Tài liệu Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch quang pdf

Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch quangMở đầu Mạng viễn thông đang phát triển nhanh chóng từ mạng băng hẹp sang mạng số tích hợp đa dịch vụ băng rộng B-ISDN do việc xuất hiện số lợng lớn

Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch quang

Mở đầu

Mạng viễn thông đang phát triển nhanh chóng từ mạng băng hẹp sang mạng số tích hợp đa dịch vụ băng rộng (B-ISDN) do việc xuất hiện số lợng lớn các ứng dụng dịch vụ với các yêu cầu khác nhau Các ứng dụng này bao gồm truyền hình theo yêu cầu, hội nghị truyền hình, điện thoại thấy hình, truyền dữ liệu tốc độ cao… Mỗi dịch vụ này làm nảy sinh một số lợng lớn yêu cầu và do

đó năng lực xử lý của hệ thống chuyển mạch có thể lên tới hàng chục Tb/s cùng với dung lợng trên mạng chuyển tải sẽ tăng lên Vấn đề đặt ra là phải giải quyết yêu cầu về chuyển mạch nh thế nào,

có thể dùng các thiết bị quang không những chỉ để truyền tín hiệu mà còn chuyển mạch các tín hiệu

đó hay không

Công nghệ chuyển mạch từ khi ra đời cho tới nay đã có những tiến bộ vợt bậc, phát triển từ những hệ thống chuyển mạch với dung lợng hạn chế, điều khiển nhân công trong giai đoạn đầu tiên

đến những hệ thống chuyển mạch phức tạp điều khiển theo chơng trình ghi sẵn SPC (Stored Program Control) Hiện nay các hệ thống chuyển mạch đang đợc nghiên cứu thiết kế trên thế giới không những đáp ứng nhu cầu dịch vụ viễn thông trớc mắt mà còn cố gắng thoả mãn nhu cầu ngày một tăng trong tơng lai tiến tới một mạng viễn thông toàn cầu với những “siêu xa lộ thông tin” tiếp cận đến từng khách hàng mọi nơi mọi lúc

Xu hớng phát triển của mạng viễn thông là tiến tới một mạng toàn quang trong đó tất cả các thành phần chính của mạng nh tách/ghép kênh, truyền dẫn và chuyển mạch đều đợc thực hiện với tín hiệu quang Do vậy một công nghệ chuyển mạch mới ra đời-công nghệ chuyển mạch quang Quá trình phát triển tới mạng viễn thông toàn quang đợc biểu diễn nh hình vẽ dới đây:

Có ba bớc phát triển:

(a) Truyền dẫn quang điểm nối điểm

(b) có thêm ghép và tách kênh quang

(c) Có thêm chuyển mạch quang

Hình 1 Ba bớc phát triển tới mạng thông tin toàn quang Học viện công nghệ BCVT 145

Chuyển mạch điện tử Truyền dẫn quang (a) bớc 1: Truyền dẫn quang điểm nối

điểm

Truyền dẫn quang

Các bộ ghép nối

(b) b ớc 2: Ghép kênh quang Chuyển mạch

quang Truyền dẫn quang (c) b ớc 3: Chuyển mạch quang

Công nghệ chuyển mạch quang đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm Trên thế giới các trung tâm nghiên cứu viễn thông hàng đầu thế giới nh: Mỹ (hãng AT&T), Nhật (hãng NEC), Châu Âu (hãng ERICSON, SIEMENS) bớc đầu đã thu đợc những kết quả đáng kể

Cùng với xu thế của thế giới, Việt Nam đang trong giai đoạn nghiên cứu tiếp cận với công nghệ mới này để có thể ứng dụng vào thực tế trong tơng lai Đây là một vấn đề cần quan tâm và mang tính cấp thiết

1 Phơng pháp nghiên cứu đề tài

Chuyển mạch quang là một công nghệ viễn thông mới, phức tạp do đó việc lựa chọn phơng pháp nghiên cứu là rất quan trọng để có thể dễ dàng nắm bắt đợc vấn đề và đạt đợc hiệu quả cao nhất Tuy nhiên ở Việt Nam công nghệ chuyển mạch này cha có các sản phẩm thực tế do vậy việc nhgiên cứu có nhiều hạn chế, chủ yếu dựa trên cơ sở lý thuyết bằng cách đọc, dịch các tài liệu phù hợp với nội dung dề tài

Công nghệ chuyển mạch quang liên quan chặt chẽ với bản chất của ánh sáng Hầu hết các

u điểm của chuyển mạch quang nh: thời gian chuyển mạch nhỏ hơn 10-12(s), ít xuyên âm và nhiễu, tăng độ tin cậy, tăng thông lợng nút kết nối chéo… đều có từ đặc tính cơ bản của ánh sáng; đồng thời để giải thích đợc cơ chế chuyển mạch ánh sáng thì trớc khi nghiên cứu về công nghệ chuyển mạch quang cần phải nghiên cứu về bản chất ánh sáng

Trên cơ sở phân tích vấn đề và tìm hiểu tài liệu, việc nghiên cứu đợc tiến hành theo phơng pháp đi từ tổng quan đến chi tiết, từ những khái niệm đơn giản đến những vấn đề phức tạp nhằm

đạt đợc hiệu quả cao nhất

2 Nội dung nghiên cứu của đề tài.

2.1 Giới thiệu chung

2.2 Các phơng thức chuyển mạch quang và ma trận chuyển mạch quang phân chia không gian

Có thể phân chia thành nhiều phơng thức chuyển mạch quang khác nhau dựa trên các cơ

sở khác nhau Chuyển mạch quang đợc phân chia phù hợp với các công nghệ ghép kênh cơ bản bao gồm:

Chuyển mạch quang phân chia theo không gian Chuyển mạch quang phân chia thời gian

Chuyển mạch quang phân chia bớc sóng

a Chuyển mạch ống dẫn sóng 2x2

Để thiết kế một ma trận chuyển mạch quang phân chia không gian thì các phần tử chuyển mạch cơ sở là các chuyển mạch ống dẫn sóng 2x2 đợc sử dụng

Hình 2 Chuyển mạch ống dẫn sóng 2x2

Nếu các ống dẫn sóng không đợc cung cấp điện áp thì chuyển mach ở trạng thái CROSS (chéo), công suất ánh sáng ở các đầu ra:

Học viện công nghệ BCVT 146

Output1 1 Output2

V

LiNbO3

Ti Input 2

Input 1

Phần tử chuyển mạch cơ bản này đợc

cấu trúc trên nền tinh thể LiNbO3 là hợp

chất có khả năng thay đổi chiết suất khi có

điện áp ngoài dặt vào làm đổi hớng truyền

của ánh sáng Sự biến đổi này có khả

năng đáp ứng nhanh về mặt trong thời

gian phạm vi 10-12s do vậy có thể tạo khả

năng thực hiện việc chuyển mạch ánh

sáng với tốc độ cực nhanh

Pout.2 = Pin.1

Pout.1 = 0

Nếu cung cấp một điện áp thích hợp cho ống dẫn sóng thì chuyển mạch chuyển sang trạng thái BAR (ngang):

Pout.2 = 0

Pout.1 = Pin.1

b Các tiêu chí thiết kế ma trận chuyển mạch quang phân chia không gian

Có rất nhiều thông số kỹ thuật cần xem xét khi thiết kế 1 ma trận chuyển mạch quang phân chia theo không gian để có thể đa ra một cấu hình tối u ứng với từng ứng dụng cụ thể

Các thông số cơ bản bao gồm: độ suy hao, xuyên âm, số các phần tử chuyển mạch cơ bản, toàn thông hay không toàn thông, tốc độ chuyển mạch, độ ổn định, độ tin cậy, cấu trúc module, giá thành

Trong đó một số thông số quan trọng nhất yêu cầu đối với một ma trận chuyển mạch quang đó là:

Suy hao công suất thấp

Xuyên âm thấp

Kết nối đơn giản

Không nghẽn nội (non-blocking)

c Ma trận chuyển mạch quang

Sử dụng các phần tử chuyển mạch cơ bản 2x2 và trên cơ sở các tiêu chí thiết kế ma trận có thể thiết kế các ma trận chuyển mạch khác nhau phù hợp với mục đích sử dụng và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khác nhau

• Ma trận chuyển mạch cross-bar

Hình 3 Ma trận chuyển mạch cross-bar (a) cross-bar có xảy ra nghẽn nội (b) cross-bar không xảy ra nghẽn nội

Ma trận này có nhợc điểm là khi dung lợng trờng chuyển mạch lớn sẽ yêu cầu số giao

điểm chuyển mạch lớn làm tăng không gian kết nối và giá thành của ma trận chuyển mạch Một phơng pháp để giảm số giao điểm này là sử dụng chuyển mạch nhiều tầng (chuyển mạch Clos)

•Ma trận chuyển mạch Clos:

Học viện công nghệ BCVT 147

I1

I2

I3

I4

I1

I2

I3

I4

1

2

r

1

2

r

1

m

r x r

Điều kiện để ma trận

chuyển mạch Clos ba

tầng hoàn toàn không

nghẽn nội là m ≥ 2n-1

Chuyển mạch Clos

có nhiều kết nối chéo

(crossover) nếu m lớn

Tuy nhiên sẽ không còn

là vấn đề nếu sử dụng

Hình 4 Ma trận chuyển mạch Clos ba tầng.

• Ma trận chuyển mạch Benes

Ma trận này là trờng hợp riêng của ma trận chuyển mạch Clos

Hình 5 Ma trận chuyển mạch Benes ba tầng

Ma trận chuyển mạch nhiều tầng có nhợc điểm chung là tích luỹ xuyên âm qua các tầng chuyển mạch làm ảnh hởng nghiêm trọng đến tín

Hình 6 Ma trận chuyển mạch Benes mở rộng

Các đặc điểm chính của các ma trận chuyển mạch phân chia không gian có thể đợc tóm tắt trong bảng sau:

Cấu trúc Số tầng

Số giao điểm chuyển mạch Crosspoint

Số giao điểm chuyển mạch lớn nhất trên

1 tuyến nối

Số giao điểm chuyển mạch nhỏ nhất trên

1 tuyến nối

Không nghẽn nội

Số đờng nối chéo Cross Over

Học viện công nghệ BCVT 148

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5 6

N - 1

N/2 Benes

N/2 Benes

1 2

3 4

5 6

7 8

1 2

3 4

5 6

7 8

hiệu Khắc phục nhợc điểm

này bằng cách sử dụng ma

trận chuyển mạch Benes

mở rộng trong đó các phân

tử chuyển mạch cơ bản 2x2

ở tầng một và tầng ba chỉ

có một đầu vào và một đầu

ra hoạt động, việc này làm

giảm đáng kể hiện tợng

xuyên âm

Double

Crossbar

Clos

Benes

Dilated

Benes

-N+1

3

2p - 1

2p

N2 2N2 2N m + m (N/n)2

N (p - 1/2) 2Np

2N - 1

N + 1

2 (n + r + m) -3

2p - 1 2p

1

N + 1 3 2p - 1 2p

Wide - sense Wide - sense

Có [1]

Rearrangea bly

Rearrangea bly

Không Có Không trong 3D Không trong 3D Không trong 3D

3 Kết luận:

Hiện nay, chuyển mạch quang vẫn là một lĩnh vực mới mẻ, đang đợc tiếp tục nghiên cứu trên thế giới Công nghệ chuyển mạch quang vẫn cha đủ trởng thành để có thể xâm nhập vào thị tr-ờng Hơn nữa, cũng cha có nhu cầu thực sự cấp bách về các vấn đề lu lợng trên mạng viễn thông,

do vậy hiện tại việc áp dụng vào mạng viễn thông quốc gia là cha cần thiết Tuy nhiên, mạng viễn thông hiện tại đã sử dụng công nghệ truyền dẫn SDH đồng thời mạng đang phát triển theo hớng

đa dịch vụ băng rộng, do vậy trong tơng lai, việc sử dụng các bộ kết nối chéo quang OXC hay chuyển mạch quang tại các nút mạng có dung lợng cao có thể là một giải pháp hợp lý Ngoài ra, cũng cần có hệ thống chuyển mạch quang thử nghiệm để sử dụng trong công tác nghiên cứu nhằm tiếp cận sâu hơn đồng thời trang bị cho các cán bộ kỹ thuật có kiến thức cụ thể hơn về loại công nghệ mới này, qua đó có thể triển khai các ứng dụng chuyển mạch quang trên mạng viễn thông khi công nghệ đã trởng thành đầy đủ

Tài liệu tham khảo

[1] MaxMing-Kang liu, Principles and applications of optical communications

Irwin,1996

[2] Michael Bass-Eric W.Van Stryland, David R.Williamss L.Wolffe

Hand Book of optics

[3] Dơng Văn Thành, Cơ sở kỹ thuật chuyển mạch, HVCNBCVT, 2000

[4] Viện KHKT Bu Điện (Tổng cục Bu Điện)

Nghiên cứu tiếp cận công nghệ chuyển mạch quang trong mạng viễn thông tơng lai, 1999 [5] Vũ Văn San, Hoàng Văn Võ

Kỹ thuật thông tin quang, Nxb Khoa học & Kỹ thuật, 1997

[6] Lơng Duyên Bình, Vật lý đại cơng (tập 3) Nxb Giáo dục

[7] Tạp chí BCVT-Tổng cục Bu Điện (Số tháng 4-2000)

Học viện công nghệ BCVT 149

Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT 150