2. Các linh kiện và thiết bị cơ bản trong mạng toàn quang
2.7.2 Bộ ghép/xem OADM
OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) là thiết bịđược sử dụng trong các hệ thống WDM để ghép v àđịnh tuyến các kênh quang vào đi vào/ra một sợi quang đơn mode (SMF). Đây là loại node quang thường hay được dùng để xây dựng mạng quang cấu trúc mạch vòng. Ơ đây “Add” và “Drop” chỉ ra khả năng đưa thêm một hay nhiều kênh bước sóng mới vào tín hiệu WDM đa bước sóng đang có và /hoặc tách (rớt) một hay nhiều kênh bước sóng, rồi định tuyến sang một tuyến khác của mạng (xem hình 16). Một thiết bị OADM có thể coi như làm một loại chuyển mạch quang (Optical Cross-connect) đặc biệt.
Hình 16. Cấu tạo của một bộ OADM sử dụng FBG và hai bộ Circulator
Cấu trúc điển hình của một OADM gồm 3 khối: Khối tách kênh quang (Optical Demux), khối ghép kênh quang (Optical Mux), ở giữa là khối chuyển mạch quang (optical switch). Tất cả các lightpath đi trực tiếp qua OADM gọi là
cut-through ligthpath., trong khi nhũng lightpath được xen/rớt tại node OADM
gọi là added/dropped lightpath. Một OADM có các chuyển mạch quang có thể cấu hình lại từ xa được gọi là ROADM (Reconfigurabel OADM). Về mặt vật lý, có một số cách để thực hiện OADM. Có rất nhiều công nghệ tách/ghép kênh như: dùng bộ lọc, FBG (Fiber Bragg Gratings) với các bộ Circulator quang, … Cũng có rất nhiều các công nghệ chuyển mạch hay cấu hình lại: Fiber Patch Panel, công nghệ MEMS, các chuyển mạch quang nhiệt và tinh thể lỏng trong các mạch dẫn sóng phẳng. Mặc dùđều có chức năng xen/rớt, nhưng OADM lại khác với các bộ ADM (Add-Drop Multiplexer) về dạng tín hiệu làm việc.
OADM xen/rớt các kênh quang trong mạng WDM, trong khi ADM xen/rớt các luồng TDM tín hiệu điện trong mạng SONET/SDH.
Bộ xen/tách quang cung cấp một phương tiện điều khiển lưu lượng hiệu quả trong mạng. OADM có thể dùng tại những vị trí khuếch đại trong các mạng đường trục, nhưng cũng có thể sử dụng như những phần tử mạng độc lập. Để hiểu được các lợi ích của bộ xen/tách quang, ta xét một mạng giữa ba node A,B, và C với các bộđịnh tuyến IP đặt ở mỗi node như trong hình 17. Dựa vào cấu trúc mạng, lưu lượng giữa A và C đi xuyên qua node B. Để đơn giản ta giả thuyết các tuyến kết nối hoàn toán song công giống như hầu hết các mạng quang hiện nay.
Hình 17. Vai trò của OADM trong mạng 3 node
Giả sử yêu cần lưu lượng như sau: một bước sóng giữa A và B, một bước sóng giữa B và C, và ba bước sóng giữa A và C. Bây giờ ta xây dựng hệ thống WDM điểm nối điểm đểđáp ứng nhu cầu lưu lượng này. Trong giải pháp đưa ra trong hình 17.a, mỗi liên kết điểm điểm sử dụng một OLT ở cuối tuyến. OLT gồm các bộ Mux/demux, các bộ tiếp sóng. Chí phí bộ tiếp sóng là một phần quan trọng trong chi phí chung của mạng. Node B có hai OLT, mỗi OLT kết thúc bốn bước sóng và vì vậy yêu cầu bốn bộ tiếp sóng. Tuy nhiên, chỉ có một trong bốn bước sóng này là dành cho node B, các bước sóng còn lại được sử dụng để cung cấp lưu lượng giữa A và C. Vì thế sau trong tám bộ tiếp sóng ở node B dùng đểđiều khiển lưu lượng. Đây là việc làm tốn kém.
Xét giải pháp dùng OADM trong hình 17.b. Thay vì thực hiện các hệ thống WDM điểm nối điểm, ta triển khai một mạng định tuyến bước sóng. Mạng sử dụng một OLT ở node A và C và một OADM ở node B. OADM tách một trong bốn bước sóng, sau đó kết thúc trong các transponder. Ba bước sóng còn lại đi xuyên qua trong miền quang sử dụng các kỹ thuật lọc tương đối đơn giản, mà khôngphảI kết thúc trong các transponder. Kết quả là chỉ cóhai transponder cần
thiết ở node B thay vì tám transponder như ở giải pháp 17.a. Điều này cho thấy OADM sẽ giảm bớt chi phí đáng kể.
Hình 18. Các loại ROADM trong mạng toàn quang có thể cấu hình lại
Tuy nhiên các OADM hiện tại khá cứng nhắc do nó không có khả năng thay đổi lựa chọn các kênh được tách vàđi xuyên qua băng phần mềm điều khiển khi đang hoạt động. Với ROADM (Reconfigurable OADM) sử dụng các bộ lọc và laser hiệu chỉnh đáp ứng được yêu cầu về tính mềm dẻo của cấu hình hệ thống. Các mạng toàn quang cấu hình lại được có bộ khung chính là các node ROADM (xem hình 18 ở trên). Hiện nay có 4 loại ROADM chính gồm ROADM loại I/II, WSS (Wavelength Selective Switches), và OXC (Optical Cross-Connects). Bảng 1tổng hợp các đặc điểm quan trọng của các loại ROADM này
Loại ROADM Số lượng
kênh Add/Drop Nhiều bước sóng trên một cổng Các công nghệ thành phần
ROADM loại I (Fixed Ports)
N Không • Wavelength Blocker
(LCD or MEMS) +Fixed Filters (TFF)
• Demux + Small
Switch Array + Mux (PLC)
ROADM loại II (Any λ to any port)
M Không • Wavelength Blocker( LCD or MEMS) +Tunalbe Filters/Lasers • Demux+Small Switch Array+Mux+MxN Switches (PLC) WSS (Any multiple λ’s to any port M-1 (1xM WSS) Có • 1xN Wavelength Selective Switch (LCD or LCoS or MEMS) OXC (Any multiple λ’s from any port to any port) N/A (Mesh connectivity only) Có • NxN Matrix Switch (PLC) • NxN Wavelength Selective Switch (LCD or LCoS or MEMS) Bảng 1. So sánh các loại ROADM 2.7.3 Bộ kết nối chéo quang OXC
OADM là phân tử mạng hữu ích để điều khiển các cấu trúc mạng đơn giản như cấu trúc tuyến tính hoặc cấu trúc vòng Ring với số bước sóng ít. Với mạng có cấu trúc mắt lưới phức tạp hơn và số bước sóng sử dụng nhiều hơn, người ta phải sử dụng một phần tử khác là bộ kết nối chéo OXC. OXC là thiết bị dùng để chuyển mạch các tín hiệu quang tốc độ cao trong mạng sợi quang. Có thể coi OADM là một trường hợp đặc biệt của OXC.
OXC được đặt ở vị trí trung tâm, điều khiển lưu lượng lớn. Một OXC cũng là phần tử mạng chính cho phép cấu hình lại các mạng quang, ởđó các lightpath được thiết lập và giải phóng theo yêu cầu, chứ không được cung cấp một cách cố định.
Có một số cách thực hiện một OXC. Loại thứ nhất thực hiện OXC trên miền điện tử. Sau khi được tách kênh qua bộ Demux, tất cả các tín hiệu quang đầu vào được chuyển đổi sang tín hiệu điện. Các tín hiệu điện này sau đóđược chuyển mạch bởi một module chuyển mạch điện tử. Cuối cùng các tín hiệu điện chuyển mạch được chuyển đổi trở lại tín hiệu quang bằng cách sử dụng chúng đểđiều chế các bộ laser và sau đó các tín hiệu quang thu được sẽđược ghép kênh với nhau trước khi đưa vào sợi quang để truyền đi. Loại cấu trúc này gọi là OXC cấu trúc OEO. Các cross-connects dựa trên một quá trình chuyển mạch OEO có hạn chếđó là chuyển mạch điện tử sẽ hạn chế băng thông cực đại của tín hiệu. Tuy nhiên, ta lại dễ giám sát chất lượng tín hiệu trong thiết bị OEO, vì tất cả các tín hiệu được chuyển đổi sang tín hiệu điện tại nodechuyển mạch. Một ưu điểm nữa là các tín hiệu quang được tái tạo lại, nên không gây ra tán sắc hay suy hao khi tín hiệu quang đi qua node chuyển mạch. Một OXC điện tửđược gọi
làopaque OXC.
Cách thứ hai để thực hiện OXC là chuyển mạch các tín hiệu quang trong thiết bị toàn quang. Loại OXC này được gọi là Transparent OXC hay Photonic
Cross-Connect (PXC). Cụ thể là, qua khối tách kênh quang (Optical Demux)tín
hiệu quang được tách thành các kênh bước sóng, rồi được đưa đến khối chuyển mạch quang(Optical Switch). Sau chuyển mạch, các kênh quang này được ghép kênh, rồi phát vào sợi quang bằng các bộ ghép kênh quang (Optical Mux). Loại cấu trúc OXC này sẽ giữ nguyên được các đặc điểm về tốc độ bit và trong suốt với giao thức lớp trên. Tuy nhiên do các tín hiệu này được duy trìở dạng quang, nên khó giám sát chất lượng tín hiệu quang.
Một loại OXC thứ ba kết hợp cả hai loại trên, gọi là translucent OXC. Trong cấu trúc này, có một tầng chuyển mạch bao gồm một khối chuyển mạch quang và một khối chuyển mạch điện. Các tín hiệu quang đi qua tầng chuyển mạch có thể được chuyển mạch bằng khối chuyển mạch quang hoặc khối chuyển mạch điện. Trong hầu hết các trường hợp, khối chuyển mạch quang hay được sử dụng hơn do tính trong suốt của nó. Khi tất cả các giao diện của khối chuyển mạch quang đều bận, hoặc do tín hiệu quang cân được tái tạo thông qua quá trình chuyển đổi O/E/O thì khối chuyển mạch điện được sử dụng. Như vậy node Translucent OXC có khả năng kết hợp cả hai ưu điểm đó là trong suốt với tín hiệu quang và khả năng tái tạo, giám sát chất lượng tín hiệu quang
OXC làm việc trực tiếp với các phần tử mạng SONET/SDH cũng như các bộ IP Router và các chuyển mạch ATM, các thiết bị đầu cuối WDM và các bộ OADM như chỉ ra trong hình 19. Một số người coi OXC như là một bộ chuyển mạch kết nối chéo với các thiết bị đầu cuối OLT xung quanh. Ta có thể xây dung mạng sử dụng các thiết bị OXC và OLT từ các nhà sản xuất khác nhau. OXC cung cấp nhiều chức năng như sau:
• Cung cấp dịch vụ: Một OXC sẽ cung cấp các lightpath còn gọi là dịch vụ, trong một mạng lớn một cách tự động mà không phải bằng tay. Khả
năng này trở nên quan trọng khi giải quyết số bước sóng lớn hơn trong một node hoặc với số node trong mạng lớn. Nó cũng khá quan trọng khi các lightpath trong mạng cần được cấu hình lại đểđáp ứng với sự thay đổi lưu lượng. Các OXC có thể cấu hình từ xa đảm nhận chức năng này.
Hình 19. Kết nối OXC với các phần tử khác
• Bảo vệ lightpath: Bảo vệ lightpath khi sợi bịđứt và khi thiết bị gặp sự có trong mạng là những chức năng quan trọng nhất được mong đợi từ bộ kết nối chéo. Bộ kết nối chéo là một phần tử mạng thông minh. Nó có thể phát hiện ra sự cố trong mạng và nhanh chóng định tuyến lại các lightpath. Các bộ kết nối chéo cho phép nâng cao hiệu quả sử dụng băng thôngcho các mạng mesh.
• Trong suốt đối với tốc độ bit: Khả năng chuyển mạch các tín hiệu với tốc độ bit và các định dạng khung tùy ý là một thuộc tính mong muốn của các OXC.
• Thực hiện chuyển đổi bước sóng: Ngoài việc chuyển mạch một tín hiệu từ cổng này sang cổng khác, OXC cũng có thể kết hợp thêm khả năng chuyển đổi bước sóng bên trong.
Hình 20. Một số cấu trúc OXC được triển khai
Hình 20 là một số cấu trúc của OXC được triển khai trong thực tế. Hình 20.a mô tả một OXC gồm một lõi chuyển mạch điện bao quanh bởi các bộ chuyển đổi quang-điện (O/E). OXC hoạt động với các OLT thông qua các giao diện quang phi WDM, tiêu biểu ở 1310nm. OLT có các bộ tiếp sóng để chuyển tín hiệu này bước sóng WDM thích hợp, hoặc tự OXC có thể có các laser bước sóng riêng biệt hoạt động với các OLT mà không cần những bộ tiếp sóng giữa chúng. Hình 20b,d mô tả các OXC với một lõi chuyển mạch quang. Sự khác nhau chính nằm ở chỗ các OXC làm việc với những thiết bị WDM. Lưu ý rằng các cấu hình 20a,b và c đều có chuyển đổi bước sóng và tái sinh tín hiệu trong bản thân OXC hoặc sử dụng các bộ tiếp sóng gắn vào các OLT. Để khả năng phục hồi tín hiệu, và chuyển đổi bước sóng, cầu hình ở hình 20.d được bổ sung để thêm vào bộ kết nối chéo lõi điện tử như trong hình 21. Cấu hình này cho phép hầu hết các tín hiệu được chuyển mạch trong miền quang, tối thiểu chi phí và tối đa dung lượng mạng, trong khi cho phép ta định tuyến các tín hiệu xuống lớp điện khi cần thiết.
Hình 21. Node mạng kết nối chuyển mạch quang và chuyển mạch điện
Trong hình 22, tín hiệu vào trong các đôi sợi quang khác nhau trước tiên được phân kênh bởi các OLT. Tất cả các tín hiệu ở cùng một bước sóng cho trước được gửi đến một bộ chuyển mạch dành cho bước sóng đó, và các tín hiệu từ các ngõ ra của các chuyển mạch được ghép lại với nhau bằng các OLT. Trong một node với F đôi sợi WDM và W bước sóng trên mỗi cặp sợi, sự xếp đặt này sử dụng F bộ OLT và W bộ chuyển mạch 2Fx2F. Điều này cho phép bất kì tín hiệu trên bất kì bước sóng nào được rớt cục bộ. Ngược lại cấu hình hình 16 sử dụng F bộ OLT và một bộ chuyển mạch 2WFx2WF để cung cấp cùng dung lượng. Ví dụ xét F=4 và W=32 là những giá trị thực tế hiện đang dùng. Trong trường hợp này cấu hình hình 22 sử dụng 4 bộ OLT và 32 bộ chuyển mạch 8x8. Ngược lại cấu hình 20.b cần 4 bộ OLT và một chuyển mạch 256x256. Như đã biết, các bộ chuyển mạch quang càng lớn thì càng khó chế tạo hơn so với những chuyển mạch nhỏ.
Hình 22. Cấu trúc OXC cải tiến
Do vậy sử dụng cấu hình 22 mạng lại sự lựa chọn với chi phí thấp hơn cho các bộ chuyển mạch quang không nghẽn kích thước lớn hơn. Tuy nhiên, ta không xem xét làm thế nào để tối ưu số bộ kết cuối xen/rớt (là các transponder hoặc các giao diện O/E). Cả hai hình 21 và 22 đều giả thiết có đủ các cổng để kết thúc tất cả WF tín hiệu. Hầu nhưđây là trường hợp hiếm khi nào xảy ra, vì chỉ một phần lưu lượng sẽ cần được lấy xuống và các thiết bị kết cuối thìđắt tiền. Nếu thực sự cần WF kết thúc trên một chuyển mạch điện, thì giải pháp tốt nhất là sử dụng cấu hình lõi điện trong hình 20.a.
Nếu ta có tổng cộng T thiết bị đầu cuối, tất cảđều có các laser chỉnh được bước sóng và ta muốn rớt bất cứ tín hiệu nào trong số WF tín hiệu, điều này yêu cầu một chuyển mạch quang TxWF thêm vào giữa những bộ chuyển mạch và các thiết bị kết cuối như trong hình 23. Ngược lại, với một bộ chuyển mạch không nghẽn kích thước lớn, ta chỉđơn giản kết nối T thiết bị kết cuối đến T cổng của bộ chuyển mạch này, tạo ra một chuyển mạch (WF+T)x(WF+T).
Hình 23. Cấu trúc OXC mới nhất
Tóm lại sử dụng mô hình 22 ta cần phải tính luôn số sợi, phần lưu lượng được xen/rớt, số bộ kết cuối và các khả năng điều chỉnh cũng như các thông số riêng biệt trong thiết kế. Hiện nay các OXC có lõi chuyển mạch điện với toàn bộ dung lượng lên đến một vài Tb.s, có khả năng phân luồng xuống tới luồng STS-1 (51Mbps) đã có mặt trên thị trường. Các OXC với trung tâm chuyển mạch quang với hơn 1000 cổng cũng đang nổi lên như các sản phẩm thương mại.
3. Một số công nghệ quan trọng trong mạng AON3.1 Công nghệ kênh quang 3.1 Công nghệ kênh quang
3.1.1 Kênh quang
Dung lượng truyền dẫn điểm-điểm đã tăng lên hơn hai lần trong vòng một thập kỷ qua nhờ việc sử dụng truyền dẫn sợi quang, với hệ thống có tốc độ 10Gb/s đang được xây dựng. Tuy nhiên, các hệ thông SDH, ATM, và hệ thống IP gặp phải một cản trở khi muốn tăng tốc độ truyền dẫn lên 10Gbps, đó chính là sự hạn chế tốc độ của thiết bị chuyển mạch điện tử tại các node. Công
nghệđường dẫn quang (Optical path) là bước ngoặt phá bỏ sự hạn chế này. Các đường dẫn quang được tách biệt bằng các bước sóng khác nhau. Sự ra đời của nó tạo ra bước nhảy vọt về cả dung lượng truyền dẫn và tốc độ chuyển mạch (Cross-
connect throughput) bằng việc khai thác các công nghệ WDM vàđịnh tuyến bước sóng (Wavelength routing).
Bảng 2. Các công nghệ kênh ghép kênh
Ở bảng 2 một số công nghệ ghép kênh và tạo đường dẫn khác nhau được so sánh về cách nhận biết path và cơ chế định tuyến. Các path lớp 2 được nhận ra nhờ nhãn/mào đầu (Label/header)gắn vào gói/tế bào(packet/cell). Các đường dẫn số của SDH và PDH ở lớp 1 được xác định bằng vị trí khe thời gian trong khung TDM. Trong WDM, các bước sóng được sử dụng để phân biệt các path với nhau. Định tuyến bước sóng có các đặc điểm quan trọng sau: