NGUYÊN CỨU MẠNG MAN CHUYỂN MẠCH GÓI ĐƠN CHẶNG LỰA CHỌN BƯỚC SÓNG DỰA TRÊN AWG CHƯƠNG 3_1 docx

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 III. MẠNG MAN ĐƠN CHẶNG LỰA CHỌN BƯỚC SÓNG
DỰA TRÊN AWG

3.1. Các yêu cầu mạng
Mạng phải đạt được một số yêu cầu về cấu trúc và/ hay mức giao thức.Sau đây
chúng ta liệt kê các yêu cầu quan trọng phải đạt được khi thiết kế cấu trúc và giao
thức mạng. Đặc biệt chú ý tới các mạng metro.
* Độ tin cậy: mạng phải có khả năng cung cấp chức năng end – to – end , đảm bảo
mạng phục vụ người dùng trong một khoảng thời gian đã định.
* Sự tồn tại: mạng phải có đủ khả năng duy trì mức hoạt động chấp nhận được
trong suốt quá trình xảy ra lỗi mạng ( lỗi node và/hay kết nối) bằng cách áp dụng
một số kỹ thuật bảo vệ và/hay khôi phục, để ngăn chặn hay tránh dịch vụ ngừng
chạy do lỗi mạng.
* Khả năng thay đổi: Phải có thể thêm vào hay bớt các node mạng đi một cách dễ
dàng mà không làm ngắt hay có biểu hiện hoạt động của mạng bị xuống cấp.
* Sự kết nối: sự kết nối mạng làm cho mỗi node có khả năng truyền thông với tất
cả các node mạng khác. Lưu lượng không truyền trên một số lớn các node trung
gian để đảm bảo các yêu cầu về tài nguyên và độ trễ truyền thông ít hơn.
* Khả năng phù hợp tương lai: mạng phải có khả năng hỗ trợ các giao thức tương
lai với các tốc độ bit khác nhau mà không phải thay thế các thành phần mạng.
* Chất lượng dịch vụ: Chất lượng của dịch vụ (QoS) là khả năng mạng cung cấp
một số mức đảm bảo các yêu cầu về dịch vụ cho các loại lưu lượng khác nhau, ví
dụ nhạy cảm về độ trễ, thời gian thực, và các ứng dụng tương tác lẫn nhau. QoS là
một đơn vị đo các đặc tính (thông lượng. độ trễ, jitter, suy hao…) của tế bào hoặc
gói.
* Tính công bằng: tính công bằng là khả năng mạng phân phối tài nguyên công

bằng và đầy đủ cho tất cả các node cần gửi số liệu. Trong các mạng với sự điều
khiển công bằng của các kênh truy nhập mỗi node sẵng sàng gửi số liệu đều cơ hội
truyền đi như nhau.
* Tính bảo mật: bảo mật là khả năng bảo vệ mạng và dịch vụ của nó khỏi bị thay
đổi, phá hủy hay tiết lộ trái phép. Nó đảm bảo rằng mạng vẫn thực hiện đúng các
chức năng cốt yếu và không có phản ứng phụ.
* Vận hành khai thác và bảo dưỡng (OAM) đơn giản: các khía cạnh quản lý họat
động và bảo trì (OAM) của mạng nên càng đơn giản càng tốt để giảm chi phí mạng
và tổng chi phí.
* Hỗ trợ multicast: mạng phải có khả năng cung cấp điểm đa điểm để hỗ trợ các
ứng dụng multicast như hội nghị video và các trò chơi đảm bảo tính kinh tế và
hiệu quả băng thông.
Thêm vào đó, đặc biệt là mạng đô thị phải biểu lộ những đặc tính sau:
* Tính linh hoạt: các mạng metro thu thập nhiều loại tín hiệu của client khác nhau
và kết nối chúng lại tới mạng đường trục. vì vậy các mạng metro phải có khả năng
hỗ trợ một dải rộng các giao thức hỗn hợp như ATM, Frame Relay, SONET/SDH,
IP, ESCON, IIIPPI, và Fibre Channel. Điều này đòi hỏi mạng phải có khả năng truyền
các gói có kích thước khác nhau.
* Hiệu quả về chi phí: do số ít các khách hàng chia sẻ chi phí nên các mạng metro
nhạy cảm về chi phí hơn các mạng đường trục. Vì thế, khi triển khai các thành
phần mạng, cấu trúc và node mạng phải mang tính kinh tế và đơn giản. Các giao
thức không thực hiện hoạt động phức tạp
* Tính hiệu quả: để đạt được các giới hạn về chi phí, các tài nguyên trong mạng
metro (bước sóng, máy thu phát) phải được sử dụng 1 cách hiệu quả.
* Khả năng nâng cấp: các nhà cung cấp thiết bị ngày càng tăng việc sử dụng các
proxy caches trong mạng metro để giảm thời gian đàm thoại. Để đối phó với việc
lưu lượng gia tăng cục bộ , mạng metro phải có khả năng dễ dàng nâng cấp. Các
kỹ thuật tiên tiến như: máy thu phát có thể điều chỉnh với miền điều chỉnh rộng
hơn và thời gian điều chỉnh ngắn hơn, phải được sử dụng mà không làm ngắt
dịch vụ mạng hay phải cài đặt lại.

3.2. Kiến trúc mạng
3.2.1. Các nguyên lý cơ bản
3.2.1.1. Lát phổ quang học
Giả thiết không bị suy hao, chúng ta xem xét một AWG 2x2 để giải thích. Lát phổ
của tín hiệu băng rộng. Hình 3.1. biểu diễn một trường hợp trong đó 6 bước sóng
bước sóng bằng nhau được đưa và được đưa vào cổng vào trên của AWG. Các
bước sóng có nguồn gốc từ 6 diốt laze khác nhau được đưa vào cổng vào AWG
sau khi qua một bộ kết hợp 6x1. Tín hiệu băng rộng có phổ từ 10-100nm bao phủ
một hay nhiều FSR của AWG. Trong hình minh hoạ của ví dụ, phổ băng rộng được
coi là trải rộng trên tất cả 6 bước sóng. Hình 5.1. cho thấy, theo chu kỳ thì AWG
định tuyến mọi bước sóng chẵn tới cùng cổng đầu ra AWG. AWG cắt lát phổ băng
rộng theo cách mà mỗi FSR, một lát được định tuyến tới một trong hai cổng đầu
ra AWG. Sau đó, bằng cách sử dụng một nguồn quang băng rộng, điều khiển để có
thể được phát quảng bá tới tất cả các cổng ra của AWG và đến các bộ thu vì thế
sẽ có phổ dạng lát. Nói chung, dùng R.FSRs của AWG cơ bản, sẽ có R lát cắt tại mỗi
cổng ra AWG, trong đó R1. Tất cả các lát này đều mang cùng thông tin điều
khiển. Do đó, bên nhận gắn với cổng ra AWG được tự do chọn 1 trong R lát để
nhận thông tin điều khiển.
Như trong hình 3.1, mô tả các bước sóng và chồng lấn phổ của các tín hiệu băng
rộng. Điều này cho phép báo hiệu trong băng, tức là một bộ thu là đủ để thu cả
bước sóng và các lát cắt tương ứng của tín hiệu băng rộng ban đầu. Không cần
thêm một bộ thu để giảm chi phí cho mạng. Tuy nhiên, cả hai tín hiệu phải được
phân biệt ở bộ thu.

Hình 3.1. Lát phổ vủa 1 tín hiệu băng rộng










2x2
AWG


T
ín

hi
ệ
u

b
ă
ng r
ộ
ng





FSR

FSR

FSR

1

2

5

1

3

4

6

Hình 3.2. Tái s
ử

d
ụ
ng các b
ư

ớ
c sóng và tín hi
ệ
u b
ă
ng r
ộ
ng


2x2
AWG


TÝn hiÖu b¨ng réng





FSR

FSR

FSR

1

2

5

1

3

4

6




Có thể thấy trong hình 3.2. rằng tất cả các bước sóng và tín hiệu băng rộng có thể
cùng vào cả hai cổng vào AWG đồng thời mà không dẫn tới xung đột kênh tại
cổng ra AWG. Vì thế, các node tham gia vào các cổng vào AWG khác nhau có thể
sử dụng đồng thời cùng một tập các bước sóng. Kết quả của việc tái sử dụng các
bước sóng trong không gian làm tăng mức độ đồng bộ và cải thiện hiệu quả của
mạng. Tuy nhiên cần chú ý rằng có thể xảy ra xung đột trong bộ thu. Một máy thu
nào đó có thể cùng 1 lúc nhận cả hai tín hiệu dữ liệu và điều khiển, nhưng cả hai
phải cùng bắt nguồn từ một cổng vào AWG. Nếu như hạn chế theo 1 lát ở phía
thu cho các bước sóng mà xuất phát từ cùng cổng vào AWG thì có thể mất hoàn
toàn tất cả bước sóng và lát còn lại.
3.2.1.2. Trải phổ điện
Sự lan rộng phổ điện tử

M¹ng
dùa trªn
AWG
LD

Nguån quang
b¨ng réng
Bé tr¶i
phæ
PD

Bé d¶i
tr¶i phæ

§iÒu khiÓn

D÷ liÖu

D÷ liÖu

§iÒu khiÓn

D÷
liÖu
§iÒu

khiÓn
f

C«ng suÊt

§iÖn

Quang

§iÖn

H
ì
nh 5.3. S
ự

tr
ả
i

ph
ổ

c
ủ
a th
ô
ng tin ki
ể
m so
á
t

Sơ đồ khối trong hình 3.3 mô tả sự truyền và nhận đồng thời một bước sóng cho
trước và lát tương ứng trong cùng khoảng băng thông. Để truyền dữ liệu, chúng
ta sử dụng một đi-ốt laze (LD). Điều khiển phát quảng bá bằng việc sử dụng một
nguồn quang băng rộng. Như mô tả trên hình vẽ, dữ liệu điều biến bởi LD, trong
khi tín hiệu điều khiển được trải ra trước khi điều biến với nguồn quang băng
rộng. Tín hiêuh điều khiển được trải rộng trong một vùng điển tử bằng phương
pháp kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS). Cả dữ liệu và tín hiệu điều khiển
được kết hợp và sau đó được định tuyến qua mạng dựa vào AWGtiết hơn. Ở đầu
ra của mạng dựa vào AWG, một đi-ốt quang (PD) được chỉnh tới cùng bước sóng
như LD. PD tách bước sóng và lát tương ứng của tín hiệu băng rộng gốc và chuyển
đổi tín hiệu quang kết hợp sang miền điện. Kết quả có được phổ điện từ như hình
vẽ. Tốc độ điều biến và công suất đưa vào của tín hiệu băng rộng phai phù hợp
sao cho tín hiệu điều khiển có (i) một bước sóng nhỏ hơn và (ii) công suất nhỏ hơn
công suất tín hiệu dữ liệu. Tín hiệu điều khiển đã trải phổ coi như một tín hiệu
nhiễu băng hẹp trong miền thời gian, trong miền mà mức công suất nhỏ thấp hơn
mức công suất của dữ liệu. Vì mức công suất nhỏ hơn và băng thông hẹp của tín
hiệu điều khiển (trải phổ),tín hiệu dữ liệu không bị truyền sai và có thể được thu
mà không yêu cầu bất kì quá trình xử lí nào (trừ khi từ một số bộ phận lọc thông
cao đơn giản). Để lấy được thông tin điều khiển, một phần dữ liệu kết hợp và tín

hiệu điều khiển (trải phổ) được lọc thông thấp và sau đó giải trải phổ chuỗi trực
tiếp. Việc trải phổ trực tiếp được thực hiện bằng cách ghép các tín hiệu được lọc
với chuỗi trải phổ tương ứng, sau đó là sự kết hợp và lấy mẫu. Theo cách này,
công suất của tín hiệu điều khiển được nâng lên cao hơn công suất của tín hiệu dữ
liệu, vì vậy cho phép tách thông tin điều khiển.
Sự trải phổ của thông tin điều khiển có 2 ưu điểm.Thứ nhất, tín hiệu trải phổ xuất
hiện như nhiễu và chỉ có các node có chuỗi trải phổ đúng mới có thể gửi và nhận
thông tin điều khiển. Điều này tránh được tin tặc tham gia vào lưu lượng điều
khiển, dẫn đến an ninh mạng được cải thiện. Thứ hai, bằng việc dùng nhiều hơn
một chuỗi trải phổ, tức là truy nhập phân chia theo mã (CDMA), các node mới có
thể dễ dàng nhập vào mạng. Điều này làm cho mạng có thể thay đổi bằng cách sử
dụng thêm các chuỗi trải phổ phụ thêm khi số node tăng lên. Hơn nữa, bằng việc
kết hợp CDMA và WDMA, mức độ trùng hợp nên hiệu quả mạng tăng lên.
3.2.2 Kiến trúc mạng và node mạng
Cấu trúc mạng đề xuất có dạng biểu đồ như trong hình 3.4. Có N node mỗi node
gắn với mạng dựa vào AWG qua hai sợi cáp quang, trong đó N  2. Mỗi node
dùng một sợi để truyền và sợi kia để thu.

M
ạ
ng
dự
a trên
AWG
Node 1

Node 2

Node 3

Node N

H
ì
nh 3
.4.
Ki
ế
n

tr
ú
c m
ạ
ng

AWG
DxD
Sx1

Sx1

1xS

1xS

Node S

Node (D
-
1)S

Node N = DS

Node 1

Node S

Node (D
-
1)
+1

Node N=DS

R
x
T
x
Node 1

1

1

D

D

D÷ liÖu

LD

D÷ liÖu

Bé chia

Bộ kết
h
ợ
p

Hình 3.5. mô tả mạng và cấu trúc node chi tiết hơn. Mạng dựa vào một AWG D 
D, trong đó D  2. Ở mỗi cổng vào AWG có gắn một bộ kết hợp Sx 1 không nhạy
với bước sóng, trong đó S  1. Tại mỗi cổng ra AWG, các tín hiệu được phân phối
bởi một bộ tách Sx1 không nhạy với bước sóng. Ngoài yêu cầu về bộ khuếch đại
quang, mạng không bao gồm thiết bị họat động nào (ví dụ công tác và bộ chuyển
bước sóng) vì vậy nó hoàn toàn thụ động. Như vậy, ta có mạng tin cậy và các họat
động vận hành quản lý và bảo dưỡng mạng (OAM) được đơn giản hóa rõ rệt vì tất
cả các thành phần tích cực (node) được đặt ở ngoại vi mạng. Thêm vào đó, việc
hỗ trợ truyền trong suốt với các bước sóng tạo ra mạng quang linh hoạt và phù
hợp với tương lai có thể hỗ trợ các giao thức hiện có và các giao thức trong tương
lai . Như ở phần trước thì cả hai bộ phận chia và kết hợp đều phải không nhạy về
bước sóng để thu thập và phân phối tất cả các gói từ/đến node S tham gia mà
không phụ thuộc vào bước sóng. Điều này cũng có thể phát multicasting quang
(gửi đến 1 nhóm) nơi một gói có thể được nhận bởi tất cả các node tham gia có
cùng bộ chia. Bộ kết hợp và bộc chia cung cấp thêm các cổng có nhiều node tham
gia tại mỗi cổng AWG, như vậy có nhiều hơn một bước sóng có thể đồng thời
được sử dụng tại mỗi cổng AWG, giả sử rằng mỗi node được trang bị một máy thu
phát đơn. (Hoặc, vài máy thu phát gắn với cùng một bộ tách /ghép có thể thuộc
về một node. Node này sau đó sẽ có thể gửi và nhận dữ liệu trên vài bước sóng
cùng 1 lúc. Những node được trang bị nhiều máy thu phát như vậy có thể họat

động như một server để xử lý với số lượng lớn lưu lượng cục bộ tại những vùng
nóng ). Bộ phận kết hợp/chia ở các cổng AWG khác nhau không cần thiết phải có
cùng độ S. Ví dụ, khi các cổng (D-1) AWG cung cấp cùng một số node thì chỉ cần
một node đơn có thể được kết nối với cổng AWG còn lại. Hơn nữa, các node
mạng có thể được thêm vào (hay bỏ đi) linh động ở các cổng AWG khác nhau, dẫn
đến có thể sf các bộ kết hợp/chia khác nhau. Chú ý rằng trong mạng đơn-chặng,
các node không phải gửi đi các gói. Do đó, bộ kết hợp/chiacó thể được thay thế
mà không ngắt quãng thông tin giữa các node được gắn với bộ chia/kết hợp còn
lại. Hơn nữa, lỗi của node không ảnh hưởng đến sự truyền tin của các node khác.
Điều này làm cho mạng chống lại được ảnh hưởng của lỗi node. Tuy nhiên, AWG
trung tâm lại là một node lỗi. Chúng ta sẽ không đề cập vấn đền này ở đây). Giả sử
không suy hao, chúng ta xét các bộ chia/kết hợp với cùng độ S tại các cổng AWG.
Điều này làm suy hao chia tại các node là như nhau.
Mạng kết nối N node, với N = D.S. Với số node N cho trước, có thể có vài cấu hình
với các giá trị D và S khác nhau. Ví dụ, 8 node có thể kết nối qua một AWG 2x2 với
2 bộ chia 4x1 và 2 bộ kết hợp 1x4, hay qua một AWG 4x4 với 4 bộ chia 2x1 và 4 bộ
kết hợp 1x2. Cũng có các trường hợp, ví dụ N = 7, trong đó một hay nhiều cổng
không được sử dụng. Trong các trường hợp này các cổng tự do có thể được dùng
để gắn thêm các node bổ sung khi cần. Chú ý rằng lựa chọn D và S là việc thoả
hiệp tái sử dụng bước sóng và tạo quả gửi multicast. Từ quan điểm tái sử dụng
phổ, nên ta chọn D lớn hơn N một giá trị, như vậy tất cả các bước sóng có thể
được tái sử dụng tại càng nhiều cổng AWG càng tốt, như vậy gây ra xuyên âm lớn
cho tín hiệu. Mặt khác, với một giá trị N, D nhỏ ám chỉ nhiều node hơn gắn với
cùng một máy tách, tức là S trở nên lớn. Điều này có ưu điểm là một gói cho trước
được phân phối tới nhiều node. Kết quả là một gói multicast cho trước được
truyền mất ít thời gian hơn dẫn đến hiệu quả độ rộng băng được cải thiện, như
vậy suy hao sẽ nhiều hơn. Nếu suy hao của bộ chia và bộ kết hợp trở nên quá lớn
với việc tăng của S, khuếch đại quang, khi đó khuếch đại sợi Erbiumdoped
(EDFAs), phải được chèn vào giữa các bộ chia/ kết hợp và các cổng vào/ra AWG
tương ứng. Khi đó việc lựa chọn cấu hình phụ thuộc vào việc đánh giá sự hoạt

động của mạng
Chúng ta xem xét cấu trúc node. Mỗi node bao gồm phần thu và một phần phát.
Phần phát của một node nào đó được gắn với một trong các cổng vào của bộ kết
hợp. Phần nhận của cùng node đó nằm ở cổng ra của bộ chia đối diện. Vì lý do về
chi phí, mỗi node chỉ triển khai một đi-ốt laze đơn (LD) để truyền dữ liệu và một
đi-ốt quang đơn (PD) để nhận dữ liệu. Do các đặc tính định tuyến bước sóng của
AWG cả bộ phát và bộ thu phải chỉnh lại ít nhất một FSR của AWG DxD (mỗi FSR
bao gồm D bước sóng liên tiếp) để cung cấp kết nối hòan chỉnh trong một chặng
đơn. A là dải điều chỉnh của mỗi bộ thu phát,( bao gồm cả phần phát và phần
thu), bằng R sát FSRs của AWG DxD, trong đó R  1. Dải điều chỉnh là số bước
sóng cách đều nhau được sử dụng để truyền tin, chúng ta có thể nói rằng A bao
gồm D.R bước sóng liên tiếp nhau, tức là A = D.R. Bằng việc sử dụng nhiều hơn
FSR đồng thởi và do đó hiệu quả mạng tăng lên vì mỗi FSR cung cấp một kênh
truyền tin bổ sung giữa bất kỳ cặp cổng vào và ra của AWG, với giả sử dải thu phát
đủ rộng. Chú ý rằng mạng được đề xuất rất dễ nâng cấp với các máy thu phát tiên
tiến về công nghệ có dải điều chỉnh lớn (và có thể tốc độ đường truyền cao hơn)
có thể khai thác nhiều FSRs hơn của AWG chủ yếu mà không đòi hỏi cấu hình lại
hay nâng cấp bản thân mạng. (Với sự ngầm điều chỉnh của bộ thu phát trong
khoảng vài nanô giây để cho phép hiệu quả với chuyển mạch gói). Tới khi các thiết
bị này mang tính thương mại, thì một giải pháp tạm thời có thể làm được là sử
dụng hai máy thu phát giá thấp, có thể điều chỉnh qua lại với một thời gian điều
chỉnh và dải điều chỉnh lớn. Ở mỗi node một bộ thu phát được chỉnh tới một
bước sóng khác trong khi bộ kia đang bận. Như vậy cả hai máy thu phát cùng có
khả năng tự ngầm điều chỉnh sẽ làm giảm thời gian điều chỉnh.
Ngoài việc sử dụng bộ thu phát có thể điều chỉnh, mỗi node dùng một nguồn
quang băng rộng cho phát quảng bá gói điều khiển. Như thấy trên hình 3.5, thông
tin điều khiển được trải phôr trong miền điện trước khi được điều biến nguồn
quang băng rộng. Chúng ta đã thấy ở phần 3.2.1 việc trải phổ cải thiện an ninh
mạng. Tín hiệu quang băng rộng đã được điều biến được cắt lát phổ bởi AWG sao
cho một lát tín hiệu quang băng rộng được phát quảng bá tới tất cả các cổng ra

của AWG.
Tại phần nhận, thông tin điều khiển được nhận giải trải phổ của tín hiệu đầu vào
trong miền điện.
3.2.3 So sánh kiến trúc mạng
Trong chương phần trước đã chỉ ra các mạng WDM nội thị thường có cấu
hình vòng hoặc sao. Các mạng hình sao có rất nhiều lợi ích. Cấu hình sao dễ lắp
đặt, cấu hình, quản lí, và hiệu chỉnh. Với ưu điểm ở khả năng lắp đặt, hiệu chỉnh,
cấu hình lại, nên giảm chi phí cài đặ hơn mạng ring. Hơn thế, một mạng hình sao
dựa trên một PSC hoăc một AWG là đáng tin cậy vì tính thụ động của nó. Khác
với cấu hình ring và bus, nó không chịu ảnh hưởng của suy hao rẽ. Suy hao mạng
hình sao tăng tuyến tính với số lượng node (theo dB). Chú ý rằng các mạng hình
sao khi hub trung tâm bị lỗi thì toàn bộ kết nối trong mạng đều bị mất. Do đó nên
hub trung tâm phải được bảo vệ.
Các mạng WDM nội thị hình sao thường dựa trên một PSC hoặc một AWG.
Trong phần này sẽ có sự so sánh về các mạng AWG hình sao đơn chặng và đa
chặng và các mạng đơn chặng sử dụng AWG hoặc PSC để có thể cho ta nhìn thấy
ưu điểm của mạng đơn chặng sử dụng AWG. Các mạng AWG hoặc PSC được
xem xét sẽ có N≥2, và giả thiết rằng các gói tin các kích thước cố định và lưu
lượng là đơn hướng không đồng nhất. Kết quả so sánh cho thấy tại sao mạng
WDM đơn chặng dựa trên AWG lại được đề xuất sử dụng trong mạng nội thị.
3.2.3.1. Các mạng dựa trên AWG đơn chặng và đa chặng
Chúng ta sẽ xem xét hai loại mạng này dựa trên khoảng cách chặng trung bình
và dung lượng của mạng (thông lượng tối đa).
* Cấu trúc
Mạng đơn chặng sử dụng một FSR, AWG NxN đồng thời chấp nhận tại mỗi
cổng vào tối đa N bước sóng từ λ
1
tới λ
N
và định tuyến mỗi bước sóng tới một cổng

ra khác nhau mà không gây ra xung đột kênh. Tại mỗi cổng ra sẽ có N bước sóng,
mỗi bước sóng từ một cổng vào đến. Vì bước sóng λ
1
kết nối mỗi phần phát và
phần thu của chính mỗi node nên bước sóng này được loại bỏ. N-1 bước sóng còn
lại cần phải được thu phát đối với tất cả các node trong một mạng đơn chặng. Do
vậy, mạng đơn chặng có thể được thiết lập bằng cách trang bị cho mỗi node hoặc là
N-1 các bộ thu và bộ phát cố định hoạt động ở các bước sóng khác nhau (1) hoặc là
một bộ phát và bộ thu chuyển đổi được trên dải N-1 bước sóng (2). Lựa chọn (1)
có thể được coi là trường hợp đặc biệt của mạng đa chặng. Mạng đơn chặng trong
đó node dùng một hoặc nhiều hơn các bộ thu phát chuyển đổi sẽ được nghiên cứu
kỹ hơn. Đặc biệt mỗi node được trang bị một thiết bị với r
S
≥1 các bộ thu phát
chuyển đổi được sao cho mỗi node có khả năng truyền dẫn đồng thời với r
S
node
khác nhau, mỗi node trên một bước sóng. Rõ ràng là với số lượng node là N thì tối
đa sẽ cần thu phát N-1 trên một node. Nghĩa là r
S≤
N-1. Rõ ràng chuyển đổi từ bước
sóng này sang bước sóng khác cần một thời gian chuyển đổi khác không. Trễ này
phụ thuộc phần lớn vào kiểu của bộ thu phát được sử dụng. Thời gian chuyển đổi
cần thiết được xác định bởi số lượng N-1 bước sóng được sử dụng và khoảng cách
kênh. Chú ý rằng các thời gian chuyển đổi của các bộ thu phát khác nhau khác
nhau bởi trật tự của trường. Do đó với một khoảng trống kênh cho trước thì số
lượng node N có ảnh hưởng lớn tới trễ chuyển đổi.

Hình 3.6 Các ring ảo trong một chặng đơn hop dựa trên AWG


AWG

A

B

C

D

E

A

B

C

D


E

l
2

A


B

C


D

E

l
3
A

B

C

D

E

l
5
A

B

C

D

E

l
4
B

A

AWG

l
2
l

3










Trong mạng đa chặng các bộ thu phát chuyển đổi được không được sử dụng.
Thay vào đó mỗi node dùng r
M≥
1 các bộ thu phát cố định với các bước sóng khác
nhau. Tuy nhiên nói chung, nếu 1≤r
M
≤(N-1) thì một node cho trước chỉ có thể gửi
trực tiếp các gói tin dữ liệu tới một tập con của (N-1) node đích. Vì thế để đạt tới
tất cả các node đích mong muốn thì mỗi node phải chuyển tiếp các gói tin dữ liệu
tới node logic kế tiếp cho tới khi các gói tin dữ liệu tới được node đích cuối cùng
và do đó hình thành mạng đa chặng logic. Cụ thể hơn mỗi bước sóng hình thành
một ring ảo để kết nối các node như được thể hiện trong hình 3.7. Trong ví dụ này
N=5 node (A tới E) được kết nối bởi một AWG 5x5. Cần phải nhắc lại rằng bước
sóng λ
1
không được sử dụng vì bước sóng này chỉ kết nối phần phát của node với
phần thu của chính node đó. Bốn bước sóng còn lại hình thành một ring ảo sao cho
ring ảo trên các bước sóng λ
2

và λ
5
là song hướng giống như ring ảo hình thành bởi
λ
3
và λ
4.
Tất cả bốn bước sóng đều được sử dụng để truyền thông giữa hai node bất kì.
* Khoảng cách trung bình chặng:
Để tính toán được khoảng cách chặng trung bình của mạng đơn chặng và đa
chặng, giả thiết rằng 1 chặng biểu thị khoảng cách giữa 2 node liền kề về mặt
logic. Hơn thế nữa giả thiết rằng khoảng cách chặng trung bình bằng với giá trị
trung bình của số lượng tối thiểu các chặng mà 1 gói tin phải đi qua trên đường
truyền ngắn nhất của nó từ node nguồn tới tất cả (N-1) node đích còn lại. Do tính
đối xứng của mạng đơn chặng và đa chặng nên khoảng cách chặng trung bình là
giống nhau cho tất cả các node.
Chúng ta giả thiết rằng:
Lưu lượng đơn hướng đồng dạng: Một node nguồn cho trước gửi một gói tin
tới bất cứ node nào trong (N-1) node đích còn lại với xác suất là 1/(N-1).
Tính liên tục bước sóng: Các gói tin phải xuất phát và đến từ 1 node trung
gian chuyển tiếp cho trước ở cùng bước sóng. Nghĩa là các node không thể thực
hiện chuyển đổi bước sóng.
Rõ ràng là trong mạng đơn chặng mỗi node nguồn sẽ tiếp cận một node đích
bất kỳ chỉ với đơn chặng duy nhất do đó khoảng cách chặng trung bình của mạng
đơn chặng là:
h
S

= 1
(4.1)

Việc tính toán khoảng cách chặng trung bình trong mạng đa chặng thì phức
tạp hơn thế. Để dễ hiểu chúng ta bắt đầu từ trường hợp đơn giản r
M
=1 trong đó
chúng ta lựa chọn một bước sóng sao cho đạt được một vòng ring đơn hướng kết
nối tất cả N node lại với nhau. Khoảng cách chặng trung bình sẽ được cho bởi:
2)1(2
)1(
1
1
1
1
N
N
NN
i
N
h
N
i
M










(4.2)
Trong đó khoảng cách giữa một node nguồn cho trước và (N-1) node còn lại
sẽ tương ứng là 1, 2, … (N-1). Bây giờ xét trường hợp r
M
=2. Nó sẽ cho ta một
vòng ring ảo khác. bước sóng bổ sung sẽ phải được lựa chọn sao cho vòng ring ảo
thứ hai này làm giảm khoảng cách chặng trung bình nhiều nhất có thể. Để đạt được
điều này vòng ring thứ hai phải có hướng ngược lại với vòng ring đầu tiên. Để làm
được điều này với N lẻ chúng ta sẽ phải vượt qua (N-1)/2 chặng cho mỗi hướng.
Khoảng cách chặng trung bình lúc này sẽ được biểu diễn bằng:
4
1
)1(2
2
1
1
2
1
2
1
2
2/)1(
1



















N
N
NN
i
N
h
N
i
M
(4.3)
Trong đó một node nguồn cho trước tiếp cận hai node đích khác nhau đối với
mỗi giá trị tăng của chặng. với r
M
≥3 thì sự lựa chọn bước sóng để bổ sung không
phải là duy nhất. Điều này luôn luôn xuất hiện khi thiết kế một mạng WDM đa
chặng logic. Đôi khi nó còn được gọi là bài toán xếp đặt node hoặc bài toán gán
bước sóng. Như được chỉ ra trong trường hợp này không phải luôn luôn là tốt nhất
khi lựa chọn một vòng ring ảo ngược hướng để giảm thiểu khoảng cách chặng
trung bình. Ví dụ trong trường hợp N=13 và r

M
=4 thì sự kết hợp của bất cứ một
cặp ring ngược hướng nào ví dụ như {λ
2
, λ
5
, λ
10
, λ
13
} sẽ cho khoảng cách chặng
trung bình là h
M
= 7/3 trong khi sử dụng các vòng ring không ngược hướng {λ
2
, λ
5
,
λ
7
, λ
12
} sẽ cho khoảng cách chặng trung bình nhỏ hơn là h
M
= 9/4. Thay vì tính
toán khoảng cách chặng trung bình chính xác của mạng đa chặng dựa trên AWG
với giá trị N bất kỳ và 1≤r
M
≤N-1 công thức dưới đây sẽ chỉ ra giới hạn dưới của
nó:






















M
r
N
i
MM
M
r
N

N
rN
i
N
r
h
M
1
1
mod)1(
1
1
1
(4.4)
 
 

















































M
M
MM
M
r
N
rN
r
N
r
N
r
N
1
.mod1
2
1
11
1
1
(4.5)
Để có được công thức này cần chú ý rằng khoảng cách chặng trung bình sẽ là
nhỏ nhất nếu (i) Càng nhiều node khác nhau có thể tiếp cận chỉ với giá trị đơn
chặng (ii) khoảng cách chặng tối đa (đường kính) của mạng là nhỏ nhất. Sử dụng
hai chú ý này chúng ta sẽ được phương trình 4.4 ở trên. Vì một ndoe nguồn cho
trước gửi trên tối đa r
M

bước sóng nên r
M
node đích khác nhau có thể được tiếp cận
chỉ với 1 chặng. Mỗi lần chính xác r
M
node đích khác nhau được tiếp cận thì giá trị
đếm chặng sẽ là [(N-1)/r
M
]. Nó tương ứng với vế đầu của phương trình 4.4. Phần
thứ hai của phương trình này xuất hiện khi xem xét tới các node còn lại (nhỏ hơn
r
M
) trong đó các chặng [(N-1)/r
M
] ở xa node nguồn cho trước. Để xem xét xem giới
hạn dưới này có bị chặn hay không chúng ta so sánh nó với khoảng cách chặng
trung bình tối ưu đạt được thông qua một quá trình tìm kiếm cho mạng đa chặng
với N là số nguyên tố. Giải pháp sẽ là tối ưu theo khía cạnh là chúng cung cấp
khoảng cách chặng trung bình nhỏ nhất cho tất cả các kết hợp ring có thể xảy ra
với r
M
và N tương ứng
* Dung lượng
Dung lượng C của một mạng WDM-đơn chặng hay đa chặng- được định
nghĩa bởi:
C =

r . S . N (4.6)

h

Trong đó r biểu thị số lượng bộ thu phát cho mỗi node, mỗi bộ thu phát này
hoạt động ở một bước sóng khác nhau, S biểu thị tốc độ dữ liệu của mỗi bộ thu
phát, N biểu thị số lượng node trong mạng và h biểu thị khoảng cách chặng trung
bình của mạng. Chúng ta giả thiết thiết rằng việc gửi nhận các gói tin ở đây là các
gói tin có kích thước cố định.
Cần nhớ rằng trong mạng đơn chặng mỗi node được trang bị r
S
bộ thu phát
chuyển đổi được trong đó 1≤r
S
≤N-1. Đối với mạng đơn chặng chúng ta giả thiết
rằng các bộ thu phải được chuyển tới mỗi bước sóng đối với mỗi gói tin truyền
dẫn. Do đó sự ước lượng dung lượng của chúng ta là khá ôn hoà ở khía cạnh là mỗi
bộ thu, nói chung, có thể được chuyển tới cùng một bước sóng khi đang truyền dẫn
nhiều hơn một gói tin theo hai hướng. Giả thiết τ biểu thị thời gian chuyển đổi của
các bộ thu khác không. Thời gian này giảm một cách đáng kể tốc độ dữ liệu của
mỗi bộ thu phát. Kết quả là tốc độ dữ liệu mạng cho mỗi bộ thu phát biểu thị bởi:
S
S
=

L .S (4.7)

L + 
1
.S , 
L

=


(4.8)

1+ 
L
L
Trong đó τ
L
biểu thị thời gian chuyển đổi bộ thu phát đã được bình thường
hoá bởi thời gian truyền dẫn gói tin L. Với khoảng cách chặng trung bình h
S
=1 thì
dung lượng của mạng đơn chặng sẽ là:
C
S
=

r
S
. S .
N
(4.9)

1 + 
L

Hình 3.8 Khoảng cách chặng trung bình và r
M
với N = 16
Trong mạng đa chặng mỗi node có r

M
bộ thu phát trong đó 1≤r
M
≤N-1. Vì các
bộ thu phát này là cố định nên sẽ không có thiết hại do thời gian chuyển đổi. Kết
quả là tốc độ dữ liệu hiệu quả sẽ bằng S. Sử dụng giới hạn dưới của khoảng cách
chặng trung bình cho trong phương trình 4.5 sẽ cho giới hạn trên của dung lượng
mạng đa chặng như sau:
C
M≤
r
M
. S .
N
(4.10)

h
M
r
M
. S . N . (N-1)
[ N-1 ] [

N-1 ] +
1

r
M
r
M

r
M
+ [(N-1) mod r
M
]
[
N-1
2 r
M
* Tính toán với một vài giá trị thực tế.
Trong các kết quả dưới đây chúng ta xem xét các gói tin với kích thước cố
định 1500 byte được thu – phát với tốc độ 10Gb/s. Vì thế thời gian truyền dẫn một
gói tin sẽ là L = 1,2µs. Độ lớn của kênh được giả thiết là 100GHz (tương ứng với
0,8nm tại bước sóng 1,55µm).
Đầu tiên chúng ta xem xét mạng đơn chặng trong đó mỗi node có các bộ thu
phát quang âm chuyển đổi nhanh với thời gian chuyển đổi là 10ns. Nó sẽ dân đến
thời gian chuyển đổi bộ thu phát đã bình thường hoá là r
L
=8,33.10
-3
. Với độ rộng
kênh là 0,8nm và dải chuyển đổi bộ thu phát giới hạn là 10-15nm thì số lượng các
bước sóng sẵn sàng sấp xỉ bằng 16. Điều này cho phép hiện thực hoá mạng đơn
chặng và đa chặng với kích thước lên tới N=16 node. Hình 3.8 biểu thị khoảng
cách chặng trung bình của hai loại mạng trên như là hàm của số lượng các bộ thu
phát r
M
cố định được sử dụng tại mỗi node của mạng đa chặng. Rõ ràng là, khoảng
cách chặng trung bình trong mạng đơn chặng luôn là 1 không phụ thuộc vào r
M

và
đóng vai trò như một tham chiếu cho khoảng cách chặng trung bình của mạng đa
chặng tương ứng. Đối với mạng đa chặng hình 3.8 chỉ ra giới hạn dưới của khoảng
cách chặng trung bình được nêu ở phương trình 4.5. Chúng ta thấy rằng giới hạn
dưới sẽ giảm nhanh chóng khi r
M
tăng. Kết quả là một vài bộ thu phát cố định tại
mỗi node là đủ để giảm khoảng cách chặng trung bình của mạng đa chặng một
cách đáng kể và tiếp cận với khoảng cách chặng trung bình của mạng đơn chặng.
Bổ sung thêm các bộ thu phát cho mỗi node sau đó chỉ có tác dụng nhỏ lên khoảng
cách chặng trung bình của mạng đa chặng. Cần chú ý rằng r
M
=(N-1) = 15 thì cả
mạng đơn chặng và đa chặng đều có khoảng cách chặng trung bình bằng 1.
Tuy nhiên từ quan điểm dung lượng mạng thì rất có hiệu quả nếu trang bị cho
mỗi node trong mạng đa chặng càng nhiều bộ thu phát cố định càng tốt. Hình 3.9
miêu tả giới hạn trên của dung lượng đối với mạng đa chặng, được cho trong
phương trình 4.11, như là hàm của r
M
. Dung lượng của mạng đa chặng tăng theo
hàm mũ hai khi r
M
tăng. Điều này là bởi vì thực tế r
M
lớn không chỉ làm giảm
khoảng cách chặng trung bình mà còn tăng tính đồng bộ bằng cách sử dụng đồng
thời tất cả r
M
bộ thu phát tại mỗi node. Để so sánh hình 3.9 cũng chỉ ra dung lượng
của mạng đơn hơp với số lượng bộ thu phát r

S
=1 tại mỗi node được cho trong
phương trình 4.9. Chú ý rằng mạng đa chặng cần ít nhất bốn bộ thu phát cố định
cho mỗi node để đạt được dung lượng bằng với mạng đơn chặng có một bộ thu
phát chuyển đổi được ở mỗi node.

Hình 3.9 Mạng dung lượng vàr
M
với N = 16 (r
S
=1, cố định)
Chúng ta đã thấy rằng đối với một độ rộng kênh cho trước số lượng node N
xác định dải chuyển đổi cần thiết của các bộ thu phát chuyển đổi được được sử
dụng trong mạng đơn chặng. Với độ rộng kênh là 0,8nm và kích thước lên tới 16
node chúng ta có thể sử dụng các bộ thu phát quang điện với thời gian chuyển đổi
không đáng kể. Tuy nhiên với số lượng node lớn hơn thì chúng ta phải sử dụngcác
loại bộ thu phát khác với dải chuyển đổi rộng hơn và phải trả giá bởi sự mở rộng
đáng kể thời gian chuyển đổi. Do đó với N > 16 các bộ thu phát quang âm cần phải
được sử dụng. Chúng có thời gian chuyển đổi trường lớn hơn so với các bộ thu
phát quang điện tương ứng dẫn đến thời gian chuyển đổi trung bình hoá là bình
thường hoá τ
L
=8,33. Ảnh hưởng của các thời gian chuyển đổi bộ thu phát khác
nhau lên dung lượng mạng đơn chặng được chỉ ra trong hình 3.10 cho 2≤N≤32 và
r
S
=1. Chúng ta thấy rằng dung lượng mạng đơn chặng sẽ tăng tuyến tính theo N
khi N≤16. Có điều này bởi vì mỗi node bổ sung sẽ có đóng góp như nhau vào dung
lượng tổng. Khi N>16 các bộ thu phát quang âm với dải chuyển đổi lớn hơn sẽ
phải được sử dụng. Trễ chuyển đổi bộ thu phát của loại này sẽ làm giảm đáng kể