Kỹ thuật đa truy nhập trong mạng quang và ứng dụng

hực tế của em, không sao chép. Tác giả luận văn Nguyễn Thế D−ơng -ii- Mục lục Nội dung Trang Lời Mở đầu ............................................................................................. Ch−ơng 1: các phần tử sử dụng trong mạng quang đa truy nhập 1.1 giới thiệu chung …………………….................................. 1 1.2 Bộ ghép hình sao quảng bá ………………………….... 2 1.3 bộ ghép kênh và tách kênh ........................................... 4 1.4 điốt laze điều chỉnh đ−ợc b−ớc sóng. .................... 7 1.4.1 Điều chỉnh nhiệt. ........................................................................... 8 1.4.2 Điốt laze điều chỉnh đ−ợc b−ớc sóng sử dụng hốc ngoài............... 8 1.4.3 điốt laze hồi tiếp phân bố (DFB) hai đoạn..................................... 10 1.4.4 Điốt laze phản xạ phân bố Bragg hai đoạn và ba đoạn. ................ 11 1.5 bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc …................................ 12 Ch−ơng 2 : Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo b−ớc sóng - wdma 2.1 Tổng quan về kỹ thuật WDMA....................................... 14 2.2 Mạng WDMA đơn b−ớc ....................................................... 14 2.2.1 Mạng WDMA “ quảng bá và lựa chọn ”........................................ 14 2.2.2 Mạng WDMA “định tuyến theo b−ớc sóng”................................. 20 2.2.3 Các vấn đề liên quan đến hiệu suất và thiết kế mạng .................... 25 2.2.3.1 Vị trí bộ đệm trong mạng WDMA đơn b−ớc ................................. 25 2.2.3.2 Xuyên kênh..................................................................................... 26 2.3 Mạng WDMA đa b−ớc ......................................................... 29 2.3.1 Khái niệm chung về mạng WDMA đa b−ớc ................................ 29 2.3.2 Đặc điểm của mạng WDMA đa b−ớc ……………....................... 31 -iii- 2.4 ứng dụng mạng kỹ thuật đa truy nhập WDMA 36 2.4. 1 Mạng WDMA đơn b−ớc .............................................................. 36 2.4.1.1 Mạng LAMBDANET...................................................................... 36 2.4.1.2 Mạng RAINBOW............................................................................ 37 2.4.1.3 FOX –Bộ kết nối chéo quang tốc độ cao…………………………… 38 2.4.1.4 HYPASS (High performance packet switch system……………...... 39 2.4.1.5 Mạng RINGGO............................................................................... 42 2.4.2 Mạng WDMA đa b−ớc .................................................................. 43 2.4.2.1 Mạng Starnet.................................................................................. 43 2.4.2.2 Mạng HORNET.............................................................................. 44 Ch−ơng 3 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng mang phụ – SCMA 3.1 Giới thiệu chung .................................................................. 49 3.2 Hiệu suất của mạng scma đơn kênh …..................... 51 3.2.1 Nhiễu l−ợng tử Short noise ………………................................... 53 3.2.2 Nhiễu nhiệt của máy thu ............................................................... 54 3.2.3 Nhiễu c−ờng độ Laser ................................................................... 55 3.2.4 Nhiễu giao thoa quang .................................................................. 55 3.2.5 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng....................................................... 58 3.2.6 ứng dụng của các hệ thống SCMA đơn kênh ................................ 55 3.3 Đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh .................... 60 3.3.1 Khái niệm về hệ thống SCMA đa kênh ........................................ 61 3.3.2 Đặc điểm của hệ thống SCMA đa kênh ….................................... 62 3.3.3 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng ...................................................... 64 3.3.4 ứng dụng của các hệ thống SCMA đa kênh .................................. 65 Ch−ơng 4 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian – TDMA 4.1 Giới thiệu chung .................................................................. 68 -iv- 4.2 Các khái niệm cơ bản của Kỹ thuật TDMA ………. 68 4.3 ứng dụng mạng Kỹ thuật đa truy nhập TDMA .... 71 4.3.1 ATM-PON (ATM dựa trên mạng quang thụ động) ...................... 71 4.3.2 E- PON (Ethernet dựa trên mạng quang thụ động) ....................... 74 Ch−ơng 5 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo m∙ - cdma 5.1 Tổng quan kỹ thuật đa truy nhập CDMA .............. 78 5.2 Các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA ............................. 78 5.2.1 Mạng sử dụng kỹ thuật CDMA tách sóng trực tiếp ...................... 78 5.2.2 Mạng CDMA quang kết hợp......................................................... 85 5.2.3 Đặc điểm của các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA quang.............. 87 Ch−ơng 6 : đề xuất mô hình ứng dụng mạng man Tại b−u điện hà nội 6.1 Hiện trạng mạng viễn thông của BĐHN .................. 88 6.1.1 Mạng truyền dẫn ........................................................................... 88 6.1.2 Mạng tổng đài ............................................................................... 88 6.1.3 Mạng DDN truyền thống ……………………………………….. 90 6.1.4 Mạng truyền số liệu ATM + IP ..................................................... 90 6.1.5 Mạng truy nhập băng rộng ADSL & SHDSL ................................ 91 6.2 Đánh giá ứng dụng truy nhập quang của bđhn 94 6.3 Dự báo nhu cầu phát triển ............................................ 96 6.4 Phân tích giải pháp ứng dụng xây dựng mạng .... 99 6.5 Lựa chọn giải pháp công nghệ truy nhập .............. 103 6.6 Một số chỉ tiêu cơ bản khi xây dựng mạng …….. 105 6.7 Đề xuất cấu hình ứng dụng mạng MAN .................... 107 Kết luận................................................................................................. 110 Tài liệu tham khảo ........................................................................... 111 -v- Thuật ngữ và chữ viết tắt ADSL Asymmetric Digital Sub Line Thuê bao số không đối xứng AON All –optical network Mạng toàn quang ADM Add/ Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ APD Avalanche Photodiode Điốt tách sóng thác AR Antireflection Coating Vỏ chống phản xạ ASK Amplitude Shift Keying Khoá dịch biên độ ATM Asynchronous Transfer Mode Mode chuyển giao không đồng bộ B-ISDN Broadband Integrated Service Digital network Mạng số liên kết đa dịch vụ băng rộng BPF BandPass Filter Bộ lọc băng thông BRAS Broadband Access Server Server truy nhập băng rộng CNR Carrier –to- Noise Ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu COT Central Office terminal Thiết bị đầu cuối tổng đài CT Central terminal Thiết bị đầu cuối tập trung DBR Distributed Bragg Reflecter Phản xạ phân bố Bragg DCN Digital Communication network Mạng thông tin số DCS Digital Cross -connect system Bộ nối chéo số DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép (tách) kênh DFB Distributed Feedback Hồi tiếp phân bố DLC Digital loop Carrier Truyền tải mạch vòng số DR Distributed reflector Bộ phản xạ phân bố DSL Digital sub line Đ−ờng dây thuê bao số DSLAM DSL access Multiplexer Bộ ghép đ−ờng thuê bao số FBG Fiber Bragg grating Cách tử quang Bragg FP-LD Fabry-Perot laser diode Đi ốt la-de Fabry-Perot FSK Frequency Shift Keying Khoá dịch tần số FTTB Fiber to the Building Cáp quang tới toà nhà FTTC Fiber to the Curb Cáp quang tới khu dân c− -vi- FTTH Fiber to the home Cáp quang tới nhà FTTL Fiber to the loop Mạch vòng cáp quang FTTO Fiber to the office Cáp quang tới công sở FWM Four –Wave Mixing Trộn bốn sóng GGL Gain Guided laser Lade điều khiển khuyếch đại GI Graded Index Chỉ số Gradien GRIN Graded refractive Index Chỉ số chiết suất Gradien IF Intermediate frequency Trung tần IGL Index Guided laser Lade điều khiển chỉ số chiết suất IM Intensity Modulation Điều biến c−ờng độ IMD Intermodulation Distortion Méo điều chế t−ơng hỗ LD Laser diode Điốt lade LED Light Emitting Diode Điốt phát quang LED LO Local Oscillator Dao động nội LOC Large Optical Cavity Hốc cộng h−ởng quang rộng MAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực nội thị MQW Multiple Quantum Well Giếng l−ợng tử MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MZ Mach –Zehnder Bộ điều chế Mach –Zehnder OA Optical amplifier Bộ khuếch đại quang OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ quang OFA Optical fiber amplifier Bộ khuếch đại quang sợi ONI Optical Network interface Giao diện mạng quang ONNI Optical network – to – network interface Giao diện mạng –mạng quang ONU Optical network Unit Thiết bị mạng quang OTN Optical transport network Mạng truyền tải quang OXC Optical Cross connect Nối chéo quang PDS Passive Distribute Service Dịch vụ phân phối thụ động -vii- PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN PON Passive optical network Mạng quang thụ động PSK Phase shift keying Khoá dịch pha RF Radio frequency Tần số vô tuyến RIN Relative Intensity Noise Nhiễu c−ờng độ t−ơng đối RPR Resilient packet ring Mạng vòng chuyển mạch gói tự hồi phục SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích SCM Subcarrier Multiplexing Ghép kênh sóng mang phụ SDSL Symmetric digital sub line Thuê bao số đối xứng SEL Surface Emitting laser La-de phát mặt SPM Self phase modulation Tự điều chế pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ raman kích thích TDM Time division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian TDMA Time division Multiple Access Đa truy nhập theo thời gian TT Tunable transmitter Bộ phát điều chỉnh đ−ợc TR Tunable receiver Bộ thu điều chỉnh đ−ợc FT Fixed – tuned transmitter Bộ phát cố định RF Fixed – tuned receiver Bộ thu cố định VPN Virtual private network Dịch vụ mạng riêng ảo WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh theo b−ớc sóng WDMA Wavelength Division Multiple Access Đa truy nhập theo b−ớc sóng WGR Wavelength Grating Router Bộ định tuyến cách tử dẫn sóng WR Wavelength Router Bộ định tuyến b−ớc sóng WRC Wavelength routing Controller Bộ điều khiển định tuyến b−ớc sóng WT Wavelength terminal Thiết bị kết cuối b−ớc sóng XPM Cross Phase Modulation Điều chế ngang (chéo) pha -viii- danh mục bảng Bảng 2.1 Quan hệ giữa số nút mạng (N) và số b−ớc (h) xuất phát từ một nút nguồn trong giản đồ ShuffleNet (p,k) ....................... 33 Bảng 2.2 Một số thông số đại diện biểu đồ ShuffleNet ....................... 34 Bảng 2.3 Các tham số thử nghiệm mạng HORNET ............................. 45 Bảng 6.1 Kỹ thuật truyền dẫn từ tổng đài đến thuê bao ……………… 104 Bảng 6.2 Kỹ thuật truyền dẫn từ thuê bao đến tổng đài ……………… 104 Danh mục hình vẽ Hình 1.1. Một số cấu kiện quang thụ động ........................................... 2 Hình 1.2. Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode . 2 Hình 1.3. Các bộ ghép hình sao ............................................................. 4 Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ thống WDM .................................................... 4 Hình 1.5 Thiết bị ghép –tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) ............. 5 Hình 1.6 Xuyên kênh ............................................................................ 9 Hình 1.7 Điốt laze điều chỉnh đ−ợc sử dụng hốc ngoài ........................ 9 Hình 1.8 Laser MAGIC ........................................................................ 9 Hình 1.9 Điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn ....................................... 10 Hình 1.10 Sơ đố cấu trúc diode laze phản xạ phân bố Bragg ................ 11 Hình 1.11 Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc .............................. 12 Hình 2.1 Mạng WDMA hình sao đơn b−ớc “quảng bá và lựa chọn”.... 15 Hình 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số b−ớc sóng đ−ợc sử dụng .................................................................................. 17 Hình 2.3 Quan hệ số b−ớc sóng bận -Tải ρ và số b−ớc sóng cực đại ... 20 Hình 2.4 Nguyên lý định tuyến b−ớc sóng mạng WDMA đơn b−ớc .. 220 Hình 2.5 Mạng định tuyến theo b−ớc sóng N = 3 nút ,sử dụng phần tử WDM .................................................. 21 Hình 2.6 Mạng định tuyến theo b−ớc sóng sử dụng chuyển mạch không gian chọn b−ớc sóng ............... 23 -ix- Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạng LLN …………………………... 24 Hình 2.8 Tái sử dụng b−ớc sóng trong mạng LLN ............................... 25 Hình 2.9 Quan hệ thời gian đợi và tải cho mạng đệm đầu ra đầu vào 26 Hình 2.10 Chọn kênh trong mạng WDMA thu kết hợp ......................... 27 Hình 2.11 Mất mát công suất do xuyên kênh trong bộ tách sóng quang 28 Hình 2.12 Quan hệ giữa công suất cực đại trên kênh và số kênh cho 4 ảnh h−ởng phi tuyến trong mạng WDMA ……………….. 29 Hình 2.13 Cấu trúc mạng đa chặng WDMA hình sao 8 nút ................... 30 Hình 2.14 Biểu đồ kết nối trực tiếp Shufflenet mạng đa chặng hình sao 8 nút.......................................................................... 32 Hình 2.15 Biểu diễn thông l−ợng trên một nút, số nút N cho mạng WDMA shuffleNet ................................................ 35 Hình 2.16 Cấu trúc mạng Lambdanet WDMA ....................................... 36 Hình 2.17 Cấu trúc cơ bản của mạng FOX ............................................. 38 Hình 2.18 Cấu trúc mạng WDMA –Hypass ........................................... 39 Hình 2.19 Minh hoạ thuật toán thăm dò hình cây trong tr−ờng hợp có 4 gói dữ liệu đồng thời đến cùng một đích ....................... 40 Hình 2.20 Quan hệ giữa thời gian trễ trung bình và tải ρ trong mạng Hypass ................................................... 41 Hình 2.21 Mạng metro WDM ringo ................................................... 42 Hình 2.22 Cấu trúc nút RINGO ............................................................. 43 Hình 2.23 Cấu trúc chuyển mạch Starnet ............................................... 43 Hình 2.24 Cấu trúc mạng HORNET....................................................... 46 Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc nút truy nhập (AN) trong mạng HORNET .... 46 Hình 2.26 Nguyên lý hoạt động giao thức CSMA/CA trong mạng HORNET ……………………………………… 47 Hình 3.1 Nguyên lý kỹ thuật điều chế SCM …………………………. 49 Hình 3.2 Mạng SCMA cấu trúc hình sao .............................................. 51 Hình 3.2 (a) Phổ công suất quang của hai Laser đơn mode dọc 53 -x- có độ lệch tần số trung tâm bằng δv ..................................... Hình 3.2(b) Phổ công suất điện của thành phần nhiễu khi δv ≠0 .............. 57 Hình 3.2 (c) Phổ công suất điện của thành phần nhiễu khi δv = 0 ............ 57 Hình 3.3 Tỷ số (SNRtot) tổng và 4 loại nhiễu trong hệ thống SCMA đơn kênh ..................................................... 59 Hình 3.4 H−ớng lên hệ thống FITL dựa trên SCMA –PON ................ 60 Hình 3.5 Mạng SCMA đa kênh , N b−ớc sóng và M nút mạng trên một b−ớc sóng ............................................................... 61 Hình 3.6 Gán kênh tần trong mạng SCMA đa kênh ............................. 62 Hình 3.7 Cấu trúc chuyển mạch gói tốc độ cao dựa trên SCMA đa kênh ứng dụng cho MAN ……………………….. 66 Hình 4.1 Mạng quang thụ động dựa trên cấu trúc Bus ......................... 69 Hình 4.2 Cấu trúc của ATM-PON......................................................... 72 Hình 4.3 Khung thời gian ATM-PON đối xứng 155 Mbps .................. 74 Hình 4.4 Sơ đồ ứng dụng E-PON ......................................................... 75 Hình 4.5 Khe thời gian h−ớng lên và h−ớng xuống E-PON ................. 76 Hình 5.1 Mạng CDMA quang .............................................................. 79 Hình 5.2 Mã hoá bít nguồn tin ‘1’ với chuỗi chíp CDMA. Số các chíp, F=25. Số các chip 1, K=5 .................................. 79 Hình 5.3 (a) Bộ mã hoá quang và (b) bộ giải mã quang sử dụng các đ−ờng dây trễ quang song song........................................ 82 Hình 5.4 Hai mã quang trực giao A và B .............................................. 84 Hình 5.5 Mã hoá và giải mã phổ các xung ánh sáng cực ngắn trong các mạng CDMA quang kết hợp .................................. 86 Hình 6.1 Sơ đồ đấu nối các trạm tổng đài - mạng B−u điện Hà Nội .... 89 Hình 6.2 Cấu trúc mạng truyền số liệu ATM + IP ............................... 91 Hình 6.3 Sơ đồ cấu trúc mạng truy nhập ADSL & SHDSL .................. 92 Hình 6.4 Sơ đồ mạng truy nhập ADSL và SHDSL – B−u điện Hà Nội 93 Hình 6.5 Sơ đồ triển khai MAN ứng dụng công nghệ HORNET trên mạng Hà Nội ................................................. 108 -xi- Lời mở đầu Ngày nay, thế giới đang b−ớc sang kỷ nguyên của thông tin, trong đó công nghệ thông tin và truyền thông là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội. Do đó, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa ph−ơng tiện trong đời sống kinh tế – xã hội của từng quốc gia cũng nh− kết nối toàn cầu. Để đáp ứng đ−ợc vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung l−ợng lớn. Một trong giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn đó là mạng thông tin quang tốc độ cao. Mặc dù có sự phát triển nhanh về công nghệ, cấu trúc mạng và cấu hình các hệ thống truyền dẫn quang trong các ứng dụng thực tế, song về cơ bản mạng thông tin quang có thể chia làm hai phần là mạng truy nhập và mạng truyền tải. Mạng truyền tải với mục tiêu truyền các l−u l−ợng lớn với băng tần rộng nhằm thoả mãn nhu cầu truyền tải trong cấu trúc mạng hiện đại. Trên cơ sở đó, vấn đề thông suốt l−u l−ợng đ−ợc đặt ra nh− là một nền tảng cho việc thoả mãn nhu cầu băng tần rộng của khách hàng mà không cần quan tâm tới nội dung của luồng tín hiệu. Đây cũng là nội dung yêu cầu tiến đến mạng toàn quang thế hệ sau (all optical network). Mạng truy nhập quang ở nhiều nơi đã đ−ợc khai thác có hiệu quả và đã đáp ứng đ−ợc nhiều loại hình dịch vụ. Tuy nhiên, nhu cầu thông tin ngày một phát triển mạnh, các yêu cầu về các hệ thống truy nhập quang cho mạng nội hạt có băng tần rộng đã đ−ợc đặt ra nhằm thoả mãn sự phát triển của mạng và các loại hình dịch vụ có băng tần và chất l−ợng cao. Để thực hiện các mục đích trên ng−ời ta đã và đang nghiên cứu rất nhiều các giải pháp kỹ thuật, một trong số đó là kỹ thuật đa truy nhập quang nhằm tạo ra các sở cứ khoa học cho việc thiết kế và ứng dụng các mạng quang đa truy nhập, nội dung luận văn bao gồm: Ch−ơng 1 giới thiệu một số phần tử sử dụng trong mạng quang đa truy nhập. Nghiên cứu chức năng, nguyên lý hoạt động và đặc tính kỹ thuật của một số cấu kiện quang thụ động và các phần tử điều chỉnh đ−ợc ứng dụng trong mạng quang đa truy nhập (Bộ phát thay đổi, bộ thu thay đổi và bộ lọc thay đổi đ−ợc). -xii- Ch−ơng 2 sẽ trình bày về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo b−ớc sóng WDMA trong đó đ−a ra tổng quan về công nghệ WDMA, các khái niệm về mạng WDMA đơn b−ớc và đa b−ớc đồng thời phân tích cấu trúc, đặc tính kỹ thuật của các mạng WDMA đơn b−ớc và đa b−ớc và nghiên cứu một số cấu trúc và giao thức mạng ứng dụng kỹ thuật WDMA. Ch−ơng 3 nghiên cứu về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng mang phụ SCMA tìm hiểu các đặc điểm về kỹ thuật đa truy nhập sóng mang phụ đơn kênh, kỹ thuật đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh, đ−a ra các phân tích ảnh h−ởng về nhiễu gây ra liên quan đến hiệu suất của mạng và nêu ứng dụng của kỹ thuật SCMA. Ch−ơng 4 mô tả kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA với hai ph−ơng thức xử lý ghép dòng tín hiệu d−ới dạng chèn bít và dạng khối. Trình bày các mạng ứng dụng: Mạng A-PON (ATM dựa trên mạng quang thụ động) và Mạng E-PON (Ethernet dựa trên mạng quang thụ động). Ch−ơng 5 nghiên cứu đặc điểm của kỹ thuật phân chia theo mã CDMA liên quan đến các kỹ thuật CDMA tách sóng trực tiếp và mạng CDMA quang kết hợp và đặc điểm của các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA quang. Ch−ơng 6 đề xuất khả năng ứng dụng mô hình ứng dụng MAN trên mạng của B−u điện Hà nội để chuyển tải l−u l−ợng cho các mạng băng rộng và từng b−ớc có thể thay thế các mạng truyền dẫn kênh truyền thống. Việc triển khai ứng dụng mạng MAN nhờ kỹ thuật WDMA cũng nh− ứng dụng của kỹ thuật WDMA trong các mạng đ−ờng trục và mạng diện rộng đ−ợc mô tả cho thấy mức độ và tính khả thi khi áp dụng cấu trúc MAN cho việc truyền tải dữ liệu chuyển mạch gói rất phù hợp cho các ứng dụng của mạng thế hệ sau NGN vào thực tế nh− thế nào. -1- Ch−ơng 1 tổng quan về các phần tử sử dụng trong mạng quang đa truy nhập 1.1 giới thiệu chung. Trong kỹ thuật đa truy nhập quang, về mặt b−ớc sóng ta có kỹ thuật ghép kênh theo b−ớc sóng WDM t−ơng ứng là kỹ thuật truy nhập WDMA, ghép kênh nhiều sóng mang SCM t−ơng ứng là kỹ thuật truy nhập SCMA, về mặt thời gian ta có kỹ thuật truy nhập theo thời gian TDMA và truy nhập phân chia theo mã CDMA. Trong các mạng truy nhập quang dòng bít dữ liệu h−ớng đi từ ng−ời sử dụng đến tổng đài có l−u l−ợng nhỏ và h−ớng về từ tổng đài đến ng−ời sử dụng có l−u l−ợng lớn hơn rất nhiều, vì vậy, kỹ thuật truy nhập cho các h−ớng cũng khác nhau. Để thực hiện đ−ợc mạng quang đa truy nhập cần phải có một số cấu kiện quang, thông th−ờng đ−ợc gọi là các thiết bị quang thụ động. Tuỳ theo các chức năng thực hiện mà chúng đ−ợc chia ra các loại nh− sau : • Bộ chia quang: Bộ này thực hiện chia công suất quang từ một đầu vào duy nhất tới một số đầu ra. • Bộ tổng hợp quang: Bộ này thực hiện chức năng ng−ợc lại của bộ chia, nó tổng hợp một số tín hiệu quang ở các đ−ờng vào và đ−a tới một đầu ra duy nhất. • Bộ ghép hình sao quảng bá: Thiết bị này thực hiện việc kết hợp các tín hiệu quang từ các cổng vào và chia đều nó cho các cổng ra. • Thiết bị ghép kênh theo b−ớc sóng : Thiết bị này tổng hợp các kênh có b−ớc sóng khác nhau tại các đầu vào và đ−a ra một đầu ra duy nhất. • Thiết bị tách kênh theo b−ớc sóng : Thiết bị này chia đa kênh quang từ một đầu vào thành các đầu ra khác nhau tuỳ thuộc vào b−ớc sóng của chúng. • Các bộ các ly quang: Có nhiệm vụ bảo vệ bộ phát hoặc bất cứ thiết bị liên quan đến độ nhạy từ những tín hiệu phản xạ không mong muốn. • Bộ lọc quang : Thiết bị này thực hiện chọn lọc một kênh trong số các kênh đến đầu vào, và đ−a kênh đ−ợc chọn này đến đầu ra. Ngoài ra trong một số mạng quang đa truy nhập yêu cầu một vài phần tử điều chỉnh đ−ợc, ví dụ nh− bộ phát thay đổi đ−ợc (Tx- Tunable), bộ thu -2- thay đổi đ−ợc (Rx- Tunable) và các bộ lọc quang thay đổi đ−ợc. Đây là các phần tử tích cực, nó có vị trí đặc biệt quan trọng trong các mạng quang sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo b−ớc sóng (WDMA). Hình 1.1 Cấu kiện quang thụ động. a. Bộ chia quang. d. Bộ ghép kênh theo b−ớc sóng. b. Bộ tổng hợp quang. e. Bộ tách kênh theo b−ớc sóng. c. Bộ ghép hình sao quảng bá. f. Bộ cách ly quang. 1.2 Bộ ghép hình sao quảng bá. Hình 1.2 Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode. Vai trò của một bộ ghép hình sao là kết hợp các tín hiệu quang từ các cổng đầu vào và chia đều nó trên các cổng đầu ra nh− chỉ ra trên hình 1.2. Không nh− các bộ tách kênh, các bộ ghép hình sao không chứa các phần tử 9 10 11 12 8 7 6 5 4 3 2 1 MN λn λ1 λ1 ...... λn λ1 ...... λn λ1 λn a b c d e f -3- lựa chọn b−ớc sóng. Vì vậy chúng không có khả năng tách các kênh riêng rẽ. Trong tr−ờng hợp tổng quát số các cổng đầu vào và các cổng đầu ra không cần phải bằng nhau và ký hiệu là (NxM), trong đó N là số cổng đầu vào và M là số cổng đầu ra. Có một số kiểu bộ ghép hình sao đã đ−ợc phát triển. Loại bộ ghép đầu tiên sử dụng các bộ ghép sợi 3dB. Mỗi bộ ghép sợi có khả năng ghép hai tín hiệu đầu vào và phân chia đều trên hai cổng đầu ra, cũng có nghĩa là bộ ghép hình sao 2x2. Các hình sao bậc cao hơn NxN có thể đ−ợc tạo ra bằng cách gộp một số bộ ghép 2x2 với nhau trong đó N là bội số lần của 2. Hình 1.2 mô tả sơ đồ nh− vậy cho cấu trúc hình sao 8x8 tạo thành từ 12 bộ ghép 2x2. Để tạo ra đ−ợc bộ coupler hình sao NxN thì số bộ coupler 3 dB cần thiết đ−ợc tính theo biểu thức sau: N NNC 2log2 = 1.1 Nếu gọi β là suy hao của tín hiệu khi đi qua coupler 3dB thì hệ số này đ−ợc xác định bằng tổng số công suất đầu ra trên tổng công suất đầu vào, thông th−ờng giá trị này đ−ợc biểu diễn theo đơn vị deciBel. Suy hao tổng của tín hiệu khi đi qua bộ ghép hình sao NxN đ−ợc tính nh− biểu thức (1.2). Nh− vậy khi số cổng tăng lên thì suy hao tín hiệu qua bộ ghép cũng tăng lên. NN dBLoss N 1010 log 10 log).log3.31(10log10][ 2 ββ −≅ ⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧−= 1.2 Có một giải pháp khác đ−ợc đ−a ra là sử dụng các bộ ghép biconical- taper (thắt làm hai hình chóp nóng chảy) để tạo ra các bộ ghép hình sao vững vàng, chắc chắn. Hình 1.3 mô tả sơ đồ sao truyền dẫn và sao phản xạ đ−ợc tạo ra bằng công nghệ này. Kỹ thuật này làm nóng chảy một số l−ợng lớn các sợi lại với nhau và kéo dài phần nóng chảy thành dạng cấu trúc thắt hai phần. ở phần có dạng hình nêm, tín hiệu từ mỗi sợi đ−ợc ghép lại với nhau và chia đều ra trên các cổng đầu ra. Cấu trúc nh− vậy hoạt động t−ơng đối tốt với sợi đa mode. Còn trong tr−ờng hợp sợi đơn mode thì nó bị hạn chế do chỉ có thể làm nóng chảy đ−ợc vài sợi. Các bộ ghép nóng chảy 2x2 sử dụng sợi đơn mode đ−ợc chế tạo từ khá sớm. Chúng có thể đ−ợc thiết kế để hoạt động trên một phạm vi b−ớc sóng rộng. -4- a, Bộ ghép sao truyền dẫn ; b, Bộ ghép sao phản xạ Hình 1.3 Các bộ ghép hình sao. 1.3 bộ ghép kênh (MUX) và tách kênh (DE-MUX). 1.3.1 Nguyên lý cơ bản ghép kênh theo b−ớc sóng quang. Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống WDM Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo b−ớc sóng quang đ−ợc minh hoạ ở hình 1.4. Có hai ph−ơng án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép b−ớc sóng quang WDM đó là: Ph−ơng án truyền dẫn ghép b−ớc sóng quang theo một h−ớng, là sự kết hợp các tín hiệu có b−ớc sóng khác nhau vào sợi quang tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia. Thông th−ờng cần phải sử dụng hai sợi quang để thực hiện truyền tín hiệu thông tin cho chiều đi và chiều về. Ph−ơng án truyền dẫn hai h−ớng thì không qui định phát ở một đầu và thu ở một đầu; điều này tức là có thể truyền thông tin theo một h−ớng tại các b−ớc sóng λ1, λ2 , λ3, .......λj ......λn và đồng thời cũng truyền thông tin khác theo h−ớng ng−ợc lại tại các b−ớc sóng λ1’, λ2’, λ3’, .......λj’......λn’. Ph−ơng án này chỉ cần sử dụng một sợi cũng có thể thiết lập đ−ợc một hệ thống truyền dẫn cho cả chiều đi và chiều về. Để thực hiện một hệ thống WDM theo một h−ớng, thì cần phải có bộ ghép kênh b−ớc sóng MUX ở đầu phát để kết hợp các tín hiệu quang từ các nguồn phát quang khác nhau đ−a vào một sợi quang chung. Tại đầu thu, cần phải có một bộ tách kênh DEMUX để thực hiện tách các kênh quang t−ơng ứng. Nhìn chung, các MUX DE-MUX o(λ1 .....λn) i(λ1 .....λn) i1(λ1) in(λn) O1(λ1) On(λn) (a) (b) -5- laze đơn mode th−ờng không phát một l−ợng công suất đáng kể nào ở ngoài độ rộng phổ kênh đã định tr−ớc của chúng, cho nên không cần phải để ý đến vấn đề xuyên kênh ở đầu phát. Vấn đề đáng quan tâm ở đây là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép ít bị suy hao. Đối với bộ tách kênh, vì các bộ tách sóng quang th−ờng nhạy cảm trên cả một vùng rộng các b−ớc sóng cho nên nó có thể thu đ−ợc toàn bộ các b−ớc sóng đã đ−ợc phát đi từ phía thiết bị phát. Nh− vậy, để ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có biện pháp cách ly tốt các kênh quang. Để thực hiện điều này, cần thiết kế các bộ tách kênh chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định và có b−ớc sóng cắt chính xác. Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép kênh nào cũng có thể đ−ợc dùng làm bộ tách kênh. Nh− vậy hiểu đơn giản, từ “bộ ghép-Multiplexer” trong tr−ờng hợp này th−ờng đ−ợc sử dụng ở dạng chung để t−ơng thích cho cả bộ ghép và bộ tách kênh, ngoại trừ tr−ờng hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng. Ng−ời ta chia thiết bị ghép sóng quang thành ba loại : Bộ ghép kênh (MUX ), bộ tách kênh (DEMUX) và các bộ ghép và tách hỗn hợp (MUX- DEMUX). Các bộ MUX và DEMUX đ−ợc dùng cho ph−ơng án truyền dẫn theo một h−ớng, còn loại thứ ba (MUX-DEMUX) đ−ợc sử dụng cho ph−ơng án truyền dẫn hai h−ớng trên một sợi. Hình 1.5 mô tả cấu trúc thiết bị ghép – tách kênh hỗn hợp. Việc phân tích chính xác thiết bị ghép phải dựa trên ma trận chuyển đổi với các phần tử của ma trận là Aij(x). Các phần tử này là các hệ số phụ thuộc vào b−ớc sóng, nó biểu thị các tín hiệu quang đi vào cửa thứ i và ra cửa ra thứ j. Hìn Hình 1.5. Thiết bị ghép –tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) Tín hiệu ghép kênh Tín hiệu tách kênh Sợi quang O(λk) I(λi) Ik(λk) Oi(λi) -6- 1.3.2 Các tham số cơ bản của bộ ghép kênh và tách kênh. Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính của các bộ ghép – tách kênh hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh, độ rộng kênh. Để đơn giản, ta hãy phân biệt ra thành thiết bị một h−ớng ở hình 1.4 và thiết bị hai h−ớng nh− ở hình 1.5. Các ký hiệu I(λi) và O(λk) t−ơng ứng là các tín hiệu có b−ớc sóng λi , λk ở đ−ờng chung. Ký hiệu Ik(λk) là tín hiệu đầu vào đ−ợc ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này đ−ợc phát từ nguồn phát quang thứ k. Ký hiệu Oi(λi) là tín hiệu có b−ớc sóng λi đã đ−ợc tách và đi ra từ cửa thứ i. Bây giờ ta xem xét ba tham số cơ bản là suy hao xen, xuyên kênh, và độ rộng kênh nh− sau : Suy hao xen : Đ−ợc xác định là l−ợng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép b−ớc sóng quang WDM. Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao bản thân các thiết bị ghép gây ra. Suy hao xen đ−ợc diễn giải t−ơng tự nh− suy hao đối với các bộ ghép coupler chung, nh−ng có điểm khác là ở WDM chỉ xét cho một b−ớc són._.g đặc tr−ng: )( )( log10 ii i i I OL λ λ−= đối với thiết bị MUX 1.3 )( )( log10 i ii i I O L λ λ−= đối với thiết bị DEMUX 1.4 Với Li là suy hao tại b−ớc sóng λi khi thiết bị đ−ợc ghép xen vào tuyến. Xuyên kênh : Là hiện t−ợng một l−ợng nhỏ tín hiệu từ kênh này bị rò sang kênh khác. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc vào tr−ờng hợp áp dụng, nh−ng nhìn chung phải đảm bảo nhỏ hơn –30 dB trong mọi tr−ờng hợp. Trong một bộ tách kênh lý t−ởng sẽ không có sự rò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có b−ớc sóng λi sang các kênh khác có b−ớc sóng khác với λi . Nh−ng trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nhất định điều đó làm giảm chất l−ợng truyền dẫn của hệ thống. Khả năng tách các kênh khác nhau đ−ợc diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và đ−ợc tính bằng dB : ( ) ] )( log[10)( k ki ki I U D λ λλ −= 1.5 -7- Từ hình 1.6 (a) ta thấy Ui(λk) là l−ợng tín hiệu không mong muốn ở b−ớc sóng λk do có sự rò tín hiệu trên cửa ra thứ i, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở b−ớc sóng λi. Trong thiết bị ghép –tách kênh hỗn hợp nh− ở hình 1.6 (b), việc xác định suy hao xuyên kênh cũng đ−ợc áp dụng nh− bộ tách kênh. Trong tr−ờng hợp này, phải xem xét cả hai loại xuyên kênh “xuyên kênh đầu xa” là do các kênh khác đ−ợc ghép đi vào đ−ờng truyền gây ra, ví dụ nh− I(λk) sinh ra Ui(λk). “ xuyên kênh đầu gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó đ−ợc ghép ở bên trong thiết bị, nh− Ui (λj). Khi tạo ra các sản phẩm, các nhà chế tạo phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị. a) Bộ tách kênh và b) Bộ ghép –tách kênh hỗn hợp. Hình 1.6 Xuyên kênh Độ rộng kênh : Là dải b−ớc sóng dành cho mỗi kênh mà nó định ra do nguồn phát quang. Nếu nguồn phát quang là các điốt laze thì các độ rộng kênh đ−ợc yêu cầu vào khoảng một vài đến hàng chục nano mét để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra, ví dụ nh− khi nhiệt độ làm việc thay đổi sẽ làm trôi b−ớc sóng. Đối với nguồn phát quang là điốt phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần. Nh− vậy, độ rộng kênh phải đảm bảo đủ lớn để tránh nhiễu giữa các kênh, vì thế nó đ−ợc xác định tuỳ theo từng loại nguồn phát. 1.4 điốt laze điều chỉnh đ−ợc b−ớc sóng. Đối với việc thiết kế hệ thống thì điốt laze lý t−ởng là loại phát xạ đơn mode dọc với độ rộng phổ rất hẹp và tốc độ điều chỉnh b−ớc sóng cỡ nano giây trên khoảng b−ớc sóng cỡ 100 nm quanh b−ớc sóng 1.3 hoặc 1.5 àm . Đã có nhiều kỹ thuật đ−ợc phát triển cho ứng dụng điều chỉnh b−ớc sóng. Tuy nhiên cho đến nay các kỹ thuật này vẫn ch−a hoàn thiện và đáp ứng đ−ợc tất cả các yêu cầu ứng dụng một cách đồng thời. Do đó có những thoả hiệp nhất DEMUX Oi(λi) + Ui(λk) Sợi quang I(λi)..... I(λk) (a) λj λk I(λi)... I(λk) O(λj) (b) Oi(λ i) + Ui(λk) + Ui(λj) Ij(λj) -8- định về tốc độ điều chỉnh và khoảng b−ớc sóng mà trên đó laze có thể điều chỉnh đ−ợc liên tiếp. Trong phần này sẽ đề cập đến một số loại kỹ thuật để tạo điốt laze có b−ớc sóng thay đổi đ−ợc. 1.4.1 Điều chỉnh nhiệt. Do ảnh h−ởng chỉ số khúc xạ của lớp laze tích cực phụ thuộc vào nhiệt độ, nh− vậy một cách đơn giản để làm laze thay đổi b−ớc sóng là làm thay đổi nhiệt độ của nó. Tỷ lệ thay đổi b−ớc sóng theo nhiệt độ là vào khoảng – 0.1nm/ 0C ( + 13 GHz/ 0C tại b−ớc sóng 1.5 àm). Do khoảng thay đổi nhiệt độ bị khống chế nhỏ hơn ± 10 0 C để đảm bảo độ tin cậy, do vậy khoảng điều chỉnh thực tế có thể đ−ợc thực hiện bằng ph−ơng pháp này vào khoảng 2 nm là tối đa. Gần đây khoảng điều chỉnh đã đ−ợc cải thiện tới 10.8 nm khi sử dụng laze giếng l−ợng tử – phản xạ phân bố Bragg MQW-DBR. Tuy nhiên, tốc độ thay đổi bị giới hạn bởi trở kháng nhiệt cỡ vài mili giây do đó ph−ơng pháp này hạn chế cả về độ rộng lẫn tốc độ điều chỉnh. 1.4.2 Điốt laze điều chỉnh đ−ợc b−ớc sóng sử dụng hốc ngoài. Một ph−ơng pháp đơn giản để tạo điốt laze điều chỉnh đ−ợc trên một khoảng rộng là thêm vào một bộ lọc thay đổi đ−ợc tại một đầu ra. Các laze nh− vậy đ−ợc xem nh− là laze bán dẫn có hốc ngoài. Bằng cách điều chỉnh bộ lọc, b−ớc sóng của mode chọn có thể thay đổi cho tới khi xuất hiện b−ớc nhảy tới mode mới của buồng cổng h−ởng Fabry-Perot. Đối với chiều dài hốc 10 cm thì các mode Fabry-Perot lân cận đ−ợc phân cách cỡ δf ≈ 1 GHz (hay δλ ≈ 0.005 nm). Nh− vậy, khoảng điều chỉnh đ−ợc thực hiện bằng các b−ớc nhảy giữa các mode Fabry-Perot. Nguyên tắc này đ−ợc tuân thủ cho các loại điốt laze thay đổi đ−ợc. Mặc dù rất nhiều dạng bộ lọc ngoài khác nhau đã đ−ợc làm ra, tuy nhiên loại đ−ợc sử dụng rộng rãi nhất là cách tử tán xạ chỉ ra trên hình 1.7. ánh sáng đi ra từ một đầu của điốt laze đ−ợc chuẩn trực bằng thấu kính tr−ớc khi đi đến cách tử tán xạ, cách tử này đáp ứng nh− là g−ơng phản xạ và cũng nh− bộ lọc băng hẹp. B−ớc sóng đ−ợc điều chỉnh bằng cách di chuyển cách tử ; Điều chỉnh thô đ−ợc tạo ra bằng cách quay cách tử trong lúc đó điều chỉnh tinh đ−ợc thực hiện bằng cách dịch chuyển cách tử theo chiều dọc. Với kỹ thuật này khoảng điều chỉnh đạt đ−ợc đến 240 nm tại b−ớc sóng 1.55 àm khi sử dụng điốt laze giếng l−ợng tử (MQW). -9- Hình 1.7 Điốt laze điều chỉnh đ−ợc sử dụng hốc ngoài Hình 1.8 Laze MAGIC Mặt hạn chế của các điốt laze sử dụng cách tử là tốc độ điều chỉnh thấp, kích th−ớc vật lý t−ơng đối lớn và khó thực hiện đ−ợc độ ổn định cơ học cho các bộ phát quang. Những hạn chế này gần đây đã đ−ợc khắc phục bằng ph−ơng pháp mới dựa trên nguồn quang bán dẫn có thể chọn đ−ợc từng b−ớc sóng ra. Thay vì sử dụng điốt laze đơn và dịch chuyển cách tử, thiết bị mới Đầu ra điốt laze Khuếch đại Lớp chống phản xạ Lăng kính chuẩn trực Tinh chỉnh GHz Cách tử tán xạ 5 đến 25 cm Chọn b−ớc sóng Điều chỉnh thô 50 –240 nm 12 nm 2 nm Cách tử tán xạ cố định Tín hiệu quang ra Hai mảng phần tử tích cực -10- này sử dụng hai mảng phần tử tích cực tổ hợp với cách tử tán xạ cố định. Sơ đồ thiết bị này đ−ợc chỉ ra trong hình 1.8 và đ−ợc gọi là laze MAGIC ( multistripe array grating-integrated cavity laser). Mỗi sọc đ−ợc đánh địa chỉ một cách độc lập để tạo ra các b−ớc sóng laze khác nhau. Việc chọn và liên kết cách tử với một sọc là duy nhất với một b−ớc sóng. Thiết bị kiểu này có khả năng đánh địa chỉ cho 15 b−ớc sóng khác nhau với độ phân cách bằng 1.89 nm trong cửa sổ 1.5 àm . 1.4.3 điốt laze hồi tiếp phân bố (DFB) hai đoạn. Điều chỉnh b−ớc sóng nhanh cỡ nano giây có thể đ−ợc thực hiện bằng cách phun sóng mang vào môi tr−ờng laze tích cực, điều này làm giảm chỉ số khúc xạ hiệu dụng tạo nên sự thay đổi b−ớc sóng laze đầu ra. Khoảng điều chỉnh b−ớc sóng có thể đ−ợc −ớc tính bằng biểu thức δλ/λ=δneff/neff . Trong thực tế khoảng thay đổi của chiết suất t−ơng đối là vào khoảng 1% do hạn chế về nhiệt. Nh− vậy khoảng thay đổi b−ớc sóng lớn nhất cỡ từ 10 đến 15 nm có thể đ−ợc thực hiện ở ph−ơng pháp này. Để thực hiện điều chỉnh một cách độc lập b−ớc sóng và công suất ra của điốt laze cần ít nhất hai điện cực: Trong đó một điện cực sử dụng để thay đổi chỉ số khúc xạ tức là điều chỉnh b−ớc sóng phát xạ, điện cực còn lại đ−ợc sử dụng để biển đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang đ−ợc điều chế ở đầu ra. Sơ đồ dựa trên cấu trúc hồi tiếp phân bố chỉ ra ở hình 1.9 đ−ợc gọi là điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn. Hình 1.9 Điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn. Công suất quang đầu ra đ−ợc xác định bằng đoạn thứ nhất với thiên áp ng−ỡng trên. B−ớc sóng quang phát xạ chủ yếu đ−ợc xác định bằng phần bơm Lớp chống phản xạ Tín hiệu quang ra Dòng điều khiển Ia khuyếch đại Ib điều chỉnh z=0 z=l -11- thứ hai tại c−ờng độ dòng điện thấp hơn một chút so với c−ờng độ ng−ỡng trung bình. Với công nghệ này ng−ời ta đã đ−a ra thiết bị có khoảng thay đổi liên tục 3.3 nm với độ rộng phổ 15-MHz và công suất ra 1-mW. Khoảng điều chỉnh về cơ bản bị giới hạn bởi l−ợng cho phép cực đại của sóng mang phun vào phần điều khiển b−ớc sóng. 1.4.4 Điốt laze phản xạ phân bố Bragg (DBR) hai đoạn và ba đoạn. Việc cải thiện khoảng điều chỉnh b−ớc sóng đ−ợc thực hiện bằng cách tách vùng cách tử chọn b−ớc sóng Bragg ra khỏi vùng khuyếch đại bên trong hốc laze. Vùng Bragg lớn hơn vùng khuyếch đại. Do đó, vùng Bragg có thể đ−ợc bơm rất mạnh mà không cần sự đóng góp từ bộ tạo photon dẫn đến khoảng thay đổi đ−ợc rộng hơn. Cấu trúc này đ−ợc xem nh− là bộ phản xạ phân bố Bragg hai đoạn. Hình 1.10. Sơ đố cấu trúc điốt laze phản xạ phân bố Bragg Để cải thiện hơn nữa khoảng điều chỉnh b−ớc sóng ng−ời ta đ−a thêm phần thứ ba nhằm để điều chỉnh phase b−ớc sóng bên trong hốc laze, cấu trúc của nó đ−ợc chỉ ra ở hình 1.10. Nguyên lý điều chỉnh b−ớc sóng trong bộ phản xạ phân bố Bragg ba đoạn có thể đ−ợc hiểu nh− sau: Phần DBR đ−a ra mức phản xạ cao bên trong một băng tần hạn chế vào khoảng 3 nm. Mode gần nhất có mức phản xạ cực đại của bộ phản xạ phân bố Bragg sẽ hoạt động nh− laze nếu phase của nó là bội số 2π. Phần dịch phase sử dụng để điều chỉnh phase ống sóng1.5àm InGaAsP z=0 z=l n+ InP p+ InP Đầu ra quang Dòng điều khiển K. Đại Ia Ip phase Ib Bragg Điều chỉnh InGaAs/ InGaAsP MQW tích cực -12- của hành trình, nh− vậy b−ớc sóng laze có thể đ−ợc điều chỉnh quanh mỗi băng tần phản xạ Bragg. Với sự điều chỉnh độc lập của ba dòng điện trong các phần tích cực, Bragg, phase thì các khoảng điều chỉnh là hầu nh− liên tục từ 8 nm đến 10 nm. Gần đây ng−ời ta đã chế tạo đ−ợc điốt laze có khoảng thay đổi lớn hơn 10 nm thậm chí đạt đến 80 nm khi sử dụng siêu cách tử. 1.5 bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc. Các bộ thu thay đổi đ−ợc là phần tử then chốt trong mạng WDMA, nó có thể chọn đ−ợc một kênh mong muốn trong một tập kênh ghép theo b−ớc. Thông th−ờng việc chọn kênh đòi hỏi một bộ lọc quang thay đổi đ−ợc, sơ đồ chức năng của bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc trình bày trong hình 1.11, trong đó rất nhiều kênh đầu vào nh−ng chỉ xuất hiện một kênh ở đầu ra. Hình 1.11. Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc. Có rất nhiều loại thiết bị lọc quang điều chỉnh đ−ợc, tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo. Các công nghệ này chủ yếu là khai thác hiệu ứng giao thoa quang để tạo ra sự lựa chọn b−ớc sóng. Một số thiết bị này cũng có thể đ−ợc sử dụng trong các bộ thu quang kết hợp mặc dù bộ thu thay đổi trong tách sóng quang kết hợp thông th−ờng đạt đ−ợc từ bộ giao động nội có khả năng điều chỉnh (laze thay đổi) nh− đã trình bày mục trên. Để đánh giá các bộ lọc quang thay đổi đ−ợc ng−ời ta dựa trên một số thông số cơ bản nh− sau : -Khoảng điều chỉnh ∆λ : Bằng khoảng giữa b−ớc sóng ngắn nhất và dài nhất mà bộ lọc có thể chọn đ−ợc. -Số kênh cực đại : Định nghĩa bằng tỷ số của khoảng điều chỉnh đ−ợc trên độ rộng kênh yêu cầu tối thiểu để đảm bảo độ xuyên kênh nhỏ nhất. -Tốc độ điều chỉnh : Là tốc độ mà bộ lọc quang thay đổi có thể chuyển từ một b−ớc sóng tới b−ớc sóng mới bên trong khoảng điều chỉnh. Đối với Bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc Điều khiển chọn b−ớc sóng Kênh đ−ợc chọn Tách sóng quang λ λi λ λ1 λ2 .....λn ∆λ δλ -13- chuyển mạch kênh thì thời gian thay đổi cỡ mili giây là đủ, trong khi đó đối với các ứng dụng chuyển mạch gói thì đòi hỏi thay đổi cỡ micro giây. -Mức độ suy hao : Thông th−ờng tín hiệu quang đ−ợc chọn sẽ chịu một l−ợng suy hao nhất định do suy hao đấu nối và suy hao bên trong bộ lọc. Suy hao này càng nhỏ càng tốt để tránh ảnh h−ởng đến quỹ công suất của mạng. -Mức độ phụ thuộc vào phân cực: Tốt nhất là bộ lọc không bị ảnh h−ởng bởi tính chất phân cực (điều này có nghĩa là hàm truyền đạt độc lập với các trạng thái phân cực có thể xảy ra của tín hiệu quang đến). -Độ ổn định về nhiệt và các yếu tố cơ học: Phải đ−ợc khống chế sao cho nó ảnh h−ởng ít nhất đến hàm truyền đạt của bộ lọc và khống chế độ trôi ở khoảng một vài phần trăm độ rộng của kênh. -Yêu cầu về kích th−ớc : Nhỏ gọn phù hợp với ứng dụng trong mạng quang. Hiện tại đã có rất nhiều loại bộ lọc điều chỉnh đ−ợc nh− : Bộ lọc Fabry – Perot (FPF); Bộ lọc Mach-Zender (MZF); Bộ lọc sử dụng các hiệu ứng điện – quang (EOTF); Bộ lọc dựa trên các phần tử bán dẫn; Bộ lọc dựa trên hiệu ứng phi tuyến quang Brillouin. Nhận xét: Ch−ơng 1 của luận văn đã hệ thống lại một số cấu kiện quang thụ động cơ bản, nghiên cứu cấu trúc và các đặc tính kỹ thuật của các bộ: Ghép hình sao quảng bá, ghép kênh, tách kênh và các phần tử điều chỉnh đ−ợc (Tx –Tunable; Rx- Tunable; bộ lọc quang thay đổi). Với sự phát triển rất nhanh của công nghệ, do vậy nhiều cấu kiện cũng nh− các phần tử mới (ví dụ bộ xen rẽ quang, cách tử dẫn sóng...) đã và đang đ−ợc nghiên cứu chế tạo nhằm tạo ra kiến trúc mạng quang hiện đại, mềm dẻo và ổn định để đáp ứng đ−ợc các dịch vụ băng rộng cho khách hàng và cũng nh− các yêu cầu quản lý mạng. Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn chúng ta chỉ đề cập đến những phần tử cơ bản nhất và nó là cơ sở trong việc nghiên cứu các ch−ơng tiếp theo. -14- Ch−ơng 2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo b−ớc sóng –WDMA 2.1 Tổng quan về kỹ thuật WDMA. Việc sử dụng công nghệ WDM cho phép ta xây dựng một ph−ơng thức mạng trong đó b−ớc sóng của kênh tự nó có thể đ−ợc sử dụng cho chuyển mạch định tuyến hoặc phân phát từng kênh đến địa chỉ của nó. B−ớc sóng ở đây đ−ợc sử dụng cho đa truy nhập nên đ−ợc xem là ph−ơng thức đa truy nhập theo b−ớc sóng viết tắt là WDMA. Về cơ bản để thực hiện đ−ợc mạng WDMA yêu cầu các phần tử quang có khả năng điều chỉnh đ−ợc b−ớc sóng nh− là các nguồn phát quang điều chỉnh đ−ợc hoặc là các bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc. Các phần tử này tạo thành các bộ thu phát quang điều chỉnh đ−ợc để kết hợp vào mỗi nút mạng và nó đ−ợc sử dụng vào các mục đích khác nhau phụ thuộc vào loại cấu trúc mạng WDMA đ−ợc lựa chọn. Mạng đa truy nhập sử dụng kỹ thuật ghép b−ớc sóng đ−ợc phân làm hai loại chính là : Mạng WDMA đơn b−ớc (còn gọi là các mạng WDMA toàn quang) và mạng WDMA đa b−ớc. 1. Trong mạng đơn b−ớc WDMA: Chuỗi tín hiệu đ−ợc truyền d−ới dạng quang trong toàn mạng mà không có biến đổi quang-điện-quang và tái truyền dẫn ở các b−ớc trung gian. Mạng này đ−ợc phân thành hai loại chính là WDMA "quảng bá lựa chọn" và "định tuyến theo b−ớc sóng". 2. Trong mạng đa b−ớc WDMA: Chuỗi tín hiệu khi qua các nút trung gian phải chuyển thành tín hiêụ điện. Sau đó nút trung gian tiếp tục truyền tới các nút khác bằng cách phát lại chuỗi tín hiệu d−ới dạng quang với các b−ớc sóng thích hợp. 2.2 Mạng WDMA đơn b−ớc. Mạng WDMA đơn b−ớc đ−ợc phân loại thành hai loại chính là: Mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” và mạng WDMA “định tuyến theo b−ớc sóng”. 2.2.1 Mạng WDMA “ quảng bá và lựa chọn ”. Trong mạng WDMA "quảng bá và lựa chọn" đầu phát chỉ phát một hoặc một số b−ớc sóng, còn tại các đầu thu "quảng bá" có thể điều chỉnh để thu đ−ợc nhiều b−ớc sóng. Trong mạng WDMA "quảng bá ", tất cả các b−ớc sóng λ1,λ2...λn phía phát đ−ợc ghép vào trong một cáp và gửi đến đầu thu R. -15- Ng−ợc lại trong WDMA "lựa chọn" các b−ớc sóng từ λ1,λ2...λn đ−ợc đ−a qua bộ tách WDM để đ−a từng b−ớc sóng đến Ri t−ơng ứng. Tại các bộ ghép WDM có thể thu cả, hoặc lựa chọn một số b−ớc sóng cần thiết. Một số khả năng có thể xảy ra phụ thuộc vào hoặc các bộ thu hoặc các bộ phát hoặc cả hai đều có khả năng điều chỉnh đ−ợc. Nói chung mỗi nút mạng có thể đ−ợc trang bị với một số bộ phát và một số bộ thu, một trong số chúng có khả năng điều chỉnh động trong khi các số khác đựơc điều chỉnh cố định tới một vài b−ớc sóng cụ thể. Tuỳ thuộc vào các chức năng của các đầu thu, đầu phát mà mạng có các tính chất khác nhau: Hình 2.1 Mạng WDMA hình sao đơn b−ớc “quảng bá và lựa chọn”. + Khi các bộ phát là điều chỉnh đ−ợc trong khi các bộ thu đ−ợc chỉnh cố định ở một b−ớc sóng, một kết nối đ−ợc thiết lập giữa bộ phát và bộ thu bằng cách điều chỉnh b−ớc sóng trùng nhau của bộ phát và bộ thu. Về cơ bản mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” là kiểu chuyển mạch không gian theo thứ tự dữ liệu vào. Xung đột dữ liệu có thể xảy ra trong mạng do hai hoặc nhiều gói dữ liệu từ các nút khác nhau gửi đến đồng thời cùng một địa chỉ đích. Vấn đề tranh chấp này đ−ợc giải quyết bằng các giao thức mạng kết hợp với các kết nối trong mạng. Các mạng WDMA đơn chặng với một bộ phát điều chỉnh đ−ợc và một bộ thu cố định (đ−ợc xem là mạng TT-FR) thì các nút trong mạng bị hạn chế Mảng các bộ thu cố định - FR λn λ1 λ1 λ2 λi λn Star Coupler NxN R2 R1 WDM r 1 . r n Các bộ phát cố định Các bộ thu thay đổi T2 Ti Tn T1 Ri -16- kết nối “điểm-tới-điểm”. Đối với các kết nối “đa điểm - điểm” đ−ợc thực hiện thì mỗi nút thu của mạng WDMA phải đ−ợc trang bị tối thiểu từ hai bộ thu cố định trở nên (mạng kiểu này ký hiệu TT-FRm). T−ơng tự ta có khái niệm mạng kết nối kiểu multicast “điểm – tới - đa điểm” đ−ợc thực hiện bằng việc trang bị tại mỗi nút phát của mạng từ hai bộ phát điều chỉnh đ−ợc trở lên (ký hiệu mạng TTm -FR). + Mạng WDMA trở nên linh hoạt hơn có thể đ−ợc xây dựng bằng cách sử dụng các bộ phát cố định và bộ thu điều chỉnh đ−ợc (ký hiệu là mạng FT – TR), với mạng kiểu này ngoài khả năng cung cấp kết nối “điểm –tới -điểm”, bằng cách điều chỉnh đồng thời các bộ thu của một số nút về cùng một b−ớc sóng nó còn cung cấp khả năng kết nối Multicast. T−ơng tự nh− các mạng TT- FR, Các kết nối “đa điểm – tới - điểm” cũng đ−ợc cung cấp nếu các nút mạng WDMA đ−ợc trang bị từ hai bộ thu điều chỉnh đựơc trở nên (ký hiệu là mạng FT-TRm) .−u điểm của các mạng FT-TR là tự động ngăn ngừa đ−ợc các xung đột dữ liệu do mỗi kênh sử dụng các b−ớc sóng khác nhau. Tuy nhiên do các bộ thu chỉ có thể điều chỉnh tới một b−ớc sóng ở một thời điểm nên dễ xảy ra mất dữ liệu trong mạng kiểu này. Trong tr−ờng hợp này chất l−ợng của mạng FT–TR đ−ợc cải thiện bằng cách thông báo cho các bộ thu biết đ−ợc phải điều chỉnh đến b−ớc sóng ở thời điểm nào thông qua các giao thức. + Khả năng thứ ba đối với mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” là khi cả hai bộ phát và bộ thu đều có khả năng điều chỉnh đ−ợc (ký hiệu TT-TR). Các mạng TT-TR có khả năng hỗ trợ các kết nối “điểm –tới -điểm” và “đa điểm –tới -điểm” cũng nh− các kết nối multicast vì vậy đây là mạng linh hoạt nhất trong ba loại, do đó mạng này đòi hỏi các giao thức mạng phức tạp hơn yêu cầu cả hai bộ phát và bộ thu phải đ−ợc điều chỉnh để phối hợp các luồng dữ liệu trong mạng. Nh− đã trình bày trong phần trên về các mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” với giả thiết rằng số b−ớc sóng có khả năng sử dụng đ−ợc W bằng với số nút N kết nối vào mạng. Tuy nhiên trong thực tế do nhiều lý do về công nghệ nên số b−ớc sóng có khả năng sử dụng W th−ờng bị hạn chế, th−ờng nhỏ hơn rất nhiều so với số nút mạng N. Do đó việc phân tích sau này sẽ tập trung vào đặc tính mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” với điều kiện W < N. Trong ba loại mạng trên thì mạng TT-TR tận dụng tốt nhất tiềm năng của các b−ớc b−ớc sóng phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu. Điều này dựa trên giả thiết rằng mỗi nút mạng đều có khả năng biết đ−ợc hoàn toàn trạng thái -17- của tất cả các b−ớc sóng trong hệ thống. Tại các nút không có bộ đệm khi gói tin đến, chỉ có khả năng hoặc là gói tin đ−ợc truyền hoặc là mất ngay lập tức phụ thuộc vào kết nối đ−ợc phép hay không một cách t−ơng ứng và trễ lan truyền dữ liệu đ−ợc bỏ qua. Do đó phân tích này là thích hợp với cả mạng chuyển mạch kênh cũng nh− chuyển mạch gói tập trung. Khi số nút gán vào mạng hình sao quảng bá bằng N và số b−ớc sóng có thể đ−ợc dùng bằng W, trong đó W< N. Một gói tin đi đến nút i đ−ợc gửi đến nút j với xác suất 1/N không phụ thuộc vào i và j. Chiều dài gói tin phân bố theo luật hàm mũ với thời gian chiếm giữ trung bình 1/à (giây/gói tin ) và là nh− nhau cho tất cả các nút, các gói tin đến ở mỗi nút tuân theo hàm phân bố Poisson với tốc độ trung bình λ gói trên giây. Do đó tải trung bình của mỗi tuyến vào bằng à λρ = . 0 w-1 w w +1 W Nλ à σw → w - 1 =wà σw + 1 →à =(w +1 ) à σw → w + 1 =Nλ (1- )1)( W w N w − (a) bộ phát điều chỉnh/bộ thu cố định hoặc bộ phát cố định/bộ thu điều chỉnh. 0 w-1 w w +1 W Nλ à σw → w - 1 =wà σw + 1 →à =(w +1 ) à σw → w +1 =Nλ (1- )N w 2 (b) bộ phát điều chỉnh/bộ thu điều chỉnh. -18- Hình 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số b−ớc sóng sử dụng. Đối với mỗi giá trị ρ xác định thì số b−ớc sóng bận w thay đổi ngẫu nhiên tuỳ theo thống kê của các tuyến vào. Tính chất thay đổi động của w có thể đ−ợc mô hình hoá bằng quá trình “sinh ra – mất đi ”nh− chỉ ra trong hình. Hình 2.2 (a) t−ơng ứng với tr−ờng hợp hoặc chỉ là b−ớc sóng điều chỉnh đ−ợc ở bộ phát hoặc b−ớc sóng điều chỉnh đ−ợc ở bộ thu, trong khi đó hình 2.2 (b) t−ơng ứng với tr−ờng hợp b−ớc sóng điều chỉnh đ−ợc ở cả phát và thu. Trong tất cả các tr−ờng hợp chuyển dịch trạng thái về h−ớng trái là kết quả là do giải phóng một b−ớc sóng bận sau khi kết nối thành công. Đối với một trạng thái xác định mà trong đó w b−ớc sóng bận thì xác suất chuyển dịch trạng thái về h−ớng trái đ−ợc tính theo biểu thức 2.1. àσ ωω w=−→ 1 2.1 Xác suất chuyển dịch trạng thái sang phía phải t−ơng ứng với việc bổ sung thêm một b−ớc sóng kích hoạt trong mạng, phụ thuộc vào vị trí của b−ớc sóng điều chỉnh đ−ợc đối với bộ phát và thu. Khi chỉ có các bộ phát điều chỉnh đ−ợc thì việc chuyển dịch trạng thái chỉ có thể xảy ra nếu đáp ứng 02 điều kiện sau: + Một yêu cầu kết nối đ−ợc tạo ra từ một trong số (N-w) bộ phát còn rỗi. + Kết nối này đ−ợc đánh địa chỉ đến một trong số các bộ thu cố định còn rỗi. Do hệ thống có W b−ớc sóng đ−ợc sử dụng mà trong đó w b−ớc sóng đã bận do vậy xác suất để thoả mãn điều kiện thứ hai là (1-w/W). Vì vậy việc dịch chuyển trạng thái từ w tới trạng thái w +1 xuất hiện với xác suất. )1)((1 W wwN −−=+→ λσ ωω 2.2 Khi chỉ có các bộ thu điều chỉnh đ−ợc, thì việc chuyển đổi trạng thái sang h−ớng phải chỉ có thể xuất hiện nếu: + Một yêu cầu kết nối đ−ợc tạo ra từ một bộ phát mà b−ớc sóng cố định ch−a bị bận (Xác suất t−ơng ứng bằng (1-w/W)). + Yêu cầu này đ−ợc đánh địa chỉ đến một trong số (N-w) bộ thu còn rỗi, vì vậy xác suất chuyển dịch trạng thái giống nh− (2.2). Nh− vậy trong các tr−ờng hợp khả năng điều chỉnh đ−ợc chỉ đ−ợc cung cấp tại một phía (ví dụ nh− chỉ ở phía phát hoặc chỉ ở phía thu nh−ng không cả -19- hai) có xác suất chuyển dịch trạng thái thái giống nhau. Tr−ờng hợp cả hai phía phát và phía thu đều có khả năng điều chỉnh đ−ợc thì xác suất chuyển dịch trạng thái sang phía phải là lớn hơn do cả hai phía đều có khả năng điều chỉnh. Công thức tính xác suất chuyển đổi nh− sau đ−ợc tính nh− sau: )1)((1 N wwN −−=+→ λσ ωω 2.3 Vì số l−ợng trung bình của các gói tin truyền thành công trên một đơn vị thời gian cũng bằng số l−ợng trung bình các b−ớc sóng bận trong hệ thống nên ta có thể định nghĩa dung l−ợng mạng đã đ−ợc chuẩn hoá S nh− biểu thức 2.4. wpwS w W w 0= ∑>==< 2.4 Dung l−ợng mạng thực tế đạt đ−ợc khi ta nhân S với tốc độ bit của tuyến vào và tải ρ (với giả thiết là tất cả các nút giống nhau). Hình 2.3 chỉ ra quan hệ số b−ớc sóng đ−ợc dùng và tải trung bình của tuyến. Từ hình vẽ ta thấy S nh− là một hàm của tải trung bình ρ đối với W=25, 50 và 125 khi N=250. Thấy rằng ngoại trừ tải rất thấp (ρ ≤ 0.1) thì tr−ờng hợp cung cấp khả năng điều chỉnh đ−ợc cả phía phát lẫn phía thu thì việc tận dụng b−ớc sóng là lớn nhất, do đó dung l−ợng của mạng cao hơn tr−ờng hợp mạng chỉ có hoặc một phía phát thay đổi hoặc chỉ có một phía thu thay đổi. Sự khác nhau này có thể tăng lên 40% tại một số tr−ờng hợp đặc biệt chẳng hạn nh− W=50 và ρ = 0.3. Đối với các giá trị W nhỏ (W=25 hoặc 50) thì S tiến đến bão hoà khi ρ tăng. Giá trị bão hoà xảy ra do tải ρ của tuyến đầu vào tăng lên, giá trị trung bình của b−ớc sóng bận tiến nhanh đến giá trị W nhỏ. Tr−ờng hợp W lớn (ví dụ W=125) thì giá trị trung bình của b−ớc sóng bận luôn luôn nhỏ hơn W, thậm chí khi giá trị của tải ρ tiến đến 1. Qua phân tích mở rộng đối với các tr−ờng hợp nhiều bộ phát và nhiều bộ thu trên một nút. Kết quả đã chỉ ra rằng để hiệu suất tiến gần đến giới hạn biên trên khi W=N thì chỉ cần với một số l−ợng nhỏ các bộ phát và bộ thu điều chỉnh đ−ợc trên mỗi nút. Điều này có thể xảy ra vì với giả thiết l−u l−ợng không thay đổi thì xác suất để nhiều hơn một gói tin đi đến cùng một địa chỉ đích tại cùng một thời điểm là rất nhỏ. Thực vậy, chúng ta giả thiết rằng tất cả các gói tin đến đầu vào của một nút là độc lập và cũng bằng và giống nh− đi đến mỗi nút trong số N nút trong mạng. Với cùng giá trị tải ρ cho tất cả các -20- luồng tín hiệu vào các nút, Xác suất pk mà k gói đồng thời đi đến cùng nút đ−ợc tính theo biểu thức 2.5. kNk k Nk NN CP − ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= ρρ 1 k=0, 1, ....N 2.5 Hình 2.3 Quan hệ số b−ớc sóng bận – Tải ρ và số b−ớc sóng cực đại. 2.2.2 Mạng WDMA “định tuyến theo b−ớc sóng”. Tổ hợp các phần tử định tuyến b−ớc sóng λj λi λk T1 TN RN Ri R1 λj λk λi TT TR 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Số b −ớ c só ng b ận < w > tr un g bì nh Tải Trung bình ρ =λ/à 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 W=25 W=50 W=125 ___ Mạng phát và thu thay đổi ........ Mạng hoặc phát hoặc thu thay đổi. N=250 -21- Hình 2.4. Nguyên lý định tuyến b−ớc sóng trong mạng WDMA đơn b−ớc Vào Ra R1 R2 R3 T1 λ0 λ2 λ1 T2 λ1 λ0 λ2 T3 λ2 λ1 λ0 Hình 2.5. Mạng định tuyến theo b−ớc sóng N = 3 nút sử dụng phần tử WDM. Loại thứ hai của mạng WDMA đơn chặng đ−ợc nói đến là mạng định tuyến theo b−ớc sóng. Hình 2.4 và 2.5 chỉ ra sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động của mạng WDMA đơn b−ớc sử dụng kỹ thuật định tuyến theo b−ớc sóng. Mạng này bao gồm các phần tử lựa chọn (định tuyến) b−ớc sóng thụ động và một kết nối duy nhất đựơc xác định bằng b−ớc sóng của tín hiệu phát và nút mà qua đó tín hiệu đ−ợc đ−a vào mạng. Ví dụ mạng định tuyến b−ớc sóng NxN có thể đ−ợc xây dựng từ các phần tử WDM đ−ợc nối với nhau bằng N2 sợi cáp nh− chỉ ra trên hình 2.4(b) với N=3 . Mỗi nút đ−ợc trang bị 01 bộ R3 λ1 λ0 λ2 λ1 λ0 λ2 WDM WDM T1 T2 T3 R1 R2 λ0 λ1 λ2 -22- phát và 01 bộ thu có khả năng điều chỉnh đ−ợc. Bằng cách điều chỉnh bộ phát đến một b−ớc sóng đã đ−ợc lựa chọn, tín hiệu đ−a vào đ−ợc định tuyến thụ động đến bộ thu định tr−ớc, bộ thu này cũng phải điều chỉnh đến cùng b−ớc sóng để nhận gói tin. Điều này có nghĩa có thể kết nối đầy đủ NxN kết nối trong mạng chỉ với N b−ớc sóng phân biệt và mỗi nút thu có thể thu đ−ợc từ bất kỳ bộ phát nào mà không ảnh h−ởng đến nhau. Trong thực tiễn −u điểm của mạng WDMA “định tuyến theo b−ớc sóng” so với mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” là mạng WDMA định tuyến theo b−ớc sóng sử dụng các bộ WDM không sử dụng các bộ coupler hoặc van quang nên tránh đựơc suy hao tách quang. Tuy nhiên mặt hạn chế chính của nguyên lý khi sử dụng các phần tử định tuyến thụ động là các nút phải cung cấp các bộ phát và bộ thu đều phải điều chỉnh đ−ợc hoặc là phải bố trí mảng các phần tử phát hoặc thu đã đ−ợc điều chỉnh tr−ớc đến một số b−ớc sóng cố định khác nhau. Đổi lại thì mạng WDMA định tuyến theo b−ớc sóng có khả năng điều chỉnh động cấu trúc định tuyến bên trong theo yêu cầu phân bố l−u l−ợng của mạng. Điều này rất có lợi cho mạng khi có l−u l−ợng không cân bằng giữa các nút khi nối vào mạng. Việc thay đổi định tuyến động có thể thực hiện theo hai cách sau: 1. Sử dụng các bộ chuyển mạch không gian chọn b−ớc sóng, các tín hiệu chuyển mạch động từ một đ−ờng tới một đ−ờng khác bằng cách thay đổi định tuyền WDM trong mạng. 2. Sử dụng các bộ biến đổi b−ớc sóng để chuyển đổi tín hiệu từ một b−ớc sóng sang b−ớc sóng khác. Hình 2.6 Mô tả mạng định tuyến theo b−ớc sóng sử dụng chuyển mạch không gian chọn b−ớc sóng có 2 nút. ở đây có thể xem các chuyển mạch nh− thiết bị có ba cổng có khả năng điều khiển bất kỳ b−ớc sóng nào ở đầu vào đến một trong hai cổng ra. Nói cách khác bất kỳ tập b−ớc sóng λ1 …… λN trên cổng đầu vào của thiết bị có thể đ−ợc lựa chọn và truy cập trực tiếp đến một trong hai cổng ra. Sự lựa chọn này đ−ợc sắp xếp lại do đó đ−ờng đi của bất kỳ b−ớc sóng nào trong mạng cũng có thể đ−ợc thay đổi khi mong muốn . -23- Hình 2.6 Mạng định tuyến theo b−ớc sóng sử dụng chuyển mạch không gian chọn b−ớc sóng. Gần đây đã phát triển một kiểu mạng định tuyến b−ớc sóng đ−ợc gọi là mạng quang tuyến tính LLN mạng này đ−ợc đề xuất ứng dụng cho l−u l−ợng chuyển mạch kênh. Để giải thích nguyên lý hoạt động của mạng này ta khảo sát hình 2.7. Trong đó các nút đ−ợc nối nhau thông qua bộ coupler 2x2 không phụ thuộc vào b−ớc sóng, hệ số liên kết αi đ−ợc cho phép lấy bất kỳ giá trị nào giữa 0 và 1. Mỗi nút mạng sử dụng một b−ớc sóng riêng để thiết lập kết nối mong muốn. Ví dụ kết nối từ nút 1 đến nút 1* đ−ợc thiết lập trên b−ớc sóng λ1 qua tuyến A-B-C-F-G, trong cùng thời điểm đó kết nối từ nút 2 tới nút 2* thông qua b−ớc sóng λ2 qua tuyến H-B-C. Với việc đ−a thêm các b−ớc sóng, các kết nối khác có thể đ−ợc thực hiện ở cùng thời điểm với việc cung cấp giá trị αi thích hợp. Giá trị của hệ số liên kết αi có thể quản lý tập trung thông qua bộ điều khiển trung tâm hoặc sử dụng giao thức điều khiển phân bố. Trong cả hai tr−ờng hợp trên hệ số liên kết mỗi coupler phụ thuộc vào việc thiết lập của các coupler khác trên toàn mạng. Từ các phân tích trên ta thấy các mạng LLN phù hợp với mô hình hoạt động của mạng chuyển mạch kênh trong khi không phù hợp với mạng chuyển mạch gói. Điều khiển chuyển mạch Chuyển mạch chọn b−ớc sóng WDM λ11 λ21, λ31 λ22, λ32 λ12 λ2 1, λ31, λ12 λ11, λ22, λ32 TR Nhóm thu cố định -FR λ12, λ22, λ32 Phát thay đổi Nhóm phát cố đinh -FT λ11, λ21, λ31 T2 T1 1 T2 1 T3 1 -24- Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạng LLN Để tránh tán x._.ng... do vậy giảm đ−ợc chi phí trong quản lý, khai thác dịch vụ. • Về băng thông và tốc độ truyền tải: Mạng với −u điểm về băng thông và tốc độ truyền tải rất phù hợp với xu h−ớng phát triển thông tin trong t−ơng lai. Đó là sự hội nhập giữa truyền thông và công nghệ thông tin. Bên cạnh đó mạng còn tồn tại một số nh−ợc điểm sau: • Mức độ thâm nhập cáp quang còn hạn chế, chủ yếu là mở rộng phạm vi tổng đài nhờ các thiết bị tập trung thuê bao, các hệ thống mạng truy nhập quang kết nối giữa tổng đài đến các vê tinh. • Cấu trúc đ−ợc sử dụng vào thời kỳ đầu của mạng để cung cấp dịch vụ tới các thuê bao kinh doanh, chỉ hiệu quả khi có nhiều thuê bao trong vùng, tuy cung cấp thêm các dịch vụ mới, nh−ng dùng cáp quang là không hiệu quả khi một số dịch vụ này vẫn có thể cung cấp qua mạng cáp đồng bằng công nghệ truyền dẫn thích hợp mà ch−a cần thay thế cáp quang • Các ứng dụng truy nhập quang hiện nay của BĐHN khi cung cấp kết nối ở tốc độ cao hơn t−ơng đối bị hạn chế bởi công nghệ, cấu hình và giao diện của thiết bị hiện có. 6.3 Dự báo nhu cầu phát triển. Với tính năng tiện lợi của truy nhập Internet tốc độ cao và các dịch vụ kết nối mạng riêng ảo điểm - đa điểm và điểm - điểm, tại Việt Nam và các n−ớc khác trên thế giới, tốc độ phát triển thuê bao Internet và các dịch vụ băng rộng sẽ rất nhanh. Trong đó: - Dịch vụ truy nhập Internet tốc độ cao (Ethernet Internet Access): Cung cấp kết nối Ethernet tới nhà khách hàng phục vụ truy nhập Internet với tốc độ cổng 10Mbps. Tổ chức xác thực cùng hệ thống RADIUS của VDC hiện nay. - Dịch vụ kết nối mạng riêng ảo (Ethernet VPN): Cung cấp kết nối Ethernet tới nhà khách hàng phục vụ thiết lập mạng riêng ảo giữa các địa điểm khác -97- nhau của khách hàng. Tốc độ cổng n x 1Mbps thay đổi theo nhu cầu của khách hàng. - Để tận dụng hạ tầng tốc độ cao của mạng, về mặt kỹ thuật hệ thống cần sẵn sàng hỗ trợ các một số dịch vụ giá trị gia tăng nh− Video on Demand, Storage Area Network, Web hosting... Theo nghiên cứu, thị tr−ờng Hà nội đ−ợc chia thành những khối chính sau: * Các tổ chức Đảng và chính phủ: Trong khuôn khổ đề án 112 của Chính phủ, các cơ quan công quyền đang khẩn tr−ơng triển khai các nội dung khác nhau của việc tin học hoá bộ máy hành chính, nhằm mục tiêu triển khai đ−a Chính phủ điện tử vào thực sự hoạt động phục vụ đời sống xã hội. Hiện nay BĐHN đã triển khai kéo cáp quang dung l−ợng 12 Fo đến khoảng 100 cơ quan thuộc đề án 112 và trong giai đoạn đầu dự kiến mạng cơ quan Đảng- Chính phủ đ−ợc tổ chức theo hình thức kinh điển với các đ−ờng kênh thuê riêng nx2Mbps, VPN trên ADSL hoặc SHDSL kết nối các mạng riêng của từng cơ quan về các điểm ghép, từ đó kết nối vào đ−ờng trục chung và ra Internet. Tuy nhiên nếu việc triển khai các dịch vụ hành chính công trên mạng tiến triển một cách thuận lợi thì cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng mạng sẽ tăng rất mạnh, đi kèm theo đó là yêu cầu tất yếu về nâng cao năng lực hạ tầng mạng nói chung và năng lực đ−ờng truyền nói riêng. Với quy mô của các cơ sở dữ liệu lớn nh− số liệu về dân số, doanh nghiệp, giao thông vận tải, điện, n−ớc.., nhu cầu băng thông cỡ nx100Mbps trở lên phục vụ quản lý, cập nhật, khai thác và truy nhập thông tin là có thể dự đoán đ−ợc. * Các doanh nghiệp và cơ quan nghiên cứu: Trong thời gian qua việc sử dụng mạng máy tính đã trở thành hoạt động hàng ngày của hầu hết các doanh nghiệp, tr−ờng học, viện nghiên cứu... Nhu cầu truyền số liệu tốc độ cao sẽ xuất hiện d−ới nhiều hình thức, xuất phát từ nhiều đối t−ợng khác nhau nh−: - Các doanh nghiệp là các nhà khai thác và cung cấp dịch vụ thông tin- viễn thông: Vietel, Saigon Postel, Công ty Viễn thông điện lực, FPT, Netnam... - Các Công ty, Tổng Công ty lớn có nhu cầu và khả năng xây dựng các trung tâm dữ liệu, trao đổi thông tin th−ờng xuyên: Ngân hàng, bảo hiểm... -98- - Các cao ốc hoạt động d−ới hình thức trung tâm th−ơng mại, trung tâm giao dịch, điểm cho thuê văn phòng..., là các điểm tập trung nhiều doanh nghiệp đ−ợc cùng một chủ thể cung cấp mặt bằng và các dịch vụ cơ bản nh− điện, n−ớc, truyền thông... - Tr−ờng đại học, viện nghiên cứu, công viên phần mềm, trung tâm máy tính... Theo kênh bán hàng truyền thống, dịch vụ truyền số liệu có thể đ−ợc cung cấp thẳng tới ng−ời dùng cuối cùng nh− các tr−ờng học, viện nghiên cứu, ngân hàng, bảo hiểm, công ty th−ơng mại... Tuy nhiên trong điều kiện kinh doanh mới dịch vụ này cũng có thể đ−ợc bán lại thông qua các nhà khai thác hoặc cung cấp dịch vụ khác nh− các doanh nghiệp viễn thông mới, hoặc thông qua các đại lý bán lẻ dịch vụ nh− chủ đầu t− của các cao ốc, khách sạn.... Ngoài ra có một đối t−ợng khách hàng có nhu cầu truyền số liệu cao là các ngân hàng (trên địa bàn thành phố có trên 40 ngân hàng, trong đó 27 ngân hàng hiện đang thuê 182 đ−ờng truyền số liệu). Tuy nhiên do các ngân hàng này đã đầu t− lớn vào hệ thống thiết bị truyền số liệu và có yêu cầu rất cao về độ tin cậy, độ ổn định của hệ thống nên có thể dự đoán rằng trong t−ơng lai gần họ sẽ không chuyển đổi hạ tầng truyền số liệu của mình. * Nội bộ mạng B−u điện TP Hà nội: - T−ơng tự nh− các doanh nghiệp lớn khác, B−u điện TP Hà nội cũng có nhu cầu sử dụng mạng truyền số liệu tốc độ cao để kết nối các trung tâm dự liệu phục vụ hoạt động sản xuất kinh doanh của nội bộ đơn vị. Do khối l−ợng dữ liệu lớn, mức độ tin học hoá và hàm l−ợng kỹ thuật của công việc cao, nh− cầu về băng thông và độ tin cậy của hệ thống là rất lớn. - T−ơng tự nh− các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông khác và đặc biệt là sau khi đ−a hệ thống phân tải và hệ thống mạng ADSL vào hoạt động, tại B−u điện TP Hà nội nhu cầu kết nối đ−ờng trục đa điểm (các điểm Access Server với POP, các DSLAM với DSLAM HUB, DSLAM HUB với BRAS... ) với tốc độ cao cỡ nx100Mbps, thậm chí cỡ nx1Gbps là rất lớn. Nhu cầu này sẽ càng cao khi dịch vụ giá trị gia tăng nh− Video on Demand, hội nghị truyền hình... Theo định h−ớng chung của Tổng Công ty, B−u điện TP Hà nội đang tổ chức xây dựng cấu trúc mạng MAN có hạ tầng thông tin hợp nhất dựa trên các −u điểm của công nghệ chuyển mạch gói, đáp ứng sự hội tụ giữa thoại và số -99- liệu để triển khai các dịch vụ một cách đa dạng và nhanh chóng. Để đạt đ−ợc mục tiêu này, mạng cần dựa trên một nền tảng truyền dẫn chuyển mạch gói có băng thông lớn cỡ nx1Gbps, độ tin cậy lớn, khả năng kết nối linh hoạt. 6.4 phân tích giải pháp áp dụng xây dựng mạng man. Nhìn chung mạng MAN thực chất một mạng cung cấp đa dịch vụ trong phạm vi nội vùng (thảnh phố /tỉnh). Vai trò của nó t−ơng tự nh− vai trò của một nhà cung cấp dịch vị Internet nh−ng có một điểm khác là đ−ợc xây dựng để h−ớng tới đối t−ợng phục vụ chủ yếu là liên kết trao đổi l−u l−ợng của các mạng cục bộ LAN dung l−ợng và kích cỡ mạng lớn. Qui mô của mạng MAN cở thể bao phủ một toàn bộ một thành phố hoặc chỉ là một mạng để liên kết một vài khu nhà (chung c−, khu công nghệ/công nghiệp, các cơ quan tổ chức, các tr−ờng đại học, viện nghiên cứu) với nhau. Thiết bị mạng MAN có thể đ−ợc xây dựng và quản lý bởi nhiều tổ chức khác nhau hoặc chỉ với một nhà cung cấp dịch vụ mạng MAN duy nhất. Có thể thấy rằng các công nghệ chủ yếu để có thể áp dụng cho việc xây dựng mạng MAN là: Công nghệ SDH (SDH truyền thống, SDH-NG); Công nghệ WDM; Công nghệ RPR; Công nghệ Gigabit Ethernet, Công nghệ IP…. Tuy nhiên, vấn đề đặt ra cho các nhà khai thác và cung cấp dịch vụ mạng MAN là trên cơ sở mục tiêu xây dựng mạng cần phải lựa chọn đ−ợc công những công nghệ phù hợp để áp dụng vào việc xây dựng mạng. Trên cơ sở những công nghệ mạng đ−ợc lựa chọn, các nhà khai thác mạng sẽ xây dựng những cấu hình mạng thích hợp, lựa chọn thiết bị phù hợp để xây dựng đ−ợc mạng đáp ứng với những mục tiêu đề ra. Sau đây ta sẽ phân tích đặc điểm, −u nh−ợc điểm và khả năng áp dụng của từng công nghệ có khả năng áp dụng cho việc xây dựng mạng MAN. • Công nghệ SDH/SDH-NG a. Đặc điểm công nghệ Công nghệ SDH hiện tại là công nghệ truyền dẫn đ−ợc áp dụng phổ biến nhất trong mạng của những nhà cung cấp dịch vụ trên thế giới. Công nghệ SDH đ−ợc xây dựng trên cơ sở hệ thông phân cấp ghép kênh đồng bộ TDM với cấu trúc phân cấp ghép kênh STM-N cho phép cung cấp các giao diện truyền dẫn tốc độ từ vài Mbít/s tới vài Gigabít/s. Đặc tính ghép kênh TDM và phân cấp ghép kênh đồng bộ của công nghệ SDH cho phép cung cấp các kênh truyền dẫn có băng thông cố định và độ tin cậy cao với việc áp dụng -100- các cho chế phục hồi và bảo vệ, cơ chế quản lý hệ thống theo cấu trúc tô-pô mạng phù hợp và đã đ−ợc chuẩn hóa bởi tiêu chuẩn của ITU-T. Từ tr−ớc tới nay công nghệ truyền dẫn SDH đ−ợc xây dựng chủ yếu cho việc tối −u truyền tải l−u l−ợng thoại. Theo những dự báo và phân tích về thị tr−ờng mạng viễn thông, các doanh nghiệp có sẽ gia tăng mạnh mẽ các loại hình dịch vụ truyền dữ liệu và có xu h−ớng chuyển dần l−u l−ợng của các dịch vụ thoại sang truyền tải theo các giao thức truyền dữ liệu. Trong khi đó, các cơ sở hạ tầng mạng SDH hiện có khó có khả năng đáp ứng nhu cầu truyền tải l−u l−ợng gia tăng trong t−ơng lai gần. Do vậy yêu cầu đặt ra là cần phải có một cơ sở hạ tầng truyền tải mới để có thể đồng thời truyền tải trên nó l−u l−ợng của hệ thống SDH hiện có và l−u l−ợng của các loại hình dịch vụ mới khi chúng đ−ợc triển khai. Đó chính là lý do của việc hình thành một h−ớng mới của công nghệ SDH, đó là SDH thế hệ kế tiếp SDH-NG. Công nghệ để tạo ra SDH-NG đ−ợc tập hợp chung trong một khái niệm đó là khái niệm truyền dữ liệu qua mạng SDH DoS (data over SDH). DoS là cơ cấu truyền tải l−u l−ợng cung cấp một số chức năng và các giao diện nhằm mục đích tăng hiệu quả của việc truyền dữ liệu qua mạng SDH. Mục tiêu quan trọng nhất mà các h−ớng công nghệ nói trên cần phải thực hiện đ−ợc đó là phối hợp hỗ trợ lẫn nhau để thực hiện chức năng cài đặt/chỉ định băng thông cho các dịch vụ một cách hiệu quả mà không ảnh h−ởng tới l−u l−ợng đang đ−ợc truyền qua mạng SDH hiện tại. Điều này có nghĩa là mạng sẽ đảm bảo đ−ợc chức năng hỗ trợ truyền tải l−u l−ợng dịch vụ của mạng hiện có và triển khai các loại hình dịch vụ mới. Thêm vào đó, SDH-NG cung cấp chức năng đảm bảo chất l−ợng dịch vụ QoS với mức độ chấp nhận nào đó cho các loại hình dịch vụ mới; mềm dẻo và linh hoạt trong việc hỗ trợ truyền tải l−u l−ợng truyền tải bởi các giao thức khác nhau qua mạng. Cơ cấu của DoS bao gồm 3 giao thức chính: Thủ tục đóng khung tổng quát GFP (generic framing procedure), kỹ thuật liên kết chuỗi ảo VC (virtual concatenation) và cơ cấu điều chỉnh dung l−ợng đ−ờng thông LCAS (link capacity adjustment scheme). b. −u điểm - Cung cấp các kết nối có băng thông cố định cho khách hàng - Độ tin cậy của kênh truyền dẫn cao, trễ truyền tải thông tin nhỏ. - Các giao diện truyền dẫn đã đ−ợc chuẩn hóa và t−ơng thích với nhiều thiết bị trên mạng. -101- - Thuận tiện cho kết nối truyền dẫn điểm -điểm; quản lý dễ dàng - Thiết bị đã đ−ợc triển khai rộng rãi c. Nh−ợc điểm - Công nghệ SDH đ−ợc xây dựng nhằm mục đích tối −u cho truyền tải l−u l−ợng chuyển mạch kênh, không phù hợp với truyền tải l−u l−ợng chuyển mạch gói. - Do cấu trúc ghép kênh phân cấp nên cần nhiều cấp thiết bị để ghép tách, phân chia giao diện đến khách hàng. - Khả năng nâng cấp không linh hoạt và giá thành nâng cấp đắt. - Khó triển khai các dịch vụ ứng dụng Multicast - Dung l−ợng băng thông giành cho bảo vệ và phục hồi lớn - Ph−ơng thức cung cấp phức tạp, thời gian cung ứng kết nối dài. • Công nghệ RPR a. Đặc điểm công nghệ Công nghệ RPR thực chất là một công nghệ mạng đ−ợc xây dựng nhằm mục đích thỏa mãn những yêu cầu về truyền tải l−u l−ợng dạng dữ liệu trong mạng MAN. Thực tế là cả công nghệ Ethernet và công nghệ SDH thực hiện độc lập đều không phải là giải pháp lý t−ởng để thực hiện mạng MAN; SDH có nhiều −u điểm khi xây dựng mạng theo cấu trúc Ring nh−ng lại kém hiệu quả khi truyền tải l−u l−ợng dạng dữ liệu. Ethernet có thể truyền tải l−u l−ợng dạng dữ liệu một cách hiệu quả nh−ng lại khó triển khai với cấu trúc mạng Ring và không tận dụng đ−ợc các −u diểm mà cấu trúc này mang lại.. Điểm chủ yếu của công nghệ RPR là nó kiến tạo giao thức mới ở phân lớp MAC (Media Acces Control). Giao thức này đ−ợc áp dụng nhằm mục đích tối −u hoá việc quản lý băng thông và hiệu quả cho việc triển khai các dịch vụ truyền dữ liệu trên vòng ring. RPR hoạt động ở phía trên so với Gigabit Ethernet và SDH và thực hiện cơ chế bảo vệ với giới hạn thời gian bảo vệ là 50 ms. Các nút mạng RPR trong vòng ring có thể thu các gói tin đ−ợc địa chỉ hoá gửi đến nút đó bởi chức năng rớt và chèn các gói tin gửi từ nút vào trong vòng ring. Các gói tin không phải địa chỉ của nút sẽ đ−ợc chuyển qua. Một trong những chức năng quan trọng nữa của RPR là l−u l−ợng trong vòng ring sẽ đ−ợc truyền tải theo 3 mức −u tiên là High, Medium, LOW t−ơng ứng với 3 mức chất l−ợng dịch vụ QoS. Hiện tại giao thức RPR đã đ−ợc chuẩn hoá -102- trong tiêu chuẩn IEEE 803.17 của Viện kỹ thuật Điện và Điện tử Hoa kỳ và đã có rất nhiều hãng sản xuất thiết bị đã tung ra các sản phẩm RPR th−ơng mại. b. −u điểm - Thích hợp cho việc truyền tải l−u l−ợng dạng dữ liệu cấu trúc ring. - Cho phép xây dựng mạng ring cấu hình lớn (tối đa có thể đến 200 nút mạng). - Hiệu suất sử dụng dung l−ợng băng thông lớn do thực hiện nguyên tắc ghép kênh thống kê và dùng chung băng thông tổng. - Hỗ trợ triển khai các dịch vụ multicast/broadcast - Quản lý đơn giản (mạng đ−ợc cấu hình một cách tự động) - Ph−ơng thức cung cấp kết nối nhanh và đơn giản. - Công nghệ đã đ−ợc chuẩn hóa c. Nh−ợc điểm - Giá thành thiết bị ở thời điểm hiện tại còn khá đắt. - RPR chỉ thực hiện chức năng bảo vệ phục hồi trong cấu hình ring đơn lẻ. Với cấu hình ring liên kết, khi có sự cố tại nút liên kết các ring với nhau RPR không thực hiện đ−ợc chức năng phục hồi l−u l−ợng của các kết nối thông qua nút mạng liên kết ring. - Công nghệ mới đ−ợc chuẩn hóa do vậy khả năng kết nối t−ơng thích kết nối thiết bị của các hãng khác nhau là ch−a cao. d. Khả năng áp dụng - Công nghệ RPR phù hợp với việc xây dựng mạng cung cấp kết nối với nhiều cấp độ thỏa thuận dịch vụ kết nối khác nhau trên cùng một giao diện. - Công nghệ RPR rất phù hợp cho việc truyền tải l−u l−ợng Ethernet trên cơ sở giải pháp “Ethernet over RPR”. • Công nghệ WDM a. Đặc điểm công nghệ WDM là công nghệ truyền tải trên sợi quang đã xây dựng và phát triển từ những năm 90 của thế kỷ tr−ớc. WDM cho phép truyền tải các luồng thông tin số tốc độ rất cao (theo lý thuyết dung l−ợng truyển tải tổng cộng có thể đến hàng chục ngàn Gigabít/s). Nguyên lý cơ bản của công nghệ này là thực hiện -103- truyền đồng thời các tín hiệu quang thuộc nhiều b−ớc sóng khác nhau trên một sợi quang. Băng tần truyền tải thích hợp của trên sợi quang đ−ợc phân chia thành những b−ớc sóng chuẩn với khoảng cách thích hợp giữa các b−ớc sóng (đã đ−ợc chuẩn hóa bởi tiêu chuẩn G.692 của ITU-T), mỗi b−ớc sóng có thể truyền tải một luồng thông tin có tốc độ lớn (chẳng hạn luồng thông tin số tốc độ 10Gbít/s). Do đó, công nghệ WDM cho phép xây dựng những hệ thống truyền tải thông tin quang có dung l−ợng gấp nhiều lần so với hệ thống thông tin quang đơn b−ớc sóng. Hiện tại, sản phẩm và các hệ thống truyền dẫn WDM đã đ−ợc sản xuất bởi nhiều hãng sản xuất thiết bị viễn thông và đã đ−ợc triển khai trên mạng của nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông trên thế giới. b. −u điểm - Cung cấp các hệ thống truyền tải quang có dung l−ợng lớn, đáp ứng đ−ợc các yêu cầu bùng nổ l−u l−ợng của các loại hình dịch vụ - Nâng cao năng lực truyền dẫn các sợi quang, tận dụng khả năng truyền tải của hệ thống cáp quang đã đ−ợc xây dựng c. Nh−ợc điểm - Giá thành thiết bị đắt. d. Khả năng ứng dụng - ứng dụng phù hợp cho những nơi cần tận dung năng lực truyền tải của sợi quang. - Nâng cấp dung l−ợng, thay thế hệ thống truyền tải quang hiện có - ứng dụng cho những nơi mà cần dung l−ợng hệ thống truyền tải lớn (mạng lõi, mạng đ−ờng trục). 6.5 lựa chọn giải pháp công nghệ truy nhập . Trong các ch−ơng 2,3,4,5 đã phân tích và trình bầy các ph−ơng pháp và mạng ứng dụng kỹ thuật đa truy nhập WDMA, TDMA, CDMA và SCMA chúng ta rút ra đ−ợc nhận xét: * Mạng quang CDMA rất phức tạp và với công nghệ hiện nay ch−a hoàn toàn có thể thực hiện đ−ợc. * Các mạng quang ứng dụng kỹ thuật đa truy nhập TDMA và SCMA không phải là giải pháp tốt để xây dựng cấu trúc MAN và LAN. Công nghệ này phù hợp với các ứng dụng mạch vòng nội hạt thông qua mạng quang thụ động nh− -104- : Mạng A-PON, mạng E-PON và các ứng dụng mang tính chất quảng bá nh− CATV.v.v (cấu trúc, ứng dụng của các mạng này đã đ−ợc trình bày ở mục 3.2.6 ; mục 3.3.3 ; mục 4.3.1 và 4.3.2). * Nh− trong ch−ơng 2 chúng ta đã phân tích, cho đến thời điểm hiện nay kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo b−ớc sóng WDMA là thích hợp nhất cho việc xây dựng các cấu trúc MAN với lý do : • Kỹ thuật này đáp ứng đ−ợc các nhu cầu về băng thông lớn. • Công nghệ đã t−ơng đối hoàn thiện và đang đ−ợc chuẩn hoá . • Đ−ợc rất nhiều hãng viễn thông lớn trên thế giới hỗ trợ phát triển công nghệ nh− : Cisco, Nortel, Siemens ... * So sánh yếu tố liên quan đến năng lực truyền dẫn trong mạng truy nhập: Bảng 6.1 Kỹ thuật truyền dẫn từ tổng đài đến thuê bao (downstream) Kỹ thuật truyền dẫn TDM SCM WDM Tốc độ truyền dẫn ≤ 2,5Gb/s > 2,5Gb/s > 10Gb/s Dung l−ợng Cao Vừa Rất cao Đầu t− ban đầu Thấp Thấp Cao Khả năng cung cấp dịch vụ Tất cả các dịch vụ Băng rộng Chỉ cung cấp dịch vụ CATV Tất cả các dịch vụ băng rộng Bảng 6.2 Kỹ thuật truy nhập từ thuê bao đến tổng đài (uptream) Kỹ thuật truy nhập WDMA SCMA TDMA CDMA Yêu cầu kỹ thuật Cao Vừa Thấp Rất cao Dung l−ợng Rất cao Vừa Cao Rất cao Khả năng cung cấp dịch vụ Tất cả các dịch vụ băng rộng Chỉ cung cấp dịch vụ CATV Tất cả các dịch vụ băng rộng Tất cả các dịch vụ băng rộng Từ các bảng 6.1 và 6.2 ta thấy việc lựa chọn kỹ thuật WDM áp dụng cho việc xây dựng mạng MAN cho phép cung cấp tất cả các dịch vụ băng rộng với dung l−ợng và tốc độ rất cao. Do vậy, nó là kỹ thuật đ−ợc lựa chọn để tối −u hoá về dung l−ợng truyền dẫn từ tổng đài đến thuê bao và truy nhập từ thuê bao đến tổng đài. -105- Kỹ thuật WDM khắc phục đ−ợc các hạn chế của kỹ thuật TDM hiện nay khi tăng dung l−ợng truyền dẫn là: Không bị hạn chế bởi tốc độ xử lý của các phần tử điện tử, không đòi hỏi nhiều quá trình xử lý phức tạp làm tăng chi phí thiết bị và giảm độ tin cậy chung của toàn hệ thống do ảnh h−ởng trực tiếp đến các phần tử thu phát quang nh− giảm độ nhạy thu, dịch tần phổ phát, cạnh tranh mode. Với khả năng ghép nhiều luồng các tín hiệu có tốc độ bit khác nhau để tăng dung l−ợng, đồng thời còn cho phép giảm bớt tán sắc đối với các tuyến truyền dẫn quang. Cũng từ kết quả phân tích của ch−ơng 2 ta thấy mạng chuyển mạch gói HORNET (Cấu trúc mạng đa chặng, sử dụng ph−ơng thức đa truy nhập theo b−ớc sóng và thời gian - T/WDMA) là hoàn toàn phù hợp cho việc xây dựng MAN chuyển mạch gói dung l−ợng cao. Xét nhu cầu l−u l−ợng chuyển mạch gói hiện tại và trong một vài năm tới trên địa bàn Hà Nội ta thấy triển khai cấu hình mạng HORNET 16 nút mạng sử dụng 4 b−ớc sóng, tốc độ dữ liệu trên mỗi b−ớc sóng 2.5 Gb/s (tốc độ mạng 10 Gb/s) là phù hợp (Công nghệ và cấu trúc mạng HORNET đã đ−ợc trình bày trong mục 2.4.2.2). 6.6 một số chỉ tiêu cơ bản khi xây dựng mạng Mạng MAN đ−ợc xây dựng là tổ hợp của các công nghệ truyền dẫn, công nghệ chuyển mạch, định tuyến đ−ợc lựa chọn. Do vậy ta có thể nói là lựa chọn giải pháp công nghệ xây dựng mạng MAN dựa trên tổ hợp công nghệ truyền dẫn, chuyển mạch nào đó để đạt đ−ợc những tiêu chí cụ thể đề ra tr−ớc khi xây dựng mạng. Để xác định công nghệ nào đ−ợc lựa chọn tr−ớc hết cần phải xác định đ−ợc những tiêu chí chủ yếu cho việc xây dựng mạng. Các tiêu chí chủ yếu đó là: Năng lực truyền tải của mạng, giá thành của mạng, khả năng nâng cấp và mở rộng. Năng lực truyền tải của mạng là một trong những chỉ tiêu quan trọng cần đạt đ−ợc khi xây dựng mạng. Nó đ−ợc cấu thành bởi một số các yếu tố nh− là trễ mạng, khả năng bảo vệ, thông l−ợng, hiệu suất băng thông, độ khả dụng của mạng. • Trễ mạng: Bao gồm các hiện t−ợng trễ do bảo vệ phục hồi, trễ truyền tải khi thông tin đ−ợc truyền qua nhiều thành phần mạng. Cấu trúc tô pô mạng, kích cỡ mạng cũng nh− c−ờng độ l−u l−ợng truyền tải trên mạng là những yếu tố ảnh -106- h−ởng lớn đến trễ mạng. Công nghệ Ethernet có thời gian trễ phục hồi ngắn nh−ng trễ truyền tải lớn. Trong khi đó công nghệ RPR, Hornet có giá trị trễ truyền tải nhỏ hơn so với NG SDH do áp dụng chức năng chuyển gói. • Thông l−ợng: Thông l−ợng đ−ợc định nghĩa là tổng số l−u l−ợng có ích đ−ợc truyền tải thành công trên tổng số l−u l−ợng cần truyền tải trong một khoảng thời gian xác định. L−u l−ợng có ích đ−ợc xem nh− là l−u l−ợng thực của các ứng dụng truyền vào mạng mà không tính đến l−u l−ợng định dạng khung truyền tải, l−u l−ợng của các bản tin quản lý, điều khiển mạng… L−u l−ợng sinh ra bởi phần tiêu đề của các khung dữ liệu và các bản tin quản lý điều khiển mạng thay đổi tuỳ theo các công nghệ khác nhau, thông th−ờng chiếm d−ới 15 % tổng số l−u l−ợng cần truyền và còn phụ thuộc vào kích cỡ của gói số liệu. • Độ dự phòng và tính khả dụng: Độ dự phòng và tính khả dụng là hai yêu cầu quan trọng cần phải đạt đ−ợc đối với mạng MAN mới và cách thực hiện có thể áp dụng bằng nhiều cách khác nhau ở nhiều phân lớp mạng khác nhau hoặc là phối hợp giữa các phân lớp. Dự phòng thiết bị mạng có thể ứng dụng trong phạm vi toàn bộ mạng nhằm đảm bảo tính khả dụng của mạng, rút ngắn thời gian hỏng hóc trung bình. Xét về khía cạnh cấu trúc tô pô và các giải pháp công nghệ áp dụng để triển khai mạng thì việc ứng dụng giao thức mạng nh− là giao thức định tuyến IP, thuật toán định tuyến hình cây, giao thức chuyển mạch vòng ring 2 h−ớng BHSR, giao thức bảo vệ mạng con SCCP, giao thức bảo vệ đoạn chia sẻ trong vòng ring MS – SPRing…. cũng có thể đ−ợc xem xét áp dụng nhằm cải thiện độ khả dụng của mạng. Mỗi một ph−ơng thức duy trì mạng đều có những công cụ và cách thức riêng để thực hiện, tuy nhiên áp dụng và phối hợp hoạt động duy trì của mạng là vấn đề cần phải xem xét một cách thận trọng trên cơ sở phân tích kỹ càng cơ chế vận hành của mạng dựa vào giải pháp công nghệ đ−ợc áp dụng. • Giá thành mạng: Giá thành xây dựng mạng MAN bao gồm hai phần chủ yếu: giá thành xây dựng mạng trên cơ sở giải pháp công nghệ đ−ợc lựa chọn và giá thành quản lý bảo d−ỡng mạng. Thực tế khi xây dựng mạng có thể xảy ra hai tr−ờng hợp: một là xây dựng mạng mới trong khi vẫn có một cơ sở hạ tầng mạng truyền dẫn SDH cũ. Hai là xây dựng một mạng cung cấp dịch vụ mới hoàn toàn. Thông th−ờng hay lựa chọn ph−ơng án thứ nhất cho nên việc tính toán -107- lựa chọn công nghệ, giá thành đều phải cân nhắc với mục đích giảm thiểu chi phí đầu t− mạng mà vẫn đạt đ−ợc yêu cầu. • Tính an toàn dịch vụ: Tính an toàn của dịch vụ là vấn đề nữa cũng cần phải quan tâm trong việc xây dựng mạng MAN. Giải pháp công nghệ cần đáp ứng đ−ợc khả năng cung cấp và truyền tải l−u l−ợng ng−ời sử dụng mà không ảnh h−ởng tới tình trạng cung cấp dịch của những ng−ời sử dụng khác trên cùng cơ sở hạ tầng mạng. Ngoài ra mạng cũng cần có giải pháp đề phòng tới khả năng tấn công theo kiểu “từ chối dịch vụ” của những phần tử phá hoại nhằm đảm bảo việc tuân thủ các điều khoản cam kết đối với ng−ời sử dụng. • Sự vững chắc của mạng và khả năng cung cấp từ đầu đến cuối: Đảm bảo QoS cho các loại hình dịch vụ là một yêu cầu quan trong đối với giải pháp công nghệ mạng. Cả ng−ời sử dụng và nhà cung cấp dịch vụ đều mong muốn tận dụng băng thông một cách tối đa trong khi vẫn đảm bảo những thoả thuận ràng buộc với nhau về các điều khoản cam kết đảm bảo chất l−ợng. Cơ chế đảm bảo chất l−ợng cần phải kiểm soát đ−ợc các thông số về chất l−ợng dịch vụ nh− trễ, jitter, tỷ lệ mất gói… nhằm đạt hiệu suất cao về sử dụng tài nguyên cũng nh− duy trì tính liên tục cung cấp dịch vụ ngay cả khi có nguy cơ xảy ra tình trạng tắc nghẽn. • Khả năng nâng cáp mạng Khả năng nâng cấp mạng là một yếu tố cần phải quan tâm khi xây dựng một mạng mới đ−a vào sử dụng, do quá trình phát triển công nghệ cũng nh− phát triển dịch vụ mạng cần phải đ−ợc nâng cấp hoặc mở rộng. Chi phí nâng cấp mở rộng mạng đ−ợc xem xét dựa trên tiêu chí là càng sử dụng đ−ợc nhiều cơ sở hạ tầng cũ của mạng càng tốt. Ngoài ra một điều cần phải quan tâm nữa là xét đến đặc thù khi nâng cấp mạng. Nếu nh− chỉ xét việc nâng cấp mạng ở khía cạnh tăng dung l−ợng băng thông và phát triển các dịch vụ mới thì hầu hết các giải pháp công nghệ đều có thể đáp ứng những yêu cầu này. Tuy nhiên trong t−ơng lai ta cũng không thể đoán tr−ớc đ−ợc mức độ tác động của tích hợp giải pháp công nghệ áp dụng cho mạng MAN tới giá thành thiết bị khi cần có những yêu cầu mới về tính năng thiết bị khi cần có những yêu cầu mới về tính năng thiết bị. 6.7 Đề xuất cấu hình ứng dụng mạng MAN. Dựa trên mạng cáp sợi quang của B−u điện Hà Nội có thể thiết lập một mạng MAN kiểu ring sử dụng công nghệ HORNET 16 nút mạng, 4 b−ớc -108- sóng, tốc độ mạng 10 Gb/s. Mạng này mang l−u l−ợng chuyển mạch gói và hoạt động song song với các mạng SDH đã có. Danh sách 16 nút vòng ring MAN. Nút 1- 75 Đinh Tiên Hoàng ; Nút 2 - Host Cầu Giấy ; Nút 3 - Host Láng Trung; Nút 4- Host Nguyễn Du; Nút 5 - Host Yên Phụ ; Nút 6- Host Hùng V−ơng ; Nút 7- Host Lạc Trung, Nút 8 - Host Trần Khát Chân; Nút 9 - Host Mai H−ơng ; Nút 10 - Host Giáp Bát ; Nút 11- Host Kim Liên ; Nút 12 - Host Ô chợ Dừa; Nút 13- Host Th−ợng Đình; Nút 14- Host Đức Giang; Nút 15- Host Đông Anh; Nút 16 - Host Nam Thăng Long. Hình 6.5 Sơ đồ triển khai MAN ứng dụng công nghệ HORNET trên mạng Hà Nội Thực hiện chuyển l−u l−ợng sang MAN theo nguyên tắc sau : * Kết nối giữa tổng đài ATM +IP của mạng truyền số liệu, ATM switch và BRAS của mạng truy nhập băng rộng, kết nối đến mạng lõi NGN của VTN đ−ợc đấu chuyển sang MAN. * Các tổng đài hiện ch−a có giao diện ATM hoặc giao diện IP vẫn sử dụng mạng SDH. AN 1 AN 2 AN 3 MAN 16 nút , 4 b−ớc sóng, tốc độ mạng 10Gb/s AN 16 POP (Router) AN 4 Mạng NGN -VTN GE GE GE GE GE GE -109- * Khi lắp đặt mới hoặc nâng cấp các tổng đài sang thế hệ NGN, lắp đặt mới ATMswitch cho mạng truy nhập băng rộng ADSL, lắp đặt mới tổng đài truyền số liệu ATM+IP đấu nối đến MAN không qua mạng SDH. Hiện nay các thiết bị băng rộng trên mạng mặc dù mạng lõi có thể là ATM, tuy nhiên nó có khả năng cung cấp đ−ợc các giao diện Gigabit Ethernet (GE), do vậy ta có thể chọn giao diện kết nối đến MAN bằng GE là hoàn toàn phù hợp và t−ơng thích với các thiết bị hiện có trên mạng. -110- Kết luận Đề tài bao gồm 6 ch−ơng bắt đầu bằng việc nghiên cứu các phần tử cơ bản ứng dụng trong mạng quang đa truy nhập, tiếp đến các ch−ơng 2, 3, 4, 5 tập trung vào việc phân tích các công nghệ đa truy nhập và cuối cùng ch−ơng 6 đề xuất mạng MAN ứng dụng trên mạng Viễn thông của B−u điện Thành phố Hà Nội. Qua việc nghiên cứu và phân tích các kỹ thuật đa truy nhập WDMA, TDMA, SCMA, CDMA chúng ta nhận thấy: Ngoại trừ kỹ thuật đa truy nhập theo mã CDMA rất khó khả thi và th−ơng mại trong thời điểm hiện nay do vẫn tồn tại những hạn chế nhất định về mặt công nghệ (nh− khả năng tạo ra các xung ánh sáng cực ngắn có chu kỳ tới pico hoặc femto giây), các kỹ thuật đa truy nhập còn lại có b−ớc phát triển rất mạnh mẽ. Công nghệ truy nhập TDMA, SCMA phát triển mạnh theo h−ớng ứng dụng mạch vòng nội hạt thông qua mạng quang thụ động nh− : Mạng A-PON, mạng E-PON và các ứng dụng mang tính chất quảng bá nh− CATV.v.v. Công nghệ WDMA đ−ợc phát triển rất mạnh theo h−ớng ứng dụng cho LAN, MAN chuyển mạch gói, công nghệ này rất phù hợp cho việc phát triển mạng Viễn thông hiện đại. Ch−ơng 6 của luận văn đề xuất mạng MAN ứng dụng cho mạng chuyển mạch gói trên địa bàn Hà Nội. Tuy nhiên đây là công nghệ mới ch−a đ−ợc chuẩn hoá và nhất là ch−a đ−ợc th−ơng mại hoá nhiều trên thị tr−ờng do đó việc nghiên cứu và đề xuất cũng mang nhiều định tính, do vậy h−ớng tiếp theo của đề tài là nghiên cứu tính toán mối quan hệ giữa kích th−ớc mạng, số b−ớc sóng, số nút mạng, các giao thức và chất l−ợng dịch vụ khi chuyển tải qua mạng MAN. -111- Tài liệu tham khảo [1] Denis J.G.Mestdagh,“Fundamentals of Multiaccess Optical Fiber Network ”, 1995 ARTECH HOUSE, INC. [2] Vũ Văn San, “ Hệ thống thông tin quang tập 1 ”, Nhà xuất bản B−u điện, 12 –2003. [3] Vũ Văn San, “ Hệ thống thông tin quang tập 2 ”, Nhà xuất bản B−u điện, 12 –2003. [4] Ramaswamin, R, et, al “Tunability needed in multi - channel networks: Transmiter, Receivers or both ?.” IBM R Research Report , RC16237 (# 72046), oct 1990. [5] Lu , J, et, al “ On the performance of wavelength division multiple access networks” 1992. [6] Ulrich Killat “Access to B-ISDN via PONs –ATM communication in Practice” 1996. [7] National communication systems –technical information Bulletin 00-7 “All optical network –AON ” may 2000. [8] Erik weis , T-Nova Systems GmbH – EURESCOM Project P1117 “Future access Networks –FAN” may 2003. [9] EURESCOM Project P614 “Implementation Strategies for advanced access networks” April 1999 [10] Milan Mihailo Kovacevic “HONET: An integrated services wavelength division optical network” 1995. [11] Martin Maier “ Architecture and Access protocol for wavelength – selective single-hop packet switched MAN” Berlin 2003. [10] Christophe Jelger “Characterisation of a wavelength division Multi-ring network” Dep of Electrical & Electronic Eng University of Wales Swansea 9-2001. ._.