mức “0” thì các kênh tín hiệu được phát bởi nguồn phát laser 1 được truyền trực tiếp qua nút COADM tới đầu ra.