Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch quang

Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông BÀI TẬP LỚN MÔN KĨ THUẬT VIỄN THÔNG Đề tài : Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch quang Sinh viên thực hiện : Nguyễn Vũ Nam Hà Ngọc Tân Mạc Tuấn Anh Lưu Thúy Hường Nhóm : 2 Lớp : HCD06CNTT Hà Nội, tháng 6 năm 2007 LỜI NÓI ĐẦU Nhân loại ngày nay đang sống trong một thế giới tràn ngập thông tin. Thông tin từ chỗ là nhu cầu của cuộc sống, đã trải qua thời kỳ là phương tiện, công cụ làm việc hữu hiệu và nay đã là một nền công nghiệp sản xuất trực tiếp. Mạng viễn thông đang phát triển theo hướng đa dịch vụ băng rộng nhằm đáp ứng nhu cầu dịch vụ ngày càng tăng của khách hàng. Và công nghệ chuyển mạch điện tử đang được sử dụng là chủ yếu. Nhưng những năm gần đây nhờ vào những đặc tính vượt trội của cáp quang là khả năng truyền thông suốt trên mạng với độ rộng băng thông hầu như vô hạn thì các tuyến truyền dẫn quang đã phát triển với tốc độ nhanh chóng, cùng với sự mở rộng các tuyến truyền dẫn này thì một câu hỏi đã xuất hiện: Có thể dùng các thiết bị quang không những chỉ để truyền tín hiệu mà còn chuyển mạch các tín hiệu đó hay không? Các kết quả nghiên cứu, thử nghiệm đã chỉ ra rằng có thể chuyển mạch các tín hiệu băng rộng bằng các thiết bị quang, quang-điện tử trên cơ sở lợi dụng tính chất sóng của ánh sáng và một công nghệ chuyển mạch mới ra đời : Chuyển mạch quang. MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ tiến hóa của công nghệ chuyển mạch Hình 2.1: Chuyển mạch phân chia thời gian Hình 2.2: Chuyển mạch quang T - S - T sử dụng WC-WGR-WC Hình 2.3: Chuyển mạch phân chia theo bước sóng quảng bá và lựa chọn Hình 2.4: Chuyển mạch định tuyến bước sóng Hình 2.5: Chuyển mạch bước sóng Hình 2.6: Cấu trúc mạngchuyển mạch hình cây tổng quát Hình 2.7: Cấu trúc mạng chuyển mạch hình cây truyền thống Hình 2.8: Sự thay đổi độ suy hao theo cấu trúc và dung lượng của mạng Hình 3.1: Cấu trúc chuyển mạch ATM quang thế hệ thứ nhất Hình 3.2: Cấu trúc chuyển mạch ATM quang thế hệ thứ hai Hình 3.3: 1 Kết nối quang nối tiếp điểm-điểm Hình 3.4: Chuyển mạch ATM T bít dựa trên các hệ thống chuyển mạch truy nhập điện tử ATM và hạt nhân chuyển mạch quang Hình 3.5: Sơ đồ khối của hệ thống chuyển mạch ATM quang Tbit/s Hình 3.6: Lược đồ thử nghiệm của hệ thống chuyển mạch ATM quang sử dụng bộ nhớ lặp sợi quang Hình 4.1: Nút kết nối quang để quản lý lưu lượng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Công thức tính độ suy hao trong các cấu trúc mạng hình cây Bảng 2.2: Tỷ số tín hiệu/nhiễu SNR của các cấu trúc mạng hình cây CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang SP Signaling Point Điểm báo hiệu STP Signaling Transfer Point Điểm chuyển tiếp báo hiệu PSTN Public Switching Telecmmunications Network Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng SSP Service Switching Points Điểm chuyển mạch dịch vụ SCP Service Control Points Điểm điều khiển dịch vụ ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức chuyển giao không đồng bộ ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số liên kết đa dịch vụ BISDN Broadband Integrated Services Digital Network Mạng số liên kết đa dịch vụ băng rộng TMN Telecommunications Management Network Mạng điều hành viễn thông PCN Personal Communications Network  Mạng thông tin cá nhân IOC Intergrated Optical Circuit Mạng quang tích hợp WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng TDM Time Division Multiplexing Phân ghép kênh phân chia theo thời gian UNI User Network interface giao diện khách hàng-mạng FIFO First In First Out Vào trước ra trước VP Virtual Path Đường dẫn ảo VC Virtual Channel Kênh ảo WC Wavelength Converter Bộ chuyển đổi bước sóng Chương I: Công nghệ chuyển mạch quang 1. Giới thiệu chuyển mạch quang: Quá trình phát triển nhanh chóng khi triển khai các giao tiếp quang đã dẫn đến những ý tưởng về việc triển khai thiết bị quang để thực thi các chức năng chuyển mạch mà từ trước đến nay là điện tử. Lĩnh vực chuyển mạch quang xuất hiện là kết quả tất yếu của việc phát triển nhanh chóng mạng quang: do việc thống trị của cáp quang trên mạng trong tương lai nên tiềm năng thâm nhập sâu hơn vào thị trường của các thiết bị quang là tất yếu, thêm vào đó công nghệ truyền dẫn điểm-điểm đã chứng tỏ thành công trong thời gian gần đây. Ở đây, cần phải quan tâm tới các đặc tính đặc biệt của quang: • Độ rộng băng hầu như vô hạn trong cáp quang: tần số mang xấp xỉ 200 THz và cửa sổ bước sóng khả dụng, ví dụ như 200 nm, tương ứng với một nửa tỷ kênh điện thoại hay lớn hơn 300.000 kênh truyền hình có độ nét cao. • Tương tác yếu giữa các thành phần mang thông tin là các photonic trong môi trường trong suốt. Đây thực sự là một điều kiện cho việc sử dụng thành công cáp quang làm trung gian truyền dẫn và điều đó dẫn đến một số kết quả đáng chú ý sau: Các mạch quang có thể được đấu chéo mà không bị ngắn mạch nhưng lại bị xuyên âm. Điều này dẫn tới các ảnh hưởng đáng kể trong việc bố trí các mạch photonic tích hợp và các kết nối quang. Khó khăn trong việc "điều khiển ánh sáng bằng ánh sáng". • Tương tác mạnh giữa ánh sáng và thí dụ các chất bán dẫn về mặt hấp thụ hay khuếch đại và các thay đổi chiết xuất tại các bước sóng bằng độ rộng bước lượng tử cộng hưởng. Cần chú ý rằng sự khác biệt giữa chuyển mạch và truyền dẫn đang trở nên không rõ ràng, với việc sử dụng các kết nối chéo số và các bộ ghép kênh xen-tách, lớp truyền dẫn sẽ đảm nhận một số vai trò của lớp chuyển mạch. Do những ưu, nhược điểm của mình, các hệ thống chuyển mạch quang sẽ là một phần tử cần thiết được bố trí tại các nút có thông lượng cao của mạng chuyển tải băng rộng cũng như phục vụ cho các dịch vụ sử dụng độ rộng băng cao. Một điểm cần phải nhấn mạnh là chuyển mạch photonic không cạnh tranh hay loại trừ chuyển mạch điện tử truyền thống mà chúng phối hợp, bổ sung cho nhau nhằm khai thác tốt nhất tiềm năng của mạng. Chuyển mạch gói quang (OPS-Optical Packet Switching) đã được khẳng định tính kinh tế sử dụng băng tần rất hiệu quả và khả năng hỗ trợ các dịch vụ khác nhau. Khi công nghệ chuyển mạch quang cải thiện, chúng ta có thể thực hiện mạng chuyển mạch quang dựa trên gói, khi đó các gói được chuyển mạch và định tuyến độc lập qua mạng trong miền quang mà không cần biến đổi sang điện tại mỗi nút. Như vậy chuyển mạch gói quang cho phép một mức độ cao hơn việc ghép kênh thống kê trên các liên kết sợi quang và điều khiển chùm lưu lượng tốt hơn chuyển mạch kênh. 2. Sự phát triển từ chuyển mạch điện tử sang chuyển mạng quang Nằm trong tiến trình phát triển chung của công nghệ viễn thông, công nghệ chuyển mạch đã có những tiến bộ vượt bậc. Từ những hệ thống chuyển mạch với dung lượng hạn chế điều khiển nhân công trong giai đoạn đầu tiên đến những hệ thống chuyển mạch phức tạp với phương pháp điều khiển hiện đại, kết hợp nhiều loại hình dịch vụ cho những mục đích sử dụng khác nhau đã chứng minh cho điều đó. Trong quá trình phát triển công nghệ chuyển mạch luôn được thừa hưởng những thành tựu mới nhất về khoa học kỹ thuật của các lĩnh vực có liên quan như điện tử, tin học, linh kiện, vật liệu mới. Một điều dễ nhận thấy là các thành tựu mới nhất của khoa học công nghệ trong các lĩnh vực kể trên thường được ứng dụng sớm nhất trong lĩnh vực Viễn thông - trong đó có chuyển mạch và ngược lại những vấn đề nảy sinh trong quá trình phát triển hoàn thiện công nghệ chuyển mạch lại đặt ra các vấn đề mới cho các nhà nghiên cứu thiết kế giải quyết. Các hệ thống chuyển mạch đang được nghiên cứu thiết kế trên thế giới không những đáp ứng nhu cầu dịch vụ viễn thông trước mắt mà còn cố gắng thoả mãn nhu cầu ngày một tăng trong tương 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. Để đạt được mục tiêu đó, các hệ thống chuyển mạch hiện đại không những chỉ thoả mãn những tính năng cơ bản của dung lượng, khả năng xử lý cuộc gọi, báo hiệu, định tuyến, đánh số mà còn cần những khả năng sau đây: • Khả năng thực hiện điểm báo hiệu, điểm chuyển tiếp báo hiệu SP/STP đối với tổng đài local/transit phục vụ cho các dịch vụ ISDN. • Khả năng thực hiện điểm chuyển mạch dịch vụ, điều khiển dịch vụ SSP/SCP trong tổng đài local/transit phục vụ cho các dịch vụ của mạng trí tuệ (Intelligent Network). • Khả năng phối hợp với các đường truyền dẫn SDH để thực hiện các dịch vụ ISDN băng rộng trên cơ sở kỹ thuật ATM. • Khả năng cung cấp các giao thức cho giao diện NISDN - BISDN. • Khả năng cung cấp các giao thức để thực hiện giao diện Q cho mạng điều hành Viễn thông TMN. • Khả năng kết hợp Wireless để thực hiện mạng thông tin di động và thông tin cá nhân PCN. Ở đây cần chú ý là trong chuyển mạch quang vẫn còn dùng chuyển mạch quang-điện tử (optoelectronic switching). Khái niệm này thường dùng khi quá trình chuyển mạch được thực hiện kèm theo sự biến đổi quang-điện, điện-quang và chức năng chuyển mạch gần với điện tử hơn là quang. Chuyển mạch quang-điện tử còn là thuật ngữ dùng cho một kỹ thuật lấy mẫu nhanh tín hiệu điện tử do auston đề xuất với việc nhờ các thiết bị quang tạo ra các xung quang tốc độ rất cao để xử lý các tín hiệu điện tử. Sự khác biệt cơ bản giữa lấy mẫu quang-điện tử và ma trận quang-điện tử là trong ma trận quang-điện tử thì điều khiển là điện tử và tín hiệu là quang, trong khi đó lấy mẫu quang-điện tử thì ngược lại. Theo định nghĩa thì hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống chuyển mạch cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch quang tích hợp (IOC) được chuyển mạch có lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khác. Với chú ý là: một hệ thống chuyển mạch quang có thể được vận hành nhờ các phương tiện cơ như chuyển dịch một sợi cáp quang tới một sợi cáp quang khác, hay nhờ các hiệu ứng điện-quang, từ-quang hoặc bằng các phương pháp khác. Ngoài ra, các hệ thống chuyển mạch quang tốc độ chậm, như các hệ thống chuyển mạch quang sử dụng việc dịch chuyển cáp quang có thể được sử dụng cho việc định tuyến thay thế đường truyền dẫn quang, ví dụ định tuyến vòng qua nơi bị lỗi; các hệ thống chuyển mạch quang tốc độ nhanh như loại sử dụng các hiệu ứng điện-quang hay từ-quang có thể được sử dụng cho việc thực hiện các hoạt động mang tính logic. Khái niệm chuyển mạch photonic (photonic switching) liên quan đến việc điều khiển trực tiếp đường truyền của tín hiệu ánh sáng mà không có bất cứ quá trình biến đổi quang điện nào có nghĩa là việc điều khiển chuyển mạch hoàn toàn bằng quang. Như vậy khái niệm chuyển mạch quang bao hàm cả khái niệm chuyển mạch photonic. Có thể tóm tắt quá trình tiến hoá của công nghệ chuyển mạch theo mô hình sau: Hình 1.1: Sơ đồ tiến hóa của công nghệ chuyển mạch Dựa vào số lượng lớn lưu lượng đa phương tiện cần thiết được chuyển mạch trong tương lai, một vấn đề tất yếu được đặt ra là chuyển mạch photonic có thể được sử dụng trên mạng để giảm độ phức tạp và giá thành của mạng không và việc triển khai nó về phương diện thương mại sẽ thực hiện ở vị trí nào. Vấn đề chính cho việc thừa nhận chuyển mạch photonic là loại bỏ ‘nút cổ chai’ điện tử-quang tức là giao diện chuyển đổi giữa tín hiệu quang và tín hiệu điện tử cho việc chuyển mạch, định tuyến và xử lý cao hơn của các tín hiệu. Ngoài ra nếu như chuyển mạch quang phối hợp cùng truyền dẫn quang thì mạng lúc đó sẽ là truyền thông suốt không phụ thuộc vào các dạng mã và tốc độ bit. Do vậy sẽ giảm đi các nút và các thiết bị xử lý cũng như làm tăng hiệu quả sử dụng trên mạng. Các bộ khuếch đại quang và ghép kênh phân chia theo bước sóng đang được thừa nhận về phương diện thương mại cho truyền dẫn cự ly xa. Vậy vai trò của chuyển mạch quang trong các mạng với các liên kết truyền dẫn được ghép kênh theo bước sóng là gì? Hiện tại có hai xu hướng về việc sử dụng chuyển mạch quang: các đề xuất của chuyển mạch bằng quang là có thể xem chuyển mạch điện tử được thay thế hoàn toàn bằng chuyển mạch quang, định tuyến bước sóng và chuyển đổi bước sóng; Các đề xuất khác theo hướng chuyển mạch điện tử với tốc độ Terabit/s là có thể xem chuyển mạch điện tử có hiệu quả về mặt giá thành do đó các thiết bị quang chỉ cần cho chuyển tải điểm-điểm còn chuyển mạch, định tuyến và xử lý nên là các thiết bị điện tử. Theo truyền thống thì các thiết bị quang là tốt cho chuyển tải nhưng kém về xử lý các tín hiệu; đó là bởi vì các photon hoặc không thể đi chậm lại, tập trung lại, hoặc không được cất giữ một cách thuận tiện. Kích thước của các thiết bị quang bị giới hạn do nhiễu xạ theo trật tự bước sóng làm cho các thiết bị photonic lớn hơn nhiều thiết bị điện tử. Nếu coi đây là hạn chế cơ bản của các thiết bị quang thì ứng dụng thích hợp của photonic trong các mạng chuyển mạch cần phải được xem xét cẩn thận trước khi đưa vào sử dụng. Tuy nhiên, trong tương lai nếu như có những kết quả nghiên cứu về mặt công nghệ nhằm khắc phục được những yếu điểm này thì chuyển mạch quang sẽ là một giải pháp đầy hứa hẹn cho mạng viễn thông. Bảng so sánh chuyển mạch điện tử và chuyển mạch quang: Các điểm so sánh Chuyển mạch điện tử STM Chuyển mạch quang Phạm vi ứng dụng Nội hạt, chuyển tiếp, quốc tế Nút mạng, mạng truy nhập băng thông rộng ISDN Dung lượng Rất lớn Nhỏ Băng tần tín hiệu chuyển mạch Nhỏ (2 Mb/s) Rất lớn Thông lượng Lớn Rất lớn Thời gian chuyển mạch Nhỏ Biến động lớn Khả năng dịch vụ Nhiều Không đặt ra Theo chiến lược phát triển khoa học - công nghệ và công nghiệp bưu chính - viễn thông đến năm 2020 của tổng cục bưu điện : triển khai và hoàn thành chuyển đổi hệ thống báo hiệu sang báo hiệu số 7 trên toàn mạng. Triển khai các tổng đài ISDN và ứng dụng tổng đài ATM trên các nút đường trục và các thành phố lớn. Thử nghiệm các hệ thống chuyển mạch quang. Giai đoạn từ năm 2011 đến năm 2020, hoàn thành việc triển khai các tổng đài ATM tới cấp nội Trong giai đoạn từ nay đến năm 2010, mở rộng và nâng cấp mạng truyền số liệu sử dụng công nghệ chuyển mạch gói nhanh nhằm cung cấp dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao hạt để cung cấp dịch vụ B-ISDN cho khách hàng. Triển khai các hệ thống chuyển mạch quang trên các nút đường trục. Chương II: Các công nghệ chuyển mạch quang 1. 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 không 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 vòng sợi và một chuyển mạch 2x2 như hình 2.1a. Thời gian trễ của một vòng 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 vòng 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 2.1b. Tầng đầu tiên là bộ tách khe thời gian (TSDEMUX). Hoạt động của TSDEMUX như hình 2.1c, 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 2.1d. Hình 2.1: Chuyển mạch phân chia thời gian 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. Vì các dây trễ lập trình đã đề cập trên đây có suy hao công suất quang đáng kể và gây ra lỗi thời gian sau một quá trình trễ dài, vì vậy đòi hỏi thiết kế phải rất chính xác. Khi chuyển mạch nhiều chiều có thể không 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 2.2 Hình 2.2: Chuyển mạch quang T - S - T sử dụng WC-WGR-WC 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. 2. Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng 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 2.3. 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 không 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 hoán vị bước sóng. Hình 2.3: Chuyển mạch phân chia theo bước sóng quảng bá và lựa chọn Chuyển mạch định tuyến bước sóng như hình 2.4, 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 [3]: λi+j = λ0 - (i+j) Δλ Trong đó λ0 là bước sóng tham chiếu được xác định bởi WGR, Δλ 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 2.4: 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 bước sóng có suy hao công suất thấp nhưng đòi 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 không 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 2.5 mô tả WCI. Trong mô 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 công 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-không gian-bước sóng (λ-S-λ) hoặc S-λ-S. Hình 2.5: Chuyển mạch bước sóng 3. Chuyển mạch quang hình cây phân chia theo không gian Tổng quan về cấu trúc hình cây Phèi hîp kÕt nèi c¸c kªnh Phèi hîp kÕt nèi c¸c kªnh 1 N 1 N Bé t¸ch 1:N/2 Khèi trung t©m Bé ghÐp N/2:1 Hình 2.6: Cấu trúc mạngchuyển mạch hình cây tổng quát Cấu trúc chung của mạng chuyển mạch quang cấu trúc hình cây NxN được thể hiện trên hình 2.6. Nó bao gồm N bộ tách quang 1:N/2 và N bộ ghép quang N/2:1. Các bộ tách và ghép có thể có đặc tính thụ động hoặc tích cực và chúng thường được bố trí theo cấu hình dạng cây nhị phân gồm các phần tử cơ bản 1:2 và 2:1 tương ứng. Các khối trung tâm và khối phối hợp kết nối giữa các kênh có đặc điểm riêng tuỳ theo từng loại mạng hình cây và mỗi khối này có thể gồm một hoặc nhiều lớp chuyển mạch. Với cấu trúc mạng hình cây cho phép kết nối điểm - điểm cũng như điểm - đa điểm. Mạng hình cây truyền thống: N/2 1 N 1 N Bé t¸ch 1:N/2 Khèi trung t©m Bé ghÐp N/2:1 1 1 1 N N 1 1 N N 1 N/2 1 N/2 N/2 1 Hình 2.7: Cấu trúc mạng chuyển mạch hình cây truyền thống Cấu trúc mạng hình cây truyền thống được thể hiện trên hình 2.7. Khối trung tâm của mạng hình cây truyền thống được cấu thành bởi lớp bộ tách quang và lớp bộ ghép quang và khối phối hợp kết nối giữa các lớp này. Trong các mạng cụ thể khối tách và ghép quang có thể có đặc tính thụ động hoặc tích cực, vì vậy sự kết hợp giữa chúng có thể bao gồm các trường hợp sau: AS/AC, PS/AC và AS/PC trong đó AS, AC tương ứng với bộ tách và ghép tích cực còn PS, PC tương ứng với bộ tách và ghép thụ động. Trong cấu trúc PS/AC cho phép kết nối điểm - đa điểm. Một ưu điểm nổi bật của cấu trúc mạng hình cây truyền thống là cho phép tất cả các phần tử chuyển mạch tích cực nằm trên mỗi cột gồm các bộ tách và ghép có chung một bộ điều khiển. Độ suy hao của cấu trúc mạng hình cây: Sự thay đổi của độ suy hao theo cấu trúc và dung lượng của khối chuyển mạch được thể hiện trên hình 2.8 với L = 0,5 dB; W = 1,5 dB. Bảng 1 là các công thức tính độ suy hao ứng với từng cấu trúc mạng, trong đó N là số cổng vào/ra, L là độ suy hao của một phần tử chuyển mạch tích cực, W là độ suy hao trong kết nối ống dẫn sóng-cáp quang. ở đây ta đã giả sử các điều kiện sau: * Không có suy hao quá độ * Độ suy hao trong các thanh chéo là bằng 0 * Độ suy hao của các bộ tách 1:2 và bộ ghép 2:1 là 3-dB 0 10 20 30 40 50 60 2 4 8 16 32 64 128 256 512 Dung l­îng §é suy hao CÊu tróc më réng PS/PC CÊu tróc hai líp tÝch cùc CÊu tróc më réng PS/AC CÊu tróc truyÒn thèng PS/AC, AS/PC CÊu tróc ®¬n gi¶n PS/AC, AS/PC CÊu tróc truyÒn thèng AS/AC CÊu tróc ®¬n gi¶n AS/AC CÊu tróc thanh chÐo Hình 2.8: Sự thay đổi độ suy hao theo cấu trúc và dung lượng của mạng Bảng 2.1: Công thức tính độ suy hao trong các cấu trúc mạng hình cây Cấu trúc Độ suy hao (dB) Cấu trúc truyền thống AS/AC 2L log2N + W Cấu trúc truyền thống PS/AC (3 + L) log2N + 2W Cấu trúc mở rộng PS/AC (3 + L) log2N + L + 2W Cấu trúc mở rộng PS/PC 6 log2N + L + 2W Cấu trúc đơn giản AS/AC (2 log2N - 1) L + 2W Cấu trúc đơn giản PS/AC, AS/PC (3 + L) log2N - 3 + 2W Cấu trúc hai lớp tích cực (kết nối điểm-điểm) 6(log2N - 1) + 2L + 2W Cấu trúc hai lớp tích cực (địa chỉ nhóm) 6(log2N - 1) + 3 + 2L + 2W Tỷ số tín hiệu/nhiễu SNR Bảng 2.2 trình bày các công thức tính tỷ số tín hiệu/nhiễu của các cấu trúc mạng, trong đó X là tỷ số tín hiệu/nhiễu SNR của một phần tử chuyển mạch cơ bản đo bằng dB. Có một điểm cần lưu ý là công thức tính SNR đối với cấu trúc truyền thống AS/PC chỉ đúng trong trường hợp tất cả các bộ tách tích cực nằm trong cùng một cột được điều khiển bằng một bộ điều khiển chung và kết nối ở đây là kết nối điểm-điểm. Tỷ số tín hiệu/nhiễu SNR của cấu trúc mạng hình cây đơn giản AS/AC là lớn nhất và bằng X. Công thức tính SNR của cấu trúc hai lớp tích cực được áp dụng cho cả hai trường hợp là kết nối điểm-điểm và địa chỉ nhóm, tuy nhiên trong trường hợp ngược lại tức là kết nối đa điểm-điểm thì giá trị của SNR sẽ là: X - 10log10(N - 1) Bảng 2.2: Tỷ số tín hiệu/nhiễu SNR của các cấu trúc mạng hình cây Cấu trúc Tỷ số tín hiệu/nhiễu SNR (dB) Cấu trúc truyền thống AS/AC 2X - 10log10(log2N) Cấu trúc truyền thống PS/AC, AS/PC X - 10log10(log2N) Cấu trúc mở rộng PS/AC 2X - 10log10(log2N) Cấu trúc mở rộng PS/PC X - 10log10(N - 1) Cấu trúc đơn giản AS/AC X Cấu trúc đơn giản PS/AC X - 10log10(log2N) Cấu trúc đơn giản AS/PC X - 10log10(log2N/2) Cấu trúc hai lớp tích cực X - 10log10(log2N/2) Đánh giá cấu trúc mạng hình cây: Các cấu trúc hình cây là một trong những lựa chọn tốt nhất cho các mạng quang phân chia không gian. Tất cả các loại mạng ở trên là toàn thông và một số trong chúng được dùng cho các kết nối nhân bản (ví dụ mạng hai cấp tích cực, mạng hình cây mở rộng). Dung lượng tối đa của hầu hết các mạng này bị giới hạn chủ yếu do tổng suy hao chèn và SNR trong trường hợp xấu nghiêm trọng. Nếu giả sử giá trị giới hạn cho mất mát chèn là 30 dB và SNR thấp nhất có thể chấp nhận được là 11 dB (để đạt được tốc độ lỗi bit 10-9 cũng như L=0.5 dB, W=1.5 dB và X=20 dB) thì dung lượng mạng tối đa là 128x128 cho các cấu trúc PS/AS và AS/PC truyền thống, PS/AC mở rộng và PS/AC đơn giản. Các mạng AS/PC đơn giản và hai cấp tích cực có thể đạt tới dung lượng 16x16, trong khi cấu trúc PS/PC mở rộng chỉ là 8x8. Dung lượng của các mạng AS/AC truyền thống và AS/AC đơn giản dễ vượt quá 2048x2048 và bị hạn chế do các yếu tố khác hơn là do tổng suy hao chèn và SNR. Nếu số lượng nhỏ nhất có thể của các cấp tích cực là mối quan tâm chủ yếu thì các cấu trúc hai cấp tích cực và PS/PC mở rộng là đáng chú ý nhất. Loại cấu trúc thứ hai có khả năng chấp nhận được khi các bộ khuyếch đại quang được sử dụng như các hệ thống chuyển mạch. Chương III: Chuyển mạch ATM quang 1. Chuyển mạch ATM quang Với nhu cầu phát triển hiện nay không chỉ cho các dịch vụ thoại, dữ liệu và hình ảnh tĩnh truyền thống mà còn cho các dịch vụ thông tin tốc độ cao và băng rộng như các dịch vụ điện thoại thấy hình, hội nghị truyền hình, phân phối truyền hình TV độ nét cao và truyền file tốc độ cao, thì nhu cầu cho các mạng thông tin băng rộng càng gia tăng. Các hệ thống chuyển mạch ATM đủ linh hoạt để xử lý nhiều loại hình dịch vụ thông tin. Để phát triển các dịch vụ băng rộng ra toàn quốc thì hệ thống chuyển mạch cần có khả năng thích ứng được hàng trăm đến hàng chục ngàn giao diện khách hàng-mạng (UNI). Bởi vậy, sẽ cần có một hệ thống chuyển mạch ATM với khả năng xử lý luồng lưu lượng hàng ngàn cổng vào hay ra với các tốc độ bit vài Gigabit/s. Với các hệ thống chuyển mạch ATM xử lý các tốc độ cao như vậy có kết cấu hay ma trận chuyển mạch là điện tử sẽ tồn tại "nút cổ chai" và như vậy sẽ làm giảm tốc độ của tín hiệu. Cách duy nhất để đạt được các tốc độ cao hơn này là chuyển sang lĩnh vực hoàn toàn quang. Một hệ thống chuyển mạch sử dụng kết cấu chuyển mạch quang được gọi là chuyển mạch ATM quang. Hiện tại, một số kiểu của hệ thống chuyển mạch ATM quang đã được triển khai. Dưới đây là hai cấu trúc chuyển mạch ATM quang. a. Cấu trúc 1 (thế hệ thứ nhất) Hình 3.1 chỉ ra cấu hình một hệ thống chuyển mạch ATM quang điển hình. Mặc dù hầu hết nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc sử dụng hiệu quả độ rộng băng khả dụng trong chuyển mạch ma trận quang nhưng các mạch điện tử vẫn được sử dụng để điều khiển chuyển mạch ma trận quang. Bởi vậy, việc chuyển đổi tiếp đầu (header) quang thành tiếp đầu điện tử và phát đi tín hiệu điều khiển điện tử cho chuyển mạch ma trận quang nhờ chuyển đổi tiếp đầu điện tử. Kết quả là các tốc độ chuyển mạch bị hạn chế theo tốc độ vận hành của mạch điều khiển điện tử. Do vậy, đối với ma trận chuyển mạch quang NxN thì N2 tín hiệu điều khiển điện tử là cần thiết. Với việc gia tăng số lượng các cổng vào và ra thì mạch điều khiển điện tử trở nên hoàn toàn phức tạp do số lượng mạch điện tử tốc độ cao đang phát triển nhanh chóng. NxN 1 N N 1 1 N PD Các tín hiệu điều khiển điện tử Mạch điều khiển điện tử Tiếp đầu quang Bộ nhớ đệm Chuyển mạch ma trận quang Tín hiệu quang lối ra Hình 3.1: Cấu trúc chuyển mạch ATM quang thế hệ thứ nhất Bộ nhớ đệm điện tử được sử dụng cho hàng đợi trong môi trường điện tử. Trong trường hợp môi trường quang đối với bộ nhớ đệm quang thì đường trễ quang thường được sử dụng trong chuyển mạch ATM quang. Trong trường hợp bộ nhớ đệm điện tử thì tốc độ chuyển mạch trong chuyển mạch ATM quang bị giới hạn do tốc độ hoạt động điện tử của bộ nhớ đệm. Về phía đường trễ cáp quang, nó có thể cất giữ các tín hiệu quang tốc độ cực cao. Tuy nhiên, để gia tăng tốc độ tín hiệu tế bào, độ chính xác hoàn toàn theo độ dài đường trễ là cần thiết. Ngoài ra, bộ nhớ đường trễ quang là không phù hợp cho việc tích hợp. b. Cấu trúc 2 (thế hệ thứ hai) Tín hiệu tế bào quang lối vào NxN N 1 1 N Bộ nhớ đệm quang Mạch tự định tuyến quang Tín hiệu quang lối ra Hình 3.2: Cấu trúc chuyển mạch ATM quang thế hệ thứ hai Hình 3.2 chỉ ra cấu trúc chuyển mạch ATM quang thế hệ kế tiếp. Ở đây, chuyển mạch ATM quang đệm lối vào được mô tả. Hệ thống chuyển mạch này bao gồm các bộ nhớ đệm quang FIFO (vào trước-ra trước) và mạch tự định tuyến quang NxN. Khi một tế bào hướng tới cùng một lối ra được gửi tới mạch tự định tuyến từ các bộ nhớ đệm FIFO tại cùng một thời điểm thì tế bào với độ ưu tiên cao nhất có thể được tự định tuyến, trong khi tín hiệu tế bào khác bị loại bỏ để tránh sự tranh chấp tế bào. Bộ nhớ đệm quang tốc độ cao có thể được xây dựng nhờ việc chuyển đổi các tín hiệu tế bào nối tiếp thành các tín hiệu song song và nhờ việc sử dụng số lượng lớn các kết nối quang song song. 2. Kết nối quang Sử dụng kết nối quang trong hệ thống chuyển mạch ATM là giải pháp tăng dung lượng các nút, tại những nơi có độ dài kết nối phù hợp. Hình 3.3 đưa ra kiểu kết nối quang trong hệ thống chuyển mạch ATM của hãng UT Italia. TRỘN P/S PLL Khôi phục dữ liệu cơ bản PLL GIẢI TRỘN BỘ DÒ S/P Đồng bộ Dữ liệu đầu vào (song song) Xung nhịp Ck Đồng bộ tế bào Dữ liệu đầu ra (song song) Xung nhịp Ck Điều khiển Laser AGC Đầu thu Laser Chân diode Chuỗi tín hiệu quang 311Mbit/s ASTRID MINUET Hình 3.3: 1 Kết nối quang nối tiếp điểm-điểm Kết nối quang điểm-điểm được tập trung vào việc phát triển hai chi tiết: Một chi tiết để chuyển song song dữ liệu sang dạng chuỗi (ASTRID) và chi tiết kia để thực hiện điều khiển laser và đầu thu diod (MINUET). ASTRID có một giao diện song song tuỳ theo khuôn dạng của UT-XC (bộ kết nối chéo của UT) (4/8 dữ liệu, nhịp dữ liệu, nhịp tế bào) với 77,8MHz/38.9MHz, tốc độ 311Mbit/s. ASTRID hoạt động trên các tế bào có khuôn dạng (64 byte) và chuyển đổi từ dạng song song sang dạng chuỗi. Bộ chuyển đổi S/P (nối tiếp/song song) và P/S (song song/nối tiếp) được thực hiện bởi IC CMOS 0,7mm với công suất tiêu thụ 1,1W tại tần số làm việc. Modul đầu phát quang sử dụng 2 linh kiện CMOS MINUET 0,7mm (một đầu thu, một đầu phát) và 1 diode laser. Đầu phát và đầu thu được tích hợp trong cùng một IC 20 chân, diode laser, chân diode được gắn trực tiếp lên IC. Đầu thu hoạt động với tốc độ bit là 311Mbit/s, độ nhạy là -20dBm, công suất tiêu thụ là 150mW. Hoạt động kết nối quang song song giúp cho giảm diện tích tới mức tối thiểu trên bản mạch. Hai modul phát và thu 8 kênh chưa được phát triển, trên cơ sở điều khiển laser và mảng thu diode quang có các đặc tính giống các thiết bị điểm-điểm đã được mô tả trước đây. Các modul bao gồm một đầu sợi đa mốt và một bộ kết nối tương thích với hệ thống kết nối mật độ cao. Kết nối quang được sử dụng một cách hiệu quả khi các khối kết nối quang được tập trung trong kích thước nhỏ. Khối này hoặc dựa trên công nghệ sợi uốn mềm, hoặc bước sóng quang học. Trong thực tế, giải pháp này cho phép khi phát triển hệ thống hoặc thay đổi trong kết nối, chỉ cần thay đổi khối kết nối quang mà không cần thay đổi đầu sợi cáp hiện tại. 3. Chuyển mạch quang tại các nút ATM · · · Kết cấu chuyển mạch quang 2,5 hoặc 10 Gbit/s 155 Mbit/s 622 Mbit/s 2,5 Gbit/s Hình 3.4: Chuyển mạch ATM T bít dựa trên các hệ thống chuyển mạch truy nhập điện tử ATM và hạt nhân chuyển mạch quang Có hai cách giải quyết khác nhau được kết hợp trong phạm vi nghiên cứu này. Ở cách thứ nhất, kết nối quang được đưa ra trong các lớp ATM điện tử và đề xuất việc sử dụng kết nối chéo quang để cung cấp kết nối trong các chuyển mạch ATM truy nhập điện tử có dung lượng cao (tới hàng chục Gb/s). Lợi thế của giải pháp này là việc tái sử dụng các hệ thống chuyển mạch ATM điện tử (cũng như các giao diện truy nhập) được kết nối với nhau rất linh hoạt và hiệu quả nhằm đạt được độ lưu thoát rất cao. Trong giải pháp ở hình 3.4 chuyển mạch quang chỉ cung cấp việc định tuyến các luồng ATM tốc độ cao (2,5 hoặc 10Gbit/s) mà không hoạt động ở mức tế bào. Việc định tuyến qua hệ thống chuyển mạch quang phân chia không gian được quản lý bởi bộ điều khiển điện tử mà có thể đặt lại cấu hình kết nối trong các hệ thống chuyển mạch truy nhập ATM ngoại vi phù hợp với các nhu cầu lưu lượng. TẢI TIN TIẾP ĐẦU T. gói Đồng bộ o e Bảng tìm kiếm Điều khiển điện tử Chuyển mạch./tầng đệm đóng gói quang o e Trễ = T xử lý N N TIẾP ĐẦU GHI LẠI TIẾP ĐẦU @ lối vào T xử lý =< T gói GHI LẠI TIẾP ĐẦU @ lối ra TẢI TIN TIẾP ĐẦU Hình 3.5: Sơ đồ khối của hệ thống chuyển mạch ATM quang Tbit/s Cách giải quyết thứ hai tập trung hơn tới công nghệ quang. Trong trường hợp này, giả thiết là các thiết bị quang sẽ phát triển để sản xuất hàng loạt, với độ tin cậy cao và tiêu thụ nguồn thấp là các yếu tố then chốt đối với hệ thống viễn thông. Khái niệm này dự báo các hệ thống chuyển mạch quang ATM dung lượng cao trên cơ sở khai thác vùng bước sóng cho việc định tuyến tế bào tốc độ cao và/hoặc cho lớp đệm tế bào ATM, các phần điện tử chỉ được sử dụng cho các khối chức năng đòi hỏi mức độ cao của việc xử lý tốc độ thấp như điều khiển chuyển mạch. Sơ đồ chuyển mạch quang ATM nói chung như trong hình 3.5. Các bộ đệm quang để giải quyết sự tranh chấp các tế bào dựa trên các mạch vòng trễ quang do hiện tại công nghệ quang vẫn chưa có khả năng phát triển các bộ nhớ quang tích hợp quy mô lớn. Đã có nhiều nghiên cứu về các cấu trúc khác nhau để làm giảm tối thiểu độ phức tạp của các bộ đệm quang (lối vào, lối ra, chia sẻ bộ đệm, sử dụng các bước sóng theo vị trí bộ nhớ tế bào, phù hợp với lưu lượng và yêu cầu hoạt động của hệ thống). Các gói được cất giữ trong các bộ nhớ sợi quang do vậy tránh được việc xử lý ở mức độ bit hay byte, cho phép các nút quang hoạt động theo kiểu truyền thông suốt thậm chí cả ở mức độ bit và mã. Điều khiển điện tử của nút quang quản lý chức năng đệm/định tuyến tế bào trên các cơ sở thông tin lấy từ các tiếp đầu của gói. Việc ghi lại tiếp đầu tại lối ra hay lối vào của nút là cần thiết cho việc thay đổi VP/VC (đường dẫn ảo/kênh ảo) phù hợp với các bảng dò tìm mà sẽ được cập nhật khi thiết lập kết nối và cung cấp các thông tin định tuyến của hệ thống chuyển mạch. Kiểu chuyển mạch ATM quang vận hành đồng bộ đòi hỏi các tế bào đến trên n lối vào chuyển mạch được gán với khe thời gian. Do đó, các thiết bị đồng bộ là cần thiết tại mỗi lối vào. FFPFs SOAs FFPFs Trễ sợi quang l0 l1 l2 l3 l0 l1 l2 l3 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ Input #0 Input #1 Trễ EDFA l0,l1,l2,l3 Output #0 Output #1 1:1 1:1 1:1 O/E O/E Hình 3.6: Lược đồ thử nghiệm của hệ thống chuyển mạch ATM quang sử dụng bộ nhớ lặp sợi quang Ý nghĩa của thử nghiệm ở hình 3.5 là kiểm tra tính khả thi của chuyển mạch ATM quang và khả năng công nghệ photonic cho phép tăng dung lượng đến vùng Tbit/s. Còn rất nhiều việc cần giải quyết đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ khi mà các thiết bị photonic và kỹ thuật tích hợp còn rất mới mẻ. Thử nghiệm này còn chỉ ra rằng độ dài của tế bào ATM không phù hợp với vận hành ở các tốc độ cao hơn 2,5Gbit/s trên mỗi kênh mà tốc độ này lại thuận tiện cho việc sử dụng công nghệ quang. Khuôn dạng đóng gói mới đang được nghiên cứu nhằm khai thác tốt hơn công nghệ photonic và đem đến các giải pháp mới cho các mạng đóng gói quang. Theo hướng này thì các khái niệm mới như các nút và các mạng gói quang dựa trên các gói truyền thông suốt có khoảng thời gian cố định áp dụng cho việc tải tin, trong khi các tiếp đầu gói được duy trì ở tốc độ bit cố định, đủ thấp để được xử lý bằng điều khiển nút điện tử. Chương IV: Ứng dụng chuyển mạch quang vào mạng viễn thông 1. Triển khai ứng dụng dựa vào các chức năng của chuyển mạch quang a. Phân hoặc ghép kênh theo thời gian Phân hay ghép kênh theo thời gian được thực hiện bằng điện tử sử dụng các kiểu khác nhau của mạch đồng hồ, các phần tử cất giữ và logic có liên quan dựa trên công nghệ transistor Silicon (Si). Để thực hiện các hoạt động này, việc đồng bộ là cần thiết. Các hoạt động cất giữ và logic có liên quan cần thiết tạo nên TDM đồng bộ khó thực hiện bằng quang vì thiếu bộ nhớ quang có thể chấp nhận được. Tuy nhiên việc ghép và phân kênh của các luồng quang đồng bộ có thể được thực hiện miễn là các xung ngắn hơn các khe bit. Bởi vậy, ghép kênh có thể đạt được nhờ việc kết hợp thụ động các luồng bit trong các bộ nối quang. Việc phân kênh bằng quang của các luồng bit đồng bộ cần sử dụng một số công nghệ khác, ví dụ sử dụng các gương lặp phi tuyến. b.Đệm và đồng bộ Đây có lẽ là lĩnh vực khó khăn nhất cho việc triển khai photonic, và nhược điểm cơ bản của photonic là không có phần tử logic quang như transistor điện tử. Đối với việc đệm thì đường trễ cáp quang là phần tử thường được sử dụng. Tuy nhiên, các thiết bị này gặp khó khăn trong trong khi cạnh tranh với các thiết bị điện tử có liên quan đến tốc độ, năng lượng chuyển mạch và tiêu thụ nguồn. Việc đồng bộ là tương tự với việc đệm về phương diện trễ có liên quan tuy ngắn hơn. c. Phân và ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) Thông thường trong tuyến thông tin quang điểm nối điểm, mỗi một sợi dẫn quang cho một tia laser với một bước sóng ánh sáng truyền qua, tại đầu thu, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Mỗi một sóng laser này mang một số tín hiệu điện với một phổ nhất định. Từ những năm 1980, công nghệ sợi quang có nhiều tiến bộ nên phương thức ghép kênh quang theo bước sóng được ứng dụng trong mạng viễn thông đường trục và quốc tế. Ở đây, WDM cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit của đường truyền và cũng không dùng thêm sợi dẫn quang. Hơn nữa, ghép theo WDM không chỉ giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc mà còn chống được tổn hao do phân cực. Các hệ thống thông tin quang hiện đại có sử dụng bộ khuếch đại quang để ghép nhiều kênh theo WDM. Nếu với lưu lượng là 2,5Gbit/s, ghép theo WDM từ 8 đến 16 luồng thì ta thực hiện được một đường thông tin quang với lưu lượng là 20Gbit/s đến 40Gbit/s trên một sợi đơn mode mà vẫn dùng lại được các thiết bị ghép kênh và phân kênh hiện có. Nói một cách khác, WDM cho phép tăng tích số lưu lượng nhân với cự ly trên một sợi quang. Công nghệ phân chia theo bước sóng cho chuyển mạch hầu hết có thể áp dụng cho các ứng dụng kết nối chéo (vì nó tránh được vấn đề đồng bộ). Việc sử dụng WDM hoạt động với chuyển đổi bước sóng quang-điện tử, trong kiểu kết nối chéo của ứng dụng được đưa ra để tăng dung lượng cũng như tính linh hoạt của mạng d. Chuyển mạch không gian Ban đầu, việc nghiên cứu về chuyển mạch quang chủ yếu là ở chuyển mạch kênh phân chia theo không gian với cơ sở phương tiện là tốt nhất, chủ yếu có dạng các dãy chuyển mạch lithium niobate (LiNbO3). 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 nguyên tắc không có suy hao chuyển mạch. Cổng ra được lựa chọn nhờ điều khiển chiết xuất của ống dẫn sóng. Chiết xuất thay đổi nhờ dòng 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 yêu cầu. Trong trường hợp này, công suất tín hiệu phân chia cho các tuyến không 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. Các đặc tính của các hệ thống chuyển mạch này, hoặc là dựa trên việc đóng mở cổng của các bộ khuếch đại quang hoặc thay đổi chiết xuất nhiều hơn Các hệ thống chuyển mạch này được sử dụng trong hệ thống kết nối chéo. Giới hạn về số lượng các cổng cho một hệ thống chuyển mạch đơn chip do kích thước của chip vật lý sẵn có và độ dài tương đối lớn của các phần tử chuyển mạch. 2. Sắp xếp các vị trí và vấn đề truyền thông suốt trên mạng a. Kết nối chéo quang Các kết nối chéo quang là nơi mà hệ thống chuyển mạch định tuyến các luồng dữ liệu có độ rộng băng rất cao nhưng chỉ được lấy lại cấu hình ở tốc độ phù hợp với các thay đổi tải và các lỗi trên toàn mạng. Hình dưới đây minh họa một lớp quang có thể tạo nên sự mở rộng tới lớp truyền tải và cho phép tăng dung lượng cũng như tính linh hoạt nhờ việc sử dụng nhiều hệ thống chuyển mạch không gian và nút liên kết chéo. Nút bao gồm một lớp quang và một lớp điện tử. Lớp điện tử được sử dụng cho chuyển mạch các hạt điện tử hay để giải quyết việc tranh chấp bước sóng. Mỗi một trong ba cáp quang đi đến mang 4 bước sóng . Các tín hiệu quang được khuếch đại, phân tách nhờ các bộ tách công suất và được mang tới các bộ lọc lựa chọn các bước sóng. Các kênh bước sóng sau đó được định tuyến trong hệ thống chuyển mạch không gian hoặc tới các bộ kết hợp quang lối ra, nơi mà chúng được hợp nhất với các kênh bước sóng khác cho việc khuếch đại kế tiếp trong các bộ khuếch đại sợi quang, hoặc tới lớp điện tử. Ngược lại, nút có thể xen lưu lượng từ 3 bộ phát tín hiệu bao gồm các laser bước sóng có thể điều chỉnh được hiệu tế bào quang lối vào Các module giám sát Các bộ thu Các bộ phát điều chỉnh được Các bộ lọc Bộ cân bằng khuếch đại quang Bộ tách quang Hệ thống chuyển mạch không gian Bộ kết hợp khuếch đại quang Hình 4.1: Nút kết nối quang để quản lý lưu lượng Bởi vì khuếch đại luôn kết hợp với ồn nhiễu, mạng sẽ giảm bớt số nút có thể đi qua trước khi tới môi trường điện tử. Ồn nhiễu từ các bộ khuếch đại quang, độ bão hòa khuếch đại là các nhân tố hạn chế cần được quan tâm. Xuyên âm khi sắp xếp mạng quang cũng cần phải lưu ý. Khuếch đại quang có tác dụng bù các tổn hao và bởi vậy gia tăng dung lượng truyền dẫn lên rất nhiều. Bên cạnh đó, nhiễu lại hạn chế dung lượng. Xuyên âm giữa các kênh bước sóng là một nhân tố hạn chế khác. b. Khả năng truyền thông suốt trên mạng Lý do lớn nhất cho việc phát triển các mạng toàn quang là khả năng truyền thông suốt. Dựa vào một kênh quang, khách hàng có thể tự do quyết định lựa chọn dạng mã gì và tốc độ nào. Điều này rõ ràng dành cho các mạng phân chia theo không gian và bước sóng. Mạng TDM truyền thông suốt với khả năng phương pháp mã và tốc độ bit khác nhau được sử dụng cho mỗi khe trong một khung. Việc truyền thông suốt theo nguyên tắc có thể không đúng trong thực tế. Một mạng đã triển khai sẽ chắc chắn thiết lập một số giới hạn cho các dạng mã và tốc độ bit. Với TDM, thiết kế của bộ phát tín hiệu sẽ phải xem xét đến mã ghép kênh, khoảng thời gian của các khe và khung, mà có thể có ảnh hưởng lên dạng mã cho việc đồng bộ bit. Thiết bị truyền, tất nhiên là phụ thuộc với dạng ghép kênh đã được sử dụng (WDM hay TDM, số lượng các kênh, vị trí của các kênh theo bước sóng hay thời gian, các điểm tham chiếu cho các vị trí này). Cấu trúc kênh cũng có thể bị ảnh hưởng bất cứ khi nào mạng được nâng cấp để hỗ trợ nhiều khách hàng hơn. Xem xét 3 mức: quang (không có điện tử trong đường dẫn tín hiệu), mã hoá và truyền thông suốt tốc độ bit (truyền tín hiệu và định tuyến độc lập theo dạng mã và tốc độ bit): • Nhờ việc độc lập với quang, các điện tử truyền thông suốt tốc độ bit có thể được sử dụng trong đường dẫn tín hiệu. Điều này có thể được sử dụng để làm giảm độ tán sắc và xuyên âm và cũng có thể cho phép khuếch đại, chuyển đổi bước sóng và truy nhập tới các tín hiệu đang giám sát. • Các thiết bị điện tử sử dụng tín hiệu đồng hồ phụ thuộc mã có thể tái khởi phát tín hiệu. • Cuối cùng nhờ việc không phụ thuộc vào tốc độ bit, các hệ thống chuyển mạch hoàn toàn bằng điện tử có thể được sử dụng. Các hệ thống chuyển mạch ATM có thể tránh được hiện tượng tắc nghẽn gây ra do thiếu kênh trên mạng. Các lý do cho việc truyền thông suốt là các chức năng truyền dẫn và chuyển mạch điện tử có thể trở nên các nút thắt cổ chai và các giải pháp chỉ toàn quang có thể hiệu quả giá thành hơn. Bởi vậy một điều có thể nói được là giải pháp khả dĩ cho các mạng chỉ toàn quang có thể là các mạng dựa trên truyền dẫn cáp quang, các kết nối chéo quang và chuyển mạch điện tử. Điều này có nghĩa là các mạng chỉ toàn quang có kích thước hạn chế sẽ được liên kết với cấp truyền dẫn nhờ các bộ lặp điện tử. Các hệ thống chuyển mạch quang sẽ chỉ cho phép tính năng kết nối chéo (không gian và bước sóng) và chuyển mạch có đầy đủ tính năng sẽ là điện tử tại các bộ phận nhỏ của các nút. Chuyển đổi bước sóng có thể được hỗ trợ nhờ các phần tử quang điện tử tương tự đơn giản, việc phối hợp tối ưu các phần tử điện tử và photonic phụ thuộc vào từng hệ thống. Trong tình huống này, việc triển khai các thiết bị quang điện tử tương đối lớn hơn theo xu hướng có dạng các thiết bị tích hợp. KẾT LUẬN Xu thế phát triển mạng hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam là xây dựng mạng truyền tải quang cho mạng NGN (Next Generation Network – Mạng thế hệ sau) dựa trên công nghệ WDM. Những nỗ lực phi thường về công nghệ truyền dẫn quang trong đó tập trung vào việc nghiên cứu các vấn đề công nghệ mạng WDM trên thế giới hiện nay đang dần đáp ứng được nhu cầu phát triển tất yếu của mạng. Có nhiều vấn đề cần phải giải quyết trong mạng truyền tải quang nhằm ngày càng hoàn thiện đặc tính mạng. Trong các vấn đề đó, chuyển mạch quang trong mạng truyền tải quang được coi là những hướng đi hấp dẫn nhất và rất có ý nghĩa. Một mặt, kĩ thuật này cho phép xây dựng được mạng truyền dẫn quang linh hoạt và bảo đảm thông suốt các lưu lượng tín hiệu lớn. Mặt khác nó cho phép nâng cao tính thông minh cho lớp quang trong khi vẫn đơn giản hóa được rất nhiều cấu trúc mạng. Điều đó có tác động lớn tới việc xây dựng, khai thác và bảo dưỡng mạng rất có hiệu quả sau này. Mục tiêu của mạng truyền tải quang là hướng tới mạng toàn quang. Chuyển mạch quang tiến tới chuyển mạch gói quang. Mạng viễn thông của tập đoàn Bưu Chính Viễn Thông hiện đang trong giai đoạn chuyển đổi, hướng tới mạng NGN. Với tốc độ cơ sở hạ tầng phát triền như hiện nay, khả năng ứng dụng chuyển mạch quang trong mạng tập đoàn Bưu Chính Viễn Thông là rất lớn. TÀI LIỆU THAM KHẢO Nghiên cứu tiếp cận công nghệ chuyển mạch quang trong mạng viễn thông tương lai – Nguyễn La Giang , 1999. Chuyển mạch gói quang và khả năng ứng dụng trong mạng viễn thông Việt Nam- ThS Nguyễn Bá Hưng , 2006