Đề tài Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM

tạo ra được quá trỡnh khuếch đại trong EDFA. Bức xạ tự phát tạo ra các photon cùng pha và hướng ngẫu nhiên, điều này gây ra nhiễu trong EDFA gọi là nhiễu do bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE). Tuy nhiên thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng cao khoảng 10ms đủ để đảm bảo thay vỡ nhiễu bức xạ gõy ra do bức xạ tự phỏt thỡ hầu hết cỏc ion Erbium đợi để khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ tự kích thích. 75 Hình 3.3 Giản đồ năng lượng Erbium Hình 3.4 so snh đáp ứng quang của Erbium với sợi dẫn quang thông thường dùng trong truyền dẫn. Sự hấp thụ quang xảy ra trong các loại cáp thông thường là thấp trong dải bước sóng tập trung khoảng 1550nm, nơi mà hấp thụ quang vào khoảng 0,2dB/km có nghĩa là 5% ánh sáng truyền qua bị hấp thụ trong 1km. Ngược lại sự tập trung Erbium vào khoảng 100ppm ở trong li cĩ thể gy ra sự hấp thụ 2dB/km ở cng bước sóng bơm. 76 Hình 3.4 Phổ hấp thụ của sợi quang thơng thường và sợi quang Erbium Laser bơm trong EDFA là laser bán dẫn thông thường và được gọi là nguồn bơm. Nguồn bơm có thể bơm ở nhiều bước sóng nhưng hiệu quả cao nhất là ở hai bước sóng 980nm và 1480nm. Khi sử dụng EDFA thì chỉ cần một nguồn bơm có công suất nhỏ từ 10 đến 100mW là đủ để công suất ra lớn theo yêu cầu, điều này giảm nguồn nuôi lên hệ thống EDFA có cấu trúc nhỏ nhẹ, linh hoạt. Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nĩ được bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu. Hiện tại thì bước sóng bơm 1480nm được sử dụng rộng ri hơn vì chng cĩ sẵn v độ tin cậy cao hơn. Nếu tăng được độ ổn định của laser diode có bước sóng 980nm thì chng cĩ thể được chọn làm nguồn bơm. 2: Đặc tính của EDFA 2.1: Đặc tính khuếch đại Đặc tính tăng ích biểu thị khả năng khuếch đại của bộ khuếch đại, định nghĩa là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào. 77 Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất và bước sóng bơm: Nhiều kết quả nghiên cứu đã cho kết luận rằng hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất và bước sóng bơm và nếu đặt bước sóng bơm tại 980nm và 1480nm là cho hiệu quả cao nhất. Công suất bơm (mW) Hình 3.5. Hệ số khuếch đại là một hàm của công suất bơm với 14m chiều dài của sợi Silico Al-Ge pha tạp Erbium được bơm tại bước sóng 980nm và 1480nm 2.2: Đặc tính tạp âm nhiễu Trong sợi pha tạp Erbium, các photon bức xạ tự phát có pha và hướng ngẫu nhiên. Một số photon bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode của sợi quang, lan truyền dọc theo li sợi v được khuếch đại thành các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến tín hiệu quang. Tạp âm của EDFA chủ yếu có 4 loại: - Tạp m tn hạt của tín hiệu quang; - Tạp âm tán hạt bức xạ tự phát bị khuếch đại (ASE); - Tạp m phch giữa quang phổ ASE v tín hiệu; - Tạp m phch giữa cc quang phổ ASE. 78 Trong 4 tạp m trên có 2 loại tạp âm thứ 3 và thứ 4 có ảnh hưởng lớn nhất, đặc biệt tạp âm thứ 3 là nhân tố quang trọng quyết định tính năng của EDFA. Ngồi ra cịn cĩ nhiễu bắn cĩ nguồn gốc pht sinh thời gian đến của các photon tại bộ tách quang không giống nhau và do tốc độ chuển động và số lượng các hạt tải điện qua tiếp giáp P-N của bộ tách quang thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian. Bộ khuếch đại quang đặt trước diode tách quang nên nó là một trong các nguồn sinh ra nhiễu bắn. Nguồn gốc của nhiễu trong các bộ khuếch đại quang: Gọi Nm(0), Nm(L) là mật độ photon ở ng vo v tại ng ra của bộ khuếch đại, G là hệ số khuếch đại chung của bộ khuếch đại. Mật độ photon ở ng ra của bộ khuếch đại được cho như sau: Nm(L) = GNm(0) + nsp(G - 1) Trong vế phải của (2.1), thành phần thứ nhất tương ứng với tín hiệu được khuếch đại, cịn thnh phần thứ 2 tương ứng với phát xạ tự phát được khuếch đại hay nhiễu ở ng ra của bộ khuếch đại. Ta tính tốn cơng suất nhiễu tại ng ra cho mode ny v tính số mode trong dải tần số ru để thu được công suất nhiễu ở ng ra trong băng thông ru xung quang tần số u khi đó hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại là G: PASE = nsp(G-1)huDu Phương trình l phương trình cơ bản trong việc tính nhiễu trong hệ thống khuếch đại quang, nó cũng được dùng nhiều trong phần tính toán thiết kế của đồ án. Một chú ý quan trọng l biểu thức tính PASE trong phương trình cần nhn thm một hệ số mt để thu được tổng công suất nhiễu ASE. 79 Nhiễu tại ng ra bộ khuếch đại quang: Trong các hệ thống thông tin ánh sáng dùng các bộ khuếch đại quang, tín hiệu quang được biễn đổi sang tín hiệu điện ở cuối đường truyền. Các bộ tách sóng sẽ biến đổi các photon thành electron, phát xạ tự phát tồn tại trong bộ khuếch đại quang sẽ gây ra sự gia tăng đối với tín hiệu điện, đó được xem như là nhiễu, nó hoàn toàn ngẫu nhiên chứ không chứa thông tin. Điện trường tổng cộng ở bộ tách sóng bằng tổng các trường của ánh sáng phát xạ tự phát và ánh sáng tín hiệu: rrr E tot = E sig + E spont Dịng photodiode được tạo ra tại ng thu: r2r2r r*r* ræeö I » E sig + E spont + E sig E spont + E sig E spont ç ÷ è hv ø Thành phần đầu tiên là cường độ tín hiệu. Các thành phần tiếp theo tương ứng với nhiễu. Thành phần thứ 2 tương ứng với sản phẩm của điện trường phát xạ tự phát với bản thân nó và gọi là thành phần nhiễu pha tự phát - tự phát (sp - sp). Thành 80 [ ( )] phần cịn lại l sản phẩm của điện trường tín hiệu và điện trường phát xạ tự phát, được gọi là thành phần nhiễu pha tín hiệu - tự phát (s - sp). Dấu (*) để chỉ các thành phần phức bù. Ch ý: Để tính phổ công suất của mỗi thành phần ta sẽ đi phân tích Fourier của mỗi thành phần, phần này đồ án sẽ tính kỹ hơn ở chương sau trong trường hợp EDFA được sử dụng làm bộ khuếch đại đường truyền (LA). Tính tỷ số nhiễu NF (Noise Figure) Trong bộ khuếch đại quang, tỷ số nhiễu được đưa ra nhằm đánh giá chất lượng của bộ khuếch đại quang. Nó được định nghĩa: SNRIN NF= SRNOUT Với SRNin, SRNout: Tỷ số tín hiệu trn nghiễu ở đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại. Qua quá trình tính tốn NF được cho như sau: G -1 1 nsp (G -1) e(2B0 - Be ) 2(G -1)nspeB0 NF = 2nsp+++ 2 GGG IsG2 I s 2 Từ (3.6) ta thấy khi G>>1, công suất đầu vào cao và băng thông quang đủ nhỏ thì NF ~ 2nsp. Trong trường hợp lý tưởng, nsp=1 và do đó NF=2(dB). Các bộ khuếch đại quang pha tạp Erbium có thể đạt được tỷ số nhiễu giới hạn là 3dB. 3.3.1.3 Đặc tính công suất ra: Với bộ khuếch đại quang lý tưởng không kể công suất vào cao bao nhiêu, tín hiệu quang đề được khuếch đại theo tỷ lệ như nhau. Nhưng thực tế không phải như vậy, khi công suất vào tăng lên, bức xạ bị kích thích tăng nhanh, giảm số hạt chuyển động ngược lại, quang bức xạ bị kích thích yếu đi, dẫn đến bo hịa tăng ích, công suất phát có xu hướng ổn định. Bo hịa tăng ích là đặc tính là hệ số khuếch đại giảm khi tín 81 hiệu vào tăng. Đặc tính bo hịa tăng ích là đặc tính vô cùng quan trọng do ccông suất đầu ra của bộ khuếch đại liên quan đến cự ly truyền dẫn và cự ly trạm lặp hoặc làm tăng số đầu ra trong cấu hình phn phối sợi quang. Hình 3.10 thể hiện mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra trong EDFA. 2.3: EDAF trong hệ thống ghép kệnh theo bước sóng Đặc điểm nổi bật ở hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM là khả năng tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode. Những năm gần đây công nghệ WDM đ cĩ những đột phá rất lớn. Sở dĩ công nghệ WDM phát triển nhanh chóng vì việc nghin cứu thnh cơng v ứng dụng bộ khuếch đại quang pha tạp Erbium EDFA. Để nâng cao chất lượng của hệ thống truyền dẫn WDM, kỹ thuật khuếch đại quang sự dụng trong hệthống WDM cần phải đảm bảo các yêu cầu sau: + Băng tần đủ tăng ích bằng phẳng, hệ số tạp âm thấp và công suất đưa ra cao. Đặc biệt là tăng ích bằng phẳng vì đây là yêu cầu đặc biệt của hệ thống truyền dẫn WDM đối với EDFA. + Phổ khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng. + Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh. + EDFA phải có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào và điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại đối với tất cả các kênh. 82 83 Chương V: Mạng WDM Chương này sẽ xem xét về cấu trúc phân cấp của mạng WDM. Nhỏ nhất là mạng LAN (Local Area Network), là mạng nội bộ, thường được đấu theo cấu trúc hình sao. Mạng MAN (Metropolitan Area Network) là mạng đô thị, thường sử dụng cấu trúc vòng Ring. Mạng WAN (Wide Area Network) là mạng diện rộng, thường là mạng đường trục trong phạm vi toàn quốc, mạng WAN thường sử dụng cấu trúc hình mắt lưới. Tiếp đó đề cập đến vấn đề phân phối bước sóng trong mạng và vấn đề định tuyến các bước sóng đó ra sao để đạt được một mạng tối ưu; công nghệ điểm nút, sẽ đề cập đến 2 điểm nút là: điểm nút OXC (Optical Cross Connect), và điểm nút OADM (Optical Add Drop Multiplexer). Phần cuối của chương sẽ xem xét cụ thể một mạng vòng Ring SHR/WDM có 4 nút trên thực tế. I: Phân cấp mạng WDM Nếu trong mạng WDM ứng dụng bộ biến đổi bước sóng, thì kết cấu của mạng WDM có thể phân cấp cũng có thể là không phân cấp, nếu không dùng bộ biến đổi bước sóng thì kết cấu mạng WDM là không phân cấp. Trong mạng quang phạm vi rộng, kết cấu của nó thường có 3 cấp. Cấp 0 là mạng LAN sợi quang có số lượng rất lớn. Cấp 1 lá mạng MAN (khu vực đô thị) lấy thành phố hay khu hành chính làm đơn vị, thường có cự ly từ vài km đến vài chục km. Cấp 2 là mạng WAN (khu vực rộng) thường là mạng đường trục trong phạm vi toàn quốc, cự ly thường là vài trăm đến vài nghìn km (như hình 5.1). Trong đó cấp mạng khác nhau có các nhóm bước sóng không giống nhau, mạng con cùng cấp nhưng không giao nhau có thể dùng cùng một nhóm bước sóng. Điều này thích ứng với tình hình thông itn hiện nay. Trung tâm các tỉnh, có thể hình thành mạng truyền dẫn đường dài cấp 2, trung tâm các khu có thể tạo thành mạng tại chỗ cấp 1, ở chỗ ranh giới giữa cấp 2 và cấp 1 sử dụng công nghệ chuyển đổi bước sóng sẽ nâng cao hiệu suất sử dụng bước sóng. Các cấp mạng sử dụng kết cấu cũng không giống nhau, mạng LAN cấp 0 thường có đường kính mạng nhỏ, trễ truyền dẫn nhỏ, độ lưu thoát phải cao. Do đó thường sử dụng kết cấu hình sao, thuê bao trong mạng có thể dùng bước sóng đơn nhất, cũng có thể dùng nhiều bước sóng, giữa các thuê bao dùng giao thức điều khiển phương tiện để giải quyết vấn đề dùng chung tài nguyên. Mạng khu vực thành thị cấp 1 sẽ liên kết nhiều mạng con cấp 0 với nhau thành mạng cấp trung, phần lớn dùng kết cấu hình 84 vòng. Mạng ở khu vực rộng cấp 2 có đường kính mạng lớn, trễ truyền dẫn lớn, thường dùng kết cấu mạng hình lưới. Hình 5.1. Cấu trúc phân cấp của mạng quang WDM Căn cứ cấu trúc phân cấp khác nhau, có 2 kiểu mạng WDM là mạng một chặng và mạng nhiều chặng. Đặc điểm của mạng một chặng là trễ nhỏ, bất kỳ 2 thuê bao nào cũng có thể thông tin trực tiếp, nhưng mạng một chặng có yêu cầu cao đối với linh kiện quang. Mạng nhiều chặng có thể duy trì mạng chuyển mạch gói của phần lớn thuê bao, do phải chuyển tiếp gói nhiều lần qua các chặng nên trễ trung bình tương đối lớn. Khi điểm nút hoặc định tuyến của mạng có sự cố, có thể nối vòng qua kênh bị nghẽn để duy trì thông tin. Điều này phải thực hiện bằng cách xây dựng một số định tuyến vòng trong giai đoạn thiết lập cấu trúc mạng, nhưng xây dựng định tuyến vòng thì phải tăng lượng tiêu hao tài nguyên mạng, cho nên có thể xem xét, chỉ xây dựng định tuyến vòng đối với một số mạng quan trọng. Ngoài ra sử dụng định tuyến quang chọn bước sóng, vừa có thể tự động chuyển đổi để bảo vệ kênh quang, lại vừa có kênh quang chọn định tuyến tốt nhất và xử lý dòng số truyền dẫn dung lượng cao nhất thông qua OADM và OXC, còn xử lý và truyền dẫn dòng tốc độ bít thấp dành cho ADM điện và DXC điện. Theo sự hoàn thiện của công nghệ chuyển mạch quang và xử lý quang, lấy truyền dẫn quang làm phương tiện để chuyển sang mạng viễn thông toàn quang. Cho nên việc đưa công nghệ WDM vào mạng thông tin quang là biện pháp nâng cấp mở rộng dung lượng hữu hiệu, hơn nữa là bước đi đầu tiên hướng tới mạng viễn thông toàn quang trong suốt. 85 II. Hai kiểu chuyển mạch của WDM Mạng ghép kênh quang có 2 kiểu chuyển mạch: chuyển mạch kênh quang (Circuit - Switching) và chuyển mạch gói quang (Packet - Switching). Từ đó hình thành 2 hình thức mạng ghép kênh bước sóng, tức mạng WDM chuyển mạch kênh quang (Circuit - Switched WDM Network) và mạng WDM chuyển mạch gói quang (Packet-Switched WDM Network). 1. Mạng WDM chuyển mạch kênh quang Hiện nay được nghiên cứu nhiều nhất là mạng WDM chuyển mạch kênh quang, nó cũng là mạng gần thực tế nhất. Ở nước Mỹ, Nhật Bản và một số nước châu Âu đã xây dựng mạng thực nghiệm WDM chuyển mạch kênh quang. Xét từ cấu trúc của mạng thì có 2 hình thức mạng WDM chuyển mạch quang: một là mạng quảng bá và lựa chọn, cũng tức là mạng kết cấu hình sao, hai là mạng bước sóng dò đường. - Mạng quảng bá và lựa chọn: Trong mạng quảng bá và lựa chọn, các điểm nút được nối với nhau thông qua sợi quang và bộ phối ghép không nguồn hình sao, mỗi điểm nút được phân bổ bước sóng khác nhau. Tín hiệu phát đi với đặc tính bước sóng của từng điểm nút và được hội tụ lại qua bộ phối ghép, sau khi phân luồng đi tới đầu thu tin ở các điểm nút, dùng máy thu có điều chỉnh ở mỗi điểm nút để lựa chọn thu. Trong đó máy phát ở các điểm nút có tần số cố định; máy thu có thể điều chỉnh được. Chú ý ở đây, điểm nút thu muốn nhận được tin tức của điểm nút phát nào đó, phải dùng máy thu để điều chỉnh bước sóng thu giống với bước sóng phát, điều này cần tới giao thức điều khiển thăm dò phương tiện (giao thức MAC). Vì bộ phân phối ghép hình sao và đường kết nối sợi quang không có nguồn, cho nên loại mạng này rất tin cậy và dễ điều khiển. Nhưng mạng quảng bá và lựa chọn có 2 điểm yếu rõ ràng: một là mạng này rất lãng phí năng lượng quang, bởi vì năng lượng quang của mỗi tín hiệu cần truyền dẫn hầu như được chia đều cho tất cả các điểm nút của mạng; hai là mỗi điểm nút đều cần có một bước sóng khác nhau, mà hiện nay số bước sóng là có hạn, cho nên số điểm nút trong mạng cũng có hạn. Vì vậy mạng quảng bá và lựa chọn chỉ thích hợp dùng trong mạng LAN. - Mạng bước sóng dò đường. 86 Trong mạng bước sóng dò đường, tín hiệu trên bước sóng nhất định được trực tiếp dò đường đến điểm nút đích, mà không phải là quảng bá đến toàn mạng. Như vậy giảm được tổn thất năng lượng quang của tín hiệu, đồng thời sử dụng một bước sóng nhiều lần tại các bộ phận không trùng lặp của mạng. 2. Mạng WDM chuyểm mạch gói: Cốt lõi của hệ thống chuyển mạch là “chọn, định tuyến bước sóng” tức là tất cả những tế bào tin đi tới tất cả đầu ra chuyển mạch, ở đó, chỉ chọn tế bào tin có một bước sóng nhất định. Hiện nay thực hiện bằng công nghệ chuyển mạch điều khiển điện quang Trước hết lấy header (mào đầu) xuống từ tế bào nhóm quang trên sợi quang vào, biến đổi quang/điện, sau khi qua xử lý số, căn cứ vào thông tin địa chỉ tương ứng để tạo tín hiệu điều khiển, mạch điện điều khiển xử lý thống nhất đối với header của các tế bào trên đường dây vào. Mạch điện điều khiển có 2 chức năng: chọn tuyến và điều khiển trễ tế bào quang. Khi chọn tuyến thì mạch điện điều khiển căn cứ vào thông tin địa chỉ trong mào đầu của tế bào quang, quyết định trị số bước sóng của tế bào đó sau khi đi qua bộ biến đổi bước sóng, mỗi một bước sóng tương ứng với một đầu ra. Khi tế bào quang đi qua bộ biến đổi bước sóng rồi thông qua bộ phối ghép hình sao tới bộ lọc quang ở mỗi đầu ra, bộ lọc quang chỉ chọn ra bước sóng nhất định, nghĩa là tế bào quang cần phải đến đầu ra đó. Khi 2 tế bào quang từ trên 2 dây vào khác nhau cùng đến một đầu ra thì sẽ gây ra sự xung đột trên dây ra, về phân chia bước sóng, nó biểu hiện là trên kênh quang cùng một bước sóng đồng thời có 2 tế bào quang đến từ 2 nguồn khác nhau. Để giải quyết xung đột trên dây ra, cần phải có thêm môđun trễ tế bào quang. Môđun trễ tế bào quang do giao diện quang và dây trễ sợi quang hợp thành, chiều dài dây trễ của sợi quang là 1T, 2T,..., (Q-1)T (với T là chu kỳ của một tế bào ATM). Khi có hai tế bào quang cùng tranh chấp một dây ra thì mạch điện điều khiển xử lý header của 2 tế bào quang có thể biết được tin tức này, mạch điện sẽ điều khiển cổng quan tương ứng, làm cho một tế bào trong đó không có trễ, 1 tế bào khác qua một đoạn dây trễ sợi quang tương đương với thời gian truyền dẫn của 1 tế bào, như vậy đã giải quyết được vấn đề xung đột trên dây ra. 87 Một điểm khó khăn khi thực hiện mạng WDM chuyển mạch gói là thiếu sự hỗ trợ cần thiết của linh kiện quang, trên lý thuyết và trên thực tế còn cách xa nhau rất nhiều. III. Điểm mút của mạng WDM Về cơ bản có thể chia điểm nút của mạng thông tin ra làm hai loại là: điểm nút đầu cuối và điểm nút trung gian, trong mạng WDM nói đến công nghệ điểm nút thì chủ yếu là điểm nút trung gian, bao gồm các điểm nút nối chéo quang (OXC- Optical Cross Connection), các điểm nút tách/ ghép kêng quang (OADM- Optical Add/Drop Multiplexer) và các điểm nút hốn hợp (là các điểm nút có đồng thời chức năng của OXC và OADM). 1. Điểm nút OXC: Chức năng của điểm nút OXC tương tự như chức năng nối chéo tín hiệu số của thiết bị DXC (Digital Cross Connection) trong mạng SDH, chỉ khác là OXC thực hiện việc nối chéo tín hiệu trên miền quang, không cần thực hiện chuyển đổi quang điện/ điện quang và xử lý tín hiệu điện, cho nên tốc độ xử lý rất nhanh, đáp ứng được mạng thông tin tốc độ cao và hướng tới một mạng hoàn toàn quang. Như vậy sẽ tạo ra nhiều dịch vụ mới, mang lại lợi ích cho cả nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng. Điểm nút OXC được chia ra thành điểm nút OXC động và điểm nút OXC tĩnh. Trong điểm nút OXC tĩnh, trạng thái nối vật lý của các kênh tín hiệu quang khác nhau là cố định, ưu điểm của nó là rễ thực hiện về công nghệ. Trong điểm nút OXC động trạng thái nối vật lý của các kênh tín hiệu quang khác nhau có thể thay đổi theo yêu cầu tức thời, mặc dù rất khó thực hiện về công nghệ, nhưng đó chính là tiền đề quan trọng để thực hiện chức năng then chốt của mạng thông tin quang WDM như: chọn tuyến động, khôi phục cấu hình theo thời gian thực, mạng tự hồi phục....). Trong điểm nút OXC, kỹ thuật biến đổi bước sóng là rất quan trọng vì nó giúp giảm nghẽn của mạng lưới, thực hiện kết nói định tuyến ảo, và tận dụng tối đa tài nguyên băng tần của sợi quang.... Một số công nghệ được đề xuất cho module chuyển mạch quang như: - - - - Công nghệ quang-cơ (optomechanical) Công nghệ lái tia (beam steering) Quang nhiệt Polyme (polyme thermo-optic) Quang nhiệt Silic (silica thermo-optic) 88 - Công nghệ vi mạch quang Silic kết hợp bơm nhiệt (silic planar lightwave circuits anh thermo inkjet). Mỗi loại công nghệ đều có nhưng ưu điểm và nhược điểm riêng. Chưa có một công nghệ nào đáp ứng được toàn bộ các yêu cầu ứng dụng của một hệ thống hoàn toàn quang. Dưới đâylà sơ đồ khối của bộ kết nối chéo quang OXC: Hình 5.3. OXC với ma trận chuyển mạch N ´ N Ma trận chuyển mạch N´N là một kết cấu chuyển mạch động với nhiệm vụ kết nối bất cứ N bước sóng của sợi quang đầu vào với bất cứ một bước sóng quang nào trên sợi quang đầu ra trong hệ thống WDM. OXC đóng vai trò là một thiết bị định tuyến bước sóng, là một thiết bị chuyển mạch bảo vệ mạng quang, và kết nối các vòng Ring.... Để thực hiện một OXC cỡ lớn, không bị tắc nghẽn trong mọi cấu hình mạng, hình 5.4 minh hoạ OXC theo kiểu ghép nối nhiều trường chuyển mạch N ´N với nhau. Nếu M là số lượng sợi và N là số lượng bước sóng trong mỗi sợi thì một cấu trúc OXC cỡ lớn sẽ cần M module chuyển mạch vuông cấp N´N. 89 Hình 5.4: Cấu trúc OSC dung lượng lớn Hình 5.5. Ví dụ về một ma trận chuyển mạch quang sử dụng trong điểm nút OXC 90 2. Điểm nút OADM: Chức năng của điểm nút OADM tương tự như bộ ghép kênh tách nhập ADM (Add Drop Multiplexer) trong mạng SDH, nhưng đối tượng thao tác trực tiếp là tín hiệu quang. ADM sử dụng bộ ghép/tách kênh tín hiệu điện, thực hiện việc ghép kênh TDM để ghép hoặc tách các luồng tín hiệu với các tốc độ chuẩn của SONET/SDH vào luồng chính hoặc từ luồng chính ra. Chỉ có các luồng dữ liệu cần thiết mới được truy nhập, dữ liệu mới được chèn vào luồng với dụng lượng tối đa bằng dung lượng cho phép còn lại của mạng. Sau đó lưu lượng này được chuyển tới nút tiếp theo. Trong các nút OADM, dữ liệu cần tách/ ghép được truy nhập thông qua việc lọc lấy một số bước sóng quang từ luồng tín hiệu đa bước sóng trên sợi quang tại nút, hoặc một số bước sóng quang được ghép vào luồng tín hiệu trên sợi tại nút đó (xem hình 5.6). Trong mạng quang WDM, thiết bị OADM coi như “trong suốt” đối với toàn bộ lưu lượng thuộc các kênh mà không có nhu cầu tách hoặc ghép. Mỗi kênh bước sóng (tương ứng với các tốc độ chuẩn khác nhau của SONET/SDH) có thể được tách hoặc ghép mà không cần đến các tín hiệu tách ghép TDM trong lớp điện. Nhờ tính năng của thiết bị tách/ ghép bước sóng mà các nhà cung cấp dịch vụ có thể cho thuê một số bước sóng mang nào đó, nó sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với việc cho thuê cả một sợi quang. Điểm nút OADM có thể chia làm hai loại là: điểm nút OADM tĩnh và điểm nút OADM động. Trong điểm nút OADM tĩnh, thực hiện việc xen/rẽ các bước sóng cố định. Trong điểm nút OADM động, có thể căn cứ vào nhu cầu để chọn tín hiệu quang có bước sóng xen/rẽ khác nhau. Hầu hết các chức năng chính của mạng quang được thực hiện tại nút OADM. mô hình chung của một nút OADM gồm các phần tử như: module xen/rẽ bước sóng có thể điều chỉnh được; các module bù tán sắc điều chỉnh theo từng kênh DEM (Disperation Equalizier Module); các thiết bị giám sát quang OPM (Optical Performance Monitor). Mỗi module này sử dụng sợi cách tử Bragg hay các phần tử dẫn sóng AWG như là các thành phần công nghệ chính, nên chúng có được các ưu điểm như suy hao thấp và thiết bị được tích hợp nhỏ gọn. 91 Hình 5.6: Sơ đồ vị trí các thiết bị trong 1 nút OADM Thiết bị OADM như trên hình 5.6 có thể cho phép xen hoặc rẽ một kênh bước sóng đơn hoặc nhiều kênh bước sóng đồng thời. Trong tương lai, khi vai trò của lớp chuyển mạch định tuyến được chuyển dần cho lớp quang thì thiết bị OADM cần có một quá trình chuyển giao từ cấu hình tĩnh sang cấu hình động (hiện nay lớp điện vẫn đóng vai trò chuyển mạch chính: các tín hiệu quang được chuyển thành các tín hiệu điện, thực hiện chuyển mạch ATM, hoặc định tuyến IP, rồi được chuyển lại thành tín hiệu quang và truyền đi). Khi đó, các thiết bị OADM này sẽ cho phép chuyển luồng số có bước sóng này sang một bước sóng khác nếu chẳng may mạng gặp sự cố tại một nhánh nào đó, do đó tránh được mất thông tin. Hoặc việc chuyển bước sóng mang này nhằm mục đích cân bằng lưu lượng giữa các nhánh của mạng để đạt được hiệu quả cao nhất cho mạng lưới, từ đó cải thiện được hiệu quả truyền thông. Các kỹ thuật sử dụng trong OADM hiện tại chủ yếu dựa trên các bộ lọc điện môi mỏng, các bộ lọc quang âm điều chỉnh được, các bộ dịch pha định tuyến bước sóng AWG, hoặc sợi cách tử Bragg. Với các bộ lọc điện môi, thiết bị OADM đạt được khoảng cách giữa các kênh là 100 GHz và lớn hơn, còn với khoảng cách kênh là 50 GHz thì bộ lọc điện môi chưa thể đáp ứng được. Các bộ lọc quang âm mặc dù có ưu điểm là phạm vi điều chỉnh bước sóng rộng, song lại bị hạn chế bởi các đặc tính không thích hợp của bộ lọc băng thông. Các bộ dịch pha bước sóng AWG mặc dù có ưu điểm cho các hệ thống có mật 92 độ kênh cao, nhưng chúng vẫn có suy hao xen lớn, cũng có các đặc tính về băng thông chưa thật hoàn hảo. Cách tử Bragg là một triển vọng tốt cho các thiết bị OADM có khoảng cách kênh là 50 GHz với suy hao thấp, đặc tính phổ bộ lọc tương đối tốt. Module OPM (Optical Performance Moniter) có nhiệm vụ đo đạc các thông số của kênh như: bước sóng làm việc, công suất của kênh, tỷ số S/N, số lượng kênh đang hoạt động, khoảng cách giữa các kênh, độ khuếch đại và độ gợn khuếch đại.... nhằm mục đích nhằm giám sát rồi thông báo cho module điều khiển hiệu chỉnh các thông số trên cho phù hợp. Thực chất OPM như một máy phân tích quang phổ, thực hiện phân tích và đo phổ của nguồn tín hiệu. Yêu cầu đối với OPM là phải có độ tin cậy cao, tốc độ phân tích và đo đạc cao để các bản tin của nó đưa ra phản ảnh chính xác tình trạng của mạng, chính vì vậy việc thiết kế OPM trên mạng là hết sức quan trọng. IV. Phân phối và định tuyến bước sóng trong mạng WDM Công nghệ truyền dẫn WDM đã đi vào giai đoạn ứng dụng và thương mại hoá theo xu hướng ngày càng hoàn thiện của công nghệ WDM. Trong lĩnh vực thông tin quang, vấn đề quan trọng là lợi dụng được mạng quang hiện có và tương lai để xây dựng và tạo thành mạng WDM cao tốc, dung lượng lớn, đa dịch vụ. Trong khi thực hiện mạng WDM, vấn đề quan trọng quyết định hiệu suất sử dụng tài nguyên mạng là quy hoạch hợp lý tài nguyên bước sóng. Định tuyến bước sóng của mạng quang có thể đơn giản hoá rất nhiều thuật toán định tuyến, điều khiển và quản lý mạng, khi chuyển mạch không cần thiết xử lý tin tức trước định tuyến, từ đó có lợi cho việc thực hiện mạng thông tin cao tốc, nâng cao tính ổn định và độ tin cậy của mạng, nhưng tính khả thi của phương án tổ chức mạng này sẽ gặp khó khăn khi số lượng bước sóng tăng lên quá cao. 1. Kênh bước sóng và kênh bước sóng ảo. Có thể coi kênh quang như sự kết nối ảo của lớp kênh điện. Thiết lập hoặc giải phóng một kênh quang có ý nghĩa tăng hoặc giảm một đường kết nối ảo trên lớp kênh điện. Thông qua cơ chế khôi phục và bảo vệ của lớp kênh quang (như đấu vòng, chuyển đổi bước sóng...) trực tiếp giải quyết vấn đề gián đoạn thông tin do nguyên nhân đứt sợi quang hoặc sự cố của điểm nút.... mà không cần thay đổi kết cấu của lớp kênh điện. Kết cấu kênh quang như vậy được gọi là kết cấu logic của mạng. Kết cấu vật lý phản ảnh quan hệ kết nối sợi quang trên thực tế. 93 Tuỳ theo điểm nút OXC có cung cấp chức năng biến đổi bước sóng hay không, có thể chia kênh quang ra thành kênh bước sóng (Wavelength Path) và kênh bước sóng ảo (Virtual Wavelength Path). Kênh bước sóng có nghĩa là: trong mạng WDM mà điểm nút OXC không có chức năng biến đổi bước sóng, một kênh quang nào đó trong các đoạn ghép kênh bước sóng khác nhau phải sử dụng cùng một bước sóng. Nhược điểm của kênh bước sóng là nếu trong tất cả đường kết nối mà nó đi qua không do thấy một đường định tuyến có chung một kênh tín hiệu bước sóng rỗi, thì sẽ phát sinh nghẽn bước sóng. Kênh bước sóng ảo có nghĩa là: nếu trong mạng WDM, điểm nút OXC có chức năng biến đổi bước sóng, một kênh quang nào đó có thể chiếm bước sóng khác nhau trong các đoạn ghép kênh bước sóng khác nhau, từ đó nâng cao được hiệu suất sử dụng bước sóng, giảm xác suất nghẽn mạch. Như hình 6.3. biểu thị A-1-6-7-C tức là một kênh bước sóng, chiếm bước sóng l1 mà D-10-9-E có thể cung cấp một kênh bước sóng ảo, đoạn nghép kênh chiếm bước sóng l2 (có thể biến đổi) Trong mạng kênh bước sóng (là mạng mà các điểm nút OXC không có chức năng biến đổi bước sóng) do mỗi kênh có quan hệ với một bước sóng cố định, yêu cầu khi chọn đường và phân phối bước sóng, phải dùng phương thức điều khiển tập trung, tức là sau khi nắm vững trạng thái của tất cả các đoạn ghép kênh trong toàn bộ mạng, thì mới có thể chọn một tuyến thích hợp cho đề nghị của cuộc gọi mới. Nhưng trong mạng kênh bước sóng ảo (là mạng mà các điểm nút OXC có chức năng biến đổi bước sóng) mỗi kênh lần lượt phân phối bước sóng cho các đường kết nối, do đó có thể điều khiển phân tán điều này sẽ làm giảm rất nhiều tính phức tạp trong việc chọn đường lớp kênh quang và thời gian cần thiết để chọn đường. Vì số bước sóng mà OXC có thể đáp ứng được là có hạn, để tối ưu hoá tính năng của mạng lưới, bất kỳ kênh quang nào của mạng đều phải căn cứ vào kết cấu vật lý và nhu cầu dịch vụ giữa các điểm nút, khi thiết kế phương án kết nối tối ưu cho mạng. 94 Hình 5.9. Kênh bước sóng và kênh bước sóng ảo trong mạng WDM. 2. Chọn đường trong mạng WDM Hình 5.10 là kết cấu vật lý của một mạng WDM. Những khung chữ nhật thể hiện điểm đầu cuối quang, hình tròn là ma trận chuyển mạch quang (nút OXC), đường nét đậm thể hiện cho đường kết nối quang, đường nét đứt thể hiện cho kênh quang. Từ hình vẽ có thể thấy, những kênh quang không có đường kết nội dùng chung có thể dùng cùng một bước sóng, như kênh quang B®A, C®D, trong hình vẽ đều sử dụng bước sóng l3. Do đó có vấn đề sử dụng trùng lặp bước sóng trong mạng WDM. Hình 5.10. biểu thị kết cấu logic của mạng này, mỗi kênh logic trong mạng đại diện cho một kênh quang trong thực tế. Vấn đề phân phối bước sóng quang xét từ định nghĩa toán học có thể biểu thị bằng quan hệ tuyến tính, và hàm mục tiêu tối ưu có nhiều dạng, ví dụ trong mạng kiểu chuyền mạch gói, mục tiêu tối ưu hoá có thể là trễ nhóm bình quân nhỏ nhất, hoặc lưu 95 lượng lớn nhất trên kênh quang bất kỳ là nhỏ nhất. Trong mạng kiểu chuyển mạch kênh, mục tiêu tối ưu hoá bao gồm số bước sóng ít nhất và mạng lớn nhất. Do vấn đề phân phối bước sóng quang gặp rất nhiều khó khăn, nhất là vấn đề đạt được tối ưu cần có thời gian tính toán tăng theo quy mô của vấn đề với hàm số mũ, vì vậy khi dùng trong mạng có quy mô tương đối lớn, thì do thời gian tính toán quá dài mà có thể mất đi ý nghĩa thực tế. V: Bảo vệ mạng WDM 1. Bảo vệ kiểu 1+1 trên lớp SDH Vấn đề phõn phối bước súng quang xột từ định nghĩa toỏn học cú thể biểu thị bằng quan hệ tuyến tớnh, và hàm mục tiờu tối ưu cú nhiều dạng, vớ dụ trong mạng kiểu chuyền mạch gúi, mục tiờu tối ưu hoỏ cú thể là trễ nhúm bỡnh quõn nhỏ nhất, hoặc lưu lượng lớn nhất trờn kờnh quang bất kỳ là nhỏ nhất. Trong mạng kiểu chuyển mạch kờnh, mục tiờu tối ưu hoỏ bao gồm số bước súng ớt nhất và mạng lớn nhất. Do vấn đề phõn phối bước súng quang gặp rất nhiều khú khăn, nhất là vấn đề đạt được tối ưu cần cú thời gian tớnh toỏn tăng theo quy mụ của vấn đề với hàm số mũ, vỡ vậy khi dựng trong mạng cú quy mụ tương đối lớn, thỡ do thời gian tớnh toỏn quỏ dài mà cú thể mất đi ý nghĩa thực tế. Ở phương thức bảo vệ này, toàn bộ thiết bị của hệ thống như: đầu cuối SDH, bộ tách/ghép kênh, bộ khuyếch đại quang, đường dây cáp quang... đều cần phải có bộ phận dự phòng, ở đầu phát tín hiệu SDH được nối bắc cầu cố định giữa hệ thống công tác và hệ thống bảo vệ, ở đầu thu giám sát trạng thái tín hiệu SDH thu được từ 2 hệ thống WDM, và chọn ra tín hiệu thích hợp hơn. Phương thức này có tính tin cậy cao nhưng giá thành cũng cao. Trong một hệ thống WDM, sự chuyển đổi các kênh SDH không có quan hệ với sự chuyển đổi của các kênh khác, tức là Tx1 trong hệ thống công tác của WDM có sự cố, chuyển đổi sang hệ thống bảo vệ của WDM. thì Tx2 có thể tiếp tục làm việc trên hệ thống công tác của WDM. Một khi phát hiện thấy thời gian khởi động việc chuyển giao, thì phải hoàn thành chuyển giao bảo vệ trong 50ms. - Bảo vệ kiểu 1: n trên lớp SDH 96 Hệ thống WDM dựa trên một bước sóng, thực thi bảo vệ 1: n trên lớp SDH. Trong hình 5.13, Tx11, Tx21,...,Txn1 dùng chung một đoạn bảo vệ, với Tx1 cấu thành quan hệ bảo vệ 1: n. Tiếp tục như vậy, Tx1m, Tx2m,...,Txnm dùng chung một đoạn bảo vệ, với Txpm cấu thành quan hệ bảo vệ 1: n. Trong một hệ thống WDM, sự chuyển đổi lẫn nhau của kênh SDH không có quan hệ gì với sự thay đổi của các kênh khác, tức trong hệ thống công tác 1 của WDM Tx11 chuyển đổi sang hệ thống bảo vệ của WDM thì Tx12,..., Tx1m có thể tiếp tục làm việc trên hệ thống 1 của WDM. Một khi phát hiện thấy thời gian khởi động chuyển giao, thì chuyển giao bảo vệ phải hoàn thành trong 50ms. 2. Bảo vệ đoạn ghép kênh: Công nghệ này chỉ bảo vệ 1 + 1 trên kênh quang, mà không bảo vệ đường dây đầu cuối. Tại đầu phát và đầu thu sử dụng bộ phân nhánh quang 1 x 2 và khoá quang. Ở đầu thu chọn đường cho tín hiệu quang. Đặc điểm của khoá quang là tổn hao nhỏ, trong suốt đối với khu vực khuếch đại bước sóng và tốc độ nhanh. VI. WDM và SDH. Hiện nay tín hiệu lớp thuê bao khách hàng của hệ thống WDM ứng dụng trong thực tế đều dựa trên SDH, tức là hệ thống SDH Nx 2,5 Gbit/s, nhưng như thế không có nghĩa là hệ thống WDM chỉ có thể truyền tải tín hiệu SDH. Một đặc điểm quan trọng nhất của hệ thống WDM là không quan hệ gì với dịch vụ, nghĩa là nó trong suốt đối với dịch vụ. Nó có thể gánh tải các khuôn dạng tín hiệu, bất kể là PDH, SDH hay là tín hiệu IP, ATM trong tương lai. Điểm giống nhau giữa SDH và WDM là đều xây dựng trên một môi trường vật lý là sợi quang, sử dụng sợi quang làm phương tiện truyền dẫn. Nhưng chúng cũng khác nhau về bản chất, WDM là hệ thống gần môi trường vật lý (sợi quang, cáp quang) hơn, nó ghép kênh trên miền quang, hiện nay ứng dụng trong điểm đến điểm, nếu cộng thêm OXC, OADM có thể cấu thành một mạng hình sao, mạng vòng Ring hay mạng mắt lưới. SDH là công nghệ “mạng truyền dẫn đồng bộ quang” thực thi trên lớp mạch điện. So với công nghệ WDM, tín hiệu SDH, PDH và ATM giống nhau, đều chỉ là dich vụ mà hệ thống WDM truyền tải. Cũng tức là giữa SDH và WDM là quan hệ giữa lớp thuê bao khách hàng và lớp phục vụ. Việc ứng dụng công nghệ WDM hiện nay hầu như chỉ có một khách hàng là hệ thống SDH, nhưng trên thực tế nó có năng lực truyền tải nhiều tín hiệu khách hàng. Theo sự tiến triển và phát triển của mạng, 97 WDM sẽ truyền tải được ngày càng nhiều tín hiệu khác nhau, càng ngày càng có nhiều khách hàng, hình thành mạng đa dịch vụ thực sự. Theo sự phát triển của mạng quang cuối cùng mạng quang cũng sẽ đối mặt trực tiếp với các mạng dịch vụ như IP, ATM hoặc các khuôn dạng tín hiệu khác có thể xuất hiện, lúc này không cần dùng SDH là phương tiện truyền dẫn. Trên cơ sở dựa vào chia gói và dựa vào giao thức tế bào, tổng đài số và bộ định tuyến cao tốc kết nối trực tiếp với tiếp thiết bị WDM thông qua mạng quang, đi vào mạng bằng tốc độ STM - 16, thiết bị đấu ghép song song SDH ứng dụng cho âm thoại và số liệu có tốc độ thấp sẽ không cần thiết. Nhưng đây chỉ là một mục tiêu lâu dài. Có thể tin tưởng rằng: SDH sẽ tiếp tục tồn tại trong thời gian dài, nhất là đối với những nước có lưu lượng không lớn, và sử dụng chuyển mạch kênh là chính. VII. Mạng quang và hỗn hợp quang điện Trong mạng quang lý tưởng, tín hiệu từ điểm nút nguồn đến điểm nút đích đều diễn ra trên miền quang, nhưng do hạn chế về công nghệ linh kiện hiện có và năng lực xử lý của các điểm nút trong mạng quang có hạn, không thể hoàn thành được việc biến đổi bước sóng quang và chức năng nhớ, những chức năng này có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc vận hành mạng quang. Do đó từ góc độ thực dụng người ta đã đề suất ra sách lược xử lý điện có hạn chế trên điểm nút, tức dùng xử lý điện để hoàn thành chức năng hiện nay việc xử lý quang không thể hoàn thành được, từ đó năng lực vận hành của mạng quang WDM và phạm vi sử dụng được mở rộng. Do đó có 2 quan điểm về phương hướng phát triển của mạng WDM. Quan điểm thứ nhất là nên phát triển theo hướng mạng thông tin toàn quang WDM, tất cả việc xử lý tín hiệu đều diễn ra hoàn toàn trên miền quang, từ đó khắc phục được hiệu ứng nghẽn, thực hiện truyền dẫn quang trong suốt. Quan điểm thứ hai nên theo hướng mạng hỗn hợp quang điện phần lớn chức năng nối chéo nhau của điểm nút và chức năng ghép kênh tách nhập do thiết bị điện tử thực hiện. Phải thừa nhận rằng, so với công nghệ điện tử, công nghệ quang hiện nay vẫn chưa phát triển hoàn thiện, còn nhiều vấn đề tồn tại, do đó đưa một phần chức năng để công nghệ điện tử thực hiện là nhanh nhất. Nhưng về cơ bản, phương án mạng hỗn hợp quang điện chưa khắc phục triệt để được hiệu ứng nghẽn, phương án đầu tiên để giải quyết nhiều vấn đề của mạng thông tin trong tương lai là mạng thông tin quang WDM. Đương nhiên ngoài việc giải quyết những vấn đề đã phát hiện, việc thực hiện mạng thông tin quang then chốt nhất là thực hiện và hoàn thiện công nghệ tái sinh tín hiệu quang một cách thực sự, ngoài ra hàm ý của trong suốt toàn quang là gì; có cần thiết truyền dẫn và xử lý tất cả các tín hiệu đều trong 98 suốt trên miền quang hay không, loại trong suốt tuyệt đối như vậy có thể thực hiện được chăng; có phải là cần thiết như vậy không...đều là vấn đề tranh luận hiện nay. VIII. Vấn đề phi tuyến trong mạng quang WDM Hạn chế về vật lý của kênh tín hiệu thông tin gồm 2 loại: hạn chế băng tần và hạn chế công suất. Xét từ tình hình hiện nay, kênh quang rõ ràng không phải là bị hạn chế về băng tần, nhưng đúng là công suất bị giới hạn chặt chẽ. Biều hiện chủ yếu của hạn chế này ở chỗ công suất tín hiệu quang vượt quá mức độ nhất định, các ảnh hưởng xấu do phi tuyến tính gây ra tăng lên rất nhanh. Hiện nay, số bước sóng của mạng WDM không phải là nhiều, thường thì trong mỗi sợi quang có khoảng 16 - 32 bước sóng tín hiệu, khoảng cách giữa các kênh vẫn tương đối lớn, nhưng ảnh hưởng của phi tuyến tính đối với tính năng của toàn hệ thống đã rõ rệt. Nếu số bước sóng vẫn tiếp tục tăng lên, sẽ xuất hiện tổng công suất của tín hiệu trong sợi quang tăng lên, khoảng cách giữa bước sóng tín hiệu giảm xuống, can nhiễu do tính phi tuyến ngày càng nghiêm trọng, công suất tín hiệu quang của các bước sóng không tăng, điều này tất nhiên dẫn đến tính năng của hệ thống giảm. Hơn nữa, vấn đề trên không những tồn tại trong đương kết nối truyền dẫn, mà còn tồn tại trong điểm nút mạng. Hiện nay giải quyết vấn đề các loại phi tuyến tính của sợi quang bằng cách tăng tiết diện hữu dụng của của sợi quang là chủ yếu nhất, cũng là trọng điểm nghiên cứu trước mắt của vấn đề này. IX. Thiết kế cấu trúc mạng WDM Kết cấu mạng WDM bao gồm 2 lớp: thức nhất là kết cấu vật lý, thứ hai là kết cấu logic. Do đó, vấn đề thiết kế toàn bộ mạng sẽ biến thành vấn đề tối ưu hoá 2 lớp này. Trong quá trình tối ưu hoá của 2 lớp này, phải xét tới sự hạn chế và hỗ trợ lẫn nhau. Nhất là thiết kế kết cấu lôgic, phải xét tới yếu tố đặc tính lớp dưới của lớp quang WDM và kết cấu vật lý, cũng cần xét tới đặc tính ứng dụng dịch vụ vận hành ở lớp trên. Nói chung trước khi xây dựng mạng đã thiết kế xong kết cấu vật lý, việc thiết kế cũng đã xét tới yếu tố lưu lượng, nhưng nói chung có tính cố định tương đối lớn, khi xây dựng sẽ không thay đổi. Dịch vụ vận hành trong mạng là không cố định, mà dịch vụ khác nhau yêu cầu đối với kết cấu mạng cũng khác nhau, do đó thiết kế kết cấu lôgic trở thành rất quan trọng. 99 Có 2 kiểu kết cấu logic: một kiểu là coi WDM như là một kênh truyền dẫn lớn tạo thành mạng, chỉ có lưu lượng dịch vụ trên các kênh (đặc tính truyền dẫn của nó), do đó khi thiết kế kết cấu mạng chủ yếu xét đến tối ưu hoá ma trận lưu lượng, như phân bố lưu lượng đồng đều, giảm mức nghẽn... Một kiểu khác là coi WDM như là một mạng kết cấu phân lớp, mỗi lớp đều có chức năng nhất định, chức năng giữa các lớp gần như bổ trợ và tạo điều kiện cho nhau, bất kỳ lớp nào cũng ảnh hưởng đến các lớp trên dưới gần kề. Khi thiết kế kết cấu logíc cũng sẽ xem xét tới đặc tính của lớp dưới (kết cấu vật lý) và lớp trên (lớp ứng dụng). Do đó khi thiết kế kết cấu logic cần xem xét không chỉ đơn giản là lưu lượng dịch vụ mà còn cần phải xem xét sự hạn chế về số lượng bước sóng ghép của công nghệ ghép kênh. Khi thiết kế kết cấu logíc, đề cập đến rất nhiều chỉ tiêu tối ưu hoá của mạng, như hệ số sử dụng năng lực chuyển mạch của điểm nút, tỷ lệ nghẽn lớn nhất của mạng, trễ truyền dẫn bình quân, hệ số ghép kênh bước sóng... Trong nghiên cứu và thiết kế một số kết cấu logíc hiện có, chỉ xét đến một chỉ tiêu trong đó mà bỏ qua những chỉ tiêu quan trọng khác, nhất là bỏ qua chỉ tiêu đề ra đối với mạng liên quan đến ứng dụng của lớp trên. Do đó, việc nghiên cứu thiết kế kết cấu logíc khi xét đến nhiều loại chỉ tiêu tối ưu hoá dưới điều kiện một số hạn chế cố hữu của mạng WDM có ý nghĩa rất quan trọng. Khi thiết kế kết cấu, còn có quan hệ với định tuyến và phân phối bước sóng (RAW). RAW là vấn đề nghiên cứu ứng dụng cơ bản quan trọng, nó giải quyết vấn đề làm thế nào để tạo thành kênh quang chuyển tải tín hiệu thông qua kết nối chéo quang hoặc thiết bị khác, và phân phối hợp lý bước sóng cho các kênh sử dụng, làm cho với tài nguyên có hạn có thể cung cấp dung lượng thông tin lớn nhất. Vấn đề RAW do 2 bộ phận tạo thành: một là con đường mà mỗi điểm nút nguồn tìm đến điểm nút đích; hai là phân phối bước sóng trên những con đường đó, vì số bước sóng có hạn, không thể xây dựng kênh quang cho từng đôi điểm nút. Vấn đề RAW còn chia làm RAW động và RAW tĩnh. Nói chung RAW động là yêu cầu xem xét xây dựng kết nối quang đến ngẫu nhiên, RAW tĩnh là trước khi xét đến việc phân phối định tuyến và bước sóng đã biết sự kết nối quang muốn xây dựng. 100 V. Mạng Ring tự phục hồi ghép bước sóng 1. Mở đầu Mạng Ring trong thông tia quang, thông htường trên mỗi cặp sợi chỉ truyền được tín hiệu số có tốc độ bít 155,52 Mbit/s (STM-1), hoặc 622 Mbit/s (STM-4), hoặc 2,5 Gbit/s (STM-16). Các nút trong mạng Ring như vậy có chức năng xen/rẽ các luông nhánh PDH hoặc SDH> Liên hệ giữa các nút thông qua luồng nhánh và hệ thống quản lý phải sử dụng địa chỉ của các nút để trao đổi tin tức. Địa chỉ các nút được thể hiện trong 4 bit cuối của byte K1. Như vậy về mặt lý thuyết thì trong mạng Ring chỉ có tối đa 16 nút. Tuy nhiên trong thực tế do yêu cầu về đồng bộ nên số nút ít hơn 16. Loại mạng Ring này được ký hiệu là SHR/ADM. Muốn tăng tốc độ truyền trên cặp sợi, thí dụ nâng từ 2,5 Gbit/s lên 10 Gbit/s thì một giải pháp kinh tế nhất là dùng công nghệ ghép kênh bước sóng quang. Mạng Ring trong trường hợp này được ký hiệu là SHR/WDM. Trong phần này sẽ trìng bày cấu trúc của mạng, số bước sóng ghép quan hệ với tổng số nút của mạng và số lượng nút tối đa... 2. Cấu trúc SHR/WDM đơn hướng. 2.1. Cấu trúc mạng Ring có 4 nút: Hình 5.16 thể hiện SHR/WDM có 4 nút. Các nút nối với nhau đầy đủ. Cấu hình này có phương thức bảo vệ 1+1. 101 Hình 5.16. Mạng Ring ghép bước sóng có 4 nút. Ở trạng thái bình thường thì tín hiệu quang từ một nút truyền đến nút thu theo bước sóng riêng trên cả sợi hoạt động và cả sợi dự phòng. Lúc đó chuyển mạch quang của các nút đặt vào phía sợi hoạt động. Khi sợi quang bi đứt thì chuyển mạch quang của nút chuyển sang sợi dự phòng. Tổng số bước sóng được sử dụng trong mạng Ring này là 12. 2.2. Cấu trúc nút: Hình 5.17 thể hiện cấu trúc của một nút (nút B). Số thiết bị sử dụng trong nút gồm: 2 bộ lọc bước sóng (MWF); 2 thiết bị ghép bước sóng (WDM); 3 thiết bị đầu cuối quang hoạt động và 1 dự phòng; 3 bộ chuyển mạch quang 1 ´ 2 (OS); 3 coupler tách quang; 2 bộ khuếch đại quang (OA) và một bộ điều khiển chuyển mạch quang (OSC). 102 Hình 5.17. Cấu trúc nút. Các luồng nhánh PDH từ tổng đài hoặc từ thiết bị ghép đưa đến bộ ghép SDH để ghép thành tốc độ bit STM-N; qua bộ chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang (E/O); qua bộ tách quang để chia công suất quang trong sợi quang đầu vào thành hai sợi đầu ra, mỗi sợi chiếm một nửa công suất vào; mỗi sợi đầu ra của bộ chia công suất đi đến bộ ghép bước sóng WDM. Đầu vào WDM có 3 bước sóng khác nhau từ 3 bộ chia quang đưa đến và bước sóng thứ tư từ bộ lọc của hướng kia đưa tới. 4 bước sóng này được ghép thành luồng ánh sáng chung truyền trong sợi hoạt động và cả trong sợi dự phòng. Chuyển mạch quang OSC ở phía thu tiếp xúc với đầu ra tương ứng của bộ lọc bước sóng cuối sợi hoạt động để thu bước sóng tương ứng. Tín hiệu quang đi vào bộ chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện (O/E). Tín hiệu điện đi vào bộ tách để chuyển tốc độ bít STM-N thành tốc độ bít thấp của các luồng nhánh và đưa vào tổng đài hoặc thiết bị tách PDH. Tốc độ bít truyền trên sợi quang bằng n lần tốc độ bít của mỗi thiết bị ghép SDH, trong đó n là số lượng bước sóng đầu vào WDM. Trong trường hợp mạng Ring có 4 nút thì n = 6. Bộ khuếch đại quang được sử dụng khi khoảng cách các nút vượt quá cự ly cho phép. Bộ ghép SDH tại mối nút bằng M-1, trong đó M là tổng số nút trong mạng Ring. Trong sơ đồ mỗi nút còn phải sử dụng một bộ ghép SDH, đó là thiết bị đầu cuối quang dự phòng. 103 2.3: Quan hệ giữa số lượng nút và số lượng bước sóng. Từ những điều đã trình bày trên đây cho thấy, khi các nút nối đầy đủ với nhau thì số bước sóng cần sử dụng m và số lượng nút trong mạng Ring M được xác định theo biểu thức sau đây: m = M(M-1) (5.1) Như vậy, khi số nút tăng thì số lượng bước sóng tăng nhanh hơn. Số lượng bước sóng ghép hoặc tách ở mỗi nút m’ được xác định theo biểu thức sau đây: m’ = 2(M-1) (5.2) Muốn giảm số lượng bước sóng dùng trong mạng Ring phải sử dụng cấu hình truyền hai hướng. 3. Cấu trúc SHR/WDM hai hướng. Trong cấu hình này, sử dụng phương thức bảo vệ 1+1, nghĩa là hai sợi hoạt động và hai sợi dự phòng. Từ nút này nối đến nút khác trong mạng cần sử dụng một bước sóng để phát trên một sợi và thu về trên một sợi khác. Thí dụ nút A nối với nút B thì lab truyền từ A tới B trên sợi bên trong, và lba truyền từ B đến A trên sợi bên ngoài. Hai bước sóng này là như nhau. Ngoài các bước sóng xen/ rẽ còn có các bước sóng nối chuyển tiếp từ hướng nọ sang hướng kia kia. Thí dụ tại nút A có lbd nối từ hướng Tây sang hướng Đông, và ldb nối từ hướng Đông sang hướng Tây, hai bước sóng này là như nhau. 104 Hình 5.18. Cấu hình SHR/WDM hai Trong cấu hình hai hướng này, sử dụng 6 bước sóng khác nhau. Tại mối nút cần dùng 3 bước sóng để nối với 3 nút còn lại trong mạng. Để có thể chuyển mạch bảo vệ khi đứt cáp hoặc hỏng nút thì mỗi trạm phải có hệ thống chuyển mạch quang (không có trong hình vẽ) để chuyển các bước sóng trên hai sợi bị đứt sang hai sợi dự phòng của hướng bên kia của nút. Mối quan hệ giữa số bước sóng m cần sử dụng trong mạng và số nút M như sau: m = M(M-1)/2 (5.3) Hiện nay trong thiết bị WDM, nếu dùng cách tử thì số bước sóng tối đa có thể ghép được là 50. Vậy số nút cực đai trong mạng là 10. ở phía thu dùng bộ lọc điều chỉnh được để tách các bước sóng. Số lượng tối đa các bước sóng mà bộ lọc có thể tách bằng tỷ số giữa tổng phạm vi điều chỉnh của bộ lọc và khoảng cách tối thiểu giữa các kênh để đảm bảo xuyên âm bé nhất. Thí dụ tổng phạm vi điều chỉnh của bộlọc là 200 GHz (khoảng 1,5 nm quanh bước sóng 1550 nm) và khoảng các giữa các kênh là 50 GHz thì dung lượng của hệ thống là 4 kênh. Bộ lọc tại mỗi nút chỉ cần tách được M-1 bước sóng trong tổng số M(M-1)/2 bước sóng của 105 mạng. Thí dụ SHR/WDM có 10 nút thì bộ lọc tại mỗi nút chỉ cần tách 9 bước sóng trong tổng số 45 bước sóng. Công nghệ chế tạo bộ lọc hiện nay có thể tách được hàng chục bước sóng trong số hàng trăm bước sóng của mạng. 4. So sánh SHR/ADM và SHR/WDM Bảng 5.1 thống kê số liệu so sánh các đặc tính của hệ thống giữa SHR/ADM và SHR/WDM Danh mục so sánh Khối tách /xen tín hiệu Số thiết bị đầu cuối Tốc độ phát Nâng cấp Yếu tố hạn chế số nút trong mạng bị hạn chế Chuyển đổi O/E đối với tín hiệu tại các nút đi qua Trễ truyền dẫn SHR/ADM STM-1 SHR/WDM Kênh quang truyền qua sợi nhiều cao dễ dàng số lượng bước sóng có thể ghép không cần ít thấp khó khăn, đắt dung lượng ADM có lớn nhỏ Sự khác nhau chủ yếu giữa SHR/ADM và SHR/WDM là ở chỗ: SHR/ADM tách/ghép tín hiệu điện STM-1 hoặc các luồng nhánh, còn SHR/WDM tách/ghép trực tiếp các kênh quang (bước sóng quang). So với SHR/ADM thì SHR/WDM cần nhiều thiết bị điện tử hơn, vì SHR/WDM có chức năn giống như một mạng có cơ cấu bảo vệ 1+1. SHR/WDM có thể nâng cấp tới n´ 2,5 Gbit/s (n là số bước sóng sử dụng trong SHR/WDM) chính ngay trên sợi quang truyền dẫn 2,5 Gbit/s mà không cần sử dụng thêm sợi. Hạn chế chủ yếu của SHR/WDM là số lượng bước sóng sử dụng, vì vậy số nút trong SHR/WDM ít hơn số nút trong SHR/ADM. Trễ truyền dẫn của SHR/WDM 106 ngắn hơn so với SHR/ADM có cùng cự ly, vì không cần xử lý tín hiệu điện cho đến khi tách tại trạm thu cuối. 107 KẾT LUẬN Truyền dẫn dung lượng cao theo hướng sử dụng công nghệ WDM đang có một sức hút mạnh đối với các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông hàng đầu thế giới. Đã có hàng loạt tuyến truyền dẫn đang vận hành và khai thác theo công nghệ này, bởi vì chi phí đầu tư và tính ổn định của nó có nhiều điểm hơn hẳn so với ghép kênh truyền thống TDM, nhất là khi mà nhu cầu về dung lượng ngày càng cao như hiện nay. Khi nâng cấp một hệ thống thông tin quang theo công nghệ WDM, có rất nhiều vấn đề cần phải xem xét, như nhu cầu về dung lượng, cấu hình hợp lý và cấu hình tối ưu .... Mỗi một mục nhỏ trong bản đồ án này đều là một bài toán kỹ thuật, đòi hỏi phải có một giải pháp tối ưu và toàn diện. Vấn đề về mật độ ghép bước sóng, mặc dù ITU-T đã ban hành chuẩn về tần số và khoảng cách ghép giữa các kênh, nhưng nó đã trở nên lạc hậu so với các công nghệ tách/ghép bước sóng hiện nay, khi mà khoảng cách ghép giữa các bước sóng trong hệ thống WDM đã giảm xuống chỉ còn 25 GHz. Công nghệ khuếch đại quang sợi ra đời, đã mở ra một chặng mới cho thông tin quang nói chung và cho thông tin WDM nói riêng, giải quyết được vấn đề về suy hao, quỹ công suất mà không cần các bộ lặp 3R cồng kềnh, chi phí lớn và chỉ đáp ứng được tốc độ thông tin thấp. Thêm vào đó, các module bù tán sắc DCM được “nhúng” vào các thiết bị WDM, đã làm cho hệ thống WDM càng có thêm nhiều hứa hẹn. Khi đó mỗi kênh bước sóng có thể đạt đến tốc độ 10 Gbit/s hoặc hơn nữa, nhờ vậy có thể đạt được tốc độ Tbit/s trên một sợi đơn mode SSMF thông thường. Với thời gian nghiên cứu và tìm hiểu thực tế mạng lưới, cũng như tìm hiểu công nghệ mới WDM còn hạn chế, những gì được đề cập trong bản luận văn này thực sự rất nhỏ bế, mới chỉ mang tính chất tìm hiểu, tập dượt. Công nghệ truyền dẫn WDM thực tế chưa được triển khai ở nước sta, lại là một công nghệ còn mới, đang ở thời kỳ mà có thể có nhiều đột biến về các giải pháp, công nghệ cho từng thiết bị. Tuyến truyền dẫn quang Bắc-Nam ở nước ta giữ một vai trò quan trọng đối với nền an ninh của quốc gia và sự phát triển kinh tế, xã hội. Do vậy, việc thảo luận, nghiên cứu - triển khai phương án tăng dung lượng tuyến cáp quang trục Bắc-Nam bằng công nghệ mới như WDM có một ý nghĩa thiết thực. Từ suy nghĩ đó em mong muốn được tìm hiểu về “công nghệ ghép kênh quang WDM” để sau này đóng góp một phần công sức nhỏ bé xây dựng đất nước. Em mong rằng sẽ có cơ hội để tiếp tục được nghiên cứu sâu hơn về các vấn đề này. 108 Tài liệu tham khảo “Kỷ thuật thông tin quang – nguyên lý cơ bản bản kỷ thuật tiên tiến”. Nhà xuất bản khoa học “Hệ thống thông tin quang sử dụng kỷ thuật WDM”. Tập bưu chính viễn thông số 9 Một số website và tài liệu trên mạng 109