Từ quan điểm kiến trúc, các hệ thống truyền thơng cáp sợi quang cĩ thể được phân loại thành 3 loại – các tuyến kết điểm- điểm, các mạng phân bố và mạng cục bộ. Trong phần này chúng ta sẽ tập trung xem xét những đặc điểm chính của 3 kiến trúc này.
5.1.1 Tuyến điểm nối điểm
Tuyến điểm nối điểm là loại kiến trúc đơn giản nhất của hệ thống thơng tin quang. Vai trị của chúng là chuyển tải thơng tin trong dạng luồng số bit từ một nơi này đến một nơi khác một cách chính xác nhất cĩ thể được. Chiều dài tuyến cĩ thể thay đổi từ nhỏ hơn 1 km (cự ly ngắn)
đến hàng ngàn km (cự ly dài), phụ thuộc vào ứng dụng.
Khi chiều dài tuyến vượt quá một giá trị nào đĩ, nằm trong khoảng từ 20-100 km phụ thuộc vào bước sĩng cơng tác, cần thiết phải bù đắp các suy hao trong sợi quang, ngược lại tín hiệu sẽ trở nên quá yếu để cĩ thể tách ra ở phía thu.
Hình 5.1 Các tuyến điểm nối điểm cĩ bù suy hao định kỳ bằng cách, (a) sử dụng các trạm tái tạo và (b) sử dụng khuếch đại quang. Các trạm lặp gồm bộ thu theo sau là bộ phát.
Hình 5.1 trình bày hai sơ đồ thường sử dụng để bù suy hao quang. Các bộ lặp quang điện, cịn được gọi là trạm tái tạo bởi vì chúng tái tạo lại các tín hiệu quang, duy nhất được sử dụng cho
đến những năm 1990. Như trên hình 5.1 (a) bộ tái tạo chẳng qua là một cặp thu – phát tách tín
hiệu quang đến, khơi phục lại bit điện, rồi chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu quang bằng cách
điều chế một nguồn quang. Sự tiến bộ trong cơng nghệ khuếch đại quang sau đĩ đã làm một cách
mạng trong sự phát triển các hệ thống thơng tin quang [8]-[10]. Các bộ khuếch đại quang đặc biệt cĩ giá trị cho các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sĩng (WDM) bởi vì chúng cĩ thể khuếch đại nhiều kênh đồng thời. Các bộ khuếch đại được đề cập đến trong cuốn sách “Hệ thống thơng tin quang – Tập 2”.
Các bộ khuếch đại quang giải quyết vấn đề suy hao nhưng chúng lại bổ xung thêm nhiễu
và làm trầm trọng thêm ảnh hưởng của tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến bởi vì sự suy giảm tín hiệu sẽ được tích lũy ở các tầng khuếch đại. Thực tế, các hệ thống thơng tin quang được khuếch
đại một cách định kỳ thường bị giới hạn bởi tán sắc trừ khi các kỹ thuật bù tán sắc được sử dụng.
Các bộ lặp quang điện khơng bị ảnh hưởng bởi vấn đề này bởi vì chúng tái tạo lại các luồng bit
ban đầu và do đĩ bù trừ hiệu quả tất cả các nguồn suy giảm tín hiệu một cách tự động. Để thay thế cho bộ lặp quang điện tử, bộ tái tạo quang phải thực hiện ba chức năng tương tự – tái tạo (regeneration), sửa dạng (reshaping), và định thời lại (retiming) tín hiệu (vì thế cịn được gọi là bộ lặp 3R). Mặc dù cĩ những nỗ lực đáng kể trong việc nghiên cứu phát triển các khuếc đại tồn
quang (bộ khuếch đại quang), hầu hết hệ thống mặt đất hiện nay sử dụng một kết hợp hai kỹ thuật trong hình 5.1 và đặt một bộ tái tạo quang điện sau một số lượng nhất định các bộ khuếch đại
quang. Cho đến năm 2000, khoảng cách bộ lặp 3R trong tầm 600-800 km. Cũng kể từ đĩ các hệ thống đường cực dài được phát triển cĩ thể truyền tín hiệu quang xa hơn 3000 km mà khơng cần sử dụng bộ lặp 3R [12].
Khoảng cách L ở giữa các bộ tái tạo hoặc bộ khuếch đại quang (hình 5.1) thường được được gọi là khoảng lặp (repeater spacing), là một tham số thiết kế chủ yếu bởi vì giá thành hệ
thống giảm khi L tăng. Tuy nhiên, như đã thảo luận trong mục 2.4, do tán sắc khoảng cách L phụ thuộc vào tốc độ bít B. Tích tốc độ bit - khoảng cách, BL, thơng thường được sử dụng như là
thước đo chất lượng của các tuyến điểm nối điểm. Tích BL phụ thuộc bước sĩng hoạt động, bởi vì cả suy hao và tán sắc trong sợi quang điều phụ thuộc vào bước sĩng.
5.1.2 Mạng quảng bá và phân bố
Nhiều ứng dụng của hệ thống thơng tin quang địi hỏi thơng tin khơng chỉ được truyền đi mà cịn phải được phân bố đến một nhĩm thuê bao. Ví dụ như phân bố mạch vịng thuê bao của dịch vụ điện thoại và quảng bá đa kênh video trên truyền hình cáp. Các mạng phân bố cĩ khoảng cách truyền là ngắn ( < 50km) nhưng tốc độ bit cĩ thể cao (đến 10Gb/s và hơn nữa) [1].
172
Hình 5.2: (a) Tơpơ hub và (b) tơpơ bus dành cho mạng phân bố.
Hình 5.2 chỉ ra hai tơpơ của mạng phân bố. Trong trường hợp tơpơ hub, phân bố kênh đặt ở vị trí trung tâm (hay các hub), nơi mà thiết bị kết nối chéo tự động chuyển mạch các kênh trong miền
điện. Những mạng như vậy được gọi là mạng đơ thị (MAN) bởi vì các hub thường được đặt các
thành phố lớn [13]. Vai trị của sợi quang tương tự như trong trường hợp đối với tuyến điểm nối
điểm. Bởi vì băng thơng của sợi thơng thường lớn hơn yêu cầu bởi một trạm hub riêng biệt, một
vài trạm cĩ thể chia sẻ một cùng một sợi quang được xuất phát cho hub chính. Các mạng điện thoại dùng mơ hình hub để phân bố các kênh âm thanh ở bên trong thành phố. Vấn đề cần quan
tâm đối với mơ hình hub là sự gián đoạn cáp quang cĩ thể ảnh hưởng đến dịch vụ đối với phần
lớn mạng. Cĩ thể sử dụng các tuyến nối điểm nối điểm bổ xung nối các hub quan trọng trực tiếp với nhau để bảo vệ chống lại sự cố này.
Trong trường hợp tơpơ bus, một sợi quang mang tín hiệu quang đa kênh suốt cả vùng dịch vụ. Sự phân bố được được thực hiện bằng cách sử dụng các nối phân nhánh quang (optical tap), cĩ tác dụng làm trệch hướng một phần nhỏ cơng suất quang đến mỗi thuê bao. Một ứng dụng
CATV đơn giản của tơpơ bus là việc phân bố đa kênh video trong thành phố. Việc sử dụng các sợi quang học cho phép phân bố một số lượng lớn các kênh (100 hoặc hơn ) bởi vì băng thơng lớn của nĩ lơn hơn rất nhiều so với cáp đồng trục.
Một vấn đề với tơpơ bus là suy hao tín hiệu tăng theo hàm mũ với số lượng nối phân
nhánh và giới hạn số lượng thuê bao được phục vụ bởi một bus quang. Thậm chí khi suy hao sợi quang cĩ thể bỏ qua, cơng suất cĩ ở nối phân nhánh thứ N được cho bởi [1]
1 )] 1 )( 1 [( − − − = N T N P C C P δ (5.1)
Trong đĩ PN là cơng suất phát, C là phần cơng suất được tách ra trên mỗi nối phân nhánh, và δ là suy hao xen, được giả định là như nhau tại mỗi nối phân nhánh. Nếu ta lấy δ=0.05, C=0.05,
PT=1mW, và PN =0.1mW như là giá trị minh họa, N khơng được vượt quá 60. Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụng các bộ khuếch đại quang cĩ thể làm tăng cơng suất quang một cách định kỳ và do đĩ sự cho phép phân bố đến một số lượng lớn các thuê bao dài cho đến khi ảnh hưởng của tán sắc cịn cĩ thể bỏ qua.
5.1.3 Mạng cục bộ LAN
Nhiều ứng dụng của cơng nghệ truyền dẫn quang địi hỏi các mạng trong đĩ phần lớn
người dùng trong mạng cục bộ ( ví dụ như khuơn viên trường đại học) được kết nối với nhau theo cách mà bất kỳ người dùng nào cũng cĩ thể truy cập mạng một cách ngẫu nhiên để truyền dữ liệu
đến những dùng khác[14]- [16]. Các mạng này được gọi là các mạng cục bộ (LAN). Các mạng
truy nhập quang được sử dụng trong vịng thuê bao nột hạt cũng thuộc loại này [17]. Bởi vì khoảng cách truyền dẫn tương đối ngắn (<10Km), suy hao trên sợi quang là đáng quan tâm đối
với các ứng dụng trên mạng LAN. Động cơ chính thúc đấy việc sử dụng sợi quang chính là băng thơng rộng.
Sự khác biệt chính giữa mạng LAN và MAN là cơ chế truy cập ngẫu nhiên dành cho nhiều người dùng của mạng LAN. Kiến trúc hệ thống đĩng vai trị quan trọng trong mạng LAN, bởi vì việc thiết lập giao thức xác định trước là cần thiết trong một mơi trường như vậy. Ba tơpơ thường được sử dụng là bus, vịng và hình sao. Tơpơ bus giống như hình 5.2b. Một ví dụ của phổ biến của tơpơ bus là Ethernet, một giao thức mạng được sử dụng để kết nối nhiều máy tính và được Internet sử dụng. Ethernet hoạt động với tốc độ lên đến 1Gb/s sử dụng giao thức dựa trên
CSMA ( carrier-sense multiple access) với việc phát hiện đụng độ. Mặc dù kiến trúc mạng LAN
Ethernet đã hồn tồn thành cơng khi sử dụng cáp đồng trục cho bus, nhưng khi sử dụng cáp
quang cần phải giải quyết một số khĩ khăn phát sinh. Vấn đề chính là suy hao trên mỗi nối phân nhánh giới hạn số lượng người dùng [xem cơng thức (5.1)].
174
Hình 5.3 Cấu trúc mạng vịng và mạng hình sao trong mạng LAN
Hình 5.3 chỉ ra tơpơ vịng và sao cho các ứng dụng mạng LAN. Trong tơpơ vịng [18] các node liền kề được kết nối bằng các tuyến điểm nối điểm hình thành một vịng khép kín. Mỗi node cĩ truyền hoặc nhận dữ liệu bằng cách sử dụng một cặp máy phát-thu, cĩ thể hoạt động như một trạm lặp. Một thẻ (token: một chuỗi các bit được định nghĩa trước) được truyền quanh vịng. Mỗi node sẽ giám sát luồng bit để lắng nghe địa chỉ riêng và nhận dữ liệu. Nĩ cũng cĩ thể truyền bằng cách nối vào một thẻ rỗng. Việc sử dụng cấu hình vịng cho mạng LAN quang đã được thương
mại hố với giao tiếp được chuẩn hố FDDI [18] dành cho giao tiếp dữ liệu được phân phối trên sợi quang.
Trong cấu hình sao, tất cả các node được kết nối đến node trung tâm gọi là hub, hay đơn giản là hình sao bằng các liên kết điểm nối điểm. Các mạng LAN như vậy tiếp tục phân loại nhỏ hơn thành các mạng hình sao tích cực hay thụ động, phụ thuộc vào node trung tâm là thiết bị tích cực hay thụ động. Trong cấu hình hình sao tích cực, tất cả các tín hiệu quang đến đều được
chuyển đổi thành tín hiệu điện bằng các bộ thu quang. Các tín hiệu điện sau đĩ được phân bố để
điều khiển các node máy phát riêng biệt. Các hoạt động chuyển mạch cũng cĩ thể được thực hiện ở node trung tâm bởi vì sự phân bố xảy ra trong miền điện. Trong cấu hình hình sao thụ động, sự
phân bố được thực hiện trong miền quang bằng các thiết bị như các bộ coupler định hướng. Bởi vì ngõ vào từ một node được phân bố đến nhiều node ngõ ra, cơng suất được truyền đến mỗi node
phụ thuộc vào số người dùng. Giống như trong trường hợp tơpơ bus, số lượng người dùng được hỗ trợ bởi mạng LAN hình sao bị giới hạn bởi suy hao phân bố. đối với bộ coupler hình sao NxN lý tưởng, cơng suất đến mỗi node đơn giản là PT/N( nếu ta bỏ qua suy hao truyền dẫn) bởi vì cơng suất phát PT chia đều cho N người dùng. Đối với cấu hình hình sao được hình thành từ các bộ coupler định hướng, cơng suất cịn giảm hơn nữa do suy hao xen và cĩ thể được xác định như sau:
N
T
N P N
P =( / )(1−δ)log2 (5.2)
Trong đĩ δ là suy hao xen của mỗi coupler định hướng. Nếu cho δ =0.05, =1mW, và =1µW
để minh họa, N cĩ thể đạt đến 500. Hãy so sánh giá trị N này giá trị N=60 trong trường hợp tơpơ
bus (5.1). Giá trị tương đối lớn của N làm cho tơpơ hình sao hấp dẫn đối với các ứng dụng mạng LAN. Phần cịn lại trong chương này sẽ tập trung đến thiết kế và chất lượng các tuyến điểm nối điểm, phần tạo nên phần tử cơ bản của tất cả hệ thống truyền dẫn bao gồm LAN, MANs và các