4.2.1 Mở đầu
Trong thực tế có rất nhiều kiểu đa truy nhập khác nhau như TDMA, CDMA, FDMA, WDMA. Các kĩ thuật này dựa vào tài nguyên thời gian, không gian, tần số và bước sóng để phân phối tín hiệu từ trạm thu tới trạm phát. Mạng WDM đa truy nhập còn gọi là mạng quang đa truy nhập theo
DƯƠNG TUẤN ĐẠT 82 Khoa Công nghệ - 46K ĐTVT
λ1 1 2 . N λ2 λN λ1,λ2,...λN Bộ phát Bộ thu khả chỉnh Sao quảng bá Hình 4.2. Mạng WDM quảng bá hình sao
bước sóng (WDMA). Điểm khác biệt lớn nhất giữa mạng quang đa truy nhập và mạng quảng bá là mạng đa truy nhập có khả năng đáp ứng truy nhập song hướng của một thuê bao bất kì. Mỗi thuê bao có thể thu/phát tín hiệu từ/tới bất kì một thuê bao khác.
Trong mạng WDMA, băng thông rộng của sợi quang được chia thành các khoảng nhỏ, mỗi khoảng này mang một kênh quang riêng biệt. Các kênh này được truyền đồng thời trên cùng một sợi quang. Khoảng cách tối thiểu giữa hai bước sóng cỡ 0,4 đến 0,8 nm. Mỗi bước sóng này có thể mang một kênh tín hiệu có tốc độ lên tới Gb/s. Hình 4.3 mô tả sơ đồ khối của một mạng truyền dẫn quang đa truy nhập phân chia theo bước sóng.
Các kênh quang từ các nút khác nhau được ghép với nhau nhờ một coupler quang N xN. Bộ ghép trộn tất cả các tín hiệu đến và chia đều công suất tới các bộ thu. Kết quả là, tín hiệu từ tất cả các cổng vào có thể được thu từ các cổng ra bất kì. Hệ thống có sự chia sẻ bước sóng, từ một nút bất kì có thể thu được kênh chung trong môi trường chia sẻ.
Tất cả các kênh được phát vào môi trường chia sẻ (coupler sao) và mỗi nút thu tín hiệu của tất cả các nút còn lại trên mạng. Môi trường chia sẻ có cấu trúc mạng sao, bus hoặc mạng ring, kết nối tất cả các nút với nhau. Mỗi nút
Hình 4.3. Sơ đồ khối mạng truyền dẫn quang đa truy nhập phân chia theo bước sóng
Node 1
Node 3
Node 2 Coupler Node N
thu tín hiệu mong muốn bằng phương pháp tách sóng trực tiếp hoặc coherent. Mỗi nút thu/phát tần số cố định hoặc thay đổi. Do đó, việc triển khai mạng WDMA đòi hỏi các thành phần quang có khả năng điều chỉnh bước sóng như laser phát khả chỉnh, bộ lọc quang khả chỉnh. Các thành phần này xây dựng nên các bộ thu phát quang có khả năng điều chỉnh bước sóng ở mỗi nút mạng.
Mạng WDMA có hai vấn đề cần được quan tâm. Đó là tốc độ điều chỉnh bước sóng và giao thức mạng. Tốc độ điều chỉnh bước sóng phải nhanh để đáp ứng yêu cầu của mạng, đặc biệt trong mạng chuyển mạch gói. Ngoài ra, giao thức được triển khai trong mạng phải đảm bảo kết nối ngang hàng các kênh tín hiệu khác nhau. Mạng WDMA có hai cấu hình cơ bản là WDMA đơn chặng (single hop) và WDMA đa chặng (multi hop).
4.2.2. Mạng WDMA đơn chặng
Trong mạng WDMA đơn chặng mỗi nút đều có khả năng kết nối trực tiếp đến tất cả các nút khác. Dữ liệu được phát đi dưới dạng ánh sáng và được truyền trực tiếp đến nút đích mà không phải chuyển về dạng tín hiệu điện. Để một gói dữ liệu được truyền, trước hết nó được phát vào mạng nhờ một laser phát. Tại nút đích bộ thu quang phải điều chỉnh bước sóng sao cho trùng với bước sóng phát. Khi đó, gói tin được truyền qua mạng tới nút đích. Mạng WDMA đơn chặng có thể chia làm hai loại, phát quảng bá thu lựa chọn và mạng WDMA định tuyến theo bước sóng.
Trong mạng WDMA đơn chặng phát quảng bá thu lựa chọn, dữ liệu tại các nút phát ra được ghép lại và phát quảng bá tới tất các nút khác trong mạng. Phía thu lựa chọn kênh tín hiệu mong muốn dựa vào bước sóng. Có bốn loại mạng WDMA phát quảng bá thu lựa chọn, phát thay đổi thu cố định (TT-FR), phát cố định thu thay đổi (FT-TR), cả phát và thu cùng thay đổi (TT-TR) và cả phát và thu cố dịnh (FT-FR). Mạng WDMA đơn chặng sử dụng các bộ định tuyến theo bước sóng hoặc ma trận chuyển mạch không gian bước sóng.
Trong thực tế, có rất nhiều ứng dụng của mạng WDMA đơn chặng ở cấp độ thực nghiệm hoặc thực tế. Một số ứng dụng của mạng WDMA là
mạng quang thụ động PON (telephone PON và Broad PON), mạng Lambdanet, mạng quang thụ động PPL, mạng Rainbow. Mạng Lambdanet là mạng quang đầu tiên được triển khai cấp độ thí nghiệm. Cấu trúc mạng này được cho như hình 4.4
Mạng Lambdanet là mạng phát quảng bá thu lựa chọn hình sao FT-FR. Trong mạng này sử dụng một coupler hình sao N xN để phân phối tín hiệu tới tất cả các nút. Mỗi nút có một bộ phát riêng ở bước sóng xác định và N bộ thu hoạt động ở N bước sóng khác nhau (N là số người sử dụng hay số nút), mỗi nút nhận toàn bộ lưu lượng của mạng. Do đó, mạng này không bị tắc nghẽn mà truyền tín hiệu trong suốt không phụ thuộc vào tốc độ bit và phương pháp điều chế. Những người sử dụng khác nhau có thể truyền tín hiệu có tốc độ bit khác nhau và dạng điều chế khác nhau, có thể truyền tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự. Vì vậy mạng Lambdanet rất linh hoạt và thích hợp cho nhiều loại ứng dụng khác nhau. Ta có thể truyền tín hiệu thoại trong cùng một cơ quan. Năm 1987 đã có một thí nghiệm về mạng 18 kênh tốc độ bit một kênh là 1,5 Gb/s, dung lượng hệ thống là 27 Gb/s. Mỗi kênh có thể truyền ở khoảng cách 57,8 km. Nhược điểm của mạng Lambdanet là số lượng người sử dụng bị giới
Nút 1 Hình 4.4. Cấu trúc mạng Lambdanet Nút 4 Giao diện điện Laser Tx λ1 Bộ thu WDM DEMUX Giao diện điện Laser Tx λ2 Bộ thu Nút 3 Nút N Coupler Sao NxN WDM DEMUX Nút 2
hạn bởi số lượng bước sóng. Ngoài ra, mỗi nút cần có rất nhiều bộ thu (bằng số lượng người sử dụng). Do đó rất tốn kém khi đầu tư phần cứng cho hệ thống
Khi sử dụng bộ thu khả chỉnh vào mạng Lambdanet làm giảm giá thành và độ phức tạp của hệ thống. Mạng như vậy được gọi là mạng Rainbow. Mạng này có khả năng kết nối 32 nút, mỗi kênh có tốc độ 1Gb/s và khoảng cách truyền từ 10 đến 20 km.
Mạng sử dụng coupler sao thụ động để kết nối nhiều máy tính. Bộ lọc quang khả chỉnh lọc ra bước sóng thích hợp cho mỗi nút. Hạn chế của mạng Rainbow là tốc độ điều chỉnh của bộ thu chậm., không thể đáp ứng cho mạng chuyển mạch gói. Các mạng WDM sử dụng coupler sao thụ động được gọi là mạng quang thụ động (PON). Mỗi nút thu toàn bộ lưu lượng. PON mang tín hiệu quang tới tận nhà. Hình 4.5 chỉ ra sơ đồ khối của mạng vòng quang thụ động, bước sóng quang được dùng để định tuyến tín hiệu trên mạng vòng nội hạt.
Trạm trung tâm có N bộ phát ở các bước sóng λ1,, λ2... λN và N bộ thu hoạt động ở các bước sóng λN+1,, λN+2... λ2N (N là số thuê bao). Tại mỗi thuê
DƯƠNG TUẤN ĐẠT 86 Khoa Công nghệ - 46K ĐTVT
Hình 4.5 Sơ đồ khối của mạng vòng quang thụ động nội hạt Trạm trung tâm λ1 S W I T C H N Bộ phát MUX/ DMUX N Bộ thu MUX/ DMUX Thuê bao 1 Thuê bao 2 Thuê bao N λN+1 λ2 λN+2 λN λ2N Trạm xa Sợi quang
bao thu và phát ở các bước sóng riêng. Trạm xa ghép tín hiệu từ các thuê bao và gửi tới trạm trung tâm. Trạm xa là thiết bị thụ động nên tốn ít chi phí bảo dưỡng. Bộ chuyển mạch ở trạm xa định tuyến tín hiệu dựa vào bước sóng.
Năm 1996, mạng vòng nội hạt được thiết kế như là một mạng quang thụ động PON. Mục đích của việc này là cung cấp khả năng truy nhập băng thông rộng của mỗi khách hàng và phân phát tín hiệu hình ảnh video, dữ liệu theo yêu cầu mà vẫn đảm bảo giá thành thấp. Ngoài ra người ta còn sử dụng công nghệ cắt phổ LED để tạo ra các bước sang cho hệ thống WDM
4.2.3 Mạng WDMA đa chặng
Trong mạng đa chặng, một kênh quang được chuyển đi từ một nút phải được chuyển qua một số nút trung gian. Mỗi nút thu/phát quang của mạng WDMA đa chặng có một số bộ thu phát quang có thể thu phát một vài bước sóng nhất định.
Kết nối trực tiếp xảy ra khi bước sóng được định trước tại nút đích trùng với một trong những bước sóng được định trước ở nút phát. Kết nối giữa hai nút bất kì được định tuyến qua các nút trung gian. Tại mỗi nút trung gian, dữ liệu được chuyển thành tín hiệu điện. Địa chỉ đích của gói được giải mã và xử lí dưới dạng điện. Sau đó, gói tin lại được chuyển thành tín hiệu quang có bước sóng thích hợp chuyển tới nút đích hay nút trung gian kế tiếp. Quá trình được lặp lại cho tới đích. Do vậy, gói tin được chuyển qua nhiều chặng, gói tin phải qua một số nút trung gian trước khi đi tới nút đích cuối cùng. Số lượng nút trung gian phụ thuộc vào thiết kế và qui mô mạng.
Hình 3.6 chỉ ra một ví dụ của mạng đa chặng có 8 nút. Giả sử gói tin được truyền từ nút 1 tới nút 3. Ta không thể thiết lập được kết nối trực tiếp giữa hai nút này. Do đó, gói tin phải qua một số nút trung gian. Giả sử nút 1 phát đi gói tin ở bước sóng λ2 , gói tin được chuyển tới nút 6. Tại nút 6 có quá trình biến đổi quang điện, sử dụng bước sóng λ11 để truyền tới nút 3. Hướng đi này gồm hai chặng. Ngoài ra, gói tin có thể đi theo các hướng khác với số chặng lớn hơn hoặc bằng.
Một ưu điểm cơ bản của mạng đa chặng so với mạng đơn chặng là không nhất thiết phải có thiết bị điều khiển kênh vì mỗi nút mạng hoạt động như một trạm lặp và có nhiệm vụ quyết định nhận gói tin hay chuyển gói tin đi tiếp tới các nút khác trong mạng. Kết nối trong mạng đa chặng được thực hiện linh hoạt bằng nhiều cách khác nhau, bằng những con đường khác nhau.
Chính vì vậy, mạng đa chặng giảm được hiện tượng tắc nghẽn đường truyền so với mạng đơn chặng.
Hiện nay có một số cấu trúc của mạng WDMA đa chặng. Ví dụ, mạng đa chặng có cấu trúc hình đa diện. Cấu trúc này thường được sử dụng để ghép nhiều bộ xử lý của một máy tính lớn.
Trong mạng đa chặng 8 nút thì 8 nút này nằm ở 8 góc của hình lập phương. Trong mạng N nút (N =2m) thì mỗi nút được đặt tại một đỉnh của hình đa diện. Mỗi nút được nối trực tiếp với m nút khác. Khi truyền tín hiệu từ một chặng tới một chặng khác qua nhiều nhất m chặng. Số lượng chặng
DƯƠNG TUẤN ĐẠT 88 Khoa Công nghệ - 46K ĐTVT
Nút 3 Nút 7 T R T R T R T R T R R T R T T R λ1, λ2 λ9, λ13 Coupler sao NxN λ9,λ10 λ1,λ5 λ3, λ4 λ10, λ14 λ5, λ6 λ11, λ15 λ7, λ6 λ12, λ16 λ2, λ6 λ11, λ10 λ13, λ14 λ3, λ7 λ15, λ16 λ8, λ4 λ11 λ2 Nút 1 Nút 2 Nút 8 Nút 4 Nút 6 Nút 5 Hình 4.7 Một mạng đa chặng 8 nútHình 4.6 Mạng đa chặng 8 nút
trung bình phải qua là m/2. Mỗi nút cần có m bộ thu. Ta có thể sử dụng một số kĩ thuật khác để giảm số bộ thu. Nhưng khi đó số chặng trung bình lại tăng lên.
4.3. ỨNG DỤNG CỦA WDM TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCHQUANGQUANGQUANG QUANG
Hiện nay được nghiên cứu nhiều nhất là mạng WDM chuyển mạch kênh quang, nó cũng là mạng gần thực tế nhất. Ở nước Mỹ, Nhật Bản và một số nước châu Âu đã xây dựng mạng thực nghiệm WDM chuyển mạch kênh quang.
Xét từ cấu trúc của mạng thì có 2 hình thức mạng WDM chuyển mạch quang: một là mạng quảng bá và lựa chọn, cũng tức là mạng kết cấu hình sao, hai là mạng bước sóng dò đường.
- Mạng quảng bá và lựa chọn:
Trong mạng quảng bá và lựa chọn, các điểm nút được nối với nhau thông qua sợi quang và bộ phối ghép không nguồn hình sao, mỗi điểm nút được phân bổ bước sóng khác nhau. Tín hiệu phát đi với đặc tính bước sóng của từng điểm nút và được hội tụ lại qua bộ phối ghép, sau khi phân luồng đi tới đầu thu tin ở các điểm nút, dùng máy thu có điều chỉnh ở mỗi điểm nút để lựa chọn thu. Trong đó máy phát ở các điểm nút có tần số cố định; máy thu có thể điều chỉnh được. Chú ý ở đây, điểm nút thu muốn nhận được tin tức của điểm nút phát nào đó, phải dùng máy thu để điều chỉnh bước sóng thu giống với bước sóng phát, điều này cần tới giao thức điều khiển thăm dò phương tiện.
Vì bộ phân phối ghép hình sao và đường kết nối sợi quang không có nguồn, cho nên loại mạng này rất tin cậy và dễ điều khiển. Nhưng mạng quảng bá và lựa chọn có 2 điểm yếu rõ ràng: một là mạng này rất lãng phí năng lượng quang, bởi vì năng lượng quang của mỗi tín hiệu cần truyền dẫn hầu như được chia đều cho tất cả các điểm nút của mạng; hai là mỗi điểm nút đều cần có một bước sóng khác nhau, mà hiện nay số bước sóng là có hạn,
cho nên số điểm nút trong mạng cũng có hạn. Vì vậy mạng quảng bá và lựa chọn chỉ thích hợp dùng trong mạng LAN.
- Mạng bước sóng dò đường.
Trong mạng bước sóng dò đường, tín hiệu trên bước sóng nhất định được trực tiếp dò đường đến điểm nút đích, mà không phải là quảng bá đến toàn mạng. Như vậy giảm được tổn thất năng lượng quang của tín hiệu, đồng thời sử dụng một bước sóng nhiều lần tại các bộ phận không trùng lặp của mạng.
Hiện nay, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại mà đặc biệt là Internet cũng như một số dịch vụ băng rộng khác đã tạo ra sự bùng nổ nhu cầu về dung lượng. Kỹ thuật WDM ra đời đã giải quyết được vấn đề trên. Như phần trên đã đề cập, kỹ thuật WDM đã được ứng dụng trong mạng truyền dẫn và mạng truy nhập. Người ta đã sử dụng tài nguyên băng thông to lớn của sợi quang để truyền nhiều kênh quang trên cùng sợi quang. Một sợi quang có thể truyền dẫn thông tin số tới hàng chục Gb/s. Sự tăng trưởng với tốc độ nhanh chóng dung lượng của hệ thống truyền dẫn là sức ép và động lực mạnh cho sự phát triển của hệ thống chuyển mạch. Hệ thống chuyển mạch trong mạng thông tin có qui mô yêu cầu ngày càng lớn và tốc độ ngày càng phải cao.
Hầu hết các mạng hiện nay đều sử dụng các trường chuyển mạch điện và chỉ sử dụng sợi quang như phương tiện truyền dẫn. Chuyển mạch được thực hiện thông qua quá trình biến đổi tín hiệu quang thành dạng tín hiệu điện ban đầu và sau đó lại biến đổi ngược lại. Chuyển mạch điện có nhược điểm là các linh kiện điện không cho phép kết nối dải băng rộng của sợi quang và tạo thêm trễ do có biến đổi quang điện tại các nút trung gian. Để giải quyết các vấn đề này, các nhà nghiên cứu bắt đầu đưa kỹ thuật quang tử vào hệ thống chuyển mạch, thực hiện chuyển mạch quang.
Chuyển mạch quang có khả năng chuyển mạch các luồng dữ liệu quang mà không cần biến đổi quang điện. Do đó, nó không bị các linh kiện chuyển mạch điện tử hạn chế tốc độ. Ngoài ra, chuyển mạch quang không phụ thuộc
vào tốc độ và phương thức điếu chế của tín hiệu, có công suất tiêu thụ thấp. Song kỹ thuật chuyển mạch quang còn tồn tại rất nhiều khó khăn trong việc đưa vào ứng dụng thực tế. Phần kết nối thiết bị chuyển mạch với sợi ra và sợi vào rất phức tạp. Thiết bị phải thoả mãn điều kiện phân cực nghiêm ngặt. Do