Điều khiển tắc nghẽn trong mạng vdm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.09 MB, 142 trang )
Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
Trường Đại Học Bách Khoa
-----o0o-----
NGUYỄN TƯỞNG DUY
ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN
TRONG MẠNG WDM
( CONGESTION CONTROL IN WDM NETWORK )
CBHD: TS. PHẠM HỒNG LIÊN
Chuyên ngành: Kỹ thuật vơ tuyến điện tử
Khóa
: 14
Mã số ngành : 2.07.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2005
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: ...............................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: ...............................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ...............................................................................
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ......... tháng ......... năm ..........
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
TPHCM, ngày
tháng
năm 2005
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ
Họ tên học viên:
NGUYỄN TƯỞNG DUY
Ngày tháng năm sinh:
01/01/1980
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VÔ TUYẾN – ĐIỆN TỬ
I. TÊN ĐỀ TÀI :
Phái:
Nam
Nơi sinh:
Quảng Ngãi
MSHV:
01403313
ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG WDM.
......................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tìm hiểu các giải pháp tối thiểu xác suất tắc nghẽn trong mạng WDM bao gồm :
Các giải thuật định tuyến và gán bước sóng.
Các kỹ thuật chuyển đổi bước sóng.
Thực hiện mơ phỏng các giải thuật kiến nghị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
:
19-1-2005
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ
:
30-6-2005
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
:
TS.PHẠM HỒNG LIÊN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM NGÀNH
BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
Nội dung và đề cương luận văn Thạc sĩ đã được Hội đồng Chun ngành thơng qua.
Ngày tháng năm 2005
PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH
KHOA QUẢN LÝ NGÀNH
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN
HỌ VÀ TÊN:
NGUYỄN TƯỞNG DUY
NGÀY THÁNG NĂM SINH:
01 tháng 01 năm 1980
NƠI SINH:
Quảng Ngãi
ĐỊA CHỈ LIÊN LẠC:
Phịng 302G c.c Bàu Cát 2-Tân Bình- Thành phố Hồ Chí Minh
Q TRÌNH ĐÀO TẠO:
Từ năm 1997 đến năm 2002: học Đại học tại trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học
Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh (ngành Điện – Điện tử). Điểm luận văn : 9.57. Tốt nghiệp
loại Giỏi
Từ năm 2003 đến năm 2005: học Cao học tại trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học
Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh (chuyên ngành Kỹ thuật vơ tuyến điện tử)
Q TRÌNH CƠNG TÁC:
Từ năm 2002 đến nay (07/2005): là giảng viên Khoa Điện – Điện tử thuộc trường Đại
học Bán công Tôn Đức Thắng – Thành phố Hồ Chí Minh.
CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ:
“Nhận dạng tiếng nói Việt dùng Wavelets và Neural network” – TS. Lê Tiến Thường,
KS. Nguyễn Tưởng Duy, KS. Lư Mỹ Linh – Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 8 – Đại
học Bách Khoa TPHCM.
Đang tham gia đề tài“Quản lý lưu lượng trong mạng thông tin”, đề tài nghiên cứu
cấp bộ do TS Phạm Hồng Liên làm chủ nhiệm đề tài.
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin gởi đến cô Phạm Hồng Liên sự kính trọng và lịng
biết ơn sâu sắc về sự dìu dắt, dạy bảo, hướng dẫn tận tình.
Em cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô đã tận tình chỉ bảo và
truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt hai năm cao học
ngành Kỹ Thuật Vơ Tuyến Điện Tử, Khóa 14, Đại Học Bách Khoa
Thành Phố Hồ Chí Minh.
Cuối cùng, chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ tạo
điều kiện trong q trình thực hiện luận văn này.
TP.Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2005
Nguyễn Tưởng Duy
~
Chương 1
Tổng quan về mạng truyền dẫn quang
CHƯƠNG 1
1. TỔNG QUAN MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG
1.1 Sơ lược về mạng viễn thông
Một mạng viễn thông bao gồm những nút là thiết bị viễn thông đầu cuối hoặc những nút
mạng và những liên kết nối liền các nút với nhau. Một mạng truy cập nối những thiết bị đầu
cuối đến những nút mạng; một mạng đường trục nối những nút mạng với nhau. Một mạng
truy cập có thể là mạng điểm-điểm, hoặc một mạng mơi trường dùng chung. Hình 1 trình bày
một mạng truy cập dùng chung dạng bus trong đó thiết bị đầu cuối phải tranh chấp tài nguyên
của môi trường dùng chung và cho nên kỹ thuật truy cập song song là cần thiết.
Trong bất kỳ sự phân cấp tự nhiên giữa một mạng truy cập và một mạng đường trục, một
mạng viễn thông là cấu trúc kiểu level-by-level. Thông thường, những mạng AT&T có sử
dụng 5 mức phân cấp, những mạng viễn thông hiện thời chỉ sử dụng 3 mức, đó là :
9 Chuyển mạch.
9 Toll.
9 End-office.
Có 3 kỹ thuật chuyển mạch trong mạng viễn thông:
9 Chuyển mạch mạch.
9 Chuyển mạch gói.
9 Chuyển mạch tế bào.
Những mạng chuyển mạch mạch đề ra dịch vụ hướng tới kết nối, nơi mà kết nối được thiết
lập từ đầu cuối đến đầu cuối trước khi thông tin được truyền đi và giới hạn tài nguyên được
dành riêng cho toàn bộ khoảng thời gian kết nối. Trong những mạng chuyển mạch mạch, sự
trì hỗn xuất hiện trước khi và sau khi thơng tin được truyền, nhưng khơng có sự trì hỗn
thêm và khơng có mào đầu trong suốt thời gian thơng tin được truyền.
Những mạng chuyển mạch gói đề ra dịch vụ hướng tới khơng kết nối trong đó khơng có thiết
lập kết nối và khơng có hạn chế tài ngun. Nó cũng đề ra cho dịch vụ hướng tới kết nối mà
trong đó kết nối ảo được thiết lập từ đầu cuối đến đầu cuối trong khi thông tin được truyền
những nơi đó khơng có hạn chế tài ngun dành riêng. Dữ liệu được truyền từng gói riêng
biệt với những chiều dài khác nhau. Chuyển mạch gói hướng tới khơng kết nối yêu cầu mang
thông tin địa chỉ nơi đến, chuyển mạch gói hướng tới kết nối chi sử dụng địa chỉ mạng cục
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
1
~
Chương 1
Tổng quan về mạng truyền dẫn quang
bộ. Trong mạng chuyển mạch gói hướng tới khơng kết nối, nơi đó khơng có sự trì hỗn trước
khi dữ liệu được truyền, nhưng trong suốt thời gian truyền các gói phải mang mào đầu của
nó, bị trễ khi chờ đợi việc xử lý gói và có thể trải qua thời gian trễ xếp hàng (khi mà các gói
tranh chấp nhau cho tài ngun được nối với nhau).
Hình 1.1 Mạng viễn thơng
Chuyển mạch tế bào yêu cầu dịch vụ hướng tới kết nối, nơi mà kết nối ảo được thiết lập từ
đầu cuối đến đầu cuối trước khi dữ liệu được truyền, và nơi tài ngun dành riêng là có thể
nhưng khơng bắt buộc. Dữ liệu được truyền là những tế bào, mỗi tế bào có một chiều dài cố
định và địa chỉ cục bộ. Trong mạng chuyển mạch tế bào, mỗi cell mang thông tin mào đầu
phải chờ đợi khi xử lý thơng tin của các gói và có thể trải qua trì hỗn xếp hàng (nếu tài
ngun khơng có sẵn trước khi thực hiện kết nối).
Chuyển mạch
mạch
Sử dụng tài
nguyên mạng
Toàn vẹn dữ
liệu
Đảm bảo thời
gian thực
Linh hoạt
Các dạng lưu
lượng khác
nhau
Ứng dụng
Chuyển mạch gói
khơng kết nối
Chuyển mạch gói
định hướng kết nối
Chuyển
mạch tế bào
Khơng hiệu quả
Rất hiệu quả
Hiệu quả
Hiệu quả
Đảm bảo
Khơng đảm bảo
Đảm bảo
Có thể
Có
Khơng
Khơng
Có thể
Rất ít
Có
Rất tốt
Khơng
Tốt
Có
Tốt
Có
PSTN
IP,SS7
X25, Frame Relay
ATM
Bảng 1.1 : Các loại chuyển mạch và các đặc tính
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
2
~
Chương 1
Tổng quan về mạng truyền dẫn quang
Bảng 1.1 trình bày tóm tắt của chuyển mạch mạch chuyển mạch gói khơng hướng tới kết
nối, chuyển mạch gói hướng tới kết nối, chuyển mạch tế bào. Sự khác nhau của những kiểu
chuyển mạch mạch được so sánh với việc sử dụng tài nguyên của mạng, sự toàn vẹn dữ liệu,
đảm bảo thời thời gian thực, tính linh hoạt, những kiểu kênh lưu lượng khác nhau, và những
ứng dụng trong thực tế.
Mạng viễn thông đầu tiên như là mạng PSTN là những mạng hoàn tương tự, nhưng những
mạng ISDN và GSM là những mạng hoàn toàn số bao gồm các thiết bị đầu cuối và các phần
tử truy cập mạng. Những mạng chuyển mạch gói và chuyển mạch tế bào là những mạng
hồn số.
1.2 Sơ lược về truyền thơng quang học.
1.2.1 Các khái niệm
Chúng ta xét dữ liệu truyền qua sợi quang trong mục này trong suốt thời gian truyền dẫn
trong sợi quang, ánh sáng phát ra từ nguồn quang được ghép vào lõi sợi quang bằng nhựa hay
thuỷ tinh hình trụ, sau khi lan truyền dọc theo sợi quang đến một đầu thu khác.
Có hai loại nguồn sáng là Led (light-emitting diode) và ILD (injection laser diode), cả 2 đều
là vật liệu bán dẫn mà nó có thể tạo ra những chùm ánh sáng khi được điện áp. Led tương đối
rẻ và thời gian hoạt động dài. Led có thể hoạt động ở mức nhiệt độ cao hơn. ILD hoạt động
trên nguyên tắc cơ bản của tia laser và khả năng sinh ra dữ liệu tốc độ cao hơn với độ rộng
phổ tần nhỏ và ít bị sắc hơn. Mạng quang được đánh dấu bằng sự ra đời của laser điều chỉnh
bước sóng hoạt động trong vùng bước sóng 1,55um. “Tuneable” là thiết bị có thể tạo ra nhiều
ánh sáng với bước sóng khác nhau.
Hình 1.2 : Các dãi bước sóng có suy hao thấp cho truyền thơng WDM
Một máy thu quang là thiết bị bán dẫn mà nó tách sóng ánh sáng tạo ra dịng điện. Như vậy
nó làm việc ngược với LED. Thiết bị nhận quang có thể được mô tả giới hạn trong ba tham
số: hiệu suất máy thu, khoảng bước sóng quang, thời gian đáp ứng, và mức nhiểu tại máy thu.
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
3
~
Chương 1
Tổng quan về mạng truyền dẫn quang
Ba vùng băng thông với mức suy hao thấp được chọn sử dụng trong truyền dẫn quang, chúng
có tâm nằm ở các vùng: 0.85; 1.3; 1.55 um. Băng thông đầu tiên không được sử dụng nhiều,
nhưng nó chỉ cung cấp dữ liệu tốc độ thấp hơn cho khoảng cách giới hạn. Hai vùng băng
sóng khác được sử dụng trong hệ thống truyền dẫn WDM tốc độ cao. Hình 2.2 trình bày 2
vùng băng thông sử dụng trong hệ thống WDM với mức suy hao thấp, nó có thể cung cấp dải
thơng 50THz.
Trong hệ thống thông tin liên lạc, dữ liệu tương tự/số được truyền bằng phương pháp tín hiệu.
trình bày một ví dụ tín hiệu cơ bản liên tục, tín hiệu sóng since, mà có thể được đại diện bởi
ba tham số: biên độ (A); tần số (f); và phase ( ϕ ). Biên độ là giá trị đỉnh hoặc lớn nhất của tín
hiệu trong cả thời gian. Tần số là tốc độ mà tín hiệu lặp lại. Một tham số nửa liên quan là chu
kì của tín hiệu T mà được đo bằng khoảng thời gian của một chu kỳ. Pha là đại lượng đo
lường vị trí tương đối từ điểm quy chiếu bên trong một chu kì đơn của tín hiệu.
Hình 1.3 : Tín hiệu A sin(2πft + ϕ )
Bước sóng của tín hiệu đại diện cho chiều dài của một chu kì, khoảng cách của hai điểm của
pha tương ứng của hai chu kì liên tiếp. Bởi vậy bước sóng được định nghĩa là:
v
λ = v.T =
(1.1)
f
Mặt khác, tín hiệu số thì riêng chỉ gồm mức 0 và 1. Tín hiệu số khơng chỉ mang dữ liệu số mà
cịn mang dữ liệu liên tục được mã hố. Một tín hiệu số tuần hồn là sóng vng, mà có thể
chỉ đại diện bởi : A, f và ϕ .
Hình 1.4 Một xung vuông ( A, f , ϕ )
1.2.2 Sự suy hao trong truyền dẫn quang:
Hiện tượng mà cơng suất tín hiệu giảm dần trên khoảng cách xa khi tín hiệu truyền đi được
biết như là sự suy giảm. Khi có sự suy giảm, tín hiệu phải đủ mức cho phép để máy thu có thể
tách tín hiệu và vì thế chúng ta phải giữ cho mức tín hiệu ln cao hơn bất cứ tín hiệu nhiễu
nào trong kênh.
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
4
Chương 1
~
Tổng quan về mạng truyền dẫn quang
Công suất của tín hiệu có thể làm tăng bằng cách sử dụng bộ khuếch đại trong trường hợp
khoảng cách truyền dẫn xa. Cộng vào đó, sự suy giảm là một hàm tăng theo tần số. Hình 2
trình bày mức nhiễu thấp nhất trong sợi quang là 0.2dB/Km xuất hiện tại vùng 1.55um. bên
cạch điểm đó khi mà gia tăng băng thơng lên, thì sự suy hao được tăng lên một cách nhanh
chóng.
Sự suy hao trong sợi quang được biểu thị bởi công thức:
p'
N db = −10 log10
(1.2)
p
P và P’ biểu thị cho suy hao tính theo dB/Km, cơng suất tín hiệu đo đạt tại đầu ra sợi
quang/1Km, và đầu vào là công suất tín hiệu tương ứng.
1.2.3 Sự tán sắc
Sự tán sắc là hiệu ứng mà những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu truyền dẫn truyền
với những vận tốc khác nhau trong sợi quang.
Có nhiều kiểu tán sắc khác nhau trong truyền thông sợi quang. Bao gồm tán sắc trong sợi
quang đa mốt, tán sắc phân cực và tán sắc thể. Tán sắc đa mốt xuất hiện trong sợi quang đa
mốt, tín hiệu nó trải ra trong khoảng thời gian bởi vì vận tốc truyền của tín hiệu quang phát đi
không giống nhau cho tất cả các mốt.
Sự phân cực được mơ tả là sự định hướng của sóng ánh sáng. Những sự phân cực khác nhau
của ánh sáng truyền tại những tốc độ khác nhau xuyên qua sợi quang có thể là nguyên nhân
của sự tán sắc phân cực. Sự tán sắc sắc thể định rõ bước sóng lệ thuộc vào vận tốc phát đi
trên yếu tố chính vật liệu được chế tạo làm sợi quang. Số lượng tán sắc phụ thuộc vào bước
sóng. Sự tán sắc là một vấn đề, bởi vì nó dẫn đến kết quả giao thoa tín hiệu nếu sợi quang quá
dài. Một cách khác để giảm bớt tán sắc là gia tăng thêm khoảng cách giữa các xung ánh sáng,
nhưng cách này nó làm giảm vận tốc tín hiệu và làm giảm tốc độ dữ liệu.
1.2.4 Những hiệu ứng phi tuyến
Một hệ thống phi tuyến mô tả đầu ra như là một hàm tuyến tính của đầu vào. Khi mà cơng
suất nguồn quang bên trong sợi quang nhỏ như là hệ thống tốc độ bit thấp, sợi quang có thể bị
xem như là một mơi trường tuyến tính có nghĩa là tổn hao và chỉ số khúc xạ (RI) của sợi
quang thì độc lập với cơng suất tín hiệu. RI là một thuộc tính của lõi sợi quang và xác định
ánh sáng truyền đi trong sợi quang nhanh như thế nào. Đáp ứng sự gia tăng ngày càng cao
của tốc độ bit trong hệ thống WDM , công suất quang trong sợi quang phải tăng lên. Khi mà
công suất đạt đến mức khá cao trong hệ thống, tác động của hệ thống phi tuyến xuất hiện,
trong khi cả tổn hao và RI độc lập với cơng suất quang của tín hiệu trong sợi quang.
Hiệu ứng phi tuyến bao gồm hiệu ứng Kerr và hiệu ứng Scattering. Hiệu ứng Kerr nó quan hệ
giữa chỉ số khúc xạ và độ nhạy ánh sáng của tín hiệu. Điều này dẫn đến kết quả:
9 Tự điều chế pha, nơi mà bước sóng có thể trải ra vào trong những bước sóng kế
bên.
9 Điều chế xuyên pha, nơi những bước sóng khác nhau trải ra vào trong lẫn nhau.
9 Trộn bốn bước sóng, nơi mà một vài bước sóng tương tác tạo ra bước sóng mới.
Những hiệu ứng tán xạ liên quan đến sự tổn hao và kích thích tín hiệu vì nó liên quan giữa
ánh sáng và sợi. Hiệu ứng tán xạ bao gồm hiệu ứng Raman và hiệu ứng Brillouin. Nguồn
phát lại bước sóng dài hơn tùy vào sự suy hao. Những hiệu ứng phi tuyến nói chung là khơng
tốt một khi chúng làm cho tín hiệu rất khó để mà thu, và điều này có thể giải thích cho sự sai
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
5
Chương 1
~
Tổng quan về mạng truyền dẫn quang
tín hiệu tại máy thu. Tuy nhiên, tán xạ Raman làm tăng công suất tín hiệu bởi vậy nó rất hữu
dụng cho các ứng dụng.
1.2.5 Sự xuyên âm
Xuyên âm mô tả sự ghép khơng mong muốn giữa tín hiệu quang này với tín hiệu quang khác.
Xuyên âm trong truyền dẫn quang được biết khơng chỉ là sự ghép tín hiệu quang. Sự xun
âm lẫn nhau giữa các kênh xuất hiện khi có hai tín hiệu quang giao thoa nhau có bước sóng
khác nhau. Sự xuyên âm giữa các kênh có thể xảy ra khi hai nguồn sáng truyền dẫn sử dụng
cùng một bước sóng (hoặc bước sóng gần, và một số lượng nhỏ của tín hiệu một sẽ lẫn sang
máy thu hai.
Xuyên âm cũng có thể xảy ra khi ở đó có nhiều đường cho một tín hiệu quang. Trong trường
hợp này, ánh sáng bị rò rỉ vào trong những đường luân phiên. Tín hiệu rẽ nhánh cũng đến
máy thu và vì thế gây lẫn lộn tại máy thu.
1.3 Chuyển mạch quang
Chúng ta sẽ mô tả chuyển mạch quang và những khái niệm liên quan đến mạng trong phần
này. Những khái niệm này có tác động đến việc tính tốn tìm đường, thiết lặp đường, truy cập
bước sóng và mạng WDM và các thiết bị.
Những miền chuyển mạch: có vài kiểu của kỹ thuật chuyển mạch quang được phân loại bởi
miền chuyển mạch.
9 Chuyển mạch sợi: những sự chuyển mạch vào sợi bao gồm tất cả các kênh bước
sóng trên sợi đến một đầu ra sợi.
9 Chuyển mạch bước sóng: là sự chuyển đổi tập hợp những bước sóng thành một
bước sóng tới một đầu ra của sợi.
9 Chuyển mạch bước sóng phụ: trong trường hợp của lưu lượng tổng hợp, chuyển
mạch tải bước sóng phụ đến đầu ra của sợi. Ví dụ: khe thời gian TDM.
9 Chuyển mạch không gian: sự chuyển mạch 1 tín hiệu từ một đầu vào của một cổng
đến một vài cổng đầu ra khác.
9 Chuyển mạch thời gian: những đầu vào được cho vào một khe thời gian để chứa
một tín hiệu. Chuyển mạch thời gian được sử dụng phối hợp với các kỹ thuật
chuyển mạch khác.
1.3.1 Chuyển mạch quang phân chia theo không gian
Đây là loại chuyển mạch quan trọng nhất và có hai loại cấu hình. Loại thứ nhất có cổng ra
được lựa chọn trực tiếp và về ngun tắc khơng có suy hao chuyển mạch. Cổng ra được lựa
chọn nhờ điều khiển chiết xuất của ống dẫn sóng. Chiết xuất thay đổi nhờ dịng phun, nhờ
điện trường ngoài và nhờ nhiệt. Loại thứ hai có tín hiệu vào được phân chia đều cho các cổng
ra và các thiết bị cổng lựa chọn cổng ra theo u cầu. Trong trường hợp này, cơng suất tín
hiệu phân chia cho các tuyến khơng lựa chọn và có suy hao chuyển mạch. Tuy nhiên nó có
khả năng nối các tuyến ra đồng thời. Bộ khuếch đại quang bán dẫn và bộ điều chế hấp thụ có
thể được sử dụng làm thiết bị cổng. Bộ khuếch đại quang bù lại suy hao của ống dẫn sóng
bán dẫn và suy hao chuyển mạch.
Tốc độ chuyển mạch và kích cỡ ma trận chuyển mạch của chuyển mạch khơng gian điển hình
được thể hiện trong hình 1.5.
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
6
~
Chương 1
Tổng quan về mạng truyền dẫn quang
Ống dẫn sóng suy hao rất thấp thích hợp với cấu trúc ma trận chuyển mạch cỡ lớn được chế
tạo nhờ sử dụng thạch anh và dựa vào các mạch sóng ánh sáng phẳng (PLC). Ma trận chuyển
mạch quang 16x16 đã được chế tạo nhờ công nghệ PLC gồm 256 chuyển mạch cơ bản 2x2
loại Mach - Zehnder. Loại chuyển mạch này sử dụng nhiệt - quang để thay đổi chiết xuất của
PLC nên tốc độ chuyển mạch nằm trong phạm vi mili giây (ms). Trong những năm gần đây
đã sử dụng ống dẫn sóng và các thiết bị cổng logic để chế tạo các ma trận chuyển mạch phân
chia khơng gian.
Hình 1.5 : Tốc độ chuyển mạch phụ thuộc kích cỡ ma trận chuyển mạch
1.3.2 Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng
Kỹ thuật này cho phép ghép thêm nhiều bước sóng để có thể truyền trên một sợi quang,
khơng cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng. Cơng nghệ WDM có thể mang đên giải
pháp hồn thiện nhất trong điều kiện cơng nghệ hiện tại. Thứ nhất nó vẫn giữ tốc độ xử lý của
các linh kiện điện tử ở mức 10 Gbps, bảo đảm thích hợp với sợi quang hiện tại. Thay vào đó,
cơng nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửu sổ làm việc của sợi quang trong
khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm. Khoảng bước sóng này được chia làm nhiều băng
sóng hoạt động như minh hoạ trên bảng 1. 2.
Bảng 1.2 : Sự phân chia các bước sóng
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
7
~
Chương 1
Tổng quan về mạng truyền dẫn quang
Thoạt tiên, hệ thống WDM hoạt động ở băng C (do EDFA hoạt động trong khoảng băng sóng
này). Về sau, EDFA có khả năng hoạt động ở cả băng C và băng L nên hệ thống WDM hiện
tại dùng EDFA có thể hoạt động ở cả băng C và băng L. nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng
cách giữa các kênh bước sóng là 100 GHz (đảm bảo khả năng chống xuyên nhiễu kênh trong
điều kiện cơng hiện tại), sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt động trên mỗi băng. Như vậy, nếu vẫn
giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh truyền, dùng công nghệ WDM cũng đủ làm tăng băng
thông truyền trên một sợi quang lên 64 lần
Hệ thống ghép bước sóng là rất cần thiết để thay đổi kênh tín hiệu từ bước sóng li thành lj tại
các nút mạng. Chuyển mạch bước sóng được phân thành hai loại: (1) quảng bá và lựa chọn,
(2) định tuyến bước sóng. Loại thứ nhất như hình 1.6. Coupler hình sao dùng để xáo trộn các
bước sóng vào và phát quảng bá chúng tới các đầu ra. Các bộ lọc quang tại đầu ra coupler
hình sao cho phép chuyển mạch bước sóng khơng tắc nghẽn. Muốn chuyển một số bước sóng
tới người sử dụng dịch vụ, cần sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng (WC) để hốn vị bước
sóng.
Hình 1.6 : Chuyển mạch phân chia theo bước sóng quảng bá và lựa chọn
Chuyển mạch định tuyến bước sóng như hình 1.7, gồm hai dãy WC đặt tại hai phía bộ định
tuyến bước sóng dùng cách tử (WGR). Các WC trong tầng đầu chuyển đổi các bước sóng
vào. Nếu bước sóng tại cổng vào i cần định tuyến tới cổng ra j thì bước sóng của nó trước
tiên được chuyển thành:
λi+j = λ0 - (i+j) ∆λ
(1.1)
trong đó λ0 là bước sóng tham chiếu được xác định bởi WGR, ∆λ là khoảng cách giữa hai
bước sóng kề nhau. Tại đầu ra của WGR các bước sóng lại được chuyển đổi một lần nữa trở
về bước sóng ban đầu.
Hình 1.7 : Chuyển mạch định tuyến bước sóng
So sánh hai phương pháp chuyển mạch bước sóng trên đây nhận thấy phương pháp quảng bá
và lựa chọn thực hiện đơn giản hơn, nhưng suy hao phân bố rộng. Phương pháp định tuyến
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
8
~
Chương 1
Tổng quan về mạng truyền dẫn quang
bước sóng có suy hao cơng suất thấp nhưng địi hỏi điều khiển và chuyển đổi bước sóng
chính xác.
Trong cả hai phương pháp chuyển mạch nói trên, các bước sóng đầu vào được định tuyến
trong miền khơng gian. Cũng có khả năng thực hiện chuyển mạch bước sóng trong miền
bước sóng. Phương pháp này gọi là trao đổi kênh bước sóng (WCI) và tương đương về mặt
logic với trao đổi khe thời gian (TSI). Hình 1.8 mơ tả WCI. Trong mơ hình này gồm bộ ghép
bước sóng, một dãy các bộ chuyển đổi bước sóng (WC) và coupler, việc chuyển mạch bước
sóng được thực hiện trong cùng một kênh bước sóng. Tách bước sóng được cấu trúc nhờ kết
hợp bộ chia cơng suất quang và bộ lọc bước sóng. Điều chỉnh bước sóng của tách bước sóng
hoặc chuyển đổi là cần thiết để chuyển mạch bước sóng tuỳ ý từ i thành j. Cả hai cách kết
hợp sau đây đều có khả năng: thứ nhất là kết hợp bộ tách ống dẫn sóng có bước sóng cố định
với một laser điều hưởng (điều chỉnh l được). Thứ hai là bộ tách công suất, bộ lọc điều hưởng
bước sóng và một laser có bước sóng cố định. Một laser điều hưởng và/hoặc bộ lọc là thành
phần chủ yếu trong trường hợp bất kỳ.
Bước sóng hoạt động của bộ chuyển đổi bước sóng sẽ chiếm hầu hết vùng bước sóng của hệ
thống WDM nhằm đảm bảo chuyển mạch tuỳ ý giữa các kênh WDM. Tín hiệu quang có tốc
độ bít 10Gbit/s đã được chuyển đổi khi sử dụng sơ đồ điều chế khuếch đại ánh sáng phun.
Một thực nghiệm chuyển mạch quang 16 kênh WDM đã thực hiện thành công khi sử dụng
thiết bị chủ chốt này. Cần chú ý là WCI sử dụng một coupler thay cho bộ ghép bước sóng, vì
các bộ chuyển đổi bước sóng có khả năng chuyển đổi các bước sóng khác nhau. Khi WCI sử
dụng cùng với WGR có thể hoạt động như chuyển mạch bước sóng-khơng gian-bước sóng
(λ-S-λ) hoặc S-λ-S.
Hình 1.8 : Chuyển mạch bước sóng
1.3.3 Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian
Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian chuyển tạm thời các tín hiệu quang đã ghép
giữa các khe thời gian ti và tj. Chuyển từng bít của tín hiệu 10Gbit/s cần một thời gian chuyển
mạch tối thiểu là 100ps. Tuy nhiên đòi hỏi thời gian chuyển mạch phải được điều tiết trong
trường hợp chuyển gói tin chứa hàng trăm bít. Chuyển mạch phân chia thời gian rất hấp dẫn
đối với đa truy nhập phân chia thời gian, trong đó lưu lượng được ghép theo thời gian. Vì các
photon khơng thể dễ dàng lưu giữ và hồi phục sau khi trễ lập trình nên việc thực hiện chuyển
mạch phân chia thời gian hoặc trao đổi khe thời gian là không dễ dàng. Dây trễ lập trình gồm
các vịng sợi và một chuyển mạch 2x2 như hình 1.9a. Thời gian trễ của một vịng sợi là T lấy
bằng chu kỳ của một gói, thời gian trễ lập trình kT (k là số lần mà gói tin đi qua vòng sợi
trong một dây trễ) được thực hiện bằng cách thay đổi trạng thái của chuyển mạch 2x2. Trước
tiên đặt chuyển mạch ở trạng thái “chéo” trong thời hạn T để chuyển gói tin đầu vào tới vịng
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
9
~
Chương 1
Tổng quan về mạng truyền dẫn quang
sợi. Sau đó đặt chuyển mạch ở trạng thái “ngang” trong thời hạn (k-1)T. Cuối cùng đặt lại
chuyển mạch ở trạng thái “chéo” và thời gian trễ tổng là kT.
Sử dụng các dây trễ lập trình, TSI được thực hiện theo sơ đồ trong hình 1.9b. Tầng đầu tiên là
bộ tách khe thời gian (TSDEMUX). Hoạt động của TSDEMUX như hình 1.9c, trong đó các
khe thời gian được sắp xếp trong miền thời gian. Tại các đầu ra của TSDEMUX, các khe thời
gian xuất hiện đồng thời và đi vào dây trễ tương ứng. Bộ ghép khe thời gian như hình 1.9d.
Trong thực tế chuyển mạch phân chia thời gian kết hợp với chuyển mạch phân chia không
gian và/ hoặc chuyển mạch phân chia bước sóng.
Hình 1.9 : Chuyển mạch phân chia thời gian
Vì các dây trễ lập trình đã đề cập trên đây có suy hao cơng suất quang đáng kể và gây ra lỗi
thời gian sau một quá trình trễ dài, vì vậy địi hỏi thiết kế phải rất chính xác. Khi chuyển
mạch nhiều chiều có thể khơng cần dùng các dây trễ và chuyển mạch phân chia thời gian
được thực hiện theo một số phương pháp khác nhau. Chẳng hạn chuyển mạch T- S -T được
thực hiện nhờ sử dụng kết hợp WC-WGR-WC như hình 1.10.
Hình 1.10 : Chuyển mạch quang T - S - T sử dụng WC-WGR-WC
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
10
~
Chương 1
Tổng quan về mạng truyền dẫn quang
Laser hai trạng thái cũng là một trong những bộ nhớ bít của chuyển mạch số, nhưng yêu cầu
nghiêm ngặt về cải thiện tốc độ hoạt động và dung lượng.
1.3.4 Chuyển mạch quang phân chia theo mã
Trong xã hội xử lý thông tin hiện đại của thế kỷ 21, tốc độ terabit/s (Tbit/s) của các mạng
băng rộng và tốc độ siêu cao trở nên cần thiết để thực hiện thông tin đa phương tiện, chẳng
hạn video theo yêu cầu, chữa bệnh từ xa, hiện thực ảo v.v. Trong mạng thông thường, sợi
quang được sử dụng làm đường dây truyền dẫn, nhưng các nút chuyển mạch lại gồm các
mạch điện tử phức tạp. Vì vậy chuyển đổi O/E và E/O là không tránh khỏi tại mỗi nút và các
mạch điện tử hạn chế tốc độ của mạng. Vì vậy các mạng quang hồn tồn, trong đó các tín
hiệu quang được chuyển mạch nhờ các tín hiệu điều khiển quang là rất cần thiết để thực hiện
các mạng thế hệ sau có dung lượng cỡ terabít. Các mạng quang hồn tồn tốc độ siêu cao đòi
hỏi định tuyến tự động, do các chức năng thiết lập cuộc gọi và đồng bộ trong mỗi nút làm cho
cấu hình nút chuyển mạch trở nên phức tạp và đắt.
Các phương pháp ghép quang như phân chia theo thời gian (OTDM) và phân chia theo bước
sóng (WDM) đã được ứng dụng vào thực tế. Phương pháp OTDM sử dụng các thiết bị nhớ
quang tốc độ cao và dung lượng lớn, và cũng cần đồng bộ thời gian nghiêm ngặt giữa các nút
thông tin. Phương pháp WDM không yêu cầu đồng bộ thời gian giữa các nút, nhưng phải sử
dụng các thiết bị quang phức tạp như các bộ chuyển đổi bước sóng và các bộ lọc. Tuy nhiên
nếu cả cơng nghệ OTDM và WDM đều được chấp nhận thì dung lượng ghép thực tế cũng
chưa đủ.
Mặt khác, phương pháp truy nhập ghép phân chia mã quang (CDMA) đang thu hút sự tập
trung nghiên cứu. Mặc dù CDMA được đặc trưng bởi phương pháp truy nhập theo yêu cầu,
việc nghiên cứu nó sẽ có liên quan đến phương pháp nối định hướng và gọi là ghép phân chia
mã quang (OCDM). Phương pháp này có các đặc điểm như : thứ nhất, các bộ giải mã và lập
mã trong OCDM có thể được thực hiện nhờ các thiết bị quang đơn giản hơn so với các
phương pháp OTDM và WDM. Thứ hai, không yêu cầu hệ thống điều khiển đồng bộ thời
gian như phương pháp OTDM. Thứ ba, có khả năng nối tới mạng khơng dây và có dây.
Hình 1.11 : Định dạng gói quang
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
11
~
Chương 1
Tổng quan về mạng truyền dẫn quang
Mạng chuyển mạch OCDM dựa trên nguyên tắc tự định tuyến và cấu trúc thiết bị chuyển
mạch quang hồn tồn khơng tuyến tính là một trong những thành phần chủ yếu của mạng.
Phương pháp tập hợp gói thích hợp cho truyền dẫn tự định tuyến, cấu hình của chuyển mạch
OCDM và cấu trúc mạng sẽ được trình bày sau đây.
9 Phương pháp tập hợp gói
Thẻ định tuyến có chiều dài thay đổi, chứa thông tin định tuyến đầy đủ, gồm một dãy số thứ
tự cổng ra của tất cả các nút đi qua để tới địa chỉ thu. Để việc xử lý định tuyến được đơn giản,
mỗi bít tham chiếu tương ứng với mỗi kênh ra của chuyển mạch, nghĩa là chỉ một bít đại diện
cho kênh ra yêu cầu được đặt bằng “1” và các bít khác đặt bằng “0”. Khi các gói được chuyển
đi từ chuyển mạch, các bít tham chiếu tại đầu đề của các thẻ định tuyến được loại bỏ nên tăng
tỷ lệ chiếm giữ tải trọng trong các gói và đảm bảo rằng thơng tin định tuyến cho nút tiếp theo
đã xuất hiện tại phần đầu của thẻ định tuyến.
Trong phần trên của hình 11 chỉ rõ gói như là một dãy của các trường đầu đề. Chú ý là gói
được chuyển đi từ trái qua phải. Bít tách gói chỉ thị rằng gói được chuyển đi bắt đầu từ bít
này. Trong format này giả thiết bít tách gói là “1”. Đầu đề chứa các thơng tin thẻ như nguồn
địa chỉ của thẻ lớp cao hơn.
9 Cơ cấu chuyển mạch OCDM
Hình 1.12 là cấu hình của chuyển mạch OCDM, trong đó các gói đã được mơ tả trong phần
trên đây được chuyển mạch dựa trên nguyên tắc tự định tuyến. Chuyển mạch gồm các modul
như: nối, giải mã, tái tạo tín hiệu, xử lý định tuyến và lập mã. Chuyển mạch OCDM được
thực hiện nhờ chuyển đổi mã OCDM của tín hiệu vào thành mã OCDM của tín hiệu ra phù
hợp với thẻ định tuyến.
Hình 1.12 : Cấu tạo của chuyển mạch OCDM
Các tín hiệu ghép phân chia mã quang tại đầu vào khối phân chia được chuyển tới n đường
dây ra, trong đó n là số kênh. Các bộ giải mã trong OCDM giải mã tín hiệu nhờ các dây trễ.
Các tín hiệu sau giải mã được gửi tới bộ tái tạo tín hiệu để gạt bỏ nhiễu giao thoa nhờ bộ hạn
chế quang. Các tín hiệu của bít tách gói được lấy ra từ tín hiệu đã tái tạo đưa tới bộ xử lý định
tuyến.Các tín hiệu đã được tái tạo, trừ bít tách gói được phân chia thành các phần đầu đề của
cờ định tuyến và các phần khác để gửi tới bộ xử lý định tuyến và bộ lập mã tương ứng. Để
phân phối các dãy bít cần sử dụng hoặc chuyển mạch quang hoặc bộ chia có điều khiển thu
thơng báo. Tại đầu vào bộ lập mã, tín hiệu bít tách gói được bổ sung vào tín hiệu gói. Căn cứ
vào phần đầu đề của thẻ định tuyến, bộ xử lý định tuyến tạo ra mã OCDM và điều khiển bộ
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
12
Chương 1
~
Tổng quan về mạng truyền dẫn quang
lập mã. Các tín hiệu đã lập mã được kết hợp lại nhờ bộ kết hợp và gửi tới đầu ra chuyển
mạch.
1.3.5 Đặc điểm của chuyển mạch quang
Mặc dù các tuyến truyền dẫn quang có dung lượng rất lớn, nhưng hầu hết tín hiệu trong mạng
hiện tại đều được chuyển mạch nhờ các chuyển mạch điện tử. Trong tương lai gần, các
chuyển mạch quang sẽ thay thế dần các chuyển mạch điện tử. So với chuyển mạch điện tử,
các thiết bị chuyển mạch quang có các ưu điểm sau đây:
Băng tần rộng
Ưu điểm lớn nhất của việc đưa công nghệ quang vào hệ thống thơng tin là tính thơng suốt của
nó đối với mọi tốc độ bít. Một hệ thống chuyển mạch điện tử có khả năng thơng qua nhiều
gigabit nhờ ghép song song các phần tử chuyển mạch đơn, vì mỗi phần tử này chỉ có khả
năng thơng qua lớn nhất là 1 Gbit/s. Trong khi đó một chuyển mạch quang đơn lẻ có khả
năng thơng qua hàng trăm Gbit/s .
Tốc độ bit cao
Tốc độ hoạt động của các các chuyển mạch điện tử bị hạn chế tới 20Gbit/s do hằng số thời
gian CR của các mạch điện và rung pha (jitter) tín hiệu giữa các chuyển mạch song song.
Chuyển mạch quang điều khiển bằng điện tử cũng có tốc độ chuyển mạch hạn chế do các
mạch điện. Chuyển mạch pico giây (ps) có thể thực hiện trong chuyển mạch quang điều khiển
quang.
Nhiều bước sóng
Hệ thống ghép bước sóng (WDM) có băng tần rất rộng. Ghép tần số điện tử (FDM) được sử
dụng trong các hệ thống truyền dẫn cáp đồng trục. Ghép bước sóng quang cung cấp dung
lượng truyền dẫn lớn nhờ ghép các tín hiệu đã được ghép theo điện tử. Đã có các hệ thống
ghép hàng chục bước sóng đưa vào hoạt động trong miền bước sóng suy hao thấp của sợi
quang. Chuyển mạch bước sóng giữa các kênh ghép bước sóng đang được triển khai trên một
số hệ thống WDM.
Tiêu thụ công suất thấp
Các thiết bị chuyển mạch ứng dụng hiệu ứng điện - quang để thay đổi chiết xuất không sinh
nhiệt. Đây là ưu điểm đối với hoạt động công suất thấp. Từ quan điểm hệ thống chuyển mạch
tồn bộ phải kể đến cơng suất tiêu thụ của mạch điều khiển. Nếu dùng điều khiển quang thay
cho điều khiển điện tử thì tổng cơng suất tiêu thụ của chuyển mạch giảm đáng kể.
Ít chức năng
Chuyển mạch quang có ít chức năng hơn chuyển mạch điện tử. Chuyển mạch quang có thế
mạnh trong các hoạt động chuyển mạch đơn giản có tốc độ cao và khả năng thơng qua lớn.
Tuy nhiên chuyển mạch điện tử phải được ưu tiên hơn trong các chức năng như đọc các tín
hiệu đầu đề (header), điều khiển định tuyến. Trong công nghệ quang hiện đại, thiết bị nhớ
quang tốc độ cao không thể thiếu trong điều khiển định thời các xung quang sử dụng dây trễ
sợi quang có cấu trúc đơn giản hơn RAM điện tử.
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
13
~
Chương 1
Tổng quan về mạng truyền dẫn quang
1.4 Điều chế quang
Mạng quang truyền dữ liệu dạng số (các bit “1” và “0”). Diễn tả bit “1” bằng xung ánh sáng
và bit “0” bằng ánh sáng ít hoặc khơng có ánh sáng. Có hai dạng điều chế quang, chúng khác
nhau trong sự chuyển tiếp giữa các bit. Điều chế NRZ (Non-Return-to-Zero) truyền chuỗi bit
“1” bằng cách phát ánh sáng ra và chỉ dừng phát ánh sáng khi nó cần truyền bit “0”. Điều chế
RZ (Return-to-Zero) biểu diễn chuỗi bit “1” với mỗi bit “1” là một xung ánh sáng, bit “0”
gồm hai xung khơng có ánh sáng (xem hình 1.13).
Hình 1.14 : Các kiểu điều chế quang
NRZ sử dụng phổ biến vì nó đơn giản và dể thực hiện, RZ có thể có nhiều lợi thế cho các ứng
dụng khoảng cách dài, nó ít bị tán sắc và tán sắc phân cực mode.
Có hai giải pháp để điều chế ánh sáng laser. Chúng khác nhau trong điều chế là sử dụng
chính laser của nó hoặc thực hiện điều chế ngồi. Điều chế trực tiếp mang dòng điện biểu
diễn cho dữ liệu số và tín hiệu quang ra trực tiếp do bộ chuyển mạch on và off các ánh sáng
một cách nhanh chóng. Trong khi điều chế ngồi, các laser ra là khơng đổi. Thực hiện điều
chế bên ngồi làm việc như một cửa chớp để hiệu ứng mạch ánh sáng ra on và off. Điều chế
trực tiếp thì đơn giản và kinh tế nhưng bị tán sắc và kém hiệu quả ở các tốc độ bít cao. Điều
chế bên ngồi phù hợp cho các ứng dụng ở các tốc độ bit rất cao, nhưng giải pháp này lại
phức tạp và tốn kém.
Hình 1.15 : Các phương pháp điều chế quang.
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
14
~
Chương 2
Tổng quan về mạng WDM
CHƯƠNG 2
2. TỔNG QUAN MẠNG WDM
1
2.1 Giới thiệu mạng WDM
2.1.1 Định nghĩa
Ghép kênh theo bước sóng WDM là cơng nghệ cho phép 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 đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, thu tín
hiệu tổ hợp đó được phân tách kênh, khơi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác
nhau.
2.1.2 Mục đích
Sử dụng cơng nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn rất lớn của sợi quang
bằng cách truyền đồng thời nhiều kênh bước sóng trên cùng một sợi. Tuy nhiên, để tránh
xuyên nhiễu, giữa các kênh phải có khoảng cách nhất định. Qua nghiên cứu, ITU-T đã đưa ra
cụ thể các kênh bước sóng và khoảng cách giữa các kênh này có thể chọn ở các cấp độ 200
GHz, 100 GHz, 50 GHz.
2.1.3 Hệ thống WDM
Hệ thống WDM về cơ bản chia làm 2 loại : hệ thống đơn hướng và hệ thống song hướng như
minh hoạ trên hình 2.1. hệ thống chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy, để truyền
thông tin gữa hai điểm cần 2 sợi quang. Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền 2
chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang cũng có thể trao đổi thơng tin giữa 2 điểm.
Cả hai hệ thống đều có những ưu, nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ cho
phép truyền n bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy :
9 Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp
đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần sử dụng gấp đôi so
với hệ thống song hướng.
9 Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống sóng hướng khơng cần đén hệ thống chuyển
mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection Switching) vì cả hai đầu của liên
kết đều có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thì.
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
15
~
Chương 2
Tổng quan về mạng WDM
9 Đứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì cịn
phải xét thêm các yếu tố như : vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên
một quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi
quang khơng dùng chung một bước sóng.
9 Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn
trong hệ thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống
song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuếch đại
sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với hệ thống đơn hướng.
Hình 2.1 : Hệ thống ghép kênh bước sóng đơn hướng và song hướng.
2.1.4 Chức năng của hệ thống WDM
Hình 2.2 : Sơ đồ chức năng hệ thống WDM.
Như minh họa trên hình 2.2, để đảm bảo việc truyền nhiều bước sóng trên một sợi quang, hệ
thống WDM phải thực hiện các chức năng sau :
9 Phát tín hiệu : trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là Laser. Hiện
tại đã có một số loại nguồn phát như : Laser điều chỉnh bước sóng (Tunable Laser),
Laser đa bước sóng (Multiwavelenght Laser)…. Yêu cầu đối với nguồn phát Laser
là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức cơng suất phát đỉnh,
bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chip phải nằm trong giới hạn cho phép.
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
16
~
Chương 2
Tổng quan về mạng WDM
9 Ghép/tách tín hiệu : 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 tín hiệu ánh sáng tổng hợp đó thành các
tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách. Hiện tại đã có các bộ
tách/ghép tín hiệu WDM như : bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi,
cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot…. Khi xét đến
các bộ tách ghép kênh WDM, ta phải xét đến các tham số như : khoảng cách giữa
các kênh, độ rộng băng tần của 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 đầu gần đầu xa…
9 Truyền dẫn tín hiệu : q trình truyền 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 …).
9 Khuếch đại tín hiệu : hệ thống hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi
EDFA. Có 3 chế độ khuếch đại : khuếch đại công suất, khuếch đại đưòng, tiền
khuếch đại. Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các
yêu cầu sau :
Độ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức
chênh lệch khơng q 1dB).
Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc khơng được gây ảnh
hưởng đến mức cơng suất đầu ra của các kênh.
Có khả năng phát hiện sự chênh lệch 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.
9 Thu tín hiệu : thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng
quang như trong hệ thống thơng tin quang thông thường : PIN, APD.
2.1.5 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM
Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đã rút ra được những ưu nhược điểm của công nghệ
WDM như sau :
Ưu điểm của cộng nghệ WDM
Tăng băng thông truyền trên sợi quang với số lần tương ứng với số bước sóng được ghép vào
để truyền trên một sợi quang.
Tính trong suốt : do cơng nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có thể hỗ trợ
các định dạng số liệu và thoại như : ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, chuyển mạch kênh,
IP…
Hiện tại chỉ có duy nhất công nghệ WDM là cho pháp xây dựng mộ hình mạng truyền tải
quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải trong suốt nhiều loại hình dịch vụ,
quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động…
Nhược điểm của hệ thống WDM
Vẫn chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang (chỉ mới tận dụng được băng
C và băng L).
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
17
~
Chương 2
Tổng quan về mạng WDM
Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần.
Nếu hệ thống sợi quang đang sử dụng là sợi DSF theo tiêu chuẩn G.653 thì rất khó triển khai
vì xuất hiện hiện tượng trộn 4 bước sóng khá gay gắt.
2.2 Các loại chuyển mạch quang
2.2.1 Giới thiệu
Hơn một thập niên qua, cơ sở hạ tầng và cơng nghệ mạng đã có những bước tiến bộ vượt bậc.
Internet ngày càng càng phổ biến và đang dần mở rộng, bên cạnh đó là sự gia tăng mạnh mẽ
việc sử dụng những ứng dụng đa truyền thơng có dung lượng và tốc độ truyền dẫn lớn hơn
đang là thách thức cho những giới hạn của mạng máy tính và viễn thong. Vì thế chúng ta cần
phải triển khai các mạng truyền tải mới với dung lượng cao có khả năng hỗ trợ những địi hỏi
về băng thông không ngừng bùng nổ.
Để đáp ứng yêu cầu này, các hệ thống thông tin ứng dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng
WDM đã được xây dựng và triển khai trong nhiều mạng viễn thông đường trục. Trong hệ
thống WDM, mỗi sợi quang sẽ mang nhiều kênh thông tin tương ứng trên từng bước sóng.
Với những hệ thống như vậy, mỗi sợi quang có thể truyền tải với một dung lượng lên đến
50Tbps.
Hình 2.3 : Các thế hệ mạng quang
Ở hình này cho chúng ta thấy một cái nhìn tổng quan về q trình phát triển của các cơng
nghệ truyền dẫn quang theo thời gian. Kiến trúc mạng quang thế hệ thứ nhất bao gồm nhiều
liên kết WDM điểm – điểm cho phép toàn bộ lưu lượng mạng tại một node được kết thúc tại
đây, sau đó tín hiệu sẽ được chuyển từ miền quang sang miền điện, được xử lý và tiếp tục
được biến đổi ngược lại sang miền quang để truyền đi tiếp. Q trình xen/rớt tín hiệu tại mỗi
node trong mạng quang làm gia tăng chi phí xử lý trong miền điện và sự phức tạp của bộ
chuyển mạch khi lưu lượng cần xen rớt tại một node tăng lên, tuy nhiên ta có thể giảm thiểu
chi phí xây dựng mạng khi sử dụng các thiết bị toàn quang thay thế.
Kiến trúc mạng quang thế hệ thứ hai vận hành chủ yếu dựa trên những bộ xen/rớt bước sóng
WADM (Wavelength Add – Drop Multiplexer). Với WADM, các kênh bước sóng được chọn
sẽ kết thúc tại đây, trong khi những kênh bước sóng khác được đi qua. Nhưng nói chung thì
lưu lượng tín hiệu đi qua WADM lớn hơn lưu lượng tín hiệu cần xen/rớt tại đó nên việc sử
dụng các bộ WADM đã giảm được chi phí xây dựng mạng một cách rỏ ràng, đặt biệt trong
các mang vòng WDM đang triển khai trong các thành phố lớn.
Tuy nhiên, nếu muốn xây dựng mạng mắt lưới gồm nhiều sợi quang đa bước sóng (Multiwavelength fiber links) ta phải cần đến các thiết bị kết nối sợi quang và kiến trúc mạng quang
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
18
Chương 2
~
Tổng quan về mạng WDM
thế hệ thứ ba ra đời hoạt động dựa trên những thiết bị này đã đáp ứng những yêu cầu trên. Về
cơ bản có thể chia thiết bị kết nối toàn quang làm ba loại : bộ ghép hình sao thụ động (passive
star coupler), bộ định tuyến thụ động (passive router), bộ chuyển mạch tích cực (active
switcher).
9 Passive star coupler là thiết bị broadcast, khi tín hiệu đến trên một bước sóng tại
một ngõ vào của star coupler, cơng suất của nó sẽ được phân phối điều đến tất cả
các ngõ ra khác của star coupler.
9 Passive router có ngun tắc hoạt động hồn tồn trái ngược với star coupler, nó
định tuyến riêng biệt từng tín hiệu từ ngõ vào đến ngõ ra tương ướng trên cùng một
bước sóng. Do router là thiết bị tĩnh nên cấu hình định tuyến của nó là cố định.
9 Active switch cũng định tuyến tương tự như passive router và nó cịn hỗ trợ nhiều
kết nối cùng một lúc. Nhưng khơng giống như passive router, active switch có thể
tái cấu hình để thay đổi hình thức kết nối trên từng bước sóng ở ngõ vào và ngõ ra.
Trong mạng quang thế hệ thứ ba, data đi qua node trung gian không cần chuyển đổi trở lại
miền điện nên một phần nào làm giảm chi phí do khả năng định tuyến và chuyển mạch điện
luồng tín hiệu có dung lượng lớn.
Sự xuất hiện những hệ thống toàn quang nhằm cung cấp các kết nối chuyển mạch – mạch
giữa các router trong mạng, nhưng phần lớn những kết nối này ở dạng tĩnhnên không phù hợp
với dạng lưu lượng khối vốn có của internet. Cách lý tưởng để khai thác mạng quang một
cách triệt để, các node mạng cần phải cung cấp các chuyển mạch gói quang, nhưng khả năng
này chưa thật sự khả thi trong tương lai gần do những hạn chế về mặt công nghệ. Tuy nhiên,
một giải pháp khác được đưa ra có thể bổ sung cho những thiếu sót và những hạn chế cho
chuyển mạch tồn quang, cũng như là chuyển mạch gói tồn quang là chuyển mạch chùm
quang. Trong kỹ thuật này, các gói data tập trung thành các khối chuyên chở gọi là chùm và
được chuyển mạch qua các nút mạng trong miền toàn quang. Mạng chuyển mạch toàn quang
cho phép chuyển mạch chùm quang cho khả năng ghép kênh thống kê với cấp độ lớn hơn và
phù hợp hơn trong xử lý lưu lượng data dạng khối như trong mạng chuyển mạch – mạch. Mặt
khác mạng chuyển mạch chùm quang khơng có nhiều những ràng buộc về cơng nghệ như
những mạng chuyển mạch gói quang.
Để nhấn mạnh những khác biệt giữa ba kỹ thuật trên, chúng ta sẽ đi sâu vào phân tích từng kỹ
thuật một sau đây.
2.2.2 Chuyển mạch mạch quang
Trong mạng quang định tuyến bước sóng, kỹ thuật chuyển mạch mạch được ứng dụng để
thiết lập lightpath giữa hai node mạng. Việc thiết lập lightpath trải qua nhiều bước như sau :
phân tích tài ngun và cấu hình mạng, định tuyến và gán bước sóng, báo hiệu và bảo lưu tài
nguyên.
Việc phân tích tài ngun và cấu hình mạng liên quang đến việc phân phối và lưu trữ thông
tin về trạng thái mạng như: thơng tin về cấu hình vật lý của mạng và trạng thái của các liện
kết trong mạng. Trong mạng WDM định tuyến bước sóng, những thơng tin này cịn bao gốm
các thơng tin về trạng thái rảnh của các bước sóng trên mối liên kết trong mạng. Các giao
thức được sử dụng để lưu trữ thông tin về trạng thái của từng liên kết trong mạng internet là
OSPF (Open Shortest Path First Protocol).
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
19
~
Chương 2
Tổng quan về mạng WDM
Bài tốn tìm đường và gán bước sóng cho lightpath chính là bài tốn định tuyến và gán bước
sóng thường được nói gộp lại trong lĩnh vực quang.trước tiên phải phân biệt yêu cầu kết nối
trong mạng quang WDM ra làm hai loại: tĩnh và động. Trong bài toán thiết lập đường quang
tĩnh SLE (static lightpath establishment), toàn bộ yêu cầu kết nối được biết trước và nhiệm vụ
tiếp theo là thiết lặp đường quang cho những kết này sao cho việc sử dụng tài nguyên mạng là
ít nhất, chẳng han như số lượng bước sóng hay số sợi quang trong mạng. Trong bài tốn thiết
lập đường động DLE (Dynmic Ligthtpath Estabishment) thì việc thiết lập đường quang phụ
thuộc vào thời điểm mà yêu cầu kết nối xuất hiện, sau đó đường quang giải phóng khi có yêu
cầu kết thúc kết nối trong một khoảng thời gian nào đó. Mục đích của bài tốn DLE là thiết
lập đường quang và gán bước sóng sao cho xác xuất tắt nghẽn là thấp nhất hay tối ưu hố khả
năng kết nối trong mạng.
Thơng thường các kết nối định tuyến ở trạng thái tĩnh nên không phù hợp với lưu lượng dạng
khối vốn có của mạng internet như đã trình bày trong phần trước. Điều hiển nhiên là nếu lưu
lượng trong mạng thường xuyên biến đổi thì việc truyền dẫn data qua những đường quang
tĩnh không thể tận dụng hết hiệu quả băng thơng truyền dẫn. Nói cách khác, khi thiết lập
đường quang ở trạng thái động sẽ là rất khó khăn cho việc lưu trữ thơng tin về trang thái tạm
thời của mạng do chúng thường xuyên thay đổi, khi đó các phương pháp khác tối ưu hơn
được thiết kế để truyền dẫn data trong mạng hiệu quả hơn.
2.2.3 Chuyển mạch gói quang
Khi cơng nghệ chuyển mạch quang được cải tiến, chúng ta thự sự đang chứng kiến sự chuyển
mach gói quang, trong đó các gói data được chuyển mạch và định tuyến hoàn toàn độc lập
với nhau tại mỗi node và khơng có sự chuyển đổi quang điện qua lại.
Hình dưới đây là một ví dụ về kiến trúc chuyển mạch gói quang. Tại đó, một node mạng gồm
một khung chuyển mạch quang có khả năng tái cấu hình lại trên cơ sở từng gói data (packetby-packet). Khung chuyển mạch dựa trên những thơng tin có trong header của một gói để tái
cấu hình lại. Bản thân của header sẽ được xử lý trong miền điện và được truyền dựa trên một
số phương pháp như: được truyền cùng băng thơng với từng gói (in-band), được truyền trên
tần số sóng mạng phụ hay được truyền riêng trong một kênh điều khiển (out-of-band). Do cần
một khoảng thời gian nhất định để xử lý header và cấu hình lại bộ chuyển mạch nên các gói
cần được làm trễ bằng cách truyền nó qua một đường trễ quang.
Hình 2.4 : Cấu trúc chuyển mạch gói quang
Để chuyển mạch gói quang dần trở nên thông dụng, yêu cầu thời gian cho chuyển mạch
nhanh, nhưng hiện tại thời gian chuyển mạch dựa trên các bộ chuyển mạch MEM chỉ khoảng
Điều khiển tắc nghẽn trong mạng WDM
20
