CHƯƠNG 4: CÁC Mễ HèNH CHUY NM CH ỂẠ
4.2 Kin trỳc chuy nm ch KEOPS ểạ
hoạt động. Mỗi gúi tin đi qua trường chuyển mạch với cựng một bước súng. ở cổng đầu ra, bước súng cỏc gúi tin sẽ được chuyển đổi thành bước súng đầu ra. Như vậy, bước súng sử dụng cho gúi tin trong chuyển mạch là độc lập với bước súng ngoài chuyển mạch. Chuyển mạch này cú thể đỏp ứng độ dài gúi tin khỏc nhau.
Trong ma trận chuyển mạch, cỏc gúi đầu tiờn được chuyển đổi bước súng mà đảm bảo khụng xảy ra sự tranh chấp. Số lượng bước súng sử dụng trong chuyển mạch là W, cú thể ớt hơn hoặc bằng số bước súng bờn ngoài M. Bộ đệm đường dõy trễ gồm cú k tầng của
Khối chuyển mạch
Chuyển bước súng
Khối điều khiển logic
Chuyển mạch khụng
gian quang Đường dõy t rễ
Tỏch bước súng và trớch tiờu đề Chuyển đổi bước súng và chốn tiờu đề + +
Hỡnh 3.38: Kiến trỳc chuyển mạch gúi DAVID.
1 M 1 M n n λW λ2 λ1 Ch uyể n đổi bư ớc sún g Ch uyể n đổi bư ớc sún g Ch uyể n đổi bư ớc sún g λW λ2 λ1 λW λ2 λ1
Khối điều khiển chuyển mạch
Đ ầ u v à o Đ ầ u r a Hỡnh 3.39: Kiến trỳc chi tiết của khối chuyển mạch DAVID.
m đường dõy trễ. Mỗi gúi tin từ đường dõy trễ đều được chuyển tới chuyển mạch khụng gian thụng qua bộ chia bước súng. Mỗi bộ chia gồm cú một bộ kết hợp và một bộ tỏch bước súng. Kiến trỳc này đảm bảo bất kỡ đầu ra nào của tầng chuyển mạch thứ i đều được chuyển tới bất kỡ đầu vào tầng chuyển mạch thứ i+1. Mỗi tầng cú độ trễ khỏc nhau, và đường dõy trễ của tầng thứ k cú độ trễ là i.mk-1. Trạng thỏi đầu ra sẽ lựa chọn cỏc gúi tin thớch hợp với đầu ra theo bước súng và đường dõy trễ. Khi đó tới đỳng đầu ra, cỏc gúi tin sẽ được chuyển đổi về đỳng bước súng và đưa tới sợi đầu ra. Kiến trỳc này lập lịch theo nguyờn tắc FIFO, vớ dụ như cỏc gúi tin tới cổng đầu ra theo thứ tự FIFO.
3.6.2 Chuyển mạch định tuyến bước súng
Chuyển mạch định tuyến bước súng là cỏc chuyển mạch mà cỏc cổng đầu ra yờu cầu được thực hiện bằng cỏch chuyển đổi bước súng tại phớa đầu vào. Mỗi gúi được nhận một bước súng thớch hợp đề định tuyến tới cổng ra và chuyển mạch thực hiện tuỳ thuộc vào bước súng.
3.6.2.1 Chuyểnmạch định tuyến bước súng bộ đệm đầu ra
Kiến trỳc chuyển mạch định tuyến bước súng đệm đầu ra đó được nghiờn cứu từ những năm 1992 bởi Gabriagues và Jacob, và được mụ tả như hỡnh 3.40.
Chuyển mạch này bao gồm ba khối chức năng quang là: Khối mó hoỏ gúi tin; khối tầng đệm và khối tỏch gúi tin, cỏc khối đều được điều khiển bằng điện. Khối mó hoỏ gúi tin bao gồm N bộ chuyển đổi bước súng khả chỉnh TWC's để chuyển đổi gúi
Bộ lọc thụng dải 0
(K-1).T TWC
Điều khiển điện
TWC
λ1
λN
1
N
Hỡnh 3.40: Cỏc phần chớnh của chuyển mạch định tuyến bước súng.
Mó hoỏ gúi Đệm gúi tin Tỏch gúi tin 1 N 1 K 1 K
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chương 3: Chuyển mạch gúi quang
gúi tin tới đường dõy trễ cần thiết. Bộ điều khiển điện sẽ đảm bảo cỏc gúi tin cần tới đớch sẽ chuyển tới mỗi cổng đầu ra theo nguyờn tắc lập lịch FIFO. Khối tỏch gúi tin bao gồm một coupler sao K xN và một tập N bộ lọc thụng dải. Coupler sao sẽ ghộp tất cả cỏ gúi tin từ cỏc đường dõy trễ khỏc nhau tới tất cả cỏc cổng đầu ra. Bộ lọc sẽ chọn lọc cỏc gúi tin cú bước súng tương ứng với cổng đầu ra đú. Số lượng cổng SOA cú mối quan hệ tỉ lệ với N và K. Mỗi đầu vào và đầu ra cú thể chứa một gúi tin tại một thời điểm.
Một dạng khỏc của chuyển mạch định tuyến bước súng là chuyển mạch gúi quang mạng biờn đó được thực hiện ở những năm đầu thập kỉ 90. Trung tõm của chuyển mạch là một AWGM (Arrayed Waveguide Grating Multiplexer) cú thể coi như một bộ định tuyến bước súng như trờn hỡnh 3.41.
Trường chuyển mạch N xN được tạo ra nhờ sử dụng N bước súng để định tuyến cỏc gúi tin. Trong AWGM, mỗi gúi tin sẽ được định tuyến theo cổng đầu vào và bước súng. Do đú, mỗi cổng đầu vào cần phải cú một bước súng riờng biệt cho mỗi đầu ra. Ngoài ra, cỏc gúi tin hướng từ cỏc đầu vào khỏc nhau tới cựng một đầu ra cần phải cú bước súng khỏc nhau, vớ dụ gúi tin từ cổng đầu vào 1 tới cổng đầu ra 1 sẽ nhận bước súng λ1, gúi tin từ đầu vào 2 tới cổng đầu ra 1 sẽ nhận bước súng λ2, và gúi tin từ đầu
Bộ định tuyến AWGM TWC TWC TWC Bộ đệm ghộp quay vũng Bộ đệm ghộp quay vũng Bộ đệm ghộp quay vũng G1 G2 Coupler G2 G1 Khối m Coupler Khối 1 Đệm ghộp quay vũng
vào 1 tới đầu ra 2 sẽ nhận bước súng λ3. Mỗi đầu vào và đầu ra cú thể chứa một gúi tin tại một thời điểm.
Trước tiờn, cỏc gúi tin sẽ được hướng tới cỏc bộ chuyển đổi bước súng khả chỉnh TWC's, sau đú đi qua AWGM và tới một trong cỏc bộ đệm ghộp quay vũng. TWC sẽ lựa chọn một bước súng thớch hợp cho mọi gúi tin và sau đú, AWGM định tuyến cỏc gúi tin tới đầu ra theo yờu cầu theo bước súng đú. Do AWGM cú thể đồng thời định tuyến một số gúi tin tới cựng một đầu ra tại một thời điểm nờn sự tranh chấp cú thể xảy ra tại cổng đầu ra. Lỳc này, bộ đệm ghộp quay vũng cần xỏc định trạng thỏi đú, nếu cú tranh chấp, tất cả cỏc gúi tin trừ một gúi đều được đệm.
í tưởng của bộ đệm ghộp quay vũng như sau: Cú M bộ đệm quay vũng, mỗi bộ đệm bao gồm một mạch lặp bằng sợi quang, hai chuyển mạch cổng SOA và một coupler 3 dB. Cổng SOA thứ nhất sẽ xỏc định cú luồng gúi tin nào cần tới mạch lặp khụng, cũn SOA thứ hai sẽ xỏc định cú luồng gúi tin nào trờn mạch lặp chuyển trực tiếp tới đầu ra, hay bị trễ gay thời điểm đú. Cỏc luồng gúi tin đến bao gồm cỏc gúi tin tại cựng một khe thời gian, sẽ được chuyển tới mạch lặp rỗi gần đầu ra nhất cú thể. Nếu cỏc bộ đệm trống hoàn toàn, thỡ cỏc tớn hiệu sẽ được sao chộp tới cỏc bộ lọc thụng dải tại cổng đầu ra. Tất cả cỏc bộ lọc bước súng thụng dải đều chỉ chọn một gúi tin, cũn cỏc gúi tin khỏc đều bị loại bỏ. Trong khe thời gian tiếp theo, luồng gúi tin ở mạch lặp gần nhất bộ lựa chọn bước súng sẽ được sao chộp tới bộ lựa chọn bước súng một lần nữa. Khi tất cả cỏc gúi tin trong mạch lặp gần nhất tới bộ lựa chọn đó được chuyển ra ngoài, thỡ luồng gúi tin trờn mỗi mạch lặp lại được sao chộp tới mạch lặp tiếp theo. Vớ dụ tại mọi khe thời gian, luồng gúi tin từ mỗi mạch lặp thứ i sẽ được chuyển tới mạch lặp thứ (i-1) khi và chỉ khi tất cả cỏc gúi tin trong mạch lặp thứ i đó được chuyển tiếp. Bộ điều khiển điện sẽ tớnh toỏn khi nào gúi tin từ mạch lặp 1 được chuyển tiếp và tớn hiệu từ cỏc mạch lặp khỏc được chuyển tới mạch lặp quay vũng tiếp theo.
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chương 3: Chuyển mạch gúi quang
3.6.2.2 Chuyển mạch định tuyến bước súng đệm đầu vào
Hỡnh 3.42: Chuyển mạch định tuyến đệm đầu vào
Chuyển mạch định tuyến bước súng đệm đầu vào này là cơ sở của chuyển mạch WASPANET, một kiến trỳc chuyển mạch rất cú tiềm năng trong mạng chuyển mạch gúi quang. Một trong cỏc mụ hỡnh của kiến trỳc này được mụ tả trờn hỡnh 3.42.
Trước tiờn, cỏc gúi tin sẽ được đệm bộ lập lịch gúi tin, mỗi gúi tin sẽ nhận một bước súng theo yờu cầu và được đệm trong bộ đệm định tuyến bước súng. Bộ đệm bao gồm hai khối ghộp AWGM kết nối thụng qua cỏc đường dõy trễ. Khối AWGM thứ nhất sẽ định tuyến gúi tin tới đường dõy trễ yờu cầu dựa trờn bước súng và cổng đầu vào của gúi tin, và chỉ một gúi tin được tới đầu vào hoặc đầu ra của khối tiếp theo. Tuy nhiờn cũng cú thể cú một số gúi tin trờn cựng một đường dõy trễ, nếu cỏc gúi tin này thuộc cỏc bước súng khỏc nhau. Khối AWGM thứ hai sẽ hướng gúi tin tới đầu ra cú cựng chỉ số với chỉ số cổng đầu vào của gúi tin. Sau đú, khối định tuyến bước súng kiểm tra bước súng của gúi tin, và gửi gúi tin tới cổng đầu ra theo bước súng. Ta cú thể tăng dung lượng của chuyển mạch bằng cỏch thay thế khối ghộp AWGM thứ hai bằng hai AWGM nhỏ hơn và đặt chuyển mạch khụng gian 1x2 trước đú. Mỗi đầu vào và đầu ra chỉ cú thể chứa một gúi tin tại một thời điểm.
Trong dự ỏn WASPANET, cú ba chuyển mạch định tuyến bước súng đệm đầu vào được triển khai. Chuyển mạch thứ nhất là chuyển mạch gúi quang dựa trờn AWG đệm feed forward, cú hoạt động tương tự như chuyển mạch định tuyến bước súng đệm đầu vào ở trờn. Điểm khỏc nhau chớnh là chuyển mạch ở trờn cú một tập hợp cỏc đường dõy trễ cú thể trễ đệm một số gúi tin trờn nhiều bước súng tại một thời điểm, nờn hoạt động chuyển mạch thực hiện độc lập sau khi đệm, cũn chuyển mạch trong WASPANET thỡ mỗi đầu ra của khối ghộp AWGM thứ nhất cú một bộ đệm riờng, nờn hoạt động chuyển mạch diễn ra đồng thời với đệm. Ngoài ra, trong chuyển mạch feed forward chỉ yờu cầu hai khối ghộp AWGM, nhưng số lượng bộ biến đổi bước súng khả chỉnh TWC và đường dõy trễ thỡ nhiều gầp bội so với chuyển mạch đệm đầu vào. Và chuyển mạch feed forward đó được
T (M-1)T K x K A W G M TWC TWC TWC K x K A W G M N x N A W G M TWC TWC TWC
Khối điều khiển điện
Lập lịch gúi tin Định tuyến gúi tin
2 1 N 2 1 N
phỏt triển lờn bằng cỏch sử dụng cỏc tập hợp đường dõy trễ quay vũng. Và chuyển mạch thứ ba được gọi là chuyển mạch WASPANET được rất nhiều người biết đến, mụ hỡnh bước súng của chuyển mạch này được mụ tả trờn hỡnh 3.43 như sau:
Hỡnh 3.43: Chuyển mạch WASPANET
Hoạt động của chuyển mạch này như sau: đầu tiờn, cỏc gúi tin sẽ được chuyển đổi bước súng theo cổng đầu ra của bộ AWG thứ nhất chọn lựa. Nếu gúi tin khụng cần phải đệm thỡ nú sẽ được chuyển qua bộ chuyển đổi bước súng khả chỉnh, tới bộ AWG thứ hai và chuyển mạch tới đầu ra chớnh xỏc theo bước súng. Nếu cần phải đệm, gúi tin sẽ được chuyển mạch tới một trong cỏc cổng của cỏc đường dõy trễ. Chỳng sẽ tiếp tục biến đổi bước súng sang một bước súng xỏc định và được chia trờn tất cả cỏc đường dõy trễ. Tại đầu ra của cỏc đường dõy trễ, một trong cỏc gúi tin ở cỏc bước súng khỏc nhau sẽ được chọn, sau đú được chuyển đổi sang một số bước súng và chuyển ngược trở lại AWG thứ nhất. Cấu hỡnh này chỉ minh họa một mụ hỡnh chuyển mạch mà mỗi cổng đầu vào chỉ cú một bước súng, nờn mỗi đầu vào và đầu ra chỉ cú thể chứa một gúi tin tại một thời điểm. Trờn thực tế chuyển mạch WASPANET gồm rất nhiều bộ ghộp kờnh và bộ tỏch kờnh và mỗi mặt chỉ hoạt động ở một bước súng, nờn cấu hỡnh trờn chỉ mụ tả một mặt của chuyển mạch. Trong chuyển mạch WASPANET, mỗi đầu vào sẽ được tỏch kờnh và mỗi bộ tỏch kờnh sẽ gửi gúi tin với bước súng i trờn mặt i. Tương tự như vậy, mỗi đầu ra được thực hiện bằng cỏch ghộp phối hợp cỏc đầu ra của cỏc mặt.
3.6.3 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bỏ
Chuyển mạch lựa chọn và quảng bỏ là một kiến trỳc chuyển mạch chung, Loại chuyển mạch này đó được thực thi trong nhiều dự ỏn. Chuyển mạch lựa chọn và quảng bỏ khụng cần sử dụng phần tử khả chỉnh giống như cỏc chuyển mạch định tuyến bước
AWG AWG TWCs TWCs Tỏch kờnh Ghộp kờnh Đầu ra Đầu vào
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chương 3: Chuyển mạch gúi quang
hiệu được xao chộp tới mỗi đầu ra. Sau đú mỗi khối đầu ra sẽ lọc thụng tin như yờu cầu (gúi) từ tớn hiệu và tỏch cỏc gúi ra. Chuyển mạch cú thể dựa vào bước súng (WDM) hoặc dựa vào thời gian (TDM), hoặc sử dụng cả hai.
3.6.3.1 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bỏ KEOPS
Rất nhiều chuyển mạch lựa chọn và quảng bỏ sử dụng cụng nghệ WDM. Một vớ dụ đơn giản của loại chuyển mạch này là chuyển mạch được thực hiện trong dự ỏn KEOPS. Chuyển mạch này được mụ tả trong hỡnh 4.44.
Trong chuyển mạch này cú một số điểm giống với chuyển mạch định tuyến bước súng. Điểm khỏc nhau là giữa bộ mó hoỏ gúi, cỏc gúi cú bước súng tuỳ thuộc cổng vào trong khi chuyển mạch định tuyến theo bước súng cỏc gúi cú bước súng tuỳ thuộc cổng ra. Trong chuyển mạch lựa chọn và quảng bỏ KEOPS mỗi đầu vào và ra chỉ cú thể chứa một gúi tại một thời điểm. Một chuyển mạch NìN gồm bốn khối:
Bộ mó hoỏ gúi gồm N bộ chuyển đổi bước súng, một cho mỗi đầu vào. Tất cả cỏc đầu vào cú bước súng riờng biệt và được gỏn cố định. Tức là đầu vào mỗi gúi được nhận dạng bởi bước súng. Tất cả cỏc gúi đến tại cựng khe thời gian thỡ được ghộp lại với nhau.
Bộ đệm gúi gồm cỏc đường trễ và một ma trận chuyển mạch khụng gian. Ma trận chuyển mạch khụng gian lại gồm cỏc coupler thụ động và cỏc cổng SOA quang. Tớn hiệu ghộp được xao chộp tới K đường trễ khỏc nhau. Tại mọi khe thời gian nội dung đó được xao chộp tới cỏc đầu ra của đường trễ sẽ được gửi tới N khối của trường chuyển mạch khụng gian. Tại mỗi khối mỗi tớn hiệu được
Điều khiển logic Điều khiển logic
1 1 N N 1 K 1 K 1 K λ1 λN λ1 λN
Hỡnh 3.44 : Cấu hỡnh của chuyển mạch lựa chọn và quảng bỏ
Đ ầ u v à o Đ ầ u r a
chọn và tỏch ra. Tớn hiệu đó chọn mà chứa tất cả cỏc gúi đến chuyển mạch tại khe thời gian riờng biệt sau đú được đưa trực tiếp tới khối tiếp theo.
Khối lựa chọn bước súng gồm N bộ lựa chọn bước súng. Mọi bộ lựa chọn bước súng nhận tớn hiệu gồm K gúi. Bước súng được yờu cầu (tại cổng vào) được chọn tuỳ thuộc vào bộ điều khiển điện và gúi yờu cầu được truyền thẳng tới cổng ra. Điều khiển điện điều khiển hệ thống. Bộ đệm FIFO điện được sử dụng để lưu
trữ thụng tin liờn quan từ mào đầu gúi.
3.6.3.2 Chuyển mạch lựa chọn và quảng bỏ ULPHA
Nhiều chuyển mạch gúi quang thường sử dụng cụng nghệ WDM hơn là OTDM. WDM cú nhiều đặc tớnh tốt, nhưng cũng cú một số vấn đề. Cỏc mạng dựa trờn WDM cần sử dụng cỏc bộ lọc khả chỉnh độ nhạy cao và cỏc bộ chuyển đổi bước súng. Thờm nữa là cỏc thiết bị điều khiển điện phức hợp cũng cần cú. Vỡ vậy một chuyển mạch lựa chọn và quảng bỏ dựa trờn TDM được thực hiện bởi Shimatsu và Tsukada, gọi là ULPHA. ULPHA là chuyển mạch quang ATM cực nhanh dựa trờn nguyờn lý lựa chọn và quảng bỏ. Hỡnh 3.45 mụ tả chuyển mạch này. Cỏc tớn hiệu đầu vào được dẫn tới cỏc bộ điều chế đầu vào (M) và cỏc bộ mó hoỏ tế bào (CC), ở đú dữ liệu được nộn phụ thuộc vào tốc độ của nguồn xung ngắn. Mào đầu khụng bị nộn để dễ dàng phỏt hiện thụng tin địa chỉ. Coupler sao phối hợp dữ liệu từ cỏc đầu vào khỏc nhau thành một tớn hiệu, mà sau đú được xao chộp tới mọi đầu ra. Bộ lựa chọn tế bào chọn ra khe thời