Đồ án : Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM.

- Chương 4 giới thiệu chỉ tiêu chất lượng tin cậy dựa trên mô hình thời gian khôi phục cực đại, xây dựng bài toán thiết kế mạng đảm bảo an toàn và trên cơ sở đó đề xuất thuật toán giải b

Đồ án Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM



MỞ ĐẦU

WDM có khả năng cung cấp dung lượng truyền dẫn lớn bằng cách ghép nhiều bước sóng trên cùng sợi cáp, mỗi bước sóng được coi như một liên kết vật lý giữa các nút mạng Theo cách này, dung lượng truyền dẫn của liên kết sẽ tăng tỷ lệ với

số bước sóng ghép trên liên kết đó, nhưng giải pháp này vẫn không đủ để giải quyết vấn đề nghẽn cổ chai trong mạng khi lưu lượng bùng nổ

Tuỳ thuộc vào độ lớn của mạng WDM, tổn thất lưu lượng do sự cố xảy ra trong các thành phần của mạng cũng có mức độ nghiêm trọng khác nhau Để khắc phục

vấn đề này, nhiều giải pháp đã được nghiên cứu trong đó có phương thức bảo vệ

và phương thức khôi phục Phương thức bảo vệ cho phép mạng hồi phục rất

nhanh nhờ chuyển lưu lượng trên luồng quang hoạt động bị gián đoạn thông tin sang luồng quang dự phòng, các luồng dự phòng này đã được chuẩn bị từ trước khi sự cố xảy ra Nhờ việc chuẩn bị trước luồng quang dự phòng mà phương thức bảo vệ có thể đảm bảo khôi phục 100% khỏi sự cố với điều kiện 2 sự cố không xuất hiện đồng thời Trong khi đó, phương thức khôi phục tìm cách xác định đường đi và bước sóng cho tuyến dự phòng sau khi sự cố xảy ra Bởi vậy, phương thức khôi phục có thể không khắc phục được sự cố nếu thiếu tài nguyên, chẳng hạn không có đủ bước sóng cho tuyến dự phòng Hơn thế nữa, phương thức khôi phục có xu hướng tiêu tốn nhiều thời gian hơn để khắc phục sự cố nếu so sánh với phương thức bảo vệ, đó là thời gian để xác định tuyến dự phòng

Xác định đường đi và gán bước sóng cho tuyến hoạt động/dự phòng được gọi là phương thức thiết kế cấu hình mạng logic Phần lớn các cách thức thông thường

để thiết kế cấu hình mạng logic có bảo vệ/khôi phục mạng đều tập trung vào việc giảm thiểu số bước sóng cần sử dụng hoặc giảm thiếu xác suất từ chối thiết lập tuyến quang, trong đó xác suất này là xác suất mà các yêu cầu thiết lập tuyến quang bị từ chối do thiếu tài nguyên mạng Nhiều nghiên cứu đã được triển khai, trong đó đa số tập trung vào giảm bước sóng cần thiết bằng cách cho phép các tuyến dự phòng dùng chung tài nguyên bước sóng, hoặc đưa ra khái niệm chất lượng dịch vụ (QoS) của khả năng hồi phục lỗi Một số nghiên cứu dựa trên mô hình khôi phục lỗi theo xác suất trong đó chỉ có phần lưu lượng mà người dùng đã xác định trước mới được khôi phục sau sự cố

Bài luận này giới thiệu chất lượng tin cậy QoR là đơn vị định lượng QoS mới để dựa theo đó xây dựng các tuyến quang có độ tin cậy cao Trong đề xuất QoR này, việc xây dựng mạng có độ tin cậy cao quan trọng hơn rất nhiều so với việc sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng, đặc biệt khi mà số lượng bước sóng sử dụng trong các mạng WDM hiện nay đang ngày càng tăng Điều đó đồng nghĩa với việc cần xây dựng một cấu hình topology logic có sử dụng tài nguyên bước sóng thật sự hiệu quả để đảm bảo thời gian khôi phục sau sự cố cũng như đảm bảo khôi phục 100% sự cố Tiếp đó, bài luận đề xuất thuật toán thực nghiệm để thiết kế cấu

hình logic cho mạng thoả mãn yêu cầu QoR của từng kết nối và sau đó so sánh với một vài thuật toán khác về mặt số lượng bước sóng cần thiết để xây dựng cấu hình mạng thoả mãn yêu cầu QoR

Trong phạm vi khuôn khổ có hạn, bài luận được tổ chức như sau:

- Chương 1 giới thiệu về nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM

- Chương 2 trình bày sơ lược về mạng quang định tuyến theo bước sóng hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong mạng truyền dẫn Trong đó đề cập đến các phần tử cấu thành, cũng như trình bày về các vấn đề liên quan đến việc định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM

- Chương 3 giới thiệu về cơ chế bảo vệ nâng cao độ an toàn trong mạng quang

- Chương 4 giới thiệu chỉ tiêu chất lượng tin cậy dựa trên mô hình thời gian khôi phục cực đại, xây dựng bài toán thiết kế mạng đảm bảo an toàn và trên cơ sở đó đề xuất thuật toán giải bài toán định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM thoả mãn QoR yêu cầu

Các kết quả của bài luận góp phần vào việc giải quyết vấn đề đang nổi lên, đó là xây dựng cấu hình mạng thoả mãn tiêu chuẩn tin cậy cho trước và hy vọng kết quả này có thể áp dụng vào thực tế trong tương lai

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC

SÓNG WDM 1.1 Sự phát triển của truyền dẫn sợi quang

Truyền dẫn sợi quang bắt đầu được áp dụng từ thế kỷ 19 và đã đáp ứng được nhu cầu truyền đưa các dịch vụ hiện tại Các hệ thống truyền dẫn sợi quang với các ưu điểm về dung lượng truyền tải, băng thông, cự ly truyền dẫn lớn, tỷ lệ lỗi thấp, tránh được giao thoa điện trường, khả năng bảo mật đã ngày càng được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi

Trong truyền dẫn quang, người ta có xu hướng sử dụng những vùng phổ quang nhất định, ở đó suy hao quang được tính toán là thấp nhất Những vùng này, thường được gọi là cửa sổ, nằm giữa các khu vực có độ hấp thụ ánh sáng cao Ban đầu, hệ thống thông tin quang hoạt động ở cửa sổ thứ nhất, khu vực bước sóng xấp xỉ 850nm trước khi người ta nhận ra rằng ở cửa số thứ 2 (băng S), khu vực bước sóng 1310nm, có hệ số suy hao thấp hơn và thấp hơn nữa ở khu vực cửa sổ thứ 3 bước sóng 1550nm (băng C) Ngày nay, cửa sổ thứ tư (băng L) bước sóng 1625nm vẫn đang được nghiên cứu để ứng dụng Bốn cửa sổ đã trình bày được

Hình 1.1 Vùng bước sóng

minh hoạ như trên hình 1.1

Công nghệ WDM được áp dụng đầu tiên vào đầu những năm 80’s sử dụng 2 bước sóng cách nhau khá xa trong vùng 1310nm và 1550nm (hoặc 850nm hoặc 1310nm) và được gọi là WDM băng rộng Vào đầu những năm 90’s, bắt đầu xuất hiện công nghệ WDM thế hệ thứ 2, còn gọi là WDM băng hẹp, sử dụng từ 2 đến

8 kênh Các kênh này thuộc cửa sổ 1550nm và cách nhau khoảng 400GHz Đến giữa những năm 90’s, các hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) được phát triển với 16 đến 40 kênh và khoảng cách mỗi kênh từ 100 đến 200 GHz Cho đến cuối thập kỷ 90, các hệ thống DWDM đã sử dụng tới 64 đến 160 kênh với khoảng cách mỗi kênh là 50 thậm chí 25 GHz

1.2 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM

1.2.1 Lớp quang

Trong hệ thống phân cấp mạng theo lớp, lớp quang có chức năng cung cấp dịch

vụ cho các lớp mạng cao hơn như SONET/SDH, IP, ATM Có thể coi các lớp này là các lớp khách hàng (client) còn lớp quang là lớp phục vụ (server)

Lớp quang được chia nhỏ thành các lớp con Một định nghĩa về lớp con đã được

đề xuất tại khuyến nghị G.872, theo đó, lớp quang được chia thành 3 lớp con: lớp kênh quang OCH, lớp đoạn ghép kênh quang OMS và lớp đoạn truyền dẫn quang OTS như được chỉ ra trên hình vẽ

Hình 1.2 Phân cấp mạng quang theo lớp

Hình 1.3 Kiến trúc mạng truyền tải quang

[3] Lớp kênh quang xử lý toàn trình mạng và vận chuyển một cách trong suốt các tín hiệu khách hàng dưới nhiều khuôn dạng khác nhau (SDH, ATM, IP ) Lớp này có các chức năng sau:

Lớp khách hàng (SONET/SDH), PDH

Lớp kênh quang (OCH) Lớp đoạn ghép kênh quang (OMS) Lớp đoạn truyền dẫn quang (OTS)

Giao diện quang Lớp quang

• Sắp xếp lại các kết nối kênh quang để việc định tuyến trong mạng mềm dẻo

• Giám sát kênh quang để cho phép thực hiện các hoạt động khai thác và quản lý ở mức mạng, chẳng hạn cung cấp kết nối, chất lượng dịch vụ QoS

Lớp đoạn ghép kênh quang tương ứng với một liên kết điểm-điểm trên tuyến của

1 kênh quang (bước sóng) và có các chức năng sau:

• Xử lý phần mào đầu đoạn để đảm bảo tính toàn vẹn của các thông tin đoạn ghép kênh quang

• Giám sát đoạn ghép kênh quang để cho phép thực hiện các hoạt động khai thác và quản lý ở mức đoạn, chẳng hạn nâng cao an toàn đoạn ghép kênh Lớp đoạn truyền dẫn quang OTS tương ứng với chức năng truyền dẫn các tín hiệu quang khác nhau trên phương tiện truyền dẫn quang

1.2.2 Nguyên lý ghép bước sóng

a Khái niệm

Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là kỹ thuật truyền dẫn cơ bản để tạo nên mạng quang Kỹ thuật này sử dụng sợi quang (linh kiện quang) để mang nhiều kênh quang độc lập và riêng rẽ Mỗi bước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là kỹ thuật truyền dẫn trên sợi quang sử dụng các bước sóng ánh sáng để truyền dẫn số liệu song song theo bit hoặc nối tiếp theo ký tự

Qua quá trình phát triển công nghệ khái niệm WDM được thay bằng khái niệm DWDM Về nguyên lý không có sự khác biệt nào giữ hai khái niệm trên, DWDM nói đến khoảng cách gần giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số lượng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường nằm trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu là 1550 nm vì môi trường ứng dụng hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và dung lượng lớn Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM

80 kênh với khoảng cách kênh rất nhỏ 0,5 nm Hệ thống thiết bị này đã được thương mại hoá

Ngày nay khi nói đến WDM người ta thường liên tưởng đến DWDM bởi vì sự hiện diện khắp nơi của những sản phẩm thiết bị loại này Để thuận tiện chúng ta dùng thuật ngữ WDM để chỉ chung cho cả hai khái niệm Trong trường hợp cần

có sự phân biệt giữa hai khái niệm này sẽ có phần chú thích kèm theo

Như đã nói ở trên các hệ thống DWDM thường được ứng dụng trong cấp mạng đường trục (mạng trung kế) xuất phát từ nhu cầu thực tế Tuy nhiên cho đến nay mặc dù chưa có tác động mạnh mẽ đến thị trường mạng nội hạt nhưng DWDM đã chiếm được vị trí chắc chắn trong kế hoạch phát triển mạng tương lai của nhiều nhà khai thác Điều này là bởi, thứ nhất áp lực lớn từ các dịch vụ Multimedia và đặc biệt là Internet đòi hỏi nhà cung cấp dịch vụ phải giải quyết bài toán dung

lượng truyền dẫn; thứ hai công nghệ chế tạo phần tử và thiết bị truyền dẫn quang

đã gần đạt tới sự hoàn thiện, hơn nữa do ứng dụng cho mạng nội hạt (khoảng cách truyền dẫn thường ngắn) nên không đòi hỏi các phần tử quang phẩm chất cao bởi vậy giá thành đã hạ xuống đáng kể

Về cơ bản thành phần quang của hệ thống WDM bao gồm một hoặc nhiều nguồn phát (laser), một bộ ghép kênh, một hoặc nhiều bộ khuếch đại quang (ví dụ EDFA), khối xen/rẽ (OADM), sợi quang, một bộ tách kênh và các bộ thu tương ứng với phía phát Mỗi phần tử trên đây của hệ thống đều thực hiện những chức năng xác định một cách chính xác

Như chúng ta đã biết hệ thống truyền dẫn là những hệ thống tương tác, nghĩa là tại mỗi đầu sẽ thực hiện chức năng phát tín hiệu đi (hướng đi) và nhận về tín hiệu

về (hướng về) Trong hệ thống WDM, tính tương tác sẽ được thực hiện qua môi trường sợi quang Người ta chia hệ thống WDM thành hai kiểu:

- Hệ thống ghép bước sóng một hướng: Sử dụng mỗi sợi quang cho từng hướng truyền dẫn

Hình 1.4 Hệ thống ghép bước sóng một hướng

- Hệ thống ghép bước sóng hai hướng: Sử dụng một sợi quang chung cho cả hai hướng truyền dẫn

Hình 1.5.Hệ thống ghép bước sóng hai hướng

c Ưu nhược điểm của công nghệ WDM

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ưu điểm nổi trội:

λ1 λ2

λN λ1, λ2 λN

λ1 λ2

λN λ1, λ2 λN

EDFA EDFA

- Dung lượng truyền dẫn lớn: Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứng với tốc độ bit nào đó (TDM) Do đó hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử nghiệm thành công Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s)

- Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao: Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bước sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp Điều này làm giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do đó tránh được sự phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao

- Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động: Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có mà không phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang) Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc thuê sợi hoặc cáp Việc nâng cấp chỉ đơn giản là gắn thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-n-play)

- Quản lý băng tần hiệu quả và thiết lập lại cấu hình một cách mềm dẻo và linh hoạt: Việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM cho phép quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và thiết lập lại cấu hình dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần thi công lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại

- Giảm chi phí đầu tư mới

Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở ngay bản thân công nghệ Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ này:

- Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang: Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng nhưng

nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang Cho dù công nghệ còn phát triển những dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn

- Chi phí cho khai thác tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động hơn Tuy nhiên, chi phí cho bảo dưỡng hệ thống WDM vẫn nhỏ hơn rất nhiều nếu so sánh với hệ thống TDM có dung lượng tương đương

1.2.3 Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM

1.2.3.1 Nguồn phát

a Yêu cầu đối với nguồn phát

- Độ rộng phổ hẹp và phổ vạch: Nhìn chung, hệ thống WDM cũng sử dụng các nguồn phát giống như đối với hệ thống truyền dẫn đơn kênh cự ly dài Tuy nhiên trong trường hợp này chúng ta sử dụng loại Laser DFB hoặc DBR có duy nhất một vạch phổ trong dải phổ của nó Độ rộng phổ tuỳ thuộc vào số lượng kênh trong hệ thống và dung sai của các phần tử

- Độ ổn định bước sóng phát: Trong hệ thống WDM cần giảm thiểu sự thay đổi bước sóng nguồn phát trong suốt thời gian hoạt động để tránh được những ảnh hưởng không mong muốn đến chỉ tiêu hệ thống

- Nguyên nhân của hiện tượng này là do mức năng lượng cao trong hốc cộng hưởng của Laser và trên bề mặt phản xạ sẽ sinh ra sự thăng giáng vật liệu trong suốt thời gian hoạt động và gây nên sự trôi bước sóng phát

- Khả chỉnh: Laser khả chỉnh có nghĩa rất lớn trong mạng quang tương lai, đặc biệt trong mạng quảng bá Khả năng điều chỉnh của bộ phát lẫn bộ thu ảnh hưởng đến chỉ tiêu của toàn bộ hệ thống

- Trong các hệ thống WDM hiện nay không đòi hỏi sử dụng các bộ phát thu khả chỉnh Tuy nhiên do các nhà máy sản xuất linh kiện này chỉ chế tạo ở một số hữu hạn bước sóng nên để đảm bảo tính đa dạng trong việc chọn lựa bước sóng hoạt động thì có bộ phát khả chỉnh, hơn nữa điều này còn giải quyết được vấn đề trôi bước sóng

- Laser đa bước sóng: Một trong những yêu cầu của mạng quang tương lai là khả năng đáp ứng nhanh đối với những nguồn khả chỉnh Để thực hiện điều này có thể tích hợp nhiều Laser có bước sóng khác nhau trên cùng một nền

Do đó kiểu Laser này cho phép hoạt động đồng thời với nhiều bước sóng

và có khả năng điều chỉnh rất nhanh (bằng cách lựa chọn bước sóng phát)

b Các loại nguồn phát được sử dụng hiện nay

Nguồn phát quang thường được sử dụng hiện nay là điode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD)

1.2.3.2.Phần tử tách ghép bước sóng

Các phần tử tách ghép bước sóng có các tham số cơ bản sau:

- Bước sóng trung tâm: Đối với cách tử là bước sóng tại trung tâm của băng phản xạ, còn đối với các bộ lọc là bước sóng nằm giữa hai bước sóng ở 2 cạnh của băng

- Băng tần: Băng tần đặc trưng cho dải bước sóng phản xạ đối với cách tử và dải bước sóng lọc đặc trưng bởi khoảng cách (theo thiết kế) giữa các cạnh

- Suy hao xen: Suy hao xen là lượng tổn hao công suất trên tuyến truyền dẫn quang do sự xuất hiện của các bộ ghép bước sóng Lượng tổn hao này gồm hai loại:

• Suy hao sinh ra tại các điểm ghép nối giữa bộ ghép bước sóng với các phần tử quang điện

• Tổn hao do chính bản thân các bộ ghép bước sóng

Trong WDM thì tổn hao do ghép nối chiếm ưu thế đặc biệt khi sử dụng các

thiết bị vi quang học và sợi SM Tổn hao của bộ ghép bước sóng thứ i được

Φ

=

oi

ii i

trong đó: Φii là năng lượng đưa vào bộ ghép ở bước sóng thứ i

Φoi là năng lượng đưa ra bộ ghép ở bước sóng thứ i

Khác với các phần tử quang thụ động thông thường, ở đây suy hao xen được xem xét đối với từng bước sóng, tức là với bước sóng thứ i thì suy hao xen được tính là:

) ( log 10

i i

i i

I

O L

) ( log 10

i

i i

O L

tỷ số S/N

Nguyên nhân gây ra xuyên kênh là do :

• Phổ của kênh này lọt vào băng thông của kênh kia (khi ta coi đặc tính của bộ lọc bước sóng và bộ cách ly là hoàn hảo)

• Do chính đặc tính (sự không hoàn hảo) của các bộ chọn lọc bước sóng hay các bộ cách ly quang

• Do phản xạ hay hội tụ xảy ra không hoàn toàn làm các tia sáng bị tản mát

• Do các hiệu ứng phi tuyến xảy ra khi đưa các công suất quang cao vào

sợi quang như: hiệu ứng SRS, SBS, FWM, XPM

Khả năng để tách các kênh cũng được mô tả bằng suy hao xuyên kênh và

được tính bằng dB như sau:

) ( log 10 ) (

k

k i k

i

I

U D

λ

λ

với U i (λk ) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng thứ k (λk) do có

sự dò tín hiệu ở của ra thứ i, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng λi

Có hai loại xuyên âm:

• Xuyên âm đầu gần: là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được

ghép ở trong thiết bị, như U i (λj ), thường xảy ra trong hệ thống ghép

bước sóng một hướng

• Xuyên âm đầu xa: là do các kênh khác ở đầu vào gây ra trong bộ ghép,

ví dụ như I(λk ) sinh ra U i (λk ), thường xảy ra trong hệ thống ghép bước

sóng hai hướng

- Độ rộng phổ của kênh: Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho

mỗi kênh Độ rộng phổ này phải đủ lớn để đảm bảo ngăn chặn được nhiễu

giữa các kênh, do đó nó được xác định tuỳ theo từng loại nguồn quang

1.2.3.3.Sợi quang

a Sợi SMF (theo ITU G.652)

Bảng 1.1 Các tham số của sợi SMF

Độ không tròn đều của trường mode Rất nhỏ, không ảnh hưởng đến lan truyền và đấu nối tín hiệu

Độ không tròn đều của vỏ phản xạ ≤ 2%

Suy hao uốn cong ở bước sóng 1550 nm ≤ 1 dB khi uốn cong 100 vòng với bán kính

Sử dụng loại sợi SMF cho phép đạt tới cự ly ∼ 1000 km tại tốc độ STM-16 mà

không cần sử dụng các bộ bù tán sắc Tuy nhiên với tốc độ STM-64 nếu sử dụng

loại sợi này thì chỉ đạt được khoảng cách ∼ 60 km nếu không sử dụng bù tán sắc

Cũng vì tán sắc lớn tại vùng bước sóng 1550 nm nên hiệu ứng FWM không xảy

ra trong sợi SMF

b Sợi DSF (theo ITU G.653)

Bảng 1.2 Các tham số của sợi DSF

Đường kính trường mode tại 1550nm (7.0÷8.3) µm ± 10%

Độ đồng tâm của trường mode tại 1550nm ≤ 1µm

Của trường mode Rất nhỏ và không ảnh hưởng đến lan truyền tín hiệu và đấu nối sợi

để tránh hiệu ứng FWM Điều này làm hạn chế khả năng tăng dung lượng của hệ thống

b Sợi NZ-DSF (theo ITU G.655)

Bảng 1.3 Các tham số của sợi NZ-DSF

Đường kính trường mode tại 1550nm (8 ÷11) µm ± 10%

Độ đồng tâm của trường mode tại 1550nm ≤ 1µm

Của trường mode Rất nhỏ và không ảnh hưởng đến lan truyền tín hiệu và đấu nối sợi

sợi này đặc biệt thích hợp với các hệ thống WDM tốc độ cao, cự ly truyền dẫn lớn

1.2.3.4.Đầu thu (bộ tách sóng quang)

a PIN

- Hiệu suất lượng tử (QE): là tỷ lệ giữa số electron thu được tại vùng chuyển tiếp và số photon tới Hiệu suất lượng tử tuyệt đối là 1 nếu có 1 photon tới thì giải phóng 1 electron QE phụ thuộc vào bước sóng hoạt động

- Độ đáp ứng: Độ đáp ứng quan tâm đến năng lượng photon Nó được đo bằng dòng photo đầu ra của thiết bị (đơn vị là A) chia cho công suất quang đầu vào (đơn vị là W) Đối với một photodiode silic thì độ đáp ứng điển hình ở bước sóng 900nm là 0,44

1.2.3.5.Khuếch đại quang

Khuếch đại quang được sử dụng trọng các hệ thống truyền dẫn để tăng khoảng cách trạm lặp hay tăng cự ly truyền dẫn Khuếch đại trong các hệ thống WDM đóng vai trò đặc biệt quan trọng Do có nhiều kênh quang cùng hoạt động nên các yêu cầu về đặc tính khuếch đại của hệ thống WDM nghiêm ngặt hơn nhiều so với

hệ thống đơn kênh Có nhiều kiểu khuếch đại nhưng cho đến nay người ta chủ yếu tập trung vào hai loại sau: khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi (AFA) Tuy nhiên, các phẩm chất của SOA trong cửa sổ sóng 1550 nm kém hơn AFA ở nhiều khía cạnh như: độ khuếch đại, công suất bão hoà và mức

độ phụ thuộc phân cực nên trong các ứng dụng ngày nay khuếch đại quang sợi đã trở thành độc tôn Công nghệ khuếch đại quang sợi đã gặt hái được rất nhiều thành công và đến nay nó được đánh giá là công nghệ trụ cột trong tương lai của mạng quang

AFA bao gồm một Laser bơm, một bộ ghép kênh WDM và đoạn sợi quang tích cực Sợi quang tích cực được cấy ghép vật liệu đặc biệt cho phép khuếch đại dòng photon đi qua nếu bơm công suất tại một bước sóng nào đó Với bước sóng 1550nm thì những bộ khuyếch đại Erbium đạt được giá trị khuếch đại 25dB và công suất đầu ra lớn nhất vào khoảng 10dB, những bộ khuếch đại như thế này đã xuất hiện nhiều trên thị trường trong thời gian gần đây với tên gọi (EDFA) Với bước sóng 1300nm, việc nghiên cứu vẫn tiếp tục dựa trên kích thích Neodymium

và Praseodymium

a Phân loại khuếch đại trong hệ thống

Có 3 ứng dụng chính của EDFA, đó là khuếch đại công suất (Booster BA), tiền khuếch đại (Preamplifier-PA) và khuếch đại đường truyền (Line Amplifier - LA):

Amplifier BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn được sử dụng ngay sau Tx

để tăng mức công suất tín hiệu Do mức công suất ra tương đối cao nên tạp

âm ASE có thể bỏ qua Vì vậy đối với BA không đòi hỏi phải có các yêu cầu nghiêm ngặt trong việc sử dụng các bộ lọc tạp âm BA có thể tách riêng hoặc tích hợp với Tx (gọi là OAT)

- PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp, được sử dụng ngay trước bộ thu (Rx) để tăng độ nhạy thu Sử dụng PA, độ nhạy thu được tăng lên đáng

kể Để đạt được mức tạp âm ASE thấp, trong PA người ta thường sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp PA có thể tách riêng hoặc tích hợp với Rx (gọi

là OAR)

- LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp được sử dụng trên đường truyền giữa 2 đoạn sợi quang Tùy theo chiều dài tuyến mà LA có thể được dùng

để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến Đối với các hệ thống

có sử dụng LA, đòi hỏi phải có một kênh thông tin riêng để thực hiện việc cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA Tại mỗi LA, kênh giám sát này được chèn thêm các thông tin mới (về trạng thái của LA, các thông tin cảnh báo), sau đó lại được phát lại vào đường truyền

b Yêu cầu đối với EDFA sử dụng cho WDM:

- Đặc tính khuếch đại của EDFA: Đặc tính khuếch đại của EDFA có tính phi tuyến, tức đặc tính phổ khuếch đại không đồng nhất trong băng tần khuếch đại Điều này dẫn đến một số kênh được khuếch đại cao trong khi số khác lại được khuếch đại thấp; trong trường hợp sử dụng nhiều bộ khuếch đại này trên đường truyền sẽ ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn của hệ thống

Bởi vậy yêu cầu đặc tính khuếch đại của EDFA phải đồng nhất, nghĩa là đường đặc tính phổ càng phẳng càng tốt

- Dao động mức công suất chuyển tiếp: Trong hệ thống WDM khi tải thay đổi đột ngột sẽ dẫn đến sự thay đổi công suất Các bộ khuếch đại thường làm việc ở trạng thái bão hoà do đó chỉ có một lượng năng lượng vừa đủ trong trạng thái Erbium mức trên đối với hoạt động rất ngắn Khi dừng bơm một lượng công suất tín hiệu đầu vào nhỏ cũng sẽ làm mất tác dụng hiện tượng nghịch chuyển (xảy ra cực nhanh khoảng 100µs) trong bộ khuếch đại Bởi vậy lượng năng lượng tích trữ trong linh kiện này vô cùng nhỏ so với năng lượng chuyển qua nó Điều này nghĩa là độ khuếch đại của

bộ khuếch đại thay đổi rất nhanh theo sự thay đổi của hệ thống (chẳng hạn như trường hợp mất một kênh tín hiệu)

- Nhiễu của bộ khuếch đại: Nguồn nhiễu chủ yếu trong bộ khuếch đại sinh ra bởi hiện tượng phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) ảnh hưởng của nhiễu này không đáng kể khi số lượng bộ khuếch đại trên tuyến nhỏ Tuy nhiên khi số lượng bộ khuếch đại lớn ASE tác động trực tiếp đến giá trị OSNR

- Ảnh hưởng phân cực: Ảnh hưởng phân cực trong EDFA là rất nhỏ và có thể bỏ qua đối với hệ thống truyền dẫn khoảng cách ngắn Tuy nhiên, trong

hệ thống cự ly dài ảnh hưởng này sẽ được tích luỹ qua từng bộ khuếch đại trên đường truyền và tác động trực tiếp đến chỉ tiêu hệ thống (OSNR) Có

ba ảnh hưởng phân cực khác nhau trong bộ khuếch đại:

ƒ Khuếch đại phụ thuộc phân cực (PDG): khi bộ khuếch đại hoạt động ở trạng thái bão hoà, tín hiệu bị phân cực sẽ được khuếch đại cao hơn ở trục trực giao Điều này do bởi các phân tử Erbium riêng rẽ có xu hướng tạo lase theo một cực nào đó hơn so với các cực khác tuỳ thuộc hướng của chúng trong vật liệu thuỷ tinh Trong hệ thống WDM ảnh hưởng của PDG bị giảm đi đáng kể do sự hiện diện của nhiều kênh Qua thống kê cho thấy chỉ có rất ít khả năng tất cả các kênh có cùng trạng thái phân cực tại cùng thời điểm Xác suất xuất hiện là vẫn có nhưng rất nhỏ Do đó khả năng xảy ra cả hai trạng thái phân cực ứng với mức công suất như nhau tại cùng thời điểm

ƒ Suy hao phụ thuộc phân cực (PDL): phần lớn các bộ EDFA khuếch đại tín hiệu trong một trạng thái phân cực cao hơn chút xíu so với tín hiệu phân cực trực giao Điều này là do sự phụ thuộc phân cực của các phần tử quang (trong đó có EDFA) và hướng phân cực của tín hiệu bơm

ƒ Tán sắc mode phân cực (PMD): PMD chủ yếu xuất hiện trong sợi quang Đây là một hình thái khác của tán sắc PMD hoạt động trên cơ

sở từng kênh nên không có sự khác biệt nào giữa môi trường đơn kênh và đa kênh Ngoài ra, ảnh hưởng này rất nhỏ trong phần lớn hệ thống tốc độ kênh thấp dưới 10 Gbit/s

1.3 Xuyên nhiễu

Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM là xuyên nhiễu giữa các kênh bước sóng Trong hệ thống WDM, xuyên nhiễu có thể do nhiều nguyên nhân gây ra nhưng có thể chia làm 2 loại chính sau:

• Xuyên nhiễu tuyến tính: Do đặc tính không lý tưởng của các thiết bị tách kênh Mức độ xuyên âm chủ yếu phụ thuộc và kiểu thiết bị tách sóng được

sử dụng cũng như khoảng cách giữa các kênh Thực tế thì khoảng cách giữa các kênh lại được xác định bởi thiết bị tách kênh và mức xuyên âm cho phép

• Xuyên nhiễu phi tuyến: chủ yếu do các hiệu ứng phi tuyến gây nên

1.3.1 Suy hao

[5] Năng lượng tín hiệu ánh sáng sẽ bị suy giảm theo hàm số mũ khi truyền trong sợi cáp quang và có thể được biểu diễu dưới dạng toán học theo đơn vị logarith như sau:

L L

P

P dBm( 0 ) − dBm( ) = αdB/km (1.5) trong đó αdB/km là suy hao của sợi cáp, tính bằng [dB/km]

L là chiều dài sợi cáp [km]

P dBm (0) là công suất tín hiệu quang tại đầu phát [dBm]

P dBm (L) là công suất tín hiệu quang sau khoảng cách L [dBm]

Suy hao cáp chủ yếu do các hiện tượng hấp thụ và tán xạ gây ra Sự hấp thụ bắt nguồn từ sự không tinh khiết và các hiệu ứng nguyên tử của vật liệu chế tạo sợi cáp Còn tán xạ do nguyên nhân chiết suất của sợi cáp thay đổi theo khoảng cách (tán xạ Rayleigh) và sự không tròn hoàn hảo của sợi cáp

Suy hao ảnh hưởng lớn đối với bước sóng ngắn hơn là đối với bước sóng dài Chính vì điều này mà các bước sóng nhỏ hơn 800nm không được sử dụng trong thông tin quang

Thông thường, người ta tính toán giá trị suy hao theo đơn vị tuyến tính theo công thức như sau:

km dB km

dB/ 0 23026 /

10

) 10

1.3.2.1.Tán sắc vận tốc nhóm GVD

[5] Khi xung ánh sáng truyền trong sợi quang, các thành phần khác nhau (tần số khác nhau hoặc mốt khác nhau) sẽ lan truyền với tốc độ không đồng nhất Quá trình này được gọi là tán sắc, kết quả là xung bị trải rộng và tín hiệu các bít liền

kề sẽ chồng lấn nhau Có 2 kiểu tán sắc là tán sắc do vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng (waveguide) Khai triển hằng số truyền sóng β(ω) tại tần số ω0 ta được:

3 0 3

2 0 2

0 1

6

1 ) (

2

1 ) ( )

( ) ( ω ω ω β β ω ω β ω ω β ω ω

c

trong đó n(ω) là chiết suất hiệu dụng của sợi cáp quang

c là vận tốc ánh sáng trong chân không

) ( ω ω ω β ω

Hệ số βk , k = 0,1,2,3 được diễn dịch như sau:

• β0 thể hiện độ lệch pha trong quá trình truyền sóng

• β1 là nghịch đảo của vận tốc nhóm v g xác định tốc độ của năng lượng lan truyền trong sợi cáp

• β2 mô tả sự phụ thuộc vào tần số của nghịch đảo vận tốc nhóm Nó xác định sự giãn rộng của xung Hiệu ứng này được gọi là tán sắc màu hoặc tán sắc vận tốc nhóm

• β3 là độ dốc của GVD hay còn gọi là GVD bậc 2 Nó thể hiện sự phụ thuộc vào tần số của GVD và bởi vậy thể hiện các đặc tuyến giãn rộng khác nhau của các tín hiệu truyền ở các tần số khác nhau

Thông thường, người ta hay xác định sự phụ thuộc của nghịch đảo vận tốc nhóm theo bước sóng hơn là theo tần số Sự phụ thuộc này được mô tả bởi tham số tán

sắc D và độ dốc theo bước sóng S:

2 2

2

λ

π λ

c v

d

d D

π

c d

dD

D c v

d

d

g π

λ ω

3 2

c d

π

λ ω

β β

D được tính bằng ps/nm.km Nó thể hiện độ giãn rộng ∆T của xung có độ rộng

∆λ sau quãng đường z hoặc tương đương với độ lệch thời gian của 2 xung sau khoảng cách z:

zD v

d

d z d

dT T

g

λ λ

λ λ

0 được dịch đến cửa sổ 1.55µm đang được nghiên cứu để phục vụ mục đích trên DSF hoàn toàn phù hợp với các hệ thống SDH cũ tốc độ cao (10Gbps hoặc hơn) nhưng lại không thích hợp với hệ thống WDM chủ yếu do ảnh hưởng tiêu cực của hiệu ứng trộn bốn sóng FWM và các hiệu ứng phi tuyến khác

1.3.2.3.Tán sắc mốt phân cực PMD

Tán sắc mốt phân cực là đặc trưng cơ bản của sợi quang đơn mốt, hiện tượng này

là do lõi sợi quang không tròn một cách hoàn hảo Điều này làm cho các phân cực khác nhau của một tín hiệu sẽ truyền với các vận tốc khác nhau (phân cực của ánh sáng lan truyền trong sợi quang đơn mốt là hướng của vector điện trường trên mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng) PMD làm giãn rộng xung tín hiệu và

về phương diện này ảnh hưởng của PMD cũng không khác tán sắc nói chung

ngoại trừ tán sắc là hiện tượng tương đối ổn định trong khi PMD của sợi đơn mốt

ở bất cứ bước sóng nào đều không ổn định

1.3.3 Các hiệu ứng phi tuyến

Các hiệu ứng phi tuyến trong thông tin quang có thể được chia làm 2 loại Loại thứ nhất là hiệu ứng tán xạ kích thích (Raman và Brillouin) và loại thứ 2 là các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr do sự thay đổi chiết suất vật dẫn theo công suất quang Trong khi tán xạ kích thích là nguyên nhân gây ra tăng ích hoặc suy hao theo cường độ trường thì chiết suất phi tuyến là nguyên nhân gây ra sự dịch pha tỷ lệ với cường độ trường Sự khác biệt chính giữa hiệu ứng Kerr và tán xạ kích thích là ở chỗ tán xạ kích thích có mức công suất ngưỡng tại đó các hiệu ứng phi tuyến bắt đầu bộc lộ trong khi hiệu ứng Kerr không có mức ngưỡng như vậy

1.3.4.1.Hiệu ứng Kerr:

Hiệu ứng này thể hiện sự phụ thuộc của chiết suất của sợi quang n(ω,t) vào cường

độ điện trường I của tín hiệu quang lan truyền trong sợi:

) ( ) ( ) , ( t n0 n2I t

trong đó n 0 là chiết suất tuyến tính

n 2 là hệ số chiết suất phi tuyến

So sánh với các môi trường phi tuyến khác, n 2 rất nhỏ Tuy nhiên, trong thông tin quang, các hiệu ứng do sự tương tác phi tuyến giữa các xung tín hiệu có thể tích

tụ lại trong quá trình truyền dẫn và trở thành hạn chế của hệ thống

Các hiệu ứng phi tuyến thường gặp thuộc nhóm hiệu ứng Kerr bao gồm: SPM, XPM và FWM

a Self-Phase Modulation và Cross-Phase Modulation

Khi phát chuỗi xung có cường độ I(t) và pha ban đầu φ0 ở các tần số mang khác

nhau vào sợi cáp quang, điều chế pha của tín hiệu ở kênh m sẽ phụ thuộc vào

phân bố công suất của tất cả các kênh như sau:

m m

m(t,z) 0, 2 n0, z n2z.I (t) n2z 2 I (t)

λ

π φ

trong đó φm (t,z) là điều chế pha của kênh m

φ0,m là pha ban đầu của kênh m

n 0,m là chiết suất tuyến tính của kênh m

n 2 là chiết suất phi tuyến

k là chỉ số ký hiệu cho các kênh lân cận của kênh m

Trong ngoặc vuông, số hạng thứ nhất tương ứng với sự dịch pha tuyến tính tích tụ trong quá trình truyền dẫn

Số hạng thứ 2 tương ứng với sự dịch pha phi tuyến do quá trình tự điều pha SPM

của kênh m tích tụ trong quá trình truyền dẫn Sự dịch pha do SPM tỷ lệ với

cường độ điện trường Hiện tượng này làm cho phổ tín hiệu bị giãn ra hoặc co lại trong quá trình truyền

Số hạng thứ 3 mô tả sự dịch pha gây ra bởi sự thay đổi cường độ kênh lân cận của

kênh k, hiệu ứng này được gọi là điều pha chéo XPM

b Hiệu ứng FWM

Khi các sóng mang có tần số khác nhau truyền trong sợi quang, các tần số khác nhau có thể tương tác với nhau để tạo ra thành phần có tần số mới Hiệu ứng phi tuyến này được gọi là trộn bốn sóng FWM Hiệu ứng xảy ra khi 2 photon ở tần số

ω1 và ω2 bị hấp thụ để tạo ra 2 photon ở tần số ω3 và ω4 sao cho:

4 3 2

)(

( )

m l m k

π ω

ω ω

ω ω ω

ω ω ω

ω ω

trong đó ω0 là tần số tham chiếu của D và S

Năng lượng của sóng mới tạo ra tỷ lệ với năng lượng của 3 sóng tương tác:

2 2

) ( ) ( ) ( (

~ ) (z E z E z E z

∆ +

)]

exp(

1 [

) 2 / sin(

) exp(

4 1

z

z z

α

β α

β α

α

trong đó α là hệ số suy hao sợi cáp, z là chiều dài sợi

Hiệu suất η của quá trình FWM phụ thuộc điều kiện phù hợp về pha ∆β Hiệu ứng FWM xảy ra mạnh khi và chỉ khi điều kiện này được thoả mãn (tức là động lượng của photon được bảo toàn) Về mặt toán học, điều kiện này có thể được biểu diễn:

) ( ) ( ) ( ) ( ωijk β ωi β ωj β ωk

Vì trong sợi quang tồn tại tán sắc nên điều kiện phù hợp về pha rất khó xảy ra Tuy nhiên với môi trường truyền dẫn là loại sợi có tán sắc thấp và khoảng cách truyền dẫn tương đối lớn và các kênh gần nhau thì điều kiện này có thể coi là xấp

xỉ đạt được:

• Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM Hơn nữa nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có thể rơi vào các kênh tín hiệu, gây xuyên âm giữa các kênh, làm suy giảm chất lượng hệ thống

• Sự suy giảm công suất sẽ làm cho dạng hình mắt của tín hiệu ở đầu thu bị thu hẹp lại do đó sẽ làm giảm BER của hệ thống Vì các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở cửa sổ 1550nm và do tán sắc của sợi quang đơn mốt thông thường G.652 tại cửa sổ này lớn hơn 0 (xấp xỉ bằng 0 đối với sợi dịch tán sắc G.653) nên hệ thống WDM làm việc với sợi đơn mốt thông thường sẽ ít bị ảnh hưởng bởi FWM hơn đối với làm việc trên sợi dịch tán sắc

• Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM càng nhỏ cũng như khoảng cách truyền dẫn và mức công suất phát mỗi kênh lớn Do vậy FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống WDM

• Tổng số các thành phần mới được tạo ra có thể tính như sau:

) (

2

1 N3 N2

Để giảm ảnh hưởng do hiệu ứng FWM gây ra, có thể dùng các giải pháp:

• Khoảng cách các kênh không đều nhau: vị trí các kênh có thể lựa chọn kỹ

để các thành phần nhiễu không đè lên các kênh số liệu

• Tăng khoảng cách giữa các kênh: Làm tăng vận tốc nhóm giữa các kênh, nhược điểm làm tăng độ rộng băng hệ thống và do vậy yêu cầu phải có bộ khuếch đại quang độ rộng băng khuếch đại rộng hơn

• Sử dụng các bước sóng cao hơn 1560nm với sợi DSF do trong phạm vi này sợi có lượng tán sắc đáng kể làm giảm FWM

• Giảm công suất phát và giảm khoảng cách giữa các bộ khuếch đại

1.3.4.2 Tán xạ kích thích SRS (Stimulated Raman Scattering)

Hiệu ứng Raman là kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phân tử cấu thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng cuả ánh sáng tới (ánh sáng với bước sóng mới này được gọi là ánh sáng Stoke) Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang có cường độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích (được gọi là SRS) trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng (gọi là bơm Raman) làm cho phần lớn năng lượng của tín hiệu được chuyển tới bước sóng Stoke

Nếu trong hệ thống WDM hiệu ứng này cũng hạn chế số kênh bước sóng, khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ thống Hơn nữa, nếu như bước sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tín hiệu thì hiệu ứng này cũng gây xuyên âm giữa các kênh

1.3.4.3 Tán xạ kích thích Brillouin SBS

[6] [7] Sóng âm học và sóng quang học trong sợi quang có thể tương tác với nhau

để tạo nên tán xạ kích thích Brillouin Chùm laser tới sẽ tán xạ theo sự thay đổi chiết suất sợi quang cùng với sóng âm, ánh sáng tán xạ tuỳ thuộc hướng truyền của sóng âm mà bị dịch tần theo sóng âm Tiến trình được gọi là kích thích vì sự giao thoa giữa sóng tới và sóng tán xạ làm cho sóng âm được khuếch đại và có xu hướng bơm thêm năng lượng cho sóng tán xạ Tiến trình hồi tiếp dương này có thể tạo nên sự bùng nổ theo hàm mũ ở sóng tán xạ SBS

Tán xạ SBS làm suy yếu tín hiệu phát vì tạo ra sự tăng ích theo hướng ngược với phương truyền sóng ánh sáng, nghĩa là hướng ngược về phía nguồn phát Ngưỡng SBS được định nghĩa tỷ lệ với:

th B

v

v g

trong đó g B là hệ số tăng ích Brillouin

∆v S là độ rộng phổ tín hiệu

∆v B là độ rộng băng tần tăng ích Brillouin

Như vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng để mức công suất của từng kênh và khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM mà không phụ thuộc vào số kênh của hệ thống

1.4 Vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM

1.4.1 Thiết bị trong mạng WDM

1.4.2.1.Thiết bị OADM

Trên thực tế, đôi khi người ta cần thực hiện việc tách hoặc/và ghép một số kênh xác định nào đó trong luồng tín hiệu Để thực hiện nhiệm vụ này phải cần đến một loại thiết bị chuyên dụng, đó là thiết bị xen/rẽ kênh hay gọi ngắn gọn là thiết

bị xen/rẽ

Thiết bị xen/rẽ kênh quang (OADM) thực hiện chức năng thêm vào và tách ra một kênh tín hiệu từ tín hiệu WDM mà không gây ra nhiễu với những kênh khác trong sợi Theo thời gian chức năng xen/rẽ kênh quang của OADM đã dần hoàn thiện và linh hoạt hơn

1.4.2.2 Thiết bị OXC

Dưới góc độ phần tử mạng, thiết bị đấu nối chéo quang (OXC) là một phần tử chuyển mạch quang linh hoạt cho phép chuyển mạch tín hiệu tới từ một cổng đầu vào đến một hoặc nhiều cổng đầu ra khác nhau Dưới góc độ mạng, đấu nối chéo

là một nút chuyển mạch mà trạng thái thay đổi theo hệ thống quản lý mạng chứ không theo báo hiệu trong mạng Do đó những thay đổi này thường kéo dài trong khoảng thời gian tính bằng giây

OXC được xem như nền móng cho lớp mạng quang, nó đem lại cho người sử dụng khả năng lựa chọn mềm dẻo và linh hoạt cấu hình mạng (topo mạng) với độ duy trì mạng cao Ngày nay các thiết bị này chủ yếu xuất hiện trong môi trường mạng đường trục Tuy nhiên những thiết bị loại này đang được trông đợi nhiều ở tất cả các cấp mạng bao gồm cả ở mạng nội hạt Rào cản hiện tại của những thiết

bị này trong mạng thực tế đó là giá thành

Chức năng chính của OXC sẽ là khả năng tái cấu hình mạng một cách linh hoạt ở mức bước sóng cho khôi phục mạng hoặc thích ứng đối với những thay đổi nhu cầu băng tần

Một số chức năng của OXC hiện nay:

- Quản lý băng tần và kết nối để cung cấp kết nối cho các kênh thuê riêng và kết nối của các kênh quang (hỗ trợ cho tải SDH), cung cấp chức năng xen/rẽ bước sóng

- Sắp xếp hiệu quả bước sóng để tận dụng tốt hơn cơ sở hạ tầng đã có

- Phát triển từ từ các dịch vụ 10Gbit/s đến 40Gbit/s, đem lại một chi phí thấp cho mạng

- Bảo vệ và khôi phục mạng ở mức bước sóng

- Định tuyến và liên kết ở mức bước sóng

Hiện nay, có thể phân thiết bị OXC thành hai loại chính: OXC dựa trên ma trận chuyển mạch điện (lõi điện) và OXC dựa trên ma trận chuyển mạch quang (lõi quang) Trước đây do công nghệ quang chưa chế tạo được chuyển mạch quang không gian lớn nên nhiều nhà sản xuất thiết bị hướng đến sử dụng ma trận điện trong các thiết bị đấu nối chéo quang của mình Chính vì vậy mà phần lớn thiết bị được quảng cáo ngày nay của một số hãng lớn như Ciena, Cisco Network, Sycamore được phát triển trên nền này Tín hiệu quang tới và ra khỏi OXC phải qua giao diện O/E, tốc độ xử lý cơ sở trong kiểu OXC này thường là 2,5Gbit/s Tuy nhiên khi nối chéo những tốc độ lớn như 10 hoặc 40Gbit/s thì các bị OXC này sẽ bộc lộ những nhược điểm về công nghệ của mình như xuyên kênh lớn, kích thước chuyển mạch nhỏ (<32x32), số lượng chuyển mạch lớn, trọng lượng

nặng, và hơn cả giá thành sẽ bị đẩy lên rất cao vì phải chi trả cho các công nghệ

để giải quyết những nhược điểm trên Do đó giải pháp xây dựng OXC với lõi

quang trở nên hấp dẫn hơn cả và khắc phục được những nhược điểm nêu trên

Hơn nữa, giá thành của các linh kiện quang (ma trận chuyển mạch quang) đã

giảm xuống rất nhiều, trong tương lai gần nó hoàn toàn có thể so sánh với OXC

dựa trên ma trận chuyển mạch điện

Dựa vào đặc tính chuyển mạch người ta chia OXC lõi quang thành ba loại chính:

a OXC chuyển mạch sợi (FXC)

Các nối chéo chuyển mạch sợi (FXC) thực hiện chuyển mạch tất cả kênh bước

sóng từ một sợi đầu vào tới một sợi đầu ra, nó hoạt động như một bảng đấu sợi tự

động FXC là kiểu chuyển mạch ít phức tạp nhất trong số hai kiểu còn lại (do đó

cũng rẻ hơn)

Trong một số phần mạng mà việc bảo vệ chống đứt sợi là vấn đề chính thì FXC

có thể là một giải pháp hợp lý Chúng tận dụng tối đa các công nghệ quang hiện

tại Chúng có thể cung cấp các khả năng khôi phục và dự phòng đơn giản nhưng

lại không linh hoạt (nhằm hỗ trợ các dịch vụ bước sóng điểm-điểm mới)

Hình 1.6 OXC chuyển mạch sợi (a), OXC chuyển mạch lựa chọn bước sóng (b) và chuyển mạch trao đổi

bước sóng (c)

b OXC lựa chọn bước sóng (WSXC)

WSXC chuyển mạch một nhóm các kênh bước sóng từ một sợi đầu vào đến một

sợi đầu ra Về mặt chức năng thì chúng yêu cầu giải ghép (theo tần số) các tín

hiệu đến thành bước sóng ban đầu của chúng

WSXC còn có tính linh hoạt trong việc khôi phục dịch vụ Các kênh bước sóng có

thể được bảo vệ riêng biệt nhờ cơ chế bảo vệ mesh, ring hoặc kết hợp

c OXC trao đổi bước sóng (WIXC)

WIXC hoàn toàn giống như WSXC mô tả trên nhưng có thêm khả năng chuyển đổi hoặc thay đổi tần số (hoặc bước sóng) của kênh từ tần số này đến tần số khác Đặc tính này làm giảm xác suất không được định tuyến từ sợi đầu vào đến sợi đầu

ra do sự cạnh tranh bước sóng WIXC có tính linh hoạt cao nhất trong việc khôi phục và dự phòng dịch vụ

1.4.2 Vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM

Thiết kế kỹ thuật của hệ thống WDM là rất phức tạp, nó là sự cân bằng của nhiều các yếu tố tác động Nhiều hiệu ứng trong hệ thống WDM đã được biết đến trong các hệ thống đơn kênh Tuy nhiên còn có một số hiệu ứng khác trong truyền dẫn WDM, bao gồm:

- Sự phân tách kênh và băng tần tín hiệu: Để giảm thiểu ảnh hưởng của SRS và đạt được độ bằng phẳng khuếch đại tối ưu từ các bộ khuếch đại ta phải sắp xếp các kênh càng gần nhau càng tốt Dĩ nhiên điều này sẽ cho chúng ta có được nhiều kênh hơn (nếu cần) và vì vậy dung lượng cũng cao hơn.Tuy nhiên, những tác động của FWM lại không cho phép các kênh có khoảng cách quá gần nhau

- Độ chính xác và giá thành phần tử quang: Nói chung, các phần tử quang càng chính xác và ổn định thì chúng càng có giá thành đắt Độ rộng phổ nguồn laser càng hẹp và tín hiệu của nó càng ổn định thì nó càng có giá thành cao hơn Những đánh giá tương tự cũng được xét cho các cách tử, bộ lọc, và phần lớn các thiết bị khác Đây là yếu tố quan trọng để quyết định độ rộng dải thông và khoảng cách kênh

- Kiểm soát tán sắc: ý nghĩa cơ bản của việc kiểm soát tán sắc là giảm nhỏ dải thông tín hiệu và sử dụng một số phương pháp bù tán sắc Việc sử dụng sợi DSF tại bước sóng tán sắc 0 (zero) là không thể được do vấn đề FWM Có thể giảm nhỏ dải thông tín hiệu nhưng dải thông lại bị giãn rộng ra do chúng tự điều chế và nếu ta giảm dải thông tín hiệu xuống thấp hơn 80 MHz thì lại xuất hiện những hạn chế do các hiệu ứng SBS Trong các hệ thống có cự ly dưới 100km tại tốc độ 2,4 Gbit/s trở lên sẽ cần đến một số phương thức quản lý tán sắc và bù tán sắc

- Công suất tín hiệu (cho mỗi kênh): Một trong các yếu tố để đánh giá hệ thống

là nhu cầu làm tăng khoảng cách giữa các bộ khuếch đại Chi phí cho các bộ khuếch đại không phải là vấn đề chính Chi phí cho việc lắp đặt và bảo dưỡng chúng tại các trạm dọc theo tuyến cáp cao hơn khá nhiều so với chi phí cho các bộ khuếch đại Vì vậy cần phải tăng tối đa công suất cho mỗi kênh Tuy nhiên có nhiều yếu tố ảnh hưởng làm hạn chế lượng công suất có thể được sử dụng:

o Công suất cực đại có ở các bộ phát Đây thực ra là công suất đầu ra lớn nhất của một EDFA đặt tại bộ phát Cho tới gần đây nó vẫn đạt khoảng

200 mW nhưng cùng với sự phát triển của các bộ khuếch đại EDFA nhiều tầng, thì giới hạn công suất đạt được ngày nay là 10 W

o Các hiệu ứng phi tuyến (SBS, SRS, CIP) gây ra những hạn chế lớn đối với lượng công suất có thể dùng cho mỗi kênh tuỳ thuộc vào nhiều yếu

tố

o Vấn đề an toàn cũng rất quan trọng Hầu như tất cả các hệ thống WDM đều được phân loại kỹ lưỡng theo độ nguy hiểm và cần thiết phải có những hệ thống bảo an được đặt ở những vị trí xác định có thể truy nhập hiệu quả chỉ riêng các dịch vụ có chất lượng

- Tạp âm: Như đã nói ở trên, tác động của sự tích luỹ tạp ASE được đánh giá chủ yếu là về khoảng cách bộ khuếch đại

- Loại sợi: Để giảm tán sắc ta nên sử dụng sợi DSF Tuy nhiên, sợi DSF lại làm tăng đáng kể các hiệu ứng FWM và SRS Do đó ta nên dùng cả sợi tiêu chuẩn lẫn sợi tối ưu hoá tán sắc (DOF)

1.5 Kết cuối chương

Chương này giới thiệu tổng quan về công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM,

sơ lược về nguyên lý ghép kênh cũng như các thành phần cơ bản của mạng WDM

áp dụng trên thực tế Chương này cũng đề cập đến các hiệu ứng ảnh hưởng đến chất lượng truyền quang như tán sắc, suy hao và các hiệu ứng phi tuyến khác đồng thời giới thiệu về các vấn đề thiết kế kỹ thuật trong mạng WDM Chương tiếp theo sẽ trình bày về vấn đề mạng quang định tuyến theo bước sóng

CHƯƠNG 2 MẠNG QUANG ĐỊNH TUYẾN THEO BƯỚC

SÓNG 2.1 Giới thiệu

Mạng định tuyến theo bước sóng WRN là mạng toàn quang, trong đó việc định tuyến các nút mạng dựa trên bước sóng tín hiệu Thiết lập cấu hình mạng quang định tuyến theo bước sóng chủ yếu liên quan đến việc lựa chọn đường đi và gán bước sóng cho tuyến

Mạng định tuyến theo bước sóng bao gồm 2 kiểu nút mạng: Nút đấu chéo quang

(cross-connect) OXC kết nối các sợi quang trong mạng và các nút biên (edge)

cung cấp giao diện giữa các hệ thống đầu cuối phi quang (chẳng hạn router IP, chuyển mạch ATM ) với mạng lõi quang Các nút truy cập cung cấp điểm kết cuối (nguồn và đích) cho các tín hiệu quang Các tuyến thông tin có thể tiếp tục ra khỏi phần mạng quang, nhưng ở dưới dạng điện

Hình 2.1 Mạng định tuyến theo bước sóng

Mạng định tuyến bước sóng cung cấp dịch vụ cho các hệ thống cuối thông qua

các kết nối logic, thường được gọi là quang tuyến (lightpath) Quang tuyến, hay còn được gọi là λ-channel, là các tuyến truyền dẫn quang giữa các nút biên, như

được chỉ ra trên hình vẽ 2.1 Thông tin truyền trên quang tuyến không cần phải biến đổi sang dạng điện trong phạm vi mạng quang, và bởi vậy, kiến trúc các nút mạng quang có thể sẽ rất đơn giản vì không cần phải xử lý tín hiệu Hơn nữa, dung lượng truyền tải trên sợi quang là không hạn chế

O E

O

E

OXC OXC

OXC OXC

OXC

Các nút OXC có chức năng chuyển mạch và định tuyến để hỗ trợ các kết nối logic giữa các nút biên OXC tiếp nhận tín hiệu quang tại một bước sóng nào đó ở cổng vào và chuyển mạch tín hiệu ở đầu ra đã cho mà không phụ thuộc vào các bước

sóng khác Một OXC có N đầu vào và N đầu ra có khả năng xử lý W bước sóng tại mỗi đầu thì có thể được coi gồm N × N chuyển mạch độc lập Các chuyển

mạch này phải đặt giữa bộ giải ghép kênh và ghép kênh bước sóng như hình vẽ 2.2 Bởi vậy, một OXC có thể kết nối chéo các bước sóng khác nhau từ đầu vào tới đầu ra Bằng cách thiết lập cấu hình OXC trên tuyến phù hợp, các kết nối quang (quang tuyến) có thể được hình thành giữa bất kỳ cặp nút biên nào

Hình 2.2 OXC 3x3 với 2 bước sóng trên 1 sợi quang

Đặc trưng duy nhất của mạng WDM quang là mối quan hệ chặt chẽ giữa định tuyến và lựa chọn bước sóng Như ở hình 2.1, quang tuyến được hình thành bằng việc chọn tuyến liên kết vật lý giữa nút nguồn và đích và dự trữ bước sóng nhất định cho mỗi liên kết này Bởi vậy, khi thiết lập tuyến quang, ta phải giải quyết cả việc định tuyến (lựa chọn đường đi thích hợp) và gán bước sóng (cấp phát bước sóng cho kết nối) Đây được coi là bài toán định tuyến và gán bước sóng (RWA) Việc giải bài toán này thường phức tạp hơn rất nhiều so với bài toán định tuyến truyền thống thông thường

Việc định tuyến và gán bước sóng còn phải chịu các điều kiện ràng buộc sau:

- Ràng buộc về tính liên tục của bước sóng: Một tuyến quang phải sử dụng

cùng một bước sóng trên tất cả các liên kết của nó dọc theo đường truyền

từ nút nguồn đến nút đích Ràng buộc này đã được minh hoạ trong hình vẽ 2.1 thể hiện với các đường đậm nét

- Ràng buộc về tính khác biệt của bước sóng: Tất cả các tuyến quang sử

dụng chung sợi cáp phải được gán các bước sóng khác nhau

Chuyển mạch quang

Chuyển mạch quang

output port 2

output port 3 Wavelength

Để giải bài toán RWA, thông thường người ta chia mạng thành nhiều bản sao

mạng (số bản sao bằng số bước sóng sử dụng) Nếu bước sóng thứ i được lựa

chọn sử dụng cho tuyến thì nút nguồn và đích sẽ thông tin với nhau thông qua bản

sao thứ i của mạng Bởi vậy, giải bài toán tìm đường kết nối có thể sẽ dẫn đến giải

W bài toán định tuyến mạng với W bước sóng, mỗi bước sóng cho một bản sao

mạng

Ràng buộc về tính liên tục của bước sóng có thể được bỏ qua nếu các thiết bị

OXC được trang bị các bộ biến đổi bước sóng (wavelength converter) Bộ biến

đổi bước sóng là một thiết bị vào/ra có khả năng chuyển đổi bước sóng của tín hiệu quang ở đầu vào thành bước sóng khác ở đầu ra nhưng vẫn giữ cho tín hiệu

quang không thay đổi Ở các OXC không biến đổi bước sóng, tín hiệu đến cổng p i

có bước sóng λ có thể được chuyến mạch quang học sang cổng p j bất kỳ nhưng vẫn giữ nguyên bước sóng λ Với OXC có biến đổi bước sóng, tín hiệu đầu ra ở

cổng p j có thể sẽ có bước sóng λ’ Nghĩa là, việc chuyển đổi bước sóng cho phép tuyến quang sử dụng các bước sóng khác nhau trên các tuyến vật lý khác nhau

Có nhiều mức độ biến đổi bước sóng khác nhau và minh hoạ như trên hình 2.3

Biến đổi hoàn toàn nghĩa là bước sóng đến ở cổng bất kỳ có thể biến đổi thành

bước sóng bất kỳ khác Ở biến đổi hạn chế, các bước sóng đầu vào có thể biến đổi

thành bước sóng bất kỳ trong tập bước sóng xác định trước Trường hợp đặc biệt

của trường hợp này là biến đổi cố định, khi đó mỗi bước sóng đầu vào chỉ có thể

biến đổi thành một bước sóng duy nhất đã xác định trước Khi bước sóng được

“biến đổi” thành chính nó, ta gọi trường hợp này là không biến đổi

Hình 2.3 Các kiểu biến đổi bước sóng

Điểm mạnh của biến đổi hoàn toàn là ở chỗ nó loại bỏ yêu cầu ràng buộc về tính liên tục của bước sóng, cho phép thiết lập một tuyến quang trên các liên kết từ nút nguồn đến nút đích mà không cần quan tâm đến bước sóng cần gán (nghĩa là bước sóng cho các liên kết khác nhau trên tuyến có thể khác nhau) Kết quả là bài toán

RWA sẽ giảm mức độ phức tạp tương đương với bài toán định tuyến truyền thống, chỉ cần xác định được đường đi thích hợp cho các kết nối trong mạng Nếu

sử dụng phương pháp bản sao mạng, biến đổi hoàn toàn cho phép chập W bản sao mạng thành bản sao duy nhất trên đó chỉ cần giải bài toán định tuyến Tuy nhiên, nếu sử dụng biến đổi hạn chế, bài toán RWA trở nên phức tạp hơn so với không biến đổi Để lý giải điều này, hãy chú ý rằng việc áp dụng biến đổi hạn chế tại các OXC sẽ làm xuất hiện các liên kết giữa các bản sao mạng nào đó Chẳng hạn, nếu bước sóng λ1 có thể được chuyển đổi thành λ2, nhưng không thể thành λ3, thì liên kết sẽ xuất hiện từ mỗi OXC trong bản sao mạng 1 đến các OXC tương ứng trong bản sao mạng 2, nhưng không tới OXC tương ứng trong mạng 3 Khi chọn đường cho các kết nối, tại mỗi OXC sẽ cho phép chọn lựa là vẫn tiếp tục ở mạng cũ với bước sóng cũ hoặc chuyển sang bản sao mạng khác với bước sóng khác, phụ thuộc vào khả năng chuyển đổi của OXC Bởi vì số lựa chọn tăng theo hàm mũ với số OXC đi qua nên độ khó của bài toán RWA cũng tăng theo

Biến đổi bước sóng (hoàn toàn hoặc hạn chế) tăng khả năng lựa chọn đường đi đối với tuyến quang đã cho (nghĩa là làm tăng hiệu quả sử dụng bước sóng) và dẫn đến hiệu năng tốt hơn Do các thiết bị chuyển đổi làm tăng chi phí mạng, một

phương thức khả dĩ là sử dụng biến đổi thưa (spare conversion), nghĩa là chỉ sử

dụng bộ biến đổi tại một vài chứ không phải tất cả các OXC trong mạng Trong trường hợp này, tuyến quang phải sử dụng cùng bước sóng dọc theo mỗi liên kết giữa các OXC có trang bị bộ biến đổi nhưng cũng có thể sử dụng các bước sóng khác nhau trên tuyến đó

Định tuyến và gán bước sóng là bài toán điều khiển cơ bản trong mạng WDM quang Do năng lực của mạng phụ thuộc vào không chỉ tài nguyên vật lý (chẳng hạn OXC, thiết bị biến đổi, số sợi cáp, số bước sóng trên mỗi sợi, v.v ) mà còn phụ thuộc vào cách thức điều khiển mạng nên mục đích của thuật toán RWA là đạt được năng lực lớn nhất trong giới hạn ràng buộc vật lý Bài toán RWA có thể được nhìn dưới nhiều khía cạnh Các dạng khác nhau của bài toán có thể được phân làm 2 loại chính: RWA tĩnh ở đó yêu cầu về lưu lượng đã biết trước và RWA động khi đó yêu cầu về tuyến là ngẫu nhiên

2.2 Định tuyến và gán bước sóng tĩnh

Nếu mẫu lưu lượng trong mạng đã biết trước, phương pháp hiệu quả nhất để thiết lập tuyến quang giữa các nút biên là giải bài toán RWA tĩnh Tìm nghiệm của bài toán RWA chính là xây dựng cấu hình topo logic giữa các nút mạng, thực chất là xác định các tuyến quang giữa các nút Theo đó, bài toán RWA thường được coi

là bài toán thiết kế cấu hình topology ảo (logic) cho mạng Trong cấu hình topology ảo, tồn tại kết nối trực tiếp giữa nút biên mạng s và nút biên mạng d nếu tuyến quang bắt đầu từ s và kết thúc ở d, và nút s được gọi là cách nút d “một

chặng” trong cấu hình topology logic mặc dù 2 nút này được phân cách nhau bởi nhiều liên kết vật lý

Trong phần lớn các trường hợp, bài toán RWA được xác định bằng cách cung cấp cấu hình topo vật lý và yêu cầu lưu lượng Cấu hình topo vật lý tương đương với

sợi cáp quang trong cơ sở hạ tầng hiện có và được cho dưới dạng đồ thị G P (V,E P )

trong đó V là tập các OXC và E P là tập các sợi quang kết nối chúng Yêu cầu lưu

lượng được xác định trong ma trận lưu lượng T = [ρp sd ] trong đó ρp sd là luồng lưu

lượng từ nút biên nguồn s tới nút biên nguồn d

Định tuyến và gán bước sóng được coi là kết hợp với nhau thành bài toán tối ưu

sử dụng các công thức lập trình số nguyên hỗn hợp (MIP) Thông thường, mục đích của các công thức này là giảm thiểu mức nghẽn cực đại trong mạng với ràng buộc là tài nguyên của mạng là hữu hạn Ngoài các hàm mục tiêu thường hay được sử dụng như cực tiểu hoá trọng số của các chặng trên đường đi hay cực tiểu hoá trễ truyền dẫn trung bình, một hàm mục tiêu rất được ưa thích là cực tiểu hoá nghẽn mạng bởi vì nó thường dẫn đến các công thức lập trình tuyến tính (MILP) Các công thức này, tuy nhiên, lại có số lượng tham biến cực lớn và rất khó xác định đặc biệt là đối với mạng có kích thước lớn

Người ta thường chia bài toán RWA tĩnh thành bốn bài toán con về mặt logic Việc phân chia này có thể là không chính xác hoặc chỉ là xấp xỉ bởi vì giải các bài toán con lần lượt và ghép nghiệm lại có thể không dẫn đến nghiệm tối ưu của bài toán tổng hợp hoặc là các bài toán sau sẽ vô nghiệm khi xét đến điều kiện đầu là nghiệm của bài toán con trước Tuy nhiên, việc phân chia này làm cho hiểu rõ hơn cấu trúc của bài toán RWA và là bước đầu tiên của các thuật toán thực nghiệm sau này Coi rằng mạng đã cho không sử dụng bộ biến đổi bước sóng, 4 bài toán con được chia như sau:

- Bài toán con cấu hình topo mạng: Xác định topo logic dựa trên cấu hình

topo vật lý, nghĩa là xác định các tuyến quang giữa các nút nguồn và nút đích biên

- Bài toán con định tuyến các tuyến quang: Xác định các liên kết vật lý

mà tuyến quang đi qua, nghĩa là xác định đường đi của tuyến quang trên

các đường vật lý

- Bài toán con gán bước sóng: Xác định bước sóng trên các tuyến quang

được sử dụng, nghĩa là gán bước sóng cho mỗi tuyến quang trên cấu hình topology logic sao cho thoả mãn các điều kiện về mạng định tuyến theo

bước sóng

- Bài toán con định tuyến lưu lượng: Định tuyến các gói lưu lượng giữa

nút nguồn và đích qua mạng vừa thiết kế

Rất nhiều thuật toán thực nghiệm đã được đưa ra để giải bài toán RWA và có thể phân loại ra 3 loại chính sau: (1) thuật toán tìm nghiệm bài toán gần tối ưu, (2) thuật toán xác định nghiệm của 4 bài toán con, và (3) thuật toán giải bài toán gắn cấu hình topo logic chuẩn tắc lên cấu hình topo vật lý

Nghiệm gần tối ưu có thể đạt được bằng cách sử dụng các công cụ cổ điển xây dựng cho bài toán tối ưu phức tạp

Thuật toán loại thứ 2 ban đầu giải 3 bài toán con đã đề cập ở trên, việc định tuyến lưu lượng sau đó sẽ được thực hiện bởi các thuật toán nổi tiếng đã biết trên cấu hình logic Một cách để giải 3 bài toán đầu là cực đại hoá lưu lượng mang trên một chặng của tuyến quang, nghĩa là phần lưu lượng từ nút nguồn đến nút đích trên tuyến quang đó Phương pháp thường được sử dụng là tạo ra các tuyến quang giữa các nút biên theo thứ tự giảm dần về nhu cầu lưu lượng miễn là thoả mãn các ràng buộc về điều kiện liên tục của bước sóng Thuật toán bắt đầu với cấu hình topo logic rỗng (không có liên kết) sau đó sẽ dần dần thêm các tuyến quang miễn

là không vi phạm các ràng buộc đã đề cập ở trên Một phương thức khác đề xuất theo hướng ngược lại, bắt đầu với cấu hình kết nối hoàn toàn và thuật toán sau đó

sẽ dần dần xoá bỏ các tuyến quang có lưu lượng nhỏ nhất cho đến khi vi phạm về ràng buộc bước sóng vẫn chưa xảy ra Tại mỗi bước (sau khi xoá bỏ một tuyến quang), bài toán định tuyến lưu lượng sẽ được giải quyết để tìm tuyến quang có luồng nhỏ nhất

Loại thứ ba biến đổi mạng đã cho theo một cấu hình topo chuẩn tắc đã biết Các thuật toán định tuyến lưu lượng trên cấu hình chuẩn tắc thường đơn giản vì thế bài toán định toán lưu lượng có thể giải quyết dễ dàng Một khi đã xác định được cấu hình chuẩn tắc tương ứng với cấu hình logic mạng đã cho, cần thực hiện bài

toán ánh xạ nút để gắn các nút vật lý vào các nút tương ứng của cấu hình chuẩn tắc Sau đó thực hiện bài toán ánh xạ tuyến sắp xếp các liên kết vật lý vào các

cạnh của cấu hình chuẩn tắc Thủ tục này thường được gọi là gắn cấu hình logic chuẩn tắc lên cấu hình vật lý

2.3 Định tuyến và gán bước sóng động

Khi yêu cầu về lưu lượng không còn là cố định, các nút biên gửi đến mạng yêu cầu thiết lập các tuyến quang tuỳ theo nhu cầu Bởi vậy, các yêu cầu kết nối được coi là ngẫu nhiên Tuỳ vào trạng thái của mạng tại thời điểm yêu cầu, tài nguyên khả dụng của mạng có thể đủ hoặc không đủ để thiết lập các tuyến quang tương ứng giữa các cặp nút nguồn-đích Trạng thái của mạng bao gồm các tuyến vật lý

và bước sóng đã cấp phát cho các tuyến Trạng thái này thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian khi các tuyến quang mới được thiết lập hoặc tuyến quang cũ được giải phóng Bởi vậy, tại mỗi thời điểm có yêu cầu, thuật toán phải được thực hiện để xác định xem liệu có thể đáp ứng được yêu cầu không và nếu có thì thực hiện việc chọn đường và cấp phát bước sóng

Do bản chất thời gian thực của bài toán, các thuật toán RWA trong môi trường lưu lượng thay đổi phải hết sức đơn giản Chính vì nguyên nhân kết hợp định tuyến và gán bước sóng là bài toán khó nên các thuật toán thường tìm cách tách thành 2 bài toán con: bài toán con định tuyến và bài toán con gán bước sóng Kết quả là, phần lớn các thuật toán RWA áp dụng cho mạng định tuyến theo bước sóng thường bao gồm các bước sau:

- Tính toán số lượng các tuyến vật lý cho mỗi cặp nút nguồn-đích và sắp xếp

chúng vào danh sách tuyến

- Sắp xếp các bước sóng theo thứ tự và lập thành danh sách bước sóng

- Bắt đầu từ tuyến và bước sóng đầu tiên trong các danh sách tương ứng, tìm

kiếm tuyến và bước sóng khả dĩ cho mỗi tuyến quang yêu cầu

Trước hết, hãy xem xét bài toán con định tuyến Nếu sử dụng thuật toán tĩnh

(static) thì các tuyến được tính toán và sắp xếp độc lập với trạng thái mạng Với

thuật toán thích nghi (adaptive), các tuyến và trật tự sắp xếp của chúng có thể

khác nhau tuỳ thuộc vào trạng thái của mạng Thuật toán tĩnh được thực thi ngoại tuyến (offline) và các tuyến tính toán được sẽ được lưu lại để sử dụng sau dẫn đến việc thiết lập các tuyến quang đã chậm lại càng chậm Các thuật toán thích nghi được thực hiện đúng tại thời điểm yêu cầu tuyến quang và có thêm điều kiện trạng thái mạng, thời gian thiết lập tuyến do vậy cũng có thể tăng lên nhưng nhìn chung, thuật toán thích nghi cũng cải thiện được chất lượng mạng

Số lượng đường có thể chọn để thiết lập quang tuyến cũng là một tham số quan

trọng Thuật toán định tuyến cố định là thuật toán tĩnh, theo đó, mỗi cặp nút biên

nguồn-đích được gắn vào một tuyến Kết nối không được thiết lập nếu không cấp phát được bước sóng khả dụng cho tuyến tại thời điểm yêu cầu Đối với định

tuyến thay thế-cố định, một số k > 1 tuyến đối với mỗi cặp nút nguồn đích được

xác định và sắp xếp trước theo trật tự Khi có yêu cầu, các tuyến này được kiểm tra theo thứ tự nào đó và tuyến đầu tiên có thể gán được bước sóng sẽ được sử dụng để thiết lập kênh truyền Yêu cầu bị bác bỏ nếu không thể cấp phát được

bước sóng cho cả k tuyến Thông thường, phương pháp hay được sử dụng là xác định sẵn k tuyến, tuy nhiên, thứ tự sắp xếp các tuyến được xác định tuỳ theo trạng

thái mạng tại thời điểm có yêu cầu (chẳng hạn như nghẽn nhiều nhất hoặc ít nhất) Trong phần lớn các trường hợp, tuyến quang dự kiến sử dụng được sắp xếp theo

thứ tự tăng dần của chiều dài tuyến Chiều dài tuyến thường được định nghĩa là

tổng của trọng số gán cho mỗi liên kết vật lý trên tuyến Bởi vì các trọng số được gán một cách tuỳ tiện nên các tiêu chí lựa chọn tuyến là rất đa dạng Chẳng hạn, đối với thuật toán định tuyến thay thế-cố định, trọng số của mỗi liên kết có thể bằng 1 hoặc bằng chiều dài của liên kết vật lý Ở trường hợp thứ nhất, danh sách

các tuyến sẽ bao gồm k tuyến có số chặng nhỏ nhất, còn trong trường hợp thứ 2, danh sách này bao gồm k tuyến có độ dài nhỏ nhất (với độ dài được định nghĩa

như là chiều dài địa lý) Ở thuật toán thích nghi, trọng số của liên kết có thể phản ánh tải của liên kết, hoặc mức độ “nhiễu” của liên kết (nghĩa là số tuyến quang hoạt động đang sử dụng chung liên kết) Bằng cách gán trọng số nhỏ cho các liên kết có tải thấp nhất, các tuyến có số kênh rỗi càng lớn càng được xếp ở trên cùng

của danh sách, đây là nguyên lý của thuật toán định tuyến tải thấp nhất

(least-loaded) Các tuyến bị nghẽn sẽ được coi là “dài hơn” và bị xếp dần xuống cuối

danh sách và điều này cho phép tránh được hiện tượng nghẽn cổ chai trên mạng Tiếp theo, việc cần giải quyết bây giờ là bài toán con gán bước sóng, tương tự như trên, các bước sóng cũng được sắp xếp vào danh sách theo trật tự Để gán cho một tuyến quang, các bước sóng được kiểm tra theo thứ tự trong danh sách để tìm

ra bước sóng rỗi gán cho tuyến Ở đây cần phân biệt 2 trường hợp tĩnh và thích

nghi Ở trường hợp tĩnh, thứ tự của bước sóng là cố định (chẳng hạn danh sách được sắp xếp theo giá trị bước sóng) Ý tưởng của các thuật toán trong trường hợp

này (chẳng hạn thuật toán first-fit) là sắp xếp bước sóng theo thứ tự bước sóng có

xác suất khả dụng cao ở phía trên, các bước sóng đã sử dụng cho xuống dưới Trong trường hợp thích nghi, thứ tự của bước sóng thường dưa trên mức độ sử dụng Mức độ sử dụng có thể được định nghĩa hoặc là số liên kết trong mạng được gán bước sóng đó, hoặc là số kết nối tích cực đang sử dụng bước sóng đó

Thuật toán max-used sắp xếp các bước sóng theo thứ tự giảm dần về mức độ sử

dụng (nghĩa là các bước sóng sử dụng nhiều được xếp lên trước) Mục đích chính của thuật toán này là để tái sử dụng các bước sóng tích cực càng nhiều càng tốt

trước khi thử kiểm tra bước sóng khác Ngược lại, phương thức min-used sắp xếp

bước sóng theo thứ tự mức độ sử dụng tăng dần Thuật toán này cho phép cân bằng tải giữa các bước sóng khả dụng Tuy nhiên, gán theo kiểu min-used có xu hướng “phân mảnh” độ khả dụng của bước sóng

Thuật toán max-used và min-used yêu cầu phải có thông tin toàn cục mạng để tính toán mức độ sử dụng của mỗi bước sóng Tuy nhiên, điều này lại không cần thiết khi áp dụng thuật toán first-fit do thuật toán này không cần sắp xếp bước sóng theo thời gian thực và do vậy nó giảm được đáng kể thời gian tính toán khi

so sánh với 2 thuật toán kia Một thuật toán thích nghi khác không sử dụng các

thông tin toàn cục mạng là gán bước sóng ngẫu nhiên Ở thuật toán này, đối với

mỗi tuyến cụ thể, trước hết cần xác định tập các bước sóng có thể cấp phát Sau

đó chọn ngẫu nhiên một bước sóng trong tập bước sóng đã xác định để gán cho tuyến

Cần chú ý rằng trong các mạng mà toàn bộ nút OXC của nó có trang bị thiết bị biến đổi bước sóng thì bài toán gán bước sóng trở nên không còn ý nghĩa bởi vì tuyến quang có thể được thiết lập miễn là tồn tại ít nhất một bước sóng khả dụng trên mỗi liên kết của tuyến và các bước sóng khác nhau có thể sử dụng trên các liên kết khác nhau của tuyến Thứ tự gán bước sóng cũng không còn quan trọng nữa Nói cách khác, chỉ khi sử dụng bộ biến đổi thưa thì mới cần áp dụng các thuật toán lựa chọn bước sóng cho các liên kết của tuyến kết nối giữa nút OXC nguồn và đích có trang bị thiết bị chuyển đổi bước sóng Trong trường hợp này, việc áp dụng các thuật toán lựa chọn bước sóng cho các tuyến toàn trình đã đề cập

ở trên để gán bước sóng cho mỗi segment của tuyến giữa các OXC là hoàn toàn hợp lý

Năng lực của thuật toán RWA động thường được tính theo xác suất nghẽn, nghĩa

là xác suất tuyến không thể được thiết lập do thiếu tài nguyên (thiếu dung lượng liên kết hoặc bước sóng) Tuy nhiên, thậm chí ngay cả trong trường hợp mạng có cấu hình đơn giản (chẳng hạn cấu hình ring) hoặc định tuyến đơn giản (chẳng hạn định tuyến cố định) thì việc tính toán xác suất nghẽn trong mạng WDM vẫn hết sức phức tạp Trong các mạng, chẳng hạn mạng có cấu hình lưới tuỳ ý và/hoặc sử dụng các thuật toán định tuyến thay thế hoặc thích nghi thì bài toán sẽ trở nên đặc biệt khó

Mặc dù quan trọng nhưng xác suất nghẽn trung bình (tính toán trên tất cả các yêu cầu kết nối) không phải lúc nào cũng phản ánh được ảnh hưởng của một thuật

toán RWA động nào đó đến các khía cạnh khác của mạng, đặc biệt là mức độ

công bằng (fairness) Khái niệm công bằng để chỉ sự khác nhau về xác suất

không thể cung cấp các kết nối giữa các cặp nút nguồn đích, sao cho mức độ khác nhau càng ít thì sự công bằng càng cao Nhìn chung, bất kỳ mạng nào cũng có tính chất các tuyến dài hơn thì có xác suất nghẽn lớn hơn so với các tuyến ngắn

Hệ quả là mức độ công bằng có thể được định lượng bằng cách định nghĩa hệ số

bất công (unfairness factor) là tỉ số giữa xác suất nghẽn trên tuyến dài nhất so với

xác suất nghẽn trên tuyến ngắn nhất đối với thuật toán RWA đã cho Tuỳ thuộc vào cấu hình mạng và thuật toán RWA mà tính chất này có thể dẫn đến hiệu ứng phân tầng và kết quả là các kết nối giữa các cặp nút có khoảng cách lớn bị “đối xử” không công bằng: từ chối chấp nhận kết nối có khoảng cách lớn sẽ để lại nhiều tài nguyên cho tuyến ngắn và vì vậy các kết nối trong mạng sẽ có xu hướng ngắn dần hơn Các tuyến ngắn “phân mảnh” độ khả dụng của bước sóng và bởi vậy, bài toán về mức độ công bằng và không công bằng sẽ dễ dàng nhận ra hơn trong mạng không sử dụng bộ biến đổi bước sóng bởi vì tìm tuyến dài thoả mãn ràng buộc về tính liên tục của bước sóng thì khó hơn nhiều so với bài toán không

có ràng buộc này

Rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định ảnh hưởng của các tham số khác nhau đến xác suất nghẽn và độ công bằng và người ta đã chứng minh được rằng:

- Việc chuyển đổi bước sóng ảnh hưởng đáng kể đến mức độ công bằng: Các

mạng có sử dụng bộ chuyển đổi tại tất cả các OXC thường có hệ số công bằng cao hơn so với các mạng không sử dụng bộ chuyển đổi mặc dù mức

độ cải thiện hoàn toàn không dễ nhận ra Người ta cũng chứng minh rằng

sử dụng bộ chuyển đổi với tỷ lệ thấp (thường là 20 đến 30% số lượng OXC) là đủ để đạt được mức độ công bằng hiệu quả nhất

- Định tuyến thay thế có thể cải thiện đáng kể hiệu quả mạng xét về cả khía

cạnh xác suất nghẽn và mức độ công bằng Trên thực tế, xác định khoảng vài ba tuyến thay thế cho mỗi kết nối trong một số trường hợp (tuỳ thuộc vào cấu hình mạng cụ thể) có thể đạt được hiệu quả nhất (xét theo khía cạnh xác suất nghẽn và mức độ công bằng) giống như có sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng hoàn toàn tại mỗi OXC và sử dụng định tuyến cố định

- Chính sách cấp phát bước sóng cũng đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là

xét về mức độ công bằng Thuật toán ngẫu nhiên và min-reuse có xu hướng

“phân mảnh” mức độ khả dụng của tài nguyên bước sóng dẫn đến hệ số bất công lớn (trong đó min-reuse là trường hợp xấu nhất) Nói cách khác, thuật toán max-reuse đạt được hiệu quả cao nhất xét về mức độ công bằng

2.4 Kết cuối chương

Chương này giới thiệu về mạng quang định tuyến theo bước sóng WRN, các thành phần cơ bản của mạng WRN cũng như các ràng buộc đối với vấn đề định tuyến và gán bước sóng trong mạng WRN Chương này cũng đề cập đến vấn đề giải bài toán định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM có thể chia làm 2 bài toán con là bài toán xác định đường đi (định tuyến) và gán bước sóng trong 2 trường hợp lưu lượng tĩnh và lưu lượng động

Trong các chương tiếp theo, vấn đề bảo vệ, nâng cao độ tin cậy trong mạng WDM

và giải bài toán thiết kế mạng đảm bảo yêu cầu độ tin cậy của mạng sẽ được giải quyết dự trên bài toán định tuyến và gán bước sóng

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG THỨC BẢO VỆ TRONG

MẠNG WDM 3.1 Nâng cao độ tin cậy trong lớp quang

Như đã đề cập ở phần trước, lớp quang được chia làm 2 phần, kênh quang và đoạn ghép quang Kênh quang tương ứng với mỗi bước sóng sử dụng trong mạng quang OTN Còn đoạn ghép kênh quang là tập các bước sóng đến thiết bị tách/ghép quang OADM

Việc phân loại các kỹ thuật bảo vệ mạng quang là hết sức cần thiết Tiêu chí phân

loại đầu tiên dựa trên các lớp con của lớp WDM, lớp kênh quang và lớp đoạn

ghép kênh quang Trong trường hợp thứ nhất, thực thể cần bảo vệ chính là tuyến quang, vì thế việc bảo vệ kênh quang trong trường hợp này được gọi là bảo vệ tuyến (path protection) Khi xuất hiện lỗi, lưu lượng sẽ chuyển từ tuyến quang hoạt động sang tuyến dự phòng Việc khôi phục được kích hoạt bởi các thiết bị Och đặt tại các nút đầu cuối (nguồn hoặc đích) của tuyến quang Hệ thống cũng

có nhiệm vụ giám sát tuyến quang để phát hiện lỗi Tuyến quang bảo vệ tuyến hoạt động gọi là tuyến dự phòng và có thể xác định trước hoặc thiết lập động tuỳ theo yêu cầu mạng lưới

Lớp OMS là phần ghép các kênh WDM lên sợi cáp Bởi vậy, việc khôi phục sự

cố ở lớp này liên quan đến từng liên kết, chính vì lý do này nó còn được gọi là bảo vệ theo liên kết (link protection) Các thiết bị OMS tại kết cuối của mỗi liên kết sẽ thực hiện quản lý việc phát hiện lỗi và chuyển mạch bảo vệ trên liên kết đó Bảo vệ theo liên kết được thực hiện theo 2 chế độ: chế độ 2 sợi và chế độ 4 sợi Việc lựa chọn chế độ nào là tuỳ thuộc vào thiết kế vật lý của từng mạng Ở chế độ bảo vệ theo liên kết 4 sợi OMS, một đôi sợi dành cho lưu lượng hoạt động, đôi thứ 2 dành để mang lưu lượng khi đôi sợi hoạt động bị sự cố Ở hệ thống OMS bảo vệ theo liên kết 2 sợi, trên một hướng của mỗi sợi quang, một nửa số kênh WDM sẽ mang lưu lượng hoạt động, nửa còn lại được sử dụng như nguồn dự phòng để bảo vệ trong trường hợp một liên kết nào đó bị sự cố Trên hướng ngược lại của sợi cáp, vai trò của mỗi bước sóng được đảo ngược: nếu nó là bước sóng hoạt động của sợi cáp kia thì bây giờ là bước sóng dự phòng và ngược lại

Ở tiêu chí phân loại thứ 2, cơ chế bảo vệ WDM được xếp loại dựa trên khả năng

đảm bảo rằng mạng vẫn được duy trì sau khi xảy ra sự cố về liên kết hoặc xảy ra

sự cố về liên kết và nút đồng thời Một trường hợp điển hình của sự cố về nút, chẳng hạn, là khi card nhánh của nút bị mất chức năng Trong trường hợp này, để đảm bảo độ tin cậy, cần trang bị card dự phòng cho nút Thông thường, việc đảm bảo khả năng duy trì mạng sau sự cố tại nút thì yêu cầu nhiều tài nguyên hơn so với bảo vệ theo liên kết

Tiêu chí phân loại thứ 3 liên quan đến việc quản lý động dung lượng bảo vệ Có 2

kiểu đề xuất khác nhau Phương thức được sử dụng rộng rãi nhất là “lập kế hoạch trước” Nguồn tài nguyên dự kiến sử dụng cho mục đích dự phòng sẽ được cấp phát trước ngay khi tuyến hoạt động được thiết lập (trực tuyến) hoặc nếu lưu

lượng thuộc kiểu tĩnh thì tài nguyên sẽ được cấp phát khi thiết lập mạng (ngoại tuyến) Trong trường hợp này, mạng luôn sẵn sàng đối phó với sự cố: ngay sau khi phát hiện được sự cố, nút mạng sẽ thực hiện các thao tác chuyển mạch đơn giản để chuyển lưu lượng sang hướng dự phòng Phương thức này cho phép thời gian khôi phục rất nhanh Trở ngại duy nhất là mỗi kênh WDM được cấp phát cứng nguồn tài nguyên để hoạt động và dự phòng Hiện nay, đã có vài phương thức cải tiến cho phép các kênh dự phòng khi không có sự cố có thể mang lưu lượng có tính chất không quan trọng Kiểu đề xuất lập kế hoạch từ trước thứ 2 là provisioning, còn được gọi là khôi phục Trong trường hợp này, mạng dành trước nguồn tài nguyên, thường là vượt quá nhu cầu lưu lượng thực sự để hoạt động và không phân bổ tài nguyên dự phòng Khi lỗi xuất hiện, mạng sẽ kích hoạt các kết nối mới để hỗ trợ kết nối gặp sự cố Phương thức khôi phục cho phép tăng tính mềm dẻo của mạng, cải thiện hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng Một ưu điểm nữa là nó cho phép mạng vẫn được duy trì sau nhiều sự cố xảy ra đồng thời Phương thức khôi phục, tuy nhiên, vẫn có nhược điểm là không đảm bảo an toàn 100% Trên thực tế, không thể đảm bảo chắc chắn rằng vẫn có đủ tài nguyên để thiết lập các kết nối mới sau khi sự cố xảy ra Một trở ngại lớn nữa của phương thức này là ở chỗ nó yêu cầu các hoạt động giám sát liên tục để thiết lập kết nối mới và bởi vậy thời gian khôi phục sẽ dài

Tiêu chí phân loại thứ 4 chỉ có thể áp dụng với các kỹ thuật lập kế hoạch trước

Bảo vệ theo kế hoạch trước có thể thực hiện theo kiểu dành riêng hay dùng chung Thủ tục đơn giản và đặc trưng nhất là dự trữ nguồn tài nguyên độc quyền cho một thực thể hoạt động nào đó (có thể là các tuyến quang trong bảo vệ OCh hoặc các liên kết trong bảo vệ OMS) Việc bảo vệ như vậy được gọi là bảo vệ dành riêng,

nó giảm đi phần nào tính phức tạp khi khôi phục mạng nhưng lại đòi hỏi ít nhất 50% số kênh WDM không sử dụng cho lưu lượng hoạt động Với giả thiết 2 sự cố không xảy ra đồng thời thì 2 hoặc nhiều thực thể bảo vệ (có thể là tuyến quang đối với bảo vệ OCh hoặc sợi cáp đối với bảo vệ OMS) có thể sử dụng chung nguồn tài nguyên nào đó (kênh WDM hoặc sợi cáp) Bảo vệ dùng chung cho phép giảm số lượng nguồn dự phòng cần thiết, cải thiện hiệu quả sử dụng tài nguyên tuy nhiên cái giá phải trả ở đây là độ phức tạp khôi phục mạng sẽ tăng lên

Việc phân loại các phương thức đảm bảo tính duy trì mạng được khái quát như trên hình 3.1