Nghiên cứu chuyển mạch gói quang cho các mạng trung tâm dữ liệu

Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu của con người đối với
việc trao đổi thông tin ngày càng cao. Để đáp ứng nhu cầu đó, đòi hỏi mạng
lưới viễn thông cũng như các trung tâm dữ liệu phải có tốc độ cao, dung
lượng lớn. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM ra đời đã
đáp ứng được một phần những đòi hỏi cấp thiết đó. Kỹ thuật ghép kênh
bước song WDM có thể nâng dung lượng truyền dẫn của sợi quang lên rất
cao. Đồng thời sự tăng trưởng với tốc độ nhanh chóng mặt dung lượng của
hệ thống là sức ép và động lực mạnh cho sự phát triển của hệ thống chuyển
mạch. Quy mô của hệ thống chuyển mạch trong thông tin ngày càng lớn,
tốc độ vận hành ngày càng cao. Nhưng mạng chuyển mạch điện tử và xử lý
thông tin đã phát triển đến gần tốc độ giới hạn. Trong đó các tham số cố
hữu như RC, méo, rôi trượt, xuyên âm, tốc độ phản ứng chậm là những
khuyết điểm hạn chế đến việc nâng cao đến tốc độ chuyển mạch.
Mạng quang ngày nay cần phải hỗ trợ dịch vụ truyền số liệu rất lớn.
Do đó, ý tưởng về chuyển mạch gói quang ra đời. Điều này phục vụ rất
nhiều cho mạng thông tin toàn quang, có tốc độ cao, dung lượng lớn và
trong suốt.
Trung tâm dữ liệu là nơi tích hợp các công nghệ mạng, hệ thống và
phần mềm ứng dụng cần được thiết kế sao cho đáp ứng yêu cầu cực cao và
tốc độ truyền giữa các thiết bị, tính ổn định được coi trọng và vấn đề bảo
mật cho hệ thống được đặt lên hàng đầu.
Với mục đích tìm hiểu một công nghệ được ứng dụng trong trung
tâm dữ liệu, củng cố và phát triển kiến thức đã lĩnh hội được trong quá trình
học tập tại Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông em đã chọn đề tài tốt
nghiệp của mình là: “Nghiên cứu chuyển mạch gói quang cho các mạng
trung tâm dữ liệu “.
Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, cuốn đồ án tốt nghiệp với

đề tài đã chọn đã được hoàn thành với nội dung gồm 3 chương như sau:
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Kiến trúc chuyển mạch gói quang OPS cho mạng trung
tâm dữ liệu
Chương 3: Điều khiển luống
Do còn nhiều hạn chế về thời gian và kiến thức, đồ án còn nhiều thiếu
sót. Rất mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn
thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2016
SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

1


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu
Sinh viên thực hiện

Bùi Đình
Bằng

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

2


Đồ án tốt nghiệp

Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin cảm ơn các thầy cô giáo và cán bộ trong Học viện Công nghệ
Bưu chính viễn thông nói chung và Khoa Kỹ thuật Viễn thông I nói riêng đã trực tiếp
giảng dạy, giúp đỡ và cung cấp những kiến thức quý báu trong học tập cũng như trong
cuộc sống.
Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS. Cao Hồng Sơn, công tác tại
Bộ môn Tín hiệu - Hệ thống Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông người đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện,
quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt
nghiệp.

Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2016
Sinh viên thực hiện
Bùi Đình Bằng

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

3


Đồ án tốt nghiệp

Nhận xét

NHẬN XÉT
( Của giảng viên hướng dẫn)
.………………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
.…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
Điểm:......................................(Bằng chữ:.................................)
Đồng ý/ không đồng ý cho sinh viên bảo vệ trước hội đồng chấm đồ án tốt nghiệp?
………,ngày ….tháng…..năm 2016
CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký, họ tên)

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

4


Đồ án tốt nghiệp

Nhận xét

MỤC LỤC

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

5


Đồ án tốt nghiệp

Nhận xét

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ADM
AN
AWG
CPM
DEMUX
EDFA
LASER
MUX
POADM
OPM
OSC
OTM
OTN
OTPM
OTU
OXC
OWT
PA

SOA
WDM
OSNR

Add/Drop Multiplexer
Access Network
Array Wave Grating
Cross Phase Modulation
DEMultiplexing
Distributed Feedback
Erbium-Doped Fiber Amplifier
Light Amplication by Stimulate
Emission of Radiation
Multiplexing
Packet OpticalAdd/Drop Multiplexer
Optical Performance Monitor
Optical Supervisor/Service Channel
Optical Terminal Multiplexer
Optical Transport Network
Optical Translator Port Module
Optical Translator Unit
Optical Cross Connect
Optical Wavelength Translators
Pre-Amplifier
Semiconductor Optical Amplifier
Wavelength Division Multiplexing
Optical Signal Noise Ratio

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

6

Bộ ghép kênh xen/rẽ
Mạng truy nhập
Cách tử AWG
Điều chế chéo pha
Bộ tách kênh
Phản hồi phân bố
Khuếch đại quang Erbium
Bộ ghép kênh
Bộ ghép gói quang Thêm/Tách
Thiết bị giám sát mạng quang
Kênh giám sát quang
Đầu cuối ghép kênh quang
Mạng truyền tải quang
Module cổng chuyển đổi quang
Đơn vị chuyển đổi quang
Bộ nối chéo quang
Bộ chuyển đổi bước sóng quang
Bộ tiền khuếch đại
Bộ khuếch đại quang bán dẫn
Ghép kênh theo bước sóng
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm


Đồ án tốt nghiệp

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

7


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Sự phát triển của mạng quang
1.1.1 Sự phát triển của topo mạng
Kiến trúc điểm - điểm là loại đơn giản của topo mạng. Các gói được truyền giữa các node
quang, nhưng sự chuyển đổi quang điện tử được thực hiện ở mọi node. SONET/SDH là một ví dụ.
Một lựa chọn khác có ưu điểm hơn là sử dụng các topo mạng kiểu bus, vòng và sao.

Hình 1. 1 Các topo mạng dạng Điểm - điểm, vòng, sao, lưới
Trong mạng WDM topo kiểu vòng được ưa dùng hơn. Topo kiểu mạng lưới có
nhiều ưu điểm hơn khi so sánh với các loại trước bởi vì dung sai cắt sợi tốt hơn, khi có
nhiều lựa chọn định tuyến. Thêm nữa, một node với tốc độ lưu lượng cao được nối với
vài node, và một node với lưu lượng dữ liệu trên một node đơn chỉ có thể nối với node
đơn này. Đáng tiếc, một mạng topo dạng mạng lưới gặp nhiều khó khăn khi triển khai do
yêu cầu phức tạp trong định tuyến và chuyển mạch. Mạng WDM đầu tiên xuất hiện giữa
những năm 1990 là mạng kiểu điểm - điểm. Sau đó các phần tử tách-ghép được sử dụng
và cuối những năm 1990 topo mạng kiểu vòng trở nên ưa dùng. Ngày nay đã sử dụng các
mạng có topo mạng kiểu mạng lưới. Một phần các mạng gói quang được thực hiện trong
môi trường phòng thí nghiệm. Chắc chắn các mạng gói thương mại sẽ theo sự phát triển
giống như các mạng WDM trước đó.
1.1.2 Sự phát triển của dung lượng truyền dẫn

Tốc độ phát triển của dung lượng truyền dẫn nhanh hơn trong các năm trước đây.
Giữa thập niên 90 tốc độ tăng là 30% trên năm, ngày nay là 60%. Bảng mô tả dự báo sự
phát triển của tổng dung lượng và tốc độ bít người sử dụng.

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

8


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

1995
Dung lượng 20-40 Gbit/s

2000
800 Gbit/s

2005
≥ 1Tbit/s

2010

tổng
Tốc độ bít POTS

ADSL

Quang, ADSL

Quang, điện

người

2-8Mbit/s

155Mbit/s

622Mbit/s

2,10,50 Mbit/s

100Mbit/s

sử 64kbit/s

dụng
1.1.3 Sự phát triển của mạng

Mạng quang đầu tiên được thực thi cách đây hơn thập kỷ, nhưng sự khai thác thực
tế của mạng quang lại liên quan với hiện tượng mới. Mạng sử dung công nghệ WDM sẽ
tới đỉnh điểm của nó trong nửa cuối năm nhưng năm 2000. Sự phát triển vẫn tăng nhanh
nếu như tốc độ phát triển của dung lượng vẫn tăng 60% trên năm.
Hiện nay phương pháp ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) là công nghệ
ghép kênh ưa chuộng nhất cho các mạng thông tin quang, bởi vì mọi thiết bị đầu cuối sử
dụng chỉ cần hoạt động tại tần số của một kênh WDM. WDM là một cách ghép, trong đó
ta có thể lợi dụng sự không đối xứng băng tần quang điện rộng lớn bằng cách yêu cầu
mỗi đầu cuối của mỗi người sử dụng chỉ hoạt động tại tốc độ điện tử và các kênh ghép
WDM từ các đầu cuối của người sử dụng khác sẽ được ghép vào trong cùng một cáp.

Trong ghép kênh theo bước sóng WDM, mỗi bước sóng hỗ trợ một kênh thông tin hoạt
động tại bất kỳ tốc độ được thiết kế này.
Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) xuất hiện như một giải pháp được lựa
chọn để cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng nhanh hơn, đáp ứng được sự bùng nổ của
Internet. Thế hệ đầu tiên của WDM chỉ cung cấp các liên kết vật lý điểm tới điểm được
sử dụng hạn chế trong các trung kế WAN. Các cấu hình mạng WDM, WAN là các cấu
hình tĩnh.
Thế hệ thứ hai của WDM có khả năng thiết lập các tuyến quang kết nối từ đầu cuối
tới đầu cuối trong lớp quang sử dụng kết nối chéo lựa chọn bước sóng WSXC. Các tuyến
quang tạo ra một tôpô ảo trên tôpô sợi quang vật lý. Cấu hình bước sóng ảo có thể thay
đổi động theo sự thay đổi quy hoạch mạng.
Kỹ thuật sử dụng trong thế hệ WDM thứ hai bao gồm các thiết bị kết nối chéo và bộ
tách ghép bước sóng với khả năng chuyển đổi bước sóng, định tuyến động và phân bố
bước sóng tại các node nối chéo.

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

9


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

WDM thế hệ thứ ba được sử dụng trong các mạng quang chuyển mạch gói phi kết
nối, trong đó các tiêu đề hay các nhãn được gắn với dữ liệu, truyền đi cùng với tải và
được xử lý tại mỗi chuyển mạch quang WDM. Dựa trên tỷ lệ giữa thời gian xử lý tiêu đề
gói và chi phí truyền dẫn gói, chuyển mạch WDM có thể được sử dụng hiệu quả bằng
cách sử dụng chuyển mạch OBS
nhãn hay chuyển mạch burst quang. Chuyển mạch gói quang

vẫn đang trong giai đoạn nghiên
cứu.
OLS

WADM

Sự phát triển mạng của WDM được chỉ ra như hình vẽ .

WAMPWSXC(OCX)

DCX

Thế hệ thứ 1

Thế hệ thứ 2

Thế hệOPR
thứ 3

Các kênh tĩnh tới động Các đường ảo và lưu giữ và chuyển tiễp

Chuyển mạch burst
quangmạch gói quang
Chuyển
Chuyển mạch kênh WDM

Hình 1. 2 Sự phát triển mạng WDM
Chuyển mạch kênh quang được sử dụng cho lưu lượng được tập hợp lại có kích thước
lớn, một kênh truyền sẽ được thiết lập trước và không thay đổi trong quá trình truyền dữ
liệu. Chuyển mạch gói quang sử dụng cho các gói dữ liệu có kích thước nhỏ.

1.2 Chuyển mạch quang
Chuyển mạch là từ dùng để chỉ hai nghĩa khác nhau. Một là để định nghĩa tóm tắt
khái niệm chuyển mạch tức là thiết bị sử dụng chuyển mạch các tín hiệu từ các cổng đầu
vào tới các cổng đầu ra. Hai là chuyển mạch chỉ một thiết bị với một vài thiết bị hoặc là

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

10


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

một thiết bị phức hợp mà gồm khối điều khiển phức tạp, các bộ đệm đường dây trễ, các
bộ lọc, các bộ chuyển đổi bước sóng và các chuyển mạch đơn giản.
Các chuyển mạch không gian và các bộ định tuyến bước sóng là các thành phần cơ
bản của một chuyển mạch quang. Một chuyển mạch không gian chỉ chuyển theo cách
đơn giản các tín hiệu từ mỗi đầu vào tới một đầu ra. Có một vài cách để thực hiện một
chuyển mạch không gian nhưng lựa chọn tốt nhất là sử dụng các SOA (các bộ khuyếch
đại quang bán dẫn). Như hình 1.3 mô tả một chuyển mạch không gian.

Hình 1. 3 Chuyển mạch dựa trên cổng SOA
Chuyển mạch dựa trên cổng SOA N×N như mô tả ở trên gồm N bộ tách 1×N, N2
cổng SOA và N bộ trộn 1×N. Nếu tín hiệu được chuyển tới đầu ra j, cổng j ở trạng thái
mở và các cổng khác ở trạng thái đóng. Tất cả các cổng có cùng chỉ mục sẽ được kết nối
tới một bộ trộn.
Một bộ định tuyến bước sóng có thể được cấu hình trước hoặc không. Như hình 1.4
mô tả bộ định tuyến bước sóng không cấu hình trước. Mỗi tín hiệu từ đầu vào i với bước
sóng j luôn được truyền trực tiếp tới đầu ra k. Một ví dụ của bộ định tuyến lại này là

AWGM. Một AWGM gồm hai coupler sao và một AWG giữa chúng. Coupler sao tách
các tín hiệu từ các cổng đầu vào và đưa tới tất cả các lưới ống dẫn sóng mà các lưới ống
dẫn sóng này có độ dài khác nhau. Độ trễ tín hiệu phụ thuộc vào độ dài của ống dẫn sóng
SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

11


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

và bước sóng. Coupler sao thứ hai chỉ phối hợp theo cấu trúc các tín hiệu có pha khác
nhau tại một cổng đầu ra đơn.
Mặc dù một bộ định tuyến bước sóng không cấu hình trước không có thuộc tính
chuyển mạch thì vẫn được sử dụng rộng rãi trong các chuyển mạch gói quang định tuyến
theo bước sóng. Y tưởng chính để mọi gói được chuyển đổi đầu tiên thành một bước sóng
chính xác và sau đó truyền trực tiếp tới AWGM. Bởi vì AWGM chọn cổng ra của mỗi gói
tuỳ thuộc cổng ra và bước sóng, mỗi gói sẽ được chuyển tới cổng ra đã định.

Hình 1. 4 Bộ định tuyến bước sóng
1.2.1 Phân loại chuyển mạch quang
Chuyển mạch có thể được chia thành chuyển mạch điện và chuyển mạch quang. Các
chuyển mạch điện có thiết bị phát triển hơn chuyển mạch quang và việc thực thi chúng dễ
dàng hơn. Chuyển mạch quang lại được chia thành:
 Chuyển mạch kênh quang.
 Chuyển mạch gói quang.
 Chuyển mạch burst quang.

a. Chuyển mạch kênh quang

Chuyển mạch kênh quang hoạt động theo kiểu định tuyến theo bước sóng. Trong
mạng chuyển mạch kênh quang, một đường dẫn bước sóng riêng được thiết lập trong
khoảng thời gian kết nối. Để một mạng chuyển mạch kênh hoạt động, một kênh sẽ được

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

12


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

ấn định từ đầu tới cuối cho một kết nối. Kênh này sau đó chỉ được đăng ký phục vụ cho
một kết nối.

Hình 1. 5 Mạng chuyển mạch kênh
Trong mạng chuyển mạch kênh trên đây yêu cầu nối giữa điểm A và B. Một kênh
được thiết lập thông qua các node R1, R3, R4 và R5. Ta cũng có thể thành lập các tuyến
liên kết khác giữa A và B. Giữa các node chuyển mạch có thể cho phép nhiều kênh được
thiết lập.
Chuyển mạch kênh gồm có 3 giai đoạn: Thiết lập kênh, truyền dữ liệu, và giải phóng
kênh.
 Thiết lập kênh: Đăng ký một bước sóng cố định theo đường dẫn lựa chọn, mỗi liên

kết trên đường dẫn được định hướng từ nguồn tới đích tương ứng của nó.
 Truyền dữ liệu: Dữ liệu được gửi trên một đường riêng. Khi phân phối điều khiển

được sử dụng trong giai đoạn định tuyến, một khoảng thời gian yêu cầu giữa giai
đoạn thiết lập và giai đoạn truyền dẫn là T, có giá trị T=2p+delta (p là thời gian

truyền một chiều), delta là tổng trễ xử lý do yêu cầu thiết thiết lập trên đường
truyền). Dữ liệu trong chuyển mạch kênh không cần đệm ở các node trung gian do
kênh chỉ sử dụng phục vụ cho việc truyền dữ liệu này tại thời điểm cụ thể.
 Giải phóng kênh: Sau khi dữ liệu gửi đi tới đích, kênh truyền dẫn sẽ được giải

phóng. Đích gửi về nguồn một bản tin xác nhận. Các node trên đường truyền lần
lượt được giải phóng để phục vụ cho kết nối khác.

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

13


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

Yêu cầu cuộc gọi

Trễ đường truyền

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5
Trễ xử lý

14


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

nhận cuộc gọi
HìnhTín1.hiệu6chấpTín
hiệu trong chuyển mạch kênh

b. Chuyển mạch gói quang

Chuyển mạch gói quang là công nghệ tiếp theo được lựa chọn phục vụ cho việc
truyền tải dữ liệu qua WDM. Hoạt động trong chuyển mạch gói: Các gói thông tin được
ACK
gửi đi trên tuyến thích hợp được lựa chọn bởi bộ định tuyến tại node khi gói đến. Trong
chuyển mạch gói, mỗi gói có một tiêu đề tương ứng mang thông tin về gói cũng như địa
chỉ của gói, và mỗi node chuyển mạch trong mạng (các bộ định tuyến) sẽ nhận thông tin
này và gửi đi trên tuyến thích hợp.

Hình 1. 7 Mạng chuyển mạch gói
Hình vẽ 1.7 mô tả một mạng chuyển mạch gói. Gói được gửi từ điểm C tới đích D.
Một gói thông tin rời C và được gửi đi trên tuyến R1 tới R3, sau đó từ R3 gửi tới R4 và
tới D. Tuy nhiên gói cũng có thểGiữđược
truyền tới D theo hướng khác. Nếu việc truyền dẫn
liệu người dùng
từ R1 tới R3 chậm hoặc bị mất, gói từ R1 sẽ được gửi tới R2, từ R2 tới R5 và cứ tiếp tục
cho tới khi tới đích.
Trong chuyển mạch gói, độ dài mỗi gói là Lp, có thể cố định hoặc thay đổi từ giá trị
nhỏ nhất Smin tới giá trị lớn nhất S max. Trường hợp gói có độ dài cố định, một bản tin
kích thước Lb sẽ được chia thành các gói nhỏ hơn có kích thước giống nhau. Trường hợp
gói có độ dài khác nhau, bản tin được chia thành Lb/Smax gói và đệm chỉ cần thiết đối
với gói nhỏ hơn Smin.
Một đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lưu giữ và chuyển tiếp. Tức là một gói
cần phải được tập hợp đầy đủ tại một node nguồn và mỗi node trung gian trước khi nó
được chuyển đi. Đặc điểm này sẽ dẫn đến gói phải trải qua một khoảng thời gian trễ

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

15


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

tương ứng với Lb tại mỗi node, khi đó cần phải có bộ đệm tại mỗi node trung gian của
mạng có kích thước nhỏ nhất là Smax.
Mặc dù vậy với công nghệ hiện tại chưa thể thực hiện chuyển mạch quang một cách
có hiệu quả do:
 Chuyển mạch gói quang thường sử dụng cho trường hợp không đồng bộ. Ví dụ,
các gói tới tại các cổng đầu vào khác nhau phải được xếp hàng trước khi truy
nhập vào trường chuyển mạch. Tuy nhiên để ứng dụng cho trường hợp không
đồng bộ là rất khó và chi phí cao.
 Một khó khăn nữa đối với chuyển mạch gói quang là sự thiếu vắng các bộ đệm
quang. Đặc điểm chính của chuyển mạch gói là lưu đệm và chuyển tiếp. Đặc điểm
này cần thiết để giải quyết vấn đề tranh chấp cổng đầu ra. Tuy nhiên hiện tại chưa
có các bộ đệm truy nhập quang ngẫu nhiên cần thiết để thực hiện lưu giữ và
chuyển tiếp.
 Khó khăn nữa cho việc sử dụng chuyển mạch gói quang là thời gian yêu cầu để
định cấu hình cơ cấu chuyển mạch quang.
c. Chuyển mạch burst quang

Khái niệm chuyển mạch quang xuất hiện từ đầu những năm 1980. Gần đây, chuyển
mạch burst quang được nghiên cứu trở lại và được biết đến như một giải pháp kế tiếp của
chuyển mạch gói quang. Thực chất chuyển mạch burst quang được xem xét trong tầng

quang đơn thuần như một môi trường truyền dẫn trong suốt không bộ đệm cho các ứng
dụng. Tuy nhiên không có một định nghĩa tổng quát cho chuyển mạch burst quang.
Sự bùng nổ lưu lượng mạnh mẽ trong mạng Internet, sự phát triển nhanh chóng các
lớp lưu lượng là những vấn đề quan trọng cần phải được xử lý. Để hỗ trợ cho việc sử
dụng độ rộng băng có hiệu quả, phương pháp truyền tải toàn quang cho phép đệm quang
trong khi vẫn xử lý sự bùng nổ lưu lượng, và hỗ trợ cho việc cung cấp tài nguyên nhanh
và truyền dẫn không đồng bộ các gói có kích thước khác nhau cần phải được phát triển.
Chuyển mạch burst quang (OBS) như một giải pháp cho sự truyền tải lưu lượng trực tiếp
qua mạng WDM quang mà không cần bộ đệm.
Chuyển mạch burst quang là phương pháp kết hợp cả hai kỹ thuật chuyển mạch kênh
quang và chuyển mạch gói quang. Nó được thiết kế đạt được cân bằng giữa những ưu
điểm của chuyển mạch kênh quang và nhược điểm của chuyển mạch gói quang.

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

16


Đồ án tốt nghiệp

1.3

Chương 1. Giới thiệu chung

Một số phần tử quang điện

1.3.1 Trường chuyển mạch quang
a. Trường chuyển mạch không gian
Chuyển mạch quang phân chia theo không gian (còn gọi là chuyển mạch không
gian) là loại chuyển mạch được sử dụng phổ biến nhất, đó là quá trình kết nối vật lý

đường dẫn sóng ánh sáng, kết nối từ một sợi đầu vào tới sợi đầu ra.
Theo kiểu chuyển mạch này thì các kết nối vật lý giữa các sợi đầu vào và các sợi
đầu ra được tạo ra theo yêu cầu; các kết nối khác nhau sử dụng các đường khác nhau và
mỗi kết nối mới yêu cầu thêm một không gian vật lý trong trường chuyển mạch. Dưới
đây là một khái niệm cơ bản về chuyển mạch phân chia theo không gian (Hình 1.8).

(a) Chuyển mạch lựa chọn

(b) Chuyển mạch cổng

Hình 1. 8 Chuyển mạch quang không gian
Hình 1.8a là kiểu chuyển mạch không gian lựa chọn, cổng ra được lựa chọn một
cách trực tiếp, do đó về nguyên tắc là không có tổn hao về chuyển mạch, cổng ra có thể
lựa chọn bằng cách điều khiển chiết suất của ống dẫn sóng.
Cấu trúc trong hình 1.8b là kiểu chuyển mạch cổng, các tín hiệu đầu vào được phân
chia và chọn các cổng thiết bị để đến đầu ra. Trong trường hợp này, năng lượng tín hiệu
phân chia vào các đường dẫn mà không được lựa chọn sẽ gây tổn hao trong chuyển
mạch, nhưng lại có ưu điểm là có thể nối tất cả các đường ra đồng thời để thực hiện
Multicast và Broadcast. Cổng thiết bị có thể được thực hiện bởi bộ khuyếch đại quang
bán dẫn và các modul hấp thụ.

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

17


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

Phần tử chuyển mạch không gian cơ bản là phần tử 2x2. Một phần tử chuyển mạch
2x2 định tuyến các tín hiệu quang từ sợi đầu vào tới sợi đầu ra và có hai trạng thái: Trạng
thái nối chéo (Cross) và trạng thái song song (Bar), như được mô tả trong hình 1.9.

I1
I2

O1
O2

I1

O1

I2

(a) Trạng thái nối chéo

O2

(b) Trạng thái song song

Hình 1. 9 Trạng thái của phần tử chuyển mạch không gian 2x2
Trạng thái nối chéo được mô tả trong hình 2.2(a), trong trạng thái này nếu I1 có tín
hiệu đến thì sẽ được chuyển mạch tới đầu ra O2; và nếu đầu vào I2 có tín hiệu đến thì tín
hiệu này được chuyển tới cổng đầu ra O1. Còn đối với trạng thái song song hình 2.2(b),
tín hiệu ở đầu vào I1 sẽ được chuyển tới đầu ra O1 và tín hiệu ở đầu vào I2 sẽ được
chuyển tới đầu ra O2.
Ma trận chuyển mạch không gian được tạo thành từ các phần tử chuyển mạch cơ bản
2x2. Chuyển mạch quang không gian chia thành hai loại: loại sợi quang và loại không gian

tự do. Loại cơ bản là loại sợi quang, ở đầu vào và đầu ra có hai sợi quang, có thể hình
thành hai trạng thái kết nối đó là kết nối chéo và kết nối song song (hình 1.10).

(a) Dựa vào phối ghép phương hướng

(a) Dùng sợi quang nối liền 4 khoá

LiNbO3
quang 1x2
Hình 1. 10 Phương án thực hiện phần tử chuyển mạch quang không gian 2x2
Hai loại phần tử chuyển mạch 2x2 trong hình 2.3 thuộc loại chuyển mạch ống dẫn
sóng, sử dụng phương pháp điều khiển ngoài hiệu suất khúc xạ ống dẫn sóng để chọn ống
SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

18


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

dẫn sóng đầu ra. Điều khiển hiệu suất khúc xạ có hai loại: Do điện áp bên ngoài đưa vào
(kiểu điện-quang), do đốt nóng (kiểu nhiệt-quang). Suy hao của thiết bị chuyển mạch ống
dẫn sóng rất lớn, bao gồm tổn hao của bản thân nó và tổn hao một nửa năng lượng để
thực hiện chuyển mạch công suất tín hiệu tới các sợi đầu ra.
Ngoài ra, các phần tử chuyển mạch cơ bản 2x2 còn được thực hiện bằng chuyển
mạch cơ khí hoặc chuyển mạch vi gương. Chuyển mạch cơ khí có ưu điểm là tổn hao
nhỏ, độ cách li cao, làm việc ổn định có độ tin cậy…, nhưng nhược điểm của nó là tốc độ
chuyển mạch chậm, kiểu chuyển mạch này đã được sử dụng trong thực tế. Hình 1.11 mô
tả ma trận chuyển mạch vi gương.

Hình 1. 11 Ma trận chuyển mạch vi gương
Ma trận chuyển mạch vi gương bao gồm các vi gương được đặt tại các giao điểm
giữa các sợi đầu vào và các sợi ra. Các gương này có đường kính rất nhỏ, khoảng 200µm.
Công suất quang đến sẽ được truyền thẳng nếu gương quay đi khỏi điểm giao nhau của
các ống dẫn sóng (trạng thái ngắt). Nếu gương quay về mặt giao điểm (trạng thái dẫn), thì
công suất quang tới sẽ được phản xạ vào đường vuông góc với nó tại vị trí gương đó.
Hoạt động của các gương được điều khiển bằng điện, dùng một tín hiệu điện để điều
khiển hoạt động của gương. Tốc độ chuyển mạch và kích thước ma trận chuyển mạch
phụ thuộc vào loại chuyển mạch, sự phụ thuộc này được chỉ ra ở hình 1.12.

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

19


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

Hình 1. 12 Tốc độ và kích cỡ của một số ma trận chuyển mạch

b. Trường chuyển mạch thời gian
Giả định tín hiệu ghép theo thời gian trong mỗi khung ghép có T khe thời gian, các
khe thời gian rộng bằng nhau và là một kênh tín hiệu. Kiểu chuyển mạch theo thời gian
được sử dụng cho hệ thống ghép kênh theo thời gian, đó là quá trình chuyển đổi tín hiệu
quang đã ghép trên trục thời gian ở khe t i sang vị trí khe thời t j khác. Như vậy, chuyển
mạch phân chia theo thời gian chính là chuyển mạch theo thời gian, nó phải chuyển mạch
bất kỳ khe thời gian nào trong một khung tín hiệu đầu vào đến một khe thời gian khác ở
đầu ra.

Có thể ghép kênh theo bit hoặc nhóm bit (khối), do phần tử chuyển mạch cần có tín
hiệu điều khiển nên ở giữa các tín hiệu ghép phải có vùng bảo vệ để hoàn thành việc
chuyển đổi trạng thái nên ghép theo khối có hiệu suất cao hơn ghép theo bit.
Chuyển mạch quang theo thời gian tạm thời ghép kênh các tín hiệu quang giữa khe
thời gian ti và tj, quá trình chuyển đổi từng bit tín hiệu 10Gb/s yêu cầu thời gian chuyển
mạch nhỏ hơn 100ps. Tuy nhiên, những yêu cầu về thời gian chuyển mạch sẽ giảm đi
trong trường hợp chuyển mạch theo khối (hàng trăm bit).
Do các photon không dễ lưu trữ và phục hồi sau trễ nên việc chuyển mạch phân
chia theo thời gian hay là trao đổi khe thời gian cần phải có bộ nhớ quang (bộ trễ quang).
Sợi quang có thể làm bộ trễ quang trong chuyển mạch quang phân chia theo thời gian, lấy
độ rộng một khe thời gian làm đơn vị, nếu tín hiệu quang cần trễ bao nhiêu khe thời gian
SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

20


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

độ dài sợi quang có đơn vị chiều dài tương ứng. Hoặc là một kiểu bộ trễ quang khác được
thực hiện kết hợp giữa sợi quang và phần tử chuyển mạch 2x2. Hiện nay, các bộ chuyển
mạch theo thời gian đều do khoá quang không gian và các dây trễ quang tạo thành.

Hình 1. 13 Sơ đồ khối chuyển mạch theo thời gian
Sơ đồ khối chuyển mạch quang như trong hình 1.13, tầng đầu tiên là bộ tách khe
thời gian, thực hiện tách các khe thời gian trên từng đầu ra của bộ nhớ, tại các đầu ra của
bộ tách này các dữ liệu xuất hiện đồng thời và đi vào dây trễ tương ứng. Tiếp đó các dữ
liệu này sẽ được làm trễ theo yêu cầu và đi vào bộ ghép thời gian để ghép thành khung tín
hiệu theo thời gian.

Chuyển mạch quang cần phân chia theo thời gian (TD) có ưu điểm là có thể tương
thích với các hệ thống truyền dẫn sợi quang TDM. Khi các hệ thống chuyển mạch được
kết nối với các hệ thống truyền dẫn quang thì cần phải có đường kết nối số tốc độ cao.
Tuy nhiên, trong hệ thống chuyển mạch băng rộng phân chia theo thời gian đòi hỏi tốc độ
hoạt động của bộ nhớ cũng như bộ tách ghép thời gian phải rất nhanh, đồng thời cũng đòi
hỏi khắt khe về sự đồng bộ các bit/frame.

c. Trường chuyển mạch bước sóng
Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng (còn gọi là chuyển mạch bước sóng),
kiểu chuyển mạch này được áp dụng nhiều trong mạng ghép kênh phân chia theo bước
sóng(WDM).
Chuyển mạch theo bước sóng khác với định tuyến theo bước sóng (WLR). Định
tuyến theo bước sóng là lợi dụng sự khác nhau của bước sóng để thực hiện chọn đường,
tức là thực hiện chuyển mạch không gian, không có biến đổi bước sóng. Còn chuyển
mạch theo bước sóng quang thì cần có bộ biến đổi bước sóng quang, dùng bộ tách kênh

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

21


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

để chia cắt các kênh tín hiệu về không gian, tiến hành chuyển đổi bước sóng đối với mỗi
kênh, rồi được ghép lại nhờ bộ ghép.

Hình 1. 14 Cấu trúc cơ bản của bộ trao đổi bước sóng
WC là bộ biến đổi bước sóng

Sơ đồ nguyên lý chuyển mạch theo bước sóng được chỉ ra trong hình 1.15, bao gồm
các bộ chuyển mạch bước sóng và các bộ tách/ghép kênh theo bước sóng.

Hình 1. 15 Bộ chuyển mạch bước sóng
Tín hiệu WDM đầu vào qua bộ chia công suất được dẫn đến các bộ lọc bước sóng
có khả năng điều chỉnh riêng biệt, mỗi bộ lọc này sẽ tách lấy một tín hiệu có bước sóng
riêng biệt ra khỏi tín hiệu WDM. Tín hiệu quang đầu ra bộ lọc bước sóng có khả năng
điều chỉnh được đưa vào một bộ điều biến điều khiển bằng quang và thực hiện điều biến
cường độ vào sóng mang quang có bước sóng xác định trước, sóng mang quang này
SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

22


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

được tách ra khỏi ánh sáng chuẩn bằng một bộ lọc bước sóng cố định. Qua bộ biến điệu
điều khiển bằng quang các bước sóng λa,λb ,…, λz được chuyển đổi thành bước sóng λ1,
λ2,…,λN tương ứng mà không có tổn hao trong quá trình biến điệu cường độ. Sau đó các
bước sóng λ1, λ2,…,λN lại được ghép thành tín hiệu WDM đầu ra. Ngoài ra, bằng cách
điều khiển bộ lọc điều chỉnh được để chọn tín hiệu có cùng bước sóng, khi đó có thể thực
hiện được truyền thông đa hướng (Multicast).
Chuyển mạch bước sóng có hai loại: quảng bá lựa chọn và định tuyến theo bước sóng.
Chuyển mạch phân chia theo bước sóng quảng bá và lựa chọn được mô tả trong hình 1.16.

Hình 1. 16 Chuyển mạch theo bước sóng sử dụng trong mạng quảng bá và lựa chọn.
WC bộ chuyển đổi bước sóng
λ1, λ2,…,λN là các bước sóng lựa chọn trong hệ thống.

Coupler hình sao thực hiện ghép các bước sóng vào và phát quảng bá chúng tới các
đầu ra. Các bộ lọc quang điều chỉnh được tại các đầu ra coupler hình sao lọc lấy một
bước sóng nhất định, bộ lọc này cho phép chuyển mạch bước sóng không tắc nghẽn. Sau
đó là các bộ biến đổi bước sóng thực hiện chuyển đổi bước sóng để đưa thông tin tới
người sử dụng dịch vụ có bước sóng λ1 cố định.

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

23


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung
Hình 1. 17 Chuyển mạch định tuyến bước sóng

Kiểu chuyển mạch định tuyến theo bước sóng được mô tả trong hình 1.17, gồm hai
dãy các bộ chuyển đổi bước sóng đặt tại hai phía và bộ định tuyến lưới ống dẫn sóng
(WGR).
Hình 1.18, bộ định tuyến lưới ống dấn sóng WGR bao gồm hai coupler hình sao và
một lưới dựa trên bộ giao thoa kế Mach-Zehnder (MZI).
Nguyên lý của bộ WGR được hiểu như sau: Tại coupler sao đầu tiên, đầu vào kênh
bước sóng được chia thành các phần công suất giống nhau tới tất cả các cổng đầu ravới
các dịch pha khác nhau. Đặc biệt, nếu sóng tới ở cổng đâu vào p của coupler sao đầu tiên
là Ein , thì sóng ánh sáng sau khi chia đi vào cổng đầu vào s là:

Es =

Ein j⋅ϕ p ,s
e

N

Trong đó ϕp,s là dịch pha trong coupler sao đầu tiên từ cổng đầu vào p tới cổng đầu
ra s. Khi tín hiệu ánh sáng từ cổng đầu ra s của coupler sao đầu tiên đi vào ống dẫn sóng
thứ s, nó sẽ bị dịch pha đi một lượng khác tỷ lệ với chiều dài của ống dẫn sóng. Nếu ống
dẫn sóng có chiều dài Ls =s. ∆L+L, trong đó ∆L là sự chênh lệch về chiều dài giữa các
ống dẫn sóng kề nhau. Khi đó ống dẫn sóng gây dịch pha:

φs =

2Π ⋅ nwgr

λ

( s ⋅ ∆L + L )

Trong đó, nwgr là chỉ số khúc xạ của các ống dẫn sóng

Hình 1. 18 Bộ định tuyến lưới ống dẫn sóng
SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

24


Đồ án tốt nghiệp

Chương 1. Giới thiệu chung

Khi tín hiệu đến ở coupler sao thứ hai, nó sẽ được chia vào các cổng đầu ra. Tương
tự coupler sao đầu, ánh sáng tín hiệu cũng bị dịch pha khi đi từ ống dẫn sóng s tới cổng

đầu ra q của coupler sao thứ hai. Do đó các tín hiệu đi qua các ống dẫn sóng khác nhau sẽ
có các dịch pha khác nhau, và để công suất tín hiệu ở cổng đầu ra Pra ≈Pvao thì pha của
các tín hiệu qua các ống dẫn sóng khác nhau cũng phải giống nhau. Với kết quả tính toán
trong [1] cho thấy rằng để định tuyến kênh bước sóng ở đầu vào p tới đầu ra q của WGR
thì bước sóng của ánh sáng tới ở cổng đầu vào p coupler sao đầu tiên phải được điều
chỉnh tới:
λp.q =λ0 –(p+q).∆λ
Trong đó λ0 là bước sóng tham chiếu được xác định bởi WGR
∆λ là khoảng cách giữa hai bước sóng kề nhau
Bộ WGR tạo ra sự định tuyến cố định của tín hiệu quang từ một cổng đầu vào xác
định tới một cổng đầu ra xác định dựa vào bước sóng của tín hiệu. Các tín hiệu có các
bước sóng khác nhau của một cổng vào sẽ được định tuyến tới các cổng đâu ra khác nhau
mà không bị ảnh hưởng lẫn nhau (mỗi bước sóng được chuyển tới một cổng đầu ra xác
định). Khi đó các tín hiệu khác nhau sử dụng sử dụng cùng một bước sóng ở các cổng
đầu vào khác nhau sẽ không bị ảnh hưởng lẫn nhau tại các cổng đầu ra.
Như vậy, các bộ WC trong tầng đầu (hình 1.14) dùng để chuyển đổi các bước sóng
vào, nếu bước sóng tại cổng p cần định tuyến tới cổng ra q thì bước sóng của nó trước
tiên được chuyển thành λp.q . Sau đó tại đầu ra của WGR các bước sóng lại được chuyển
đổi lần nữa nhờ bộ biến đổi WC tại tầng hai để trở thành bước sóng ban đầu.
Trong hai phương pháp chuyển mạch trên, thấy rằng phương pháp quảng bá và lựa
chọn thực hiện đơn giản hơn nhưng bị suy hao phân tán lớn hơn. phương pháp định tuyến
bước sóng có suy hao công suất thấp nhưng lại yêu cầu điều khiển và chuyển đổi bước
sóng chính xác. Với cả hai phương pháp chuyển mạch các kênh bước sóng đều được định
tuyến trong miền không gian. Một giải pháp lựa chọn khác là chuyển mạch bước sóng có
thể được thực hiện trong miền bước sóng, phương pháp này được gọi là trao đổi kênh
bước sóng(WCI). Hình 1.19, một WCI gồm một bộ tách kênh bước sóng, một dãy WC và
một coupler.

SVTH: Bùi Đình Bằng- D12VT5

25