tổng quan mạng toàn quang

Trên cơ sở các mức của mạng con, việc đặt lịch schedule được chia làm ba mức: level-0 L-0, level-1 L-1, level-2 L-2 theo chức năng được thực hiện ở các mức tương ứng:• Scheduling mức 0:

1 Tổng quan mạng toàn quang 4

1.1 Các kiểu mạng toàn quang 4

1.2 Kiến trúc mạng toàn quang 6

1.2.1 Kiến trúc chức năng (functional architecture) 6

1.2.1.1 Lớp mạng kênh quang (Optical Channel Layer Network) 7

1.2.1.2 Lớp mạng ghép kênh quang 7

1.2.1.3 Lớp mạng truyền dẫn quang 8

1.2.2 Kiến trúc mạng (network architecture) 8

1.2.1.1 Kiến trúc AT&T/MIT-LL/DEC AON 8

1.2.1.2 Kiến trúc Bellcore’s AON 13

2 Các linh kiện và thiết bị cơ bản trong mạng toàn quang 14

2.1 Sợi quang 14

2.2 Bộ phát/thu tín hiệu quang 16

2.3 Bộ lọc và bộ ghép kênh quang 17

2.4 Bộ chuyển mạch quang 18

2.5 Bộ chuyển đổi bước sóng 19

2.5.1 Chuyển đổi bước sóng O-E 20

2.5.2 Chuyển đổi bước sóng toàn quang 20

2.6 Bộ khuếch đại quang 21

2.7 Cấu trúc mạng DWDM 24

2.7.1 Thiết bị đầu cuối OLT 26

2.7.2 Bộ ghép/xem OADM 27

2.7.3 Bộ kết nối chéo quang OXC 30

3 Một số công nghệ quan trọng trong mạng AON 36

3.1 Công nghệ kênh quang 36

3.1.1 Kênh quang 36

3.1.2 Đường dẫn bước sóng và đường dẫn bước sóng ảo 43

3.2 Công nghệ chuyển mạch kênh quang 44

3.2.1 Cấu trúc chuyển mạch WP 47

3.2.2 Cấu trúc hệ thống chuyển mạch WP/VWP 47

3.2.3 Cấu trúc chuyển mạch ma trận đầy đủ 49

3.3 Công nghệ chuyển mạch gói quang 50

4 Kết luận 54

4.1 Ứng dụng của mạng toàn quang 54

4.2 Những hạn chế 56

4.3 Kết luận và khuyến nghị 57

hệ thống là WDM và khuêch đại sợi quang EDFA Từ khoảng năm 1986 trở lại đây có rất nhiều các dựán xây dựng mạng đường trục cáp quang biển quốc

tếđược triển khai, đã giúp tăng cường khả năng trao đổi thông tin giữa các quốc gia, lãnh thổ trên thế giới Tiếp đến là các mạng đường trục trên đất liền ở các quốc gia được xây dựng trên nền tảng truyền dẫn sợi quang

Vào đầu năm 1988, các công nghệ SONET và SDH là những chủ đề nóngđược đề cập đến như là những chuẩn ghép kênh cho các mạng đường trục trong tương lai SONET và SDH là các chuẩn thiết kế từ đầu cho các hệ thống TDM (chiếm đa số vào những năm 1980) Sử dụng TDM, một luồng dữ liệu ở tốc độ cao hơn được tạo ra trực tiếp bằng cách ghép các kênh có tốc độ bit thấp hơn Thực tế đã có rất nhiều các hệ thống SDH/SONET đã và vẫn đang được triển khai Các hệ thống TDM dung lượng cao hoạt động ở tốc độ OC-192 hoặc

10Gbps Tuy nhiên ta sẽ gặp khó khăn khi muốn chuyển lên tốc độ OC-768 hoặc lớn hơn do hạn chế tần số hoạt động của linh kiện điện tử Đến năm 1997, công nghệ WDM được đánh giá là công nghệ ghép kênh số một giúp tăng dung lượng

hệ thống lên hàng trăm lần, giảm chi phí đầu tư Công nghệ WDM cho phép ghép nhiều kênh tốc độ bít khác nhau trên cùng một sợi quang bằng cách đặt các kênh trên các bước sóng khác nhau Hiện nay đã có thiết bị ghép kênh WDM có khả năng ghép 80 kênh (bước sóng) Với việc chỉ xử lý tín hiệu quang tại các node mạng, đã loại bỏ sự hạn chế của thiết bị điện tử, và đưa ra một mạng mới tên là mạng toàn quang (AON) Mạng toàn quang định tuyến bước sóng được coi

là ứng cử viên cho mạng backbone diện rộng thế hệ tiếp theo Mạng AON được xây dựng từ các thiết bị ghép kênh WDM (kèm theo khả năng xen/tách) và các thiết bị đấu chéo OXC (cross-connect) Hệ thống DWDM có khả năng ghép 32 bước sóng hoặc nhiều hơn trong dải 1550nm, tăng dung lượng trên sợi quang đang có và trong suốt với tốc độ bít

Mạng AON làm việc với các bước sóng khác nhau ở lớp vật lý, ghép kênhWDM và định tuyến theo bước sóng Nó gồm các node định tuyến bước sóng quang được nối với nhau bằng các kết nối sợi quang Một lightpath phải được thiết lập giữa hai node định tuyến bất kì trước khi chúng trao đổi thông tin Mạng

sẽ phải xác định tuyến (route/path) nối node này và gán một bước sóng rỗi cho các kết nối dọc theo đường đi Lightpath chính là một kết nối quang trực tiếp

một lightpath, thông thường yêu cầu mạng phải phân bổ một bước sóng chung trên tất cả các kết nối dọc theo đường đi của lightpath Đó chính là yêu cầu về tính liên tục bước sóng, điều khiến cho mạng định tuyến bước sóng khác với các mạng điện thoại chuyển mạch truyền thống Một yêu cầu sẽ bị từ chối nếu không

có bước sóng chung còn rỗi trên toàn tuyến Một trong những mục tiêu cơ bản

của bài toán thiết kế mạng AON định tuyến bước sóng là phải giảm tối thiểu xác suất nghẽn toàn mạng

Bài tiểu luận này đã trình bày về Tổng quan Mạng toàn quang: Kiến trúc của mạng, chi tiết về các thiết bị và linh kiện trong mạng toàn quang, đồng thời cũng nêu lên những công nghệ quan trọng trong mạng toàn quang như chuyển mạch

và ghép kênh quang

Nhóm sinh viên thực hiện:

- Hoàng Trung Hiếu (CB100629)

1 Tổng quan mạng toàn quang

1.1 Các kiểu mạng toàn quang

Mạng toàn quang có thể phân chia thành: Passive Optical Networks (PONs), Transparent Optical Networks (TONs), và Ultra-high-speed Optical Networks (UONs) Các mạng này được thảo luận chi tiết ở mục sau

a Passive Optical Networks (PONs)

PON sử dụng cá thành phần quang thụ động như: cáp quang, directional coupler, star coupler, router thụ động, và bộ lọc Nhìn chung, PÓN được thiết kể cho truyền thông ở khoảng cách ngắn, bé hơn 30 dặm Với khoảng cách ngắn, tín hiệu quang không yêu cầu khuyêch đại Nó loại trừ việc sử dụng tất cả các thành phần tíh cực yêu câu năng lượng điện để xử lý PONs cũng đáp ứng các yêu cầu

về giá thành rẻ, độ tin cậy cao và băng thông lớn Do vậy, nó được xem như là một giải pháp hấp dẫn cho mạng cục bộ (Local Area Networks – LANs) và mạngMetropolitan Area Networks (MANs) Mạng LANs và MANs toàn quang thụ động có thể được cấu hình sử dụng topo hình sao, cây, bus và vòng Chúng có thể được sử dụng trong các ứng dụng như:

- Fiber to The Curb (FTTC)

- Fiber to The Building (FTTB)

- Fiber to The Home (FTTF)

Thêm vào đó, PONs có thể được sử dụng cùng với các mạng khác để cung cấp tín hiệu quang trong truyền thông điểm – đa điểm Những mạng này gồm Digital Loop Carrier (DLC) Integrated Access, Wireless Multi-channel Multi-point Distribution System (MMDS), High Dât-rate Digital Subscriber Line (HDSL) và Very High Dât-rate Digital Subscriber Line (VDSL)

Sử dụng PON có thể giảm giá thành của DLC bởi việc cung cấp giải pháp feeder cáp quang đa điểm Hệ thống PON có thể được dùng giữa Central Office và thiết

bị đầu cuối ở xa DLC, do đó , nó cung cấp giải pháp vòng cục bộ băng rộng.Các mạng không dây băng rộng yêu cầu mạng feeder băng thông cao từ Central Office ddeens nhiều trạm Các trạm gốc có thể được kết nối và lưu lượng ngược

về Central Office có thể được tăng lên nhờ PON

Theo truyền thống, kiến trúc bus cáp đồng trục tín hiệu analog được sử dụng chính trong mạng CATV (cable television) Các mạng cáp đồng trục yêu cầu bộ khuếch đại giá thành cao và đắt đỏ khi bảo tri, hiện tại được thiết kế choc ho các dịch vụ đơn công Kiến trúc Hybrid Fiber Coax (HFC) cho phép mạng CATV cung cấp dịch vụ song công Một cách điển hình, mạng HFC có thể dung cấp dung lượng kênh từ 30 đến 40Mb/s cho downstream, sử dụng kênh analog 6MHzchia sẻ bởi khoảng 100 – 250 hộ Tuy nhien, HFC có vấn đề với dung lượng upstream, nhưng có thể khắc phục bằng cách triển khai PON giữa trạm head-end

và các node quang Công nghệ PON over HFC cung cấp dịch vụ song công, ít lỗi, cân băng, những yêu cầu cần thiết cho các ứng dụng tương tác băng rộng.PON có thể dùng WDM, Sub-Carrier Multiplexing (SCM), OTDM hoặc sự kết hợp các công nghệ này để truyền dẫn phức hợp các tín hiệu video, voice, dât, baogồm Plain Old Telephone Service), Integrated Services Digital Network (ISDN), T1/E1, T3/E3, OC-3, OC-12, OC-48 và Truyền hình kỹ thuật số, tương tự.

b Transparent Optical Networks (TONs)

TONs cho phép tín hiệu truyền qua các node trong mạng không phụ thuộc vào điều chế tín hiệu, tốc độ dât, và các đặc điểm cụ thể PONs có thể được xây dựn theo nhiều đường Tuy nhiên, tính linh động, hiệu năng cao, khả năng từ local đến global là những mục tiêu chính cho việc sử dụng PONs Trong khi hầu hết các thành phần quang có thể được thiết kế để độc lập với kiểu tín hiệu, những tồntại về giới hạn truyền dẫn do những yêu cầu về hiệu năng end-to-end cho các dạng tín hiệu và các tốc độ truyền dữ liệu Các kiểu tín hiệu khác nhau có độ nhạy khác nhau tới suy hao tích lũy như: tán sắc đơn sắc, tán sắc phân cự, nhiễu khuếch đại, nhiễu xuyên kênh, và các tính chất phi tuyến quang học Xa hơn, nó rất khó hỗ trợ truyền dẫn tín hiệu analog bời vì tính nhạy cảm với phản xạ quang học và những yêu cầu tuyến tính stringent cho laser sử dụng trong bộ chuyển đổi bước song Do đó, mạng toàn quang trong suốt có thể không hoàn toàn là trong suốt Để giảm bớt vấn đề này, có một số đề xuất định nghĩa các mức trong suốt trong mạng toàn quang trong suốt Những mức này là:

+) 4T-transparent-trong suốt về dạng điều chế, mã đường dây, tần số đồng

c Ultra-high speed optical network

AONs tốc độ siêu cao sử dụng các đặc điểm về tốc độ rất cao của các hiện tượng quang học để truyền tải các xung quang siêu ngắn (hoặc solitons), ở 100 Gb/s hoặc lớn hơn trên khoảng cách rất dài Một số các công nghệ chủ chốt cần thiết cho việc xây dựng các mạng toàn quang AONs tốc độ siêu cao bao gồm các xungquang siêu ngắn, ghép kênh, truyền dẫn siêu nhanh của solitons, phục hồi đồng

hồ, và các bộ đệm quang Các xung quang siêu ngắn

có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các bộ laser bán dẫn tăng ích-chuyển mạch

và Mode-Locked Laser (MLLs) Thông thường, AONs tốc độ siêu cao sử dụng OTDM

Có hai đặc tính vật lý của sợi quang điều khiển việc thiết kế mạng quang Thứ

nhất là tán sắc đơn sắc Đây là tính chất tuyến tính của tất cả các sợi quang gây rakhiến cho ánh sáng với tần số khác nhau có vận tốc khác nhau Xung ánh sáng có

xu hướng trải rộng ra và khiến cho khó có thể khôi phục dòng bit Tính chất thứ hai đó là khi ánh sáng truyền trong sợi quang, nó gây ra những thay đổi cực nhỏ được định nghĩa bởi năng lường và hình dạng của xung, gọi là hiệu ứng Kerr Giải pháp là format các xung này một cách đặc biệt để tận dụng hai đặc điểm nay Điều này dẫn đến tán sắc được cân bằng và hiệu quả nén triệt tiêu nhau Cácxung mất năng lượng dẫn đến mất độ sáng trong sợi quang Khi năng lượng tiêu hao, nén phi tuyến dừng lại và xung bắt đầu trải rộng Điều nay yêu cầu các sợi quang bù tán sắc để nén lại xung ánh sáng

Trong OTDM, phục hồi clock là rất cần thiết để ước lượng chính xác thông tin định thời trong tín hiệu đến ở đầu cuối nhận tín hiêu Nó cho phép receiver đồng

bộ với luồng thông tin đến Hai kỹ thuật phục hồi clock được đề xuất cho mạng toàn quang tốc độ siêu cao sử dụng OTDM Trong kỹ thuật thứ nhất, một đồng

hồ quang cục bộ có tốc độ điều khiển bời nguồn RF được khóa tới dòng xung OTDM dến Trong kỹ thuật thứ hai, Nonlinear Optial Loop Mirror (NOLM) được sử dụng như cảm biến phase bit quang NOLM bao gồm một coupler fiber 3-db với hai cộng tham gia xuyên suốt chiều dài sợi quang

Sau khi đồng hồ quan đươc khôi phục, bộ tách kênh cần đệm các slot mong muốn hoặc header của tín hiệu quang đến sử dụng thiết bị lưu trữ quang Xa hơn,

nó cần giảm tốc độ dât nhawmcf giao tiếp tin hiệu mong muốn với receiver cho việc xử lý dât kế tiếp Tuy nhiên, bộ nhớ quang random access không tồn tại, thay vào đó, ta sử dụng các line hoặc loop quang delay như là bộ đêm quang.Mạng toàn quang tốc đọ siêu cao có nhiều bước tiến về hiệu năng, tuy nhiên nhiều công nghệ cần thiết để hỗ trợ các chức năng trong mạng toàn quang tốc độ siêu cao mới chỉ có trong phòng thí nghiệm Do vậy mạng toàn quang tốc độ siêucao được xem như là một giải pháp với mục tiêu về lâu dài

1.2 Kiến trúc mạng toàn quang

1.2.1 Kiến trúc chức năng (functional architecture)

ITU-T đã phát triển kiến trúc truyền tải chức năng cho các mạng truyền tải

quang Kiến trúc chức năng truyền tải được quy định trong khuyến nghị G.872 Kiến trúc truyền tải mô tả những chức năng AON từ 1 quan điểm cấp độ mạng

Nó dựa vào tài khoản cấu trúc phân lớp của 1 mạng quang, thong tin đặc tính client, sự kết hợp phân lớp client/server, cấu trúc lien kết mạng, và chức năng lớp mạng Chức năng lớp mạng bao trùm truyền dẫn tín hiệu quang, đa phép kênh, giám sát, định tuyến, đánh giá hoạt động và khả năng sống sót của mạng Phạm vi hiện tại của kiến trúc chỉ giới hạn cho tín hiệu số Hơn nữa, kiến trúc chỉ dành cho WDM Các kỹ thuật đa ghép kênh quang khác như OTDM, OCDM cần được nghiên cứu thêm

Các kiến trúc vận chuyển chức năng sử dụng các phương pháp mô hình hóa mô

tả trong ITU-T Khuyến nghị G.805, - Kiến trúc chức năng chung của mạng

chuyển vận

Theo phương pháp này, các mạng truyền tải quang học bị chia thành những lớp mạng chuyển vận độc lập Mỗi tầng mạng có thể được phân chia một cách riêng biệt trong một cách phản ánh cấu trúc nội bộ của lớp mạng Hình 1 mô tả lớp cấu trúc của mạng truyền tải quang Chúng bao gồm một lớp kênh mạng quang, một phần ghép kênh quang học lớp mạng, và truyền một phần quang học tầng mạng

Hình 1 Layered Structure of Optical Transport Network

1.2.1.1 Lớp mạng kênh quang (Optical Channel Layer Network)

Lớp mạng kênh quang cung cấp kết cuối mạng end –to –end của các kênh quangcho sự truyền đạt minh bạch thông tin client của những định dạng khác nhau, chẳng hạn như truyền dẫn số đồng bộ SDH, cận đồng bộ PDH và chế độ truyền bất đối xứng ATM Để cung cấp mạng ent –to –end, những khả năng sau đây đượcbao gồm trong lớp mạng kênh quang:

Kết nối kênh quang sắp xếp lại cho định tuyến mạng linh động

Xử lý mào đầu kênh quang để đảm bảo tính toàn vẹn của kênh quang đáp ứng thông tin

Kênh quang giám sát các chức năng để kích hoạt những hoạt động cấp độ mạng vàcác chức năng quản lý như là cung cấp kết nối, trao đổi thông số QoS, và tính sốngsót của mạng

Ghép kênh quang giám sát các chức năng để đảm bảo cấp độ phiên các hoạt động

và các chức năng quản lý như là cung cấp kết nối phiên đa ghép kênh và tính sống sót cảu mạng

1.2.1.3 Lớp mạng truyền dẫn quang

Phần này cung cấp chức năng cho truyền dẫn tín hiệu quang trên phương tiện quang của những kiểu khác nhau như là sợi quang đơn mode và đa mode Chức năng này cũng bao gồm khả năng cho giám sát khuếch đại quang hoặc các trạm lặp

1.2.2 Kiến trúc mạng (network architecture)

Kiến trúc mạng quang đang trong giai đoạn phát triển Tất cả phải được xem xét bởi NS/EP để đảm bảo tính tương thích của nó Một trong số đó được trình bày dưới đây

1.2.1.1 Kiến trúc AT&T/MIT-LL/DEC AON

Tổ hợp được sản xuất bởi công ty American Telephone and Telegraph (AT&T), Digital Equiment Corporation (DEC), và Massachusetts Instude of Technology Lincoln Laborary (MIT-LL) đã phát triển hai mạng trên cơ sở WDM và OTDM Những kiến trúc được kiểm tra theo ứng dụng NS/EP

a Kiến trúc cơ sở WDM

Kiến trúc cung cấp mở rộng qua bước sóng sử dụng lại và Time Division

Multiplexing (TDM) Như đã thể hiện trong hình, kiến trúc sơ đồ ba mức (Ví dụ, Level-0 (L-0), Level-1 (L-1), và Level-2 (L-2) của mạng con Mỗi mạng con là một mạng toàn quang hoạt động độc lập

Ở mức thấp nhất của sơ đồ là các mạng con L-0, mỗi mạng là một mạng LAN hiệunăng cao Người dùng truy nhập mạng L-0 qua đầu cuối quang (Optical Terminal – OT) Mỗi OT được kết nối tới mạng con L-0 sử dụng cặp cáp quang Mỗi mạng con L-0 chia sẻ nội bộ bước sóng với sự mở rộng sử dụng lại bước sóng của các mạng L-0 khác nhau Ở mức giữa của sơ đồ là mạng con L-1 hoặc các mạng metro(Metropolitan Area Network - MAN) Mỗi MAN liên kết với nhiều mạng con L-0

và cung cấp bước sóng sử dụng lại theo các mạng con L-0 khác nhau qua định tuyến bước sóng thụ động Ở mức cao nhất của sơ đồ là mạng con L-2 Mạng này

là một mạng diện rộng (Wide Area Network - WAN), bao gồm nhiều node kết nối theo mô hình mesh Nó liên kết với các mạng con L-1 bằng các bộ định truyến và

bộ chuyển đổi bước sóng

Mỗi mạng con cung cấp ba dạng dịch vụ tới mạng con hoặc các OT ở lớp dưới nó.Những dịch vụ này được phân loại thành dịch vụ Type-A, Type-B, Type-C và thực hiện các chức năng:

• Dịch vụ Type-A: Mỗi dịch vụ cung cấp đường quang riêng cho kết nối point-to-point, point-to-multipoint và multipoint-to-multipoint Với mỗi dạng, qua dịch vụ Type-A, đầu cuối quang có thể cung cấp point-to-point OC-192 và point-to-multipoint video đa điểm Một “virtual” được chia sẻ phương tiện LAN, V-LAN, có thể được cấu hình qua multipoint-to-

multipoint kênh A Đầu cuối quang trên kết nối V-LAN qua giao thức đa truy nhập như slotted ALOHA ALOHA là một phương thức truy nhập đa kênh, được phát triển bởi trường đại học HAWAII

• Dịch vụ Type-B: Nó là dịch vụ TDM đặt lịch, trong suốt với khe thời gian của nó và hữu dụng cho các ứng dụng băng thông thấp Một người sử dụng

có thể truyền dữ liệu trong nhiều tốc độ và định dạng khác nhau trong một khe hay một nhóm khe, tuy nhiên, chúng nên được cài đặt một kết nối cụ thể để đảm bảo khản năng hồi phụ của tín hiệu ở đầu nhận Dịch vụ Type-

B, hỗ trợ kết nối point-to-point, point-to-multipoint,

multipoint-to-multipoint, song công, và đơn công Những dịch vụ mà đầu cuối quang cung cấp qua kênh B bao gồm kết nối OC-3, mạng Ethernet hoặc Fiber Distributed Data Interface (FDDI)

• Dịch vụ C: là một dịch vụ gói dữ liệu không đặt lịch Trong dịch vụ này, một gói thông tin có thể được truyền trong một gói dữ liệu cụ thể và nhiều định dạng khác nhau trên một bước sóng Dịch vụ này không trong suốt nếu

nó phải phục vụ kết nối chung giữa tất cả các người dùng trong mạng toàn quang Nó có thể được sử dụng cho sự tự cấu hình của mạng, quản lý và điều khiển mạng, mạng báo hiệu Nó được sử dụng chính cho việc phân chia tài nguyên, hoạt động mạng, quản trị, và duy trì

Mỗi mạng con có một “người đặt lịch/chia vệc” để điều khiển các chức năng bao gồm cả cấp phát bước sóng và khe thời gian cho các điểm truy nhập (Access Point– AP) Những AP có giao tiếp quang giữa các OT và mạng toàn quang “Người

đặt lịch” có thể được thực thi trong một hay nhiều OT hoặc trong node riêng, đượckết nối tới mỗi mức của mạng con Một thuật toán phân tán được sử dụng để chọn một OT là “Người chia việc” giữa các OT Nếu một “người đặt lịch” bị hỏng, thuật toán phân tán sẽ thực hiện lại Trên cơ sở các mức của mạng con, việc đặt lịch (schedule) được chia làm ba mức: level-0 (L-0), level-1 (L-1), level-2 (L-2) theo chức năng được thực hiện ở các mức tương ứng:

• Scheduling mức 0: “Người phân lịch” L-0 đảm nhiệm chức năng sau:

 Xác thực, ủy quyền, và các dịch vụ yêu cầu cho kết nối Type-A, Type-B, Type-C từ AP trong mạng toàn quang L-0 của nó;

 Phân phối và lựa chọn thông tin thời gian cần thiết cho việc thiết lập kết nối Type-B;

 Duy trì một schedule chính xác cho tất cả các bước sóng và cập nhật schedule khi kết nối được cài đặt hoặc bị ngắt;

 Lựa chọn thông tin tài khoản; và

 Kết nối với “người phân lịch” L-1 của nó, đảm bảo các chính sách điều khiển và quản lý, và thực hiện một vài chức năng phụ trợ như ánh xạ tên tới địa chỉ (name-to-address mapping)

• Scheduling mức 1: Hỗ trợ thêm cho các chức năng của “người phân lịch” L-0, một “người phân lịch” L-1 phải thực hiện chức năng sau:

 Xác thực, ủy quyền và đáp ứng các yêu cầu cho kết nối L-0 và L-1;

 Cung cấp chức năng matchmaker để thiết lập một đường bước sóng

từ một thành phần L-0 AON của nó tới cái khác;

 Thiết lập kết nối Multicast sử dụng tần số cặp, hình sao chọn lọc;

 Kết nối giữa “người chia việc” L-2 của nó để cấp phát đường ánh sáng khi cần thiết;

 Cung cấp thông tin thời gian để các L-0 AON của nó để thiết lập kết nối Type-B

• Level-2 Scheduling: Bổ sung cho các trọng trách của “người chia việc” L-0

và L-1, “người chia việc” L-2 phải xác thực, ủy quyền và giải quyết các yêucầu từ kết nối liên tuyến với L-1

Trong kiến trúc sơ đồ này, khi một OT cần thiết lập một kết nối, nó gửi một kết nối đến “người phân lịch” L-0 Yêu cầu kết nối bao gồm nhiều tiêu chuẩn như dạng của yêu cầu dịch vụ, địa chỉ của OT yêu cầu, độ lưu thông mong muốn và độ

ưu tiên Khi nhận được một yêu cầu kết nối, “người phân lịch” xác định đích ở trong mạng L-0 AON của nó hay không Nếu đích ở trong mạng L-0 AON của nó,

thì nó sẽ xác định sự sẵn sàng của tài nguyên cần thiết Nếu tài nguyên sẵn sàng thì kết nối được thiết lập.

Nếu đích ở khác mạng L-0 AON, nhưng cùng mang L-1 AON, thì “người phân lịch” L-0 yêu cầu “người phân lịch” L-1 lựa chọn bước sóng để cung cấp đường truyền giữa L-0 nguồn và đích Nếu đích không ở trong cùng L-1 AON, thì “ngườiphân lịch” L-0 yêu cầu “người phân lịch” L-1 của nó tìm đường truyền sử dụng một bước sóng rỗi trong mạng Một đường sáng được thiết lập, quá trình thiết lập kết nối hoàn tất như mô tả trên

Chúng ta đã kiểm nghiệm việc sử dụng chức năng ưu tiên ở mức OT Trong khi

ưu tiên đơn giản là phân bổ tài nguyên logic và vật lý Nó được hình dung là phương pháp liên kết có giá trị với NS/EP và với NCS

b Kiến trúc cơ sở OTDM

Kiến trúc cơ sở OTDM được phát triển để điều khiển kết nối siêu tốc độ Tuy nhiên, có các trọng điểm sau:

1) Sự cần thiết cho một kiến trúc, đảm bảo cả dịch vụ băng thông đảm bảo và dịch vụ băng thông truy nhập ngẫu nhiên theo yêu cầu (BOD) ở cùng một thời gian;

2) Sự cần thiết cho một chính sách mà sẽ điều chỉnh chia sẻ băng thông hiệu quả và công bằng với các người dung BOD dưới mọi điều kiện lưu lượng mạng khác nhau

3) Sự cần thiết cho một thuật toán đơn giản đủ để thực thi ở một tốc độ yêu cầu bới các mạng quang

Trên cơ sở những trọng điểm trên, Helical LAN (HLAN) được đề xuất HLAN là một kiến trúc rãnh khung cơ sở và xuất hiện để đáp ứng đồng thời tất các tiêu chuẩn trên Nó sử dụng bus đơn hướng xoắn và cũng được thực thi trong cấu trúc tuyến tính, cái mà có thể thích hợp hơn cho mạng MAN

Kiến trúc HLAN được thiết kế để hoạt động tại 100Gb/s, và nó có thể thích nghi với tốc độ lớn hơn.Kiến trúc này được mô tả như hình 3, một sợi quang được chia thành ba phân đoạn không chồng chéo là Transmitter (GBW and BOD), and Receiver (RCV) Đoạn GBW được sử dụng để truyền tải lưu lượng cần đảm bảo băng thông Đoạn BOD được sử dụng để truyền tải lưu lưọng cái mà yêu cầu bởi BOD, cuối cùng đoạn RCV được sử dụng để nhận lưu lưọng truyền trên bus

Hình 3 Kiến trúc HLAN

Hình 4 Cấu trúc Frame HLAN

Mỗi nút trên bus được trang bị một bộ xử lý headend /slot, đơn vị giao thức logic,

cơ chế phục hồi clock, và các bộ đệm Mỗi Headend tạo ra khe (slots) rỗng và đặt chúng trên xe bus Kiến trúc HLAN có thể hỗ trợ tốc khe là 107 đến 108 slots/s Các cấu trúc khung được minh họa trong hình 4 Mỗi nút dịch vụ có được bằng cách chúng yêu cầu từ headend thông qua dịch vụ BOD hoặc bất kỳ các cơ

sở khác Đối với yêu cầu dịch vụ GBW, nếu có thể các headend phân bổ dành khe,tới các nút yêu cầu trên phân khúc GBW Bất kỳ khe GBW không sử dụng được

sử dụng cho dịch vụ BOD Đối với yêu cầu dịch vụ BOD, headend tạo ra thẻ phân

bổ bằng cách sử dụng khe cắm mốc Phân bổ một số lượng nhất định các thẻ cho mỗi điểm đánh dấu trên khe cắm nhận Ngoài ra, các thẻ được giảm mỗi khe thời gian được sử dụng Khi không có dữ liệu để gửi, số thẻ của node được thiết lập lại trở lại các thẻ gốc Để ngăn chặn các tắc nghẽn ở nút có lưu lượng cao, headendgiám sát các khe free ở cuối bus Nếu không có khe free được quan sát trong một khoảng thời gian nhất định, độ dài của khoảng phân bổ thẻ tăng lên Kết quả là giảm băng thông sẵn có cho các nút riêng lẻ Nếu headend các quan sát nhiều rãnh

ở cuối bus, nó làm giảm độ dài của khoảng phân bổ thẻ Điều này cung cấp băng thông rộng hơn cho người dùng cá nhân.

1.2.1.2 Kiến trúc Bellcore’s AON

Bellcore, đại học Columbia và một số phòng lab nghiên cứu khác đã cùng tham gia nghiên cứu, phát triển một kiến trúc khác Kiến trúc WAN có dung lượngcao dựa trên nền tảng DWDM và đinh tuyến bước sóng, và có khả năng mở

rộng và mô-đun về số lượng các mạng người sử dụng, số lượng các nút, phạm

vi địa lý cũng như năng lực mạng tổng hợp

Hình 5: Kiến trúc mạng toàn quang đa bước sóng Bellcore

Như được thể hiện trong hình vẽ 5, các kiến trúc mạng bao gồm các thiết bị toàn quang có chứa các thiết bị chuyển mạch định tuyến bước sóng Theo tính liên tục bước sóng hạn chế cho các mạng định tuyến bước sóng, hai lightpaths (còn gọi

là kênh thông tin liên lạc quang ) có chung một liên kết sợi thông thường không nên được phân công cùng mộtbước sóng Trong các hình, λ1, λ2, λ3 là bước sóng

và có sẵn của mạng Bước sóng λ1 là được sử dụng trong hai lightpaths cho A-B

và C-D kết nối kể từ khi hai đường dẫn sử dụng bước sóng khác nhau, định tuyến chuyển mạch λ2, và λ3 có thể chiếm các con đường giữa các bước sóng, định tuyến chuyển mạch, vì chúng là tần số khác nhau Tuy nhiên, nếu một chuyển đổi hoặc định tuyến nút cũng được trang bị với một bộ chuyển đổi bước sóng,thì bước sóng liên tục chế biến mất, và lightpath có thể được chuyển giữa bước sóng khác nhau trên tuyến đường từ nguồn đến đích Vì lý do này, định tuyến

và chuyển dịch bước sóng là một thách thức chính trong mạng định tuyến bước sóng mà không cần chuyển đổi bước sóng Hơn nữa, việc thiếu các chuyển đổi bước sóng tăng xác suất của kết nối chặn bởi vì cùng một bước sóng có thể

không có ở tại

tất cả các nút cho một lightpath đặc biệt trên tuyến đường từ nguồn đến đích Bướcsóng chuyển đổi là rất tốn kém và không được sử dụng tại tất cả các nút trong mạng Kiến trúc Bellcore sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng chỉ ở tại các nút chọn trong mạng lưới của mình

3.3.2.3 Kiến trúc OCDM-cơ bản

Một kiến trúc điển hình OCDM-cơ bản thể hiện trong hình 6 Trong kiến trúc này, các nút được kết nối với một bộ ghép sao thụ động NxN Các bộ mã hóa OCDM của mỗinút phát hiện một "1" chút bởi một loạt các xung quang học siêu nhanh gọi

là mã địa chỉ hoặc dãy tín hiệu Các bit "0" không mã hóa và được đại diện bởi một dãy số toàn không Mỗi nút tín hiệu của riêng mã hoá được gửi đến các bộ ghép saoỗnNvà phát sóng tới tất cả các nút

• Mối tương quan chéo giữa hai mã khác nhau cần càng nhỏ càng tốt để đảm bảo mỗi mã có thể dễ dàng phân biệt với tất cả các mã OCDM khác

• Các chuyển dịch mối tương quan tự động cung cấp một mã OCDM do đó cho phép OCDM được giảm thiểu để hoạt động mà không cần đồng bộ hóa

2 Các linh kiện và thiết bị cơ bản trong mạng toàn quang 2.1 Sợi quang

Sợi quang (Optical fiber) được chọn làm môi trường truyền dẫn tín hiệu trong các mạng tốc độ cao do nó sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với các môi trường truyền dẫn truyền thống Có thể liệt kê ra như : Phổ tần sử dụng rộng, suy hao thấp, tiêu thụ công suất ít, không bị gây nhiễu bởi điện từ trường bên ngoài,

sử dụng vật liệu chế tạo ít, nhỏ gọn và giá thành rẻ hơn Cũng nhờ đó mà các hệ thống thông tin quang thường có tỉ lệ BER rất thấp, nhỏ hơn 10-11

Tuy nhiên sợi quang vẫn tồn tại các hiện tượng vật lý như: suy hao, tán sắc, và các hiệu ứng phi tuyến đã làm ảnh hưởng đến việc tận dụng tối đa tài nguyên của nó, đặc biệt trong các mạng đường trục tốc độ cao Có hai vùng suy hao thấp quan trọng hay được sử dụng:1300nm, bề rộng 200nm, suy hao nhỏ hơn0.5dB/Km; và 1550nm, bề rộng 200nm, suy hao thấp khoảng 0.2dB/Km Băng thông được tính xấp xỉ 50THz theo công thức: λ

λ ∆

≈

∆f c2

Hình 7 Phổ suy hao của sợi quang

Có hai loại sợi quang là sợi quang đơn mode(SMF) và sợi quang đa mode (MMF) Nhược điểm chính của sợi quang đa mode là do hiện tượng tán sắc giữa các mode (Iinter-mode Dispersion), làm giảm giá trị tích BR*D ( BR- Bit Rate;

D – Distance) xuống chỉ còn vài chục Mb/s/Km Sử dụng sợi quang có chiết suất bậc (Step- Index), và sợi quang chiết suất giảm dần (Graded- Index) có thể nâng lên hàng (Gb/s )-Km, tuy nhiên vẫn không đảm bảo khi khoảng cách truyền dẫn lớn Trong khi đó, sợi quang đơn mode loại bỏ tán sắc giữa các mode bằng cách giảm đường kính của lõi sợi quang Tuy nhiên, hiện tượng tán sắc (Chromatic Dispersion)-do sự tồn tại nhiều thành phần hài trong phổ tín hiệu quang truyền trong sợi quang gây nên- lại là yếu tốảnh hưởng sâu sắc đến chất lượng truyền quang

Một số loại sợi quang đơn mode chuẩn, do ITU-T khuyến nghị hay được dùng trong các mạng truyền dẫn quang gồm có : Non- Dispersion Shifted Fiber (G.652), Dispersion-Shifted (C.653), 1550-nm Loss minimized Fiber (G.654) và Nonzero-Dispersion Fiber (G.655)

 NDSF (ITU-T G.652 )

Là loại sợi quang được sử dụng nhiều nhất Nóđược chế tạo tối ưu cho vùng 1310nm, có tán sắc bằng 0 tại chính bước sóng 1310nm, và gần 20ps/nm-

Km ở bước sóng 1550nm

 DSF (ITU-T G.653)

Là loại sợi quang được thiết kế tối ưu cho vùng 1500-1600nm, có hệ số tán sắc xấp xỉ 3.3ps/nm-Km tài cửa sổ 1550nm và gần bằng 0 tại bước sóng 1550nm Loại sợi quang này không phù hợp cho mạng WDM do ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

 1550nm Loss Minimized Fiber (ITU-T G.654)

Đây là loại sợi quang đơn mode chuẩn đặc biệt, có tổn hao rất thấp tại vùng cửa sổ 1550nm ITU G.654 được thiết kế tối ưu cho vùng 1500-1600nm Bước sóng cutoff hiệu dụng là một thông số quan trọng trong thiết kế loại sợi này Tổn hao thấp là nhờ sử dụng lõi thuỷ tinh tinh khiết Sản xuât ITU G.654 tốtkém, giá thành cao, nên nóít được sử dụng Loại sợi quang này phù hợp nhất là cho hệ thống cáp quang biển hoặc mạng cáp quang đường trục

 NZ-DSF (ITU-T G.655)

Là loại sợi quang SMF có hệ số tán sắc lớn hơn một giá trị khác không ở

cả vùng 1500nm Hiện tượng tán sắc này làm giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến như: FXM, SPM,XPM xuất hiện trong các hệ thống DWDM Loại sợi quang này phù hợp nhất, hoạt động tối ưu nhất là tại vùng 1500-1600nm

2.2 Bộ phát/thu tín hiệu quang

Bộ phát tín hiệu quang

Bộ phát tín hiệu quang (Optical transmitter) có chức năng chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang ánh sáng phát ra từ các nguồn này được bơm vào sợi quang để truyền đi Có hai loại linh kiện dùng làm nguồn phát quang hiện nay là LED (Light Emitting Diode) và LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission Radiation) Các nguồn phát sáng quang cần có các tính chất vật lý sau :Phù hợp với kích thước sợi quang

 Bơm đủ công suất vào sợi quang đểđảm bảo tín hiệu có thể được phát hiện ở đầu thu với suy hao biết trước

 Phát ra ánh sáng ở bước sóng có suy hao và tán xạ thấp Độ rộng phổ hẹp để giảm thiểu tán xạ

 Duy trìđặc tính ổn định trong điều kiện môi trường thay đổi

 Cho phép điều chế trực tiếp công suát quang phát ra

 Giá thành thấp vàđộ tin cậy cao

LEDs là nguồn phát lý tưởng cho các hệ thống quang đa mode sử dụng trong mạng LAN hoặc các mạng truy cập Tuy nhiên LEDs không thể cung cấp đủánh sáng vào sợi quang đơn mode trên một khoảng cách truyền dẫn lớn

LASER là nguồn phát ánh sáng được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống truyền dẫn quang Hầu hết các hệ thống phát Laser được thiết kếđể làm việc với nhưng bước sóng được quy định bởi ITU-T Đối với các hệ thống

WDM, người ta thường dùng loại nguồn Laser có thểđiểu chỉnh được đến các

bước sóng khác nhau (Tunable Laser) nhằm tiết kiệm chi phí Cách khác là dùng các Laser cố định bước sóng (Fixed Tune Laser) DFB làm việc rất tốt với

các ứng dụng hiện nay Với các hệ thống WDM có số bước sóng lớn gồm hàng chục đến hàng trăm bước sóng, cách này trở thành rất tốn kém, gây khó khăn cho

nhà sản xuất và công tác vận hành Một lựa chọn khác là dùng mảng Laser (Laser Array), bao gồm một tập các Laser, với mỗi Laser đã hoạt động ở một bước

sóng cố định khác nhau Nhưng mặt hạn chế là số bước sóng có sẵn trong một mảng Laser là cố định và hiện tại giới hạn khoảng 20 bước sóng

Thiết bị thu tín hiệu quang

Thiết bị thu tín hiệu quang (Optical Receiver) thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện bằng cách sử dụng linh kiện Photodetector tạo ra dòng điện có cường độ tỷ lệ với công suất quang thu được Dòng điện sau

đóđược khuếch đại và cho đi qua một thiết bị ngưỡng Một bít phát đi được xác định làở mức 0 hay 1 phụ thuộc dòng điện này ở trên hay dưới một ngưỡng nào

đó trong suốt thời gian bit Nói cách khác sự quyết định được thực hiện dựa vào cường độánh sáng trong suốt khoảng thời gian bit đó

2.3 Bộ lọc và bộ ghép kênh quang

Các bộ lọc quang (Optical Filter) là những thành phần chủ yếu trong hệ thống truyền dẫn WDM đối với ít nhất hai ứng dụng là ghép và tách các bước sóng, các thiết bị này được gọi là các bộ ghép kênh (MUX) và các bộ phân kênh (DEMUX) Ngoài ra bộ lọc còn làm phẳng độ lợi và lọc nhiễu trong các bộ khuếch đại quang

Hình 8 Bộ lọc và bộ ghép kênh

Một bộ lọc đơn giản là một thiết bị hai cổng chọn một bước sóng và loại

bỏ các bước sóng khác Nó có thể có một cổng thứ ba thêm vào mà trên đó thu được các bước sóng bị loại bỏ Một bộ ghép kênh (MUX) kết hợp các tín hiệu ở các bước sóng khác nhau trên các đầu vào đưa tín hiệu kết hợp ở một đầu ra chung Bộ DEMUX thực hiện chức năng ngược lại MUX và DEMUX được

dùng trong các thiết bị đầu cuối mạng WDM, các bộ kết nối chéo bước sóng (WXC) và các bộ ghép kênh xen/tách bước sóng (ADM)

MUX và DEMUX có thể được nối liên tầng để tạo ra các WXC Hình 9 là một ví dụ về WXC cố định Thiết bị gửi các tín hiệu từ một đầu vào đến một ngõ

ra dựa trên bước sóng WXC động có thể được xây dựng bằng cách kết hợp sử dụng các bộ chuyển mạch quang với các bộ ghép kênh và phân kênh

Các bộ chuyển mạch quang được sử dụng trong các mạng quang cho nhiều ứng dụng khác nhau Mỗi ứng dụng yêu cầu thời gian chuyển mạch và số cổng chuyển mạch khác nhau Một ứng dụng của các bộ chuyển mạch quang là

cung cấp các lightpaths Trong ứng dụng này, các chuyển mạch được sử dụng

bên trong các bộ WXC nhằm cấu hình lại chúng để cung cấp các lightpaths mới

Sẽ phải có một phần mềm dùng để quản lý mạng từđầu cuối đến đầu cuối Một ưng dụng quan trọng khác là chuyển mạch bảo vệ ởđây các chuyển mạch được

sử dụng để chuyển các luồng lưu lượng từ một sợi chính sang một sợi khác trongtrường hợp sợi chính bị hỏng Toàn bộ quá trình chuyển luồng phải được hoàn thành trong hàng chục ms, bao gồm thời gian tìm ra lỗi, thông tin lỗi đến các phần tử mạng đểđiều khiển việc chuyển mạch, và thời gian chuyển mạch thật sự

Vì vậy thời gian chuyển mạch yêu cầu khoảng một vài ms Có thể có các dạng chuyển mạch bảo vệ khác nhau, phụ thuộc vào phương pháp sửđược sử dụng, số lượng cổng chuyển mạch cần thiết có thể thay đổi từ hàng trăm đến hàng ngàn cổng khi sử dụng trong các bộ kết nối chéo bước sóng.

Các bộ chuyển mạch quang cũng là phần tử quan trọng trong mạng

chuyển mạch gói quang tốc độ cao Trong các mạng này, các chuyển mạch được

sử dụng để chuyển các tín hiệu trên cơ sở các gói Với ứng dụng này, thời gian chuyển mạch phải nhở hơn nhiều thời gian của một gói nên cần có các bộ chuyểnmạch tốc độ cực cao Ví dụ kích thước của một cell trong mạng ATM là 53bytes

ở tốc độ 10Gbps dài 42ns, vì vậy thời gian chuyển mạch yêu cầu khoảng một vài ns

Các bộ chuyển mạch quang còn được sử dụng như là cá bộđiều chế bên ngoài để mở vàđóng dữ liệu trước một nguồn Laser Trong trường hợp này, thời gian chuyển mạch phải là một phần nhỏ của độ rộng bit Do đó một bộđiều chế bên ngoài cho một tín hiệu 10Gbps (với một khoảng thời gian bit 100ps) phải có thời gian chuyển mạch khoảng 10ps

2.5 Bộ chuyển đổi bước sóng

Bộ chuyển đổi bước sóng (Wavelength Converter) là thiết bị có khả năng chuyển đổi tín hiệu quang từ bước sóng này ở đâu vào sang một bước sóng khác

ở ngõ ra Bộ WC rất hữu ích trong việc làm giảm xác suất nghẽn mạng Nếu các

bộ WC được tích hợp vào các bộ OXC trong mạng toàn quang, thì các kết nối có thể được thiết lập giữa nguồn và đích ngay cả khi bước sóng đó không có trên tất

cả các tuyến của đường đi Chúng sẽ giúp loại bỏ sự bắt buộc về tính liên tục bước sóng Dưới đây là một sốđặc điểm mà một bộ WC lý tưởng nên có:

 Trong suốt đối với tốc độ bit và các định dạng tín hiệu

 Thời gian tạo bước sóng ở đầu ra nhanh

 Chuyển đổi được cả những bước sóng ngắn và dài

 Dải bước sóng rộng đối vớicác tín hiệu vào/a

 Có tỷ số SNR cao đểđảm bảo khả năng ghép tầng

 Cóđộ nhậy thấp với phân cực của tín hiệu vào

 Chi phí thấp và lắp đặt đơn giản

Các bộ chuyển đổi bước sóng có thể được chia thành hai dạng dựa vào lượng chuyển đổi có thể Một số bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ có thểchuyển một bước sóng ngõ vào thành bất kỳ bước sóng nào ở ngõ ra Một bộ chuyển đổi bước sóng giới hạn chỉ có thể chuyển một bước sóng ngõ vào thành một số các bước sóng nào đó ở ngõ ra Một mạng mà có các bộ chuyển đổi bước sóng đầu đủở tất cả các node sẽ có chất lượng tốt hơn xét về khía cạnh tối thiểu hóa xác suất nghẽn Tuy nhiên, điều này khó thực hiện trong thực tế do yếu tố chi phí và

phụ thuộc các giới hạn kỹ thuật Vì vậy thường một mạng chỉ có một số node được trang bị các bộ WC đầy đủ hoặc giới hạn Vì vậy vấn đề lựa chọn các node thích hợp đểđặc các bộ WC trở nên hết sức quan trọng.

Các kỹ thuật thiết kế bộ chuyển đổi bước sóng có thể được chia ra hai dạng chuyển đổi bước sóng quang-điện và chuyển đổi bước sóng toàn quang Dưới đây sẽ trình bày hai kỹ thuật này

2.5.1 Chuyển đổi bước sóng O-E

Trong phương pháp này, tín hiệu quang trước tiên được chuyển thành tín hiệu điện sử dụng một bộ tách sóng Luồng bit được lưu trữ trong bộ đệm Sau đó tín hiệu điện được dùng dể lái ngõ vào của một Tuable Laser để tạo thành một bước sóng mong muốn ở ngõ ra Phương pháp này không thích hợp cho các tốc độ bít cao hơn 10Gb/s Sự tiêu hao nhiều công suất hơn và các thủ túc phức tạp là một

số trở ngại củ phương pháp này khi so với các phương pháp khác Tuy nhiên quátrình chuyển đổi O-E ảnh hưởng một cách bất lợi đến tính trong suốt

2.5.2 Chuyển đổi bước sóng toàn quang

Trong phương pháp này tín hiệu quang ở trong miền quang trong suốt quá trình chuyển đổi Ta có thể chia phương pháp này thành các loại sau:

a) Chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng kết hợp

Các phương pháp này dựa vào hiệu ứng trộn 4 bước sóng Trộn bước sóng phát sinh từ hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang khi có nhiều hơn 2 bước sóng cùng truyền trên một sợi quang Kết quả là sinh ra một bước sóng khác mà cường độ tỉ lệ với cường dộ các sóng tương tác Trộn bước sóng duy trì thông tin

về pha và biên độ, cung cấp một sự trong suốt nghiêm ngặt Nó cũng là phương pháp duy nhất cho phép đồng thời chuyển một tập nhiều bước sóng ở ngõ vào thành một tập các bước sống ở ngõ ra và có thể cung cấp các tín hiệu với tốc độ bit vượt qua 100Gb/s Trong hình 10, giá trị n=3 tương ứng với FWM và n=2 tương ứng với DFG Các kỹ thuật này được mô tả dưới đây:

 Trộn bốn bước sóng (FWM) : FWM được sử dụng trong các sợi thủy

tinh, nó làm cho ba sóng quang với các tần số f a, f b, và f c với a#b,c tương tác với nhau trong hệ thống ghép kênh đa bước sóng tạo ra bước sóng thứ tư có tần

số f abc = fa+ fb− fc FWM có thể thực hiện được trong các ống dẫn sóng bán

dẫn hoặc trong môi trường tích cực như bộ SOA Kỹ thuật này cho phép tạo ra sựđộc lập dạng điều chế và tốc độ bit Tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng bơm vào thành năng lượng tín hiệu không cao lắm

 Phát sinh tần số sai phân (DFG) : DFG là kết quả của sự tương tác

phi tuyến của một môi trường với hai sóng quang : một sóng bơm và một sóng tín hiệu Kỹ thuật này cung cấp một phạm vi trong suốt hoàn toàn mà không

thêm vào nhiễu, nhưng hiệu suất thấp và nhạy với sự phân cực Khó khăn chính trong việc thực hiện kỹ thuật này nằm ở chỗ làm khớp pha của các sóng tương tác và chế tạo một ống dẫn sóng suy hao thấp để đạt được năng suất chuyển đổi cao.

Hình 10 Chuyển đổi bước sóng b) Chuyển đổi bước sóng dùng điều biên chéo (XPM)

Kỹ thuật này sử dụng các thiết bị bán dẫn tích cực như các bộ khuêchs đạiquang học và laser bán dẫn

 Bộ khuêch đại quang bán dẫn (SOA) ở chế độ XGM và XPM :

Nguyên tắc sử dụng một bộ khuêch dại ở chế độ điều chế chéo độ lợi hay hệ số khuêch đại (XGM) như sau : tín hiệu ngõ vào điều chế độ lợi trong SOA Một tínhiệu sóng liên tục (CW) ở bước sóng ngõ ra mong muốn (λc) được điều chế bằng sự thay đổi độ lợi để cho nó mang cùng thông tin với tín hiệu ngõ vào ban đầu Tín hiệu CW có thể được phóng vào SOA cùng hướng hoặc ngược hướng với tín hiệu vào XGM cho ra một tín hiệu được chuyển đổi bước sóng đảo ngược lại so với tín hiệu ngõ vào Phương pháp XGM dễ dàng thực hiện, tuy nhiên nó gặp trở ngại là sựđảo lại của luồng bít được chuyển đổi

Hoạt động của bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng SOA trong mode điều chế xuyên pha XPM dựa vào sự phụ thuộc của chỉ số khúc xạ của SOA vào mật

đọ sóng mang trong vùng tích cực Một tín hiệu đi vào sẽđiều chế chỉ số khúc xạ

và kết quả làđiều chế pha của tín hiệu CW được phép chuyển đổi Với XPM, tín hiệu ngõ ra được chuyển đổi có thể bịđảo cũng có thể không XPM mang lại hiệuquả cao hơn so với XGM

 Laser bán dẫn: Sử dụng laser bán dẫn đơn mode, cường độ laser

được điều chế bởi ánh sáng tín hiệu ngõ vào thông qua sự bão hòa Tín hiệu ngõ

ra thu được bịđảo so với tín hiệu ngõ vào

2.6 Bộ khuếch đại quang

Trong quá trình truyền cường độ tín hiệu quang bị suy hao do các hiện tượng vật lý trong sợi quang gây nên Ngoài ra các thành phần quang khác, như các bộ ghép nối, mối hàn cũng gây ra suy hao Sau một khoảng cách nhất, suy hao tích lũy làm cho tín hiệu bị yếu dần đến mức dưới độ nhạy của bộ thu quang

Do đóđể có thể truyền được tín hiệu quang đi xa, ngoài việc tăng công suất phát ban đầu, ta phải dùng các bộ lặp tái sinh hoặc bộ khuếch đại quang sau một khoảng cách truyền nhất định Một bộ lặp tái sinh sẽ phải thực hiện biến đổi O/E/O, nên nó sẽ làm hạn chế tính trong suốt đối với đặc tính tín hiệu truyền, đồng thời tăng chi phí bảo trì

Kỹ thuật khuếch đại quang mang lại nhiều thuận lợi hơn các bộ lặp Bộ khuếch đại quang không phụ thuộc vào tốc bit và các định dạng tín hiệu Một hệ thống sử dụng khuếch đại quang có thể dễ dàng nâng cấp hơn, ví dụ như đến mộttốc độ bit cao hơn mà không cần phải thay thế các bộ khuếch đại Hơn nữa, các

bộ khuếch đại quang có một băng thông khá rộng nên có thể được dùng khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM Nếu không với mỗi bước sóng ta phải có một

bộ lặp Điều này cho thấy các bộ khuếch đại quang thật sự cần thiết cho các hệ thống ghép kênh theo bước sóng

Ở đây ta sẽ xem xét hang loại khuếch đại quang cơ bản: EDFA

( Eribium-Doped Fiber Amplifiers) và SOA (Sermiconductor Optical Amplifiers)

Bộ khuếch đại EDFA

Bộ khuếch đại quang EDFA hoạt động trong dải từ 1530nm đến 1560nm Cấu tạo EDFA gồm một đoạn silica ma phần lõi được cấy vào các ion E3+ của nguyên tố Eribi ở đầu cuối sợi quang, một laser phát đi một tín hiệu (pumped signal) vào sợi quang Để kết hợp tín hiệu gốc đặt ở đầu vào với tín hiệu laser, người ta dùng một bộ ghép ph ụđược đặt trước đoạn cáp Thông thường sẽ có một bộ cách ly được dùng trước ngõ vào hoặc ngõ ra của bộ khuyếch đại để ngăncản sự phản xạ ngược trở lại vào trong bộ khuếch đại

Hình 11 Cấu tạo bộ khuếch đại EDFA

Tín hiệu bơm kích thích các nguyên tử Er3+đến một mức năng lượng cao hơn Sự chuyển dịch mức năng lượng của điện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra một photon, được goi là bức xạ tự phát nếu như không có bất cử một tác động nào khác chen vào, hoặc bức xạ kích thích do sự có mặt của các photon chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển Thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng cao vào khoảng 10-9s đảm bảo cho các ion E3+ đợi để được khuếch đại

kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng tháI kích thích, do vậy khuếch đại công suất tín hiệu.

Hầu hết các EDFA được bơm bằng laser với bước sóng 980nm hoặc 1480nm Bước sóng 980nm cho hiệu suất độ lợi khoảng10dB/mW, trong khi bước sóng 1480nm cho hiệu suất khoảng 5dB/mW Một hạn chế của khuếch đại quang làđộ lợi phổ không đồng đều Độ lợi phổ EDFA được vẽ trong hình 12 dưới đây Ngoài ra, các bộ khuếch đại cũng khuếch đại nhiễu như tín hiệu, và vùng tích cực của bộ khuếch đại cũng tự động phát ra các photon và vùng tích cực của bộ khuếch đại cũng tự động phát ra các photon, làm hạn chế hiệu suất của bộ khuếch đại

Hình 12 Đường cong độ lợi khuếch đại theo bước sóng

Một số phương pháp làm phẳng độ lợi của EDFA đã được nghiện cứu như

sử dụng bộ lọc quanh tần số 1530nm để nén đỉnh trong vùng này Tuy nhiên khi

có nhiều bộ khuếch đại EDFA được ghép liên tầng, một đỉnh khác xuất hiện quanh bước sóng 1560nm, lúc đó một bộ lọc ở tần số 1560nm được sử dụng Mộtphương pháp khác là hiệu chỉnh công suất phát đầu vào để cho công suất trên mọi bước sóng nhận được ở bên thu như nhau Cách này được áp dụng trong mạng vòng Ring WDM

Bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA

Về cơ bản bộ khuếch đại SOA (Semiconductor Optical Amplifier) có cấu tạo là một ghép nối P-N (xem hình 13) Lớp giữa được hình thành ở mối nối hoạtđộng như là một vùng tích cực Ánh sáng được khuếch đại do sự phát xạ kích thích khi nó lan truyền qua vùng tích cực này Đối với một bộ khuếch đại, hai đầu cuối của vùng tích cực được phủ một lớp không phản xạ để loại bỏ gợn sóng trong độ lợi của bộ khuếch đại

Hình 13 Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại bán dẫn

Hai dạng Laser bán dẫn cơ bản là Fabry-Perot Amplifier và Wave Amplifier (TWA) Sự khác nhau cơ bản giữa hai loại này là tính phản xạ của hai gương đầu cuối Tính phản xạ của Fabry-Perot khoảng 30%, của TWA khoảng 0.01% Tính phản xạ cao hơn trong Fabry-Perot gây ra cộng hưởng trong

Travelling-bộ khuếch đại làm cho dải thông hẹp khoảng 5GHz Vì vậy TWA thích hợp hơn Fabry –Perot dùng cho các mạng WDM

Ngày nay các bộ khuếch đại bán dẫn có thểđạt được độ lợi 25dB với một

độ bão hoà là 10dBm, độ nhạy phân cực là 1dB và phạm vi băng thông 40nm Một thuận lợi của các bộ khuếch đại bán dẫn là khả năng tích hợp chúng vào các thành phần khác

2.7 Cấu trúc mạng DWDM

Trong phần này ta sẽ đi tìm hiểu cấu trúc tổng quát của một mạng WDM Cấu trúc của mạng được mô tả trong hình 14 gồm các thiết bị đầu cuối (OLT), các bộ ghép kênh xen/tách quang (OADM) và các bộ kết nối chéo quang OXC liên kết với nhau qua các kết nối sợi quang Hình vẽ không chỉ ra các bộ khuếch đại quang, được triển khai dọc theo tuyến truyền dẫn nhằm đảm bảo công suất quang tại đầu thu Ngoài ra, trong các OLT, OADM, OXC cũng có thể tích hợp các bộ khuếch đại quang bên trong để bù suy hao ở đây, OLT được triển khai rộng rãi, OADM được triển khai ở phạm vi nhỏ hơn và OXC chỉ mới bắt đầu được triển khai

Cấu trúc mạng này liên kết các mạng thuộc các loại khác nhau như mạng vòng (Ring), mạng mắt lưới (mesh) Một sốđặc điểm đáng chúý của kiến trúc này:

 Sử dụng lại bước sóng: Nhiều lightpath trong mạng có thể sử dụng

cùng bước sóng khi chúng không trùng nhau trên bất cứ tuyến nào Khả năng sử

dụng lại này cho phép mạng hỗ trợ một số lớn các lightpath sử dụng một số giới hạn các bước sóng.

 Chuyển đổi bước sóng: Lightpath có thể trải qua nhiều chuyển đổi

bước sóng dọc theo lộ trình (route) của nó Chuyển đổi bước sóng có thể cải thiện hiệu quả sử dụng các bước sóng trong mạng Chuyển đổi bước sóng cũng cũng cần thiết ở những phần giáp danh mạng ngoài nhằm đưa các tín hiệu từ các nguồn bên ngoài vào bước sóng phù hợp để sử dụng bên trong mạng

 Tính trong suốt: Nghĩa là các lightpath có thể mang dữ liệu với các

tốc độ bit, định dạng khác nhau

 Mang tính chuyển mạch kênh: Các lightpath được cung cấp ở lớp

quang có thể được thiết lập và kết thúc theo yêu cầu Điều này giống như việc thiết lập và giải phóng các kênh trong mạng chuyển mạch kênh

 Khả năng dự phòng: Mạng có thể được cấu hình sao cho trong

trường hợp bịđứt một lightpath nào đó, các ligthpath có thể được định tuyến lại bằng các đường thay thế một cách tự động

Hình 14 Cấu trúc mạng định tuyến bước sóng DWDM

2.7.1 Thiết bị đầu cuối OLT

Thiết bị đầu cuối là phần tử mạng tương đối đơn giản xét về mặt cấu trúc.Chúng được dùng ở đầu cuối của một liên kết điểm-điểm để ghép và phân kênh các bước sóng Hình 15 mô tả ba phần tử chức năng bên trong một OLT gồm: bộtiếp sóng (transponder), bộ ghép kênh bước sóng (Wavelength Multiplexer) và một bộ khuếch đại quang không được vẽ ra trên hình Bộ tiếp sóng có chức năng biến đổi tín hiệu đi vào từ người sử dụng sang một tín hiệu phù hợp sử dụng trong mạng và tương tự theo chiều ngược lại Giao diện giữa người sử dụng và

bộ tiếp sóng có thể thay đổi phụ thuộc vào người sử dụng, tôc độ bit và khoảng cách hoặc suy hao giữa người dùng và bộ chuyển tiếp Giao diện phổ biến nhất làSONET/SDH

Hình 15 Cấu trúc một thiết bị đầu cuối OLT

Tín hiệu có thể cần được chuyển sang một bước sóng thích hợp trong mạng quang Các bước sóng tạo ra bởi bộ tiếp sóng tuân theo các tiêu chuẩn của ITU trong cửa sổ 1.55micromet, trong khi tín hiệu đến có thể là tín hiệu

1,3micromet Bộ tiếp sóng có thể thêm vào phần vào đầu (overhead) nhằm mục đích quản lý mạng Nó cũng có thể thêm thông tin sửa lỗi FEC, đặc biệt cho các tín hiệu 10Gbps và các tốc độ cao hơn Trong một số trường hợp, việc làm thích nghi chỉ cho hướng đi vào và bước sóng ITU ở hướng ngược lại được gửi trực tiếp đến thiết bị người sử dụng Trong một số trường hợp khác, ta có thể tránh sử dụng bộ tiếp sóng bằng cách thực hiện chức năng thích nghi bên trong thiết bị người sử dụng như phân tử mạng SONET có chỉ ra trong hình 15

Tín hiệu ra khỏi bộ tiếp sóng được ghép kênh với các tín hiệu khác ở các bước sóng khác nhau sử dụng bộ ghép kênh theo bước sóng phát ra trên một sợi quang Thêm vào đó, có thể phải sử dụng bộ khuếch đại quang để đẩy công suất tín hiệu lên trước khi chúng được gửi đến bộ phân kênh, rồi truyền tới bộ tiếp sóng hoặc trực tiếp đến thiết bị người sử dụng

OLT cũng là đầu cuối của một kênh giám sát quang OSC OSC được mang trên một bước sóng riêng, tách biệt với các bước sóng mang lưu lượng Nó dùng để giám sát việc thực hiện của các bộ khuếch đại dọc theo tuyến, và một số chức năng quản lý khác

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

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 quantrọng 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