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

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 Luận văn thạc sĩ Hà Nội – 2006... Đại học quốc g

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

Luận văn thạc sĩ

Hà Nội – 2006

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

Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thôngtin liên lạc

Mã số: 2.07.00

Luận văn thạc sĩ

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học:

TS Thái Văn Lan

Hà Nội - 2006

Mục lục 1

Danh mục hình vẽ bảng biểu 3

Các từ viết tắt 5

Mở đầu 9

Chương 1 Tổng quan Error! Bookmark not defined.

1.1 Giới thiệu mạng thông tin quang Error! Bookmark not defined.

1.1.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined.

1.1.2 Quá trình phát triển của mạng chuyển tải quang Error!

Bookmark not defined.

1.1.3 Ghép kênh quang phân chia theo bước sóngError! Bookmark not defined.

1.2 Các kỹ thuật chuyển mạch quang Error! Bookmark not defined.

1.2.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined.

1.2.2 Mạng chuyển mạch kênh quang Error! Bookmark not defined.

1.2.3 Mạng chuyển mạch gói quang Error! Bookmark not defined.

1.2.4 Mạng chuyển mạch chùm quang Error! Bookmark not defined.

1.3 Kết luận Error! Bookmark not defined.

Chương 2 Hệ thống chuyển mạch chùm quang Error! Bookmark not

defined.

2.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined.

2.1.1 Cấu trúc mạng Error! Bookmark not defined.

2.1.2 Các yêu cầu về công nghệ Error! Bookmark not defined.

2.1.3 Một số hiệu ứng tương tác lớp vật lýError! Bookmark not defined.

2.2 Cấu trúc mạng chuyển mạch chùm quangError! Bookmark not

defined.

2.2.1 Các mạng OBS đồng bộ và không đồng bộError! Bookmark not defined.

2.2.2 Cấu trúc các node mạng biên Error! Bookmark not defined.

2.2.3 Cấu trúc node mạng lõi Error! Bookmark not defined.

2.2.4 Phần xử lí gói điều khiển Error! Bookmark not defined.

2.3 Cấu trúc phân lớp trong mạng chuyển mạch chùm quang Error!

Bookmark not defined.

2.3.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined.

Mục lục

2.3.2 Cấu trúc phân lớp IP trong chuyển mạch chùm quang Error!

Bookmark not defined.

2.3.3 Cấu trúc phân lớp chuyển mạch chùm quangError! Bookmark

not defined.

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

Bookmark not defined.

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

Bookmark not defined.

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

Error! Bookmark not defined.

2.4.3 Các thành phần chính trong node mạng OBSError! Bookmark

not defined.

2.4.4 Xây dựng phần chuyển mạch quangError! Bookmark not defined.

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

Bookmark not defined.

2.5.1 Nguyên lý hoạt động của các cổng chuyển mạch Error!

Bookmark not defined.

2.5.2 Các yêu cầu chính Error! Bookmark not defined.

2.5.3 Sự phát triển của công nghệ SOAError! Bookmark not defined.

Chương 3 Phân tích đánh giá cấu trúc node mạng OBS Error! Bookmark

not defined.

3.1 Một số giả thiết Error! Bookmark not defined.

3.2 Yếu tố quỹ công suất Error! Bookmark not defined.

3.3 Một số thông số tiêu chuẩn và ảnh hưởng của chúng Error!

Bookmark not defined.

3.3.1 Các thông số tiêu chuẩn Error! Bookmark not defined.

3.3.2 Phân tích nhiễu Error! Bookmark not defined.

3.3.3 Xuyên âm Error! Bookmark not defined.

3.3.4 Ảnh hưởng của các bộ khuếch đạiError! Bookmark not defined.

3.3.5 Khả năng chuyển đổi bước sóng Error! Bookmark not defined.

3.3.6 Ảnh hưởng của sự bão hoà khuếch đại SOAError! Bookmark

not defined.

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

Nam……… Error! Bookmark not defined.

4.1 Mục tiêu phát triển chiến lược của mạng viễn thông Việt Nam

Error! Bookmark not defined.

4.1.1 Quan điểm chiến lược Error! Bookmark not defined.

4.1.2 Mục tiêu của chiến lược Error! Bookmark not defined.

4.1.3 Định hướng phát triển các lĩnh vựcError! Bookmark not defined.

4.2 Phân tích hiện trạng mạng viễn thông của TCTError! Bookmark

not defined.

4.2.1 Mạng chuyển mạch Error! Bookmark not defined.

4.2.2 Mạng truyền dẫn Error! Bookmark not defined.

4.2.3 Mạng truy nhập Error! Bookmark not defined.

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

ty………… Error! Bookmark not defined.

4.3 Xây dựng lộ trình chuyển đổi ứng dụng chuyển mạnh quang cho

mạng trục tổng công ty Error! Bookmark not defined.

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

ty Error! Bookmark not defined.

4.3.2 Lộ trình cho ứng dụng chuyển mạch quang trong giai đoạn

2006-2010 Error! Bookmark not defined.

4.3.3 Lộ trình cho úng dụng chuyển mạch quang trong giai đoạn

2010-2015………… Error! Bookmark not defined.

4.3.4 Giai đoạn sau 2015 Error! Bookmark not defined.

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

Các từ viết tắt

ACK acknowledgement Xác nhận

ASE Amplified Spontaneous

Emission

Bức xạ khuếch đại tự kích thích ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ AWG Arrayed Waveguide Grating Cách tử cấu tạo từ mảng

ống dẫn sóng 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

BPRB BHP Processor-Regenerator

Block

Khối xử lý tái tạo tiêu đề chùm dữ liệu

B-SOA Bulk SOA Bộ khuếch đại quang bán dẫn

cấu trúc khối CCG Control Channel Group Nhóm kênh điều khiển

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 Modulator Bộ điều chế dựa trên nguyên lý

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 Unsheduled

Channel

Kênh không lập lịch khả dụng mới nhất LAUC-VF Latest Available Unsheduled

Channel with Void Filling

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 Network Mạng diện đô thị

MDC Medium Dependent Component Thành phần phụ thuộc môi trường MEMS Micro-Electro-Mechanical

System

Hệ thống vi cơ điện tử

MQW-SOA

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

NF Noise Figure Hệ số nhiễu

NMP Network Management Mackets Các gói quản lý mạng

OADM Optical Add-Drop Multiplexer 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 RSVP Resource reSerVation Protocol Giao thức tích luỹ tài nguyên SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin

SCC Signaling Connection Control 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

NETworking system

Hệ thống mạng quang đồng bộ SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman

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

Emitting Laser

Laser có khoang cộng hưởng theo phương thẳng đứng

VOQ Virtual Output Queue Hàng đợi lối ra ảo

WDM Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng

WR-OBS Wavelength Routing OBS Hệ thống OBS định tuyến theo

bước sóng WRON Wavelength Routing 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

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tà i liệ u tham khả o tiế ng việ t

[1] Vũ Như Cươ ng [2001], Cơ sở củ a thông tin quang sợi, giáo trình giả ng dạ y hệ

đ ạ i họ c

[2] Vũ Như Cươ ng [2002], Cơ sở củ a quang tích hợp, giáo trình giả ng dạ y hệ đ ạ i

họ c

[3] Nguyễ n La Giang [1999], Nghiên cứu tiế p cậ n công nghệ chuyể n mạ ch quang trong mạ ng viễ n thông tương lai, Việ n Khoa họ c kỹ thuậ t bưu đ iệ n-Tổ ng cụ c

Bưu đ iệ n

[4] Nhà xuấ t bả n khoa họ c và kỹ thuậ t [1997], Công nghệ truyề n dẫ n quang, tổ ng

cụ c Bưu đ iệ n-tổ ng công ty Bưu chính viễ n thông

Tà i liệ u tham khả o tiế ng Anh

[5] Diplom-Ingenieurin Hao Buchta [2005], Analysis of physical constraints in an Optical Burst Switching Network, Dessertation

[6] Farid Farahmand [2005], Contention Resolution and Burst GroomingStrategies in Layered Optical Burst-Switched Networks, The University of Texas at Dallas

[7] H.Jonathan Chao [2002], Broadband packet switching teachnologies, A practical guide to ATM switches and IP router, A Wiley-Interscience Publication

[8] Jason P.jue, Vinod M.Vokkarane [2005], Optical Burst Swicthing networks, series Editor

University of California

[9] Regis J Bud bates [2001], Optical Switching and Networking handbook, McGraw-Hill

Companies

[10] Sudhir Dixit [2002], IP over WDM, Building the Next-generation Optical Internet,

Wiley-Interscience

[11] Selin Parlar [2005], A Monte Carlo Type Simulation Approach for Performance

Evaluation in Optical Burst Switched Networks, Istanbul Technical University

[12] Sen Zhang [2004], Advanced Optical Modulation Formats in High-Speed Lightwave System

[13] Temel Bilici [2003], Microsphere based channel dropping for optical communication,

Master of Science in Electrical and Electronics Engineering

[14] Yunbin Song [2002], Optical Communication System for Smart Dust, Master of

Science in Department of Electrical Engineering