CHUONG5 MẠNG WDM.DOC

đồ án tốt nghiệp công nghệ ghép kênh quang WDM
Chơng 5: Mạng WDM
Chơng này sẽ xem xét về cấu trúc phân cấp của mạng WDM. Nhỏ nhất là mạng
LAN (Local Area Network), là mạng nội bộ, thờng đợc đấu theo cấu trúc hình sao. Mạng
MAN (Metropolitan Area Network) là mạng đô thị, thờng sử dụng cấu trúc vòng Ring.
Mạng WAN (Wide Area Network) là mạng diện rộng, thờng là mạng đờng trục trong
phạm vi toàn quốc, mạng WAN thờng sử dụng cấu trúc hình mắt lới. Tiếp đó đề cập đến
vấn đề phân phối bớc sóng trong mạng và vấn đề định tuyến các bớc sóng đó ra sao để
đạt đợc một mạng tối u; công nghệ điểm nút, sẽ đề cập đến 2 điểm nút là: điểm nút OXC
(Optical Cross Connect), và điểm nút OADM (Optical Add Drop Multiplexer). Phần cuối
của chơng sẽ xem xét cụ thể một mạng vòng Ring SHR/WDM có 4 nút trên thực tế.
I. Phân cấp mạng WDM.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
86
: đầu cuối quang

: cáp quang
đồ án tốt nghiệp công nghệ ghép kênh quang WDM
Nếu trong mạng WDM ứng dụng bộ biến đổi bớc sóng, thì kết cấu của mạng
WDM có thể phân cấp cũng có thể là không phân cấp, nếu không dùng bộ biến đổi bớc
sóng thì kết cấu mạng WDM là không phân cấp.
Trong mạng quang phạm vi rộng, kết cấu của nó thờng có 3 cấp. Cấp 0 là mạng
LAN sợi quang có số lợng rất lớn. Cấp 1 lá mạng MAN (khu vực đô thị) lấy thành phố
hay khu hành chính làm đơn vị, thờng có cự ly từ vài km đến vài chục km. Cấp 2 là mạng
WAN (khu vực rộng) thờng là mạng đờng trục trong phạm vi toàn quốc, cự ly thờng là
vài trăm đến vài nghìn km (nh hình 5.1). Trong đó cấp mạng khác nhau có các nhóm bớc
sóng không giống nhau, mạng con cùng cấp nhng không giao nhau có thể dùng cùng một
nhóm bớc sóng. Điều này thích ứng với tình hình thông itn hiện nay. Trung tâm các tỉnh,
có thể hình thành mạng truyền dẫn đờng dài cấp 2, trung tâm các khu có thể tạo thành
mạng tại chỗ cấp 1, ở chỗ ranh giới giữa cấp 2 và cấp 1 sử dụng công nghệ chuyển đổi b-
ớc sóng sẽ nâng cao hiệu suất sử dụng bớc sóng.

Các cấp mạng sử dụng kết cấu cũng không giống nhau, mạng LAN cấp 0 thờng có
đờng kính mạng nhỏ, trễ truyền dẫn nhỏ, độ lu thoát phải cao. Do đó thờng sử dụng kết
cấu hình sao, thuê bao trong mạng có thể dùng bớc sóng đơn nhất, cũng có thể dùng
nhiều bớc sóng, giữa các thuê bao dùng giao thức điều khiển phơng tiện để giải quyết vấn
đề dùng chung tài nguyên. Mạng khu vực thành thị cấp 1 sẽ liên kết nhiều mạng con cấp
0 với nhau thành mạng cấp trung, phần lớn dùng kết cấu hình vòng. Mạng ở khu vực rộng
cấp 2 có đờng kính mạng lớn, trễ truyền dẫn lớn, thờng dùng kết cấu mạng hình lới.
Hình 5.1. Cấu trúc phân cấp của mạng quang WDM
Căn cứ cấu trúc phân cấp khác nhau, có 2 kiểu mạng WDM là mạng một chặng và
mạng nhiều chặng. Đặc điểm của mạng một chặng là trễ nhỏ, bất kỳ 2 thuê bao nào cũng
có thể thông tin trực tiếp, nhng mạng một chặng có yêu cầu cao đối với linh kiện quang.
Mạng nhiều chặng có thể duy trì mạng chuyển mạch gói của phần lớn thuê bao, do phải
chuyển tiếp gói nhiều lần qua các chặng nên trễ trung bình tơng đối lớn.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
87
cấp 2
cấp 1 cấp 1
cấp 0 cấp 0 cấp 0 cấp 0
OT OT
: đầu cuối quang

: cáp quang
OT
đồ án tốt nghiệp công nghệ ghép kênh quang WDM
Khi điểm nút hoặc định tuyến của mạng có sự cố, có thể nối vòng qua kênh bị
nghẽn để duy trì thông tin. Điều này phải thực hiện bằng cách xây dựng một số định
tuyến vòng trong giai đoạn thiết lập cấu trúc mạng, nhng xây dựng định tuyến vòng thì
phải tăng lợng tiêu hao tài nguyên mạng, cho nên có thể xem xét, chỉ xây dựng định
tuyến vòng đối với một số mạng quan trọng.
Ngoài ra sử dụng định tuyến quang chọn bớc sóng, vừa có thể tự động chuyển đổi

để bảo vệ kênh quang, lại vừa có kênh quang chọn định tuyến tốt nhất và xử lý dòng số
truyền dẫn dung lợng cao nhất thông qua OADM và OXC, còn xử lý và truyền dẫn dòng
tốc độ bít thấp dành cho ADM điện và DXC điện. Theo sự hoàn thiện của công nghệ
chuyển mạch quang và xử lý quang, lấy truyền dẫn quang làm phơng tiện để chuyển
sang mạng viễn thông toàn quang. Cho nên việc đa công nghệ WDM vào mạng thông tin
quang là biện pháp nâng cấp mở rộng dung lợng hữu hiệu, hơn nữa là bớc đi đầu tiên h-
ớng tới mạng viễn thông toàn quang trong suốt.
II. Hai kiểu chuyển mạch của mạng WDM
Mạng ghép kênh quang có 2 kiểu chuyển mạch: chuyển mạch kênh quang (Circuit
- Switching) và chuyển mạch gói quang (Packet - Switching). Từ đó hình thành 2 hình
thức mạng ghép kênh bớc sóng, tức mạng WDM chuyển mạch kênh quang (Circuit -
Switched WDM Network) và mạng WDM chuyển mạch gói quang (Packet-Switched
WDM Network).
a) Mạng WDM chuyển mạch kênh quang
Hiện nay đợc nghiên cứu nhiều nhất là mạng WDM chuyển mạch kênh quang, nó
cũng là mạng gần thực tế nhất. ở nớc Mỹ, Nhật Bản và một số nớc châu Âu đã xây dựng
mạng thực nghiệm WDM chuyển mạch kênh quang.
Xét từ cấu trúc của mạng thì có 2 hình thức mạng WDM chuyển mạch quang: một
là mạng quảng bá và lựa chọn, cũng tức là mạng kết cấu hình sao, hai là mạng bớc sóng
dò đờng.
- Mạng quảng bá và lựa chọn:
Trong mạng quảng bá và lựa chọn, các điểm nút đợc nối với nhau thông qua sợi
quang và bộ phối ghép không nguồn hình sao, mỗi điểm nút đợc phân bổ bớc sóng khác
nhau. Tín hiệu phát đi với đặc tính bớc sóng của từng điểm nút và đợc hội tụ lại qua bộ
phối ghép, sau khi phân luồng đi tới đầu thu tin ở các điểm nút, dùng máy thu có điều
chỉnh ở mỗi điểm nút để lựa chọn thu. Trong đó máy phát ở các điểm nút có tần số cố
định; máy thu có thể điều chỉnh đợc. Chú ý ở đây, điểm nút thu muốn nhận đợc tin tức
của điểm nút phát nào đó, phải dùng máy thu để điều chỉnh bớc sóng thu giống với bớc
sóng phát, điều này cần tới giao thức điều khiển thăm dò phơng tiện (giao thức MAC).
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT

88
đồ án tốt nghiệp công nghệ ghép kênh quang WDM
Vì bộ phân phối ghép hình sao và đờng kết nối sợi quang không có nguồn, cho
nên loại mạng này rất tin cậy và dễ điều khiển. Nhng mạng quảng bá và lựa chọn có 2
điểm yếu rõ ràng: một là mạng này rất lãng phí năng lợng quang, bởi vì năng lợng quang
của mỗi tín hiệu cần truyền dẫn hầu nh đợc chia đều cho tất cả các điểm nút của mạng;
hai là mỗi điểm nút đều cần có một bớc sóng khác nhau, mà hiện nay số bớc sóng là có
hạn, cho nên số điểm nút trong mạng cũng có hạn. Vì vậy mạng quảng bá và lựa chọn
chỉ thích hợp dùng trong mạng LAN.
- Mạng bớc sóng dò đờng.
Trong mạng bớc sóng dò đờng, tín hiệu trên bớc sóng nhất định đợc trực tiếp dò đ-
ờng đến điểm nút đích, mà không phải là quảng bá đến toàn mạng. Nh vậy giảm đợc tổn
thất năng lợng quang của tín hiệu, đồng thời sử dụng một bớc sóng nhiều lần tại các bộ
phận không trùng lặp của mạng.
b) Mạng WDM chuyểm mạch gói:
Cốt lõi của hệ thống chuyển mạch là chọn, định tuyến bớc sóng tức là tất cả
những tế bào tin đi tới tất cả đầu ra chuyển mạch, ở đó, chỉ chọn tế bào tin có một bớc
sóng nhất định. Hiện nay thực hiện bằng công nghệ chuyển mạch điều khiển điện quang
nh hình 5.2.
Hình 5.2. Sơ đồ hệ thống chuyển mạch bớc sóng quang ATM
Trớc hết lấy header (mào đầu) xuống từ tế bào nhóm quang trên sợi quang vào,
biến đổi quang/điện, sau khi qua xử lý số, căn cứ vào thông tin địa chỉ tơng ứng để tạo
tín hiệu điều khiển, mạch điện điều khiển xử lý thống nhất đối với header của các tế bào
trên đờng dây vào.
Mạch điện điều khiển có 2 chức năng: chọn tuyến và điều khiển trễ tế bào quang.
Khi chọn tuyến thì mạch điện điều khiển căn cứ vào thông tin địa chỉ trong mào đầu của
tế bào quang, quyết định trị số bớc sóng của tế bào đó sau khi đi qua bộ biến đổi bớc
sóng, mỗi một bớc sóng tơng ứng với một đầu ra. Khi tế bào quang đi qua bộ biến đổi b-
ớc sóng rồi thông qua bộ phối ghép hình sao tới bộ lọc quang ở mỗi đầu ra, bộ lọc quang
chỉ chọn ra bớc sóng nhất định, nghĩa là tế bào quang cần phải đến đầu ra đó.

Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
89
Biến đổi
bước sóng
Biến đổi
bước sóng
Bộ
phối
ghép
Bộ
phối
ghép
Ma
trận
khoá
quang
Ma
trận
khoá
quang
Bộ
phối
ghép
Bộ
phối
ghép
Bộ trễ quang
(OT)
Bộ trễ quang
[(O-1)T]

Bộ
phối
ghép
Bộ lọc
quang
Bộ lọc
quang
Bộthăm dò
Bộ thăm dò
Mạch điện điều khiển
1
n
1
n
1
:
:
:
:
:
:
:
:
Q
1
Q
1
Q
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
:
:
đồ án tốt nghiệp công nghệ ghép kênh quang WDM
Khi 2 tế bào quang từ trên 2 dây vào khác nhau cùng đến một đầu ra thì sẽ gây ra
sự xung đột trên dây ra, về phân chia bớc sóng, nó biểu hiện là trên kênh quang cùng
một bớc sóng đồng thời có 2 tế bào quang đến từ 2 nguồn khác nhau. Để giải quyết xung
đột trên dây ra, cần phải có thêm môđun trễ tế bào quang. Môđun trễ tế bào quang do
giao diện quang và dây trễ sợi quang hợp thành, chiều dài dây trễ của sợi quang là 1T,
2T,..., (Q-1)T (với T là chu kỳ của một tế bào ATM). Khi có hai tế bào quang cùng tranh
chấp một dây ra thì mạch điện điều khiển xử lý header của 2 tế bào quang có thể biết đợc
tin tức này, mạch điện sẽ điều khiển cổng quan tơng ứng, làm cho một tế bào trong đó
không có trễ, 1 tế bào khác qua một đoạn dây trễ sợi quang tơng đơng với thời gian
truyền dẫn của 1 tế bào, nh vậy đã giải quyết đợc vấn đề xung đột trên dây ra.
Một điểm khó khăn khi thực hiện mạng WDM chuyển mạch gói là thiếu sự hỗ trợ
cần thiết của linh kiện quang, trên lý thuyết và trên thực tế còn cách xa nhau rất nhiều.
III. Điểm nút của mạng WDM
Về cơ bản có thể chia điểm nút của mạng thông tin ra làm hai loại là: điểm nút
đầu cuối và điểm nút trung gian, trong mạng WDM nói đến công nghệ điểm nút thì chủ
yếu là điểm nút trung gian, bao gồm các điểm nút nối chéo quang (OXC- Optical Cross
Connection), các điểm nút tách/ ghép kêng quang (OADM- Optical Add/Drop
Multiplexer) và các điểm nút hốn hợp (là các điểm nút có đồng thời chức năng của OXC
và OADM).

a) Điểm nút OXC:
Chức năng của điểm nút OXC tơng tự nh chức năng nối chéo tín hiệu số của thiết
bị DXC (Digital Cross Connection) trong mạng SDH, chỉ khác là OXC thực hiện việc nối
chéo tín hiệu trên miền quang, không cần thực hiện chuyển đổi quang điện/ điện quang
và xử lý tín hiệu điện, cho nên tốc độ xử lý rất nhanh, đáp ứng đợc mạng thông tin tốc độ
cao và hớng tới một mạng hoàn toàn quang. Nh vậy sẽ tạo ra nhiều dịch vụ mới, mang lại
lợi ích cho cả nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng.
Điểm nút OXC đợc chia ra thành điểm nút OXC động và điểm nút OXC tĩnh.
Trong điểm nút OXC tĩnh, trạng thái nối vật lý của các kênh tín hiệu quang khác nhau là
cố định, u điểm của nó là rễ thực hiện về công nghệ. Trong điểm nút OXC động trạng
thái nối vật lý của các kênh tín hiệu quang khác nhau có thể thay đổi theo yêu cầu tức
thời, mặc dù rất khó thực hiện về công nghệ, nhng đó chính là tiền đề quan trọng để thực
hiện chức năng then chốt của mạng thông tin quang WDM nh: chọn tuyến động, khôi
phục cấu hình theo thời gian thực, mạng tự hồi phục....). Trong điểm nút OXC, kỹ thuật
biến đổi bớc sóng là rất quan trọng vì nó giúp giảm nghẽn của mạng lới, thực hiện kết nói
định tuyến ảo, và tận dụng tối đa tài nguyên băng tần của sợi quang....
Một số công nghệ đợc đề xuất cho module chuyển mạch quang nh:
- Công nghệ quang-cơ (optomechanical)
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
90
đồ án tốt nghiệp công nghệ ghép kênh quang WDM
- Công nghệ lái tia (beam steering)
- Quang nhiệt Polyme (polyme thermo-optic)
- Quang nhiệt Silic (silica thermo-optic)
- Công nghệ vi mạch quang Silic kết hợp bơm nhiệt (silic planar lightwave
circuits anh thermo inkjet).
Mỗi loại công nghệ đều có nhng u điểm và nhợc điểm riêng. Cha có một công
nghệ nào đáp ứng đợc toàn bộ các yêu cầu ứng dụng của một hệ thống hoàn toàn quang.
Dới đâylà sơ đồ khối của bộ kết nối chéo quang OXC:
Hình 5.3. OXC với ma trận chuyển mạch N

ì
N
Ma trận chuyển mạch N
ì
N là một kết cấu chuyển mạch động với nhiệm vụ kết
nối bất cứ N bớc sóng của sợi quang đầu vào với bất cứ một bớc sóng quang nào trên sợi
quang đầu ra trong hệ thống WDM. OXC đóng vai trò là một thiết bị định tuyến bớc
sóng, là một thiết bị chuyển mạch bảo vệ mạng quang, và kết nối các vòng Ring....
Để thực hiện một OXC cỡ lớn, không bị tắc nghẽn trong mọi cấu hình mạng, hình
5.4 minh hoạ OXC theo kiểu ghép nối nhiều trờng chuyển mạch N
ì
N với nhau. Nếu M
là số lợng sợi và N là số lợng bớc sóng trong mỗi sợi thì một cấu trúc OXC cỡ lớn sẽ cần
M module chuyển mạch vuông cấp N
ì
N.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
91
Demultiplexer
Multiplexer
Signal in Signal out

1
,
2
, ...,
n

1
,

2
, ...,
n
Optical cross
connect

1

n
.
.
.
.
.
.

1

n
NN switch









Wavelength

cross connect
Local traffic
đồ án tốt nghiệp công nghệ ghép kênh quang WDM
Hình 5.4. Cấu trúc OXC dung lợng lớn
Hình 5.5. Ví dụ về một ma trận chuyển mạch quang
sử dụng trong điểm nút OXC
b) Điểm nút OADM:
Chức năng của điểm nút OADM tơng tự nh bộ ghép kênh tách nhập ADM (Add
Drop Multiplexer) trong mạng SDH, nhng đối tợng thao tác trực tiếp là tín hiệu quang.
ADM sử dụng bộ ghép/tách kênh tín hiệu điện, thực hiện việc ghép kênh TDM để ghép
hoặc tách các luồng tín hiệu với các tốc độ chuẩn của SONET/SDH vào luồng chính hoặc
từ luồng chính ra. Chỉ có các luồng dữ liệu cần thiết mới đợc truy nhập, dữ liệu mới đợc
chèn vào luồng với dụng lợng tối đa bằng dung lợng cho phép còn lại của mạng. Sau đó l-
u lợng này đợc chuyển tới nút tiếp theo. Trong các nút OADM, dữ liệu cần tách/ ghép đ-
ợc truy nhập thông qua việc lọc lấy một số bớc sóng quang từ luồng tín hiệu đa bớc sóng
trên sợi quang tại nút, hoặc một số bớc sóng quang đợc ghép vào luồng tín hiệu trên sợi
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
92
đồ án tốt nghiệp công nghệ ghép kênh quang WDM
tại nút đó (xem hình 5.6). Trong mạng quang WDM, thiết bị OADM coi nh trong suốt
đối với toàn bộ lu lợng thuộc các kênh mà không có nhu cầu tách hoặc ghép. Mỗi kênh b-
ớc sóng (tơng ứng với các tốc độ chuẩn khác nhau của SONET/SDH) có thể đợc tách
hoặc ghép mà không cần đến các tín hiệu tách ghép TDM trong lớp điện.
Nhờ tính năng của thiết bị tách/ ghép bớc sóng mà các nhà cung cấp dịch vụ có thể
cho thuê một số bớc sóng mang nào đó, nó sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với
việc cho thuê cả một sợi quang. Điểm nút OADM có thể chia làm hai loại là: điểm nút
OADM tĩnh và điểm nút OADM động. Trong điểm nút OADM tĩnh, thực hiện việc
xen/rẽ các bớc sóng cố định. Trong điểm nút OADM động, có thể căn cứ vào nhu cầu để
chọn tín hiệu quang có bớc sóng xen/rẽ khác nhau.
Hầu hết các chức năng chính của mạng quang đợc thực hiện tại nút OADM. mô

hình chung của một nút OADM gồm các phần tử nh: module xen/rẽ bớc sóng có thể điều
chỉnh đợc; các module bù tán sắc điều chỉnh theo từng kênh DEM (Disperation
Equalizier Module); các thiết bị giám sát quang OPM (Optical Performance Monitor).
Mỗi module này sử dụng sợi cách tử Bragg hay các phần tử dẫn sóng AWG nh là các
thành phần công nghệ chính, nên chúng có đợc các u điểm nh suy hao thấp và thiết bị đợc
tích hợp nhỏ gọn.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT
93
Tunable OADM
OA OA
OPM OPM
OPM
Tunalble DEM Tunalble DEM
OPM
Tín
hiệu
WDM
Tín hiệu
WDM tới
nút tiếp
theo
Demultiplexer
Multiplexer
Red
wavelengths
Blue
wavelengths
đồ án tốt nghiệp công nghệ ghép kênh quang WDM
Hình 5.6. Sơ đồ vị trí các thiết bị trong một nút OADM
Thiết bị OADM nh trên hình 5.6 có thể cho phép xen hoặc rẽ một kênh bớc sóng

đơn hoặc nhiều kênh bớc sóng đồng thời. Trong tơng lai, khi vai trò của lớp chuyển mạch
định tuyến đợc chuyển dần cho lớp quang thì thiết bị OADM cần có một quá trình
chuyển giao từ cấu hình tĩnh sang cấu hình động (hiện nay lớp điện vẫn đóng vai trò
chuyển mạch chính: các tín hiệu quang đợc chuyển thành các tín hiệu điện, thực hiện
chuyển mạch ATM, hoặc định tuyến IP, rồi đợc chuyển lại thành tín hiệu quang và
truyền đi). Khi đó, các thiết bị OADM này sẽ cho phép chuyển luồng số có bớc sóng này
sang một bớc sóng khác nếu chẳng may mạng gặp sự cố tại một nhánh nào đó, do đó
tránh đợc mất thông tin. Hoặc việc chuyển bớc sóng mang này nhằm mục đích cân bằng
lu lợng giữa các nhánh của mạng để đạt đợc hiệu quả cao nhất cho mạng lới, từ đó cải
thiện đợc hiệu quả truyền thông.
Các kỹ thuật sử dụng trong OADM hiện tại chủ yếu dựa trên các bộ lọc điện môi
mỏng, các bộ lọc quang âm điều chỉnh đợc, các bộ dịch pha định tuyến bớc sóng AWG,
hoặc sợi cách tử Bragg.
Với các bộ lọc điện môi, thiết bị OADM đạt đợc khoảng cách giữa các kênh là
100 GHz và lớn hơn, còn với khoảng cách kênh là 50 GHz thì bộ lọc điện môi cha thể
đáp ứng đợc. Các bộ lọc quang âm mặc dù có u điểm là phạm vi điều chỉnh bớc sóng
rộng, song lại bị hạn chế bởi các đặc tính không thích hợp của bộ lọc băng thông. Các bộ
dịch pha bớc sóng AWG mặc dù có u điểm cho các hệ thống có mật độ kênh cao, nhng
chúng vẫn có suy hao xen lớn, cũng có các đặc tính về băng thông cha thật hoàn hảo.
Cách tử Bragg là một triển vọng tốt cho các thiết bị OADM có khoảng cách kênh là 50
GHz với suy hao thấp, đặc tính phổ bộ lọc tơng đối tốt.
Module OPM (Optical Performance Moniter) có nhiệm vụ đo đạc các thông số
của kênh nh: bớc sóng làm việc, công suất của kênh, tỷ số S/N, số lợng kênh đang hoạt
động, khoảng cách giữa các kênh, độ khuếch đại và độ gợn khuếch đại.... nhằm mục đích
nhằm giám sát rồi thông báo cho module điều khiển hiệu chỉnh các thông số trên cho phù
hợp. Thực chất OPM nh một máy phân tích quang phổ, thực hiện phân tích và đo phổ của
nguồn tín hiệu. Yêu cầu đối với OPM là phải có độ tin cậy cao, tốc độ phân tích và đo
đạc cao để các bản tin của nó đa ra phản ảnh chính xác tình trạng của mạng, chính vì vậy
việc thiết kế OPM trên mạng là hết sức quan trọng.
Sinh viên: Phùng Văn Lơng - Lớp D97 VT

94
Red
Red wavelength
add/drop
Blue
Blue wavelength
add/drop
DCM
DCM
MOR MOR
Red wavelength
Blue wavelength
Optical add/drop
Coupler
Red
wavelengths
Blue
wavelengths