Thiết kế mạng quang trong suốt sử dụng giải thuật tô mầu cạnh tổng quát

Đồ án cũng chỉ ra với trường hợp đặc biệt mạng có tất cả các LP với nhiều nhất 2 link trên một LP đồng thời số sợi ở tất cả các link là chẵn thì mạng sẽ không cần sử dụng bộ chuyển đổi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-o0o -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

THIẾT KẾ MẠNG QUANG TRONG SUỐT SỬ DỤNG GIẢI

MÃ SỐ : NGÔ HỮU HẬU

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN XUÂN DŨNG

M Ở ĐẦU

Trong thế kỷ 21 nhu cầu thông tin, liên lạc của con người là vô cùng lớn với sự ra đời của ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ gia tăng trên nền mạng viễn thông Đứng trước những thách thức mạng viễn thông thế hệ cũ đã

phần nào bộc lộ tính yếu kém, kồng kềnh cũng như thiếu hụt trầm trọng băng thông Do vậy, theo quy luật tất yếu mạng thế hệ sau phải ra đời nhằm khoả lấp các lỗ hổng do mạng thế hệ cũ để lại Gần đây trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã xây dựng mạng thế hệ sau NGN phần nào đã đáp ứng được nhu

cầu trước mắt trong mạng viễn thông đó là tích hợp nhiều mạng đang tồn tại vào một mạng lõi duy nhất Tuy nhiên các mạng này vẫn gặp phải vấn đề về

sự tắc nghẽn giữa giao diện quang-điện cho nên vẫn hạn chế trong việc sử dụng tài nguyên vô cùng lớn của sợi quang Chính vì thế mạng tương lại sẽ là

sự hội tụ tới mạng toàn quang AON (không cần phải chuyển qua mức điện

trung gian để xử lý)

Khi chúng ta tiến hành thiết kế một mạng toàn quang thì luôn phải quan tâm tới 3 vấn đề: Thứ nhất là vấn đề kích thước mạng (dimensioning), liên quan tới việc thiết kế topo vật lý mạng Thứ hai là vấn đề định tuyến

(routing), liên quan tới việc thiết lập các Lightpath trong topo vật lý Thứ 3 là

vấn đề gán bước sóng (assigning wavelength), liên quan tới việc gán các bước

sóng khác nhau lên tập Lightpath đã thiết lập

Các nhà nghiên cứu gần đây đã tập trung nhiều công sức vào việc tìm ra

một thuật toán tối ưu nhằm giải quyết được 2 vấn đề định tuyến và gán bước

sóng RWA (Routing and Wavelength Assignment) Vấn đề đầu có thể được

giải quyết thông qua các công cụ đã phát triển cho mạng SONET/SDH đã có

Đồ án này tập trung vào việc phân tích các giải pháp RWA đã được nghiên cứu cho nhiều topo mạng đồng thời cũng đưa ra giải thuật gán bước sóng theo phương pháp tô mầu cạnh tổng quát Đồ án cũng chỉ ra với trường hợp

đặc biệt mạng có tất cả các LP với nhiều nhất 2 link trên một LP đồng thời số sợi ở tất cả các link là chẵn thì mạng sẽ không cần sử dụng bộ chuyển đổi

bước sóng

Đồ án được tổ chức làm 6 chương

Chương 1: Giới thiệu mạng thông tin quang Mục đích của chương này

là nhằm đánh giá sự yếu kém của mạng thế hệ cũ và các phân tích để thấy nhu cầu hội tụ đến mạng IP/ quang

Chương 2: Các thành phần cấu thành mạng toàn quang Chương này

phân tích các thành phần cần thiết để cấu thành nên một mạng AON như bộ phát/ thu quang, bộ khuếch đại EDFA, OXC, OADM v.v…

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

tập trung vào phân tích vấn đề RWA ở 2 mô hình lưu lượng tĩnh (static) và động (dynamic) để thấy rõ tầm quan trọng của RWA trong việc thiết kế một

mạng thông tin toàn quang

Chương 4: Các giải pháp RWA Chương này tập trung vào phân tích các

giải pháp RWA cho 4 topo cụ thể là Ring, Tree, Mesh và Multicast

C hương 5: Thiết kế mạng toàn quang và giải thuật tô mầu cạnh tổng

quát Chương này trình bày về phương pháp thiết kế một mạng toàn quang nhằm giải quyết vấn đề DR (Dimensioning and Routing), thiết lập tập các LP

Assignment), sử dụng giải thuật tô mầu cạnh tổng quát để gán bước sóng cho

tập các LP đã thiết lập sao cho số lượng bộ chuyển đổi bước sóng WC

(Wavelength Converter) sử dụng trong mạng là tối thiểu

Kết luận: Đánh giá lại toàn bộ đồ án và đưa ra phương hướng nghiên cứu

kế tiếp trong tương lai

Nhân đây cho phép em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới T.S Nguyễn Xuân Dũng người đã giúp đỡ em định hướng và phương pháp nghiên cứu khoa học

trong suốt quá trình thực hiện đồ án Đồng thời cũng cho em gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông Đại Học Bách Khoa Hà Nội

đã cung cấp cho em những kiến thức quý báu trong suốt 2 năm nghiên cứu tại

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU II MỤC LỤC V DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT VIII DANH SÁCH HÌNH VẼ XII DANH SÁCH CÁC BẢNG XIV

CHƯƠNG 1 1

GIỚI THIỆU MẠNG THÔNG TIN QUANG 1

1.1 Quá trình hội tụ mạng 2

1.1.1 Thách thức đối với mạng hiện nay 2

1.1.2 Xu hướng hội tụ 3

1.2 Kiến trúc mạng tương lai 7

1.3 Kết luận 10

CHƯƠNG 2 11

CÁC THÀNH PHẦN CẤU THÀNH MẠNG TOÀN QUANG 11

2.1 Hệ thống DWDM 12

2.2 Các thà nh phần cấu thành mạng DWDM 13

2.2.1 Sợi quang 14

2.2.2 Thiết bị phát quang 15

2.2.3 Thiết bị thu quang và bộ lọc 17

2.2.4 Khuếch đại quang 18

2.2.4.1 Khuếch đại laser bán dẫn 19

2.2.4.2 Khuếch đại EDFA 19

2.2.4.3 Ưu nhược điểm của bộ khuếch đại EDFA 19

2.3 Bộ ghép tách kênh DWDM 20

2.6 Bộ đấu chéo quang 27

CHƯƠNG 3 29

ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM 29

3.1 Định tuyến và gán bước sóng tĩnh 30

3.2 Định tuyến và gán bước sóng động 33

3.3 Kết luận 38

CHƯƠNG 4 39

CÁC GIẢI PHÁP RWA CHO NHIỀU TOPO MẠNG 39

4.1 RWA cho mạng WDM Ring 39

4.1.1 Đặt vấn đề 40

4.1.2 Chiến lược định tuyến 42

4.1.3 Chiến lược tô mầu 43

4.1.3.1 Chiến lược gán bước sóng Spiral 43

4.1.3.2 Chiến lược gán bước sóng link-based 45

4.2 RWA trên các mạng Tree toàn quang 46

4.2.1 Đặt vấn đề 47

4.2.2 Thuật toán Online-WA 48

4.2.2.1 Mạng Star 48

4.2.2.2 Mạng cây bất kỳ 52

4.3 RWA cho mạng Mesh 58

4.3.1 Thuật toán WCA (Wavelength Converter Aware) 59

4.3.1.1 Mục đích 59

4.3.1.2 Các giả thiết 59

4.3.1.3 Mô hình hệ thống 59

4.3.1.4 Phương án tổng thể 60

4.3.2 Giải pháp 60

4.3.2.1 Thực hiện định tuyến nguồn đích 60

4.3.2.2 Gán bước sóng 63

4.3.2.3 Hạn chế của các giải thuật 64

4.3.2.4 Kết quả đạt được 65

4.4 Multicast & Broadcast RWA 66

4.4.1 Vấn đề Multicast tối ưu 66

4.4.2 Gán bước sóng tối ưu 69

4.4.3 Định tuyến Multicast 70

4.4.3.1 Thuật toán định tuyến multicast MR1 70

4.5 Kết luận 75

CHƯƠNG 5 76

THIẾT KẾ MẠNG TOÀN QUANG VÀ THUẬT TOÁN TÔ MẦU CẠNH TỔNG QUÁT 76

5.1 Thiết kế topo ảo (Virtual Topology) 76

5.2 Đặt vấn đề 79

5.2.1 Mô hình lưu lượng và mạng 79

5.2.2 Mô tả vấn đề 79

5.2.3 Hàm đối tượng 82

5.3 Tích h ợp điều khiển topo và dự đoán lưu lượng với Virtual Neighbor Graph 82 5.3.1 Virtual Neighbor Graph (VNG) 82

5.3.2 Tích hợp thiết kế topo và dự đoán lưu lượng 84

5.4 Vấn đề path ngắn nhất với ràng buộc giao diện 88

5.4.1 Vấn đề path ngắn nhất với ràng buộc giao diện 88

5.4.2 Thuật toán Minimum Weight Perfect Matching 89

5.5 Gán bước sóng trong mạng WDM đa sợi với giải thuật tô mầu cạnh tổng quát 92

5.5.1 Đặt vấn đề 92

5.5.2 LP với nhiều nhất 2 link 95

5.5.3 Gán bước sóng tổng quát 101

5.5.4 So sánh các lý thuyết 102

5.5.5 Tính toán thực tế định lý 14 111

5.6 Kết luận 114

KẾT LUẬN 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

DANH SÁCH CÁC T Ừ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/ rẽ

AON All Optical Network Mạng toàn quang

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không đồng

bộ

BGP Boder Gateway Protocol Giao thức định tuyến liên mạng

CE Customer Equipment Thiết bị mạng phía khách hàng DCGs Directed Coloring Graphs Đồ thị mầu trực tiếp

Thiết lập đường quang động

DRWA Dynamic Routing and

Wavelength Assignment

Định tuyến và gán bước sóng động

DWDM Dense Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng với

số lượng bước sóng ghép lớn EDFA Rare-Earth-Doped-Fiber

Amplifier

Khuếch đại sợi có trộn chất hiếm

EIGRP Enhanced Interior Gateway

Routing Protoclo

Giao thức định tuyến EIGRP

FFWF First Fit Wavelength First Thuật toán lựa bước sóng đầu

tiên FWM Four Wavelength Modulation Bộ trộn bốn bước sóng

FXC Fiber Switch Cross-Connect Nối chéo chuyển mạch sợi GMPLS Generation MPLS MPLS thế hệ sau

IGP Interior Gateway Protocol Giao thức định tuyến trong một

mạng ILP Integer Linear Programming Phương trình tuyến tính nguyên

IP Internet Protocol Giao thức internet

IS-IS Intermediate

dùng nhất đầu tiên LFIB Label Forwarding Information

Base

Cơ sở dữ liệu thông tin nhãn sẽ gán

LIB Label Information Base Cơ sở dữ liệu thông tin nhãn

LN Low-Noise Amplifier Bộ khuếch đại nhiễu thấp

MCWAP Minimum Converter

Wavelength Assignment Problem

Vấn đề gán bước sóng tối thiểu

bộ chuyển đổi bước sóng

Programming hỗn hợp MIP Mixed Integer Programming Phương trình nguyên hỗn hợp MPLS MultiProtocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau

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

O-E-O Optic-Electro-Optic Chuyển đổi quang-điện-quang OND Optical Network Design Thiết kế mạng quang

OSPF Open Shortest Path First Giao thức định tuyến OSPF OTN Optical Transport Network Mạng truyền dẫn quang

OXC Optical Cross-Connect Bộ đấu chéo quang

nhà cung cấp dịch vụ

PE Provider Edge Thiết bị nằm tại biên mạng của

nhà cung cấp dịch vụ PXCs Photonic cross-connects Các bộ đấu chéo quang

RIP Routing Information Protocol Giao thức thông tin định tuyến RWA Routing and Wavelength

Assignment

Định tuyến và gán bước sóng

SLE Static Lightpath Establishment Thiết lập LP tĩnh

SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

TE Traffic Engineering Điều khiển lưu lượng

VNG Virtual Neighbor Graph Đồ thị lân cận ảo

VoD Voice-on-Demand Voice theo yêu cầu

WAP Wavelength Assignment

Problem

Vấn đề gán bước sóng

WC Wavelength Converter Bộ chuyển đổi bước sóng

WCA Wavelength Converter Aware Thuật toán thiết lập LP

WDM Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng

WIXC Wavelength Interchanging

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1 1 Mô hình Traffic Engineering trong mạng IP truyền thống 5

Hình 1 2 Mô hình hoạt động của MPLS 5

Hình 1 3 Mạng hội tụ IP/ quang 7

Hình 1 4 Xu hướng tích hợp các lớp giao thức IP/ quang 7

Hình 1 5 Mô hình mạng quang thế hệ sau 9

Hình 2 1 Tuyến truyền dẫn quang điểm nối điểm (point-to-point) 13

Hình 2 2 Hệ thống DWDM 16

Hình 2 3 Hệ thống thu quang 17

Hình 2 4 Sơ đồ ghép/tách kênh đơn hướng 21

Hình 2 5 Sơ đồ ghép/tách kênh song hướng 21

Hình 2 6 Bộ ghép kênh xen/rẽ quang 22

Hình 2 7 Node 2 thực hiện chuyển đổi bước sóng từ λ 2 sang λ1 23

Hình 2 8 Các mức chuyển đổi bước sóng 24

Hình 3 1 Mạng WDM được định tuyến bước sóng 31

Hình 4 1 Ví dụ DCG (Directed Coloring Graph) với N =4 và W = 8 45

Hình 4 2 Ma trận lưu lượng 48

Hình 4 3 Topo mạng hình sao với 3 node lá và một node trung tâm 48

Hình 4 4 Đồ thị chia đôi lưu lượng 50

Hình 4 5 Định nghĩa node tắc nghẽn v* 53

Hình 4 6 Node tắc nghẽn v* và top-level subtrees 54

Hình 4 7 Đồ thị chia đôi top-level subtree 56

Hình 4 8 Các phù hợp chia đôi của các bước sóng đặc biệt 57

Hình 4 9 Đồ thị mạng gốc 61

Hình 4 10 Đồ thị bổ trợ 61

Hình 4 11 Định tuyến multicast 73

Hình 5 1 Ví dụ một mạng quang đơn giản 83

Hình 5 2 Virtual Neighbor Graph 84

Hình 5 3 Mạng quang (t48 ,t25 ,t34) 86

Hình 5 4 Virtual Neighbor Graph (t48,t25,t34) 86

Hình 5 5 Mạng quang (t48,t25,t34,t18) 87

Hình 5 6 Virtual Neighbor Graph (t48,t25,t34,t18) 87

Hình 5 7 Vấn đề path ngắn nhất với ràng buộc giao diện 88

Hình 5 8 Thuật toán Perfect Matching 90

Hình 5 9 Kết quả mạng quang trong một f-edge-coloring với 2 thành phần 96 Hình 5 10 Mạng Star cho trường hợp Ω = Λ 2 3 ) (G f 99

Hình 5 11 Trường hợp gán bước sóng với 2 =Y(W2) >Y* (W2) = 0 ( Λ = 3 ) 105 Hình 5 12 Trường hợp gán bước sóng với 3 =Y* (W) >∑n ∈NΓf(W n) = 2 110

DANH SÁCH CÁC B ẢNG

Bảng 5 1 Kết quả các trường hợp gán bước sóng cho các giải pháp yêu cầu

bộ chuyển đổi bước sóng 113

CH ƯƠNG 1

Khi khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển thì nhu cầu thông tin càng trở nên cấp bách Nếu như vào những năm 80 của thế kỷ trước nhu cầu của chúng

ta thuần tuý chỉ là thoại thì ngày nay nẩy sinh rất nhiều các dịch vụ mới như:

Video theo yêu cầu (Video on Demand), truyền hình hội nghị (Video Conferencing), nhắn tin đa dịch vụ, thoại có hình, truyền số liệu tốc độ cao, internet v.v…và chính những yếu tố này đã là một thách thức đối với hệ thống

mạng đang tồn tại Chính vì lẽ đó mà đã có rất nhiều cải tiến mạng nhằm thoả mãn nhu cầu thông tin ngày càng tăng của con người Rất nhiều các giao thức mạng, các mô hình mạng ra đời nhằm đáp ứng được tối đa nhu cầu sử dụng mạng của con người Bước đột phá mang tính bước ngoặt đối với mạng viễn thông đó là sự ra đời của cáp sợi quang Với ưu điểm là có thể mang được

dung lượng vô cùng lớn (lên tới 100 Tbps), suy hao thấp, công suất nhỏ, cáp

sợi quang đã phá vỡ các phương pháp truyền dẫn thông thường Nó cho phép chúng ta có thể phát triển nhiều loại hình dịch vụ khác nhau yêu cầu băng

thông lớn Khi công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing ) và đặc biệt sau này là DWDM (Dense WDM) ra đời thì

dung lượng truyền dẫn trên một sợi cáp quang đơn mode là vô cùng lớn và trong tương lai gần chúng ta khó có thể khai thác hết được tài nguyên này Một vấn đề được đặt ra đó là dung lượng truyền dẫn trên cáp quang đơn

lặp lại chỉ có khả năng xử lý ở tốc độ điện (thấp hơn rất nhiều so với tốc độ ánh sáng) Chính vì lẽ đó đã gây ra hiện tượng tắc nghẽn giữa quang và điện

(optical-electronic butlleneck ) Để giải quyết được vấn đề này thì chúng ta phải giải quyết được vấn đề tắc nghẽn trên Một trong những phương pháp

được đề cập trong đồ án này đó là kỹ thuật định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM Khi mà mạng không phải thực hiện chuyển sang miền

điện để xử lý mà được xử lý trực tiếp trong miền quang thì lúc đó mạng sẽ

được đối xử như một mạng toàn quang AON (All Optical Network)

1.1.1 Thách thức đối với mạng hiện nay

Mạng viễn thông ngày nay đã sử dụng công nghệ sợi quang (tuy nhiên

chủ yếu chỉ khai thác khả năng truyền dẫn khổng lồ của sợi quang), các thiết

bị điện-quang và những thiết bị này sẽ là nhân tố phát triển mạng trong tương lai Tuy nhiên các mạng hiện nay phải đối mặt với nhiều thách thức (có thể được chia làm 3 nhóm chính dưới đây):

lớn, dung lượng mạng bị giới hạn

đắt

 Thời gian thu hồi đầu tư: Thời gian này thường lâu và không

tương xứng với chi phí ban đầu

Việc tiếp tục mở rộng thông tin dữ liệu trong các năm trước là một động

lực cho sự phát triển công nghiệp viễn thông mới Các dịch vụ, ứng dụng mới dựa trên nền IP, di động, quang Nhìn chung xu hướng thị trường mạng viễn thông như sau:

 Tuỳ theo nhu cầu băng thông mà tiếp tục nâng cao năng lực đáp ứng của hệ thống mạng

 Tập trung vào quy luật kinh doanh và lợi nhuận

 Hội tụ các dịch vụ và tính sẵn sàng của chúng trên một cơ sở cần thiết

 Mạng băng rộng như một dịch vụ Internet thế hệ sau

 Mạng sẽ hội tụ tới IP và quang

1.1.2 Xu hướng hội tụ

Như đã phân tích ở trên có thể thấy rằng lưu lượng trên mạng viễn thông ngày càng tăng trưởng với tốc độ nhanh (đặt biệt là lưu lượng internet) Chính vì lẽ đó các mạng đơn lẻ sẽ không thể theo kịp sự tăng trưởng của lưu

lượng Nếu cứ tiếp tục mở rộng các hệ thống mạng đơn lẻ thì sẽ làm cho hệ

thống mạng viễn thông trở nên hết sức kồng kềnh, khó thao tác, khó bảo dưỡng v.v…Do đó việc ra đời một hệ thống mạng cho phép tích hợp các

mạng dịch vụ đang tồn tại lại với nhau là một vấn đề cấp thiết Mạng viễn thông thế hệ sau sẽ cần một lõi chuyển mạch tốc độ cao, dung lượng lớn, khả

năng mở rộng dễ dàng, khả năng kết hợp được với nhiều loại hình dịch vụ cùng với hệ thống các mạng truy cập thông minh hỗ trợ các dịch vụ băng rộng Có 2 xu hướng, thứ nhất là loại bỏ toàn bộ các hệ thống mạng phục vụ cho từng ứng dụng cụ thể và thay vào đó là một mạng mới hiện đại, đảm bảo dung lượng, tương thích hỗ trợ mọi loại dịch vụ đang tồn tại và có khả năng

mở rộng trong tương lai Thứ hai là tích hợp các mạng đang tồn tại lại với nhau để hội tụ chúng tới một mạng truyền dẫn duy nhất Phương án thứ 2 được chấp nhận vì hiệu quả trong việc chi phí cũng như là đơn giản trong việc triển khai Tuy nhiên một vấn đề đặt ra là các mạng khác nhau sử dụng các giao thức định tuyến khác nhau như RIP, OSPF, EIGRP v.v…do đó khi các gói tin từ các mạng chuyển đổi cho nhau sẽ phải thực hiện chuyển đổi giao thức tại router biên Điều này làm cho các router biên trở nên quá tải và không

một mạng lõi duy nhất thì cần phải sử dụng một giao thức mới nhằm mục đích giảm tải cho các router biên Nếu thực hiện được điều đó thì mạng viễn thông thế hệ kế tiếp sẽ được gọi là NGN (Next Generation Network) Đây là một mạng lõi cho phép truyền tải nhiều loại ứng dụng yêu cầu băng thông cao

như (VoD, Video Conferencing, Internet băng rộng v.v…) Một ưu điểm lớn

của mạng NGN đó là các mạng đang tồn tại không cần phải rỡ bỏ mà chỉ cần

qua router biên (Edge router) thực hiện chức năng chuyển đổi từ mạng cũ vào mạng NGN

Khi đã có đươc mạng NGN thì một yêu cầu đặt ra là làm thế nào để có thể truyền tải lưu lượng trong mạng NGN Nếu chung ta tiếp tục sử dụng các giao thức trong mạng IP truyền thống (như RIP, OSPF, IS-IS, BGP v.v…) thì router biên phải chạy rất nhiều giao thức định tuyến (do mỗi mạng chạy một giao thưc định tuyến riêng) Điều này sẽ làm cho các router biên và router lõi

(Core router) phải mang quá nhiều route (giảm hiệu suất của router)

Với phương pháp định tuyến truyền thống như trên thì mỗi router sẽ phải

thực hiện tìm kiếm đường đi cho gói tin (routing lookup) độc lập Điều này sẽ

dẫn đến khi lưu lượng truyền dẫn lớn (hay mạng mở rộng) thì mỗi router sẽ phải chứa một lượng route vô cùng lớn (cỡ trên 100000 route) Đồng thời với

việc sử dụng định tuyến IP truyền thống thì việc điều khiển lưu luợng (Traffic Engineering) không được đảm bảo (nghĩa là router chỉ tìm đường tốt nhất trong khi còn nhiều đường khác có thể san sẻ tải lại không được sử dụng)

Hình 1 1 Mô hình Traffic Engineering trong mạng IP truyền thống

Ví dụ như Hình 1.1, lưu lượng từ Large Site A tới Large Site B chỉ được chạy qua đường Primary OC-192 link, còn đường qua Small Site C chỉ được

dùng làm đường dự phòng (backup) Điều này sẽ dẫn tới việc lãng phí tài

nguyên trong mạng Mong muốn của chúng ta là mạng phải đủ thông minh để

chạy cả 2 đường nhằm mục đích cân bằng tải (load balancing) tránh lãng phí

tài nguyên mạng

Chính vì lẽ đó mà phương thức chuyển mạch mới ra đời, chuyển mạch

nhãn đa giao thức (Multiprotocol Label Switching – MPLS) được sử dụng chủ

yếu trong mạng core NGN phần nào đã đáp ứng được các yêu cầu của các hệ thống mạng ngày nay

Với việc mạng lõi (core) chạy MPLS thì các router trong lõi (Provider Network ) không cần phải thực hiện tìm đường độc lập (routing lookup) nữa

mà chỉ cần thực hiện tráo nhãn (label swapping)

Cơ chế hoạt động của MPLS như sau:

Đầu tiên các router trong mạng chạy một giao thức định tuyến IP

(Internal Gateway Protocol – IGP ) để thiết lập các mạch ảo VC (Virtual Circuit) trong mạng Từ đó mỗi router xây dựng lên cho mình bảng định

tuyến IP Sau đó mỗi router sẽ gán nhãn cục bộ (local label) cho mọi đích

trong bảng định tuyến IP tới mọi router khác Các router khác sẽ cập nhật các nhãn này và đưa thông tin vào bảng LIB (Label Information Base) trong mặt

phẳng điều khiển (Control Plane) và LFIB (Label Forwarding Information Base) trong m ặt phẳng dữ liệu (Data Plane)

Như vậy khi một gói tin từ mạng IP truyền thống (Customer Equipment –

CE) đến miền MPLS (tới Provider Edge – PE) Tại đây các PE sẽ tiến hành tìm đường đi cho gói tin (routing lookup) và từ đó gắn nhãn cho route đã lựa

Gói tin đã được gắn nhãn được truyền vào trong mạng lõi MPLS Các router Provider (P) sẽ tìm kiếm trong bảng LFIB để biết được nên tráo nhãn

đầu vào cho nhãn đầu ra nào (label swapping)

Gói tin đã gắn nhãn tiếp tục như vậy cho tới khi đến router biên đầu ra

(Egress Router) Tại đây PE đầu ra sẽ thực hiện bỏ nhãn và tìm kiếm đường

đi cho gói tin (routing lookup) trong bảng định tuyến để đẩy gói tin IP truyền thông về mạng của khách hàng

Như vậy MPLS đã khắc phục được nhiều nhược điểm của mạng IP

truyền thống Tuy nhiên về bản chất vẫn là các định tuyến và chuyển mạch điện do đó tốc độ cũng như dung lượng không cao

Mạng quang thế hệ sau sẽ là sự kết hợp giữa khả năng định tuyến IP trong miền quang (IP-over-Optical) Trong mặt phẳng điều khiển sẽ sử dụng

GMPLS (đây là một chuẩn dựa trên MPLS) cho phép thực hiện chuyển mạch gói, chuyển mạch kênh theo thời gian, bước sóng trong miền quang

Mạng chuyển mạch gói IP hiện được xem là cơ sở hạ tầng mạng của

mạng thế hệ sau Công nghệ quang DWDM (Dense-Wavelength Division Multiplex) được coi là công nghệ cốt yếu cho mạng lõi đáp ứng nhu cầu bùng

nổ dịch vụ IP Do vậy việc tích hợp mạng IP và quang là xu thế tất yếu tạo nên mạng lõi Internet quang – cơ sở mạng thế hệ sau

Giao thức Internet (IP) đã trở thành giao thức chuẩn phổ biến cho các dịch vụ mạng mới, do đó lưu lượng IP sẽ tăng nhanh và thay thế các loại giao thức khác Trong khi IP được xem như công nghệ lớp mạng phổ biến thì công nghệ quang tiên tiến cho phép khả năng dung lượng truyền dẫn lớn Với dung lượng truyền dẫn lớn nhờ DWDM và khả năng cấu hình mềm dẻo của chuyển

mạch quang OXC (optical crossconnect) đã cho phép xây dựng mạng quang

động hơn, nhờ đó các nối kết băng tần lớn (luồng quang) có thể được thiết lập theo nhu cầu Một trong những thách thức quan trọng đó là vấn đề điều khiển các luồng quang này - tức là phát triển các cơ chế và thuật toán cho phép thiết lập các luồng quang nhanh và cung cấp khả năng khôi phục khi có sự cố, trong khi vẫn đảm bảo được tính tương tác giữa các nhà cung cấp thiết bị

Đây chính là một trong những vấn đề quan trọng mà đề tài tập trung vào

Nguyên nhân chủ yếu gây nên sự phức tạp trong quản lý chính là sự phân lớp theo truyền thống của các giao thức mạng Các mạng truyền thống có rất nhiều lớp độc lập do đó có nhiều chức năng chồng chéo nhau ở các lớp và thường xuyên có sự mâu thuẫn lẫn nhau cũng như có các chính sách khác nhau Vì vậy một trong những giải pháp để giảm chi phí xây dựng và quản lý mạng một cách triệt để đó là giảm số lớp giao thức Khi dung lượng và khả

năng kết nối mạng trong cả công nghệ IP và quang tăng lên, thì càng cần thiết tối ưu mạng IP và bỏ qua tất cả các công nghệ lớp trung gian để tạo nên mạng Internet quang hiệu quả và mềm dẻo Tuy nhiên, các lớp trung gian cũng cung

cấp một số chức năng có giá trị, như kỹ thuật lưu lượng TE (Traffic Enginnering) và khôi phục Những chức năng này cần phải được giữ lại trong mạng IP/WDM bằng cách đưa chúng lên lớp IP hoặc xuống lớp quang hoặc tốt nhất trên một lớp con riêng Hình 1.4 minh hoạ xu hướng tích hợp các lớp giao thức IP/quang chính đang nổi lên hiện nay

Một trong những thách thức lớn nhất ngày nay đối mặt với các nhà sản xuất chuyển mạch quang đó là phát triển các giao thức báo hiệu cho điều khiển động và hoạt động liên mạng của lớp quang mà có lẽ đây cũng là vấn đề cần chuẩn hoá cấp bách nhất hiện nay Các tổ chức và diễn đàn quốc tế OIF

(Optical Internetworking Forum), IETF và T1x1/ITU đều đang nỗ lực gấp rút

để thiết lập nên các phương pháp xác định việc điều khiển và kết nối giữa mạng quang và IP

Hiện nay có hai xu hướng xây dựng mô hình tích hợp đó là mô hình xếp

chồng (Overlay) hay mô hình khách-chủ (client-server), tức là đặt toàn bộ sự

điều khiển cho lớp quang ở chính lớp quang; và xu hướng thứ hai là mô hình

ngang hàng (Peer) tức là dịch chuyển một phần điều khiển lên bộ định tuyến - Router IP

này Khi vấn đề này được giải quyết triệt để thì mạng quang sẽ vô cùng hoàn

hảo

Trong chương 1 đã nghiên cứu về các thách thức đối với các hệ thống

mạng ngày nay và thấy được sự cấp thiết phải tích hợp các mạng riêng rẽ lại thành một mạng thống nhất (vừa đơn giản trong việc mở rộng, khai thác đồng thời dễ dàng trong việc quản trị)

Trong chương 1 cũng thấy được xu hướng phát triển của mạng từ IP lên NGN rồi chuyển tới mạng hội tụ IP/ quang

Trong chương 1 cũng đã nghiên cứu các yêu cầu về mạng quang thế hệ sau cần phải đáp ứng và kiến trúc cho mạng quang thế hệ sau Trong chương

kế tiếp sẽ nghiên cứu các thành phần cơ bản để kết cấu một mạng AON

ra cũng xem xét các thiết bị hỗ trợ cho mạng AON như bộ đấu chéo quang

OXC (Optical Cross-connect) và b ộ chuyển đổi bước sóng WC (Wavelength Converter)

Các phần trong chương này sẽ nêu bật được ưu điểm của hệ thống DWDM khi cho phép dung lượng truyền dẫn vô cùng lớn (chẳng hạn có thể

tạo ra băng thông cho một kênh bước sóng là 10 Gbps, và giả sử ghép 40 kênh

bước sóng trên một sợi quang thì băng thông tổng trên sợi quang lúc này là

400 Gbps) Với dung lượng truyền dẫn lớn như vậy thì hệ thống hoàn toàn có thể đáp ứng được các nhu cầu băng thông rộng trong thế kỷ 21 như thoại có hình, video-on-demand, hội nghị truyền hình, thông tin di động v.v…

Xu hướng hội tụ trong tương lại như đã được trình bày trong Chương 1

đó là hội tụ tới mạng toàn quang AON (All Optical Network) và mạng có khả

năng định tuyến và gán bước sóng động (Dynamic Routing and Wavelength

Assignment) Để thực hiện được điều này bên cạnh phải có những thuật toán, thiết bị mới thì các thành phần cơ bản trong mạng quang phải đáp ứng các

• Dung lượng sợi: Do nhu cầu về truyền thông trong tương lai vô

cùng lớn nên sợi quang phải có khả năng truyền tải được một lượng

lớn bước sóng riêng rẽ với suy hao thấp

có cơ chế bảo vệ riêng độc lập với các lớp khác Đối với hệ thống WDM với nhiều kênh trên một sợi quang, một sợi bị đứt sẽ gây ra nhiều lỗi dẫn đến nhiều hệ thống độc lập bị lỗi Với việc khôi phục trên lớp quang thay vì lớp điện có thể thực hiện chuyển mạch bảo vệ nhanh hơn và kinh tế hơn

việc khuếch đại tín hiệu giảm đáng kể do không phải thực hiện chuyển đổi quang-điện-quang (O-E-O) Trong một mạng quang với

các bộ ghép kênh xen/rẽ bước sóng chỉ có các kênh được yêu cầu

mới được ghép hoặc tách trong khi các bước sóng khác đi thẳng không cần qua biến đổi Chỉ có bước sóng nào mà ghép/tách lưu lượng ở một site thì mới cần các biến đổi điện tương ứng còn các kênh khác đơn giản đi qua miền quang Điều này tiết kiệm chi phí

quản lý mạng và thiết bị

truyền tải vô cùng lớn Do đó các nhà cung cấp dịch vụ có thể tăng lợi nhuận bằng cách bán các kênh bước sóng với bất kỳ yêu cầu nào

DWDM cho phép nhà cung cấp dịch vụ tích hợp với các thiết bị đang tồn tại trên mạng Một đặc điểm quan trọng của DWDM đó là các bước sóng được điều chế trực giao do đó chúng có thể được tách, định tuyến, chuyển mạch mà không gây nhiễu cho các bước sóng khác

Mỗi tín hiệu được mang ở các tốc độ khác nhau (OC-3/12/24 v.v…) với các định dạng khác nhau (SONET, ATM, data v.v…) Chẳng hạn một hệ

thống DWDM trộn các tín hiệu SONET hoạt động ở tốc độ OC-48 (2,5 Gbps) hoặc OC-192 (10 Gbps) có thể mang được tổng dung lượng trên 40 Gbps Trong tương lai hệ thống DWDM có thể ghép được lên tới 80 kênh bước sóng OC-48 nâng tổng dung lượng truyền lên tới 200 Gbps hoặc 40 kênh bước sóng OC-192 nâng tổng dung lượng truyền lên tới 400 Gbps

số bộ khuếch đại cũng như các bộ lặp cần thiết để đảm bảo chất lượng tín

hiện Trong hệ thống thông tin quang thì yêu cầu tối thiểu tốc độ lỗi bit (BER)

n

n

1

sin θ

Về mặt lý thuyết thì bất kỳ bước sóng tới nào có θcore lớn hơn θcrit thì đều

có thể truyền được trên sợi quang Tuy nhiên một số bước sóng có góc tới không thể truyền được do nhiễu giữa các bước sóng tới Chính vì lẽ đó số lượng góc tới mà ở đó bước sóng có thể truyền qua sợi sẽ được gọi là số mode sóng Nếu có nhiều hơn một mode có thể truyền trong một sợi quang thì sợi

đó được gọi là sợi quang đa mode (multimode)

Một vài tiêu chí đối với sợi quang trong hệ thống thông tin DWDM:

lặp

• Chống nhiễu: Chống nhiễu điện từ như radio, motor hoặc các sợi

cáp khác liền kề

Chức năng của sợi quang là một ống dẫn ánh sáng Tín hiệu quang được đưa vào một đầu và được lấy ra ở đầu bên kia Nguồn sáng có thể sử dụng là LED hoặc laser Nguồn sáng là các xung ánh sáng bật (on) và tắt (off) và phía thu sẽ chuyển đổi các xung này thành các tín hiệu số 1 và 0 tương ứng

Có 3 loại sợi quang: sợi đơn mode, sợi đa mode, sợi quang plastic (POF)

từ 8,3 µm đến 10 µm và chỉ hỗ trợ truyền một mode sóng Sợi đơn mode cho phép truyền dẫn ở tốc độ cao hơn 50 lần so với sợi đa mode Sợi đơn mode có lõi nhỏ hơn sợi đa mode Sóng ánh sáng chỉ được truyền theo một đường duy nhất (đơn mode)

thường là 62,5 µm) Sợi đa mode cho băng thông cao ở các tốc độ cao trên các khoảng cách trung bình Sóng ánh sáng được truyền theo nhiều đường (đa mode) Sợi quang đa mode thường được sử dụng với các bước sóng 850 hoặc 1300 nm

• POF: Đây là sợi quang plastic cung cấp hiệu suất tương đương sợi thuỷ tinh trên quãng đường rất ngắn nhưng rẻ hơn

2.2.2 Thiết bị phát quang

Thiết bị phát quang có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang vào trong sợi quang Tín hiệu điện đến sẽ điều khiển để một laser phát ánh sáng vào trong sợi quang

Mô hình một hệ thống DWDM

Hình 2 2 Hệ thống DWDM

Nguồn quang bán dẫn được sử dụng cho hệ thống sợi quang từ thiết bị rẻ

tiền như LED đến các thiết bị đắt tiền như laser bán dẫn Tuy nhiên đối với hệ

thống DWDM do số lượng bước sóng được ghép trên một sợi quang là lớn cho nên tính đơn sắc của tia sáng phải cao Chính vì thế các laser bán dẫn được làm nguồn phát là chủ yếu

Một hệ thống quang sợi nên thoả mãn các điều kiện sau:

• Sử dụng bước sóng tại vùng cửa sổ suy hao thấp của sợi quang

• Công suất quang đưa vào trong sợi quang phải đủ lớn để sao cho có thể bù được các suy hao trong quá trình truyền như suy hao sợi quang, suy hao kết nối, suy hao mối hàn, v.v…và mức tín hiệu tại đầu thu phải lớn hơn độ nhạy cho phép của bộ thu

• Đảm bảo tính ổn định của hệ thống trong điều kiện môi trường thay đổi (chẳng hạn nhiệt độ)

• Cho phép điều chế trực tiếp công suất đầu ra quang

• Chi phí thấp và ổn định hơn so với hệ thống điện

Như ở trên ta đã biết sợi quang có 3 vùng cửa sổ suy hao thấp là 850 nm,

1300 nm và 1550 nm Nguồn bán dẫn được thiết kế để hoạt động ở các bước sóng mà tối thiểu hấp thụ quang và tối đa băng thông hệ thống

Các bộ phát quang cho hệ thống DWDM yêu cầu phải có độ phân giải cao, các laser băng hẹp chính xác Laser cho phép khoảng cách giữa các kênh

rất gần do vậy ta sẽ tăng được số lượng bước sóng được ghép trên một sợi quang Hiện nay phổ biến dùng các bước sóng nằm trong vùng cửa sổ suy hao

1550 nm của sợi quang

2.2.3 Thiết bị thu quang và bộ lọc

Bộ thu quang là một thiết bị quang-điện (optic-electro) nhận tín hiệu

quang từ một sợi quang và chuyển đổi tín hiệu này thành tín hiệu điện Một

bộ thu quang thông thường bao gồm một bộ tách sóng quang, một bộ khuếch

đại nhiễu thấp (low-noise amplifier) và các mạch khác được sử dụng để tạo ra

tín hiệu điện đầu ra Bộ tách sóng quang biến đổi tín hiệu quang đầu vào thành tín hiệu điện đầu ra Bộ khuếch đại sẽ khuếch đại tín hiệu điện tới một mức phù hợp đối với các quá trình xử lý tín hiệu sau đó Các bộ mạch khác nhau được chứa trong bộ thu tuỳ thuộc vào loại điều chế được sử dụng và các thiết bị đầu ra của bộ thu

khác Một bộ tách sóng quang (optical detector) là một bộ chuyển đổi (transducer) biến đổi một tín hiệu quang đầu vào thành tín hiệu điện đầu ra Điều này được thực hiện bằng cách phát ra một dòng điện tương ứng với cường độ của tia sáng tới

Dưới đây là một vài yêu cầu về hiệu suất và tính tương thích của các bộ tách sóng quang:

• Tương thích về kích thước đối với các sợi quang suy hao nhỏ để tạo

ra hiệu quả kết nối và dễ dàng đóng gói

• Có độ nhạy thu cao tại bước sóng làm việc của nguồn quang

• Có thời gian đáp ứng ngắn (tin cậy đối với băng thông rộng) để điều khiển tốc độ dữ liệu của hệ thống

• Tạo ra nhiễu thấp cho hệ thống

• Hoạt động ổn định trong các điều kiện môi trường thay đổi như nhiệt độ thay đổi

Nguyên lý các bộ tách sóng quang được sử dụng trong hệ thống sợi

quang gồm photodiode bán dẫn PIN (Positive-intrinsic-negative) và photodiode hiệu ứng thác APD (Avalanche) Các photodiode bán dẫn tạo ra

một dòng điện khi chúng hấp thụ photon

2.2.4 Khuếch đại quang

Mặc dù một tín hiệu quang có thể truyền trên một đoạn đường dài trước khi phải sử dụng khuếch đại Tuy nhiên khi khoảng cách giữa trạm phát và thu quá xa (công suất quang tới đầu thu nhỏ hơn độ nhậy của máy thu) thì ta cần phải lắp các bộ khuếch đại trên đường truyền nhằm tái tạo lại tín hiệu ban đầu Khuếch đại quang khác với khuếch đại quang-điện đó là nó chỉ tăng công suất tín hiệu mà không khôi phục lại dạng tín hiệu Kiểu khuếch đại này gọi là

1R (Regeneration) Khuếch đại 1R nổi lên như một sự lựa chọn cho các mạng toàn quang trong tương lai

Nếu trong hệ thống mạng quang DWDM sử dụng khuếch đại điện thì đầu tiên các bước sóng phải được phân tách (dùng DEMUX) sau đó chúng được khuếch đại trong miền điện rồi mới được ghép trở lại (dùng MUX) để truyền

đi Khuếch đại quang làm tăng cường độ tín hiệu quang mà không cần biến chúng thành tín hiệu điện

Nhược điểm của bộ khuếch đại quang đó là nhiễu quang cũng được khuếch đại cùng với tín hiệu

Khuếch đại quang sử dụng bức xạ kích thích như trong laser Có 2 loại khuếch đại điển hình là khuếch đại laser bán dẫn và khuếch đại EDFA (Rare-

Earth-Doped-Fiber Amplifier)

Một khuếch đại laser bán dẫn gồm một laser bán dẫn Một tín hiệu yếu được đưa tới vùng tích cực của bán dẫn thông qua phát xạ kích thích Kết quả tạo ra một tín hiệu mạnh hơn thoát ra khỏi bán dẫn

EDFA thuộc về họ các bộ khuếch đại sợi quang trộn với chất hiếm Nó là một bộ khuếch đại quang được xây dựng trên nguyên lý khác so với các bộ khuếch đại trước đó Các chất thêm vào bao gồm praseodymium (được sử dụng cho khuếch đại ở bước sóng 1300 nm), neodymium (đầu tiên được sử dụng cho các laser công suất cực cao), và ytterbium EDFA có vị trí quan trọng trong thông tin quang là do trước hết thuộc tính erbium khuếch đại trong một phạm vi tương đối rộng (xấp xỉ 35 nm) xung quang vùng cửa sổ suy hao thấp 1550 nm trong sợi Hơn thế nữa, EDFA có rất nhiều những đặc tính mà chúng ta mong ước

Ưu điểm

• Dễ kết nối: bộ khuếch đại EDFA thực chất là được cấu tạo từ một đoạn cáp đã được cấy 3 +

Er Do vậy nó là thiết bị quang dễ dàng ghép nối với các sợi quang đơn mode khác

• Là thiết bị nhạy với các trạng thái cực của xung ánh sáng

• Sự thay đổi của nhiệt độ không làm thay đổi nhiều đến chất lượng của hệ thống EDFA

• Có độ khuếch đại cao, dễ dàng đạt được độ khuếch đại từ 30 đến 40

dB

• Không gây ra méo tín hiệu ở tốc độ cao

• Có thể khuếch đai đồng thời các tín hiệu ghép kênh theo bước sóng

Nhược điểm

• Phải sử dụng đến bơm laser chế tạo phức tạp giá thành cao

• Khó khăn trong việc tích hợp với các phần khác của hệ thống

• Giới hạn về cửa sổ làm việc do khi sử dụng ion 3 +

Er chỉ có thể khuếch đại được các kênh bước sóng nằm trong khoảng 1540 ± 30nm

• Phải sử dụng thêm các bộ cân bằng

Trong hệ thống DWDM, tín hiệu được gửi từ nhiều nguồn khác nhau trên các bước sóng khác nhau nhưng lại cần truyền trên cùng một sợi quang do đó các tín hiệu này cần phải được ghép lại tại đầu phát (multiplexer) Tại đầu thu

hệ thống cần phải phân tách riêng rẽ các bước sóng nhờ vào các bộ tách sóng quang Bộ tách kênh (Demultiplexer) thực hiện phân tách luồng sáng nhận

được thành các bước sóng riêng biệt và đẩy các bước sóng này tới các sợi quang tương ứng Tách sóng được thực hiện trước khi đưa các bước sóng riêng lẻ tới các photodiode để kích thích tạo ra tín hiệu điện tương ứng

Đối với hệ thống một chiều, một bộ ghép kênh (multiplexer) tại đầu phát

sẽ tiến hành ghép kênh và tại đầu thu một bộ tách kênh (demultiplexer) sẽ

phân tách các bước sóng riêng rẽ Để thông tin 2 chiều thì tại mỗi điểm đầu cuối cần trang bị cả 2 bộ tách/ghép bước sóng và 2 sợi quang riêng biệt để thiết lập thông tin 2 chiều

Trong hệ thống 2 chiều, tại mỗi điểm đầu cuối có một bộ tách/ghép bước

sóng (multiplexer/demultiplexer) và thông tin được truyền thông qua một sợi quang duy nhất trong đó các bước sóng khác nhau được sử dụng cho mỗi hướng

Các bộ ghép/tách bước sóng có thể được thiết kế ở 2 dạng là passive hoặc active D ạng passive dựa trên lăng kính, cách tử nhiễu xạ, bộ lọc trong khi đó

dạng active chứa các thiết bị passive với các bộ lọc có thể điều chỉnh được

Mục tiêu của các thiết bị này là tối thiểu xuyên nhiễu và tối đa việc cách

ly kênh Xuyên nhiễu sẽ ảnh hưởng tới số lượng kênh được ghép trong khi cách ly kênh cho phép phân tách mỗi bước sóng

2.4 Bộ ghép kênh xen/rẽ quang (OADM)

Bộ ghép kênh xen/rẽ quang (OADM) có nhiệm vụ tách hoặc chèn thêm một hoặc nhiều bước sóng tại mỗi điểm dọc theo tuyến truyền dẫn Bên cạnh

việc kết hợp hoặc phân tách tất cả các bước sóng, OADM còn có thể loại bỏ

một số bước sóng khi các bước sóng trên sợi quang truyền tới chúng OADM

là thành phần không thể thiếu trong mạng toàn quang AON (All Optical

Network)

Về nguyên lý OADM tương tự như SONET ADM ngoại trừ thay vì ghép kênh điện thì ở đây là ghép xen/rẽ các bước sóng quang OADM không cần quá trình chuyển đổi trung gian quang-điện (optic-electro) Hình 2.6 dưới đây

mô tả một quá trình ghép kênh xen/rẽ quang Trong hình bao gồm cả 2 bộ khuếch đại trước và sau khi ghép (pre and post-amplication)

Chuyển đổi bước sóng là một thiết bị có khả năng chuyển đổi dữ liệu từ một port vào trên bước sóng λ 1 tới một port đầu ra trên một bước sóng khác

2

λ [15]

Các bộ chuyển đổi bước sóng làm giảm xác suất tắc nghẽn trong mạng Khi thiết lập một LP từ nguồn tới đích thì một yêu cầu đó là phải duy trì bước

sóng như nhau trên tất cả các link Vấn đề này gọi là ràng buộc về tính liên

tục bước sóng (Wavelength-continuity Constraint) [15, 22] Các bộ chuyển

đổi bước sóng sẽ phá vỡ ràng buộc này Dưới đây là các đặc tính của bộ chuyển đổi bước sóng:

• Trong suốt tới định dạng tín hiệu và tốc độ bit

• Thời gian thiết lập của bước sóng đầu ra nhanh

• Chuyển đổi cả bước sóng ngắn và dài

• Mức công suất đầu vào vừa phải

• Không nhạy với tín hiệu vào

• Dễ thực hiện

Hình 2.7 dưới đây mô tả một LP được thiết lập giữa node 1 và node 2 trên bước sóng λ 1 và một LP khác được thiết lập giữa node 2 và node 3 trên bước sóng λ 2 Giả sử một yêu cầu kết nối từ node 1 đến node 3 thì yêu cầu này sẽ không được chấp nhận do ràng buộc về tính liên tục bước sóng

Hình 2 7 Node 2 thực hiện chuyển đổi bước sóng từ λ 2 sang λ1

Tuy nhiên nếu có bộ chuyển đổi bước sóng đặt tại node 2 mà có khả năng chuyển đổi bước sóng từ λ 1 sang λ2 thì yêu cầu thiết lập sẽ thành công Như vậy bộ chuyển đổi bước sóng có thể giúp cải thiện hiệu suất mạng tránh tình trạng bị tắc nghẽn do thiếu bước sóng

Khả năng chuyển đổi bước sóng có nhiều mức khác nhau Trong Hình

Hình 2 8 Các mức chuyển đổi bước sóng

Như hình trên có thể thấy rằng Full wavelength conversion sẽ cho nhiều

tuỳ chọn nhất (bất kỳ bước sóng đầu vào nào đều có thể được biến đổi tới bất

kỳ bước sóng nào khác) Limited wavelength conversion cho thấy bất kỳ bước

sóng đầu vào nào cũng có thể biến đổi thành một bộ các bước sóng khác

(không phải tất cả các bước sóng) Một trường hợp đặc biệt đó là Fixed wavelength conversion, ở đây mỗi bước sóng đầu vào có thể được biến đổi chính xác tới một bước sóng khác Nếu mỗi bước sóng được biến đổi tới chính nó thì ta có trường hợp No wavelength conversion

Ưu điểm của Full wavelength conversion là loại bỏ được ràng buộc liên tục bước sóng (wavelength continuity constraint), nó làm cho việc thiết lập

một lightpath dọc theo mỗi link từ nguồn tới đích sẽ luôn có một bước sóng

rỗi (có thể khác nhau trên các link khác nhau) Kết quả là vấn đề RWA sẽ được chuyển thành vấn đề định tuyến (điều này có nghĩa là tìm các path phù

hợp cho mỗi kết nối trong mạng) Nếu như sử dụng Limited wavelength conversion hay Fixed wavelength conversion thì vấn đề RWA sẽ phức tạp

hơn so với việc sử dụng Full wavelength conversion Để thấy rõ hơn vấn đề, chú ý rằng Limited wavelength conversion ở các OXCs sẽ chỉ liên kết giữa

một vài bản copy mạng [15] Ví dụ, nếu bước sóng λ 1 có thể biến đổi thành

bước sóng λ 2 nhưng không thể biến đổi thành bước sóng λ 3 thì các link chỉ

có thể được thực hiện trên các bản copy 1 và 2 mà không thể thiết lập trên bản copy 3 Khi tiến hành lựa chọn đường, mỗi OXC sẽ có thể tuỳ chọn giữa các khả năng hoặc thực hiện trên bản copy của mình hoặc di chuyển tới các bản copy khác Điều này còn tuỳ thuộc vào khả năng chuyển đổi bước sóng của OXC Khi mà mạng càng lớn (số OXC lớn) thì vấn đề phức tạp của RWA cũng sẽ tăng lên tương ứng

Biến đổi bước sóng (full hay limited) sẽ tăng khả năng lựa chọn bước sóng cho các lightpath Điều này sẽ làm cho hiệu suất mạng tốt hơn Tuy nhiên đồng nghĩa với việc tăng hiệu suất thì việc sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng cũng sẽ làm cho giá thành mạng tăng cao và chính vì lẽ đó không thể trang bị cho tất cả các OXC được Trong trường hợp này, một lightpath

phải sử dụng chung bước sóng trên mỗi link trong một đoạn (segment) của cả

path giữa các thiết bị OXCs, tuy nhiên nó cũng sẽ sử dụng các bước sóng

khác trên các đoạn khác Chính vì lẽ đó một phần lớn khối lượng đồ án này tập trung vào phân tích việc thiết kế mạng quang cũng như lựa chọn giải thuật RWA sao cho số lượng WC sử dụng trong mạng là tối thiểu

Chuyển đổi bước sóng quang-điện

Trong chuyển đổi bước sóng quang điện, đầu tiên tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ một photodetector Các bit được lưu trong bộ

đệm (buffer) dùng thuật toán FIFO Tín hiệu điện sau đó được sử dụng để

điều khiển đầu ra của một diot laser có thể điều chỉnh để chỉnh tới bước sóng mong muốn Phương pháp này cho phép hệ thống đạt tốc độ bit lên tới 10 Gbps

Nhược điểm của phương pháp này là tính phức tạp của hệ thống Ngoài ảnh hưởng tới tính trong suốt của tín hiệu

Phương thức chuyển đổi bước sóng dùng hiệu ứng coherent dựa trện hiệu

ứng trộn bước sóng (wave-mixing) Trộn sóng xuất hiện từ một đáp ứng

quang không tuyến tính của một đường truyền khi truyền nhiều bước sóng Kết quả là tạo ra một bước sóng khác có cường độ bằng tích của cường độ các sóng trộn Trộn sóng duy trì cả thông tin về pha và biên độ Nó cho phép biến đổi đồng thời nhiều bước sóng đầu vào thành nhiều bước sóng đầu ra và có

thể cung cấp tốc độ bit vượt quá 100 Gbps Các kỹ thuật được sử dụng là:

quang Ở đây 3 bước sóng có tần số f i, f j và f k với (k ≠i, j) được trộn với nhau trong một hệ thống WDM đa kênh để tạo ra bước sóng thứ tư có tần số:

k j i

FWM cũng có thể được thực hiện trong các ống dẫn sóng thụ động như ống dẫn sóng bán dẫn và trong một đường truyền tích cực như

bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) Kỹ thuật này cung cấp định

dạng điều chế độc lập và khả năng tốc độ bit cao Tuy nhiên hiệu

quả chuyển đổi từ năng lượng bơm thành năng lượng tín hiệu không cao và nó giảm ngay lập tức với việc tăng đoạn chuyển đổi (chuyển giữa các bước sóng bơm và tín hiệu đầu ra)

• Defference Frequency Generation (DFG): DFG là một kết quả của một tương tác phi tuyến bậc 2 của một đường truyền với 2 bước sóng (sóng bơm và sóng tín hiệu) Kỹ thuật này cho phép biến đổi toàn dải mà không tạo thêm nhiễu cho tín hiệu Ưu điểm là nhanh và

2 chiều nhưng đổi lại nó nhạy với phân cực Do đó khó khăn chính của phương pháp này là sự đồng bộ về pha các các bước sóng tương tác

Biến đổi bước sóng dùng điều chế chéo