Định tuyến bước sóng trong mạng ghép kênh theo bước sóng (WDM)

- ATM: Asynchronous Transfer Mode – Phương thức truyền dẫn bất đồng bộ - ANSI:American International Standards Institute – Viện các tiêu chuẩn quốc gia mỹ - BoD: Bandwidth on Demand – B

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

LƯU NGỌC ĐIỆP

ĐỊNH TUYẾN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM)

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN – ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ NGÀNH : 2.07.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2003

BK

TP.HCM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : LƯU NGỌC ĐIỆP Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 27/06/1977 Nơi sinh: tỉnh Kiên Giang

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Vô Tuyến Điện Tử Mã số: 2.07.01

TÊN ĐỀ TÀI : ĐỊNH TUYẾN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG GHÉP KÊNH THEO

BƯỚC SÓNG (WDM)

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

Giải quyết vấn đề định tuyến bước sóng trong mạng ghép kênh theo bước

sóng với một mô hình lưu lượng mới được gọi là scheduled traffic Ngoài ra, đề

tài còn thực hiện bài toán gán bước sóng cho các yêu cầu lưu lượng trong mạng WDM Multihop với định tuyến và sử dụng lại bước sóng

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ(Ngày bảo vệ đề cương) : 19/11/2002

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ(Ngày bảo vệ luận án tốt nghiệp) :

10/06/2003

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm và học vị) :

TIẾN SĨ PHẠM HỒNG LIÊN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NGHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

(Ký tên và ghi rõ họ, tên, học hàm và học vị)

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày tháng năm

Lời Cảm Ơn

" Xin chân thành cảm ơn cô Phạm Hồng Liên đã tận tâm hướng dẫn, chỉ

bảo em rất nhiều trong thời gian qua để em hoàn tất Luận Án này

" Xin chân thành cảm ơn các thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa đã tận tình dạy dỗ em trong suốt những năm học qua, đặc biệt là những thầy cô thuộc Bộ Môn Điện Tử – Viễn Thông

" Xin cảm ơn tất cả các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện Luận Án này, sự quan tâm của các bạn là nguồn động viên rất lớn giúp tôi vượt qua mọi khó khăn

" Xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến cha mẹ và các anh chị trong gia đình

This thesis focuses on solving the problem of routing and wavelength assignment

in WDM Optical Transport Network In order to maximize the utilization of resources,

wavelength channels are reused by several lightpaths that do not overlap in time Besides we will use the same wavelengths for lightpaths that do not share any common link

From the above point of view, the thesis consists of following parts :

Part 1 : General Theory about Optical Communication System :

1 Introduction to Optical Networks

2 Multilevel Optical Network

3 Routing and Wavelength Assignment in WDM Network

¾ Routing and wavelength assignment of scheduled lightpath demands in

a WDM Optical Transport Network

wavelength routing and wavelength reuse

Part 3 : The Results of Simulation

Truyền thông quang đã trở thành một kỹ thuật hấp dẫn trong các hệ thống thông tin ngày nay Ngoài việc cung cấp băng thông lớn với tỉ lệ lỗi thấp, môi trường quang còn mang lại tính trong suốt Nhiều kỹ thuật ghép kênh được ra đời để tận dụng băng thông môi trường truyền Trong đó, kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM) chiếm ưu thế hơn hẳn

Đề tài này tập trung nghiên cứu vấn đề định tuyến bước sóng trong mạng WDM Chương trình mô phỏng thực hiện định tuyến và gán bước sóng cho các yêu cầu thiết

lập lightpath với một lớp lưu lượng mới có xét đến yếu tố thời gian được gọi là

scheduled traffic Nhằm tận dụng tối đa nguồn tài nguyên mạng, ta sẽ sử dụng lại các

kênh bước sóng cho nhiều lightpath tồn tại trong những khoảng thời gian không chồng

lấp nhau

Đề tài bao gồm các phần sau:

Phần 1: Lý Thuyết Tổng Quan Về Hệ Thống Thông Tin Quang

1 Giới thiệu mạng thông tin quang

2 Giới thiệu về mạng ghép kênh đa bước sóng

3 Truyền tín hiệu trong sợi quang

4 Các thành phần của hệ thống thông tin quang

Phần 2: Kỹ Thuật Mạng Ghép Kênh Đa Bước Sóng

1 Các phần tử mạng WDM

2 Mạng quang đa cấp

3 Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM

Phần 3: Kết Quả Mô Phỏng Và Hướng Phát Triển Đề Tài

1 Giới thiệu chương trình mô phỏng

2 Hướng phát triển đề tài

Vì thời gian có hạn và lần đầu tiên thực hiện, đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự đóng góp chỉ dẫn cuả quý thầy cô và các bạn

PHẦN I LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU MẠNG THÔNG TIN QUANG

1

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG GHÉP KÊNH ĐA BƯỚC SÓNG

13

21

CHƯƠNG 4 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

28

7 Các bộ chuyển mạch 40

PHẦN II KỸ THUẬT MẠNG GHÉP KÊNH ĐA BƯỚC SÓNG

CHƯƠNG 5 CÁC PHẦN TỬ MẠNG WDM

49

71

CHƯƠNG 7 ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM

87

5 Định tuyến và gán bước sóng cho yêu cầu thiết lập lightpath theo thời gian 96

5.3 Mô hình toán học 99

6 Giải thuật gán bước sóng cho các mạng WDM Multihop với định 102

PHẦN III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 8 GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG

CHƯƠNG 9 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

- ATM: Asynchronous Transfer Mode – Phương thức truyền dẫn bất đồng bộ

- ANSI:American International Standards Institute – Viện các tiêu chuẩn quốc gia mỹ

- BoD: Bandwidth on Demand – Băng thông theo nhu cầu

- CDM: Code Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia mã

- DEMUX: Demultiplexer – Bộ phân kênh

- DFG: Difference Frequency Generation – Phát sinh tần số sai phân

- DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia đa bước sóng

- EDF: Erbium Doped Fiber

- EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier

- FCC: Federal Communications Commission - Ủy Ban Truyền Thông Liên Bang Mỹ

- FDDI: Fiber Distributed Data Interface – Giao diện dữ liệu phân bố quang

- FT: Fixed Transmitter – Bộ phát cốđịnh bước sóng

- FR: Fixed Receiver – Bộ thu cố định bước sóng

- FWM: Four Wave Mixing - Trộn bốn bước sóng

- GMPLS: General Multi-Protocol Label Switching – Chuyển mạch nhãn đa nghi thức

- ITU:International Telecommunication Union - Liên Minh Viễn Thông Quốc Tế

- LAN: Local Area Network – Mạng nội bộ

- LASER: Light Amplification by Stimulated Emission Radiation – Khuếch đại ánh sáng

bằng sự bức xạ kích thích

- LED: Light Emitting Diode – Diot phát quang

- MAN: Metropolitan Area Network – Mạng trung tâm

- MON: Multilevel Optical Network – Mạng quang đa cấp

- MUX: Multiplexer – Bộ ghép kênh

- NIU: Network Interface Unit – Đơn vị giao tiếp mạng

- OADM: Optical Add/Drop multiplexer – Bộ ghép kênh xen/rớt quang

- OLT: Optical Line Terminal – Thiết bị đầu cuối quang

- OTN: Optical Transport Network – Mạng truyền tải quang

- OVPN: Optical Virtual Private Network – Mạng riêng ảo quang

- OXC: Optical Cross Connect – Bộ kết nối chéo quang

- SBS: Stimulated Brillouin Scattering - Khuếch tán tích luỹ Brillouin

- SDH: Synchronous Digital Hierarchy – Hệ phân cấp số đồng bộ

- SOA: Semiconductor Optical Amplifier – Bộ khuếch đại quang bán dẫn

- SONET: Synchronous Optical Network – Mạng quang đồng bộ

- SPM: Self Phase Modulation – Tự điều chế pha

- SRS: Stimulated Raman Scattering – Khuếch tán tích luỹ Raman

- TDM: Time Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo thời gian

- TR: Tunable Receiver – Bộ thu chỉnh được bước sóng

- XPM: Cross Phase Modulation – Điều chế xuyên pha

- WDM: Wavelength Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo bước sóng

- WDMA: Wavelength Division Multiple Access – Mạng đa truy cập phân chia bước sóng

- WR: Wavelength Routing- Định tuyến bước sóng

- WRA: Routing and Wavelength Assignment – Định tuyến và gán bước sóng

CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU MẠNG THÔNG TIN QUANG

Lượng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin ngày nay tăng lên rất nhanh Bên cạnh gia tăng về số lượng, dạng lưu lượng truyền thông trên mạng cũng thay đổi Dạng dữ liệu chủ yếu là lưu lượng Internet Phần lớn những nhu cầu hiện nay liên quan đến việc truyền dữ liệu hơn là tiếng nói Số người sử dụng Internet ngày càng đông và thời gian mỗi lần truy cập thường kéo dài hơn nhiều lần một cuộc gọi điện thoại Bên cạnh đó, các doanh nghiệp cũng thường dựa vào các mạng tốc độ cao để điều hành công việc Những điều này đã tạo

ra một nhu cầu sử dụng băng thông lớn, những đường truyền tốc độ cao, tin cậy và chi phí thấp

Mạng thông tin quang ra đời đã đáp ứng được những yêu cầu trên Thông tin quang cung cấp băng thông lớn với tỉ lệ lỗi rất thấp (10-11) Bên cạnh dung lượng cao, môi trường quang còn cung cấp khả năng trong suốt Tính trong suốt cho phép các dạng dữ liệu khác nhau chia sẻ cùng một môi trường truyền và điều này rất phù hợp cho việc mang các tín hiệu có những đặc điểm khác nhau

Vì vậy, truyền thông quang được xem như là một kỹ thuật cho hệ thống thông tin băng rộng trong tương lai

Tuy nhiên, băng thông quang rất lớn đối với một ứng dụng đơn lẻ Vì vậy, nó nên được chia sẻ giữa những người sử dụng với nhau bằng cách ghép nhiều kênh trên một đường truyền Kỹ thuật ghép kênh được quan tâm nhất hiện nay là ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) và ghép kênh phân chia thời gian (TDM) Trong tương lai, ghép kênh theo bước sóng sẽ được ưa chuộng hơn

vì chi phí kỹ thuật và thiết bị để lắp đặt các hệ thống TDM tương đối cao Theo báo cáo, hệ thống TDM với dung lượng 10 Gbps được lắp đặt ở Nhật vào năm

1996 Các hệ thống WDM 40 Gbps đã được lắp đặt ở Bắc Mỹ Trong WDM, nhiều kênh được ghép trên một sợi quang sử dụng các bước sóng khác nhau Một phương pháp ghép kênh khác là ghép kênh phân chia mã (CDM) Kỹ thuật này thực hiện mã hóa mỗi luồng thông tin bởi một mã trực giao với mã của các luồng thông tin khác cùng chia sẻ môi trường truyền (sợi quang) Kỹ thuật này không còn phổ biến từ sau những năm 80 vì những hạn chế về kỹ thuật như tốc độ điều chế và suy hao trong mã hoá cũng như giải mã cao Hơn nữa, ứng dụng của phương pháp này làm cho vấn đề tán sắc và đồng bộ trở nên xấu hơn vì thế dường như không còn thích hợp cho thông tin quang ngày nay

1 Các mạng quang

Ngoài việc cung cấp dung lượng khổng lồ, mạng quang còn mang lại một cơ sở hạ tầng chung mà qua đó các dịch vụ khác nhau được thực hiện Các mạng này cũng có khả năng phân phát băng thông một cách mềm dẻo khi cần thiết Sợi quang cung cấp băng thông lớn hơn rất nhiều so với cáp đồng và ít nhạy đối với các loại nhiễu điện từ khác nhau và các hiệu ứng không mong muốn khác Do đó, nó trở thành một môi trường truyền dữ liệu với tốc độ hơn vài chục megabit trên giây qua những khoảng cách dài hơn một kilômet Sợi quang cũng là phương tiện hay được dùng để thực hiện những kết nối tốc độ cao (gigabit trên giây hoặc cao hơn) khoảng cách ngắn bên trong những hệ thống lớn

Thống kê gần đây nhất từ Ủy ban truyền thông Liên Bang Mỹ cho biết sự triển khai của sợi quang ở khắp nơi Sợi quang ngày nay được triển khai rộng rãi trong tất cả các loại mạng viễn thông, có lẽ ngoại trừ khu dân cư Mặc dù được cung cấp đến nhiều doanh nghiệp, đặc biệt trong những thành phố lớn, sợi quang chưa được đưa đến nhà riêng, vì chi phí lắp đặt đường dây rất lớn

Kỹ thuật truyền dẫn sợi quang tiến hoá qua vài chục thập niên cung cấp tốc độ bit ngày càng cao và qua những khoảng cách ngày càng dài hơn Hình 1.1 cho thấy sự gia tăng băng thông qua nhiều thời gian của các loại mạng khác nhau Sự phát triển mạnh mẽ này chủ yếu là do sự triển khai các hệ thống thông tin quang

Hình 1.1: Sự gia tăng băng thông theo thời gian trong các loại mạng khác nhau

Long haul

Year

2000 1995

1990

1985

1980

Bit rate (Mb/s)

Khi nói đến các mạng quang, chúng ta đang thực sự nói về hai thế hệ của chúng Ở thế hệ thứ nhất, sợi quang chủ yếu dùng cho truyền dẫn và cung cấp dung lượng Sợi quang cung cấp tỉ lệ lỗi bit thấp hơn và dung lượng cao hơn so với cáp đồng Tất cả chức năng chuyển mạch và mạng thông minh được điều khiển bằng điện tử Thí dụ cho các mạng quang thế hệ thứ nhất này là SONET (mạng quang đồng bộ), tương tự với mạng SDH (hệ phân cấp số đồng bộ), hình thành nên phần lõi của cơ sở hạ tầng viễn thông tương ứng ở Bắc Mỹ và Châu Âu, Châu Á, cũng như các mạng doanh nghiệp khác như ESCON

Ngày nay chúng ta đang thấy sự triển khai của những mạng quang thế hệ thứ hai, nơi mà các chức năng chuyển mạch, định tuyến và sự thông minh được chuyển vào lớp quang học

2 Mạng quang thế hệ thứ hai

Sợi quang hiển nhiên trở thành một phương tiện truyền dẫn được ưa thích và ngày nay truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng WDM được dùng rộng rãi trong mạng Những năm gần đây, người ta nhận ra rằng các mạng quang có khả năng cung cấp nhiều chức năng hơn là chỉ truyền dẫn điểm nối điểm Những thuận lợi chủ yếu đạt được bằng cách hợp nhất một vài chức năng chuyển mạch và định tuyến đã được thực hiện điện tử vào phần quang của mạng Ví dụ như, khi tốc độ dữ liệu ngày càng cao, việc xử lý dữ liệu bằng điện tử trở nên khó khăn hơn Giả sử các thiết bị điện tử phải xử lý dữ liệu mỗi khối 53 bytes (chiều dài mỗi tế bào trong phương thức truyền bất đồng bộ ATM) Trong một luồng dữ liệu 100Mb/s, ta có 4,24 μs để xử lý một khối, trong khi với luồng 10Gb/s, khối này phải được xử lý trong vòng 42,4 ns Trong các mạng thế hệ thứ nhất, thiết

bị điện tử ở một nút phải điều khiển không chỉ tất cả các dữ liệu dành cho nút đó mà còn tất cả các dữ liệu đi xuyên qua nó đến các nút khác trong mạng Nếu dữ liệu có thể được định tuyến trong miền quang, tải trọng các thiết bị điện ở các nút sẽ giảm đi đáng kể Đây là một trong những nguyên nhân chính cho sự ra đời của các mạng quang thế hệ thứ hai

Các mạng quang dựa vào mô hình này đang được triển khai Kiến trúc của

mạng được chỉ ra trong hình 1.2, ta gọi mạng này là một mạng định tuyến bước

sóng Mạng cung cấp những lightpath cho người sử dụng, như các thiết bị cuối

SONET hoặc các bộ định tuyến IP Lightpaths là các kết nối quang được mang

từ đầu cuối đến đầu cuối bằng một bước sóng trên mỗi tuyến trung gian Ở các

nút trung gian trong mạng, các lightpath được định tuyến và chuyển mạch từ tuyến này sang tuyến khác Trong một số trường hợp, các lightpath cũng có thể

được chuyển từ một bước sóng này thành bước sóng khác dọc theo đường đi

IP router

SONET terminal

IP router

D C

Hình 1.2: Mạng quang định tuyến bước sóng

Các lightpath trong mạng định tuyến bước sóng có thể sử dụng cùng bước sóng

khi nó không dùng chung một tuyến truyền dẫn nào Điều này cho phép cùng một bước sóng được sử dụng lại ở các phần khác nhau của mạng Ví dụ, ở hình

1.5 chỉ ra 6 lightpaths Lightpath giữa B và C, lightpath giữa D và E, và một trong những lightpaths giữa E và F không dùng chung tuyến liên kết nào trong

mạng và vì thế có thể được thiết lập sử dụng một bước sóng λ1 Đồng thời,

lightpath giữa A và F dùng chung một kết nối với lightpath giữa B và C nên

phải sử dụng bước sóng khác (λ2) Tương tự, hai lightpath giữa E và F phải được gán các bước sóng khác nhau Chú ý rằng tất cả các lightpath này sử dụng

cùng bước sóng trên mọi kết nối trong đường đi của nó Đây là một sự ràng buộc mà ta phải giải quyết nếu ta không có đủ khả năng chuyển đổi bước sóng trong mạng Giả sử ta chỉ có hai bước sóng có sẵn trong mạng và muốn thiết

lập một lightpath mới giữa các nút E và F Không có chuyển đổi bước sóng, ta sẽ không thể thiết lập được lightpath này Nói cách khác, nếu nút trung gian X

có thể thực hiện chuyển đổi bước sóng, thì ta có thể thiết lập lightpath này sử

dụng bước sóng λ trên tuyến EX và bước sóng λ trên tuyến XF 2 1

Các phần tử mạng chính cho phép mạng quang hoạt động là các thiết bị cuối quang (OLTs), các bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADMs) và các bộ kết nối chéo quang (OXCs) như chỉ ra trong hình 1.2 OLT ghép các bước sóng vào một sợi quang và tách một tập những bước sóng trên một sợi đơn vào các sợi riêng rẽ OLTs được sử dụng ở các đầu cuối của một liên kết WDM điểm nối điểm OADM thu vào các tín hiệu ở nhiều bước sóng và “rớt” có chọn lọc một số các bước sóng này trong khi cho những bước sóng khác đi qua Nó cũng thêm các bước sóng vào tín hiệu ghép đi ra một cách chọn lọc Một OADM có các cổng hai dây nơi các tín hiệu ghép WDM hiện diện và một số cổng nội bộ nơi mà các bước sóng được rớt và xen Một OXC về cơ bản thực hiện một chức năng tương tự như OADM nhưng với quy mô lớn hơn nhiều OXCs có số cổng lớn (từ vài chục đến vài nghìn) và có thể chuyển mạch những bước sóng từ một cổng vào đến cổng khác Cả OADMs và OXCs đều có thể kết hợp các khả năng chuyển đổi bước sóng bên trong

Các mạng quang dựa vào kiến trúc được mô tả ở trên đã được triển khai OLTs được triển khai rộng rãi cho các ứng dụng điểm nối điểm OADMs hiện

nay được sử dụng trong các mạng đường dài và mạng tập trung OXCs bắt đầu

được triển khai trước trong các mạng đường dài vì dung lượng yêu cầu cao hơn trong các mạng này

3 Tính trong suốt và các mạng toàn quang

Một đặc trưng chính của dịch vụ lightpath được cung cấp bởi các mạng thế

hệ thứ hai là dạng dịch vụ này có thể trong suốt đối với dữ liệu thật được gửi

trên lightpath một khi nó được thiết lập Chẳng hạn như một tốc độ bit lớn nhất

và nhỏ nhất nào đó có thể được định rõ, dịch vụ có thể chấp nhận dữ liệu ở bất cứ tốc độ bit nào và bất cứ dạng nghi thức nào trong vòng giới hạn này Nó cũng có thể mang dữ liệu tương tự

Tính trong suốt trong mạng cung cấp nhiều thuận lợi Một điều hành viên có thể cung cấp các loại dịch vụ khác nhau sử dụng một cơ sở hạ tầng riêng rẽ

Ta có thể nghĩ điều này như là tính trong suốt của dịch vụ Thứ hai, nếu các

nghi thức hoặc tốc độ bit thay đổi, thiết bị đã triển khai trong mạng vẫn có khả

năng hỗ trợ các nghi thức hoặc tốc độ bit mới mà không cần một sự đại tu toàn

bộ mạng Điều này cho phép các dịch vụ mới được triển khai hiệu quả và

nhanh chóng, trong khi các dịch vụ cũ vẫn được thực hiện

Một ví dụ về mạng trong suốt loại này là mạng điện thoại Một khi cuộc gọi được thiết lập trong mạng điện thoại, nó cung cấp 4 Khz băng thông qua đó một người sử dụng có thể gửi nhiều dạng lưu lượng khác nhau như là tiếng nói, dữ liệu, hoặc fax Tính trong suốt cũng trở thành một nét đặc biệt trong các mạng quang thế hệ thứ hai

Một thuật ngữ khác liên quan đến các mạng trong suốt là khái niệm mạng

toàn quang Trong mạng này, dữ liệu đuợc mang từ nguồn đến nơi dưới dạng

quang, mà không phải trải qua bất cứ chuyển đổi quang-điện nào dọc theo đường đi Một cách lý tưởng, mạng này sẽ hoàn toàn trong suốt Tuy nhiên,

mạng toàn quang bị giới hạn trong phạm vi của nó bởi nhiều thông số của lớp

vật lý như là băng thông và các tỉ số tín hiệu trên nhiễu Ví dụ như các tín hiệu tương tự yêu cầu tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn nhiều so với các tín hiệu số Yêu cầu thật sự dựa vào định dạng điều chế được sử dụng cũng như tốc độ bit Mặc dù chúng ta nói về các mạng quang, nhưng hầu như các mạng này luôn chứa một số thiết bị điện tử Trước hết, điện tử đóng một vai trò chủ yếu trong việc thực hiện các chức năng điều khiển và quản lý thông minh trong mạng Tuy nhiên, ngay cả trên đường đi của dữ liệu, trong hầu hết trường hợp, thiết bị điện tử cần thiết ở phần bên ngoài mạng để làm thích ứng tín hiệu đi vào mạng quang Trong nhiều trường hợp, tín hiệu không thể duy trì dưới dạng quang trên đường đi đến đích vì những giới hạn bị áp đặt bởi thiết kế lớp vật lý và phải tái tạo lại ở giữa Trong các trường hợp khác, tín hiệu cần phải được chuyển từ một bước sóng này sang bước sóng khác Trong tất cả các tình huống này, tín hiệu thường được chuyển từ dạng quang sang dạng điện và điện thành quang Các bộ lặp điện tử sẽ làm giảm tính trong suốt của đường đi tín hiệu Có ba kỹ thuật tái tạo điện tử cho dữ liệu số Một tiêu chuẩn được gọi là tái tạo với định thời gian và định dạng được gọi là 3R Ở đây tốc độ bit được tách ra từ tín hiệu và tín hiệu được định thời gian lại Kỹ thuật này chủ yếu tạo ra một bản sao “mới” của tín hiệu ở mỗi bước tái tạo, cho phép tín hiệu đi qua một số rất lớn các bộ lặp Tuy nhiên, nó loại trừ tính trong suốt đối với tốc độ bit và các định chuẩn khung

Một phương pháp tái tạo các tín hiệu quang mà không cần định thời gian, được gọi là 2R, cung cấp tính trong suốt đối với các tốc độ bit mà không hỗ trợ dữ liệu tương tự hoặc các định dạng điều chế khác nhau Tuy nhiên, phương pháp này giới hạn số bước lặp cho phép, đặc biệt ở các tốc độ bit cao hơn, trên vài trăm Mbps

Dạng tái tạo cuối cùng là 1R, trong đó tín hiệu đơn giản được nhận và phát lại mà không cần định thời gian và hình dạng Dạng tái tạo này cũng có thể xử lý dữ liệu tương tự, nhưng hiệu quả của nó kém hơn hai dạng trên Vì lý do

này, các mạng đang triển khai ngày nay sử dụng kỹ thuật 2R và 3R Tuy nhiên, các bộ khuếch đại này được dùng rộng rãi để khuếch đại tín hiệu trong miền quang mà không phải chuyển tín hiệu quang sang điện

Một mạng hoàn toàn trong suốt sẽ hỗ trợ các tín hiệu tương tự với các tốc độ bit và các nghi thức khung bất kỳ Tuy nhiên, như đã nói ở trên, xây dựng được một mạng loại này là điều không thực tế Ngày nay, một lựa chọn thực tiễn hơn là xây dựng mạng hỗ trợ các loại tín hiệu số khác nhau với tốc độ bit cực đại được định trước và một tập các định chuẩn khung riêng biệt, như là SONET và Gigabit Ethernet Mạng hỗ trợ nhiều định chuẩn khung khác nhau được thực hiện bằng cách sử dụng hoặc là kỹ thuật 2R trong mạng hoặc là cung cấp các thiết bị thích nghi 3R riêng biệt cho mỗi định ước khung Mạng này được vẽ trong hình 1.3

OEO

Wavelength conversionOEO

OEO

RegenerationOEO

4 Chuyển mạch gói quang

Đến đây ta đã nói về mạng quang cung cấp các lightpath Các mạng này về

bản chất là các mạng chuyển mạch mạch Những nhà nghiên cứu cũng đang làm việc trên các mạng quang mà có thể thực hiện chuyển mạch gói trong miền quang Một mạng loại này có thể cung cấp các dịch vụ mạch ảo hoặc các dịch vụ datagram, rất giống các dịch vụ trong các mạng ATM và IP Với một kết nối mạch ảo, mạng cung cấp một kết nối chuyển mạch mạch giữa hai nút Tuy nhiên, băng thông được cấp trên kết nối có thể nhỏ hơn toàn bộ băng thông có sẵn trên một tuyến liên kết Ví dụ như, những kết nối riêng rẽ trong một mạng tốc độ cao tương lai có thể hoạt động ở 10Gbps, trong khi tốc độ bit

truyền dẫn trên một bước sóng có thể là 100Gbps Vì vậy mạng phải hợp nhất một số dạng ghép kênh phân chia thời gian để kết hợp nhiều kết nối thành một tốc độ bit Ở những tốc độ này, có thể thực hiện ghép kênh trong miền quang dễ hơn trong miền điện

Một nút chuyển mạch gói quang được mô tả như trong hình 1.4 Mục đích là nhằm tạo ra các nút chuyển mạch gói với dung lượng cao hơn nhiều so với chuyển mạch gói điện tử Một nút này lấy một gói đi vào, đọc header của nó và chuyển nó đến một ngõ ra thích hợp Nút cũng có thể áp đặt một header mới trên gói Nó cũng phải xử lý tranh chấp cho các cổng ra Nếu hai gói đi vào trên các cổng khác nhau muốn đi ra trên cùng một cổng, một trong hai phải được đệm, hoặc gửi ra trên một cổng khác

Control Input

Switch Header

recognition

Header recognition

Input

buffers

Packets

Hình 1.4: Một nút chuyển mạch gói quang

Một cách lý tưởng, tất cả các chức năng bên trong nút đều được thực hiện trong miền quang, nhưng thực tế, một số chức năng nào đó như là xử lý header và điều khiển chuyển mạch phải thực hiện bằng điện tử Điều này là do khả năng xử lý bị giới hạn trong miền quang Bản thân phần header có thể được gửi

ở một tốc độ bit thấp hơn so với dữ liệu cho nên nó có thể được xử lý điện tử Nhiệm vụ của chuyển mạch gói quang là cho phép các khả năng chuyển mạch gói ở các tốc độ mà không thể đạt được với chuyển mạch gói điện tử Tuy nhiên, các nhà thiết kế bị cản trởû bởi nhiều hạn chế về mặt xử lý tín hiệu trong miền quang Một yếu tố quan trọng là thiếu các bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên quang để đệm Các bộ đệm quang được thực hiện bằng cách sử dụng một chiều dài sợi quang và những đường dây trễ đơn giản mà không phải là các bộ nhớ chức năng đầy đủ Chuyển mạch gói bao gồm một số lớn các phần mềm thời gian thực thông minh và phần cứng dành để điều khiển mạng và cung cấp các đảm bảo về chất lượng dịch vụ, các chức năng này khó thực hiện trong

miền quang Một yếu tố khác là trạng thái tương đối mới của kỹ thuật chuyển mạch quang nhanh so với chuyển mạch điện tử Vì những lý do này, ngày nay chuyển mạch gói quang vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm

5 Các vấn đề cơ bản về truyền dẫn

Phần này giới thiệu và định nghĩa các thông số phổ biến liên quan đến hệ thống thông tin quang

Bước sóng, tần số, và khoảng cách kênh

do đó các bước sóng cũng khác nhau

Để mô tả một tín hiệu WDM, ta có thể sử dụng hoặc tần số hoặc bước sóng của nó Bước sóng được đo bằng đơn vị là nanomet (nm) hoặc micromet (μm hoặc microns) (1 nm = 10-9 m, 1 μm = 10-6 m) Các bước sóng ưa được dùng trong thông tin quang tập trung xung quanh 0.8, 1.3, và 1.55 μm Các bước sóng này nằm trong dải hồng ngoại, không thể nhìn thấy đối với mắt người Tần số được đo bằng đơn vị Hertz (hoặc số chu kỳ trên giây), tiêu biểu hơn là megahertz (1 MHz = 106 Hz), gigahertz (1 GHz = 109 Hz), hoặc Terahertz (1 THz = 1012 Hz) Sử dụng c = 3 x 108 m/s, một bước sóng 1.55 μm sẽ tương ứng với một tần số xấp xỉ 193 THz hay 193 x 1012 Hz

Một thông số được quan tâm khác là khoảng cách kênh, là khoảng cách giữa hai bước sóng hoặc tần số trong một hệ thống WDM Khoảng cách kênh có thể được đo bằng đơn vị của bước sóng hoặc tần số Mối liên hệ giữa hai đại

lượng có thể đạt được bắt đầu từ phương trình f = c / λ

Lấy vi phân phương trình này quanh một giá trị trung tâm λ0, ta được mối

liên hệ giữa khoảng cách tần số Δf và khoảng cách bước sóng Δλ là:

2

Δf = - c Δλ / λ 0

Ở bước sóng λ0 = 1550 nm, khoảng cách bước sóng 0.8 nm tương ứng một khoảng cách tần số 100Ghz, một khoảng cách tiêu biểu trong các hệ thống WDM

Các tín hiệu thông tin số trong miền thời gian có thể được xem như chuỗi các xung định kỳ, mở hoặc tắt, phụ thuộc vào dữ liệu là 1 hay 0 Tốc độ bit đơn giản là nghịch đảo của chu kỳ Các tín hiệu này có một sự biễu diễn tương tự

trong miền tần số, nơi mà năng lượng của tín hiệu trải dài qua một tập tần số Sự biễu diễn này được gọi là phổ công suất, hoặc đơn giản là phổ Băng thông tín hiệu là độ rộâng phổ của tín hiệu Băng thông cũng có thể được đo trong miền tần số hoặc trong miền bước sóng, nhưng hầu hết được đo trong miền tần số Lưu ý rằng chúng ta đang sử dụng thuật ngữ băng thông khá lỏng lẻo Băng thông và tốc độ bit của một tín hiệu số liên quan nhau nhưng không giống nhau một cách chính xác Băng thông thường được đo bằng kilohertz, megahertz hoặc gigahertz, trong khi đó tốc độ bit được tính bằng kilobit/giây (kb/s), megabit/giây(Mb/s), hoặc gigabit/giây (Gb/s) Mối liên quan giữa hai đại lượng phụ thuộc vào dạng điều chế được sử dụng Ví dụ như, một đường dây điện thoại cung cấp băng thông 4 kHz, nhưng kỹ thuật điều chế phức tạp cho phép chúng ta thực hiện một tốc độ bit 56kb/s qua đường dây điện thoại này Tỉ số của tốc độ bit với băng thông có sẵn được gọi là hiệu suất phổ Các hệ thống thông tin quang sử dụng các kỹ thuật điều chế khá đơn giản mà đạt được hiệu suất phổ khoảng 0.4 bits/s/Hz Vì thế hợp lý khi cho rằng một tín hiệu ở tốc độ 10Gb/s sử dụng băng thông xấp xỉ 25 Ghz Lưu ý rằng băng thông tín hiệu cần đủ nhỏ hơn khoảng cách kênh; nếu không ta sẽ gặp các nhiễu không mong muốn giữa các kênh kế nhau và méo của chính tín hiệu

5.2 Các tiêu chuẩn bước sóng

Các hệ thống WDM ngày nay chủ yếu sử dụng vùng bước sóng 1.55 μm vì hai lý do: mất mát vốn có trong sợi quang thấp nhất ở vùng này, và các bộ khuếch đại xuất sắc sẵn có trong vùng đó Các bước sóng và tần số được sử dụng trong các hệ thống WDM được tiêu chuẩn hoá trên một lưới tần số bởi Hiệp Hội Viễn Thông Quốc Tế (ITU) Nó là một lưới vô tận tập trung ở 193.1 THz, một phần của nó được chỉ ra trong hình 1.5 ITU quyết định tiêu chuẩn hoá mạng lưới trong miền tần số dựa vào các khoảng cách kênh tương đương

50 GHz hoặc 100 GHz Quan sát thấy rằng nếu nhiều kênh được cách đều nhau theo bước sóng, thì sẽ không cách đều một cách chính xác trong miền tần số và ngược lại

Ngày nay, ta đang bắt đầu nhìn thấy những hệ thống sử dụng các khoảng cách kênh 25 GHz Chúng ta cũng đang thấy nhiều băng truyền dẫn được sử dụng Các hệ thống WDM trước đây sử dụng băng C, hoặc băng quy ước (xấp

xỉ 1530-1565 nm) Sử dụng băng L, hoặc băng có bước sóng dài (xấp xỉ

1565-1625 nm), đã trở nên khả thi gần đây với sự phát triển của các bộ khuếch đại quang trong dải này

Signal bandwidth

Nó được chứng minh rằng khó đạt được sự thoả thuận từ những nhà sản xuất và các nhà cung cấp dịch vụ WDM khác nhau trên những tiêu chuẩn bước sóng cụ thể hơn Các nhà sản xuất WDM khác nhau dùng các phương pháp khác nhau để tối ưu những thiết kế hệ thống của họ, vì thế kế hoạch hội tụ tại một bước sóng là điều khó khăn Tuy nhiên, tiêu chuẩn của ITU đã giúp tăng cường sự triển khai các hệ thống này

5.3 Công suất quang và mất mát

Trong thông tin quang, việc sử dụng đơn vị decibel (dB) để đo công suất và các mức tín hiệu gần như là phổ biến, trái với các đơn vị quy ước Lý do để làm điều này là công suất thay đổi qua nhiều mức trong một hệ thống Điều này dễ giải quyết với một tỷ lệ logarit hơn là một thang đo tuyến tính Vả lại, sử dụng tỷ lệ này, các tính toán liên quan đến phép nhân trong miền quy ước trở thành các thao tác cộng trong miền decibel Các đơn vị Decibel được dùng để thể hiện các giá trị tương đối cũng như tuyệt đối

Để hiểu hệ thống này, ta xét một tuyến truyền dẫn sợi quang Giả sử ta phát một tín hiệu ánh sáng với công suất Pt watts (W) Dưới dạng đơn vị dB, ta có

Khi truyền qua sợi quang tín hiệu ánh sáng sẽ suy hao; nghĩa là công suất nó bị giảm Ở đầu cuối của đường truyền, ta giả sử công suất nhận được là Pr Thì mất mát γ của đường truyền được định nghĩa là γ = Pr / Pt

Trong đơn vị dB, ta sẽ có

bị chậm xuống, mà còn làm gia tăng chi phí trên mạng Giải pháp cho vấn đề này hiển nhiên là xây dựng các mạng mà trong đó tín hiệu hoàn toàn được xử

lý trong miền quang Các mạng này được gọi là các mạng toàn quang

Nhu cầu băng thông cao hơn: Ngày nay, các mạng xương sống Internet

đang được xây dựng với một nhịp độ rất nhanh Tốc độ tăng trưởng của lưu lượng dữ liệu gấp 10 lần so với lưu lượng tiếng nói mỗi năm Người

ta cho rằng lưu lượng tiếng nói tăng với tốc độ 13% mỗi năm trong khi lưu lượng dữ liệu tăng từ 7% đến 20% hàng tháng Hình 2.1 so sánh tốc độ tăng của dữ liệu và tiếng nói qua nhiều năm

Hình 2.1: Tốc độ tăng dung lượng dữ liệu và tiếng nói theo thời gian

Những nhà cung cấp dịch vụ hàng đầu dự báo rằng băng thông tăng gấp đôi trên các mạng xương sống khoảng 6 đến 9 tháng Không chỉ lưu lượng dữ liệu tăng ở tốc độ cao mà tính chất của lưu lượng cũng phức tạp Lưu lượng mang trên một mạng xương sống có thể bắt nguồn từ dữ liệu chuyển mạch mạch (tiếng nói TDM và fax), chuyển mạch gói (IP), hoặc các cell (ATM và Frame Relay) Hơn nữa, có một phần dữ liệu nhạy với trễ như là VOIP và Video tăng dần

Những lựa chọn trong việc tăng băng thông: Đương đầu với những

thách thức về dung lượng gia tăng mạnh mẽ trong khi chi phí bị ràng buộc, các nhà cung cấp có hai sự chọn lựa: lắp đặt sợi quang mới hoặc làm tăng hiệu quả băng thông của những sợi có sẵn

Lắp đặt sợi mới là phương pháp truyền thống mà các được các nhà cung cấp sử dụng để mở rộng các mạng Tuy nhiên, triển khai sợi mới là một việc là tốn kém Người ta ước tính khoảng 70.000 đô trên một dặm, phần lớn là chi phí cho những giấy phép và xây dựng hơn là bản thân sợi quang

Làm tăng hiệu quả dung lượng của sợi đang sử dụng có thể được thực hiện bằng hai cách:

• Tăng tốc độ bit của những hệ thống đang tồn tại

• Tăng số bước sóng trên một sợi

Tăng tốc độ Bit: Sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia thời gian TDM,

dữ liệu hiện nay thường được truyền dẫn ở 2,5 Gbps (OC-48) và tăng lên

ở 10 Gbps (OC-192); những tiến bộ gần đây đã đưa đến các tốc độ cao hơn 40Gbps (OC-768) Tuy nhiên các mạch điện tử thực hiện được điều này sẽ phức tạp và tốn kém, cả trong việc mua sắm và bảo trì Thêm vào đó, có những phát sinh quan trọng về kỹ thuật có thể làm hạn chế tính ứng dụng của kỹ thuật này Ví dụ như, truyền dẫn ở tốc độ OC-192 qua một sợi quang đơn mode (SM), bị ảnh hưởng bởi tán sắc sắc thể gấp

16 lần so với tốc độ OC-48 Công suất truyền dẫn lớn hơn yêu cầu bởi tốc độ bit cao hơn cũng gây ra ảnh hưởng phi tuyến mà có thể làm ảnh hưởng chất lượng dạng sóng Cuối cùng là tán xạ mode phân cực, một ảnh hưởng khác làm hạn chế chiều dài xung ánh sáng có thể đi qua

Tăng số bước sóng: Trong phương pháp này, nhiều bước sóng được kết

hợp vào một sợi riêng rẽ Sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM), nhiều bước sóng (còn gọi là các sắc ánh sáng) có thể ghép đồng thời các tín hiệu từ 2,5 đến 40 Gbps trên một sợi quang Không phải lắp đặt thêm sợi mới, hiệu quả dung lượng của sợi đang có thường có thể tăng từ 16 đến 32 Các hệ thống với 128 và 160 bước sóng được đưa vào hoạt động ngày nay

Sự tiến hoá của kỹ thuật ghép kênh đa bước sóng (DWDM): DWDM

chính là kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng với số bước sóng được ghép rất lớn (dày đặc) Cho đến cuối những năm 80, thông tin sợi quang chủ yếu còn hạn chế để truyền một kênh quang riêng lẻ Vì có liên quan đến suy hao sợi, kênh này yêu cầu được tái tạo định kỳ, trong đó bao gồm tách sóng, xử lý điện tử, và phát lại tín hiệu quang Sự tái tạo này có thể sử dụng chỉ cho một bước sóng đơn lẻ Vào đầu những năm 90, các bộ khuếch đại quang được phát triển, cho phép thực hiện truyền dẫn tốc độ cao với ít bộ lặp hơn Nhiều bước sóng độc lập khác nhau có thể được truyền đồng thời qua một sợi để tận dụng hoàn toàn băng thông của sợi WDM là kỹ thuật tiến bộ cho phép truyền nhiều bước sóng trên một sợi đơn Trong truyền dẫn WDM, các kênh dữ liệu khác nhau được điều chế vào một sợi quang với những bước sóng tương ứng Toàn bộ băng thông được cung cấp trên sợi quang là tổng tất cả các băng thông được cung cấp bởi các kênh riêng rẽ

WDM

Hình 2.2: Ghép kênh theo bước sóng

Kỹ thuật WDM đang được triển khai rộng rãi trên những liên kết điểm nối điểm trong các mạng ở Mỹ Tuy nhiên, WDM hứa hẹn những thuận lợi cho chuyển mạch và định tuyến cũng như truyền dẫn Các bộ kết nối chéo quang hiện đang được phát triển có thể chuyển một số lớn bước sóng từ một sợi ngõ vào đến một sợi quang ngõ ra Các kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối với băng thông cố định, tốc độ cao được gọi là những

lightpath có thể được thiết lập giữa các nút khác nhau Mạng quang định

tuyến bước sóng hi vọng được tiến hoá từ các hệ thống WDM truyền dẫn riêng rẽ đang tồn tại hình thành nên các lớp quang học trong những mạng tương lai Các lớp quang này sẽ cung cấp chuyển mạch, định tuyến, khôi phục trên cơ sở một bước sóng

1 Các kỹ thuật được dùng trong mạng MAN

Có một số kỹ thuật được dùng để truyền tải và đóng gói dữ liệu trong mạng thủ phủ Mục đích chính của những mạng này là cung cấp các dạng lưu lượng và tốc độ mới khác nhau Dưới đây là một số kỹ thuật được dùng trong mạng thủ phủ

a TDM:

TDM là một phương pháp ghép kênh phân chia thời gian nhằm tối ưu lưu lượng tiếng nói có thể mang qua một môi trường Trong mạng điện thoại trước khi TDM được phát minh, mỗi cuộc gọi yêu cầu một đường dây vật lý cho riêng nó Đây là một giải pháp đắt tiền Dùng kỹ thuật ghép kênh, nhiều hơn một cuộc gọi có thể được gửi trên một đường truyền vật lý

TDM làm tăng dung lượng đường dây truyền dẫn bằng cách chia thời gian thành những khoảng nhỏ hơn do đó các bit từ nhiều nguồn khác nhau có thể được mang đi trên một tuyến, làm tăng hiệu quả số các bit được truyền trên giây

Trong TDM, dữ liệu vào được phục vụ theo kiểu xoay vòng Mỗi khe thời gian được dự trữ ngay cả khi không có dữ liệu để gửi, do vậy hiệu quả kém Vấn đề này được giảm bớt bằng cách ghép kênh thống kê sử dụng trong mode truyền dẫn bất đồng bộ (ATM) Mặc dù ATM tận dụng băng thông tốt hơn, nhưng lại có những hạn chế thực tế đối với tốc độ có thể đạt được vì những xử lý điện tử yêu cầu cho việc phân tách và tập hợp lại các tế bào ATM mang dữ liệu

b SONET:

Công nghệ Viễn thông đã thông qua mạng quang đồng bộ (SONET) hoặc tiêu chuẩn phân cấp số đồng bộ (SDH) cho truyền tải quang hay dữ liệu TDM SONET được sử dụng ở Bắc Mỹ, còn SDH được sử dụng ở nơi khác, là hai chuẩn liên quan chặt chẽ với nhau định rõ các thông số giao tiếp, tốc độ, định dạng khung, phương pháp ghép kênh và quản lý cho TDM đồng bộ

SONET/SDH lấy các luồng n bit, ghép chúng lại, điều chế quang tín hiệu và sử dụng một thiết bị phát ra ánh sáng để gửi nó ra ngoài trên sợi quang với một tốc độ bit tương đương với (tốc độ bit đi vào) x n Vì vậy lưu lượng đi đến bộ ghép kênh SONET từ bốn nơi với tốc độ 2,5 Gbps sẽ

đi ra như một luồng đơn ở tốc độ 4 x 2,5 Gbps = 10 Gbps Nguyên tắc này được minh hoạ trong hình 2.4

Incoming stream

2.5 Gbps

10 Gbps

Hình 2.4: Nguyên tắc ghép kênh trong mạng SONET

Đơn vị đầu tiên được dùng trong ghép kênh các cuộc gọi điện thoại

là 64 kbps, biểu thị cho một khe thời gian (time slot) Ghép hai mươi bốn

(ở Bắc Mỹ) hoặc ba mươi hai (ở Châu Âu) khe thời gian này sử dụng kỹ thuật ghép kênh TDM tạo thành một luồng tín hiệu tốc độ bit cao hơn (1,544 Mbps hoặc 2,048 Mbps) để truyền qua các đường T1 và E1 tương ứng

SONET cung cấp băng thông khổng lồ dựa trên nhiều tốc độ từ

STS-1 ở 5STS-1,84 Mbps đến STS-STS-192/STM-64 ở STS-10Gbps OC-768 (40Gbps) chưa được phổ biến SONET/SDH là nền tảng của các mạng MAN qua nhiều thập niên như là một lớp chuyển vận cơ bản cho cả chuyển mạch mạch TDM và một phần các mạng dữ liệu

SONET/SDH có một số các trở ngại Như với TDM, khái niệm về độ

ưu tiên và tắc nghẽn không tồn tại trong SONET hoặc SDH Ghép kênh phân cấp số cũng cứng nhắc như vậy Chẳng hạn như, nấc tiếp theo của TDM 10Gbps (STS-192) là 40Gbps (STS-768) Vì hệ phân cấp số được tối ưu cho lưu lượng tiếng nói, nên sẽ không hiệu quả khi mang lưu lượng dữ liệu với các khung SONET Ngược lại, DWDM, có thể chuyển tải bất cứ nghi thức nào, kể cả SONET, mà không cần sự đóng gói đặc biệt nào Hơn nữa việc lắp đặt SONET/SDH khá là đắt tiền

c ATM:

Mode chuyển tải bất đồng bộ ATM là một kỹ thuật chuyển mạch sử

dụng các tế bào (cell) kích thước nhỏ, cố định ATM là một kỹ thuật kết nối định hướng Khái niệm bất đồng bộ muốn nói rằng các cells được truyền dẫn xuyên qua mạng theo nhu cầu Các cells ATM nhỏ (53 bytes)

so với các gói mạng nội bộ có chiều dài thay đổi Thông tin trong phần đầu (header) và phần tải (payload) luôn ở cùng một nơi làm cho việc

điều khiển cells rất đơn giản Vả lại, các cells ATM không cần phải đệm

vì chiều dài của chúng cố định ATM có thể gói gọn các giao thức và các dạng dữ liệu khác nhau thành một định dạng chung mà có thể truyền qua một hạ tầng SONET

d Gigabit Ethernet:

Ethernet là nghi thức dùng cho mạng nội bộ phổ biến nhất trên thế giới Ethernet nhanh, có tốc độ lên đến 100 Mbps, mang lại một lựa chọn hiệu qủa về kinh tế cho các kết nối máy chủ và xương sống Vì là kết quả cải tiến từ chuẩn Ethernet, nó cho phép các mạng Ethernet hiện có dễ dàng nâng cấp

Gigabit Ethernet (GE) xây dựng trên nghi thức Ethernet, nhưng tăng tốc độ gấp mười lần Ethernet nhanh đến 1000 Mbps, hoặc 1 Gbps Nghi thức này được tiêu chuẩn hoá vào tháng sáu năm 1998, chiếm ưu thế trong các mạng nội bộ tốc độ cao và kết nối máy chủ Gigabit Ethernet tương đối không đắt tiền so với các kỹ thuật khác mà cũng cung cấp

cùng tốc độ tốc độ truyền dẫn, nhưng nó không mang lại sự đảm bảo về chất lượng dịch vụ hoặc chịu đựng được lỗi

e FDDI:

FDDI là công nghệ mạng cao tốc do ANSI phát triển Ban đầu FDDI được thiết kế cho cáp quang nhưng ngày nay nó cũng hỗ trợ cáp đồng trục với khoảng cách ngắn hơn Chuẩn này được dùng phổ biến trên mạng LAN FDDI có tốc độ 10 Mbps, dùng đồ hình vòng kép dự phòng, hỗ trợ 500 nút với khoảng cách cực đại 100 km Với khoảng cách này, FDDI cũng được dùng cho mạng MAN

f WDM:

WDM làm tăng khả năng truyền tải của môi trường vật lý (sợi quang) bằng cách dùng một phương pháp hoàn toàn khác với TDM WDM gán cho các tín hiệu quang đi vào các tần số ánh sáng (bước sóng) riêng biệt trong vòng một dải tần nào đó, và ghép các bước sóng trên một sợi quang Các tín hiệu được phân kênh ở phía thu Giống như TDM, dung lượng là tập hợp của các tín hiệu ngõ vào, nhưng WDM mang mỗi tín hiệu vào độc lập với những tín hiệu khác Do vậy, mỗi kênh sẽ có băng thông được dành riêng; tất cả các tín hiệu đến nơi cùng lúc, không cần phải chia ra và mang đi trong từng khe thời gian

2 Những nhu cầu trong mạng vùng rộng và DWDM

Các yêu cầu chính đối với hệ thống DWDM trong một mạng MAN gồm có:

• Hỗ trợ đa giao thức

• Tính tin cậy

• Tính mở (các giao diện, quản lý mạng, các dạng sợi chuẩn, khả năng tương thích điện từ)

• Lắp đặt và quản lý dễ dàng

• Mang lại lợi nhuận

Ngoài băng thông, các thuận lợi về kỹ thuật hấp dẫn nhất của DWDM có thể được tóm tắt như sau:

• Tính trong suốt – vì DWDM là một kiến trúc lớp vật lý, nó có thể hỗ trợ cả TDM và các định dạng dữ liệu như ATM, Gigabit Ethernet, ESCON với các giao diện mở qua một lớp vật lý chung

• Cung cấp linh động – cung cấp các kết nối nhanh, đơn giản, linh động trong mạng làm cho những nhà cung cấp dịch vụ có khả năng cung cấp các dịch vụ băng thông lớn hằng ngày

CHƯƠNG 3 TRUYỀN TÍN HIỆU TRONG SỢI QUANG

Sợi quang là một môi trường truyền thông đặc biệt so với các môi trường khác như cáp đồng hay không gian tự do Một sợi quang cho suy hao thấp trên một phạm vi tần số rất lớn tối thiểu là 25 THz, thậm chí cao hơn với các sợi đặc biệt Băng thông này đủ để mang hàng trăm triệu cuộc gọi đồng thời, hoặc hàng chục triệu trang Web trên giây Đặc tính này cho phép tín hiệu được truyền qua những khoảng cách xa ở tốc độ cao trước khi cần khuếch đại hay tái lặp lại Vì thế, các hệ thống thông tin sợi quang được sử dụng rộng rãi ngày nay

Vì các hệ thống truyền dẫn mở rộng ra cho những khoảng cách xa và các tốc độ bit cao hơn, tán sắc trở thành một yếu tố hạn chế quan trọng Tán sắc là hiện tượng các thành phần khác nhau của tín hiệu lan truyền với những tốc độ khác nhau trong sợi quang Đặc biệt, tán sắc sắc thể chỉ hiện tượng các thành phần tần số (hay bước sóng) khác nhau của tín hiệu lan truyền trong sợi với những vận tốc khác nhau Trong hầu hết trường hợp, tán sắc dẫn đến sự mở rộng xung và vì thế các xung tương ứng với các bit gần kề sẽ xen nhiễu nhau Hiện tượng này được gọi là ISI Mặt khác, các hệ thống cũng tiến hoá với số bước sóng lớn hơn, ảnh hưởng phi tuyến trong sợi quang bắt đầu đưa ra những hạn chế nghiêm trọng

1 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang

Một sợi quang gồm có một lõi hình trụï được bao quanh bởi một lớp vỏ Cả phần lõi và phần vỏ được làm chủ yếu từ silica (SiO2), có chỉ số khúc xạ xấp xỉ 1.45 Chỉ số khúc xạ của vật liệu là tỉ số tốc độ ánh sáng trong chân không so với tốc độ ánh sáng trong vật liệu đó Trong quá trình sản xuất sợi, một số tạp chất nào đó được đưa vào trong lõi hoặc vỏ để cho chỉ số khúc xạ trong lõi hơi cao hơn của vỏ Các nguyên liệu như germani hoặc photpho làm tăng chỉ số khúc xạ của silica và được dùng làm chất thêm vào cho phần lõi, trong khi chất

Bo hoặc Flo làm giảm chỉ số khúc xạ của silica nên được dùng làm tạp chất cho lớp vỏ

Ánh sáng có thể được xem như một chùm tia truyền theo những đường thẳng trong một môi trường và bị phản xạ hoặc khúc xạ ở bề mặt giữa hai vật liệu khác nhau Hình 2.1 chỉ ra giao diện giữa hai môi trường có chỉ số khúc xạ

là n và n1 2 Một tia sáng từ môi trường 1 tới mặt phân cách của môi trường 1 với môi trường 2 Góc tới là góc giữa tia tới và pháp tuyến với bề mặt chung giữa hai môi trường được biểu thị là θ1 Phần năng lượng bị phản xạ vào môi trường 1 là một tia phản xạ, phần còn lại đi xuyên qua môi trường 2 là một tia khúc xạ Góc phản xạ θ1r là góc giữa tia phản xạ và pháp tuyến của giao diện; tương tự, góc khúc xạ θ2 là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến θ = θ1r 1

Theo định luật Snell : n1sinθ1 = n2 sinθ2

Khi góc tới θ1 tăng lên, góc khúc xạ θ2 cũng tăng Nếu θ2 = 900, thì sinθ1 =

n2/n1 Lúc đó θ1 đượcgọi là góc tới hạn có giá trị θ = sinc -1(n2/n1) ; với n1 > n2 Với những giá trị θ1 > θc , sẽ không có tia khúc xạ, và tất cả năng lượng từ tia tới được phản xạ hết Hiện tượng này được gọi là phản xạ toàn phần

Hình 2.1: Sự phản xạ và khúc xạ các tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường

Như vậy, điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần là:

• Các tia sáng phải đi từ môi trường có chiết quang lớn sang môi trường có chiết quang kém hơn

• Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn

Ánh sáng truyền trong sợi quang do hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra ở bề mặt giữa phần lõi và vỏ Hình 2.2 mô tả ánh sáng được ghép từ môi trường bên ngoài (không khí với chiết suất n0) vào sợi

Hình 2.2: Ghép ánh sáng từ bên ngoài vào sợi quang

2 Cấu trúc một số sợi quang cơ bản

Sợi quang thực chất là một sợi thủy tinh nhỏ hoạt động như một ống dẫn sóng cho phép truyền các sóng điện từ như ánh sáng Cấu trúc hai lớp của sợi quang nhằm đảm bảo được sự lan truyền ánh sáng trong sợi

Một trong những khó khăn chính của truyền thông quang là sự suy giảm tín hiệu truyền trong sợi Suy giảm tăng lên khi chiều dài sợi quang tăng, tuy nhiên lượng suy giảm phụ thuộc vào bước sóng của tín hiệu Có ba cửa sổ suy hao thấp nằm trong dải bước sóng hồng ngoại là 0.8, 1.3 và 1.55 μm Suy hao ít nhất khoảng 0.25 dB/km trong dải 1.5 μm nên được dùng trong các ứng dụng khoảng cách xa, và khoảng 0.5 dB/km trong dải 1.3 μm được dùng chủ yếu ở các ứng dụng nội bộ, tốc độ cao Những sợi này cho phép truyền những tín hiệu ánh sáng qua những khoảng cách dài hàng chục km trước khi cần phải tái tạo lại Một mode trong sợi quang tương ứng với một trong nhiều đường đi mà sóng mà sóng có thể truyền xuyên qua sợi Nói chung, khi đường kính của lõi lớn sẽ cho nhiều mode truyền sóng hơn Sợi quang đa mode có đường kính lõi khoảng

50 μm đến 85 μm Loại sợi này thuận lợi trong việc tiếp nhận ánh sáng từ nguồn Do đó có thể sử dụng các nguồn ánh sáng không đắt như diot phát quang (LED) Tuy nhiên, sợi đa mode có bất lợi là tạo ra hiện tượng tán xạ mode Do mỗi mode truyền với một tốc độ khác nhau sẽ đến đầu cuối với những tốc độ khác nhau, kết quả là xung bị trải ra trong miền thời gian Do vậy, sợi đa mode được dùng ở những ứng dụng khoảng cách ngắn Một cách để làm hạn chế hiện tượng tán xạ này là làm giảm số mode bằng cách giảm đường kính lõi Với đường kính lõi khoảng 8 –10 μm, ta có sợi đơn mode Sợi đơn mode loại trừ hiện tượng tán xạ, vì thế cho phép truyền qua những khoảng cách rất xa Tuy nhiên, để ghép ánh sáng vào sợi, cần phải sử dụng những thiết

bị đắt tiền như laser

3 Phân tích ảnh hưởng của sợi quang

3.1 Suy hao của sợi quang và băng thông

a Công thức:

Công suất ngõ ra Pout ở đầu cuối của một sợi quang có chiều dài L liên quan

Trong đó, α là suy hao sợi quang Suy hao thường được tính bằng đơn vị dB/km; suy hao α dB/km nghĩa là tỉ số P / PdB out in cho chiều dài L = 1km thoả mãn:

10log10(Pout / Pin) = -αdB

Hay αdB = (10log e)α10 ≈ 4.343α

b Đặc tuyến suy hao:

Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tùy thuộc vào loại sợi Hình 2.3 cho thấy suy hao trong silica như là một hàm theo bước sóng Ta thấy rằng suy hao nhỏ nhất ở ba dải bước sóng dùng cho truyền thông quang: 0.8 μm, 1.3 μm, và 1.55 μm

Dựa vào đặc tính của những bộ khuếch đại, dải 1.55 μm được chia thành ba vùng, được vẽ trong hình 2.4

Hình 2.3: Suy hao trong silica

1.6 1.4

1.2 1.0

0.20

1650

1600 1550

1500

1450

L-band S-band

Tán sắc là sự mở rộng thời gian của một xung khi nó lan truyền qua sợi quang Tán sắc làm giới hạïn khoảng cách bit và tốc độ truyền cực đại trên một kênh thông tin quang

Như đã đề cập ở trên, tán sắc xảy ra khi nhiều mode của cùng một tín hiệu truyền ở những vận tốc khác nhau dọc theo sợi quang, tán sắc loại này được gọi là tán sắc mode Tán sắc mode không xảy ra trong sợi đơn mode

Một dạng tán sắc khác là tán sắc vật liệu hay tán sắc màu Trong một môi trường phân tán, chỉ số khúc xạ là một hàm của bước sóng Vì vậy, nếu tín hiệu truyền dẫn bao gồm nhiều bước sóng, một số bước sóng nào đó sẽ truyền nhanh hơn các bước sóng khác Vì không có laser nào có thể tạo ra một tín hiệu bao gồm chính xác một bước sóng, hay nói khác đi, vì bất cứ thông tin nào mang tín hiệu cũng có độ rộng phổ khác không, tán sắc vật liệu sẽ luôn xảy ra trong hầu hết các hệ thống

Một dạng tán sắc thứ ba là tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc ống dẫn sóng bị gây ra là vì sự truyền sóng các bước sóng khác nhau phụ thuộc các đặc điểm của ống dẫn sóng như là các chỉ số và hình dạng của lõi và vỏ sợi

Ở 1300 nm, tán sắc vật liệu trong một sợi quang đơn mode quy ước gần bằng không Mặt khác, hầu hết các hệ thống thông tin quang hoạt động ở dải tần số 1550 nm (vì suy hao thấp hơn ở vùng này) Nhờ những kỹ thuật tiên tiến như là dịch tán sắc, các sợi với tán sắc gần bằng không ở bước sóng giữa 1550

nm có thể được chế tạo Trong một sợi dịch tán sắc, phần lõi và vỏ được thiết kế sao cho tán sắc ống dẫn sóng phủ định với tán sắc vật liệu, vì thế tán sắc tổng cộng gần như bị triệt tiêu (bằng không)

3.3 Các ảnh hưởng phi tuyến

Các ảnh hưởng phi tuyến trong sợi quang có khả năng gây ra ảnh hưởng nghiêm trọng trong việc thực hiện các hệ thống thông tin quang WDM Aûnh hưởng phi tuyến có thể dẫn đến suy hao, méo dạng và nhiễu xuyên kênh Trong một hệ thống WDM, hiệu ứng này đặt ra những ràng buộc về khoảng cách giữa các kênh bước sóng liên tiếp nhau, hạn chế công suất cực đại trên bất cứ kênh nào, và vì thế cũng hạn chế tốc độ bit cực đại

Có hai dạng ảnh hưởng phi tuyến Dạng thứ nhất xuất hiện do sự tương tác giữa các sóng ánh sáng với sự rung động phân tử trong môi trường silica – một trong nhiều dạng của hiệu ứng khuếch tán Có hai dạng khuếch tán chính là khuếch tán tích lũy Brillouin (SBS) và khuếch tán tích lũy Raman (SRS)

Loại ảnh hưởng phi tuyến thứ hai xuất hiện do sự phụ thuộc của chỉ số khúc xạ vào cường độ quang của các tín hiệu quang truyền xuyên qua sợi Vì vậy,

pha của ánh sáng ở bộ thu sẽ phụ thuộc vào pha ánh sáng được gửi từ bên phát, chiều dài sợi, và cường độ quang Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng nhất loại này gồm có: tự điều chế pha (SPM), và trộn bốn bước sóng (FWM)

a Tự điều chế pha (SPM):

Tự điều chế pha gây ra bởi sự biến đổi công suất của một tín hiệu quang và kết quả là làm biến đổi pha của tín hiệu Lượng dịch pha gây ra bởi SPM là:

φNL = n 2 k 0 L|E|2

Trong đó n 2 là hệ số phi tuyến cho chỉ số khúc xạï, k 0 = 2π/λ, L là chiều dài sợi, và |E|2 là cường độ quang Trong các hệ thống khoá dịch pha (PSK), SPM có thể làm hạ phẩm chất hệ thống, vì đầu thu phụï thuộc vào thông tin pha SPM cũng dẫn đến giãn độ rộng phổ các xung Những thay đổi tức thì trong một pha của tín hiệu gây ra bởi sự thay đổi cường độ tín hiệu sẽ dẫn đến những thay đổi tức thời về tần số xung quanh tần số trung tâm của tín hiệu Đối với những xung rất ngắn, các thành phần tần số thêm vào tạo ra bởi SPM kết hợp với các hiệu ứng tán sắc vật liệu cũng làm cho xung bị trải ra hoặc nén lại trong miền thời gian, ảnh hưởng tốc độ bit cực đại và tỉ lệ lỗi bit

b Điều chế xuyên pha (XPM):

XPM là sự dịch pha của tín hiệu gây ra bởi sự thay đổi cường độ của một tín hiệu truyền ở một bước sóng khác XPM có thể làm phổ mở rộng bất đối xứng, XPM kết hợp với SPM và tán sắc cũng có thể ảnh hưởng đến hình dạng xung trong miền thời gian

Mặc dù XPM có thể làm hạn chế việc thực hiện các hệ thống sợi quang, nó cũng có một số ứng dụng quan trọng XPM có thể dùng để điều chế một tín hiệu “bơm” ở một bước sóng từ một tín hiệu được điều chế trên một bước sóng khác Các kỹ thuật này có thể được dùng trong các thiết bị chuyển đổi bước sóng

c Khuếch tán tích lũy Raman (SRS):

Khuếch tán tích lũy Raman gây ra do sự tương tác ánh sáng với những phân tử Ánh sáng đi vào gặp những phân tử tạo ra ánh sáng khuếch tán ở một bước sóng dài hơn bước sóng ban đầu Một phần ánh sáng di chuyển trong sợi tích cực Raman bị dịch xuống vùng tần số thấp hơn Ánh sáng được tạo ra ở tần số thấp hơn được gọi là Stokes wave Phạm vi tần số chiếm bởi Stokes wave được xác định bởi phổ độ lợi Raman thấp hơn tần số ánh sáng đi vào khoảng 40 THz

Trong sợi silica, Stokes wave có một độ lợi cực đại ở tần số thấp hơn tần số tín hiệu ngõ vào khoảng 13.2 THz

Phần công suất truyền cho sóng Stokes tăng nhanh khi công suất tín hiệu ngõ vào tăng Khi công suất ngõ vào rất cao, SRS sẽ làm cho hầu hết tất cả các công suất tín hiệu ngõ vào chuyển sang sóng Stokes

Trong các hệ thống đa bước sóng, các kênh bước sóng ngắn hơn sẽ mất một số công suất cho mỗi kênh bước sóng cao hơn trong phổ độ lợi Raman Để giảm lượng mất mát, công suất trên mỗi kênh cần phải thấp hơn một mức nào đó Người ta chứng minh rằng, trong một hệ thống 10 kênh với khoảng cách kênh 10 nm, công suất trên mỗi kênh nên được giữ thấp hơn 3 mW để tối thiểu hoá các ảnh hưởng của SRS

d Khuếch tán tích luỹ Brillouin (SBS):

SBS tương tự như SRS, ngoại trừ dịch tần số bị gây ra bởi các sóng âm thanh chứ không phải là sự dao động phân tử Các đặc điểm khác của SBS là các sóng Stokes truyền theo hướng ngược lại với ánh sáng đi vào, và SBS xảy

ra ở công suất ngõ vào tương đối thấp cho các xung rộng (lớn hơn 1 μs), nhưng lại ảnh hưởng không đáng kể đối với các xung ngắn (ngắn hơn 10 ns) Cường độ ánh sáng khuếch tán trong SBS lớn hơn nhiều trong SRS, nhưng phạm vi tần số của SBS trong tầm 10 GHz thấp hơn nhiều so với SRS Độ lợi băng thông của SBS cũng chỉ trên 100 MHz

Để ngăn các ảnh hưởng của SBS, công suất ngõ vào phải dưới một mức ngưỡng nào đó Trong các hệ thống đa bước sóng, khuếch tán tích lũy Brillouin cũng gây ra xuyên kênh giữa các tín hiệu

e Trộn bốn bước sóng (FWM):

Trộn bốn bước sóng xảy ra khi hai bước sóng, hoạt động ở các tần số f1 và

f2, trộn với nhau để tạo ra các tín hiệu 2f1 – f2 và 2f2 – f1 Các tín hiệu thêm vào, cũng có thể gây nhiễu nếu chúng trùng với các tần số dùng để truyền dữ liệu Tương tự, trộn cũng có thể xảy ra giữa sự kết hợp của ba bước sóng hoặc nhiều hơn Aûnh hưởng của FWM trong các hệ thống WDM có thể giảm xuống bằng cách sử dụng các kênh được cách nhau không đồng đều

FWM có thể được dùng để cung cấp chuyển đổi bước sóng