Kỹ thuật đa truy nhập trong mạng quang và ứng dụng

FTTH Fiber to the home Cáp quang tới nhà FTTL Fiber to the loop Mạch vòng cáp quang FTTO Fiber to the office Cáp quang tới công sở FWM Four –Wave Mixing Trộn bốn sóng GGL Gain Guided las

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội

Lời cam đoan

Em xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân Các nghiên cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và hiểu biết thực tế của em, không sao chép

Tác giả luận văn

Nguyễn Thế Dương

Mục lục

Lời Mở đầu

Chương 1: các phần tử sử dụng trong mạng quang đa truy nhập 1.1 giới thiệu chung ……… 1

1.2 Bộ ghép hình sao quảng bá ……… 2

1.3 bộ ghép kênh và tách kênh 4

1.4 điốt laze điều chỉnh được bước sóng 7

1.4.1 Điều chỉnh nhiệt 8

1.4.2 Điốt laze điều chỉnh được bước sóng sử dụng hốc ngoài 8

1.4.3 điốt laze hồi tiếp phân bố (DFB) hai đoạn 10

1.4.4 Điốt laze phản xạ phân bố Bragg hai đoạn và ba đoạn 11

1.5 bộ lọc quang điều chỉnh được … 12

Chương 2 : Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bước sóng - wdma 2.1 Tổng quan về kỹ thuật WDMA 14

2.2 Mạng WDMA đơn bước 14

2.2.1 Mạng WDMA “ quảng bá và lựa chọn ” 14

2.2.2 Mạng WDMA “định tuyến theo bước sóng” 20

2.2.3 Các vấn đề liên quan đến hiệu suất và thiết kế mạng 25

2.2.3.1 Vị trí bộ đệm trong mạng WDMA đơn bước 25

2.2.3.2 Xuyên kênh 26

2.3 Mạng WDMA đa bước 29

2.3.1 Khái niệm chung về mạng WDMA đa bước 29

2.3.2 Đặc điểm của mạng WDMA đa bước ……… 31

2.4 ứng dụng mạng kỹ thuật đa truy nhập WDMA 36 2.4 1 Mạng WDMA đơn bước 36

2.4.1.1 Mạng LAMBDANET 36

2.4.1.2 Mạng RAINBOW 37

2.4.1.3 FOX –Bộ kết nối chéo quang tốc độ cao……… 38

2.4.1.4 HYPASS (High performance packet switch system……… 39

2.4.1.5 Mạng RINGGO 42

2.4.2 Mạng WDMA đa bước 43

2.4.2.1 Mạng Starnet 43

2.4.2.2 Mạng HORNET 44

Chương 3 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng mang phụ – SCMA 3.1 Giới thiệu chung 49

3.2 Hiệu suất của mạng scma đơn kênh … 51

3.2.1 Nhiễu lượng tử Short noise ……… 53

3.2.2 Nhiễu nhiệt của máy thu 54

3.2.3 Nhiễu cường độ Laser 55

3.2.4 Nhiễu giao thoa quang 55

3.2.5 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng 58

3.2.6 ứng dụng của các hệ thống SCMA đơn kênh 55

3.3 Đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh 60

3.3.1 Khái niệm về hệ thống SCMA đa kênh 61

3.3.2 Đặc điểm của hệ thống SCMA đa kênh … 62

3.3.3 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng 64

3.3.4 ứng dụng của các hệ thống SCMA đa kênh 65

Chương 4 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian – TDMA 4.1 Giới thiệu chung 68

4.2 Các khái niệm cơ bản của Kỹ thuật TDMA ……… 68

4.3 ứng dụng mạng Kỹ thuật đa truy nhập TDMA 71

4.3.1 ATM-PON (ATM dựa trên mạng quang thụ động) 71

4.3.2 E- PON (Ethernet dựa trên mạng quang thụ động) 74

Chương 5 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo m∙ - cdma 5.1 Tổng quan kỹ thuật đa truy nhập CDMA 78

5.2 Các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA 78

5.2.1 Mạng sử dụng kỹ thuật CDMA tách sóng trực tiếp 78

5.2.2 Mạng CDMA quang kết hợp 85

5.2.3 Đặc điểm của các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA quang 87

Chương 6 : đề xuất mô hình ứng dụng mạng man Tại bưu điện hà nội 6.1 Hiện trạng mạng viễn thông của BĐHN 88

6.1.1 Mạng truyền dẫn 88

6.1.2 Mạng tổng đài 88

6.1.3 Mạng DDN truyền thống ……… 90

6.1.4 Mạng truyền số liệu ATM + IP 90

6.1.5 Mạng truy nhập băng rộng ADSL & SHDSL 91

6.2 Đánh giá ứng dụng truy nhập quang của bđhn 94 6.3 Dự báo nhu cầu phát triển 96

6.4 Phân tích giải pháp ứng dụng xây dựng mạng 99

6.5 Lựa chọn giải pháp công nghệ truy nhập 103

6.6 Một số chỉ tiêu cơ bản khi xây dựng mạng …… 105

6.7 Đề xuất cấu hình ứng dụng mạng MAN 107

Kết luận 110

Tài liệu tham khảo 111

Thuật ngữ và chữ viết tắt

ADSL Asymmetric Digital Sub Line Thuê bao số không đối xứng AON All –optical network Mạng toàn quang ADM Add/ Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ APD Avalanche Photodiode Điốt tách sóng thác

AR Antireflection Coating Vỏ chống phản xạ ASK Amplitude Shift Keying Khoá dịch biên độ ATM Asynchronous Transfer Mode Mode chuyển giao không

đồng bộ B-ISDN Broadband Integrated Service

Digital network

Mạng số liên kết đa dịch vụ băng rộng

BPF BandPass Filter Bộ lọc băng thông BRAS Broadband Access Server Server truy nhập băng rộng CNR Carrier –to- Noise Ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu COT Central Office terminal Thiết bị đầu cuối tổng đài

CT Central terminal Thiết bị đầu cuối tập trung DBR Distributed Bragg Reflecter Phản xạ phân bố Bragg DCN Digital Communication network Mạng thông tin số DCS Digital Cross -connect system Bộ nối chéo số DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép (tách) kênh DFB Distributed Feedback Hồi tiếp phân bố DLC Digital loop Carrier Truyền tải mạch vòng số

DR Distributed reflector Bộ phản xạ phân bố DSL Digital sub line Đường dây thuê bao số DSLAM DSL access Multiplexer Bộ ghép đường thuê bao số FBG Fiber Bragg grating Cách tử quang Bragg FP-LD Fabry-Perot laser diode Đi ốt la-de Fabry-Perot FSK Frequency Shift Keying Khoá dịch tần số FTTB Fiber to the Building Cáp quang tới toà nhà FTTC Fiber to the Curb Cáp quang tới khu dân cư

FTTH Fiber to the home Cáp quang tới nhà

FTTL Fiber to the loop Mạch vòng cáp quang

FTTO Fiber to the office Cáp quang tới công sở

FWM Four –Wave Mixing Trộn bốn sóng

GGL Gain Guided laser Lade điều khiển khuyếch

đại

GRIN Graded refractive Index Chỉ số chiết suất Gradien

IF Intermediate frequency Trung tần

IGL Index Guided laser Lade điều khiển chỉ số chiết

suất

IM Intensity Modulation Điều biến cường độ

IMD Intermodulation Distortion Méo điều chế tương hỗ

LED Light Emitting Diode Điốt phát quang LED

LOC Large Optical Cavity Hốc cộng hưởng quang rộng

MAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực nội thị

MQW Multiple Quantum Well Giếng lượng tử

OA Optical amplifier Bộ khuếch đại quang

OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ quang

OFA Optical fiber amplifier Bộ khuếch đại quang sợi

ONI Optical Network interface Giao diện mạng quang

ONNI Optical network – to – network

interface

Giao diện mạng –mạng quang

ONU Optical network Unit Thiết bị mạng quang

OTN Optical transport network Mạng truyền tải quang

OXC Optical Cross connect Nối chéo quang

PDS Passive Distribute Service Dịch vụ phân phối thụ động

PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN PON Passive optical network Mạng quang thụ động PSK Phase shift keying Khoá dịch pha

RIN Relative Intensity Noise Nhiễu cường độ tương đối RPR Resilient packet ring Mạng vòng chuyển mạch

gói tự hồi phục SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích SCM Subcarrier Multiplexing Ghép kênh sóng mang phụ SDSL Symmetric digital sub line Thuê bao số đối xứng SEL Surface Emitting laser La-de phát mặt SPM Self phase modulation Tự điều chế pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ raman kích thích TDM Time division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian TDMA Time division Multiple Access Đa truy nhập theo thời gian

TT Tunable transmitter Bộ phát điều chỉnh được

TR Tunable receiver Bộ thu điều chỉnh được

FT Fixed – tuned transmitter Bộ phát cố định

VPN Virtual private network Dịch vụ mạng riêng ảo WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh theo bước sóng WDMA Wavelength Division Multiple

danh mục bảng

Bảng 2.1 Quan hệ giữa số nút mạng (N) và số bước (h) xuất phát từ

một nút nguồn trong giản đồ ShuffleNet (p,k)

33 Bảng 2.2 Một số thông số đại diện biểu đồ ShuffleNet 34

Bảng 2.3 Các tham số thử nghiệm mạng HORNET 45

Bảng 6.1 Kỹ thuật truyền dẫn từ tổng đài đến thuê bao ……… 104

Bảng 6.2 Kỹ thuật truyền dẫn từ thuê bao đến tổng đài ……… 104

Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Một số cấu kiện quang thụ động 2

Hình 1.2 Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode 2 Hình 1.3 Các bộ ghép hình sao 4

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống WDM 4

Hình 1.5 Thiết bị ghép –tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) 5

Hình 1.6 Xuyên kênh 9

Hình 1.7 Điốt laze điều chỉnh được sử dụng hốc ngoài 9

Hình 1.8 Laser MAGIC 9

Hình 1.9 Điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn 10

Hình 1.10 Sơ đố cấu trúc diode laze phản xạ phân bố Bragg 11

Hình 1.11 Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh được 12

Hình 2.1 Mạng WDMA hình sao đơn bước “quảng bá và lựa chọn” 15

Hình 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số bước sóng được sử dụng

17 Hình 2.3 Quan hệ số bước sóng bận -Tải ρ và số bước sóng cực đại 20

Hình 2.4 Nguyên lý định tuyến bước sóng mạng WDMA đơn bước 220

Hình 2.5 Mạng định tuyến theo bước sóng N = 3 nút ,sử dụng phần tử WDM

21 Hình 2.6 Mạng định tuyến theo bước sóng sử dụng chuyển mạch không gian chọn bước sóng

23 Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạng LLN ……… 24

Hình 2.8 Tái sử dụng bước sóng trong mạng LLN 25

Hình 2.9 Quan hệ thời gian đợi và tải cho mạng đệm đầu ra đầu vào 26 Hình 2.10 Chọn kênh trong mạng WDMA thu kết hợp 27

Hình 2.11 Mất mát công suất do xuyên kênh trong bộ tách sóng quang 28 Hình 2.12 Quan hệ giữa công suất cực đại trên kênh và số kênh cho 4 ảnh hưởng phi tuyến trong mạng WDMA ………

29 Hình 2.13 Cấu trúc mạng đa chặng WDMA hình sao 8 nút 30

Hình 2.14 Biểu đồ kết nối trực tiếp Shufflenet mạng đa chặng hình sao 8 nút

32 Hình 2.15 Biểu diễn thông lượng trên một nút, số nút N cho mạng WDMA shuffleNet

35 Hình 2.16 Cấu trúc mạng Lambdanet WDMA 36

Hình 2.17 Cấu trúc cơ bản của mạng FOX 38

Hình 2.18 Cấu trúc mạng WDMA –Hypass 39

Hình 2.19 Minh hoạ thuật toán thăm dò hình cây trong trường hợp có 4 gói dữ liệu đồng thời đến cùng một đích

40 Hình 2.20 Quan hệ giữa thời gian trễ trung bình và tải ρ trong mạng Hypass

41 Hình 2.21 Mạng metro WDM ringo 42

Hình 2.22 Cấu trúc nút RINGO 43

Hình 2.23 Cấu trúc chuyển mạch Starnet 43

Hình 2.24 Cấu trúc mạng HORNET 46

Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc nút truy nhập (AN) trong mạng HORNET 46

Hình 2.26 Nguyên lý hoạt động giao thức CSMA/CA trong mạng HORNET ………

47 Hình 3.1 Nguyên lý kỹ thuật điều chế SCM ……… 49

Hình 3.2 Mạng SCMA cấu trúc hình sao 51

Hình3.2(a) Phổ công suất quang của hai Laser đơn mode dọc 53

có độ lệch tần số trung tâm bằng δv

Hình 3.2(b) Phổ công suất điện của thành phần nhiễu khi δv ≠0 57

Hình 3.2 (c) Phổ công suất điện của thành phần nhiễu khi δv = 0 57

Hình 3.3 Tỷ số (SNRtot) tổng và 4 loại nhiễu trong hệ thống SCMA đơn kênh

59 Hình 3.4 Hướng lên hệ thống FITL dựa trên SCMA –PON 60

Hình 3.5 Mạng SCMA đa kênh , N bước sóng và M nút mạng trên một bước sóng

61 Hình 3.6 Gán kênh tần trong mạng SCMA đa kênh 62

Hình 3.7 Cấu trúc chuyển mạch gói tốc độ cao dựa trên SCMA đa kênh ứng dụng cho MAN ………

66 Hình 4.1 Mạng quang thụ động dựa trên cấu trúc Bus 69

Hình 4.2 Cấu trúc của ATM-PON 72

Hình 4.3 Khung thời gian ATM-PON đối xứng 155 Mbps 74

Hình 4.4 Sơ đồ ứng dụng E-PON 75

Hình 4.5 Khe thời gian hướng lên và hướng xuống E-PON 76

Hình 5.1 Mạng CDMA quang 79

Hình 5.2 Mã hoá bít nguồn tin ‘1’ với chuỗi chíp CDMA Số các chíp, F=25 Số các chip 1, K=5

79 Hình 5.3 (a) Bộ mã hoá quang và (b) bộ giải mã quang sử dụng các đường dây trễ quang song song

82 Hình 5.4 Hai mã quang trực giao A và B 84

Hình 5.5 Mã hoá và giải mã phổ các xung ánh sáng cực ngắn trong các mạng CDMA quang kết hợp

86 Hình 6.1 Sơ đồ đấu nối các trạm tổng đài - mạng Bưu điện Hà Nội 89

Hình 6.2 Cấu trúc mạng truyền số liệu ATM + IP 91

Hình 6.3 Sơ đồ cấu trúc mạng truy nhập ADSL & SHDSL 92

Hình 6.4 Sơ đồ mạng truy nhập ADSL và SHDSL – Bưu điện Hà Nội 93 Hình 6.5 Sơ đồ triển khai MAN ứng dụng công nghệ HORNET trên mạng Hà Nội

108

Lời mở đầu

Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của thông tin, trong đó công nghệ thông tin và truyền thông là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội Do đó, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa phương tiện trong đời sống kinh tế – xã hội của từng quốc gia cũng như kết nối toàn cầu

Để đáp ứng được vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung lượng lớn Một trong giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn đó là mạng thông tin quang tốc độ cao Mặc dù

có sự phát triển nhanh về công nghệ, cấu trúc mạng và cấu hình các hệ thống truyền dẫn quang trong các ứng dụng thực tế, song về cơ bản mạng thông tin quang có thể chia làm hai phần là mạng truy nhập và mạng truyền tải Mạng truyền tải với mục tiêu truyền các lưu lượng lớn với băng tần rộng nhằm thoả mãn nhu cầu truyền tải trong cấu trúc mạng hiện đại Trên cơ

sở đó, vấn đề thông suốt lưu lượng được đặt ra như là một nền tảng cho việc thoả mãn nhu cầu băng tần rộng của khách hàng mà không cần quan tâm tới nội dung của luồng tín hiệu Đây cũng là nội dung yêu cầu tiến đến mạng toàn quang thế hệ sau (all optical network) Mạng truy nhập quang ở nhiều nơi đã

được khai thác có hiệu quả và đã đáp ứng được nhiều loại hình dịch vụ Tuy nhiên, nhu cầu thông tin ngày một phát triển mạnh, các yêu cầu về các hệ thống truy nhập quang cho mạng nội hạt có băng tần rộng đã được đặt ra nhằm thoả mãn sự phát triển của mạng và các loại hình dịch vụ có băng tần và chất lượng cao Để thực hiện các mục đích trên người ta đã và đang nghiên cứu rất nhiều các giải pháp kỹ thuật, một trong số đó là kỹ thuật đa truy nhập quang nhằm tạo ra các sở cứ khoa học cho việc thiết kế và ứng dụng các mạng quang đa truy nhập, nội dung luận văn bao gồm:

Chương 1 giới thiệu một số phần tử sử dụng trong mạng quang đa truy

nhập Nghiên cứu chức năng, nguyên lý hoạt động và đặc tính kỹ thuật của một số cấu kiện quang thụ động và các phần tử điều chỉnh được ứng dụng trong mạng quang đa truy nhập (Bộ phát thay đổi, bộ thu thay đổi và bộ lọc thay đổi được)

Chương 2 sẽ trình bày về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bước

sóng WDMA trong đó đưa ra tổng quan về công nghệ WDMA, các khái niệm

về mạng WDMA đơn bước và đa bước đồng thời phân tích cấu trúc, đặc tính

kỹ thuật của các mạng WDMA đơn bước và đa bước và nghiên cứu một số cấu

trúc và giao thức mạng ứng dụng kỹ thuật WDMA

Chương 3 nghiên cứu về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng

mang phụ SCMA tìm hiểu các đặc điểm về kỹ thuật đa truy nhập sóng mang

phụ đơn kênh, kỹ thuật đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh, đưa ra các phân

tích ảnh hưởng về nhiễu gây ra liên quan đến hiệu suất của mạng và nêu ứng

dụng của kỹ thuật SCMA

Chương 4 mô tả kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA với hai

phương thức xử lý ghép dòng tín hiệu dưới dạng chèn bít và dạng khối Trình

bày các mạng ứng dụng: Mạng A-PON (ATM dựa trên mạng quang thụ động)

và Mạng E-PON (Ethernet dựa trên mạng quang thụ động)

Chương 5 nghiên cứu đặc điểm của kỹ thuật phân chia theo mã CDMA

liên quan đến các kỹ thuật CDMA tách sóng trực tiếp và mạng CDMA quang

kết hợp và đặc điểm của các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA quang

Chương 6 đề xuất khả năng ứng dụng mô hình ứng dụng MAN trên

mạng của Bưu điện Hà nội để chuyển tải lưu lượng cho các mạng băng rộng và

từng bước có thể thay thế các mạng truyền dẫn kênh truyền thống Việc triển

khai ứng dụng mạng MAN nhờ kỹ thuật WDMA cũng như ứng dụng của kỹ

thuật WDMA trong các mạng đường trục và mạng diện rộng được mô tả cho

thấy mức độ và tính khả thi khi áp dụng cấu trúc MAN cho việc truyền tải dữ

liệu chuyển mạch gói rất phù hợp cho các ứng dụng của mạng thế hệ sau NGN

vào thực tế như thế nào

tổng quan về các phần tử sử dụng trong

mạng quang đa truy nhập

1.1 giới thiệu chung

Trong kỹ thuật đa truy nhập quang, về mặt bước sóng ta có kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM tương ứng là kỹ thuật truy nhập WDMA, ghép kênh nhiều sóng mang SCM tương ứng là kỹ thuật truy nhập SCMA, về mặt thời gian ta có kỹ thuật truy nhập theo thời gian TDMA và truy nhập phân chia theo mã CDMA

Trong các mạng truy nhập quang dòng bít dữ liệu hướng đi từ người sử dụng

đến tổng đài có lưu lượng nhỏ và hướng về từ tổng đài đến người sử dụng có lưu lượng lớn hơn rất nhiều, vì vậy, kỹ thuật truy nhập cho các hướng cũng khác nhau

Để thực hiện được mạng quang đa truy nhập cần phải có một số cấu kiện quang, thông thường được gọi là các thiết bị quang thụ động Tuỳ theo các chức năng thực hiện mà chúng được chia ra các loại như sau :

• Bộ chia quang: Bộ này thực hiện chia công suất quang từ một đầu vào duy nhất tới một số đầu ra

• Bộ tổng hợp quang: Bộ này thực hiện chức năng ngược lại của bộ chia,

nó tổng hợp một số tín hiệu quang ở các đường vào và đưa tới một đầu

• Các bộ các ly quang: Có nhiệm vụ bảo vệ bộ phát hoặc bất cứ thiết bị liên quan đến độ nhạy từ những tín hiệu phản xạ không mong muốn

• Bộ lọc quang : Thiết bị này thực hiện chọn lọc một kênh trong số các kênh đến đầu vào, và đưa kênh được chọn này đến đầu ra

Ngoài ra trong một số mạng quang đa truy nhập yêu cầu một vài phần

tử điều chỉnh được, ví dụ như bộ phát thay đổi được (Tx- Tunable), bộ thu

thay đổi được (Rx- Tunable) và các bộ lọc quang thay đổi được Đây là các

phần tử tích cực, nó có vị trí đặc biệt quan trọng trong các mạng quang sử

dụng kỹ thuật đa truy nhập theo bước sóng (WDMA)

Hình 1.1 Cấu kiện quang thụ động

a Bộ chia quang d Bộ ghép kênh theo bước sóng

b Bộ tổng hợp quang e Bộ tách kênh theo bước sóng

c Bộ ghép hình sao quảng bá f Bộ cách ly quang

1.2 Bộ ghép hình sao quảng bá

Hình 1.2 Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode

Vai trò của một bộ ghép hình sao là kết hợp các tín hiệu quang từ các

cổng đầu vào và chia đều nó trên các cổng đầu ra như chỉ ra trên hình 1.2

Có một số kiểu bộ ghép hình sao đã được phát triển Loại bộ ghép đầu tiên sử dụng các bộ ghép sợi 3dB Mỗi bộ ghép sợi có khả năng ghép hai tín hiệu đầu vào và phân chia đều trên hai cổng đầu ra, cũng có nghĩa là bộ ghép hình sao 2x2 Các hình sao bậc cao hơn NxN có thể được tạo ra bằng cách gộp một số bộ ghép 2x2 với nhau trong đó N là bội số lần của 2 Hình 1.2 mô tả sơ

đồ như vậy cho cấu trúc hình sao 8x8 tạo thành từ 12 bộ ghép 2x2 Để tạo ra

được bộ coupler hình sao NxN thì số bộ coupler 3 dB cần thiết được tính theo biểu thức sau:

N N

N C log22

Nếu gọi β là suy hao của tín hiệu khi đi qua coupler 3dB thì hệ số này

được xác định bằng tổng số công suất đầu ra trên tổng công suất đầu vào, thông thường giá trị này được biểu diễn theo đơn vị deciBel Suy hao tổng của tín hiệu khi đi qua bộ ghép hình sao NxN được tính như biểu thức (1.2) Như vậy khi số cổng tăng lên thì suy hao tín hiệu qua bộ ghép cũng tăng lên

N

10 10 log

log10]

Có một giải pháp khác được đưa ra là sử dụng các bộ ghép

biconical-taper (thắt làm hai hình chóp nóng chảy) để tạo ra các bộ ghép hình sao vững

vàng, chắc chắn Hình 1.3 mô tả sơ đồ sao truyền dẫn và sao phản xạ được tạo

ra bằng công nghệ này Kỹ thuật này làm nóng chảy một số lượng lớn các sợi lại với nhau và kéo dài phần nóng chảy thành dạng cấu trúc thắt hai phần ở phần có dạng hình nêm, tín hiệu từ mỗi sợi được ghép lại với nhau và chia đều

ra trên các cổng đầu ra Cấu trúc như vậy hoạt động tương đối tốt với sợi đa mode Còn trong trường hợp sợi đơn mode thì nó bị hạn chế do chỉ có thể làm nóng chảy được vài sợi Các bộ ghép nóng chảy 2x2 sử dụng sợi đơn mode

được chế tạo từ khá sớm Chúng có thể được thiết kế để hoạt động trên một phạm vi bước sóng rộng

a, Bộ ghép sao truyền dẫn ; b, Bộ ghép sao phản xạ

Hình 1.3 Các bộ ghép hình sao

1.3 bộ ghép kênh (MUX) và tách kênh (DE-MUX)

1.3.1 Nguyên lý cơ bản ghép kênh theo bước sóng quang

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống WDM

Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng quang được minh hoạ

ở hình 1.4 Có hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước

sóng quang WDM đó là: Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo

một hướng, là sự kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi quang

tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở

đầu kia Thông thường cần phải sử dụng hai sợi quang để thực hiện truyền tín

hiệu thông tin cho chiều đi và chiều về Phương án truyền dẫn hai hướng thì

không qui định phát ở một đầu và thu ở một đầu; điều này tức là có thể truyền

thông tin theo một hướng tại các bước sóng λ1, λ2 ,λ3, λj λn và đồng

thời cũng truyền thông tin khác theo hướng ngược lại tại các bước sóng λ1’,

λ2’,λ3’, λj’ λn’ Phương án này chỉ cần sử dụng một sợi cũng có thể

thiết lập được một hệ thống truyền dẫn cho cả chiều đi và chiều về Để thực

hiện một hệ thống WDM theo một hướng, thì cần phải có bộ ghép kênh bước

sóng MUX ở đầu phát để kết hợp các tín hiệu quang từ các nguồn phát quang

khác nhau đưa vào một sợi quang chung Tại đầu thu, cần phải có một bộ tách

kênh DEMUX để thực hiện tách các kênh quang tương ứng Nhìn chung, các

laze đơn mode thường không phát một lượng công suất đáng kể nào ở ngoài

độ rộng phổ kênh đã định trước của chúng, cho nên không cần phải để ý đến vấn đề xuyên kênh ở đầu phát Vấn đề đáng quan tâm ở đây là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép ít bị suy hao Đối với bộ tách kênh, vì các bộ tách sóng quang thường nhạy cảm trên cả một vùng rộng các bước sóng cho nên nó có thể thu được toàn bộ các bước sóng đã được phát đi từ phía thiết bị phát Như vậy, để ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có biện pháp cách ly tốt các kênh quang Để thực hiện điều này, cần thiết kế các bộ tách kênh chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định và có bước sóng cắt chính xác

Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép kênh nào cũng có thể được dùng làm

bộ tách kênh Như vậy hiểu đơn giản, từ “bộ ghép-Multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để tương thích cho cả bộ ghép và

bộ tách kênh, ngoại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng

Người ta chia thiết bị ghép sóng quang thành ba loại : Bộ ghép kênh (MUX ), bộ tách kênh (DEMUX) và các bộ ghép và tách hỗn hợp (MUX-DEMUX) Các bộ MUX và DEMUX được dùng cho phương án truyền dẫn theo một hướng, còn loại thứ ba (MUX-DEMUX) được sử dụng cho phương

án truyền dẫn hai hướng trên một sợi Hình 1.5 mô tả cấu trúc thiết bị ghép – tách kênh hỗn hợp Việc phân tích chính xác thiết bị ghép phải dựa trên ma trận chuyển đổi với các phần tử của ma trận là Aij(x) Các phần tử này là các

hệ số phụ thuộc vào bước sóng, nó biểu thị các tín hiệu quang đi vào cửa thứ i

Ik(λk)

Oi(λi)

1.3.2 Các tham số cơ bản của bộ ghép kênh và tách kênh

Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính của các bộ ghép – tách kênh

hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh, độ rộng kênh Để đơn giản, ta hãy phân

biệt ra thành thiết bị một hướng ở hình 1.4 và thiết bị hai hướng như ở hình

1.5 Các ký hiệu I(λi) và O(λk) tương ứng là các tín hiệu có bước sóng λi , λk ở

đường chung Ký hiệu Ik(λk) là tín hiệu đầu vào được ghép vào cửa thứ k, tín

hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k Ký hiệu Oi(λi) là tín hiệu có

bước sóng λi đã được tách và đi ra từ cửa thứ i Bây giờ ta xem xét ba tham số

cơ bản là suy hao xen, xuyên kênh, và độ rộng kênh như sau :

Suy hao xen : Được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong

tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép bước sóng quang

WDM Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM

với sợi và suy hao bản thân các thiết bị ghép gây ra Suy hao xen được diễn

giải tương tự như suy hao đối với các bộ ghép coupler chung, nhưng có điểm

khác là ở WDM chỉ xét cho một bước sóng đặc trưng:

)()(log10

i i i i

I

O L

i i i i

I

O L

λ

λ

ư

= đối với thiết bị DEMUX 1.4

Với Li là suy hao tại bước sóng λi khi thiết bị được ghép xen vào tuyến

Xuyên kênh : Là hiện tượng một lượng nhỏ tín hiệu từ kênh này bị rò

sang kênh khác Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc

vào trường hợp áp dụng, nhưng nhìn chung phải đảm bảo nhỏ hơn –30 dB

trong mọi trường hợp Trong một bộ tách kênh lý tưởng sẽ không có sự rò

công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng λi sang các kênh khác có bước

sóng khác với λi Nhưng trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nhất

định điều đó làm giảm chất lượng truyền dẫn của hệ thống Khả năng tách các

kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB

:

( )( ]

log[

10)(

k k i k

i

I

U D

ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị, như Ui (λj) Khi tạo ra các sản phẩm, các nhà chế tạo phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị

a) Bộ tách kênh và b) Bộ ghép –tách kênh hỗn hợp

Hình 1.6 Xuyên kênh

Độ rộng kênh : Là dải bước sóng dành cho mỗi kênh mà nó định ra do

nguồn phát quang Nếu nguồn phát quang là các điốt laze thì các độ rộng kênh

được yêu cầu vào khoảng một vài đến hàng chục nano mét để đảm bảo không

bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra, ví dụ như khi nhiệt độ làm việc thay đổi sẽ làm trôi bước sóng Đối với nguồn phát quang là điốt phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần Như vậy, độ rộng kênh phải đảm bảo đủ lớn để tránh nhiễu giữa các kênh, vì thế nó được xác định tuỳ theo từng loại nguồn phát

1.4 điốt laze điều chỉnh được bước sóng

Đối với việc thiết kế hệ thống thì điốt laze lý tưởng là loại phát xạ đơn mode dọc với độ rộng phổ rất hẹp và tốc độ điều chỉnh bước sóng cỡ nano giây trên khoảng bước sóng cỡ 100 nm quanh bước sóng 1.3 hoặc 1.5 àm Đã

có nhiều kỹ thuật được phát triển cho ứng dụng điều chỉnh bước sóng Tuy nhiên cho đến nay các kỹ thuật này vẫn chưa hoàn thiện và đáp ứng được tất cả các yêu cầu ứng dụng một cách đồng thời Do đó có những thoả hiệp nhất

DEMUX

O i (λ i ) + U i (λ k ) Sợi quang

(b)

O i (λ i ) + U i (λ k ) + U i (λ j )

I j (λ j )

định về tốc độ điều chỉnh và khoảng bước sóng mà trên đó laze có thể điều

chỉnh được liên tiếp Trong phần này sẽ đề cập đến một số loại kỹ thuật để tạo

điốt laze có bước sóng thay đổi được

1.4.1 Điều chỉnh nhiệt

Do ảnh hưởng chỉ số khúc xạ của lớp laze tích cực phụ thuộc vào nhiệt

độ, như vậy một cách đơn giản để làm laze thay đổi bước sóng là làm thay đổi

nhiệt độ của nó Tỷ lệ thay đổi bước sóng theo nhiệt độ là vào khoảng –

0.1nm/ 0C ( + 13 GHz/ 0C tại bước sóng 1.5 àm) Do khoảng thay đổi nhiệt độ

bị khống chế nhỏ hơn ± 10 0 C để đảm bảo độ tin cậy, do vậy khoảng điều

chỉnh thực tế có thể được thực hiện bằng phương pháp này vào khoảng 2 nm là

tối đa Gần đây khoảng điều chỉnh đã được cải thiện tới 10.8 nm khi sử dụng

laze giếng lượng tử – phản xạ phân bố Bragg MQW-DBR Tuy nhiên, tốc

độ thay đổi bị giới hạn bởi trở kháng nhiệt cỡ vài mili giây do đó phương pháp

này hạn chế cả về độ rộng lẫn tốc độ điều chỉnh

1.4.2 Điốt laze điều chỉnh được bước sóng sử dụng hốc ngoài

Một phương pháp đơn giản để tạo điốt laze điều chỉnh được trên một

khoảng rộng là thêm vào một bộ lọc thay đổi được tại một đầu ra Các laze

như vậy được xem như là laze bán dẫn có hốc ngoài Bằng cách điều chỉnh bộ

lọc, bước sóng của mode chọn có thể thay đổi cho tới khi xuất hiện bước nhảy

tới mode mới của buồng cổng hưởng Fabry-Perot Đối với chiều dài hốc 10

cm thì các mode Fabry-Perot lân cận được phân cách cỡ δf ≈ 1 GHz (hay δλ ≈

0.005 nm) Như vậy, khoảng điều chỉnh được thực hiện bằng các bước nhảy

giữa các mode Fabry-Perot Nguyên tắc này được tuân thủ cho các loại điốt

laze thay đổi được

Mặc dù rất nhiều dạng bộ lọc ngoài khác nhau đã được làm ra, tuy

nhiên loại được sử dụng rộng rãi nhất là cách tử tán xạ chỉ ra trên hình 1.7

ánh sáng đi ra từ một đầu của điốt laze được chuẩn trực bằng thấu kính trước

khi đi đến cách tử tán xạ, cách tử này đáp ứng như là gương phản xạ và cũng

như bộ lọc băng hẹp Bước sóng được điều chỉnh bằng cách di chuyển cách tử

; Điều chỉnh thô được tạo ra bằng cách quay cách tử trong lúc đó điều chỉnh

tinh được thực hiện bằng cách dịch chuyển cách tử theo chiều dọc Với kỹ

thuật này khoảng điều chỉnh đạt được đến 240 nm tại bước sóng 1.55 àm khi

sử dụng điốt laze giếng lượng tử (MQW)

Hình 1.7 Điốt laze điều chỉnh được sử dụng hốc ngoài

Hình 1.8 Laze MAGIC Mặt hạn chế của các điốt laze sử dụng cách tử là tốc độ điều chỉnh thấp, kích thước vật lý tương đối lớn và khó thực hiện được độ ổn định cơ học cho các bộ phát quang Những hạn chế này gần đây đã được khắc phục bằng phương pháp mới dựa trên nguồn quang bán dẫn có thể chọn được từng bước sóng ra Thay vì sử dụng điốt laze đơn và dịch chuyển cách tử, thiết bị mới

Đầu ra

điốt laze

Khuếch đại

Lớp chống phản xạ

Lăng kính chuẩn trực

Tinh chỉnh GHz

Cách tử tán xạ

5 đến 25 cm

Chọn bước sóng

Điều chỉnh thô

này sử dụng hai mảng phần tử tích cực tổ hợp với cách tử tán xạ cố định Sơ đồ

thiết bị này được chỉ ra trong hình 1.8 và được gọi là laze MAGIC (

multistripe array grating-integrated cavity laser) Mỗi sọc được đánh địa chỉ

một cách độc lập để tạo ra các bước sóng laze khác nhau Việc chọn và liên

kết cách tử với một sọc là duy nhất với một bước sóng Thiết bị kiểu này có

khả năng đánh địa chỉ cho 15 bước sóng khác nhau với độ phân cách bằng

1.89 nm trong cửa sổ 1.5 àm

1.4.3 điốt laze hồi tiếp phân bố (DFB) hai đoạn

Điều chỉnh bước sóng nhanh cỡ nano giây có thể được thực hiện bằng

cách phun sóng mang vào môi trường laze tích cực, điều này làm giảm chỉ số

khúc xạ hiệu dụng tạo nên sự thay đổi bước sóng laze đầu ra Khoảng điều

chỉnh bước sóng có thể được ước tính bằng biểu thức δλ/λ=δneff/neff Trong

thực tế khoảng thay đổi của chiết suất tương đối là vào khoảng 1% do hạn chế

về nhiệt Như vậy khoảng thay đổi bước sóng lớn nhất cỡ từ 10 đến 15 nm có

thể được thực hiện ở phương pháp này Để thực hiện điều chỉnh một cách độc

lập bước sóng và công suất ra của điốt laze cần ít nhất hai điện cực: Trong đó

một điện cực sử dụng để thay đổi chỉ số khúc xạ tức là điều chỉnh bước sóng

phát xạ, điện cực còn lại được sử dụng để biển đổi tín hiệu điện đầu vào thành

tín hiệu quang được điều chế ở đầu ra Sơ đồ dựa trên cấu trúc hồi tiếp phân bố

chỉ ra ở hình 1.9 được gọi là điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn

Hình 1.9 Điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn

Công suất quang đầu ra được xác định bằng đoạn thứ nhất với thiên áp

ngưỡng trên Bước sóng quang phát xạ chủ yếu được xác định bằng phần bơm

Lớp chống phản xạ

Tín hiệu quang ra

1.4.4 Điốt laze phản xạ phân bố Bragg (DBR) hai đoạn và ba đoạn

Việc cải thiện khoảng điều chỉnh bước sóng được thực hiện bằng cách tách vùng cách tử chọn bước sóng Bragg ra khỏi vùng khuyếch đại bên trong hốc laze Vùng Bragg lớn hơn vùng khuyếch đại Do đó, vùng Bragg có thể

được bơm rất mạnh mà không cần sự đóng góp từ bộ tạo photon dẫn đến khoảng thay đổi được rộng hơn Cấu trúc này được xem như là bộ phản xạ phân bố Bragg hai đoạn

Hình 1.10 Sơ đố cấu trúc điốt laze phản xạ phân bố Bragg

Để cải thiện hơn nữa khoảng điều chỉnh bước sóng người ta đưa thêm phần thứ ba nhằm để điều chỉnh phase bước sóng bên trong hốc laze, cấu trúc của nó được chỉ ra ở hình 1.10 Nguyên lý điều chỉnh bước sóng trong bộ phản xạ phân bố Bragg ba đoạn có thể được hiểu như sau: Phần DBR đưa ra mức phản xạ cao bên trong một băng tần hạn chế vào khoảng 3 nm Mode gần nhất

có mức phản xạ cực đại của bộ phản xạ phân bố Bragg sẽ hoạt động như laze nếu phase của nó là bội số 2π Phần dịch phase sử dụng để điều chỉnh phase

ống sóng1.5àm InGaAsP

của hành trình, như vậy bước sóng laze có thể được điều chỉnh quanh mỗi

băng tần phản xạ Bragg Với sự điều chỉnh độc lập của ba dòng điện trong các

phần tích cực, Bragg, phase thì các khoảng điều chỉnh là hầu như liên tục từ 8

nm đến 10 nm Gần đây người ta đã chế tạo được điốt laze có khoảng thay đổi

lớn hơn 10 nm thậm chí đạt đến 80 nm khi sử dụng siêu cách tử

1.5 bộ lọc quang điều chỉnh được

Các bộ thu thay đổi được là phần tử then chốt trong mạng WDMA, nó

có thể chọn được một kênh mong muốn trong một tập kênh ghép theo bước

Thông thường việc chọn kênh đòi hỏi một bộ lọc quang thay đổi được, sơ đồ

chức năng của bộ lọc quang điều chỉnh được trình bày trong hình 1.11, trong

đó rất nhiều kênh đầu vào nhưng chỉ xuất hiện một kênh ở đầu ra

Hình 1.11 Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh được

Có rất nhiều loại thiết bị lọc quang điều chỉnh được, tuỳ thuộc vào công

nghệ chế tạo Các công nghệ này chủ yếu là khai thác hiệu ứng giao thoa

quang để tạo ra sự lựa chọn bước sóng Một số thiết bị này cũng có thể được

sử dụng trong các bộ thu quang kết hợp mặc dù bộ thu thay đổi trong tách

sóng quang kết hợp thông thường đạt được từ bộ giao động nội có khả năng

điều chỉnh (laze thay đổi) như đã trình bày mục trên Để đánh giá các bộ lọc

quang thay đổi được người ta dựa trên một số thông số cơ bản như sau :

-Khoảng điều chỉnh ∆λ : Bằng khoảng giữa bước sóng ngắn nhất và dài nhất

mà bộ lọc có thể chọn được

-Số kênh cực đại : Định nghĩa bằng tỷ số của khoảng điều chỉnh được trên độ

rộng kênh yêu cầu tối thiểu để đảm bảo độ xuyên kênh nhỏ nhất

-Tốc độ điều chỉnh : Là tốc độ mà bộ lọc quang thay đổi có thể chuyển từ

một bước sóng tới bước sóng mới bên trong khoảng điều chỉnh Đối với

Bộ lọc quang điều chỉnh được

Điều khiển chọn bước sóng

Kênh được chọn

Tách sóng quang

-Mức độ suy hao : Thông thường tín hiệu quang được chọn sẽ chịu một lượng

suy hao nhất định do suy hao đấu nối và suy hao bên trong bộ lọc Suy hao này càng nhỏ càng tốt để tránh ảnh hưởng đến quỹ công suất của mạng

-Mức độ phụ thuộc vào phân cực: Tốt nhất là bộ lọc không bị ảnh hưởng bởi

tính chất phân cực (điều này có nghĩa là hàm truyền đạt độc lập với các trạng thái phân cực có thể xảy ra của tín hiệu quang đến)

-Độ ổn định về nhiệt và các yếu tố cơ học: Phải được khống chế sao cho nó

ảnh hưởng ít nhất đến hàm truyền đạt của bộ lọc và khống chế độ trôi ở khoảng một vài phần trăm độ rộng của kênh

-Yêu cầu về kích thước : Nhỏ gọn phù hợp với ứng dụng trong mạng quang

Hiện tại đã có rất nhiều loại bộ lọc điều chỉnh được như : Bộ lọc Fabry –Perot (FPF); Bộ lọc Mach-Zender (MZF); Bộ lọc sử dụng các hiệu ứng điện – quang (EOTF); Bộ lọc dựa trên các phần tử bán dẫn; Bộ lọc dựa trên hiệu ứng phi tuyến quang Brillouin

Nhận xét: Chương 1 của luận văn đã hệ thống lại một số cấu kiện quang

thụ động cơ bản, nghiên cứu cấu trúc và các đặc tính kỹ thuật của các bộ: Ghép hình sao quảng bá, ghép kênh, tách kênh và các phần tử điều chỉnh được (Tx –Tunable; Rx- Tunable; bộ lọc quang thay đổi)

Với sự phát triển rất nhanh của công nghệ, do vậy nhiều cấu kiện cũng như các phần tử mới (ví dụ bộ xen rẽ quang, cách tử dẫn sóng ) đã và đang

được nghiên cứu chế tạo nhằm tạo ra kiến trúc mạng quang hiện đại, mềm dẻo

và ổn định để đáp ứng được các dịch vụ băng rộng cho khách hàng và cũng như các yêu cầu quản lý mạng Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn chúng ta chỉ đề cập đến những phần tử cơ bản nhất và nó là cơ sở trong việc

nghiên cứu các chương tiếp theo

Chương 2

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bước sóng –WDMA

2.1 Tổng quan về kỹ thuật WDMA

Việc sử dụng công nghệ WDM cho phép ta xây dựng một phương thức

mạng trong đó bước sóng của kênh tự nó có thể được sử dụng cho chuyển

mạch định tuyến hoặc phân phát từng kênh đến địa chỉ của nó Bước sóng ở

đây được sử dụng cho đa truy nhập nên được xem là phương thức đa truy nhập

theo bước sóng viết tắt là WDMA Về cơ bản để thực hiện được mạng WDMA

yêu cầu các phần tử quang có khả năng điều chỉnh được bước sóng như là các

nguồn phát quang điều chỉnh được hoặc là các bộ lọc quang điều chỉnh được

Các phần tử này tạo thành các bộ thu phát quang điều chỉnh được để kết hợp

vào mỗi nút mạng và nó được sử dụng vào các mục đích khác nhau phụ thuộc

vào loại cấu trúc mạng WDMA được lựa chọn Mạng đa truy nhập sử dụng kỹ

thuật ghép bước sóng được phân làm hai loại chính là : Mạng WDMA đơn

bước (còn gọi là các mạng WDMA toàn quang) và mạng WDMA đa bước

1 Trong mạng đơn bước WDMA: Chuỗi tín hiệu được truyền dưới

dạng quang trong toàn mạng mà không có biến đổi quang-điện-quang và tái

truyền dẫn ở các bước trung gian Mạng này được phân thành hai loại chính là

WDMA "quảng bá lựa chọn" và "định tuyến theo bước sóng"

2 Trong mạng đa bước WDMA: Chuỗi tín hiệu khi qua các nút trung

gian phải chuyển thành tín hiêụ điện Sau đó nút trung gian tiếp tục truyền tới

các nút khác bằng cách phát lại chuỗi tín hiệu dưới dạng quang với các bước

sóng thích hợp

2.2 Mạng WDMA đơn bước

Mạng WDMA đơn bước được phân loại thành hai loại chính là: Mạng

WDMA “quảng bá và lựa chọn” và mạng WDMA “định tuyến theo bước

sóng”

2.2.1 Mạng WDMA “ quảng bá và lựa chọn ”

Trong mạng WDMA "quảng bá và lựa chọn" đầu phát chỉ phát một

hoặc một số bước sóng, còn tại các đầu thu "quảng bá" có thể điều chỉnh để

thu được nhiều bước sóng Trong mạng WDMA "quảng bá ", tất cả các bước

sóng λ1,λ2 λn phía phát được ghép vào trong một cáp và gửi đến đầu thu R

Ngược lại trong WDMA "lựa chọn" các bước sóng từ λ1,λ2 λn được đưa qua

bộ tách WDM để đưa từng bước sóng đến Ri tương ứng Tại các bộ ghép WDM có thể thu cả, hoặc lựa chọn một số bước sóng cần thiết Một số khả năng có thể xảy ra phụ thuộc vào hoặc các bộ thu hoặc các bộ phát hoặc cả hai

đều có khả năng điều chỉnh được Nói chung mỗi nút mạng có thể được trang

bị với một số bộ phát và một số bộ thu, một trong số chúng có khả năng điều chỉnh động trong khi các số khác đựơc điều chỉnh cố định tới một vài bước sóng cụ thể Tuỳ thuộc vào các chức năng của các đầu thu, đầu phát mà mạng

có các tính chất khác nhau:

Hình 2.1 Mạng WDMA hình sao đơn bước “quảng bá và lựa chọn”

+ Khi các bộ phát là điều chỉnh được trong khi các bộ thu được chỉnh

cố định ở một bước sóng, một kết nối được thiết lập giữa bộ phát và bộ thu bằng cách điều chỉnh bước sóng trùng nhau của bộ phát và bộ thu Về cơ bản mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” là kiểu chuyển mạch không gian theo thứ tự dữ liệu vào Xung đột dữ liệu có thể xảy ra trong mạng do hai hoặc nhiều gói dữ liệu từ các nút khác nhau gửi đến đồng thời cùng một địa chỉ

đích Vấn đề tranh chấp này được giải quyết bằng các giao thức mạng kết hợp với các kết nối trong mạng

Các mạng WDMA đơn chặng với một bộ phát điều chỉnh được và một

bộ thu cố định (được xem là mạng TT-FR) thì các nút trong mạng bị hạn chế

Mảng các bộ thu

cố định - FR

λ n

λ 1

λ1

λ 2

λ i

λ n

Star Coupler NxN

R 2

R 1

WDM

r 1

r n

Các bộ phát cố định

Các bộ thu thay đổi

T2

Ti

Tn T1

R i

kết nối “điểm-tới-điểm” Đối với các kết nối “đa điểm - điểm” được thực hiện

thì mỗi nút thu của mạng WDMA phải được trang bị tối thiểu từ hai bộ thu cố

định trở nên (mạng kiểu này ký hiệu TT-FRm

) Tương tự ta có khái niệm mạng kết nối kiểu multicast “điểm – tới - đa điểm” được thực hiện bằng việc trang

bị tại mỗi nút phát của mạng từ hai bộ phát điều chỉnh được trở lên (ký hiệu

mạng TTm

-FR)

+ Mạng WDMA trở nên linh hoạt hơn có thể được xây dựng bằng cách

sử dụng các bộ phát cố định và bộ thu điều chỉnh được (ký hiệu là mạng FT –

TR), với mạng kiểu này ngoài khả năng cung cấp kết nối “điểm –tới -điểm”,

bằng cách điều chỉnh đồng thời các bộ thu của một số nút về cùng một bước

sóng nó còn cung cấp khả năng kết nối Multicast Tương tự như các mạng

TT-FR, Các kết nối “đa điểm – tới - điểm” cũng được cung cấp nếu các nút mạng

WDMA được trang bị từ hai bộ thu điều chỉnh đựơc trở nên (ký hiệu là mạng

FT-TRm

).ưu điểm của các mạng FT-TR là tự động ngăn ngừa được các xung

đột dữ liệu do mỗi kênh sử dụng các bước sóng khác nhau Tuy nhiên do các

bộ thu chỉ có thể điều chỉnh tới một bước sóng ở một thời điểm nên dễ xảy ra

mất dữ liệu trong mạng kiểu này Trong trường hợp này chất lượng của mạng

FT–TR được cải thiện bằng cách thông báo cho các bộ thu biết được phải điều

chỉnh đến bước sóng ở thời điểm nào thông qua các giao thức

+ Khả năng thứ ba đối với mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” là khi

cả hai bộ phát và bộ thu đều có khả năng điều chỉnh được (ký hiệu TT-TR)

Các mạng TT-TR có khả năng hỗ trợ các kết nối “điểm –tới -điểm” và “đa

điểm –tới -điểm” cũng như các kết nối multicast vì vậy đây là mạng linh hoạt

nhất trong ba loại, do đó mạng này đòi hỏi các giao thức mạng phức tạp hơn

yêu cầu cả hai bộ phát và bộ thu phải được điều chỉnh để phối hợp các luồng

dữ liệu trong mạng

Như đã trình bày trong phần trên về các mạng WDMA “quảng bá và lựa

chọn” với giả thiết rằng số bước sóng có khả năng sử dụng được W bằng với

số nút N kết nối vào mạng Tuy nhiên trong thực tế do nhiều lý do về công

nghệ nên số bước sóng có khả năng sử dụng W thường bị hạn chế, thường nhỏ

hơn rất nhiều so với số nút mạng N Do đó việc phân tích sau này sẽ tập trung

vào đặc tính mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” với điều kiện W < N

Trong ba loại mạng trên thì mạng TT-TR tận dụng tốt nhất tiềm năng

của các bước bước sóng phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu Điều này dựa trên

giả thiết rằng mỗi nút mạng đều có khả năng biết được hoàn toàn trạng thái

của tất cả các bước sóng trong hệ thống Tại các nút không có bộ đệm khi gói tin đến, chỉ có khả năng hoặc là gói tin được truyền hoặc là mất ngay lập tức phụ thuộc vào kết nối được phép hay không một cách tương ứng và trễ lan truyền dữ liệu được bỏ qua Do đó phân tích này là thích hợp với cả mạng chuyển mạch kênh cũng như chuyển mạch gói tập trung

Khi số nút gán vào mạng hình sao quảng bá bằng N và số bước sóng có thể được dùng bằng W, trong đó W< N Một gói tin đi đến nút i được gửi đến nút j với xác suất 1/N không phụ thuộc vào i và j Chiều dài gói tin phân bố theo luật hàm mũ với thời gian chiếm giữ trung bình 1/à (giây/gói tin ) và là như nhau cho tất cả các nút, các gói tin đến ở mỗi nút tuân theo hàm phân bố Poisson với tốc độ trung bình λ gói trên giây Do đó tải trung bình của mỗi tuyến vào bằng

Hình 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số bước sóng sử dụng

Đối với mỗi giá trị ρ xác định thì số bước sóng bận w thay đổi ngẫu

nhiên tuỳ theo thống kê của các tuyến vào Tính chất thay đổi động của w có

thể được mô hình hoá bằng quá trình “sinh ra – mất đi ”như chỉ ra trong hình

Hình 2.2 (a) tương ứng với trường hợp hoặc chỉ là bước sóng điều chỉnh được

ở bộ phát hoặc bước sóng điều chỉnh được ở bộ thu, trong khi đó hình 2.2 (b)

tương ứng với trường hợp bước sóng điều chỉnh được ở cả phát và thu Trong

tất cả các trường hợp chuyển dịch trạng thái về hướng trái là kết quả là do giải

phóng một bước sóng bận sau khi kết nối thành công Đối với một trạng thái

xác định mà trong đó w bước sóng bận thì xác suất chuyển dịch trạng thái về

hướng trái được tính theo biểu thức 2.1

à

σω→ωư1 = w 2.1

Xác suất chuyển dịch trạng thái sang phía phải tương ứng với việc bổ

sung thêm một bước sóng kích hoạt trong mạng, phụ thuộc vào vị trí của bước

sóng điều chỉnh được đối với bộ phát và thu Khi chỉ có các bộ phát điều chỉnh

được thì việc chuyển dịch trạng thái chỉ có thể xảy ra nếu đáp ứng 02 điều

kiện sau:

+ Một yêu cầu kết nối được tạo ra từ một trong số (N-w) bộ phát còn

rỗi

+ Kết nối này được đánh địa chỉ đến một trong số các bộ thu cố định

còn rỗi Do hệ thống có W bước sóng được sử dụng mà trong đó w bước sóng

đã bận do vậy xác suất để thoả mãn điều kiện thứ hai là (1-w/W) Vì vậy việc

dịch chuyển trạng thái từ w tới trạng thái w +1 xuất hiện với xác suất

)1)(

(1

W

w w

=+

Khi chỉ có các bộ thu điều chỉnh được, thì việc chuyển đổi trạng thái

sang hướng phải chỉ có thể xuất hiện nếu:

+ Một yêu cầu kết nối được tạo ra từ một bộ phát mà bước sóng cố định

chưa bị bận (Xác suất tương ứng bằng (1-w/W))

+ Yêu cầu này được đánh địa chỉ đến một trong số (N-w) bộ thu còn

rỗi, vì vậy xác suất chuyển dịch trạng thái giống như (2.2)

Như vậy trong các trường hợp khả năng điều chỉnh được chỉ được cung

cấp tại một phía (ví dụ như chỉ ở phía phát hoặc chỉ ở phía thu nhưng không cả

hai) có xác suất chuyển dịch trạng thái thái giống nhau Trường hợp cả hai phía phát và phía thu đều có khả năng điều chỉnh được thì xác suất chuyển dịch trạng thái sang phía phải là lớn hơn do cả hai phía đều có khả năng điều chỉnh Công thức tính xác suất chuyển đổi như sau được tính như sau:

) 1 )(

(1

N

w w

=+

dụ W=125) thì giá trị trung bình của bước sóng bận luôn luôn nhỏ hơn W, thậm chí khi giá trị của tải ρ tiến đến 1

Qua phân tích mở rộng đối với các trường hợp nhiều bộ phát và nhiều

bộ thu trên một nút Kết quả đã chỉ ra rằng để hiệu suất tiến gần đến giới hạn biên trên khi W=N thì chỉ cần với một số lượng nhỏ các bộ phát và bộ thu điều chỉnh được trên mỗi nút Điều này có thể xảy ra vì với giả thiết lưu lượng không thay đổi thì xác suất để nhiều hơn một gói tin đi đến cùng một địa chỉ

đích tại cùng một thời điểm là rất nhỏ Thực vậy, chúng ta giả thiết rằng tất cả các gói tin đến đầu vào của một nút là độc lập và cũng bằng và giống như đi

đến mỗi nút trong số N nút trong mạng Với cùng giá trị tải ρ cho tất cả các

luồng tín hiệu vào các nút, Xác suất pk mà k gói đồng thời đi đến cùng nút

được tính theo biểu thức 2.5

k N k k N k

N N C P

Hình 2.3 Quan hệ số bước sóng bận – Tải ρ và số bước sóng cực đại

2.2.2 Mạng WDMA “định tuyến theo bước sóng”

Tổ hợp các phần tử định tuyến bước sóng

thu thay đổi Mạng hoặc phát hoặc thu thay

động và một kết nối duy nhất đựơc xác định bằng bước sóng của tín hiệu phát

và nút mà qua đó tín hiệu được đưa vào mạng Ví dụ mạng định tuyến bước sóng NxN có thể được xây dựng từ các phần tử WDM được nối với nhau bằng

N2 sợi cáp như chỉ ra trên hình 2.4(b) với N=3 Mỗi nút được trang bị 01 bộ

phát và 01 bộ thu có khả năng điều chỉnh được Bằng cách điều chỉnh bộ phát

đến một bước sóng đã được lựa chọn, tín hiệu đưa vào được định tuyến thụ

động đến bộ thu định trước, bộ thu này cũng phải điều chỉnh đến cùng bước

sóng để nhận gói tin Điều này có nghĩa có thể kết nối đầy đủ NxN kết nối

trong mạng chỉ với N bước sóng phân biệt và mỗi nút thu có thể thu được từ

bất kỳ bộ phát nào mà không ảnh hưởng đến nhau

Trong thực tiễn ưu điểm của mạng WDMA “định tuyến theo bước

sóng” so với mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” là mạng WDMA định

tuyến theo bước sóng sử dụng các bộ WDM không sử dụng các bộ coupler

hoặc van quang nên tránh đựơc suy hao tách quang Tuy nhiên mặt hạn chế

chính của nguyên lý khi sử dụng các phần tử định tuyến thụ động là các nút

phải cung cấp các bộ phát và bộ thu đều phải điều chỉnh được hoặc là phải bố

trí mảng các phần tử phát hoặc thu đã được điều chỉnh trước đến một số bước

sóng cố định khác nhau Đổi lại thì mạng WDMA định tuyến theo bước sóng

có khả năng điều chỉnh động cấu trúc định tuyến bên trong theo yêu cầu phân

bố lưu lượng của mạng Điều này rất có lợi cho mạng khi có lưu lượng không

cân bằng giữa các nút khi nối vào mạng Việc thay đổi định tuyến động có thể

thực hiện theo hai cách sau:

1 Sử dụng các bộ chuyển mạch không gian chọn bước sóng, các tín

hiệu chuyển mạch động từ một đường tới một đường khác bằng cách thay đổi

định tuyền WDM trong mạng

2 Sử dụng các bộ biến đổi bước sóng để chuyển đổi tín hiệu từ một

bước sóng sang bước sóng khác

Hình 2.6 Mô tả mạng định tuyến theo bước sóng sử dụng chuyển mạch

không gian chọn bước sóng có 2 nút ở đây có thể xem các chuyển mạch như

thiết bị có ba cổng có khả năng điều khiển bất kỳ bước sóng nào ở đầu vào

đến một trong hai cổng ra Nói cách khác bất kỳ tập bước sóng λ1 …… λN trên

cổng đầu vào của thiết bị có thể được lựa chọn và truy cập trực tiếp đến một

trong hai cổng ra Sự lựa chọn này được sắp xếp lại do đó đường đi của bất kỳ

bước sóng nào trong mạng cũng có thể được thay đổi khi mong muốn

Hình 2.6 Mạng định tuyến theo bước sóng

sử dụng chuyển mạch không gian chọn bước sóng

Gần đây đã phát triển một kiểu mạng định tuyến bước sóng được gọi là mạng quang tuyến tính LLN mạng này được đề xuất ứng dụng cho lưu lượng chuyển mạch kênh Để giải thích nguyên lý hoạt động của mạng này ta khảo sát hình 2.7 Trong đó các nút được nối nhau thông qua bộ coupler 2x2 không phụ thuộc vào bước sóng, hệ số liên kết αi được cho phép lấy bất kỳ giá trị nào giữa 0 và 1

Mỗi nút mạng sử dụng một bước sóng riêng để thiết lập kết nối mong muốn Ví dụ kết nối từ nút 1 đến nút 1* được thiết lập trên bước sóng λ1 qua tuyến A-B-C-F-G, trong cùng thời điểm đó kết nối từ nút 2 tới nút 2* thông qua bước sóng λ2 qua tuyến H-B-C Với việc đưa thêm các bước sóng, các kết nối khác có thể được thực hiện ở cùng thời điểm với việc cung cấp giá trị αi

thích hợp Giá trị của hệ số liên kết αi có thể quản lý tập trung thông qua bộ

điều khiển trung tâm hoặc sử dụng giao thức điều khiển phân bố Trong cả hai trường hợp trên hệ số liên kết mỗi coupler phụ thuộc vào việc thiết lập của các coupler khác trên toàn mạng Từ các phân tích trên ta thấy các mạng LLN phù hợp với mô hình hoạt động của mạng chuyển mạch kênh trong khi không phù hợp với mạng chuyển mạch gói

Điều khiển chuyển mạch Chuyển mạch chọn bước sóng WDM λ 1 1 λ 2 , λ 3 λ 2 , λ 3 λ 1 2 λ 2 , λ 3 , λ 1

λ 1 , λ 2 , λ 3 TR Nhóm thu cố định -FR λ 1 , λ 2 , λ 3

Phát thay đổi Nhóm phát cố đinh -FT λ 1 , λ 2 , λ 3

T 2

T 1

T 2

T 3

1

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạng LLN

Để tránh tán xạ đa đường từ cùng một nút mạng nguồn, các đường khác

nhau nên được bố trí theo cấu trúc hình cây Theo hình 2.7 tán xạ đa đường

xuất hiện tại các coupler B và F đối với kết nối từ 1 đến 1* Thật vậy bằng

cách thiết lập kết nối A-B-C-F-G tín hiệu tại bước sóng λ1 cũng có thể truyền

theo tuyến A-H-B-C-F-G, A-H-B-D-E-F-G do đó liên kết từ F tới G sẽ chứa 4

bản copy trễ theo thời gian của các luồng tín hiệu từ nút 1 dẫn đến chất lượng

kết nối bị giảm do nhiều giữa các biểu tượng Người ta đã nghiên cứu và đưa

vào sử dụng coupler bước sóng phẳng ∆x∆ trong mạng LLN, một giải pháp

mới đưa ra cùng với việc thiết lập hệ số phù hợp để tránh tán xạ đa đường

Mặc dù suy hao tín hiệu trong mạng LLN lớn hơn các mạng định tuyến

theo bước sóng sử dụng các phần tử WDM hoặc các chuyển mạch nhưng nó

cho một đặc tính rất hữu ích là sử dụng lại bước sóng Điều này có thể thực

hiện được là do nếu sau khi đi qua một số bộ coupler tín hiệu tại bước sóng

xác định bị suy hao do đó các kết nối tại cùng thời điểm ở các phần khác của

mạng có cùng bước sóng này có thể dùng lại Điều này được mô tả trong Hình

2.8, các kết nối ở λ1 có thể xảy ra đồng thời đối với kết nối giữa nút 1 đến 4*

và giữa nút 3 đến 1* Khi kỹ thuật ngày càng hoàn thiện tạo ra các bộ coupler

suy hao thấp, mức tán xạ đa đường thấp và kết hợp với kỹ thuật sử dụng lại

bước sóng sẽ mở ra hướng ứng dụng cho các mạng MAN dung lượng cao

Hình 2.8 Tái sử dụng bước sóng trong mạng LLN

(Kết nối từ 1 đến 4 * và từ 3 đến 1* có thể xảy ra đồng thời trên λ1 )

2.2.3 Các vấn đề liên quan đến hiệu suất, thiết kế mạng WDMA đơn bước

Trong mạng đa truy nhập theo bước sóng thì chất lượng, tốc độ điều chỉnh của các bộ thu và bộ phát là rất quan trọng, tuy nhiên cho đến ngày nay các công nghệ này vẫn còn có rất nhiều hạn chế Bên cạnh đó còn có một số yếu tố khác ảnh hưởng đến đặc tính và hiệu suất của các mạng WDMA đơn bước như : Giao thức mạng, vị trí của các bộ đệm số liệu đảm bảo tránh mất gói, mức xuyên kênh giữa các kênh WDM và yêu cầu độ ổn định bước sóng

2.2.3.1 Vị trí bộ đệm trong mạng WDMA đơn bước

Thông thường do tính ngẫu nhiên của lưu lượng bên trong mạng nên xuất hiện xung đột giữa các gói dữ liệu đồng thời đi đến cùng một nút là không thể tránh khỏi Các gói số liệu xung đột có thể hoặc bị loại bỏ hoặc

được đưa vào hàng đợi để phát lại sau đó Nếu gói tin bị loại bỏ thông tin sẽ bị mất vĩnh viễn, rõ rãng điều đó là không thể chấp nhận được trừ khi xác suất mất gói tin là rất nhỏ trong phạm vi cho phép Do vậy bộ đệm cần thiết phải

có để chống lại việc mất gói dữ liệu

Hình 2.9 Thời gian đợi trung bình và tải cho mạng đệm đầu ra và đầu vào

Trong các mạng WDMA đơn bước bộ đệm có thể được đặt ở đầu vào

(bộ phát) hoặc đầu ra (bộ thu) của hệ thống Giả sử các bộ đệm hoạt động theo

nguyên lý vào trước ra trước (FIFO) đặt tại mỗi nút Điều đó chỉ ra rằng dung

lượng của một hệ thống đệm đầu vào với N≥ 20 bằng khoảng 58 % dung

lượng hệ thống đệm đầu ra Nguyên nhân giảm dung lượng của hệ thống đệm

đầu vào là do hiện tượng block luồng dữ liệu (HOL) : Khi tất cả các gói tin

định tuyến đến cùng một đầu ra thì lúc đó chỉ một gói được truy nhập vào

mạng trong lúc đó các gói tin khác bị giữ lại trong bộ đệm

Hình 2.9 chỉ ra quan hệ giữa thời gian đợi và tải cho cả hai hệ thống

đệm đầu vào và đầu ra.Trong các hệ thống đệm đầu ra, hiện tượng block HOL

không thể xuất hiện do tất cả các gói tin tại đầu của các bộ đệm FIFO (ở phía

các bộ phát) có thể tự do định tuyến đến các nút đích của nó trong khi đó các

gói tin được đệm trong các bộ đệm FIFO tại đầu thu Cần phải chú ý là để có

dung lượng mạng lớn, thì cũng cần phải có thời gian trễ rất nhỏ cùng với việc

giữ nguyên trật tự vào ra của các gói tin trong các bộ đệm FIFO

2.2.3.2 Xuyên kênh

Một vấn đề rất quan trọng liên quan đến chất lượng các mạng WDMA

là mức xuyên kênh giữa các kênh ghép theo bước sóng Hiện tượng xuyên

kênh có thể được phân biệt theo hai loại sau:

Tải ρ

Hình 2.10 Chọn kênh trong mạng WDMA kết hợp Trong mạng WDMA tách sóng kết hợp, việc chuyển kênh được thực hiện bằng cách điều chỉnh bước sóng của bộ dao động nội Laze trong vùng lân cận của kênh được chọn và sau đó truyền tín hiệu điện đã tách sóng qua bộ lọc BPF điều chỉnh cố định có tần số trung tâm bằng tần số trung tần IF Xuyên kênh tuyến tính bị ảnh hưởng bởi độ rộng phổ tần số trung tần ( ∆v =∆vs + ∆vlo

trong đó ∆vs và ∆vlo là độ rộng phổ của laze phát và bộ dao động nội tương ứng) và hàm truyền của bộ lọc BPF điện Độ rộng trung tần gây ra hiện tượng xuyên âm có thể giảm nhỏ một cách đáng kể khi ta chọn ∆v/B <0.1 (trong đó

B là tốc độ bít tín hiệu) Bộ lọc điện thông giải gây ra hiện tượng xuyên kênh

v lo –v 1

1

4 2

Tần số

điện trung tần V if

phụ thuộc vào kiểu tín hiệu điều chế (ASK, PSK, FSK) Thông thường kênh

không được chọn mà gần nhất với tần số bộ dao động nội vlo tạo nên nguồn

ảnh hưởng xuyên kênh lớn nhất Nếu tần số trung tâm của kênh không được

chọn rơi vào bên trong độ rộng băng tần của bộ lọc BPF thì phần công suất

trong băng xuất hiện như là nguồn nhiễu và vì vậy làm tăng mức BER của

kênh được chọn Mức BER có thể duy trì ở một giá trị thích hợp bằng cách

tăng công suất của tín hiệu Phần công suất tăng này được xem như công suất

bù mất mát do xuyên âm tuyến tính gây ra Hình 2.11 chỉ ra công suất bù mất

mát là hàm của độ rộng kênh ∆f/B ( trong đó ∆f là băng thông 3dB của bộ lọc

BPF) đối với các kiểu điều chế ASK, PSK và FSK Từ hình vẽ ta cũng thấy

được công suất mất mát nhỏ không đáng kể dưới 0.5dB đạt được trong cả ba

trường hợp khi mà ∆f ≅ 5B Với B= 10 Gbps > ta có ∆f =50 GHz và 150 nm

(20THz) băng thông cho phép của sợi quang quanh bước sóng 1.5 àm có khả

năng cung cấp 400 kênh

Hình 2.11 Mất mát công suất do xuyên kênh trong bộ tách sóng quang

Xuyên kênh phi tuyến:

Phần lớn ảnh hưởng phi tuyến trong sợi quang xảy ra khi sử dụng nguồn

quang có công suất lớn và sử dụng nhiều kênh bước sóng khác nhau Xuyên

kênh phi tuyến là do các hiệu ứng phi tuyến gây nên có thể chia làm hai loại:

Loại thứ hai xuất hiện do sự phụ thuộc của chiết suất vào công suất quang Loại này gồm có các hiệu ứng: Tự điều chế pha (SPM), điều chế pha chéo (XPM), trộn bốn sóng (FWM) Hình 2.12 trình bày ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến lên mạng WDMA

Hình 2.12 Quan hệ giữa công suất cực đại trên kênh và số kênh cho 4 ảnh hưởng phi tuyến chính trong mạng WDMA

Từ hình vẽ ta thấy ảnh hưởng của hiện tượng phi tuyến lên các hệ thống thông tin quang đa kênh làm giới hạn công suất trong khoảng từ vài mW đến

100 mW ảnh hưởng này còn phụ thuộc vào số kênh N Khi số kênh nhỏ N ≤

10 thì ảnh hưởng của SBS và FWM trội hơn, đối N>10 thì XPM trở nên trội hơn và cuối cùng SRS trở nên là yếu tố giới hạn chính khi (N ≥ 500) 2.3 Mạng WDMA đa bước

2.3.1 Khái niệm chung về mạng WDMA đa bước

Khái niệm cơ bản về mạng WDMA đa bước được trình bày ở hình vẽ 2.13 với mạng hình sao 8 nút Trong cấu hình mỗi nút có hai bộ phát, hai bộ thu kết nối thông qua coupler hình sao NxN Mạng này có đặc điểm là hai

bước sóng phát của cùng một nút chỉ có thể thu được bằng hai nút khác Nói

cách khác, mặc dù các kênh tại các bước sóng riêng là quảng bá nhưng chỉ các

kết nối điểm tới điểm gán cố định có thể được hỗ trợ bên trong mạng Vì mỗi

nút phát được kết nối tới một nút thu khác nhau do đó kết nối từ bất kỳ một

nút xác định nào tới một nút bất kỳ khác có thể thực hiện bằng cách cho phép

phát lại qua một hoặc nhiều nút trung gian

Hình 2.13 Cấu trúc mạng đa bước WDMA hình sao 8 nút

Coupler hình sao NxN

Giả sử nút 2 muốn gửi một gói tin tới nút 7 Nút 2 có thể sử dụng một trong hai bước sóng λ3 hoặc λ4 để phát Vì từ nút 2 đến nút 7 có một kết nối trực tiếp trên bước sóng λ3 , nên bước sóng λ3 trên nút 2 sẽ được sử dụng để truyền các gói tin của nó tới nút 7 Việc quyết định xem nút sẽ truyền gói tin trên bước sóng nào dựa trên việc sắp xếp địa chỉ đích với các cổng ra, điều này

có thể thực hiện được dựa trên hoặc là bảng tra cứu phần cứng hoặc là bằng mạch logic thực hiện các thuật toán định tuyến đặc biệt Trường hợp nút 1 muốn truyền gói tin đến nút 3 nhưng không có kết nối trực tiếp giữa hai nút này nên gói tin này phải chuyển qua một vài nút trung gian Lúc đó để truyền gói tin giữa nút 1 đến nút 3 thì phải sử dụng bước sóng λ2 để truyền từ nút 1

đến nút 6 sau đó nút 6 sử dụng bước sóng λ11 để phát lại cho nút 3 Mặt khác nếu sử dụng bước sóng λ1 để truyền từ nút 1 thì để đến được nút 3 phải thông qua các bước ( 1λ1→ nút 5 λ10→ nút 2 λ4→ nút 8 λ15→ nút 3) Mặc dù khi số nút của mạng tăng thì lúc đó khả năng trễ mạng là lớn và chất lượng của tuyến là thấp, tuy nhiên có nhiều đường đi khác nhau nên có thể khai thác để tránh được các tắc nghẽn cục bộ từng đường hoặc là khi xảy ra hỏng hóc nút mạng hoặc đứt từng tuyến riêng Một ưu điểm khác nữa của mạng đa bước so với mạng đơn bước là không cần đòi hỏi kênh điều khiển nữa Thực tế, mỗi nút mạng phục vụ như là một trạm lặp tích cực và các thiết bị sẽ có nhiệm vụ nhận gói tin dành cho nó hoặc chung chuyển nó đến một nút khác

2.3.2 Đặc điểm của mạng WDMA đa bước

* Khả năng kết nối giữa các nút

Khả năng kết nối giữa các nút trong mạng quang đa bước có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau Hình 2.14 minh hoạ biểu đồ kết nối trực tiếp tương ứng với mạng đa chặng hình sao 8 nút Trong đó các mũi tên từ mỗi nút truyền một bước sóng riêng trực tiếp tới tất cả các nút có khả năng nhận bước sóng đó Để tổng quát ta xét mỗi nút mạng có p đầu phát và p đầu thu cố định

Nếu biểu diễn hmax là số chặng cực đại từ một nút nguồn tới nút đích xác định (đôi khi hmax đựơc gọi là đường kính của biểu đồ trực tiếp) thì bất

đẳng thức sau là luôn luôn đúng

1

1

p

p p p

p N

h h

(p≥ 2) 2.6 Dấu bằng trong biểu thức trên tương ứng với giới hạn Moore và nó là giới hạn trên của số nút mạng cực đại Nmax với một bán kính hmax cho trước

Tuy nhiên giới hạn Moore là không hoàn toàn đúng ngoại trừ trường hợp đặc

biệt p =N- 1 Để khắc phục vấn đề này người ta đã đưa ra biểu đồ kết nối trực

tiếp ShuffleNet

Hình 2.14 Biểu đồ kết nối trực tiếp Shufflenet mạng đa bước hình sao 8 nút

Biểu đồ ShuffleNet : Biểu đồ trực tiếp Shufflenet được xây dựng nên từ

N = kpk (k = 1,2, ) nút trong đó k là số cột, pk là số nút trong mỗi cột : Ví

dụ mạng 8 nút ở trên ta có (k=2, p=2) và mạng 18 nút ta có thể biểu diễn dưới

dạng (k=2, p=3) Trong biểu đồ trực tiếp (p, k) mỗi nút có p cung đi vào và p

cung đi ra Tổng toàn bộ các nút ta có k.pk + 1 cung và như vậy cũng tương

đương với số bước sóng khác nhau được sử dụng trong mạng Từ một nút bất

kỳ trong cột bất kỳ, để giải thích ta chọn cột 1, có thể đi đến p nút khác chỉ

qua 1 bước, nếu qua 2 bước thì nó đi đến thêm được p2

nút, và tiếp tục như vậy

đến pk –1 nút còn lại của cột gốc Từ đó, bất cứ nút nào không kết nối được

ngay trong lượt thứ nhất thì sẽ kết nối được trong lượt thứ hai (giả thiết là

thuật toán định tuyến sẽ chỉ đường kết nối sao cho độ trễ trong mạng là nhỏ

nhất tức là kết nối hai nút với số bước ít nhất) Bước đầu trong lượt thứ 2 sẽ có

Bảng 2.1 : Quan hệ giữa số nút mạng (N) và số bước (h) xuất phát từ một nút nguồn trong giản đồ ShuffleNet (p,k)

Số bước (h) Số nút (N)

1 P

Từ bảng trên ta thấy số chặng cực đại được giới hạn là hmax =2k-1, do vậy số nút cực đại trong biểu đồ ShuffleNet (p,k) được biểu diễn như sau:

1 max

N 2.7

* Độ trễ gói trung bình

Một tham số quan trọng trong việc đánh giá biểu đồ shuffleNet (p,k) là

độ trễ trung bình của gói tin đi qua mạng Độ trễ trung bình D _

và số bước trung bình h

có quan hệ như sau:

V Lh

D = * 2.8 Trong đó L là khoảng cách trung bình giữa các nút và v là vận tốc lan truyền trong sợi quang (v=c/n) Lưu ý công thức trên không tính đến phần trễ phụ có thể xuất hiện do xử lý thông tin mào đầu hoặc ở bộ đệm dữ liệu trong các nút

* Tính toán thông lượng qua mỗi nút

Từ bảng 2.1 ta thấy số bước trung bình giữa hai nút mạng ngẫu nhiên

được biểu diễn như sau:

)}

)(

( {

1

0 1 1

j k

j

k K

j

j

p p j k jp N

1(2

)1(2)1)(

13

p k p

k

kp

Bảng 2.2 cung cấp một vài thông số đại diện cho biểu đồ Shufflenet

(p,k) và giới hạn Moore Do là mạng đa chặng nên chỉ có một phần dung

lượng B của tuyến là thực sự sử dụng để mang lưu lượng đưa ra ngay từ lần

đầu (lưu lượng mới đến) Trong khi đó phần dung lượng còn lại của tuyến

mang lưu lượng chuyển tiếp Nói cách khác mỗi chặng dùng một phần nhất

định trong toàn bộ tốc độ của mạng, mà tốc độ này bằng tích của các kênh

WDM (kpk +1

) nhân với tốc độ bit trên một kênh Giả thiết lưu lượng là đồng

nhất và sử dụng thuật toán định tuyến cân bằng lưu lượng tải trên các kênh

WDM thì thông suất của mạng được tính theo 2.11

h

B kp S

= 2.11

Bảng 2.2 Một số thông số đại diện biểu đồ ShuffleNet

gói thì trung bình chỉ có 1 /h gói tin tạo ra từ lưu

lượng đưa ra lần đầu Cuối cùng thông lượng lớn nhất trên một nút được rút ra

từ việc kết hợp các biểu thức 2.10 và 2.11 ta thu được biểu thức 2.12 :

)1(2)13)(

1(

)1)(

1(2

B kp p p N

S

2.12 Hình 2.15 biểu diễn thông lượng lớn nhất qua một nút có thể đạt được với các giá trị p khác nhau tính toán từ phương trình 2.12 Từ đồ thị ta thấy với N=1000 và B =1Gbps, p=2 chẳng hạn thì thông lượng toàn bộ của mạng có thể đạt 200 Gbps với 200Mbps lưu lượng đưa ra lần đầu từ mỗi nút

Kết quả trên chỉ đúng khi giả thiết lưu lượng đưa ra là đồng nhất cho tất cả các tuyến shufflenet Nhưng trong thực tế, tải đưa ra thay đổi bất kỳ không

đồng nhất Phụ thuộc vào thuật toán định tuyến được sử dụng thì thông lượng qua một nút mạng với lưu lượng không đồng nhất bị giảm với hệ số từ 0.3 đến 0.5 so với thông lượng khi lưu lượng đồng nhất Việc sử dụng các bộ thu phát thay đổi đựơc TT, TR cho phép việc kết nối thay đổi phù hợp với sự thay đổi của lưu lượng (hoặc khi mạng bị hỏng hóc)

p

4

8

2.4 ứng dụng mạng kỹ thuật đa truy nhập WDMA

2.4 1 Mạng WDMA đơn bước

Đã có rất nhiều mạng WDMA đơn bước được thiết kế và giới thiệu

trong các phòng thí nghiệm cũng như trong thực tế Các lĩnh vực ứng dụng của

nó rất đa dạng:

- Mạng quang thụ động WDMA tốc độ cao

- Mạng LAN băng thông cao ; mạng MAN & các mạng diện rộng WANs

- Là nền tảng của các bộ chuyển mạch gói và các bộ kết nối tốc độ cao của

đơn tần phát xạ trong khoảng 1,527 nm đến 1,561 nm , với độ phân cách kênh

là 2 nm và 18 bộ thu Tại mỗi nút thu sử dụng cách tử phân kênh để tách các

kênh quang riêng rẽ rồi chuyển đổi sang dạng tín hiệu điện tương ứng bằng

các điốt tách sóng

Σ λi

Coupler MxM

Nút

3

Nút 4

Nút N Giao diện

điện

Tx -λ 1

Các

bộ thu

Bộ tách kênh

Tx -λ 2

Bộ tách kênh

2.4.1.2 Mạng RAINBOW

Mạng sử dụng coupler hình sao 32x32 Mỗi nút mạng sử dụng 01 bộ phát cố định và 01 bộ thu điều chỉnh được (FT-TR), tại mỗi bộ thu sử dụng bộ lọc thay đổi được Fabry –Perot với tốc độ điều chỉnh cỡ mili giây RAINBOW được thiết kế ứng dụng cho mạng MAN chuyển mạch kênh với bán kính tới 50 km Tốc độ truyền dẫn cho mỗi nút vào khoảng 300 Mbps cho RAINBOW I và RAINBOW II tốc độ nút có thể đạt đến 1Gbps

Trong mạng RAINBOW giao thức yêu cầu để thiết lập và ngắt kết nối qua mạng sử dụng kiểu xắp xếp tìm kiếm vòng tròn Bản chất hoạt động của giao thức này có thể được hiểu như sau: Giả sử nút A muốn thiết lập kết nối hai hướng đến nút B Nút A bắt đầu bằng việc phát yêu cầu kết nối một cách lặp lại trên bước sóng λA Đồng thời nút A điều chỉnh bộ thu của nó trên bước sóng λB là bước sóng của bộ thu của nút B Yêu cầu kết nối trên bước sóng λA

chứa thông tin nguồn (nút A) và địa chỉ đích (nút B) được quảng bá tới tất cả các nút bằng bộ ghép hình sao NxN

Nếu nút đích B chưa sẵn sàng thiết lập kết nối với các nút khác Nó quét

bộ lọc quang của nó trên toàn bộ dải các bước sóng của bộ thu cho đến khi yêu cầu kết nối được xác đinh Khi xác định được yêu cầu kết nối bộ lọc quang sẽ khoá bước sóng λA và một bản tin chấp nhận kết nối được gửi lặp lại nhiều lần trên bước sóng λB Kết nối hai chiều giữa nút A và B được sau đó

được thiết lập kể từ khi hai nút có bộ lọc quang của chúng điều chỉnh đến

chính xác bước sóng Kết nối được giải phóng nếu không nhận được đữ liệu

trong một khoảng chu kỳ đã định trước

2.4.1.3 FOX - Bộ kết nối chéo quang tốc độ cao

FOX được đề xuất cho các ứng dụng kết nối các bộ vi sử lý chia sẻ bộ

nhớ trong các hệ thống máy tính sử lý song song Tuy nhiên nó có thể được áp

dụng trong lĩnh vực chuyển mạch quang phục vụ mạng viễn thông Cấu trúc

cơ bản của FOX được chỉ ra trong hình 2.17 Hệ thống sử dụng hai mạng hình

sao NxN kết nối với nhau: Một cho chuyển tải các gói dữ liệu, một cho

chuyển tải thông tin điều khiển Cả hai mạng đều sử dụng cấu trúc phát điều

chỉnh được – thu cố định (mạng “quảng bá - và - lựa chọn” cấu trúc TT-FR )

FOX dựa trên lập luận lưu lượng đồng nhất do đó chỉ có một xác suất nhỏ mà

hơn một gói số liệu dự định đến cùng đầu ra tại cùng thời điểm Nếu xuất hiện

xung đột tại một cổng ra thì gói tin được truyền lại theo một thuật toán riêng

cho tới khi thu được thành công Hệ thống FOX là hệ thống đầu tiên đòi hỏi

các điốt laze điều chỉnh với tốc độ cao cỡ nano giây để thực hiện chuyển mạch

Nx N Star coupler

1 2 N R2

FR

Ra trung kế quang # 2

1

T 2

TT

1 2

N

Trạng thái

cổng ra

E/O

2.4.1.4 HYPASS (High performance packet switch system)

Hình 2.18 Cấu trúc mạng WDMA –Hypass

Hệ thống chuyển mạch gói hiệu suất cao HYPASS là mở rộng của FOX, tuy nhiên có một số thay đổi Hình 2.18 chỉ ra cấu trúc của nó Về cơ bản vẫn sử dụng 02 bộ coupler hình sao NxN: Một để chuyền tải dữ liệu, một

để chuyển tải thông tin điều khiển Mạng chuyển tải dữ liệu sử dụng cấu trúc phát điều chỉnh được thu cố định (TT-FR) ngược lại mạng điều khiển sử dụng cấu trúc phát cố định thu điều chỉnh được(FT-TR) Hoạt động của HYPASS

dự trên nguyên tắc xếp hàng đầu vào/ điều khiển được đầu ra Nói cách khác

là điều khiển các cổng ra khi các cổng vào được phép truyền Trước hết là biến

đổi các gói dữ liệu đến cổng vào thành dạng tín hiệu điện và lưu trữ tạm thời trong bộ đệm đầu vào Giải mã gói tin tiêu đề chứa địa chỉ đích đến và bộ phát thay đổi được tại cổng vào của mạng chuyển tải dữ liệu được chuyển sang bước sóng tương ứng với địa chỉ của cổng ra Các gói dữ liệu được lưu trữ chờ trong bộ đệm đầu vào cho tới khi nhận được tín hiệu thăm dò được phát đi từ cổng ra mà cổng ra này mong muốn nhận được số liệu từ chính cổng vào đó

Nx N Star coupler

Nx N Star coupler

1 2

N R2

FR E/O

Ra trung kế quang # 2

Đầu vào quang #1

Tín hiệu thăm dò từ các cổng ra được quảng bá trên toàn bộ mạng điều khiển

đi đến các cổng vào Để nhận được tín hiệu yêu cầu từ cổng ra mong muốn thì

bộ thu tại cổng vào được điều chỉnh đến cùng bước sóng như là của bộ phát cố

định của địa chỉ cổng ra Trong lúc nhận đựơc tín hiệu yêu cầu từ cổng ra

mong muốn, dữ liệu trong bộ đệm được chuyển qua mạng chuyển tải dữ liệu

trên bước sóng của địa chỉ đích Đồng thời các gói tin từ các cổng vào khác

được truyền trên các bước sóng khác tới các cổng ra khác sử dụng cùng mạng

chuyển tải dữ liệu

Thăm dò cổng vào

Tín hiệu truyền từ cổng

Chu kỳ 1 1 tới 8 Đụng độ

dữ liệu đồng thời đến cùng một đích

Có rất nhiều giao thức tạo tín hiệu thăm dò (poll generation) được sử

dụng cho mạng Hypass Một giao thức được chọn cụ thể phụ thuộc chính vào

kiểu lưu lượng bên trong mạng Đối với chuyển mạch gói giao thức điều khiển

Chuyển mạch 8 x8 với 4 gói tin dự định đến cổng ra cho trước

không không

dựa trên thuật toán thăm dò hình cây (Tree polling) Giao thức này dựa trên biểu đồ hình cây động và giả thiết rằng số cổng là luỹ thừa của 2 tức là N=2k Thuật toán dựa trên cơ sở phát hiện xung đột để phân sử theo yêu cầu truy nhập Chu kỳ thăm dò đầu tiên đựơc bắt đầu bằng cách thăm dò tất cả các cổng vào Nếu không có hơn một gói dữ liệu cho cổng ra tương ứng thì chu kỳ

được hoàn tất ngay trong vòng đầu Nếu có hơn một gói dữ liệu dự định đến cổng ra thì các cổng vào nhận tín hiệu thăm dò sẽ phát các gói tin của nó và xảy ra xung đột tại các cổng ra Ngay khi phát hiện xung đột thì cổng đầu ra phát tín hiệu thăm dò để giới hạn số cổng đầu vào Nhóm tín hiệu thăm dò này

được lặp lại cho tới khi giải quyết được xung đột Thuật toán này được minh hoạ trong hình 2.19 ở đây có bốn yêu cầu đồng thời từ các cổng vào (từ các cổng vào 1,3,7,8) cần truy nhập tới cổng ra đã cho của chuyển mạch 8x8 Trong ví dụ số chu kỳ thăm dò là 9

Hình 2.20 Quan hệ giữa thời gian trễ trung bình và tải ρ trong mạng Hypass Phân tích hiệu suất của Hypass với thuật toán thăm dò hình cây động đã

được thực hiện dựa trên giả thiết lưu lượng là đồng nhất cho nên bất kỳ cổng

ra nào cũng được gửi đến với xác suất bằng nhau (1/N) Các bộ đệm đầu vào

là FIFO và do đó thông lượng của mạng sẽ chịu ảnh hưởng hiện tượng blocking HOL Hình 2.20 chỉ ra quan hệ giữa thời gian trễ trung bình và tải của tuyến vào ρ Từ đồ thị ta thấy tải cực đại bị giới hạn ở mức ρ=0.25 Với tuyến vào có tốc độ 5 Gbps và kích thước chuyển mạch 128x128 thì có thể đạt

được thông lượng đỉnh của mạng là 150 Gbps

0.0 0.05 0.1 0.15 0 20 0 25 0.30 0.35 Tải tuyến ρ

2.4.1.5 Mạng RINGGO

Hình 2.21 mô tả cấu trúc của mạng RINGGO, mạng chuyển mạch gói

RINGO là mạng ring cáp quang vô hướng Mạng này có N nút mạng bằng số

bước sóng sử dụng trong mạng, mỗi nút gắn một mảng phát cố định và một bộ

thu cố định hoạt động ở một bước sóng định trước và dùng để xác định nghĩa

nút mạng Ví dụ nút j sẽ tách bước sóng λj từ vòng ring Như vậy để truyền

thông với nút j, một nút i cho trước phải truyền dữ liệu trên bước sóng λj Tất

cả các bước sóng được chia thành các khe thời gian với chiều dài của khe thời

gian chính bằng thời gian truyền dẫn của gói tin có kích thước cố định cộng

với thời gian bảo vệ Mỗi nút kiểm tra trạng thái chiếm dụng bước sóng trên

lần lượt từng khe thời gian Đây là cơ sở để chống xung đột dữ liệu bằng cách

mô hình hoá đa kênh theo kiểu thăm dò khe thời gian rỗng Trong kiểu thăm

dò này một bit bắt đầu của mỗi khe thời gian chỉ thị trạng thái của khe thời

gian tương ứng có nghĩa là khe thời gian đó rỗi hay bị sử dụng Trong hình

2.22 là sơ đồ chi tiết của mỗi nút: Bao gồm bộ thu tương ứng một bước sóng

được rớt xuống, bộ giám sát trạng thái các khe thời gian qua khối các bộ thu

quang và van quang 90/10, khối các bộ phát cố định thông qua bộ liên kết

j trên λ j

Hình 2.22 Cấu trúc nút RINGO

2.4.2 Mạng WDMA đa bước 2.4.2.1 Mạng STARNET

Hình 2 23 : Cấu trúc chuyển mạch Starnet Starnet là mạng LAN – WDMA do phòng nghiên cứu thông tin quang - Standford University nghiên cứu phát triển Starnet có thể đồng thời chuyển tải lưu lượng chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói trên cùng một kiến trúc vật

lý Hệ thống cung cấp khả năng chuyển mạch kênh lưu lượng 3 Gbps qua WDMA đơn bước và 100 Mbps lưu lượng chuyển mạch gói qua WDMA đa bước Thực tế mạng Starnet có kiến trúc vật lý là hình sao nhưng cấu trúc logic (topologic) được tổ chức như là mạng ring Mỗi nút có một bộ phát và hai bộ

λdrop

D E M U

X

M U

Coupler hình sao

thu trong đó một bộ thu điều chỉnh được và một bộ thu cố định, sử dụng

coupler 4x4 như chỉ ra ở hình 2.23

Hệ thống hoạt động tại bước sóng trung tâm 1,319 nm trên cáp sợi

quang đơn mốt có bán kính mạng 4km đảm bảo mức Ber bằng 10-9 ở mức

công suất ngưỡng 10-dB Khi muốn gửi một gói dữ liệu từ một nút, một cách

đơn giản nó truyền gói tin tới nút tiếp theo Tại mỗi nút, dòng số liệu quang

được biến đổi thành dạng điện để cho nút xử lý gói tin (kiểm tra trường địa chỉ

đích) Nếu gói tin cần thiết gửi chuyển tiếp thì thông tin quang lại được gửi lại

cho nút tiếp theo của vòng ring ảo

2.4.2.2 Mạng HORNET

Giới thiệu chung : Mạng này do phòng nghiên cứu phát triển thông tin

quang Stanford University phát triển ứng dụng cho mạng MAN

(metropolitan), nó có khả năng truyền tải gói tin dạng IP hoặc các cell ATM

trực tiếp trên lớp WDM Mạng có cấu trúc TT –FR, có khả năng kết nối đến

100 điểm truy nhập mạng AN (access network) và bán kính hoạt động khoảng

100 km Cấu trúc mạng là đa chặng, sử dụng phương thức đa truy nhập lai

ghép giữa bước sóng và thời gian (T/WDMA) Do vậy nhiều nút mạng có thể

chia sẻ cùng một bước sóng nhưng ở các khe thời gian khác nhau và các gói

tin mang địa chỉ của điểm truy nhập đến nằm ở phần sóng mang phụ mào đầu

Khi một điểm truy nhập rẽ một bước sóng được lựa chọn, nó thực hiện

kiểm tra địa chỉ đích của gói tin Nếu gói tin mà có địa chỉ đến điểm truy nhập

bên dưới nó, thì nút thực hiện phát lại gói tin đó trên cùng bước sóng cho tới

khi nó đến đúng đích Mạng sử dụng giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng

mang có dò xung đột (CSMA/CA) Giao thức này cho phép nút mạng kiểm

tra lưu lượng trên tất cả các bước sóng để tránh đụng độ khi truyền dẫn Khi

một điểm truy nhập muốn truyền một gói tin tới một điểm đích xác định, nó

ghép tần số sóng mang phụ tương ứng với địa chỉ của điểm truy nhập đến và

giả sử rằng không có gói tin khác trên cùng bước sóng cùng đi đến điểm truy

nhập đích, thì nó được phép truyền gói tin và tone sóng mang phụ đã được

ghép ưu điểm chính của việc ghép sóng mang phụ mào đầu là tỷ số tín hiệu

mào đầu trên số liệu là không ảnh hướng đến hạn chế hiệu suất băng tần như

trong trường hợp tín hiệu mào đầu được phát song song với dữ liệu

Lần thử nghiệm đầu tiên mạng HORNET sử dụng các khe thời gian có

kích thước cố định, chiều dài của nó là bằng với chiều dài của một cell ATM

(53 byte) Thế hệ tiếp theo của mạng này sử dụng khe thời gian có kích thước thay đổi điều này là phù hợp với việc truyền tải các gói IP có kích thước thay

đổi Trong cả hai trường hợp việc đồng bộ thực hiện theo gói hoặc cell

Cấu trúc mạng: Hình 2.24 chỉ ra cấu trúc mạng theo đó mạng có đặc

tính : Đa kênh, cấu trúc vòng ring chia khe thời gian, sử dụng hai sợi quang cho hai hướng khác nhau Các mạng truy nhập được nối với AN bằng giao diện Gigabit Ethernet hoạt động ở tốc độ 1 Gb/s Các khe thời gian trên vòng ring có kích thước cố định bằng với kích thước khung của đơn vị truyền cực

đại trên Ethernet (MTU) vào khoảng 12,000 bits (hoặc 1,500 byte) Người ta

đã tiến hành thử nghiệm thành công trên mạng lưới hai cấu trúc mạng dựa trên công nghệ HORNET có các tham số như bảng 2.3; Trong đó ký hiệu 16/4/ 2.5

có ý nghĩa là 16 nút mạng, 4 bước sóng , tốc độ dữ liệu trên một bước sóng 2.5 Gb/s ; cũng tương tự như vậy với ký hiệu 64/4/10 Tuy nhiên các nghiên cứu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm chỉ ra rằng công nghệ này cần thêm một thời gian để hoàn thiện và nó có thể cung cấp được các mạng có số lượng nút lớn và tốc độ rất cao như : Cấu trúc 65/32/10 –dung lượng mạng khoảng 1,2Tb/s ; Cấu trúc 65/16/10 –dung lượng mạng khoảng 350 Gb/s v.v

Bảng 2.3 Các tham số thử nghiệm mạng HORNET

Chiều dài vòng Ring 138 240 mét 138 240 mét Thời gian trễ lan truyền : D 691.2 às 691.2 às

Số bước sóng trên một sợi quang:

Nw

4 4 Kích thước khe thời gian: S 12,000 bits 12,000 bits

Tốc độ dữ liệu trên 1 bước sóng :

Rw

2.5 Gb/s 10 Gb/s Tốc độ mạng : Rw x Nw 10 Gb/s 40 Gb/s

Tích trễ băng tần : BDP = Rw x D 1,728,000 bits 6,912,000 bits

Số khe thời gian trên bước sóng :

Sw =

BDP/S

144 576

AN AN

Bộ thu mào đầu

Tách khe

thời gian

Khôi phục

địa chỉ

Bộ thu dữ liệu

5 ns

Dữ liệu vào/ ra từ nút

Đến MAN

λ add

Hình 2.26 Nguyên lý hoạt động giao thức CSMA/CA trong mạng HORNET Công nghệ HORNET rất hứa hẹn tạo ra các mạng MAN cấu trúc vòng ring mang lưu lượng chuyển mạch gói Trong một vài năm gần đây các tổ chức viễn thông, các hãng chế tạo thiết bị và các nhà cung cấp dịch vụ Viễn thông đang tập trung xây dựng chuẩn mới cho mạng MAN chuyển mạch gói

(chuẩn IEEE 802.17) Những ưu điểm của nghệ HORNET và công nghệ

RPR của Cisco cũng đã được tận dụng để đưa vào khuyến nghị cho tiểu chuẩn này Cho đến nay công việc chuẩn hoá vẫn chưa kết thúc, do vậy các hãng viễn thông lớn trên thế giới như (Cisco, Nortel, Siemens , NEC v.v) đã và

đang phát triển các dòng sản phẩm riêng, nhìn chung cấu trúc và chức năng của các dòng sản phẩm này là tương tự như công nghệ HORNET hoặc công nghệ RPR hoặc là sự lai ghép giữa hai công nghệ này

Nhận xét

Chương 2 chúng ta đã phân tích các kỹ thuật liên quan đến mạng đa truy nhập theo bước sóng Mạng này rất có tiềm năng đáp ứng được các nhu cầu về băng thông lớn Trong đó cũng đã nêu ra một số mạng đã được thử nghiệm và triển khai Các mạng WDMA hình sao dự kiến có một vai trò then

Tần số

Không có f 10

Một sợi quang

Dữ liệu Sóng mang phụ

Sóng mang phụ Dữ liệu

Dữ liệu Sóng mang phụ

chốt trong tương lai của các mạng máy tính tốc độ cao, các mạng lai ghép đơn

bước - đa bước cấu trúc ring cũng mở ra những hứa hẹn lớn trong việc xây

dựng các mạng MAN chuyển mạch gói đáp ứng được lưu lượng cũng như các

loại hình dịch vụ trong tương lai Cho đến thời điểm này đã có rất nhiều các

linh kiện, phần tử cho mạng WDMA cũng đã và đang được phát triển hoàn

thiện điều này chỉ ra rằng các mạng WDMA có tốc độ và chất lượng cao đã

hội đủ điều kiện được đưa vào ứng dụng trong thời gian tới

Chương 3

kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng mang phụ - scma

3.1 Giới thiệu chung

Rất nhiều kỹ thuật sóng mang phụ của hệ thống thông tin quang được vay mượn từ công nghệ truyền dẫn vi ba trong đó sóng vi ba được sử dụng để truyền dẫn một số lượng các kênh tần số đã được ghép kênh qua phương tiên truyền dẫn Sóng mang phụ ở đây được hiểu theo nghĩa là các kênh vi ba đã

được điều chế sau đó lại được đưa vào điều chế quang và truyền dẫn trên cáp sợi quang Đây chính là nguyên lý của kỹ thật SCM (subcarrier multiplexing) Trong kỹ thuật SCM thông tin ở mỗi kênh được điều chế vào một sóng mang riêng và tất cả các sóng mang đã được điều chế sau đó được cộng lại sử dụng

bộ phối hợp công suất vô tuyến (RF) Sau đó tín hiệu tổng hợp được sử dụng

để điều chế cường độ sóng mang quang Tín hiệu quang được phát trong hệ thống thông tin quang theo kiểu điểm –tới - điểm hoặc điểm –tới -đa điểm (có thể bao gồm cả các bộ khuyếch đại quang) và được thu nhận bởi bộ tách sóng photodiode có băng thông rộng Sau đó bộ tách sóng photodiode sẽ biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Kênh mong muốn tại phía thu sẽ được chọn bằng bộ lọc thông dải vô tuyến hoặc thu theo kiểu máy thu đổi tần số (tuner) Tính độc lập của mỗi sóng mang phụ có nghĩa cả tín hiệu tương tự và tín hiệu

số đều có thể được truyền dẫn đồng thời

LO#i LO#N

Đầu thu

Đầu phát

Σ