Gán bước sóng động cho yêu cầu điểm đa điểm trong các mạng toàn quang WDM

Trong khi đó, các hệ thống truyền thông quang hiện nay sử dụng các nguồn Laser và hoạt động trong các dải 1.30 và 1.55 μm, với tốc độ đạt được hàng Gb/s.Về cơ bản, suy hao tùy thuộc vào

HUỲNH KHẢ TÚ

GÁN BƯỚC SÓNG CHO YÊU CẦU ĐIỂM-ĐA ĐIỂM TRONG CÁC MẠNG TOÀN QUANG WDM

Chuyên ngành : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ

Mã số ngành : 2.07.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2004

1.1 Sự ra đời của mạng quang

Vào cuối những năm của thế kỷ 20, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ mạng đã ảnh hưởng vào việc tổ chức các hệ thống máy tính Mô hình chỉ gồm một máy tính đơn dùng để phục vụ nhu cầu tính toán của một tổ chức (một công ty hay một trường đại học,…) được thay thế bằng mô hình trong đó gồm các máy tính riêng biệt nhưng được kết nối với nhau để cùng thực hiện công việc Nói một cách khái quát hơn, mạng máy tính là tập hợp các máy tính độc lập được kết nối nhau (thông qua cáp đồng, sóng vi ba, sợi quang hay vệ tinh) để hỗ trợ thông tin theo nhiều cách Ngoài việc cung cấp một môi trường thông tin tốt, các vấn đề như chia sẻ nguồn tài nguyên có sẵn (các chương trình và dữ liệu trên máy tính sẽ có sẵn đối với bất kỳ người nào sử dụng mạng mà không cần quan tâm đến vị trí địa lý của máy tính và người sử dụng), sự đáng tin cậy về các dịch vụ được cải tiến (do sự hiện hành của nhiều máy tính) và tính hiệu quả về chi phí (bởi vì các máy tính nhỏ có tỉ số giá cả/ sự thực thi (price/performance) tốt hơn các máy tính lớn)

… là một số ưu điểm của mạng Từ thời điểm Arpanet được biết đến cho tới các mạng tốc độ cao ngày nay, vấn đề thiết kế và các kỹ thuật liên quan đến lĩnh vực mạng máy tính trở thành một quá trình dài Nhu cầu đối với các kênh thông tin không lỗi và băng thông cao đang gia tăng Các dịch vụ được cung cấp bởi các mạng máy tính bao gồm truy cập thông tin từ xa (thông tin giữa một người và một nơi chứa cơ sở dữ liệu từ xa_ví dụ truy cập World Wide Web) và thư điện tử (thông tin giữa người và người) được hàng triệu người trên khắp hành tinh sử dụng Sự phát triển mạnh mẽ của Internet và các ứng dụng tăng cường băng thông như xem phim ảnh theo yêu cầu (ví dụ như chọn một bộ phim bất kỳ tại một nơi nào đó và xem trực tiếp), hội nghị đa truyền thông (yêu cầu thiết lập các kết nối băng thông cao giữa nhiều người khác nhau cho một cuộc họp ảo và bảo

đảm mức chất lượng phục vụ mong muốn cho cuộc họp ảo đó, ví dụ: băng thông rộng, tốc độ tổn hao gói dữ liệu hợp lý,…), … đòi hỏi các mạng truyền tải băng thông cao mà dung lượng (băng thông) của các mạng này phải vượt hơn nhiều so với băng thông mà các mạng tốc độ cao hiện nay (như các mạng ATM) có thể cung cấp Vì thế, hiện nay đang xét đến các mạng có dung lượng cao và chi phí thấp và mạng quang trở thành ứng viên sáng giá Sợi quang cung cấp một môi trường lý tưởng để truyền lượng dữ liệu lớn (gần 50 Terabits mỗi giây [Tb/s]) Ngoài việc cung cấp băng thông lớn như thế, sợi quang có chi phí tương đối thấp (gần $0.30 mỗi yard), tốc độ lỗi bit rất thấp (0.2dB/km), sái dạng tín hiệu thấp, yêu cầu năng lượng thấp, sử dụng vật liệu ít và yêu cầu không gian nhỏ Ngoài

ra, so với cáp đồng thì sợi quang an toàn hơn, từ việc lấy trộm hoặc nghe lén thông tin (bởi vì ánh sáng không bức xạ từ sợi quang và gần như không thể nào gắn thiết bị vào đó mà không bị phát hiện) và cũng tránh được hiện tượng giao thoa và xuyên kênh Các mạng quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) được xem như là một kỹ thuật mạng tương lai

1.2 Các mạng quang

Các mạng quang (trong đó dữ liệu được chuyển đổi thành các hạt sáng gọi là các photons và sau đó được truyền qua sợi quang) truyền nhanh hơn các mạng truyền thống (trong đó dữ liệu được chuyển đổi thành các electrons và truyền qua cáp đồng) bởi vì các photons nhẹ hơn các electrons và hơn nữa, không giống như các electrons, các photons không ảnh hưởng lẫn nhau khi chúng di chuyển trong một sợi (bởi vì chúng không mang điện) và không bị tác động bởi các photons rải rác bên ngoài Aùnh sáng có tần số cao hơn nên bước sóng ngắn hơn và vì thế, với cùng chiều dài, sợi quang có thể chứa nhiều thông tin hơn cáp đồng

Những sợi quang trong suốt, dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần bên trong, được biết đến vào những năm 1850s và được triển khai cho các đèn soi trong vào đầu những năm 1900s Việc sử dụng sợi thủy tinh (sợi quang) được kiến nghị đầu tiên bởi Kao và Hockham vào năm 1966 Sợi quang được chế tạo đầu tiên vào những năm 1970s Sự đa dạng của các mạng quang xuất hiện vào cuối những năm 1980s và đầu những năm 1990s, trong đó cáp quang thay thế cáp đồng để cải tiến tốc độ cao hơn

1.2.1 Nguyên lý sợi quang

Sợi quang bao gồm một khối thủy tinh (lõi) hình trụ mà ánh sáng truyền thông qua đó Lõi được bao bọc bởi một lớp thủy tinh đồng tâm (lớp bảo vệ) và lớp này lại được bảo vệ bởi một vỏ bọc bằng nhựa mỏng (Hình 1.1(a)) Lõi có hệ số khúc xạ cao hơn lớp bảo vệ Tỉ số giữa hệ số khúc xạ của lớp bảo vệ và lõi, được gọi là góc tới hạn θc Yếu tố chính làm nên hoạt động của sợi quang là sự phản xạ toàn phần bên trong: Khi một tia sáng từ lõi tiếp cận đến bề mặt lõi và lớp bảo vệ với góc tới nhỏ hơn θc, tia sáng sẽ bị phản xạ hoàn toàn trở về lõi (Hình 1.1(b))

Core (glass)

Cladding (glass)

Jacket (plastic)

Bởi vì bất kỳ tia sáng nào đến bề mặt của lõi và lớp bảo vệ ở góc tới nhỏ hơn θc

(góc tới hạn) thì đều bị phản xạ bên trong, do đó nhiều tia sáng khác nhau từ lõi sẽ phản xạ ở những góc khác nhau Trong trường hợp đó, mỗi tia được xem là có một mode khác nhau và vì thế, một sợi có đặc tính này được gọi là sợi đa mode (multimode fiber) (Hình 1.2(a)) Nhiều mode sẽ làm cho các tia sáng giao thoa nhau, do đó giới hạn tốc độ bit cực đại có thể có Nếu đường kính của lõi hẹp, sợi sẽ hoạt động giống như một ống dẫn sóng, và tia sáng có thể truyền theo đường thẳng dọc theo trục chính giữa của sợi Sợi có đặc tính này được gọi là sợi đơn mode (single-mode fiber) (Hình 1.2(b)) Các sợi đơn mode có thể truyền dữ liệu hàng Gigabits mỗi giây với khoảng cách hàng trăm km và đắt tiền hơn Trong các sợi đa mode, đường kính lõi là 50μm, trong khi đó đường kính lõi của các sợi đơn mode từ 8μm đến 10μm

1.2.2 Hệ thống truyền quang

Một hệ thống truyền quang có ba thành phần cơ bản: bộ phát, môi trường truyền và bộ thu (Hình 1.3) Bộ phát bao gồm một nguồn sáng (Laser hay Led) được

Đường phản xa Ï(Reflected Path)

Đường thẳng trực tiếp (Direct Path)

(a)

(b)

Hình 1.2 (a) Sợi đa mode (nhiều tia theo các đường truyền khác nhau)

(b) Sợi đơn mode (chỉ truyền theo một hướng trong sợi)

điều chế cùng với một tín hiệu điện ngõ vào để tạo thành một tia sáng và được truyền vào sợi quang (môi trường truyền) Một cách tiêu biểu là chuỗi thông tin nhị phân được chuyển thành các xung có hoặc không có ánh sáng mà sau đó sẽ được truyền vào môi trường sợi quang Tại bộ thu, các xung có hoặc không có ánh sáng được chuyển trở về tín hiệu điện bằng một bộ phát hiện quang.Vì thế, chúng ta có một hệ thống truyền đơn hướng (hoạt động chỉ theo một hướng), hệ thống này nhận một tín hiệu điện, chuyển đổi và truyền tín hiệu đó bằng các xung ánh sáng qua môi trường sợi quang, và sau đó chuyển đổi các xung ánh sáng thành tín hiệu điện tại bộ thu

Sự suy hao trong sợi sẽ dẫn đến sự tổn hao công suất tín hiệu khi tín hiệu truyền qua một khoảng cách nào đó Khi được phát minh vào năm 1970, sợi quang có tổn hao 20dB/km, nhưng chỉ trong vòng 10 năm, các sợi quang chỉ với tổn hao 0.2dB/km Sự suy hao theo dB được tính là 10log10(công suất truyền/công suất nhận) Sự suy hao của ánh sáng trong sợi tùy thuộc vào bước sóng được sử dụng Hình 1.4 trình bày sự suy hao theo dB trên mỗi km (tuyến tính) của sợi Từ hình vẽ ta thấy có ba cửa sổ (dải) tổn hao thấp, tập trung tại 0.85; 1.30; 1.55 μm Các hệ thống truyền bằng sợi quang đầu tiên (vào những năm 1970s) hoạt động ở dải 0.85μm với tốc độ hàng chục Mb/s và sử dụng những Led tương đối không đắt để

Bộ điều chế

Môi trường truyền

Tín hiệu điện

Hình 1.3 Hệ thống truyền quang

làm nguồn sáng Trong khi đó, các hệ thống truyền thông quang hiện nay sử dụng các nguồn Laser và hoạt động trong các dải 1.30 và 1.55 μm, với tốc độ đạt được hàng Gb/s.Về cơ bản, suy hao tùy thuộc vào độ tinh khiết (hơi nước) trong sợi thủy tinh và sự tán xạ Rayleigh (khi môi trường không đồng nhất tuyệt đối, sẽ gây ra những dao động nhỏ về hệ số khúc xạ, và điều này sẽ làm cho tia sáng bị tán xạ và do đó làm suy hao tín hiệu truyền) Để khắc phục suy hao, sử dụng các bộ phát lại, hay còn gọi là các bộ lặp, đặt giữa sợi (Hình 1.3), và nó sẽ lưu giữ những tín hiệu bị phân rã để tiếp tục truyền

Khi các xung ánh sáng truyền qua sợi, các xung sẽ trải dài ra, điều này có nghĩa là độ rộng xung được mở rộng Sự trải rộng này được gọi là sự tán sắc và lượng tán sắc này phụ thuộc bước sóng Sự tán sắc giới hạn khoảng thời gian giữa các xung liên tiếp nhau (bởi vì sự giao thoa giữa xung có ánh sáng trước và sau) và vì thế cũng giới hạn tốc độ bit Có hai loại tán sắc cơ bản trong một sợi là tán sắc intermodal, và tán sắc chromatic Tán sắc intermodal xuất hiện trong các sợi đa mode, trong các sợi này, khi năng lượng trong một xung được truyền ở các mode khác nhau, mỗi mode có một tốc độ ánh sáng khác nhau, thì xung sẽ trở nên mờ

đi sau khi nó di chuyển qua một khoảng cách nào đó dọc theo sợi Tán sắc chromatic gây ra bởi truyền tia Laser, do tia này không thể gửi tất cả các photons vào cùng một bước sóng một cách chính xác vì thế các bước sóng khác nhau di chuyển với tốc độ khác nhau Một dạng xung đặt biệt, được gọi là solitons, sẽ duy trì dạng của nó khi truyền qua sợi quang Các solitons này cung cấp một lời giải cho bài toán tán sắc Các thực nghiệm đã chứng minh rằng các solitons có thể đạt được vận tốc 80Gb/s qua các khoảng cách 10.000km

1.2.3 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 phân chia 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 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 4.24μs để xử lý một khối, trong khi với luồng 10Gb/s, khối này phải được xử lý trong vòng 42.4ns Trong các mạng quang 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 1.5, ta gọi mạng này là một mạng được định tuyến bước sóng Mạng cung cấp những lightpaths 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 lightpaths được định tuyến và chuyển mạch từ tuyến này sang tuyến khác Trong một số trường hợp, các lightpaths cũng có thể được chuyển từ một bước sóng này thành bước sóng khác dọc theo đường đi

Các lightpaths trong mạng được 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 vẽ 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 lightpaths giữa E và F phải được gán các bước sóng khác nhau Chú ý rằng tất cả các lightpaths này sử dụng cùng bước sóng trên mọi kết nối trong đường đi của nó Đây là một sự ràng buộc cần phải giải quyết nếu trong mạng không có đủ khả năng chuyển đổi bước sóng Giả sử trong mạng chỉ có sẵn hai bước sóng và muốn thiết lập một lightpath mới giữa hai nút E và F Không có chuyển đổi bước sóng, sẽ không thể thiết lập được lightpath này Nói cách khác, nếu nút trung gian X có thể thực hiện chuyển đổi bước sóng, khi đó có thể thiết lập lightpath này sử dụng bước sóng λ2 trên tuyến EX và bước sóng λ1 trên tuyến XF

1.2.4 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

λ 2

OLT

C D

SONET terminal

IP router

F

IP router

E

IP router

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 sự chỉnh sửa 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 4KHz băng thông mà qua đó một người sử dụng có thể gửi nhiều dạng lưu lượng khác nhau như 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 được mang từ nguồn đến đích 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 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 cần phải được 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

Một mạng toàn quang trong suốt sẽ hỗ trợ các tín hiệu tương tự với các tốc độ bit và các nghi thức khung bất kỳ Tuy nhiên, để xây dựng một mạng loại này là điều không thực tế Ngày nay, một lựa chọn thực tiễn hơn là xây dựng mạng hổ 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 SONET và Gigabit Ethernet Mạng hổ trợ nhiều định chuẩn khung khác nhau được trình bày trong hình 1.6

OEO

OEO

OEO OEO

Regeneration

Wavelangth conversion Lightpath

All-optical subnet

All-optical subnet

Hình 1.6

2.1 Các vấn đề cơ bản về truyền dẫn trong mạng WDM

2.1.1 Bước sóng, tần số và khoảng cách kênh

Khi nói đến các tín hiệu WDM là chúng ta đang nói về bước sóng hoặc tần số của các tín hiệu này Bước sóng λ và tần số f liên hệ với nhau qua công thức c = fλ Trong đó c là tốc độ của ánh sáng trong không gian tự do và bằng 3.108 m/s Tốc độ ánh sáng trong sợi quang thật sự sẽ thấp hơn một chút (khoảng 2.108 m/s), 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 nanomet (nm) (1nm = 10-9m) hoặc micromet (μm) hay microns (1μm = 1microns = 10-6m) Các bước sóng thường được dùng trong thông tin quang tập trung xung quanh 0.8, 1.3, 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 chu kỳ trên giây), tiêu biểu hơn là Megahertz (1MHz = 106 Hz), Gigahertz (1GHz = 109Hz), hoặc Terahertz (1THz = 1012Hz) Sử dụng c = 3.108 m/s, một bước sóng 1.55μm sẽ tương ứng với một tần số xấp xỉ 193 THz hay 193.1012Hz 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:

Δf = -c.Δλ/λ02

Ở bước sóng λ0 = 1.55μm, khoảng cách bước sóng 0.8nm tương ứng một khoảng cách tần số 100GHz, đây là 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 biểu diễn tương tự trong miền tần số, nơi mà năng lượng của tín hiệu trải dài qua một tập tần số Sự biểu diễn này được gọi là phổ công suất, hoặc đơn giản là phổ Băng thông tín hiệu là độ rộng 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 KHz, MHz, hoặc GHz, trong khi đó tốc độ bit được tính bằng Kb/s, Mb/s hoặc 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 4KHz, nhưng kỹ thuật điều chế phức tạp cho phép 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 0.4bits/s/Hz Vì thế rất hợp lý khi cho rằng một tín hiệu ở tốc độ 10Gb/s sử dụng băng thông xấp xỉ 25GHz Lưu ý rằng băng thông tín hiệu cần đủ nhỏ hơn khoảng cách kênh, nếu không sẽ xuất hiện các nhiễu không mong muốn giữa các kênh kế nhau và méo của chính tín hiệu

2.1.2 Các tiêu chuẩn bước sóng

Các hệ thống WDM ngày nay chủ yếu sử dụng vùng bước sóng 1.55μm vì hai lý do: mất mác vốn có trong sợi quang thấp nhất ở vùng này, và các bộ khuếch đại hiệu quả trong vùng đó là có sẵn Các bước sóng và tần số được sử dụng trong các hệ thống WDM được tiêu chuẩn hóa trên một lưới tần số bởi Hiệp Hội Viễn Thông Quốc Tế (ITU) Đó là một lưới vô tận tập trung ở 193.1 THz, một phần của nó được trình bày trong Hình 2.1 ITU quyết định tiêu chuẩn hóa mạng lưới trong miền tần số dựa vào các khoảng cách kênh tương đương 50GHz hoặc 100GHz 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

2.1.3 Công suất quang và tổn hao

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 qui ước Lý do là vì công suất thay đổi qua nhiều mức trong một hệ thống Điều này dễ giải quyết với một tỉ lệ logarit

Băng thông tín hiệu (Signal bandwidth)

1553.329 1552.524

1551.721 1550.918

Hình 2.1 Lưới tần số sử dụng trong hệ thống WDM được quy định bởi ITU

hơn là một thang đo tuyến tính Hơn nữa, sử dụng tỉ lệ này, các tính toán liên quan đến phép nhân trong miền quy ước trở thành các thao tác cộng trong miền dB Các đơn vị dB 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) Tính theo dB, ta có:

Tính theo dB, ta được

(γ)dB = 10log(γ) = (Pr)dBm – (Pt)dBm

Lưu ý rằng dB được dùng để chỉ các giá trị tương đối, trong khi đó dBm và dBW được dùng để chỉ các giá trị công suất tuyệt đối Ví dụ nếu Pt = 1mW và Pr = 1μW, tức là γ = 0.001 Ta có:

(Pt)dBm = 0dB hoặc –30dBW,

(Pr)dBm = -30dBm hoặc –60 dBW,

2.2 Kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM)

Theo lý thuyết, sợi quang có băng thông vô cùng lớn (khoảng 25THz) trong dải suy hao thấp 1.55μm và con số này gấp 1000 lần tổng băng thông của radio trên vệ tinh Trái Đất Tuy nhiên, chỉ có thể đạt được tốc độ (tốc độ dữ liệu) khoảng vài Gb/s bởi

vì tốc độ mà một user (ví dụ như một trạm) có thể truy cập mạng bị giới hạn bởi tốc độ điện tử và tốc độ điện tử chỉ vài Gb/s Vì thế, rất khó để triển khai tất cả băng thông lớn của sợi quang mà chỉ sử dụng một kênh bước sóng đơn lẻ dựa vào sự kết nối băng thông quang-điện không tương xứng Những khám phá gần đây bao gồm: ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) và EDFA WDM là cách gửi đồng thời nhiều tia sáng với các bước sóng khác nhau vào lõi của một sợi quang, và EDFA làm nhiệm vụ khuếch đại đồng thời các tín hiệu ở các bước sóng khác nhau, bất chấp dạng điều chế hoặc tốc độ của tín hiệu

Khái niệm về WDM tương tự như ghép kênh phân chia tần số (FDM), trong đó nhiều tín hiệu thông tin (mỗi tín hiệu tương ứng với một user hoạt động ở một tốc độ điện tử) điều chế các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau, và các tín hiệu sau khi điều chế sẽ được kết hợp lại và được truyền đồng thời qua cùng một sợi quang

(Hình 2.2) Các lưới lăng trụ và các lưới nhiễu xạ có thể được sử dụng để kết nối (ghép kênh) hoặc phân chia (phân kênh) các tín hiệu (bước sóng) màu khác nhau FDM được sử dụng để mang nhiều kênh radio trong không khí hoặc nhiều kênh truyền hình đồng thời qua cáp Một hệ thống WDM mà dùng lưới nhiễu xạ thì hoàn toàn thụ động, không giống như FDM điện, và do đó tính đáng tin cậy cao Ngoài ra, tần số sóng mang của mỗi kênh quang WDM thì cao hơn tần số sóng mang của kênh FDM hàng triệu lần (THz so với MHz) Trong mỗi kênh WDM có thể có FDM, tại đó băng thông kênh được chia nhỏ thành nhiều kênh tần số radio, mỗi kênh ở một tần số khác nhau Hiện tượng này được gọi là ghép kênh sóng mang con (subcarrier multiplexing) Một bước sóng cũng có thể được chia sẻ giữa nhiều nút trong mạng bằng cách ghép kênh phân chia thời gian TDM điện tử Chú ý rằng WDM tránh sự tắc nghẽn điện tử bằng cách chia phổ của đường truyền quang (dải 1.55μm) thành một số kênh bước sóng không chồng lấp nhau và cùng tồn tại trong một sợi đơn, trong đó mỗi bước sóng hỗ trợ một kênh thông tin riêng lẻ hoạt động ở tốc độ điện tử cao nhất Sự hấp dẫn của WDM chính là có thể đạt được sự gia tăng mạnh về băng thông có sẵn mà không cần thêm vào các sợi quang nữa WDM được dùng để nâng cấp dung lượng của các hệ thống truyền điểm-điểm bằng cách thêm 2, 3 hoặc 4 bước sóng nữa Các hệ thống WDM sử dụng 16 bước sóng tại OC-48 và 32 bước sóng tại OC-192 có thể cung cấp tốc độ tổng cộng lên đến 40 và 320 Gb/s (OC-n : sóng mang quang-n : xác định tốc độ dữ liệu điện tử xấp xỉ n*51.84Mb/s; do đó OC-48 và OC-192 lần lượt tương ứng tốc độ dữ liệu xấp xỉ 2.5Gb/s và 10Gb/s) Kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng dày đặc (DWDM) gia tăng một cách hiệu quả tổng số kênh trong một sợi bằng cách sử dụng các kênh chiếm không gian rất nhỏ (hoặc

được đóng gói dày đặc) Các không gian tiêu biểu có tầm từ 0.4nm đến 4nm (50GHz đến 500GHz)

Như đã trình bày ở phần trước, khi giải quyết được bài toán suy hao, thì các ảnh hưởng về tán sắc trở thành vấn đề quan trọng Tương tự, khi vấn đề tán sắc được giải quyết thì lại xét đến các ảnh hưởng phi tuyến trong sợi Các ảnh hưởng phi tuyến gồm: tán xạ Raman, tán xạ Brillouin, tự điều chế pha (self-phase modulation) và điều chế xuyên pha (cross-phase modulation), trộn bốn sóng (four-wave mixing),… có thể giới hạn sự thực thi (tốc độ truyền cực đại) của các hệ thống thông tin WDM Tán xạ Raman xuất hiện do sự tác động qua lại của tín hiệu quang và các phân tử silica trong sợi Sự tác động qua lại này có thể dẫn đến sự chuyển công suất từ những kênh bước sóng thấp hơn sang những kênh bước sóng cao hơn Tán xạ Brillouin xuất hiện do sự tác động qua lại giữa tín hiệu quang và các sóng âm trong sợi Sự tác động qua lại này có thể làm cho công suất từ tín hiệu quang bị tán xạ trở lại nguồn phát Tự điều chế pha, điều chế xuyên pha và trộn bốn sóng gây ra bởi vì trong sợi

Bộ ghép kênh quang (Optical Multiplexing)

Bộ phân kênh quang (Optical Demultiplexing)

Hình 2.2 Ghép kênh phân chia bước sóng

quang, hệ số khúc xạ phụ thuộc vào cường độ quang của tín hiệu truyền trong sợi quang Điều chế đồng pha là do sự thay đổi công suất của tín hiệu quang dẫn đến sự thay đổi về pha của tín hiệu Tùy vào sự tán sắc trong sợi, sự dịch pha sẽ làm méo tín hiệu Ngược lại, điều chế xuyên pha là do sự thay đổi về cường độ của tín hiệu truyền ở một bước sóng khác Trộn bốn sóng xảy ra khi hai hay nhiều tín hiệu quang (bước sóng) trộn lại nhau và tạo ra các tần số quang mới gọi là các dải bên (sidebands) và điều này có thể gây ra giao thoa nếu chúng chồng lấp với các tần số được sử dụng để truyền dữ liệu Các đặc tính phi tuyến trong sợi vừa được nêu ra có thể điều khiển được bằng cách lựa chọn công suất và khoảng cách kênh cẩn thận Sự xuất hiện của EDFA đã được ứng dụng vào các hệ thống WDM bởi vì sự phát minh của EDFA đã đưa ra một cách thức khuếch đại tất cả các bước sóng cùng một lúc, bất chấp tốc độ bit, dạng điều chế hoặc các mức công suất của từng bước sóng Trước khi phát minh ra EDFA, sự tổn thất của sợi quang được đền bù bằng cách sử dụng các bộ phát lại điện tử tại mỗi khoảng cách hàng chục km, mà cách thức này yêu cầu các tín hiệu quang phải được chuyển thành các tín hiệu điện và sau đó chuyển trở lại thành tín hiệu quang Điều quan trọng nhất là các bộ phát lại điện tử chỉ làm việc với tốc độ bit được xác định trước tại chỉ một bước sóng Khuếch đại EDFA gồm vài mét (m) sợi thủy tinh silica được pha trộn với các ions erbium, một kim loại hiếm Laser bơm tín hiệu quang sau đó được dùng để tăng cường năng lượng cho các ions erbium, điều này sẽ làm tăng hoặc khuếch đại các tín hiệu quang

đi qua (Hình 2.3) Có một sự ngẫu nhiên là dải khuếch đại này (1.53 đến 1.56μm) với độ lợi phổ 0.03 đến 0.04 μm lại trùng khớp với dải 1.55μm của sợi quang

Trong thực tế, có ba loại bộ phát lại tín hiệu : Bộ phát lại 3R (là bộ phát thực hiện việc tạo lại hình dạng và định lại thời gian (tốc độ); trong đó tạo lại hình dạng của tín hiệu là cung cấp lại dạng xung ban đầu của mỗi bit, loại bỏ nhiễu, và định lại thời gian (tốc độ) của tín hiệu là đồng bộ tín hiệu với mô hình thời gian và tốc độ bit ban đầu); Bộ phát lại 2R (là bộ phát lại chỉ thực hiện việc tạo lại hình dạng), và bộ phát lại 1R (là bộ phát lại định thời lại hoạt động nhưng không tạo lại hình dạng, bộ phát lại này thực hiện khuếch đại đơn giản dùng EDFAs hoặc các bộ khuếch đại khác) Một phần tử mạng kết nối một bộ nhận quang, một vài bộ phát lại và một bộ phát quang được gọi là một bộ tiếp sóng (transponder) Nếu một bộ tiếp sóng truyền trên một bước sóng khác với bước sóng của tín hiệu nhận thì nó cũng thực hiện chức năng chuyển đổi bước sóng (wavelength conversion)

2.3 Sự tiến hóa của mạng quang WDM

2.3.1 Liên kết WDM điểm-điểm

(Amplified Data Signal) (a)

Các kết nối WDM điểm-điểm (Hình 2.4) đang được triển khai bởi nhiều công ty viễn thông nhằm đáp ứng nhu cầu gia tăng băng thông thông tin Dung lượng của kết nối sợi từ A đến B trong hình vẽ ví dụ là 2, và 2 ở đây chính là số kênh bước sóng được sử dụng Những kết nối này rất có tính hiệu quả về chi phí, khi nhu cầu vượt quá dung lượng tồn tại trong các sợi thì các công ty lắp đặt cáp mới Hiện nay, có sẵn các bộ ghép/phân kênh WDM với 64 kênh trong các kết nối WDM điểm-điểm

2.3.2 Ghép kênh xen/rớt quang

Trong khi các liên kết điểm-điểm cung cấp dung lượng rất lớn giữa hai đầu cuối qua một không gian rộng lớn (300 đến 600 km), thì trong nhiều mạng cần thiết làm “rơi” một vài lưu lượng tại các điểm trung gian dọc theo tuyến giữa các đầu cuối Bằng cách sử dụng các bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADM) (trong nhiều tài liệu còn gọi là bộ ghép kênh xen/rớt bước sóng_WADM) chèn vào kết nối sợi quang (Hình vẽ 2.5), ta có thể xen/rớt lưu lượng cần thiết tại vị trí OADM Trong Hình 2.5, một OADM sử dụng một bộ phân kênh, các chuyển mạch 2x2 (mỗi chuyển mạch dùng cho mỗi bước sóng) và một bộ ghép kênh Nếu một chuyển mạch 2x2 (như S1 trong hình vẽ) ở trạng thái “chắn”, khi đó tín hiệu trên bước sóng tương ứng sẽ đi qua

Bộ khuếch đại

OADM Nếu chuyển mạch (như S0 trong hình vẽ) ở trạng thái “chéo”, khi đó tín hiệu trên bước sóng tương ứng sẽ bị “rớt” và một tín hiệu khác sẽ được “xen vào” ở bước sóng đó tại vị trí OADM Các cấu hình khác nhau của OADM sẽ được trình bày cụ thể trong Chương 3

2.3.3 Kết nối chéo quang

Để xây dựng một mạng quang WDM đa điểm linh động, ngoài các OADMs, ta cần một phần tử mạng quang khác được gọi là bộ kết nối chéo quang (Optical Crossconnect_OXC) Về mặt chức năng, OADM và các bộ kết nối chéo quang rất giống nhau, điểm khác nhau chủ yếu chính là số sợi ngõ vào cần được xử lý Chức năng của mỗi phần tử là cung cấp khả năng kết nối bất kỳ kênh bước sóng nào từ một sợi vào đến một trong những sợi ngõ ra dưới dạng quang hoặc làm “rơi” một

kênh, tất cả đều dưới sự điều khiển của mạng Các bộ kết nối chéo quang cũng được đề cập như các kết nối chéo có thể lựa chọn bước sóng (Wavelength selective crossconnect_WXC) hoặc chuyển mạch định tuyến bước sóng (Wavelength routing switch) Hình 2.6 trình bày một kết nối chéo quang 2x2 gồm các bộ phân kênh, các chuyển mạch quang và các bộ ghép kênh Chú ý rằng một OXC cũng có khả năng cho phép thêm vào hoặc làm rơi bước sóng nào đó

2.4 Các công nghệ dùng cho các mạng quang WDM

Có nhiều công nghệ hỗ trợ cho các mạng quang WDM Cơ bản là trong các sợi quang đơn mode, băng thông rất cao (25THz), tổn hao thấp (0.2dB/km trong dải suy hao thấp 1.55μm), cho phép truyền khoảng cách xa Một loại sợi mới, được gọi là

Optical Switch

Optical Switch

Control

Control Input Port

sợi toàn sóng (AllWave fiber), cung cấp phổ quang có thể sử dụng được nhiều hơn Các EDFAs khuếch đại quang đối với tất cả các bước sóng tại cùng một thời điểm để bù lại các tổn hao công suất khi truyền tín hiệu quang Các EDFAs dải C hoặc các EDFAs theo qui ước, khuếch đại các tín hiệu quang trong tầm 1.530μm đến 1.562μm Các EDFAs dải L hoặc các EDFAs có bước sóng dài (sử dụng các EDFAs có chiều dài dài hơn) cho phép khuếch đại các tín hiệu quang trong tầm bước sóng 1.570μm đến 1610μm và đây sẽ là EDFAs thế hệ sau Các EDFAs kết nối EDFAs dải C và L có thể cung cấp băng thông 10THz Trong khi các EDFAs hoạt động trong tầm bước sóng 1530μm đến 1610μm thì các bộ khuếch đại Raman chỉ có thể khuếch đại các tín hiệu từ 1.270μm đến 1.670μm để gia tăng thêm dung lượng của các sợi quang Hầu hết các hệ thống truyền quang đều sử dụng các Laser bán dẫn như các nguồn sáng của chúng Các nguồn sáng được sử dụng phổ biến nhất là các gương phản xạ Bragg và các Laser phản hồi Các bộ phát được dùng trong các mạng WDM thường yêu cầu khả năng điều chỉnh các bước sóng khác nhau Các nguồn phát quang có thể điều chỉnh được sử dụng ngày nay gồm các Laser được điều chỉnh bằng cơ khí, các Laser được điều chỉnh bằng âm_quang và điện_quang, các Laser được điều chỉnh nội xạ Các loại Laser có thể điều chỉnh này khác nhau chủ yếu ở hai đặc điểm : tầm điều chỉnh (điều này đề cập đến tầm của các bước sóng mà Laser có thể hoạt động) và thời gian điều chỉnh (điều này xác định thời gian yêu cầu đối với Laser để điều chỉnh từ một bước sóng thành một bước sóng khác) Các Laser bán dẫn với tầm có thể điều chỉnh 0.04μm hiện đang có Các bộ điều chế Laser Mach_Zehnder có thể cho tốc độ truyền của một kênh đơn lớn hơn 10Gb/s với băng thông điều chế vượt 10GHz Các bộ lọc có thể điều chỉnh, cho phép phân chia và kết nối dải bước sóng sẵn có thành nhiều kênh bước sóng riêng lẻ, là một kỹ thuật khác

trong mạng WDM Sự đa dạng của các bộ lọc như các bộ lọc Fabry_Perot và bộ lọc lưới Bragg hiện đang có sẵn Thời gian chuyển mạch điện khí_quang tiêu biểu ngày nay nằm trong khoảng vài đến vài chục ms Trong tương lai, có thể có các bộ phận quang có tính thực thi cao và chi phí thấp (như là các chuyển mạch quang, các Laser có thể điều chỉnh, và các bộ làm giảm quang có thể thay đổi_các bộ làm giảm quang được sử dụng bên trong các bộ khuếch đại quang, bộ ghép kênh xen/rớt, và các kết nối chéo để điều khiển công suất quang) sử dụng kỹ thuật MEMS (Micro-ElectroMechanical System) Các thiết bị MEMS là những cấu trúc siêu nhỏ được làm theo cách giống như làm các mạch tích hợp silicon Việc tạo nên các chuyển mạch MEMS quang dùng nhiều gương nhỏ trên silicon đã được thực hiện

Các mạng quang được lắp đặt hiện nay vẫn chưa phải là toàn quang Điều này có nghĩa là vẫn có sự chuyển đổi quang-điện-quang tại các nút trung gian trên đường truyền trong mạng và sự chuyển đổi này ảnh hưởng đến tốc độ bit và tốc độ hoạt động của mạng Hiện nay, các mạng quang WDM đang chuyển đổi từ các liên kết WDM điểm-điểm thành các mạng toàn quang (all-optical Networks), trong đó các chức năng chuyển mạch và định tuyến được thực hiện trong miền quang Trong các mạng toàn quang, mỗi kết nối (lightpath) là quang hoàn toàn, ngoại trừ tại các đầu cuối

Để thiết kế các mạng WDM, người thiết kế phải nhận thức được các đặc tính và các giới hạn của sợi quang, các thành phần để tạo ra một mạng thực tế (không được cho những giả thiết không thực tế về các thành phần này), và các thuật giải hay các nghi thức triển khai các mạng WDM liên quan đến mạng cần thiết kế Đối với những người vận hành mạng, nếu muốn triển khai các thiết bị từ nhiều nhà cung cấp để vận

hành trong cùng một mạng thì vấn đề quan tâm đến khả năng kết hợp giữa các thiết

bị là rất quan trọng Các chuẩn cho mạng WDM đang được phát triển nhằm đạt được khả năng kết hợp hoạt động giữa các thiết bị từ nhiều nhà cung cấp cho mạng WDM Các tiêu chuẩn cho phép người vận hành mạng chọn mua các thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau tốt hơn là bắt buộc các thiết bị phải do một nhà cung cấp Để đạt được sự hòa hợp giữa các thiết bị không phải là một việc làm dễ dàng bởi vì liên quan đến các thông số chuẩn hóa như bước sóng, công suất quang, tỉ số tín hiệu/nhiễu, kênh giám sát, … Có nhiều tổ chức và các hiệp hội công nghệ nghiên cứu về các chuẩn này như ITU_T (International Telecommunication Union_Telecommunication Standardization Sector), IETF (Internet Engineering Task Force), ODSI (Optical Domain Service Initative), and OIF (Optical Internetworking Forum)

2.5 Các kiến trúc mạng WDM

Có ba loại kiến trúc mạng quang WDM : các mạng quảng bá và chọn lọc (Broadcast_and_Select Networks), các mạng được định tuyến bước bước sóng (Wavelength Routed Networks) và các mạng sóng ánh sáng tuyến tính (Linear Lightwave Networks)

2.5.1 Các mạng quang quảng bá và chọn lọc :

Mạng quảng bá và chọn lọc gồm một bộ ghép hình sao thụ động kết nối đến các nút trong mạng (Hình 2.7(a)) Mỗi nút được trang bị một hoặc nhiều hơn các bộ phát và thu quang được điều chỉnh cố định hoặc các bộ phát và thu quang có thể điều chỉnh được Các nút khác nhau truyền các thông tin một cách đồng thời trên các bước sóng khác nhau Bộ ghép hình sao kết nối tất cả những thông tin và sau đó quảng bá các

thông tin vừa được kết nối cho tất cả các nút Mỗi nút lựa chọn một bước sóng mong muốn để nhận thông tin cần thiết bằng cách điều chỉnh bộ thu của nó đến bước sóng đó Bộ ghép hình sao cung cấp quang tương đương như các hệ thống radio: mỗi bộ phát quảng bá tín hiệu hoặc thông tin của nó trên một bước sóng khác nhau và bộ thu được điều chỉnh để nhận tín hiệu mong muốn Một bộ ghép hình sao NxN sử dụng mạng kết nối nhiều tầng (có log2N tầng gồm các bộ ghép 2x2 với N/2 bộ ghép

ở mỗi tầng) (giả sử N là lũy thừa của 2) hoặc là các tín hiệu quang được tích hợp vào một vùng ghép chung, tương tự với cách mà các thành phần điện được kết nối vào một mạch tích hợp điện tử (như là các điện trở, điện dung, điện cảm,…)

Trong các mạng quảng bá và chọn lọc đơn hop (single-hop), khi một thông tin đã được truyền như ánh sáng, sẽ đến đích cuối cùng của nó một cách trực tiếp mà không cần chuyển đổi thành dạng điện khi truyền Để hỗ trợ khả năng chuyển mạch gói trong các mạng quang này, cần có các bộ phát quang và các bộ thu có thể điều chỉnh nhanh chóng Lý do là bởi vì trong các mạng chuyển mạch gói, một nút có thể truyền (hoặc nhận) các gói liên tiếp nhau đến (hoặc từ) các nút khác nhau trên các bước sóng khác nhau Thử thách chính trong các mạng này chính là sự phối hợp truyền giữa các nút khác nhau Khi hai hoặc nhiều nút trao đổi thông tin trên cùng bước sóng vào cùng thời điểm thì sẽ xảy ra xung đột nếu không có sự phối hợp truyền hoặc các nghi thức điều khiển truy cập đường truyền hiệu quả (MAC) Tương tự, sự xung đột tại các đích đến sẽ xảy ra nếu hai hoặc nhiều nút trao đổi thông tin trên các bước sóng khác nhau đến cùng một đích trong khi đích đến đó chỉ có một bộ thu quang có thể điều chỉnh được Ngoài ra, các đích cũng phải biết được khi nào cần điều chỉnh đến một bước sóng thích hợp để nhận một gói Nhiều nghi thức MAC

đã được kiến nghị để ngăn những xung đột như thế trong các mạng quảng bá và chọn lọc đơn hop với giả thiết rằng luôn có sẵn các bộ phát và thu có thể điều chỉnh được nhanh chóng

Để hỗ trợ chuyển mạch gói một cách hiệu quả trong các mạng quảng bá và chọn lọc, người ta chú ý đến một phương pháp mới là đa hop (Multihop), phương pháp này tránh được việc điều chỉnh toàn bộ Mỗi nút có một số ít các bộ phát và thu quang đã được điều chỉnh cố định Mỗi bộ phát phát tại một bước sóng khác nhau Có thể xem mạng như là một đồ thị, trong đó mỗi nút tương ứng với một nút mạng và mỗi cạnh tương ứng với một cặp phát-thu trên cùng bước sóng Từ đó, xây dựng được một sơ đồ ảo (hay sơ đồ logic) từ sơ đồ quảng bá vật lý cho trước Hình 2.7 ví dụ một mạng quảng bá và chọn lọc gồm 4 nút Mỗi nút truyền và nhận trên một bước sóng cố định Ví dụ, nút 0 có thể truyền trực tiếp tới nút 1 sử dụng bước sóng λ0 nhưng không đến nút 2 Để truyền tới nút 2, nút 0 gửi một gói đến nút 1 bằng bước sóng λ0, và đây là bước sóng nhận gói đó, nút 1 sẽ chuyển thành dạng điện và

phát lại trên bước sóng λ1 Khi đó, gói sẽ đến nút 2 Sơ đồ ảo của mạng trong hình 2.7(a) được vẽ lại trong hình 2.7(b) Trong các mạng này, một gói phải đi qua nhiều hơn một hop trước khi đến đích của nó Điều này dẫn đến sự gia tăng về trì hoãn truyền và trì hoãn hàng đợi tại các nút trung gian và sự lãng phí dung lượng mạng Thuận lợi của các mạng quảng bá và chọn lọc là tính đơn giản và khả năng multicast của nó (khả năng multicast là khả năng truyền một thông tin đến nhiều đích) Tuy nhiên, cũng có một số giới hạn : (1) yêu cầu số lớn các bước sóng, ít nhất là bằng số nút có trong mạng bởi vì ở đây không có việc sử dụng lại bước sóng trong mạng.Vì

thế mạng không thể có nhiều hướng truyền vượt quá số bước sóng được cung cấp

(2) Không thể trải rộng ở những khoảng cách xa bởi vì công suất truyền bị phân chia

cho các nút khác nhau và mỗi nút chỉ nhận một phần nhỏ công suất truyền, công suất này sẽ càng nhỏ hơn khi số nút gia tăng Vì những lý do này nên các mạng quảng bá và chọn lọc chỉ được ứng dụng trong các mạng cục bộ tốc độ cao (LANs) và các mạng MANs

2.5.2 Các mạng được định tuyến bước sóng :

Các mạng WDM được định tuyến bước sóng có thể tránh được các vấn đề trong các mạng quảng bá và chọn lọc: thiếu việc sử dụng lại bước sóng, mất mác phân chia công suất Một mạng định tuyến bước sóng bao gồm các OXCs (gọi là các nút định tuyến) được kết nối nhau bằng các liên kết sợi điểm-điểm trong một sơ đồ bất kỳ Mỗi đích (user) được kết nối vào một OXC thông qua liên kết sợi Sự kết nối giữa đích và OXC tương ứng của nó được đề cập như là một nút mạng Mỗi nút được trang bị với một tập các bộ phát và thu, để gửi dữ liệu vào mạng và nhận dữ liệu từ mạng và cả bộ phát và thu đều có thể điều chỉnh bước sóng

Trong một mạng được định tuyến bước sóng, thông tin được gửi từ một nút đến một nút khác dùng một tuyến liên tục bước sóng được gọi là một lightpath, mà không yêu cầu bất cứ sự chuyển đổi quang-điện-quang nào và lưu lại tạm thời các dữ liệu tại các nút trung gian Quá trình này được xem là định tuyến bước sóng Các nút trung gian định tuyến lightpath trong miền quang sử dụng các OXC của chúng Các nút đầu cuối của lightpath truy cập lightpath sử dụng các bộ phát và các bộ thu được điều chỉnh đến bước sóng mà lightpath đang sử dụng Một lightpath là một đường truyền thông tin toàn quang giữa hai nút, được thiết lập bằng cách cung cấp cùng một bước sóng qua suốt tuyến đường của dữ liệu được truyền Đó là một ống có băng thông rộng, mang dữ liệu lên đến hàng Gb/s, và được xác định một cách duy nhất

bằng một đường truyền vật lý và một bước sóng Yêu cầu về vấn đề phải sử dụng cùng một bước sóng trên tất cả các kết nối dọc theo tuyến truyền được chọn được gọi là điều kiện liên tục bước sóng (wavelength continuity constraint) Hai lightpaths không thể được gán cùng một bước sóng trên bất kỳ sợi nào và điều kiện này chính là điều kiện gán bước sóng phân biệt (distinct wavelength assignment constraint) Tuy nhiên, hai lightpaths có thể sử dụng cùng một bước sóng nếu chúng thuộc hai kết nối khác nhau Đặc tính này được gọi là sử dụng lại bước sóng (wavelength reuse)

Sau đây sẽ minh họa tính chất sử dụng lại bước sóng trong các mạng định tuyến bước sóng trong hình 2.8 Giả sử rằng các lightpaths được thiết lập cho các cặp nút

〈0, 2〉, 〈1, 3〉, 〈2, 4〉, 〈3, 0〉, và 〈4, 1〉 Giả sử thêm rằng mỗi cặp nút được trang bị với chỉ một bộ phát và một bộ thu Với các cặp nút cho sẵn, một nút là nguồn đối với một lightpath và là đích đối với một lightpath Ở đây chỉ tồn tại một đường truyền vật lý duy nhất giữa một cặp nút bất kỳ Mỗi liên kết trong mạng có thể mang các đường truyền vật lý tương ứng với hai lightpaths, nếu các lightpaths được thiết lập thành công cho tất cả các cặp nút cho trước Bởi vì có sẵn hai bước sóng trên mỗi liên kết nên nó có thể định tuyến tất cả các lightpaths Tuy nhiên, do điều kiện liên tục bước sóng nên không thể thiết lập tất cả các lightpaths cho tất cả 5 cặp nút Hình 2.8 trình bày một cách khả thi để định tuyến bốn lightpaths p0, p1, p2, và p3, trong đó

pi là lightpath bắt nguồn từ nút i Bởi vì p0 sử dụng bước sóng λ0 nên p1 chỉ có thể sử dụng bước sóng λ1 do p0 và p1 cùng chia sẻ một liên kết Lightpath p2 chỉ có thể sử dụng bước sóng λ0 bởi vì p1 và p2 cùng chia sẻ một liên kết Lightpath p3 chỉ có thể sử dụng bước sóng λ1 bởi vì p2 và p3 cùng chia sẻ một liên kết Kết quả là bước sóng

λ0 rỗi trên kết nối 4→0 và λ1 rỗi trên kết nối 0→1 Chính vì thế không thể thiết lập một lightpath từ nút 4 đến nút 1 mặc dù có sẵn băng thông (bước sóng) trên các kết nối 4→0 và 0→1, và có sẵn một bộ phát tại nút 4 và một bộ thu tại nút 1 Sự tổn hao băng thông này là do điều kiện liên tục bước sóng và điều này có thể khắc phục bằng cách sử dụng một bộ chuyển đổi bước sóng Tuy nhiên, cả hai bước sóng λ0 và

λ1 đều được sử dụng lại hai lần, do đó gia tăng được số lightpaths trong mạng

Vấn đề sử dụng lại bước sóng trong các mạng quang được định tuyến bước sóng càng làm cho chúng có nhiều hướng truyền hơn so với các mạng quảng bá và chọn lọc Một đặc tính quan trọng khác giúp cho các mạng được định tuyến bước sóng ứng dụng trong các khoảng cách xa chính là công suất truyền cho lightpath không bị phân chia đến các đích không liên quan Cho trước một mạng WDM, bài toán định tuyến và gán bước sóng là vô cùng quan trọng trong các mạng này, và những thuật toán thông minh để định tuyến và gán bước sóng sao cho số bước sóng sử dụng là ít nhất thì rất cần thiết Số các bước sóng có sẵn trong mỗi kết nối sợi đóng vai trò quan trọng và trong các mạng WDM hiện nay, số bước sóng thay đổi từ 4 đến 32 và đang có hướng tăng hơn nữa

(a)

λ 0 0

0

0 0

Chuyển mạch gói trong các mạng được định tuyến bước sóng có thể được hỗ trợ bằng cách sử dụng phương pháp đơn hop hoặc đa hop theo cách tương tự như các mạng quảng bá và chọn lọc Trong phương pháp đa hop, một sơ đồ ảo (tập các lightpaths) sẽ không bị dựa vào sơ đồ vật lý (ở đây không phải là quảng bá) bằng cách thiết lập các OXCs tại các nút Qua sơ đồ ảo này, một gói từ một nút có thể sẽ được định tuyến thông qua vài nút trung gian trước khi đến đích cuối cùng Tại mỗi nút trung gian, một gói được chuyển sang dạng điện và sẽ được phát lại trên một bước sóng khác

Các mạng xương sống Internet hiện nay gồm các bộ định tuyến IP dung lượng cao (Internet Protocal_ là các giao thức mạng được phát triển để cung cấp những kết nối truyền các gói qua một mạng Internet) được kết nối bằng các liên kết sợi điểm-

điểm Lưu lượng được trao đổi giữa các bộ định tuyến thông qua các kết nối tốc độ cao hàng Gbps Các kết nối này được nhận biết bởi kỹ thuật SONET hoặc ATM trên SONET Các bộ định tuyến xương sống sử dụng các kỹ thuật IP trên SONET hoặc IP trên ATM trên SONET để định tuyến lưu lượng IP trong mạng xương sống Phần lớn các mạng truyền tải xương sống dựa vào SONET cung cấp giao tiếp dữ liệu ở tốc độ OC-3 và OC-12 Nhu cầu lưu lượng đang gia tăng với tốc độ nhanh hơn và mức đạt được là OC-48 hoặc cao hơn nếu cần Việc nâng cấp các cơ sở hạ tầng truyền tải SONET hiện nay để xử lý các tốc độ giao tiếp dung lượng cao này là điều không thể mong muốn bởi vì hoàn toàn không thực tế khi phải nâng cấp bất cứ khi nào tốc độ giao tiếp gia tăng và việc nâng cấp cũng không có tính kinh tế Một giải pháp đem lại hiệu quả kinh tế chính là ứng dụng kỹ thuật WDM trong các mạng truyền tải xương sống Trong các mạng như thế (ví dụ IP trên WDM), các nút mạng được kết nối bởi các liên kết sợi WDM (trong đó mỗi liên kết có khả năng mang nhiều tín hiệu một cách đồng thời, mỗi tín hiệu trên một bước sóng khác nhau), và các nút triển khai các OXCs và các phần tử xử lý điện tử Hình 2.9 trình bày một mạng xương sống WDM tiêu biểu Các phần tử xử lý điện tử có thể là bộ định tuyến IP, chuyển mạch ATM hoặc một hệ thống SONET

OXC OXC

Các liên kết WDM

(WDM Links)

Hai bộ định tuyến IP bất kỳ trong mạng này có thể được kết nối nhau bởi một lightpath Hai nút mà không được kết nối trực tiếp bởi một lightpath sẽ thông tin nhau bằng cách sử dụng phương pháp đa hop, có nghĩa là bằng cách dùng chuyển mạch gói điện tử tại các nút trung gian Các chuyển mạch gói điện tử này có thể được cung cấp bởi các bộ định tuyến IP, các chuyển mạch ATM, các thiết bị SONET, lần lượt dẫn đến mạng IP trên WDM hoặc ATM trên WDM, hoặc SONET trên WDM

Một mạng truyền tải dựa vào kỹ thuật WDM có thể được phân thành ba lớp : lớp môi trường vật lý, lớp quang và lớp người sử dụng (hay còn gọi là lớp khách hàng), như trong hình 2.10 Lớp quang nằm giữa lớp môi trường vật lý bên dưới và lớp người sử dụng phía trên Tập hợp các lightpaths hình thành lớp quang đó (gọi là sơ đồ ảo) Lớp quang cung cấp dịch vụ chuyển mạch mạch và nghi thức trong suốt đến người sử dụng thuộc lớp người sử dụng phía trên Điều này là có thể bởi vì các lightpaths có thể mang thông tin ở các tốc độ bit và các nghi thức khác nhau Vì thế lớp quang có thể hỗ trợ nhiều khách hàng cùng lúc Ví dụ, một số lightpaths có thể

mang dữ liệu SONET trong khi đó các lightpaths khác có thể mang các gói/dữ liệu

IP hoặc các tế bào ATM Một mạng với một lớp quang có thể được sắp xếp sao cho khi việc truyền bị hỏng thì các lightpaths có thể được định tuyến lại qua khắp các đường đi một cách tự động Điều này cung cấp mức độ đáng tin cậy cao trong mạng Theo chuẩn G.872 của ITU-T thì một lớp quang có thể được phân thành ba lớp con : lớp kênh quang, lớp ghép kênh quang và lớp truyền quang Chức năng của lớp kênh quang là cung cấp các kênh quang (lightpaths) cho mạng để truyền dữ liệu đến khách hàng một cách trong suốt Lớp ghép kênh quang liên quan đến việc truyền tổng số các tín hiệu quang đa bước sóng Lớp truyền quang liên quan đến việc truyền các tín hiệu quang trong các môi trường quang khác nhau như truyền đơn mode hay truyền đa mode

Lớp quang (Optical Layer) Lớp môi trường vật lý (Physical Media Layer)

Lớp người sử dụng

(User layer)

IP

IP ATM

IP SONET SONET

ATM

IP

Hình 2.10 Các lớp trong một mạng truyền quang WDM

Các đặc tính như sử dụng lại bước sóng, sự trong suốt nghi thức và tính đáng tin cậy làm cho các mạng được định tuyến bước sóng thích hợp cho các mạng MANs Việc thiết kế lớp quang để đáp ứng được nhu cầu lưu lượng là một bài toán quan trọng để sử dụng bước sóng và các nguồn tài nguyên một cách hiệu quả và cung cấp dịch vụ có chất lượng đến người sử dụng Việc cấu hình lại lớp quang rất cần thiết bằng cách thay đổi nhu cầu lưu lượng

2.5.3 Các mạng sóng ánh sáng tuyến tính :

Phần phổ quang có thể sử dụng (ví dụ dải 1.55μm) được phân chia thành một số các bước sóng (wavelengths) hoặc dải sóng (wavebands) như hình 2.11 Theo hình 2.11(b), mỗi dải sóng lại được chia nhỏ thành một số các bước sóng Giữa các bước sóng phải cách nhau một khoảng hợp lý hoặc cách nhau các dải chắn đề phòng trường hợp không chính xác và lệch khi điều chỉnh bộ phát Laser và để có thể tách rời các tín hiệu kề cận nhau tại bộ thu Các mạng được định tuyến bước sóng sử dụng sự phân chia bước sóng (mức 1) và trong các mạng này, nhiều bước sóng được ghép vào một liên kết sợi Ngược lại, các mạng sóng ánh sáng tuyến tính sử dụng sự phân chia dải sóng (mức 2) và trong các mạng này, nhiều dải sóng được ghép vào một sợi và nhiều bước sóng được ghép vào mỗi dải sóng Trong một mạng được định tuyến bước sóng, các nút định tuyến thực hiện nhiệm vụ ghép kênh, chuyển mạch và phân kênh các bước sóng, trong khi đó trong một mạng sóng ánh sáng tuyến tính, các nút định tuyến thực hiện nhiệm vụ ghép kênh, chuyển mạch và phân kênh các dải sóng chứ không phải là các bước sóng trong một dải Vì thế, bằng cách nhóm một tập các bước sóng thành một dải sóng thì các yêu cầu phần cứng tại các nút trong các mạng sóng ánh sáng tuyến tính trở nên đơn giản bởi vì số các chuyển mạch quang cần

thiết tại một nút bằng với số các dải sóng chứ không phải số các bước sóng Bởi vì một mạng sóng ánh sáng tuyến tính không phân biệt giữa các bước sóng trong một dải sóng nên các bước sóng thành phần trong một dải sóng sẽ bị phân chia tách khỏi nhau tại các nút đầu cuối (các bộ thu quang)

Hai điều kiện : liên tục bước sóng và gán bước sóng phân biệt trên các kết nối quang có thể ứng dụng cho các mạng được định tuyến bước sóng và cũng được áp dụng cho các mạng sóng ánh sáng tuyến tính Ngoài ra, có hai điều kiện định tuyến mà chỉ dành cho các mạng sóng ánh sáng tuyến tính là : không có khả năng phân chia (điều này có nghĩa là các kênh thuộc cùng một dải sóng khi được kết nối vào một sợi cáp đơn thì không thể bị phân chia trong mạng) và sự kết hợp nguồn phân biệt (điều này có nghĩa là trên một sợi bất kỳ, chỉ có các tín hiệu từ các nguồn khác nhau mới được phép kết hợp)

λ 0 λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6

(a)

Dải 0 (Waveband 0)

Dải 1 (Waveband 1)

(b)

Hình 2.11 (a) Phân chia bước sóng (b) Phân chia dải sóng

• Khả năng không thể phân chia :

Hình 2.12 minh họa cho điều kiện không thể phân chia Ở đây, nút 0 đến nút 5 là các nút đầu cuối, trong khi đó các nút A đến H là các nút định tuyến Hình vẽ cũng chỉ ra hai kết nối, một kết nối từ nút 0 đến nút 2 và kết nối còn lại từ nút 1 đến nút 4 Khái niệm 〈x, y〉 được dùng để chỉ một kết nối từ nút x đến nút y 〈0, 2〉 đi qua các nút A,

B, E, F, và H trong khi 〈1, 4〉 đi qua các nút A, B, D, và G Bởi vì cả hai kết nối đều dùng chung một sợi từ A đến B nên chúng phải có bước sóng khác nhau (do điều kiện gán bước sóng khác nhau) Giả sử bước sóng λ0 được dùng cho 〈0, 2〉 và bước sóng λ1 được dùng cho 〈1, 4〉 Khi đó hai tín hiệu trên các bước sóng khác nhau, có thể thuộc cùng dải sóng Hai tín hiệu (do công suất cấp từ hai nguồn tại nút 1 và 0) được kết hợp tại nút A Tuy nhiên, tại nút B, hai tín hiệu không thể bị phân chia bởi

vì hai tín hiệu lúc này thuộc về cùng một dải sóng Vì thế, để định tuyến hai kết nối đến hai đích thì công suất của tín hiệu được kết hợp phải được phân chia bằng nhau thành hai công suất ra tại nút B, một công suất truyền đến nút E và công suất còn lại đến nút định tuyến D Chỉ có hai nút đích 2 và 4 lần lượt lọc được bước sóng λ0 và λ1

và từ chối bước sóng kia Có sự xuất hiện các đích không được tính đến, ví dụ như nút 2 trong trường hợp của kết nối 〈1, 4〉 và nút 4 trong trường hợp của kết nối 〈0, 2〉 Các nút không được tính đến này được gọi là các đích ngẫu nhiên, chúng làm lãng phí tài nguyên và công suất và vì thế có thể bị bỏ qua nếu có thể Ví dụ trong trường hợp này, các đích ngẫu nhiên có thể được tránh bằng cách định tuyến lại kết nối 〈1, 4〉 trên đường truyền 1-A-C-D-G-4

Điều kiện không thể phân chia dẫn đến sự xung đột màu sắc Giả sử các kết nối 〈0, 2〉 và 〈1, 4〉 lần lượt được định tuyến trên các đường đi 0-A-B-E-F-H-2 và 1-A-C-D-