Bộ tách sóng quang thực chất là các photodiode PD được cấu tạo từ các chất bán dẫn, thực hiện chức năng cơ bản là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện. Bộ tách sóng phải đảm bảo yêu cầu sau: tốc độ lớn, độ nhạy thu cao, bước sóng hoạt động thích hợp. Hai loại photodiode được sử dụng rộng rãi là photodiode PIN và photodiode thác APD.
Nguyên lý chuyển đổi quang điện của cả hai loại photodiode đều hoạt động dựa vào lớp tiếp giáp p-n phân cực ngược. Khi ánh sáng có bước sóng trong không gian tự do bé hơn bước sóng cắt được tính theo công thức (2.4) chiếu vào PD thì các photon được chất bán dẫn hấp thụ.
λC (μm) = 1,24Eg(eV(eV.µ)m)
(2.4) Eg là độ rộng dải cấm của tiếp giáp p-n.
Khi một photon được hấp thụ nó sẽ kích thích một điện tử trong dải hoá trị nhảy lên dải dẫn tạo nên một cặp điện tử-lỗ trống. Điện áp phân cực ngược tạo ra một điện trường mạnh trong lớp nghèo. Dưới tác dụng của điện trường này, điện tử và lỗ trống bị quét rất nhanh ra khỏi vùng nghèo. Lỗ trống từ vùng nghèo đi vào lớp p, điện tử từ vùng nghèo đi vào lớp n tạo thành dòng khuếch tán. Chúng trở thành các hạt tải điện đa số trong các vùng này. Khi điện tử đi tới điện cực bên phải (hình 2.13), dưới tác dụng của nguồn phân cực ngược buộc nó phải đi qua mạch ngoài để tạo thành dòng tách quang. Các điện tử qua mạch ngoài và đi tới điện cực bên trái (hình 2.13), đi vào vùng p, tái hợp với lỗ trống ở vùng này. Như vậy, đã duy trì được trung hoà điện tích.
Hình 2.13: Diode tách quang p – n.
Tuy nhiên, biểu thức (2.4) trên chỉ là điều kiện cần cho tách quang. Điều kiện đủ cho tách quang là các cặp điện tử-lỗ trống được tạo ra do hấp thụ photon sẽ không tái hợp trước khi hình thành dòng điện qua mạch ngoài do các điện tử và lỗ trống chuyển dịch dưới tác dụng của điện trường như trình bày trên. Không phải tất cả các photon được hấp thụ trong photodiode đều tham gia vào sự hình thành đáp ứng photodiode.
Riêng đối với APD trong kết cấu có một lớp bán dẫn có điện trường cao nên khi điện tử vào lớp này nó sẽ được gia tốc và va chạm với nhiều nguyên tử tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống theo hệ số thác M. Cần chú ý khi sử dụng APD thì chọn hệ số thác
chỉ khoảng M = 10, nếu lớn quá thì công suất nhiễu sẽ tăng nhanh hơn mức tăng công suất của tín hiệu nên làm giảm chất lượng của mạch.
2.4. Một số điểm lưu ý
Hiện nay, công nghệ DWDM đã được sử dụng trong mạng đường trục Việt Nam. Do số lượng kênh ghép nhiều nên cần chú ý đến thiết bị cũng như các hiện tượng như hiệu ứng phi tuyến, tán sắc…vì chúng có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng hệ thống.
2.4.1. Nguồn quang
Các yêu cầu đối với nguồn quang:
♦ Độ rộng phổ hẹp để tránh chồng lấn phổ giữa các kênh rất gần nhau.
♦ Công suất phát quang thấp vì ánh sáng truyền dẫn trên sợi quang được ghép từ nhiều bước sóng, nếu công suất mỗi kênh bước sóng mà lớn thì tổng công suất phát sẽ rất cao gây ra các hiệu ứng phi tuyến trên sợi quang.
2.4.2. Sợi quang
Vấn đề ảnh hưởng nghiêm trọng trong hệ thống DWDM chính là các hiệu ứng phi tuyến. Để giảm hiệu ứng phi tuyến của sợi, thường sử dụng sợi có diện tích hiệu dụng cao như một số loại sợi quang mới: sợi SMF-28e, sợi LEAF.
2.4.3. Bộ khuếch đại quang
Như đã biết, các bộ khuếch đại quang sợi thường có phổ khuếch đại không đồng đều, dẫn đến các bước sóng khác nhau có hệ số khuếch đại khác nhau, ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn của hệ thống. Đối với hệ thống DWDM có số lượng kênh bước sóng trong dải phổ truyền dẫn là rất lớn. Vì vậy, yêu cầu cần có các bộ khuếch đại có độ bằng phẳng rất cao để đảm bảo các kênh có hệ số khuếch đại như nhau.
2.4.4. Hiệu ứng phi tuyến
Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang không những dẫn đến sự tổn hao năng lượng, méo tín hiệu mà còn làm cho cường độ và pha của tín hiệu trong một kênh nào đó của hệ thống ảnh hưởng đến tín hiệu trong kênh khác, hình thành xuyên nhiễu phi tuyến, làm suy giảm mức tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỷ số S/N…
Các biện pháp khắc phục hiệu ứng phi tuyến của sợi quang bao gồm: + Lựa chọn sợi quang phù hợp.
Khi hệ thống ghép kênh vài chục kênh tín hiệu thì ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM) là chính. Vì vậy, mục tiêu đặt ra là phải giảm ảnh hưởng của hiệu ứng FWM. Trong hệ thống DWDM thì người ta đưa ra phương pháp tạo khoảng cách giữa các kênh tín hiệu bằng nhau. Phương pháp này có khoảng cách giữa các kênh bước sóng bằng nhau và sử dụng sợi quang NZ-DSF (G.655). Như vậy, vừa giảm ảnh hưởng của FWM, hỗ trợ truyền dẫn nhiều kênh, lại làm cho tán sắc ở vùng bước sóng 1550 nm không quá lớn (1 ÷ 6 ps.nm/km).
2.4.5. Tán sắc
1. Khái niệm
Tán sắc là hiện tượng những sóng ánh sáng có tần số khác nhau truyền dẫn với tốc độ khác nhau trong cùng môi trường. Tán sắc là bản chất của sợi quang. Tán sắc gây ra hiện tượng trải rộng xung tín hiệu (dãn xung), làm cho biến dạng tín hiệu trong khi truyền và tỷ số lỗi bit tăng cao. Do đó, ảnh hưởng đến tốc độ truyền dẫn và khoảng cách trạm lặp. Bộ khuếch đại quang đã cải thiện khoảng cách giữa các trạm lặp (bị giới hạn bởi suy hao) trên tuyến rất nhiều. Nhưng do nhu cầu ngày càng lớn về các dịch vụ mới có tốc độ cao nên tán sắc trở thành tham số chính giới hạn khả năng nâng cao dung lượng của tuyến cáp quang. Chính vì vậy, chúng ta cần phải giảm ảnh hưởng của tán sắc.
Các giải pháp giảm ảnh hưởng của tán sắc:
1. Sử dụng các nguồn phát có độ rộng phổ hẹp kết hợp với điều chế ngoài. 2. Lựa chọn sợi quang phù hợp.
3. Sử dụng các bộ bù tán sắc.
Hai giải pháp đầu về mặt công nghệ là một vấn đề rất lớn. Dưới đây sẽ trình bày giải pháp thứ 3.
2. Các phương pháp bù tán sắc
a, Phương pháp bù tán sắc bằng điều chế tự dịch pha (SPM)
Tán sắc sẽ gây ra hiện tượng dịch tần (chirp) tuyến tính trong xung. Mặt khác, khi một xung tín hiệu có công suất P nằm trong ngưỡng phi tuyến của sợi (trong trường hợp đơn kênh P khoảng 18 dB, trong trường hợp ghép kênh thì tổng công suất các kênh khoảng 20 dB) sườn lên của xung bị dịch về phía bước sóng dài do hiệu ứng SPM và hiện tượng này gọi là chirp phi tuyến. Với các sợi quang theo tiêu chuẩn G.652, G.653 sử dụng trên tuyến (trừ các loại sợi bù tán sắc có tán sắc âm) thì chirp phi tuyến này
ngược với chirp tuyến tính. Xung sẽ bị chirp một lượng bằng tổng hai chirp trên. Như vậy, trong trường hợp này xung phải chịu một lượng chirp bằng chirp tuyến tính trừ đi chirp phi tuyến nên dường như đã được hiệu ứng SPM “bù chirp do tán sắc gây ra”.
Ưu điểm của phương pháp bù tán sắc này là:
▪ Tăng đáng kể khoảng cách trạm lặp nên giảm số trạm lặp trên tuyến. ▪ Cho phép tận dụng số sợi G.652 có sẵn trên tuyến.
Ngoài ra, phương pháp này cũng có một số nhược điểm như:
• Dạng xung yêu cầu là RZ, trong khi hiện nay dạng xung sử dụng là NRZ. Như vậy, muốn sử dụng kỹ thuật bù tán sắc này thì phải thay dạng xung đang truyền trên tuyến.
• Có thể xảy ra hiện tượng nén xung không mong muốn do dễ bị “bù quá”.
• Ngoài hiệu ứng SPM, xung truyền trong sợi còn phải chịu ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến khác như hiệu ứng dịch tần, hiệu ứng trộn bốn sóng…dẫn dến việc giảm chất lượng tín hiệu.
• Phương pháp này yêu cầu độ rộng phổ laser phải tốt (cỡ ps).
b, Phương pháp bù tán sắc bằng sợi có tán sắc âm
Phương pháp này dựa trên nguyên lý sau: Tán sắc của sợi đơn mode nói chung là tổng của tán sắc dẫn sóng và tán sắc vật liệu. Như vậy, về mặt nguyên tắc với một cấu trúc thành phần hợp lý có thể tạo ra sợi có tán sắc đủ lớn, ngược dấu tại bước sóng công tác định trước. Dựa theo tính chất này, trên mỗi khoảng lặp đặt thêm một đoạn sợi có tán sắc âm với độ dài hợp lý thì có thể bù được phần nào tán sắc.
Ưu điểm:
+ Thiết bị bù tán sắc hoàn toàn thụ động. + Bù trong khoảng tán sắc lớn.
Nhược điểm:
+ Suy hao của bộ bù tán sắc lớn và phụ thuộc vào khoảng tán sắc phải bù. + Phải giám sát công suất tín hiệu truyền để tránh các hiện tượng hiệu ứng.
c, Phương pháp bù tán sắc bằng Pre-chirp (dịch tần trước).
Nguyên lý của phương pháp này: là thực hiện dịch phổ trong khoảng thời gian của xung quang. Nói cách khác, Pre-chirp là sự sắp đặt lại bước sóng sao cho ánh sáng có
bước sóng dài hơn bước sóng trung bình tập trung ở sườn lên và ánh sáng có bước sóng ngắn hơn bước sóng trung bình tập trung ở sườn xuống của xung tín hiệu phát. Khi tín hiệu truyền trong sợi, các bước sóng dài hơn sẽ bị dịch chuyển nhiều hơn. Do vậy, nếu chọn khoảng cách truyền hợp lý thì xung sẽ không bị dãn ở đầu thu, tức là đã tránh được ảnh hưởng của tán sắc.
Phương pháp này có nhược điểm là: chỉ bù được tán sắc trong một khoảng nhỏ. Hơn nữa, để sử dụng phương pháp này đòi hỏi kỹ thuật ở phía phát cao. Pre-chirp thường được kết hợp trong đầu phát để bù một phần chirp do nguồn phát gây ra. Do đó, nó phải kết hợp với một phương pháp bù tán sắc khác thì mới bù được hoàn toàn tán sắc gây ra trên các tuyến dài.
CHƯƠNG 3
INTERNET PROTOCOL – IP
IP (Internet Protocol) là giao thức được thiết kế để kết nối các hệ thống chuyển mạch gói nhằm mục đích phục vụ trao đổi thông tin giữa các mạng. Đơn vị truyền dẫn là các datagram được truyền từ nguồn tới đích với nguồn và đích là các host được chỉ thị bằng một địa chỉ có độ dài xác định. IP còn cung cấp khả năng phân mảnh và tái hợp các gói tin lớn nếu cần thiết. Giao thức này thực hiện phân phát datagram theo phương thức phi kết nối, nghĩa là các datagram được truyền đi theo các hướng độc lập với nhau.
IP tập hợp các nguyên tắc cho việc xử lý số liệu tại các bộ định tuyến và host như thế nào, khi nào bản tin lỗi cần được tạo ra và khi nào số liệu cần được huỷ bỏ.
Phần mềm IP thực hiện chức năng định tuyến dựa trên địa chỉ IP.
IP không có cơ cấu để đảm bảo độ tin cậy, điều khiển luồng thứ tự đến hay các đảm bảo khác cho truyền dẫn dữ liệu từ đầu cuối đến đầu cuối. Không tin cậy nghĩa là không đảm bảo cho các datagram đến đích thành công. Nhưng IP có khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ khác nhau với các cấp chất lượng dịch vụ khác nhau.
Đầu tiên, giao thức IP sử dụng cho mạng Internet. Đây là mạng truyền dẫn số liệu lớn nhất và được coi là kho thông tin khổng lồ mà ai cũng có thể truy nhập từ một số trang web đặc biệt sử dụng cho mục đích riêng. Ngày nay, giao thức IP được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thoại, mobile, video…
Cho đến nay đã có hai phiên bản của giao thức IP, đó là: IP version 4 (IPv4) và IP version 6 (IPv6). Chương này sẽ tìm hiểu về giao thức IP và cung cấp một số thông tin liên quan đến hai mô hình phân loại gói IP thành các lớp dịch vụ theo tiêu chuẩn IETF: DiffServ và InServ.
3.1. IPv4
3.1.1. Phân lớp địa chỉ
Trong giao thức IP, việc nhận diện các máy được thông qua các địa chỉ của máy. Địa chỉ này nằm trong hệ thống đánh địa chỉ được dùng để quản lý các máy cũng như việc truy xuất từng máy.
• Địa chỉ logic (logical address): chính là IP address sử dụng 32 bit để đánh địa chỉ các máy. Địa chỉ này do tổ chức IAB quản lý và mỗi địa chỉ được cấp duy nhất cho một máy.
• Địa chỉ cổng (port address): gán nhãn cho các dịch vụ đồng thời.
• Địa chỉ vật lý (physical address): là địa chỉ phần cứng của một node nằm trong mạng (ví dụ Ethernet là 48 bit). Địa chỉ này là duy nhất trong một mạng LAN hay WAN.
Hệ thống đánh địa chỉ dùng để định danh duy nhất cho tất cả các máy. Mỗi máy được gán một địa chỉ số nguyên 32 bit duy nhất và địa chỉ này cũng chỉ được dành riêng cho máy đó. Máy sử dụng địa chỉ này trong tất cả các mối liên lạc của nó.
32 bit địa chỉ này được phân thành các lớp như sau: Lớp A Lớp B Lớp C Lớp D Lớp E
Hình 3.1: Mô hình phân lớp địa chỉ IP.
• Lớp A: cho phép định danh 27 – 2 mạng và tối đa 224 – 2 host trên mỗi mạng. Lớp này dùng cho các mạng có số trạm cực lớn.
• Lớp B: cho phép định danh tới 16384 mạng với tối đa 65534 host trên mỗi mạng.
• Lớp C: cho phép định danh 221 – 2 mạng với tối đa 254 host trên mỗi mạng.
• Lớp D: WDM dùng để gửi datagram tới một nhóm các host trên một mạng.
• Lớp E: dự phòng để dùng cho tương lai.
Mỗi địa chỉ IP là một cặp net ID và host ID với net ID xác định một mạng và host ID xác định một máy trên mạng đó. Một địa chỉ IP có host ID = 0 dùng để hướng tới mạng định danh bởi vùng net ID. Ngược lại, một địa chỉ có vùng host ID gồm toàn số 1 được dùng để hướng tới tất cả các host nối vào mạng được định danh net ID, và nếu vùng net ID cũng gồm toàn số 1 thì nó hướng tới tất cả các host trên tất cả các mạng.
Net ID Host ID
1 0 Net ID Host ID
1 1 0 Net ID Host ID
1 1 1 0 Địa chỉ Multicast 1 1 1 1 dự phòng cho tương lai
Địa chỉ IP có độ dài 32 bit thường được chia thành 4 vùng (mỗi vùng một byte) và biểu diễn dưới dạng ký hiệu thập phân có dấu chấm ngăn cách giữa các vùng. Nhìn vào các giá trị thập phân có thể biết được máy tính đó có địa chỉ lớp nào (A, B, C, D hay E) như bảng 3.1.
Địa chỉ logic giúp đơn giản hoá việc quản lý và cấp phát địa chỉ. Nhưng các máy chỉ có thể liên lạc được với nhau khi biết địa chỉ phần cứng của nhau. Vì vậy, giao thức ARP được sử dụng để ánh xạ địa chỉ IP thành địa chỉ vật lý khi gửi các gói qua mạng. Đồng thời, máy cũng phải xác định được địa chỉ IP của nó ngay sau khi khởi động nhờ giao thức RARP.
Bảng 3.1: Miền giá trị của từng lớp địa chỉ. 3.1.2. Các kiểu địa chỉ phân phối gói tin
Có ba kiểu địa chỉ được dùng để phân phối gói tin:
♦ Unicast: datagram đến một máy xác định vì thế nó có đầy đủ cả net ID và host ID ở địa chỉ đích.
♦ Broadcast: có hai dạng:
− Direct broadcast address: dùng để một router gửi datagram đến tất cả các máy thuộc mạng được xác định theo địa chỉ có net ID và host ID bằng 1.
− Limited broadcast address: dùng để một máy trên mạng gửi datagram đến tất cả các máy thuộc mạng đó nên phần địa chỉ đích có host ID bằng 0.
♦ Multicast: dùng địa chỉ lớp D để phát datagram đến một nhóm các máy tính xác định. Các máy này có thể cùng một mạng hoặc thuộc các mạng khác nhau.
Lớp Địa chỉ chỏ nhất Địa chỉ lớn nhất Lớp A 0.0.0.0 127.255.255.255 Lớp B 128.0.0.0 191.255.255.255 Lớp C 192.0.0.0 223.255.255.255 Lớp D 224.0.0.0 239.255.255.255