NGUYÊN CỨU MẠNG MAN CHUYỂN MẠCH GÓI ĐƠN CHẶNG LỰA CHỌN BƯỚC SÓNG DỰA TRÊN AWG CHƯƠNG 2_1 ppsx

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG

ĐỀ TÀI:
NGUYÊN CỨU MẠNG MAN CHUYỂN MẠCH GÓI ĐƠN
CHẶNG LỰA CHỌN BƯỚC SÓNG DỰA TRÊN AWG

CHƯƠNG II. CÁC MẠNG WDM NỘI THỊ

Các mạng nội thị nằm giữa các mạng truy nhập và mạng đường trục như được
vẽ trên hình 1.3 chương I. MAN có một số đặc tính riêng cần phải xem xét khi
thiết kế các giao thức và kiến trúc mạng nội thị:
- Vùng phủ địa lí của MAN là có giới hạn. Thông thường, các MAN có đường
kính từ 50 km tới 200 km, cung cấp đa dịch vụ tập trung ở khu vực đô thị.
- Số lượng node trong một MAN phổ biến trong khoảng từ 10 tới 200 node.
- So với các mạng đường trục, các MAN có hiệu quả chi phí hơn vì số lượng
khách hàng ít hơn nhiều và lưu lượng trong MAN có tính bùng nổ hơn.
- Trong khi tính chất lưu lượng trong các LAN và WAN đã được nghiên cứu,
các kiểu lưu lượng trong MAN đang được nghiên cứu ở mức lý thuyết.
- Trong khi các mạng lưới là khá phổ biến trong mạng đường trục, các mạng
nội thị thường có mô hình sao, ring hoặc bus.
Đồ án này sẽ tổng quan các mạng WDM nội thị khác nhau đã được giới thiệu
một cách lí thuyết cho đến thời điểm hiện tại. Thông thường, các mạng WDM nội
thị có cấu hình sao hoặc ring.
2.1 Các mạng WDM nội thị ring
Hầu hết các mạng WDM nội thị ring được mô tả dưới đây hoạt động ở tốc độ
đường là 2.5Gb/s. Vì các lí do thực tế nên hầu hết chúng được triển khai dạng các
bộ thu cố định hơn là các bộ thu chuyển đổi được.
2.1.1 Mạng Komnet
Mạng ba trường WDM nội thị Komnet bao gồm ba bộ kết hợp kênh xen/rẽ
quang (OADM) được kết nối với nhau thông qua một mô hình ring hai hướng. Cấu
trúc của một OADM được chỉ ra trên hình 3.1. Trên mỗi một sợi các bước sóng

khác nhau có thể được lọc bằng cách dùng các lưới Bragg chuyển đổi được. Bằng
cách sử dụng các bộ kết hợp bước sóng mật độ cao, các bước sóng các thể được
xen vào mỗi sợi quang. Mỗi FBG có một tổn thất chèn tương đối nhỏ khoảng 0,1
dB. Các FBG có thể chuyển đổi cơ với dải ms. Do đó, Komnet rất thích hợp cho
chuyển mạch kênh (Lambda), nhưng lại không hiệu quả cho chuyển mạch gói do
thời gian chuyển đổi tương đối lớn đối với mỗi FBG.







OADM

OADM

OADM






DEMUX

DEMUX

Combiners

Circulator

Tunable FBGs

. . .

.

. . .

.








Hình 3.1. Mạng WDM nội thị KomNet
2.1.2 RINGO
Mạng nội thị RINGO chuyển mạch gói là một mạng ring sợi đơn hướng. Nó
bao gồm N node trong đó N bằng với số bước sóng. Mỗi node được trang bị một
dãy các bộ phát cố định và một bộ thu cố định hoạt động ở bước sóng cho trước
tương ứng với node đó. Node j tách bước sóng λ
j
từ vòng ring. Do vậy, để truyền
thông với node j, một node cho trước phải truyền dữ liệu bằng cách sử dụng laser
hoạt động ở bước sóng λ
j

, như được mô tả trên hình 3.2. Tất cả các bước sóng được
chèn với chiều dài khe bằng với thời gian truyền của bói dữ liệu có kích thước cố
định cộng với thời gian bảo vệ. Mỗi node kiểm tra trang thái của chiếm bước sóng
(λ–giám sát) dựa trên khe thời gian để tránh xung đột nhờ tạo ra đa kênh theo xu
hướng khe rỗng (Trong xu hướng khe rỗng, một bit tại đầu mỗi khe thời gian chỉ ra
trạng thái của khe thời gian tương ứng nghĩa là nó có rỗi hay không). Cơ chế truy
nhập này dành sự ưu tiên cho truyền bằng cách cho phép một node giám sát sử
dụng chỉ các khe thời gian rỗi.


Fixed Rx
Fixed Rx
Fixed Tx
array
node1
Node 3
Node i
Node 2
Node j
Node N
Fixed Tx
array
Gói chuyển từ
node i đến
node j trên λj

Hình 3.2 Mạng nộ thị WDM RINGO

D
E

M
U
X
MUX
External
modulator
Fixed Tx Array
Photodiot array
Burst mode
Rx
……….
50/50
90/10
90/10
90/10
λ1…λn
λ1
λn
λn
λdrop
λ1
λ2
M
U
X

Hình 3.3 Cấu trúc node RINGO
Hình 3.3 thể hiện cấu trúc node một cách chi tiết hơn. Tại mỗi node tất cả các
bước sóng đều được giải ghép kênh. Bước sóng cần tách được định tuyến tới một
bộ thu trong khi trạng thái của các bước sóng khác được giám sát bởi khoảng trống

90/10 và một dãy các photodiode. Tiếp đó, các bước sóng được ghép kênh trong
sợi ra. Với một bộ kết hợp 50/50 và một bộ điều chế ngoài, node tương ứng có thể
gửi gói tin dữ liệu bằng cách kích hoạt một hoặc nhiều các bộ phát cố định.
2.1.3 HORNET
HORNET là một mạng ring WDM đơn hướng. Tất cả các bước sóng được
chèn vào khe với chiều dài khe bằng với thời gian truyền của một gói kích thước
cố định (cộng với thời gian bảo vệ). Mỗi bước sóng được chia sẻ bởi một vài node
để tiếp nhận dữ liệu. Tất cả các node được trang bị một bộ phát chuyển đổi nhanh
và một bộ thu mode cố định. Cấu trúc node bao gồm một bộ quản lí khe thời gian,
mọt bộ tách thông minh và một khối chèn thông minh như hình 3.4

Hình 3.4 Cấu trúc node HORNET
Truy cập tới tất cả các bước sóng được điều khiển nhờ giao thức MAC truy
cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột (CSMA/CA). Khi một node truyền một
gói tin nó ghép sóng âm thứ cấp vào gói tin tại một tần số thứ cấp tương ứng với
bước sóng mà gói tin chuẩn bị truyền. Do vậy, tất cả các gói tin trên vòng mang
cùng với nó một sóng âm ghép kênh thứ cấp biểu thị bước sóng mà chúng chiếm.
Để cảm nhận, bộ quản lí khe thời gian chỉ cần tách một lượng nhỏ công suất quang
và xác định nó bằng một photodiode. Như được mô tả trên hình 3.5, dữ liệu trên tất
cả các bước sóng xung đột tại băng gốc trong khi bỏ lại các tần số sóng mang thứ
cấp (được điều chế ASK hoặc FSK) không bị ảnh hưởng. Sự vắng mặt của âm thứ
cấp chỉ ra sự vắng mặt của bước sóng tương ứng. Điều này cho phép node đó xác
định liệu bước sóng đó là rỗi hay bận. Nếu như bước sóng đó của node đích tương
ứng là rỗi, node cảm nhận sẽ truyền gói tin bằng cách sử dụng khối chèn thông minh
của nó. Mỗi khối sử dụng khỗi tách thông minh của nó (xem hình 3.4) để thu trên
bước sóng gắn sẵn cố định của nó. Tần số sóng mang thứ cấp tương ứng được điều
chế FSK và mạng địa chỉ đích của gói tin tương ứng. Nếu địa chỉ đích gói tin
không phù hợp với địa chỉ node, node đó sẽ chuyển tiếp gói tin bằng cách sử dụng
khối chèn thông minh. Giao thức MAC CSMA/CA có thể mở rộng để hỗ trợ các
gói tin IP có kích thước thay đổi. Bằng cách bổ sung một ring sợi theo hướng

ngược lại, HORNET có thể chống lại lỗi sợi/node.
BPF @ fdrop
BPF @ f1
BPF @ fn
ASK demodulation Slot derector
ASK demodulation
FSK demodulation
Slot derector
90/10
from MAN
To Smart drop
Collided
data
f1, f2… ,fn
…

Hình 3.5: Cấu trúc của quản lý khe thời gian
2.1.4 IEEE 802.17 RPR
Hiện nay IEEE 802.17 và IETF WG IPoRPR đang làm việc để có một chuẩn
mới cho các mạng ring nội thị.
2.2 Các mạng WDM nội thị hình sao
Các mạng WDM nội thị hình sao có thể dựa trên PSC hoặc AWG. Trong các
mạng hình sao dưới đây, truyền thông giữa hai cặp node bất kì - có thể chuyển
mạch kênh hoặc chuyển mạch gói - xảy ra đơn chặng nghĩa là dữ liệu được truyền
không phải xử lí và chuyển tiếp qua các node trung gian.
2.2.1 RAINBOW
RAINBOW là một mạng WDM nội thị do IBM khởi xướng dựa trên một
PSC. Như được mô tả trên hình 3.6 mạng này gồm 32 node. Mỗi node được trang
bị với một bộ phát cố định với một bước sóng dành riêng và một bộ thu điều chỉnh
được. Tất cả các bộ thu sử dụng một bộ lọc Fabry-Perot điều chỉnh được với tốc độ

điều chỉnh là 1ms. RAINBOW hướng tới xu hướng chuyển mạch kênh song công.
Các mạch giữa các node được thiết lập và loại bỏ bằng cách dùng giao thức tìm
kiếm vòng. Để thiết lập một kết nối, một node liên tục quảng bá một bản tin yêu
cầu kết nối trên một bước sóng được gán trước cho nó. Đích mong muốn, nếu rỗi,
dò tìm bộ lọc điều chỉnh được của nó đối với tất cả các bước sóng để tìm kiếm một
bản tin như vậy và khoá đối với một bước sóng nếu nó gặp một bước sóng như
vậy. Sau đó nó gửi trở lại một bản tin chấp nhận kết nối mà phía khởi tạo tìm kiềm
trong khi nó kiểm tra tất cả các bước sóng. Trong RAINBOW 1, mỗi node có khả
năng gửi dữ liệu ở tốc độ 300Mb/s. Trong RAINBOW 2, ngược lại, tốc độ tại mỗi
node là 1Gb/s.

Hình 3.6 Mạng nội thị sao RAINBOW của IBM
2.2.2 Telstra
Mạng Telstra sử dụng một AWG trung tâm (mà không đi kèm với bất cứ bộ kết hợp và bộ chia nào) như
là một bộ định tuyến bước sóng thụ động cho các mạng WDM liên kết với nhau trong một mô hình sao
như được thể hiện trong hình 3.7.

Hình 3.7 Mạng nội thị kết nối nhiều vòng dựa trên Telstra’s AWG
Mỗi node dùng các bộ thu phát cố định. Bằng cách kích hoạt các bộ thu phát
khác nhau, mỗi node có khả năng gửi dữ liệu tới các mạng ring khác thông qua
AWG định tuyến theo bước sóng. Điều quan trọng trong kiến trúc này là thực ra
hai ring bất kì kết nối trực tiếp với nhau thông qua một AWG trung tâm.
2.2.3 NTT
NTT là một mạng WDM nội thị hình sao dựa trên một AWG kết nối 32 node
lại với nhau. Như trong hình 3.8, mỗi node có 32 bộ thu phát cố định. Mỗi bộ thu
phát hoạt động ở một bước sóng khác nhau sao cho mỗi cặp node bất kì có thể
truyền thông qua đơn chặng duy nhất với tốc độ 10Gb/s. Với đường kính mạng
20km thì không cần một bộ khuyếch đại quang nào. Mạng có thể mở rộng tới 96
node cho phép dung lượng mạng lên tới 96x96x10Gb/s = 92Tb/s.

Hình 3.8 Mạng WDM nội thị hình sao dựa trên NTT’s AWG
Một mạng biến đổi trong đó mỗi node được trang bị chỉ hai bộ phát cố định
(và n bộ thu, trong đó n là số lượng node) được trình bày trong [OSS
+
01]. Mỗi
node truyền các gói dữ liệu ở cùng bước sóng 1,55m và các tiêu đề gói tin tương
ứng ở bước sóng 1,33m. Để cho phép truyền thông đơn chặng giữa bất cứ cặp
node nào, các bước sóng phải được chuyển đổi tại một AWG trung tâm. Hình 3.9
mô tả một tiêu đề và gói tin đến từ một node cho trước tới một AWG trung tâm.
Một coupler WDM định tuyến gói tin phải truyền để đến được node đích tương
ứng. Gói tin dữ liệu được khuyếch đại và chuyển tiếp tới bộ chuyển đổi bước sóng.
Bộ này bao gồm nhiều nguồn quang mỗi cái hoạt động ở bước sóng khác nhau.
Nhờ sử dụng các cổng khuyếch đại quang (SOA) và điều chế thu thập chéo
(XGM), gói tin tới sẽ được chuyển đổi thành bước sóng đích. Sau khi vượt qua bộ
kết hợp kênh AWG sẽ định tuyến gói tin theo bước sóng tới node đích tương ứng.

Hình 3.9 Cấu trúc của NTT’s AWG trung tâm với bước sóng chuyển đổi
2.3 Các mạng WDM đơn chặng
Khái niệm của truyền thông đơn chặng không chỉ giới hạn trong các mạng
WDM nội thị. Nó cũng được áp dụng trong các mạng WDM diện rộng, các mạng
nội hạt, các chuyển mạch, và các kết nối tốc độ cao giữa các bộ vi xử lí và các bộ
nhớ. Vài mạng WDM đơn chặng đã được làm và đang ở giai đoạn thử nghiệm.
SONATA là một mạng đơn chặng quốc gia dựa trên AWG không gian tự do với
các dãy được gắn lại với nhau của các bộ chuyển đổi bước sóng và một bộ điều
khiển tài nguyên trung tâm. Các ví dụ cho các LAN WDM đơn chặng là Bellcore
LAMBDANET, Fairnet, STARNET của đại học Stanford, SYMFONET. Các ví dụ
về các chuyển mạch dựa trên WDM đơn chặng được cung cấp bởi chuyển mạch
quang tử của phòng thí nghiệm AT&T Bell, Bellcore’FOX, BHYPASS và một
chuyển mạch ATM quang tử. LIGHTNING là một ví dụ cho các hệ thống truyền
thông đa vi xử lí WDM đơn chặng.

Vì lí do chi phí, mỗi node trong các mạng WDM đơn chặng triển khai một số
lượng bộ thu phát nhỏ mà thông thường là nhỏ hơn số lượng bước sóng có sẵn để
truyền/nhận tin. Để tăng cường hiệu quả mạng tất cả các bước sóng phải luôn được
sử dụng tại một thời điểm cho trước. Có thể đạt được điều này nếu mỗi bước sóng
được sử dụng bởi các tập con các node khác nhau. Tuy nhiên, nếu các bộ thu của
mỗi node là cố định thì mỗi node không thể nhận được tất cả các bước sóng vì số
lượng giới hạn của các bộ thu phát trong mỗi node. Kết quả là các mạng đơn chặng
với các bộ thu phát cố định trong mỗi node không có khả năng cung cấp kết nối
hoàn toàn. Vấn đề này có thể được giải quyết hoặc bằng cách trang bị cho mỗi
node một bộ thu phát cố định cho mỗi bước sóng hoặc làm cho mỗi node chuyển
tiếp gói tin tới node đích nghĩa là hình thành mạng đa chặng. Các mạng đơn chặng
trong đó bất cứ kết nối nào cũng có thể hình thành nếu các bộ thu và/hoặc bộ phát
ở mỗi node là chuyển đổi được. Để làm được như vậy, mỗi node truy nhập được
tới tất cả các bước sóng và có khả năng gửi và/hoặc nhận các gói tin ở bất kì bước
sóng nào (trong dải chuyển đổi của bộ thu phát). ). Theo những cấu trúc node khác
nhau, các mạng WDM đơn chặng có thể được phân loại như sau:
- Bộ thu cố định và bộ phát cố định (FT-FR)
- Bộ phát cố định và bộ thu điều chỉnh được (FT-TR)
- Bộ phát điều chỉnh được và bộ thu cố định (TT-FR)
- Bộ phát điều chỉnh được và bộ thu điều chỉnh được (TT- TR)
Hầu hết tất cả các mạng WDM đơn chặng được báo cáo trong lí thuyết đều
dùng một cấu trúc node là phát chuyển đổi được và/hoặc thu chuyển đổi được thay
vì một dãy các bộ thu phát cố định (một bộ cho mỗi bước sóng). Trong các mạng
như thế các gói tin có thể gặp phải xung đột kênh và xung đột bộ thu. Xung đột
kênh xảy ra khi hai hay nhiều node truyền đồng thời cùng một bước sóng. Xung
đột bộ thu xảy ra khi một gói tin được truyền không xung đột ở một bước sóng cho
trước tới một node đích mà bộ thu của nó đã được bật sang một bước sóng khác.
Do đó, gói tin không được thu bởi node đích, dẫn đến xung đột bộ thu (còn được
gọi là xung đột phía thu). Để làm giảm hoặc loại bỏ hoàn toàn các xung đột này,
truy nhập bước sóng phải được phân xử bởi một giao thức MAC. Như hình 3.10

chỉ ra các giao thức MAC cho các mạng WDM đơn chặng có thể được chia làm
phân bổ trước, truy nhập ngẫu nhiên, đặt trước trong đó nhóm các giao thức đặt
trước có thể được chia nhỏ hơn thành các giao thức báo và truyền và các giao thức
thử và chờ. Ngoài ra còn có các giao thức là lai giữa các giao thức đã đề cập ở trên.
Trong các phần kế tiếp hoạt động cơ bản và các ví dụ của các loại giao thức MAC
khác nhau sẽ được trình bày.


C
ác

gi
ao

th
ứ
c

MAC
đơ
n
hop
Ph
â
n ph
ố
i

trước
T

ruy nh
ậ
p

ngẫu nhiên
Dành trước
Lai (h
ỗ
n

hợp)







Hình 3.10 Phân loại các giao thức MAC của mạng WDM đơn chặng
Phần còn lại của chương sẽ chỉ ra báo cáo trước đây về các giao thức MAC cho các mạng WDM đơn
chặng. Đối với mỗi loại giao thức MAC cần phân loại giao thức và giao thức không xung đột bộ thu.
2.3.1 Các giao thức phân bổ trước
Các giao thức có xung đột bộ thu
Giao thức phân bổ trước tài nguyên dùng cho các mạng sao và bus. Mỗi node
được trang bị cả hai TT-TR hoặc một trong hai điều chỉnh được (FT-TR hoặc TT-
FR). Giao thức truy nhập này gán mỗi truyền dẫn được phép tới các node tài
nguyên trong một kiểu TDMA vòng kín cố định trong đó mỗi vòng gồm [N/W]
khe có cùng chiều dài. Trong mỗi khe, W node tài nguyên khác nhau được cho
phép truyền dẫn tới bất cứ đích nào, mỗi node tài nguyên gửi trên một bước sóng
riêng. Giao thức này tránh được xung đột kênh nhưng vẫn có thể có xung đột bộ

thu nếu có nhiều hơn một node trong W node truyền đồng thời gói tin tới cùng một
node đích. Tình huống này xảy ra nhiều khi tải lưu lượng là từ trung bình tới cao
và W  N. Với W << N và/hoặc tải lưu lượng thấp các xung đột bộ thu xảy ra ít
hơn vì các gói tin truyền dẫn ít khi bị định tuyến tới cùng một node đích. Thực tế là
mỗi node sử dụng khe phân bổ để truyền bất cứ một trong số (N-1) node đích nào
nên các bước sóng được tận dụng một cách hiệu quả hơn. Tuy nhiên, đối với mô
hình tải lưu lượng trung bình đến cao và lưu lượng không bùng nổ có lí do để gán
mỗi node tài nguyên (N-1) khe, mỗi một cho node đích.
Các giao thức mà không xung đột bộ thu
Một cải biến của giao thức được đề cập ở trên là giao thức phân bổ
nguồn/đích. Trong giao thức này mỗi vòng gồm [N(N-1)/W] khe có cùng kích
thước nghĩa là số lượng khe trong mỗi vòng được tăng lên một lượng (N-1) so với
giao thức phân bổ nguồn. Bằng cách phân bổ một khe riêng cho mỗi cặp đích nguồn
trong mỗi vòng, cả xung đột kênh và bộ thu đều được loại bỏ. Nhưng sự tận dụng
kênh lại giảm và trễ lớn hơn cho lưu lượng không có tính bùng nổ hay tải lưu lượng
từ thấp tới trung bình.
Một giao thức TDMA vòng kín không xung đột khác được sử dụng trong
mạng PSC và mỗi node có một kiến trúc TT-FR. Các bước sóng được gán cố định
cho một hoặc nhiều node. Do đó các bộ thu không thể được chuyển đổi sang bất cứ
một bước sóng nào khác để tránh xung đột bộ thu. Vì các bộ thu không phải điều
chỉnh được nên độ phức tạp trong hoạt động và triển khai của mạng được giảm
xuống.
Mạng này dựa trên một PSC và mỗi node có cấu trúc TT-FR. Ở mỗi node thu
trên FSR của bộ thu các đặc tính lọc thông dải đa bước sóng của bộ thu được dùng,
dẫn đến số lượng bước sóng cho phép là rất lớn. Tuy nhiên, bộ phát ở mỗi node
phải chuyển đổi được trong một FSR bộ thu để cho phép kết nối hoàn toàn. Do
vậy, xu hướng này tăng số lượng kênh trong khi rất tốn kém cho bộ phát với thời
gian điều chỉnh nhỏ. Để tránh xung đột bộ thu, các bước sóng được gán trước theo
một cách mà mỗi node được phép nhận dữ liệu chỉ trên một FSR ở một thời điểm
cho trước.

Mạng dựa trên một PSC với cấu trúc TT
i
-TR
j
(1 ≤ i,j ≤ W) (thuật toán xếp
thời gian biểu) được đề xuất tránh được cả hai loại xung đột. Nó bao gồm các
khung được thay thế theo chu kì. Mỗi khung bao gồm các khoảng thời gian truyền
và khoảng điều chỉnh bộ thu phát. Nó đã chỉ ra rằng vấn đề tối thiểu hoá cả hai
khoảng trên được tính toán tương tác và do đó được chia làm hai vấn đề con.
Một cơ chế gán TDMA/WDMA vòng kín cố định cho các bản tin thời gian
thực dựa trên một PSC và cấu trúc node là FT-TR, TT-FR hoặc TT-TR. Xếp lịch
TDMA/WDMA là hoàn toàn không xung đột và cung cấp bảo đảm thời gian xác
định trước cho các bản tin với một giới hạn phân phát cho trước trong khi tối thiểu
hoá số lượng bước sóng cần thiết.