Kỹ thuật chuyển mạch chùm quang trong các hệ thống viễn thông hiện đại

Đại học quốc gia Hà nội
Tr-ờng đại học công nghệ

Đoàn Sông Thao

Kỹ thuật Chuyển mạch chùm quang
Trong các hệ thống viễn thông hiện đại

Luận văn thạc sĩ

Hà Nội 2006


Đại học quốc gia Hà Nội
tr-ờng đại học công nghệ

Đoàn Sông Thao

Kỹ thuật Chuyển mạch chùm quang
Trong các hệ thống viễn thông hiện đại

Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thôngtin liên lạc
Mã số: 2.07.00

Luận văn thạc sĩ

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học:

TS. Thái Văn Lan

Hà Nội - 2006


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan cuốn luận văn là thành phẩm của riêng các nhân tôi, không
sao chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều
được trình bày hoặc là của các nhân tôi hoặc được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu
tham khảo. Tất cả các phần được tổng hợp từ các nguồn tài liệu tham khảo đều
được trích dẫn rõ ràng và hợp pháp.
Tôi xin chịu hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi sự hình thức kỷ luật theo
quy định cho lời cam đoan của mình.

Hà Nội, 12/2006

Đoàn Sông Thao


-1-

Mục lục
Mục lục........................................................................................................... 1
Danh mục hình vẽ bảng biểu................................................................................ 3
Các từ viết tắt....................................................................................................... 5
Mở đầu.................................................................................................................. 9
Chương 1. Tổng quan ............................................................................. 12
1.1.
Giới thiệu mạng thông tin quang .................................................. 12
1.1.1. Giới thiệu .................................................................................. 12
1.1.2. Quá trình phát triển của mạng chuyển tải quang ....................... 13
1.1.3. Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng............................. 15

1.2.
Các kỹ thuật chuyển mạch quang ................................................. 15
1.2.1. Giới thiệu .................................................................................. 16
1.2.2. Mạng chuyển mạch kênh quang ............................................... 17
1.2.3. Mạng chuyển mạch gói quang .................................................. 18
1.2.4. Mạng chuyển mạch chùm quang .............................................. 20
1.3.
Kết luận ........................................................................................ 23
Chương 2. Hệ thống chuyển mạch chùm quang ..................................... 25
2.1.
Giới thiệu...................................................................................... 25
2.1.1. Cấu trúc mạng ........................................................................... 25
2.1.2. Các yêu cầu về công nghệ ........................................................ 29
2.1.3. Một số hiệu ứng tương tác lớp vật lý ........................................ 31
2.2.
Cấu trúc mạng chuyển mạch chùm quang .................................... 34
2.2.1. Các mạng OBS đồng bộ và không đồng bộ .............................. 35
2.2.2. Cấu trúc các node mạng biên .................................................... 37
2.2.3. Cấu trúc node mạng lõi ............................................................. 40
2.2.4. Phần xử lí gói điều khiển .......................................................... 41
2.3.
Cấu trúc phân lớp trong mạng chuyển mạch chùm quang ............ 43
2.3.1. Giới thiệu .................................................................................. 43
2.3.2. Cấu trúc phân lớp IP trong chuyển mạch chùm quang ............. 43
2.3.3. Cấu trúc phân lớp chuyển mạch chùm quang ........................... 45
2.4.
Thiết kế thực thi lớp vật lý các node mạng lõi OBS ..................... 53
2.4.1. Một số yêu cầu của OBS đối với mạng truyền dẫn quang ........ 53
2.4.2. Một số giải pháp chống xung đột trong node mạng lõi OBS .... 57
2.4.3. Các thành phần chính trong node mạng OBS ........................... 62

2.4.4. Xây dựng phần chuyển mạch quang ......................................... 70
2.5.
Các cổng On/Off khuếch đại quang bán dẫn SOA ....................... 73
2.5.1. Nguyên lý hoạt động của các cổng chuyển mạch ..................... 73


-22.5.2. Các yêu cầu chính ..................................................................... 75
2.5.3. Sự phát triển của công nghệ SOA ............................................. 76
Chương 3. Phân tích đánh giá cấu trúc node mạng OBS ........................ 82
3.1.
Một số giả thiết ............................................................................. 82
3.2.
Yếu tố quỹ công suất .................................................................... 84
3.3.
Một số thông số tiêu chuẩn và ảnh hưởng của chúng ................... 86
3.3.1. Các thông số tiêu chuẩn ............................................................ 86
3.3.2. Phân tích nhiễu ......................................................................... 90
3.3.3. Xuyên âm ................................................................................. 97
3.3.4. Ảnh hưởng của các bộ khuếch đại ............................................ 99
3.3.5. Khả năng chuyển đổi bước sóng ............................................. 100
3.3.6. Ảnh hưởng của sự bão hoà khuếch đại SOA .......................... 102
Chương 4. Lộ trình ứng dụng chuyển mạch quang cho mạng viễn thông
Việt Nam……….. ..................................................................................... 104
4.1.
Mục tiêu phát triển chiến lược của mạng viễn thông Việt Nam . 104
4.1.1. Quan điểm chiến lược ............................................................. 104
4.1.2. Mục tiêu của chiến lược .......................................................... 104
4.1.3. Định hướng phát triển các lĩnh vực......................................... 105
4.2.
Phân tích hiện trạng mạng viễn thông của TCT ......................... 105

4.2.1. Mạng chuyển mạch ................................................................. 105
4.2.2. Mạng truyền dẫn ..................................................................... 106
4.2.3. Mạng truy nhập ....................................................................... 107
4.2.4. Định hướng phát triển mạng quang đường trục của Tổng công
ty…………. ........................................................................................ 107
4.3.
Xây dựng lộ trình chuyển đổi ứng dụng chuyển mạnh quang cho
mạng trục tổng công ty ........................................................................... 109
4.3.1. Mục tiêu ứng dụng mạng chuyển mạch quang cho tổng công
ty.................. ....................................................................................... 109
4.3.2. Lộ trình cho ứng dụng chuyển mạch quang trong giai đoạn
2006-2010 ........................................................................................... 114
4.3.3. Lộ trình cho úng dụng chuyển mạch quang trong giai đoạn 20102015…………. ................................................................................... 116
4.3.4. Giai đoạn sau 2015 ................................................................ 117
Kết luận............................................................................................................ 118
Tài liệu tham khảo............................................................................................ 121


-3-

Danh mục hình vẽ bảng biểu
Hình 1.1. Công nghệ sử dụng trong mạng truyền tải……………….......
Hình 1.2 Cấu trúc đơn giản của chuyển mạch gói quang………………..…
Bảng 1 So sánh một số kỹ thuật chuyển mạch quang…………………..…..
Hình 2.1 Cấu trúc mạng chuyển mạch chùm quang………………..………
Hình 2.2 Sơ đồ khối chức năng mạng chuyển mạch chùm quang………….
Hình 2.3 Cấu trúc bộ định tuyến tại node mạng lõi………………….…..…
Hình 2.4 Cấu trúc bộ định tuyến tại node mạng biên……………………….
Hình 2.5 Hệ chuyển mạch vi cơ điện tử………………………….….…..…
Hình 2.6 Hệ chuyển mạch sử dụng bộ khuếch đại quang bán dẫn………….

Hình 2.7 Mạng chuyển mạch chùm quang……………………………….....
Hình 2.8 Các chùm dữ liệu và các gói tiêu đề………………………………
Hình 2.9 Các khối chức năng cơ bản của node mạng biên OBS……………
Hình 2.10 Cấu trúc node mạng biên OBS lối vào…………………..………
Hình 2.11 Phần tạo chùm dữ liệu BAU……………………………..………
Hình 2.12 Khối giao diện chuyển đổi quang………………………..………
Hình 2.13 Cấu trúc node mạng biên OBS lối ra…………………………….
Hình 2.14 Cấu trúc node mạng OBS lõi…………………………………….
Hình 2.15 Bộ trễ sợi FDL thực hiện bù trễ thời gian xử lý gói tiêu đề…......
Hình 2.16 Cấu trúc trường chuyển mạch của node mạng OBS lõi…………
Hình 2.17 Cấu trúc bộ xử lý gói điều khiển………………………….….….
Hình 2.18 Cấu trúc lớp phân cấp mạng IP-over-OBS………………………
Hình 2.19 Cấu trúc phân lớp mạng OBS……………………………………
Hình 2.20 Định dạng khung chùm dữ liệu………………………………….
Hình 2.21 Cấu trúc khung của gói điều khiển ………………………..….…
Hình 2.22 Các liên kết truyền dẫn quang trong mạng OBS……………...…
Hình 2.23 Hai cấu trúc đơn giản thực thi laser điều chỉnh nhanh….…..…...
Hình 2.24 Điều khiển khuếch đại bằng phương pháp điều chỉnh công suất
bơm…………………………………………………………………………..
Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của node mạng OBS……….……..…...…
Bảng 2 Một số công nghệ chuyển mạch quang……………….…….………
Hình 2.26 Các bộ chuyển đổi bước sóng XPM……………….……..…...…
Hình 2.27 Các thiết kế thực thi bộ chia, tổng hợp công suất quang…..…….
Hình 2.28 Hệ chuyển mạch sử dụng các bộ SOA……………….….………
Hình 2.29 Cấu trúc trường chuyển mạch quang trong node mạng lõi OBS...
Hình 2.30 Nguyên lý hoạt động các cổng SOA…………...………….….…
Hình 2.31 Sơ đồ cổng DBR-SOA…….………......………..………………..

14
19

21
25
26
26
27
29
30
35
36
37
37
38
38
39
40
40
41
42
44
44
47
51
53
54
56
61
63
66
69
71

72
74
79


-4Hình 2.32 Sơ đồ một cổng GC-SOA sử dụng laser theo phương thẳng đứng
để ổn đinh hệ số khuếch đại…..………………………………………
Bảng 3 Một số thông số cơ bản của các bộ khuếch đại quang bán dẫn..……
Bảng 4. Một số giá trị giả định………………………………………………
Hình 3.1 Đường dẫn tín hiệu giữa hai node biên trong một mạng OBS với
các cấu trúc………….……………………………………………..…..…....
Hình 3.2 Mức công suất tại các node mạng …………………………….….
Hình 3.3 Phân tích quỹ công suất các node mạng cấu trúc BAS và TAS…..
Hình 3.4 Tính toán hệ số ồn của một đường tín hiệu cụ thể……….…….....
Hình 3.5 Hệ số ồn tổng NFTAS và các hệ số ồn của các bộ khuếch đại, sợi
quang phụ thuộc vào số bước sóng M trong mỗi sợi (với số sợi N=4).…….
Hình 3.6 Sự phụ hệ số OSNR của node TAS như là hàm của số bước sóng
M trên sợi, với các giá trị số sợi vào/ra N tương ứng……………………….
Hình 3.7 Số bước sóng tối đa trên mỗi sợi………………………………….
Hình 3.8 Tính toán hệ số Q theo số bước sóng tối đa trên mỗi sợi…………
Hình 3.9 Số bước sóng sử dụng tối đa và khả năng thông tối đa…….…….
Hình 3.10 Khả năng nối tầng các node TAS với cấu trúc sử dụng bộ
chuyển đổi bước sóng tuyến tính………………….…….…………………..
Hình 3.11 Giá trị OSNR của k tầng node TAS nối tiếp theo số bước sóng
sử dụng….….….……….………….………….…………………………….
Bảng 5 Số bước sóng tối đa M trên sợi tương ứng với các node TAS 4, 8
sợi vào ra………………...……………………….….………..………….…
Hình 3.12 Cấu hình hệ thống với node TAS và sợi bù tán sắc…….….....…
Bảng 6 Các tham số mô hình của sợi SSMF và DCF………………………
Hình 4.1.Cấu trúc phân cấp mạng viễn thông quốc gia hiện tại……………

Hình 4.2. Mạng quang đường trục DWDM 20 Gbit/s…………...…………
Hình 4.3.Cấu hình hệ thống cáp quang biển trục Bắc Nam……….………..
Hình 4.4. Lộ trình ứng dụng chuyển mạch quang trong mạng tổng công ty.
Hình 4.5. Mạng chuyển mạch quang mạng trục mục tiêu.............................
Hình 4.6. Mạng chuyển mạch quang vùng/metro mục tiêu...........................
Hình 4.7. Mạng chuyển mạch quang mạng truy nhập mục tiêu....................
Hình 4.8. Kiến trúc mạng chuyển mạch quang mục tiêu cho mạng trục
2006-2010.......................................................................................................
Hình 4 .9. Chuyển mạch quang vùng 1 giai đoạn 2006 – 2010....................
Hình 4 .10. Chuyển mạch quang vùng 2 giai đoạn 2006-2010.......................

79
81
83
83
84
85
91
94
95
96
98
99
100
101
102
102
103
105
106

108
112
113
114
114
115
116
117


-5-

Các từ viết tắt
Từ
ACK
ASE
ATM
AWG
BAS
BAU
BCP
BDU
BER
BFC
BHP
BPRB

Tiếng anh
acknowledgement
Amplified Spontaneous

Emission
Asynchronous Transfer
Mode
Arrayed Waveguide
Grating
Broadcast And Select
switching node
Burst Assembly Unit
Burst Control Packet
Burst Disassembly Unit
Bit Error Rate
Burst Framing Control

B-SOA

Burst Header Packet
BHP ProcessorRegenerator Block
Bulk SOA

CCG
CPP
CRC
CW
CWDM

Control Channel Group
Control Packet Processor
Cyclic Redundancy Check
Continuous Wave
Coarse WDM

DBR

Distributed Bragg
Refflector
Data Channel Group
Dynamic Lightpath
Establishment
Difference Phase Shift
Keying
Data Transport Component
Dense Wavelength
Division Multiplexing
Electro-Absorption

DCG
DLE
DPSK
DTC
DWDM
EAM

Tiếng việt
Xác nhận
Bức xạ khuếch đại tự kích thích
Chế độ truyền không đồng bộ
Cách tử cấu tạo từ mảng
ống dẫn sóng
Node mạng chuyển mạch lựa
chọn và quảng bá

Đơn vị tạo chùm dữ liệu
Gói điều khiển chùm dữ liệu
Phần tách chùm dữ liệu
Tỉ số lỗi bit
Phần điều khiển đồng
khung chùm dữ liệu
Gói tiêu đề chùm dữ liệu
Khối xử lý tái tạo tiêu đề
chùm dữ liệu
Bộ khuếch đại quang bán dẫn
cấu trúc khối
Nhóm kênh điều khiển
Bộ xử lý gói điều khiển
Kiểm tra dư thừa vòng
Sóng liên tục
Tín hiệu ghép kênh WDM mật
độ thấp
Hệ phản xạ Bragg phân tán
Nhóm kênh dữ liệu
Thiết lập đường dẫn động
Khoá dịch pha vi phân
Thành phần truyền tải dữ liệu
Ghép kênh theo bước sóng mật
độ cao
Bộ điều chế dựa trên nguyên lý


-6Modulator
ECL
External Cavity Laser

EDFA
Erbium-Doped Fiber
Amplifier
ETDM
Electronic Time-Domain
Multiplexing
FDL
Fibre Delay Line
FFUC
First-Fit Unscheduled
Channel
FWM
Four Wave Mixing
GC-SOA Gain-Clamped SOA
GCSR
Grating assisted Coupler
with Sampled Reflector
GE
Gigabit Ethernet
HDLC
High-Level Data Link
Control
IP
Internet Protocol
ISI
Inter Symbol Interference
JET
Just-Enough-Time
LAN
Local Area Network

LAUC
Latest Available
Unsheduled Channel
LAUCLatest Available
VF
Unsheduled Channel with
Void Filling
LCA
Line Card Arbiters
LOA
Linear Optical Amplifier
MAC
Medium Access Control
MAN
Metropolipan Area
Network
MDC
Medium Dependent
Component
MEMS
Micro-Electro-Mechanical
System
MQWMulti Quantum Well SOA
SOA
NF
Noise Figure
NMP
Network Management
Mackets
OADM

Optical Add-Drop
Multiplexer
OBS
Optical Burst Switching

hấp thụ điện từ
Laser buồng cộng hưởng ngoài
Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium
Hợp kênh tín hiệu điện phân chia
theo miền thời gian
Sợi trễ tín hiệu quang
Kênh không sử dụng lập lịch
Hiệu ứng trộn bốn sóng
Bộ SOA khống chế khuếch đại
Phần ghép nối sử dụng cách tử với
bộ phản xạ mẫu
Tín hiệu Ethernet tốc độ Gigabit
Điều khiển liên kết dữ liệu ở mức
cao
Giao thức Internet
Nhiễu xuyên ký hiệu
Kỹ thuật báo hiệu JET
Mạng nội bộ
Kênh không lập lịch khả dụng mới nhất
Kênh không lập lịch khả dụng mới nhất
có lấp khoảng trống
Các bộ phân chia đường
Bộ khuếch đại quang tuyến tính
Điều khiển truy nhập môi trường
Mạng diện đô thị

Thành phần phụ thuộc môi trường
Hệ thống vi cơ điện tử
Bộ SOA tích hợp các giếng lượng tử
Hệ số nhiễu
Các gói quản lý mạng
Phần hợp lênh xen rẽ quang
Hệ chuyển mạch chùm quang


-7OC-n
OPS
OSNR

Optical Container-n
Optical Packet Switching
Optical Signal and Noise
Rate
OSPF
Open Shortest Path First
OTDM
Optical Time Domain
Multiplexing
OTN
Optical Transport Network
OXC
Optical Cross-Connect
PAD
Packet Aggregation and
De-aggregation
PHY

Physical layer
QD-SOA Quantum Dots SOA
RAM
RSVP
SBS
SCC
SCU
SDH
SFC
SGDBR
SLE
SNR
SOA
SONET
SRS
STM-n
TAG
TAS
TAW
TDM
VCSEL

Random Access Memory
Resource reSerVation
Protocol
Stimulated Brillouin
Scattering
Signaling Connection
Control
System Control Unit

Synchronous Digital
Hierarchy
Signaling Frame Control
Sampled Grating DBR
Static Light Establishment
Signal Noise Rate
Semiconductor Optical
Amplifier
Synchronous Optical
NETworking system
Stimulated Raman
Scattering
Synchronous Tranfer Mode
Tell-And-Ago
Tune And Select switching
node
Tell-And-Wait
Time Domain Multiplexing
Vertical Cavity Surface

Đơn vị chuyển tải quang cấp n
Hệ chuyển mạch gói quang
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm quang
Thuật toán tìm đường dẫn ngắn nhất
Hợp kênh tín hiệu quang phân chia
theo miền thời gian
Mạng chuyển tải quang
Kết nối chéo quang
Lớp hợp, phân tách gói
Lớp vật lý

Bộ SOA tích hợp các điểm
lượng tử
Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên
Giao thức tích luỹ tài nguyên
Tán xạ kích thích Brillouin
Điều khiển báo hiệu kết nối
Đơn vị điều khiển hệ thống
Phân cấp tín hiệu số đồng bộ
Điều khiển khung báo hiệu
Bộ DBR với cách tử mẫu
Thiết lập đường dẫn sáng tĩnh
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
Bộ khuếch đại quang bán dẫn
Hệ thống mạng quang đồng bộ
Tán xạ kích thích Raman
Chế độ chuyển tải đồng bộ
Kỹ thuật báo hiệu TAG
Node mạng chuyển mạch điều
chỉnh và lựa chọn
Kỹ thuật báo hiệu TAW
Hợp kênh theo miền thời gian
Laser có khoang cộng hưởng theo


-8-

VOQ
WDM
WROBS
WRON

XGM
XPM

Emitting Laser
Virtual Output Queue
Wavelength Division
Multiplexing
Wavelength Routing OBS
Wavelength Routing
Optical Network
Cross Gain Modulation
Cross Phase Modulation

phương thẳng đứng
Hàng đợi lối ra ảo
Ghép kênh theo bước sóng
Hệ thống OBS định tuyến theo
bước sóng
Mạng quang định tuyến bước sóng
Điều chế khuếch đại chéo
Điều chế chéo pha


-9-

MỞ ĐẦU
Trong thập kỷ qua, việc gia tăng nhanh chóng của các ứng dụng trên
Internet, đa phương tiện, truyền hình, xử lý ảnh đã đòi hỏi băng thông ngày càng
cao lên tới cỡ gigabyte với khoảng cách xa, mật độ cao, độ rủi ro thấp. Các hệ
thống thông tin sợi quang với thuận lợi về băng thông (tần số sóng mang cỡ

200THz), trọng lượng và kích thước nhỏ; tín hiệu về điện cách biệt về điện,
không có giao thoa cũng như suy hao đường truyền thấp. Những ưu điểm đó đã
được phát triển cho các ứng dụng rộng rãi trong mạng truyền dẫn hiện nay.
Nhằm đáp ứng nhu cầu dịch vụ ngày càng tăng của khách hàng. Lĩnh vực
chuyển mạch quang xuất hiện là kết quả tất yếu của việc phát triển nhanh chóng
mạng quang. Do đó, việc thống trị của cáp quang trên mạng trong tương lai nên
tiềm năng thâm nhập sâu hơn vào thị trường của các thiết bị quang là tất yếu,
thêm vào đó công nghệ truyền dẫn điểm-điểm đã chứng tỏ thành công trong thời
gian gần đây.
Cho đến nay, việc sử dụng công nghệ quang trên mạng không còn là điều
mới mẻ. Các thiết bị SDH đã được sử dụng thành công trong việc xây dựng các
hệ thống truyền dẫn quang đơn kênh. Tuy nhiên mạng SDH và mạng quang
khác nhau ở một số điểm, đặc biệt là trong việc mở rộng dung lượng và định
tuyến. Trong mạng SDH, khi tốc độ truyền dẫn cực đại của hệ thống đã được sử
dụng hết, để tăng dung lượng phải lắp đặt thêm hệ thống mới trên các sợi quang
mới. Còn trong mạng quang, việc mở rộng dung lượng chỉ đơn giản là tăng thêm
số bước sóng trên cùng một sợi quang. Chức năng định tuyến của mạng SDH
được thực hiện bằng các khe thời gian, còn chức năng định tuyến của mạng
quang được thực hiện bằng các kênh quang.
Lưu lượng thông tin không ngừng gia tăng đặc biệt là lưu lương IP, truyền
dẫn quang đặc biệt là hệ thống truyền dẫn quang trong mạng truyền tải quang
OTN (Optical Transport Network) đường trục phải có dung lượng cao.
Mạng truyền tải quang OTN được coi là bước tiếp theo tự nhiên trong quá
trình phát triển mạng truyền tải. Do quá trình phát triển, OTN sẽ kéo theo rất
nhiều kiến trúc mức cao hơn khi sử dụng SONET/SDH (ví dụ mạng quang sẽ
giữ lại định hướng kết nối, mạng chuyển mạch). Sự khác nhau chính sẽ xuất
hiện từ dạng công nghệ chuyển mạch được sử dụng: TDM cho SDH với bước
sóng cho OTN. Để thoả mãn nhu cầu ngắn hạn về dung lượng, việc triển khai

- 10 các hệ thống WDM điểm điểm cỡ lớn sẽ vẫn được tiến hành. Khi số bước sóng
và khoảng cách giữa các đầu cuối tăng lên sẽ xuất hiện nhu cầu xen rẽ bước
sóng tại các điểm trung gian. Khi đó các bộ chuyển mạch xen rẽ quang linh hoạt
sẽ trở thành một bộ phận cần thiết cho mạng WDM. Khi có thêm các bước sóng
được triển khai trên mạng chuyển tải sẽ dẫn tới tăng nhu cầu về quản lý dung
lượng. Cũng như trong các bộ đấu chéo số, vấn đề đặt ra là quản lý dung lượng
trong lớp điện thì trong các bộ chuyển mạch nối chéo quang (OXC) vấn đề đặt
ra là quản lý dung lượng ở lớp quang.
Kỹ thuật chuyển mạch quang là vẫn đề tâm điểm quan trọng đang được
nghiên cứu và đã có nhiều ứng dụng thực tiễn trong mạng viễn thông. Có rất
nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu để đưa ra thiết bị chuyển mạch vào thực tế
vì vậy cần phải mất nhiều thời gian dành cho nghiên cứu.
Các thiết bị chuyển mạch quang trong tương lai sẽ là một phần tất yếu
không thể thiếu được đối với các hệ thống xử lí tín hiệu quang và truyền dẫn
quang. Các kỹ thuật chuyển mạch trong cấu trúc mạng OTN sẽ cho ta truyền
được lưu lượng cao và mang lại hiệu quả sử dụng băng tần cũng như chất
lượng dịch vụ.
Với ý nghĩa đó công việc nghiên cứu tìm hiểu và đánh giá khả năng ứng
dụng các công nghệ chuyển mạch chùm quang trong mạng viễn thông là rất
cần thiết, đặc biệt là khi xu thế mạng NGN yêu cầu việc cấp phát tài nguyên
quang, đề tài mong muốn nghiên cứu về vấn đề này và muốn được tham gia,
trao đổi các vấn đề liên quan trong lĩnh vực mạng thông tin quang còn rất rộng
lớn và hấp dẫn.
Với mục tiêu nghiên cứu tìm hiểu kỹ thuật chuyển mạch chùm quang và
đánh giá khả năng ứng dụng vào mạng Viễn thông Quốc Gia. Với nội dung
nghiên cứu về “Hệ thống chuyển mạch chùm quang trong các hệ thống
viễn thông hiện đại ” được xây dựng với bố cục gồm 4 chương cụ thể như
sau:
 Chương 1: Tổng quan về mạng quang, xu hướng phát triển công nghệ và
giới thiệu các kỹ thuật chuyển mạch quang tiêu biểu;

 Chương 2: Cấu trúc cơ bản của các node mạng chuyển mạch chùm
quang, thiết kế thực thi các node mạng chuyển mạch chùm quang và


- 11 phân tích dựa trên các ràng buộc về mặt vật lý, công nghệ, nguyên lý của
một số thành phần chủ chốt xây dựng node mạng chuyển mạch;
 Chương 3: Phân tích đánh giá một số thông số kỹ thuật và ảnh hưởng
của chúng tới node mạng với cấu trúc lựa chọn, cấu trúc TAS;
 Chương 4: Phân tích các khả năng và lộ trình áp dụng chuyển mạch
quang cho mạng viễn thông Việt Nam.


- 12 Chương 1.

Tổng quan

1.1. Giới thiệu mạng thông tin quang
1.1.1. Giới thiệu
Mạng viễn thông đã sử dụng các sợi quang từ những năm 1980 làm giải
pháp gia tăng băng tần cần thiết cho mạng điện thoại. Mặt khác sợi quang tăng
tỷ số tín hiệu trên tạp từ 109 (với cáp đồng) đến 1012 (với sợi quang) đây chính là
điểm mạnh cho việc truyền lưu lượng số liệu.
Mạng truyền tải quang được xem như là sự phát triển của mạng quang từ
mặt kiến trúc mạng và các bức tranh truyền tải tín hiệu tương ứng. Kiến trúc
mạng được xem xét từ các phân miền địa lý khác nhau, các công nghệ ghép
kênh, các chức năng chuyển mạch và định tuyến, dung lượng truyền tải và các
công nghệ sử dụng. Ngày nay, từ mạng quang đồng bộ một bước sóng
SONET/SDH (Single wavelength synchronous Optical Network/ Synchronous
Digital Heirarchy) dựa trên truyền tải điểm-điểm đã phát triển đến giai đoạn
truyền dẫn quang đa bước sóng.

Sự phát triển của mạng quang bắt đầu từ SONET với định nghĩa phân cấp
ghép kênh theo miền thời gian trong miền điện ETDM (Electronic TimeDomain Multiplexing) là các tín hiệu đồng bộ STS-n cho tốc độ bit cao trong
miền quang là các kênh quang bậc n (OC-n). SONET không phải là mạng mà là
một giao diện nó tập hợp tất cả lưu lượng tại các bộ ghép kênh điện. Dòng bit
tốc độ cao sau đó được chuyển đổi sang tín hiệu quang OC-n. Tại lớp vật lý
SONET/SDH định ra một khung 125µs và phân cấp phân chia theo thời gian
TDM (Time Domain Multiplexing) là OC-n/STM-m với n=3m [4].
Mạng dựa trên SONET/SDH bao gồm các nút hoặc các phần tử mạng được
liên kết bằng cáp sợi quang. Cấu hình mạng điểm-điểm xây dựng dựa trên mạng
quang đồng bộ ngày nay có nhiều loại khác nhau như ring, cây, mesh… Các
phần tử mạng quang đồng bộ thu các tín hiều từ nhiều nguồn khác nhau như là
các bộ ghép kênh truy nhập, ATM (Asynchronous Transfer Mode), LAN, MAN.
Được phát triển từ đầu những năm 1980, SONET/SDH đã góp phần thay
thế hầu hết cáp đồng trong mạng đường trục bằng cáp sợi quang.
Song song với sự phát triển các công nghệ ghép kênh theo bước sóng
WDM và ghép kênh theo thời gian trong miền điện TDM, các nhà nghiên cứu


- 13 đưa ra kỹ thuật ghép kênh theo thời gian trong miền quang OTDM (Optical
Time Domain Multiplexing) lên đến tốc độ từ hàng chục đến hàng trăm Gb/s.
Từ những năm 1990, khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber
Amplifier) đã được sử dụng các tín hiệu đa bước sóng có thể được khuếch đại
mà không cần phải tách ra từng kênh. Những tên gọi ghép kênh lỏng, ghép kênh
mật độ cao, ghép kênh mật độ rất cao và các tiêu chuẩn mới vẫn được tiếp tục
phát triển [3].
Mạng toàn quang được đưa ra từ những năm 1990 là một giải pháp mạng
tính cách mạng hướng tới đáp ứng sự gia tăng rất nhanh nhu cầu băng tần do các
công nghệ viến thông mới như internet, email, dịch vụ điện toán peer-to-peer,
truyền hình hội nghị thêm vào lưu lượng thoại truyền thống.
1.1.2. Quá trình phát triển của mạng chuyển tải quang

Cáp sợi quang và các công nghệ liên quan cho phép truyền các dung lượng
thoại và số liệu có tốc độ cao hơn và xa hơn tạo ra mạng quang đường trục trong
cơ sở hạ tầng mạng viễn thông. Mạng quang thế hệ thứ nhất cung cấp tốc độ
cao và truyền tải đường dài dựa trên SONET/SDH. Trong các mạng quang, các
gói số liệu được truyền tải tại tốc độ bit cao trong miền quang trên khoảng cách
dài. Tuy nhiên, chuyển mạch kênh, phân chia lưu lượng, định tuyến, và các chức
năng bảo vệ lại được thực hiện hoàn toàn trong miền điện. Các việc này khi thực
hiện phải thực hiện các bộ biến đổi điện quang, quang điện O/E/O .
Tốc độ bit đã được gia tăng từ 2,5 đến 10 Gb/s trong SONET/SDH sử dụng
công nghệ ghép bước sóng quang mật độ cao DWDM, DWDM gia tăng hiệu
quả sử dụng băng tần truyền dẫn. Khi lưu lượng xử lý tại truyền tải đường dài và
tại các nút trung gian trở nên phức tạp mạng quang sau đó được phát triển lên
mạng quang thế hệ thứ hai ở đó một số chức năng định tuyến và chuyển mạch
là quang với điều khiển điện [4].
Có 2 công nghệ thiết bị quan trọng như nhau trong mạng quang thế hệ thứ
hai là bộ xen rẽ quang OADM và bộ circulator. Những thiết bị này cho phép
định tuyến và chuyển mạch ở lớp bước sóng. Mạng quang thế hệ thứ hai, dựa
trên công nghệ WDM tạo thành lớp quang cung cấp các dịch vụ luồng quang,
chuyển mạch kênh và kênh ảo quang.


- 14 Chuyển mạch toàn quang sẽ đem đến cho mạng quang một thế hệ mạng kế
tiếp được thừa nhận ngày nay là thế hệ mạng quang thứ ba của hệ thống truyền
tải quang. Các chức năng chuyển mạch và định tuyến trong mạng quang thế hệ
thứ ba sẽ cung cấp các nối chéo quang OXC (Optical Cross-Connect).

Xu hướng công nghệ truyền tải

Xu hướng phát triển công nghệ mạng quang được nhìn tổng thể trên bức
tranh phát triển kiến trúc mạng truyền tải quang, các công nghệ được sử dụng

trong mạng truyền tải trong từng giai đoạn.

Mạng chuyển mạch
gói quang
Mạng chuyển mạch
chùm quang
Mạng định tuyến
bước sóng động
Mạng định tuyến
bước sóng tĩnh
Mạng sử dụng
OADM
Mạng WDM
điểm- điểm

Thời gian

Hình 1.1. Công nghệ sử dụng trong mạng truyền tải
Trong thế hệ mạng thứ nhất các kiến trúc mạng quang bao gồm các liên kết
WDM điểm-điểm. Mạng quang khi đó bao gồm một số liên kết điểm-điểm tại
đó tất cả lưu lượng đến một nút được lấy ra, chuyển đổi quang sang điện, xử lý
điện và chuyển đổi từ điện sang quang trở về nút. Việc lấy ra và cộng vào lưu
lượng tại mỗi nút trong mạng phải chịu chi phí đáng kể cho chuyển mạch và xử
lý tín hiệu điện [3].
Trong kiến trúc thế hệ mạng quang thứ hai dựa trên các bộ xen rẽ bước
sóng quang OADM (Optical Add-Drop Multiplexer). OADM cho phép lựa chọn
các kênh bước sóng trên một sợi để kết cuối trong khi các bước sóng khác vẫn
tiếp tục đi qua. Nói tóm lại, toàn bộ lưu lượng đi qua mạng cao hơn khối lượng
lưu lượng cần thiết trích xuống một nút. Bằng việc sử dụng OADM chúng ta có
thể giảm chi phí xử lý tín hiệu trên mạng.

- 15 Trong kiến trúc mạng quang thế hệ thứ ba, để xây dựng một mạng mesh
bao gồm các liên kết sợi đa bước sóng, tương ứng với nó các công nghệ thiết bị
toàn quang liên kết sợi được nghiên cứu và đưa ra.
1.1.3. Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng
Một kỹ thuật đang được phát triển trong các mạng quang là kỹ thuật ghép
kênh quang phân chia theo bước sóng WDM. Công nghệ WDM khai thác băng
thông truyền dẫn lớn gần như vô hạn của sợi quang. Công nghệ này cho phép
mỗi sợi quang có thể truyền dẫn nhiều tín hiệu quang, các tín hiệu tương ứng ở
các bước sóng khác nhau. Theo đó ta có thể hiểu WDM biến đổi một sợi quang
thành nhiều sợi ảo. Sử dụng công nghệ WDM cho phép duy trì tốc độ thấp ở
mỗi bước sóng trong khi vẫn đảm bảo tốc độ luồng tổng ở mức rất cao. Cách
tiếp cận công nghệ này là một giải pháp khả thi để xây dựng các hệ thống lên tới
tốc độ 40 Gbps và cao hơn nữa mà các hệ thống TDM hiện nay không thể thực
hiện được. Các hệ thống WDM sẽ làm giảm số lượng các bộ tái tạo, khuếch đại
tín hiệu trên đường truyền và bởi vậy sẽ giảm được đáng kể giá thành hệ thống.
Để so sánh ta xét một hệ thống truyền dẫn tốc độ 40 Gbps trên khoảng cách 600
km. Với hệ thống truyền thống, cần sử dụng 16 cặp sợi quang với các bộ phát
lặp được ấn định sau mỗi 35 km tổng cộng 272 bộ. Khi sử dụng hệ thống WDM
16 bước sóng, mỗi bước sóng có tốc độ truyền 2.5 Gbps, chỉ sử dụng một cặp
sợi quang và 4 bộ khuếch đại được đặt sau mỗi 120 km trên toàn tuyến 600 km
[8].
Các hệ thống WDM được phân loại theo mật độ của các bước sóng được
ghép ta có hệ ghép kênh mật độ thấp (CWDM) hay hệ ghép kênh mật độ cao
(DWDM), tuỳ theo khoảng trống giữa các bước sóng. Các thế hệ hệ thống
DWDM tiên tiến có thể ghép nhiều bước sóng hơn do đó trên một liên kết quang
sẽ truyền nhiều kênh thông tin hơn. Ngày nay các nhà nghiên cứu đang hướng
tới hệ thống ghép tới 1000 bước sóng trên mỗi sợi quang. Về lí thuyết, để đạt
được điều này ta sử dụng kết hợp các băng C và băng L với khoảng cách giữa

các bước sóng là 0.2 nm.
1.2. Các kỹ thuật chuyển mạch quang


- 16 1.2.1. Giới thiệu
Hoàn toàn tương tự như trong chuyển mạch điện tử, chuyển mạch quang về
nguyên lý là một phép ánh xạ tín hiệu quang từ một cổng lối vào tới một cổng
lối ra yêu cầu. Một trong những khó khăn để thực thi các hệ thống chuyển mạch
quang là yêu cầu cao về mặt công nghệ để xử lý tín hiệu trên miền quang. Ưu
điểm của các kỹ thuật truyền dẫn sử dụng tín hiệu quang là có khả năng truyền
với tốc độ cao nhưng kém về xử lý các tín hiệu. Đó là bởi vì các photon hoặc
không thể đi chậm, tập trung lại, hoặc không được cất giữ một cách thuận tiện.
Kích thước của các thiết bị quang bị giới hạn do nhiễu xạ theo trật tự bước sóng
làm cho các thiết bị quang lớn hơn nhiều thiết bị điện tử. Tuy nhiên, trong tương
lai nếu như có thể khắc phục được những yếu điểm về mặt công nghệ thì chuyển
mạch quang sẽ là một giải pháp đầy hứa hẹn cho mạng viễn thông nhân loại.
Cũng như chuyển mạch điện tử, dựa trên nguyên lý, chuyển mạch quang được
phân chia theo theo các loại như sau:
- Chuyển mạch quang phân chia theo không gian,
- Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian,
- Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng.
Loại chuyển mạch phổ biến nhất là chuyển mạch phân chia theo không
gian, ở đó có sự biến đổi vật lí giữa các đường dẫn sóng ánh sáng. Khác với
chuyển mạch điện tử, chuyển mạch quang có thêm chuyển mạch theo bước
sóng.
Như đã trình bày trong hình 1.1, các mạng quang sẽ chuyển đổi dần từ công
nghệ truyền dẫn quang đơn thuần sang các mạng chuyển mạch quang. Các kỹ
thuật chuyển mạch quang có thể chia thành ba loại: chuyển mạch kênh quang,
chuyển mạch chùm quang và chuyển mạch gói quang.
 Hệ thống chuyển mạch kênh truyền thống sử dụng trong mạng lõi

quang phải cần đến biến đổi quang điện. Từng kênh cơ sở riêng rẽ được tạo
ra và định tuyến trong miền điện. Thiết bị quang sử dụng để chuyển đổi và
xếp những kênh này vào trong phổ quang. Bộ biến đổi quang điện sử dụng
công nghệ đắt tiền và tiêu tốn nhiều năng lượng. Hơn nữa công nghệ này
tương đối chậm so với giải pháp toàn quang bởi vì mất thời gian xử lý tín
hiệu điện [9].


- 17  Chuyển mạch gói quang đã được khẳng định tính kinh tế khi sử dụng
băng tần rất hiệu quả và khả năng hỗ trợ các dịch vụ khác nhau. Khi công
nghệ chuyển mạch quang cải thiện, chúng ta có thể thực hiện mạng chuyển
mạch quang dựa trên gói, khi đó các gói được chuyển mạch và định tuyến
độc lập qua mạng trong miền quang mà không cần biến đổi sang điện tại
mỗi nút. Như vậy chuyển mạch gói quang cho phép một mức độ cao hơn
việc ghép kênh thống kê trên các liên kết sợi quang và điều khiển chùm lưu
lượng tốt hơn chuyển mạch kênh. Tuy nhiên, với một số yêu cầu như tốc
độ, đệm quang, xử lí phần tiêu đề trên miền quang… thì công nghệ hiện tại
vẫn chưa có khả năng đáp ứng được. Chính vì vậy, việc thực thi các mạng
chuyển mạch gói quang trong tương lai gần là chưa thể [6].
 Chuyển mạch chùm quang được thiết kế để đạt được một cân bằng giữa
chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói quang. Trong mạng chuyển mạch
chùm quang một chùm số liệu bao gồm các gói dữ liệu được chuyển mạch
qua mạng toàn quang. Một gói điều khiển được truyền đi trước gói số liệu
là tiêu đề để thiết lập các chuyển mạch dọc theo tuyến truyền dẫn. Thực
chất chuyển mạch chùm quang được xem xét trong tầng quang đơn thuần
như một môi trường truyền dẫn trong suốt không bộ đệm cho các ứng dụng
như vậy chuyển mạch chùm quang (OBS) như một giải pháp cho sự truyền
tải lưu lượng trực tiếp qua mạng WDM quang mà không cần bộ đệm [8].
1.2.2. Mạng chuyển mạch kênh quang
Các mạng quang định tuyến theo bước sóng thực hiện chuyển mạch kênh

quang trong đó các đường dẫn các bước sóng quang được thiết lập giữa các cặp
trạm đầu cuối với nhau. Thiết lập đường truyền ánh sáng liên quan tới một số
nhiệm vụ bao gồm quản lý topo mạng và tài nguyên, định tuyến, ấn định bước
sóng, báo hiệu và tích luỹ tài nguyên.
Việc quản lý topo mạng và tài nguyên liên quan tới sự phân bố và duy trì
thông tin trạng thái mạng. Thông tin này sẽ bao gồm thông tin về hình thái vật lý
và trạng thái các kết nối trong mạng. Trong một mạng WDM định tuyến theo
bước sóng, các thông tin này có thể bao gồm thông tin về trạng thái của bước
sóng tại một liên kết cho trước trong mạng. Giao thức thông thường để duy trì
các thông tin trạng thái được sử dụng trong mạng Internet là giao thức OSPF
(Open Shortest Path First). Vấn đề định tuyến và ấn định bước sóng có thể được


- 18 thực hiện theo hai loại tĩnh và động. Đối với thiết lập đường dẫn sáng tĩnh (SLE:
Static Light Establíhment), toàn bộ các kết nối đều được biết trước, và vấn đề ở
đây là thiết lập đường truyền cho các kết nối này sao cho giảm thiểu được tài
nguyên mạng cũng như số lượng bước sóng hay số sợi quang sử dụng trong
mạng. Đối với vấn đề thiết lập đường dẫn ánh sáng động (DLE: Dynamic
Lightpath Establishment), một đường dẫn ánh sáng được thiết lập cho mỗi yêu
cầu kết nối và đường dẫn này được giải phóng sau một khoảng thời gian hữu
hạn nhất định. Đối với trường hợp lưu lượng động việc thiết lập đường truyền và
ấn định bước sóng có thể được thực hiện tuỳ theo lưu lượng để giảm thiểu nghẽn
kết nối nói khác đi là làm tăng khả năng thiết lập kết nối trong mạng tại cùng
một thời điểm. Các vấn đề về định tuyến động hay tĩnh đã và đang được nghiên
cứu để đảm bảo phù hợp với từng mục đích, phạm vi sử dụng [6].
Các kết nối định tuyến bước sóng tĩnh có đặc điểm rõ ràng , ổn định nhưng
không có khả năng đáp ứng được đặc tính biến động cao về lưu lượng Internet
trong các mạng thực tế. Rõ ràng, nếu lưu lượng mang tính biến động thì việc
truyền tin với kỹ thuật định tuyến theo bước sóng tĩnh sẽ không sử dụng hiệu
quả được dải thông của đường truyền dẫn. Mặt khác, nếu chúng ta thực hiện

định tuyến động cao thì các thông tin trạng thái mạng phải được thường xuyên
cập nhật sẽ gây khó khăn để duy trì thông tin trạng thái mạng hiện thời. Bởi vậy,
khi lưu lượng trở lên động và phân cụm hơn, cần thiết có các cách tiếp cận khác
nhau để đảm bảo truyền dữ liệu trên mạng.
1.2.3. Mạng chuyển mạch gói quang
Khi công nghệ chuyển mạch quang đã có những phát triển, cuối cùng ta
cũng phải công nhận thành tựu, hiệu quả rất lớn của các mạng chuyển mạch gói
quang nơi mà các gói tin được chuyển mạch và định tuyến độc lập trên toàn
mạng trên miền quang mà không cần thực hiện chuyển đổi giữa các miền quangđiện tại mỗi node mạng. Các mạng chuyển mạch gói quang cho phép ghép xen
lưu lượng có độ tĩnh lớn hơn trên các liên kết quang và phù hợp cho lưu lượng
có tính cụm hơn so với các mạng chuyển mạch kênh [6].
Hình vẽ 1.2 dưới đây cho ta thấy cấu trúc đơn giản của một hệ thống
chuyển mạch gói quang. Mỗi node mạng có thành phần chủ yếu là một trường
chuyển mạch quang có khả năng cấu hình lại dựa trên các thông tin tiêu đề của
gói tin. Các gói tiêu đề được xử lí hoàn toàn trên miền quang, và chúng có thể


- 19 được truyền cùng băng, trên một băng con của kênh truyền tin hoặc trên một
kênh điều khiển riêng biệt với kênh truyền gói tin. Tại các node mạng cần có
thời gian để xử lý thông tin tiêu đề và thời gian để cấu hình lại trường chuyển
mạch nên các gói tin phải được trễ một khoảng thời gian nhất định nhờ sử dụng
các bộ trễ quang.

Hình 1.2 Cấu trúc đơn giản của chuyển mạch gói quang.
Vấn đề là cần thực thi các hệ chuyển mạch đáp ứng được yêu cầu về tính
thực tế và đáp ứng được thời gian trễ gói. Ngày nay thời gian chuyển mạch của
hệ chuyển mạch dựa trên cơ cấu MEMS được yêu cầu từ 1 đến 10 ms, trong khi
hệ chuyển mạch dựa trên các bộ khuếch đại quang bán dẫn có thể thực hiện
chuyển mạch khoảng thời gian nhỏ hơn 1 ns. Tuy nhiên nhược điểm của nó là
vấn đề giá thành và để chuyển mạch thì tín hiệu phải đi qua các bộ ghép nối

quang dẫn tới mất mát công suất. Tốc độ chuyển mạch trong tương lai yêu cầu
phải nhanh hơn nữa, tuy nhiên công nghệ ngày nay vẫn chưa đủ mạnh để đáp
ứng cho kỹ thuật chuyển mạch gói quang [9].
Một giải pháp cho kỹ thuật chuyển mạch gói quang là đồng bộ. Trong các
mạng chuyển mạch gói quang có độ dài gói tin cố định, cần đồng bộ gói tại các
cổng vào của trường chuyển mạch để giảm thiểu xung đột. Mặc dù kỹ thuật
đồng bộ là rất khó thực hiện, nhưng đã có một số kỹ thuật đã được nghiên cứu
và thực hiện thành công trong phòng thí nghiệm [6].
Trong mạng chuyển mạch gói quang tài nguyên mạng không được dự trữ,
nên các gói tin có thể bị xung đột, rớt khi lan truyền trong mạng. Xung đột xảy
ra khi nhiều hơn hai gói tin đồng thời đi ra cùng một cổng. Xung đột trong hệ
thống chuyển mạch gói điện được giải quyết bằng các bộ đệm điện. Song trong
miền quang, việc thực thi các bộ đệm khó khăn hơn rất nhiều nên sẽ không có


- 20 bộ nhớ RAM quang. Thay thế cho các bộ đệm quang, người ta sử dụng các
đường dây trễ. Nhiều đường dây có độ trễ khác nhau được nối tầng hoặc nối
song song, cho ta một bộ đệm có khă năng giữ được các gói tin trong một
khoảng thời gian thay đổi được [7]. Việc thực hiện các bộ đệm làm giảm đáng
kể xác suất mất gói tin nhưng không đảm bảo đúng được thứ tự của các gói. Cần
lưu ý rằng trong mỗi kỹ thuật đệm quang, kích thước bộ đệm đều có một số hạn
chế, không chỉ về chất lượng tín hiệu mà còn có giới hạn về mặt kích thước vật
lý. Ví dụ như để trễ gói một khoảng 5 μs yêu cầu độ dài của sợi dây trễ quang
lớn hơn một km. Cũng do giới hạn về kích thước của bộ đệm quang, nên khó
khăn cho các node mạng khó có thể đáp ứng được điều kiện tải lớn hoặc lưu
lượng có đặc tính phân cụm, chùm.
Một cách tiếp cận khác để giải quyết vấn đề xung đột là định tuyến các gói
xung đột đến cổng lối ra khác. Kỹ thuật này được đề cập đến như là việc định
tuyến ánh xạ. Việc ánh xạ này tuy không phù hợp trong các mạng chuyển mạch
gói điện nhưng nó khá hiệu quả trong miền quang, miền có dung lượng bộ đệm

rất hạn chế để duy trì mức độ mất gói. Tuy nhiên, trước khi thực hiện ánh xạ
trong mạng chuyển mạch gói quang, hệ thống cần tính toán để xác định các giới
hạn về ưu nhược điểm của các phương pháp ánh xạ và sử dụng cho hợp lý.
1.2.4. Mạng chuyển mạch chùm quang
Hệ thống chuyển mạch chùm quang được thiết kế trên cơ sở tổng hợp, cân
bằng về mặt công nghệ của hệ thống chuyển mạch kênh quang và hệ thống
chuyển mạch gói quang. Có thể nói chuyển mạch chùm quang là một hệ thống
trung gian để tiến từ mạng chuyển mạch kênh quang sang mạng chuyển mạch
gói quang khi điều kiện công nghệ chưa cho phép thực thi mạng chuyển mạch
gói quang. Trong một mạng chuyển mạch chùm quang, một chùm dữ liệu bao
gồm các gói IP được được chuyển mạch trong mạng hoàn toàn trên miền quang.
Một gói điều khiển được truyền trước khi truyền chùm dữ liệu để thực hiện cấu
hình các liên kết trong trường chuyển mạch. Độ lệch về thời gian này cho phép
xử lý các gói tin điều khiển và thiết lập trường chuyển mạch trước khi chùm dữ
liệu đến. Vì vậy mạng không cần sử dụng các bộ đệm điện hay đệm quang trong
thời gian xử lý gói điều khiển. Gói điều khiển cũng mang thông tin về thời gian
kéo dài của chùm dữ liệu để node mạng có thể biết khi nào trường chuyển mạch
phải thiết lập lại phục vụ chùm dữ liệu kế tiếp.


- 21 Trong hệ chuyển mạch chùm quang, việc tích luỹ tài nguyên được thực
hiện tại các thời điểm theo một chu kỳ xác định, do đó tài nguyên có thể được ấn
định hiệu quả hơn và việc ghép kênh đạt được với độ tĩnh cao hơn. Chính vì vậy
hệ thống không bị hạn chế do một số vấn đề ấn định băng thông tĩnh trong hệ
thống chuyển mạch kênh quang. Hơn nữa, dữ liệu được truyền dưới dạng chùm,
cụm lớn, nên hệ thống chuyển mạch chùm quang giảm được đáng kể tốc độ
chuyển mạch, điều này rất cần thiết đối với hệ thống chuyển mạch gói quang.
Bảng dưới đây cho ta cái nhìn tổng quan về các đặc điểm của cả ba công nghệ
chuyển mạch quang.
Hiệu suất

sử dụng
băng
thông

Thời
gian trễ
thiết lập

Tốc độ
chuyển
mạch yêu
cầu

Xử lý
đồng
bộ/mào
đầu

Tương
thích
về lưu
lượng

Chuyển mạch
kênh quang

Thấp

Lớn

Chậm

Thấp

Thấp

Chuyển mạch
gói quang

Cao

Nhỏ

Nhanh

Cao

Cao

Chuyển mạch
chùm quang

Cao

Nhỏ

Trung
bình

Thấp

Cao

Bảng 1 So sánh một số kỹ thuật chuyển mạch quang
Từ bảng này ta có thể thấy rằng kỹ thuật chuyển mạch chùm quang là kỹ
thuật chuyển mạch quang khắc phục được một số yếu điểm của chuyển mạch
kênh quang và trung hoà được các yêu cầu về công nghệ trong chuyển mạch gói
quang.
Mặc dù có được một số ưu điểm của kỹ thuật chuyển mạch kênh quang và
đáp ứng tốt hơn về mặt công nghệ trong kỹ thuật chuyển mạch gói quang nhưng
hệ chuyển mạch chùm quang còn tồn tại các hạn chế của hệ thống chuyển mạch.
Trong thực tế các vấn đề này bao gồm: lược đồ tạo chùm dữ liệu, lược đồ báo
hiệu, vấn đề tắc nghẽn, lược đồ truyền và chất lượng dịch vụ [9].


- 22 Lược đồ hình thành chùm dữ liệu là lược đồ biểu diễn quá trình tạo chùm
dữ liệu từ các gói tin. Vấn đề ở đây là thời điểm để tạo chùm dữ liệu, kích thước
của chùm dữ liệu và các loại gói tin trong chùm dữ liệu. Lược đồ tạo chùm dữ
liệu sẽ ảnh hưởng tới độ dài của chùm dữ liệu cũng như ảnh hưởng tới thời gian
chờ trước khi gói tin được truyền đi. Lược đồ tạo chùm dữ liệu thường dựa trên
hai kỹ thuật cơ bản là định thời (timer) và dựa trên ngưỡng (threshold) mà ta sẽ
đề cập trong các phần sau.
Lược đồ báo hiệu phục vụ công việc tích luỹ tài nguyên và cấu hình trường
chuyển mạch khi chùm dữ liệu đến các node mạng. Lược đồ báo hiệu phục vụ
tích luỹ tài nguyên trong mạng chuyển mạch chùm quang thông thường sử dụng
các kỹ thuật TAG (Tell-And-Ago), TAW (Tell-And-Wait) và JET (Just-EnoughTime). Trong lược đồ TAG, trạm nguồn gửi một bản tin điều khiển báo cho các
trạm trên đường truyền về chùm dữ liệu tới. Ngay sau đó trạm nguồn sẽ phát đi
chùm dữ liệu như đã thông báo mà không chờ bản tin xác nhận từ phía các trạm
nhận dữ liệu. Để đảm bảo thời gian xử lý gói tin điều khiển và cấu hình trường
chuyển mạch chùm dữ liệu phải được đệm trong bộ đệm quang tại mỗi trạm

nhận. Đối với kỹ thuật TAW, trạm nguồn gửi một bản tin điều khiển để yêu cầu
tích luỹ tài nguyên cho chùm dữ liệu dọc theo các trạm nó sẽ truyền qua. Sau đó
trạm nguồn sẽ chờ một tín hiệu xác nhận tài nguyên có sẵn sàng đáp ứng chưa.
Nếu bản tin xác nhận sẵn sàng, trạm nguồn sẽ phát đi chùm dữ liệu như đã thông
báo. Trường hợp ngược lại trạm nguồn sẽ tiếp tục thực hiện yêu cầu tích luỹ tài
nguyên [8]. Ở lược đồ JET, trạm nguồn phát gói điều khiển trước và sau một
thời gian sẽ trễ nào đó nó phát đi gói tin tương ứng với gói điều khiển đã phát.
Thời gian trễ này được thiết lập lớn hơn tổng thời gian xử lý gói điều khiển trên
toàn tuyến mà gói đi qua. Chính vì vậy, khi chùm dữ liệu đến mỗi trạm trung
chuyển thì gói tin điều khiển đã được xử lý và đã dành riêng cho dữ liệu một
kênh lối ra. Đối với lược đồ JET mạng sẽ không cần sử dụng tới các bộ đệm tại
các trong mạng. Đây là một ưu điểm rất quan trọng vì các bộ đệm trong miền
quang rất khó thực hiện. Một đặc điểm nữa trong kỹ thuật JET đó là việc dự trữ
tài nguyên tại trường chuyển mạch được thực hiện khi chùm dữ liệu đến thay vì
dự trữ tài nguyên khi xử lý gói tin điều khiển.
Trong các lược đồ TAG và JET, trạm nguồn không chờ tín hiệu xác nhận
ACK (acknowledgement) trước khi phát đi chùm dữ liệu. Bởi vậy, có thể xảy ra