Cỏc bộ định tuyến tại node lừi được xõy dựng bởi hai phần một là phần kết nối chộo quang (OXC) và phần điều khiển chuyển mạch (SCU). Phần điều khiển chuyển mạch tạo và duy trỡ một bảng định tuyến và phục vụ lập cấu hỡnh phần kết nối chộo quang. Khi bộ điều khiển chuyển mạch nhận gúi tin tiờu đề của chựm dữ liệu, nú nhận biết được đớch mà chựm dữ liệu cần phải tới, nú thụng qua phần xử lý bỏo hiệu, bộ định tuyến để tỡm một cổng lối ra cần thiết. Nếu cổng ra sẵn sàng khi chựm dữ liệu tới thỡ phần điều khiển chuyển mạch SCU thực hiện cấu hỡnh phần kết nối chộo cho phộp chựm dữ liệu đi qua. Ngược lại, nếu cổng lối ra khụng sẵn sàng thỡ phần kết nối chộo được cấu hỡnh tuỳ thuộc vào giải phỏp chống xung đột thực thi trong mạng. Túm lại phần SCU cú cỏc chức năng đọc cỏc thụng tin tiờu đề, xõy dựng lược đồ, phỏt hiện và giải quyết xung đột, chuyển tiếp bản tin tiờu đề, điều khiển ma trận chuyển mạch, tỏi tạo tiờu đề và điều khiển chuyển đổi bước súng. Trong trường hợp chựm dữ liệu đi đến phần kết nối chộo ở trường chuyển mạch trước khi gúi điều khiển tới, chựm dữ liệu cú thể sẽ bị rớt dẫn tới mất dữ liệu [8].
Bộ định tuyến biờn thực hiờn chức năng sắp xếp cỏc gúi tin, đệm cỏc gúi, liờn kết cỏc gúi thành chựm dữ liệu và phõn chia chựm dữ liệu thành cỏc gúi tin theo yờu cầu trong phần tiờu đề của chỳng. Cú nhiều phương phỏp hỡnh thành chựm dữ liệu như phương phỏp dựa trờn ngưỡng hay cơ cấu định thời được sử dụng để tổng hợp cỏc gúi dữ liệu thành cỏc chựm dữ liệu quang và truyền chỳng qua mạng. Cấu trỳc của một bộ định tuyến biờn được cấu thành bởi phần định tuyến, phần tạo chựm dữ liệu và phần lập lịch trỡnh cho chựm dữ liệu. Phần định tuyến sẽ lựa chọn cổng lối ra phự hợp với mỗi gúi tin và đưa chỳng tới bộ tạo chựm dữ liệu. Phần tạo chựm dữ liệu thực hiện tạo chựm dữ liệu, bao gồm cỏc gúi dữ liệu cú phần tiờu đề chứa thụng tin về bộ định tuyến biờn đú. Trong phần tạo chựm dữ liệu dữ liệu sẽ cú một hàng đợi cỏc gúi cho mỗi lớp lưu lượng. Phần lập lịch tạo ra chựm dữ liệu dựa trờn kỹ thuật tạo chựm dữ liệu và chuyển chỳng tới cổng lối ra yờu cầu. Tại một bộ định tuyến biờn lối ra, chựm dữ liệu sẽ được phõn tỏch thành cỏc gúi và chuyển chỳng tới lớp mạng cao hơn.
Một cấu trỳc dựa trờn kỹ thuật mạng OBS đó được phỏt triển và được đề cập như hệ thống chuyển mạch chựm quang được định tuyến theo bước súng (WR-OBS). Một mạng WR-OBS là mạng kết hợp cỏc chức năng của mạng OBS và chuyển mạch kờnh nhanh nhờ kỹ thuật ấn định và giải phúng động cỏc bước súng trờn mạng lừi quang khụng sử dụng đệm. Ưu điểm của cấu trỳc này so với mạng OBS thụng thường là phản ỏnh được chất lượng dịch vụ. So với cỏc mạng quang định tuyến bước súng (WRON) tĩnh nú cú ưu điểm là tương thớch nhanh với sự thay đổi của lưu lượng trong cỏc mạng quang và sử dụng cỏc kờnh bước súng hiệu quả hơn [9].
Trong mạng WR-OBS phần phục vụ yờu cầu tập trung cú thể đỏp ứng việc tớch luỹ tài nguyờn thực hiện cỏc yờu cầu kết nối khỏc nhau trong mạng. Mỗi node mạng biờn lối vào gửi đi cỏc yờu cầu kết nối để yờu cầu được phục vụ, cỏc yờu cầu này được xếp trong hàng đợi tuỳ thuộc vào node mạng biờn đớch hay phõn lớp chất lượng dịch vụ. Việc phục vụ tập trung ở đõy là thực hiện ấn định tài nguyờn dựa trờn thụng tin trạng thỏi của cỏc bước súng trờn mỗi liờn kết trong toàn mạng. Phần phục vụ yờu cầu tập trung cũng cú thể đỏp ứng việc xử lý cỏc yờu cầu kết nối riờng biệt, tớnh toỏn định tuyến theo yờu cầu từ nguồn tới đớch và cũng tớch luỹ số cỏc bước súng yờu cầu trờn mỗi liờn kết. Node mạng
biờn lối vào bắt đầu quỏ trỡnh truyền dữ liệu chỉ sau khi nú nhận được bản tin xỏc nhận từ phần phục vụ yờu cầu.
2.1.2. Cỏc yờu cầu về cụng nghệ
Để cung cấp được cỏc chức năng cơ bản của chuyển mạch chựm quang như đó được mụ tả trong phần trước thỡ cần yờu cầu một số cụng nghệ chế tạo thiết bị quang. Trong cỏc node mạng biờn và node mạng lừi, phần OXC phải được thực thi sử dụng một kết cấu chuyển mạch quang nhanh. Cỏc bộ thu ở cỏc node mạng biờn cũng cần phải cú tốc độ nhanh để cú thể thu nhận tớn hiệu lối vào nhanh. Mỗi trạm yờu cầu cú một số phương thức chuyển đổi bước súng để giảm thiểu xung đột tại cỏc liờn kết lối ra [8].
Mạng OBS khụng đũi hỏi về thời gian chuyển mạch nhanh như yờu cầu trong hệ chuyển mạch gúi. Mặt khỏc, với cụng nghệ ngày nay yờu cầu thời gian chuyển mạch đối với mạng OBS là cú thể đỏp ứng được. Đó cú một số cụng nghệ được ứng dụng thực thi cỏc mạng chuyển mạch toàn quang. Một trong những cụng nghệ hoàn thiện nhất là cụng nghệ chuyển mạch sử dụng hệ thống vi cơ điện tử (MEMS). Trong cỏc hệ chuyển mạch MEMS, sử dụng cỏc gương siờu nhỏ cú thể điều khiển để hướng ỏnh sỏng từ một cổng lối vào tới một cổng lối ra cho trước. Hỡnh 2.5 mụ tả một thiết kế tiờu biểu minh hoạ. Ở đõy ỏnh sỏng từ một sợi lối vào cho trước được định hướng tới một gương trong hệ gương lối vào. Gương này được điều chỉnh để chuyển hướng chựm sỏng tới hệ cỏc gương lối ra, tại đõy nú sẽ bị phản xạ tới sợi lối ra tương ứng. Cụng nghệ MEMS dựa trờn cơ cấu điều khiển cỏc gương để định hướng ỏnh sỏng nờn thời gian chuyển mạch tương đối chậm, nú cỡ khoảng 50 ms [8].
Cỏc sợi lối vào Cỏc sợi lối ra Hỡnh 2.5 Hệ chuyển mạch vi cơ điện tử.
Một cụng nghệ chuyển mạch đỏp ứng thời gian chuyển mạch nhanh hơn đú là chuyển mạch cổng sử dụng cỏc bộ khuếch đại quang bỏn dẫn (SOA). Sơ đồ khối của hệ chuyển mạch SOA được chỉ ra trong hỡnh 2.6. Ánh sỏng tới một lối vào cho trước sẽ được quảng bỏ tới cỏc bộ khuếch đại quang bỏn dẫn sử dụng cỏc bộ ghộp nối quang. Cỏc SOA được kớch hoạt tạo ra cỏc trạng thỏi giống như mở (on) và đúng (off).
Hỡnh 2.6 Hệ chuyển mạch sử dụng bộ khuếch đại quang bỏn dẫn
Nếu như một SOA chuyển qua trạng thỏi mở, tớn hiệu lối vào sẽ được đi qua và tới lối ra. Ngược lại, tớn hiệu sẽ bị khoỏ. Ưu điểm của chuyển mạch sử dụng SOA là thời gian chuyển mạch nhanh cỡ 1 ns và cho phộp phỏt quảng bỏ tớn hiệu tới nhiều lối ra. Nhược điểm SOA là sử dụng cỏc bộ ghộp nối quang dẫn tới suy giảm tớn hiệu nờn bị giới hạn về khoảng cỏch truyền dẫn. Mặt khỏc cỏc thiết bị SOA thường đắt và cú độ nhạy cực tớnh cao.
Một cụng nghệ yờu cầu khỏc khi xõy dựng mạng OBS là thực thi cỏc bộ thu cỏc chựm dữ liệu. Cỏc bộ thu truyền thống trong cỏc hệ thống truyền dẫn quang hiện tại như là SONET/SDH khụng phự hợp cho cỏc hệ thống chuyển mạch chựm quang. Cỏc bộ thu này thường cú pha và cụng suất thu là một hằng số và tớn hiệu là luụn tồn tại. Trong cỏc mạng OBS, cỏc chựm dữ liệu đến một bộ thu cho trước cú thể cú pha và cụng suất khỏc nhau vỡ cỏc chựm dữ liệu cú thể đi tới từ cỏc nguồn khỏc nhau và đi trờn những đường dẫn khỏc nhau. Hơn nữa do đặc tớnh tự nhiờn của chựm dữ liệu nờn tớn hiệu chỉ hiện hữu trong thời gian kộo dài của chựm dữ liệu. Cỏc bộ thu chế độ thu chựm dữ liệu là những bộ thu được thiết kế tương thớch với tớn hiệu cú cụng suất và pha biến đổi theo cỏc chựm dữ liệu tới. Một yờu cầu đối với cỏc bộ thu chế độ chựm dữ liệu là phải khụi phục được tớn hiệu đồng hồ đủ nhanh. Cỏc bộ thu chế độ burst cú khả năng khụi phục lại tớn hiệu đồng hồ của tớn hiệu tới 2.5 Gbps trong vũng 24 ns đó được thực thi trong cỏc thớ nghiệm [9].
Một cụng nghệ cần thiết khỏc để thực thi mạng chuyển mạch chựm quang đú là chuyển đổi bước súng. Trong mạng chuyển mạch chựm quang sử dụng WDM hoặc DWDM việc chuyển đổi bước súng tại mỗi node mạng là rất cần thiết để giảm thiểu tắc nghẽn. Kỹ thuật đơn giản nhất để chuyển đổi bước súng là thực hiện chuyển đổi từ miền quang sang miền điện và sử dụng tớn hiệu điện để điều chế sang tớn hiệu quang tại bước súng lối ra yờu cầu. Phương phỏp này cú đặc điểm đơn giản và cú thể chuyển đổi tớn hiệu ở tốc độ dữ liệu lờn tới 10 Gbps, tuy nhiờn việc thực hiện này yờu cầu tớn hiệu quang phải cú một dạng điều chế riờng cũng như tốc độ bớt xỏc định. Một cỏch khỏc thực hiện chuyển đổi bước súng là thực hiện điều chế khuếch đại chộo. Trong điều chế khuếch đại chộo, tớn hiệu dữ liệu được phỏt đi qua một bộ khuếch đại quang bỏn dẫn (SOA) cựng với một tớn hiệu bơm liờn tục (CW) trờn một bước súng khỏc. Khi tớn hiệu dữ liệu ở mức cao, cỏc hạt mang điện trong miền khuếch đại của SOA giảm và SOA rơi vào trạng thỏi bóo hồ. Kết quả là tớn hiệu bơm CW khụng được khuếch đại. Khi tớn hiệu ở mức thấp, tớn hiệu bơm CW sẽ được khuếch đại hoàn toàn. Bởi vậy một bản copy ngược tại bước súng bơm CW của tớn hiệu dữ liệu sẽ thu được ở lối ra của bộ SOA. Kỹ thuật này cú khả năng chuyển đổi tớn hiệu dữ liệu tốc độ lờn tới 10 Gbps. Sự hạn chế của điều chế khuếch đại chộo là kỹ thuật này yờu cầu mức cụng suất tớn hiệu dữ liệu lối vào cao và cho tỉ số cụng suất của bớt „0‟ và bit „1‟ của tớn hiệu lối ra thấp. Sự chờnh lệch này dẫn tới khi SOA ở trạng thỏi bóo hồ, tớn hiệu bơm CW vẫn nhận được khuếch đại ở một mức nào đú.
Phương phỏp khỏc thực hiện việc chuyển đổi bước súng là sử dụng hiệu ứng phi tuyến trộn bốn bước súng. Hiệu ứng này xảy ra khi cú sự tương tỏc giữa hai tần số f1 và f2 tạo ra thờm hai tần số mới 2f1 - f2 và 2f2 – f1. Nếu tớn hiệu dữ liệu hoạt động tại tần số f1 và tớn hiệu bơm CW hoạt động ở tần số f2 thỡ tớn hiệu
dữ liệu lối ra sẽ thu được tại cỏc tần số 2f1 - f2 và 2f2 – f1. Cỏc tớn hiệu mới tạo ra cú cụng suất thấp hơn tớn hiệu lối vào nờn hiệu suất của kỹ thuật này khụng cao. Hơn nữa, hiệu suất giảm khi sự chờnh lệch giữa bước súng tớn hiệu bơm và tớn hiệu lối ra tăng.
2.1.3. Một số hiệu ứng tương tỏc lớp vật lý
Khi thiết kế một mạng quang núi chung, mạng chuyển mạch chựm quang núi riờng rất nhiều vấn đề thực thi về mặt vật lý cần được quan tõm tớnh toỏn.
Dưới đõy ta sẽ xột một số vấn đề tiờu biểu như suy hao, tỏn sắc và cỏc hiệu ứng phi tuyến.
Khi ỏnh sỏng truyền trong sợi, cụng suất của tớn hiệu sẽ giảm do cú suy hao khi lan truyền. Suy hao là một hàm của bước súng tớn hiệu và nguyờn nhõn của nú là do hiện tượng hấp thụ của sợi và do tỏn xạ Rayleigh. Hấp thụ là do sự va chạm giữa ỏnh sỏng và cỏc hạt silicat hoặc do tạp chất trong sợi hấp thụ. Hầu hết cỏc loại sợi cú hấp thụ tổng trong dải bước súng thụng dụng (0.8 μm đến 1.6 μm) là khụng đỏng kể. Tỏn xạ Rayleigh xảy ra khi cú sự thay đổi nhỏ về chiết suất trong sợi.
Trong mạng chuyển mạch chựm quang, suy hao sẽ giới hạn khoảng cỏch truyền cỏc chựm dữ liệu. Trong phần lớn cỏc trường hợp, cỏc bộ khuếch đại quang sẽ được sử dụng để khắc phục vấn đề suy hao. Song cỏc bộ khuếch đại quang sẽ làm tăng thờm nhiễu tớn hiệu.
Nếu tớn hiệu quang bao gồm nhiều thành phần bước súng thỡ cỏc thành phần bước súng khỏc nhau này sẽ được truyền với tốc độ khỏc nhau, dẫn tới sự trải dài cỏc xung tớn hiệu trong miền thời gian. Hiện tượng này gọi là hiện tượng tỏn sắc. Cỏc loại tỏn sắc bao gồm tỏn sắc mode và tỏn sắc màu.
Tỏn sắc mode xảy ra khi cú nhiều mode của cựng một tớn hiệu lan truyền với vận tốc khỏc nhau trong sợi. Tỏn sắc mode cú thể được loại trừ bằng cỏch sử dụng sợi đơn mode. Sợi đơn mode cú đường kớnh lừi rất nhỏ và chỉ cho phộp truyền duy nhất mode cơ bản [9].
Tỏn sắc màu cú nguyờn nhõn do tốc độ truyền khỏc nhau của cỏc thành phần bước súng khỏc nhau. Do đú, nếu tớn hiệu truyền cú nhiều hơn một thành phần bước súng thỡ sẽ cú thành phần lan truyền với tốc độ nhanh hơn cỏc thành phần khỏc, kết quả là sẽ trải rộng xung tớn hiệu trong miền thời gian. Cỏc loại tỏn sắc màu gồm cú tỏn sắc vật liệu và tỏn sắc ống dẫn súng. Tỏn sắc vật liệu do hệ số chiết suất là hàm của bước súng. Tỏn sắc ống dẫn súng xảy ra do chiết suất đối với một bước súng phụ thuộc vào hệ số cụng suất truyền trong lừi và hệ số cụng suất truyền ở lớp vỏ sợi. Khi tớn hiệu bao gồm cỏc xung biểu diễn cho cỏc bit, tỏn sắc gõy ra trải dài xung khi nú truyền qua sợi. Độ kộo dài này cú thể đủ rộng để ảnh hưởng tới xung bờn cạnh nú và dẫn tới nhiễu xuyờn ký tự (ISI). Như vậy tỏn sắc sẽ rỳt ngắn khoảng trống giữa cỏc bớt và giới hạn tốc độ truyền dẫn tối đa trờn kờnh
quang. Ở bước súng 1300 nm, tỏn sắc vật liệu đối với sợi quang đơn mode là gần như bằng khụng. Và đõy cũng là một cửa sổ suy hao thấp. Ngoài ra cũn cú một kỹ thuật cú thể dịch tỏn sắc, tạo ra cỏc sợi cú độ tỏn sắc bằng khụng tại một bước súng nào đú trong khoảng 1300 nm và 1700 nm. Trong sợi dịch tỏn sắc, lừi và vỏ sợi được thiết kế sao cho tỏn sắc ống dẫn và tỏn sắc vật liệu triệt tiờu lẫn nhau nờn tỏn sắc tổng sẽ bằng khụng. Song giỏ trị này chỉ cú tỏc dụng đối với một bước súng nhất định. Ngoài vấn đề nhiễu xuyờn ký tự, tỏn sắc cũn cú thể gõy ra cỏc vấn đề đồng bộ trong cỏc mạng OBS. Trong cỏc mạng OBS, gúi tin tiờu đề và chựm dữ liệu được truyền trờn cỏc bước súng khỏc nhau. Mỗi bước súng cú một mức tỏn sắc khỏc nhau, dẫn tới gúi tiờu đề và chựm dữ liệu cú thể cú độ dịch lại gần hoặc xa hơn trong miền thời gian. Nếu biết trước khoảng cỏch vật lý và hệ số tỏn sắc của sợi ta cú thể bự lại tỏn sắc bằng việc điều chỉnh phự hợp độ lệch tại trạm nguồn [6].
Cỏc hiệu ứng phi tuyến trong sợi gõy ảnh hưởng tới một số tham số hoạt động như tốc độ truyền dẫn, số kờnh truyền, khoảng cỏch giữa cỏc kờnh và mức cụng suất tớn hiệu. Một số hiệu ứng phi tuyến bao gồm hiệu ứng trộn bốn bước súng (FWM), tự điều chế pha, điều chế chộo pha, tỏn xạ kớch thớch Raman (SRS) và tỏn xạ kớch thớch Brillouin (SBS).
- Hiệu ứng trộn bốn bước súng xuất hiện khi truyền đồng thời hai bước súng hoạt động tại hai tần số f1 và f2 tạo ra cỏc tớn hiệu tại tần số 2f1 – f2 và 2f2 – f1. Cỏc tớn hiệu này sẽ gõy nhiễu đối với cỏc tớn hiệu khỏc trong cựng dải. Hiệu ứng xảy ra tương tự đối với trường hợp ba hoặc nhiều hơn ba bước súng. Hiệu ứng FWM trong hệ thống WDM cú thể hạn chế bằng cỏch sử dụng cỏc kờnh với cỏc khoảng trống giữa cỏc kờnh khụng bằng nhau. - Hiện tượng tự điều chế pha xảy ra khi cú sự thay đổi cường độ tớn hiệu kết quả làm biến đổi pha tớn hiệu. Sự biến đổi tức thời về pha cú thể sẽ sinh