2.2.1.1 Chức năng đệm
Các kĩ thuật đệm nghiên cứu trong chuyển mạch gói quang đều dựa trên các kĩ thuật đệm trong chuyển mạch gói điện. Chức năng đệm là để giải quyết tranh chấp khi có nhiều gói tin cùng một lúc muốn tới cùng một đầu ra, tức là khi đó cần phải lƣu đệm một số gói tin tạm thời và chỉ truyền đƣợc một gói tin tại một thời điểm.
Chuyển mạch trong hệ thống toàn quang có khó khăn là thiếu bộ RAM (bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên) quang. Đây cũng là điểm khác với chuyển mạch trong hệ thống điện vì bộ nhớ điện có thể lƣu giữ tín hiệu trong thời gian không xác định. Các phƣơng thức để lƣu giữ gói trong miền quang thƣờng không cho hiệu quả cao nên đã làm giảm đáng kể khả năng lƣu đệm trong chuyển mạch gói quang. Ngƣời ta thực hiện chức năng đệm quang bằng các đƣờng dây trễ. Đƣờng dây trễ là một đoạn cáp có độ dài xác định có thể làm trễ gói tin ở một khoảng thời gian xác định. Khi gói đƣợc truyền trên đƣờng dây trễ thì thời gian trễ là hoàn toàn xác định và không thể thay đổi.
2.2.1.2 Các kỹ thuật đệm
Trƣớc khi xem xét các kiến trúc chuyển mạch với các cách đệm khác nhau, cần xác định hiệu năng quang một tham số rất quan trọng để xác định mô hình chuyển mạch với kiểu đệm nào có khả năng ứng dụng trong thực tế.
Tham số tỉ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) là một trong các tham số hiệu năng rất quan trọng, không những trong hệ thống chuyển mạch mà còn trong rất nhiều các hệ thống khác nhƣ các hệ thống truyền dẫn. BER của mỗi cấu hình đƣợc xác định bằng việc phân tích các mô hình và đƣợc định lƣợng nhờ máy tính. Nhiễu và xuyên âm đều đƣợc lấy mẫu, nhiễu giao thoa có thể bỏ qua (vì nhỏ hơn 60 dB so với tín hiệu). Hệ số tăng ích của mỗi kiến trúc chuyển mạch đều đƣợc chỉnh bằng 0dB, sử dụng một hay một số tầng khuyếch đại thêm bên ngoài để thuận tiện tính toán.
Giả thuyết rằng suy hao trên đƣờng dây trễ có thể bỏ qua. Để chứng minh giả thuyết hãy giả sử thiết kế đệm đƣợc 250 gói tin hoạt động ở tốc độ 10 Gb/s. Nếu tế bào đƣợc đệm là ATM thì bộ đệm phải lƣu 53x8x250 = 106.000 bit. Vì mỗi bit kéo dài 0,1 ns nên độ trễ là 10,6 s, nhƣ vậy độ dài đƣờng dây trễ là 2,12 km. Với suy hao quang thông thƣờng thì mỗi đƣờng dây trễ nhƣ vậy sẽ không ảnh hƣởng tới mô hình, do đó suy hao trên đƣờng dây trễ có thể bỏ qua. Ngoài ra, cũng có thể bỏ qua sự thay đổi độ dài đƣờng dƣới tác động nhiệt độ, vì mỗi đƣờng dây trễ đều có bộ ổn định nhiệt.
Giá trị BER cần đạt đƣợc là 10-14, vì giá trị BER này sẽ đảm bảo truyền thông tin tin cậy từ đầu cuối đến đầu cuối. Trong chuyển mạch điện, BER cũng đạt đƣợc gần nhƣ bằng không, nên các công nghệ quang mới nhất cũng phải đáp ứng đƣợc chỉ tiêu hiệu năng này.
Các bộ khuyếch đại quang bán dẫn SOA đƣợc sử dụng để chuyển mạch và khuyếch đại, phát sinh thêm nhiễu cộng tự phát, điều này rất bất lợi và cũng đƣợc xét trong mô hình tính toán. Nguồn nhiễu này đã làm giới hạn kích thƣớc mỗi chuyển mạch và số lƣợng chuyển mạch có thể ghép tầng. Ngoài ra, các thiết bị nhƣ bộ kết hợp và AWG cũng sinh ra nhiễu xuyên kênh nên làm suy giảm tín hiệu và trong trƣờng hợp xấu nhất là trùng với bƣớc sóng và trạng thái phân cực của tín hiệu. Nhìn chung, mọi tính toán đều dựa trên một số giả thiết sau:
Bộ khuyếch đại quang bán dẫn (SOA) có hệ số khuyếch đại đều trong băng
tần làm việc.
Tín hiệu đầu vào tới SOA nằm ở tần số trung tâm của băng tần bộ khuyếch
đại.
Thành phần điều hoà thứ hai trong SOA có thể bỏ qua khi lấy đạo hàm.
Không có hiện tƣợng bão hoà trong SOA do nhiễu tự phát, nhƣng có hệ số
Bộ biến đổi bƣớc sóng khả chỉnh không gây suy hao, điều này có thể đạt đƣợc trong thực tế.
Các bộ biến đổi bƣớc sóng khả chỉnh không sinh nhiễu cộng, vì mặc dù có
nhiễu cộng nhƣng chúng lại cải thiện dạng tín hiệu nhờ hiệu ứng truyền đạt phi tuyến.
Ảnh do bộ lọc AWG không quan trọng, chúng đƣợc coi nhƣ gây suy hao 2
dB khi tín hiệu tới đầu ra chính xác và 37 dB (2dB +35dB) khi tín hiệu bị sai đầu ra. AWG gây nhiễu xuyên kênh nhỏ hơn 35 dB so với tín hiệu.
Laser hoạt động với tần số ổn định.
Sợi dịch tán sắc đƣợc sử dụng làm đƣờng dây trễ để tránh ảnh hƣởng tán sắc. Tỉ lệ suy hao đầu vào là 20 dB.
Mỗi bộ chia thụ động (1 x n) hay bộ kết hợp thụ động (n x1) đều có suy hao
là 10log10n 2dB (2 dB là hệ số quá nhiễu), do đó suy hao có mối quan hệ trực tiếp với số lƣợng đầu vào và đầu ra.
Mỗi SOA có hệ số bù suy hao 6 dB và công suất bão hoà là 10 dB.
Suy hao khi coupler kết hợp với SOA là 2 dB.
Tỉ lệ suy hao trong SOA là 60dB.
Mỗi bộ khuyếch đại EDFA có hệ số bù suy hao là 5 dB.
Vì đặc tính của đƣờng dây trễ là khi một gói truyền trên đó thì không thể thay đổi độ trễ, nên đệm đầu ra là cơ sở của chuyển mạch gói quang, song nó không đƣợc thiết kế đơn thuần mà chủ yếu chỉ dùng để mô phỏng theo. Đệm gói quang có thể phân loại theo hai cách sau:
Thứ nhất là đƣờng dây trễ đơn tầng và đƣờng đây trễ đa tầng: kiểu đơn tầng
rất dễ điều khiển, còn kiểu đa tầng lại có nhiều lợi ích kinh tế vì số lƣợng phần cứng yêu cầu ít hơn khi cần đệm nhiều gói tin.
Thứ hai là vòng hồi tiếp và đƣờng chuyển tiếp.
- Trong cấu hình đệm vòng hồi tiếp đƣờng dây trễ gửi gói trở lại đầu vào của chuyển mạch cùng tầng, nhƣ vậy số đƣờng dây trễ mà các gói tin phải đi qua có thể khác nhau.
- Trong cấu hình đƣờng chuyển tiếp mỗi đƣờng dây trễ sẽ chuyển tiếp tới tầng tiếp theo của chuyển mạch, do đó số lƣợng đƣờng dây trễ mà các gói tin chuyển từ một đầu kiến trúc chuyển mạch tới một đầu khác (với bất cứ bộ định tuyến nào) là không đổi. Ta sẽ hiểu rõ các kiểu đệm này khi xem xét từng loại kiến trúc chuyển mạch với các đệm đặc trƣng khác nhau.
2.2.1.2.1 Chuyển mạch đơn tầng
A. Chuyển mạch OASIS (đơn tầng, đệm đường chuyển tiếp)
Hai loại OASIS sẽ đƣợc xem xét về hiệu năng, khả năng modun và khả năng mở rộng. Một loại có coupler thụ động liên kết với bộ lọc để định tuyến, loại thứ hai sử dụng thiết bị AWG để giảm suy hao.
OASIS là kiểu đệm đầu ra, bộ đệm gói hay số khe thời gian đệm giống nhƣ đệm đầu ra và đƣợc định hƣớng chính xác tới đầu ra.
A1. OASIS sử dụng coupler thụ động. Mô hình này đƣợc mô tả nhƣ hình 2.9.
Coupler thụ động
Đầu vào Đầu ra
1 1 2 2 N N TOWC Tách kênh tích cực Bộ lọc cố định
Hình 2.9 Chuyển mạch OASIS coupler thụ động
1
Các bộ chuyển đổi bƣớc sóng quang khả chỉnh (TOWC) sẽ mã hoá các gói tin đầu vào dƣới một bƣớc sóng thích hợp với bộ lọc ở đầu ra. Mỗi gói tin sau đó đƣa vào bộ chuyển mạch quang (nhƣ một bộ tách kênh) 1 đầu vào và (b+1) đầu ra, để điều khiển gói tin tới một trong các đƣờng dây trễ có độ dài 1, 2, … , b khe thời gian hoặc 0 (nếu chiều dài hiệu dụng bằng 0). Với thuật toán mô phỏng đệm đầu ra ở trên là độ trễ mỗi gói đã biết, tín hiệu điều khiển của thiết bị có thể dễ dàng xác định đƣợc.
Với các giả thiết trong phần tính hiệu năng quang ở trên, suy hao công suất quang của kiến trúc này có thể xác định, đƣợc thể hiện trên hình 2.10.
Giả thiết chiều sâu bộ đệm bằng số đầu vào và đầu ra, khi đó có thể đánh giá hiệu năng quang chính xác mà không quá phức tạp. Do đó, nếu kích thƣớc chuyển mạch tăng thì độ sâu của bộ đệm cũng tăng, xác suất mất gói sẽ giảm. Ngoài ra, tốc độ bit cũng ảnh hƣởng tới hiệu năng vì nhiễu bộ khuyếch đại quang bán dẫn SOA tăng nhanh với tốc độ bit. Hiệu năng đã đƣợc tính toán ở tốc độ bit 622 Mb/s; 2,5 Gb/s; 10 Gb/s. Với chuyển mạch 16 x16 không thể đạt BER =10-14
ở tốc độ 2,5 Gb/s hay 10 Gb/s, suy hao công suất quá lớn (lớn hơn 2 dB) ở tốc độ 10 Gb/s đối với chuyển mạch 8 x8. Bộ khuyếch đại quang bán dẫn SOA đƣợc sử dụng nhƣ một
Hình 2.10 Suy hao công suất của OASIS do coupler thụ động
S u y h a o ( d B ) 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Số lượng đầu vào/ ra
4 8 12
622 Mb/ s 2,5 Gb/ s 10 Gb/ s
thành phần của bộ tách kênh tích cực, hai bộ SOA có thể bù suy hao khi tách và ghép kênh, nhƣng nhiễu do nó sinh ra làm giảm hiệu năng quang của chuyển mạch.
A2. OASIS sử dụng AWG (Arrayed Waveguide Gratting)
Cấu hình này là sự thay đổi của cấu hình trƣớc, coupler thụ động và bộ lọc đƣợc thay thế bằng AWG để giảm suy hao. Hoạt động giống nhƣ trên, chỉ khác là các bộ chuyển đổi bƣớc sóng khả chỉnh mã hóa bƣớc sóng gói tin theo đầu ra yêu cầu và nếu bƣớc sóng của gói tin tƣơng ứng với bƣớc sóng hoạt động của đƣờng dây trễ thì đều đƣợc truyền qua. Hình 2.11 trình bày về hiệu năng quang của mô hình này, BER có thể đạt tới 10-14
ở tốc độ bit 2,5 Gb/s với chuyển mạch 16 x16, suy hao công suất đối với chuyển mạch 8 x8 ở tốc độ 10 Gb/s chỉ dƣới 1,5 dB.
Cả hai mô hình OASIS này đều không thể thực hiện ƣu tiên gói vì các gói khi đã vào hàng đợi thì không thể hủy bất cứ một gói nào khi có độ ƣ u tiên cao hơn. Hai kiến trúc OASIS có cùng độ mất gói và độ trễ nhƣ chuyển mạch đệm đầu ra.
B.Chuyển mạch quảng bá và lựa chọn (đơn tầng, đệm đường chuyển tiếp)
Mô hình chuyển mạch quảng bá và lựa chọn đƣợc minh họa trên hình 2.12
2,5 2 1,5 1 0,5 0 S u y h a o ( d B )
Số lượng đầu vào/ ra
4 8 12 16
Hình 2.11 Suy hao công suất của OASIS sử dụng AWG
622 Mb/ s 2,5 Gb/ s 10 Gb/ s Bộ chia thụ động Bộ kết hợp thụ động
Các bộ chuyển đổi bƣớc sóng cố định sẽ mã hoá luồng gói tin ở đầu vào, do đó các gói trên mỗi đầu vào đƣợc xuất hiện dƣới mỗi bƣớc sóng riêng biệt. Các luồng này sau đó đƣợc kết hợp và phân tán tới các đƣờng dây trễ. Cơ cấu chuyển mạch này sử dụng SOA và bộ kết hợp thụ động, mỗi đầu ra sẽ chọn một tín hiệu từ một đƣờng dây trễ. Do đó ở mỗi đầu ra sẽ sử dụng bộ lọc để chọn các gói tin chính xác từ đầu vào giống với chuyển mạch đệm đầu ra, nên chuyển mạch quảng bá và lựa chọn có cùng hiệu năng với chuyển mạch đệm đầu ra. Hơn nữa, vì tất cả các gói đều quảng bá tới mọi đầu ra, với mọi độ trễ có thể nên chuyển mạch này có thể hoạt động quảng bá gói tin và thực hiện ƣu tiên gói. Hình 2.13 chỉ ra mức suy hao công suất ứng với kích thƣớc chuyển mạch khác nhau, ở tốc độ 622 Mb/s; 2,5 Gb/s và 10 Gb/s. Ở mô hình này có thể sử dụng hai bộ khuyếch đại SOA và một EDFA ở đầu ra để bù lại suy hao.
Su y h a o (d B) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 4 8 12 16 Số đầu vào/ra 622 Mb/s 2,5 Gb/s 10 Gb/s
C. Đệm vòng đa bước sóng (đơn tầng, đệm vòng hồi tiếp)
Trong chuyển mạch đệm vòng, nhiều gói đƣợc lƣu trên cùng một vòng hồi tiếp ở nhiều bƣớc sóng khác nhau nhƣ hình 2.14.
Mỗi bộ chuyển đổi bƣớc sóng sẽ phối hợp hoạt động ở mọi khe thời gian, sao cho các gói đầu vào không tranh chấp với các gói khác ở mạch vòng. Ngay khi một gói rời mạch vòng, bộ lọc khả chỉnh DFB ở đầu ra tƣơng ứng sẽ điều chỉnh bƣớc sóng và một trong các SOA ở cổng vòng sẽ chuyển các gói ra ngoài. Thực nghiệm đã chứng tỏ đƣợc gói tin còn hiệu lực sau khi lặp vòng 10 lần ở tốc độ 622 Mb/s đối với cấu hình hai đầu vào và hai đầu ra.
Với các giả thiết trong phần tính hiệu năng quang, coi bộ lọc khả chỉnh có hệ số tăng ích 21 tới 25 dB và hệ số nhiễu là 6 dB. Hình 2.15 trình bày về suy hao công suất không tăng nhanh quá với số vòng lặp ở tốc độ 2,5 Gb/s và 10 Gb/s.
9 8 7 6 5 4 3 2 0 1 2 3 4 5 6 7 Su y h a o (d B) Số vòng lặp 2,5 Gb/ s 10 Gb/ s FFPF Cổng SOA 0 1 2 3 0 1 2 3 Đầu vào Đầu ra Chuyển đổi bước sóng khả chỉnh Bộ lọc DBF khả chỉnh Sợi trễ một khe thời gian FFPF
FFPF (Fiber Febry Perot Filter): bộ lọc sợi Fabry Perot.
Hình 2.14 Chuyển mạch vòng đa bước sóng.
Chuyển mạch này cũng là mô phỏng của đệm đầu ra, nên có xác suất mất gói và độ trễ trên đƣờng dây trễ nhƣ chuyển mạch đệm đầu ra với độ sâu bộ đệm bằng với số lần quay vòng lớn nhất. Mô hình này cũng có thể thực hiện ƣu tiên gói.
D. Chuyển mạch gói quang chia xẻ bộ nhớ SMOP (đơn tầng, đệm vòng hồi tiếp)
Chuyển mạch gói quang chia sẻ bộ nhớ SMOP gồm chuyển mạch đệm quay vòng với độ dài đƣờng dây trễ là 1, 2, 3, …, m và chuyển mạch không gian trung tâm (N+m) x (N+m) thƣờng đƣợc thiết kế hình cây, sao cho nhiễu và xuyên âm nhỏ nhất. Các đƣờng dây trễ có chiều dài lớn hơn một nên giảm đƣợc số vòng hồi tiếp và số bộ khuyếch đại, đồng thời giảm kích thƣớc chuyển mạch không gian.
Khi nhiều gói tới chuyển mạch không gian cùng định hƣớng tới một đầu ra, thì tất cả trừ một gói đều chuyển tới các đƣờng dây trễ vòng. Thuật toán điều khiển dựa trên mô phỏng đệm đầu ra, xử lí trên mỗi khe thời gian thực hiện nhƣ sau:
Các gói tới từ đƣờng dây trễ tới đầu ra đều đã đƣợc định tuyến.
Bất kỳ gói nào tới đầu vào của SMOP mà có thể đi trực tiếp tới đầu ra, đều đi theo một tuyến nhất định, trừ khi quy tắc hàng đợi "vào trƣớc ra trƣớc" FIFO bị vi phạm.
Nếu có bất kì gói nào muốn tới đầu ra chỉ sau một lần quay vòng, thì chúng sẽ đƣợc lập lịch chỉ sau đúng một lần quay vòng, sau đó ra khỏi trƣờng chuyển mạch. Quyền ƣu tiên sẽ thuộc về gói có độ trễ còn lại nhỏ nhất.
Tất cả các gói tin còn lại trên đƣờng dây trễ cố gắng tránh trƣờng hợp có
Các gói đƣợc lƣu đệm theo nguyên tắc FIFO, dựa trên kết quả mô phỏng cho thấy số lần quay vòng cho phép lớn nhất là 10. Kiến trúc chuyển mạch này cho phép ƣu tiên gói, vì những gói có độ ƣu tiên thấp hơn có thể bị trễ nhiều hơn sau lần quay vòng khác. Xác suất mất gói gần với chuyển mạch chia sẻ bộ nhớ. Nếu N =8 và m = 13, tải đều Bernoulli 0,9 thì xác suất mất gói bằng 10-6. Trong mô phỏng, mỗi SOA đều đƣợc sử dụng ở đầu ra và trên mạch vòng để bù lại suy hao, thông thƣờng N =M. Hình 2.16 trình bày về suy hao công suất tỉ lệ với số lần lặp vòng ứng với tốc độ 2,5 Gb/s và 10 Gb/s.
E. Tổng kết các loại chuyển mạch đơn tầng
Ta thấy trong tất cả các kiến trúc chuyển mạch đơn tầng, SMOP cho suy hao công suất thấp nhất vì kiến trúc chuyển mạch hình cây rất thông minh và xuyên âm