Kỹ thuật chuyển mạch chùm quang trong các hệ thống viễn thông hiện đại

BAS Broadcast And Select switching node Node mạng chuyển mạch lựa chọn và quảng bá BAU Burst Assembly Unit Đơn vị tạo chùm dữ liệu BCP Burst Control Packet Gói điều khiển chùm dữ liệu BD

Đại học quốc gia Hà Nội

tr-ờng đại học công nghệ

Đoàn Sông Thao

Kỹ thuật Chuyển mạch chùm quang

Trong các hệ thống viễn thông hiện đại

Tôi xin cam đoan cuốn luận văn là thành phẩm của riêng các nhân tôi, không sao chép lại của người khác Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của các nhân tôi hoặc được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu tham khảo Tất cả các phần được tổng hợp từ các nguồn tài liệu tham khảo đều được trích dẫn rõ ràng và hợp pháp

Tôi xin chịu hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi sự hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

Hà Nội, 12/2006

Đoàn Sông Thao

Mục lục 1

Danh mục hình vẽ bảng biểu 3

Các từ viết tắt 5

Mở đầu 9

Chương 1 Tổng quan 12

1.1 Giới thiệu mạng thông tin quang 12

1.1.1 Giới thiệu 12

1.1.2 Quá trình phát triển của mạng chuyển tải quang 13

1.1.3 Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng 15

1.2 Các kỹ thuật chuyển mạch quang 15

1.2.1 Giới thiệu 16

1.2.2 Mạng chuyển mạch kênh quang 17

1.2.3 Mạng chuyển mạch gói quang 18

1.2.4 Mạng chuyển mạch chùm quang 20

1.3 Kết luận 23

Chương 2 Hệ thống chuyển mạch chùm quang 25

2.1 Giới thiệu 25

2.1.1 Cấu trúc mạng 25

2.1.2 Các yêu cầu về công nghệ 29

2.1.3 Một số hiệu ứng tương tác lớp vật lý 31

2.2 Cấu trúc mạng chuyển mạch chùm quang 34

2.2.1 Các mạng OBS đồng bộ và không đồng bộ 35

2.2.2 Cấu trúc các node mạng biên 37

2.2.3 Cấu trúc node mạng lõi 40

2.2.4 Phần xử lí gói điều khiển 41

2.3 Cấu trúc phân lớp trong mạng chuyển mạch chùm quang 43

2.3.1 Giới thiệu 43

2.3.2 Cấu trúc phân lớp IP trong chuyển mạch chùm quang 43

2.3.3 Cấu trúc phân lớp chuyển mạch chùm quang 45

2.4 Thiết kế thực thi lớp vật lý các node mạng lõi OBS 53

2.4.1 Một số yêu cầu của OBS đối với mạng truyền dẫn quang 53

2.4.2 Một số giải pháp chống xung đột trong node mạng lõi OBS 57

2.4.3 Các thành phần chính trong node mạng OBS 62

2.4.4 Xây dựng phần chuyển mạch quang 70

2.5 Các cổng On/Off khuếch đại quang bán dẫn SOA 73

2.5.1 Nguyên lý hoạt động của các cổng chuyển mạch 73

Mục lục

2.5.2 Các yêu cầu chính 75

2.5.3 Sự phát triển của công nghệ SOA 76

Chương 3 Phân tích đánh giá cấu trúc node mạng OBS 82

3.1 Một số giả thiết 82

3.2 Yếu tố quỹ công suất 84

3.3 Một số thông số tiêu chuẩn và ảnh hưởng của chúng 86

3.3.1 Các thông số tiêu chuẩn 86

3.3.2 Phân tích nhiễu 90

3.3.3 Xuyên âm 97

3.3.4 Ảnh hưởng của các bộ khuếch đại 99

3.3.5 Khả năng chuyển đổi bước sóng 100

3.3.6 Ảnh hưởng của sự bão hoà khuếch đại SOA 102

Chương 4 Lộ trình ứng dụng chuyển mạch quang cho mạng viễn thông Việt Nam……… 104

4.1 Mục tiêu phát triển chiến lược của mạng viễn thông Việt Nam 104 4.1.1 Quan điểm chiến lược 104

4.1.2 Mục tiêu của chiến lược 104

4.1.3 Định hướng phát triển các lĩnh vực 105

4.2 Phân tích hiện trạng mạng viễn thông của TCT 105

4.2.1 Mạng chuyển mạch 105

4.2.2 Mạng truyền dẫn 106

4.2.3 Mạng truy nhập 107

4.2.4 Định hướng phát triển mạng quang đường trục của Tổng công ty………… 107

4.3 Xây dựng lộ trình chuyển đổi ứng dụng chuyển mạnh quang cho mạng trục tổng công ty 109

4.3.1 Mục tiêu ứng dụng mạng chuyển mạch quang cho tổng công ty 109

4.3.2 Lộ trình cho ứng dụng chuyển mạch quang trong giai đoạn 2006-2010 114

4.3.3 Lộ trình cho úng dụng chuyển mạch quang trong giai đoạn 2010-2015………… 116

4.3.4 Giai đoạn sau 2015 117

Kết luận 118

Tài liệu tham khảo 121

Danh mục hình vẽ bảng biểu

Hình 1.1 Công nghệ sử dụng trong mạng truyền tải……… 14

Hình 1.2 Cấu trúc đơn giản của chuyển mạch gói quang……… … 19

Bảng 1 So sánh một số kỹ thuật chuyển mạch quang……… … 21

Hình 2.1 Cấu trúc mạng chuyển mạch chùm quang……… ……… 25

Hình 2.2 Sơ đồ khối chức năng mạng chuyển mạch chùm quang………… 26

Hình 2.3 Cấu trúc bộ định tuyến tại node mạng lõi……….… … 26

Hình 2.4 Cấu trúc bộ định tuyến tại node mạng biên……… 27

Hình 2.5 Hệ chuyển mạch vi cơ điện tử……….….… … 29

Hình 2.6 Hệ chuyển mạch sử dụng bộ khuếch đại quang bán dẫn………… 30

Hình 2.7 Mạng chuyển mạch chùm quang……… 35

Hình 2.8 Các chùm dữ liệu và các gói tiêu đề……… 36

Hình 2.9 Các khối chức năng cơ bản của node mạng biên OBS……… 37

Hình 2.10 Cấu trúc node mạng biên OBS lối vào……… ……… 37

Hình 2.11 Phần tạo chùm dữ liệu BAU……… ……… 38

Hình 2.12 Khối giao diện chuyển đổi quang……… ……… 38

Hình 2.13 Cấu trúc node mạng biên OBS lối ra……… 39

Hình 2.14 Cấu trúc node mạng OBS lõi……… 40

Hình 2.15 Bộ trễ sợi FDL thực hiện bù trễ thời gian xử lý gói tiêu đề… 40

Hình 2.16 Cấu trúc trường chuyển mạch của node mạng OBS lõi………… 41

Hình 2.17 Cấu trúc bộ xử lý gói điều khiển……….….… 42

Hình 2.18 Cấu trúc lớp phân cấp mạng IP-over-OBS……… 44

Hình 2.19 Cấu trúc phân lớp mạng OBS……… 44

Hình 2.20 Định dạng khung chùm dữ liệu……… 47

Hình 2.21 Cấu trúc khung của gói điều khiển ……… ….… 51

Hình 2.22 Các liên kết truyền dẫn quang trong mạng OBS……… … 53

Hình 2.23 Hai cấu trúc đơn giản thực thi laser điều chỉnh nhanh….… … 54

Hình 2.24 Điều khiển khuếch đại bằng phương pháp điều chỉnh công suất bơm……… 56

Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của node mạng OBS……….…… … … 61

Bảng 2 Một số công nghệ chuyển mạch quang……….…….……… 63

Hình 2.26 Các bộ chuyển đổi bước sóng XPM……….…… … … 66

Hình 2.27 Các thiết kế thực thi bộ chia, tổng hợp công suất quang… …… 69

Hình 2.28 Hệ chuyển mạch sử dụng các bộ SOA……….….……… 71

Hình 2.29 Cấu trúc trường chuyển mạch quang trong node mạng lõi OBS 72

Hình 2.30 Nguyên lý hoạt động các cổng SOA………… ………….….… 74

Hình 2.31 Sơ đồ cổng DBR-SOA…….……… ……… ……… 79

Hình 2.32 Sơ đồ một cổng GC-SOA sử dụng laser theo phương thẳng đứng

để ổn đinh hệ số khuếch đại… ………

79 Bảng 3 Một số thông số cơ bản của các bộ khuếch đại quang bán dẫn …… 81

Bảng 4 Một số giá trị giả định……… 83

Hình 3.1 Đường dẫn tín hiệu giữa hai node biên trong một mạng OBS với các cấu trúc………….……… … … 83

Hình 3.2 Mức công suất tại các node mạng ……….… 84

Hình 3.3 Phân tích quỹ công suất các node mạng cấu trúc BAS và TAS… 85

Hình 3.4 Tính toán hệ số ồn của một đường tín hiệu cụ thể……….…… 91

Hình 3.5 Hệ số ồn tổng NFTAS và các hệ số ồn của các bộ khuếch đại, sợi quang phụ thuộc vào số bước sóng M trong mỗi sợi (với số sợi N=4).…… 94

Hình 3.6 Sự phụ hệ số OSNR của node TAS như là hàm của số bước sóng M trên sợi, với các giá trị số sợi vào/ra N tương ứng……… 95

Hình 3.7 Số bước sóng tối đa trên mỗi sợi……… 96

Hình 3.8 Tính toán hệ số Q theo số bước sóng tối đa trên mỗi sợi………… 98

Hình 3.9 Số bước sóng sử dụng tối đa và khả năng thông tối đa…….…… 99

Hình 3.10 Khả năng nối tầng các node TAS với cấu trúc sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng tuyến tính……….…….……… 100

Hình 3.11 Giá trị OSNR của k tầng node TAS nối tiếp theo số bước sóng sử dụng….….….……….………….………….……… 101

Bảng 5 Số bước sóng tối đa M trên sợi tương ứng với các node TAS 4, 8 sợi vào ra……… ……….….……… ………….… 102

Hình 3.12 Cấu hình hệ thống với node TAS và sợi bù tán sắc…….… … 102

Bảng 6 Các tham số mô hình của sợi SSMF và DCF……… 103

Hình 4.1.Cấu trúc phân cấp mạng viễn thông quốc gia hiện tại……… 105

Hình 4.2 Mạng quang đường trục DWDM 20 Gbit/s………… ………… 106

Hình 4.3.Cấu hình hệ thống cáp quang biển trục Bắc Nam……….……… 108

Hình 4.4 Lộ trình ứng dụng chuyển mạch quang trong mạng tổng công ty 112 Hình 4.5 Mạng chuyển mạch quang mạng trục mục tiêu 113

Hình 4.6 Mạng chuyển mạch quang vùng/metro mục tiêu 114

Hình 4.7 Mạng chuyển mạch quang mạng truy nhập mục tiêu 114

Hình 4.8 Kiến trúc mạng chuyển mạch quang mục tiêu cho mạng trục 2006-2010 115

Hình 4 9 Chuyển mạch quang vùng 1 giai đoạn 2006 – 2010 116

Hình 4 10 Chuyển mạch quang vùng 2 giai đoạn 2006-2010 117

BAS Broadcast And Select

switching node

Node mạng chuyển mạch lựa chọn và quảng bá

BAU Burst Assembly Unit Đơn vị tạo chùm dữ liệu

BCP Burst Control Packet Gói điều khiển chùm dữ liệu BDU Burst Disassembly Unit Phần tách chùm dữ liệu

BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bit

BFC Burst Framing Control Phần điều khiển đồng

khung chùm dữ liệu BHP Burst Header Packet Gói tiêu đề chùm dữ liệu

CPP Control Packet Processor Bộ xử lý gói điều khiển

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra dư thừa vòng

CW Continuous Wave Sóng liên tục

CWDM Coarse WDM Tín hiệu ghép kênh WDM mật

độ thấp DBR Distributed Bragg

Refflector

Hệ phản xạ Bragg phân tán

DCG Data Channel Group Nhóm kênh dữ liệu

DLE Dynamic Lightpath

Establishment

Thiết lập đường dẫn động

DPSK Difference Phase Shift

Keying

Khoá dịch pha vi phân

DTC Data Transport Component Thành phần truyền tải dữ liệu DWDM Dense Wavelength

Division Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng mật

độ cao EAM Electro-Absorption Bộ điều chế dựa trên nguyên lý

Modulator hấp thụ điện từ ECL External Cavity Laser Laser buồng cộng hưởng ngoài

EDFA Erbium-Doped Fiber

Amplifier

Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium

ETDM Electronic Time-Domain

Multiplexing

Hợp kênh tín hiệu điện phân chia theo miền thời gian

FDL Fibre Delay Line Sợi trễ tín hiệu quang

FFUC First-Fit Unscheduled

Channel

Kênh không sử dụng lập lịch

FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn sóng

GC-SOA Gain-Clamped SOA Bộ SOA khống chế khuếch đại

GCSR Grating assisted Coupler

with Sampled Reflector

Phần ghép nối sử dụng cách tử với

bộ phản xạ mẫu

GE Gigabit Ethernet Tín hiệu Ethernet tốc độ Gigabit

HDLC High-Level Data Link

Control

Điều khiển liên kết dữ liệu ở mức cao

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu xuyên ký hiệu

JET Just-Enough-Time Kỹ thuật báo hiệu JET

LAN Local Area Network Mạng nội bộ

LAUC Latest Available

Kênh không lập lịch khả dụng mới nhất

có lấp khoảng trống

LCA Line Card Arbiters Các bộ phân chia đường

LOA Linear Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang tuyến tính

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

MAN Metropolipan Area

Multi Quantum Well SOA Bộ SOA tích hợp các giếng lượng tử

Phần hợp lênh xen rẽ quang

OBS Optical Burst Switching Hệ chuyển mạch chùm quang

OC-n Optical Container-n Đơn vị chuyển tải quang cấp n OPS Optical Packet Switching Hệ chuyển mạch gói quang

OSNR Optical Signal and Noise

Rate

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm quang

OSPF Open Shortest Path First Thuật toán tìm đường dẫn ngắn nhất OTDM Optical Time Domain

Multiplexing

Hợp kênh tín hiệu quang phân chia theo miền thời gian

OTN Optical Transport Network Mạng chuyển tải quang

OXC Optical Cross-Connect Kết nối chéo quang

PAD Packet Aggregation and

De-aggregation

Lớp hợp, phân tách gói

PHY Physical layer Lớp vật lý

QD-SOA Quantum Dots SOA Bộ SOA tích hợp các điểm

lượng tử RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên

Điều khiển báo hiệu kết nối

SCU System Control Unit Đơn vị điều khiển hệ thống

SDH Synchronous Digital

Hierarchy

Phân cấp tín hiệu số đồng bộ

SFC Signaling Frame Control Điều khiển khung báo hiệu

SGDBR Sampled Grating DBR Bộ DBR với cách tử mẫu

SLE Static Light Establishment Thiết lập đường dẫn sáng tĩnh

SNR Signal Noise Rate Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SOA Semiconductor Optical

Amplifier

Bộ khuếch đại quang bán dẫn

SONET Synchronous Optical

STM-n Synchronous Tranfer Mode Chế độ chuyển tải đồng bộ

TAG Tell-And-Ago Kỹ thuật báo hiệu TAG

TAS Tune And Select switching

node

Node mạng chuyển mạch điều chỉnh và lựa chọn

TAW Tell-And-Wait Kỹ thuật báo hiệu TAW

TDM Time Domain Multiplexing Hợp kênh theo miền thời gian

VCSEL Vertical Cavity Surface Laser có khoang cộng hưởng theo

Emitting Laser phương thẳng đứng VOQ Virtual Output Queue Hàng đợi lối ra ảo

Optical Network

Mạng quang định tuyến bước sóng

XGM Cross Gain Modulation Điều chế khuếch đại chéo

XPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha

MỞ ĐẦU

Trong thập kỷ qua, việc gia tăng nhanh chóng của các ứng dụng trên Internet, đa phương tiện, truyền hình, xử lý ảnh đã đòi hỏi băng thông ngày càng cao lên tới cỡ gigabyte với khoảng cách xa, mật độ cao, độ rủi ro thấp Các hệ thống thông tin sợi quang với thuận lợi về băng thông (tần số sóng mang cỡ 200THz), trọng lượng và kích thước nhỏ; tín hiệu về điện cách biệt về điện, không có giao thoa cũng như suy hao đường truyền thấp Những ưu điểm đó đã được phát triển cho các ứng dụng rộng rãi trong mạng truyền dẫn hiện nay Nhằm đáp ứng nhu cầu dịch vụ ngày càng tăng của khách hàng Lĩnh vực chuyển mạch quang xuất hiện là kết quả tất yếu của việc phát triển nhanh chóng mạng quang Do đó, việc thống trị của cáp quang trên mạng trong tương lai nên tiềm năng thâm nhập sâu hơn vào thị trường của các thiết bị quang là tất yếu, thêm vào đó công nghệ truyền dẫn điểm-điểm đã chứng tỏ thành công trong thời gian gần đây

Cho đến nay, việc sử dụng công nghệ quang trên mạng không còn là điều mới mẻ Các thiết bị SDH đã được sử dụng thành công trong việc xây dựng các

hệ thống truyền dẫn quang đơn kênh Tuy nhiên mạng SDH và mạng quang khác nhau ở một số điểm, đặc biệt là trong việc mở rộng dung lượng và định tuyến Trong mạng SDH, khi tốc độ truyền dẫn cực đại của hệ thống đã được sử dụng hết, để tăng dung lượng phải lắp đặt thêm hệ thống mới trên các sợi quang mới Còn trong mạng quang, việc mở rộng dung lượng chỉ đơn giản là tăng thêm

số bước sóng trên cùng một sợi quang Chức năng định tuyến của mạng SDH được thực hiện bằng các khe thời gian, còn chức năng định tuyến của mạng quang được thực hiện bằng các kênh quang

Lưu lượng thông tin không ngừng gia tăng đặc biệt là lưu lương IP, truyền dẫn quang đặc biệt là hệ thống truyền dẫn quang trong mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) đường trục phải có dung lượng cao

Mạng truyền tải quang OTN được coi là bước tiếp theo tự nhiên trong quá trình phát triển mạng truyền tải Do quá trình phát triển, OTN sẽ kéo theo rất nhiều kiến trúc mức cao hơn khi sử dụng SONET/SDH (ví dụ mạng quang sẽ giữ lại định hướng kết nối, mạng chuyển mạch) Sự khác nhau chính sẽ xuất hiện từ dạng công nghệ chuyển mạch được sử dụng: TDM cho SDH với bước sóng cho OTN Để thoả mãn nhu cầu ngắn hạn về dung lượng, việc triển khai

các hệ thống WDM điểm điểm cỡ lớn sẽ vẫn được tiến hành Khi số bước sóng

và khoảng cách giữa các đầu cuối tăng lên sẽ xuất hiện nhu cầu xen rẽ bước sóng tại các điểm trung gian Khi đó các bộ chuyển mạch xen rẽ quang linh hoạt

sẽ trở thành một bộ phận cần thiết cho mạng WDM Khi có thêm các bước sóng được triển khai trên mạng chuyển tải sẽ dẫn tới tăng nhu cầu về quản lý dung lượng Cũng như trong các bộ đấu chéo số, vấn đề đặt ra là quản lý dung lượng trong lớp điện thì trong các bộ chuyển mạch nối chéo quang (OXC) vấn đề đặt

ra là quản lý dung lượng ở lớp quang

Kỹ thuật chuyển mạch quang là vẫn đề tâm điểm quan trọng đang được nghiên cứu và đã có nhiều ứng dụng thực tiễn trong mạng viễn thông Có rất nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu để đưa ra thiết bị chuyển mạch vào thực tế

vì vậy cần phải mất nhiều thời gian dành cho nghiên cứu

Các thiết bị chuyển mạch quang trong tương lai sẽ là một phần tất yếu không thể thiếu được đối với các hệ thống xử lí tín hiệu quang và truyền dẫn quang Các kỹ thuật chuyển mạch trong cấu trúc mạng OTN sẽ cho ta truyền được lưu lượng cao và mang lại hiệu quả sử dụng băng tần cũng như chất lượng dịch vụ

Với ý nghĩa đó công việc nghiên cứu tìm hiểu và đánh giá khả năng ứng dụng các công nghệ chuyển mạch chùm quang trong mạng viễn thông là rất cần thiết, đặc biệt là khi xu thế mạng NGN yêu cầu việc cấp phát tài nguyên quang, đề tài mong muốn nghiên cứu về vấn đề này và muốn được tham gia, trao đổi các vấn đề liên quan trong lĩnh vực mạng thông tin quang còn rất rộng lớn và hấp dẫn

Với mục tiêu nghiên cứu tìm hiểu kỹ thuật chuyển mạch chùm quang và đánh giá khả năng ứng dụng vào mạng Viễn thông Quốc Gia Với nội dung

nghiên cứu về “Hệ thống chuyển mạch chùm quang trong các hệ thống

viễn thông hiện đại ” được xây dựng với bố cục gồm 4 chương cụ thể như

phân tích dựa trên các ràng buộc về mặt vật lý, công nghệ, nguyên lý của một số thành phần chủ chốt xây dựng node mạng chuyển mạch;

 Chương 3: Phân tích đánh giá một số thông số kỹ thuật và ảnh hưởng của chúng tới node mạng với cấu trúc lựa chọn, cấu trúc TAS;

 Chương 4: Phân tích các khả năng và lộ trình áp dụng chuyển mạch quang cho mạng viễn thông Việt Nam

tỷ số tín hiệu trên tạp từ 109 (với cáp đồng) đến 1012

(với sợi quang) đây chính là điểm mạnh cho việc truyền lưu lượng số liệu

Mạng truyền tải quang được xem như là sự phát triển của mạng quang từ mặt kiến trúc mạng và các bức tranh truyền tải tín hiệu tương ứng Kiến trúc mạng được xem xét từ các phân miền địa lý khác nhau, các công nghệ ghép kênh, các chức năng chuyển mạch và định tuyến, dung lượng truyền tải và các công nghệ sử dụng Ngày nay, từ mạng quang đồng bộ một bước sóng SONET/SDH (Single wavelength synchronous Optical Network/ Synchronous Digital Heirarchy) dựa trên truyền tải điểm-điểm đã phát triển đến giai đoạn truyền dẫn quang đa bước sóng

Sự phát triển của mạng quang bắt đầu từ SONET với định nghĩa phân cấp ghép kênh theo miền thời gian trong miền điện ETDM (Electronic Time-Domain Multiplexing) là các tín hiệu đồng bộ STS-n cho tốc độ bit cao trong miền quang là các kênh quang bậc n (OC-n) SONET không phải là mạng mà là một giao diện nó tập hợp tất cả lưu lượng tại các bộ ghép kênh điện Dòng bit tốc độ cao sau đó được chuyển đổi sang tín hiệu quang OC-n Tại lớp vật lý SONET/SDH định ra một khung 125µs và phân cấp phân chia theo thời gian TDM (Time Domain Multiplexing) là OC-n/STM-m với n=3m [4]

Mạng dựa trên SONET/SDH bao gồm các nút hoặc các phần tử mạng được liên kết bằng cáp sợi quang Cấu hình mạng điểm-điểm xây dựng dựa trên mạng quang đồng bộ ngày nay có nhiều loại khác nhau như ring, cây, mesh… Các phần tử mạng quang đồng bộ thu các tín hiều từ nhiều nguồn khác nhau như là các bộ ghép kênh truy nhập, ATM (Asynchronous Transfer Mode), LAN, MAN Được phát triển từ đầu những năm 1980, SONET/SDH đã góp phần thay thế hầu hết cáp đồng trong mạng đường trục bằng cáp sợi quang

Song song với sự phát triển các công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM và ghép kênh theo thời gian trong miền điện TDM, các nhà nghiên cứu

đưa ra kỹ thuật ghép kênh theo thời gian trong miền quang OTDM (Optical Time Domain Multiplexing) lên đến tốc độ từ hàng chục đến hàng trăm Gb/s

Từ những năm 1990, khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) đã được sử dụng các tín hiệu đa bước sóng có thể được khuếch đại

mà không cần phải tách ra từng kênh Những tên gọi ghép kênh lỏng, ghép kênh mật độ cao, ghép kênh mật độ rất cao và các tiêu chuẩn mới vẫn được tiếp tục phát triển [3]

Mạng toàn quang được đưa ra từ những năm 1990 là một giải pháp mạng tính cách mạng hướng tới đáp ứng sự gia tăng rất nhanh nhu cầu băng tần do các công nghệ viến thông mới như internet, email, dịch vụ điện toán peer-to-peer, truyền hình hội nghị thêm vào lưu lượng thoại truyền thống

1.1.2 Quá trình phát triển của mạng chuyển tải quang

Cáp sợi quang và các công nghệ liên quan cho phép truyền các dung lượng thoại và số liệu có tốc độ cao hơn và xa hơn tạo ra mạng quang đường trục trong

cơ sở hạ tầng mạng viễn thông Mạng quang thế hệ thứ nhất cung cấp tốc độ

cao và truyền tải đường dài dựa trên SONET/SDH Trong các mạng quang, các gói số liệu được truyền tải tại tốc độ bit cao trong miền quang trên khoảng cách dài Tuy nhiên, chuyển mạch kênh, phân chia lưu lượng, định tuyến, và các chức năng bảo vệ lại được thực hiện hoàn toàn trong miền điện Các việc này khi thực hiện phải thực hiện các bộ biến đổi điện quang, quang điện O/E/O

Tốc độ bit đã được gia tăng từ 2,5 đến 10 Gb/s trong SONET/SDH sử dụng công nghệ ghép bước sóng quang mật độ cao DWDM, DWDM gia tăng hiệu quả sử dụng băng tần truyền dẫn Khi lưu lượng xử lý tại truyền tải đường dài và tại các nút trung gian trở nên phức tạp mạng quang sau đó được phát triển lên

mạng quang thế hệ thứ hai ở đó một số chức năng định tuyến và chuyển mạch

là quang với điều khiển điện [4]

Có 2 công nghệ thiết bị quan trọng như nhau trong mạng quang thế hệ thứ hai là bộ xen rẽ quang OADM và bộ circulator Những thiết bị này cho phép định tuyến và chuyển mạch ở lớp bước sóng Mạng quang thế hệ thứ hai, dựa trên công nghệ WDM tạo thành lớp quang cung cấp các dịch vụ luồng quang, chuyển mạch kênh và kênh ảo quang

Chuyển mạch toàn quang sẽ đem đến cho mạng quang một thế hệ mạng kế

tiếp được thừa nhận ngày nay là thế hệ mạng quang thứ ba của hệ thống truyền

tải quang Các chức năng chuyển mạch và định tuyến trong mạng quang thế hệ thứ ba sẽ cung cấp các nối chéo quang OXC (Optical Cross-Connect)

Xu hướng phát triển công nghệ mạng quang được nhìn tổng thể trên bức tranh phát triển kiến trúc mạng truyền tải quang, các công nghệ được sử dụng trong mạng truyền tải trong từng giai đoạn

Hình 1.1 Công nghệ sử dụng trong mạng truyền tải Trong thế hệ mạng thứ nhất các kiến trúc mạng quang bao gồm các liên kết WDM điểm-điểm Mạng quang khi đó bao gồm một số liên kết điểm-điểm tại

đó tất cả lưu lượng đến một nút được lấy ra, chuyển đổi quang sang điện, xử lý điện và chuyển đổi từ điện sang quang trở về nút Việc lấy ra và cộng vào lưu lượng tại mỗi nút trong mạng phải chịu chi phí đáng kể cho chuyển mạch và xử

lý tín hiệu điện [3]

Trong kiến trúc thế hệ mạng quang thứ hai dựa trên các bộ xen rẽ bước sóng quang OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) OADM cho phép lựa chọn các kênh bước sóng trên một sợi để kết cuối trong khi các bước sóng khác vẫn tiếp tục đi qua Nói tóm lại, toàn bộ lưu lượng đi qua mạng cao hơn khối lượng lưu lượng cần thiết trích xuống một nút Bằng việc sử dụng OADM chúng ta có thể giảm chi phí xử lý tín hiệu trên mạng

Mạng định tuyến bước sóng tĩnh

Mạng định tuyến bước sóng động

Mạng chuyển mạch chùm quang

Mạng chuyển mạch gói quang

Thời gian

Trong kiến trúc mạng quang thế hệ thứ ba, để xây dựng một mạng mesh bao gồm các liên kết sợi đa bước sóng, tương ứng với nó các công nghệ thiết bị toàn quang liên kết sợi được nghiên cứu và đưa ra

1.1.3 Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng

Một kỹ thuật đang được phát triển trong các mạng quang là kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo bước sóng WDM Công nghệ WDM khai thác băng thông truyền dẫn lớn gần như vô hạn của sợi quang Công nghệ này cho phép mỗi sợi quang có thể truyền dẫn nhiều tín hiệu quang, các tín hiệu tương ứng ở các bước sóng khác nhau Theo đó ta có thể hiểu WDM biến đổi một sợi quang thành nhiều sợi ảo Sử dụng công nghệ WDM cho phép duy trì tốc độ thấp ở mỗi bước sóng trong khi vẫn đảm bảo tốc độ luồng tổng ở mức rất cao Cách tiếp cận công nghệ này là một giải pháp khả thi để xây dựng các hệ thống lên tới tốc độ 40 Gbps và cao hơn nữa mà các hệ thống TDM hiện nay không thể thực hiện được Các hệ thống WDM sẽ làm giảm số lượng các bộ tái tạo, khuếch đại tín hiệu trên đường truyền và bởi vậy sẽ giảm được đáng kể giá thành hệ thống

Để so sánh ta xét một hệ thống truyền dẫn tốc độ 40 Gbps trên khoảng cách 600

km Với hệ thống truyền thống, cần sử dụng 16 cặp sợi quang với các bộ phát lặp được ấn định sau mỗi 35 km tổng cộng 272 bộ Khi sử dụng hệ thống WDM

16 bước sóng, mỗi bước sóng có tốc độ truyền 2.5 Gbps, chỉ sử dụng một cặp sợi quang và 4 bộ khuếch đại được đặt sau mỗi 120 km trên toàn tuyến 600 km [8]

Các hệ thống WDM được phân loại theo mật độ của các bước sóng được ghép ta có hệ ghép kênh mật độ thấp (CWDM) hay hệ ghép kênh mật độ cao (DWDM), tuỳ theo khoảng trống giữa các bước sóng Các thế hệ hệ thống DWDM tiên tiến có thể ghép nhiều bước sóng hơn do đó trên một liên kết quang

sẽ truyền nhiều kênh thông tin hơn Ngày nay các nhà nghiên cứu đang hướng tới hệ thống ghép tới 1000 bước sóng trên mỗi sợi quang Về lí thuyết, để đạt được điều này ta sử dụng kết hợp các băng C và băng L với khoảng cách giữa các bước sóng là 0.2 nm

1.2 Các kỹ thuật chuyển mạch quang

1.2.1 Giới thiệu

Hoàn toàn tương tự như trong chuyển mạch điện tử, chuyển mạch quang về nguyên lý là một phép ánh xạ tín hiệu quang từ một cổng lối vào tới một cổng lối ra yêu cầu Một trong những khó khăn để thực thi các hệ thống chuyển mạch quang là yêu cầu cao về mặt công nghệ để xử lý tín hiệu trên miền quang Ưu điểm của các kỹ thuật truyền dẫn sử dụng tín hiệu quang là có khả năng truyền với tốc độ cao nhưng kém về xử lý các tín hiệu Đó là bởi vì các photon hoặc không thể đi chậm, tập trung lại, hoặc không được cất giữ một cách thuận tiện Kích thước của các thiết bị quang bị giới hạn do nhiễu xạ theo trật tự bước sóng làm cho các thiết bị quang lớn hơn nhiều thiết bị điện tử Tuy nhiên, trong tương lai nếu như có thể khắc phục được những yếu điểm về mặt công nghệ thì chuyển mạch quang sẽ là một giải pháp đầy hứa hẹn cho mạng viễn thông nhân loại Cũng như chuyển mạch điện tử, dựa trên nguyên lý, chuyển mạch quang được phân chia theo theo các loại như sau:

- Chuyển mạch quang phân chia theo không gian,

- Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian,

- Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng

Loại chuyển mạch phổ biến nhất là chuyển mạch phân chia theo không gian, ở đó có sự biến đổi vật lí giữa các đường dẫn sóng ánh sáng Khác với chuyển mạch điện tử, chuyển mạch quang có thêm chuyển mạch theo bước sóng

Như đã trình bày trong hình 1.1, các mạng quang sẽ chuyển đổi dần từ công nghệ truyền dẫn quang đơn thuần sang các mạng chuyển mạch quang Các kỹ thuật chuyển mạch quang có thể chia thành ba loại: chuyển mạch kênh quang, chuyển mạch chùm quang và chuyển mạch gói quang

 Hệ thống chuyển mạch kênh truyền thống sử dụng trong mạng lõi quang phải cần đến biến đổi quang điện Từng kênh cơ sở riêng rẽ được tạo

ra và định tuyến trong miền điện Thiết bị quang sử dụng để chuyển đổi và xếp những kênh này vào trong phổ quang Bộ biến đổi quang điện sử dụng công nghệ đắt tiền và tiêu tốn nhiều năng lượng Hơn nữa công nghệ này tương đối chậm so với giải pháp toàn quang bởi vì mất thời gian xử lý tín hiệu điện [9]

 Chuyển mạch gói quang đã được khẳng định tính kinh tế khi sử dụng băng tần rất hiệu quả và khả năng hỗ trợ các dịch vụ khác nhau Khi công nghệ chuyển mạch quang cải thiện, chúng ta có thể thực hiện mạng chuyển mạch quang dựa trên gói, khi đó các gói được chuyển mạch và định tuyến độc lập qua mạng trong miền quang mà không cần biến đổi sang điện tại mỗi nút Như vậy chuyển mạch gói quang cho phép một mức độ cao hơn việc ghép kênh thống kê trên các liên kết sợi quang và điều khiển chùm lưu lượng tốt hơn chuyển mạch kênh Tuy nhiên, với một số yêu cầu như tốc

độ, đệm quang, xử lí phần tiêu đề trên miền quang… thì công nghệ hiện tại vẫn chưa có khả năng đáp ứng được Chính vì vậy, việc thực thi các mạng chuyển mạch gói quang trong tương lai gần là chưa thể [6]

 Chuyển mạch chùm quang được thiết kế để đạt được một cân bằng giữa chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói quang Trong mạng chuyển mạch chùm quang một chùm số liệu bao gồm các gói dữ liệu được chuyển mạch qua mạng toàn quang Một gói điều khiển được truyền đi trước gói số liệu

là tiêu đề để thiết lập các chuyển mạch dọc theo tuyến truyền dẫn Thực chất chuyển mạch chùm quang được xem xét trong tầng quang đơn thuần như một môi trường truyền dẫn trong suốt không bộ đệm cho các ứng dụng như vậy chuyển mạch chùm quang (OBS) như một giải pháp cho sự truyền tải lưu lượng trực tiếp qua mạng WDM quang mà không cần bộ đệm [8]

1.2.2 Mạng chuyển mạch kênh quang

Các mạng quang định tuyến theo bước sóng thực hiện chuyển mạch kênh quang trong đó các đường dẫn các bước sóng quang được thiết lập giữa các cặp trạm đầu cuối với nhau Thiết lập đường truyền ánh sáng liên quan tới một số nhiệm vụ bao gồm quản lý topo mạng và tài nguyên, định tuyến, ấn định bước sóng, báo hiệu và tích luỹ tài nguyên

Việc quản lý topo mạng và tài nguyên liên quan tới sự phân bố và duy trì thông tin trạng thái mạng Thông tin này sẽ bao gồm thông tin về hình thái vật lý

và trạng thái các kết nối trong mạng Trong một mạng WDM định tuyến theo bước sóng, các thông tin này có thể bao gồm thông tin về trạng thái của bước sóng tại một liên kết cho trước trong mạng Giao thức thông thường để duy trì các thông tin trạng thái được sử dụng trong mạng Internet là giao thức OSPF (Open Shortest Path First) Vấn đề định tuyến và ấn định bước sóng có thể được

thực hiện theo hai loại tĩnh và động Đối với thiết lập đường dẫn sáng tĩnh (SLE:

Static Light Establíhment), toàn bộ các kết nối đều được biết trước, và vấn đề ở

đây là thiết lập đường truyền cho các kết nối này sao cho giảm thiểu được tài nguyên mạng cũng như số lượng bước sóng hay số sợi quang sử dụng trong

mạng Đối với vấn đề thiết lập đường dẫn ánh sáng động (DLE: Dynamic

Lightpath Establishment), một đường dẫn ánh sáng được thiết lập cho mỗi yêu

cầu kết nối và đường dẫn này được giải phóng sau một khoảng thời gian hữu hạn nhất định Đối với trường hợp lưu lượng động việc thiết lập đường truyền và

ấn định bước sóng có thể được thực hiện tuỳ theo lưu lượng để giảm thiểu nghẽn kết nối nói khác đi là làm tăng khả năng thiết lập kết nối trong mạng tại cùng một thời điểm Các vấn đề về định tuyến động hay tĩnh đã và đang được nghiên cứu để đảm bảo phù hợp với từng mục đích, phạm vi sử dụng [6]

Các kết nối định tuyến bước sóng tĩnh có đặc điểm rõ ràng , ổn định nhưng không có khả năng đáp ứng được đặc tính biến động cao về lưu lượng Internet trong các mạng thực tế Rõ ràng, nếu lưu lượng mang tính biến động thì việc truyền tin với kỹ thuật định tuyến theo bước sóng tĩnh sẽ không sử dụng hiệu quả được dải thông của đường truyền dẫn Mặt khác, nếu chúng ta thực hiện định tuyến động cao thì các thông tin trạng thái mạng phải được thường xuyên cập nhật sẽ gây khó khăn để duy trì thông tin trạng thái mạng hiện thời Bởi vậy, khi lưu lượng trở lên động và phân cụm hơn, cần thiết có các cách tiếp cận khác nhau để đảm bảo truyền dữ liệu trên mạng

1.2.3 Mạng chuyển mạch gói quang

Khi công nghệ chuyển mạch quang đã có những phát triển, cuối cùng ta cũng phải công nhận thành tựu, hiệu quả rất lớn của các mạng chuyển mạch gói quang nơi mà các gói tin được chuyển mạch và định tuyến độc lập trên toàn mạng trên miền quang mà không cần thực hiện chuyển đổi giữa các miền quang-điện tại mỗi node mạng Các mạng chuyển mạch gói quang cho phép ghép xen lưu lượng có độ tĩnh lớn hơn trên các liên kết quang và phù hợp cho lưu lượng

có tính cụm hơn so với các mạng chuyển mạch kênh [6]

Hình vẽ 1.2 dưới đây cho ta thấy cấu trúc đơn giản của một hệ thống chuyển mạch gói quang Mỗi node mạng có thành phần chủ yếu là một trường chuyển mạch quang có khả năng cấu hình lại dựa trên các thông tin tiêu đề của gói tin Các gói tiêu đề được xử lí hoàn toàn trên miền quang, và chúng có thể

được truyền cùng băng, trên một băng con của kênh truyền tin hoặc trên một kênh điều khiển riêng biệt với kênh truyền gói tin Tại các node mạng cần có thời gian để xử lý thông tin tiêu đề và thời gian để cấu hình lại trường chuyển mạch nên các gói tin phải được trễ một khoảng thời gian nhất định nhờ sử dụng các bộ trễ quang

Hình 1.2 Cấu trúc đơn giản của chuyển mạch gói quang

Vấn đề là cần thực thi các hệ chuyển mạch đáp ứng được yêu cầu về tính thực tế và đáp ứng được thời gian trễ gói Ngày nay thời gian chuyển mạch của

hệ chuyển mạch dựa trên cơ cấu MEMS được yêu cầu từ 1 đến 10 ms, trong khi

hệ chuyển mạch dựa trên các bộ khuếch đại quang bán dẫn có thể thực hiện chuyển mạch khoảng thời gian nhỏ hơn 1 ns Tuy nhiên nhược điểm của nó là vấn đề giá thành và để chuyển mạch thì tín hiệu phải đi qua các bộ ghép nối quang dẫn tới mất mát công suất Tốc độ chuyển mạch trong tương lai yêu cầu phải nhanh hơn nữa, tuy nhiên công nghệ ngày nay vẫn chưa đủ mạnh để đáp ứng cho kỹ thuật chuyển mạch gói quang [9]

Một giải pháp cho kỹ thuật chuyển mạch gói quang là đồng bộ Trong các mạng chuyển mạch gói quang có độ dài gói tin cố định, cần đồng bộ gói tại các cổng vào của trường chuyển mạch để giảm thiểu xung đột Mặc dù kỹ thuật đồng bộ là rất khó thực hiện, nhưng đã có một số kỹ thuật đã được nghiên cứu

và thực hiện thành công trong phòng thí nghiệm [6]

Trong mạng chuyển mạch gói quang tài nguyên mạng không được dự trữ, nên các gói tin có thể bị xung đột, rớt khi lan truyền trong mạng Xung đột xảy

ra khi nhiều hơn hai gói tin đồng thời đi ra cùng một cổng Xung đột trong hệ thống chuyển mạch gói điện được giải quyết bằng các bộ đệm điện Song trong miền quang, việc thực thi các bộ đệm khó khăn hơn rất nhiều nên sẽ không có

bộ nhớ RAM quang Thay thế cho các bộ đệm quang, người ta sử dụng các đường dây trễ Nhiều đường dây có độ trễ khác nhau được nối tầng hoặc nối song song, cho ta một bộ đệm có khă năng giữ được các gói tin trong một khoảng thời gian thay đổi được [7] Việc thực hiện các bộ đệm làm giảm đáng

kể xác suất mất gói tin nhưng không đảm bảo đúng được thứ tự của các gói Cần lưu ý rằng trong mỗi kỹ thuật đệm quang, kích thước bộ đệm đều có một số hạn chế, không chỉ về chất lượng tín hiệu mà còn có giới hạn về mặt kích thước vật

lý Ví dụ như để trễ gói một khoảng 5 μs yêu cầu độ dài của sợi dây trễ quang lớn hơn một km Cũng do giới hạn về kích thước của bộ đệm quang, nên khó khăn cho các node mạng khó có thể đáp ứng được điều kiện tải lớn hoặc lưu lượng có đặc tính phân cụm, chùm

Một cách tiếp cận khác để giải quyết vấn đề xung đột là định tuyến các gói xung đột đến cổng lối ra khác Kỹ thuật này được đề cập đến như là việc định tuyến ánh xạ Việc ánh xạ này tuy không phù hợp trong các mạng chuyển mạch gói điện nhưng nó khá hiệu quả trong miền quang, miền có dung lượng bộ đệm rất hạn chế để duy trì mức độ mất gói Tuy nhiên, trước khi thực hiện ánh xạ trong mạng chuyển mạch gói quang, hệ thống cần tính toán để xác định các giới hạn về ưu nhược điểm của các phương pháp ánh xạ và sử dụng cho hợp lý

1.2.4 Mạng chuyển mạch chùm quang

Hệ thống chuyển mạch chùm quang được thiết kế trên cơ sở tổng hợp, cân bằng về mặt công nghệ của hệ thống chuyển mạch kênh quang và hệ thống chuyển mạch gói quang Có thể nói chuyển mạch chùm quang là một hệ thống trung gian để tiến từ mạng chuyển mạch kênh quang sang mạng chuyển mạch gói quang khi điều kiện công nghệ chưa cho phép thực thi mạng chuyển mạch gói quang Trong một mạng chuyển mạch chùm quang, một chùm dữ liệu bao gồm các gói IP được được chuyển mạch trong mạng hoàn toàn trên miền quang Một gói điều khiển được truyền trước khi truyền chùm dữ liệu để thực hiện cấu hình các liên kết trong trường chuyển mạch Độ lệch về thời gian này cho phép

xử lý các gói tin điều khiển và thiết lập trường chuyển mạch trước khi chùm dữ liệu đến Vì vậy mạng không cần sử dụng các bộ đệm điện hay đệm quang trong thời gian xử lý gói điều khiển Gói điều khiển cũng mang thông tin về thời gian kéo dài của chùm dữ liệu để node mạng có thể biết khi nào trường chuyển mạch phải thiết lập lại phục vụ chùm dữ liệu kế tiếp

Trong hệ chuyển mạch chùm quang, việc tích luỹ tài nguyên được thực hiện tại các thời điểm theo một chu kỳ xác định, do đó tài nguyên có thể được ấn định hiệu quả hơn và việc ghép kênh đạt được với độ tĩnh cao hơn Chính vì vậy

hệ thống không bị hạn chế do một số vấn đề ấn định băng thông tĩnh trong hệ thống chuyển mạch kênh quang Hơn nữa, dữ liệu được truyền dưới dạng chùm, cụm lớn, nên hệ thống chuyển mạch chùm quang giảm được đáng kể tốc độ chuyển mạch, điều này rất cần thiết đối với hệ thống chuyển mạch gói quang Bảng dưới đây cho ta cái nhìn tổng quan về các đặc điểm của cả ba công nghệ chuyển mạch quang

Hiệu suất

sử dụng băng thông

Thời gian trễ thiết lập

Tốc độ chuyển mạch yêu cầu

Xử lý đồng bộ/mào đầu

Tương thích

về lưu lượng

Từ bảng này ta có thể thấy rằng kỹ thuật chuyển mạch chùm quang là kỹ thuật chuyển mạch quang khắc phục được một số yếu điểm của chuyển mạch kênh quang và trung hoà được các yêu cầu về công nghệ trong chuyển mạch gói quang

Mặc dù có được một số ưu điểm của kỹ thuật chuyển mạch kênh quang và đáp ứng tốt hơn về mặt công nghệ trong kỹ thuật chuyển mạch gói quang nhưng

hệ chuyển mạch chùm quang còn tồn tại các hạn chế của hệ thống chuyển mạch Trong thực tế các vấn đề này bao gồm: lược đồ tạo chùm dữ liệu, lược đồ báo hiệu, vấn đề tắc nghẽn, lược đồ truyền và chất lượng dịch vụ [9]

Lược đồ hình thành chùm dữ liệu là lược đồ biểu diễn quá trình tạo chùm

dữ liệu từ các gói tin Vấn đề ở đây là thời điểm để tạo chùm dữ liệu, kích thước của chùm dữ liệu và các loại gói tin trong chùm dữ liệu Lược đồ tạo chùm dữ liệu sẽ ảnh hưởng tới độ dài của chùm dữ liệu cũng như ảnh hưởng tới thời gian chờ trước khi gói tin được truyền đi Lược đồ tạo chùm dữ liệu thường dựa trên hai kỹ thuật cơ bản là định thời (timer) và dựa trên ngưỡng (threshold) mà ta sẽ

đề cập trong các phần sau

Lược đồ báo hiệu phục vụ công việc tích luỹ tài nguyên và cấu hình trường chuyển mạch khi chùm dữ liệu đến các node mạng Lược đồ báo hiệu phục vụ tích luỹ tài nguyên trong mạng chuyển mạch chùm quang thông thường sử dụng các kỹ thuật TAG (Tell-And-Ago), TAW (Tell-And-Wait) và JET (Just-Enough-Time) Trong lược đồ TAG, trạm nguồn gửi một bản tin điều khiển báo cho các trạm trên đường truyền về chùm dữ liệu tới Ngay sau đó trạm nguồn sẽ phát đi chùm dữ liệu như đã thông báo mà không chờ bản tin xác nhận từ phía các trạm nhận dữ liệu Để đảm bảo thời gian xử lý gói tin điều khiển và cấu hình trường chuyển mạch chùm dữ liệu phải được đệm trong bộ đệm quang tại mỗi trạm nhận Đối với kỹ thuật TAW, trạm nguồn gửi một bản tin điều khiển để yêu cầu tích luỹ tài nguyên cho chùm dữ liệu dọc theo các trạm nó sẽ truyền qua Sau đó trạm nguồn sẽ chờ một tín hiệu xác nhận tài nguyên có sẵn sàng đáp ứng chưa Nếu bản tin xác nhận sẵn sàng, trạm nguồn sẽ phát đi chùm dữ liệu như đã thông báo Trường hợp ngược lại trạm nguồn sẽ tiếp tục thực hiện yêu cầu tích luỹ tài nguyên [8] Ở lược đồ JET, trạm nguồn phát gói điều khiển trước và sau một thời gian sẽ trễ nào đó nó phát đi gói tin tương ứng với gói điều khiển đã phát Thời gian trễ này được thiết lập lớn hơn tổng thời gian xử lý gói điều khiển trên toàn tuyến mà gói đi qua Chính vì vậy, khi chùm dữ liệu đến mỗi trạm trung chuyển thì gói tin điều khiển đã được xử lý và đã dành riêng cho dữ liệu một kênh lối ra Đối với lược đồ JET mạng sẽ không cần sử dụng tới các bộ đệm tại các trong mạng Đây là một ưu điểm rất quan trọng vì các bộ đệm trong miền quang rất khó thực hiện Một đặc điểm nữa trong kỹ thuật JET đó là việc dự trữ tài nguyên tại trường chuyển mạch được thực hiện khi chùm dữ liệu đến thay vì

dự trữ tài nguyên khi xử lý gói tin điều khiển

Trong các lược đồ TAG và JET, trạm nguồn không chờ tín hiệu xác nhận ACK (acknowledgement) trước khi phát đi chùm dữ liệu Bởi vậy, có thể xảy ra

trường hợp tài nguyên không sẵn sàng tại trạm nào đó trên đường truyền Trong trường hợp này, chùm dữ liệu bị tranh chấp đường truyền, tắc nghẽn xảy ra khi nhiều hơn một chùm dữ liệu tranh chấp cùng một tài nguyên mạng tại một thời điểm Tranh chấp có thể được giải quyết bằng một số phương pháp Một trong những phương pháp đó là lưu trữ một trong số các chùm dữ liệu đến khi tài nguyên trở lên sẵn sàng Một cách khác để giải quyết vấn đề này đó là thực hiện ánh xạ các chùm sang một cổng lối ra khác Hoặc có thể thực hiện chuyển đổi chùm dữ liệu sang bước sóng khác ở cùng sợi lối ra Khi các kỹ thuật giải quyết tắc nghẽn thực hiện không thành công chùm dữ liệu buộc phải bị loại bỏ Một giải pháp để giảm thiểu mất mát dữ liệu khi có tranh chấp đó là thực hiện chia đoạn các chùm dữ liệu Khi thực hiện phân đoạn, những phần dữ liệu chồng lấn giữa các chùm sẽ bị loại bỏ nên sẽ giảm được tổng dữ liệu mất Khi sử dụng giải pháp chuyển đổi bước sóng, một vấn đề đặt ra là cần phải xác định bước sóng phù hợp có thể trên một lối ra [9] Vấn đề này được đề cập tới như là lược đồ kênh Lược đồ kênh chỉ ra phương thức thực thi đảm bảo số kênh tối đa có thể được truyền

Một vấn đề cần quan tâm trong tất cả các mạng là cung cấp chất lượng dịch cho các ứng dụng có các yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau Các lược

đồ tạo chùm dữ liệu, các giao thức báo hiệu, giải pháp cho xung đột và sơ đồ kênh có thể cần phải thay đổi để cung cấp cho các dịch vụ tương ứng với các phân lớp lưu lượng khác nhau

1.3 Kết luận

Để xây dựng một mạng quang khả thi, có lợi về kinh tế thì các yêu cầu về chất lượng đường truyền, các bộ xen rẽ, các bộ nối chéo, các nút chuyển mạch quang và cấu trúc mạng cần phải được xem xét một cách thấu đáo Các thành phần kiến trúc cơ bản cho mạng quang tạo nên các topo ring, mesh và các tổ hợp ring/mesh, đa vòng… Xu hướng phát triển của mạng quang cũng tương ứng với

xu hướng phát triển công nghệ của các khối chức năng cơ bản cần phải được quan tâm

Khi xây dựng mạng quang phải tính đến việc quản lý băng tần một cách hiệu quả nhờ vào các khối chuyển mạch và các công nghệ quản lý luồng quang phải xem xét lộ trình cũng như tiên lượng về các công nghệ chuyển mạch

Do các nhược điểm của hệ thống chuyển mạch kênh quang như độ mềm dẻo trong chuyển mạch, hiệu suất sử dụng đường truyền thấp, khả năng tương thích đáp ứng đa dịch vụ… nên việc thực thi hệ thống này sẽ dẫn tới một số bất cập khi mạng tích hợp đa dịch vụ, tốc độ truyền yêu cầu lớn Mặt khác, mặc dù

có nhiều ưu việt vượt trội nhưng trong hệ chuyển mạch kênh quang, với điều kiện công nghệ hiện nay, các yêu cầu về mặt công nghệ như: tốc độ chuyển mạch, các bộ đệm lưu trữ trong miền quang, xử lý tín hiệu trên miền toàn quang… tạm thời chưa thể đáp ứng được Để thực thi hiệu quả hệ thống chuyển mạch quang trong điều kiện công nghệ hiện nay, kỹ thuật chuyển mạch chùm quang là phù hợp nhất Hệ thống chuyển mạch chùm quang là hệ thống được xây dựng trên cơ sở trung hoà các nhược điểm của hệ thống chuyển mạch kênh quang và các yêu cầu công nghệ của hệ thống chuyển mạch gói quang nên nó có thể đáp ứng được các yêu cầu như độ mềm dẻo, tốc độ truyền dẫn, có khả năng tương thích các loại hình dịch vụ và khả năng thực thi với điều kiện công nghệ hiện nay

Chương 2 Hệ thống chuyển mạch chùm quang

2.1 Giới thiệu

2.1.1 Cấu trúc mạng

Một mạng chuyển mạch chùm quang bao gồm các node mạng chuyển mạch chùm quang được liên kết với nhau thông qua các sợi quang Các sợi liên kết có khả năng truyền nhiều bước sóng sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM Các node mạng có thể là node mạng lõi hoặc node biên như hình 2.1 dưới đây Các node biên thực hiện chức năng ghép các gói tin nhận được từ các mạng người sử dụng thành các chùm dữ liệu và xây dựng lược đồ cho quá trình truyền dẫn chúng trên các kênh bước sóng của các cổng lối ra Các node mạng lõi thực hiện chức năng chuyển mạch các chùm dữ liệu này từ một cổng lối vào tới cổng lối ra nào đó dựa trên thông tin chứa trong gói tiêu đề của burst và điều khiển tắc nghẽn

Hình 2.1 Cấu trúc mạng chuyển mạch chùm quang

Node mạng biên lối vào thực hiện gắn các gói tin từ các thiết bị đầu cuối nguồn thành chùm dữ liệu Chùm dữ liệu này được truyền đi hoàn toàn trong miền quang trên các bộ định tuyến OBS mà không được lưu trữ, chuyển đổi quang điện tại bất kỳ trạm trung gian nào trong mạng Node mạng biên lối ra thu nhận chùm dữ liệu tới, khôi phục lại các gói tin như tại lối vào ban đầu và chuyển chúng tới thiết bị đầu cuối đích Hình 2.2 chỉ ra các quá trình được thực hiện trong một mạng chuyển mạch chùm quang Node mạng ở biên lối vào thực hiện tập hợp hay thu thập gói tin và tạo chùm dữ liệu, định tuyến, ấn định bước

Liên kết WDM

WDM Node biên Node mạng lõi

Lưu lượng vào Lưu lượng lối ra

sóng và xây dựng lược đồ cho các chùm dữ liệu trên Node mạng lõi thực hiện báo hiệu, xây dựng lược đồ cho các chùm dữ liệu trên các liên kết lõi và giải quyết vấn đề xung đột Ngược lại với quá trình ở node biên lối vào, node mạng biên lối ra thực hiện phân chia chùm dữ liệu thành các gói tin và gửi chúng tới lớp mạng cao hơn

Hình 2.2 Sơ đồ khối chức năng mạng chuyển mạch chùm quang

Cấu trúc mạng có thể mỗi node mạng thực hiện chuyển tải cả lưu lượng mới từ thiết bị đầu cuối lẫn lưu lượng quang trung chuyển qua nó Bởi vậy, mỗi node mạng sẽ bao gồm một bộ định tuyến lõi và một bộ định tuyến biên Cấu trúc các bộ này được chỉ ra trên hình 2.3 và hình 2.4

Hình 2.3 Cấu trúc bộ định tuyến tại node mạng lõi

Định tuyến

và ấn định bước sóng

Tạo chùm

dữ liệu

Phần lập lịch

Node mạng biên lối vào

Phần lập lịch Báo hiệu

Giải quyết tắc nghẽn

Node mạng lõi

Chuyển tiếp gói dữ liệu

Tách chùm

dữ liệu

Node mạng biên lối ra

Lưu lượng

lối vào

Lưu lượng lối ra

Hình 2.4 Cấu trúc bộ định tuyến tại node mạng biên Các bộ định tuyến tại node lõi được xây dựng bởi hai phần một là phần kết nối chéo quang (OXC) và phần điều khiển chuyển mạch (SCU) Phần điều khiển chuyển mạch tạo và duy trì một bảng định tuyến và phục vụ lập cấu hình phần kết nối chéo quang Khi bộ điều khiển chuyển mạch nhận gói tin tiêu đề của chùm dữ liệu, nó nhận biết được đích mà chùm dữ liệu cần phải tới, nó thông qua phần xử lý báo hiệu, bộ định tuyến để tìm một cổng lối ra cần thiết Nếu cổng ra sẵn sàng khi chùm dữ liệu tới thì phần điều khiển chuyển mạch SCU thực hiện cấu hình phần kết nối chéo cho phép chùm dữ liệu đi qua Ngược lại, nếu cổng lối ra không sẵn sàng thì phần kết nối chéo được cấu hình tuỳ thuộc vào giải pháp chống xung đột thực thi trong mạng Tóm lại phần SCU có các chức năng đọc các thông tin tiêu đề, xây dựng lược đồ, phát hiện và giải quyết xung đột, chuyển tiếp bản tin tiêu đề, điều khiển ma trận chuyển mạch, tái tạo tiêu đề và điều khiển chuyển đổi bước sóng Trong trường hợp chùm dữ liệu đi đến phần kết nối chéo ở trường chuyển mạch trước khi gói điều khiển tới, chùm

dữ liệu có thể sẽ bị rớt dẫn tới mất dữ liệu [8]

Bộ định tuyến biên thực hiên chức năng sắp xếp các gói tin, đệm các gói, liên kết các gói thành chùm dữ liệu và phân chia chùm dữ liệu thành các gói tin theo yêu cầu trong phần tiêu đề của chúng Có nhiều phương pháp hình thành chùm dữ liệu như phương pháp dựa trên ngưỡng hay cơ cấu định thời được sử dụng để tổng hợp các gói dữ liệu thành các chùm dữ liệu quang và truyền chúng qua mạng Cấu trúc của một bộ định tuyến biên được cấu thành bởi phần định tuyến, phần tạo chùm dữ liệu và phần lập lịch trình cho chùm dữ liệu Phần định tuyến sẽ lựa chọn cổng lối ra phù hợp với mỗi gói tin và đưa chúng tới bộ tạo chùm dữ liệu Phần tạo chùm dữ liệu thực hiện tạo chùm dữ liệu, bao gồm các gói dữ liệu có phần tiêu đề chứa thông tin về bộ định tuyến biên đó Trong phần tạo chùm dữ liệu dữ liệu sẽ có một hàng đợi các gói cho mỗi lớp lưu lượng Phần lập lịch tạo ra chùm dữ liệu dựa trên kỹ thuật tạo chùm dữ liệu và chuyển chúng tới cổng lối ra yêu cầu Tại một bộ định tuyến biên lối ra, chùm dữ liệu sẽ được phân tách thành các gói và chuyển chúng tới lớp mạng cao hơn

Một cấu trúc dựa trên kỹ thuật mạng OBS đã được phát triển và được đề cập như hệ thống chuyển mạch chùm quang được định tuyến theo bước sóng (WR-OBS) Một mạng WR-OBS là mạng kết hợp các chức năng của mạng OBS

và chuyển mạch kênh nhanh nhờ kỹ thuật ấn định và giải phóng động các bước sóng trên mạng lõi quang không sử dụng đệm Ưu điểm của cấu trúc này so với mạng OBS thông thường là phản ánh được chất lượng dịch vụ So với các mạng quang định tuyến bước sóng (WRON) tĩnh nó có ưu điểm là tương thích nhanh với sự thay đổi của lưu lượng trong các mạng quang và sử dụng các kênh bước sóng hiệu quả hơn [9]

Trong mạng WR-OBS phần phục vụ yêu cầu tập trung có thể đáp ứng việc tích luỹ tài nguyên thực hiện các yêu cầu kết nối khác nhau trong mạng Mỗi node mạng biên lối vào gửi đi các yêu cầu kết nối để yêu cầu được phục vụ, các yêu cầu này được xếp trong hàng đợi tuỳ thuộc vào node mạng biên đích hay phân lớp chất lượng dịch vụ Việc phục vụ tập trung ở đây là thực hiện ấn định tài nguyên dựa trên thông tin trạng thái của các bước sóng trên mỗi liên kết trong toàn mạng Phần phục vụ yêu cầu tập trung cũng có thể đáp ứng việc xử lý các yêu cầu kết nối riêng biệt, tính toán định tuyến theo yêu cầu từ nguồn tới đích và cũng tích luỹ số các bước sóng yêu cầu trên mỗi liên kết Node mạng

biên lối vào bắt đầu quá trình truyền dữ liệu chỉ sau khi nó nhận được bản tin xác nhận từ phần phục vụ yêu cầu

2.1.2 Các yêu cầu về công nghệ

Để cung cấp được các chức năng cơ bản của chuyển mạch chùm quang như

đã được mô tả trong phần trước thì cần yêu cầu một số công nghệ chế tạo thiết

bị quang Trong các node mạng biên và node mạng lõi, phần OXC phải được thực thi sử dụng một kết cấu chuyển mạch quang nhanh Các bộ thu ở các node mạng biên cũng cần phải có tốc độ nhanh để có thể thu nhận tín hiệu lối vào nhanh Mỗi trạm yêu cầu có một số phương thức chuyển đổi bước sóng để giảm thiểu xung đột tại các liên kết lối ra [8]

Mạng OBS không đòi hỏi về thời gian chuyển mạch nhanh như yêu cầu trong hệ chuyển mạch gói Mặt khác, với công nghệ ngày nay yêu cầu thời gian chuyển mạch đối với mạng OBS là có thể đáp ứng được Đã có một số công nghệ được ứng dụng thực thi các mạng chuyển mạch toàn quang Một trong những công nghệ hoàn thiện nhất là công nghệ chuyển mạch sử dụng hệ thống

vi cơ điện tử (MEMS) Trong các hệ chuyển mạch MEMS, sử dụng các gương siêu nhỏ có thể điều khiển để hướng ánh sáng từ một cổng lối vào tới một cổng lối ra cho trước Hình 2.5 mô tả một thiết kế tiêu biểu minh hoạ Ở đây ánh sáng

từ một sợi lối vào cho trước được định hướng tới một gương trong hệ gương lối vào Gương này được điều chỉnh để chuyển hướng chùm sáng tới hệ các gương lối ra, tại đây nó sẽ bị phản xạ tới sợi lối ra tương ứng Công nghệ MEMS dựa trên cơ cấu điều khiển các gương để định hướng ánh sáng nên thời gian chuyển mạch tương đối chậm, nó cỡ khoảng 50 ms [8]

Các sợi lối vào Các sợi lối ra

Hình 2.5 Hệ chuyển mạch vi cơ điện tử

Một công nghệ chuyển mạch đáp ứng thời gian chuyển mạch nhanh hơn đó

là chuyển mạch cổng sử dụng các bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) Sơ đồ khối của hệ chuyển mạch SOA được chỉ ra trong hình 2.6 Ánh sáng tới một lối vào cho trước sẽ được quảng bá tới các bộ khuếch đại quang bán dẫn sử dụng các bộ ghép nối quang Các SOA được kích hoạt tạo ra các trạng thái giống như

mở (on) và đóng (off)

Hình 2.6 Hệ chuyển mạch sử dụng bộ khuếch đại quang bán dẫn

Nếu như một SOA chuyển qua trạng thái mở, tín hiệu lối vào sẽ được đi qua và tới lối ra Ngược lại, tín hiệu sẽ bị khoá Ưu điểm của chuyển mạch sử dụng SOA là thời gian chuyển mạch nhanh cỡ 1 ns và cho phép phát quảng bá tín hiệu tới nhiều lối ra Nhược điểm SOA là sử dụng các bộ ghép nối quang dẫn tới suy giảm tín hiệu nên bị giới hạn về khoảng cách truyền dẫn Mặt khác các thiết bị SOA thường đắt và có độ nhạy cực tính cao

Một công nghệ yêu cầu khác khi xây dựng mạng OBS là thực thi các bộ thu các chùm dữ liệu Các bộ thu truyền thống trong các hệ thống truyền dẫn quang hiện tại như là SONET/SDH không phù hợp cho các hệ thống chuyển mạch chùm quang Các bộ thu này thường có pha và công suất thu là một hằng số và tín hiệu là luôn tồn tại Trong các mạng OBS, các chùm dữ liệu đến một bộ thu cho trước có thể có pha và công suất khác nhau vì các chùm dữ liệu có thể đi tới

từ các nguồn khác nhau và đi trên những đường dẫn khác nhau Hơn nữa do đặc tính tự nhiên của chùm dữ liệu nên tín hiệu chỉ hiện hữu trong thời gian kéo dài của chùm dữ liệu Các bộ thu chế độ thu chùm dữ liệu là những bộ thu được thiết kế tương thích với tín hiệu có công suất và pha biến đổi theo các chùm dữ liệu tới Một yêu cầu đối với các bộ thu chế độ chùm dữ liệu là phải khôi phục được tín hiệu đồng hồ đủ nhanh Các bộ thu chế độ burst có khả năng khôi phục lại tín hiệu đồng hồ của tín hiệu tới 2.5 Gbps trong vòng 24 ns đã được thực thi trong các thí nghiệm [9]

Một công nghệ cần thiết khác để thực thi mạng chuyển mạch chùm quang

đó là chuyển đổi bước sóng Trong mạng chuyển mạch chùm quang sử dụng WDM hoặc DWDM việc chuyển đổi bước sóng tại mỗi node mạng là rất cần thiết để giảm thiểu tắc nghẽn Kỹ thuật đơn giản nhất để chuyển đổi bước sóng

là thực hiện chuyển đổi từ miền quang sang miền điện và sử dụng tín hiệu điện

để điều chế sang tín hiệu quang tại bước sóng lối ra yêu cầu Phương pháp này

có đặc điểm đơn giản và có thể chuyển đổi tín hiệu ở tốc độ dữ liệu lên tới 10 Gbps, tuy nhiên việc thực hiện này yêu cầu tín hiệu quang phải có một dạng điều chế riêng cũng như tốc độ bít xác định Một cách khác thực hiện chuyển đổi bước sóng là thực hiện điều chế khuếch đại chéo Trong điều chế khuếch đại chéo, tín hiệu dữ liệu được phát đi qua một bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) cùng với một tín hiệu bơm liên tục (CW) trên một bước sóng khác Khi tín hiệu

dữ liệu ở mức cao, các hạt mang điện trong miền khuếch đại của SOA giảm và SOA rơi vào trạng thái bão hoà Kết quả là tín hiệu bơm CW không được khuếch đại Khi tín hiệu ở mức thấp, tín hiệu bơm CW sẽ được khuếch đại hoàn toàn Bởi vậy một bản copy ngược tại bước sóng bơm CW của tín hiệu dữ liệu

sẽ thu được ở lối ra của bộ SOA Kỹ thuật này có khả năng chuyển đổi tín hiệu

dữ liệu tốc độ lên tới 10 Gbps Sự hạn chế của điều chế khuếch đại chéo là kỹ thuật này yêu cầu mức công suất tín hiệu dữ liệu lối vào cao và cho tỉ số công suất của bít „0‟ và bit „1‟ của tín hiệu lối ra thấp Sự chênh lệch này dẫn tới khi SOA ở trạng thái bão hoà, tín hiệu bơm CW vẫn nhận được khuếch đại ở một mức nào đó

Phương pháp khác thực hiện việc chuyển đổi bước sóng là sử dụng hiệu ứng phi tuyến trộn bốn bước sóng Hiệu ứng này xảy ra khi có sự tương tác giữa

hai tần số f1 và f2 tạo ra thêm hai tần số mới 2f1 - f2 và 2f2 – f1 Nếu tín hiệu dữ

liệu hoạt động tại tần số f1 và tín hiệu bơm CW hoạt động ở tần số f2 thì tín hiệu

dữ liệu lối ra sẽ thu được tại các tần số 2f1 - f2 và 2f2 – f1 Các tín hiệu mới tạo ra

có công suất thấp hơn tín hiệu lối vào nên hiệu suất của kỹ thuật này không cao Hơn nữa, hiệu suất giảm khi sự chênh lệch giữa bước sóng tín hiệu bơm và tín hiệu lối ra tăng

2.1.3 Một số hiệu ứng tương tác lớp vật lý

Khi thiết kế một mạng quang nói chung, mạng chuyển mạch chùm quang nói riêng rất nhiều vấn đề thực thi về mặt vật lý cần được quan tâm tính toán

Dưới đây ta sẽ xét một số vấn đề tiêu biểu như suy hao, tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến

 Khi ánh sáng truyền trong sợi, công suất của tín hiệu sẽ giảm do có suy hao khi lan truyền Suy hao là một hàm của bước sóng tín hiệu và nguyên nhân của nó là do hiện tượng hấp thụ của sợi và do tán xạ Rayleigh Hấp thụ là

do sự va chạm giữa ánh sáng và các hạt silicat hoặc do tạp chất trong sợi hấp thụ Hầu hết các loại sợi có hấp thụ tổng trong dải bước sóng thông dụng (0.8 μm đến 1.6 μm) là không đáng kể Tán xạ Rayleigh xảy ra khi có

sự thay đổi nhỏ về chiết suất trong sợi

Trong mạng chuyển mạch chùm quang, suy hao sẽ giới hạn khoảng cách truyền các chùm dữ liệu Trong phần lớn các trường hợp, các bộ khuếch đại quang sẽ được sử dụng để khắc phục vấn đề suy hao Song các bộ khuếch đại quang sẽ làm tăng thêm nhiễu tín hiệu

 Nếu tín hiệu quang bao gồm nhiều thành phần bước sóng thì các thành phần bước sóng khác nhau này sẽ được truyền với tốc độ khác nhau, dẫn tới sự trải dài các xung tín hiệu trong miền thời gian Hiện tượng này gọi là hiện tượng tán sắc Các loại tán sắc bao gồm tán sắc mode và tán sắc màu

Tán sắc mode xảy ra khi có nhiều mode của cùng một tín hiệu lan truyền với vận tốc khác nhau trong sợi Tán sắc mode có thể được loại trừ bằng cách sử dụng sợi đơn mode Sợi đơn mode có đường kính lõi rất nhỏ và chỉ cho phép truyền duy nhất mode cơ bản [9]

Tán sắc màu có nguyên nhân do tốc độ truyền khác nhau của các thành phần bước sóng khác nhau Do đó, nếu tín hiệu truyền có nhiều hơn một thành phần bước sóng thì sẽ có thành phần lan truyền với tốc độ nhanh hơn các thành phần khác, kết quả là sẽ trải rộng xung tín hiệu trong miền thời gian Các loại tán sắc màu gồm có tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc vật liệu do hệ số chiết suất là hàm của bước sóng Tán sắc ống dẫn sóng xảy ra do chiết suất đối với một bước sóng phụ thuộc vào hệ số công suất truyền trong lõi và hệ số công suất truyền ở lớp vỏ sợi Khi tín hiệu bao gồm các xung biểu diễn cho các bit, tán sắc gây ra trải dài xung khi nó truyền qua sợi Độ kéo dài này có thể đủ rộng để ảnh hưởng tới xung bên cạnh nó và dẫn tới nhiễu xuyên ký tự (ISI) Như vậy tán sắc sẽ rút ngắn khoảng trống giữa các bít và giới hạn tốc độ truyền dẫn tối đa trên kênh

quang Ở bước sóng 1300 nm, tán sắc vật liệu đối với sợi quang đơn mode

là gần như bằng không Và đây cũng là một cửa sổ suy hao thấp Ngoài ra còn có một kỹ thuật có thể dịch tán sắc, tạo ra các sợi có độ tán sắc bằng không tại một bước sóng nào đó trong khoảng 1300 nm và 1700 nm Trong sợi dịch tán sắc, lõi và vỏ sợi được thiết kế sao cho tán sắc ống dẫn và tán sắc vật liệu triệt tiêu lẫn nhau nên tán sắc tổng sẽ bằng không Song giá trị này chỉ có tác dụng đối với một bước sóng nhất định Ngoài vấn đề nhiễu xuyên ký tự, tán sắc còn có thể gây ra các vấn đề đồng bộ trong các mạng OBS Trong các mạng OBS, gói tin tiêu đề và chùm dữ liệu được truyền trên các bước sóng khác nhau Mỗi bước sóng có một mức tán sắc khác nhau, dẫn tới gói tiêu đề và chùm dữ liệu có thể có độ dịch lại gần hoặc xa hơn trong miền thời gian Nếu biết trước khoảng cách vật lý và hệ số tán sắc của sợi ta có thể bù lại tán sắc bằng việc điều chỉnh phù hợp độ lệch tại trạm nguồn [6]

 Các hiệu ứng phi tuyến trong sợi gây ảnh hưởng tới một số tham số hoạt động như tốc độ truyền dẫn, số kênh truyền, khoảng cách giữa các kênh và mức công suất tín hiệu Một số hiệu ứng phi tuyến bao gồm hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM), tự điều chế pha, điều chế chéo pha, tán xạ kích thích Raman (SRS) và tán xạ kích thích Brillouin (SBS)

- Hiệu ứng trộn bốn bước sóng xuất hiện khi truyền đồng thời hai bước

sóng hoạt động tại hai tần số f 1 và f 2 tạo ra các tín hiệu tại tần số 2f 1 – f 2 và

2f 2 – f 1 Các tín hiệu này sẽ gây nhiễu đối với các tín hiệu khác trong cùng dải Hiệu ứng xảy ra tương tự đối với trường hợp ba hoặc nhiều hơn ba bước sóng Hiệu ứng FWM trong hệ thống WDM có thể hạn chế bằng cách

sử dụng các kênh với các khoảng trống giữa các kênh không bằng nhau

- Hiện tượng tự điều chế pha xảy ra khi có sự thay đổi cường độ tín hiệu kết quả làm biến đổi pha tín hiệu Sự biến đổi tức thời về pha có thể sẽ sinh

ra các thành phần tần số khác nhau trong tín hiệu Các thành phần tần số mới này cùng với hiệu ứng tán sắc sẽ dẫn tới làm trải rộng hoặc nén các xung quang trên miền thời gian

- Hiệu ứng điều chế chéo pha là hiện tượng pha tín hiệu bị dịch do có sự thay đổi cường độ tín hiệu ở một bước sóng khác Tương tự như tự điều chế pha, hiệu ứng điều chế chéo pha cũng tạo ra các thành phần tần số khác làm

tăng tán sắc Tuy nhiên hiệu ứng này có thể có các ứng dụng hữu ích Sử dụng hiệu ứng điều chế pha, một tín hiệu tại một bước sóng cho trước có thể được sử dụng để điều chế một tín hiệu bơm ở một bước sóng khác Kỹ thuật này có thể được sử dụng trong các thiết bị chuyển đổi bước sóng

- Tán xạ kích thích Raman xuất hiện do sự tương tác giữa ánh sáng với các phần tử vật chất Ánh sáng sinh ra do tán xạ sẽ có bước sóng dài hơn so với ánh sáng lối vào Ánh sáng được tạo ra ở miền tần số thấp hơn được gọi

là sóng Stokes Dải các sóng Stokes được xác định bởi phổ khuếch đại Raman thường trên một khoảng 40 THz dưới tần số ánh sáng lối vào Tỉ số công suất truyền cho sóng Stokes tăng nhanh khi công suất tín hiệu lối vào tăng Khi công suất lối vào là rất lớn, tán xạ kích thích Raman sẽ truyền hầu hết công suất tín hiệu lối vào cho sóng Stokes Trong các hệ thống sử dụng nhiều bước sóng, các kênh có bước sóng ngắn hơn sẽ mất một phần năng lượng cho các kênh có bước sóng dài hơn nằm trong phổ khuếch đại Raman Để giảm mất mát này công suất trên các kênh cần phải được giới hạn ở một mức nhất định nào đó

- Tán xạ kích thích Brillouin cũng giống như tán xạ SRS, sự khác nhau giữa chúng là trong hiệu ứng SBS, nguyên nhân của dịch tần là do các tương tác âm Trong SBS, ánh sáng bị dịch tần truyền trong sợi theo chiều ngược lại so với tín hiệu lối vào Cường độ ánh sáng tán xạ lớn hơn nhiều

so với SRS, nhưng dải tần tán xạ lại nhỏ hơn nhiều cỡ 10 GHz, băng khuếch đại của SBS chỉ khoảng 100 MHz Để hạn chế hiệu quả hiệu ứng SBS, người ta phải hạn chế công suất lối vào của tín hiệu, công suất lối vào này phải thấp hơn một ngưỡng nhất định Trong các hệ thống nhiều bước sóng, SBS gây ra xuyên âm giữa các kênh bước sóng với nhau Xuyên âm xuất hiện khi hai kênh ở hai tần số khác nhau một khoảng bằng độ dịch Brillouin, quanh khoảng 11 GHz đối với bước sóng 1550 nm Tuy nhiên, dải ảnh hưởng của SBS là nhỏ nên hiện tượng xuyên âm có thể dễ dàng loại

bỏ [10]

2.2 Cấu trúc mạng chuyển mạch chùm quang

Mạng OBS bao gồm các node mạng biên và các node mạng lõi Lưu lượng

đi vào mạng OBS từ các mạng thông tin ngoài được tổng hợp, tích luỹ tại các node mạng biên thành các chùm dữ liệu và được truyền đi trên các đường liên

kết dung lượng lớn DWDM Các node biên có thể cung cấp các giao diện lối vào như GE, ATM, IP và thực hiện quá trình hợp, phân chia các chùm dữ liệu Quá trình tạo chùm dữ liệu là quá trình liên kết các gói dữ liệu đi vào mạng tạo thành chùm dữ liệu Ngược lại, tại node biên lối ra thực hiện quá trình phân chia các chùm dữ liệu

Hình 2.7 Mạng chuyển mạch chùm quang

Khi chùm dữ liệu sẵn sàng để truyền, node phát sẽ truyền đi gói tiêu đề tương ứng với một độ lệch thời gian nhất định Các chùm dữ liệu được truyền ấn định trên kênh gọi là nhóm kênh dữ liệu (DCG), tương ứng các gói tiêu đề điều khiển được truyền trên nhóm kênh điều khiển (CCG)

2.2.1 Các mạng OBS đồng bộ và không đồng bộ

Các mạng chuyển mạch chùm quang có thể được chia thành hai loại là mạng OBS đồng bộ và không đồng bộ Trong các mạng OBS đồng bộ (hình 2.8 a.), chùm dữ liệu và các gói tiêu đề chỉ được phép truyền trong các khe riêng của chúng Theo lược đồ này, các kênh điều khiển và kênh dữ liệu được chia và

ấn định trong các khe thời gian với độ dài không đổi Khi chùm dữ liệu đã sẵn sàng để truyền, gói tiêu đề phải được truyền trước trên các khe dành cho gói tiêu

đề của kênh điều khiển Sau một khoảng thời gian nhất định, chùm dữ liệu cũng được truyền đi trên khe dành cho dữ liệu tương ứng

Trong mạng OBS không đồng bộ (hình 2.8 b), không cần thiết phải định khe cho các quá trình truyền các gói điều khiển và các chùm dữ liệu Mặc dù các chùm dữ liệu và các gói tiêu đề của nó có thể được truyền tại thời điểm bất kỳ, nhưng điểm bắt đầu và kết thúc của gói tiêu đề phải được định nghĩa trước đó Thậm chí về mặt lý thuyết, các chùm dữ liệu trong các mạng OBS không đồng

bộ có thể có độ dài không đổi hoặc thay đổi [6]

Nhìn chung, do các chùm dữ liệu trong mạng OBS đồng bộ được truyền với kích thước rời rạc, hiệu suất băng thông giảm đối với lưu lượng tải thấp do lưu lượng các khe dữ liệu không được sử dụng hết Mặt khác, do sử dụng các khoảng thời gian có độ dài tuỳ ý để chỉ thị độ dài chùm dữ liệu cũng như độ lệch thời gian, nên trong mạng OBS không đồng bộ có thể sẽ rơi vào tình trạng không đáp ứng được các chùm dữ liệu dài Như vậy, thời gian đồng bộ một phần quyết định độ trễ đầu cuối trung bình của các gói tin

Có thể thấy rõ ràng rằng để thực thi các mạng OBS đồng bộ với độ dài chùm dữ liệu thay đổi có thể sẽ phức tạp hơn và yêu cầu nhiều trường thông tin hơn trong gói tiêu đề so với mạng OBS đồng bộ với các khe có độ dài cố định

Độ trễ đầu cuối các gói tin IP và tỉ lệ mất gói trong các mạng OBS đồng bộ phụ thuộc vào một số yếu tố như đặc trưng lưu lượng lối vào và các tiêu chuẩn xác định thời điểm chùm dữ liệu được phát đi Ví dụ như tại node biên, các chùm dữ liệu có thể được truyền đi khi đã đạt tới ngưỡng thời gian nào đó hoặc đạt được

độ dài yêu cầu

Hình 2.8 Các chùm dữ liệu và các gói tiêu đề tương ứng trong (a) mạng

OBS đồng bộ, (b) mạng OBS không đồng bộ

2.2.2 Cấu trúc các node mạng biên

Các node mạng biên cần phải hỗ trợ thực hiện các giao diện lối vào thay đổi và tập hợp, liên kết các gói tới thành các chùm dữ liệu Hình 2.9 dưới đây chỉ ra bốn khối cơ bản xây dựng lên các node mạng biên bao gồm giao diện đường, khối chuyển mạch, khối tạo chùm dữ liệu và khối giao diện chuyển đổi quang

Hình 2.9 Các khối chức năng cơ bản của node mạng biên OBS

 Khối giao diện đường cung cấp các giao diện giữa mạng chuyển mạch chùm quang và các giao diện ngoài khác gồm ATM, IP hoặc SONET Chức năng cơ bản của khối này là chuyển đổi các giao thức của các giao diện đường tạo ra một giao thức chung cho khối chuyển mạch

 Chức năng chính của khối chuyển mạch là định tuyến các gói IP, chuyển chúng tới khối tạo chùm dữ liệu Cơ cấu định tuyến có thể phụ thuộc vào một số thông số như đích tới của các gói hay mức thứ tự ưu tiên của gói

IP Chức năng định tuyến được thực hiện hoàn toàn trên miền điện Kích thước của trường chuyển mạch phụ thuộc vào số cổng ra của mỗi node

(E), số kênh trên mỗi cổng ra (N), số loại hình dịch vụ hỗ trợ (Q) và số khối giao diện đường (I)

 Khối tạo chùm dữ liệu thực hiện ghép các gói IP thành các chùm dữ liệu tương ứng và ngược lại Ngoài ra, nó còn xác định thời điểm chùm dữ liệu được giải phóng cũng như quản lý tài nguyên kênh truyền Số các giao

diện ra (E) và giao diện vào (I) là các tham số độc lập nhau

Hình 2.10 Cấu trúc node mạng biên OBS lối vào