Định tuyến multicast và gán bước sóng trong mạng quang wdm với phương pháp giới hạn các sự phân phối

TRẦN QUỐC TUẤN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------*------------------

TRẦN QUỐC TUẤN

Xử lý thông tin & truyền thơng

ĐỊNH TUYẾN MULTICAST VÀ GÁN BƯỚC SĨNG
TRONG MẠNG QUANG WDM VỚI PHƯƠNG PHÁP
GIỚI HẠN CÁC SỰ PHÂN PHỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGÀNH: XỬ LÝ THƠNG TIN & TRUYỀN THƠNG

Khóa:
2007
2009
Hà nội
2009

Hà Nội, 2009


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-------------***-------------

TRẦN QUỐC TUẤN

ĐỊNH TUYẾN MULTICAST VÀ GÁN BƯỚC SÓNG
TRONG MẠNG QUANG WDM VỚI PHƯƠNG PHÁP GIỚI
HẠN CÁC SỰ PHÂN PHỐI

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGÔ HỒNG SƠN

HÀ NỘI 2009


1

LỜI CẢM ƠN
Trước hết tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS. Ngô Hồng Sơn,
thầy giáo hướng dẫn khoa học, người đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo và đưa
ra những đóng góp hết sức quý báu để tơi hồn thành bản luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo công tác tại Khoa
Công nghệ thông tin, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã trang bị cho tôi những
kiến thức trong suốt thời gian học tập.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các anh, chị đồng nghiệp tại đã
tạo điều kiện và giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện bản luận văn.

Hà nội ngày 21 tháng 11 năm 2009
Sinh viên thực hiện

Trần Quốc Tuấn

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009


2

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................1
MỤC LỤC ....................................................................................................2
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ................................................4
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..........................................................6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................7
MỞ ĐẦU ......................................................................................................8
1. Giới thiệu chung ...................................................................................8
2. Công nghệ multicast trên mạng WDM ..................................................9
3. Mục tiêu và phạm vi của luận văn ........................................................9
4. Kết quả của luận văn ...........................................................................10
5. Nội dung chính của luận văn ...............................................................10
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN MULTICAST VÀ GÁN
BƯỚC SÓNG TRÊN MẠNG QUANG WDM...........................................11
1.1. Giới thiệu về mạng quang học WDM ..............................................11
1.1.1. Sự phát triển của WDM ............................................................. 11
1.1.2. Phân loại hệ thống WDM .......................................................... 13
1.1.3. Sơ đồ chức năng của hệ thống WDM ........................................ 16
1.1.4. Các phần tử của mạng WDM ..................................................... 18
1.1.5. Ưu nhược điểm của công nghệ WDM ....................................... 24
1.2. Giới thiệu chung về multicast ..........................................................26
1.2.1. Các mơ hình truyền thơng trên mạng ......................................... 26

2.2.2. So sánh các phương thức truyền ................................................ 27
2.2.3. Đặc điểm của multicast .............................................................. 27
2.2.4. Các vấn đề của định tuyến multicast.......................................... 28
1.3. Định tuyến và gán bước sóng. ..........................................................34
1.3.1. Các phương pháp định tuyến trong bài toán SLE ...................... 36
1.3.2. Các phương pháp gán bước sóng trong bài tốn SLE ................ 40

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009


3

CHƯƠNG II: ĐỊNH TUYẾN MULTICAST VÀ GÁN BƯỚC SÓNG
TRÊN MẠNG QUANG WDM VỚI PHƯƠNG PHÁP GIỚI HẠN CÁC SỰ
PHÂN PHỐI. ..............................................................................................44
2.1. Các khái niệm ..................................................................................44
2.1.1. Khái niệm Light–Tree: Optical Multicasting ............................. 44
2.1.2. Cây Steiner ................................................................................ 47
2.1.3. Cây Light-Trees cho truyền thông Multicast ............................. 48
2.2. Vấn đề định tuyến multicast và gán bước sóng trên mạng WDM .... 49
2.2.1. Tổng quan về vấn đề .................................................................. 49
2.2.2. Khả năng multicast với các bộ chuyển mạch quang .................. 53
2.2.3. Multicast trong mạng WDM single-hop .................................... 56
2.2.4. Multicast toàn quang trên mạng WDM diện rộng ...................... 60
2.2.5. Gán bước sóng. .......................................................................... 63
2.3. Định tuyến multicast và gán bước sóng trong mạng quang WDM với
phương pháp giới hạn các sự phân phối (Limited Drop-offs) ................. 64
2.3.1. Giới thiệu bài toán ..................................................................... 64
2.3.2. Điều kiện của bài toán ............................................................... 67
2.3.3. Giải pháp tối ưu cho k-MTR với k <=2 ..................................... 69

2.3.4. Giải pháp xấp xỉ cho k-MTR với k >=3 ..................................... 72
2.3.5. Gán bước sóng cho các multi-tree. ............................................ 74
CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ. ................. 77
3.1. Mô phỏng thử nghiệm ......................................................................77
3.1.1. Ma trận biểu diễn đồ thị ............................................................. 77
3.1.2. Mơ hình mơ phỏng ..................................................................... 77
3.1.3 Cài đặt mô phỏng ........................................................................ 80
3.1.4. Kết quả mơ phỏng ...................................................................... 81
3.2. Phân tích và đánh giá .......................................................................81
KẾT LUẬN ................................................................................................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................84
TÓM TẮT LUẬN VĂN .............................................................................86
ABSTRACT ...............................................................................................87
Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009


4

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Viết đầy đủ

viết tắt
ATM

Asynchronous Transfer Module

Giải thích
Chế độ truyền khơng đồng bộ

DEMUX Demultiplexer

Giải ghép kênh

DVMRP Distance Vector Multicast

Giao thức định tuyến phát đa

Routing Protocol

phương theo vectơ khoảng
cách

DWDM

Desen Walength Division

Ghép kênh phân chia theo

Multiplexing

bước sóng mật độ cao

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier

Khuếch đại sợi pha tạp erbium

FWM

Four – Wave Mixing

Trộn bốn bước sóng

ILP

Integer Linear Program

Quy hoạch tuyến tính nguyên

ISDN

Integrated Service Digital

Mạng số liên kết dịch vụ

Network
LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

MOD

Modulation

Điều chế

MUX

Multiplexer

Ghép kênh

OADM

Optical add-drop multiplexer

Bộ tách ghép kênh quang

OCX

Optical Cross Connect

Kết nối chéo quang

OTN

Optical Transport Network

Mạng truyền tải quang

PIM

Protocol Independent Multicast

Giao thức multicast độc lập

RDF

Reverse Path Forwarding

Thuật tốn tìm đường đảo
ngược

RWA

Routing and Wavelength

Định tuyến và gán bước sóng

Assignment

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009


5

SDH

Synchronous

Phân cấp đồng bộ số

SONET

Synchronous optical networking

Đồng bộ kết nối mạng quang

TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia thời gian

VPN

Vitual Private Network

Mạng riêng ảo

WAN

Wide Area Network

Mạng diện rộng

WCA

Wavelength Conveter Awave

Bộ chuyển đổi bước sóng

WDM

Wavelength Division

Ghép kênh phân chia bước

Multiplexing

sóng

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009


6

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1- Sự phát triển của các hệ thống WDM. ............................................ 11
Hình 1.2- Mạng WDM định tuyến bước sóng. ............................................... 12
Hình 1.3. Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang ............................... 14
Hình 1.4. Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang. ..................... 15
Hình 1.5: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM.................................................... 17
Hình 1.6: Sơ đồ khối của một bộ đầu cuối đường quang (OLT). ................... 18
Hình 1.7: Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại đường dây quang ..................... 20
Hình 1.8: Bộ xen rẽ quang OADM ................................................................. 21
Hình 1.9: Bộ xen rẽ quang sử dụng cách tử Bragg ......................................... 21
Hình 1.10: Sơ đồ OADM điều khiển .............................................................. 22
Hình 1.11- Mơ hình mạng có sử dụng OXC ................................................... 23
Hình 1.12: Mơ hình broadcast......................................................................... 26
Hình 1.13: Mơ hình multicast ......................................................................... 27
Hình 1.14: Giao thức PIM - SM...................................................................... 32
Hình 1.15: Định tuyến cố định từ nút 0 tới nút 2 ............................................ 36
Hình 1.16: Định tuyến luân phiên cố định ...................................................... 37
Hình 1.17: Định tuyến thích nghi từ nút 0 tới nút 2........................................ 39

Hình 1.18: Yêu cầu thiết lập kết nối và đồ thị chuyển đổi tương ứng ............ 42
Hình 2.1: Topology NSFNET ......................................................................... 46
Hình 2.2: Các đường dẫn ảo bao gồm bởi light-tree bao gồm node nguồn UT,
các node đích NE, TX và IL............................................................................ 46
Hình 2.3: Mạng 6 node với một light-tree (đường nét đậm) .......................... 48
Hình 2.4: Một bộ chuyển mạch chia và chuyển bằng cách sử dụng 1xM cổng
chuyển quang (G) và 1x2 bộ chuyển mạch. .................................................... 52
Hình 2.5: Ba mơ hình multicast (a) MSW (b) MSDW (c) MAW .................. 55
Hình 2.6: Mơ hình topology hình sao ............................................................. 57

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009


7

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: So sánh giá của mạng multicast WDM đa trang thái và crossbar
dưới các mô hình khác nhau (CB: crossbar, MS: đa trạng thái) ..................... 56
Bảng 3.1: Topology mạng NSFnet ................................................................. 78
Bảng 3.2: Topology mạng được sinh ra ngẫu nhiên ....................................... 79
Bảng 3.3 Kết quả mô phỏng với mạng NSFnet .............................................. 81
Bảng 3.4 Kết quả mô phỏng với mạng ngẫu nhiên ......................................... 81

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009


8

MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu chung

Trong những năm cuối thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21, công nghệ truyền
thông, tin học đã có những bước phát triển mạnh mẽ, đã có những ảnh hưởng
sâu sắc đến đời sống kinh tế xã hội. Sự phát triển này làm thay đổi hẳn cách
sống, cách làm việc của con người và đã đưa loài người sang một kỷ nguyên
mới – kỷ nguyên của nền kinh tế trí thức
Để đáp ứng được vai trị động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên
thông tin, cũng trong thời gian qua công nghệ điện tử - viễn thông – tin học đã
phát triển như vũ bão và tạo nên nhiều thay đổi trong nền kinh tế nói chung và
trong bản thân ngành Viễn thơng nói riêng.
Mặt khác, khi công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo
bước sóng – WDM (Wavelength Division Multiplexing) ra đời với những ưu
điểm vượt trội về chất lượng truyền dẫn cao, đặc biệt là băng thông rộng/tốc
độ lớn (tới hàng ngàn Terabit) đã là một cuộc cách mạng không chỉ trong
cơng nghệ truyền dẫn mà cịn cả giải pháp phát triển mạng viễn thơng. Nó
cũng giúp cho khả năng tổ chức mạng trở nên đơn giản, tính hiệu quả kinh tế
và chất lượng dịch vụ cũng cao hơn so với giải pháp tích hợp các dịch vụ
bằng cách truyền dẫn độc lập các dịch vụ trên các bước sóng khác nhau.
Tuy nhiên, sự ra đời của WDM với ưu điểm vượt trội về băng thông
cũng không thể khiến ta lãng phí nguồn tài nguyên quý giá này. Khi một
luồng âm thanh, hình ảnh cần được truyền tới các máy tính nằm phân tán trên
Internet, lưu lượng này phải được gửi đi theo cách hiệu quả nhất, nghĩa là
dùng càng ít băng thông càng tốt. Multicast là một trong những công nghệ và
tiêu chuẩn tiêu biểu cho phép truyền dẫn đa điểm-đa điểm như hội nghị truyền
hình, hoặc truyền dẫn điểm-đa điểm như quảng bá âm thanh, video trên
Internet. Truyền thông Multicast ra đời đã cải tiến đáng kể các yếu điểm của
hai mơ hình truyền thơng cơ bản là Unicast và Broadcast. Việc triển khai
multicast trên WDM đã mang lại những kết quả tốt, cho phép xây dựng mô
Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009

9

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 ...
2. Công nghệ multicast trên mạng WDM
Nhu cầu về băng tần mạng đang tăng gần 100%/một năm sẽ tiếp tục gia
tăng ít nhất là trong vài chục năm tiếp theo. Việc giảm giá thành của các nhà
cung cấp và trên hết là ứng dụng phổ cập của Internet đòi hỏi băng tần lớn sẽ
được tiếp tục đẩy mạnh.
Hiện nay tại Việt Nam các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn đường trục
đều đang sử dụng công nghệ truyền dẫn quang SDH. Với nhu cầu sử dụng các
dịch vụ viễn thông yêu cầu băng thông rộng như các dịch vụ Internet băng
rộng, các dịch vụ di động, Wifi, Wimax, video theo yêu cầu, VPN …đang
tăng lên ngày càng mạnh thì tài ngun băng thơng và sợi quang trên mạng
đường trục đã trở nên cạn kiệt
Trong bối cảnh bùng nổ về nhu cầu viễn thông trong nước, trong khu
vực và thế giới, đặc biệt là các dịch vụ băng rộng, cùng với việc triển khai
cung cấp các dịch vụ, xây dựng mạng liên tỉnh, liên vùng, mạng nội hạt, mạng
truy nhập tốc độ cao, việc sử dụng công nghệ WDM trong các tuyến thông tin
huyết mạch để tối đa hóa khả năng sử dụng băng thơng của sợi quang là hết
sức cần thiết. Khi đó, việc triển khai multicast trên WDM sẽ tận dụng được
hết các khả năng và hiệu quả vốn có của cơng nghệ WDM và multicast.
3. Mục tiêu và phạm vi của luận văn
Nhận thấy nhu cầu ứng dụng multicast trên WDM sẽ ngày càng có vị
trí quan trọng cũng như các lợi ích của công nghệ multicasting trên WDM,
mục tiêu của luận văn là nghiên cứu về cơng nghệ này. Từ đó tập trung
nghiên cứu giải pháp định tuyến multicast và gán bước sóng với phương pháp
Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009

10

phân phối dữ liệu giới hạn. Phương pháp này xây dựng một tập các k-drop
light-tree sao cho có giá trong mạng là nhỏ nhất. Giả thiết cho rằng vấn đề
này là giải quyết được với k = 2 và là bài tốn NP khó với k >= 3.
Luận văn chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu, đưa ra giải pháp cho
trường hợp giới hạn sự phân phối và cài đặt thử nghiệm thuật toán trên.
4. Kết quả của luận văn
Với mục tiêu trên luận văn đã tìm hiểu về cơng nghệ multicast trên
WDM, tìm hiểu về multicast và gán bước sóng với phương pháp phân phối dữ
liệu giới hạn, từ đó đưa ra các thuật tốn multicast và gán bước sóng cụ thể.
Đồng thời luận văn cũng cài đặt thử nghiệm và so sánh đánh giá các
thuật toán trên.
5. Nội dung chính của luận văn
Luận văn gồm các phần chính như sau:
 Mở đầu
 Chương 1: Tổng quan về định tuyến multicast và gán bước sóng trên
mạng quang WDM: Tổng quan về mạng WDM, về multicast và các
phương pháp định tuyến và gán bước sóng trên mạng quang WDM.
 Chương 2: Định tuyến multicast và gán bước sóng trên mạng quang
WDM với phương pháp giới hạn các sự phân phối: Đi sâu phân tích
đánh giá một phương pháp định tuyến và gán bước sóng trên mạng
quang WDM: phương pháp giới hạn các sự phân phối.
 Chương 3: Mô phỏng đánh giá: Cài đặt mô phỏng và đánh giá phương
pháp định tuyến multicast và gán bước sóng trên mạng quang WDM
với phương pháp giới hạn các sự phân phối
 Kết luận và định hướng phát triển

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009

11

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN MULTICAST
VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRÊN MẠNG QUANG WDM
1.1. Giới thiệu về mạng quang học WDM
1.1.1. Sự phát triển của WDM
Sự phát triển của các hệ thống WDM nhìn chung có thể chia làm ba
giai đoạn (hình 1.1):
Hệ thống SDH 10Gb/s
Hệ thống WDM điểm nối điểm 8×2.5Gb/s

Hệ thống WDM điểm nối điểm 4×10Gb/s

Hệ thống WDM điểm nối điểm 16×2.5Gb/s

Hệ thống WDM điểm nối điểm 8×10Gb/s

Hệ thống WDM điểm nối điểm 16×2.5Gb/s
Hệ thống WDM sử dụng OADM
Ring CS > 10Gbps /1 sợi
OMS Ring > 40 Gbps/1 sợi

1998

1999

2000

2001

2002

Hình 1.1- Sự phát triển của các hệ thống WDM.
• Hệ thống WDM thế hệ 1: là hệ thống WDM điểm nối điểm với các
trạm xen/rẽ trên tuyến quang phải là các thiết bị MUX/DEMUX để tách/ghép
tất cả các bước sóng.
• Hệ thống WDM thế hệ 2: là hệ thống WDM điểm nối đa điểm với các
trạm xen/rẽ trên tuyến quang là các OADM cho phép tách/ghép trực tiếp
những bước sóng cần xen/rẽ.

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009


12

• Hệ thống WDM thế hệ 3: mạng WDM tồn quang với các thiết bị
chuyển mạch và định tuyến bước sóng. Mạng trong trường hợp này gọi là
mạng định tuyến bước sóng: mạng cung cấp các đường quang (lightpath) tới
người sử dụng là các đầu cuối SDH (SONET) hay các bộ định tuyến IP. Hình
1.2 là một minh họa cho mạng này. Trên hình 1.2, có thể thấy các đường
quang giữa B và C, D và E, E và F, A và F. Trong mạng định tuyến bước
sóng này, tại các nút trung gian, các đường quang được định tuyến và chuyển
mạch từ một liên kết này đến một liên kết khác. Có thể xảy ra trường hợp biến
đổi bước sóng. Các phần tử quan trọng cho kết nối mạng quang là bộ kết cuối
đường dây quang (OLT), bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADM) và bộ kết nối
chéo quang (OXC).
OXC

OXC

OXC

OLT
A

IP
router

Đường quang
OXC

OXC
λ1

OADM

λ2

B
Đầu cuối
SONET

C

Đầu cuối
SONET

OXC

D

IP
router

λ1
X

λ2
E

IP
router

λ1
λ2

λ1
F

IP
router

Hình 1.2- Mạng WDM định tuyến bước sóng.
Theo thời gian, xuất phát từ những nhu cầu thực tế, các hệ thống WDM
ngày càng trở nên phức tạp. Ở một góc độ nào, sự phức tạp trong hệ thống
WDM là trong những chức năng của thiết bị. Nhờ có chức năng này mà cấu

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009

13

hình hệ thống WDM chuyển từ đơn giản như cấu hình điểm- điểm sang cấu
hình phức tạp như Ring và Mesh. Các hệ thống WDM đầu tiên xuất hiện từ
cuối những năm 1980 sử dụng hai kênh bước sóng trong các vùng 1310nm và
1550nm và thường được gọi là hệ thống WDM băng rộng.
Đầu những năm 1990 xuất hiện các hệ thống WDM thế hệ hai sử dụng
các phần tử WDM thụ động, được gọi là hệ thống WDM băng hẹp từ 2 đến 8
kênh. Các kênh này nằm trong cửa sổ 1550nm và với khoảng cách kênh
400GHz. Đến giữa những năm 1990 đã có hệ thống WDM mật độ cao
(WDM) sử dụng từ 16 đến 40 kênh với khoảng cách kênh từ 100 đến 200
GHz. Các hệ thống này đã tích hợp các chức năng xen rẽ và quản lý mạng.
Các hệ thống WDM ban đầu sử dụng với khoảng cách kênh lớn. Việc
lắp đặt hệ thống WDM chi phối bởi những lý do kinh tế. Việc nâng cấp thiết
bị đầu cuối để khai thác các năng lực của WDM có chi phi thấp hơn việc lắp
đặt cáp sợi quang mới. Sự xuất hiện bộ khuếch đại quang EDFA đã chuyển
hầu hết các hệ thống WDM sang cửa sổ 1530 nm đến 1565nm. Các hệ thống
WDM mới lắp đặt gần đây đã sử dụng các kênh quang có khoảng cách giữa
các kênh hẹp từ 25 GHz đến 50 GHz.
1.1.2. Phân loại hệ thống WDM
Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và
song hướng. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang.
Do vậy, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang. Hệ thống WDM
song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi
quang để có thể trao đổi thơng tin giữa 2 điểm.

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009

14

1.1.2.1. Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi:
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quang
cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 1.3), ở đầu
phát các tín hiệu có bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế λ1 , λ 2
,...., λ n thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau, và truyền dẫn một chiều
trên một sợi quang. Vì các tín hiệu được mang thơng qua các bước sóng khác
nhau, do đó sẽ không lẫn lộn. Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách các tín hiệu
có bước sóng khác nhau, hồn thành truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh. Ở
chiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên.
λ1
1

Máy phát
quang

n

Máy phát
quang
λn

1

Máy thu
quang

n

Máy thu
quang

Bộ
khuếch
Bộ ghép O
Bộ
tách
đại sợi O
kênh
kênh
quang
λ1, λ2 .......
Bộ
Bộ
tách O khuếch O Bộ ghép
kênh
kênh
đại sợi
quang

Máy thu
quang

1

Máy thu
quang

n

Máy phát
quang

1

Máy phát
λn quang

n

λ1

λ1, λ2 ....... λn

Hình 1.3. Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang.
1.1.2.2. Truyền dẫn hai chiều trên một sợi:
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi là: ở hướng đi, các
kênh quang tương ứng với các bước sóng λ1, λ2, ..., λn qua bộ ghép/tách kênh
được tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi. Cũng sợi quang đó, ở hướng
về các bước sóng λn+1, λn+2,..., λ2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại (xem
hình 1.4). Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thơng tin hai chiều
(song cơng).

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009


15

1

n

Máy phát λ1
quang
Máy phát λn
quang

1

Máy thu
quang

n

Máy thu
quang

λ1, λ2 ....... λn
Bộ
Bộ ghép/ O khuếch O Bộ tách/
tách kênh
ghép kênh
đại sợi
quang
λn+1, λn+2 ....... λ2n

Máy thu
quang

1

Máy thu
quang

n

Máy phát
λn+1quang

1

Máy phát
λ2n quang

n

Hình 1.4. Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang.
Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển
tương đối rộng rãi. Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát
triển và ứng dụng cao hơn, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt. Ở
phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới
đầu ra của bộ ghép kênh. Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với
dải rộng của các bước sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly
kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế các bộ tách
kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được sử dụng phải có bước sóng
cắt chính xác, dải làm việc ổn định.
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

dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng.
Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế
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 thời.
Ðứng 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

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009


16

bước sóng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng
sao cho hai chiều trên sợi quang khơng dùng chung một bước sóng.
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 ở hệ
thống đơn hướng.
Hệ thống WDM được thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây
ra suy hao truyền dẫn. Ngồi việc đảm bảo suy hao xen của các thiết bị thấp,
cần phải tối thiểu hố thành phần cơng suất có thể gây ra phản xạ tại các phần
tử ghép, hoặc tại các điểm ghép nối các module, các mối hàn...., bởi chúng có
thể làm gia tăng vấn đề xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suy
giảm nghiêm trọng tỉ số S/N của hệ thống. Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêm
trọng đối với hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do đó hệ
thống này có khả năng ít được lựa chọn khi thiết kế tuyến.
1.1.3. Sơ đồ chức năng của hệ thống WDM
Như minh hoạ trên hình 1.5, để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước
sóng trên một sợi quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau:

- 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 được bước
sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength 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
chirp phải nằm trong giới hạn cho phép.

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009


17

Hình 1.5: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM
- 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 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 FabryPerot... Khi xét đến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như:
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 đầu 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: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ
khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier). Tuy nhiên bộ
khuếch đại Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế. Có ba chế độ
khuếch đại: khuếch đại cơng suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại. Khi

dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009


18

+ Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức
chênh lệch khơng q 1 dB).
+ 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 hệ thống WDM sử dụng các bộ tách
sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD.
1.1.4. Các phần tử của mạng WDM
1.1.4.1. Bộ đầu cuối đường quang (OLT)
Ðịnh nghĩa: Bộ đầu cuối đường quang OLT (Optical Line Terminal) là
thiết bị khá đơn giản trong mạng truyền dẫn WDM. OLT có trong các mơ
hình mạng điểm-điểm, thực hiện ghép tín hiệu ở đầu phát và truyền đi trên sợi
quang, giải ghép ở đầu thu và chuyển các tín hiệu thành phần đến phía đầu
cuối khách hàng. Như minh họa trên hình 1.6, OLT gồm có ba khối chức
năng chính: chuyển đổi tín hiệu (Transponder), ghép bước sóng (Wavelength
Multiplexer) và khuếch đại quang (Optical Amplifier) (chức năng khuếch đại
tín hiệu là tùy chọn ở OLT và không được minh họa trên hình).

Hình 1.6: Sơ đồ khối của một bộ đầu cuối đường quang (OLT).
Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009

19

OLT bao gồm bộ ghép kênh/phân kênh bước sóng và bộ chuyển đổi tín
hiệu (transponder). Bộ chuyển đổi tín hiệu chuyển đổi tín hiệu đến từ người
sử dụng thành tín hiệu phù hợp cho việc truyền dẫn trên các tuyến WDM và
ngược lại cũng chuyển tín hiệu từ tuyến WDM thành tín hiệu phù hợp cho
người sử dụng. Các bộ chuyển tiếp sẽ không cần thiết nếu thiết bị khách hàng
có thể truyền và nhận trực tiếp các tín hiệu tương thích với tuyến WDM. OLT
cũng có khả năng kết cuối một kênh giám sát quang riêng lẻ (OSC) dùng trên
tuyến quang.
Bộ chuyển đổi tín hiệu thực hiện chuyển tín hiệu đến từ mạng khách
hàng với những tốc độ, bước sóng và giao thức khác nhau sang thành tín hiệu
thuộc bước sóng chuẩn theo qui định của ITU-T. Với những tín hiệu khách
hàng khác nhau, bộ chuyển đổi cung cấp các giao tiếp khác nhau. Giao tiếp
này gọi là giao tiếp khách hàng. Bộ ghép bước sóng ghép các tín hiệu đã qua
bộ chuyển đổi để hình thành tín hiệu WDM, truyền trên mạng WDM. Mạng
WDM có thể sử dụng các bộ khuếch đại quang để khuếch đại tín hiệu truyền
đi được xa hơn. Các chức năng của bộ đầu cuối đường quang là:
1.1.4.2. Bộ khuếch đại đường quang (OLA)
Các bộ khuếch đại đường quang OLA (Optical Line Amplifier) được
dùng ở giữa các liên kết quang với những khoảng cách bằng nhau (trên thực
tế có thể khoảng cách đặt các OLA không bằng nhau nhưng phải nhỏ hơn một
giá trị khoảng cách nhất định, thường là khoảng 100-200 km).
Trên hình là sơ đồ khối của OLA, thành phần cơ bản một hoặc nhiều
khối độ lợi là sợi EDF mắc nối tiếp với nhau, giữa các chặng độ lợi có thể là
bộ bù tán sắc (dispersion compensasor) để bù tán sắc tích luỹ dọc theo tuyến
quang.

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009

20

Hình 1.7: Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại đường dây quang
Trên hình vẽ chỉ vẽ một hướng. Bộ khuếch đại sử dụng nhiều tầng
khuếch đại Erbium và bao gồm bộ bù tán sắc (tùy chọn) và các OADM giữa
các tầng khuếch đại. Bộ bơm Raman có thể dùng để cung cấp thêm độ khuếch
đại Raman cho đoạn sợi quang. OSC được tách ra tại đầu vào và kết cuối, và
xen vào tại ngõ ra.
Bộ OLA cịn có các thiết bị thực hiện chức năng ghép/tách kênh giám
sát OSC. Tại đầu vào khi chưa qua các khối độ lợi, kênh giám sát OSC được
lọc lại và đưa vào đầu thu OSC. Tiếp đến, sau khi khuếch đại các kênh tín
hiệu thuộc các bước sóng khác nhau, kênh OSC được ghép chung vào với các
kênh tín hiệu và truyền đi. Như vậy, kênh OSC không được khuếch đại bởi
các OLA. Bộ OLA cũng có thể được cấu hình gồm bộ khuếch đại Raman thực
hiện chức năng khuếch đại phân bố (distributed amplifier) bằng cách cấu hình
tại đầu vào của nó nguồn bơm Raman có cơng suất quang lớn, bơm ngược
chiều với chiều tín hiệu đi vào.
1.1.4.3. Bộ xen rớt quang (OADM)
Chức năng của bộ xen rẽ quang là tách ra hoặc ghép vào một hoặc vài
bước sóng bất kỳ từ một tuyến nào đó mà khơng phải thực hiện MUX hoặc
DEMUX hay chuyển đổi O/E/O. Cấu trúc chung của OADM như trên hình
1.8:

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009


21

λ1, λ2, λ3, …...λn

λ1,

OADM

λ1, λ2, λ3, …...λn

λ1

Hình 1.8: Bộ xen rẽ quang OADM
OADM là node mạng có vai trị rất quan trọng trong mạng WDM, làm
cho mạng quang trở nên linh hoạt và đơn giản hơn nhiều với nhiều cấu hình
mạng khác nhau.
Về bản chất, OADM truy nhập và truy xuất băng tần sẵn có của sợi
quang mà khơng cần chuyển đổi quang điện. OADM đã trải qua vài thế hệ
khác nhau và mỗi thế hệ đều có những ưu điểm và hạn chế riêng.
Loại OADM đơn giản nhất là OADM cố định, kênh quang có thể xen
rẽ đã được lựa chọn trước bởi thiết bị, nó đã được ấn định trước. OADM loại
này đơn giản, độc lập về giao thức, tốc độ bit rõ ràng và giá thành rẻ. Quản lý
mạng không cần yêu cầu thiết lập những kênh được xen vào hoặc tách ra từ
sợi quang bởi vì mỗi thiết bị đã ấn định trước kênh cần xen rẽ. Suy hao tổng
của OADM cố định khoảng 4-6dB. Đối với mạng có lưu lượng truyền dẫn
thay đổi bất thương giữa các node mạng với nhau thì OADM cố định tỏ ra
khơng mềm dẻo và thích hợp lắm.

Hình 1.9: Bộ xen rẽ quang sử dụng cách tử Bragg

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009

22

Thay thế cho OADM cố định là OADM mới, nó có thể xen rẽ dựa vào
u cầu từng vị trí trên hình. OADM mới có thể điều chỉnh được số kênh xen
rẽ bằng phần mềm từ xa. Sự chuyển mạch có thể thực hiện bởi hệ thống vị
mạch điện tử (MEMs). Hệ thống có thể nâng cấp thêm hoặc bới số lượng
kênh cần xen rẽ tại OADM.
Điều khiển hệ thống
Chuyển mạch 2><2

Rẽ

Xen

Hình 1.10: Sơ đồ OADM điều khiển
Khi cấu hình xen rẽ mọi kênh trong sợi quang, lúc đó OADM trở thành
MUX/DMUX, cấu hình này dễ dàng cung cấp và đáp ứng mọi dịch vụ. Về
bản chất nó vẫn là cấu hình OADM cố định có điều khiển.
Cấu hình OADM động có ý nghĩa vơ cùng quan trọng trong sự phát
triển mạng tồn quang. Nó có thể cung cấp đầy đủ và khá mềm dẻo trong việc
xen rẽ các kênh, cũng như các kênh thêm bổ sung vào. Nó sử dụng công nghệ
điều hướng (tunable) bộ lọc và điều hướng laser bằng phương pháp điều
khiển điện và cơ động. OADM này có suy hao nhỏ . Vì vậy khơng cần sử
dụng khuyếch đại trong đoạn truyền dẫn ngắn.

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009


23

1.1.4.4. Bộ kết nối chéo quang (OXC)
Đối với các mô hình mạng đơn giản như mơ hình tuyến tính và mơ hình
vịng thì bộ xen/rớt kênh quang (OADM- Optical Add/Drop Multiplexer) là
sự lựa chọn tối ưu về mặt kinh tế, công nghệ chế tạo và khả năng đáp ứng yêu
cầu của mạng. Tuy nhiên, trong tương lai khi yêu cầu về khả năng linh động
trong việc cung ứng dịch vụ, đồng thời các dịch vụ đa phương tiện đòi hỏi
phải đáp ứng được sự tăng băng thơng đột biến thì các mơ hình mạng hiện tại
khơng đáp ứng được. Khi đó, cần phải triển khai mạng lưới (mesh), với phần
tử trung tâm là các bộ kết nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect).
Mặc dù OXC thực hiện kết nối chéo các tín hiệu quang đến từ ngõ vào,
nhưng phần lõi của OXC có thể là điện hoặc quang tùy thuộc vào cấu hình do
nhà sản xuất quy định. Hình 1.11 trình bày mơ hình mạng có sử dụng OXC.
Tín hiệu quang trong hình phải được hiểu là tất cả các định dạng tín hiệu khác
nhau, có thể là các loại tín hiệu của lớp khách hàng chứ khơng thuần túy là
các tín hiệu bước sóng chuẩn của WDM do ITU-T quy định.
Tín hiệu quang
ngõ vào

OXC

IP

SONET/
SDH

OLT

ATM

Hình 1.11- Mơ hình mạng có sử dụng OXC
Các yêu cầu của OXC
− Cung cấp dịch vụ: OXC phải có khả năng cung cấp các đường
quang trong mạng một cách tự động mà không cần sự can thiệp của các nhà

Luận văn Cao học chuyên ngành Xử lý thông tin và truyền thông 2007 - 2009