Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM

Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu
Lời nói đầu
Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu của con người đối với việc trao
đổi thông tin ngày càng cao. Để đáp ứng được nhu cầu đó, đòi hỏi đó mạng lưới
viễn thông phải có tốc độ cao, dung lượng lớn. Kỹ thuật ghép kênh phân chia bước
sóng WDM ra đời đã đáp ứng được một phần những đòi hỏi cấp thiết đó. Kỹ thuật
ghép kênh bước sóng WDM có thể nâng dung lượng truyền dẫn của sợi quang lên
rất cao. Đồng thời sự tăng trưởng với tốc độ nhanh chóng dung lượng của hệ
thống truyền dẫn là sức ép và động lực mạnh cho sự phát triển hệ thống chuyển
mạch. Quy mô của hệ thống chuyển mạch trong thông tin càng ngày càng lớn, tốc
độ vận hành càng ngày càng cao. Nhưng mạng chuyển mạch điện tử và xử lý thông
tin đã phát triển đến gần tốc độ giới hạn. Trong đó tham số cố hữu như RC, méo,
trôi trượt, xuyên âm, tốc độ phản ứng chậm… là những khuyết điểm hạn chế đến
việc nâng cao tốc độ chuyển mạch. Để giải quyết vấn đề này chuyển mạch quang
với kỹ thuật quang điện tử đã ra đời.
Ưu điểm của chuyển mạch quang là ở chỗ, khi tín hiệu quang đi qua bộ chuyển
mạch, không cần chuyển đổi quang điện/điện quang, do đó nó không bị các thiết bị
quang điện như máy đo kiểm, bộ điều chế… hạn chế tốc độ đáp ứng, đối với tốc độ
bít và phương thức điều chế là trong suốt, có thể nâng rất cao thông lượng qua bộ
chuyển mạch. Do tác dụng của linh kiện logic quang còn rất đơn giản, không thể
hoàn thành chức năng xử lý logic phức tạp của bộ phận điều khiển, nên bộ chuyển
mạch quang hiện nay vẫn còn phải điều khiển bằng tín hiệu điện, tức là chuyển
mạch quang điều khiển điện.
Mặt khác, mạng quang trong tương lai cần phải hỗ trợ dịch vụ truyền số liệu.
Do đó, ý tưởng về chuyển mạch gói quang ra đời. Đây là một ý tưởng mới được
đưa ra nhưng được tập chung nghiên cứu rất cẩn thận với rất nhiều ưu điểm như
mạng thông tin toàn quang, có tốc độ cao, dung lượng lớn, trong suốt….
Với mục đích tìm hiểu một công nghệ mới, củng cố và phát triển các kiến thức
đã lĩnh hội được trong quá trình nghiên cứu và học tập tại Học viện công nghệ
Bưu chính Viễn thông em đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là: “Chuyển mạch gói
trong mạng quang WDM”. Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu cuốn đồ án

tốt nghiệp với đề tài đã chọn đã được hoàn thành với nội dung gồm 3 chương như
sau:
Ngô Đức Tiến, D2000VT 1
Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu
Chương 1: Giới thiệu chung về WDM.
Chương 2: Các phần tử trong hệ thống WDM.
Chương 3: Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM.
Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS. Bùi Trung Hiếu, người đã
tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian em thực hiện đề tài
này. Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Viễn Thông 1, các thầy cô đang
công tác tại trung tâm đào tạo Bưu chính Viễn thông I đã giúp em thực hiện ước
mơ bước vào những chân trời tri thức mới. Cảm ơn bạn bè và người thân đã luôn
ủng hộ tôi trong quá trình học tập tại mái trường Học viện công nghệ Bưu chính
Viễn thông.
Mặc dù đã cố gằng rất nhiều trong thời gian hoàn thành cuốn đồ án này, nhưng do
thời gian và trình độ có hạn nên cuốn đồ án này chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi
những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn bè
đồng nghiệp để cuốn đồ án này được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2005
Sinh viên
Ngô Đức Tiến
Ngô Đức Tiến, D2000VT 2
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WDM
1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM
1.1.1 Khái niệm về WDM
a. Quá trình phát triển của WDM
Khái niệm ghép kênh quang không phải là mới. Khái niệm này bắt đầu có từ những

năm 1950. Có thể nói rằng ý tưởng về truyền nhiều tín hiệu quang là rất đơn giản
và tự nhiên như là công nghệ truyền tín hiệu sử dụng trong viễn thông cổ điển với
tín hiệu điện. Nhưng giải pháp cho các vấn đề công nghệ là rất khó khăn và nó cần
thời gian dài phát triển để giải quyết các vần đề này. Khoảng 20 năm sau các linh
kiện thực tế đầu tiên sử dụng cho ghép kênh đã được sản xuất và sử dụng ở Mỹ,
Nhật, Châu Âu. Năm 1977 thiết bị thụ động WDM đầu tiên được phát triển bởi
Tomlinson và Aumiller.
b. WDM và TDM
Một câu hỏi được đặt ra là ghép tín hiệu trong miền điện (TDM: Time Division
Multiplexing) hay trong miền quang (FDM: Frequency Division Multiplexing) dễ
hơn? Câu trả lời cho câu hỏi này không hề dễ dàng và giải pháp tối ưu chỉ có thể
tìm thấy với tập hợp các công nghệ phức tạp.
Với các dịch vụ tốc độ bit thấp (<2Mb/s) nói chung sẽ tốt hơn nếu ta sử dụng công
nghệ TDM. Với tín hiệu chưa nén như truyền hình quảng bá chất lượng cao
(HDTV: High Definition TeleVision) thì WDM lại có vẻ tốt hơn. Với công nghệ
nén video băng tần yêu cầu đã được giảm xuống mức thấp nhất. Tuy nhiên vào thời
điểm hiện nay, CATV và HDTV vẫn yêu cầu các băng tần tương ứng là 4 Mb/s và
25 Mb/s. Các ứng dụng như mạng video liên kết các trạm làm việc truyền tín hiệu
từ trung tâm vô tuyến định tuyến các mạng video hội nghị, các hệ thống đào tạo
video tương tác, các mạng dịch vụ thông tin đa chiều và mạng truyền số liệu giữa
các máy tính, mạng số đa dịch vụ tích hợp (ISDN), các mạng băng rộng sẽ tiến đến
sử dụng cả ghép kênh phân chia theo thời gian và ghép kênh phân chia theo bước
sóng. Dự báo nhu cầu của thuê bao vào năm 2010 sẽ vào khoảng 100 Mb/s. Điều
này sẽ không thể trở thành hiện thực nếu không phát triển mạng quang WDM.
Một mạng thực tế thường được tạo nên bởi một tập các kiến trúc để tạo nên môi
trường vật lý của mạng giữa các trạm. Cấu hình được gọi là ảo khi nó chỉ bao gồm
Ngô Đức Tiến, D2000VT 3
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
các liên kết logic giữa các trạm. Một ví dụ về ứng dụng ghép kênh quang là tạo cấu
hình mạng ảo theo yêu cầu. Cấu hình mạng có thể được thay đổi phụ thuộc vào cấu

hình vật lý khi thay đổi tần số quang của đầu phát hay đầu thu. Trong các cấu trúc
này các bộ đấu nối chéo WDM, các bộ định tuyến WDM và các bộ tách xen WDM
trở nên rất quan trọng.
1.1.2 Mô hình hệ thống WDM
Nhiệm vụ của các hệ thống truyền dẫn nói chung là truyền tín hiệu qua một
khoảng cách nhất định trên môi trường truyền dẫn đã được lựa chọn trước. Đối với
các hệ thống truyền dẫn lựa chọn sợi quang làm môi trường truyền dẫn sẽ là rất tốn
kém nếu không sử dụng hiệu quả băng thông của sợi quang. Để tận dụng tốt băng
thông của sợi quang kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) đã ra
đời và phát triển không ngừng trong nửa thế kỷ qua. Các hệ thống WDM cũng lần
lượt được giới thiệu và phát triển trong các mạng viễn thông thương mại. Mô hình
của hệ thống WDM và nguyên lý hoạt động của nó được chỉ ra trong hình vẽ sau
đây.
Hình 1.1. Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng quang
Giả sử có các nguồn quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ
1
, λ
2
, ..., λ
n
.
Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi
dẫn quang. Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ bộ
ghép kênh (MUX), bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau
khi ghép sẽ được truyền dọc theo sợi quang tới phía thu. Các bộ tách sóng quang
khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ
này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng (DE-MUX).
Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu
ra của bộ ghép kênh. Ở phía thu các bộ tách sóng quang phải nhạy với độ rộng của
các bước sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải thực hiện cách ly kênh

Ngô Đức Tiến, D2000VT 4
Rx
N
Tx
N
Tx
N
DE-
MUX/
MUX
MUX/
DE-
MUX
Sợi dẫn quang
λ
1
,λ
2
, ... λ
N
λ
,
1
,λ
,
2
, ... λ
,
N
Rx

N
Kênh 1
Kênh 1
Kênh N
Kênh N
λ
1
λ
,
N
λ
,
1
λ
N
Tx
N
Kênh 1
Kênh 1
KênhN
KênhN
λ
1
λ
,
N
λ
,
1
Tx

N
Rx
N
Rx
N
λ
N
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
quang thật tốt với các bước sóng bằng cách thiết kế các bộ giải ghép kênh thật
chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải
làm việc thật ổn định.
Có 2 phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật ghép bước sóng
quang là thiết lập hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang một hướng và thiết lập
hệ thống ghép kênh bước sóng quang theo hai hướng. Hình vẽ 1.1 chỉ ra một hệ
thống ghép kênh theo bước sóng quang theo hai hướng, trong đó tại các đầu cuối có
các thiết bị tách ghép kênh hỗn hợp. Trong hệ thống này λ
1
, λ
2
, ..., λ
N
và λ’
1
, λ’
2
, ...,
λ’
n
nằm trên một cửa sổ truyền dẫn nhưng thuộc hai giải tần số khác nhau. Còn
trong trường hợp thiết lập hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang một hướng thì

tại các đầu cuối chỉ thực hiện một nhiệm vụ là ghép hoặc tách kênh.
Trong hệ thống thông tin quang WDM có kỹ thuật ghép kênh bước sóng lỏng và kỹ
thuật ghép kênh bước sóng chặt hay mật độ cao.
CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh quang
phân chia theo bước sóng lỏng trong đó khoảng cách giữa các bước sóng quang kề
nhau lớn hơn 20 nm và tương ứng với nó là độ rộng phổ của một kênh là 2500
GHz. Bước sóng của laser thay đổi theo nhiệt độ nhưng đối với kỹ thuật này không
cần bộ làm mát vì khoảng cách giữa các bước sóng kề nhau lớn. Kỹ thuật CWDM
mang lại hiệu quả kinh tế cao đối với hệ thống yêu cầu ghép ít bước sóng.
Khi dung lượng của hệ thống tăng lên thì số kênh ghép trong sợi quang tăng
lên. Điều này đã làm cho kỹ thuật ghép kênh CWDM khó có thể đáp ứng được nhu
cầu và kỹ thuật ghép kênh DWDM ra đời. DWDM (Dense Wavelength Division
Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo bước sóng chặt trong đó
khoảng cách giữa các bước sóng kề nhau được truyền trên sợi quang là 0,8 nm. Với
khoảng cách này tại vùng tần số 1550 nm độ rộng phổ của mỗi kênh tương ứng vào
khoảng 100 GHz. Khi độ rộng phổ của bước sóng giảm xuống thì rất nhiều các yêu
cầu đưa ra cần được giải quyết như: Nhiệt độ của laser phát phải ổn định, các thiết
bị tách ghép phải hoạt động chính xác hơn… Những yêu cầu này đã làm cho giá
thành của các phần tử trong mạng tăng lên và giá thành của hệ thống DWDM tăng
lên rất nhiều so với hệ thống thông tin quang CWDM.
Bảng 1.1 So sánh CWDM và DWDM
Danh mục CWDM DWDM
Khoảng cách bước sóng ~20 nm ~0,8 nm
Ngô Đức Tiến, D2000VT 5
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
Khoảng cách kênh 2500 GHz 100GHz
Điều khiển môi trường Không Có
Nguồn laser DFB (không làm mát) DFB (làm mát)
Tốc độ dữ liệu/kênh 2,5 Gbit/s 10 Gbit/s
Tốc độ bit tập trung 40 Gbit/s 320 Gbit/s

Giá thành/kênh Thấp Cao
1.2Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM
Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất
của tín hiệu trong sợi quang vượt quá một mức nào đó. Đối với các hệ thống WDM
thì mức công suất này cao hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh. Việc nảy sinh
các hiệu ứng phi tuyến sẽ gây ra một số hiện tượng như: Xuyên âm giữa các kênh,
suy giảm mức công suất tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỷ số S/N... Các
hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM chủ yếu gồm:
Hiệu ứng SPM, XPM, FWM, SBS và SBR. Các hiệu ứng này có thể chia thành hai
loại:
Hiệu ứng tán xạ: Bao gồm các hiệu ứng SBS và SBR.
Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr: Bao gồm hiệu ứng SPM, XPM và
FWM.
1.2.1 Hiệu ứng tán xạ
a. Hiệu ứng SBR
Hiệu ứng Raman là kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó
photon ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học
của các phân tử cấu thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại được
phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tới (ánh sáng
với bước sóng mới này được gọi là ánh sáng Stoke). Khi ánh sáng tín hiệu truyền
trong sợi quang có cường độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích (được
gọi là SRS) mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng bơm (gọi là bơm
Raman) làm cho phần lớn năng lượng của tín hiệu được chuyển tới bước sóng
Stoke.
Nếu gọi P
s
(L) là công suất của bước sóng Stoke trong sợi quang thì:
P
s
(L)= P

0
exp (g
r
P
0
L/K.S
eff
) (1.5)
Trong đó: P
0
là công suất đưa vào sợi tại bước sóng tín hiệu.
Ngô Đức Tiến, D2000VT 6
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
g
r
là hệ số khuếch đại Raman.
K là hệ số đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu,
bước sóng Stoke và phân cực của sợi. Đối với sợi thông thường thì K≈2.
Công thức trên có thể dùng để tính toán mức công suất P
0
mà tại đó hiệu ứng
SBR ảnh hưởng lớn đến hệ thống, được gọi là ngưỡng Raman (P
0
th
) (P
0
th
là công
suất của tín hiệu đầu vào mà ứng với nó, công suất của bước sóng Stoke và của
bước sóng tín hiệu tại đầu ra là bằng nhau).

P
0
th
≈ 32 S
eff
.(L.g
r
) (1.6)
Từ công thức 1.6 người ta tính toán được rằng, đối với hệ thống đơn kênh để
hiệu ứng SRR có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thì mức công suất P
0
phải
lớn hơn 1W (nếu như hệ thống không sử dụng khuếch đại quang trên đường
truyền). Tuy nhiên trong hệ thống WDM thì mức công suất này sẽ thấp hơn nhiều
vì có hiện tượng khuếch đại đối với các bước sóng lớn, trong khi đó công suất của
các kênh có bước sóng ngắn hơn lại bị giảm đi (do đã chuyển một phần năng lượng
cho các bước sóng lớn) làm suy giảm hệ số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ
thống. Để đảm bảo suy giảm S/N không nhỏ hơn 0,5 dB thì mức công suất của từng
kênh phải thoả mãn (theo lý thuyết của Chraplyvy).
Với N là số kênh bước sóng.
∆f là khoảng cách giữa các kênh bước sóng.
Như vậy, trong hệ thống WDM hiệu ứng này cũng hạn chế số kênh bước sóng,
khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ
thống. Hơn nữa, nếu như bước sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tín hiệu thì hiệu
ứng này cũng gây xuyên âm giữa các kênh.
b. Hiệu ứng SBS
Hiệu ứng SBS là hiệu ứng tương tự như hiệu ứng SRR, tức là có sự tạo thành
của bước sóng Stoke có bước sóng dài hơn bước sóng tới. Điểm khác nhau chính
của hai hiệu ứng này là: Hiệu ứng SBR liên quan đến các photon âm học còn hiệu
ứng SBS liên quan đến các photon quang. Chính do sự khác biệt này mà hai hiệu

Ngô Đức Tiến, D2000VT 7
fLNN
P
eff
∆−
×
<
.)1(
1028,10
21
12
(1.7)
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
ứng có những ảnh hưởng khác nhau đến hệ thống WDM. Trong hiệu ứng này, một
phần ánh sáng bị tán xạ do các photon âm học và làm cho phần ánh sáng bị tán xạ
này dịch tới bước sóng dài hơn (tương đương với độ dịch tần là khoảng 11 GHz tại
bước sóng 1550 nm). Tuy nhiên chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngược
trở lại (tức là ngược chiều với chiều truyền tín hiệu) mới có thể truyền đi ở trong
sợi quang, vì vậy trong hệ thống WDM khi tất cả các kênh đều cùng truyền theo
một hướng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh.
Trong tất cả các hiệu ứng phi tuyến thì ngưỡng công suất để xảy ra hiệu ứng
SBS là thấp nhất, chỉ khoảng vài mW. Tuy nhiên hiệu ứng SBS với ∆V
B
/∆V
laser
(∆V
b
là băng tần khuếch đại Brillouin, ∆V
laser
là độ rộng phổ của laser) và băng tần

khuếch đại Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10-100 MHz) nên hiệu ứng này cũng
khó xảy ra. Chỉ các hệ thống với nguồn phát có độ rộng phổ rất hẹp thì mới có thể
ảnh hưởng bởi hiệu ứng SBS. Người ta tính toán được mức công suất ngưỡng đối
với hiệu ứng SBS như sau:
Beff
pueff
VgL
VVKA
P
∆×
∆+∆
<
)(
21
(1.8)
Trong đó: g là hệ số khuếch đại Brillouin.
A
eff
là vùng lõi hiệu dụng.
K đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bước sóng
Stoke và phân cực của sợi. Đối với sợi thông thường thì K≈2.
∆V
B
là băng tần khuếch đại Brillouin.
∆V
P
là độ rộng phổ của tín hiệu.
Như vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng đến mức công suất của từng kênh và
khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM. Hiệu ứng này không phụ thuộc
vào số kênh của hệ thống.

1.2.2 Hiệu ứng Kerr quang
Kerr là hiệu ứng trong đó chiết suất của môi trường truyền dẫn thay đổi theo
cường độ ánh sáng truyền.
Ngô Đức Tiến, D2000VT 8
Đồ án tốt nghiệp đại học Giới thiệu chung về WDM
a. Hiệu ứng SPM
Hiệu ứng SPM thuộc loại hiệu ứng Kerr, tức là hiệu ứng trong đó chiết suất của
môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền. Hiện tượng này tạo
nên sự dịch pha phi tuyến φ
NL
của trường quang khi lan truyền trong sợi quang. Giả
sử bỏ qua suy hao quang thì sau khoảng cách L, pha của trường quang sẽ là:
Đối với trường quang có cường độ không đổi hiệu ứng SPM chỉ làm quay pha
của trường quang, do đó ít ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Tuy nhiên đối
với các trường quang có cường độ thay đổi thì pha phi tuyến φ
NL
sẽ thay đổi theo
thời gian. Sự thay đổi theo thời gian này cũng có nghĩa là trong xung tín hiệu sẽ tồn
tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm v
0
một giá trị là δv
NL
:
δv
NL
=(1/2π)(δφ
NL
/δt) (1.10)
Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của
xung dịch đến tần số v<v

0
và sườn trước của xung dịch đến tần số v>v
0
. Điều này
cũng có nghĩa là phổ của tín hiệu đã bị dãn trong quá trình truyền. Trong hệ thống
WDM, đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau, hiện tượng dãn phổ do
SPM có thể dẫn đến giao thoa gây nhiễu giữa các kênh.
b. Hiệu ứng XPM
Đối với hệ thống WDM, hệ số chiết suất tại một bước sóng nào đó không chỉ
phụ thuộc vào cường độ của sóng đó mà còn phụ thuộc vào cường độ của các bước
sóng khác lan truyền trong sợi. Trong trường hợp này chiết suất phi tuyến ứng với
bước sóng thứ i sẽ là:
∆n
NL
=n
2
{|E
i
|
2
+ 2Σ|E
j
|
2
} (1.11)
Với: N là tổng số kênh quang.
E
i
là cường độ trường quang của bước sóng thứ i.
Số hạng thứ nhất trong công thức (1.11) ứng với hiệu ứng SPM, số hạng

thứ hai tương ứng với hiệu ứng XPM. Nếu giả sử công suất của các kênh là
như nhau thì ảnh hưởng của hiệu ứng XPM sẽ gấp 2N lần hiệu ứng SPM.
Ngô Đức Tiến, D2000VT 9
NL
const
EnnL
nL
φ
λ
π
λ
π
φ
+=
+
==
)(2
2
2
20
(1.9)