Đồ án nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng

Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
MỤC LỤC 1
LỜI MỞ ĐẦU 9
Chương I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG 11
1.1. Giới thiệu 11
1.2. Khảo sát công nghệ 13
1.3. Phân loại mạng quang 16
1.3.1. phân loại dựa vào định tuyến 16
1.3.1.1. Optical-Link Networks (các mạng liên kết quang) 16
1.3.1.2. Single-Hop Optical Networks (các mạng quang đơn chặng) 17
1.3.1.3. Multihop Optical Networks (các mạng quang đa chặng) 23
1.3.1.4. Các mạng quang lai ghép ( Hybrid Optical Networks) 27
1.3.1.5. Mạng Photon 31
1.3.2. Phân loại theo topo mạng 33
1.3.2.1. Cấu trúc mạng RING 34
1.3.2.2. Cấu trúc mạng MESH 34
1.3.2.3. Cấu trúc hình sao đơn 35
1.3.2.4. Cấu trúc hình sao kép 35
1.4. Các tham số đặc trưng của mạng quang 36
1.4.1. Đặc trưng riêng của mạng quang 36
1.4.2. Các tham số liên quan đến topo mạng 37
1.4.3. Các tham số liên quan đến những giới hạn vật lí 38
1.4.4. Các tham số liên quan đến nhu cầu lưu lượng mạng 39
1.4.5. Các tham số liên quan đến kiến trúc 40
1.4.6. Các tham số liên quan đến sự giám sát 41
Chương II. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG QUANG WDM VÀ CÔNG NGHỆ 42
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 1
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
2.1. Giới thiệu chương 42

2.2. Nguyên lí hoạt động của hệ thống WDM 43
2.3. Ưu điểm của hệ thống WDM 45
2.4. Vấn đề tồn tại của hệ thống WDM và hướng giải quyết trong tương lai 45
2.5. Chuyển mạch quang 46
2.6. Các thành phần chính của hệ thống WDM 47
2.6.1. Thiết bị đầu cuối OLT 47
2.6.2. Bộ ghép kênh xen/rẽ quang OADM 49
2.6.3. Bộ khuếch đại quang 53
2.6.4. Bộ kết nối chéo quang OXC 56
2.6.4.1. Chức năng OXC 56
2.6.4.2. Phân loại OXC 59
2.7. Sự chuyển đổi bước sóng 61
2.8. Kết luận chương 63
Chương III.ĐỊNH TUYẾN THEO BƯỚC SÓNG 64
3.1. Giới thiệu chương 64
3.2. Giới thiệu về định tuyến và gán bước sóng (Routing and Wavelength 64
3.3. Phương pháp định tuyến và gắn bước sóng bước sóng 66
3.3.1. Phương pháp định tuyến 67
3.3.1.1. Phương pháp định tuyến trong mạng MESH 67
3.3.1.1.1. Định tuyến cố định 67
3.3.1.1.2. Định tuyến luân phiên cố định 68
3.3.1.1.3. Định tuyến thích nghi 69
3.3.1.1.4. Định tuyến bảo vệ 70
3.3.1.2. Phương pháp định tuyến trong mạng cấu trúc RING 71
3.3.1.2.1. Định tuyến trong mạng RING đơn 73
Các phương pháp định tuyến tối ưu 73
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 2
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
Các phương pháp định tuyến Heuristic 74
3.3.1.2.2. Định tuyến trong mạng đa Ring 78

3.3.2. Phương pháp gán bước sóng 80
3.3.2.1. Phương pháp gán bước sóng tĩnh 80
3.3.2.1.1 Thuật toán gán bước sóng từ bậc lớn nhất (LF – Largest First 82
3.3.2.1.2. Phương pháp gán bước sóng trong mạng Ring 84
3.3.2.2. Phương pháp gán bước sóng động 87
3.3.2.2.1. Gán bước sóng ngẫu nhiên 87
3.3.2.2.2. Gán bước sóng theo phù hợp nhất 88
3.3.2.2.3 Gán bước sóng theo chiều dài luồng quang dài nhất (LF –Longest 88
3.3.2.2.4. Gán bước sóng dựa trên bước sóng sử dụng ít nhất ( LU- Least Used ) 89
3.3.2.2.5. Gán bước sóng theo số bước sóng sử dụng nhiều nhất (MU- Most 90
KẾT LUẬN 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO 93
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 3
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
ADM
AG
AN
AOTF
APD
AWGM
ATM
AW
DCA
DEMUX
DSF
DXC
DLE
DWDM

FBG
EDFA
FDM
FFWF
GMPLS
GW
IP
ISDN
Add/drop multiplexer
Auxiliary Graph
Acces Node
Acousto Optic
Turnable Filter
Avalanche Photodiode
Arrayed - Wavelength
Grating Multiplexer
Asynchronous Transfer Mode
Available Wavelength
Distinct Channel Assignment
Demultiplexer
Dispersion Shifted Fiber
Digital Cross Connect
Dynamic Lightpath Establishment
Differential Wavelength
Division Multiplexer
Fibre Grating
Erbium doped fiber amplifer
Frequency Division Multiplexing
First Fit Wavelength First
Generalized Multiple Protocol

Label Swithching
Gateway
Internet Protocol
Integrated service digital network
Bộ ghép kênh xen kẽ
Dựng một đồ thị phụ
Nút truy nhập
Bộ lọc thanh quang
có điều chỉnh
Điốt quang thác
Bộ ghép kênh lưới quang
dẫn sóng kiểu dàn
Phương thức truyền không
đồng bộ
Bước sóng khả dụng
Gán kênh riêng biệt
Bộ giải ghép kênh
Sợi dịch tán sắc
Nối chéo số
Thiết lập luồng quang
Ghép kênh chia bước
sóng vi sai
Lưới sợi quang
Khuếch đại sợi quang trộn
erbium
Ghép kênh phân chia tần số
Thuật toán gán bước sóng
theo thứ tự bước sóng
Chuyển mạch nhãn đa
giao thức tổng quát

Cổng
Giao thức internet
Mạng số liên kết dịch vụ
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 4
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
LAN
LC
LCP
LCG
LF
LEC
LL
LSP
LSR
LU
MΣ
MESH
MPLS
OADM
OC
O/E/O
Och
OLA
OXC
OTDM
RWA
Local Area Network
Logical Connection
Least Congested Path
Logical Connection Graph

Largest First
Least Converter First
Least Loaded
Label Swithched Path
Label Swithching Router
Least Used
Max-Sum
Mesh
Multi Protocol Label Swithching
Optical add/drop multiplexer
Optical Circulator
Optical/Electrical/ Optical
Optical Channel
Optical Line Amplifier
Optical Cross Connect
Optical Time Division Multiplex
Routing and Wavelength
Assignment
Mạng cục bộ
Kết nối logic
Định tuyến đường nghẽn ít nhất
Hướng kết nối logíc biểu đồ
Thuật toán gán bước sóng
từ bậc lớn nhất
Chuyển đổi bước sóng
theo thứ tự cao nhất
Thuật toán gán bước
sóng dựa trên tải ít nhất
Luồng chuyển mạch nhãn
Bộ định tuyến chuyển

mạch nhãn
Gán bước sóng dựa trên
bước sóng sử dụng ít nhất
Thuật toán gán bước sóng dựa
trên tổng dung lượng lớn nhất
Dạng lưới
Chuyển mạch nhãn đa giao thức
Bộ ghép kênh xen/rẽ quang
Bộ đấu vòng quang
Quang/ Điện/ Quang
Kênh quang
Khuếch đại đường quang
Nối chéo quang
Ghép kênh quang phân chia
thời gian
Định tuyến và gán bước sóng
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 5
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
SDH
SGC
SONET
SNCP
STM
SWR
SOS
TAW
TDM
Thr
TSI
WADM

WC
WDM
WGR
WP
WR
WRS
RCA
WRN
IGRP
RIP
Synchronous Digital Hierarchy
Sequential Graph Coloring
Synchronous Optical Network
Sub-Network Connection
Protection
Synchronous Transport Module
Static Wavelength Routing
Space Optical Switch
Total wavelength and Available
wavelength
Time Division Multiplexing
Thr - Protecting Threshold
Time Slot Interchanger
Wavelength Add- Drop
Multiplexer
Wavelegth Converter
Wavelength Division Multiplex
Waveguide Grating Router
Wavelength Path
Wavelength Router

Wavelength Router Switch
Routing And Chanel Assignment
Wavelength Router Network
Interior Gateway Routing
Protocol
Routing Imformation Protocol
Phân cấp số đồng bộ
Tô màu đồ thị tuần tự
Mạng quang đồng bộ
Bảo vệ kết nối mạng con
Modun truyền tải đồng bộ
Bộ định tuyến bước sóng tĩnh
Chuyển mạch quang không
gian
Tổng bước sóng của các
bước sóng khả dụng
Ghép kênh phân chia theo
thời gian
Ngưỡng bảo vệ
Trao đổi khe thời gian
Bộ nhập tách bước sóng
Bộ chuyển đổi bước sóng
Ghép kênh chia bước sóng
Bộ định tuyến lưới quang
dẫn sóng
Đường bước sóng
Bộ định tuyến bước sóng
Khoá định tuyến bước sóng
Định tuyến và gán kênh
Mạng định tuyến bước sóng

Giao thức định tuyến bên trong
Giao thức thông tin định tuyến
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 6
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
SOA Semiconductor Optical Amplifier

Bộ khuếch đại quang bán dẫn
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 7
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1 : Cấu trúc sợi quang 14
Hình 2 : Single-hop optical Network 18
Hình 3 : Mạng sao chọn lọc và quảng bá 19
Hình 4 : Mô hình treeNet 20
Hình 5 : Cấu hình vật lý của mạng LLN 21
Hình 6 : Mạng quang đa chặng 23
Hình 7 : Một cấu trúc RING 6 node 34
Hình 8 : Cấu trúc mạng MESH 35
Hình 9 : Cấu trúc hình sao đơn 35
Hình 10 : Cấu trúc hình sao kép 36
Hình 11 : Hệ thống TDM 43
Hình 12 : Hệ thống WDM 43
Hình 13 : Nguyên lí ghếp kênh phân chia theo bước sóng 44
Hình 14 : Hệ thốn WDM theo một hướng (a) và hai hướng (b) 45
Hình 15 : OLT 48
Hình 16 : Vai trò của OADM trong mạng 50
Hình 17 : Các kiến trúc OADM 52
Hình 18 : EDFA 54
Hình 19 : Mạng WDM định tuyến bước sóng 56
Hình 20 : Các khối chức năng của OXC 58

Hình 21 : Trạng thái của OXC 59
Hình 22 : Hybrid OXC 60
Hình 23 : OXC toàn quang WGR 61
Hình 24 : Sự chuyển đổi bước sóng 62
Hình 25 : Các khả năng chuyển đổi bước sóng 63
Hình 26 : Điều kiện tính liên tục của bước sóng 65
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 8
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
Hình 27 : Đường ngắn nhất cố định 67
Hình 28 : Tuyến chính (nét liền) và tuyến thay thế (nút chấm) từ nút 0 đến 69
Hình 29 : Định tuyến thích nghi từ nút 0 đến nút 2 70
Hình 30 : Nguyên tắc định tuyến theo số chặng nhỏ nhất 75
Hình 31 : Nguyên tắc định tuyến chặng nhỏ nhất có sửa đổi 76
Hình 32 : Nguyên tắc tải tối thiểu với các lưu lượng theo thứ tự A-C,E-D,B-C 77
Hình 33 : Nguyên tắc tối thiểu : cơ chế định tuyến với thứ tự lưu lượng có thay đổi 77
Hình 34 : Mạng cấu trúc đa RING 79
hình 35 : Mạng có 8 luồng quang định tuyến 82
Hình 36 : Đồ thị phụ thuộc G(V,E) cho các luồng quang 82
Hình 37 : Mạng với các yêu cầu luồng quang 83
Hình 38 : G(V,E) cho các luồng quang trong mạng với thuật toán gán 83
bước sóng từ bậc lớn nhất (Largest First) 83
Hình 39 : Sơ đồ minh họa mối liên hệ với bài toán tô màu nút đồ thị 85
Hình 40 : Gắn bước sóng cho RING sử dụng đồ thị đoạn 86
Hình 41 : Thuật toán gắn bước sóng theo First – Fit 88
Hình 42 : Gán bước sóng theo chiều dài luồng quang đầu tiên dài nhất 89
Hình 43 : Trạng thái ban đầu của mạng 89
Hình 44 : Gắn bước sóng cho LU 90
Hình 45 : Trạng thái gán bước sóng cho kết nối mới của mạng 91
LỜI MỞ ĐẦU
Trong hệ thống truyền tải, với sự ra đời của công nghệ mạng quang

WDM đặc biệt là công nghệ DWDM được coi như là một công nghệ tối ưu thay
thế cho công nghệ TDM truyền thống. Với sự ra đời của công nghệ WDM cho
phép các nhà thiết kế mạng lựa chọn được phương án tối ưu nhất để tăng dung
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 9
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
lượng đường truyền với chi phí thấp nhất. Cho đến nay hầu hết các hệ thống
thông tin quang đường trục có dung lượng cao đều sử dụng công nghệ WDM.
Ban đầu từ những tuyến WDM điểm – điểm đến nay đã xuất hiện các mạng với
nhiều cấu trúc phức tạp. Tuy nhiên, do hiện nay số lượng bước sóng sử dụng
trong hệ thống WDM là rất hạn chế, vấn đề đặt ra là phải làm thế nào để có thể
sử dụng nguồn tài nguyên này một cách hiệu quả nhất. Giải quyết được vấn đề
này tức là nâng cao năng lực của mạng với số tối đa tải trên một bước sóng cho
trước, đây chính là vai trò của việc định truyến các bước sóng trong mạng. Việc
định truyến tốt sẽ cho phép sử dụng tối ưu các bước sóng khi xây dựng một
mạng mới và làm giảm chi phí cho thiết bị. Do đó, vai trò của việc định tuyến và
gán bước sóng trong mạng quang WDM là rất quan trọng. Việc sử dụng công
nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM cho phép nâng cao đáng kể băng thông
mà vẫn duy trì hiện trạng hoạt động của mạng, nó cũng đã được chứng minh là
một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí cho các mạng đường dài.
Vì lẽ đó đề tài “Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến
quang theo bước sóng” sẽ nghiên cứu vấn đề này một cách cụ thể hơn trong
nội dung của đồ án này.
Đồ án được chia thành 3 chương:
 Chương 1 : Tổng quan về mạng quang
 Chương 2 : Giới thiệu về mạng quang WDM và công nghệ
 Chương 3 : Định tuyến và gắn bước sóng trong mạng quang WDM
Mặc dù có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên đồ án này
không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng
góp của các thầy cô giáo và các bạn.
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 10

Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Ths.Chu Công Cẩn
đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực
hiện đồ án.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ thuật
thông tin, Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học giao thông vận tải Hà Nội đã
giúp đỡ em trong thời gian qua.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè người thân- những người
đã luôn cổ vũ động viên giúp đỡ kịp thời em trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2012
Chương I
TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG
1.1. Giới thiệu
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 11
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
Mạng truyền dẫn quang mang các bản tin được mã hóa như các tín hiệu
sóng ánh sáng – bức xạ điện từ trong quang phổ thấy được và quang phổ gần
vùng thấy được. Khả năng truyền dẫn tín hiệu sóng ánh sáng qua ống dẫn sóng
quang bằng silica với tốc độ dữ liệu và độ tin cậy cao được tăng tốc để phát triển
mạng quang. Mạng quang bao gồm các hệ thống từ các mạng sợi biến đổi đơn
giản, thay thế các đường truyền dẫn điện bằng liên kết sợi quang, đến các mạng
toàn quang được đề xuất gần đây, trong đó quá trình xử lí và truyền dẫn bản tin
nằm toàn bộ trong miền quang. Do các công nghệ tồn tại dưới mạng quang đang
phát triển rất nhanh chóng, nên các mạng quang đang xuất hiện dưới rất nhiều
dạng khác nhau. Sự tiến bộ trong công nghệ gần như luôn luôn đi theo kiến trúc
mạng mới làm thuận lợi cho nó. Khả năng xử lí tốt trong mạng quang giải thích
tại sao nhiều chiến lược chuyển mạch duy nhất được ra đời và phát triển trong
phạm vi của mạng quang. Mạng quang chia sẻ với mạng điện thông thường về
mục đích cơ bản của lưu lượng tích hợp phân phối hiệu suất cao (ví dụ: video,
voice, và dữ liệu) dưới những điều kiện thay đổi không thể đoán trước được

(như sai hỏng, tắc nghẽn, và các lỗi nguy hiểm). Vì vậy chúng ta cần chuyển
mạch gói, các dịch vụ datagram,và chuyển mạch kênh – đây là những công nghệ
không phù hợp trong các mạng quang, do không yêu cầu mạch điện – các dịch
vụ định hướng kết nối. Lưu lượng chuyển mạch gói có thể trễ, không liên tục,
mất gói. Các lớp lưu lượng không yêu cầu đảm bảo chuyển giao đầu cuối đến
đầu cuối cũng như độ tin cậy trong giao thức lớp cao để tạo ra độ đảm bảo
chuyển từ đầu cuối tới đầu cuối. Tuy nhiên, lớp lưu lượng thời gian thực đòi hỏi
độ trễ xác định và chuyển giao theo thứ tự của thông tin; nó cũng yêu cầu tỉ lệ
lỗi không được vượt quá giới hạn và kênh ảo cung cấp một thông lượng cho
trước. Nhưng chúng ta có thể hoàn toàn phân biệt được quang với mạng điện
thông thường. Sợi quang đơn mode là môi trường chủ yếu cho truyền dẫn tín
hiệu sóng ánh sáng có khả năng hướng sóng cao với bước sóng 0.8, 1.3 và
1.5μm, tương ứng với các vùng mà nguồn và bộ tách sóng sử dụng một cách dễ
dàng.
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 12
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
1.2. Khảo sát công nghệ
Trong phần này chúng ta xem xét của việc thiết lập mạng quang. Các
công nghệ sóng ánh sáng, photon, và hướng sóng quang đã tiến được những
bước dài và xu hướng sẽ còn tiếp tục. Vì vậy, để hiểu việc định tuyến trong
mạng quang, người đọc cần phải có hiểu biết về nền tảng công nghệ của họ
mạng này. Đầu tiên chúng ta mô tả thiết bị mà trở thành 1 phần kiến thức về
kiến trúc mạng quang. Loại thiết bị quang duy nhất được nghiên cứu sử dụng
trong mạng truyền thông, và chúng ta xem xét đặc điểm và chức năng cơ bản
của các thiết bị này. Thành phần mới được phát triển ổn định. Đây là các mẫu
hiện đang khả dụng và sẽ khả dụng trong tương lai.
• Sợi quang: ống dẫn sóng quang bao gồm một hình trụ trung tâm - hoặc
lõi của vật liệu suy hao thấp như thủy tinh silic được bao phủ bởi lớp vỏ
bên ngoài chỉ số khúc xạ thấp. Các sợi quang đơn mode,với đường kính
lõi khoảng 10micromet, chỉ truyền dẫn 1 mode ánh sáng, bằng cách ấy

loại trừ được dần dần sự phân bố năng lượng xung tốc độ hạn chế và
khoảng cách truyền dẫn trong sợi đa mode. Những sợi quang đơn mode
như vậy làm suy giảm tổn thất khoảng 0.16dB/km. Mặc dù không có sự
tán sắc, sợi đơn mode là yếu tố tác động đến tán sắc màu, trong đó việc
truyền các bước sóng khác nhau qua sợi quang với tốc độ khác nhau sao
cho tín hiệu tạm thời trải rộng ra. Một phần bù cho các tác động có thể đạt
được bởi kĩ thuật sản xuất sợi tán sắc thay đổi và sợi dẹt, cho phép cải tiến
hoạt động tại tần số 1.3 và 1.5 micromet. Bởi vì kích cỡ vật lí nhỏ (đường
kính lớp vỏ vào khoảng 100micromet) sợi quang lớn hơn có thể được gói
bởi một cáp. Các cáp bao gồm hàng trăm sợi quang.
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 13
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012

Hình 1 : Cấu trúc sợi quang
• Bộ ghép quang: Một thiết bị thường gặp trong mạng quang, bộ ghép
quang được sử dụng để tách nguồn từ một đầu vào tới nhiều đầu ra. Hơn
nữa nó có thể kết hợp tín hiệu xung ánh sáng từ 2 sợi vào thành 1 sợi ra.
Đặc điểm bộ tách và kết hợp nối quang được định ra tại thời điểm chế tạo
và không thể thay đổi. Các cặp sợi quang đơn mode được ghép bởi quá
trình làm thon thành hình nón bằng phương pháp nóng chảy. Cấu trúc
hình học của cáp nhọn có thể được điều chỉnh sản xuất tỉ lệ nối phù hợp.
Với 4 cổng của bộ ghép có thể kết nối tới bộ ghép hình sao n đầu vào và
đầu ra, hoặc với bộ ghép hình sao 128 cổng có thể được cấu như các thiết
bị tích hợp. Là một thiết bị thụ động hoàn chỉnh không yêu cầu phải cấp
nguồn, bộ ghép này không đắt và có độ tin cậy cao, tổn hao thấp.
• Chuyển mạch không gian quang: Các thiết bị thường được xây dựng bởi
khuyếch tán titan vào LiNbO3 nhưng chúng cũng có thể vào hợp chất bán
dẫn. Với khả năng chuyển mạch nhanh các thiết bị này được tìm thấy
trong mạng quang. Các chuyển mạch thông thường có tổn thất lớn (4 tới 5
dB).

• Thiết bị phối hợp đường truyền: Thiết bị phối hợp đường truyền là sự
tổng quát hóa của chuyển mạch không gian quang có thể với cấu hình
cung cấp nguồn tùy cho bộ ghép giữa các đầu vào và đầu ra. LDC là thiết
bị với n đầu vào và ra cho qua tín hiệu xung ánh sáng tùy theo ma trận a
ij
truyền dẫn nguồn quang của từng người sử dụng. Cổng vào aij cho biết tỉ
lệ công suất gửi từ đầu vào i tới đầu ra j. Hệ số δ miêu tả sự phân chia
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 14
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
nguồn quang từ cổng đầu vào i phân phối tới cổng đầu ra j Hệ số ơij miêu
tả sự phân chia của nguồn quang từ cổng đầu vào i tới trực tiếp cổng đầu
ra j. Ta có a
ij
= ơ
ij
δ
ij
Giống như bộ ghép tổng quát LDC có thể đồng thời
tách và ghép tín hiệu quang phù hợp với thiết bị của chúng. Lựa chọn
bước sóng LDC là một trong những bước sóng đặc trưng của ma trận
truyền dẫn đặc trưng. Thiết bị này cho thấy sự khác nhau giữa hệ số tách
và ghép được áp dụng cho đồng thờicác bước sóng khác nhau. Vì thế các
bước sóng khác nhau đưa vào LDC qua đầu vào và phân phối nguồn khác
nhau ở đầu ra.
• Bộ ghép và tách sóng: Ghép và phân chia bước sóng được thực hiện bởi
sự nhiễu xạ có chia tách các bước sóng về không gian. Ngược lại bộ ghép
phối hợp các tín hiệu riêng lẻ từ các cổng vào và kết hợp chúng vào cổng
đầu ra .
• Routers bước sóng: Một thành phần của tín hiệu đầu vào gửi tới đầu ra
đặc biệt trên cơ sở của bước sóng tín hiệu được gọi là chuyển mạch bước

sóng. Chuyển mạch bước sóng là dạng tổng quát của thiết bị tách sóng.
Trong thực tế, chuyển mạch bước sóng thường chỉ đơn thuần là chuyển
bước sóng ở cổng đầu vào tới cổng đầu ra. Router biến đổi bước sóng
không chỉ định tuyến bước sóng đi tới mà còn chuyển nó sang một bước
sóng mới, bằng cách ấy cải thiện được hiệu suất thiết lập của các bước
sóng bằng phương pháp giảm xung đột bước sóng.
• Chuyển mạch cơ điện quang: Chức năng của chuyển mạch cơ điện
quang giống như chuyển mạch không gian trừ tín hiệu xung ánh sáng
được chuyển mạch cơ học. Các thiết bị này tốc độ chậm nhưng đắt, với
thiết kế cơ sở như gương, lăng trụ, selenit.
• Bộ lọc quang: Bộ lọc quang cho phép chọn 1 hoặc nhiều bước sóng từ
toàn bộ tín hiệu gồm nhiều bước sóng. Sóng âm lan truyền qua một vật
liệu quang tương tác với sóng ánh sáng qua hiệu ứng photon đệm bao
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 15
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
gồm nhiễu mà có thể thay đổi đặc tính vốn có của sóng ánh sáng. Các
thiết bị này có thể điều chỉnh được độ rộng nhưng thời gian điều chỉnh
của chúng tương đối dài (có thể vài μs).
• Bộ khuyêch đại quang: Mặc dù hiểu họ router trong mạng quang không
yêu cầu tất yếu với các công nghệ ứng dụng của mạng quang, phát triển
bộ khuếch đại quang dùng erbium được tăng tốc độ phát triển trong mạng
quang. Khả năng tín hiệu xung ánh sáng mở rộng tại bước sóng cửa sổ
1.5μm, EDFA tăng công suất của tín hiệu đầu vào mà không cần tái tạo
tín hiệu. Các bộ khuếch đại sợi quang được kích thích bởi các phần tử đất
hiếm khác, như các bộ khuếch đại sợi florua kích thích bởi Neođim hay
Prazeođim, có cấu tạo tương tự để khuếch đại các tín hiệu sóng ánh sáng
tại bước sóng 1.3mm.
1.3. Phân loại mạng quang
1.3.1. phân loại dựa vào định tuyến
Chúng ta trình bày một kiểu phân loại dựa trên cách mà mạng định tuyến các

bản tin từ nguồn đến đích. Phân loại tạo nên sự hợp nhất cho việc thảo luận về
định tuyến. Phân loại mạng quang có thế chia làm 5 phần sau:
• Optical-Link Networks (các mạng liên kết quang).
• Single-Hop Optical Networks (các mạng quang đơn chặng).
• Multihop Optical Networks (các mạng quang đa chặng).
• Hybrid Optical Networks (các mạng quang lai).
• Photonic Networks (các mạng photon).
1.3.1.1. Optical-Link Networks (các mạng liên kết quang).
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 16
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
Optical-Link Network dùng sợi quang thay vì sợi dây kim loại. Các mạng
này bao gồm các chuyển mạch điện kết nối trong một topo mạng lưới bới các
liên kết quang. Phương pháp này đảm bảo tốc độ truyền dẫn tốc độ cao và cho
độ trễ thấp hơn các hệ thống thông thường khác nhưng không phải là tối ưu
trong công nghệ mạng quang. Optical-Link Network thì có nhiều ưu điểm hơn
so với các Electronic-Link Network : nó cho băng thông cao hơn, tỉ lệ lỗi thấp.
Mặt khác, các tuyến quang thì có độ phức tạp hơn so với các tuyến điện, và thật
khó khăn khi thực hiện chuyển mạch điện mà phù hợp với tốc độ quang.
Các ví dụ về mạng Optical-Link Networks bao gồm mạng số dịch vụ tích
hợp băng thông rộng (B-ISDN) mà dùng chuyển mạch tế bào ATM, và mạng
gigabit testbed do chính phủ Hoa Kỳ cải tiến được gọi siêu xa lộ thông tin
(Information Superhightway).
Khó khăn chính trong việc thiết kế lược đồ định tuyến cho các mạng này
là tốc độ, nó đòi hỏi xử lí phần mào đầu gói chậm nhất có thể. Cách giải quyết
điển hình bao gồm: định tuyến nguồn, định tuyến kênh ảo, và chuyển mạch liên
tục để giảm thiểu việc đệm gói tin.
Định tuyến trong Optical-Link Networks về cơ bản cũng giống như trong
các mạng điện truyền thống.
1.3.1.2. Single-Hop Optical Networks (các mạng quang đơn chặng).
Trong Single-Hop Optical Network một bản tin di chuyển từ nguồn đến

đích chỉ trong một hop, mà không có sự chuyển đổi trong miền quang và không
có xử lí thông tin điều khiển trong băng. Chú ý rằng việc định tuyến và chuyển
đổi bước sóng phải được cho phép. Bản tin truyền qua mạng trong một hop, và
định tuyến thực chất là tìm một kênh từ nguồn đến đích. Trong định tuyến trong
mạng Single Hop thì giảm được vấn đề đa truy nhập.
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 17
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
Hình 2 : Single-hop optical Network
Nhiều mạng Single-Hop Optical Netwoks bao gồm các trạm được gắn vào
“optical star coupler” (bộ ghép quang cấu trúc sao), quảng bá tín hiệu bất kỳ
được gửi đến nó đến tất cả các trạm trong mạng, như chỉ ra ở hình 3. Ví dụ bao
gồm: LAMBDANET và Rainbow. Trong LAMBDANET được dự định cung
cấp kết nối giữa các tổng đài, mỗi một trạm có truyền dẫn một bước sóng duy
nhất và nó truyền theo kiểu ghép kênh phân chia theo thời gian. Trạm này có bộ
phân kênh mà đưa đến cho phía thu. Phía thu chọn một bước sóng và một khe
thời gian từ bản tin được tách ra. Do vậy, không yêu cầu khả năng điều hướng
(tunability), nhưng mỗi trạm phải xử lí thực thi ở phía nhận. Các trạm cũng có
một bộ phát bước sóng chung, mà được dùng cho quản lý kết nối và báo hiệu.
Truy cập đến bước sóng được kiểm soát bởi ghép kênh phân chia theo thời gian
(TDM). Một trạm trong mạng Rainbow truyền một bước sóng duy nhất. Mỗi
một trạm có bộ lọc mà có thể phân biệt được bước sóng thích hợp cho phía thu.
Rainbow dùng chủ yếu trong chuyển mạch kênh, và nó hoạt động không hiệu
quả trong các mạng chuyển mạch gói. Mạng sao cơ bản không hỗ trợ các trạm
với số lượng lớn, bởi vì bộ ghép cấu trúc sao (star coupler) có số cổng hạn chế,
và các trạm không dễ dàng đạt được tốc độ bước sóng để truyền thông với các
trạm khác.
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 18
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
Hình 3 : Mạng sao chọn lọc và quảng bá
Quadro là một kiểu mạng khác của Single-Hop Network dựa trên ghép

kênh phân chia theo bước sóng (WDM) trong topo mạng hình sao. Nó giải quyết
nhiều vấn đề về phối hợp phía thu - phía phát bởi cho phép phía thu thu được
nhiều thông tin đồng thời. Các trạm Quadro có một bộ phát bước sóng cố định
và một bộ thu trang bị một loạt các giai đoạn mạch trễ quang mà được dùng
giống như bộ đệm thu. Nếu hai trạm truyền đồng thời tới một đích, thì đích này
có thể đưa hai bước sóng đã được điều chế này thông qua các mạch trễ, ban đầu
cho tín hiệu của bước sóng thứ hai đưa vào giai đoạn 1 của mạch trễ, sau đó lại
cho tín hiệu của bước sóng thứ nhất đưa vào giai đoạn 2 của mạch trễ. Thao tác
này có thể được lặp đi lặp lại nếu cần thiết, nhưng các tín hiệu bị mất ở giai đoạn
cuối cùng. Giao thức giành trước được dùng để thông báo cho phía thu kế hoạch
truyền dẫn.
Mặt khác, TreeNet cũng là một single hop network trong đó dùng topo
hình cây cho phân phối tín hiệu. Cây này được xây dựng bởi các sợi quang kết
hợp với “bộ ghép cáp hai nón- biconical taper couplers” tại các node phía trong.
Các trạm được đặt tại lá của cây, ngược lại các mạng single-hop network sao
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 19
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
đơn giản có một bộ ghép hình sao “star coupler”được đặt tại trung tâm. Về
phương diện vật lí, TreeNet phân tán các thiết bị nối để đạt được khả năng duy
trì khi gặp sự cố. Cây này làm thành một phương tiện truyền broadcast trong đó
sử dụng giao thức truy cập đa kênh, cho các trạm với bộ thu phát. Việc tạo
khuyếch đại tại node gốc cho phép hàng trăm trạm có thể được hỗ trợ. TreeNet
được mô tả trong hình 4.
Hình 4 : Mô hình treeNet
Mạng sóng ánh sáng tuyến tính (LLN-Linear lightwave network) cũng là một
kiểu mạng Single-hop Network. LLN dùng các LDC(linear divider-combiner)
như là các node trong topo hình lưới. Các trạm người dùng được gắn đến các
LDC, mà được lập trình để tạo quảng bá giữa các trạm, như chỉ ra ở hình 5.
Mạng con được định nghĩa bởi việc thiết lập các LCD và băng tần của các bước
sóng kề nhau. Việc duy trì và thay đổi LLN có thể điều khiển bởi mạng bên

ngoài và cho phép người điều khiển các LDC.
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 20
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
Hình 5 : Cấu hình vật lý của mạng LLN
Các mạng Single-hop Network có thể thiết lập một đường quang dành
riêng giữa nguồn và đích, vì vậy chúng hỗ trợ các kết nối chuyển mạch kênh rất
tốt. Về nguyên lý, thì truyền dẫn multicast cũng có thể đạt được, nhưng đối với
các mạng quang mà dùng điều chỉnh bước sóng, thì thật là khó khăn sắp xếp
trước tất cả các thành viên trong nhóm multicast để hiệu chỉnh ngay tức thì các
bước sóng của các trạm multicast.
Trong Single-hop Networks mà hỗ trợ các phương tiện broadcast, như cây
và sao, định tuyến là hướng tiến. Khi phương tiện broadcast hỗ trợ một lược đồ
truy nhập đa kênh, phối hợp thu - phát là vấn đề chủ yếu nhất. Tuy nhiên, không
phải tất cả mạng Single-hop Networks nào cũng có hỗ trợ đầy đủ các phương
tiện broadcast. Như các Single-hop Networks có thể dùng các đường vật lí khác
nhau để chuyển các gói tin từ nguồn đến đích. Vấn đề định tuyến trong các
mạng này là xác định và quản lí đường vật lí được dùng như thế nào.
Mạng quang thụ động (PON-Passive optical network) gửi các tín hiệu trên
các đường vật lí duy trì cố định trong thời gian dài. Các mạng này bao gồm các
mạng broadcast-start, như là LAMBDANET và Rainbow và các mạng
broadcasttree, như là TreeNet. Các mạng này thiết lập một định tuyến single
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 21
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
-hop từ một nguồn đến một đích chỉ đơn thuần là gán bước sóng. Ví dụ, một
nguồn trong mạng Rainbow chuyển gói tin của nó đến đích bởi một bước sóng
cố định trong một khe thời gian cụ thể. Ở phía đích sẽ hiệu chỉnh nhận bước
sóng của phía nguồn trong suốt khe thời gian đó. Do đó, các mạng này bị hạn
chế bởi chuyển mạch kênh, mà bước sóng (và có thể là khe thời gian) được dành
riêng để cho kết nối. Nói chung, định tuyến multicast là không thể thực hiện
trong mạng PON.

Các node bên trong của mạng PON bao gồm các switch, coupler, các sợi
quang, và có thể là các bộ khuyếch đại quang. Về mặt chức năng, thì mỗi một
node, với một bước sóng đến có thể được cắt ra và phân phối với tỉ lệ công suất
khác nhau đến các đầu ra khác nhau. Không có phần xử lí mào đầu hay lưu trữ
gói và chuyển tiếp được thực hiện. Do vậy, định tuyến trong mạng PON về bản
chất là chuyển mạch kênh và bao gồm thiết lập các đường (giữa nguồn và đích)
hay các broadcast tree (giữa các các trạm phụ) trong một topo vật lí. Topo này
thông thường là mạng lưới, nhưng cũng có thể là hình cây.
Sợi quang trong PON cũng có thể là các liên kết đa sợi. Một liến kết được
thực hiện với một băng sợi, hay một bó gồm khoảng cả tá, hay thậm chí cả trăm
sợi quang. Đặc điểm này giới thiệu rõ ràng một số lượng lớn tùy chọn các đường
xen kẽ nhau, mà có thể được chọn ghép kênh phân chia theo không gian. Theo
cách này kĩ thuật đa sợi quang có thể thực hiện hiệu quả WDM, để bù sự khan
hiếm bước sóng (khoảng vài tá) mà dùng cho các công nghệ mạng quang ngày
nay.
Trong topo mạng lưới PON, chúng ta có hai cách chọn định tuyến cơ bản:
là định tuyến đường ngắn nhất và định tuyến rooted (rooted routing)
Định tuyến trong Single-hop Networks dùng các kĩ thuật khác nhau. Các
mạng này thường dùng PON, mà yêu cầu không có thông tin điều khiển trong
băng định cấu hình. Mạng này thường luôn luôn tĩnh hay giả tĩnh, với việc định
cấu hình lại hay tinh chỉnh ít xảy ra. Nếu các đường single-hop là cố định, thì
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 22
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
một trạm nguồn khởi tạo kết nối dựa trên một danh bạ của nó. Nếu các đường
này có thể thay đổi, thì một nguồn phải hỏi server cung cấp phương pháp định
tuyến. Do mạng Single-hop Network thường xuyên sử dụng chuyển mạch kênh
cho việc trao đổi bản tin nên các kĩ thuật định tuyến đôi khi tương tự các phương
pháp đa truy cập trong các mạng nội hạt đa kênh.
1.3.1.3. Multihop Optical Networks (các mạng quang đa chặng).
Mạng quang đa chặng mang một bản tin từ nguồn tới đích thông qua các

chuyển mạch điện tử tức thời. Các mạng quang đa chặng được phân biệt với các
mạng liên kết quang bởi việc sử dụng nhiều bước sóng. Một mạng quang đa
chặng điển hình được gắn trong một PON, trong đó WDM có vai trò phân bổ
các tín hiệu giữa các trạm. Hệ thống này có thể khai thác một cách hiệu quả hơn
các hệ thống sóng ánh sáng, như là có thể ghép nhiều kênh tốc độ cao trong một
sợi quang đơn mode. Mạng quang đa chặng hoàn chỉnh được minh hoạ trong
hình 6.
Hình 6 : Mạng quang đa chặng
Mạng quang đa chặng được mô tả bởi một cấu hình vật lí, bao gồm các
trạm và các liên kết thực sự, và một cấu hình ảo, là kết nối logic giữa các trạm.
Các cấu hình vật lí và cấu hình ảo không phụ thuộc lẫn nhau.
Tiền thân của mạng quang đa chặng là ShuffleNet (mạng con thoi). Đây là một
mạng đa kênh với một cấu hình vật lí PON và một cấu hình ảo dịch quay vòng.
Mỗi trạm có p máy phát và p máy thu (thường thì p = 2) được điều chỉnh để thu
được đồ thị liên kết ShuffleNet. Đồ thị ShuffleNet (p, k) cấu tạo bởi kp
k
trạm,
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 23
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
tức là k tầng, mỗi tầng có p
k
trạm, các trạm của mỗi tầng được kết nối tới các
trạm của tầng bên dưới do p lần xê dịch đầy đủ. ShuffleNet có thể được gắn
trong mạng PON bất kỳ, bao gồm bus tuyến, cấu trúc sao ở trung tâm và cây. Có
nhiều biến thể của mạng ShuffleNet. Cấu hình ảo của một mạng quang đa chặng
có thể bị thay đổi bởi sự điều hướng các bộ thu phát (tại thời điểm lắp đặt mạng,
hoặc khi mạng đang sẵn sàng hoạt động, nếu các trạm có các bộ thu phát có thể
điều hướng được). Mạng quang đa chặng kênh chia sẻ cho phép nhiều trạm
được phân phối tới một kênh WDM đơn (và yêu cầu một thuật toán giải quyết
xung đột đối với kênh chia sẻ), làm giảm bớt yêu cầu về mức độ cao của WDM

được sử dụng trong ShuffleNet kênh chuyên dụng. Ghép kênh sóng mang con
theo tần số vô tuyến cũng được sử dụng để điều chế các bước sóng và tạo nên
một mạng đa chặng đa kênh.
Dấu hiệu phân biệt của các mạng quang đa chặng là việc sử dụng đồng
thời cấu hình vật lí và cấu hình ảo, và cả 2 về bản chất không phụ thuộc lẫn
nhau. Cấu hình vật lí thường là 1 PON, như là cấu hình cây, bus hoặc sao quảng
bá và lựa chọn; và cấu hình ảo có thể là dạng của đồ thị định hướng p-regular
(nghĩa là đồ thị trong đó tất cả các node có p đầu vào và p đầu ra tạo thành hình
cung).
Các mạng đa chặng hỗ trợ khác tốt cho chuyển mạch gói, các dịch vụ
datagram. Tuy nhiên, khó có thể đảm bảo băng thông hay đạt được độ trễ định
ra khi các gói phải đi qua nhiều chặng và cạnh tranh nguồn với các gói khác.
Truyền dẫn broadcast và multicast cũng khó thực hiện, trừ khi sử dụng chia sẻ
kênh.
Nhìn thoáng qua thì vấn đề định tuyến trong các mạng quang đa chặng
dường như không khác gì so với định tuyến trong các mạng liên kết quang, vì
các mạng này về bản chất là các node định tuyến lưu trữ-và-chuyển tiếp được
liên kết bởi các kênh logic hay các liên kết vật lí. Tuy nhiên, trong mạng quang
đa chặng xuất hiện một vấn đề định tuyến khác. Định tuyến trong các mạng này
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 24
Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012
có bản chất là chuyển mạch gói, nhưng cái khác ở đây là vấn đề định tuyến lại đi
kèm với vấn đề thiết kế cấu hình ảo. Xét sâu hơn nữa thì sự khác nhau càng trở
nên rõ ràng hơn: các kênh không được hoạt động song song với nhau, vì đồ thị
định hướng bên dưới của cấu hình ảo kết hợp một hướng rõ ràng với mỗi kênh,
và ảnh hưởng của lỗi trong một phần của cấu hình vật lí có thể khá rộng, ảnh
hưởng tới một tốp các kênh ảo, trái ngược hẳn với lỗi liên kết đơn giản trong các
mạng liên kết quang.
ShuffleNet cơ bản sử dụng định tuyến lưu trữ - và - chuyển tiếp đơn giản
với các tuyến đường ngắn nhất. Tuyến này kéo dài từ nguồn tới đích đã được fix

sẵn ý tưởng này đã được tiếp tục phát huy, thuật toán định hướng tuyến cố định
hoàn toàn cân bằng tải lưu lượng trên tất cả các liên kết của ShuffleNet kênh
chia sẻ với các trạm thu phát đơn khi lưu lương yêu cầu là giống nhau. Tại mỗi
chặng, thuật toán này kiểm tra một bit đơn của địa chỉ đích (ShuffleNet nhị
phân), sử dụng giá trị của nó để quyết định bản tin có được lặp lại hay không.
Do nguyên tắc định tuyến đối với việc lặp các gói tin là “đẳng hướng”, nghĩa là
các đích của các gói tin được lặp coi như cùng không quan tâm tới trạm nào
đang thực hiện việc định tuyến, trên tất cả các liên kết thì số lượng các gói được
lặp trên một đơn vị thời gian là giống nhau – nghĩa là tải liên kết hoàn toàn cân
bằng. Mặc dù có thể sử dụng cùng thuật toán trong ShuffleNet kênh chuyên
dụng, nhưng không thể đảm bảo cân bằng tải liên kết. Tuy nhiên, trên thực tế có
thể chấp nhận tải liên kết cân bằng khi các thuật toán được sử dụng trong
ShuffleNet kênh chuyên dụng có lưu lượng đồng nhất.
Các topo ảo đã được kết cấu như ShuffleNet có lợi thế về mật độ, nghĩa là
số lượng node N tương ứng với đường kính D đưa ra (chính là độ dài cực đại
của tuyến đường ngắn nhất giữa tất cả các cặp node) trong đồ thị kép mức p (tức
là, một đồ thị song hướng trong đó mỗi node có p đầu vào và p đầu ra tạo thành
hình cung) đạt tới cái gọi là biên giới Moore:
Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 25