Thuật toán sinh cột giải bài toán định tuyến và gắn bước sóng tối ưu trong mạng WDM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI
-------o0o-------

ĐOÀN THỊ MINH NGUYỆT

THUẬT TOÁN SINH CỘT GIẢI BÀI TOÁN
“ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƢỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM”

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HÀ NỘI, NĂM 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI
-------o0o-------

ĐOÀN THỊ MINH NGUYỆT

THUẬT TOÁN SINH CỘT GIẢI BÀI TOÁN
“ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƢỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM”
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số

: 60 48 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. ĐỖ TRUNG KIÊN

HÀ NỘI, NĂM 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu khoa học này là kết quả nghiên
cứu của cá nhân tôi. Các số liệu và tài liệu được trích dẫn trong công trình này
là trung thực. Kết quả nghiên cứu này không trùng với bất cứ công trình nào
đã được công bố trước đó.
Tôi chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

Hà Nội, tháng 6 năm 2017

Đoàn Thị Minh Nguyệt


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, em đã nhận được sự giúp đỡ của các thầy
cô, bạn bè, các anh chị đồng nghiệp, và những người thân trong gia đình.
Không biết nói gì hơn những gì mình cảm kích, em xin bày tỏ lòng biết ơn
sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Đỗ Trung Kiên, người đã tận tình hướng dẫn,
động viên, trang bị những kiến thức và tài liệu quý báu, tạo mọi điều kiện thuận
lợi giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Sư
phạm Hà Nội, đã trực tiếp giảng dạy tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt khóa
học để em có thể hoàn thành tốt luận văn.
Sau cùng em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới gia đình, người thân, các anh
chị em và các bạn bè đã luôn giúp đỡ động viên em hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã rất cố gắng để hoàn thành luận văn nhưng do thời gian và
kiến thức có hạn nên chắc chắn luận văn cũng không thể tránh khỏi những

thiếu sót. Kính mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy, cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 6 năm 2017
Tác giả

Đoàn Thị Minh Nguyệt


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..........................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................................. 1
2. Lịch sử vấn đề nghiên cứu............................................................................................ 1
3. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................................... 2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 2
5. Nhiệm vụ nghiên cứu ..................................................................................................... 2
6. Phương pháp nghiên cứu............................................................................................... 2
7. Cấu trúc luận văn.............................................................................................................. 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG WDM ..........................4
1.1

Giới thiệu về mạng quang ...................................................................................... 4

1.1.1

Mạng quang thế hệ thứ nhất ...........................................................5

1.1.2

Mạng quang thế hệ thứ hai .............................................................5

1.1.3

Mạng quang thế hệ thứ ba ..............................................................7

1.1.4 Sơ đồ khối tổng quát mạng WDM .....................................................9
1.2

Các phần tử trong mạng quang WDM ............................................................12

1.2.1

Thiết bị đầu cuối (OLT) .............................................................. 13

1.2.2

Bộ khuếch đại quang ................................................................... 15

1.2.3

Bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADM) ....................................... 17

1.2.4

Bộ kết nối chéo quang (OXC)..................................................... 17

1.3

Kết luận chương .......................................................................................................20

CHƢƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƢỚC SÓNG TRONG MẠNG
WDM ............................................................................................................. 21
2.1. Giới thiệu bài toán định tuyến và gán bước sóng ..........................................21
2.2 Định tuyến và gán bước sóng .................................................................................23
2.2.1. Phương pháp định tuyến ................................................................ 25


2.2.2. Các phương pháp gán bước sóng................................................... 26
2.2.3 Tô màu đồ thị .................................................................................. 28
2.3. Thiết lập đường đi ảo (Virtual path) ...................................................................29
2.4 Chuyển đổi bước sóng ...............................................................................................31
2.5. Các phương pháp định tuyến và gán bước sóng ............................................33
2.5.1. Các phương pháp gần đúng ........................................................... 33
2.5.2. Các phương pháp chính xác ........................................................... 34
2.6. Thuật toán sinh cột…………………………………………………… 41
2.7. Kết luận chương……………………………………………………….42
CHƢƠNG 3: LỜI GIẢI TỐI ƢU CHO BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN VÀ
GÁN BƢỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM ............................................ 42
3.1. Các kí hiệu và định nghĩa..................................................................... 42
3.2 Thuật toán sinh cột cho bài toán RWA ................................................. 43
3.2.1. Bài toán chính (Master problem) ................................................... 43
3.2.2. Bài toán con (Pricing problem – PPLINK) ....................................... 44
3.2.3 Lời giải của bài toán ....................................................................... 45
3.3. Cải tiến thuật toán sinh cột cho bài toán RWA ..............................................46
3.3.1. Tính đường đi ngắn nhất ............................................................... 46
3.3.2 Lời giải của thuật toán CG+ ........................................................... 47
3.4 Kết quả tính toán ..........................................................................................................49
3.4.1 Mạng và tập dữ liệu ........................................................................ 49
3.4.2 Đánh giá hiệu năng: Chất lượng lời giải......................................... 50
3.4.3 Đánh giá hiệu năng: So sánh giữa thuật toán sinh cột với thuật toán

cải tiến …………………………………………………………………..51
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 55


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng anh

Tiếng việt

APD

Avlanche Photodiode

Diod quang kiểu thác

APS

Automatic Protection
Switching

Chuyển mạch bảo vệ tự động

CDM

code-division multiplex

Ghép kênh phân chia mã

CWDM

Coarse WDM

WDM thưa

DWDM

Dense WDM

WDM mật độ cao

EDFA

Erbium-Doped Fiber
Amplifier

Bộ khuếch đại quang sợi

ILP

Integer Linear Programming

Mô hình quy hoạch tuyến tính
nguyên

IPC

inter-process communication

Cổng kết nối nội bộ

ITU

International
Telecommunication Union

Hiệp Hội Viễn Thông Quốc
Tế

NSFNET

National Science Foundation
Network

Mạng tổ chức khoa học quốc
gia

OADM

Optical Add/Drop Multipler

Bộ ghép kênh xen/rớt quang

OLT

Optical Line Terminator

Thiết bị đầu cuối

OSC

Optical Supervision Channel

Kênh giám sát quang

OXC

Optical Cross Connect

Bộ kết nối chéo quang

PLC

Plannar Lightwave Circuit

Bộ chia quang

PS

Splitter Power

Bộ chia nguồn

ROAM

Reconfigurable Optical
Add/Drop Multipler

Cấu hình lại bộ ghép kênh
xen/rớt quang

RWA

Routing and Wavelength
Assignment

Định tuyến và gán bước sóng


Từ viết tắt

Tiếng anh

Tiếng việt

SDH

Synchronous Digital
Hierarchy

Hệ phân cấp số đồng bộ

SONET

Synchronous Optical
Networking

Mạng quang đồng bộ

TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia thời gian

USANET

USA Network

Mạng Mỹ

WDM

Wavelength Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia bước
sóng


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Mạng WDM ......................................................................................6
Hình 1.2: Sơ đồ một ROADM bốn mức ..........................................................8
Hình 1.3: Mạng lưới với các nút đối xứng. .......................................................9
Hình 1.4: Sơ đồ chức năng của một mạng WDM .......................................... 10
Hình 1.5: Mạng lưới định tuyến bước sóng ................................................. 12
Hình 1.6: Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OLT ........................................... 14
Hình 1.7: Bộ khuếch đại quang EDFA .......................................................... 16

Hình 1.8: Vai trò của OADM trong mạng có 3 nút ...................................... 17
Hình 1.9: Minh họa một mạng dùng OXC ................................................... 18
Hình 1.10: Các trạng thái của OXC ............................................................... 20
Hình 2.1: Định tuyến và gán bước sóng ........................................................ 23
Hình 2.2 Minh họa mối liên hệ giữa bài toán gán bước sóng và bài toán tô
màu đồ thị ....................................................................................................... 29
Hình 2.3: Các đường ảo và đường vật lý ....................................................... 30
Hình 2.4: Sự chuyển đổi bước sóng ............................................................... 31
Hình 2.5: Các khả năng chuyển đổi bước sóng ............................................. 32
Hình 2.6: Vấn đề đối xứng trong công thức Link và Path ............................. 34
Hình 2.7: Minh họa biến

.......................................................................... 36

Hình 2.8. Sơ đồ khối thuật toán sinh cột ........................................................ 41
Hình 3.1 Thuật toán sinh cột (CG)................................................................. 45
Hình 3.2 Sơ đồ thuật toán CG+...................................................................... 48
Hình 3.3 Sơ đồ mạng NSF và USA ............................................................... 49


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Đặc thù tập yêu cầu kết nối ............................................................ 50
Bảng 3.2 Chất lượng của lời giải ................................................................... 51
Bảng 3.3 So sánh giữa thuật toán sinh cột với thuật toán cải tiến ................. 52


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength
Division Multiplexing) được coi là cuộc cách mạng về băng thông trong

mạng xương sống Internet và các mạng thế hệ mới khác. Nhu cầu băng thông
đang gia tăng một cách nhanh chóng cùng với nhiều ứng dụng mới phong
phú.
Trong lĩnh vực thông tin quang, vấn đề quan trọng là duy trì được mạng
quang hiện có và tương lai sẽ xây dựng để tạo thành mạng WDM tốc độ cao,
dung lượng lớn đa dịch vụ. Trong khi thực hiện mạng, vấn đề then chốt quyết
định hiệu suất sử dụng tài nguyên mạng là quy hoạch hợp lý tài nguyên bước
sóng. Vấn đề tìm các tuyến và gán bước sóng cho luồng quang được gọi là bài
toán định tuyến và gán bước sóng (RWA- Routing and Wavelength
Assignment) - một trong những bài toán trung tâm trong thiết kế mạng quang
ghép kênh phân chia theo bước sóng.
Với sự hỗ trợ của công nghệ hiện đại, các mạng WDM ngày nay có thể hỗ
trợ nhiều hơn 300 bước sóng trên một dây cáp quang. Đặc trưng này đem tới
thách thức mới cho bài toán RWA, một bài toán NP-khó.
2. Lịch sử vấn đề nghiên cứu
Định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang là một bài toán NP-khó, do
vậy đa số các giải pháp đã đề xuất là các lời giải gần đúng. Chỉ một số lượng
rất nhỏ các thuật toán chính xác được nghiên cứu, tuy nhiên các giải pháp này
không khả thi để đưa ra lời giải tối ưu đối với bài toán có kích thước lớn (số
bước sóng lên tới 300) trong một thời gian chấp nhận được. Trong nghiên cứu
này, tôi đưa ra một số giải pháp để tăng tốc độ đi tìm lời giải chính xác cho
bài toán. Tôi cũng dự kiến đề xuất một số chiến lược song song để tìm lời giải
của bài toán với kích thước rất lớn.
1


3. Mục đích nghiên cứu
 Nghiên cứu, đề xuất lời giải tối ưu cho bài toán RWA với kích thước
lớn.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

 Các lý thuyết cơ bản về mạng WDM.
 Bài toán định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang với kích thước
lớn.
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
 Tìm hiểu về mạng WDM, bài toán định tuyến và gán bước sóng.
 Các lời giải trước đây cho bài toán RWA.
 Tìm hiểu thuật toán sinh cột tìm lời giải chính xác cho các bài toán kích
thước lớn.
 Cải tiến thuật toán sinh cột giải bài toán RWA.


Sử dụng ngôn ngữ lập trình OPL (Optimization Programming
Language) để cài đặt, và đánh giá kết quả thu được.

6. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Nghiên cứu các tạp chí và bài báo khoa
học, tài liệu chuyên ngành.
- Phương pháp phân tích và tổng hợp dữ liệu: Tìm hiểu, phân tích, tổng
hợp những tài liệu có liên quan đến đề tài nghiên cứu.
- Phương pháp thu thập thông tin: Thu thập dữ liệu một số kiến trúc mạng
quang thực tế để thực nghiệm.
- Phương pháp thực nghiệm: Cài đặt phần mềm, kiểm thử và đánh giá kết
quả thực nghiệm.
7. Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm 3 phần:
Phần 1: Mở đầu
2


Phần 2: Nội dung

Chương 1: Tổng quan về mạng quang WDM
Chương 2: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM
Chương 3: Lời giải tối ưu cho bài toán định tuyến và gán bước sóng
trong mạng WDM
Phần 3: Kết luận và hướng phát triển đề tài.

3


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG WDM
Lượng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin ngày nay tăng lên
rất nhanh, đòi hỏi băng thông rất lớn. Bên cạnh gia tăng về số lượng, dạng lưu
lượng truyền thông trên mạng cũng thay đổi. Dạng dữ liệu chủ yếu là lưu
lượng Internet. Số người sử dụng Internet ngày càng tăng, không chỉ cá nhân
mà những tổ chức, doanh nghiệp cũng dựa vào mạng tốc độ cao để điều hành
công việc. Những điều này đã tạo ra một nhu cầu sử dụng băng thông lớn,
những đường truyền tốc độ cao đáng tin cậy và chi phí thấp. Mạng thông tin
quang ra đời đã hứa hẹn đáp ứng những nhu cầu trên.
Trong chương đầu tiên này, phần 1.1 tôi sẽ trình bày tổng quan về mạng
quang, tiếp đó là lịch sử phát triển các thế hệ mạng quang. Trong phần 1.2 sẽ
trình bày các phần tử trong mạng quang WDM và kết luận chương 1 được
trình bày trong phần 1.3.
1.1 Giới thiệu về mạng quang
Hệ thống thông tin quang ra đời cùng với những ưu điểm vượt trội của
nó đã và đang áp dụng rộng rãi trên mạng lưới toàn cầu.
Để đáp ứng được nhu cầu sử dụng băng thông lớn, đường truyền tốc độ
cao, đáng tin cậy và chi phí thấp, mạng thông tin quang đã ra đời với những
khả năng vượt trội như: băng thông khổng lồ (gần 50 Tbps) với tỷ lệ lỗi rất
thấp (10-11), suy giảm tín hiệu thấp (khoảng 0.2 dB/km), méo tín hiệu thấp,
đòi hỏi năng lượng cung cấp thấp, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, khả

năng bảo mật cao,… Bên cạnh dung lượng cao, môi trường quang còn cung
cấp khả năng trong suốt. Tính trong suốt cho phép các dạng dữ liệu khác nhau
chia sẻ cùng một môi trường truyền và điều này rất phù hợp cho việc mang
các tín hiệu có những đặc điểm khác nhau. Vì vậy, truyền thông quang được
xem là một kỹ thuật cho hệ thống thông tin băng rộng trong tương lai. Tuy
nhiên, băng thông quang rất lớn đối với một ứng dụng đơn lẻ, nên cần chia sẻ
4


nó giữa những người sử dụng với nhau bằng cách ghép nhiều kênh trên một
đường truyền. Các kỹ thuật ghép kênh gồm có: ghép kênh phân chia mã
(CDM), ghép kênh phân chia thời gian (TDM) và ghép kênh phân chia theo
bước sóng (WDM). Hai kỹ thuật ghép kênh được quan tâm nhất hiện nay là
ghép kênh phân chia thời gian và ghép kênh phân chia bước sóng. Do chi phí
kỹ thuật và thiết bị để lắp đặt các hệ thống TDM tương đối cao nên trong
tương lai, ghép kênh theo bước sóng sẽ được ưa chuộng hơn. WDM được
xem là kỹ thuật cho hệ thống thông tin băng rộng; không chỉ đặc biệt phù hợp
với các tuyến thông tin đường dài, trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong
việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt và đáp ứng mọi loại hình dịch
vụ trong tương lai
1.1.1 Mạng quang thế hệ thứ nhất
Khi nói đến các mạng quang, ta đề cập đến ba thế hệ của chúng. Ở thế hệ
thứ nhất, sợi quang chủ yếu dùng cho truyền dẫn và cung cấp dung lượng. Sợi
quang cung cấp tỷ lệ lỗi bit thấp hơn và dung lượng cao hơn so với cáp đồng.
Tất cả chức năng chuyển mạch và mạng thông minh được điều khiển bằng
điện tử, tín hiệu được chuyển sang dạng điện trước khi được xử lý. Trong thế
hệ này, mạng quang thường dùng kỹ thuật ghép kênh phân chia thời gian
(TDM), được sử dụng rộng rãi trong các mạng viễn thông.
Ví dụ cho các mạng quang thế hệ thứ nhất này là SONET (mạng quang
đồng bộ), tương tự với mạng SDH (hệ phân cấp số đồng bộ), cũng như các

mạng doanh nghiệp khác như ESCON.
1.1.2 Mạng quang thế hệ thứ hai
Ngày nay, chúng ta đã thấy sự triển khai của mạng quang thế hệ thứ
hai, nơi mà các chức năng định tuyến, chuyển mạch và mạng thông minh
được thực hiện trong miền tín hiệu quang, vì vậy chúng có thể dễ dàng xử lý

5


lượng dữ liệu lớn hơn tín hiệu điện tử. Trong các mạng thế hệ thứ nhất, thiết
bị điện tử ở một nút không những phải điều khiển tất cả các dữ liệu dành cho
nút đó mà còn tất cả các dữ liệu đi xuyên qua nó đến các nút khác trong
mạng. Nếu dữ liệu được định tuyến trong miền quang, tải trọng của các thiết
bị điện ở các nút sẽ giảm đi đáng kể. Đây là một trong những lý do chính cho
sự ra đời của các mạng quang thế hệ thứ hai, các mạng này dựa trên kỹ thuật
WDM (Wavelength Division Multiplexing) còn gọi là mạng định tuyến bước
sóng.

Hình 1.1 Mạng WDM [11]
Mạng WDM là mạng truyền dẫn tốc độ cao, WDM được áp dụng đồng
thời truyền nhiều bước sóng riêng biệt trong một sợi quang. Mạng cung cấp
những lightpaths cho người sử dụng, như các thiết bị cuối SONET hoặc các
bộ định tuyến IP. Lightpaths là các kết nối quang được mang từ đầu cuối đến
đầu cuối bằng một bước sóng trên mỗi tuyến trung gian. Ở các nút trung gian
trong mạng, các lightpaths được định tuyến và chuyển mạch từ tuyến này

6


sang tuyến khác. Trong một số trường hợp, các lightpaths cũng có thể được

chuyển đổi từ bước sóng này sang bước sóng khác dọc theo đường đi.
Các phần tử mạng chính cho phép mạng quang hoạt động là các thiết bị
đầu cuối quang (OLTs), các bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADMs) và các bộ
kết nối chéo quang (OXCs). Cấu tạo, chức năng của những phần tử này sẽ
được trình bày trong phần 1.2
1.1.3 Mạng quang thế hệ thứ ba
Trong các mạng quang WDM, mạng quang thế hệ thứ ba (hay còn gọi
là mạng toàn quang: dữ liệu được truyền từ nguồn đến đích dưới dạng quang,
mà không phải trải qua bất cứ chuyển đổi quang điện nào theo dọc đường đi),
với sự ra đời của OADMs cố định cung cấp khả năng tiết kiệm chi phí bằng
cách loại bỏ những chuyển đổi quang-điện không cần thiết, nhưng lại có
những hạn chế về ứng dụng của chúng. Để khắc phục hạn chế đó, các nhà
phát triển mạng đã nghiên cứu và đưa ra giải pháp là cấu hình lại bộ ghép
kênh xen/rớt quang (ROADM), để cung cấp một cơ sở hạ tầng mạng quang
có thể triển khai có bước sóng một cách linh hoạt. Nó ảnh hưởng đến chi phí,
hiệu suất và cấu hình linh hoạt của mạng quang. Các kỹ thuật được sử dụng
bao gồm: chặn bước sóng (wavelength blocking), bộ chia quang (PLC) và
chuyển đổi bước sóng chọn lọc (WSS), mặc dù WSS đã trở thành kỹ thuật
chủ đạo.
Trong khi ROADMs thế hệ đầu tiên chỉ có thể được sử dụng trong kiến
trúc vòng Ring hoặc Line, thì ROADMs thế hệ mới dự kiến sẽ hỗ trợ các nút
ở mức cao hơn. Đây là điều cần thiết cho việc thiết kế và triển khai các mạng
quang trong tương lai. Để làm được điều này, ROADMs đa mức độ dựa trên
WSS đã được đề xuất và đang hứa hẹn để xây dựng và nâng cấp ROADMs
linh động và đầy đủ các chức năng.

7


Hình 1.2: Sơ đồ một ROADM bốn mức [11]

Hình 1.2 cho thấy sơ đồ của một ROADM 4 mức sử dụng các phần tử
WSS tại một nút trong mạng. Mỗi nút có thể được tiếp cận ở 4 hướng Đông,
Tây, Nam, Bắc. Các tín hiệu quang đi vào mỗi hướng được phân chia bởi một
bộ chia nguồn (Splitter Power - PS) và sau đó chuyển đến WSSs ở bên ngoài
của ba hướng khác và “rớt” cục bộ. Mỗi WSS lựa chọn và ghép các bước
sóng từ ba hướng khác và trực tiếp “xen” vào hướng mong muốn. Hình 1.2a
cũng cho thấy rằng các bước sóng riêng lẻ có thể tăng hoặc giảm ở các nút. Vì
vậy, với kiến trúc này, bất kỳ bước sóng vào một nút có thể được chuyển đến
đầu ra của bất kỳ một hoặc nhiều hướng khác. Tuy nhiên, điều này là không
cần thiết và các nút chuyển mạch bất đối xứng được ưa chuộng trong thực tế.
Hình 1.2b cho thấy một kiến trúc của một ROADM 4 mức bất đối xứng.
Trong hình 1.2a, ta có thể vẫn sử dụng 1×4 WSSs và 1×4 PSs, nhưng chỉ một
số các cổng được sử dụng, các cổng còn lại được dành cho việc mở rộng
trong tương lai.
Các kết nối chuyển mạch giữa bốn hướng bất đối xứng trên ROADM có
thể được thể hiện đơn giản bằng các vòng tròn nhỏ ở góc dưới bên phải (hình

8


1.2b). Ba đường in đậm trong các vòng tròn kết nối hướng truy cập và được
gọi là các cổng kết nối nội bộ (IPCs).

Hình 1.3: Mạng lưới với các nút đối xứng.
Một mạng dựa trên ROADM có thể được biểu diễn bằng một đồ thị với
các nút đối xứng như hình 1.3 . Tất cả các tính toán RWA cho các yêu cầu kết
nối sẽ được dựa trên mô hình đơn giản các nút bất đối xứng này. Khi một
lightpath đi qua một nút bất đối xứng, nó phải đi theo một trong các đường
nội bộ (nét đậm) và nó không thể đi qua nhiều đường nội bộ với một nút cho
trước.

1.1.4 Sơ đồ khối tổng quát mạng WDM
Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Devision
Multipexing) là công nghệ trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều
bước sóng tín hiệu quang. Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng
khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đến một sợi quang. Ở đầu
thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân chia (tách kênh) và khôi phục lại tín hiệu
gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau.

9


Tx1

Tx1

Tx2

Tx2

.
.
.
.

DMUX

MUX

TxN

TxN

EDFA
Phát tín
hiệu

.
.
.
.

EDFA

Khuếch đại tín hiệu Khuếch đại tín hiệu
Ghép tín hiệu

Tách tín hiệu

(Mux)

(Demux)

Thu tín
hiệu

Hình 1.4: Sơ đồ chức năng của một mạng WDM
Trong một hệ thống WDM để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng
trên một sợi quang thì hệ thống WDM phải thực hiện được các chức năng sau:
 Phát tín hiệu: trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là
Laser. Một số nguồn loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng

(Turnble Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser),… Nguồn
Laser phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất
phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rổng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong
giới hạn cho phép.
 Bộ ghép/tách tín hiệu (Mux/Demux): ghép tín hiệu WDM là sự kết
hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp
để truyền dẫn qua sợi quang. Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh
sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng lẻ tại mỗi cổng đầu ra của
bộ tách tín hiệu. Các bộ ghép/tách tín hiệu WDM hiện nay có thể nói đến như:
bộ lọc màng mỏng điện môi, cách từ Bragg sợi, cách từ nhiễu xạ, linh kiện

10


quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot,… Khi nói đến các bộ tách/ghép
WDM, ta xét các tham số sau: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần
của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa
các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên
âm gần đầu xa,…
 Truyền dẫn tín hiệu: quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang
chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng
phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu,… Mỗi vấn đề kể trên đều
phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi,..,).
 Khuếch đại tín hiệu: trong hệ thống WDM bộ khuếch đại được sử
dụng chủ yếu là bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber
Amplifier). Tuy nhiên, trên thực tế bộ khuếch đại Raman cũng đã được sử
dụng. Có ba chế độ khuếch đại là: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và
tiền khuếch đại. Hệ thống WDM khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA phải đảm
bảo các yêu cầu sau:
- Độ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức

chênh lệch không quá 1dB).
- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh
hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh.
- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều
chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là
bằng phẳng đối với tất cả các kênh.
 Thu tín hiệu: thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các
bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN,
APD.

11


1.2 . Các phần tử trong mạng quang WDM
Các mạng WDM cung cấp các kênh quang chuyển mạch mạch từ đầu
cuối đến đầu cuối, hay các lightpath, giữa các nút mạng đến người sử dụng.
Một lightpath bao gồm một kênh thông tin quang, hoặc bước sóng giữa hai
nút mạng được định tuyến thông qua nhiều nút trung gian. Các nút trung gian
có thể chuyển mạch và chuyển đổi bước sóng. Do đó, các mạng này được
xem là các mạng định tuyến bước sóng. Các lightpath được thiết lập hay kết
thúc khi có sự yêu cầu của người sử dụng mạng.
Trong phần này, tôi sẽ trình bày các phần tử trong mạng WDM. Cấu trúc
một mạng WDM gồm có các thiết bị đầu cuối (OLTs), các bộ ghép kênh
xen/rớt quang (OADMs) và các bộ kết nối chéo quang (OXCs) liên kết với
nhau qua các kết nối sợi quang (Hình 1.5).

Hình 1.5: Mạng lưới định tuyến bước sóng bao gồm OLTs, OADMs
và OXCs [11]

12

OLT ghép các bước sóng vào một sợi quang và tách một tập các bước
sóng trên một sợi đơn vào các sợi riêng rẽ. OLTs được sử dụng ở các đầu cuối
của một liên kết WDM điểm nối điểm. OADM thu vào các tín hiệu ở nhiều
bước sóng và “rớt” có chọn lọc một số các bước sóng này trong khi cho các
bước sóng khác đi qua. Nó cũng thêm các bước sóng vào tín hiệu ghép đi ra
một cách chọn lọc. Một OADM có các cổng hai dây nơi các tín hiêu ghép
WDM hiện diện và một số cổng nội bộ nơi mà các bước sóng được rớt và
xen. Một OXC về cơ bản cũng thưc hiện các chức năng như một OADM
nhưng với quy mô lớn hơn nhiều. OXCs có số cổng lớn (từ vài chục đến vài
nghìn) và có thể chuyển mạch những bước sóng từ một cổng vào đến cổng
khác. Cả OADMs và OXCs đều có thể kết hợp các khả năng chuyển đổi bước
sóng bên trong.
Ngoài ra, các OLTs, OADMs, OXCs có thể kết hợp các bộ khuếch đại
quang bên trong để bù suy hao hoặc các bộ khuếch đại có thể được triển khai
dọc theo tuyến liên kết ở các vị trí định kỳ để khuếch đại tín hiệu ánh sáng. Ở
đây, OLTs được triển khai rộng rãi, OADMs được triển khai ở phạm vi nhỏ
hơn và OXCs chỉ mới bắt đầu được triển khai.
1.2.1 Thiết bị đầu cuối (OLT)
Thiết bị đầu cuối OLT (Optical Line Terminator) là thiết bị được dùng ở
đầu cuối của một liên kết điểm nối điểm để ghép và phân kênh các bước sóng.
Xét về mặt cấu trúc thì thiết bị đầu cuối là một phần tử mạng tương đối đơn
giản. Ba phần tử chức năng bên trong một OLT gồm có: bộ tiếp sóng
(transponder), bộ ghép kênh các bước sóng (wavelength multiplexer) và bộ
khuếch đại (optical amplifier). Bộ tiếp sóng làm nhiệm vụ chuyển tiếp trong
mạng, nghĩa là làm cho tín hiệu đi vào từ người sử dụng thành một tín hiệu
phù hợp trong mạng. Và ở hướng ngược lại, nó cũng làm cho tín hiệu từ
mạng quang thành tín hiệu phù hợp với người sử dụng. Giao diện giữa người
13

dùng và bộ tiếp sóng có thể thay đổi phụ thuộc vào người sử dụng, tốc độ bit
và khoảng cách hoặc suy hao giữa người dùng và bộ chuyển tiếp. Giao diện
phổ biến nhất là SONET/SDH.

Hình 1.6: Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OLT [11]
Bộ chuyển tiếp này bao gồm nhiều chức năng, tín hiệu có thể chuyển đổi
thành bước sóng thích hợp hơn trong mạng quang. Các bước sóng được tạo ra
bởi bộ tiếp sóng tuân theo các tiêu chuẩn được đưa ra bởi Hiệp Hội Viễn
Thông Quốc Tế (ITU) là 1.55 µm, trong khi tín hiệu đến có thể là 1.3 µm.. Bộ
tiếp sóng có thể thêm vào các phần đầu (overhead) nhằm mục đích quản lý
mạng, cũng có thể thêm vào phần sửa lỗi hướng tới cho các tín hiệu 10Gbps
hoặc cao hơn. Bộ tiếp sóng điển hình cũng giám sát tỷ lệ lỗi bit của tín hiệu ở
các điểm đi vào và đi ra trong mạng. Vì những lý do này, bộ chuyển tiếp được
thực hiện qua quá trình chuyển đổi quang – điện – quang (O/E/O).
Trong hình 1.6, bộ chuyển tiếp chỉ cho theo hướng đi vào và bước sóng ở
hướng ngược lại được gửi trực tiếp đến hướng người dùng. Trong một số
trường hợp, ta có thể tránh sử dụng bộ tiếp sóng bằng cách thực hiện chức
năng chuyển tiếp bên trong thiết bị người dùng, như phần tử mạng SONET ở
hình 1.6 trên, điều này làm giảm được chi phí đáng kể.
Tín hiệu ra khỏi bộ tiếp sóng được ghép kênh với các tín hiệu khác ở các
bước sóng khác nhau sử dụng bộ ghép kênh theo bước sóng trên một sợi
14


quang. Thêm vào đó, bộ khuếch đại quang có thể được dùng để khuếch đại
công suất tín hiệu lên nếu cần thiết trước khi chúng được gửi đến bộ phân
kênh. Những bước sóng này lại được kết thúc trong một bộ tiếp sóng (nếu có)
hoặc kết thúc trực tiếp trong thiết bị người sử dụng.

Cuối cùng, OLT cũng kết thúc một kênh giám sát quang (OSC). OSC
được mang trên một bước sóng riêng lẻ, khác với bước sóng mang lưu lượng
thực sự. Nó dùng để giám sát thực hiện của các bộ khuếch đại dọc theo liên
kết cũng như cho các chức năng quản lý khác.
1.2.2 Bộ khuếch đại quang
Các bộ khuếch đại được triển khai giữa các kết nối sợi quang ở những
khoảng cách định kỳ, điển hình từ 80 đến 120km, nhằm bù lại sự suy hao tín
hiệu trên đường truyền sợi quang. Trước khi các bộ khuếch đại quang ra đời
thì lựa chọn duy nhất là tái tạo lại tín hiệu, nghĩa là nhận tín hiệu và sau đó
phát lại nó. Quá trình này được thực hiện bởi các bộ lặp tái sinh. Một bộ lặp
truyền tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khôi phục lại sau đó chuyển thành
tín hiệu quang để truyền tiếp. Điều này hạn chế tính trong suốt và làm tăng
chi phí bảo trì của hệ thống. Kỹ thuật khuếch đại quang chiếm ưu thế hơn
nhiều các bộ lặp. Bộ khuếch đại quang không phụ thuộc vào tốc độ bit và các
định dạng tín hiệu. Hệ thống sử dụng khuếch đại quang có thể dễ dàng nâng
cấp hơn nhiều. Hơn nữa các bộ khuếch đai quang có băng thông lớn nên có
thể dùng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM, nếu không với mỗi
bước sóng ta phải sử dụng một bộ lặp.
Loại khuếch đại quang điển hình là bộ khuếch đại quang sợi EDFA
(Erbium Doped Fiber Amplifier – khuếch đại quang sợi có pha tạp Erbium).
Bộ EDFA thực chất là sợi quang pha tạp có chức năng khuếch đại được tín
hiệu ánh sáng, chúng có thể thay đổi các đặc tính vật lý của sợi theo nhiệt độ,

15