Bộ nối chéo quang OXC

Mục lục I. Tổng quan về bộ nối chéo quang OXC 1.1 Khái niệm 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 thông đột biến thì các mô hình mạng hiện tại không đáp ứng được. Khi đó, cần phải triển khai mạng mắt lưới (mesh), topo mạng phức tạp hơn và số lượng bước sóng lớn hơn, với phần tử trung tâm là các bộ kết nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect). Dưới góc độ phần tử mạng, thiết bị đấu nối chéo quang (OXC) là một phần tử chuyển mạch quang linh hoạt cho phép chuyển mạch tín hiệu tới từ một cổng đầu vào đến một hoặc nhiều cổng đầu ra khác nhau. Nhiệm vụ cơ bản của nó là: Nối chéo các kênh quang. Ghép tách đường tại chỗ. Hình 1.1 Mạng WDM định tuyến bước sóng Trong mạng định tuyến bước sóng WDM, ở hình trên gồm có hai loại node là: OXC và Edge node. OXC là node mà đóng vai trò kết nối các sợi quang trong mạng. Edge node đóng vai trò cung cấp giao diện giữa những hệ thống kết cuối phi quang (như là các IP Router, chuyển mạch ATM, hay các siêu máy tính) với lõi quang. OXC làm việc bên cạnh các mạng cơ bản khác như SONET/SDH hay IP, các thiết bị đầu cuối mạng WDM, các bộ chuyển mạch xen/rớt. Đặc biệt, một vài cổng của OXC nối với các thiết bị WDM,còn một vài cổng khác tới các thiết bị đầu cuối khác như là SONET/SDH, IP routers, hay chuyển mạch ATM. Do đó,các OXC cung cấp một cách hiệu quả chi phí băng thông cho các luồng tốc độ cao cũng như đóng vai trò quan trọng trong việc thu gom lưu lượng từ các thiết bị khác vào trong mạng. Định nghĩa OXC không chỉ bao gồm ý nghĩa nằm xung quang các OLT. 1.2 Chức năng của OXC Trong một mạng rộng, các OXC cung cấp một vài chức năng chính như sau: Cung cấp dịch vụ: OXC phải hỗ trợ khả năng cung cấp các đường quang trong mạng một cách tự động mà không cần sự can thiệp của nhà quản lý hệ thống, chẳng hạn như khả năng đáp ứng thêm kênh bước sóng nếu nhu cầu băng thông tăng lên...Chức năng này rất quan trọng khi mà mạng của chúng ta rộng với số lượng bước sóng trong một node lớn hay số lượng node trong mạng lớn. Và nó cần thiết khi mà các đường quang trong mạng được cấu hình lại để đáp ứng với sự tăng lên về lưu lượng. Việc sử dụng con người để thực thi việc nối các kết nối là đắt và dễ xảy ra lỗi. Cấu hình từ xa các OXC là một tính năng rất hữu dụng. Bảo vệ: bảo vệ đường quang đối với các sự cố đứt cáp hoặc sự cố nút mạng là một trong những yêu cầu quan trọng đối với các bộ OXC. Đây là một chức năng thông minh, nó có thể phát hiện lỗi trong mạng và nhanh chóng sử dụng các đường quang đang lưu thống khác thay thế. Trong suốt đối với tốc độ truyền dẫn bit: là khả năng chuyển mạch các tín hiệu có tốc độ bit và định dạng khung truyền khác nhau. Giám sát chất lượng truyền dẫn, kiểm tra truy nhập và định vị lỗi: cho phép khả năng trích tín hiệu đi đến qua một cổng khác để thực hiện chức năng đo đạc, xác định và giám sát chất lượng truyền dẫn. Chuyển đổi bước sóng: Để chuyển mạch tín hiệu từ một cổng tới một cổng khác, OXC có thể cũng đưa thêm khả năng chuyển đổi bước sóng. Bộ chuyển đổi rất có ích trong việc giảm xác suất tắc nghẽn mạng. Ghép và nhóm tín hiệu (Multiplexing and Grooming): cho phép hoạt động với các tín hiệu khách hàng có tốc độ bit không tương ứng với tốc độ bit của tín hiệu truyền trong lớp kênh quang, ví như STS-1 (51Mb/s). 1.3 Cấu hình OXC: Một phần tử kết nối chéo cơ bản 2 x 2 gửi các tín hiệu quang từ hai ngõ vào đến hai ngõ ra và có hai trạng thái, đó là: trạng thái cross và trạng thái bar. Trong trạng thái cross, tín hiệu từ cổng vào phía trên được gởi đến cổng ra phía dưới, và tín hiệu từ cổng vào phía dưới được gởi đến ngõ ra phía trên. Trong trạng thái bar, tín hiệu từ cổng vào phía trên được gởi đến cổng ra phía trên, và tín hiệu từ cổng phía dưới được gởi tới cổng ra bên dưới. Hình 1.2 Ví dụ về phần tử nối chéo cơ bản cỡ 2x2 Một bộ OXC có thể phân làm hai phần: phần lõi chuyển mạch và phần cổng giao diện. Phần lõi thực hiện các chức năng kết nối chéo quang trong khi phần cổng giao diện thực hiện giao tiếp với tín hiệu khách hàng. Chú ý rằng thông thường thì cổng giao diện là các card chứa các bộ chuyển đổi quang-điện-quang, hoặc bộ chuyển đổi quang-điện, tuy nhiên đối với cấu hình phần lõi chuyển mạch là toàn quang thì phần lõi được nối trực tiếp với các bộ MUX/DEMUX của các OLT hoặc OADM mà không cần qua bộ chuyển đổi quang-điện-quang ở phần giao diện. Các cấu hình cho OXC bao gồm cấu hình lõi điện và cấu hình lõi quang. Cấu hình lõi điện: Lõi chuyển mạch điện thực hiện chuyển mạch các tín hiệu điện. Nó có thể thực hiện nhóm các luồng lưu lượng có tốc độ bit nhỏ lại thành luồng lưu lượng có tốc độ bit là tốc độ bit truyền trên kênh bước sóng thuộc lớp kênh quang tại cổng vào hoặc cổng ra- ở các chuyển mạch lõi quang không hỗ trợ việc nhóm này. Lõi chuyển mạch điện thường được thiết kế với tổng lưu lượng mà nó có thể xử lý. Do linh kiện hoạt động với tín hiệu điện phụ thuộc vào tốc độ bit nên về lâu dài, khi tốc độ bit cao thì các OXC dùng lõi chuyển mạch điện sẽ mắc hơn do các linh kiện điện tử hoạt động với tốc độ càng cao càng khó chế tạo. Tuy nhiên, do hoạt động dựa trên các tín hiệu điện, lõi chuyển mạch điện cho khả năng giám sát chất lượng tín hiệu tốt thông qua chỉ số BER, kích hoạt chuyển mạch bảo vệ khi chất lượng truyền dẫn không đảm bảo. Lõi chuyển mạch quang Khác với lõi chuyển mạch điện, lõi chuyển mạch quang thực hiện chức năng kết nối chéo các tín hiệu quang. Do đó, lõi chuyển mạch quang trong suốt với tốc độ bit truyền dẫn, cung cấp khả năng mở rộng cho nhu cầu tăng tốc độ truyền dẫn trong tương lai. Tuy nhiên,thường thì khả năng giám sát chất lượng truyền dẫn của OXC khi dùng lõi chuyển mạch quang không tốt bằng lõi chuyển mạch điện do chỉ có khả năng giám sát thông qua công suất quang đo được ở đầu vào. 1.4 Các chỉ tiêu để đánh giá kết cấu của OXC Trợ giúp kênh bước sóng hay kênh bước sóng ảo: Trên lĩnh vực điện, một tín hiệu truyền trong mạng quang cần phải chọn một tuyến, đồng thời phân phối bước sóng cho nó. Tùy theo OXC có cung cấp chức năng biến đổi bước sóng hay không, kênh quang được chia thành kênh bước sóng WP và kênh bước sóng ảo VWP. Kênh bước sóng WP- trên những sợi quang khác nhau phải sử dụng cùng một bước sóng như nhau, như thế để thiết lập kênh thì mạng phải tìm một tuyến với một bước sóng rỗi trên tất cả các sợi. VWP có thể nâng cao hiệu suất sử dụng của bước sóng và giảm xác suất nghẽn. Đặc tính nghẽn: Tốt nhất là kết cấu OXC là tuyệt đối không nghẽn vì dung lượng của kênh quang rất lớn. Tính module của kết nối: khi lưu lượng tương đối nhỏ thì OXC chỉ cần giá thành rất nhỏ đã có thể cung cấp tính liên kết đầy đủ, khi lưu lượng tăng lên có thể thực hiện mở rộng tăng các module mới mà không cần biến đối kết cấu vốn có thì loại kết cấu này có tính module kết nối. Tính module bước sóng: nếu chỉ cần tăng module mà không cần biến động kết cấu vốn có thì sẽ có thể tăng số bước sóng được ghép trong mỗi đường. Khả năng phát quảng bá: nếu tín hiệu đi qua điểm nút OXC có thể phát quảng bá cho các kênh có nhiều đầu ra. Giá thành: là một trong các nhân tố quan trọng quyết định loại kết cấu nào được sử dụng rộng rãi. II. Các kết cấu của OXC 2.1 Kết cấu OXC dựa trên chuyển mạch không gian 2.1.1 Dựa vào đôi ma trận khóa quang không gian và bộ ghép/tách kênh chia bước sóng của kết cấu OXC b) Hình 2.1: Kết cấu của OXC bao gồm ma trận khóa quang không gian và bộ ghép/ tách kênh chia bước sóng Hình 2.1 là hai loại kết cấu OXC dựa vào đôi ma trận khóa quang không gian và bộ ghép/ tách kênh chia bước sóng, chúng dùng bộ tách kênh để tách tín hiệu WDM về không gian trong dây nổi ra, sau đó sử dụng ma trận khóa quang không gian để chuyển mạch không gian. Sau khi hoàn thành chuyển mạch không gian, các tín hiệu bước sóng được ghép kênh và lên đường kết nối ra. Trong kết cấu a) không có bộ chuyển đổi bước sóng, do đó nó chỉ có thể trợ giúp kênh bước sóng. Trong kết cấu b) mỗi một tín hiệu bước sóng đi qua bộ biến đổi bước sóng thực hiện chuyển mạch bước sóng rồi ghép kênh lên đường kết nối ra, do đó nó trợ giúp kênh bước sóng ảo. Giả thiết có Nf đường kết nối vào/ ra. Mỗi đường kết nối ghép kênh cùng một nhóm M bước sóng, dung lượng chuyển mạch của ma trận khóa quang không gian là NxN (N>Nf). Mỗi ma trận khóa quang có N- Nf đầu dây dùng cho chức năng luồng đi/ đến tại chỗ và nối với DXC. Giả thiết N = Nf + 1, tức mỗi điểm nút có thể có trên dưới M đường tín hiệu. Kết cấu a) cần có 2Nf bộ ghép/ tách kênh và M ma trận khóa không gian NxN, tức điểm đấu chéo. Khi lưu lượng của mạng ương đối nhỏ, trong mỗi đường kết nối cần số bước sóng ghép kênh tương đối ít, lúc này không cần bố trí toàn bộ M ma trận khóa trong OXC, như vậy đầu tư ban đầu cho mạng tương đối nhỏ. Khi lưu lượng tăng lên số bước sóng cần tăng lên thì chỉ cần tăng số lượng ma trận khóa quang tương ứng. Do đó loại kết cấu này có tính modun bước sóng. Nhưng cho dù ban đầu OXC không cần đến Nf đường kết nối vào/ ra, để thỏa mãn yêu cầu về dung lượng trong tương lai, mỗi ma trận khóa cũng phải bố trí thành NxN, tức sự lớn nhỏ của ma trận không được biến đổi theo số lựợng đường kết nối vào/ ra, cho nên loại kết cấu này không có tính mođun đường kết nối. Do khi sử dụng bộ ghép/ tách kênh chia bước sóng, một tín hiệu quang ở đầu vào chỉ có thể được nối đến một đường ra duy nhất trong kênh quang, mà không thể phát quảng bá đến nhiều đường dây ra trong kênh quang, do đó nó không có khả năng phát quảng bá. Trong kết cấu b) vì bước sóng bất kỳ ở trong một đường kết nối vào bất kỳ cần chuyển mạch tới một bước sóng bất kỳ trong một đường kết nối ra bất kỳ, do đó ma trận khóa trong kết cấu này phải thực hiện chuyển mạch cho MN x MN lần tuyệt đối không có nghẽn, lúc nhiều nhất cần điểm đấu chéo. Ngoài ra, kết cấu này cần 2Nf bộ ghép tách/ kênh và MNf bộ biến đổi bước sóng. Sau khi xác định dung lượng thiết kế cuối cùng M và N của OXC, MN x MN ma trận khóa cũng được xác định. Cho dù lưu lượng cần thiết có tương đối nhỏ, cũng không thể giảm nhỏ ma trận khóa, do vậy nó không những không có tính mođun bước sóng, mà cũng không có tính mođun đường kết nối, nhưng nó trợ giúp kênh bước sóng ảo và không có khả năng phát quảng bá. 2.1.2 Kết cấu OXC dựa trên ma trận khóa quang không gian và bộ lọc có điều chỉnh. Có hai kết cấu chung sử dụng bộ phối ghép và bộ lọc có điều chỉnh để hoàn thành chức năng phân tách về mặt không gian tín hiệu WDM đưa vào. Qua ma trận khoá quang không gian và bộ biến đổi bước sóng và bộ phối ghép kênh để ghép hai sóng lại. Hình 2.2 Kết cấu OXC có ma trận khoá không gian và bộ lọc có điều chỉnh Trong kết cấu 2.2 không có bộ biến đổi bước sóng, chỉ có thể trợ giúp kênh bước sóng. Nó gồm M ma trận khóa N x N ( điểm đấu chéo) và MNf bộ lọc có điều chỉnh.Nó có tính mođun bước sóng, nhưng không có tính mođun đường kết nối. Do nó sử dụng bộ lọc có điều chỉnh để chọn ra một tín hiệu bước sóng nào đó, chỉ cần điều chỉnh bộ lọc tương ứng với một đường kết nối đến cùng một bước sóng thì có thể phát quảng bá một tín hiệu đến nhiều đường kết nối ra, do đó nó có khả năng phát quảng bá. Hình 2.3 Kết cấu OXC có ma trận khoá không gian và bộ lọc có điều chỉnh Trong kết cấu hình 2.3 có thêm MNf bộ biến đổi bước sóng, là có thể trợ giúp kênh bước sóng ảo. Các tính năng của nó giống kết cấu hình 2.2 2.2 Kết cấu OXC dựa vào chuyển mạch phân chia bước sóng Ghép kênh bước sóng dày đặc là xu thế trong thông tin quang. Nó lợi dụng băng thông rộng của sợi quang, trong cửa sổ bước sóng 1550nm có tổn hao thấp để ghép kênh nhiều tín hiệu quang và nâng dung lượng thông tin sợi quang lên rất cao. Chuyển mạch bước sóng trong thông tin quang là bước sóng λi bất kỳ trong tín hiệu ghép bước sóng được biến đổi thành bước sóng λj khác. Chuyển mạch bước sóng quang cần bộ biến đổi bước sóng (Wavelegth Converter ) bộ tách bước sóng để chia cắt kênh tín hiệu về không gian, tiến hành chuyển đổi bước sóng đối với mỗi một kênh, rồi ghép lại và đưa ra như trên hình 2.4 Hiện nay có ba phương pháp chuyển đổi bước sóng : Sử dụng bộ biến đổi bước sóng O/E/O chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, rồi dùng tín hiệu điện điều chế Laser, điều chỉnh bước sóng ra của Laser để chuyển đổi bước sóng, phương án này có thể sửa xung, khuếch đại nhưng mất tính trong suốt của miền quang. Lợi dụng đặc tính bão hoà và hấp thụ của bộ khuếch đại bán dẫn, lợi dụng hiệu ứng điều chế tăng ích xen kẽ nhau của bộ khuếch đại bán dẫn hoặc hiệu ứng điều chế pha xen kẽ nhau để thực hiện biến đổi bước sóng. Lợi dụng hiệu ứng trộn tần bốn bước sóng trong bộ khuếch đại quang bán dẫn và các ưu điểm tốc độ cao, băng tần rộng và tính trong suốt tốt trong miền quang. 2.2.1 Kết cấu OXC chuyển mạch bước sóng nhiều cấp dựa vào bộ ghép cách tử ống dẫn sóng AWGM (Arayed Waveguide Grating Multiplexer) Kết cấu này lợi dụng đặc tính của bộ ghép kênh AWGM, kết nối các cấp của bộ biến đổi bước sóng nhiều cấp khác nhau, thực hiện chuyển mạch kênh quang hoàn toàn trên miền bước sóng. Một bộ ghép kênh AWGM có thể đồng thời thực hiện chức năng ghép kênh chia bước sóng và tách kênh, ghép nhiều bước sóng có bội số nguyên trong khoảng phổ tự do đến đầu ra. Trong hình vẽ bộ biến đổi bước sóng 1x1 do một bộ tách kênh, M bộ biến đổi bước sóng và một bộ phối ghép tạo thành, hoàn thành biến đổi M bước sóng đầu vào thành một bước sóng nào đó trong R bước sóng nội bộ. Khi R ≥ [(2M-1)/N]*N thì kết cấu này có thể thực hiện đấu nối chéo kênh ảo thành nhiều kiểu tuyệt đối không nghẽn, ([x] biểu thị lớn hơn hoặc bằng số nguyên nhỏ nhất của x). Hình 2.4 : Kết cấu OXC dựa vào 3 cấp biến đổi bước sóng của bộ ghép kênh AWGM Kết cấu này có tính môđun bước sóng, không có tính môđun đường kết nối,nếu dùng bộ tách kênh trong bộ biến đổi bước song thì không có khả năng phát quảng bá.Nếu dùng bộ lọc có điều chỉnh thì nó có khả năng phát quảng bá. Loại kết cấu này cần có 2 bộ ghép kênh AWGM và 3N bộ biến đổi bước song 1*1, cái sau tương đương với 3N bộ ghép kênhvà 3MN bộ biến đổi bước sóng Kiểu kết cấu này cũng có 2 loại hình thức cải tiến. Chúng thông qua tăng số lượng bộ biến đổi bước sóng và số khóa không gian để giảm số bước sóng nội bộ cần thiết, giảm yêu cầu đối với tính năng của bộ biến đổi bước sóng. Trong 2 loại kết cấu này khi R ≥ [M/N]*N sẽ có thể thực hiện kết nối cheó kênh bước sóng ảo tuyệt đối không nghẽn. 2.2.2 Kết cấu OXC hoàn dựa trên chuyển mạch bước sóng. Trong kết cấu này có tín hiệu WDM trong đường kết nối vào đầu tiên nó được bộ biến đổi bước sóng chuyển hoá thành MN bước sóng nội bộ khác nhau. Sau đó đưa đến MN đường nhánh thông qua một bộ phối ghép lớn, qua bộ lọc có điều chỉnh chọn ra một bước sóng cần thiết, bộ biển đổi bước sóng chuyển thành bước sóng bên ngoài cần thiết để ghép kênh cùng với bước sóng khác đưa lên đường kết nối ra. Hình 2.5 : Kết cấu OXC hoàn toàn dựa vào chuyển mạch bước sóng Loại kết cấu này chủ yếu cần (M+1)Nf bộ biến đổi bước sóng và MNf bộ lọc có điều chỉnh mà không cần có linh kiện chuyển mạch không gian. Do tăng them 1 đường kết nối vào/ra cho nên chỉ cần tăng M bộ lọc có điều chỉnh, M+1 bộ biến đổi bước sóng và một bộ phối ghép . Nếu mỗi đường kết nối tăng them 1 bước sóng chỉ chỉ cần tăng N bộ lọc có điều chỉnh và N bộ biến đổi bước sóng , do vậy nó không những nó có tính modun đường kết nối và modun bước sóng, mà nó còn có khả năng phát quảng bá. Nhược điểm của kết cấu này là yêu cầu đối với tính năng của bộ biến đổi bước sóng và bộ lọc có điều chỉnh rất cao, do đó trong phạm vi công tác chúng phải bao trùm tất cả MN bước sóng nội bộ. Để đề phòng trong kết cấu này do bộ phối ghép lớn làm mất hiệu lực và tê liệt OXC , chúng ta có thể sử dụng Nf bộ phối ghép 1*M và Nf bộ phối ghép N*M để thay thế. Làm nâng cao tính bền vững của hệ thống, đồng thời làm cho việc nâng cấp và bảo dưỡng thuận tiện hơn. 3.Ứng dụng: Trong tiến trình quang hóa mạng truyền thông, các nối chéo quang OXC (Optical Cross-connects) với chức năng chuyển mạch tuyến quang là công nghệ quan trọng cốt lõi cho phép tăng cường khả năng đáp ứng của mạng với các biến động lưu lượng và tối ưu cấu hình mạng. Trên thực tế, hầu hết các OXC hiện nay đang sử dụng lõi chuyển mạch điện và các chuyển đổi quang-điện/điện-quang (OE/EO) ở giao diện vào và ra của trường chuyển mạch. Các chuyển mạch kiểu này phụ thuộc nhiều vào tốc độ cũng như giao thức của dữ liệu sử dụng trong mạng. Khi nhu cầu tốc độ dữ liệu tăng cao, do các hạn chế về tốc độ xử lý trong miền điện, các OXC này trở lên cồng kềnh, phức tạp, hạn chế về dung lượng, tiêu thụ nguồn lớn và giá thành đắt đỏ. Vì vậy, nhằm đáp ứng khả năng nâng cấp tốc độ dữ liệu và triển khai các giao thức mới trong tương lai, các OXC toàn quang sẽ dần thay thế cho các OXC với lõi chuyển mạch điện. Các OXC toàn quang ứng dụng chuyển mạch trong miền quang với khả năng định tuyến/chuyển mạch tín hiệu dữ liệu quang mà không cần đến các chuyển đổi OE/EO, do đó, cho phép chuyển mạch độc lập với tốc độ dữ liệu và giao thức dữ liệu với độ tin cậy cao, ít tiêu tốn nguồn. Trong số các công nghệ chuyển mạch quang đang được quan tâm nghiên cứu và phát triển ứng dụng nhằm hiện thực hóa các OXC toàn quang, công nghệ chuyển mạch quang ứng dụng công nghệ MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems-hệ thống vi điện cơ), gọi tắt là công nghệ chuyển mạch quang MEMS, nổi lên là công nghệ hàng đầu và khả dụng nhất về phương diện thương mại ở thời điểm hiện tại. Công nghệ chuyển mạch quang MEMS cho phép thực hiện chuyển mạch độc lập với bước sóng với số lượng cổng vào/ra đạt được lớn hơn nhiều so với các công nghệ khác. Trong tương lai OXC được phát triển cho mạng OTN có thể hỗ trợ cho lớp chuyển mạch gói quang. Tài liệu tham khảo: “Optical networks” by Rajiv Ramaswami & Kuma R.Sivarajan & Galen H.sasaki – pape 452 -460. “Mạng thông tin toàn quang” Dương Đức Tuệ dịch, Lê Thanh Dũng hiệu đính – nxb Bưu điện 2001.