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

Mục lục
Mục lục........................................................................................................... 1
Danh mục hình vẽ bảng biểu................................................................................ 3
Các từ viết tắt....................................................................................................... 5
Mở đầu.................................................................................................................. 9

Chương 1. Tổng quan .................................. Error! Bookmark not defined.
1.1.
Giới thiệu mạng thông tin quang ... Error! Bookmark not defined.
1.1.1. Giới thiệu ................................... Error! Bookmark not defined.
1.1.2. Quá trình phát triển của mạng chuyển tải quang ................ Error!
Bookmark not defined.
1.1.3. Ghép kênh quang phân chia theo bước sóngError! Bookmark
not defined.
1.2.
Các kỹ thuật chuyển mạch quang .. Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Giới thiệu ................................... Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Mạng chuyển mạch kênh quang. Error! Bookmark not defined.
1.2.3. Mạng chuyển mạch gói quang ... Error! Bookmark not defined.
1.2.4. Mạng chuyển mạch chùm quang Error! Bookmark not defined.
1.3.
Kết luận ......................................... Error! Bookmark not defined.
Chương 2. Hệ thống chuyển mạch chùm quang ........ Error! Bookmark not
defined.
2.1.
Giới thiệu ....................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.1. Cấu trúc mạng ............................ Error! Bookmark not defined.
2.1.2. Các yêu cầu về công nghệ .......... Error! Bookmark not defined.
2.1.3. Một số hiệu ứng tương tác lớp vật lýError! Bookmark not

defined.
2.2.
Cấu trúc mạng chuyển mạch chùm quangError! Bookmark not
defined.
2.2.1. Các mạng OBS đồng bộ và không đồng bộError!
Bookmark
not defined.
2.2.2. Cấu trúc các node mạng biên ..... Error! Bookmark not defined.
2.2.3. Cấu trúc node mạng lõi .............. Error! Bookmark not defined.
2.2.4. Phần xử lí gói điều khiển ........... Error! Bookmark not defined.
2.3.
Cấu trúc phân lớp trong mạng chuyển mạch chùm quang ..... Error!
Bookmark not defined.
2.3.1. Giới thiệu ................................... Error! Bookmark not defined.


2.3.2. Cấu trúc phân lớp IP trong chuyển mạch chùm quang ....... Error!
Bookmark not defined.
2.3.3. Cấu trúc phân lớp chuyển mạch chùm quangError! Bookmark
not defined.
2.4.
Thiết kế thực thi lớp vật lý các node mạng lõi OBS .............. Error!
Bookmark not defined.
2.4.1. Một số yêu cầu của OBS đối với mạng truyền dẫn quang . Error!
Bookmark not defined.
2.4.2. Một số giải pháp chống xung đột trong node mạng lõi OBS
Error! Bookmark not defined.
2.4.3. Các thành phần chính trong node mạng OBSError! Bookmark
not defined.
2.4.4. Xây dựng phần chuyển mạch quangError!

Bookmark
not
defined.
2.5.
Các cổng On/Off khuếch đại quang bán dẫn SOA ................ Error!
Bookmark not defined.
2.5.1. Nguyên lý hoạt động của các cổng chuyển mạch .............. Error!
Bookmark not defined.
2.5.2. Các yêu cầu chính ...................... Error! Bookmark not defined.
2.5.3. Sự phát triển của công nghệ SOAError!
Bookmark
not
defined.
Chương 3. Phân tích đánh giá cấu trúc node mạng OBS .. Error! Bookmark
not defined.
3.1.
Một số giả thiết .............................. Error! Bookmark not defined.
3.2.
Yếu tố quỹ công suất ..................... Error! Bookmark not defined.
3.3.
Một số thông số tiêu chuẩn và ảnh hưởng của chúng ............ Error!
Bookmark not defined.
3.3.1. Các thông số tiêu chuẩn ............. Error! Bookmark not defined.
3.3.2. Phân tích nhiễu .......................... Error! Bookmark not defined.
3.3.3. Xuyên âm ................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.4. Ảnh hưởng của các bộ khuếch đạiError!
Bookmark
not
defined.
3.3.5. Khả năng chuyển đổi bước sóng Error! Bookmark not defined.

3.3.6. Ảnh hưởng của sự bão hoà khuếch đại SOAError! Bookmark
not defined.


Chương 4. Lộ trình ứng dụng chuyển mạch quang cho mạng viễn thông Việt
Nam……….. Error! Bookmark not defined.
4.1.
Mục tiêu phát triển chiến lược của mạng viễn thông Việt Nam
Error! Bookmark not defined.
4.1.1. Quan điểm chiến lược ................ Error! Bookmark not defined.
4.1.2. Mục tiêu của chiến lược ............. Error! Bookmark not defined.
4.1.3. Định hướng phát triển các lĩnh vựcError!
Bookmark
not
defined.
4.2.
Phân tích hiện trạng mạng viễn thông của TCTError! Bookmark
not defined.
4.2.1. Mạng chuyển mạch .................... Error! Bookmark not defined.
4.2.2. Mạng truyền dẫn ........................ Error! Bookmark not defined.
4.2.3. Mạng truy nhập .......................... Error! Bookmark not defined.
4.2.4. Định hướng phát triển mạng quang đường trục của Tổng công
ty…………............................................. Error! Bookmark not defined.
4.3.
Xây dựng lộ trình chuyển đổi ứng dụng chuyển mạnh quang cho
mạng trục tổng công ty .............................. Error! Bookmark not defined.
4.3.1. Mục tiêu ứng dụng mạng chuyển mạch quang cho tổng công
ty............................................................. Error! Bookmark not defined.
4.3.2. Lộ trình cho ứng dụng chuyển mạch quang trong giai đoạn 20062010 Error! Bookmark not defined.
4.3.3. Lộ trình cho úng dụng chuyển mạch quang trong giai đoạn 20102015…………. ....................................... Error! Bookmark not defined.

4.3.4. Giai đoạn sau 2015 ................... Error! Bookmark not defined.
Kết luận............................................................................................................ 118
Tài liệu tham khảo............................................................................................ 121


Danh mục hình vẽ bảng biểu
Hình 1.1. Công nghệ sử dụng trong mạng truyền tải………………....... 14
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…….………......………..………………..
Hình 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………………………………………………

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
79
81
83


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 20062010.......................................................................................................
Hình 4 .9. Chuyển mạch quang vùng 1 giai đoạn 2006 – 2010....................
Hình 4 .10. Chuyển mạch quang vùng 2 giai đoạn 2006-2010.......................

83
84

85
91

94
95
96
98
99

100
101
102
102
103
105
106
108
112
113
114
114

115
116
117


Các từ viết tắt
Từ

Tiếng anh

Tiếng việt

ACK

acknowledgement

Xác nhận

ASE

Bức xạ khuếch đại tự kích thích

ATM

Amplified Spontaneous
Emission
Asynchronous Transfer Mode

AWG

Arrayed Waveguide Grating

BAS
BAU

Broadcast And Select switching
node
Burst Assembly Unit

Cách tử cấu tạo từ mảng
ống dẫn sóng
Node mạng chuyển mạch lựa
chọn và quảng bá
Đơn vị tạo chùm dữ liệu

BCP

Burst Control Packet

Gói điều khiển chùm dữ liệu

BDU

Burst Disassembly Unit

Phần tách chùm dữ liệu

BER

Bit Error Rate

Tỉ số lỗi bit

BFC

Burst Framing Control

BHP

Burst Header Packet

Phần điều khiển đồng
khung chùm dữ liệu
Gói tiêu đề chùm dữ liệu

BPRB
B-SOA

BHP Processor-Regenerator
Block
Bulk SOA

CCG

Control Channel Group

Khối xử lý tái tạo tiêu đề
chùm dữ liệu
Bộ khuếch đại quang bán dẫn
cấu trúc khối
Nhóm kênh điều khiển

CPP

Control Packet Processor

Bộ xử lý gói điều khiển

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra dư thừa vòng

CW

Continuous Wave

Sóng liên tục

CWDM

Coarse WDM

DBR

Distributed Bragg Refflector

Tín hiệu ghép kênh WDM mật
độ thấp
Hệ phản xạ Bragg phân tán

DCG

Data Channel Group

Nhóm kênh dữ liệu

DLE

Thiết lập đường dẫn động

DPSK

Dynamic Lightpath
Establishment
Difference Phase Shift Keying

DTC

Data Transport Component

Thành phần truyền tải dữ liệu

DWDM
EAM

Dense Wavelength Division
Multiplexing
Electro-Absorption Modulator

ECL

External Cavity Laser

Ghép kênh theo bước sóng mật
độ cao
Bộ điều chế dựa trên nguyên lý

hấp thụ điện từ
Laser buồng cộng hưởng ngoài

EDFA

Erbium-Doped Fiber Amplifier

Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium

ETDM

Electronic Time-Domain
Multiplexing

Hợp kênh tín hiệu điện phân chia
theo miền thời gian

Chế độ truyền không đồng bộ

Khoá dịch pha vi phân


FDL

Fibre Delay Line

Sợi trễ tín hiệu quang

FFUC

First-Fit Unscheduled Channel

Kênh không sử dụng lập lịch

FWM

Four Wave Mixing

Hiệu ứng trộn bốn sóng

GC-SOA

Gain-Clamped SOA

Bộ SOA khống chế khuếch đại

GCSR
GE

Grating assisted Coupler with
Sampled Reflector
Gigabit Ethernet

Phần ghép nối sử dụng cách tử với
bộ phản xạ mẫu
Tín hiệu Ethernet tốc độ Gigabit

HDLC

High-Level Data Link Control

IP

Internet Protocol

Điều khiển liên kết dữ liệu ở mức
cao
Giao thức Internet

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu xuyên ký hiệu

JET

Just-Enough-Time

Kỹ thuật báo hiệu JET

LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

Latest Available Unsheduled
Channel
LAUC-VF Latest Available Unsheduled

Channel with Void Filling
LCA
Line Card Arbiters

Kênh không lập lịch khả dụng mới nhất

LOA

Linear Optical Amplifier

Bộ khuếch đại quang tuyến tính

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

MAN

Metropolipan Area Network

Mạng diện đô thị

MDC

Medium Dependent Component

Thành phần phụ thuộc môi trường

MEMS

Micro-Electro-Mechanical
System
Multi Quantum Well SOA

Hệ thống vi cơ điện tử

Noise Figure

Hệ số nhiễu

NMP

Network Management Mackets

Các gói quản lý mạng

OADM

Optical Add-Drop Multiplexer

Phần hợp lênh xen rẽ quang

OBS

Optical Burst Switching

Hệ chuyển mạch chùm quang

OC-n

Optical Container-n

Đơn vị chuyển tải quang cấp n

OPS

Optical Packet Switching

Hệ chuyển mạch gói quang

OSNR

Optical Signal and Noise Rate

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm quang

OSPF

Open Shortest Path First

Thuật toán tìm đường dẫn ngắn nhất

OTDM
OTN

Optical Time Domain
Multiplexing
Optical Transport Network

Hợp kênh tín hiệu quang phân chia
theo miền thời gian
Mạng chuyển tải quang

OXC

Optical Cross-Connect

Kết nối chéo quang

PAD

Packet Aggregation and Deaggregation

Lớp hợp, phân tách gói

LAUC

MQWSOA
NF

Kênh không lập lịch khả dụng mới nhất
có lấp khoảng trống
Các bộ phân chia đường

Bộ SOA tích hợp các giếng lượng tử


PHY

Physical layer

Lớp vật lý

QD-SOA

Quantum Dots SOA

RAM

Random Access Memory

Bộ SOA tích hợp các điểm
lượng tử
Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên

RSVP

Resource reSerVation Protocol

Giao thức tích luỹ tài nguyên

SBS

Stimulated Brillouin Scattering

Tán xạ kích thích Brillouin

SCC

Signaling Connection Control

Điều khiển báo hiệu kết nối

SCU

System Control Unit

Đơn vị điều khiển hệ thống

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

Phân cấp tín hiệu số đồng bộ

SFC

Signaling Frame Control

Điều khiển khung báo hiệu

SGDBR

Sampled Grating DBR

Bộ DBR với cách tử mẫu

SLE

Static Light Establishment

Thiết lập đường dẫn sáng tĩnh

SNR

Signal Noise Rate

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SOA

Bộ khuếch đại quang bán dẫn

SRS

Semiconductor Optical
Amplifier
Synchronous Optical
NETworking system
Stimulated Raman Scattering

STM-n

Synchronous Tranfer Mode

Chế độ chuyển tải đồng bộ

TAG

Tell-And-Ago

Kỹ thuật báo hiệu TAG

TAS
TAW

Tune And Select switching
node
Tell-And-Wait

Node mạng chuyển mạch điều
chỉnh và lựa chọn
Kỹ thuật báo hiệu TAW

TDM

Time Domain Multiplexing

Hợp kênh theo miền thời gian

VCSEL

Vertical Cavity Surface
Emitting Laser
Virtual Output Queue

Laser có khoang cộng hưởng theo
phương thẳng đứng

Hàng đợi lối ra ảo

Wavelength Division
Multiplexing
Wavelength Routing OBS

Ghép kênh theo bước sóng

SONET

VOQ
WDM
WR-OBS
WRON
XGM

Wavelength Routing Optical
Network
Cross Gain Modulation

XPM

Cross Phase Modulation

Hệ thống mạng quang đồng bộ
Tán xạ kích thích Raman

Hệ thống OBS định tuyến theo
bước sóng
Mạng quang định tuyến bước sóng

Điều chế khuếch đại chéo
Điều chế chéo pha


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tà i liệ u tham khả o tiế ng việ t
[1] Vũ Như Cương [2001], Cơ sở củ a thông tin quang sợi, giáo trình giả ng dạ y hệ
đ ạ i họ c.
[2] Vũ Như Cương [2002], Cơ sở củ a quang tích hợp, giáo trình giả ng dạ y hệ đ ạ i
họ c.
[3] Nguyễ n La Giang [1999], Nghiên cứu tiế p cậ n công nghệ chuyể n mạ ch quang
trong mạ ng viễ n thông tương lai, Việ n Khoa họ c kỹ thuậ t bưu đ iệ n-Tổ ng cụ c
Bưu đ iệ n.
[4] Nhà xuấ t bả n khoa họ c và kỹ thuậ t [1997], Công nghệ truyề n dẫ n quang, tổ ng
cụ c Bưu đ iệ n-tổ ng công ty Bưu chính viễ n thông.

Tà i liệ u tham khả o tiế ng Anh
[5] Diplom-Ingenieurin Hao Buchta [2005], Analysis of physical constraints in an Optical
Burst Switching Network, Dessertation
[6] Farid Farahmand [2005], Contention Resolution and Burst GroomingStrategies in
Layered Optical Burst-Switched Networks, The University of Texas at Dallas.
[7] H.Jonathan Chao [2002], Broadband packet switching teachnologies, A practical guide to
ATM switches and IP router, A Wiley-Interscience Publication.
[8] Jason P.jue, Vinod M.Vokkarane [2005], Optical Burst Swicthing networks, series Editor
University of California.
[9] Regis J. Bud bates [2001], Optical Switching and Networking handbook, McGraw-Hill
Companies.
[10] Sudhir Dixit [2002], IP over WDM, Building the Next-generation Optical Internet,
Wiley-Interscience.
[11] Selin Parlar [2005], A Monte Carlo Type Simulation Approach for Performance

Evaluation in Optical Burst Switched Networks, Istanbul Technical University.
[12] Sen Zhang [2004], Advanced Optical Modulation Formats in High-Speed Lightwave
System.
[13] Temel Bilici [2003], Microsphere based channel dropping for optical communication,
Master of Science in Electrical and Electronics Engineering.
[14] Yunbin Song [2002], Optical Communication System for Smart Dust, Master of
Science in Department of Electrical Engineering.