Hệ thống chuyển mạch quang

Trong những năm gần đây đã đ-ợc sử dụng ống dẫn sóng và các thiết bị cổng logic để chế tạo các ma trận chuyển mạch phân chia không gian... Nhờ kết hợp các phần tử quang băng rộng với kỹ

tr-ờng đại học bách khoa hà nội

Luận văn thạc sỹ Điện tử - viễn thông

hệ thống chuyển mạch quang

Hà Nội - 2004 Nguyễn Công hoan

tr-ờng đại học bách khoa hà nội

Luận văn thạc sỹ Điện tử -viễn thông

Hình 1.1 Các loại chuyển mạch phân chia theo không gian 4 Hình 1.2 Tốc độ chuyển mạch phụ thuộc kích cỡ ma trận chuyển mạch 5 Hình 1.3 Chuyển mạch phân chia theo b-ớc sóng quảng bá và lựa chọn 6

Hình 1.7 Chuyển mạch quang T- S -T sử dụng WC-WGR-WC 10

Hình 1.10 Sơ đồ khối tổng quát chuyển mạch gói quang 15

Hình 1.19 Chuyển mạch gói quang quảng bá và chọn lọc 27

Hình 2.2 Chuyển mạch coupler định h-ớng 2 x 2 34

Hình 2.8 Đặc tính biên độ của thiết bị hai trạng thái cộngh-ởng FP

Hình 2.9 Sơ đồ bộ chuyển đổi b-ớc sóng quang - điện 40 Hình 2.10 Chuyển đổi b-ớc sóng dùng laser bán dẫn 40 Hình 2.11 Bộ chuyển đổi b-ớc sóng xáo trộn bốn b-ớc sóng 41 Hình 2.12 Bộ chuyển đổi b-ớc sóng dựa vào cổng điều khiển quang 43 Hình 2.13 Đặc tính BER của tín hiệu 40Gbit/s khi i = 1554nm 44 Hình 2.14 Nguyên tắc chuyển đổi b-ớc sóng khi sử dụng các cấu trúc

Hình 2.16 Bộ lọc màng mỏng điện môi có ba khoang cộng h-ởng 47 Hình 2.17 Hàm truyền đạt các bộ lọc màng mỏng 47 Hình 2.18 Bộ ghép / tách b-ớc sóng sử dụng các bộ lọc màng mỏng 48

Hình 2.20 Hàm truyền đạt của bộ lọc Fabry – Perot 50

Hình 2.23 Bộ tách quang để tách một trong các kênh đã ghép

Hình 2.24 Bộ ghép quang để tạo ra luồng TDM xen gói 56 Hình 2.25 Bộ tách quang tách một kênh từ luồng TDM ghép xen gói 57 Hình 2.26 G-ơng phản xạ vòng quang phi tuyến (NOLM) 59 Hình 2.27 Bộ tách quang không đối xứng terahertz (TOAD) 60

Hình 3.4 Chuyển mạch crossbar đúp 67

Hình 3.6 Sắp xếp lại chuyển mạch phẳng N tầng 69 Hình 3.7 Kết nối 3 chiều của chuyển mạch Clos ba tầng 71

B¶ng 1.1 Mèi liªn hÖ gi÷a c¸c ®Çu vµo, c¸c ®Çu ra vµ c¸c b-íc sãng

Mở đầu 1

Ch-ơng 1 : Đặc điểm cấu trúc và nguyên lý hoạt động

1.2 Chuyển mạch quang phân chia theo không gian 4 1.3 Chuyển mạch quang phân chia theo b-ớc sóng 6 1.4 Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian 9

1.6.3.1 Chuyển mạch gói quang dùng chuyển mạch không gian 19 1.6.3.2 Chuyển mạch gói quang định tuyến b-ớc sóng 22 1.6.3.3 Chuyển mạch gói quảng bá và chọn lọc 25

2.3.2 Thiết bị hai trạng thái sử dụng buồng cộng h-ởng FP 37

2.6.1 GhÐp vµ t¸ch tÝn hiÖu quang ph©n chia theo thêi gian 52

4.3 ứng dụng của chuyển mạch quang trong mạng toàn quang 88

4.3.1 Thiết kế xen/rẽ quang và nối chéo quang 88

Ch-ơng 5 :Xây dựng ph-ơng pháp tính toán thiết kế mạng

5.1 Các yêu cầu để thiết kế tối -u mạng quang 97

MỞ ĐẦU

Cựng với sự phỏt triển của xó hội thỡ nhu cầu của con người đối với thụng tin ngày càng cao Để đỏp ứng được những nhu cầu đú, đũi hỏi mạng lưới viễn thụng phải cú tốc độ cao, dung lượng lớn Cỏc mạng lưới hiện nay dần bộc lộ ra những yếu điểm về tốc độ, dung lượng, băng thụng Mạng quang ghộp kờnh phõn chia bước súng (WDM) ra đời đó đỏp ứng được những đũi hỏi cấp thiết đú

Mạng quang WDM ứng dụng kỹ thuật ghộp kờnh bước súng nờn cú thể nõng dung lượng truyền dẫn của sợi quang lờn rất cao Hơn nữa hệ thống chuyển mạch quang sử dụng trong mạng cú rất nhiều ưu điểm hơn hẳn hệ thống chuyển mạch điện tử, hệ thống này khụng cần chuyển đổi quang điện

do đú khụng bị hạn chế tốc độ bởi cỏc thiết bị đú Cựng với hai tiến bộ trờn, việc nghiờn cứu chế tạo ra thiết bị nối chộo quang (OXC) và thiết bị xen rẽ quang (OADM) là cơ sở để thiết lập được một mạng thụng tin toàn quang, cú tốc độ cao, dung lượng lớn, trong suốt đỏp ứng tốt cỏc yờu cầu về mạng lưới viễn thụng mà xó hội đũi hỏi hiện nay

Nh- vậy, chuyển mạch quang là một thành phần rất quan trọng trong mạng WDM Và mục đích của luận án này là nghiên cứu cấu trúc,nguyên lý hoạt động và ứng dụng của nó trong mạng WDM

Trong thời gian làm luận án, tôi đã nhận đ-ợc sự giúp đỡ, chỉ bảo quý báu của thầy giáo, giáo s-, tiến sỹ Trần Đức Hân và các thầy cô, bạn bè trong khoa Điện tử - viễn thông, tr-ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2004

Học viên

Nguyễn Công Hoan

Ch-ơng 1

đặc điểm, cấu trúc Và NGUYÊN Lý HOạT Động

của các loại chuyển mạch quang

Cỏc hệ thống thụng tin quang đó được lắp đặt thành cụng trờn cỏc mạng đường trục và hầu như phần lớn cỏc cuộc gọi đường dài tại Việt Nam đều qua mạng cỏp sợi quang Sự phỏt triển này cú được là nhờ cú sợi quang suy hao cực bộ và sự hoàn thiện laser bỏn dẫn về cỏc đặc tớnh phổ, cỏc đặc tớnh điều chế, độ tin cậy và cỏc đặc tớnh liờn kết Cỏc hệ thống thụng tin quang tốc độ bớt cực cao sẽ đỏp ứng yờu cầu ngày càng tăng về lưu lượng của thụng tin đa phương tiện Cụng nghệ then chốt bao gồm kỹ thuật khuếch đại quang và bự tỏn sắc nhằm tăng cự ly thụng tin

Hệ thống cỏc nỳt cần thiết cho xử lý, thu và phỏt tớn hiệu quang là một

bộ phận khụng thể tỏch rời của mạng thụng tin quang Vỡ vậy chuyển mạch quang phõn chia thời gian, khụng gian, bước súng và phõn chia theo mó đều trở nờn quan trọng Cỏc thiết bị chuyển mạch quang sẽ được sử dụng như là cỏc phần tử trong cỏc hệ thống xử lý tớn hiệu quang

1.1 Đặc điểm của chuyển mạch quang

Mặc dù các truyền dẫn trung kế quang có dung l-ợng rất lớn, nh-ng hầu hết tín hiệu quan trọng hiện đại đều đ-ợc chuyển mạch nhờ các chuyển mạch điện tử Nh-ng trong t-ơng lai gần, các chuyển mạch quang sẽ thay thế các chuyển mạch điện tử So với chuyển mạch điện tử, các thiết bị chuyển mạch quang có các -u điểm sau:

1 Băng tần rộng

Ưu điểm lớn nhất của việc đ-a công nghệ quang vào hệ thống thông tin

là tính thông suốt của nó đối với mọi tốc độ bit khác nhau Chuyển mạch quang không gian đ-ợc sử dụng trong các mạng khác nhau phụ thuộc vào tốc

độ bit và loại hệ thống ghép Một hệ thống chuyển mạch điện tử có khả năng cho phép chuyển mạch luồng dữ liệu cỡ Gigabit nhờ ghép song song các phần

tử chuyển mạch đơn Trong khi đó một chuyển mạch quang đơn có thể chuyển mạch cho luồng dữ liệu hàng trăm Gbit/s {4}

2 Tốc độ bit cao

Tốc độ hoạt động của các chuyển mạch điện tử bị giới hạn trên với tốc

độ khoảng 20Gbit/s trong khi đó chuyển mạch điều khiển bằng điện tử cũng

có tốc độ chuyển mạch hạn chế do các mạch điện Chuyển mạch pico giây có thể thực hiện trong chuyển mạch quang điều khiển quang {4}

3 Nhiều b-ớc sóng

Hệ thống ghép kênh theo b-ớc sóng (WDM) có băng tần rất rộng, nó giống nh- hệ thống ghép kênh theo tần số (FDM) sử dụng trong hệ thống truyền dẫn cáp đồng trục Ghép b-ớc sóng quang cung cấp dung l-ợng truyền dẫn lớn nhờ ghép các kênh đ-ợc điều chế tín hiệu trên một b-ớc sóng quang Hiện đã có các hệ thống ghép hàng chục b-ớc sóng trong miền b-ớc sóng suy hao thấp của sợi quang Chuyển mạch b-ớc sóng giữa các kênh ghép theo b-ớc sóng đang đ-ợc triển khai trên một số hệ thống WDM

4 Tiêu thụ công suất thấp

Các thiết bị chuyển mạch ứng dụng hiệu ứng điện - quang làm thay đổi chiết suất không sinh nhiệt Đây là -u điểm đối với hoạt động công suất thấp.Từ quan điểm hệ thống chuyển mạch toàn bộ phải kể đến công suất tiêu thụ của mạch điều khiển Nếu điều khiển quang thay cho điều khiển điện tử thì công suất tiêu thụ của chuyển mạch giảm đáng kể

5 ít chức năng

Chuyển mạch quang có ít chức năng hơn chuyển mạch điện tử Chuyển mạch quang có thế mạnh trong các hoạt động chuyển mạch đơn giản có tốc độ

cao và khả năng thông qua lớn, nh-ng việc điều khiển ghi và l-u trữ tín hiệu rất phức tạp Ng-ợc lại các chuyển mạch điện tử, lại có đ-ợc lợi thế trong các chức năng nh- đọc các tín hiệu đầu đề, điều khiển định tuyến Trong cụng nghệ quang hiện đại, thiết bị nhớ quang tốc độ cao khụng thể thiếu trong điều khiển định thời cỏc xung quang sử dụng dõy trễ sợi quang cú cấu trỳc đơn giản hơn RAM điện tử

1.2 Chuyển mạch quang phân chia theo không gian

Chuyển mạch không gian có hai loại cấu hình nh- hình 1.1

Hình 1.1 - Các loại chuyển mạch phân chia theo không gian

Hình 1.1a có cổng ra đ-ợc lựa chọn trực tiếp và về nguyên tắc không có suy hao chuyển mạch Cổng ra đ-ợc lựa chọn nhờ điều khiển chiết suất của ống dẫn sóng Chiết suất có thể thay đổi nhờ dòng phun, điện tr-ờng ngoài hoặc nhờ thay đổi nhiệt Trong hình 1.1b tín hiệu vào đ-ợc chia có tổn hao và

đ-a tới các thiết bị cổng lựa chọn cổng ra Trong tr-ờng hợp này công suất tín hiệu chia cho các tuyến không lựa chọn và có suy hao chuyển mạch Tuy nhiên nó có khả năng nối các tuyến ra đồng thời Bộ khuyếch đại quang bù lại suy hao công suất chia của ống dẫn sóng bán dẫn và bộ điều chế hấp thụ đ-ợc

sử dụng làm thiết bị chuyển mạch cổng Bộ khuếch đại quang bù lại suy hao công suất chia của ống dẫn sóng bán dẫn và phần suy hao chuyển mạch Tốc độ chuyển mạch và kích cỡ ma trận chuyển mạch của chuyển mạch không gian điển hình đ-ợc thể hiện trong hình 1.2 {4}

a) Chuyển mạch lựa chọn b) Chuyển mạch cổng

Cấu trúc ống dẫn sóng có suy hao rất thấp nên thích hợp với việc chế tạo cấu trúc ma trận chuyển mạch cỡ lớn và đ-ợc chế tạo nhờ sử dụng thạch

anh d-ới dạng các mạch sóng ánh sáng phẳng ( PLC) Ma trận chuyển mạch

quang 1 6 x 16 đã đ-ợc chế tạo nhờ công nghệ PLC gồm 256 chuyển mạch cơ bản 2 x 2 loại Mach - Zehnder Loại chuyển mạch này sử dụng hiệu ứng nhiệt quang để thay đổi chiết suất của PLC nên tốc độ chuyển mạch nằm trong phạm vi mili giây (ms) Trong những năm gần đây đã đ-ợc sử dụng ống dẫn sóng và các thiết bị cổng logic để chế tạo các ma trận chuyển mạch phân chia không gian

ống dẫn sóng PLC

Không gian tự

do tinh chế lỏng

Không gian tự

do bán dẫn

ống dẫn sóng LiNbO 3

Tốc độ chuyển mạch (s)

1 10 102 103 104 105 (2x2) (4x4) (16x16) (128x128) Kích cỡ của chuyển mạch trong một chíp

Hình 1.2 - Tốc độ chuyển mạch phụ thuộc kích cỡ ma trận chuyển mạch

1.3 Chuyển mạch quang phân chia theo b-ớc sóng

Nguyên lý cơ bản của hệ thống chuyển mạch quang là chuyển đổi b-ớc sóng để thay đổi kênh tín hiệu từ b-ớc sóng i thành j tại các nút mạng

Chuyển mạch b-ớc sóng đ-ợc phân chia thành 2 loại:

1) Quảng bá và lựa chọn

2) Định tuyến b-ớc sóng

Loại thứ nhất nh- hình 1.3 Coupler hình sao để xáo trộn các b-ớc sóng vào và phát quảng bá chúng tới các đầu ra Các bộ lọc quang tại đầu ra coupler hình sao cho phép chuyển mạch b-ớc sóng không tắc nghẽn Muốn chuyển một số b-ớc sóng tới ng-ời sử dụng dịch vụ, cần sử dụng các bộ chuyển đổi b-ớc sóng (WC) để hoán vị b-ớc sóng

Hình 1.3 Chuyển mạch phân chia theo b-ớc sóng quảng bá và lựa chọn

Chuyển mạch định tuyến b-ớc sóng nh- hình 1.4, gồm hai dãy bộ chuyển đổi b-ớc sóng (WC) đặt tại hai phía bộ định tuyến cách tử ống dẫn sóng (WGR) Các WC trong tầng đầu chuyển đổi các b-ớc sóng vào Nếu b-ớc sóng tại cổng vào i cần định tuyến tới cổng ra j thì b-ớc sóng của nó tr-ớc tiên đ-ợc chuyển thành :

i+j = 0 - (i + j) 

Trong đó 0 là b-ớc sóng tham chiếu xác định bởi WGR  là khoảng cách giữa hai b-ớc sóng kề nhau Tại đầu ra của WGR các b-ớc sóng lại đ-ợc chuyển đổi một lần nữa trở về b-ớc sóng ban đầu

 2

Bộ chuyển

đổi b-ớc sóng

 1

 N

 2

Hình 1.4 Chuyển mạch định tuyến b-ớc sóng

So sánh hai ph-ơng pháp chuyển mạch b-ớc sóng trên đây nhận thấy ph-ơng pháp quảng bá và lựa chọn thực hiện đơn giản hơn, nh-ng suy hao phân bố rộng Ph-ơng pháp định tuyến b-ớc sóng có suy hao công suất thấp nh-ng đòi hỏi điều khiển và chuyển mạch b-ớc sóng chính xác

Trong cả hai ph-ơng pháp chuyển mạch nói trên, các b-ớc sóng đầu vào định tuyến trong miền không gian Cũng có khả năng thực hiện chuyển mạch b-ớc sóng trong miền b-ớc sóng Ph-ơng pháp này gọi là trao đổi kênh b-ớc sóng (WCI) và t-ơng đ-ơng về mặt logic với trao đổi khe thời gian (TSI) Hình 1.5a mô tả WCI Trong mô hình này gồm bộ ghép b-ớc sóng, một dãy các bộ chuyển đổi b-ớc sóng (WC) và coupler, việc chuyển mạch b-ớc sóng

đ-ợc thực hiện trong cùng một kênh b-ớc sóng Tách b-ớc sóng đ-ợc cấu trúc nhờ kết hợp bộ chia công suất quang và bộ chọn lọc b-ớc sóng Điều chỉnh b-ớc sóng của các bộ tách b-ớc sóng hoặc chuyển đổi là cần thiết để chuyển mạch b-ớc sóng tùy ý từ b-ớc sóng i thành j Cả hai cách kết hợp sau đây

Bộ chuyển đổi b-ớc sóng

trọng của bộ chuyển đổi b-ớc sóng Tín hiệu quang có tốc độ bit 10 Gbit/s đã

đ-ợc chuyển đổi, khi sử dụng sơ đồ điều chế khuếch đại ánh sáng phun Một thực nghiệm chuyển mạch quang 16 kênh WDM đã thực hiện thành công khi

sử dụng thiết bị chủ chốt này Cần chú ý là WCI sử dụng một coupler thay cho

bộ ghép b-ớc sóng, vì các bộ chuyển đổi b-ớc sóng có khả năng chuyển đổi các b-ớc sóng khác nhau Khi WCI sử dụng cùng với WGR có thể hoạt động nh- chuyển mạch b-ớc sóng - không gian - b-ớc sóng (  - S -  ) nh- hình 1.5b hoặc S -  - S (hình 1.5c)

(b)

WCI WCI

 1 ,  2 ,…  N

 1 ,  2 ,…  N

DeMux

(a)

1.4 Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian

Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian là quá trình chuyển tạm thời các tín hiệu quang đã đ-ợc ghép giữa các khe thời gian ti và tj Chuyển từng bit của tín hiệu 10 Gbit/s cần một thời gian chuyển mạch tối thiểu là

100 ns Tuy nhiên đòi hỏi thời gian chuyển mạch có thể đ-ợc thay đổi trong tr-ờng hợp chuyển gói tin chứa hàng trăm bit Chuyển mạch phân chia thời gian rất hấp dẫn đối với đa truy nhập phân chia thời gian, trong đó l-u l-ợng

đ-ợc ghép theo thời gian Vì các photon không dễ l-u trữ và phục hồi sau khi trễ lập trình, nên việc thực hiện chuyển mạch phân chia thời gian hoặc trao đổi khe thời gian là không dễ dàng Dây trễ lập trình gồm các vòng sợi và một chuyển mạch 2x2 nh- hình 1.6a Thời gian trễ của một vòng sợi là T lấy bằng chu kỳ của một gói, thời gian trễ lập trình kT (k là số lần mà gói tin đi qua vòng sợi trong một dây trễ) đ-ợc thực hiện bằng cách thay đổi trạng thái của chuyển mạch 2x2 Tr-ớc tiên đặt chuyển mạch ở trạng thái dọc trong thời hạn

T để chuyển gói tin đầu vào tới vòng sợi Sau đó đặt chuyển mạch ở trạng thái ngang trong thời hạn (k-1)T Cuối cùng đặt lại chuyển mạch ở trạng thái dọc

và thời gian trễ tổng là kT

Sử dụng các dây trễ lập trình, trao đổi khe thời gian đ-ợc thực hiện theo sơ đồ trong hình 1.6b Tầng đầu tiên là bộ tách khe thời gian (TSDEMUX) Hoạt động của TSDEMUX nh- hình 1.6c, trong đó các khe thời gian đ-ợc sắp xếp trong miền thời gian Tại các đầu ra của TSDEMUX, các khe thời gian xuất hiện đồng thời và đi vào dây trễ t-ơng ứng Bộ ghép thời gian nh- hình 1.6d

Trong thực tế chuyển mạch phân chia thời gian kết hợp với chuyển mạch phân chia không gian và/ hoặc chuyển mạch phân chia b-ớc sóng

Vì các dây trễ lập trình đã đề cập trên đây có suy hao quang đáng kể và gây ra lỗi thời gian sau một quá trình trễ dài, vì vậy đòi hỏi thiết kế phải rất chính xác Khi chuyển mạch có nhiều chiều có thể không cần dùng các dây trễ và chuyển mạch phân chia thời gian đ-ợc thực hiện theo một số ph-ơng

pháp khác nhau Chẳng hạn chuyển mạch T- S-T đ-ợc thực hiện nhờ sử dụng kết hợp WC-WGR - WC nh- đã trình bày trong phần 1.3 Hình 1.7 là sơ đồ khối chuyển mạch quang T-S-T khi sử dụng WC-WGR-WC

WC

WC

WGR

Hình 1.7 Chuyển mạch quang T- S -T sử dụng WC-WGR-WC

Bộ ghép khe thời gian

CM 2x2

Hình 1.6 Chuyển mạch phân chia thời gian

(a)

(d) (c)

Laser hai trạng thái cũng là một trong những bộ nhớ bit của chuyển mạch số,

nh-ng yêu cầu nghiêm ngặt về cải thiện tốc độ hoạt động và dung l-ợng

1.5 Chuyển mạch quang phân chia theo mã

Trong mạng thông th-ờng, sợi quang đ-ợc sử dụng làm đ-ờng dây

truyền dẫn, nh-ng tại các nút chuyển mạch lại gồm các mạch điện tử phức tạp

Vì vậy chuyển đổi O/E và E/O là không tránh khỏi tại mỗi nút và chính tốc độ

chuyển mạch điện tử làm hạn chế tốc độ của mạng chung Vì vậy các mạng

quang hoàn toàn, trong đó các tín hiệu quang đ-ợc chuyển mạch nhờ các tín

hiệu điều khiển quang là rất cần thiết để thực hiện các mạng t-ơng lai gần của

l-u l-ợng cỡ Terabit Các mạng hoàn toàn quang tốc độ siêu cao đòi hỏi định

tuyến tự động, do các chức năng thiết lập cuộc gọi và đồng bộ trong mỗi nút

làm cho cấu hình nút chuyển mạch trở nên phức tạp và giá thành cao

Các ph-ơng pháp ghép quang nh- phân chia theo thời gian (OTDM) và

phân chia theo b-ớc sóng (WDM) đã đ-ợc nghiên cứu và tỏ ra hấp dẫn trong

thời gian gần đây Ph-ơng pháp OTDM sử dụng các thiết bị nhớ quang tốc độ

cao và dung l-ợng lớn, trong ph-ơng pháp này cần đồng bộ thời gian nghiêm

ngặt giữa các nút thông tin Ph-ơng pháp WDM không yêu cầu đồng bộ thời

gian giữa các nút, nh-ng phải sử dụng các thiết bị quang phức tạp nh- các bộ

chuyển đổi b-ớc sóng và bộ lọc Tuy nhiên nếu cả công nghệ OTDM và

WDM đều đ-ợc chấp nhận thì dung l-ợng ghép thực tế cũng ch-a đủ lớn

Mặt khác, ph-ơng pháp truy nhập ghép kênh phân chia theo mã quang

(CDMA) đang thu hút sự tập trung nghiên cứu Mặc dù CDMA đ-ợc đặc tr-ng bởi ph-ơng pháp truy nhập theo yêu cầu, việc nghiên cứu nó sẽ có liên

quan đến các ph-ơng pháp nối định h-ớng và gọi là ghép kênh phân chia mã

quang (OCDM) Ph-ơng pháp có các đặc điểm nh-: thứ nhất, các bộ giải mã

và lập mã CDM quang có thể đ-ợc thực hiện nhờ các thiết bị quang đơn giản

hơn so với các ph-ơng pháp OTDM và WDM Thứ hai, không yêu cầu hệ

thống điều khiển đồng bộ thời gian nh- ph-ơng pháp OTDM Thứ ba, có khả năng nối tới mạng không dây và có dây

Mạng chuyển mạch OCDM quang hoàn toàn dựa trên nguyên tắc tự

định h-ớng và cấu trúc thiết bị chuyển mạch quang hoàn toàn không tuyến tính là một trong những thành phần chủ yếu của mạng Ph-ơng pháp tập hợp gói thích hợp cho truyền dẫn tự định tuyến, cấu hình của chuyển mạch OCDM quang hoàn toàn và cấu trúc mạng đ-ợc trình bày sau đây:

đ-ợc đặt bằng "1" và các bit khác bằng "0" Khi các gói đ-ợc chuyển đi từ

Nút tiếp theo

Nút sau tiếp theo

Độ dài thay đổi

0 1 0 0 0 0 1 0

Kênh ra A Kênh ra B Kênh ra C Kênh ra D Bit tách gói

chuyển mạch, các bit tham chiếu tại các đầu đề của các thẻ định tuyến đ-ợc loại bỏ lên tăng tỷ lệ chiếm giữ tải trọng trong các gói và đảm bảo rằng thông tin định tuyến cho nút tiếp theo đã xuất hiện ở phần tr-ớc của các thẻ định tuyến

Trong phần trên của hình 1.8 chỉ rõ gói nh- là một dãy các tr-ờng đầu

đề Chú ý là gói đ-ợc chuyển đi từ trái qua phải Bit tách gói chỉ thị rằng gói

đ-ợc chuyển đi bắt đầu bằng bit này Trong format này giả thiết bit tách gói là

"l", nh-ng một số bit cũng có thể lựa chọn khi tính toán chính xác Đầu đề đặc biệt chứa các thông tin thẻ nh- nguồn địa chỉ của thẻ lớp cao hơn

- Cơ cấu chuyển mạch OCDM

Hình 1.9 là cấu tạo của chuyển mạch OCDM quang hoàn toàn, trong đó các gói đ-ợc mô tả trong phần trên đây đ-ợc chuyển mạch dựa trên nguyên tắc tự định tuyến Chuyển mạch gồm các modul nh-: phân chia, giải mã, tái tạo tín hiệu, xử lý định tuyến và giải mã Chuyển mạch OCDM đ-ợc thực hiện nhờ chuyển đổi mã OCDM của tín hiệu vào thành mã OCDM của tín hiệu phù hợp với thẻ định tuyến

Đầu đề của cờ định tuyến Mã CDM Bit tách gói

Bộ giải mã

Bộ lập mã

Bộ tái tạo tín hiệu

Bộ xử lý định tuyến

Bộ kết hợp

Bộ

phân

chia

Phần còn lại của gói

Hình 1.9 Cấu tạo của chuyển mạch OCDM

Các tín hiệu ghép phân chia mã quang tại đầu vào khối phân chia đ-ợc chuyển tới n đ-ờng dây ra, trong đó n là số thứ tự kênh Các bộ giải mã trong OCDM giải mã tín hiệu nhờ các dây trễ Các tín hiệu sau giải mã đ-ợc gửi tới

bộ tái tạo tín hiệu để gạt bỏ nhiễu giao thoa nhờ bộ hạn chế quang Các tín hiệu mào đầu định tuyến của gói đ-ợc lấy ra từ tín hiệu đã tái tạo đ-a tới bộ

xử lý định tuyến Các tín hiệu đã đ-ợc tái tạo, trừ các bit dữ liệu của gói đ-ợc phân chia thành các phần đầu đề của cờ định tuyến và các phần khác để gửi tới bộ xử lý định tuyến và bộ lập mã t-ơng ứng Để phân phối các dãy bit cần

sử dụng hoặc chuyển mạch quang hoặc bộ chia có điều khiển thu thông báo Tại đầu vào bộ lập mã, dữ liệu của gói đ-ợc bổ sung vào tín hiệu gói Căn cứ vào phần đầu đề của thẻ định tuyến, bộ định tuyến tạo ra mã OCDM và điều khiển bộ lập mã Các tín hiệu đã lập mã đ-ợc kết hợp lại nhờ bộ nối kết hợp và gửi tới đầu ra chuyển mạch

1.6 Cấu trúc chuyển mạch gói quang ATM

1.6.1 Đặc điểm của chuyển mạch gói quang

Chuyển mạch ATM và các chuyển mạch gói đã xuất hiện nh- là chìa khóa để thực hiện mạng viễn thông dung l-ợng cao và đa chức năng trong t-ơng lai Công nghệ chuyển mạch ATM điện tử kết hợp với hệ thống truyền dẫn SDH đã cung cấp một hành lang truyền dẫn linh hoạt và quản lý l-u l-ợng băng rộng từ các nguồn khác nh- Video, số liệu và thoại Chuyển mạch gói

điện tử bị hạn chế về tốc độ số liệu và khả năng thông qua do dung l-ợng xử

lý của các thiết bị điện tử Giải pháp cơ bản là thay thế chuyển mạch gói điện

tử bởi chuyển mạch gói quang trong đó tín hiệu duy trì d-ới dạng quang

Sự kết hợp giữa chuyển mạch gói và công nghệ quang đã mở ra khả năng chuyển mạch gói trong môi tr-ờng quang trong suốt Nhờ kết hợp các phần tử quang băng rộng với kỹ thuật ghép phân chia b-ớc sóng và định tuyến b-ớc sóng; các thiết bị quang tốc độ cao nh- chuyển mạch và cổng quang, chuyển đổi b-ớc sóng, laser đa b-ớc sóng hoạt động nhanh đã cung cấp tiềm

năng cho mạng chuyển mạch gói có khả năng thông qua Tbit/s Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng dung l-ợng tối -u của nút chuyển mạch quang v-ợt xa dung l-ợng tối -u nút chuyển mạch điện tử Vì vậy các nút chuyển mạch quang dung l-ợng cao sẽ thay thế dần các nút chuyển mạch điện tử dung l-ợng lớn Trong t-ơng lai không xa sẽ xuất hiện mạng tự định tuyến hoàn toàn quang, trong đó các gói quang đ-ợc chuyển qua các chuyển mạch gói quang nhanh chóng và trong suốt mà không cần qua các b-ớc chuyển đổi quang - điện và điện - quang Các mạng nh- vậy không có các xử lý điện tử trong tuyến số liệu và số liệu đi qua các chuyển mạch không hạn chế về tốc độ bit

Đã có một số giới thiệu kết quả thực nghiệm về chuyển mạch gói quang của một số Tr-ờng đại học, các viện và các hãng công nghiệp Trong mô hình này, các cơ chế chuyển mạch và định tuyến là quang, còn xử lý địa chỉ và điều khiển chuyển mạch và điều khiển đệm vẫn sử dụng điện tử, còn định tuyến gói

và đệm gói đ-ợc thực hiện nhờ các biện pháp quang Giải pháp này cung cấp khả năng thông qua rất lớn, trong suốt các thiết bị quang, kết hợp với khả năng xử lý của chuyển mạch điều khiển điện tử Hình 1.10 là sơ đồ khối tổng quát của một chuyển mạch gói quang

Bộ điều khiển điện tử

Thay thế

đầu đề

Hình 1.10 Sơ đồ khối tổng quát chuyển mạch gói quang

Nh- đã thấy ở sơ đồ, các chức năng chủ yếu ảnh h-ởng đến hoạt động

và thực hiện chuyển mạch gói quang bao gồm: định tuyến gói, đệm gói, thay thế đầu đề gói, đồng bộ gói và khôi phục định thời Các chuyển mạch quang yêu cầu thực hiện các chức năng này bằng các biện pháp quang Nói chung các gói có độ dài cố định, bao gồm đầu đề và tải trọng Đầu đề chứa thông tin

định tuyến và các thông tin điều khiển khác Đầu đề đ-ợc xử lý tại mỗi nút chuyển mạch Mong muốn đầu đề có tốc độ bit cố định t-ơng đối thấp để thích hợp với xử lý điện tử (thấp hơn 10 Gbit/s); trong khi đó tải trọng có tốc

độ bit thay đổi trong phạm vi 10 Gbit/s tới hàng trăm Gbit/s Sử dụng các gói

độ dài cố định sẽ đơn giản hóa việc giải quyết xung đột gói và đệm gói, định tuyến gói cũng nh- đồng bộ gói

Thay thế đầu đề là một chức năng quan trọng trong các mạng nối định h-ớng, chẳng hạn ATM, trong đó cần thiết phải thay đổi nội dung đầu đề gói khi qua mỗi nút Trong chuyển mạch gói quang trong suốt, việc thay thế đầu

đề nhất thiết phải đ-ợc thực hiện bằng quang -u điểm của các phần tử và thiết bị quang nh- chuyển mạch không gian tốc độ cao, chuyển mạch cổng khuếch đại quang bán dẫn, thiết bị định tuyến b-ớc sóng, bộ lọc và laser điều h-ởng nhanh và bộ chuyển đổi b-ớc sóng đã cho phép cấu tạo chuyển mạch gói quang có khả năng thông qua v-ợt khả năng thông qua thiết bị điện tử cùng loại Sơ đồ định tuyến khả dụng của chuyển mạch gói quang gồm định tuyến b-ớc sóng, định tuyến quảng bá và lựa chọn, định tuyến chuyển mạch không gian cơ bản và kết hợp chúng với nhau

Nh- trong hình 1.10, đệm các gói quang nơi nào đó trong cơ cấu chuyển mạch là để ngăn chặn xung đột gói Khó khăn trong việc thực hiện các chức năng hoàn toàn quang t-ơng đ-ơng với bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên điện

tử (RAM) đã làm cho việc đồng bộ và đệm quang gặp trở ngại Một giải pháp cho đệm quang là sử dụng các dây trễ sợi quang theo cấu hình vòng trở lại hoặc cấu hình sóng chạy

Bây giờ xem xét chi tiết các giải pháp khác nhau để đệm quang và định tuyến, cấu trúc của cơ chế chuyển mạch và kỹ thuật thay thế đầu đề gói quang

và đồng bộ gói

1.6.2 Đệm gói quang

Về nguyên tắc RAM điện tử có thể đ-ợc sử dụng cho đệm gói Các hệ thống chuyển mạch gói quang tr-ớc đây đã sử dụng RAM điện tử cho đệm gói Tuy nhiên RAM điện tử bị hạn chế về tốc độ truy nhập, do đó làm hạn chế tốc độ và dung l-ợng của hệ thống chuyển mạch gói Giải pháp điện tử này đòi hỏi biến đổi quang - điện (O/E) và điện- quang (E/O) khi các gói đ-ợc ghi và đọc ra nhờ RAM điện tử và làm tăng thêm tính phức tạp RAM quang

sẽ tránh đ-ợc thắt nút cổ chai tốc độ và chuyển đổi O/E và E/O Do đó cần nỗ lực nghiên cứu và phát triển RAM quang Tuy nhiên RAM quang thích hợp cho chuyển mạch gói quang vẫn ch-a có Để thay thế nó, hiện tại đang sử dụng dây trễ quang kết hợp với các chuyển mạch cổng quang, coupler quang, khuếch đại quang và chuyển đổi b-ớc sóng để thực hiện đệm quang

Một bộ đệm gói quang dựa vào dây trễ sợi quang đã đ-ợc giới thiệu và tr-ng bày Nói chung các bộ đệm dây trễ sợi quang có thể phân làm hai lĩnh vực: loại sóng chạy và loại vòng trở lại Bộ đệm loại sóng chạy gồm nhiều dây trễ quang, mỗi dây trễ có thời gian trễ bằng bội lần thời gian gói T và chuyển mạch quang không gian để lựa chọn dây trễ hình 1.11

Bộ đệm sóng chạy có thể sắp xếp theo cấu trúc nối tiếp hay song song Trong bộ đệm loại sóng chạy, thời gian l-u giữ gói đ-ợc xác định đơn giản bằng thời gian truyền gói qua đoạn dây trễ sợi quang Đối với cấu hình song song số l-ợng dây trễ và kích cỡ của chuyển mạch không gian quang tăng t-ơng đ-ơng với trị số trễ lập trình

Hình 1.12 là sơ đồ bộ đệm gói loại vòng trở lại và chỉ có cấu hình song song Trong cấu hình này có nhiều dây trễ sợi quang, mỗi dây trễ hình thành một vòng có thời gian truyền qua vòng bằng thời hạn một gói quang Thời gian l-u trữ một gói trong bộ đệm vòng trở lại bằng số lần vòng lại nhân với thời gian gói T Cả hai loại bộ đệm này đều có khả năng l-u giữ nhiều gói với

điều kiện bắt buộc là tại một thời điểm chỉ có một gói đi vào và đi ra bộ đệm

3T 2T Chuyển mạch không gian hoặc coupler

a) Cấu trúc song song

Chuyển mạch không gian hoặc coupler

2 2

T 2T

T

b) Cấu trúc nối tiếp

Hình 1.11 Bộ đệm gói loại sóng chạy

Chuyển mạch không gian

Coupler Dây trễ

Hình 1.12 Bộ đệm gói vòng trở lại

Bộ đệm loại vòng trở lại linh hoạt hơn bộ đệm loại sóng chạy ở chỗ thời gian l-u trữ gói có thể điều chỉnh đ-ợc nhờ thay đổi số lần vòng trở lại Về nguyên tắc thì bộ đệm loại vòng trở lại có khả năng truy nhập ngẫu nhiên Thời gian l-u trữ trong bộ đệm loại sóng chạy đ-ợc xác định theo độ dài của các dây trễ quang Một vấn đề nảy sinh đối với bộ đệm vòng trở lại là tín hiệu

đ-ợc khuếch đại trong mỗi lần vòng trở lại để bù lại suy hao công suất Kết quả là tạp âm phát xạ tự phát tích luỹ từ bộ khuếch đại quang và thăng giáng mức tín hiệu dẫn tới hạn chế thời gian đệm cực đại Cần chú ý hệ số khuếch

đại của bộ khuếch đại quang phải đ-ợc điều khiển cẩn thận sao cho tích hệ số khuếch đại và suy hao bé hơn một ít để ngăn ngừa dao động tín hiệu quang

Trong mạng chuyển mạch gói vấn đề quan trọng hàng đầu là đảm bảo xác suất tổn thất gói thấp khi khả năng thông qua cao Điều này đòi hỏi bộ

đệm có dung l-ợng lớn và phụ thuộc cấu trúc chuyển mạch

1.6.3 Các cấu trúc chuyển mạch gói

Có nhiều cấu trúc chuyển mạch gói quang đã đ-ợc giới thiệu và tr-ng bày Tất cả đều sử dụng ph-ơng tiện quang để thực hiện đệm gói và định tuyến, trong khi đó điện tử đóng vài trò quan trọng các chức năng nh- xử lý

địa chỉ và điều khiển đệm Các giải pháp có khả năng để định tuyến quảng bá

và chọn lọc và định tuyến dựa trên chuyển mạch không gian

1.6.3.1 Chuyển mạch gói quang dùng chuyển mạch không gian

Chuyển mạch không gian quang là thành phần chủ yếu trong các hệ thống chuyển mạch gói quang Dù cấu trúc định tuyến b-ớc sóng hay cấu trúc chọn lọc và quảng bá đều sử dụng chuyển mạch không gian Chuyển mạch không gian quang đã phát triển bao gồm các chuyển mạch quang LiNbO3, chuyển mạch cổng SOA gốc InGaAsP/InP và chuyển mạch ống dẫn sóng gốc Silic Trong chuyển mạch gói quang đòi hỏi các chuyển mạch không gian có tốc độ chuyển mạch nằm trong phạm vi vài ns, xuyên âm thấp và suy hao nhỏ

Nói chung thời gian chuyển mạch phải nhỏ hơn 10% so với thời gian gói để nâng cao hiệu suất truyền dẫn Một yêu cầu quan trọng khác, đó là các chuyển mạch không gian phải có khả năng liên kết chặt chẽ để giảm giá thành và tăng dung l-ợng Vì những lý do này mà các chuyển mạch không gian cấu tạo từ các cổng SOA có rất nhiều triển vọng D-ới đây mô tả một vài cấu trúc chuyển mạch gói quang có các chuyển mạch không gian quang đóng vai trò chủ chốt trong đệm và định tuyến gói

Chuyển mạch Staggering sử dụng chuyển mạch không gian để thực hiện

đệm và định tuyến gói Cấu trúc chuyển mạch này nh- hình 1.13

Chuyển mạch bao gồm hai chuyển mạch không gian không tắc nghẽn

đ-ợc nối với nhau bởi các dây trễ quang có thời gian trễ khác nhau từ 0 tới (M-1)T Chuyển mạch không gian NxM thứ nhất cung cấp các gói truy nhập tới các dây trễ theo cách thức tại khe thời gian bất kỳ không có hai gói đi đến chuyển mạch không gian thứ hai dành riêng cho cùng một cổng ra, vì vậy va chạm gói không xảy ra Chuyển mạch không gian thứ hai định tuyến các gói tới đầu ra đã định Các dây trễ cũng có thể sắp xếp theo cấu hình vòng trở lại nh- hình 1.14

Hình 1.13 Chuyển mạch Staggering

(M-1)T

Chuyển mạch không gian NxM

Chuyển mạch không gian MxN

Hình 1.14 Chuyển mạch gói dùng dây trễ vòng trở lại

Hai cấu trúc chuyển mạch trên đây sẽ có thể xảy ra trong tr-ờng hợp các gói đến tại cùng một đầu vào và rời chuyển mạch theo trật tự ng-ợc lại trên cùng một đầu ra

Một cấu trúc chuyển mạch không gian khác đ-ợc mô tả trong hình 1.15 Đây là cấu trúc chuyển mạch gói quang đệm đầu ra sử dụng bộ đệm gói

định tuyến b-ớc sóng

T

MT

Chuyển mạch không gian (N+M)x(N+M)

Chuyển mạch không gian NxN

Hình 1.15 Chuyển mạch gói quang đệm đầu ra sử dụng

bộ đệm gói định tuyến b-ớc sóng

Định tuyến gói đ-ợc thực hiện nhờ chuyển mạch không gian NxN không tắc nghẽn phát quảng bá, trong khi đó đệm gói đ-ợc thực hiện nhờ bộ

đệm định tuyến b-ớc sóng nối với một dãy N bộ chuyển đổi b-ớc sóng điều chỉnh đ-ợc (TWC) đứng tr-ớc các chuyển mạch không gian Đây là một chuyển mạch gói đệm đầu ra Có thể nhiều hơn một gói đi tới cùng một đầu ra trong một khe thời gian, va chạm gói xảy ra Nh-ng va chạm gói đ-ợc giải quyết nhờ chuyển đổi b-ớc sóng và định tuyến b-ớc sóng thông qua đệm Đặc biệt là trong mỗi khe thời gian các gói dành riêng cho cùng một đầu ra sẽ

đ-ợc dịch tới các b-ớc sóng khác nhau tr-ớc khi chúng đ-ợc định tuyến tới

đầu ra yêu cầu nhờ chuyển mạch không gian Bởi vì các gói này đã đ-ợc gắn các b-ớc sóng khác nhau nhờ bộ chuyển đổi b-ớc sóng tại đầu vào của chuyển mạch và có thời gian trễ khác nhau khi qua các dây trễ nên chỉ có môt gói xuất hiện tại một đầu ra cho tr-ớc trong khe thời gian bất kỳ Va chạm gói đã

đ-ợc giải quyết Khó khăn đối với chuyển mạch không gian là số l-ợng các

điểm chéo (hoặc các cổng SOA) tăng đột biến khi kích cỡ chuyển mạch tăng

1.6.3.2 Chuyển mạch gói quang định tuyến b-ớc sóng

Chuyển mạch gói định tuyến b-ớc sóng đầu tiên là chuyển mạch ma trận quang Gagriagues và Jacob Chuyển mạch gói sử dụng mã hóa b-ớc sóng cho đệm và định tuyến gói nh- hình 1.16

Sơ đồ gồm 3 khối chức năng: Khối lập mã gói, khối đệm và khối tách gói Khối lập mã gói có N bộ chuyển đổi b-ớc sóng điều chỉnh đ-ợc (TWC), mỗi TWC chuyển đổi gói thành b-ớc sóng mới phù hợp với đầu ra đã chọn, có nghĩa là gói đầu ra i đ-ợc đánh địa chỉ là i Khối đệm N x K ma trận chuyển mạch cổng SOA, tiếp đó là K dây trễ quang, thời gian truyền qua mỗi dây thay đổi trong phạm vi từ 0 đến (K-1) thời hạn gói

Hình 1.16 Chuyển mạch ma trận quang định tuyến b-ớc sóng

Ma trận chuyển mạch cổng SOA cung cấp truy nhập các gói đã dành riêng cho đầu ra định tr-ớc và rời chuyển mạch theo trật tự vào tr-ớc ra tr-ớc (FIFO) Khối tách gói gồm coupler sao KxN, tiếp theo là N bộ lọc băng đặt tại

N đầu ra để chọn gói có b-ớc sóng phù hợp Bộ điều khiển tự dùng để điều khiển các TWC và các chuyển mạch không gian Cần chú ý là các gói đuợc mã hóa theo b-ớc sóng từ i đến N, nên K dây trễ có chức năng nh- các bộ

đệm FIFO và có khả năng l-u trữ K gói Khó khăn đối với cấu trúc này là số l-ợng các cổng SOA yêu cầu trong khối đệm tăng tỷ lệ thuận với tích NxK, nghĩa là tỷ lệ với tích NxK, tức là tỷ lệ với kích cỡ chuyển mạch và kích cỡ bộ

đệm Suy hao công suất quang của một gói cũng tỷ lệ thuận với NK2 khi N

<K hoặcN2K khi N >K Giá trị K phụ thuộc vào xác suất tổn thất gói yêu cầu

và l-u l-ợng tải

Hình 1.17 là cấu trúc chuyển mạch gói đệm đầu vào định tuyến b-ớc sóng Trong cấu trúc hình này đệm các gói đ-ợc thực hiện khi các gói đ-ợc

định tuyến tới đầu ra yêu cầu Loại chuyển mạch gói này ít phức tạp hơn và tỷ

lệ với kích cỡ chuyển mạch N cứ không phải N2 hay Nxlog2N nh- các chuyển mạch gói quang khác Chuyển mạch gồm hai khối: lập thời gian biểu và định

tuyến gói Chuyển mạch định tuyến đ-ợc thực hiện nhờ bộ ghép cách tử ống dẫn sóng (AWGM) nối với tập N bộ chuyển đổi b-ớc sóng điều chỉnh đ-ợc (TWC), nh-ng không nhiều hơn một gói sẽ đ-ợc định h-ớng đầu ra tr-ớc của AWGM trong khối định tuyến Va chạm gói đ-ợc ngăn ngừa nhờ lập thời gian biểu gói theo cách thức mỗi gói chỉ định một thời gian trễ tối thiểu tuỳ thuộc hai điều kiện trong khe thời gian bất kỳ

- không nhiều hơn một gói đ-ợc gắn địa chỉ cho một đầu ra cho tr-ớc của khối định tuyến

- chỉ một gói có thể xuất hiện tại đầu vào bất kỳ của khối định tuyến

Khối lập thời gian biểu trong hình 1.17 có NxTWC và một bộ đệm gói

định tuyến b-ớc sóng Các AWGM đ-ợc nối với nhau nhờ một tập các dây trễ sợi, mỗi dây trễ có thời hạn bằng (1(K-1))T Tuân theo nguyên tắc định tuyến của AWGM (bảng 1.1), mỗi gói đi vào bộ đệm tại cổng vào thứ i sẽ rời

bộ đệm từ cổng ra thứ i sau khi nhận đ-ợc thời gian trễ nào đó đ-ợc xác định

đầu vào có thể truy nhập đồng thời tới dây trễ bất kỳ mà không va chạm

Hình 1.17 Chuyển mạch gói đệm đầu vào định tuyến b-ớc sóng

ra và có xác suất tổn thất thấp Tập hợp của 35 dây trễ là đủ để đạt đ-ợc xác suất tổn thấp gói thất hơn 107 tải l-u l-ợng 80%

1.6.3.3 Chuyển mạch gói quảng bá và chọn lọc

Giải pháp quảng bá và chọn lọc đã sử dụng rộng rãi trong chuyển mạch quang Nhờ giải pháp này mà thông tin từ các nguồn tín hiệu khác nhau đ-ợc Coupler hình sao ghép lại và phân phối đến tất cả các máy thu Mỗi máy thu chọn lọc các gói đã định Cả ghép phân chia thời gian (OTDM) và ghép phân chia theo b-ớc sóng (WDM) đều có thể áp dụng trong giải pháp quảng bá và chọn lọc

Shimatu và Tsukada đã công bố kết quả nghiên cứu chuyển mạch ATM quang tốc độ cao, gọi là chuyển mạch ULPHA, trong đó có một kênh OTDM tốc độ siêu cao đã đ-ợc sử dụng để truyền các tế bào ATM Cấu trúc của chuyển mạch này nh- hình 1.18

Hình 1.18 Chuyển mạch ULPHA

Tín hiệu ATM đ-ợc sử dụng để điều chế dãy xung quang cực ngắn Số liệu địa chỉ t-ơng ứng của các tế bào đ-ợc ghép theo thời gian và phát quảng bá tới tất cả các đầu ra, nh-ng tại các b-ớc sóng khác nhau Vì số liệu địa chỉ ngắn hơn một tế bào nên số liệu địa chỉ không cần nén thời gian Điều này tạo thuận lợi cho việc tách số liệu địa chỉ tại đầu ra chuyển mạch Khó khăn đối với chuyển mạch gói này là bộ mã hóa tế bào tốc độ cao đòi hỏi nén các tế bào tại mỗi đầu vào và bộ giải mã tế bào giải nén các tế bào trả lại dạng gốc của chúng tại mỗi đầu ra Để khắc phục vấn đề này, cần sử dụng chuyển mạch ATM ghép xen bit quang Kết quả là không cần nén và giải nén tế bào quang

Nguồn

xung

Coupler hình sao

Coupler

Cấu trúc quảng bá và chọn lọc sử dụng ghép OTDM và WDM tốc độ cực cao

có khả năng thông qua lớn, Tbit/s

Chiaroni đã đ-a ra mô hình chuyển mạch gói quang quảng bá chọn lọc KEOPS (KEy to Optical Packet Switching) sử dụng nhiều b-ớc sóng để phân biệt các gói đến tại các đầu vào khác nhau Chuyển mạch đ-ợc thể hiện trong hình 1.19

Hình 1.19 Chuyển mạch gói quang quảng bá và chọn lọc

Các gói từ các đầu vào khác nhau đ-ợc mã hóa bởi các b-ớc sóng khác nhau tr-ớc khi chúng đ-ợc kết hợp tại Coupler hình sao và sau đó các gói

đ-ợc ghép lại WDM đ-ợc truyền quảng bá và nối với K dây trễ Cũng nh- các chuyển mạch gói định tuyến b-ớc sóng, trong hình 1.19 các gói đ-ợc phân cho các dây trễ Sau khi truyền qua dây trễ mỗi gói đ-ợc trễ một thời gian trong phạm vi từ 0 tới (k-1)T Các gói xuất hiện tại mỗi dây trễ đ-ợc truyền tới tất cả các cổng ra, tại đó các mạch cổng quang đ-ợc sử dụng để chọn lọc gói

Có nghĩa tại mỗi đầu ra, dãy thứ nhất các chuyển mạch cổng lựa chọn một dây trễ dành riêng cho gói tới đã đ-ợc chỉ định đi qua Dãy thứ hai của các chuyển

Biến đổi

b-ớc sóng

chuyển mạch cổng SOA

MUX/DMUX

mạch cổng nối với một cặp tách/ghép WDM lựa chọn một b-ớc sóng đã mã hóa cho một gói Cấu trúc này có -u điểm hơn các chuyển mạch gói định tuyến b-ớc sóng ở chỗ không yêu cầu các phần tử điều h-ởng Nh-ng có suy hao công suất tỷ lệ thuận với NxK2 và cần Nx(N+K) chuyển mạch cổng để thực hiện chuyển mạch gói

Ngoài hai ph-ơng pháp trên ng-ời ta còn thực hiện chuyển mạch quảng bá chọn lọc nhờ các bộ chuyển mạch nhớ vòng sợi quang Chuyển mạch nhớ vòng sợi quang đ-ợc mô tả nh- trong hình 1.20 là một kiểu chuyển mạch quảng bá chọn lọc thực hiện theo mô hình ATMOS (ATM Optical Switching) Trong mô hình này cần có một bộ TWC cho mỗi đầu vào và một bộ lọc điều chỉnh b-ớc sóng ở mỗi đầu ra Chuyển mạch có bộ đệm vòng truy nhập b-ớc sóng ngẫu nhiên Với bộ TWC chuyển mạch gán cho mỗi gói một b-ớc sóng

mà nó không tồn tại trong bộ đệm Tại mỗi khe thời gian tất cả các gói đ-ợc sao chép cho tất cả các đầu ra Tất cả các gói đ-ợc chọn bằng các bộ lọc điều chỉnh b-ớc sóng đ-ợc giải phóng qua các chuyển mạch cổng điều chỉnh từ bộ

đệm Dung l-ợng chuyển mạch đ-ợc tăng lên nếu sử dụng một số các bộ đệm

và chuyển mạch không gian Trong mô hình này mỗi đầu vào/ra chỉ có một gói trong cùng một thời điểm

Hình 1.20 Chuyển mạch nhớ vòng sợi quang

TWC

TWC

Bộ lọc thông dải

Bộ lọc điều chỉnh

1.6.4 Thay thế đầu đề gói và đồng bộ hóa

Trong các mạng chuyển mạch gói nối định h-ớng thì thông tin định tuyến chứa trong đầu đề là số thứ tự mạch ảo (VCN) và số thứ tự tuyến ảo (VPN) Khi các gói chuyển ngang nút chuyển mạch thì VCN và VPN đ-ợc sử dụng để nhận dạng cổng ra của chuyển mạch căn cứ vào bảng định tuyến tại chỗ Bảng định tuyến càng bé và đầu để gói càng ngắn thì VCN và VPN chứa

đầu đề gói chỉ có ý nghĩa cục bộ Điều này có nghĩa là đầu để gói đ-ợc thay bởi đầu đề mới tr-ớc khi gói đ-ợc chuyển cho nút sau Trong hoàn cảnh chuyển mạch gói quang thì thay thế đầu để gói là rất cần thiết Có hai ph-ơng pháp quang khác nhau để thực hiện thay thế đầu đề gói

Spring đã giới thiệu và tr-ng bày kỹ thuật mới thay thế đầu đề gói quang Sử dụng một đoạn sóng liên tục (CW) xen vào giữa đầu đề và tải trọng khi một gói đ-ợc tạo ra tại nút nguồn Một gói đi ngang qua nút chuyển mạch thì đầu đề cũ của gói bị xóa khỏi gói Một bản copy của đoạn CW đ-ợc điều chế bởi số liệu đầu đề mới và sau đó gắn vào vị trí của đầu đề gói cũ Hình 1.21 là modul thay thế đầu đề gói

Hình 1.21 Modul thay thế đầu đề gói

Tách -10dB

Tách -3dB

Tách -3dB

khiển điện từ

Tải trọng

NH CW

Đầu ra Đầu vào

SOA2

SOA1

NH: mào đầu mới

Sơ đồ gồm có hai cổng SOA: SOA1 và SOA2 Trong chu kỳ đầu đề gói, SOA1 đóng sao cho đầu đề gói cũ bị xóa, trong khi đó SOA2 đ-ợc sử dụng điều chế bản copy của đoạn CW nhờ số liệu đầu đề mới và phong tỏa các phần khác của gói Một dây trễ quang có thời gian trễ bằng thời hạn gói

đ-ợc xen vào tr-ớc SOA1 để hiệu chỉnh thời gian sao cho đầu đề gói mới ra khỏi SOA2 chính xác tại vị trí của đầu đề gói cũ

Tất cả các chuyển mạch gói quang đã đ-ợc giới thiệu đều giả thiết rằng các gói đã đ-ợc đồng bộ hóa tại các đầu vào chuyển mạch Bởi vì hoạt động

đồng bộ có thể làm đơn giản hóa việc giải quyết va chạm gói, đệm và định tuyến Tuy nhiên tất cả các tuyến sợi quang nối các nút không thể thiết kế là bội số nguyên của thời hạn gói T Hơn nữa khi nhiệt độ thay đổi chậm sẽ làm thay đổi chiều dài tuyến Do đó đồng bộ gói là cần thiết cho các chuyển mạch quang lớn Sơ đồ thực hiện đồng bộ gói nh- hình 1.22

Hình 1.22 Sơ đồ đồng bộ gói

Sơ đồ gồm bộ nhận dạng khởi hành gói và modul dây trễ lập trình Chức năng của bộ nhận dạng khởi hành gói là nhận biết khởi đầu gói Khi khởi đầu gói đ-ợcphát hiện thì thời gian đến của các gói có thể hiệu chỉnh nhờ thiết lập

Bộ điều khiển điện tử

Đồng bộ gói

tuyến thích hợp trong modul dây trễ lập trình Modul dây trễ lập trình có thể

đ-ợc thực hiện nhờ dãy dây trễ và chuyển mạch không gian quang nh- hình 1.22 Đồng bộ gói sẽ làm tăng đáng kể độ phức tạp của phần cứng Đối với mạng chuyển mạch gói quang sử dụng các nút chuyển mạch nhỏ và các biện pháp định tuyến nhiều chặng thì hoạt động đồng bộ là rất có lợi

1.7 Kết luận

Vấn đề cần quan tâm nhất đối với chuyển đổi b-ớc sóng là điều khiển b-ớc sóng của ánh sáng Sự thăng dáng b-ớc sóng của ánh sáng chuyển đổi gây khó khăn cho việc nối các thiết bị trong các tầng Vì vậy khi dịch b-ớc sóng là 0,1nm/độ, khoảng cách kênh vài nm, đòi hỏi phải xem xét ảnh h-ởng của thay đổi nhiệt độ môi tr-ờng đối với hệ thống WDM Sự phát triển điều khiển b-ớc sóng độc lập với nhiệt độ là vấn đề then chốt trong ứng dụng thực

tế của các thiết bị chuyển mạch phân chia b-ớc sóng

Các thiết bị chuyển mạch quang đ-ợc sử dụng tại vị trí trung tâm của tuyến quang và yêu cầu có các đặc tính phân cực độc lập Các thiết bị quang

có đặc tính tự nhiên là phân cực phụ thuộc ở mức độ nào đó, trừ thiết bị sợi Khi sử dụng các thiết bị bán dẫn thì ống dẫn sóng phải có kích cỡ d-ới micron nhằm đảm bảo phân cực độc lập và điều kiện truyền đơn mode, do đó sẽ khó khăn khi chế tạo Cấu trúc buồng l-ợng tử là một biện pháp có hiệu quả giảm phân cực phụ thuộc Một trong những vấn đề nan giải của chuyển mạch quang ống dẫn sóng là suy hao xen lớn do kích cỡ của thiết bị lớn hơn laser, bộ điều chế và bộ tách quang nhiều lần Suy hao ghép sợi tại vị trí nối vào và ra không thể bỏ qua Vì vậy muốn phát triển chuyển mạch quang bán dẫn cần phải chế tạo ống dẫn sóng suy hao thấp, cần liên kết với bộ khuếch đại quang và ứng dụng kỹ thuật chuyển đổi kích th-ớc giọt sáng

Tóm lại việc nghiên cứu và phát triển của các thiết bị chuyển mạch quang đã đ-ợc tổng kết và trong t-ơng lai gần sẽ trở thành hiện thực Công nghệ quang đã triển khai thành công trong hệ thống truyền dẫn, trong đó laser

và diode tách quang là các thiết bị tích cực cơ bản Trong các hệ thống chuyển