Tài liệu Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch quang pdf

Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HS-SV
Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch quang
Mở đầu
Mạng viễn thông đang phát triển nhanh chóng từ mạng băng hẹp sang mạng số tích hợp đa
dịch vụ băng rộng (B-ISDN) do việc xuất hiện số lợng lớn các ứng dụng dịch vụ với các yêu cầu
khác nhau. Các ứng dụng này bao gồm truyền hình theo yêu cầu, hội nghị truyền hình, điện thoại
thấy hình, truyền dữ liệu tốc độ cao Mỗi dịch vụ này làm nảy sinh một số lợng lớn yêu cầu và do
đó năng lực xử lý của hệ thống chuyển mạch có thể lên tới hàng chục Tb/s cùng với dung lợng trên
mạng chuyển tải sẽ tăng lên. Vấn đề đặt ra là phải giải quyết yêu cầu về chuyển mạch nh thế nào,
có thể dùng các thiết bị quang không những chỉ để truyền tín hiệu mà còn chuyển mạch các tín hiệu
đó hay không.
Công nghệ chuyển mạch từ khi ra đời cho tới nay đã có những tiến bộ vợt bậc, phát triển từ
những hệ thống chuyển mạch với dung lợng hạn chế, điều khiển nhân công trong giai đoạn đầu tiên
đến những hệ thống chuyển mạch phức tạp điều khiển theo chơng trình ghi sẵn SPC (Stored
Program Control). Hiện nay các hệ thống chuyển mạch đang đợc nghiên cứu thiết kế trên thế giới
không những đáp ứng nhu cầu dịch vụ viễn thông trớc mắt mà còn cố gắng thoả mãn nhu cầu
ngày một tăng trong tơng lai tiến tới một mạng viễn thông toàn cầu với những siêu xa lộ thông tin
tiếp cận đến từng khách hàng mọi nơi mọi lúc.
Xu hớng phát triển của mạng viễn thông là tiến tới một mạng toàn quang trong đó tất cả các
thành phần chính của mạng nh tách/ghép kênh, truyền dẫn và chuyển mạch đều đợc thực hiện với
tín hiệu quang. Do vậy một công nghệ chuyển mạch mới ra đời-công nghệ chuyển mạch quang.
Quá trình phát triển tới mạng viễn thông toàn quang đợc biểu diễn nh hình vẽ dới đây:
Có ba bớc phát triển:
(a) Truyền dẫn quang điểm nối điểm
(b) có thêm ghép và tách kênh quang
(c) Có thêm chuyển mạch quang
Hình 1. Ba bớc phát triển tới mạng thông tin toàn quang
Học viện công nghệ BCVT
145
Chuyển mạch
điện tử

Truyền dẫn quang
(a) bớc 1: Truyền dẫn quang điểm nối
điểm
Truyền dẫn quang
Các bộ ghép
nối
(b) b ớc 2: Ghép kênh quang
Chuyển mạch
quang
Truyền dẫn quang
(c) b ớc 3: Chuyển mạch quang
Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HS-SV
Công nghệ chuyển mạch quang đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm. Trên thế giới
các trung tâm nghiên cứu viễn thông hàng đầu thế giới nh: Mỹ (hãng AT&T), Nhật (hãng NEC),
Châu Âu (hãng ERICSON, SIEMENS) bớc đầu đã thu đợc những kết quả đáng kể.
Cùng với xu thế của thế giới, Việt Nam đang trong giai đoạn nghiên cứu tiếp cận với công
nghệ mới này để có thể ứng dụng vào thực tế trong tơng lai. Đây là một vấn đề cần quan tâm và
mang tính cấp thiết.
1. Phơng pháp nghiên cứu đề tài
Chuyển mạch quang là một công nghệ viễn thông mới, phức tạp do đó việc lựa chọn phơng
pháp nghiên cứu là rất quan trọng để có thể dễ dàng nắm bắt đợc vấn đề và đạt đợc hiệu quả cao
nhất. Tuy nhiên ở Việt Nam công nghệ chuyển mạch này cha có các sản phẩm thực tế do vậy việc
nhgiên cứu có nhiều hạn chế, chủ yếu dựa trên cơ sở lý thuyết bằng cách đọc, dịch các tài liệu phù
hợp với nội dung dề tài.
Công nghệ chuyển mạch quang liên quan chặt chẽ với bản chất của ánh sáng. Hầu hết các
u điểm của chuyển mạch quang nh: thời gian chuyển mạch nhỏ hơn 10
-12
(s), ít xuyên âm và nhiễu,
tăng độ tin cậy, tăng thông lợng nút kết nối chéo đều có từ đặc tính cơ bản của ánh sáng; đồng
thời để giải thích đợc cơ chế chuyển mạch ánh sáng thì trớc khi nghiên cứu về công nghệ chuyển

mạch quang cần phải nghiên cứu về bản chất ánh sáng.
Trên cơ sở phân tích vấn đề và tìm hiểu tài liệu, việc nghiên cứu đợc tiến hành theo phơng
pháp đi từ tổng quan đến chi tiết, từ những khái niệm đơn giản đến những vấn đề phức tạp nhằm
đạt đợc hiệu quả cao nhất.
2. Nội dung nghiên cứu của đề tài.
2.1 Giới thiệu chung.
2.2 Các phơng thức chuyển mạch quang và ma trận chuyển mạch quang phân chia không gian.
Có thể phân chia thành nhiều phơng thức chuyển mạch quang khác nhau dựa trên các cơ
sở khác nhau. Chuyển mạch quang đợc phân chia phù hợp với các công nghệ ghép kênh cơ bản
bao gồm:
Chuyển mạch quang phân chia theo không gian
Chuyển mạch quang phân chia thời gian
Chuyển mạch quang phân chia bớc sóng
a. Chuyển mạch ống dẫn sóng 2x2.
Để thiết kế một ma trận chuyển mạch quang phân chia không gian thì các phần tử chuyển
mạch cơ sở là các chuyển mạch ống dẫn sóng 2x2 đợc sử dụng.

Hình 2. Chuyển mạch ống dẫn sóng 2x2.
Nếu các ống dẫn sóng không đợc cung cấp điện áp thì chuyển mach ở trạng thái CROSS
(chéo), công suất ánh sáng ở các đầu ra:
Học viện công nghệ BCVT
146
Output1
1
Output2
V
LiNbO3


Ti

Input 2
Input 1
Phần tử chuyển mạch cơ bản này đợc
cấu trúc trên nền tinh thể LiNbO3 là hợp
chất có khả năng thay đổi chiết suất khi có
điện áp ngoài dặt vào làm đổi hớng truyền
của ánh sáng. Sự biến đổi này có khả
năng đáp ứng nhanh về mặt trong thời
gian phạm vi 10
-12
s do vậy có thể tạo khả
năng thực hiện việc chuyển mạch ánh
sáng với tốc độ cực nhanh.
Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HS-SV
P
out.2
= P
in.1
P
out.1
= 0
Nếu cung cấp một điện áp thích hợp cho ống dẫn sóng thì chuyển mạch chuyển sang trạng
thái BAR (ngang):
P
out.2
= 0
P
out.1
= P
in.1

b. Các tiêu chí thiết kế ma trận chuyển mạch quang phân chia không gian.
Có rất nhiều thông số kỹ thuật cần xem xét khi thiết kế 1 ma trận chuyển mạch quang phân
chia theo không gian để có thể đa ra một cấu hình tối u ứng với từng ứng dụng cụ thể.
Các thông số cơ bản bao gồm: độ suy hao, xuyên âm, số các phần tử chuyển mạch cơ bản,
toàn thông hay không toàn thông, tốc độ chuyển mạch, độ ổn định, độ tin cậy, cấu trúc module,
giá thành.
Trong đó một số thông số quan trọng nhất yêu cầu đối với một ma trận chuyển mạch quang đó là:
Suy hao công suất thấp
Xuyên âm thấp
Kết nối đơn giản
Không nghẽn nội (non-blocking)
c. Ma trận chuyển mạch quang.
Sử dụng các phần tử chuyển mạch cơ bản 2x2 và trên cơ sở các tiêu chí thiết kế ma trận có
thể thiết kế các ma trận chuyển mạch khác nhau phù hợp với mục đích sử dụng và đáp ứng các yêu
cầu kỹ thuật khác nhau.
Ma trận chuyển mạch cross-bar
Hình 3. Ma trận chuyển mạch cross-bar
(a) cross-bar có xảy ra nghẽn nội
(b) cross-bar không xảy ra nghẽn nội
Ma trận này có nhợc điểm là khi dung lợng trờng chuyển mạch lớn sẽ yêu cầu số giao
điểm chuyển mạch lớn làm tăng không gian kết nối và giá thành của ma trận chuyển mạch.
Một phơng pháp để giảm số giao điểm này là sử dụng chuyển mạch nhiều tầng (chuyển
mạch Clos).
Ma trận chuyển mạch Clos:
Học viện công nghệ BCVT
147
O
1
O
2

O
3
O
4
I
1
I
2
I
3
I
4
O
1
O
2
O
3
O
4
I
1
I
2
I
3
I
4
(a) (b)
1

2
r
1
2
r
1
m
r x r
n x m m x n
Điều kiện để ma trận
chuyển mạch Clos ba
tầng hoàn toàn không
nghẽn nội là m 2n-1.
Chuyển mạch Clos
có nhiều kết nối chéo
(crossover) nếu m lớn.
Tuy nhiên sẽ không còn
là vấn đề nếu sử dụng
kết nối Clos ba chiều.
Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HS-SV
Hình 4. Ma trận chuyển mạch Clos ba tầng.
Ma trận chuyển mạch Benes
Ma trận này là trờng hợp riêng của ma trận chuyển mạch Clos
Hình 5. Ma trận chuyển mạch Benes ba tầng
Ma trận chuyển mạch nhiều tầng có nhợc điểm chung là tích luỹ xuyên âm qua các tầng
chuyển mạch làm ảnh hởng nghiêm trọng đến tín
Hình 6. Ma trận chuyển mạch Benes mở rộng
Các đặc điểm chính của các ma trận chuyển mạch phân chia không gian có thể đợc tóm tắt
trong bảng sau:
Cấu trúc

Số
tầng
Số giao điểm
chuyển mạch
Crosspoint
Số giao điểm
chuyển mạch
lớn nhất trên
1 tuyến nối
Số giao điểm
chuyển mạch
nhỏ nhất trên
1 tuyến nối
Không
nghẽn nội
Số đờng nối
chéo Cross
Over
Học viện công nghệ BCVT
148
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4

5
6
N - 1
N
N - 1
N
N/2 Benes
N/2 Benes
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
hiệu. Khắc phục nhợc điểm
này bằng cách sử dụng ma
trận chuyển mạch Benes
mở rộng trong đó các phân
tử chuyển mạch cơ bản 2x2
ở tầng một và tầng ba chỉ

có một đầu vào và một đầu
ra hoạt động, việc này làm
giảm đáng kể hiện tợng
xuyên âm.
Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HS-SV
Crossbar
Double
Crossbar
Clos
Benes
Dilated
Benes
-
N+1
3
2p - 1
2p
N
2
2N
2
2N m + m
(N/n)
2
N (p - 1/2)
2Np
2N - 1
N + 1
2 (n + r + m) -
3

2p - 1
2p
1
N + 1
3
2p - 1
2p
Wide -
sense
Wide -
sense
Có [1]
Rearrangea
bly
Rearrangea
bly
Không
Có
Không
trong 3D
Không
trong 3D
Không
trong 3D
3. Kết luận:
Hiện nay, chuyển mạch quang vẫn là một lĩnh vực mới mẻ, đang đợc tiếp tục nghiên cứu
trên thế giới. Công nghệ chuyển mạch quang vẫn cha đủ trởng thành để có thể xâm nhập vào thị tr-
ờng. Hơn nữa, cũng cha có nhu cầu thực sự cấp bách về các vấn đề lu lợng trên mạng viễn thông,
do vậy hiện tại việc áp dụng vào mạng viễn thông quốc gia là cha cần thiết. Tuy nhiên, mạng viễn
thông hiện tại đã sử dụng công nghệ truyền dẫn SDH đồng thời mạng đang phát triển theo hớng

đa dịch vụ băng rộng, do vậy trong tơng lai, việc sử dụng các bộ kết nối chéo quang OXC hay
chuyển mạch quang tại các nút mạng có dung lợng cao có thể là một giải pháp hợp lý. Ngoài ra,
cũng cần có hệ thống chuyển mạch quang thử nghiệm để sử dụng trong công tác nghiên cứu nhằm
tiếp cận sâu hơn đồng thời trang bị cho các cán bộ kỹ thuật có kiến thức cụ thể hơn về loại công
nghệ mới này, qua đó có thể triển khai các ứng dụng chuyển mạch quang trên mạng viễn thông khi
công nghệ đã trởng thành đầy đủ.
Tài liệu tham khảo
[1] MaxMing-Kang liu, Principles and applications of optical communications
Irwin,1996
[2] Michael Bass-Eric W.Van Stryland, David R.Williamss L.Wolffe
Hand Book of optics
[3] Dơng Văn Thành, Cơ sở kỹ thuật chuyển mạch, HVCNBCVT, 2000
[4] Viện KHKT Bu Điện (Tổng cục Bu Điện)
Nghiên cứu tiếp cận công nghệ chuyển mạch quang trong mạng viễn thông tơng lai, 1999
[5] Vũ Văn San, Hoàng Văn Võ
Kỹ thuật thông tin quang, Nxb Khoa học & Kỹ thuật, 1997
[6] Lơng Duyên Bình, Vật lý đại cơng (tập 3) Nxb Giáo dục
[7] Tạp chí BCVT-Tổng cục Bu Điện (Số tháng 4-2000).
Học viện công nghệ BCVT
149
TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HS-SV
Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT
150