Tìm hiểu vấn đề thiết kế, định tuyến và gán bước sóng cho mạng WDM

Xuất phát từ những vấn đề đã nêu trên, em đã chọn đề tài luận văn mang tên: “Tìm hiểu vấn đề thiết kế, định tuyến và gán bước sóng cho mạng WDM”, với nội dung của đề tài có thể được tóm

NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRƯƠNG THỊ DIỆU LINH

HÀ NỘI, 2010

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG VÀ CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM 7

I Giới thiệu hệ thống thông tin quang 7

II Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng 12

1 Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: 14

2 Truyền dẫn hai chiều trên một sợi: 14

III Các tham số cơ bản 16

IV Cấu trúc mạng WDM 19

1 Cấu trúc mạng ring 19

2 Cấu trúc mạng Mesh 19

4 Cấu trúc hình sao kép 21

5 Đặc trưng riêng của mạng quang 21

V Phân loại mạng WDM 22

1 Mạng single- hop 22

2 Mạng Multi- hop 23

CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN CỦA MẠNG WDM 24

I Chuyển mạch quang 24

II Các thành phần chính của hệ thống WDM 26

1 Sợi quang 26

2 Thiết bị đầu cuối OLT 27

3 Bộ ghép kênh xen/ rẽ quang OADM 29

4 Bộ khuếch đại quang EDFA 34

5 Bộ kết nối chéo quang OXC 36

a) Chức năng OXC 36

b) Phân loại OXC 40

III Sự chuyển đổi bước sóng 43

CHƯƠNG 3: ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM 46

I Tổng quan về định tuyến và gán bước sóng (Routing and Wavelength Assignment - RWA) 47

1 Điều kiện tính liên tục bước sóng: 47

2 Điều kiện tính riêng biệt về bước sóng 48

II Bài toán RWA 49

1 RWA dành cho lưu lượng mạng cố định (static traffic): 49

2 RWA dành cho lưu lượng mạng thay đổi (dynamic traffic): 50

III Định tuyến 51

1 Định tuyến tĩnh 52

2 Định tuyến động 57

IV Gán bước sóng 66

1 Gán bước sóng trong S-RWA 66

2 Gán bước sóng trong D-RWA 68

a) Kiểu gán Random 68

b) Kiểu gán First – Fit 69

c) Phép gán Least - Used: 70

d) Phép gán Most – used 72

e) Phép gán Min-Product (MP) 72

f) Phép gán theo giải thuật Least-Loaded (LL) 73

KẾT LUẬN 75

TÓM TẮT LUẬN VĂN 76

ABSTRACT 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang 8

Hình 1.2 Cấu trúc một hệ thống WDM cơ bản 13

Hình 1.3 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi 14

Hình 1.4 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi 15

Hình 1.5 Mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX) 16

Hình 1.6 Xuyên kênh ở bộ tách kênh (a) 17

Hình 1.7 Cấu trúc mạng Ring 6 Node 19

Hình 1.8 Cấu trúc dạng Mesh 20

Hình 1.9 Cấu trúc hình sao đơn 20

Hình 1.10 Cấu trúc hình sao kép 21

Hình 2.1: OLT 28

Hình 2.2 Vai trò của OADM trong mạng 30

Hình 2.3 Các kiến trúc 32

Hình 2.4 EDFA 35

Hình 2.5 Mạng WDM định tuyến bước sóng 37

Hình 2.6 Các khối chức năng của OXC 38

Hình 2.7 Trạng thái của OXC 40

Hình 2.8 Hybrid OXC 41

Hình 2.9 OXC toàn quang WGR 42

Hình 2.10 Sự chuyển đổi bước sóng 43

Hình 2.11 Các khả năng chuyển đổi bước sóng 45

Hình 3.1 Điều kiện tính liên tục bước sóng 48

Hình 3.2 Đường đi ngắn nhất cố định từ nút 0 đến nút 2 .59

Hình 3.3 Một đường đi thay thế giữa nút 0 và nút 2 .62

Hình 3.4 Bảng khoảng cách của nút nguồn E 65

Hình 3.5 Yêu cầu thiết lập kết nối và đồ thị chuyển đổi tương ứng 67

Hình 3 6 Các bước sóng được gán bởi giải thuật First-Fit .70

Hình 3.7 Trạng thái ban đầu 70

Hình 3.8 Gán bước sóng theo LU 71

Hình 3.9 Trạng thái của mạng 73

Bảng 1.1 Sự phân chia các băng sóng 12

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, công nghệ ghép kênh quang phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) đã và đang được phát triển rộng rãi Hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông lớn tại Việt Nam đều đã sử dụng công nghệ WDM để truyền tải dung lượng lớn trên hệ thống Do tốc độ phát triển đô thị rất nhanh, nhiều khu đô thị mới hình thành đã khiến cho hệ thống mạng truyền dẫn phải triển khai mới rất phức tạp và phải đáp ứng về mặt thời gian, kỹ thuật cũng như chất lượng dịch vụ cho người tiêu dùng Một yếu tố nữa là vấn đề chi phí khi triển khai hệ thống mạng, để tiết kiệm chi phí nên các nhà cung cấp thường triển khai đường mạng dựa trên hệ thống trước đó, điều này đã khiến cho hệ thống không còn tối ưu Để tăng dung lượng đường truyền thì một giải pháp được nghĩ ngay đến đó là tăng số lượng các bước sóng sử dụng trong hệ thống Tuy nhiên, các bước sóng sử dụng trong hệ thống WDM là hạn chế, do đó vấn đề đặt ra là phải làm thế nào để có thể sử dụng các bước sóng một cách hiệu quả nhất Giải quyết được vấn đề này tức là nâng cao năng lực của mạng với số tối đa tải trên một bước sóng cho trước, đây chính là vai trò của việc định truyến các bước sóng trong mạng Việc định truyến tốt sẽ cho phép sử dụng tối ưu các bước sóng khi xây dựng một mạng mới và làm giảm chi phí cho thiết bị Do đó, vai trò của việc định tuyến

và gán bước sóng trong việc thiết kế hệ thống mạng WDM là rất quan trọng

Xuất phát từ những vấn đề đã nêu trên, em đã chọn đề tài luận văn mang tên:

“Tìm hiểu vấn đề thiết kế, định tuyến và gán bước sóng cho mạng WDM”, với

nội dung của đề tài có thể được tóm tắt qua các chương sau:

Chương 1: Giới thiệu chung về hệ thống và công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM

Nhằm giới thiệu chung về hệ thống WDM, nguyên lý, cấu trúc, các đặc trưng của một hệ thống WDM…

Chương 2: Các thành phần của mạng WDM

Chương này em trình bày các thành phần cơ bản của một hệ thống mạng WDM, bao gồm các thiết bị đầu cuối, bộ khuếch đại, xen rẽ quang…

Chương 3: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM

Bao gồm các vấn đề về định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM Các giải pháp trong định truyến và gán bước sóng Một số phương pháp định tuyến và gán bước sóng trong WDM

Để hoàn thành luận văn này em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình

của cô giáo – Tiến sỹ Trương Thị Diệu Linh ở Bộ môn Truyền thông và Mạng,

Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông, Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô Linh, người đã trực tiếp hướng dẫn

em hoàn thành luận văn, cùng toàn thể các thầy cô của trường Đại Học Bách Khoa

Hà Nội, bạn bè và người thân đã tạo điều kiện cũng như giúp đỡ, cổ vũ em hoàn thành luận văn này

Do trong quá trình thực hiện còn có những chỗ sai sót, kinh nghiệm thực tiễn của em chưa nhiều, rất mong nhận được sự thông cảm và góp ý của các thầy cô

Em xin chân thành cám ơn!

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG VÀ CÔNG NGHỆ

GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM

I Giới thiệu hệ thống thông tin quang

của mạng viễn thông Với tốc độ phát triển rất nhanh như hiện nay, nhu cầu về truyền dữ liệu của người dùng ngày càng đòi hỏi cao hơn, nên các hệ thống truyền dẫn cũng ngày càng phải cải tiến để đáp ứng kịp với nhu cầu của con người Từ khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang được đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, mọi người đều thừa nhận rằng phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng

to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại

Các nhà sản xuất đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154 dB/km tại bước sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hơn hai thập niên qua Cùng với đó là sự tiến bộ lớn trong công nghệ chế tạo các nguồn phát quang và thu quang, để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại Dưới đây là những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các môi trường truyền dẫn khác, đó là:

¾ Suy hao truyền dẫn nhỏ

¾ Băng tần truyền dẫn rất lớn

¾ Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ

¾ Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao

¾ Có kích thước và trọng lượng nhỏ

¾ Sợi có tính cách điện tốt

¾ Độ tin cậy cao

¾ Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có

Nguồn phát quang

Mạch điều khiển

Phát quang

Trạm lặp

Khuếch đại quang Đầu thu quang Khôi phục tín hiệu

Khuếch đại

Bộ thu quang

Mạch điện

Tín hiệu đầu ra

Mối hàn sợi

Bộ nối quang

Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh mẽ các nhà khai thác viễn thông Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, và tuyến trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai

Mô hình chung của một tuyến thông tin quang như sau:

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang

Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang

và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin

quang còn có các bộ nối quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh

Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó

có suy hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850 nm, 1300 nm và 1550 nm

Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ thứ nhất được sử dụng Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba

Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD) Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với

sự thay đổi của dòng điều biến Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều biến Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo Đoạn sợi quang ra (pigtail) của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên tuyến

Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên

Bộ tách sóng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa tới Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện Các photodiode PIN và photodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng và đoạn sợi quang

đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống

Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến Cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào nhau Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang

Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ

Ta phải giải quyết bài toán tăng băng thông cho viễn thông tương lai Xét ba phương thức truyền dẫn sau:

- Truyền dẫn ghép phân không gian SDM (Space Devision

Multiplexing): đơn giản và không cần sự phát triển công nghệ, chỉ đơn thuần là

tăng số lượng sợi quang, tốc độ truyền dẫn vẫn giữ nguyên Ta có thể chọn SDM nếu trên tuyến truyền dẫn cần tăng băng thông đã có sẵn số lượng sợi quang chưa

dùng và khoảng cách tuyến truyền dẫn là đủ ngắn để không cần dùng các bộ lặp,

bộ khuếch đại Nếu khoảng cách là xa, khi đó chi phí sẽ vụt tăng do mỗi hệ thống lắp thêm đều cần một số lượng bộ lặp, bộ khuyếch đại như hệ thống cũ

- Truyền dẫn ghép phân thời gian TDM (Time Devision Multiplexing):

tăng tốc độ truyền dẫn lên trên sợi quang Khi tiếp tục dùng phương thức truyền thống này, ta phải xem xét đến hai vấn đề: trước và khi truyền trên sợi quang Trước khi chuyển thành tín hiệu quang để truyền đi, các linh kiện điện tử có khả năng xử lí với tốc độ bit tối đa là bao nhiêu? Thực tế hiện nay cho thấy, ở đa số các mạng truyền dẫn, linh kiện điện tử có khả năng đáp ứng tốt đối với các dòng tín hiệu ở tốc độ 2.5 Gbps hoặc 10 Gbps Như vậy thì chưa giải quyết trọn vẹn bài toán tăng băng thông Trong phòng thí nghiệm đã cho các linh kiện hoạt động ở tốc

độ 40 Gbps hoặc 80 Gbps Ðể TDM có thể đạt được những tốc độ cao hơn, các phương pháp thực hiện tách/ghép kênh trong miền quang, được gọi là phân kênh

thời gian trong miền quang (Optical time Division Multiplexing – OTDM) đang

được tích cực triển khai Các kết qủa nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy OTDM có thể ghép được các luồng 10Gbit/s thành luồng 250Gbit/s Nhưng khi đó, truyền trên sợi quang sẽ vấp phải các vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn: tán sắc sắc thể, tán sắc phân cực, phi tuyến tính

- Truyền dẫn ghép phân bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing): ghép thêm nhiều bước sóng để có thể truyền trên một sợi quang,

không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng Công nghệ WDM có thể mang đến giải pháp hoàn thiện nhất trong điều kiện công nghệ hiện tại Thứ nhất

nó vẫn giữ tốc độ xử lý của các linh kiện điện tử ở mức 10 Gbps, bảo đảm thích hợp với sợi quang hiện tại Thay vào đó, công nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sóng 1260 nm đến

1675 nm Khoảng bước sóng này được chia làm nhiều băng sóng hoạt động như minh họa trên bảng 1.1 Thoạt tiên, hệ thống WDM hoạt động ở băng C (do EDFA

hoạt động trong khoảng băng sóng này) Về sau, EDFA có khả năng hoạt động ở

cả băng C và băng L nên hệ thống WDM hiện tại dùng EDFA có thể hoạt động ở

cả băng C và băng L Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 Ghz (đảm bảo khả năng chống xuyên nhiễu kênh trong điều kiện công nghệ hiện tại), sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt động trên mỗi băng Như vậy, nếu vẫn giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh truyền, dùng công nghệ WDM cũng đủ

làm tăng băng thông truyền trên một sợi quang lên 64 lần

Bảng 1.1 Sự phân chia các băng sóng

II Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng

Khái niệm:

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là phương thức ghép kênh cho phép ghép nhiều sóng quang có bước sóng khác nhau nhờ vào một bộ Ghép kênh (Multiplexing - MUX) rồi truyền trên 1 sợi quang Các sóng khác nhau sẽ được tách ra nhờ vào một bộ Tách kênh (Demultiplexing - DEMUX) ở đầu bên kia của sợi quang, khôi phục lại tín hiệu gốc để đưa vào sử dụng

Sơ đồ chức năng:

Hình 1.2 Cấu trúc một hệ thống WDM cơ bản

Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng

điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM) Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh

hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp

số đồng bộ (SDH/SONET) Các nhà cung cấp DWDM đã sớm phát triển các thiết

bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn Có hai hình thức cấu thành hệ thống WDM đó là:

Khuếch đ

1 Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi:

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 1.3), ở đầu phát các

bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh ở chiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên

Hình 1.3 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi

2 Truyền dẫn hai chiều trên một sợi:

Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hướng đi, các kênh

hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước

cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (song công)

Máy phát

quang Máy phát

quang Máy thu

quang Máy thu

quang

Bộ ghép kênh

Bộ tách kênh

Bộ khuếch đại quang

Bộ khuếch đại quang

Bộ tách kênh

Bộ ghép kênh

Máy thu quang Máy thu quang Máy phát quang Máy phát quang

Hình 1.4 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi

Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển tương đối rộng rãi Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghép kênh Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng quang Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế các bộ tách kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được

sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải làm việc ổn định

Hệ thống WDM được thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây ra suy hao truyền dẫn Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của các thiết bị thấp, cần phải tối thiểu hoá thành phần công suất có thể gây ra phản xạ tại các phần tử ghép, hoặc tại các điểm ghép nối các module, các mối hàn , bởi chúng có thể làm gia tăng vấn đề xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suy giảm nghiêm trọng tỉ số S/N của hệ thống Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêm trọng đối với hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do đó hệ thống này có khả năng ít được lựa chọn khi thiết kế tuyến

Máy phát

quang

Bộ khuếch đại quang

Máy thu quang

Máy thu quang Máy phát quang Máy phát quang

Ở một mức độ nào đó, để đơn giản ta có thể xem xét bộ tách bước sóng như

bộ ghép bước sóng chỉ bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng Như vậy hiểu đơn giản, từ “Bộ ghép - Multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để xét cho cả bộ ghép và bộ tách; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng Người ta chia loại thiết bị OWDM làm

ba loại: Các bộ ghép (MUX), các bộ tách (DEMUX) và các bộ ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX) Các bộ MUX và DEMUX được sử dụng trong các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn loại thứ ba MUX-DEMUX được sử dụng cho các phương án truyền dẫn theo hai hướng Hình 1.5 mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp

Hình 1.5 Mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX)

III Các tham số cơ bản

Các tham số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép/tách hỗn hợp là suy hao xen, suy hao xuyên kênh và độ rộng kênh Để đơn giản, ta hÃy phân biệt ra thành thiết bị một hướng (gồm các bộ ghép kênh và tách kênh độc lập) và thiết bị

Sợi dẫn quang

được ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k Ký

các tín hiệu quang không phát một lượng công suất đáng kể nào ở ngoài độ rộng phổ kênh đã định trước của chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh là không đáng lưu tâm ở đầu phát Bây giờ ta xem xét các thông số:

• 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 truyền dẫn quang WDM Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân thiết bị ghép gây ra Suy hao xen được diễn giải tương

tự như suy hao đối với các bộ ghép coupler chung, nhưng cần lưu ý là ở WDM là xét cho một bước sóng đặc trưng:

truyền dẫn Các tham số này luôn phải được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị

Hình 1.6 Xuyên kênh ở bộ tách kênh (a)

Và ở bộ ghép - tách hỗn hợp (b)

DEMUX I(λ1) I(λk)

O i (λi) + U i (λk) Sợi quang I(λ 1 ) I(λ k )

Sợi quang O(λj)

• Suy hao xuyên kênh: mô tả một lượng tín hiệu từ kênh này được ghép 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 mức xuyên kênh nhỏ hơn (-30dB) trong mọi trường hợp

Trong một bộ tách kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ

Nhưng trong thực tế, luôn luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, và làm giảm chất lượng truyền dẫn của thiết bị Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB như sau:

như ở hình 1.6 b), việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được xác định như ở bộ tách ở trường hợp này, phải xem xét cả hai loại xuyên kênh

“Xuyên kênh đầu xa” là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền

cho ra các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị

• Độ rộng kênh: là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang

riêng Nếu nguồn phát quang là các diode Laser thì độ rộng kênh được yêu cầu vào khoảng vài chục nanomet để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh

do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra (ví dụ khi nhiệt độ làm việc thay đổi sẽ làm trôi bước sóng đỉnh hoạt động) Đối với nguồn phát quang là

diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi

vì độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn

IV Cấu trúc mạng WDM

Khi ra đời hệ thống WDM chỉ đơn giản là cấu trúc điểm- điểm Hiện nay các mạng WDM có cấu trúc mạng phức tạp hơn rất nhiều Nó bao gồm các mạng con được kết nối trực tiếp với nhau Có hai loại cấc trúc mạng con như sau: Cấu trúc Ring, và cấu trúc Mesh, cấu trúc hình sao đơn cấu trúc hình sao kép

1 Cấu trúc mạng ring

Một node chỉ liên kết vật lý trực tiếp với hai node liền kề tạo thành vòng ring khép kín Về kết nối logic, một node có thể có kết nối đến tất cả các node bằng cách định tuyến qua các node trung gian Kết nối này thuận lợi cho việc bảo vệ với hiệu năng cao, giá thành thấp và sử dụng các phần tử mạng hiệu quả Mỗi node ring có các bộ ghép kênh xen/rẽ quang OADM để rẽ /xen các bước sóng

Hình 1.7 Cấu trúc mạng Ring 6 Node

2 Cấu trúc mạng Mesh

đến một node bất kỳ Nó cung cấp nhiều khả năng định tuyến Lưu lượng trên cáp trong mạng Mesh có thể mở rộng, và dung lượng yêu cầu trên tuyến có thể dễ dàng

dự báo được Cấu trúc này có độ tin cậy cao, nhưng kết cấu phức tạp, việc điều khiển và quản lý đòi hỏi phức tạp hơn Nó thường được sử dụng trong các mạng trục yêu cầu độ tin cậy cao

Hình 1.8 Cấu trúc dạng Mesh

3 Cấu trúc hình sao đơn

này đơn giản, cho phép truyền được dung lượng kênh lớn, thiết bị mạng không phức tạp, thuận lợi cho khai thác và bảo dưỡng Tuy nhiên cấu trúc này có nhược điểm là sử dụng nhiều sợi quang do đó không tận dụng được hiệu quả băng tần Một nhược điểm giữa node trung tâm phải có khả năng dung lượng cao, mà khi node này có sự cố thì hệ thống không làm việc được

Hình 1.9 Cấu trúc hình sao đơn

4 Cấu trúc hình sao kép

xa Từ node trung tâm tới các thiết bị đầu xa, cũng như từ các thiết bị đầu xa tới node con đều có cấu trúc hình sao, như vậy tạo thành cấu trúc hình sao kép Cấu trúc kép cho phép sử dụng hiệu quả vì mỗi nhánh có thể có nhiều node con Tuy nhiên cấu trúc này có nhược điểm là do có sử dụng thiết bị đầu xa nên chi phí lắp đặt cao hơn, cấu hình phức tạp hơn sẽ làm giảm độ tin cậy, khó phát triển cho các dịch vụ băng rộng Cũng giống như đặc điểm chung của cấu trúc hình sao, cấu hình này đòi hỏi năng lực quản lý của node trung tâm phải mạnh, có thể lưu thoát thông tin giữa các node trung tâm tới các node con, và giữa các node con với nhau

Hình 1.10 Cấu trúc hình sao kép

5 Đặc trưng riêng của mạng quang

• Dung lượng cao : Mạng lõi phải sử dụng với nhiều ứng dụng và dịch vụ

được dự tính trong tương lai, với độ rộng băng tần khác nhau Do đó mạng phải có dung lượng lớn và có khả năng kiểm soát tín hiệu của kênh quang

• Sự trong suốt : Với chức năng quang học và để giảm bớt sự phức tạp của

thiết bị, tín hiệu phải hoàn toàn trong suốt trong miền quang Có một vài

dịch vụ có thể xác định như là khuôn dạng tín hiệu, tốc độ bit, mode truyền tải dịch vụ Sự trong suốt thường không tồn tại, trong khi các ràng buộc vật

lý luôn luôn gây ra giới hạn của sự trong suốt

• Tính linh hoạt: Tham chiếu tới khả năng của mạng để điều tiết thay đổi

trong những mẫu lưu lượng Điều này có thể dễ dàng trong mạng quang khi tính hạt của tín hiệu được kiểm soát

• Tính kết nối được: là khả năng thiết lập kết nối một cách độc lập với trạng

thái thực trạng của mạng Khả năng kết nối đầy đủ có nghĩa là bất kỳ kết nối nào giữa hai node bất kỳ của mạng có thể thiết lập ở bất kỳ mọi thời điểm Trong mạng quang là các bước sóng có thể dùng được, khóa OXC hoặc giới hạn số bước sóng của OADM là giới hạn chính của sự hạn chế khả năng kết nối quang toàn diện

• Tính phát triển: Là khả năng cung cấp dung lượng hoặc chức năng của

mạng bằng cách thêm thiết bị mới đồng nhất Trong mạng quang việc tăng dần các bước sóng có thể sử dụng được mà không thay đổi toàn bộ thiết bị WDM là một thể hiện tính phát triển

V Phân loại mạng WDM

1 Mạng single- hop

Trong mạng quang WDM single- hop, một khi luồng dữ liệu được phát đi dưới dạng ánh sáng sẽ đến được đích trực tiếp mà không cần phải chuyển sang dạng điện ở những node trung gian Để truyền dẫn một gói, một trong những laser phát của nút gởi và một trong những bộ thu của node nhận phải được chỉnh đến cùng một bước sóng trong khoảng thời gian truyền dẫn gói

Trong các mạng chuyển mạch mạch, tốc độ điều chỉnh của các bộ thu phát thường yêu cầu thấp Ngược lại trong các mạng chuyển mạch gói, các bộ thu phát

ở các node cần được chỉnh đến các bước sóng khác nhau một cách nhanh chóng để gửi và nhận các gói tin khác tiếp theo Bên cạnh vấn đề kĩ thuật của việc chuyển đổi bước sóng nhanh, một thách thức quan trọng khác nữa là phát triển các giao thức để phối hợp hiệu quả những kết nối ở các bước sóng khác nhau trong mạng

Để một hệ thống single- hop hoạt động hiệu quả, băng thông được cấp phát giữa các node đang tranh chấp phải được quản lí linh động Các hệ thống này có thể phân thành hai loại: có phối hợp trước khi truyền dẫn và không yêu cầu phối hợp trước khi truyền dẫn

Các loại phối hợp dùng một kênh điều khiển đơn dùng chung giữa các node

và sự truyền dữ liệu thật sự xảy ra thông qua một số các kênh dữ liệu Các node rỗi cần giám sát kênh điều khiển Trước khi phát hoặc thu gói dữ liệu, một gói chỉnh

bộ phát hay bột thu của nó đến kênh dữ liệu thích hợp Ngược lại trong hệ thống loại thứ hai, không có sự tồn tại của kênh điều khiển và các node phát hoặc thu từ các kênh được định trước

2 Mạng Multi- hop

Mạng multi- hop khắc phục được nhược điểm này bằng cách tránh sử dụng

bộ thu phát điều chỉnh bước sóng Mỗi node được trang bị một số các bộ thu phát quang được chỉnh cố định Mỗi bộ phát trong mạng được chỉnh đến một bước sóng khác nhau Kết nối trực tiếp single- hop giữa hai node chỉ có thể xảy ra khi nếu nút đến có một trong những bộ thu của nó được chỉnh đến một trong những bước sóng của node gởi Sự kết nối giữa một cặp node bất kì trong mạng đạt được bằng cách định tuyến thông qua các node trung gian Ở đó kênh thông tin quang được chuyển thành dạng điện, địa chỉ đến của gói được giải mã, sau đó gói được chuyển mạch điện và được phát lại trên bước sóng để đến node đích hoặc đến các node trung gian khác mà ở đó quá trình này được lặp lại Vì vậy, một gói sẽ trải qua nhiều bước sóng thông qua một số node trung gian trước khi đến được node đích

xử lí điện tử (sự chuyển đổi quang- điện O/E), sau đó được chuyển lại thành tín quang để truyền đi Điều này đã làm giảm tốc độ mạng, giải pháp đặt ra là xây dựng mạng mà trong đó tín hiệu được xử lí hoàn toàn trong miền quang, gọi là mạng toàn quang

Trong mạng toàn quang, dữ liệu đi từ nguồn đến đích hoàn toàn dưới dạng quang mà không cần bất cứ sự chuyển đổi quang- điện nào trên đường đi, việc điều khiển xử lí chuyển mạch cũng được thực hiện dưới dạng quang Tuy nhiên, mạng toàn quang hiện tại vẫn chưa được tiến hành thành công bởi những tồn tại của nó Các thiết bị logic hoàn toàn trong miền quang khó thực hiện hơn nhiều so với các thiết bị logic điện tử Bởi vì, khác với các electron thì các photon không tương tác ảnh hưởng lẫn nhau, thường thì các thiết bị logic phức tạp đều được tạo ra bằng cách sử dụng công nghệ điện tử Bên cạnh đó, các trạm lặp bằng quang cũng rất khó thực hiện hơn nhiều so với các trạm lặp điện tử mặc dù các trạm lặp trong mạng toàn quang được đặt ở những khoảng cách định kì rất xa nhau

I Chuyển mạch quang

Hầu hết các thiết bị mạng ngày nay đều dựa trên tín hiệu điện, điều đó có nghĩa tín hiệu quang cần chuyển đổi sang tín hiệu điện để được khuếch đại, tái tạo hoặc chuyển mạch và sau đó được chuyển đổi trở lại tín hiệu quang Điều này nói đến sự chuyển đổi optical-to-electronic-to-optical (O-E-O) và là công việc cốt lõi

hết sức có ý nghĩa trong việc truyền tín hiệu Số lượng lớn tín hiệu đi qua mạng quang cần được chuyển mạch qua các điểm khác nhau, được gọi là các node Thông tin đến node sẽ được chuyển về phía trước theo hướng đến nơi mà nó được gửi tới qua đường tốt nhất có thể, con đường này có thể xác định bởi các yếu tố như khoảng cách, chi phí, độ tin cậy, băng thông… của tuyến đó Cách chuyển đổi tín hiệu để thực hiện chuyển mạch là để tách ánh sáng từ những đầu vào sợi quang, chuyển đổi nó sang tín hiệu điện và sau đó chuyển đổi trở lại tín hiệu ánh sáng laser, tín hiệu này được gởi đi trong sợi quang

Vấn đề cơ bản của chuyển mạch quang là thay thế sự tồn tại của chuyển mạch mạng điện bằng mạng toàn quang, sự cần thiết của việc chuyển đổi O-E-O được loại bỏ Những thuận lợi của khả năng này khi tránh được việc chuyển đổi O-E-O là điều hết sức ý nghĩa Đầu tiên chuyển mạch quang có thể rẻ hơn bởi vì không cần nhiều tín hiệu điện tốc độ cao đắt tiền

Các bộ chuyển mạch quang cho nhiều ứng dụng trong mạng quang Mỗi ứng dụng yêu cầu thời gian chuyển mạch và số cổng chuyển mạch khác nhau Một ứng dụng của chuyển mạch quang là cung cấp các lightpath Với ứng dụng này, chuyển mạch được sử dụng bên trong bộ kết nối chéo nhằm cấu hình lại chúng để cung cấp các lightpath mới Một phần mềm được thêm vào để quản lí mạng từ đầu cuối đến đầu cuối Vì thế với ứng dụng này, các bộ chuyển mạch với thời gian chuyển mạch

ms có thể chấp nhận, nhưng các bộ chuyển mạch ở đây đòi hỏi phải có kích thước lớn

Một ứng dụng quan trọng khác là chuyển mạch bảo vệ Ở đây các chuyển mạch được sử dụng để chuyển các luồng lưu lượng từ sợi chính sang sợi khác trong trường hợp sợi chính gặp sự cố Toàn bộ hoạt động như thời gian tìm ra lỗi, thông tin lỗi đến các phần tử mạng điều khiển việc chuyển mạch và quá trình chuyển mạch thực sự đòi hỏi phải hoàn thành trong thời gian rất ngắn Có thể có

nhiều dạng chuyển mạch bảo vệ khác nhau, phụ thuộc vào phương pháp được sử dụng, số các cổng chuyển mạch cần thiết có thể thay đổi từ hàng trăm đến hàng ngàn cổng khi sử dụng trong các bộ kết nối chéo bước sóng

II Các thành phần chính của hệ thống WDM

Cấu trúc của mạng WDM gồm có các thành phần: thiết bị đầu cuối OLT, các

bộ ghép kênh xen/ rẽ quang OADM, các bộ kết nối chéo quang OXC liên kết với nhau qua các kết nối sợi quang Ngoài ra còn có bộ khuếch đại để bù suy hao trên

đường truyền

1 Sợi quang

Các mạng quang đều sử dụng môi trường truyền dẫn là các sợi quang Sợi quang có đặc tính là suy hao và tán sắc thấp và là môi trường phi dẫn Sợi quang đơn mode chuẩn cũng như sợi dịch tán sắc, hoặc sợi tán sắc phẳng đã được ITUT chuẩn hoá

b Sợi quang G.653

Muốn xây dựng các tuyến thông tin quang tốc độ cao, cự ly dài thì cần phải sử dụng một loại sợi có cả suy hao và tán sắc tối ưu tại một bước sóng Hiện nay, bằng cách thay đổi mặt cắt chiết suất có thể chế tạo được sợi tán sắc dịch chuyển, tức là sợi có tán sắc và suy hao tối ưu ở cùng một bước sóng Loại sợi này gọi là sợi DSF hay sợi G.653

c Sợi quang G.654

G.654 là sợi quang đơn mode tới hạn thay đổi vị trí bước sóng cắt Loại sợi này có đặc điểm: suy hao ở bước sóng 1550 nm giảm nhưng tán sắc vẫn tương đối lớn; điểm tán sắc bằng không vẫn ở bước sóng 1310 nm; G.654 chủ yếu được sử dụng ở các tuyến cáp quang biển

d Sợi quang G.655

Sử dụng sợi quang nào thích hợp nhất cho hệ thống WDM luôn là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm Do tính chất ưu việt của sợi quang G.653 (DSF) ở bước sóng 1550 nm mà nó trở thành sợi quang được chú ý nhất Nhưng nghiên cứu kỹ người ta phát hiện ra rằng khi dùng G.653 trong hệ thống WDM thì

ở khu vực bước sóng có tán sắc bằng không sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi hiệu ứng phi tuyến Đây là nhược điểm chính của DSF Từ đó xuất hiện một loại sợi quang mới - sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không (NZ-DSF), còn gọi là sợi quang đơn mode G.655 Điểm tán sắc bằng không của nó không nằm ở 1550 nm

mà dịch tới 1570 nm hoặc gần 1510 - 1520 nm Giá trị tán sắc trong phạm vi 1548

- 1565 nm là ở 1 - 4 ps/nm.km đủ để đảm bảo tán sắc không bằng 0, trong khi vẫn duy trì được tán sắc tương đối nhỏ

e Sợi quang có tiết diện hiệu dụng lớn

Loại sợi này thích hợp cho ứng dụng trong hệ thống WDM có dung lượng

1510 nm, cho công suất tương đối lớn

2 Thiết bị đầu cuối OLT

Thiết bị đầu cuối OLT (Optical Line Terminator) là thiết bị được dùng ở đầu cuối của một liên kết điểm nối điểm để ghép và phân kênh các bước sóng Thiết bị đầu cuối gồm có ba phần tử: bộ tiếp sóng (transponder), bộ ghép kênh các bước sóng (wavelength multiplexer) và bộ khuếch đại (optical amplifier)

Bộ tiếp sóng làm nhiệm vụ thích ứng tín hiệu đi vào từ một người sử dụng mạng thành một tín hiệu phù hợp sử dụng trong mạng Và ở hướng ngược lại nó làm thích ứng tín hiệu từ mạng quang thành tín hiệu phù hợp với người sử dụng Giao diện giữa người sử dụng và bộ tiếp sóng có thể thay đổi dựa vào người sử dụng, tốc độ bít và khoảng cách hoặc suy hao giữa người dùng và bộ chuyển tiếp Giao diện phổ biến nhất là giao diện SONET/SDH

Hình 2.1: OLT

Sự thích ứng bao gồm nhiều chức năng, tín hiệu có thể được chuyển đổi thành bước sóng thích hợp trong mạng quang, nó cũng có thể thêm vào các phần đầu header nhằm quản lí mạng Bộ tiếp sóng cũng có thể giám sát tỉ lệ lỗi bit của tín hiệu ở điểm đi vào và đi ra trong mạng Vì những lí do này nên bộ chuyển tiếp thực hiện chuyển đổi quang- điện- quang

Ở hình trên, sự làm thích ứng chỉ cho theo hướng đi vào và bước sóng ở hướng ngược lại được gởi trực tiếp đến hướng người dùng Trong một số trường hợp, ta có thể tránh sử dụng bộ tiếp sóng bằng cách thực hiện chức năng thích ứng bên trong thiết bị người dùng, như phần tử mạng SONET như hình trên, điều này làm giảm được chi phí đáng kể

Tín hiệu ra khỏi bộ tiếp sóng được ghép kênh với các tín hiệu khác ở các bước sóng khác nhau sử dụng bộ ghép kênh theo bước sóng trên một sợi quang Thêm vào đó bộ khuếch đại có thể được dùng để khuếch đại công suất lên nếu cần thiết trước khi chúng được đưa đến bộ phân kênh Những bước sóng này lại được kết thúc trong một bộ tiếp sóng nếu có hoặc kết thúc trực tiếp trong thiết bị người

sử dụng

Cuối cùng OLT cũng kết thúc một kênh giám sát quang (OSC) OSC được mang bước sóng riêng lẻ, khác với các bước sóng mang lưu lượng thực sự Nó dùng để giám sát việc thực hiện của các bộ khuếch đại dọc theo liên kết cũng như cho các chức năng quản lí khác

3 Bộ ghép kênh xen/ rẽ quang OADM

Bộ ghép kênh xen/ rẽ quang cung cấp một phương tiện điều khiển lưu lượng trong mạng OADM có thể được dùng ở các vị trí khuếch đại trong các mạng đường dài nhưng cũng có thể sử dụng ở những phần tử mạng độc lập Để hiểu được lợi ích của bộ xen/ rẽ quang, ta xét một mạng giữa ba node A, B và C như hình vẽ dưới, lưu lượng mạng giữa A và C đi qua node B, giả thiết các tuyến liên kết hoàn toàn song công

Giả sử yêu cầu lưu lượng như sau: một bước sóng giữa A và B, một bước sóng giữa B và C, ba bước sóng giữa A và C Bây giờ triển khai các hệ thống WDM điểm nối điểm để cung cấp nhu cầu lưu lượng này Với giải pháp trong hình (a), hai hệ thống điểm nối điểm được triển khai, một giữa A và B, một giữa B và C Mỗi liên kết điểm nối điểm sử dụng một OLT ở cuối liên kết Node B có hai OLT, mỗi OLT kết thúc bốn bước sóng, vì thế cần yêu cầu bốn bộ tiếp sóng Tuy nhiên chỉ có một trong bốn bước sóng là dành cho node B, các bộ tiếp sóng còn lại dùng

để cung cấp lưu lượng giữa A và C Vì thế sáu trong tám bộ tiếp sóng ở node B được dùng để điều khiển lưu lượng Đây là việc rất tốn kém

Với giải pháp trong hình (b), thay vì sử dụng các hệ thống WDM điểm nối điểm, ta triển khai một mạng định tuyến bước sóng Mạng sử dụng một OLT ở node A và C, một OADM ở node B OADM rớt một trong bốn bước sóng, sau đó kết thúc ở các transponder Ba bước sóng còn lại đi xuyên qua trong miền quang

mà không cần kết thúc trong các transponder Điều này thấy được hiệu quả là chỉ

sử dụng hai transponder thay vì sử dụng đến tám transponder như giải pháp (a), do

đó giảm được chi phí đáng kể

Hình 2.2 Vai trò của OADM trong mạng

Câu hỏi đặt ra là tại sao các bộ tiếp sóng cần thiết ở giải pháp (a) để điều khiển lưu lượng đi qua Nói cách khác là tại sao chúng ta không đơn giản loại bỏ các bộ tiếp sóng và thực hiện kết nối trực tiếp các bộ ghép kênh và tách kênh WDM giữa hai bộ tiếp sóng ở node B như trong hình (b), hơn là thiết kế một

OADM riêng biệt Điều này là có thể, các OLT được thiết kế để hổ trợ khả năng này Lớp vật lí được xây dựng trong các mạng phức tạp hơn nhiều các hệ thống điểm nối điểm

Có nhiều kiến trúc để xây dựng nên OADM, các kiến trúc này điển hình sử dụng các bộ ghép/ bộ lọc Ta xét OADM như một hộp đen có hai cổng mang một tập hợp các bước sóng và một số cổng nội bộ Các thuộc tính chính của OADM gồm có:

• Tổng số bước sóng có thể cung cấp được là bao nhiêu

• Số bước sóng lớn nhất có thể xen/ rẽ là bao nhiêu

• Có ràng buộc trên một bước sóng nào đó được xen/ rẽ Một kiến trúc chỉ cho phép một số bước sóng xác định nào đó được xen/ rẽ chứ không phải bất kì bước sóng tuỳ ý nào cũng được

• Có dễ dàng xen/ rẽ các kênh thêm vào Có cần thiết phá vỡ một kênh đang tồn tại để xen/ rẽ các kênh thêm vào

Hình 2.3 Các kiến trúc

Ở hình 2.3(a), một số kênh được chọn có thể được tách ra và những kênh khác được đi qua Vì thế không có sự ràng buộc trên các kênh được rớt và xen Vì vậy cấu trúc này áp đặt những ràng buộc nhỏ nhất trong việc thiết lập các lightpath trong mạng Ngoài ra suy hao qua OADM cố định, độc lập với số kênh được rớt và xen là bao nhiêu Tuy nhiên kiến trúc này lại không hiệu quả về chi phí trong việc điều khiển một số nhỏ các kênh được rớt, vì bất kể bao nhiêu kênh được rớt, tất cả

các kênh đều cần phải được tách và ghép lại với nhau Do đó ta phải tốn chi phí cho việc tách và ghép cho tất cả những kênh đi vào Điều này cũng dẫn đến suy hao cao hơn Tuy nhiên khi một số lượng lớn số kênh được rớt và linh hoạt trong việc thêm vào hoặc lấy ra bất cứ kênh nào thì cấu trúc này cũng cho ta hiệu quả kinh tế

Hình 2.3(b) là sự cải tiến của hình 2.3(a) nhằm giảm chi phí thiết kế trên, việc ghép và tách kênh được thực hiện qua hai giai đoạn Giai đoạn thứ nhất tách riêng các bước sóng thành những dải (bands), giai đoạn thứ hai tách những dải thành các bước sóng riêng lẻ Ví dụ như hệ thống 16 kênh, có thể thực hiện sử dụng bốn dải, mỗi dải gồm bốn kênh Nếu chỉ có bốn kênh được rớt ở một vị trí, thì 12 kênh có thể giữ nguyên trong các dải, thay vì phải tách xuống thành từng kênh riêng lẻ Điều này cho thấy ta đã tiết kiệm được chi phí cho bộ MUX và DEMUX Ngoài ra, việc sử dụng các dải cho phép tín hiệu được đi qua với suy hao quang thấp hơn Khi mạng có số kênh lớn thì cấu trúc hình 2.3(b) ghép kênh nhiều giai đoạn trở nên cần thiết

Trong cấu trúc hình 2.3(c), một kênh riêng lẻ được tách và ghép từ một tập các kênh đi vào Ta gọi thiết bị này là bộ xen rớt đơn kênh (SC - OADM) Để tách

và ghép nhiều kênh thì các SC - OADM được nối liên tiếp nhau Kiến trúc này bổ sung cho kiến trúc của hình 2.3(a) Việc tách và ghép kênh ảnh huởng đến các kênh đang tồn tại, nên nhằm giảm tối thiểu ảnh hưởng này thì lên kế hoạch tập bước sóng nào cần được lấy ra ở từng vị trí Tuy nhiên nếu số kênh cần được tách

ra là lớn thì kiến trúc này không còn phù hợp nữa, do chúng ta phải sử dụng nhiều thiết bị riêng lẻ nối lại với nhau Điều đó cho thấy nó không hiệu quả về kinh tế Ngoài ra suy hao cũng gia tăng theo

4 Bộ khuếch đại quang EDFA

Nhằm bù lại sự suy hao tín hiệu trên đường truyền sợi quang cũng như tại các thiết bị (như các bộ ghép kênh) thì các bộ khuếch đại được đặt giữa các kết nối sợi quang ở những khoảng cách định kì Trước khi các bộ khuếch đại quang ra đời thì lựa chọn duy nhất là tái tạo lại tín hiệu, nghĩa là nhận tín hiệu và sau đó phát lại

nó Quá trình này được thực hiện bằng các bộ lặp tái sinh Một bộ lặp chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khôi phục sau đó chuyển lại thành tín hiệu quang

để truyền tiếp Điều này hạn chế tính trong suốt và tăng chi phí bảo trì của hệ thống

Kĩ thuật khuếch đại quang chiếm ưu thế hơn nhiều các bộ lặp Bộ khuếch đại quang không phụ thuộc vào tốc độ bit và các định dạng tín hiệu Một hệ thống sử dụng khuếch đại quang có thể dễ nâng cấp hơn nhiều, ví dụ đến một tốc độ bit cao hơn mà không cần phải thay thế bộ khuếch đại Hơn nữa các bộ khuếch đại quang

có băng thông lớn nên có thể được dùng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM Nếu không với mỗi bước sóng ta phải sử dụng một bộ lặp

Loại khuếch đại quang điển hình là bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier - khuếch đại quang sợi có pha tạp Erbium)

Bộ EDFA thực chất là sợi quang có pha tạp có chức năng khuếch đại được tín hiệu ánh sáng, chúng có thể thay đổi các đặc tính vật lí của sợi theo nhiệt độ, áp suất và chúng có tính chất bức xạ ánh sáng Đặc điểm của sợi này là chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu khi có kích thích phù hợp

Hình 2.4 EDFA

Theo hình vẽ thì ánh sáng bơm vào từ laser được kết hợp với tín hiệu vào nhờ sử dụng bộ ghép WDM trên hệ thống sử dụng một bộ ghép Ánh sáng bơm này được truyền dọc theo sợi có pha Eribium và tín hiệu bơm này kích thích các các ion Eribium lên mức năng lượng cao hơn Sự dịch chuyển mức năng lượng của điện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra photon, được gọi là bức xạ tự phát nếu không

có bất cứ tác động nào từ phía bên ngoài, còn gọi là bức xạ kích thích khi do sự có mặt các photon chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển Khi tín hiệu dữ

thích ở mức năng lượng cao Quá trình này làm cho các ion nhảy từ trạng thái năng lượng cao xuống mức trạng thái năng lượng thấp nên phát ra photon, do đó sẽ khuếch đại công suất tín hiệu lên rồi truyền đi tiếp trong sợi quang

Thông thường, một bộ cách li được dùng ở trước ngõ vào hoặc ngõ ra của bộ khuếch đại tín hiệu EDFA để ngăn sự phản xạ vào trong bộ khuếch đại này

EDFA cho hệ số khuếch đại lớn, công suất ra lớn và nhiễu thấp, nó làm việc

ở bước sóng 1550nm Trong các hệ thống thông tin quang, để cho các EDFA hoạt động thì cần có nguồn bơm Các nguồn bơm thực tế là các diod laser bán dẫn công suất cao dùng để cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA

EDFA có các đặc điểm sau:

• Không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi (bộ chuyển đổi O/E

và E/O).Do đó mạch sẽ trở nên linh hoặc hơn

• Công suất nguồn nuôi nhỏ nên khi áp dụng cho các tuyến thông tin vượt biển, cáp sẽ có cấu trúc nhỏ và nhẹ hơn cáp thường

• Giá thành của hệ thống thấp do cấu trúc của EDFA đơn giản, trọng lượng nhỏ, khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn được nâng cao

Ngoài ra do EDFA có khả năng khuếch đại nhiều bước sóng trong cùng một sợi nên nó có khả năng tăng dung lượng tốc độ lên đến 20Gbps hoặc cao hơn khi

sử dụng kĩ thuật WDM

Ngoài loại khuếch đại EDFA còn có dạng khuếch đại SOA (Semiconductor Optical Amplifiers- bộ khuếch đại quang bán dẫn) Về cơ bản, SOA là một mối nối P-N Lớp giữa được hình thành ở mối nối hoạt động như là một vùng tích cực Ánh sáng được khuếch đại do sự phát xạ kích thích khi nó lan truyền qua vùng tích cực này Đối với một bộ khuếch đại, hai đầu cuối của vùng tích cực được phủ một lớp không phản xạ để loại bỏ gợn sóng trong độ lợi bộ khuếch đại

5 Bộ kết nối chéo quang OXC

a) Chức năng OXC

Hình 2.5 Mạng WDM định tuyến bước sóng

Trong mạng định tuyến bước sóng WDM, ở hình trên gồm có hai loại node là: OXC và Edge node OXC là node mà đóng vai trò kết nối các sợi quang trong mạng Edge node đóng vai trò cung cấp giao diện giữa những hệ thống kết cuối phi quang (như là các IP Router, chuyển mạch ATM, hay các siêu máy tính) với lõi quang Các Edge node thường nằm ở đầu cuối của hệ thống và các lightpath được thiết lập giữa hai edge node qua các node trung gian như hình trên Đây được mong đợi mang lại cấu trúc của mạng toàn quang, thông tin truyền đi trên lightpath không cần sự chuyển đổi nào từ tín hiệu điện sang quang hoặc ngược lại từ quang sang tín hiệu điện

OXC cung cấp chức năng chuyển mạch và định tuyến để hổ trợ các liên kết logic giữa hai Edge Một OXC làm nhiệm vụ truyền thông tin trên mỗi bước sóng

ở một đầu vào và nó có thể chuyển mạch đến một cổng ra riêng biệt Một OXC với

N cổng vào- N cổng ra mà các cổng này có khả năng xử lí W bước sóng trên mỗi cổng OXC ( optical cross connect) là thành phần dùng để điều khiển các cấu trúc mắt lưới phức tạp và một số lượng lớn các bước sóng OXC là thành phần mạng

chính cho phép cấu hình lại mạng quang, mà ở đó các lightpath có thể thiết lập và kết thúc khi cần thiết mà không phải được cung cấp cố định OXC được cấu trúc với mạch tích hợp rất lớn và khả năng nối kết hàng ngàn đầu vào với hàng ngàn đầu ra tạo nên chức năng chuyển mạch và định tuyến Trong thông tin quang, bốn mươi kênh quang có thể được truyền đi trong một sợi đơn, OXC là thiết bị cần thiết để có thể tiếp nhận nhiều bước sóng khác nhau ở các đầu vào và định tuyến các bước sóng này đến các đầu ra thích hợp trong mạng Để thực hiện điều này, OXC cần thiết xây dựng các khối chức năng:

• Chuyển mạch sợi: khả năng định tuyến tất cả các bước sóng trên một sợi quang đầu vào tới một sợi quang khác ở ngõ ra

• Chuyển mạch bước sóng: khả năng chuyển mạch các bước sóng cụ thể từ một sợi quang đầu vào tới nhiều sợi quang khác ở đầu ra

• Chuyển đổi bước sóng: khả năng nhận các bước sóng đầu vào và chuyển đổi chúng thành tần số quang khác ở ngõ ra, điều này là cần thiết thoả mãn các kiến trúc bất đồng khối khi sử dụng chuyển mạch bước sóng

Hình 2.6 Các khối chức năng của OXC