Tổng quan về mạng toàn quang (Alloptical network): cấu hình, các linh kiện và thiết bị cơ bản

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

BÀI TẬP LỚN MẠNG THÔNG TIN
QUANG THẾ HỆ MỚI
ĐỀ TÀI:

TỔNG QUAN VỀ MẠNG TOÀN QUANG ( ALL-OPTICAL
NETWORK) : CẤU HÌNH, CÁC LINH KIỆN VÀ THIẾT BỊ
CƠ BẢN.
Giảng viên hướng
dẫn
Nhóm học viên

Lớp

: TS BÙI VIỆT KHƠI
: NGUYỄN ĐÌNH AN
ĐINH TIẾN HIỆP
ĐỖ XUÂN PHONG
NGUYẾN THÀNH TRUNG
THÂN VĂN TRƯỜNG
: KTTT1B

Hà Nội, tháng 05/2022


Tổng quan về mạng tồn quang (Alloptical network): cấu hình, các linh kiện
và thiết bị cơ bản.

LỜI MỞ ĐẦU
Sự bùng nổ của mạng Internet, sự phát triển số lượng người sử dùng, sự
phát triển của các ứng dụng và dịch vụ mới trên nền IP, đó là những gì mà chúng
ta đã chứng kiến trong vịng gần một thập kỉ qua. Xét về mặt kỹ thuật, để đáp ứng
được sự phát triển đó, hạ tầng mạng truyền dẫn bao gồm mạng đường backbone và
mạng truy nhập đã và đang phải nâng cao dung lượng bằng cách chuyển dần sang
mạng truyền dẫn cáp sợi quang. Mạng truyền dẫn quang đã đáp ứng được rất
nhiều yêu cầu về dung lượng (tối đa 50Tbps), chi phí xây dựng và tính bảo mật
thơng tin. Hai cơng nghệ quan trọng gần đây giúp tăng dung lượng hệ thống là
WDM và khuêch đại sợi quang EDFA. Từ khoảng năm 1986 trở lại đây có rất
nhiều các dựán xây dựng mạng đường trục cáp quang biển quốc tếđược triển khai,
đã giúp tăng cường khả năng trao đổi thông tin giữa các quốc gia, lãnh thổ trên thế
giới. Tiếp đến là các mạng đường trục trên đất liền ở các quốc gia được xây dựng
trên nền tảng truyền dẫn sợi quang.
Vào đầu năm 1988, các công nghệ SONET và SDH là những chủ đề nóng
được đề cập đến như là những chuẩn ghép kênh cho các mạng đường trục trong
tương lai. SONET và SDH là các chuẩn thiết kế từ đầu cho các hệ thống TDM
(chiếm đa số vào những năm 1980). Sử dụng TDM, một luồng dữ liệu ở tốc độ cao
hơn được tạo ra trực tiếp bằng cách ghép các kênh có tốc độ bit thấp hơn. Thực tế
đã có rất nhiều các hệ thống SDH/SONET đã và vẫn đang được triển khai. Các hệ
thống TDM dung lượng cao hoạt động ở tốc độ OC-192 hoặc 10Gbps. Tuy nhiên
ta sẽ gặp khó khăn khi muốn chuyển lên tốc độ OC-768 hoặc lớn hơn do hạn chế
tần số hoạt động của linh kiện điện tử. Đến năm 1997, công nghệ WDM được
đánh giá là công nghệ ghép kênh số một giúp tăng dung lượng hệ thống lên hàng
trăm lần, giảm chi phí đầu tư. Công nghệ WDM cho phép ghép nhiều kênh tốc độ
bít khác nhau trên cùng một sợi quang bằng cách đặt các kênh trên các bước sóng
khác nhau. Hiện nay đã có thiết bị ghép kênh WDM có khả năng ghép 80 kênh
(bước sóng). Với việc chỉ xử lý tín hiệu quang tại các node mạng, đã loại bỏ sự
hạn chế của thiết bị điện tử, và đưa ra một mạng mới tên là mạng toàn quang

(AON). Mạng toàn quang định tuyến bước sóng được coi là ứng cử viên cho mạng
backbone diện rộng thế hệ tiếp theo. Mạng AON được xây dựng từ các thiết bị
ghép kênh WDM (kèm theo khả năng xen/tách) và các thiết bị đấu chéo OXC
(cross-connect). Hệ thống DWDM có khả năng ghép 32 bước sóng hoặc nhiều hơn
trong dải 1550nm, tăng dung lượng trên sợi quang đang có và trong suốt với tốc
độ bít.
Mạng AON làm việc với các bước sóng khác nhau ở lớp vật lý, ghép kênh
WDM và định tuyến theo bước sóng. Nó gồm các node định tuyến bước sóng
quang được nối với nhau bằng các kết nối sợi quang. Một lightpath phải được thiết
lập giữa hai node định tuyến bất kì trước khi chúng trao đổi thơng tin. Mạng sẽ
phải xác định tuyến (route/path) nối node này và gán một bước sóng rỗi cho các
kết nối dọc theo đường đi. Lightpath chính là một kết nối quang trực tiếp giữa hai
node khơng qua bất kì một thiết bịđiện tử trung gian nào. Để thiết lập một
lightpath, thông thường yêu cầu mạng phải phân bổ một bước sóng chung trên tất
cả các kết nối dọc theo đường đi của lightpath. Đó chính là yêu cầu về tính liên tục


bước sóng, điều khiến cho mạng định tuyến bước sóng khác với các mạng điện
thoại chuyển mạch truyền thống. Một u cầu sẽ bị từ chối nếu khơng có bước
sóng chung cịn rỗi trên tồn tuyến. Một trong những mục tiêu cơ bản của bài toán
thiết kế mạng AON định tuyến bước sóng là phải giảm tối thiểu xác suất nghẽn
tồn mạng.
Bài tiểu luận này đã trình bày về Tổng quan Mạng toàn quang: Kiến trúc của
mạng, chi tiết về các thiết bị và linh kiện trong mạng toàn quang, đồng thời cũng
nêu lên những công nghệ quan trọng trong mạng tồn quang như chuyển mạch và
ghép kênh quang.
Nhóm sinh viên thực hiện:
- Nguyễn Đình An
- Đinh Tiến Hiệp
- Đỗ Xuân Phong

- Nguyễn Thành Trung
- Thân Văn Trường

Mục lục

1. Tổng quan mạng toàn quang...................................................................4
1.1 Các kiểu mạng toàn quang................................................................4
1.2 Kiến trúc mạng toàn quang...............................................................6


1.2.1 Kiến trúc chức năng (functional architecture)............................6
1.2.1.1 Lớp mạng kênh quang (Optical Channel Layer Network)......7
1.2.1.2 Lớp mạng ghép kênh quang....................................................7
1.2.1.3 Lớp mạng truyền dẫn quang....................................................8
1.2.2 Kiến trúc mạng (network architecture)......................................8
1.2.1.1 Kiến trúc AT&T/MIT-LL/DEC AON......................................8
1.2.1.2 Kiến trúc Bellcore’s AON.....................................................13
2. Các linh kiện và thiết bị cơ bản trong mạng toàn quang.......................14
2.1 Sợi quang.........................................................................................14
2.2 Bộ phát/thu tín hiệu quang..............................................................16
2.3 Bộ lọc và bộ ghép kênh quang........................................................17
2.4 Bộ chuyển mạch quang...................................................................18
2.5 Bộ chuyển đổi bước sóng................................................................19
2.5.1 Chuyển đổi bước sóng O-E......................................................20
2.5.2 Chuyển đổi bước sóng tồn quang...........................................20
2.6 Bộ khuếch đại quang.......................................................................21
2.7 Cấu trúc mạng DWDM...................................................................24
2.7.1 Thiết bị đầu cuối OLT..................................................................26
2.7.2 Bộ ghép/xem OADM...................................................................27
2.7.3 Bộ kết nối chéo quang OXC........................................................30

3. Một số công nghệ quan trọng trong mạng AON...................................36
3.1 Công nghệ kênh quang...................................................................36
3.1.1 Kênh quang..............................................................................36
3.1.2 Đường dẫn bước sóng và đường dẫn bước sóng ảo.................43
3.2 Công nghệ chuyển mạch kênh quang..............................................44
3.2.1 Cấu trúc chuyển mạch WP.......................................................47
3.2.2 Cấu trúc hệ thống chuyển mạch WP/VWP..............................47
3.2.3 Cấu trúc chuyển mạch ma trận đầy đủ.....................................49
3.3 Công nghệ chuyển mạch gói quang................................................50
4. Kết luận.................................................................................................54
4.1 Ứng dụng của mạng tồn quang......................................................54
4.2 Những hạn chế................................................................................56
4.3 Kết luận và khuyến nghị.................................................................57
1. Tổng quan mạng toàn quang
1.1 Các kiểu mạng toàn quang
Mạng toàn quang có thể phân chia thành: Passive Optical Networks (PONs),
Transparent Optical Networks (TONs), và Ultra-high-speed Optical Networks
(UONs). Các mạng này được thảo luận chi tiết ở mục sau.
a. Passive Optical Networks (PONs)


PON sử dụng cá thành phần quang thụ động như: cáp quang, directional coupler,
star coupler, router thụ động, và bộ lọc. Nhìn chung, PĨN được thiết kể cho truyền
thơng ở khoảng cách ngắn, bé hơn 30 dặm. Với khoảng cách ngắn, tín hiệu quang
khơng u cầu khuch đại. Nó loại trừ việc sử dụng tất cả các thành phần tíh cực
yêu câu năng lượng điện để xử lý. PONs cũng đáp ứng các yêu cầu về giá thành
rẻ, độ tin cậy cao và băng thơng lớn. Do vậy, nó được xem như là một giải pháp
hấp dẫn cho mạng cục bộ (Local Area Networks – LANs) và mạng Metropolitan
Area Networks (MANs). Mạng LANs và MANs tồn quang thụ động có thể được
cấu hình sử dụng topo hình sao, cây, bus và vịng. Chúng có thể được sử dụng

trong các ứng dụng như:
-

Fiber to The Curb (FTTC)

-

Fiber to The Building (FTTB)

-

Fiber to The Home (FTTF)

Thêm vào đó, PONs có thể được sử dụng cùng với các mạng khác để cung cấp tín
hiệu quang trong truyền thơng điểm – đa điểm. Những mạng này gồm Digital
Loop Carrier (DLC) Integrated Access, Wireless Multi-channel Multi-point
Distribution System (MMDS), High Dât-rate Digital Subscriber Line (HDSL) và
Very High Dât-rate Digital Subscriber Line (VDSL)
Sử dụng PON có thể giảm giá thành của DLC bởi việc cung cấp giải pháp feeder
cáp quang đa điểm. Hệ thống PON có thể được dùng giữa Central Office và thiết
bị đầu cuối ở xa DLC, do đó , nó cung cấp giải pháp vịng cục bộ băng rộng.
Các mạng khơng dây băng rộng yêu cầu mạng feeder băng thông cao từ Central
Office ddeens nhiều trạm. Các trạm gốc có thể được kết nối và lưu lượng ngược về
Central Office có thể được tăng lên nhờ PON.
Theo truyền thống, kiến trúc bus cáp đồng trục tín hiệu analog được sử dụng chính
trong mạng CATV (cable television). Các mạng cáp đồng trục yêu cầu bộ khuếch
đại giá thành cao và đắt đỏ khi bảo tri, hiện tại được thiết kế choc ho các dịch vụ
đơn công. Kiến trúc Hybrid Fiber Coax (HFC) cho phép mạng CATV cung cấp
dịch vụ song cơng. Một cách điển hình, mạng HFC có thể dung cấp dung lượng
kênh từ 30 đến 40Mb/s cho downstream, sử dụng kênh analog 6MHz chia sẻ bởi

khoảng 100 – 250 hộ. Tuy nhien, HFC có vấn đề với dung lượng upstream, nhưng
có thể khắc phục bằng cách triển khai PON giữa trạm head-end và các node
quang. Công nghệ PON over HFC cung cấp dịch vụ song cơng, ít lỗi, cân băng,
những u cầu cần thiết cho các ứng dụng tương tác băng rộng.
PON có thể dùng WDM, Sub-Carrier Multiplexing (SCM), OTDM hoặc sự kết
hợp các cơng nghệ này để truyền dẫn phức hợp các tín hiệu video, voice, dât, bao
gồm Plain Old Telephone Service), Integrated Services Digital Network (ISDN),
T1/E1, T3/E3, OC-3, OC-12, OC-48 và Truyền hình kỹ thuật số, tương tự.
b. Transparent Optical Networks (TONs)
TONs cho phép tín hiệu truyền qua các node trong mạng khơng phụ thuộc vào
điều chế tín hiệu, tốc độ dât, và các đặc điểm cụ thể. PONs có thể được xây dựn
theo nhiều đường. Tuy nhiên, tính linh động, hiệu năng cao, khả năng từ local đến


global là những mục tiêu chính cho việc sử dụng PONs. Trong khi hầu hết các
thành phần quang có thể được thiết kế để độc lập với kiểu tín hiệu, những tồn tại
về giới hạn truyền dẫn do những yêu cầu về hiệu năng end-to-end cho các dạng tín
hiệu và các tốc độ truyền dữ liệu. Các kiểu tín hiệu khác nhau có độ nhạy khác
nhau tới suy hao tích lũy như: tán sắc đơn sắc, tán sắc phân cự, nhiễu khuếch đại,
nhiễu xuyên kênh, và các tính chất phi tuyến quang học. Xa hơn, nó rất khó hỗ trợ
truyền dẫn tín hiệu analog bời vì tính nhạy cảm với phản xạ quang học và những
yêu cầu tuyến tính stringent cho laser sử dụng trong bộ chuyển đổi bước song. Do
đó, mạng tồn quang trong suốt có thể khơng hồn tồn là trong suốt. Để giảm bớt
vấn đề này, có một số đề xuất định nghĩa các mức trong suốt trong mạng toàn
quang trong suốt. Những mức này là:
+) 4T-transparent-trong suốt về dạng điều chế, mã đường dây, tần số đồng
hồ, định dạng truyền dẫn
+) 3T-transparent- Trong suốt về mã đường dây, hồi phục clock, và định dạng
truyền dẫn
+) 2T-transparent-Trong suốt về tần số đồng hồ và định dạng truyền dẫn

+) 1T- Trong suốt về định dạng truyền dẫn
c. Ultra-high speed optical network
AONs tốc độ siêu cao sử dụng các đặc điểm về tốc độ rất cao của các hiện tượng
quang học để truyền tải các xung quang siêu ngắn (hoặc solitons), ở 100 Gb/s hoặc
lớn hơn trên khoảng cách rất dài. Một số các công nghệ chủ chốt cần thiết cho việc
xây dựng các mạng toàn quang AONs tốc độ siêu cao bao gồm các xung quang
siêu ngắn, ghép kênh, truyền dẫn siêu nhanh của solitons, phục hồi đồng hồ, và
các bộ đệm quang. Các xung quang siêu ngắn
có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các bộ laser bán dẫn tăng ích-chuyển mạch
và Mode-Locked Laser (MLLs). Thơng thường, AONs tốc độ siêu cao sử dụng
OTDM
Có hai đặc tính vật lý của sợi quang điều khiển việc thiết kế mạng quang. Thứ nhất
là tán sắc đơn sắc. Đây là tính chất tuyến tính của tất cả các sợi quang gây ra khiến
cho ánh sáng với tần số khác nhau có vận tốc khác nhau. Xung ánh sáng có xu
hướng trải rộng ra và khiến cho khó có thể khơi phục dịng bit. Tính chất thứ hai
đó là khi ánh sáng truyền trong sợi quang, nó gây ra những thay đổi cực nhỏ được
định nghĩa bởi năng lường và hình dạng của xung, gọi là hiệu ứng Kerr. Giải pháp
là format các xung này một cách đặc biệt để tận dụng hai đặc điểm nay. Điều này
dẫn đến tán sắc được cân bằng và hiệu quả nén triệt tiêu nhau. Các xung mất năng
lượng dẫn đến mất độ sáng trong sợi quang. Khi năng lượng tiêu hao, nén phi
tuyến dừng lại và xung bắt đầu trải rộng. Điều nay yêu cầu các sợi quang bù tán
sắc để nén lại xung ánh sáng.
Trong OTDM, phục hồi clock là rất cần thiết để ước lượng chính xác thơng tin
định thời trong tín hiệu đến ở đầu cuối nhận tín hiêu. Nó cho phép receiver đồng
bộ với luồng thông tin đến. Hai kỹ thuật phục hồi clock được đề xuất cho mạng
toàn quang tốc độ siêu cao sử dụng OTDM. Trong kỹ thuật thứ nhất, một đồng hồ
quang cục bộ có tốc độ điều khiển bời nguồn RF được khóa tới dịng xung OTDM


dến. Trong kỹ thuật thứ hai, Nonlinear Optial Loop Mirror (NOLM) được sử dụng

như cảm biến phase bit quang. NOLM bao gồm một coupler fiber 3-db với hai
cộng tham gia xuyên suốt chiều dài sợi quang.
Sau khi đồng hồ quan đươc khôi phục, bộ tách kênh cần đệm các slot mong muốn
hoặc header của tín hiệu quang đến sử dụng thiết bị lưu trữ quang. Xa hơn, nó cần
giảm tốc độ dât nhawmcf giao tiếp tin hiệu mong muốn với receiver cho việc xử lý
dât kế tiếp. Tuy nhiên, bộ nhớ quang random access khơng tồn tại, thay vào đó, ta
sử dụng các line hoặc loop quang delay như là bộ đêm quang.
Mạng tồn quang tốc đọ siêu cao có nhiều bước tiến về hiệu năng, tuy nhiên nhiều
công nghệ cần thiết để hỗ trợ các chức năng trong mạng tồn quang tốc độ siêu
cao mới chỉ có trong phịng thí nghiệm. Do vậy mạng tồn quang tốc độ siêu cao
được xem như là một giải pháp với mục tiêu về lâu dài.

1.2 Kiến trúc mạng toàn quang
1.2.1 Kiến trúc chức năng (functional architecture)
ITU-T đã phát triển kiến trúc truyền tải chức năng cho các mạng truyền tải quang.
Kiến trúc chức năng truyền tải được quy định trong khuyến nghị G.872.
Kiến trúc truyền tải mô tả những chức năng AON từ 1 quan điểm cấp độ mạng.
Nó dựa vào tài khoản cấu trúc phân lớp của 1 mạng quang, thong tin đặc tính client,
sự kết hợp phân lớp client/server, cấu trúc lien kết mạng, và chức năng lớp mạng.
Chức năng lớp mạng bao trùm truyền dẫn tín hiệu quang, đa phép kênh, giám sát,
định tuyến, đánh giá hoạt động và khả năng sống sót của mạng. Phạm vi hiện tại
của kiến trúc chỉ giới hạn cho tín hiệu số. Hơn nữa, kiến trúc chỉ dành cho WDM.
Các kỹ thuật đa ghép kênh quang khác như OTDM, OCDM cần được nghiên cứu
thêm.
Các kiến trúc vận chuyển chức năng sử dụng các phương pháp mơ hình hóa mơ tả
trong ITU-T Khuyến nghị G.805, - Kiến trúc chức năng chung của mạng chuyển
vận.
Theo phương pháp này, các mạng truyền tải quang học bị chia thành những lớp
mạng chuyển vận độc lập. Mỗi tầng mạng có thể được phân chia một cách riêng
biệt trong một cách phản ánh cấu trúc nội bộ của lớp mạng. Hình 1 mơ tả lớp cấu

trúc của mạng truyền tải quang. Chúng bao gồm một lớp kênh mạng quang, một
phần ghép kênh quang học lớp mạng, và truyền một phần quang học tầng mạng.

Hình 1. Layered Structure of Optical Transport Network


1.2.1.1 Lớp mạng kênh quang (Optical Channel Layer Network)
Lớp mạng kênh quang cung cấp kết cuối mạng end –to –end của các kênh quang
cho sự truyền đạt minh bạch thông tin client của những định dạng khác nhau, chẳng
hạn như truyền dẫn số đồng bộ SDH, cận đồng bộ PDH và chế độ truyền bất đối
xứng ATM. Để cung cấp mạng ent –to –end, những khả năng sau đây được bao gồm
trong lớp mạng kênh quang:
Kết nối kênh quang sắp xếp lại cho định tuyến mạng linh động
Xử lý mào đầu kênh quang để đảm bảo tính tồn vẹn của kênh quang đáp ứng thông
tin
Kênh quang giám sát các chức năng để kích hoạt những hoạt động cấp độ mạng và
các chức năng quản lý như là cung cấp kết nối, trao đổi thơng số QoS, và tính sống
sót của mạng.
1.2.1.2 Lớp mạng ghép kênh quang
Nó cũng cấp chức năng cho mạng của 1 tín hiệu quang đa bước song. Khả năng
sau đây của mạng được bao hàm trong mục này:
Phần ghép kênh quang kết nối sắp xếp lại cho linh hoạt mạng định tuyến đa bước
sóng ;
· Xử lý mào đầu phần ghép kênh quang để đảm bảo tính tồn vẹn của phần ghép
kênh quang đa bước sóng tương thích thong tin.
Ghép kênh quang giám sát các chức năng để đảm bảo cấp độ phiên các hoạt động
và các chức năng quản lý như là cung cấp kết nối phiên đa ghép kênh và tính sống
sót cảu mạng
1.2.1.3 Lớp mạng truyền dẫn quang
Phần này cung cấp chức năng cho truyền dẫn tín hiệu quang trên phương tiện quang

của những kiểu khác nhau như là sợi quang đơn mode và đa mode. Chức năng này
cũng bao gồm khả năng cho giám sát khuếch đại quang hoặc các trạm lặp.
1.2.2 Kiến trúc mạng (network architecture)
Kiến trúc mạng quang đang trong giai đoạn phát triển. Tất cả phải được xem xét bởi
NS/EP để đảm bảo tính tương thích của nó. Một trong số đó được trình bày dưới
đây.
1.2.1.1 Kiến trúc AT&T/MIT-LL/DEC AON
Tổ hợp được sản xuất bởi công ty American Telephone and Telegraph (AT&T),
Digital Equiment Corporation (DEC), và Massachusetts Instude of Technology
Lincoln Laborary (MIT-LL) đã phát triển hai mạng trên cơ sở WDM và OTDM.
Những kiến trúc được kiểm tra theo ứng dụng NS/EP.
a. Kiến trúc cơ sở WDM
Kiến trúc cung cấp mở rộng qua bước sóng sử dụng lại và Time Division
Multiplexing (TDM). Như đã thể hiện trong hình, kiến trúc sơ đồ ba mức (Ví dụ,


Level-0 (L-0), Level-1 (L-1), và Level-2 (L-2) của mạng con. Mỗi mạng con là một
mạng toàn quang hoạt động độc lập.

Ở mức thấp nhất của sơ đồ là các mạng con L-0, mỗi mạng là một mạng LAN hiệu
năng cao. Người dùng truy nhập mạng L-0 qua đầu cuối quang (Optical Terminal –
OT). Mỗi OT được kết nối tới mạng con L-0 sử dụng cặp cáp quang. Mỗi mạng con
L-0 chia sẻ nội bộ bước sóng với sự mở rộng sử dụng lại bước sóng của các mạng
L-0 khác nhau. Ở mức giữa của sơ đồ là mạng con L-1 hoặc các mạng metro
(Metropolitan Area Network - MAN). Mỗi MAN liên kết với nhiều mạng con L-0
và cung cấp bước sóng sử dụng lại theo các mạng con L-0 khác nhau qua định
tuyến bước sóng thụ động. Ở mức cao nhất của sơ đồ là mạng con L-2. Mạng này
là một mạng diện rộng (Wide Area Network - WAN), bao gồm nhiều node kết nối
theo mơ hình mesh. Nó liên kết với các mạng con L-1 bằng các bộ định truyến và
bộ chuyển đổi bước sóng.

Mỗi mạng con cung cấp ba dạng dịch vụ tới mạng con hoặc các OT ở lớp dưới nó.
Những dịch vụ này được phân loại thành dịch vụ Type-A, Type-B, Type-C và thực
hiện các chức năng:
 Dịch vụ Type-A: Mỗi dịch vụ cung cấp đường quang riêng cho kết nối pointto-point, point-to-multipoint và multipoint-to-multipoint. Với mỗi dạng, qua
dịch vụ Type-A, đầu cuối quang có thể cung cấp point-to-point OC-192 và
point-to-multipoint video đa điểm. Một “virtual” được chia sẻ phương tiện
LAN, V-LAN, có thể được cấu hình qua multipoint-to-multipoint kênh A.
Đầu cuối quang trên kết nối V-LAN qua giao thức đa truy nhập như slotted
ALOHA. ALOHA là một phương thức truy nhập đa kênh, được phát triển
bởi trường đại học HAWAII.
 Dịch vụ Type-B: Nó là dịch vụ TDM đặt lịch, trong suốt với khe thời gian
của nó và hữu dụng cho các ứng dụng băng thơng thấp. Một người sử dụng
có thể truyền dữ liệu trong nhiều tốc độ và định dạng khác nhau trong một
khe hay một nhóm khe, tuy nhiên, chúng nên được cài đặt một kết nối cụ thể


để đảm bảo khản năng hồi phụ của tín hiệu ở đầu nhận. Dịch vụ Type-B, hỗ
trợ kết nối point-to-point, point-to-multipoint, multipoint-to-multipoint, song
công, và đơn công. Những dịch vụ mà đầu cuối quang cung cấp qua kênh B
bao gồm kết nối OC-3, mạng Ethernet hoặc Fiber Distributed Data Interface
(FDDI).
 Dịch vụ C: là một dịch vụ gói dữ liệu khơng đặt lịch. Trong dịch vụ này, một
gói thơng tin có thể được truyền trong một gói dữ liệu cụ thể và nhiều định
dạng khác nhau trên một bước sóng. Dịch vụ này khơng trong suốt nếu nó
phải phục vụ kết nối chung giữa tất cả các người dùng trong mạng tồn
quang. Nó có thể được sử dụng cho sự tự cấu hình của mạng, quản lý và điều
khiển mạng, mạng báo hiệu. Nó được sử dụng chính cho việc phân chia tài
nguyên, hoạt động mạng, quản trị, và duy trì.
Mỗi mạng con có một “người đặt lịch/chia vệc” để điều khiển các chức năng bao
gồm cả cấp phát bước sóng và khe thời gian cho các điểm truy nhập (Access Point –

AP). Những AP có giao tiếp quang giữa các OT và mạng tồn quang. “Người đặt
lịch” có thể được thực thi trong một hay nhiều OT hoặc trong node riêng, được kết
nối tới mỗi mức của mạng con. Một thuật toán phân tán được sử dụng để chọn một
OT là “Người chia việc” giữa các OT. Nếu một “người đặt lịch” bị hỏng, thuật toán
phân tán sẽ thực hiện lại. Trên cơ sở các mức của mạng con, việc đặt lịch (schedule)
được chia làm ba mức: level-0 (L-0), level-1 (L-1), level-2 (L-2) theo chức năng
được thực hiện ở các mức tương ứng:
 Scheduling mức 0: “Người phân lịch” L-0 đảm nhiệm chức năng sau:
 Xác thực, ủy quyền, và các dịch vụ yêu cầu cho kết nối Type-A, TypeB, Type-C từ AP trong mạng tồn quang L-0 của nó;
 Phân phối và lựa chọn thông tin thời gian cần thiết cho việc thiết lập
kết nối Type-B;
 Duy trì một schedule chính xác cho tất cả các bước sóng và cập nhật
schedule khi kết nối được cài đặt hoặc bị ngắt;
 Lựa chọn thông tin tài khoản; và
 Kết nối với “người phân lịch” L-1 của nó, đảm bảo các chính sách
điều khiển và quản lý, và thực hiện một vài chức năng phụ trợ như
ánh xạ tên tới địa chỉ (name-to-address mapping).
 Scheduling mức 1: Hỗ trợ thêm cho các chức năng của “người phân lịch” L0, một “người phân lịch” L-1 phải thực hiện chức năng sau:
 Xác thực, ủy quyền và đáp ứng các yêu cầu cho kết nối L-0 và L-1;
 Cung cấp chức năng matchmaker để thiết lập một đường bước sóng từ
một thành phần L-0 AON của nó tới cái khác;
 Thiết lập kết nối Multicast sử dụng tần số cặp, hình sao chọn lọc;


 Kết nối giữa “người chia việc” L-2 của nó để cấp phát đường ánh sáng
khi cần thiết;
 Cung cấp thơng tin thời gian để các L-0 AON của nó để thiết lập kết
nối Type-B.
 Level-2 Scheduling: Bổ sung cho các trọng trách của “người chia việc” L-0
và L-1, “người chia việc” L-2 phải xác thực, ủy quyền và giải quyết các yêu

cầu từ kết nối liên tuyến với L-1.
Trong kiến trúc sơ đồ này, khi một OT cần thiết lập một kết nối, nó gửi một kết nối
đến “người phân lịch” L-0. Yêu cầu kết nối bao gồm nhiều tiêu chuẩn như dạng của
yêu cầu dịch vụ, địa chỉ của OT yêu cầu, độ lưu thông mong muốn và độ ưu tiên.
Khi nhận được một yêu cầu kết nối, “người phân lịch” xác định đích ở trong mạng
L-0 AON của nó hay khơng. Nếu đích ở trong mạng L-0 AON của nó, thì nó sẽ xác
định sự sẵn sàng của tài nguyên cần thiết. Nếu tài nguyên sẵn sàng thì kết nối được
thiết lập.
Nếu đích ở khác mạng L-0 AON, nhưng cùng mang L-1 AON, thì “người phân
lịch” L-0 yêu cầu “người phân lịch” L-1 lựa chọn bước sóng để cung cấp đường
truyền giữa L-0 nguồn và đích. Nếu đích khơng ở trong cùng L-1 AON, thì “người
phân lịch” L-0 u cầu “người phân lịch” L-1 của nó tìm đường truyền sử dụng một
bước sóng rỗi trong mạng. Một đường sáng được thiết lập, quá trình thiết lập kết nối
hồn tất như mơ tả trên.
Chúng ta đã kiểm nghiệm việc sử dụng chức năng ưu tiên ở mức OT. Trong khi ưu
tiên đơn giản là phân bổ tài nguyên logic và vật lý. Nó được hình dung là phương
pháp liên kết có giá trị với NS/EP và với NCS.
b. Kiến trúc cơ sở OTDM
Kiến trúc cơ sở OTDM được phát triển để điều khiển kết nối siêu tốc độ. Tuy nhiên,
có các trọng điểm sau:
1) Sự cần thiết cho một kiến trúc, đảm bảo cả dịch vụ băng thông đảm bảo và
dịch vụ băng thông truy nhập ngẫu nhiên theo yêu cầu (BOD) ở cùng một
thời gian;
2) Sự cần thiết cho một chính sách mà sẽ điều chỉnh chia sẻ băng thông hiệu
quả và công bằng với các người dung BOD dưới mọi điều kiện lưu lượng
mạng khác nhau.
3) Sự cần thiết cho một thuật toán đơn giản đủ để thực thi ở một tốc độ yêu cầu
bới các mạng quang.
Trên cơ sở những trọng điểm trên, Helical LAN (HLAN) được đề xuất. HLAN là
một kiến trúc rãnh khung cơ sở và xuất hiện để đáp ứng đồng thời tất các tiêu chuẩn

trên. Nó sử dụng bus đơn hướng xoắn và cũng được thực thi trong cấu trúc tuyến
tính, cái mà có thể thích hợp hơn cho mạng MAN.
Kiến trúc HLAN được thiết kế để hoạt động tại 100Gb/s, và nó có thể thích nghi với
tốc độ lớn hơn.Kiến trúc này được mơ tả như hình 3, một sợi quang được chia thành
ba phân đoạn không chồng chéo là Transmitter (GBW and BOD), and Receiver


(RCV). Đoạn GBW được sử dụng để truyền tải lưu lượng cần đảm bảo băng thông.
Đoạn BOD được sử dụng để truyền tải lưu lưọng cái mà yêu cầu bởi BOD, cuối
cùng đoạn RCV được sử dụng để nhận lưu lưọng truyền trên bus.

Hình 3. Kiến trúc HLAN

Hình 4. Cấu trúc Frame HLAN
Mỗi nút trên bus được trang bị một bộ xử lý headend /slot, đơn vị giao thức logic,
cơ chế phục hồi clock, và các bộ đệm. Mỗi Headend tạo ra khe (slots) rỗng và
đặt chúng trên xe bus. Kiến trúc HLAN có thể hỗ trợ tốc khe là 107 đến 108 slots/s.
Các cấu trúc khung được minh họa trong hình 4. Mỗi nút dịch vụ có được bằng
cách chúng yêu cầu từ headend thông qua dịch vụ BOD hoặc bất kỳ các cơ
sở khác. Đối với yêu cầu dịch vụ GBW, nếu có thể các headend phân bổ dành khe,
tới các nút yêu cầu trên phân khúc GBW. Bất kỳ khe GBW không sử dụng được sử
dụng cho dịch vụ BOD. Đối với yêu cầu dịch vụ BOD, headend tạo ra thẻ phân
bổ bằng cách sử dụng khe cắm mốc. Phân bổ một số lượng nhất định các thẻ cho
mỗi điểm đánh dấu trên khe cắm nhận. Ngoài ra, các thẻ được giảm mỗi khe thời
gian được sử dụng. Khi khơng có dữ liệu để gửi, số thẻ của node được thiết lập
lại trở lại các thẻ gốc. Để ngăn chặn các tắc nghẽn ở nút có lưu lượng cao, headend
giám sát các khe free ở cuối bus. Nếu khơng có khe free được quan sát trong một
khoảng thời gian nhất định, độ dài của khoảng phân bổ thẻ tăng lên. Kết quả là giảm
băng thơng sẵn có cho các nút riêng lẻ. Nếu headend các quan sát nhiều rãnh ở

cuối bus, nó làm giảm độ dài của khoảng phân bổ thẻ. Điều này cung cấp băng
thông rộng hơn cho người dùng cá nhân.
1.2.1.2 Kiến trúc Bellcore’s AON
Bellcore, đại học Columbia và một số phòng lab nghiên cứu khác đã cùng
tham gia nghiên cứu, phát triển một kiến trúc khác. Kiến trúc WAN có dung lượng
cao dựa trên nền tảng DWDM và đinh tuyến bước sóng, và có khả năng mở
rộng và mô-đun về số lượng các mạng người sử dụng, số lượng các nút, phạm
vi địa lý cũng như năng lực mạng tổng hợp.

Hình 5: Kiến trúc mạng tồn quang đa bước sóng Bellcore
Như được thể hiện trong hình vẽ 5, các kiến trúc mạng bao gồm các thiết bị tồn
quang có chứa các thiết bị chuyển mạch định tuyến bước sóng. Theo tính liên
tục bước sóng hạn chế cho các mạng định tuyến bước sóng, hai lightpaths (cịn gọi
là kênh thơng tin liên lạc quang ) có chung một liên kết sợi thông thường không nên
được phân công cùng mộtbước sóng. Trong các hình, λ1, λ2, λ3 là bước sóng và có
sẵn của mạng. Bước sóng λ1 là được sử dụng trong hai lightpaths cho A-B và CD kết nối kể từ khi hai đường dẫn sử dụng bước sóng khác nhau, định tuyến chuyển
mạch. λ2, và λ3 có thể chiếm các con đường giữa các bước sóng, định tuyến chuyển
mạch, vì chúng là tần số khác nhau. Tuy nhiên, nếu một chuyển đổi hoặc định
tuyến nút cũng được trang bị với một bộ chuyển đổi bước sóng,thì bước sóng liên
tục chế biến mất, và lightpath có thể được chuyển giữa bước sóng khác nhau trên
tuyến đường từ nguồn đến đích. Vì lý do này, định tuyến và chuyển dịch bước
sóng là một thách thức chính trong mạng định tuyến bước sóng mà khơng
cần chuyển đổi bước sóng. Hơn nữa, việc thiếu các chuyển đổi bước sóng tăng xác
suất của kết nối chặn bởi vì cùng một bước sóng có thể khơng có ở tại
tất cả các nút cho một lightpath đặc biệt trên tuyến đường từ nguồn đến đích. Bước
sóng chuyển đổi là rất tốn kém và không được sử dụng tại tất cả các nút trong
mạng. Kiến trúc Bellcore sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng chỉ ở tại các nút chọn
trong mạng lưới của mình.

3.3.2.3 Kiến trúc OCDM-cơ bản
Một kiến trúc điển hình OCDM-cơ bản thể hiện trong hình 6. Trong kiến trúc này,
các nút được kết nối với một bộ ghép sao thụ động NxN. Các bộ mã hóa OCDM
của mỗinút phát hiện một "1" chút bởi một loạt các xung quang học siêu nhanh gọi
là mã địa chỉ hoặc dãy tín hiệu. Các bit "0" khơng mã hóa và được đại diện bởi
một dãy số tồn khơng. Mỗi nút tín hiệu của riêng mã hoá được gửi đến các bộ
ghép saoỗnNvà phát sóng tới tất cả các nút.

Hình vẽ 6. Kiến trúc OCDM-cơ bản
Mục tiêu đích của một hệ thống OCDM là dành cho mỗi nút để trích xuất dữ liệu
với mã địa chỉ của nó trong sự hiện diện của tất cả các chuỗi xung quang của người
người dùng khác. Do đó, một hệ thống OCDM được thiết kế với ba điều kiện ban
đầu sau đây:
 Mối tương quan tự động cho một mã OCDM nên càng lớn càng tốt để đảm
bảo rằng tín hiệu nhận được là lớn hơn nhiều so với nhiễu nền trong hệ
thống.
 Mối tương quan chéo giữa hai mã khác nhau cần càng nhỏ càng tốt để đảm
bảo mỗi mã có thể dễ dàng phân biệt với tất cả các mã OCDM khác.
 Các chuyển dịch mối tương quan tự động cung cấp một mã OCDM do đó
cho phép OCDM được giảm thiểu để hoạt động mà khơng cần đồng bộ hóa.

2. Các linh kiện và thiết bị cơ bản trong mạng toàn
quang
2.1 Sợi quang
Sợi quang (Optical fiber) được chọn làm mơi trường truyền dẫn tín hiệu
trong các mạng tốc độ cao do nó sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với các môi
trường truyền dẫn truyền thống. Có thể liệt kê ra như : Phổ tần sử dụng rộng, suy
hao thấp, tiêu thụ công suất ít, khơng bị gây nhiễu bởi điện từ trường bên ngồi, sử
dụng vật liệu chế tạo ít, nhỏ gọn và giá thành rẻ hơn. Cũng nhờ đó mà các hệ

thống thơng tin quang thường có tỉ lệ BER rất thấp, nhỏ hơn 10-11
Tuy nhiên sợi quang vẫn tồn tại các hiện tượng vật lý như: suy hao, tán sắc,
và các hiệu ứng phi tuyến đã làm ảnh hưởng đến việc tận dụng tối đa tài nguyên
của nó, đặc biệt trong các mạng đường trục tốc độ cao. Có hai vùng suy hao thấp
quan trọng hay được sử dụng:1300nm, bề rộng 200nm, suy hao nhỏ hơn


0.5dB/Km; và 1550nm, bề rộng 200nm, suy hao thấp khoảng 0.2dB/Km. Băng
thơng được tính xấp xỉ 50THz theo cơng thức: f 

c

2

Hình 7. Phổ suy hao của sợi quang
Có hai loại sợi quang là sợi quang đơn mode(SMF) và sợi quang đa mode
(MMF). Nhược điểm chính của sợi quang đa mode là do hiện tượng tán sắc giữa
các mode (Iinter-mode Dispersion), làm giảm giá trị tích BR*D ( BR- Bit Rate; D
– Distance) xuống chỉ còn vài chục Mb/s/Km. Sử dụng sợi quang có chiết suất bậc
(Step- Index), và sợi quang chiết suất giảm dần (Graded- Index) có thể nâng lên
hàng (Gb/s )-Km, tuy nhiên vẫn không đảm bảo khi khoảng cách truyền dẫn lớn.
Trong khi đó, sợi quang đơn mode loại bỏ tán sắc giữa các mode bằng cách giảm
đường kính của lõi sợi quang. Tuy nhiên, hiện tượng tán sắc (Chromatic
Dispersion)-do sự tồn tại nhiều thành phần hài trong phổ tín hiệu quang truyền
trong sợi quang gây nên- lại là yếu tốảnh hưởng sâu sắc đến chất lượng truyền
quang.
Một số loại sợi quang đơn mode chuẩn, do ITU-T khuyến nghị hay được
dùng trong các mạng truyền dẫn quang gồm có : Non- Dispersion Shifted Fiber
(G.652), Dispersion-Shifted (C.653), 1550-nm Loss minimized Fiber (G.654) và
Nonzero-Dispersion Fiber (G.655)

 NDSF (ITU-T G.652 )
Là loại sợi quang được sử dụng nhiều nhất. Nóđược chế tạo tối ưu cho vùng
1310nm, có tán sắc bằng 0 tại chính bước sóng 1310nm, và gần 20ps/nm-Km ở
bước sóng 1550nm.
 DSF (ITU-T G.653)
Là loại sợi quang được thiết kế tối ưu cho vùng 1500-1600nm, có hệ số tán
sắc xấp xỉ 3.3ps/nm-Km tài cửa sổ 1550nm và gần bằng 0 tại bước sóng 1550nm.
Loại sợi quang này khơng phù hợp cho mạng WDM do ảnh hưởng của các hiệu
ứng phi tuyến.
 1550nm Loss Minimized Fiber (ITU-T G.654)
Đây là loại sợi quang đơn mode chuẩn đặc biệt, có tổn hao rất thấp tại vùng
cửa sổ 1550nm. ITU G.654 được thiết kế tối ưu cho vùng 1500-1600nm. Bước


sóng cutoff hiệu dụng là một thơng số quan trọng trong thiết kế loại sợi này. Tổn
hao thấp là nhờ sử dụng lõi thuỷ tinh tinh khiết. Sản xuât ITU G.654 tốt kém, giá
thành cao, nên nóít được sử dụng. Loại sợi quang này phù hợp nhất là cho hệ
thống cáp quang biển hoặc mạng cáp quang đường trục
 NZ-DSF (ITU-T G.655)
Là loại sợi quang SMF có hệ số tán sắc lớn hơn một giá trị khác không ở cả
vùng 1500nm. Hiện tượng tán sắc này làm giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi
tuyến như: FXM, SPM,XPM xuất hiện trong các hệ thống DWDM. Loại sợi quang
này phù hợp nhất, hoạt động tối ưu nhất là tại vùng 1500-1600nm.

2.2 Bộ phát/thu tín hiệu quang
Bộ phát tín hiệu quang
Bộ phát tín hiệu quang (Optical transmitter) có chức năng chuyển tín hiệu
điện thành tín hiệu quang. ánh sáng phát ra từ các nguồn này được bơm vào sợi
quang để truyền đi. Có hai loại linh kiện dùng làm nguồn phát quang hiện nay là
LED (Light Emitting Diode) và LASER ( Light Amplification by Stimulated

Emission Radiation). Các nguồn phát sáng quang cần có các tính chất vật lý sau :
Phù hợp với kích thước sợi quang
 Bơm đủ cơng suất vào sợi quang đểđảm bảo tín hiệu có thể được phát
hiện ở đầu thu với suy hao biết trước.
 Phát ra ánh sáng ở bước sóng có suy hao và tán xạ thấp. Độ rộng phổ hẹp
để giảm thiểu tán xạ.
 Duy trìđặc tính ổn định trong điều kiện mơi trường thay đổi
 Cho phép điều chế trực tiếp công suát quang phát ra
 Giá thành thấp vàđộ tin cậy cao
LEDs là nguồn phát lý tưởng cho các hệ thống quang đa mode sử dụng
trong mạng LAN hoặc các mạng truy cập. Tuy nhiên LEDs không thể cung cấp
đủánh sáng vào sợi quang đơn mode trên một khoảng cách truyền dẫn lớn.
LASER là nguồn phát ánh sáng được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ
thống truyền dẫn quang. Hầu hết các hệ thống phát Laser được thiết kếđể làm việc
với nhưng bước sóng được quy định bởi ITU-T. Đối với các hệ thống WDM,
người ta thường dùng loại nguồn Laser có thểđiểu chỉnh được đến các bước sóng
khác nhau (Tunable Laser) nhằm tiết kiệm chi phí. Cách khác là dùng các Laser
cố định bước sóng (Fixed Tune Laser) DFB làm việc rất tốt với các ứng dụng
hiện nay. Với các hệ thống WDM có số bước sóng lớn gồm hàng chục đến hàng
trăm bước sóng, cách này trở thành rất tốn kém, gây khó khăn cho nhà sản xuất và
cơng tác vận hành Một lựa chọn khác là dùng mảng Laser (Laser Array), bao
gồm một tập các Laser, với mỗi Laser đã hoạt động ở một bước sóng cố định khác
nhau. Nhưng mặt hạn chế là số bước sóng có sẵn trong một mảng Laser là cố định
và hiện tại giới hạn khoảng 20 bước sóng.


Thiết bị thu tín hiệu quang
Thiết bị thu tín hiệu quang (Optical Receiver) thực hiện chuyển đổi tín hiệu
quang thành tín hiệu điện bằng cách sử dụng linh kiện Photodetector tạo ra dịng
điện có cường độ tỷ lệ với cơng suất quang thu được. Dịng điện sau đóđược

khuếch đại và cho đi qua một thiết bị ngưỡng. Một bít phát đi được xác định làở
mức 0 hay 1 phụ thuộc dòng điện này ở trên hay dưới một ngưỡng nào đó trong
suốt thời gian bit. Nói cách khác sự quyết định được thực hiện dựa vào cường
độánh sáng trong suốt khoảng thời gian bit đó.

2.3 Bộ lọc và bộ ghép kênh quang
Các bộ lọc quang (Optical Filter) là những thành phần chủ yếu trong hệ
thống truyền dẫn WDM đối với ít nhất hai ứng dụng là ghép và tách các bước
sóng, các thiết bị này được gọi là các bộ ghép kênh (MUX) và các bộ phân kênh
(DEMUX). Ngoài ra bộ lọc còn làm phẳng độ lợi và lọc nhiễu trong các bộ khuếch
đại quang.

Hình 8. Bộ lọc và bộ ghép kênh
Một bộ lọc đơn giản là một thiết bị hai cổng chọn một bước sóng và loại bỏ
các bước sóng khác. Nó có thể có một cổng thứ ba thêm vào mà trên đó thu được
các bước sóng bị loại bỏ. Một bộ ghép kênh (MUX) kết hợp các tín hiệu ở các
bước sóng khác nhau trên các đầu vào đưa tín hiệu kết hợp ở một đầu ra chung. Bộ
DEMUX thực hiện chức năng ngược lại. MUX và DEMUX được dùng trong các
thiết bị đầu cuối mạng WDM, các bộ kết nối chéo bước sóng (WXC) và các bộ
ghép kênh xen/tách bước sóng (ADM).
MUX và DEMUX có thể được nối liên tầng để tạo ra các WXC. Hình 9 là
một ví dụ về WXC cố định. Thiết bị gửi các tín hiệu từ một đầu vào đến một ngõ
ra dựa trên bước sóng. WXC động có thể được xây dựng bằng cách kết hợp sử
dụng các bộ chuyển mạch quang với các bộ ghép kênh và phân kênh.


Hình 9. Bộ kết nối chéo cố định
.

2.4 Bộ chuyển mạch quang

Các mạng thông tin quang trước đây sử dụng chuyển mạch điện tử tại các
node mạng. Tuy nhiên ngày nay tốc độ của chuyển mạch điện tử không thể đáp
ứng với yêu cầu về tốc độ bit, và hiệu suất sử dụng băng thông của sợi quang.
Chuyển mạch điện tửở các node trung gian trong mạng cũng làm gia tăng trễ.
Những yếu tố này đã thúc đẩy sự phát triển của mạng tồn quang trong đó các
thành phần chuyển mạch điện tử được thay thế bằng chuyển mạch quang với khả
năng chuyển mạch các luồng dữ liệu quang băng thông cao.
Các bộ chuyển mạch quang được sử dụng trong các mạng quang cho nhiều
ứng dụng khác nhau. Mỗi ứng dụng yêu cầu thời gian chuyển mạch và số cổng
chuyển mạch khác nhau. Một ứng dụng của các bộ chuyển mạch quang là cung
cấp các lightpaths. Trong ứng dụng này, các chuyển mạch được sử dụng bên trong
các bộ WXC nhằm cấu hình lại chúng để cung cấp các lightpaths mới. Sẽ phải có
một phần mềm dùng để quản lý mạng từđầu cuối đến đầu cuối. Một ưng dụng
quan trọng khác là chuyển mạch bảo vệ. ởđây các chuyển mạch được sử dụng để
chuyển các luồng lưu lượng từ một sợi chính sang một sợi khác trong trường hợp
sợi chính bị hỏng. Tồn bộ q trình chuyển luồng phải được hồn thành trong
hàng chục ms, bao gồm thời gian tìm ra lỗi, thông tin lỗi đến các phần tử mạng
đểđiều khiển việc chuyển mạch, và thời gian chuyển mạch thật sự. Vì vậy thời
gian chuyển mạch yêu cầu khoảng một vài ms. Có thể có các dạng chuyển mạch
bảo vệ khác nhau, phụ thuộc vào phương pháp sửđược sử dụng, số lượng cổng
chuyển mạch cần thiết có thể thay đổi từ hàng trăm đến hàng ngàn cổng khi sử
dụng trong các bộ kết nối chéo bước sóng.
Các bộ chuyển mạch quang cũng là phần tử quan trọng trong mạng chuyển
mạch gói quang tốc độ cao. Trong các mạng này, các chuyển mạch được sử dụng
để chuyển các tín hiệu trên cơ sở các gói. Với ứng dụng này, thời gian chuyển
mạch phải nhở hơn nhiều thời gian của một gói nên cần có các bộ chuyển mạch
tốc độ cực cao. Ví dụ kích thước của một cell trong mạng ATM là 53bytes ở tốc độ
10Gbps dài 42ns, vì vậy thời gian chuyển mạch yêu cầu khoảng một vài ns.

Các bộ chuyển mạch quang còn được sử dụng như là cá bộđiều chế bên
ngồi để mở vàđóng dữ liệu trước một nguồn Laser. Trong trường hợp này, thời
gian chuyển mạch phải là một phần nhỏ của độ rộng bit. Do đó một bộđiều chế
bên ngồi cho một tín hiệu 10Gbps (với một khoảng thời gian bit 100ps) phải có
thời gian chuyển mạch khoảng 10ps.

2.5 Bộ chuyển đổi bước sóng
Bộ chuyển đổi bước sóng (Wavelength Converter) là thiết bị có khả năng
chuyển đổi tín hiệu quang từ bước sóng này ở đâu vào sang một bước sóng khác ở
ngõ ra. Bộ WC rất hữu ích trong việc làm giảm xác suất nghẽn mạng. Nếu các bộ
WC được tích hợp vào các bộ OXC trong mạng tồn quang, thì các kết nối có thể
được thiết lập giữa nguồn và đích ngay cả khi bước sóng đó khơng có trên tất cả
các tuyến của đường đi. Chúng sẽ giúp loại bỏ sự bắt buộc về tính liên tục bước
sóng. Dưới đây là một sốđặc điểm mà một bộ WC lý tưởng nên có:


Trong suốt đối với tốc độ bit và các định dạng tín hiệu.



Thời gian tạo bước sóng ở đầu ra nhanh



Chuyển đổi được cả những bước sóng ngắn và dài



Dải bước sóng rộng đối vớicác tín hiệu vào/a



Có tỷ số SNR cao đểđảm bảo khả năng ghép tầng



Cóđộ nhậy thấp với phân cực của tín hiệu vào



Chi phí thấp và lắp đặt đơn giản

Các bộ chuyển đổi bước sóng có thể được chia thành hai dạng dựa vào
lượng chuyển đổi có thể. Một số bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ có thểchuyển
một bước sóng ngõ vào thành bất kỳ bước sóng nào ở ngõ ra. Một bộ chuyển đổi
bước sóng giới hạn chỉ có thể chuyển một bước sóng ngõ vào thành một số các
bước sóng nào đó ở ngõ ra. Một mạng mà có các bộ chuyển đổi bước sóng đầu
đủở tất cả các node sẽ có chất lượng tốt hơn xét về khía cạnh tối thiểu hóa xác suất
nghẽn. Tuy nhiên, điều này khó thực hiện trong thực tế do yếu tố chi phí và phụ
thuộc các giới hạn kỹ thuật. Vì vậy thường một mạng chỉ có một số node được
trang bị các bộ WC đầy đủ hoặc giới hạn. Vì vậy vấn đề lựa chọn các node thích
hợp đểđặc các bộ WC trở nên hết sức quan trọng.
Các kỹ thuật thiết kế bộ chuyển đổi bước sóng có thể được chia ra hai dạng
chuyển đổi bước sóng quang-điện và chuyển đổi bước sóng tồn quang. Dưới đây
sẽ trình bày hai kỹ thuật này.
2.5.1 Chuyển đổi bước sóng O-E
Trong phương pháp này, tín hiệu quang trước tiên được chuyển thành tín hiệu điện
sử dụng một bộ tách sóng. Luồng bit được lưu trữ trong bộ đệm . Sau đó tín hiệu
điện được dùng dể lái ngõ vào của một Tuable Laser để tạo thành một bước sóng
mong muốn ở ngõ ra. Phương pháp này khơng thích hợp cho các tốc độ bít cao

hơn 10Gb/s. Sự tiêu hao nhiều công suất hơn và các thủ túc phức tạp là một số trở


ngại củ phương pháp này khi so với các phương pháp khác. Tuy nhiên quá trình
chuyển đổi O-E ảnh hưởng một cách bất lợi đến tính trong suốt.
2.5.2 Chuyển đổi bước sóng tồn quang
Trong phương pháp này tín hiệu quang ở trong miền quang trong suốt quá
trình chuyển đổi. Ta có thể chia phương pháp này thành các loại sau:
a) Chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng kết hợp
Các phương pháp này dựa vào hiệu ứng trộn 4 bước sóng. Trộn bước sóng
phát sinh từ hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang khi có nhiều hơn 2 bước sóng
cùng truyền trên một sợi quang. Kết quả là sinh ra một bước sóng khác mà cường
độ tỉ lệ với cường dộ các sóng tương tác. Trộn bước sóng duy trì thông tin về pha
và biên độ, cung cấp một sự trong suốt nghiêm ngặt. Nó cũng là phương pháp duy
nhất cho phép đồng thời chuyển một tập nhiều bước sóng ở ngõ vào thành một tập
các bước sống ở ngõ ra và có thể cung cấp các tín hiệu với tốc độ bit vượt qua
100Gb/s. Trong hình 10, giá trị n=3 tương ứng với FWM và n=2 tương ứng với
DFG. Các kỹ thuật này được mô tả dưới đây:
 Trộn bốn bước sóng (FWM) : FWM được sử dụng trong các sợi thủy
tinh, nó làm cho ba sóng quang với các tần số f a , f b , và f c với a#b,c tương tác với
nhau trong hệ thống ghép kênh đa bước sóng tạo ra bước sóng thứ tư có tần số
f abc  fa  fb  fc . FWM có thể thực hiện được trong các ống dẫn sóng bán dẫn
hoặc trong mơi trường tích cực như bộ SOA. Kỹ thuật này cho phép tạo ra sựđộc
lập dạng điều chế và tốc độ bit. Tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng bơm
vào thành năng lượng tín hiệu khơng cao lắm.
 Phát sinh tần số sai phân (DFG) : DFG là kết quả của sự tương tác
phi tuyến của một mơi trường với hai sóng quang : một sóng bơm và một sóng tín
hiệu. Kỹ thuật này cung cấp một phạm vi trong suốt hoàn tồn mà khơng thêm vào
nhiễu, nhưng hiệu suất thấp và nhạy với sự phân cực. Khó khăn chính trong việc
thực hiện kỹ thuật này nằm ở chỗ làm khớp pha của các sóng tương tác và chế tạo

một ống dẫn sóng suy hao thấp để đạt được năng suất chuyển đổi cao.

Hình 10. Chuyển đổi bước sóng
b) Chuyển đổi bước sóng dùng điều biên chéo (XPM)
Kỹ thuật này sử dụng các thiết bị bán dẫn tích cực như các bộ khuêchs đại
quang học và laser bán dẫn.


 Bộ khuêch đại quang bán dẫn (SOA) ở chế độ XGM và XPM :
Nguyên tắc sử dụng một bộ khuêch dại ở chế độ điều chế chéo độ lợi hay hệ số
khuêch đại (XGM) như sau : tín hiệu ngõ vào điều chế độ lợi trong SOA. Một tín
hiệu sóng liên tục (CW) ở bước sóng ngõ ra mong muốn ( c ) được điều chế bằng
sự thay đổi độ lợi để cho nó mang cùng thơng tin với tín hiệu ngõ vào ban đầu. Tín
hiệu CW có thể được phóng vào SOA cùng hướng hoặc ngược hướng với tín hiệu
vào. XGM cho ra một tín hiệu được chuyển đổi bước sóng đảo ngược lại so với tín
hiệu ngõ vào. Phương pháp XGM dễ dàng thực hiện, tuy nhiên nó gặp trở ngại là
sựđảo lại của luồng bít được chuyển đổi.
Hoạt động của bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng SOA trong mode điều chế
xuyên pha XPM dựa vào sự phụ thuộc của chỉ số khúc xạ của SOA vào mật đọ
sóng mang trong vùng tích cực. Một tín hiệu đi vào sẽđiều chế chỉ số khúc xạ và
kết quả làđiều chế pha của tín hiệu CW được phép chuyển đổi. Với XPM, tín hiệu
ngõ ra được chuyển đổi có thể bịđảo cũng có thể khơng. XPM mang lại hiệu quả
cao hơn so với XGM.
 Laser bán dẫn: Sử dụng laser bán dẫn đơn mode, cường độ laser được
điều chế bởi ánh sáng tín hiệu ngõ vào thơng qua sự bão hịa. Tín hiệu ngõ ra thu
được bịđảo so với tín hiệu ngõ vào.

2.6 Bộ khuếch đại quang
Trong quá trình truyền cường độ tín hiệu quang bị suy hao do các hiện
tượng vật lý trong sợi quang gây nên. Ngoài ra các thành phần quang khác, như

các bộ ghép nối, mối hàn cũng gây ra suy hao. Sau một khoảng cách nhất, suy hao
tích lũy làm cho tín hiệu bị yếu dần đến mức dưới độ nhạy của bộ thu quang. Do
đóđể có thể truyền được tín hiệu quang đi xa, ngồi việc tăng cơng suất phát ban
đầu, ta phải dùng các bộ lặp tái sinh hoặc bộ khuếch đại quang sau một khoảng
cách truyền nhất định. Một bộ lặp tái sinh sẽ phải thực hiện biến đổi O/E/O, nên
nó sẽ làm hạn chế tính trong suốt đối với đặc tính tín hiệu truyền, đồng thời tăng
chi phí bảo trì.
Kỹ thuật khuếch đại quang mang lại nhiều thuận lợi hơn các bộ lặp. Bộ
khuếch đại quang không phụ thuộc vào tốc bit và các định dạng tín hiệu. Một hệ
thống sử dụng khuếch đại quang có thể dễ dàng nâng cấp hơn, ví dụ như đến một
tốc độ bit cao hơn mà không cần phải thay thế các bộ khuếch đại. Hơn nữa, các bộ
khuếch đại quang có một băng thơng khá rộng nên có thể được dùng khuếch đại
đồng thời nhiều tín hiệu WDM. Nếu khơng với mỗi bước sóng ta phải có một bộ
lặp. Điều này cho thấy các bộ khuếch đại quang thật sự cần thiết cho các hệ thống
ghép kênh theo bước sóng.
Ở đây ta sẽ xem xét hang loại khuếch đại quang cơ bản: EDFA ( EribiumDoped Fiber Amplifiers) và SOA (Sermiconductor Optical Amplifiers)
Bộ khuếch đại EDFA
Bộ khuếch đại quang EDFA hoạt động trong dải từ 1530nm đến 1560nm.
Cấu tạo EDFA gồm một đoạn silica ma phần lõi được cấy vào các ion E3+ của
nguyên tố Eribi. ở đầu cuối sợi quang, một laser phát đi một tín hiệu (pumped
signal) vào sợi quang. Để kết hợp tín hiệu gốc đặt ở đầu vào với tín hiệu laser,


người ta dùng một bộ ghép ph ụđược đặt trước đoạn cáp. Thơng thường sẽ có một
bộ cách ly được dùng trước ngõ vào hoặc ngõ ra của bộ khuyếch đại để ngăn cản
sự phản xạ ngược trở lại vào trong bộ khuếch đại.

Hình 11. Cấu tạo bộ
khuếch đại EDFA
Tín hiệu bơm kích thích các nguyên tử Er3+đến một mức năng lượng cao

hơn. Sự chuyển dịch mức năng lượng của điện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra một
photon, được goi là bức xạ tự phát nếu như không có bất cử một tác động nào khác
chen vào, hoặc bức xạ kích thích do sự có mặt của các photon chứa năng lượng
bằng năng lượng dịch chuyển. Thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng
cao vào khoảng 10-9s đảm bảo cho các ion E3+ đợi để được khuếch đại tín hiệu
bằng bức xạ kích thích. Khi tín hiệu đầu vào được bơm vào EDFA, nó kích thích
sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng tháI kích thích, do vậy khuếch đại cơng
suất tín hiệu.
Hầu hết các EDFA được bơm bằng laser với bước sóng 980nm hoặc
1480nm. Bước sóng 980nm cho hiệu suất độ lợi khoảng10dB/mW, trong khi bước
sóng 1480nm cho hiệu suất khoảng 5dB/mW. Một hạn chế của khuếch đại quang
làđộ lợi phổ không đồng đều. Độ lợi phổ EDFA được vẽ trong hình 12 dưới đây.
Ngồi ra, các bộ khuếch đại cũng khuếch đại nhiễu như tín hiệu, và vùng tích cực
của bộ khuếch đại cũng tự động phát ra các photon và vùng tích cực của bộ
khuếch đại cũng tự động phát ra các photon, làm hạn chế hiệu suất của bộ khuếch
đại.


Hình 12. Đường cong độ lợi khuếch đại theo bước
sóng
Một số phương pháp làm phẳng độ lợi của EDFA đã được nghiện cứu như
sử dụng bộ lọc quanh tần số 1530nm để nén đỉnh trong vùng này. Tuy nhiên khi có
nhiều bộ khuếch đại EDFA được ghép liên tầng, một đỉnh khác xuất hiện quanh
bước sóng 1560nm, lúc đó một bộ lọc ở tần số 1560nm được sử dụng. Một
phương pháp khác là hiệu chỉnh công suất phát đầu vào để cho cơng suất trên mọi
bước sóng nhận được ở bên thu như nhau. Cách này được áp dụng trong mạng
vòng Ring WDM.
Bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA
Về cơ bản bộ khuếch đại SOA (Semiconductor Optical Amplifier) có cấu
tạo là một ghép nối P-N (xem hình 13). Lớp giữa được hình thành ở mối nối hoạt

động như là một vùng tích cực. Ánh sáng được khuếch đại do sự phát xạ kích
thích khi nó lan truyền qua vùng tích cực này. Đối với một bộ khuếch đại, hai đầu
cuối của vùng tích cực được phủ một lớp khơng phản xạ để loại bỏ gợn sóng trong
độ lợi của bộ khuếch đại.

Hình 13 Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại bán dẫn
Hai dạng Laser bán dẫn cơ bản là Fabry-Perot Amplifier và TravellingWave Amplifier (TWA). Sự khác nhau cơ bản giữa hai loại này là tính phản xạ của
hai gương đầu cuối. Tính phản xạ của Fabry-Perot khoảng 30%, của TWA khoảng
0.01%. Tính phản xạ cao hơn trong Fabry-Perot gây ra cộng hưởng trong bộ
khuếch đại làm cho dải thơng hẹp khoảng 5GHz. Vì vậy TWA thích hợp hơn Fabry
–Perot dùng cho các mạng WDM.
Ngày nay các bộ khuếch đại bán dẫn có thểđạt được độ lợi 25dB với một độ
bão hoà là 10dBm, độ nhạy phân cực là 1dB và phạm vi băng thông 40nm. Một
thuận lợi của các bộ khuếch đại bán dẫn là khả năng tích hợp chúng vào các thành
phần khác.


2.7 Cấu trúc mạng DWDM
Trong phần này ta sẽ đi tìm hiểu cấu trúc tổng quát của một mạng WDM.
Cấu trúc của mạng được mơ tả trong hình 14 gồm các thiết bị đầu cuối (OLT), các
bộ ghép kênh xen/tách quang (OADM) và các bộ kết nối chéo quang OXC liên kết
với nhau qua các kết nối sợi quang. Hình vẽ không chỉ ra các bộ khuếch đại
quang, được triển khai dọc theo tuyến truyền dẫn nhằm đảm bảo công suất quang
tại đầu thu. Ngoài ra, trong các OLT, OADM, OXC cũng có thể tích hợp các bộ
khuếch đại quang bên trong để bù suy hao. ở đây, OLT được triển khai rộng rãi,
OADM được triển khai ở phạm vi nhỏ hơn và OXC chỉ mới bắt đầu được triển
khai.
Cấu trúc mạng này liên kết các mạng thuộc các loại khác nhau như mạng
vòng (Ring), mạng mắt lưới (mesh). Một sốđặc điểm đáng chúý của kiến trúc này:
 Sử dụng lại bước sóng: Nhiều lightpath trong mạng có thể sử dụng

cùng bước sóng khi chúng khơng trùng nhau trên bất cứ tuyến nào. Khả năng sử
dụng lại này cho phép mạng hỗ trợ một số lớn các lightpath sử dụng một số giới
hạn các bước sóng.
 Chuyển đổi bước sóng: Lightpath có thể trải qua nhiều chuyển đổi
bước sóng dọc theo lộ trình (route) của nó. Chuyển đổi bước sóng có thể cải thiện
hiệu quả sử dụng các bước sóng trong mạng. Chuyển đổi bước sóng cũng cũng cần
thiết ở những phần giáp danh mạng ngồi nhằm đưa các tín hiệu từ các nguồn bên
ngồi vào bước sóng phù hợp để sử dụng bên trong mạng.
 Tính trong suốt: Nghĩa là các lightpath có thể mang dữ liệu với các
tốc độ bit, định dạng khác nhau.
 Mang tính chuyển mạch kênh: Các lightpath được cung cấp ở lớp
quang có thể được thiết lập và kết thúc theo yêu cầu. Điều này giống như việc thiết
lập và giải phóng các kênh trong mạng chuyển mạch kênh.
 Khả năng dự phòng: Mạng có thể được cấu hình sao cho trong
trường hợp bịđứt một lightpath nào đó, các ligthpath có thể được định tuyến lại
bằng các đường thay thế một cách tự động .