Kỹ thuật đa truy nhập trong mạng quang và ứng dụng

-i-

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội

Lời cam đoan

--------------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

kỹ thuật đa truy nhập trong mạng

Em xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân.
Các nghiên cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và hiểu
biết thực tế của em, không sao chép.

Tác giả luận văn

quang và ứng dụng
ngành: xử lý thông tin và truyền thông
M số:
Nguyễn Thế Dơng

Nguyễn thế dơng

Ngời hớng dẫn khoa học: PGS -TS. Đặng văn chuyết

hà nội 2006

-ii-

-iii-

Mục lục
Nội dung

Trang

Lời Mở đầu .............................................................................................

2.4

ứng dụng mạng kỹ thuật đa truy nhập WDMA

2.4. 1

Mạng WDMA đơn bớc .............................................................. 36

36

2.4.1.1 Mạng LAMBDANET...................................................................... 36
2.4.1.2 Mạng RAINBOW............................................................................ 37

Chơng 1: các phần tử sử dụng trong mạng

2.4.1.3 FOX Bộ kết nối chéo quang tốc độ cao 38

quang đa truy nhập

2.4.1.4 HYPASS (High performance packet switch system...... 39

1.1

giới thiệu chung .................................. 1

1.2

Bộ ghép hình sao quảng bá .... 2

2.4.1.5 Mạng RINGGO............................................................................... 42
2.4.2

Mạng WDMA đa bớc .................................................................. 43

2.4.2.1 Mạng Starnet.................................................................................. 43

1.3

bộ ghép kênh và tách kênh ........................................... 4

1.4

điốt laze điều chỉnh đợc bớc sóng. .................... 7

Chơng 3 : kỹ thuật đa truy nhập

1.4.1

Điều chỉnh nhiệt. ........................................................................... 8

phân chia theo sóng mang phụ SCMA

1.4.2

Điốt laze điều chỉnh đợc bớc sóng sử dụng hốc ngoài............... 8

3.1

1.4.3

điốt laze hồi tiếp phân bố (DFB) hai đoạn..................................... 10

3.2

Hiệu suất của mạng scma đơn kênh ..................... 51

1.4.4

Điốt laze phản xạ phân bố Bragg hai đoạn và ba đoạn. ................ 11

3.2.1

Nhiễu lợng tử Short noise ................................... 53

1.5

bộ lọc quang điều chỉnh đợc ................................

3.2.2

Nhiễu nhiệt của máy thu ............................................................... 54

3.2.3

Nhiễu cờng độ Laser ................................................................... 55

12

Chơng 2 : Kỹ thuật đa truy nhập
phân chia theo bớc sóng - wdma
2.1

Tổng quan về kỹ thuật WDMA....................................... 14

2.4.2.2 Mạng HORNET.............................................................................. 44

Giới thiệu chung .................................................................. 49

3.2.4

Nhiễu giao thoa quang .................................................................. 55

3.2.5

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng....................................................... 58

3.2.6

ứng dụng của các hệ thống SCMA đơn kênh ................................ 55

2.2

Mạng WDMA đơn bớc ....................................................... 14

2.2.1

Mạng WDMA quảng bá và lựa chọn ........................................ 14

3.3

Đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh ....................

2.2.2

Mạng WDMA định tuyến theo bớc sóng.................................

20

3.3.1

Khái niệm về hệ thống SCMA đa kênh ........................................ 61

2.2.3

Các vấn đề liên quan đến hiệu suất và thiết kế mạng .................... 25

3.3.2

Đặc điểm của hệ thống SCMA đa kênh .................................... 62

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng ...................................................... 64
ứng dụng của các hệ thống SCMA đa kênh .................................. 65

2.2.3.1 Vị trí bộ đệm trong mạng WDMA đơn bớc .................................

25

3.3.3

2.2.3.2 Xuyên kênh.....................................................................................

26

3.3.4

2.3

Mạng WDMA đa bớc .........................................................

29

2.3.1

Khái niệm chung về mạng WDMA đa bớc ................................ 29

2.3.2

Đặc điểm của mạng WDMA đa bớc ....................... 31

60

Chơng 4 : kỹ thuật đa truy nhập
phân chia theo thời gian TDMA
4.1

Giới thiệu chung .................................................................. 68


-iv-

-v-

4.2

Các khái niệm cơ bản của Kỹ thuật TDMA . 68

4.3

ứng dụng mạng Kỹ thuật đa truy nhập TDMA .... 71

Thuật ngữ và chữ viết tắt

4.3.1

ATM-PON (ATM dựa trên mạng quang thụ động) ...................... 71

ADSL

Asymmetric Digital Sub Line

Thuê bao số không đối xứng

4.3.2

E- PON (Ethernet dựa trên mạng quang thụ động) ....................... 74

AON

All optical network

Mạng toàn quang

ADM

Add/ Drop Multiplexer

Bộ ghép kênh xen rẽ

APD

Avalanche Photodiode

Điốt tách sóng thác

AR

Antireflection Coating

Vỏ chống phản xạ

ASK

Amplitude Shift Keying

Khoá dịch biên độ

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Mode chuyển giao không
đồng bộ

B-ISDN

Broadband Integrated
Digital network

BPF

BandPass Filter

Bộ lọc băng thông

BRAS

Broadband Access Server

Server truy nhập băng rộng

CNR

Carrier to- Noise Ratio

Tỷ số sóng mang trên nhiễu
Thiết bị đầu cuối tổng đài

Chơng 5 : kỹ thuật đa truy nhập
phân chia theo m - cdma
5.1

Tổng quan kỹ thuật đa truy nhập CDMA .............. 78

5.2

Các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA ............................. 78

5.2.1

Mạng sử dụng kỹ thuật CDMA tách sóng trực tiếp ......................

5.2.2

Mạng CDMA quang kết hợp......................................................... 85

5.2.3

Đặc điểm của các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA quang.............. 87

78

Chơng 6 : đề xuất mô hình ứng dụng mạng
man Tại bu điện hà nội

Service Mạng số liên kết đa dịch vụ
băng rộng

6.1

Hiện trạng mạng viễn thông của BĐHN .................. 88

COT

Central Office terminal

6.1.1

Mạng truyền dẫn ........................................................................... 88

CT

Central terminal

Thiết bị đầu cuối tập trung

6.1.2

Mạng tổng đài ............................................................................... 88

DBR

Distributed Bragg Reflecter

Phản xạ phân bố Bragg

6.1.3

Mạng DDN truyền thống ..

90

DCN

Digital Communication network

Mạng thông tin số

6.1.4

Mạng truyền số liệu ATM + IP ..................................................... 90

DCS

Digital Cross -connect system

Bộ nối chéo số

6.1.5

Mạng truy nhập băng rộng ADSL & SHDSL ................................ 91

DEMUX Demultiplexer

Bộ giải ghép (tách) kênh

6.2

Đánh giá ứng dụng truy nhập quang của bđhn

94

DFB

Distributed Feedback

Hồi tiếp phân bố

6.3

Dự báo nhu cầu phát triển ............................................ 96

DLC

Digital loop Carrier

Truyền tải mạch vòng số

DR

Distributed reflector

Bộ phản xạ phân bố

DSL

Digital sub line

Đờng dây thuê bao số

6.4

Phân tích giải pháp ứng dụng xây dựng mạng .... 99

6.5

Lựa chọn giải pháp công nghệ truy nhập .............. 103

DSLAM DSL access Multiplexer

Bộ ghép đờng thuê bao số

6.6

Một số chỉ tiêu cơ bản khi xây dựng mạng ..

FBG

Fiber Bragg grating

Cách tử quang Bragg

6.7

Đề xuất cấu hình ứng dụng mạng MAN .................... 107

FP-LD

Fabry-Perot laser diode

Đi ốt la-de Fabry-Perot

Kết luận................................................................................................. 110

FSK

Frequency Shift Keying

Khoá dịch tần số

Tài liệu tham khảo ........................................................................... 111

FTTB

Fiber to the Building

Cáp quang tới toà nhà

FTTC

Fiber to the Curb

Cáp quang tới khu dân c

105


-vi-

-vii-

FTTH

Fiber to the home

Cáp quang tới nhà

PIN

Positive Intrinsic Negative

Cấu trúc PIN

FTTL

Fiber to the loop

Mạch vòng cáp quang

PON

Passive optical network

Mạng quang thụ động

FTTO

Fiber to the office

Cáp quang tới công sở

PSK

Phase shift keying

Khoá dịch pha

FWM

Four Wave Mixing

Trộn bốn sóng

RF

Radio frequency

Tần số vô tuyến

GGL

Gain Guided laser

Lade điều khiển khuyếch
đại

RIN

Relative Intensity Noise

Nhiễu cờng độ tơng đối

RPR

Resilient packet ring

GI

Graded Index

Chỉ số Gradien

Mạng vòng chuyển mạch
gói tự hồi phục

GRIN

Graded refractive Index

Chỉ số chiết suất Gradien

SBS

Stimulated Brillouin Scattering

Tán xạ Brillouin kích thích

IF

Intermediate frequency

Trung tần

SCM

Subcarrier Multiplexing

Ghép kênh sóng mang phụ

IGL

Index Guided laser

Lade điều khiển chỉ số chiết
suất

SDSL

Symmetric digital sub line

Thuê bao số đối xứng

SEL

Surface Emitting laser

La-de phát mặt

IM

Intensity Modulation

Điều biến cờng độ

SPM

Self phase modulation

Tự điều chế pha

IMD

Intermodulation Distortion

Méo điều chế tơng hỗ

SRS

Stimulated Raman Scattering

Tán xạ raman kích thích

LD

Laser diode

Điốt lade

TDM

Time division Multiplexing

Ghép kênh theo thời gian

LED

Light Emitting Diode

Điốt phát quang LED

TDMA

Time division Multiple Access

Đa truy nhập theo thời gian

LO

Local Oscillator

Dao động nội

TT

Tunable transmitter

Bộ phát điều chỉnh đợc

LOC

Large Optical Cavity

Hốc cộng hởng quang rộng

TR

Tunable receiver

Bộ thu điều chỉnh đợc

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng khu vực nội thị

FT

Fixed tuned transmitter

Bộ phát cố định

MQW

Multiple Quantum Well

Giếng lợng tử

RF

Fixed tuned receiver

Bộ thu cố định

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

VPN

Virtual private network

Dịch vụ mạng riêng ảo

MZ

Mach Zehnder

Bộ điều chế Mach Zehnder

WDM

Wavelength Division Multiplex

Ghép kênh theo bớc sóng

OA

Optical amplifier

Bộ khuếch đại quang

WDMA

OADM

Optical Add/Drop Multiplexer

Bộ ghép kênh xen rẽ quang

Wavelength Division Multiple Đa truy nhập theo bớc
Access
sóng

OFA

Optical fiber amplifier

Bộ khuếch đại quang sợi

WGR

Wavelength Grating Router

ONI

Optical Network interface

Giao diện mạng quang

ONNI

Optical network to network Giao diện mạng mạng
interface
quang

WR

Wavelength Router

Bộ định tuyến bớc sóng

WRC

Wavelength routing Controller

Bộ điều khiển định tuyến
bớc sóng

Bộ định tuyến cách tử dẫn
sóng

ONU

Optical network Unit

Thiết bị mạng quang

OTN

Optical transport network

Mạng truyền tải quang

WT

Wavelength terminal

Thiết bị kết cuối bớc sóng

XPM

Cross Phase Modulation

Điều chế ngang (chéo) pha

OXC

Optical Cross connect

Nối chéo quang

PDS

Passive Distribute Service

Dịch vụ phân phối thụ động


-viii-

-ix-

danh mục bảng
Bảng 2.1

Quan hệ giữa số nút mạng (N) và số bớc (h) xuất phát từ

33

một nút nguồn trong giản đồ ShuffleNet (p,k) .......................

Hình 2.7

Nguyên lý hoạt động mạng LLN ... 24

Hình 2.8

Tái sử dụng bớc sóng trong mạng LLN ............................... 25

Hình 2.9

Quan hệ thời gian đợi và tải cho mạng đệm đầu ra đầu vào

26

Hình 2.10

Chọn kênh trong mạng WDMA thu kết hợp .........................

27

Mất mát công suất do xuyên kênh trong bộ tách sóng quang 28

Bảng 2.2

Một số thông số đại diện biểu đồ ShuffleNet ....................... 34

Hình 2.11

Bảng 2.3

Các tham số thử nghiệm mạng HORNET ............................. 45

Hình 2.12

Bảng 6.1

Kỹ thuật truyền dẫn từ tổng đài đến thuê bao 104

Bảng 6.2

Kỹ thuật truyền dẫn từ thuê bao đến tổng đài 104

Một số cấu kiện quang thụ động ...........................................
Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode .
Các bộ ghép hình sao .............................................................
Sơ đồ khối hệ thống WDM ....................................................
Thiết bị ghép tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) .............
Xuyên kênh ............................................................................
Điốt laze điều chỉnh đợc sử dụng hốc ngoài ........................
Laser MAGIC ........................................................................
Điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn .......................................
Sơ đố cấu trúc diode laze phản xạ phân bố Bragg ................
Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh đợc ..............................
Mạng WDMA hình sao đơn bớc quảng bá và lựa chọn....
Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số bớc sóng đợc
sử dụng ..................................................................................

Quan hệ số bớc sóng bận -Tải và số bớc sóng cực đại ... 20

Hình 2.4

Nguyên lý định tuyến bớc sóng mạng WDMA đơn bớc .. 220

Hình 2.5

Mạng định tuyến theo bớc sóng N = 3

21

nút ,sử dụng phần tử WDM ..................................................
Mạng định tuyến theo bớc sóng
sử dụng chuyển mạch không gian chọn bớc sóng ...............

Hình 2.13

Cấu trúc mạng đa chặng WDMA hình sao 8 nút ................... 30

Hình 2.14

Biểu đồ kết nối trực tiếp Shufflenet mạng đa chặng

Hình 2.15
2
2
4
4
5
9
9
9
10
11
12
15
17

Hình 2.3

Hình 2.6

29

32

hình sao 8 nút..........................................................................

Danh mục hình vẽ
Hình 1.1.
Hình 1.2.
Hình 1.3.
Hình 1.4.
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 2.1
Hình 2.2

Quan hệ giữa công suất cực đại trên kênh và số kênh cho
4 ảnh hởng phi tuyến trong mạng WDMA ..

23

Biểu diễn thông lợng trên một nút, số nút N

35

cho mạng WDMA shuffleNet ................................................
Hình 2.16

Cấu trúc mạng Lambdanet WDMA ....................................... 36

Hình 2.17

Cấu trúc cơ bản của mạng FOX ............................................. 38

Hình 2.18

Cấu trúc mạng WDMA Hypass ........................................... 39

Hình 2.19

Minh hoạ thuật toán thăm dò hình cây trong trờng hợp

40

có 4 gói dữ liệu đồng thời đến cùng một đích .......................
Hình 2.20

Quan hệ giữa thời gian trễ trung bình

41

Hình 2.21

Mạng metro WDM ringo ................................................... 42

Hình 2.22

Cấu trúc nút RINGO .............................................................

Hình 2.23

Cấu trúc chuyển mạch Starnet ............................................... 43

Hình 2.24

Cấu trúc mạng HORNET.......................................................

Hình 2.25

Sơ đồ cấu trúc nút truy nhập (AN) trong mạng HORNET .... 46

và tải trong mạng Hypass ...................................................

Hình 2.26

Nguyên lý hoạt động giao thức CSMA/CA

43
46
47

trong mạng HORNET

Hình 3.1

Nguyên lý kỹ thuật điều chế SCM . 49

Hình 3.2

Mạng SCMA cấu trúc hình sao .............................................. 51

Hình 3.2 (a) Phổ công suất quang của hai Laser đơn mode dọc

53


-x-

-xi-

có độ lệch tần số trung tâm bằng v .....................................
Hình 3.2(b)

Lời mở đầu

Phổ công suất điện của thành phần nhiễu khi v 0 .............. 57

Hình 3.2 (c) Phổ công suất điện của thành phần nhiễu khi v = 0 ............

57

Hình 3.3

59

Tỷ số (SNRtot) tổng và 4 loại nhiễu trong
hệ thống SCMA đơn kênh .....................................................

Hình 3.4

Hớng lên hệ thống FITL dựa trên SCMA PON ................ 60

Hình 3.5

Mạng SCMA đa kênh , N bớc sóng và M nút mạng

61

trên một bớc sóng ...............................................................
Hình 3.6

Gán kênh tần trong mạng SCMA đa kênh ............................. 62

Hình 3.7

Cấu trúc chuyển mạch gói tốc độ cao dựa trên
66
SCMA đa kênh ứng dụng cho MAN ..

Hình 4.1

Mạng quang thụ động dựa trên cấu trúc Bus ......................... 69

Hình 4.2

Cấu trúc của ATM-PON......................................................... 72

Hình 4.3

Khung thời gian ATM-PON đối xứng 155 Mbps .................. 74

Hình 4.4

Sơ đồ ứng dụng E-PON .........................................................

Hình 4.5

Khe thời gian hớng lên và hớng xuống E-PON ................. 76

75

Hình 5.1

Mạng CDMA quang .............................................................. 79

Hình 5.2

Mã hoá bít nguồn tin 1 với chuỗi chíp CDMA.

79

Số các chíp, F=25. Số các chip 1, K=5 ..................................
Hình 5.3

(a) Bộ mã hoá quang và (b) bộ giải mã quang sử dụng

82

các đờng dây trễ quang song song........................................
Hình 5.4

Hai mã quang trực giao A và B .............................................. 84

Hình 5.5

Mã hoá và giải mã phổ các xung ánh sáng cực ngắn

86

trong các mạng CDMA quang kết hợp ..................................
Hình 6.1

Sơ đồ đấu nối các trạm tổng đài - mạng Bu điện Hà Nội .... 89

Hình 6.2

Cấu trúc mạng truyền số liệu ATM + IP ............................... 91

Hình 6.3

Sơ đồ cấu trúc mạng truy nhập ADSL & SHDSL .................. 92

Hình 6.4

Sơ đồ mạng truy nhập ADSL và SHDSL Bu điện Hà Nội

93

Hình 6.5

Sơ đồ triển khai MAN ứng dụng công nghệ

108

HORNET trên mạng Hà Nội .................................................

Ngày nay, thế giới đang bớc sang kỷ nguyên của thông tin, trong đó
công nghệ thông tin và truyền thông là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã
hội. Do đó, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng
rộng và đa phơng tiện trong đời sống kinh tế xã hội của từng quốc gia cũng
nh kết nối toàn cầu.
Để đáp ứng đợc vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên
thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao,
băng thông rộng, dung lợng lớn. Một trong giải pháp để tạo ra mạng truyền
thông có khả năng truyền dẫn đó là mạng thông tin quang tốc độ cao. Mặc dù
có sự phát triển nhanh về công nghệ, cấu trúc mạng và cấu hình các hệ thống
truyền dẫn quang trong các ứng dụng thực tế, song về cơ bản mạng thông tin
quang có thể chia làm hai phần là mạng truy nhập và mạng truyền tải.
Mạng truyền tải với mục tiêu truyền các lu lợng lớn với băng tần
rộng nhằm thoả mãn nhu cầu truyền tải trong cấu trúc mạng hiện đại. Trên cơ
sở đó, vấn đề thông suốt lu lợng đợc đặt ra nh là một nền tảng cho việc
thoả mãn nhu cầu băng tần rộng của khách hàng mà không cần quan tâm tới
nội dung của luồng tín hiệu. Đây cũng là nội dung yêu cầu tiến đến mạng toàn

quang thế hệ sau (all optical network). Mạng truy nhập quang ở nhiều nơi đã
đợc khai thác có hiệu quả và đã đáp ứng đợc nhiều loại hình dịch vụ. Tuy
nhiên, nhu cầu thông tin ngày một phát triển mạnh, các yêu cầu về các hệ
thống truy nhập quang cho mạng nội hạt có băng tần rộng đã đợc đặt ra
nhằm thoả mãn sự phát triển của mạng và các loại hình dịch vụ có băng tần và
chất lợng cao. Để thực hiện các mục đích trên ngời ta đã và đang nghiên
cứu rất nhiều các giải pháp kỹ thuật, một trong số đó là kỹ thuật đa
truy nhập quang nhằm tạo ra các sở cứ khoa học cho việc thiết kế và
ứng dụng các mạng quang đa truy nhập, nội dung luận văn bao gồm:
Chơng 1 giới thiệu một số phần tử sử dụng trong mạng quang đa truy
nhập. Nghiên cứu chức năng, nguyên lý hoạt động và đặc tính kỹ thuật của
một số cấu kiện quang thụ động và các phần tử điều chỉnh đợc ứng dụng
trong mạng quang đa truy nhập (Bộ phát thay đổi, bộ thu thay đổi và bộ lọc
thay đổi đợc).


-xii-

Chơng 2 sẽ trình bày về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bớc
sóng WDMA trong đó đa ra tổng quan về công nghệ WDMA, các khái niệm
về mạng WDMA đơn bớc và đa bớc đồng thời phân tích cấu trúc, đặc tính
kỹ thuật của các mạng WDMA đơn bớc và đa bớc và nghiên cứu một số cấu
trúc và giao thức mạng ứng dụng kỹ thuật WDMA.
Chơng 3 nghiên cứu về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng
mang phụ SCMA tìm hiểu các đặc điểm về kỹ thuật đa truy nhập sóng mang
phụ đơn kênh, kỹ thuật đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh, đa ra các phân
tích ảnh hởng về nhiễu gây ra liên quan đến hiệu suất của mạng và nêu ứng
dụng của kỹ thuật SCMA.
Chơng 4 mô tả kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA với hai
phơng thức xử lý ghép dòng tín hiệu dới dạng chèn bít và dạng khối. Trình

bày các mạng ứng dụng: Mạng A-PON (ATM dựa trên mạng quang thụ động)
và Mạng E-PON (Ethernet dựa trên mạng quang thụ động).
Chơng 5 nghiên cứu đặc điểm của kỹ thuật phân chia theo mã CDMA
liên quan đến các kỹ thuật CDMA tách sóng trực tiếp và mạng CDMA quang
kết hợp và đặc điểm của các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA quang.
Chơng 6 đề xuất khả năng ứng dụng mô hình ứng dụng MAN trên
mạng của Bu điện Hà nội để chuyển tải lu lợng cho các mạng băng rộng và
từng bớc có thể thay thế các mạng truyền dẫn kênh truyền thống. Việc triển
khai ứng dụng mạng MAN nhờ kỹ thuật WDMA cũng nh ứng dụng của kỹ
thuật WDMA trong các mạng đờng trục và mạng diện rộng đợc mô tả cho
thấy mức độ và tính khả thi khi áp dụng cấu trúc MAN cho việc truyền tải dữ
liệu chuyển mạch gói rất phù hợp cho các ứng dụng của mạng thế hệ sau NGN
vào thực tế nh thế nào.

-1-

Chơng 1
tổng quan về các phần tử sử dụng trong
mạng quang đa truy nhập
1.1 giới thiệu chung.
Trong kỹ thuật đa truy nhập quang, về mặt bớc sóng ta có kỹ thuật
ghép kênh theo bớc sóng WDM tơng ứng là kỹ thuật truy nhập WDMA,
ghép kênh nhiều sóng mang SCM tơng ứng là kỹ thuật truy nhập SCMA, về
mặt thời gian ta có kỹ thuật truy nhập theo thời gian TDMA và truy nhập phân
chia theo mã CDMA.
Trong các mạng truy nhập quang dòng bít dữ liệu hớng đi từ ngời sử dụng
đến tổng đài có lu lợng nhỏ và hớng về từ tổng đài đến ngời sử dụng có
lu lợng lớn hơn rất nhiều, vì vậy, kỹ thuật truy nhập cho các hớng cũng
khác nhau.
Để thực hiện đợc mạng quang đa truy nhập cần phải có một số cấu

kiện quang, thông thờng đợc gọi là các thiết bị quang thụ động. Tuỳ theo
các chức năng thực hiện mà chúng đợc chia ra các loại nh sau :
Bộ chia quang: Bộ này thực hiện chia công suất quang từ một đầu vào
duy nhất tới một số đầu ra.
Bộ tổng hợp quang: Bộ này thực hiện chức năng ngợc lại của bộ chia,
nó tổng hợp một số tín hiệu quang ở các đờng vào và đa tới một đầu
ra duy nhất.
Bộ ghép hình sao quảng bá: Thiết bị này thực hiện việc kết hợp các tín
hiệu quang từ các cổng vào và chia đều nó cho các cổng ra.
Thiết bị ghép kênh theo bớc sóng : Thiết bị này tổng hợp các kênh có
bớc sóng khác nhau tại các đầu vào và đa ra một đầu ra duy nhất.
Thiết bị tách kênh theo bớc sóng : Thiết bị này chia đa kênh quang từ
một đầu vào thành các đầu ra khác nhau tuỳ thuộc vào bớc sóng của
chúng.
Các bộ các ly quang: Có nhiệm vụ bảo vệ bộ phát hoặc bất cứ thiết bị
liên quan đến độ nhạy từ những tín hiệu phản xạ không mong muốn.
Bộ lọc quang : Thiết bị này thực hiện chọn lọc một kênh trong số các
kênh đến đầu vào, và đa kênh đợc chọn này đến đầu ra.
Ngoài ra trong một số mạng quang đa truy nhập yêu cầu một vài phần
tử điều chỉnh đợc, ví dụ nh bộ phát thay đổi đợc (Tx- Tunable), bộ thu


-2-

-3-

thay đổi đợc (Rx- Tunable) và các bộ lọc quang thay đổi đợc. Đây là các
phần tử tích cực, nó có vị trí đặc biệt quan trọng trong các mạng quang sử
dụng kỹ thuật đa truy nhập theo bớc sóng (WDMA).

lựa chọn bớc sóng. Vì vậy chúng không có khả năng tách các kênh riêng rẽ.
Trong trờng hợp tổng quát số các cổng đầu vào và các cổng đầu ra không cần
phải bằng nhau và ký hiệu là (NxM), trong đó N là số cổng đầu vào và M là số
cổng đầu ra.
Có một số kiểu bộ ghép hình sao đã đợc phát triển. Loại bộ ghép đầu
tiên sử dụng các bộ ghép sợi 3dB. Mỗi bộ ghép sợi có khả năng ghép hai tín
hiệu đầu vào và phân chia đều trên hai cổng đầu ra, cũng có nghĩa là bộ ghép
hình sao 2x2. Các hình sao bậc cao hơn NxN có thể đợc tạo ra bằng cách gộp
một số bộ ghép 2x2 với nhau trong đó N là bội số lần của 2. Hình 1.2 mô tả sơ
đồ nh vậy cho cấu trúc hình sao 8x8 tạo thành từ 12 bộ ghép 2x2. Để tạo ra
đợc bộ coupler hình sao NxN thì số bộ coupler 3 dB cần thiết đợc tính theo
biểu thức sau:
N
N C = log 2 N
1.1
2
Nếu gọi là suy hao của tín hiệu khi đi qua coupler 3dB thì hệ số này
đợc xác định bằng tổng số công suất đầu ra trên tổng công suất đầu vào,
thông thờng giá trị này đợc biểu diễn theo đơn vị deciBel. Suy hao tổng của
tín hiệu khi đi qua bộ ghép hình sao NxN đợc tính nh biểu thức (1.2). Nh
vậy khi số cổng tăng lên thì suy hao tín hiệu qua bộ ghép cũng tăng lên.

N

a
1

n

1 ...... n

b

c
1

1 ...... n

e

d

M

n

f

Hình 1.1 Cấu kiện quang thụ động.
a. Bộ chia quang.
d. Bộ ghép kênh theo bớc sóng.
b. Bộ tổng hợp quang.
e. Bộ tách kênh theo bớc sóng.
c. Bộ ghép hình sao quảng bá.
f. Bộ cách ly quang.
1.2 Bộ ghép hình sao quảng bá.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Hình 1.2 Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode.
Vai trò của một bộ ghép hình sao là kết hợp các tín hiệu quang từ các
cổng đầu vào và chia đều nó trên các cổng đầu ra nh chỉ ra trên hình 1.2.
Không nh các bộ tách kênh, các bộ ghép hình sao không chứa các phần tử

log 2 N
Loss [ dB ] = 10 log 10
10 (1 3 .3 log 10 ). log 10 N
1.2

N
Có một giải pháp khác đợc đa ra là sử dụng các bộ ghép biconicaltaper (thắt làm hai hình chóp nóng chảy) để tạo ra các bộ ghép hình sao vững
vàng, chắc chắn. Hình 1.3 mô tả sơ đồ sao truyền dẫn và sao phản xạ đợc tạo
ra bằng công nghệ này. Kỹ thuật này làm nóng chảy một số lợng lớn các sợi

lại với nhau và kéo dài phần nóng chảy thành dạng cấu trúc thắt hai phần. ở
phần có dạng hình nêm, tín hiệu từ mỗi sợi đợc ghép lại với nhau và chia đều
ra trên các cổng đầu ra. Cấu trúc nh vậy hoạt động tơng đối tốt với sợi đa
mode. Còn trong trờng hợp sợi đơn mode thì nó bị hạn chế do chỉ có thể làm
nóng chảy đợc vài sợi. Các bộ ghép nóng chảy 2x2 sử dụng sợi đơn mode
đợc chế tạo từ khá sớm. Chúng có thể đợc thiết kế để hoạt động trên một
phạm vi bớc sóng rộng.


-4-

(a)

-5-

(b)

a, Bộ ghép sao truyền dẫn ; b, Bộ ghép sao phản xạ
Hình 1.3 Các bộ ghép hình sao.
1.3 bộ ghép kênh (MUX) và tách kênh (DE-MUX).
1.3.1 Nguyên lý cơ bản ghép kênh theo bớc sóng quang.
i1(1)

O1(1)
MUX

in(n)

o(1 .....n)

DE-MUX

i(1 .....n)

On(n)

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống WDM
Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bớc sóng quang đợc minh hoạ
ở hình 1.4. Có hai phơng án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bớc
sóng quang WDM đó là: Phơng án truyền dẫn ghép bớc sóng quang theo
một hớng, là sự kết hợp các tín hiệu có bớc sóng khác nhau vào sợi quang
tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở
đầu kia. Thông thờng cần phải sử dụng hai sợi quang để thực hiện truyền tín
hiệu thông tin cho chiều đi và chiều về. Phơng án truyền dẫn hai hớng thì
không qui định phát ở một đầu và thu ở một đầu; điều này tức là có thể truyền
thông tin theo một hớng tại các bớc sóng 1, 2 , 3, .......j ......n và đồng
thời cũng truyền thông tin khác theo hớng ngợc lại tại các bớc sóng 1,
2, 3, .......j......n. Phơng án này chỉ cần sử dụng một sợi cũng có thể
thiết lập đợc một hệ thống truyền dẫn cho cả chiều đi và chiều về. Để thực
hiện một hệ thống WDM theo một hớng, thì cần phải có bộ ghép kênh bớc
sóng MUX ở đầu phát để kết hợp các tín hiệu quang từ các nguồn phát quang
khác nhau đa vào một sợi quang chung. Tại đầu thu, cần phải có một bộ tách
kênh DEMUX để thực hiện tách các kênh quang tơng ứng. Nhìn chung, các

laze đơn mode thờng không phát một lợng công suất đáng kể nào ở ngoài

độ rộng phổ kênh đã định trớc của chúng, cho nên không cần phải để ý đến
vấn đề xuyên kênh ở đầu phát. Vấn đề đáng quan tâm ở đây là bộ ghép kênh
cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép ít bị
suy hao. Đối với bộ tách kênh, vì các bộ tách sóng quang thờng nhạy cảm
trên cả một vùng rộng các bớc sóng cho nên nó có thể thu đợc toàn bộ các
bớc sóng đã đợc phát đi từ phía thiết bị phát. Nh vậy, để ngăn chặn các tín
hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có biện pháp cách ly tốt
các kênh quang. Để thực hiện điều này, cần thiết kế các bộ tách kênh chính
xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định và có bớc sóng cắt chính xác.
Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép kênh nào cũng có thể đợc dùng làm
bộ tách kênh. Nh vậy hiểu đơn giản, từ bộ ghép-Multiplexer trong trờng
hợp này thờng đợc sử dụng ở dạng chung để tơng thích cho cả bộ ghép và
bộ tách kênh, ngoại trừ trờng hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc
hai chức năng.
Ngời ta chia thiết bị ghép sóng quang thành ba loại : Bộ ghép kênh
(MUX ), bộ tách kênh (DEMUX) và các bộ ghép và tách hỗn hợp (MUXDEMUX). Các bộ MUX và DEMUX đợc dùng cho phơng án truyền dẫn
theo một hớng, còn loại thứ ba (MUX-DEMUX) đợc sử dụng cho phơng
án truyền dẫn hai hớng trên một sợi. Hình 1.5 mô tả cấu trúc thiết bị ghép
tách kênh hỗn hợp. Việc phân tích chính xác thiết bị ghép phải dựa trên ma
trận chuyển đổi với các phần tử của ma trận là Aij(x). Các phần tử này là các
hệ số phụ thuộc vào bớc sóng, nó biểu thị các tín hiệu quang đi vào cửa thứ i
và ra cửa ra thứ j.
Tín hiệu ghép kênh

Ik(k)
O(k)
I(i)

Hìn
Oi(i)

Sợi quang

Tín hiệu tách kênh

Hình 1.5. Thiết bị ghép tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX)


-6-

-7-

1.3.2 Các tham số cơ bản của bộ ghép kênh và tách kênh.
Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính của các bộ ghép tách kênh
hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh, độ rộng kênh. Để đơn giản, ta hãy phân
biệt ra thành thiết bị một hớng ở hình 1.4 và thiết bị hai hớng nh ở hình
1.5. Các ký hiệu I(i) và O(k) tơng ứng là các tín hiệu có bớc sóng i , k ở
đờng chung. Ký hiệu Ik(k) là tín hiệu đầu vào đợc ghép vào cửa thứ k, tín
hiệu này đợc phát từ nguồn phát quang thứ k. Ký hiệu Oi(i) là tín hiệu có
bớc sóng i đã đợc tách và đi ra từ cửa thứ i. Bây giờ ta xem xét ba tham số
cơ bản là suy hao xen, xuyên kênh, và độ rộng kênh nh sau :
Suy hao xen : Đợc xác định là lợng công suất tổn hao sinh ra trong
tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép bớc sóng quang
WDM. Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM
với sợi và suy hao bản thân các thiết bị ghép gây ra. Suy hao xen đợc diễn
giải tơng tự nh suy hao đối với các bộ ghép coupler chung, nhng có điểm
khác là ở WDM chỉ xét cho một bớc sóng đặc trng:

Từ hình 1.6 (a) ta thấy Ui(k) là lợng tín hiệu không mong muốn ở
bớc sóng k do có sự rò tín hiệu trên cửa ra thứ i, mà đúng ra thì chỉ có tín

hiệu ở bớc sóng i. Trong thiết bị ghép tách kênh hỗn hợp nh ở hình 1.6
(b), việc xác định suy hao xuyên kênh cũng đợc áp dụng nh bộ tách kênh.
Trong trờng hợp này, phải xem xét cả hai loại xuyên kênh xuyên kênh đầu
xa là do các kênh khác đợc ghép đi vào đờng truyền gây ra, ví dụ nh
I(k) sinh ra Ui(k). xuyên kênh đầu gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh
ra, nó đợc ghép ở bên trong thiết bị, nh Ui (j). Khi tạo ra các sản phẩm, các
nhà chế tạo phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị.

O ( i )
L i = 10 log
I i ( i )
O i ( i )
I ( i )

đối với thiết bị DEMUX

Oi(i) + Ui(k)
DEMUX

1.4

Với Li là suy hao tại bớc sóng i khi thiết bị đợc ghép xen vào tuyến.
Xuyên kênh : Là hiện tợng một lợng nhỏ tín hiệu từ kênh này bị rò
sang kênh khác. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc
vào trờng hợp áp dụng, nhng nhìn chung phải đảm bảo nhỏ hơn 30 dB
trong mọi trờng hợp. Trong một bộ tách kênh lý tởng sẽ không có sự rò
công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bớc sóng i sang các kênh khác có bớc
sóng khác với i . Nhng trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nhất
định điều đó làm giảm chất lợng truyền dẫn của hệ thống. Khả năng tách các
kênh khác nhau đợc diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và đợc tính bằng dB

:
U ( )
Di (k ) = 10log[ i k ]
1.5
I (k )

O(j)
j
k

I(i)..... I(k)
(a)

đối với thiết bị MUX

1.3
L i = 10 log

Ij(j)
Sợi quang

Oi( i) + Ui(k) + Ui(j)

I(i)... I(k)

(b)

a) Bộ tách kênh và b) Bộ ghép tách kênh hỗn hợp.
Hình 1.6 Xuyên kênh
Độ rộng kênh : Là dải bớc sóng dành cho mỗi kênh mà nó định ra do

nguồn phát quang. Nếu nguồn phát quang là các điốt laze thì các độ rộng kênh
đợc yêu cầu vào khoảng một vài đến hàng chục nano mét để đảm bảo không
bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra, ví dụ nh
khi nhiệt độ làm việc thay đổi sẽ làm trôi bớc sóng. Đối với nguồn phát
quang là điốt phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20
lần. Nh vậy, độ rộng kênh phải đảm bảo đủ lớn để tránh nhiễu giữa các kênh,
vì thế nó đợc xác định tuỳ theo từng loại nguồn phát.
1.4 điốt laze điều chỉnh đợc bớc sóng.
Đối với việc thiết kế hệ thống thì điốt laze lý tởng là loại phát xạ đơn
mode dọc với độ rộng phổ rất hẹp và tốc độ điều chỉnh bớc sóng cỡ nano
giây trên khoảng bớc sóng cỡ 100 nm quanh bớc sóng 1.3 hoặc 1.5 àm . Đã
có nhiều kỹ thuật đợc phát triển cho ứng dụng điều chỉnh bớc sóng. Tuy
nhiên cho đến nay các kỹ thuật này vẫn cha hoàn thiện và đáp ứng đợc tất
cả các yêu cầu ứng dụng một cách đồng thời. Do đó có những thoả hiệp nhất


-8-

định về tốc độ điều chỉnh và khoảng bớc sóng mà trên đó laze có thể điều
chỉnh đợc liên tiếp. Trong phần này sẽ đề cập đến một số loại kỹ thuật để tạo
điốt laze có bớc sóng thay đổi đợc.
1.4.1 Điều chỉnh nhiệt.
Do ảnh hởng chỉ số khúc xạ của lớp laze tích cực phụ thuộc vào nhiệt
độ, nh vậy một cách đơn giản để làm laze thay đổi bớc sóng là làm thay đổi
nhiệt độ của nó. Tỷ lệ thay đổi bớc sóng theo nhiệt độ là vào khoảng
0.1nm/ 0C ( + 13 GHz/ 0C tại bớc sóng 1.5 àm). Do khoảng thay đổi nhiệt độ
bị khống chế nhỏ hơn 10 0 C để đảm bảo độ tin cậy, do vậy khoảng điều
chỉnh thực tế có thể đợc thực hiện bằng phơng pháp này vào khoảng 2 nm là
tối đa. Gần đây khoảng điều chỉnh đã đợc cải thiện tới 10.8 nm khi sử dụng
laze giếng lợng tử phản xạ phân bố Bragg MQW-DBR. Tuy nhiên, tốc

độ thay đổi bị giới hạn bởi trở kháng nhiệt cỡ vài mili giây do đó phơng pháp
này hạn chế cả về độ rộng lẫn tốc độ điều chỉnh.
1.4.2 Điốt laze điều chỉnh đợc bớc sóng sử dụng hốc ngoài.
Một phơng pháp đơn giản để tạo điốt laze điều chỉnh đợc trên một
khoảng rộng là thêm vào một bộ lọc thay đổi đợc tại một đầu ra. Các laze
nh vậy đợc xem nh là laze bán dẫn có hốc ngoài. Bằng cách điều chỉnh bộ
lọc, bớc sóng của mode chọn có thể thay đổi cho tới khi xuất hiện bớc nhảy
tới mode mới của buồng cổng hởng Fabry-Perot. Đối với chiều dài hốc 10
cm thì các mode Fabry-Perot lân cận đợc phân cách cỡ f 1 GHz (hay
0.005 nm). Nh vậy, khoảng điều chỉnh đợc thực hiện bằng các bớc nhảy
giữa các mode Fabry-Perot. Nguyên tắc này đợc tuân thủ cho các loại điốt
laze thay đổi đợc.
Mặc dù rất nhiều dạng bộ lọc ngoài khác nhau đã đợc làm ra, tuy
nhiên loại đợc sử dụng rộng rãi nhất là cách tử tán xạ chỉ ra trên hình 1.7.
ánh sáng đi ra từ một đầu của điốt laze đợc chuẩn trực bằng thấu kính trớc
khi đi đến cách tử tán xạ, cách tử này đáp ứng nh là gơng phản xạ và cũng
nh bộ lọc băng hẹp. Bớc sóng đợc điều chỉnh bằng cách di chuyển cách tử
; Điều chỉnh thô đợc tạo ra bằng cách quay cách tử trong lúc đó điều chỉnh
tinh đợc thực hiện bằng cách dịch chuyển cách tử theo chiều dọc. Với kỹ
thuật này khoảng điều chỉnh đạt đợc đến 240 nm tại bớc sóng 1.55 àm khi
sử dụng điốt laze giếng lợng tử (MQW).

-9-

5 đến 25 cm

điốt laze

Lớp chống
phản xạ

Cách tử tán xạ
Điều
chỉnh
thô
50 240
nm

Đầu ra
Tinh chỉnh
GHz

Lăng kính
chuẩn trực
Chọn bớc sóng

Khuếch đại

Hình 1.7 Điốt laze điều chỉnh đợc sử dụng hốc ngoài

Hai mảng phần tử tích cực

Cách tử tán xạ cố
định

2 nm
Tín hiệu
quang ra
12 nm

Hình 1.8 Laze MAGIC
Mặt hạn chế của các điốt laze sử dụng cách tử là tốc độ điều chỉnh
thấp, kích thớc vật lý tơng đối lớn và khó thực hiện đợc độ ổn định cơ học
cho các bộ phát quang. Những hạn chế này gần đây đã đợc khắc phục bằng
phơng pháp mới dựa trên nguồn quang bán dẫn có thể chọn đợc từng bớc
sóng ra. Thay vì sử dụng điốt laze đơn và dịch chuyển cách tử, thiết bị mới


-10-

-11-

này sử dụng hai mảng phần tử tích cực tổ hợp với cách tử tán xạ cố định. Sơ đồ
thiết bị này đợc chỉ ra trong hình 1.8 và đợc gọi là laze MAGIC (
multistripe array grating-integrated cavity laser). Mỗi sọc đợc đánh địa chỉ
một cách độc lập để tạo ra các bớc sóng laze khác nhau. Việc chọn và liên
kết cách tử với một sọc là duy nhất với một bớc sóng. Thiết bị kiểu này có
khả năng đánh địa chỉ cho 15 bớc sóng khác nhau với độ phân cách bằng
1.89 nm trong cửa sổ 1.5 àm .
1.4.3 điốt laze hồi tiếp phân bố (DFB) hai đoạn.
Điều chỉnh bớc sóng nhanh cỡ nano giây có thể đợc thực hiện bằng
cách phun sóng mang vào môi trờng laze tích cực, điều này làm giảm chỉ số
khúc xạ hiệu dụng tạo nên sự thay đổi bớc sóng laze đầu ra. Khoảng điều
chỉnh bớc sóng có thể đợc ớc tính bằng biểu thức /=neff/neff . Trong
thực tế khoảng thay đổi của chiết suất tơng đối là vào khoảng 1% do hạn chế
về nhiệt. Nh vậy khoảng thay đổi bớc sóng lớn nhất cỡ từ 10 đến 15 nm có
thể đợc thực hiện ở phơng pháp này. Để thực hiện điều chỉnh một cách độc
lập bớc sóng và công suất ra của điốt laze cần ít nhất hai điện cực: Trong đó
một điện cực sử dụng để thay đổi chỉ số khúc xạ tức là điều chỉnh bớc sóng
phát xạ, điện cực còn lại đợc sử dụng để biển đổi tín hiệu điện đầu vào thành

tín hiệu quang đợc điều chế ở đầu ra. Sơ đồ dựa trên cấu trúc hồi tiếp phân bố
chỉ ra ở hình 1.9 đợc gọi là điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn.

thứ hai tại cờng độ dòng điện thấp hơn một chút so với cờng độ ngỡng
trung bình. Với công nghệ này ngời ta đã đa ra thiết bị có khoảng thay đổi
liên tục 3.3 nm với độ rộng phổ 15-MHz và công suất ra 1-mW. Khoảng điều
chỉnh về cơ bản bị giới hạn bởi lợng cho phép cực đại của sóng mang phun
vào phần điều khiển bớc sóng.
1.4.4 Điốt laze phản xạ phân bố Bragg (DBR) hai đoạn và ba đoạn.
Việc cải thiện khoảng điều chỉnh bớc sóng đợc thực hiện bằng cách
tách vùng cách tử chọn bớc sóng Bragg ra khỏi vùng khuyếch đại bên trong
hốc laze. Vùng Bragg lớn hơn vùng khuyếch đại. Do đó, vùng Bragg có thể
đợc bơm rất mạnh mà không cần sự đóng góp từ bộ tạo photon dẫn đến
khoảng thay đổi đợc rộng hơn. Cấu trúc này đợc xem nh là bộ phản xạ
phân bố Bragg hai đoạn.
Dòng điều khiển

Ip phase
K. Đại Ia

Ib Bragg
Điều chỉnh

p+ InP

InGaAs/ InGaAsP
MQW tích cực

ống sóng1.5àm
InGaAsP

Đầu ra quang

Dòng điều khiển

n+ InP
Ia khuyếch đại

Ib điều chỉnh
Lớp chống phản xạ

Tín hiệu
quang ra

z=0

z=l

Hình 1.9 Điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn.
Công suất quang đầu ra đợc xác định bằng đoạn thứ nhất với thiên áp
ngỡng trên. Bớc sóng quang phát xạ chủ yếu đợc xác định bằng phần bơm

z=0

z=l

Hình 1.10. Sơ đố cấu trúc điốt laze phản xạ phân bố Bragg
Để cải thiện hơn nữa khoảng điều chỉnh bớc sóng ngời ta đa thêm
phần thứ ba nhằm để điều chỉnh phase bớc sóng bên trong hốc laze, cấu trúc
của nó đợc chỉ ra ở hình 1.10. Nguyên lý điều chỉnh bớc sóng trong bộ phản
xạ phân bố Bragg ba đoạn có thể đợc hiểu nh sau: Phần DBR đa ra mức

phản xạ cao bên trong một băng tần hạn chế vào khoảng 3 nm. Mode gần nhất
có mức phản xạ cực đại của bộ phản xạ phân bố Bragg sẽ hoạt động nh laze
nếu phase của nó là bội số 2. Phần dịch phase sử dụng để điều chỉnh phase


-12-

-13-

của hành trình, nh vậy bớc sóng laze có thể đợc điều chỉnh quanh mỗi
băng tần phản xạ Bragg. Với sự điều chỉnh độc lập của ba dòng điện trong các
phần tích cực, Bragg, phase thì các khoảng điều chỉnh là hầu nh liên tục từ 8
nm đến 10 nm. Gần đây ngời ta đã chế tạo đợc điốt laze có khoảng thay đổi
lớn hơn 10 nm thậm chí đạt đến 80 nm khi sử dụng siêu cách tử.

chuyển mạch kênh thì thời gian thay đổi cỡ mili giây là đủ, trong khi đó đối
với các ứng dụng chuyển mạch gói thì đòi hỏi thay đổi cỡ micro giây.
-Mức độ suy hao : Thông thờng tín hiệu quang đợc chọn sẽ chịu một lợng
suy hao nhất định do suy hao đấu nối và suy hao bên trong bộ lọc. Suy hao
này càng nhỏ càng tốt để tránh ảnh hởng đến quỹ công suất của mạng.
-Mức độ phụ thuộc vào phân cực: Tốt nhất là bộ lọc không bị ảnh hởng bởi
tính chất phân cực (điều này có nghĩa là hàm truyền đạt độc lập với các trạng
thái phân cực có thể xảy ra của tín hiệu quang đến).
-Độ ổn định về nhiệt và các yếu tố cơ học: Phải đợc khống chế sao cho nó
ảnh hởng ít nhất đến hàm truyền đạt của bộ lọc và khống chế độ trôi ở
khoảng một vài phần trăm độ rộng của kênh.
-Yêu cầu về kích thớc : Nhỏ gọn phù hợp với ứng dụng trong mạng quang.
Hiện tại đã có rất nhiều loại bộ lọc điều chỉnh đợc nh : Bộ lọc Fabry
Perot (FPF); Bộ lọc Mach-Zender (MZF); Bộ lọc sử dụng các hiệu ứng điện
quang (EOTF); Bộ lọc dựa trên các phần tử bán dẫn; Bộ lọc dựa trên hiệu ứng

phi tuyến quang Brillouin.
Nhận xét: Chơng 1 của luận văn đã hệ thống lại một số cấu kiện quang
thụ động cơ bản, nghiên cứu cấu trúc và các đặc tính kỹ thuật của các bộ:
Ghép hình sao quảng bá, ghép kênh, tách kênh và các phần tử điều chỉnh đợc
(Tx Tunable; Rx- Tunable; bộ lọc quang thay đổi).
Với sự phát triển rất nhanh của công nghệ, do vậy nhiều cấu kiện cũng
nh các phần tử mới (ví dụ bộ xen rẽ quang, cách tử dẫn sóng...) đã và đang
đợc nghiên cứu chế tạo nhằm tạo ra kiến trúc mạng quang hiện đại, mềm dẻo
và ổn định để đáp ứng đợc các dịch vụ băng rộng cho khách hàng và cũng
nh các yêu cầu quản lý mạng. Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn
chúng ta chỉ đề cập đến những phần tử cơ bản nhất và nó là cơ sở trong việc
nghiên cứu các chơng tiếp theo.

1.5 bộ lọc quang điều chỉnh đợc.
Các bộ thu thay đổi đợc là phần tử then chốt trong mạng WDMA, nó
có thể chọn đợc một kênh mong muốn trong một tập kênh ghép theo bớc.
Thông thờng việc chọn kênh đòi hỏi một bộ lọc quang thay đổi đợc, sơ đồ
chức năng của bộ lọc quang điều chỉnh đợc trình bày trong hình 1.11, trong
đó rất nhiều kênh đầu vào nhng chỉ xuất hiện một kênh ở đầu ra.


1 2

.....n



Bộ lọc quang điều
chỉnh đợc
i

Điều khiển
chọn bớc
sóng


Kênh đợc
chọn

Tách
sóng
quang

Hình 1.11. Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh đợc.
Có rất nhiều loại thiết bị lọc quang điều chỉnh đợc, tuỳ thuộc vào công
nghệ chế tạo. Các công nghệ này chủ yếu là khai thác hiệu ứng giao thoa
quang để tạo ra sự lựa chọn bớc sóng. Một số thiết bị này cũng có thể đợc
sử dụng trong các bộ thu quang kết hợp mặc dù bộ thu thay đổi trong tách
sóng quang kết hợp thông thờng đạt đợc từ bộ giao động nội có khả năng
điều chỉnh (laze thay đổi) nh đã trình bày mục trên. Để đánh giá các bộ lọc
quang thay đổi đợc ngời ta dựa trên một số thông số cơ bản nh sau :
-Khoảng điều chỉnh : Bằng khoảng giữa bớc sóng ngắn nhất và dài nhất
mà bộ lọc có thể chọn đợc.
-Số kênh cực đại : Định nghĩa bằng tỷ số của khoảng điều chỉnh đợc trên độ
rộng kênh yêu cầu tối thiểu để đảm bảo độ xuyên kênh nhỏ nhất.
-Tốc độ điều chỉnh : Là tốc độ mà bộ lọc quang thay đổi có thể chuyển từ
một bớc sóng tới bớc sóng mới bên trong khoảng điều chỉnh. Đối với

-14-

Chơng 2
Kỹ thuật đa truy nhập phân
chia theo bớc sóng WDMA
2.1 Tổng quan về kỹ thuật WDMA.
Việc sử dụng công nghệ WDM cho phép ta xây dựng một phơng thức
mạng trong đó bớc sóng của kênh tự nó có thể đợc sử dụng cho chuyển
mạch định tuyến hoặc phân phát từng kênh đến địa chỉ của nó. Bớc sóng ở
đây đợc sử dụng cho đa truy nhập nên đợc xem là phơng thức đa truy nhập
theo bớc sóng viết tắt là WDMA. Về cơ bản để thực hiện đợc mạng WDMA
yêu cầu các phần tử quang có khả năng điều chỉnh đợc bớc sóng nh là các
nguồn phát quang điều chỉnh đợc hoặc là các bộ lọc quang điều chỉnh đợc.
Các phần tử này tạo thành các bộ thu phát quang điều chỉnh đợc để kết hợp
vào mỗi nút mạng và nó đợc sử dụng vào các mục đích khác nhau phụ thuộc
vào loại cấu trúc mạng WDMA đợc lựa chọn. Mạng đa truy nhập sử dụng kỹ
thuật ghép bớc sóng đợc phân làm hai loại chính là : Mạng WDMA đơn
bớc (còn gọi là các mạng WDMA toàn quang) và mạng WDMA đa bớc.
1. Trong mạng đơn bớc WDMA: Chuỗi tín hiệu đợc truyền dới
dạng quang trong toàn mạng mà không có biến đổi quang-điện-quang và tái
truyền dẫn ở các bớc trung gian. Mạng này đợc phân thành hai loại chính là
WDMA "quảng bá lựa chọn" và "định tuyến theo bớc sóng".
2. Trong mạng đa bớc WDMA: Chuỗi tín hiệu khi qua các nút trung
gian phải chuyển thành tín hiêụ điện. Sau đó nút trung gian tiếp tục truyền tới
các nút khác bằng cách phát lại chuỗi tín hiệu dới dạng quang với các bớc
sóng thích hợp.
2.2 Mạng WDMA đơn bớc.
Mạng WDMA đơn bớc đợc phân loại thành hai loại chính là: Mạng
WDMA quảng bá và lựa chọn và mạng WDMA định tuyến theo bớc
sóng.

2.2.1 Mạng WDMA quảng bá và lựa chọn .
Trong mạng WDMA "quảng bá và lựa chọn" đầu phát chỉ phát một
hoặc một số bớc sóng, còn tại các đầu thu "quảng bá" có thể điều chỉnh để
thu đợc nhiều bớc sóng. Trong mạng WDMA "quảng bá ", tất cả các bớc
sóng 1,2...n phía phát đợc ghép vào trong một cáp và gửi đến đầu thu R.

-15-

Ngợc lại trong WDMA "lựa chọn" các bớc sóng từ 1,2...n đợc đa qua
bộ tách WDM để đa từng bớc sóng đến Ri tơng ứng. Tại các bộ ghép
WDM có thể thu cả, hoặc lựa chọn một số bớc sóng cần thiết. Một số khả
năng có thể xảy ra phụ thuộc vào hoặc các bộ thu hoặc các bộ phát hoặc cả hai
đều có khả năng điều chỉnh đợc. Nói chung mỗi nút mạng có thể đợc trang
bị với một số bộ phát và một số bộ thu, một trong số chúng có khả năng điều
chỉnh động trong khi các số khác đựơc điều chỉnh cố định tới một vài bớc
sóng cụ thể. Tuỳ thuộc vào các chức năng của các đầu thu, đầu phát mà mạng
có các tính chất khác nhau:
Các bộ phát cố định
T1
T2

Ti

Tn

Các bộ thu thay đổi

1
R1
2

R2
i
n

Ri
1
r1

Star Coupler
NxN

n
WDM

.
rn

Mảng các bộ thu
cố định - FR

Hình 2.1 Mạng WDMA hình sao đơn bớc quảng bá và lựa chọn.
+ Khi các bộ phát là điều chỉnh đợc trong khi các bộ thu đợc chỉnh
cố định ở một bớc sóng, một kết nối đợc thiết lập giữa bộ phát và bộ thu
bằng cách điều chỉnh bớc sóng trùng nhau của bộ phát và bộ thu. Về cơ bản
mạng WDMA quảng bá và lựa chọn là kiểu chuyển mạch không gian theo
thứ tự dữ liệu vào. Xung đột dữ liệu có thể xảy ra trong mạng do hai hoặc
nhiều gói dữ liệu từ các nút khác nhau gửi đến đồng thời cùng một địa chỉ
đích. Vấn đề tranh chấp này đợc giải quyết bằng các giao thức mạng kết hợp
với các kết nối trong mạng.
Các mạng WDMA đơn chặng với một bộ phát điều chỉnh đợc và một

bộ thu cố định (đợc xem là mạng TT-FR) thì các nút trong mạng bị hạn chế


-16-

-17-

kết nối điểm-tới-điểm. Đối với các kết nối đa điểm - điểm đợc thực hiện
thì mỗi nút thu của mạng WDMA phải đợc trang bị tối thiểu từ hai bộ thu cố
định trở nên (mạng kiểu này ký hiệu TT-FRm). Tơng tự ta có khái niệm mạng
kết nối kiểu multicast điểm tới - đa điểm đợc thực hiện bằng việc trang
bị tại mỗi nút phát của mạng từ hai bộ phát điều chỉnh đợc trở lên (ký hiệu
mạng TTm -FR).
+ Mạng WDMA trở nên linh hoạt hơn có thể đợc xây dựng bằng cách
sử dụng các bộ phát cố định và bộ thu điều chỉnh đợc (ký hiệu là mạng FT
TR), với mạng kiểu này ngoài khả năng cung cấp kết nối điểm tới -điểm,
bằng cách điều chỉnh đồng thời các bộ thu của một số nút về cùng một bớc
sóng nó còn cung cấp khả năng kết nối Multicast. Tơng tự nh các mạng TTFR, Các kết nối đa điểm tới - điểm cũng đợc cung cấp nếu các nút mạng
WDMA đợc trang bị từ hai bộ thu điều chỉnh đựơc trở nên (ký hiệu là mạng

của tất cả các bớc sóng trong hệ thống. Tại các nút không có bộ đệm khi gói
tin đến, chỉ có khả năng hoặc là gói tin đợc truyền hoặc là mất ngay lập tức
phụ thuộc vào kết nối đợc phép hay không một cách tơng ứng và trễ lan
truyền dữ liệu đợc bỏ qua. Do đó phân tích này là thích hợp với cả mạng
chuyển mạch kênh cũng nh chuyển mạch gói tập trung.
Khi số nút gán vào mạng hình sao quảng bá bằng N và số bớc sóng có
thể đợc dùng bằng W, trong đó W< N. Một gói tin đi đến nút i đợc gửi đến
nút j với xác suất 1/N không phụ thuộc vào i và j. Chiều dài gói tin phân bố
theo luật hàm mũ với thời gian chiếm giữ trung bình 1/à (giây/gói tin ) và là
nh nhau cho tất cả các nút, các gói tin đến ở mỗi nút tuân theo hàm phân bố

Poisson với tốc độ trung bình gói trên giây. Do đó tải trung bình của mỗi

FT-TRm) .u điểm của các mạng FT-TR là tự động ngăn ngừa đợc các xung
đột dữ liệu do mỗi kênh sử dụng các bớc sóng khác nhau. Tuy nhiên do các
bộ thu chỉ có thể điều chỉnh tới một bớc sóng ở một thời điểm nên dễ xảy ra
mất dữ liệu trong mạng kiểu này. Trong trờng hợp này chất lợng của mạng
FTTR đợc cải thiện bằng cách thông báo cho các bộ thu biết đợc phải điều
chỉnh đến bớc sóng ở thời điểm nào thông qua các giao thức.
+ Khả năng thứ ba đối với mạng WDMA quảng bá và lựa chọn là khi
cả hai bộ phát và bộ thu đều có khả năng điều chỉnh đợc (ký hiệu TT-TR).
Các mạng TT-TR có khả năng hỗ trợ các kết nối điểm tới -điểm và đa
điểm tới -điểm cũng nh các kết nối multicast vì vậy đây là mạng linh hoạt
nhất trong ba loại, do đó mạng này đòi hỏi các giao thức mạng phức tạp hơn
yêu cầu cả hai bộ phát và bộ thu phải đợc điều chỉnh để phối hợp các luồng
dữ liệu trong mạng.
Nh đã trình bày trong phần trên về các mạng WDMA quảng bá và lựa
chọn với giả thiết rằng số bớc sóng có khả năng sử dụng đợc W bằng với
số nút N kết nối vào mạng. Tuy nhiên trong thực tế do nhiều lý do về công
nghệ nên số bớc sóng có khả năng sử dụng W thờng bị hạn chế, thờng nhỏ
hơn rất nhiều so với số nút mạng N. Do đó việc phân tích sau này sẽ tập trung
vào đặc tính mạng WDMA quảng bá và lựa chọn với điều kiện W < N.
Trong ba loại mạng trên thì mạng TT-TR tận dụng tốt nhất tiềm năng
của các bớc bớc sóng phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu. Điều này dựa trên
giả thiết rằng mỗi nút mạng đều có khả năng biết đợc hoàn toàn trạng thái

tuyến vào bằng =


.
à

w w + 1 =N (1-

w
w
)(1 )
N
W

N
w-1

0

w

à

w w

-1

=wà

w +1

W

w + 1 à =(w +1 ) à

(a) bộ phát điều chỉnh/bộ thu cố định hoặc bộ phát cố định/bộ thu điều chỉnh.
w w +1 =N (1-

w 2
)
N

N

0

w-1

w

à

w w

-1

=wà

(b) bộ phát điều chỉnh/bộ thu điều chỉnh.

w +1

w + 1 à =(w +1 ) à

W

-18-

-19-

Hình 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số bớc sóng sử dụng.
Đối với mỗi giá trị xác định thì số bớc sóng bận w thay đổi ngẫu
nhiên tuỳ theo thống kê của các tuyến vào. Tính chất thay đổi động của w có
thể đợc mô hình hoá bằng quá trình sinh ra mất đi nh chỉ ra trong hình.
Hình 2.2 (a) tơng ứng với trờng hợp hoặc chỉ là bớc sóng điều chỉnh đợc
ở bộ phát hoặc bớc sóng điều chỉnh đợc ở bộ thu, trong khi đó hình 2.2 (b)
tơng ứng với trờng hợp bớc sóng điều chỉnh đợc ở cả phát và thu. Trong
tất cả các trờng hợp chuyển dịch trạng thái về hớng trái là kết quả là do giải
phóng một bớc sóng bận sau khi kết nối thành công. Đối với một trạng thái
xác định mà trong đó w bớc sóng bận thì xác suất chuyển dịch trạng thái về
hớng trái đợc tính theo biểu thức 2.1.

1 = w à

2.1

Xác suất chuyển dịch trạng thái sang phía phải tơng ứng với việc bổ
sung thêm một bớc sóng kích hoạt trong mạng, phụ thuộc vào vị trí của bớc
sóng điều chỉnh đợc đối với bộ phát và thu. Khi chỉ có các bộ phát điều chỉnh
đợc thì việc chuyển dịch trạng thái chỉ có thể xảy ra nếu đáp ứng 02 điều
kiện sau:
+ Một yêu cầu kết nối đợc tạo ra từ một trong số (N-w) bộ phát còn
rỗi.
+ Kết nối này đợc đánh địa chỉ đến một trong số các bộ thu cố định

còn rỗi. Do hệ thống có W bớc sóng đợc sử dụng mà trong đó w bớc sóng
đã bận do vậy xác suất để thoả mãn điều kiện thứ hai là (1-w/W). Vì vậy việc
dịch chuyển trạng thái từ w tới trạng thái w +1 xuất hiện với xác suất.
w
+ 1 = ( N w )( 1
)
2.2
W
Khi chỉ có các bộ thu điều chỉnh đợc, thì việc chuyển đổi trạng thái
sang hớng phải chỉ có thể xuất hiện nếu:
+ Một yêu cầu kết nối đợc tạo ra từ một bộ phát mà bớc sóng cố định
cha bị bận (Xác suất tơng ứng bằng (1-w/W)).
+ Yêu cầu này đợc đánh địa chỉ đến một trong số (N-w) bộ thu còn
rỗi, vì vậy xác suất chuyển dịch trạng thái giống nh (2.2).
Nh vậy trong các trờng hợp khả năng điều chỉnh đợc chỉ đợc cung
cấp tại một phía (ví dụ nh chỉ ở phía phát hoặc chỉ ở phía thu nhng không cả

hai) có xác suất chuyển dịch trạng thái thái giống nhau. Trờng hợp cả hai
phía phát và phía thu đều có khả năng điều chỉnh đợc thì xác suất chuyển
dịch trạng thái sang phía phải là lớn hơn do cả hai phía đều có khả năng điều
chỉnh. Công thức tính xác suất chuyển đổi nh sau đợc tính nh sau:



+1

= ( N w )( 1

w
)

N

2.3

Vì số lợng trung bình của các gói tin truyền thành công trên một đơn vị thời
gian cũng bằng số lợng trung bình các bớc sóng bận trong hệ thống nên ta
có thể định nghĩa dung lợng mạng đã đợc chuẩn hoá S nh biểu thức 2.4.
W

S =< w >= p w w
w=0

2.4

Dung lợng mạng thực tế đạt đợc khi ta nhân S với tốc độ bit của
tuyến vào và tải (với giả thiết là tất cả các nút giống nhau). Hình 2.3 chỉ ra
quan hệ số bớc sóng đợc dùng và tải trung bình của tuyến. Từ hình vẽ ta
thấy S nh là một hàm của tải trung bình đối với W=25, 50 và 125 khi
N=250. Thấy rằng ngoại trừ tải rất thấp ( 0.1) thì trờng hợp cung cấp khả
năng điều chỉnh đợc cả phía phát lẫn phía thu thì việc tận dụng bớc sóng là
lớn nhất, do đó dung lợng của mạng cao hơn trờng hợp mạng chỉ có hoặc
một phía phát thay đổi hoặc chỉ có một phía thu thay đổi. Sự khác nhau này có
thể tăng lên 40% tại một số trờng hợp đặc biệt chẳng hạn nh W=50 và =
0.3. Đối với các giá trị W nhỏ (W=25 hoặc 50) thì S tiến đến bão hoà khi
tăng. Giá trị bão hoà xảy ra do tải của tuyến đầu vào tăng lên, giá trị trung
bình của bớc sóng bận tiến nhanh đến giá trị W nhỏ. Trờng hợp W lớn (ví
dụ W=125) thì giá trị trung bình của bớc sóng bận luôn luôn nhỏ hơn W,
thậm chí khi giá trị của tải tiến đến 1.
Qua phân tích mở rộng đối với các trờng hợp nhiều bộ phát và nhiều
bộ thu trên một nút. Kết quả đã chỉ ra rằng để hiệu suất tiến gần đến giới hạn

biên trên khi W=N thì chỉ cần với một số lợng nhỏ các bộ phát và bộ thu điều
chỉnh đợc trên mỗi nút. Điều này có thể xảy ra vì với giả thiết lu lợng
không thay đổi thì xác suất để nhiều hơn một gói tin đi đến cùng một địa chỉ
đích tại cùng một thời điểm là rất nhỏ. Thực vậy, chúng ta giả thiết rằng tất cả
các gói tin đến đầu vào của một nút là độc lập và cũng bằng và giống nh đi
đến mỗi nút trong số N nút trong mạng. Với cùng giá trị tải cho tất cả các


-20-

-21-

luồng tín hiệu vào các nút, Xác suất pk mà k gói đồng thời đi đến cùng nút
đợc tính theo biểu thức 2.5.


Pk = C 1
N
N
k

Hình 2.4. Nguyên lý định tuyến bớc sóng trong mạng WDMA đơn bớc

N k

k
N

k=0, 1, ....N

2.5

Số bớc sóng bận <w> trung bình

0

___ Mạng phát và
thu thay đổi
........ Mạng hoặc
phát hoặc thu thay
đổi.

W=125
100

N=250

90
80

1

T1

2

R1
1

0

70

W=50

60

2

T2

50

1

R2

40

0

30
20

W=25

10
0

0.9

WDM

1

Tải Trung bình =/à

2.2.2 Mạng WDMA định tuyến theo bớc sóng.
j

j

TR
R1

T1
k

i

Ri
i
k

TN

RN
Tổ hợp các phần tử định
tuyến bớc sóng

WDM

Vào

Ra

T1

R1
0

R2
2

R3
1

T2

1

0

2

T3

2

1

0

Hình 2.3 Quan hệ số bớc sóng bận Tải và số bớc sóng cực đại.

TT

R3

2

T3
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Hình 2.5. Mạng định tuyến theo bớc sóng N = 3 nút
sử dụng phần tử WDM.
Loại thứ hai của mạng WDMA đơn chặng đợc nói đến là mạng định
tuyến theo bớc sóng. Hình 2.4 và 2.5 chỉ ra sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt
động của mạng WDMA đơn bớc sử dụng kỹ thuật định tuyến theo bớc
sóng. Mạng này bao gồm các phần tử lựa chọn (định tuyến) bớc sóng thụ
động và một kết nối duy nhất đựơc xác định bằng bớc sóng của tín hiệu phát
và nút mà qua đó tín hiệu đợc đa vào mạng. Ví dụ mạng định tuyến bớc
sóng NxN có thể đợc xây dựng từ các phần tử WDM đợc nối với nhau bằng
N2 sợi cáp nh chỉ ra trên hình 2.4(b) với N=3 . Mỗi nút đợc trang bị 01 bộ


-22-

phát và 01 bộ thu có khả năng điều chỉnh đợc. Bằng cách điều chỉnh bộ phát
đến một bớc sóng đã đợc lựa chọn, tín hiệu đa vào đợc định tuyến thụ

động đến bộ thu định trớc, bộ thu này cũng phải điều chỉnh đến cùng bớc
sóng để nhận gói tin. Điều này có nghĩa có thể kết nối đầy đủ NxN kết nối
trong mạng chỉ với N bớc sóng phân biệt và mỗi nút thu có thể thu đợc từ
bất kỳ bộ phát nào mà không ảnh hởng đến nhau.
Trong thực tiễn u điểm của mạng WDMA định tuyến theo bớc
sóng so với mạng WDMA quảng bá và lựa chọn là mạng WDMA định
tuyến theo bớc sóng sử dụng các bộ WDM không sử dụng các bộ coupler
hoặc van quang nên tránh đựơc suy hao tách quang. Tuy nhiên mặt hạn chế
chính của nguyên lý khi sử dụng các phần tử định tuyến thụ động là các nút
phải cung cấp các bộ phát và bộ thu đều phải điều chỉnh đợc hoặc là phải bố
trí mảng các phần tử phát hoặc thu đã đợc điều chỉnh trớc đến một số bớc
sóng cố định khác nhau. Đổi lại thì mạng WDMA định tuyến theo bớc sóng
có khả năng điều chỉnh động cấu trúc định tuyến bên trong theo yêu cầu phân
bố lu lợng của mạng. Điều này rất có lợi cho mạng khi có lu lợng không
cân bằng giữa các nút khi nối vào mạng. Việc thay đổi định tuyến động có thể
thực hiện theo hai cách sau:
1. Sử dụng các bộ chuyển mạch không gian chọn bớc sóng, các tín
hiệu chuyển mạch động từ một đờng tới một đờng khác bằng cách thay đổi
định tuyền WDM trong mạng.
2. Sử dụng các bộ biến đổi bớc sóng để chuyển đổi tín hiệu từ một
bớc sóng sang bớc sóng khác.
Hình 2.6 Mô tả mạng định tuyến theo bớc sóng sử dụng chuyển mạch
không gian chọn bớc sóng có 2 nút. ở đây có thể xem các chuyển mạch nh
thiết bị có ba cổng có khả năng điều khiển bất kỳ bớc sóng nào ở đầu vào
đến một trong hai cổng ra. Nói cách khác bất kỳ tập bớc sóng 1 N trên
cổng đầu vào của thiết bị có thể đợc lựa chọn và truy cập trực tiếp đến một
trong hai cổng ra. Sự lựa chọn này đợc sắp xếp lại do đó đờng đi của bất kỳ
bớc sóng nào trong mạng cũng có thể đợc thay đổi khi mong muốn .

-23-

Nhóm phát
cố đinh -FT
T11
T21
T31

11, 21, 31

Chuyển mạch
chọn bớc sóng

11

11, 22, 32

TR

21, 31
22, 32

T2

12, 22, 32

Phát thay đổi

21, 31, 12

12

Điều khiển
chuyển mạch

WDM

Nhóm thu
cố định -FR

Hình 2.6 Mạng định tuyến theo bớc sóng
sử dụng chuyển mạch không gian chọn bớc sóng.
Gần đây đã phát triển một kiểu mạng định tuyến bớc sóng đợc gọi là
mạng quang tuyến tính LLN mạng này đợc đề xuất ứng dụng cho lu lợng
chuyển mạch kênh. Để giải thích nguyên lý hoạt động của mạng này ta khảo
sát hình 2.7. Trong đó các nút đợc nối nhau thông qua bộ coupler 2x2 không
phụ thuộc vào bớc sóng, hệ số liên kết i đợc cho phép lấy bất kỳ giá trị
nào giữa 0 và 1.
Mỗi nút mạng sử dụng một bớc sóng riêng để thiết lập kết nối mong
muốn. Ví dụ kết nối từ nút 1 đến nút 1* đợc thiết lập trên bớc sóng 1 qua
tuyến A-B-C-F-G, trong cùng thời điểm đó kết nối từ nút 2 tới nút 2* thông
qua bớc sóng 2 qua tuyến H-B-C. Với việc đa thêm các bớc sóng, các kết
nối khác có thể đợc thực hiện ở cùng thời điểm với việc cung cấp giá trị i
thích hợp. Giá trị của hệ số liên kết i có thể quản lý tập trung thông qua bộ
điều khiển trung tâm hoặc sử dụng giao thức điều khiển phân bố. Trong cả hai
trờng hợp trên hệ số liên kết mỗi coupler phụ thuộc vào việc thiết lập của các
coupler khác trên toàn mạng. Từ các phân tích trên ta thấy các mạng LLN phù
hợp với mô hình hoạt động của mạng chuyển mạch kênh trong khi không phù
hợp với mạng chuyển mạch gói.

-24-

Nút mạng

-25-

Nút mạng

2*

5
2

C

H

2*

5

1*

2

H

1

F

G

1*

C

1

F

G

1

A

1

B
5*

D

4

3

A

3*

B
5*

E
D

4

4*

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạng LLN
Để tránh tán xạ đa đờng từ cùng một nút mạng nguồn, các đờng khác
nhau nên đợc bố trí theo cấu trúc hình cây. Theo hình 2.7 tán xạ đa đờng
xuất hiện tại các coupler B và F đối với kết nối từ 1 đến 1*. Thật vậy bằng
cách thiết lập kết nối A-B-C-F-G tín hiệu tại bớc sóng 1 cũng có thể truyền
theo tuyến A-H-B-C-F-G, A-H-B-D-E-F-G do đó liên kết từ F tới G sẽ chứa 4
bản copy trễ theo thời gian của các luồng tín hiệu từ nút 1 dẫn đến chất lợng
kết nối bị giảm do nhiều giữa các biểu tợng. Ngời ta đã nghiên cứu và đa
vào sử dụng coupler bớc sóng phẳng x trong mạng LLN, một giải pháp
mới đa ra cùng với việc thiết lập hệ số phù hợp để tránh tán xạ đa đờng.
Mặc dù suy hao tín hiệu trong mạng LLN lớn hơn các mạng định tuyến
theo bớc sóng sử dụng các phần tử WDM hoặc các chuyển mạch nhng nó
cho một đặc tính rất hữu ích là sử dụng lại bớc sóng. Điều này có thể thực
hiện đợc là do nếu sau khi đi qua một số bộ coupler tín hiệu tại bớc sóng
xác định bị suy hao do đó các kết nối tại cùng thời điểm ở các phần khác của
mạng có cùng bớc sóng này có thể dùng lại. Điều này đợc mô tả trong Hình
2.8, các kết nối ở 1 có thể xảy ra đồng thời đối với kết nối giữa nút 1 đến 4*
và giữa nút 3 đến 1*. Khi kỹ thuật ngày càng hoàn thiện tạo ra các bộ coupler

suy hao thấp, mức tán xạ đa đờng thấp và kết hợp với kỹ thuật sử dụng lại
bớc sóng sẽ mở ra hớng ứng dụng cho các mạng MAN dung lợng cao.

3

1

E

4*

Hình 2.8 Tái sử dụng bớc sóng trong mạng LLN
(Kết nối từ 1 đến 4 * và từ 3 đến 1* có thể xảy ra đồng thời trên 1)
2.2.3 Các vấn đề liên quan đến hiệu suất, thiết kế mạng WDMA đơn bớc
Trong mạng đa truy nhập theo bớc sóng thì chất lợng, tốc độ điều
chỉnh của các bộ thu và bộ phát là rất quan trọng, tuy nhiên cho đến ngày nay
các công nghệ này vẫn còn có rất nhiều hạn chế. Bên cạnh đó còn có một số
yếu tố khác ảnh hởng đến đặc tính và hiệu suất của các mạng WDMA đơn
bớc nh : Giao thức mạng, vị trí của các bộ đệm số liệu đảm bảo tránh mất
gói, mức xuyên kênh giữa các kênh WDM và yêu cầu độ ổn định bớc sóng.
2.2.3.1 Vị trí bộ đệm trong mạng WDMA đơn bớc.
Thông thờng do tính ngẫu nhiên của lu lợng bên trong mạng nên
xuất hiện xung đột giữa các gói dữ liệu đồng thời đi đến cùng một nút là
không thể tránh khỏi. Các gói số liệu xung đột có thể hoặc bị loại bỏ hoặc
đợc đa vào hàng đợi để phát lại sau đó. Nếu gói tin bị loại bỏ thông tin sẽ bị
mất vĩnh viễn, rõ rãng điều đó là không thể chấp nhận đợc trừ khi xác suất
mất gói tin là rất nhỏ trong phạm vi cho phép. Do vậy bộ đệm cần thiết phải
có để chống lại việc mất gói dữ liệu.

3*

-26-

-27-

- Xuyên kênh tuyến tính, nguyên nhân do các đặc tính không lý tởng của các
thiết bị chọn kênh.
- Xuyên kênh phi tuyến, do hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang hoặc do hiệu
ứng bão hoà độ tăng ích trong các bộ khuyếch đại quang bán dẫn.
Xuyên kênh tuyến tính:
Lựa chọn kênh trong mạng WDMA có thể đợc thực hiện bằng cách sử
dụng hoặc là bộ lọc quang điều chỉnh đợc với bộ thu tách sóng trực tiếp
hoặc là sử dụng Laze có bộ dao động nội điều chỉnh đợc và một bộ lọc điện
thông dải (BPF) trong các bộ thu tách sóng kết hợp. Xuyên kênh tuyến tính
phụ thuộc vào loại thiết bị sử dụng để chọn kênh cũng nh là khoảng cách
giữa các kênh. Trong thực tế thì khoảng cách giữa các kênh đợc xác định
bằng đặc tính của các thiết bị chọn kênh và mức xuyên âm cho phép.

N=

Thời gian đợi (tính theo gói tin )

10

Hàng đợi
đầu vào

Hàng đợi
Hàng

đầu đợi
ra
đầu ra

5

Tải
0
0.2

0.4

0.6

0.8

1

Hình 2.9 Thời gian đợi trung bình và tải cho mạng đệm đầu ra và đầu vào
Trong các mạng WDMA đơn bớc bộ đệm có thể đợc đặt ở đầu vào
(bộ phát) hoặc đầu ra (bộ thu) của hệ thống. Giả sử các bộ đệm hoạt động theo
nguyên lý vào trớc ra trớc (FIFO) đặt tại mỗi nút. Điều đó chỉ ra rằng dung
lợng của một hệ thống đệm đầu vào với N 20 bằng khoảng 58 % dung
lợng hệ thống đệm đầu ra. Nguyên nhân giảm dung lợng của hệ thống đệm
đầu vào là do hiện tợng block luồng dữ liệu (HOL) : Khi tất cả các gói tin
định tuyến đến cùng một đầu ra thì lúc đó chỉ một gói đợc truy nhập vào
mạng trong lúc đó các gói tin khác bị giữ lại trong bộ đệm.
Hình 2.9 chỉ ra quan hệ giữa thời gian đợi và tải cho cả hai hệ thống
đệm đầu vào và đầu ra.Trong các hệ thống đệm đầu ra, hiện tợng block HOL
không thể xuất hiện do tất cả các gói tin tại đầu của các bộ đệm FIFO (ở phía

các bộ phát) có thể tự do định tuyến đến các nút đích của nó trong khi đó các
gói tin đợc đệm trong các bộ đệm FIFO tại đầu thu. Cần phải chú ý là để có
dung lợng mạng lớn, thì cũng cần phải có thời gian trễ rất nhỏ cùng với việc
giữ nguyên trật tự vào ra của các gói tin trong các bộ đệm FIFO.
2.2.3.2 Xuyên kênh.
Một vấn đề rất quan trọng liên quan đến chất lợng các mạng WDMA
là mức xuyên kênh giữa các kênh ghép theo bớc sóng. Hiện tợng xuyên
kênh có thể đợc phân biệt theo hai loại sau:

1

Kênh
v1

2

v2

Dao
động nội

3

4

vlo vv1 3

Tần số
quang

v4

3

Hàm truyền
của BPF

2

0

4

vlo v2 v4 vlo

1

Tần số
điện trung
tần Vif

vlo v1

v3 vlo

Hình 2.10 Chọn kênh trong mạng WDMA kết hợp
Trong mạng WDMA tách sóng kết hợp, việc chuyển kênh đợc thực
hiện bằng cách điều chỉnh bớc sóng của bộ dao động nội Laze trong vùng lân
cận của kênh đợc chọn và sau đó truyền tín hiệu điện đã tách sóng qua bộ lọc
BPF điều chỉnh cố định có tần số trung tâm bằng tần số trung tần IF. Xuyên

kênh tuyến tính bị ảnh hởng bởi độ rộng phổ tần số trung tần ( v =vs + vlo
trong đó vs và vlo là độ rộng phổ của laze phát và bộ dao động nội tơng
ứng) và hàm truyền của bộ lọc BPF điện. Độ rộng trung tần gây ra hiện tợng
xuyên âm có thể giảm nhỏ một cách đáng kể khi ta chọn v/B <0.1 (trong đó
B là tốc độ bít tín hiệu). Bộ lọc điện thông giải gây ra hiện tợng xuyên kênh


phụ thuộc vào kiểu tín hiệu điều chế (ASK, PSK, FSK). Thông thờng kênh
không đợc chọn mà gần nhất với tần số bộ dao động nội vlo tạo nên nguồn
ảnh hởng xuyên kênh lớn nhất. Nếu tần số trung tâm của kênh không đợc
chọn rơi vào bên trong độ rộng băng tần của bộ lọc BPF thì phần công suất
trong băng xuất hiện nh là nguồn nhiễu và vì vậy làm tăng mức BER của
kênh đợc chọn. Mức BER có thể duy trì ở một giá trị thích hợp bằng cách
tăng công suất của tín hiệu. Phần công suất tăng này đợc xem nh công suất
bù mất mát do xuyên âm tuyến tính gây ra. Hình 2.11 chỉ ra công suất bù mất
mát là hàm của độ rộng kênh f/B ( trong đó f là băng thông 3dB của bộ lọc
BPF) đối với các kiểu điều chế ASK, PSK và FSK. Từ hình vẽ ta cũng thấy
đợc công suất mất mát nhỏ không đáng kể dới 0.5dB đạt đợc trong cả ba
trờng hợp khi mà f 5B. Với B= 10 Gbps --> ta có f =50 GHz và 150 nm
(20THz) băng thông cho phép của sợi quang quanh bớc sóng 1.5 àm có khả
năng cung cấp 400 kênh.

Loại thứ nhất xuất hiện do ảnh hởng của hiệu ứng tán xạ trong môi
trờng sợi quang do tác động của sóng ánh sáng với các phonon (dao động
của phân tử) trong môi trờng silica. Hai hiệu ứng chính của loại này là: Tán
xạ Raman kích thích (SRS) và tán xạ Brillouin kích thích (SBS).
Loại thứ hai xuất hiện do sự phụ thuộc của chiết suất vào công suất
quang. Loại này gồm có các hiệu ứng: Tự điều chế pha (SPM), điều chế pha
chéo (XPM), trộn bốn sóng (FWM). Hình 2.12 trình bày ảnh hởng của hiệu
ứng phi tuyến lên mạng WDMA.

3

ASK

2

Công suất cực đại trên kênh ( mW)

-29-

Công suất mất mát do xuyên kênh- db

-28-

1000

Raman
100

XPM
10

= 1.55àm
= 0.2 dB/km
Leff = 22 km
v=10 GHz
Aeff = 5.10-7 cm2

Brillouin

1

FWM

0.1

PSK

1

FSK

10

100

1000

Số kênh N
1

Hình 2.12 Quan hệ giữa công suất cực đại trên kênh và số
kênh cho 4 ảnh hởng phi tuyến chính trong mạng WDMA.
Từ hình vẽ ta thấy ảnh hởng của hiện tợng phi tuyến lên các hệ thống
thông tin quang đa kênh làm giới hạn công suất trong khoảng từ vài mW đến
0

2

4

5

6

8

10

f/B

Hình 2.11 Mất mát công suất do xuyên kênh trong bộ tách sóng quang.
Xuyên kênh phi tuyến:
Phần lớn ảnh hởng phi tuyến trong sợi quang xảy ra khi sử dụng nguồn
quang có công suất lớn và sử dụng nhiều kênh bớc sóng khác nhau. Xuyên
kênh phi tuyến là do các hiệu ứng phi tuyến gây nên có thể chia làm hai loại:

100 mW. ảnh hởng này còn phụ thuộc vào số kênh N. Khi số kênh nhỏ N
10 thì ảnh hởng của SBS và FWM trội hơn, đối N>10 thì XPM trở nên trội
hơn và cuối cùng SRS trở nên là yếu tố giới hạn chính khi (N 500).
2.3 Mạng WDMA đa bớc.
2.3.1 Khái niệm chung về mạng WDMA đa bớc.
Khái niệm cơ bản về mạng WDMA đa bớc đợc trình bày ở hình vẽ
2.13 với mạng hình sao 8 nút. Trong cấu hình mỗi nút có hai bộ phát, hai bộ
thu kết nối thông qua coupler hình sao NxN. Mạng này có đặc điểm là hai


-30-

-31-

bớc sóng phát của cùng một nút chỉ có thể thu đợc bằng hai nút khác. Nói
cách khác, mặc dù các kênh tại các bớc sóng riêng là quảng bá nhng chỉ các
kết nối điểm tới điểm gán cố định có thể đợc hỗ trợ bên trong mạng. Vì mỗi
nút phát đợc kết nối tới một nút thu khác nhau do đó kết nối từ bất kỳ một
nút xác định nào tới một nút bất kỳ khác có thể thực hiện bằng cách cho phép
phát lại qua một hoặc nhiều nút trung gian.

Giả sử nút 2 muốn gửi một gói tin tới nút 7. Nút 2 có thể sử dụng một
trong hai bớc sóng 3 hoặc 4 để phát. Vì từ nút 2 đến nút 7 có một kết nối
trực tiếp trên bớc sóng 3 , nên bớc sóng 3 trên nút 2 sẽ đợc sử dụng để
truyền các gói tin của nó tới nút 7. Việc quyết định xem nút sẽ truyền gói tin
trên bớc sóng nào dựa trên việc sắp xếp địa chỉ đích với các cổng ra, điều này
có thể thực hiện đợc dựa trên hoặc là bảng tra cứu phần cứng hoặc là bằng
mạch logic thực hiện các thuật toán định tuyến đặc biệt. Trờng hợp nút 1
muốn truyền gói tin đến nút 3 nhng không có kết nối trực tiếp giữa hai nút
này nên gói tin này phải chuyển qua một vài nút trung gian. Lúc đó để truyền
gói tin giữa nút 1 đến nút 3 thì phải sử dụng bớc sóng 2 để truyền từ nút 1
đến nút 6 sau đó nút 6 sử dụng bớc sóng 11 để phát lại cho nút 3. Mặt khác
nếu sử dụng bớc sóng 1 để truyền từ nút 1 thì để đến đợc nút 3 phải thông
qua các bớc ( 11 nút 5 10 nút 2 4 nút 8 15 nút 3). Mặc dù khi số
nút của mạng tăng thì lúc đó khả năng trễ mạng là lớn và chất lợng của
tuyến là thấp, tuy nhiên có nhiều đờng đi khác nhau nên có thể khai thác để
tránh đợc các tắc nghẽn cục bộ từng đờng hoặc là khi xảy ra hỏng hóc nút
mạng hoặc đứt từng tuyến riêng. Một u điểm khác nữa của mạng đa bớc so
với mạng đơn bớc là không cần đòi hỏi kênh điều khiển nữa. Thực tế, mỗi
nút mạng phục vụ nh là một trạm lặp tích cực và các thiết bị sẽ có nhiệm vụ
nhận gói tin dành cho nó hoặc chung chuyển nó đến một nút khác.
2.3.2 Đặc điểm của mạng WDMA đa bớc

* Khả năng kết nối giữa các nút.
Khả năng kết nối giữa các nút trong mạng quang đa bớc có thể thực
hiện bằng nhiều cách khác nhau. Hình 2.14 minh hoạ biểu đồ kết nối trực tiếp
tơng ứng với mạng đa chặng hình sao 8 nút. Trong đó các mũi tên từ mỗi nút
truyền một bớc sóng riêng trực tiếp tới tất cả các nút có khả năng nhận bớc
sóng đó. Để tổng quát ta xét mỗi nút mạng có p đầu phát và p đầu thu cố định.
Nếu biểu diễn hmax là số chặng cực đại từ một nút nguồn tới nút đích
xác định (đôi khi hmax đựơc gọi là đờng kính của biểu đồ trực tiếp) thì bất
đẳng thức sau là luôn luôn đúng.

Nút 1
T

Nút 2

R
T

12

R

Nút 8

3 4

48

T

913

101

151

Nút 3
Coupler hình
sao NxN

3 7

R

111
2 6

R

7 8

Nút 7
15

R
T

T

56

131

T

R

111
R

Nút 6

Nút 4

910

121
Nút 5

T

T
R

Cấu trúc nút 5
Splitter

Rx O/E

Coupler

5

1

9

10

Tx E/O

Chuyển mạch điện tử Tx và Rx

Hình 2.13 Cấu trúc mạng đa bớc WDMA hình sao 8 nút.

p hmax +1 1
(p 2)
2.6
p 1
Dấu bằng trong biểu thức trên tơng ứng với giới hạn Moore và nó là
giới hạn trên của số nút mạng cực đại Nmax với một bán kính hmax cho trớc.
N 1 + p + p 2 + .... + p hmax =


-32-

-33-

Tuy nhiên giới hạn Moore là không hoàn toàn đúng ngoại trừ trờng hợp đặc
biệt p =N- 1. Để khắc phục vấn đề này ngời ta đã đa ra biểu đồ kết nối trực
tiếp ShuffleNet.

thêm (pk p) nút mà tín hiệu có thể đến bởi vì đã có p nút của cột thứ 2 tín
hiệu đã có thể đến đợc ngay trong lợt đầu, tơng tự nh vậy ta có số nút mà
tín hiệu có thể đi đến từ một nút nguồn sau khi qua h bớc nh sau:
Bảng 2.1 : Quan hệ giữa số nút mạng (N) và số bớc (h)
xuất phát từ một nút nguồn trong giản đồ ShuffleNet (p,k)

1

Nút 1

9

Nút 5

2

Nút 1

Số bớc (h)
1
2
.
.
k-1
K
k+1
k+2
.
.

2k-1

10
13

Nút 2

3

5

Nút 6

Nút 2

6
11
Nút 3

4

Nút 7

7
Nút 4

14

Nút3

12

Số nút (N)
P
p2

pk-1
pk 1
pk p
pk p2

pk pk-1

15
8

Nút 8

16

Nút 4

Hình 2.14 Biểu đồ kết nối trực tiếp Shufflenet mạng đa bớc hình sao 8 nút
Biểu đồ ShuffleNet: Biểu đồ trực tiếp Shufflenet đợc xây dựng nên từ
N = kpk (k = 1,2,......) nút trong đó k là số cột, pk là số nút trong mỗi cột : Ví
dụ mạng 8 nút ở trên ta có (k=2, p=2) và mạng 18 nút ta có thể biểu diễn dới
dạng (k=2, p=3). Trong biểu đồ trực tiếp (p, k) mỗi nút có p cung đi vào và p
cung đi ra. Tổng toàn bộ các nút ta có k.pk + 1 cung và nh vậy cũng tơng
đơng với số bớc sóng khác nhau đợc sử dụng trong mạng. Từ một nút bất
kỳ trong cột bất kỳ, để giải thích ta chọn cột 1, có thể đi đến p nút khác chỉ

qua 1 bớc, nếu qua 2 bớc thì nó đi đến thêm đợc p2 nút, và tiếp tục nh vậy
đến pk 1 nút còn lại của cột gốc. Từ đó, bất cứ nút nào không kết nối đợc
ngay trong lợt thứ nhất thì sẽ kết nối đợc trong lợt thứ hai (giả thiết là
thuật toán định tuyến sẽ chỉ đờng kết nối sao cho độ trễ trong mạng là nhỏ
nhất tức là kết nối hai nút với số bớc ít nhất). Bớc đầu trong lợt thứ 2 sẽ có

Từ bảng trên ta thấy số chặng cực đại đợc giới hạn là hmax =2k-1, do
vậy số nút cực đại trong biểu đồ ShuffleNet (p,k) đợc biểu diễn nh sau:
1
N max = ( h max + 1 ) p h max + 1
2.7
2
* Độ trễ gói trung bình.
Một tham số quan trọng trong việc đánh giá biểu đồ shuffleNet (p,k) là
độ trễ trung bình của gói tin đi qua mạng . Độ trễ trung bình D và số bớc
___

__

trung bình h có quan hệ nh sau:
__

D

=

__

h

*

L
V

2.8

Trong đó L là khoảng cách trung bình giữa các nút và v là vận tốc lan
truyền trong sợi quang (v=c/n). Lu ý công thức trên không tính đến phần trễ
phụ có thể xuất hiện do xử lý thông tin mào đầu hoặc ở bộ đệm dữ liệu trong
các nút.
* Tính toán thông lợng qua mỗi nút.


-34-

-35-

Từ bảng 2.1 ta thấy số bớc trung bình giữa hai nút mạng ngẫu nhiên
đợc biểu diễn nh sau:

lợng đa ra lần đầu. Cuối cùng thông lợng lớn nhất trên một nút đợc rút ra
từ việc kết hợp các biểu thức 2.10 và 2.11 ta thu đợc biểu thức 2.12 :

1 K 1 j k 1
{ jp + (k + j )( p k p j )}
N 1 j =1
j =0

Với N= kpk phơng trình (2.9) trên đợc viết lại nh sau:

h =

kp ( 3 k 1)( p 1) 2 k ( p 1)
2 ( p 1)( kp k 1)
k

k

2.10

Bảng 2.2 cung cấp một vài thông số đại diện cho biểu đồ Shufflenet
(p,k) và giới hạn Moore. Do là mạng đa chặng nên chỉ có một phần dung
lợng B của tuyến là thực sự sử dụng để mang lu lợng đa ra ngay từ lần
đầu (lu lợng mới đến). Trong khi đó phần dung lợng còn lại của tuyến
mang lu lợng chuyển tiếp. Nói cách khác mỗi chặng dùng một phần nhất
định trong toàn bộ tốc độ của mạng, mà tốc độ này bằng tích của các kênh
WDM (kpk +1) nhân với tốc độ bit trên một kênh. Giả thiết lu lợng là đồng
nhất và sử dụng thuật toán định tuyến cân bằng lu lợng tải trên các kênh
WDM thì thông suất của mạng đợc tính theo 2.11.

kp k +1 * B
S =
h

Nmax
15
40
63
364

1,365
9,131
37,449

ShuffleNet
k
2
2
3
3
3
3
3

N
8
18
24
81
192
684
1,536

h

2.0
2.2
3.3
3.6
3.7

3.8
3.9

Từ phơng trình 2.11 ta thấy, nếu số gói tin lu chuyển trong mạng tăng
thậm chí đến giá trị kpk+1 gói thì trung bình chỉ có 1 / h gói tin tạo ra từ lu

2.12

Hình 2.15 biểu diễn thông lợng lớn nhất qua một nút có thể đạt đợc
với các giá trị p khác nhau tính toán từ phơng trình 2.12. Từ đồ thị ta thấy với
N=1000 và B =1Gbps, p=2 chẳng hạn thì thông lợng toàn bộ của mạng có
thể đạt 200 Gbps với 200Mbps lu lợng đa ra lần đầu từ mỗi nút.
Kết quả trên chỉ đúng khi giả thiết lu lợng đa ra là đồng nhất cho tất
cả các tuyến shufflenet. Nhng trong thực tế, tải đa ra thay đổi bất kỳ không
đồng nhất. Phụ thuộc vào thuật toán định tuyến đợc sử dụng thì thông lợng
qua một nút mạng với lu lợng không đồng nhất bị giảm với hệ số từ 0.3 đến
0.5 so với thông lợng khi lu lợng đồng nhất. Việc sử dụng các bộ thu phát
thay đổi đựơc TT, TR cho phép việc kết nối thay đổi phù hợp với sự thay đổi
của lu lợng (hoặc khi mạng bị hỏng hóc).

p

10,000

2.11

Bảng 2.2. Một số thông số đại diện biểu đồ ShuffleNet.
Giới hạn Moore
P
hmax

2
3
3
3
2
5
3
5
4
5
6
5
8
5

S
2 p ( p 1)( kp k 1) B
=
N
kp k ( p 1)( 3 k 1) 2 k ( p k 1)

2.9

Thông lợng trên nút ( Mbps)

h=

2

4

5

6

7

8

3

1000
100

Mạng đa
kênh
Mạng
đơn kênh

10
10

Tốc độ truyền dẫn 1 Gbps

0.1
0.1

10

100

1000
Số nút mạng

10000

Hình 2.15 Biểu diễn thông lợng trên một nút, số nút N
cho mạng WDMA shuffleNet


-36-

-37-

2.4 ứng dụng mạng kỹ thuật đa truy nhập WDMA.
2.4. 1 Mạng WDMA đơn bớc.
Đã có rất nhiều mạng WDMA đơn bớc đợc thiết kế và giới thiệu
trong các phòng thí nghiệm cũng nh trong thực tế. Các lĩnh vực ứng dụng của
nó rất đa dạng:
- Mạng quang thụ động WDMA tốc độ cao.
- Mạng LAN băng thông cao ; mạng MAN & các mạng diện rộng WANs.
- Là nền tảng của các bộ chuyển mạch gói và các bộ kết nối tốc độ cao của
các bộ đa xử lý và bộ nhớ.

Hình 2.16 Cấu trúc mạng Lambdanet.
Để mỗi nút có thể truyền đồng thời tới các nút khác ngời ta dùng kỹ
thuật TDM trên mỗi bớc sóng. Khung TDM chứa 18 khe thời gian và 01 thẻ
đồng bộ, mỗi khe thời gian đã đợc cấp phát dự định trớc cho một nút. Vì
vậy khe thứ i của khung TDM truyền trên bớc sóng j có chứa luồng bít
thông tin từ nút j đến nút i. Do đó mỗi nút có thể nhận và sử lý một cách

không đồng bộ và song song đờng truyền từ các nút khác. Nhờ cấu trúc lai
ghép bớc sóng - thời gian nên loại bỏ đợc hoàn toàn xung đột dữ liệu
trong mạng. Ngoài ra mạng Lambdanet là mạng xếp hàng đợi đầu ra, do vậy
dung lợng của nó về cơ bản đợc xác định bằng số bớc sóng và tốc độ mỗi
kênh trong mạng. Trong thực tế ngời ta đã thiết kế mạng có dung lợng 27
GHz sử dụng 18 kênh bớc sóng, mỗi kênh có tốc độ 1.5 GHz trên khoảng
cách truyền dẫn 57,8 km ký hiệu (Lambdanet 1.5 Gbps , 18, 57.8 km) và
mạng ( Lambdanet 2 Gb/s ,16, 40 km ) .

2.4.1.1 Mạng LAMBDANET.
Do phòng thí nghiệm Bellcore phát triển. Cấu trúc đợc chỉ ra trên hình
2.16, đây là kiểu FT FRn mạng quảng bá và lựa chọn. Mạng có 18 nút, mỗi
nút trang bị một bộ phát cố định sử dụng điốt laze phản hồi phân bố (DFB)
đơn tần phát xạ trong khoảng 1,527 nm đến 1,561 nm , với độ phân cách kênh
là 2 nm và 18 bộ thu. Tại mỗi nút thu sử dụng cách tử phân kênh để tách các
kênh quang riêng rẽ rồi chuyển đổi sang dạng tín hiệu điện tơng ứng bằng
các điốt tách sóng.
1

Giao diện
điện

Nút
N

Tx -1
Các
bộ
thu

Bộ tách
kênh

Coupler
MxM
Nút
4

i

Nút 1
Nút
3

2

Giao diện
điện

Tx -2
Các
bộ
thu

Bộ tách
kênh

i

i = 1 tới N

Nút 2

2.4.1.2 Mạng RAINBOW.
Mạng sử dụng coupler hình sao 32x32. Mỗi nút mạng sử dụng 01 bộ
phát cố định và 01 bộ thu điều chỉnh đợc (FT-TR), tại mỗi bộ thu sử dụng bộ
lọc thay đổi đợc Fabry Perot với tốc độ điều chỉnh cỡ mili giây.
RAINBOW đợc thiết kế ứng dụng cho mạng MAN chuyển mạch kênh với
bán kính tới 50 km. Tốc độ truyền dẫn cho mỗi nút vào khoảng 300 Mbps cho
RAINBOW I và RAINBOW II tốc độ nút có thể đạt đến 1Gbps.
Trong mạng RAINBOW giao thức yêu cầu để thiết lập và ngắt kết nối
qua mạng sử dụng kiểu xắp xếp tìm kiếm vòng tròn. Bản chất hoạt động của
giao thức này có thể đợc hiểu nh sau: Giả sử nút A muốn thiết lập kết nối
hai hớng đến nút B. Nút A bắt đầu bằng việc phát yêu cầu kết nối một cách
lặp lại trên bớc sóng A. Đồng thời nút A điều chỉnh bộ thu của nó trên bớc
sóng B là bớc sóng của bộ thu của nút B. Yêu cầu kết nối trên bớc sóng A
chứa thông tin nguồn (nút A) và địa chỉ đích (nút B) đợc quảng bá tới tất cả
các nút bằng bộ ghép hình sao NxN.
Nếu nút đích B cha sẵn sàng thiết lập kết nối với các nút khác. Nó quét
bộ lọc quang của nó trên toàn bộ dải các bớc sóng của bộ thu cho đến khi
yêu cầu kết nối đợc xác đinh. Khi xác định đợc yêu cầu kết nối bộ lọc
quang sẽ khoá bớc sóng A và một bản tin chấp nhận kết nối đợc gửi lặp lại
nhiều lần trên bớc sóng B. Kết nối hai chiều giữa nút A và B đợc sau đó