đồ án : phương pháp và kĩ thuật gom lưu lượng và đánh giá công nghệ WDM:

Đồ án tốt nghiệp Mục lục
MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC HÌNH VẼ ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU iii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv
LỜI NÓI ĐẦU vi
CHƯƠNG I 8
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM 8
1.1 Giới thiệu công nghệ WDM 8
1.1.1 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM 9
1.1.2 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng 10
1.2 Cấu trúc phân lớp mạng WDM 13
1.2.1. Mô hình phân lớp 13
1.2.2 Các phần tử trong mạng quang WDM 16
Cấu trúc chung và các thành phần chính của hệ thống thông tin quang WDM được thể hiện
trong hình vẽ 1.4 dưới dây 17
1.3 Xu hướng phát triển cấu trúc mạng WDM 24
CHƯƠNG II 28
KĨ THUẬT GOM LƯU LƯỢNG TRONG MẠNG MESH WDM 28
2.1 Giới thiệu 28
2.2 Gom lưu lượng tĩnh 29
2.2.1 Kiến trúc nút mạng 31
2.2.2 Các thuật toán gom lưu lượng tĩnh 33
2.3 Gom lưu lượng động 44
2.3.1 Xây dựng mô hình hỗ trợ 46
2.3.2 Thuật toán 48
2.3.3 Các cơ chế gom lưu lượng 50
2.4 Kết luận 52
CHƯƠNG 3 53
KIẾN TRÚC GOM LƯU LƯỢNG 53

3.1 Các kiến trúc gom lưu lượng khác nhau và các cơ chế gom lưu lượng tương ứng 53
3.1.1 OXC gom lưu lượng đơn chặng 53
3.1.2 OXC gom lưu lượng một phần đa chặng 54
3.1.3 OXC gom lưu lượng hoàn toàn đa chặng 58
3.1.4 OXC gom lưu lượng tại nguồn dựa vào cây bước sóng 60
3.2 So sánh hiệu năng của các cơ chế gom lưu lượng khác nhau 61
Nguyễn Thị Hảo-D04VT2 i
Đồ án tốt nghiệp Mục lục
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Nguyên lí cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM 11
Hình 1.2 Các lớp con trong lớp quang của mạng WDM 14
Hình 1.3 Vị trí của WDM trong mạng truyền tải 15
Hình 1.4 Xu hướng mạng truyền tải quang trong tương lai 16
Hình 1.5 Cấu trúc của một hệ thống WDM đơn giản 17
Hình 1.6 Cấu trúc bộ xen/ rẽ quang 19
Hình 1.7 Thiết bị nối chéo quang 20
Hình 1.8 Chức năng của OXC theo mô hình phân lớp 21
Hình 1.9 Cấu trúc bộ ghép/tách kênh quang 22
Hình 1.10 Hệ thống WDM song hướng 23
Hình 1.11 Hệ thống WDM đơn hướng 24
Hình 1.12 Xu hướng phát triển cấu trúc mạng 26
Hình 2.1 Thí dụ minh họa cho gom lưu lượng tĩnh 30
Hình 2.2 Thí dụ về kiến trúc nút: IP over WDM 32
Hình 2.3 Thí dụ minh họa cho một liên kết quang, một đường quang và một yêu
cầu kết nối 34
Hình 2.4 Thông lượng mạng trên số lượng bước sóng trong một mạng 6 nút với 10
bộ thu phát thích ứng tại mỗi nút 43
Hình 2.5 Thông lượng mạng trên số lượng bộ thu phát thích ứng trong một mạng 6
nút với 10 bước sóng trên mỗi liên kết quang 44
Hình 2.6 (a) Tôpô vật lí của mạng, (b) Tôpô ảo của mạng, (c) Mô hình hỗ trợ của

mạng 46
Hình 3.1 Kiến trúc OXC gom lưu lượng một phần đa chặng 55
Hình 3.2 Thí dụ về các cơ chế gom lưu lượng đơn chặng, đa chặng và gom lưu
lượng tại nút nguồn 56
Hình 3.3 Tổng quan về cấu trúc chuyển mạch TST 59
Hình 3.4 Kiến trúc OXC gom lưu lượng tại nút nguồn 61
Nguyễn Thị Hảo-D04VT2 ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 So Sánh lưu lượng tối ưu của thuật toán ILP và heuristic 42
Bảng 3.1 Tổng kết các đặc tính của các OXC gom lưu lượng khác nhau 62
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ADM Add/Drop Multiplexer Bộ xen/rẽ quang
APD Avalanche Photodiot Diôt tách sóng thác
ATM Asynchronous Transfer
Mode
Chế độ truyền không đồng
bộ
CvtE Converter Edge Biên chuyển đổi
DEMUX Demultiplexer Thiết bị phân kênh
DmxE Demux Edges Biên tách
DSF Dispersion Shifted Fibre Sợi dịch tán sắc
DXC Digital Cross-Connect Kết nối chéo số
EDFA Erbium Doped Fiber
Amplifier
Bộ khuyếch đại sợi pha tạp
Erbium
FWM Four-Wave Mixing Trộn bốn sóng
ILP Integer Linear Program
IP Internet Protocol Giao thức Internet
LPE Lightpath Edge Biên đường quang

MinLP Minimize the Number of
Lightpaths
Tối thiểu số các đường
quang
MinTHP Minimize the Number of
Traffic Hops on the
Physical Topology
Tối thiểu số các chặng trên
cấu hình vật lí
MinTHV Minimize the Number of
Traffic Hops on the Virtual
Topology
Tối thiểu số các chặng trên
cấu hình ảo
MinWL Minimize the Number of
Wavelenght-Link
Tối thiểu số các liên kết bước
sóng
MRU Maximizing Resouce
Utilization
Tối đa tận dụng tài nguyên
MST Maximizing Single-Hop
Traffic
Tối đa lưu lượng đơn chặng
MUX Multiplexer Bộ ghép kênh
MuxE Mux Edges Biên ghép
NC&M Network Control and
Management Unit
Khối quản lí và điều khiển
mạng

NNI Network-to-Network
Interface
Giao diện mạng-mạng
NUI Network-to-User Interface Giao diện mạng-người sử
dụng
OADM Optical Add Drop
Multiplexer
Thiết bị xen/rẽ kênh quang
OC Optical Carrier Sóng mang quang
OCh Optical Chanel Kênh quang
O-E Optical-Enectronical Biến đổi quang-điện
OMS Optical Multiplex Section Lớp đoạn ghép kênh quang
OTDM Optical Time Division
Multiplexing
Ghép kênh quang phân chia
theo thời gian
OTM Optical Termination
Multiplexer
Bộ đầu cuối ghép kênh
quang
OTS Optical Transmission
Section
Lớp đoạn truyền dẫn quang
OXC Optical Cross-Connect Nối chéo quang
PIN
RWA Routing and Wavelenght
Assignment
Định tuyến và gán bước sóng
RxE Receiver Edges Biên thu
SDH Synchronous Digital

Hierarchi
Phân cấp số đồng bộ
SNR Singnal Noise Rate Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
SONET Synchronous Optical
Network
Mạng quang đồng bộ
TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo
thời gian
TST Time-Space- Time Thời gian-Không gian-Thời
gian
TxE Transmission Edge Biên phát
UNI User- to-Network Interface Giao diện người sử dụng
mạng
WBE Wavelengtht Bypass Edge Biên lưu thông bước sóng
WDM Wavelenght Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo
bước sóng
WLE Wavelengtht-Link Edge Biên liên kết bước sóng
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Nhu cầu trao đổi thông tin của con người ngày càng tăng dẫn đến sự bùng nổ
của các loại hình dịch vụ thông tin, đặc biệt là sự phát triển nhanh chóng của
Internet và Web làm gia tăng không ngừng nhu cầu về dung lượng mạng. Điều này
đòi hỏi phải xây dựng và phát triển các mạng quang tốc độ cao đi đôi với việc cải
tiến và áp dụng các công nghệ truyền dẫn mới để có thể đáp ứng được nhu cầu
khách hàng cả về số lượng và chất lượng. Công nghệ ghép kênh phân chia theo
bước sóng (WDM) là một giải pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hữu hiệu băng
thông rộng lớn của sợi quang, nâng cao rõ rệt dung lượng hệ thống và hạ giá thành
sản phẩm. Hệ thống truyền dẫn WDM trước đây thường được triển khai theo cấu

hình ring, tuy nhiên cấu hình này còn tồn tại một số hạn chế như khó khăn về vấn
đề thay đổi và tăng lưu lượng hệ thống. Vì thế ngày nay, mạng quang thế hệ tiếp
theo mong muốn xây dựng theo cấu hình mạng Mesh WDM định tuyến bước sóng
thông minh. Cấu hình này cho phép cấp phát băng thông tự động khá nhanh và tiện
lợi với các cơ chế bảo vệ hiệu quả và dễ dàng thay đổi.
Nhờ công nghệ WDM, dung lượng truyền dẫn của mỗi liên kết trong mạng
tăng lên đáng kể.Tuy nhiên, hiệu suất của mạng bị hạn chế bởi khả năng xử lí của
các phần tử mạng chủ yếu là thiết bị điện. Kĩ thuật gom các luồng lưu lượng tốc độ
thấp vào các kênh quang dung lượng cao có thể tối thiểu quá trình xử lí điện và
tăng hiệu suất của mạng, đây là một chủ đề nổi bật đang được quan tâm và nghiên
cứu hiện nay. Vì vậy, trong đồ án này em đi sâu tìm hiểu về các phương pháp và kĩ
thuật gom lưu lượng, so sánh kết quả và đánh giá để lựa chọn phương pháp gom
lưu lượng tối ưu nhất tùy theo yêu cầu về lưu lượng và trạng thái mạng giúp giảm
chi phí cho các thiết bị mạng. Để đạt được mục tiêu đó, nội dung đồ án của em gồm
những vấn đề chính sau:
● Tổng quan về công nghệ WDM: Trong phần này em trình bày tổng quan về công
nghệ WDM, tìm hiểu ưu, nhược điểm và những ứng dụng của nó, nghiên cứu xu
hướng phát triển về cấu trúc mạng WDM theo sự phát triển của công nghệ và yêu
cầu băng thông.
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu
● Phương pháp gom lưu lượng: Các thuật toán gom lưu lượng tĩnh, lưu lượng động
được trình bày cụ thể trong phần thứ 2 này. Sau đó thực hiện việc so sánh, đánh giá
hiệu quả của các thuật toán và phương pháp gom lưu lượng này.
● Kiến trúc gom lưu lượng: Phần này trình bày về các kiến trúc gom lưu lượng và
các cơ chế gom khác nhau cho lưu lượng động tùy theo trạng thái mạng khác nhau.
Kĩ thuật gom lưu lượng trong mạng WDM có nội dung rộng và tương đối
mới mẻ, tuy vậy em xin mạnh dạn tìm hiểu một phần nội dung cụ thể để có thể
nâng cao khả năng nghiên cứu khoa học của bản thân. Trong thời gian thực hiện đồ
án, em đã cố gắng tìm hiểu tài liệu, vận dụng những kiến thức đã học và tham khảo
ý kiến của giáo viên hướng dẫn nhưng do kiến thức còn hạn chế nên không tránh

khỏi những thiếu sót, em mong nhận được sự góp ý chân thành của các thầy cô
giáo và các bạn để đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Viễn thông, bộ môn
Thông tin quang những người đã giúp đỡ em trong thời gian qua. Em xin cảm ơn
cô Ngô Thu Trang người đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và hoàn
thành đồ án. Cảm ơn đến bạn bè và người thân đã tạo điều kiện và động viên để
bản đồ án này hoàn thành tốt đẹp.
Hà Nội, ngày… tháng… năm 2008
Sinh viên
Nguyễn Thị Hảo
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM
Trong những năm gần đây, các dịch vụ thông tin tăng trưởng ngày càng
nhanh chóng, yêu cầu về dung lượng truyền dẫn ngày càng lớn, đồng thời yêu cầu
về chất lượng truyền dẫn cũng ngày càng cao hơn. Để thích ứng với sự tăng trưởng
không ngừng đó và thoả mãn yêu cầu về tính linh hoạt của mạng, các công nghệ
truyền dẫn khác nhau đã được nghiên cứu, triển khai thử nghiệm và đưa vào ứng
dụng, trong số đó phải kể đến công nghệ TDM, WDM, OTDM, Soliton. Trong
chương I này, em xin trình bày chi tiết về công nghệ WDM và xu hướng phát triển
các cấu trúc mạng WDM.
1.1 Giới thiệu công nghệ WDM
Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM - Wavelength Division
Multiplexing) là công nghệ truyền đồng thời nhiều bước sóng khác nhau trên một
sợi quang, với dung lượng trên mỗi bước sóng điển hình là 2,5 Gbps. Số lượng
ghép thường là (2 – 16) bước sóng (trong tuơng lai, con số này còn lớn hơn). Ở đầu
vào, các bước sóng mang thông tin (các kênh quang) được ghép trên cùng một sợi
quang và được truyền dẫn tới đầu thu. Tại đầu thu, các bước sóng ghép đó được
tách ra bằng các bộ tách kênh quang. Dọc theo tuyến truyền dẫn có thể có các bộ
khuếch đại quang để bù lại suy hao truyền dẫn.

Công nghệ WDM có thể mang đến giải pháp hoàn thiện nhất trong điều kiện
công nghệ hiện tại. Thứ nhất, nó vẫn giữ tốc độ xử lí của các linh kiện điện tử ở
mức 10Gbs, đảm bảo thích hợp với sợi quang hiện tại. Thay vào đó, công nghệ
WDM cho phép tăng băng thông của hệ thống bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc
của sợi quang trong khoảng bước sóng 1260nm đến 1675nm.
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
Ngoài ra, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử như bộ tách ghép
quang, bộ nối chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiện lựa
chọn kênh động hoặc tĩnh…
Công nghệ WDM nâng cấp để mở rộng dung lượng phát triển dịch vụ băng
rộng, khai thác đầy đủ tiềm năng băng rộng của sợi quang, thực hiện truyền dẫn
thông tin siêu tốc, có ý nghĩa rất quan trọng trong truyền dẫn cáp sợi quang nói
riêng, trong công nghiệp viễn thông nói chung. Thực sự, nó là công nghệ đáng được
quan tâm, nghiên cứu và triển khai ứng dụng rộng rãi.
1.1.1 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM
● So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy
những ưu điểm nổi trội:
 Dung lượng truyền dẫn lớn
Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứng với tốc
độ bit nào đó (TDM). Do đó hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn
nhiều so với các hệ thống TDM. Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi
bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s
đã được thử nghiệm thành công. Trong khi với hệ thống TDM thử nghiệm, tốc độ
bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s).
 Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống
TDM đơn kênh tốc độ cao.
Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn
tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bước sóng riêng
(kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp. Điều này làm giảm đáng kể tác
động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do đó tránh được sự phức

tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao.
 Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả khi
hệ thống vẫn đang hoạt động.
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có mà không
phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang). Bên cạnh đó nó cũng mở ra một
thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc thuê sợi
hoặc cáp. Việc nâng cấp chỉ đơn giản là cắm thêm các Card mới trong khi hệ thống
vẫn hoạt động (plug-in-play).
 Quản lý băng tần hiệu quả và tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt.
Nhờ việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM nên nó có khả
năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu
kỳ sống của hệ thống mà không cần đi lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại.
 Giảm chi phí đầu tư mới.
● Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm
ở ngay bản thân công nghệ. Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ
này.
 Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang.
Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng
nhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang. Cho dù
công nghệ còn phát triển nhưng dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn.
 Chi phí cho khai thác và bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt
động hơn.
1.1.2 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng
Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ cơ bản để tạo nên mạng
quang. Kỹ thuật này tận dụng băng tần của sợi quang bằng cách truyền nhiều kênh
bước sóng quang độc lập và riêng rẽ trên cùng một sợi quang. Mỗi bước sóng biểu
thị cho một kênh quang trong sợi, ta có thể hiểu là mỗi một màu sắc khác nhau là
một kênh thông tin quang khác nhau. Và như vậy tín hiệu truyền trên hệ thống
WDM sẽ giống như một chiếc “cầu vồng”. Mặc dù bước sóng ứng dụng trong

thông tin là những bước sóng không nhìn thấy, song đây là một cách thức rất trực
quan để mô tả nguyên lý này.
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
Hình 1.1 Nguyên lí cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM
Trên một sợi quang hoặc một hệ thống thông tin quang ta có thể ghép bước
sóng quang theo một hướng đi hoặc cả hai hướng đi và hướng về.
Gần đây, công nghệ WDM được phát triển lên thành công nghệ DWDM. Về
nguyên lý không có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm này, DWDM nói đến
khoảng cách gần giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số lượng kênh riêng rẽ
(mật độ kênh) trong hệ thống. Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường
nằm trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu là 1550 nm vì phạm vi ứng dụng hệ
thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và dung lượng truyền dẫn lớn.
Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM 80 kênh với
khoảng cách kênh rất nhỏ (xấp xỉ 0,5 nm).
Nhìn chung, hệ thống truyền dẫn WDM và hệ thống truyền dẫn quang SDH
có rất nhiều điểm tương tự. Cả hai hệ thống đều có:
• Các thiết bị ghép tách kênh đầu cuối (MUX, DEMUX).
• Các thiết bị khuếch đại đường truyền hoặc thiết bị lặp (Line Amplifier,
Regenerator )
• Các thiết bị xen/rẽ kênh (ADM).
• Các thiết bị nối chéo (Cross-Connect Equipment).
• Sợi quang.
.
.
.
.
.
.
λn
.

.
.
λ1λ2 λnλ1λ2 λn
M
U
X
D
E
M
U
X
λ1
λn
λ2

λ1
λ2
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
Tuy nhiên khác biệt quan trọng giữa hai hệ thống truyền dẫn này là ở chỗ:
Hệ thống truyền dẫn SDH chỉ dùng một bước sóng quang cho mỗi hướng phát, còn
hệ thống WDM thì dùng nhiều bước sóng (từ hai bước sóng trở lên); đối tượng làm
việc của hệ thống SDH là các luồng tín hiệu số PDH/SDH, còn của hệ thống WDM
là các bước sóng và các bước sóng này không nhất thiết chuyển tải tín hiệu số. Mỗi
bước sóng có chức năng như một sợi quang cung cấp môi trường truyền tín hiệu
cho hệ thống khác và vì vậy gọi là “sợi quang ảo”.
WDM ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tăng vọt về băng thông do sự phát triển
chưa từng thấy của mạng máy tính toàn cầu Internet, sự ra đời của các ứng dụng và
dịch vụ mới trên nền tảng Internet. Trước khi công nghệ WDM ra đời, người ta tập
trung mọi nỗ lực để nâng cao tốc độ truyền dẫn của các hệ thống SDH nhưng kết
quả thu được không mang tính đột phá vì công nghệ xử lý tín hiệu điện tại tốc độ

cao đã dần đến giới hạn. Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s bản thân các mạch
điện tử không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kì hẹp. Thêm vào đó
chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt động khá phức tạp, đòi hỏi
công nghệ rất cao. Trong khi đó băng thông cực lớn của sợi quang mới được sử
dụng một phần nhỏ. Tuy nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM rất giống với
nguyên lý ghép kênh theo tần số FDM, nhưng các hệ thống WDM chỉ được thương
mại hoá khi một số công nghệ xử lý tín hiệu quang trở nên chín muồi, trong đó phải
kể đến thành công trong chế tạo các laser phổ hẹp, các bộ lọc quang, và đặc biệt là
các bộ khuếch đại đường truyền quang dải rộng (khuếch đại quang sợi EDFA,
khuếch đại Raman).
Các laser phổ hẹp có tác dụng giảm tối đa ảnh hưởng lẫn nhau của các bước
sóng khi lan truyền trên cùng một sợi quang. Các bộ lọc quang dùng để tách một
bước sóng ra khỏi các bước sóng khác. Các bộ khuếch đại đường truyền dải rộng
cần để tăng cự ly truyền của tín hiệu quang tổng gồm nhiều bước sóng, nếu không
có các bộ khuếch đại này thì các điểm cần tăng công suất tín hiệu người ta phải
tách các bước sóng ra từ tín hiệu tổng, sau đó hoặc là khuếch đại riêng rẽ từng bước
sóng rồi ghép chúng trở lại, hoặc là phải thực hiện các bước chuyển đổi quang-
điện-quang trên từng bước sóng rồi mới ghép, và như vậy sẽ tốn kém và làm cho hệ
thống trở nên kém tin cậy.
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
1.2 Cấu trúc phân lớp mạng WDM
1.2.1. Mô hình phân lớp
Theo khuyến nghị của ITU-T thì mạng quang được phân chia thành ba lớp,
nằm dưới lớp đoạn lặp trong mô hình SDH.
 Lớp kênh quang, còn gọi là lớp tuyến quang (OCh – Optical Channel). Lớp
này có chức năng định tuyến từ đầu đến cuối các tuyến quang. Mỗi OCh đi
qua một số đoạn khuếch đại trong mạng và mỗi đoạn khuếch đại mang
nhiều bước sóng.
 Lớp đoạn ghép kênh quang (OMS – Optical Multiplex Section) được sử
dụng để mô tả một chặng điểm nối điểm dọc tuyến quang. Mỗi OMS bao

gồm một số đoạn lặp nằm giữa hai bộ khuếch đại.
 Lớp đoạn truyền dẫn quang, hay còn gọi là lớp khuếch đại quang (OTS –
Optical Transmission Section).
Lớp điện

WDM


OCh - Lớp kênh quang
OMS - Lớp ghép kênh quang
OTS - Lớp truyền dẫn quang
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
Hình 1.2 Các lớp con trong lớp quang của mạng WDM
Trong mô hình phân lớp giao thức ở mạng truyền tải dưới đây thì quan hệ
lớp ATM; SDH với lớp WDM là quan hệ giữa lớp client và lớp server. Các tín hiệu
SDH và ATM đại diện cho tín hiệu ở lớp client được truyền tải trên hệ thống
WDM. Nếu xét đến khái niệm phân lớp mạng thì hệ thống WDM được xem như
phương tiện vật lý, cùng với sợi quang tạo thành lớp “kênh quang”.
Dưới góc độ phát triển hệ thống thì WDM cùng với thiết bị xen/rẽ kênh
quang (OADM) và bộ nối chéo quang (OXC) sẽ tạo thành một lớp mạng quang. Sự
phát triển này tiến tới một mạng truyền dẫn sử dụng kênh bước sóng hay nói ngắn
gọn là lớp mạng quang ở dưới lớp client, tức là sẽ tách mạng truyền dẫn về mặt
tôpô thành hai lớp quang và điện, trong đó hệ thống WDM là hạt nhân của “lớp
mạng quang”.
Bộ khuyếch đại quang
Kết nối
Đoạn
khuếch
đại
Đoạn

ghép
Kênh
Đoạn
khuếch
đại
Đoạn
ghép
Kênh
Đoạn
khuếch
đại
Đoạn
ghép
Đoạn
khuếch
đại
Nút
WDM
Nút
WDM
Nút
WDM
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
Hình 1.3 Vị trí của WDM trong mạng truyền tải
Lớp mạch điện
(như ATM,IP
IP )
Lớp kênh SDH
Lớp kênh
quang WDM

OXC và OADM
Bộ định tuyến
và chuyển
mạch ATM
DXC và ADM
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
Với sự phát triển mạnh của các thiết bị chuyển mạch quang và chuyển đổi
bước sóng thì xu hướng tiến tới mạng toàn quang là không xa.
Hình 1.4 Xu hướng mạng truyền tải quang trong tương lai
1.2.2 Các phần tử trong mạng quang WDM
MPLS
WDM/OTN
Voice, IP
ATM

SDH
Voice, IP
Giao diện quang mở
SDH ATM
IP
WDM/OTN
Mạng quang tương lai Mạng quang hiện tại
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
Cấu trúc chung và các thành phần chính của hệ thống thông tin quang WDM
được thể hiện trong hình vẽ 1.4 dưới dây
Hình 1.5 Cấu trúc của một hệ thống WDM đơn giản
Nói chung, hệ thống WDM bao gồm nguồn quang, bộ ghép/tách kênh quang
(MUX/DEMUX), sợi quang, các bộ khuếch đại quang (EDFA), các bộ nối chéo
quang (OXC), các bộ xen rẽ kênh quang (OADM), chuyển mạch quang và các bộ
lọc, Ngoài ra, còn có thêm các hệ thống kênh tín hiệu điều khiển giám sát và hệ

thống quản lí.
• Nguồn phát: Nguồn phát sử dụng trong các hệ thống WDM thường là laser
như sử dụng trong các hệ thống khoảng cách lớn thông thường. Tuy nhiên, chúng
phải đáp ứng được các yêu cầu nghiêm ngặt hơn.
• Bộ thu: Bộ thu có chức năng biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và
phải hoàn toàn tương thích với bộ phát cả về bước sóng và các đặc tính điều chế.
Có 2 loại bộ thu thường được sử dụng cho các hệ thống WDM là photodiode PIN
và photodiode thác APD. PIN hoạt động với nguồn công suất thấp hơn (5V) nhưng
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
lại có độ nhạy thấp và băng tần hẹp hơn APD. APD phù hợp cho các ứng dụng cự
ly lớn. Các tham số cơ bản để đánh giá một bộ thu như: phổ công suất, độ nhạy thu,
dải động, nhiễu…
• Sợi quang: Sợi quang là thành phần cơ bản của một mạng quang. Sợi đơn
mode tiêu chuẩn (G.652) có tán sắc bằng 0 tại bước sóng 1310nm và giá trị tán sắc
lớn tại 1550nm (18ps/nm.km) hiện nay vẫn được sử dụng làm môi trường truyền
dẫn cho các hệ thống WDM. Mặc dù có đặc tính không tương thích với cửa sổ
EDFA tại 1550nm này nhưng các phép đánh giá gần đây đã cho thấy rằng loại sợi
này có thể dùng cho các hệ thống WDM tốc độ trung bình mà không làm suy giảm
chất lượng tín hiệu qua các khoảng cách đáng kể nếu hệ thống có sử dụng sợi bù
tán sắc hoặc các thiết bị bù tán sắc khác. Sợi dịch tán sắc, DSF, (G.653) tuy có tán
sắc bằng 0 tại bước sóng 1550nm nhưng không được khuyến nghị dùng cho các hệ
thống WDM do chịu ảnh hưởng của hiệu ứng trộn 4 sóng FWM. Sợi dịch tán sắc
khác 0, NZ-DSF, (G.655) có giá trị tán sắc nhỏ ở vùng cửa sổ 1550nm, do vậy hạn
chế được các ảnh hưởng phi tuyến đặc biệt là hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM) đối với
hệ thống. Loại sợi này có lượng tán sắc nhỏ trong vùng bước sóng từ 1530nm đến
1565nm (từ hơn 3ps/nm.km tại 1530nm và xuống còn nhỏ hơn 0,7ps/nm.km tại
1560nm). Giá trị này đủ để loại bỏ được hiệu ứng trộn 4 sóng FWM mà vẫn cho
phép truyền được các kênh có tốc độ ít nhất 2,5Gbit/s qua khoảng cách 1000km.
• Bộ khuếch đại quang: Một trong những yếu tố tạo nên sự thành công của
WDM là sự ra đời của các bộ khuếch đại quang pha tạp erbium (EDFA). Thiết bị

này sử dụng năng lượng từ một nguồn ánh sáng bơm để khuếch đại tất cả các bước
sóng tín hiệu có mặt tại lối vào của chúng. Mỗi EDFA gồm một chiều dài sợi quang
đã được pha tạp với erbium, do vậy chúng có thể biến đổi năng lượng từ phát xạ
bơm riêng biệt thành các bước sóng đến, tức là đã khuếch đại các tín hiệu. Với mỗi
thiết kế EDFA đơn giản nhất thì quá trình khuếch đại xảy ra qua mỗi vùng bước
sóng tương đối hẹp từ 1525nm đến 1565nm. Dải 40nm cũng đủ để xử lý một số
lượng lớn các kênh quang. EDFA “trong suốt” với giao thức, dạng, tốc độ bit của
tín hiệu, và trong giới hạn nào đó cả với bước sóng tín hiệu quang. Do đó, các kênh
quang có thể được xen hoặc rẽ trên tuyến tại bất cứ thời điểm nào. Việc sử dụng
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
EDFA cho phép thiết lập được các hệ thống truyền dẫn cự ly lớn với ít các thành
phần điện tử hơn, tuy nhiên cũng làm xuất hiện một số vấn đề mới. Đó là phổ độ
lợi không bằng phẳng dẫn đến hệ số khuyếch đại khác nhau đối với bước sóng khác
nhau và nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE). Các nghiên cứu mới về
nguyên lý bơm EDFA công suất lớn đã tập trung vào việc mở rộng vùng khuếch
đại của các EDFA từ 1570 đến 1630nm- tức là băng L.
• Các bộ xen/rẽ kênh quang:
Hình 1.6 Cấu trúc bộ xen/ rẽ quang
Bộ OADM có các giao diện quang hai hướng Đông và Tây, cũng như các
cổng Xen và Rẽ cho hai hướng Đông và Tây của OADM. Các luồng quang Đông-
Tây và Tây-Đông bao gồm tín hiệu quang ghép kênh theo bước sóng bao gồm N
sóng mang. Bộ OADM cho phép tách và chèn một sóng mang (tại bước sóng λ
j
)
trong các luồng quang Đông-Tây và Tây-Đông. Các bước sóng còn lại của luồng
ghép kênh sẽ được cho qua bộ OADM mà không bị tác động gì. Các cổng Xen và
Rẽ có thể cần tới bộ phát đáp để chuyển đổi bước sóng hoặc giao diện thích nghi
quang của các hệ thống không theo khuyến nghị G.691.
Chức năng của bộ xen/rẽ quang là để xen/rẽ một số kênh bước sóng, các kênh
bước sóng còn lại được cấu hình cho đi xuyên qua.

Một số thuộc tính cơ bản của OADM:
 Số lượng bước sóng có thể hỗ trợ tối đa.
λ
j
λ
j
λ
1
λ
N
λ
1
λ
N
λ
1
λ
N
λ
1
λ
N
OADM
TâyĐông
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
 Số lượng bước sóng tối đa có thể xen/rẽ. Điều này phụ thuộc số phần cứng
được lắp đặt.
 Quy định những bước sóng cụ thể nào được xen/rẽ. Điều này ảnh hưởng lớn
đến việc định tuyến lưu lượng trên mạng.
 OADM có kiến trúc môđun theo nghĩa giá thành tỉ lệ thuận với số kênh

được tách ra.
OADM có thể cấu hình lại được. Có nghĩa có thể điều khiển từ xa việc
xen/rẽ hoặc nối thông các kênh bằng phần mềm.
●Thiết bị nối chéo quang:
Đối với các mô hình mạng đơn giản như mô hình mạng vòng hoặc tuyến tính
thì OADM là sự lựa chọn tối ưu xét về khía cạnh kinh tế, công nghệ chế tạo và khả
năng đáp ứng yêu cầu của mạng. Nhưng trong tương lai, khi yêu cầu về khả năng
linh động trong việc cung ứng dịch vụ, đồng thời các dịch vụ đa phương tiện đòi
hỏi phải đáp ứng được sự tăng băng thông đột biến thì mô hình mạng hiện tại
không đáp ứng được. Khi đó cần phải triển khai mạng mắt lưới với phần tử trung
tâm là các bộ kết nối chéo quang OXC.
C
Hình 1.7 Thiết bị nối chéo quang
λ
1
λ
N
λ
1
λ
N
λ
j

k
λ
j

k
λ

1
λ
N
λ
1
λ
N
.
.
.
λ
1
λ
N
λ
1
λ
N
.
.
.
M sợi đầu
vào
M sợi đầu ra
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
Thiết bị nối chéo quang (OXC) có M sợi đầu vào, M sợi đầu ra và các cổng
xen/rẽ. Mỗi sợi đầu vào và đầu ra mang một tín hiệu ghép kênh N bước sóng. Các
cổng xen và rẽ cho phép chèn và tách một số bước sóng.
OXC thực hiện các chức năng sau đây: ghép và tách kênh, xen rẽ kênh
quang, chuyển mạch không gian và có thể là cả chuyển đổi bước sóng. Điều này

cho phép thực hiện nối xuyên các tín hiệu quang giữa các sợi đầu vào và đầu ra (và
có thể nối xuyên giữa bước sóng vào và bước sóng ra)
Hình 1.8 Chức năng của OXC theo mô hình phân lớp
Yêu cầu cơ bản đối với OXC là:
 Có khả năng tự động cung cấp thêm các kênh bước sóng nếu nhu cầu băng
thông tăng lên.
 Bảo vệ đường quang với các sự cố như đứt cáp, sự cố nút mạng.
Lớp OCh
Lớp OTS
Lớp OMS
OMS
OMS
OMS
OMS
OTS
OTS
OTS OTS
OCh
OCh
OCh
OCh
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
 Giám sát chất lượng truyền dẫn: cho phép khả năng trích tín hiệu thực hiện
chức năng đo đạc, giám sát chất lượng truyền dẫn.
 Chuyển đổi bước sóng.
 Tách, chèn và xử lý các thông tin mào đầu của truyền dẫn phân đoạn quang.
 Ghép và nhóm tín hiệu: cho phép hoạt động với các tín hiệu có tốc độ bit
không tương ứng với tốc độ bit của tín hiệu truyền trong lớp kênh quang.
• Các bộ đầu cuối ghép kênh quang: Một bộ đầu cuối ghép kênh quang
(OTM) được biểu diễn như hình 1.8

Hình 1.9 Cấu trúc bộ ghép/tách kênh quang
OTM là một phần tử mạng hai chiều. Trong hướng truyền đi, nó có khả năng
tiếp nhận N kênh quang, mỗi kênh có một mức công suất tín hiệu quang và tỷ số
SNR theo chỉ tiêu kỹ thuật đã xác định. OTM xác định bước sóng cho từng kênh
quang tại đầu vào theo các bước sóng đã được định nghĩa từ trước và đầu ra thiết bị
này chứa tín hiệu ghép kênh bao gồm N bước sóng (sóng mang). Tín hiệu đầu ra
Ch
N
.
.
.
Ch
2
Ch
1
Ch
N
.
.
.
Ch
2
Ch
1
λ
1

N
λ
1

N
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
đặc trưng bởi băng tần quang tổng, công suất quang tổng, công suất mang trên mỗi
sóng mang và tỷ số SNR của mỗi sóng mang.
Trong hướng thu, bộ OTM nhận tín hiệu ghép kênh theo bước sóng, tách tín
hiệu đó thành các sóng mang như ở đầu vào bộ ghép kênh và đưa N kênh quang đó
tới các đầu ra riêng biệt.
Bước sóng của từng kênh quang có thể thay đổi so với khi nó được chèn vào
hay tách ra từ các bộ ghép/tách kênh. Vì thế, trong OTM có thể cần đến một bộ
chuyển đổi bước sóng. Điều này đặc biệt có ý nghĩa nếu có một số hệ thống SDH
cùng tồn tại (giao diện quang G.957) được ghép kênh cùng với nhau, trong trường
hợp đó, các bước sóng của một vài hệ thống sẽ phải thay đổi cho phù hợp để đưa
vào các kênh của OTM. Hiện tại với công nghệ này, việc thay đổi bước sóng được
thực hiện chủ yếu nhờ bộ chuyển đổi O/E/O. Các bộ chuyển đổi bước sóng
photonic ít được sử dụng hơn. Thay đổi bước sóng có thể được thực hiện nhờ bộ
phát đáp đứng độc lập, tách biệt với bộ ghép kênh của nó.
Có hai cấu hình cơ bản truyền dẫn dùng cho hệ thống WDM:
• Cấu hình truyền dẫn hai hướng trên cùng một sợi quang: Ở cấu hình này,
các kênh quang ở cả hai hướng truyền dẫn (đi và về) được ghép chung chỉ trên một
sợi quang. Cấu hình này còn được gọi là cấu hình hệ thống truyền dẫn song công.
Hình 1.10 Hệ thống WDM song hướng
• Cấu hình truyền dẫn hai hướng trên hai sợi quang: Ở cấu hình này, theo
mỗi hướng truyền dẫn, các kênh quang được ghép trên một sợi quang riêng biệt và
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
mỗi sợi quang đó đảm nhiệm truyền dẫn chỉ theo một hướng (đi hoặc về). Đôi khi,
cấu hình này được gọi là cấu hình hệ thống truyền dẫn đơn công.
Hình 1.11 Hệ thống WDM đơn hướng
Về mặt phát triển và ứng dụng, hệ thống WDM đơn công được sử dụng
tương đối rộng rãi, còn hệ thống WDM song công thì có những yêu cầu cao hơn,

đó là vì trong thiết kế và ứng dụng hệ thống WDM song công cần phải xem xét đến
các yếu tố then chốt của hệ thống như để hạn chế can nhiễu nhiều kênh (MPI), cần
chú ý đến các vấn đề ảnh hưởng của phản xạ quang, cách ly giữa các kênh hai
chiều, công suất tín hiệu quang truyền dẫn trên hai chiều , đồng thời phải sử dụng
bộ khuếch đại quang hai chiều. Nhưng so với hệ thống WDM đơn công, hệ thống
WDM hai chiều giảm được số lượng bộ khuếch đại quang và đường dây.
1.3 Xu hướng phát triển cấu trúc mạng WDM
Để thấy rõ được xu hướng phát triển mạng trong tương lai, trước hết nhìn lại
lịch sử phát triển của công nghệ mạng truyền tải. Công nghệ mạng đã trải qua các
giai đoạn chuyển đổi từ tương tự sang số, từ phân cấp số cận đồng bộ (PDH) sang
phân cấp số đồng bộ (SDH) và gần đây là từ SDH sang WDM (ghép kênh phân
chia theo bước sóng). Để hỗ trợ và tương thích hoàn toàn với công nghệ cũ thì công
nghệ chuyển mạch mới phải thích hợp với công nghệ truyền dẫn trước. Chẳng hạn
công nghệ PCM có chuyển mạch ở mức 64Kbit/s và truyền dẫn ở mức 2Mbit/s; khi
chuyển lên PDH thì nối chéo ở mức 2Mbit/s và truyền dẫn ở mức 140Mbit/s; và
khi lên đến SDH thì nối chéo ở mức 155Mbit/s và truyền dẫn ở mức 10Mbit/s. Còn
với công nghệ WDM thì chưa được xác định rõ nhưng theo dự đoán thì tốc độ
Đồ án tốt nghiệp Chương1:Tổng quan về công nghệ WDM
chuyển mạch cơ sở cỡ 300Gbit/s tương ứng với dung lượng truyền dẫn 10Tbit/s.
Dựa theo lịch sử phát triển và nhu cầu hiện tại thì công nghệ WDM ít nhất cũng
đáp ứng được trong một thập kỷ. Trong tương lai, sớm hay muộn thì cũng cần có
công nghệ WDM phát triển hơn và có lẽ được kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín
hiệu quang như ghép kênh theo thời gian quang (OTDM) và chuyển mạch gói
quang. Trong tương lai xu hướng tiến tới mạng toàn quang.
Để xây dựng nên một mạng truyền tải khả thi và có lợi về kinh tế thì ngoài
thách thức ban đầu về các công nghệ truyền tải quang chất lượng cao, các bộ nối
chéo và các nút chuyển mạch quang thì còn cần phải vượt qua thách thức về cấu
trúc mạng. Yêu cầu quan trọng nhất của một mạng truyền tải đó là nó cần có cấu
trúc tốt. Ban đầu mạng WDM được cấu trúc theo các mô hình đơn giản như mạng
tuyến tính điểm- điểm, vòng Nhưng khi yêu cầu về khả năng linh động trong việc

cung ứng dịch vụ, đồng thời các dịch vụ đa phương tiện đòi hỏi phải đáp ứng được
sự tăng băng thông đột biến thì mô hình mạng hiện tại không đáp ứng được. Khi đó
cần phải triển khai mạng mắt lưới (mesh) với phần tử trung tâm là các bộ kết nối
chéo quang OXC. Hình vẽ 1.12 dưới đây chỉ ra xu hướng phát triển các kiểu cấu
trúc mạng tương ứng với sự phát triển công nghệ của các khối cơ bản.