Nghiên cứu mạng man chuyển mạch gói đơn chặng lựa chọn bước sóng dựa trên

LỜI NÓI ĐẦU §« thÞ lµ n¬i tËp trung ®«ng ®óc d©n c­ vµ c¸c doanh nghiÖp ph¸t triÓn cña mét quèc gia, lµ n¬i xuÊt ph¸t ®iÓm cña c¸c nhu cÇu ®a dÞch vô dung l­îng lín, tèc ®é cao, tin cËy vµ gi¸ thµnh thÊp. MAN cã vai trß rÊt quan träng trong viÖc ®¸p øng c¸c yªu cÇu ®ã. Sù ra ®êi cña kÜ thuËt ghÐp kªnh theo b­íc sãng WDM cho phÐp ph¸t triÓn m¹ng quang ®« thÞ thµnh m¹ng quang b¨ng réng, cã kh¶ n¨ng ®¸p øng nhu cÇu truyÒn dÉn ®a dÞch vô hçn hîp tèc ®é cao vµ dÔ dµng triÓn khai c¸c dÞch vô míi. §­îc sù gióp ®ì tËn t×nh cña thÇy gi¸o ThS. Cao Hång S¬n em ®· t×m hiÓu mét sè vÊn ®Ò trong MAN chuyÓn m¹ch gãi ®¬n chÆng lùa chän b­íc sãng. Néi dung cña ®å ¸n gåm 3 ch­¬ng: Ch­¬ng 1: Giíi thiÖu chung Ch­¬ng 2: C¸c m¹ng WDM néi thÞ Ch­¬ng 3: M¹ng MAN ®¬n chÆng lùa chän b­íc sãng dùa trªn AWG Do h¹n chÕ vÒ kh¶ n¨ng còng nh­ thêi gian nªn ®å ¸n kh«ng tr¸nh khái nh÷ng h¹n chÕ vµ thiÕu sãt, em mong nhËn ®­îc ý kiÕn ®ãng gãp cña c¸c thÇy c« vµ c¸c b¹n. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG Mục đích ban đầu của các mạng viễn thông và Internet là cung cấp truy nhập thông tin tới bất cứ nơi đâu vào bất cứ thời điểm nào và dưới bất cứ hình thức nào chúng ta cần. Để đạt được mục tiêu này các công nghệ quang và không dây đóng một vai trò quyết định trong mạng viễn thông tương lai. Các mạng quang và không dây có tính bổ sung cho nhau. Mạng quang cho phép cung cấp một băng thông rất lớn mặc dù nó không thể xuất hiện ở mọi chỗ. Ngược lại, các mạng không dây có khả năng xuất hiện ở mọi chỗ nhưng lại chỉ có khả năng cung cấp các kênh truyền dẫn có băng thông giới hạn tuỳ thuộc vào việc triển khai khác nhau. Khác với các kênh không dây, sợi quang có một số ưu điểm về đặc tính truyền dẫn như là suy hao nhỏ, băng thông rộng và không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ. Các mạng quang là môi trường trung gian để cung cấp đủ băng thông khi số người sử dụng đang tăng nhanh. Có hai thế hệ mạng quang, ở hình 1.1a, mạng quang thế hệ thứ nhất thay thế các dây đồng bằng các sợi quang trong khi các node vẫn là điện. Trong mạng này cách chuyển đổi tín hiệu quang - điện - quang (OEO) xảy ra ở mỗi node. Ban đầu, mỗi sợi quang chỉ mang một bước sóng như trong các chuẩn FDDI và IEEE 802.6. Để giải quyết khả năng tăng nhanh các lưu lượng dữ liệu và để tận dụng tối đa băng thông của các sợi quang EDFA ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) đã ra đời đầu những năm 90. Nhờ WDM, mỗi kết nối sẽ mang nhiều bước sóng, mỗi bước sóng hoạt động ở một tốc độ khác nhau. Hình 1.1 Các mạng quang: a. Thế hệ thứ nhất b. Thế hệ thứ hai Trong thế hệ thứ hai của mạng quang (hình 1.1b), các chuyển đổi OEO chỉ xảy ra tại các node nguồn và node đích, trong khi tất cả các node trung gian hoàn toàn là quang. Bằng cách sử dụng các node trung gian quang, các thắt cổ chai quang điện được loại bỏ và số lượng các card cổng giảm đi. Kết quả là chi phí mạng giảm đáng kể. Điều này là một trong các yếu tố quan trọng nhất đối với mạng quang. Hơn thế, các đường dẫn toàn quang từ đầu cuối đến đầu cuối có thể cung cấp các kênh trong suốt cho người sử dụng. Người sử dụng có thể tự chọn tốc độ bít, định dạng khối và giao thức. Sự trong suốt này cho phép dễ dàng hỗ trợ các bảo mật khác nhau cũng như các dịch vụ trong tương lai. IP ATM SONET/SDH WDM Network Data link Network Data link Network Data link Physical (WDM) IP & MPLS WDM & Protection/Restoration SONET ATM IP a) b) c) Hình 1.2: Các chồng giao thức: a) IP/ATM/SONET(SDH)/WDM b) Chi tiết cấu trúc lớp của IP/ATM/SONET/WDM c) Chồng giao thức đơn giản IP/WDM Trong tương lai lưu lượng trong các mạng quang sẽ chủ yếu là IP. Thường thì, các truyền dẫn gói IP trong các mạng quang WDM được thực hiện theo kiểu trộn lẫn và kiểu ghép. Hình 1.2 mô tả trồng giao thức IP/ATM/SONET (SDH)/WDM mà hiện nay các mạng đang triển khai để truyền dẫn các gói IP. Các gói tin IP có kích cỡ khác nhau được phân mảnh thành các tế bào ATM với kích thước cố định rồi được truyền trên các khung SONET/SDH thông qua các kết nối WDM quang. Trồng giao thức này đòi hỏi một số thao tác sắp xếp giữa các giao thức. Điều này không chỉ làm tăng chi phí và độ phức tạp của mạng mà còn có xu hướng tạo ra các nghẽn cổ chai tính toán trong các mạng tốc độ cao. Hơn thế, như hình 1.2 chỉ ra trồng giao thức này là không hiệu quả vì cùng một khía cạnh quan tâm của mạng và tầng kết nối dữ liệu được đánh địa chỉ ở mỗi giao thức. Điều này dẫn đến các chức năng thừa và các sơ đồ kết nối tầng phức tạp. Để tránh những sự không hiệu quả này và để đơn giản sự hoạt động của mạng, cấu trúc tầng giao thức phức tạp trên có thể được thay thế bằng chồng giao thức IP/WDM ít phức tạp hơn nhiều. Chức năng ATM của kĩ thuật lưu lượng (QoS) sẽ được hấp thụ vào trong tầng IP nhờ sử dụng chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS). Và các khả năng truyền dẫn của SONET/SDH (bảo vệ và tái cấu hình) sẽ được hấp thụ bởi tầng WDM quang. Nhờ đó các mạng WDM tương lai sẽ có trồng giao thức rất đơn giản là IP/WDM như được mô tả trong hình 1.2c. Mạng IP WDM quang lắm các hứa hẹn rất lớn cho việc cung cấp hiệu quả một băng thông lớn với độ phức tạp của mạng nhỏ mặc dầu các công nghệ quang hiện nay vẫn còn một số giới hạn về tính ổn định và tính hiệu quả về mặt chi phí. Tuy nhiên, đáng chú ý là, trong tương lai sự phức tạp và chi phí trong các mạng WDM quang có thể được giải quyết. Mục tiêu và phương pháp tiếp cận 1.1.1 Mục tiêu Mạng đường trục WDM quang Truy nhập không dây (eg..UMTS,WWLAN) xDSL, cable modem ATM, FR, SDH, IP, GbE ESCON, Kênh sợi Mạng đô thị Mạng truy nhập (HFC, FTTx) Kết nối nội thị Kết nối nội thị Kết nối liên mạng Hình 1.3. Mạng phân cấp (được định nghĩa ở phụ lục B) Kết nối đường trục Kết nối đường trục Trong hình 1.3, mô hình của mạng truyền thông sẽ gồm các mạng đường trục, mạng nội thị, mạng truy nhập trong đó các mạng sau sẽ thu thập/phân phối dữ liệu từ/đến các trạm trung gian khác ví dụ như các trạm không dây và các LAN. Các LAN gigabit Ethernet cùng với chuẩn 10 GbE IEEE 802.3ae được hoàn thiện năm 2002 được hi vọng sẽ cung cấp đủ băng thông cho ít nhất 5 năm tới. Các công ti điện thoại đã triển khai một số dạng của đường dây thuê bao số (DSL) và các công ti cáp triển khai các modem cáp. Nghẽn cổ chai ở bước truy nhập đầu tiên sẽ được loại bỏ nhờ ứng dụng chuẩn IEE802.3ab Ethernet mà được đề cập vào tháng 9 năm 2003. Các công nghệ truy nhập băng rộng này cùng với các dịch vụ không dây thế hệ tiếp theo ví dụ như UMTS và các LAN không dây (WLAN) và các giao thức tốc độ cao như ATM, FRAME RELAY (FR) IP, ESCON và kênh sợi quang sẽ đòi hỏi băng thông rất lớn và chất lượng dịch vụ QoS hỗ trợ từ các mạng cao hơn. Nằm giữa các thuê bao tốc độ cao và các đường dẫn cực lớn của mạng đường trục là mạng truy nhập và mạng nội thị. Ban đầu các mạng truy nhập là các hệ thống HFC trong đó chỉ có phần nguồn nuôi ở giữa tổng đài trung tâm và node ở xa của mạng là quang còn mạng phân tán giữa node ở xa và các thuê bao vẫn là điện. Kết quả là, các mạng truy nhập FTTx đang nhận được sự chú ý rất lớn. Các mạng FTTx, nghĩa là mạng sợi quang tới đầu cáp FTTC hay sợi quang tới nhà FTTH, là mạng hoàn toàn quang nghĩa là tín hiệu được truyền dẫn thông qua sợi quang từ tổng đài trung tâm hoặc tất cả các con đường tới khách hàng. Về lí do chi phí nên các mạng truy nhập toàn quang đều không được cấp nguồn hay còn được gọi tương ứng là các mạng quang thu động (PON). Các PON đã được xem xét cho mạng truy nhập kể từ giữa những năm 90 trước cả khi nhu cầu băng thông cho Internet bùng nổ. Gần đây, các PON Ethernet cải tiến đang trở thành ứng viên đầy hứa hẹn để cung cấp đầy đủ băng thông cho truyền dẫn hiệu quả lưu lượng dữ liệu. Các mạng nội thị hiện nay chủ yếu là các mạng vòng SONET/SDH. Các mạng này có một số nhược điểm: - Việc giám sát kênh cho các mạng SONET/SDH mất quá nhiều thời gian thường là từ 6 tuần đến 6 tháng. Do đó giám sát dịch vụ nhanh là điều không thể - Thiết bị SONET/SDH rất đắt và làm giảm đáng kể vùng phủ trong thị trường nội thị rất nhạy cảm với chi phí trong đó chi phí chỉ được chia sẻ bởi một lượng ít khách hàng hơn nhiều so với mạng đường trục. Chính chi phí cao đã ngăn cản các công ti mới tham gia vào thị trường nội thị. - Việc nâng cấp một mạng vòng SONET/SDH ảnh hưởng tới tất cả các node chứ không chỉ các node nguồn và node đích mong muốn truyền thông ở tốc độ dữ liệu cao hơn. - Cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động (APS) của SONET/SDH (bảo vệ 1+1) là không hiệu quả về mặt băng thông bởi vì các đường bảo vệ và làm việc đều mang cùng loại lưu lượng. - SONET/SDH được thiết kế cho lưu lượng đối xứng. Do đó, lưu lượng IP không đối xứng truyền dẫn không hiệu quả. - Hoạt động TDM tập trung thoại không có khả năng hỗ trợ hiệu quả lưu lượng dữ liệu có tính bùng nổ dẫn đến việc lãng phí băng thông. Những nhược điểm được đề cập ở trên của các mạng vòng SONET/SDH tạo ra một nghẽn cổ chai băng thông nghiêm trọng tại mức nội thị. Hiện tượng này được gọi là Metrogap, ngăn cản các khách hàng tốc độ cao (và cũng ngăn cản các nhà cung cấp dịch vụ) trong việc sử dụng băng thông còn rất lớn trong mạng đường trục. Nghẽn cổ chai này có thể trở nên nghiêm trọng hơn vì thực tế lưu lượng IP tăng lên sẽ mang tính cục bộ bằng cách đặt thêm nhiều máy chủ Proxy trong các mạng nội thị để giảm trễ mạng, cân bằng tải máy chủ và có độ sẵn sàng cao hơn. Sự tăng cường sử dụng điện thoại tổ ong và các thiết bị cầm tay đối với các dịch vụ Internet sẽ làm tăng lượng thông tin truy cập nội hạt và cần được cập nhật thường xuyên đặc biệt là các ứng dụng trong nhà, trên xe hơi, và các thiết bị điện tử khác đang bắt đầu tận dụng mạng nội thị [KWSR]. Hơn thế, Napster đang báo trước sự xung đột về chia sẻ thông tin, các ứng dụng đồng hàng trong tương lai trong đó mỗi đầu cuối người sử dụng sẽ hoạt động như là một máy chủ và sẽ làm tăng đáng kể lưu lượng bên trong mạng MAN. Để vượt qua độ rộng giữa các khách hàng tốc độ cao và tương lai của mạng đường trục thì các kiến trúc và giao thức mạng nội thị cần phải được triển khai. Gần đây, các nghiên cứu đã bắt đầu tập trung vào để hạn chế độ rộng nội thị. Sự quan trọng của độ rộng nội thị cũng được phản ánh qua một số lượng lớn các hoạt động chuẩn hoá đang được triển khai gần đây, và các diễn đàn công nghiệp như là IETF WG IPoRPR, IEEE 802.17 RPRWG, diễn đàn Ethernet nội thị (MEF) và liên minh mạng vòng gói mềm dẻo (RPR) bao gồm hơn 70 công ty. Bản đồ án này sẽ tập trung vào các mạng WDM chuyển mạng gói trong đó các gói tin được lưu trữ trong các RAM điện tử thay vì là các đường dây trễ sợi quang. Với các kiến trúc và giao thức được giới thiệu và kiểm tra ở đây có thể cho phép các khách hàng tốc độ cao và các nhà cung cấp dịch vụ để vượt qua độ rộng nội thị và tận dụng tối đa băng thông rất lớn trong mạng đường trục theo một cách hiệu quả, chi phí thấp và có tương lai. 1.1.2 Phương pháp tiếp cận Vấn đề sẽ được tiếp cận để có thể tận dụng các lợi thế tương ứng của miền điện và miền quang trong khi tránh các nhược điểm tương ứng của chúng: truyền dẫn sẽ được thực hiện trong miền quang trong khi việc đệm và các phép logic sẽ được thực hiện trong miền điện. Do sự thiếu hụt các bộ đệm quang (RAM) các mạng quang không dùng bộ đệm sẽ được xem xét. Kiến trúc mạng không chuyển mạch hoàn toàn thụ động sẽ được xem xét. Các mạng thụ động không chỉ khá tin cậy mà còn có thể nâng cấp tới mạng thông minh rìa cho phép việc giảm chi phí mạng và đơn giản hoá trong duy trì, bảo dưỡng, hoạt động của mạng. Mạng đang được xem xét là lựa chọn bước sóng. Trong một mạng lựa chọn bước sóng tĩnh, mỗi node nguồn có khả năng tiếp cận nhiều node đích khác nhau bằng cách thay đổi bước sóng truyền dẫn. Để làm được như vậy, mô hình chuyển mạch gói lưu trữ và chuyển tiếp truyền thống phải được thay thế bằng mô hình chuyển đổi bước sóng theo mỗi gói tin tại biên giới mạng. Trong mạng lựa chọn bước sóng mỗi bước sóng được định tuyến chỉ trong một phần nhỏ của mạng, các phần còn lại của mạng có thể dùng cùng các bước sóng này. Kết quả là việc tái sử dụng bước sóng theo không gian không chỉ giảm sự trùng lặp mà còn giữ cho số lượng các bước sóng cần dùng là hữu hạn. Một số lượng nhỏ các bước sóng sẽ đòi hỏi các bộ thu rất nhạy bước sóng để có thể cho truyền qua một dải sóng rất hẹp. Điều này lại cho phép ứng dụng các bộ thu chuyển đổi được mà có thời gian chuyển đổi nhỏ hơn so với các bộ thu với các giải chuyển đổi tương đối lớn. Mạng được xem xét sẽ là mạng hình sao. Các mạng hình sao cho thấy lợi thế về mặt công suất hơn các mạng bus. Cả mạng hình sao và mạng bus đều chịu ảnh hưởng của suy hao do rẽ nhánh. Trong khi suy hao rẽ nhánh tổng (tính bằng dB) ở mạng hình bus tăng tuyến tính theo số lượng node trong mạng thì suy hao rẽ nhánh tổng (tính bằng dB) ở mạng hình sao lại chỉ tăng theo hàm logarit. Hơn thế, cấu hình mạng sao vật lí thì dễ dàng thiết lập, cấu hình, điều khiển, và gỡ rối hơn. Ở phía trên tầng vật lí của mạng hình sao mạng đơn chặng sẽ được xem xét. Trong các mạng đơn chặng bất cứ một cặp node nguồn và đích nào cũng giao tiếp trực tiếp với nhau mà không thông qua một node trung gian nào. Khác với mạng đa chặng, các mạng đơn chặng có một số lợi thế: Khoảng cách chặng trung bình được tối thiểu hoá (tính đồng nhất), không lãng phí băng thông vì việc chuyển tiếp tại mỗi node xảy ra ngay khi tiếp cận được đích, mỗi node chỉ phải xử lý các gói tin được định tuyến tới chính nó do đó giảm nhu cầu xử lý tại các node, độ trong suốt được cung cấp, và việc nâng cấp một cặp nguồn-đích nhất định chỉ liên quan tới hai node đó khác với mạng đa chặng vì không có node trung gian nào cần phải nâng cấp. Các mạng đơn chặng cũng giảm đáng kể độ phức tạp của chồng giao thức bởi vì việc định tuyến và chuyển tiếp trong truyền thông đơn chặng không xảy ra. Kết quả là, tầng mạng sẽ hoàn toàn loại bỏ được. Thêm vào đó, các gói tin truyền thông qua đơn chặng quang thụ động duy nhất giữa chặng nguồn và chặng đích, dẫn đến xác xuất lỗi là rất nhỏ. Do đó, phát hiện và sửa lỗi ở tầng liên kết dữ liệu có thể loại bỏ và các lỗi truyền dẫn còn lại có thể được loại bỏ ở tầng truyền dẫn. 1.2 Các phần tử cơ bản của mạng MAN đơn chặng lựa chọn bước sóng dựa trên AWG Các linh kiện sau đây là các khối cơ bản để thiết kế mạng WDM. Trong phần mô tả dưới đây sẽ tập trung vào các linh kiện quan trọng trong phần còn lại của đồ án này. 1.2.1 Bộ kết hợp và bộ chia quang Coupler là thuật ngữ chung chỉ tất cả các thiết bị thực hiện kết hợp ánh sáng vào và/hoặc chia ánh sáng trong một sợi quang. Các bộ kết hợp là các thiết bị mà thực hiện kết hợp ánh sáng từ các sợi quang khác nhau. Các bộ chia quang chia ánh sáng vào nhiều sợi quang. Cả bộ kết hợp và chia quang đều là các thiết bị thụ động. Bộ chia quang phổ biến nhất là bộ chia 1x2 như được vẽ trên hình 2.1 a). Tỉ số công suất đầu ra được gọi là tỉ số chia quang α và có thể điều khiển được. Phần α trong công suất đầu vào được đưa ra đầu ra, còn phần (1-α) còn lại đưa ra đầu ra còn lại. Biểu thị tỉ số chia quang dưới dạng dB sẽ cho chúng ta suy hao do chia quang. Đối với bộ chia quang hai cổng với tỉ lệ chia quang 50:50 là rất phổ biến, kết quả là suy hao do chia quang sẽ là 3 dB cho mỗi cổng ra. Các bộ coupler cũng được dùng để tách một phần công suất từ luồng ánh sáng để dùng cho các mục đích giám sát hoặc các nguyên nhân khác. Các bộ coupler như vậy được gọi là bộ rẽ và được thiết kế với các giá trị α rất gần với 1, thường là từ 0.90 tới 0.95. a) b) c) Hình 2.1: a) Bộ chia b) Bộ ghép và c) coupler Khi đổi chiều thì một bộ chia quang sẽ có thể được sử dụng như là bộ kết hợp quang, như được thể hiện như hình 2.1 b). Một tín hiệu đầu vào tới bộ kết hợp 2x1 sẽ chịu suy hao công suất là 3dB, mà đôi khi còn gọi là suy hao do ghép quang. Bằng cách dùng bộ kết hợp cùng với bộ chia quang, các coupler có thể được tạo ra. Hình 2.1 c) mô tả một bộ coupler 2x2 bao gồm một bộ kết hợp quang 2x1 được theo sau bởi một bộ chia quang 1x2, có vai trò là phân bố các tín hiệu từ hai sợi quang đầu vào tới hai sợi quang đầu ra. Để có tỉ lệ chia quang là 50:50 cần có bộ coupler 3dB trong đó tín hiệu đầu vào được chia đều cho cả hai đầu ra. Ngoài tỉ lệ chia công suất 50:50 xảy ra trong coupler, tín hiệu cũng chịu các suy hao chèn, suy hao thừa và suy hao phản hồi. Suy hao chèn là một phần của công suất (thường được biểu thị dưới dạng dB) bị mất giữa các cổng vào và cổng ra của linh kiện (coupler). Nếu như tín hiệu đi vào một coupler, một phần nhỏ công suất sẽ bị phản hồi theo hướng ngược lại và được dẫn trở lại tới các đầu vào của bộ coupler (suy hao phản hồi). Suy hao thừa gây ra bởi các khiếm khuyết sản xuất trong các vùng rất nhỏ. Một bộ coupler có thể được sản xuất không phụ thuộc bước sóng hoặc lựa chọn bước sóng, có nghĩa là tính chất của coupler phụ thuộc vào bước sóng. Ưu điểm của coupler là không cần cung cấp nguồn, hoạt động tin cậy, không đắt, mức suy hao thấp. 1.2.2 Coupler hình sao thụ động (PSC) PSC là một thiết bị thực hiện kết hợp các tín hiệu quang từ các cổng đầu vào và chia đều ra các cổng đầu ra. Không giống như các bộ tách ghép kênh, các PSC không chứa các phần tử lựa chọn bước sóng. Vì vậy chúng không có khả năng tách các kênh riêng rẽ. Trong trường hợp tổng quát, PSC có số cổng vào (N) và số cổng ra (M) không nhất thiết bằng nhau và ký hiệu là PSC NxM. N x N PSC 1 2 N 1 2 N Hình 2.2 Bộ coupler hình sao thụ độngN x N (PSC) Một PSC NxN được tạo ra từ các coupler 2x2 3dB như được vẽ trong hình 2.2. PSC NxN là một linh kiện N đầu vào và N đầu ra với đặc tính là công suất của mỗi cổng đầu vào Pin sẽ được chia đều tới tất cả các cổng đầu ra. Do đó, công suất quang tại mỗi đầu ra Pout sẽ bằng: Pout= Pin N Và tỉ lệ chia quang sẽ là α = 1/N hay tương ứng với suy hao do chia quang là 10 log10 N dB. Một phương pháp để tạo ra PSC là kết nối một số các coupler 3dB. Cách này cần (N/2. log2N) coupler 3 dB để tạo ra một PSC NxN. 2.1.3 Cách tử ống dẫn sóng (AWG) Bộ AWG còn được biết đến là dãy pha (PHASAR) hay định tuyến lưới dẫn sóng. Một AWG NxN được vẽ sơ đồ khối như trong hình 2.3, trong đó N≥2, bao gồm các bộ dẫn sóng đầu vào đầu ra N, hai bộ dẫn sóng tấm tập trung (các vùng truyền dẫn tự do) và một lưới dẫn sóng hàng, trong đó chiều dài của các ống dẫn sóng liền kề sai khác nhau một hằng số. Tấm dẫn sóng tại các đường đối xứng trong linh kiện sẽ loại bỏ sự phụ thuộc phân cực. Do vậy, có thể tạo ra các AWG không phụ thuộc phân cực, suy hao thừa ở mức 0,4 dB. Cả hai dẫn sóng tấm đều làm việc giống như các coupler sao NxM, M>>N, sao cho tất cả công suất ánh sáng bị khuyếch tán trong tấm đều được thu lại. Nếu M>>N xuyên âm tại trung tâm của băng thông sẽ nhỏ hơn so với M=N. Tín hiệu đến từ bất kì cổng nào trong N cổng vào cũng sẽ được chia ra M đầu ra của bộ dẫn sóng tấm tới các đầu ra hàng. Mỗi luồng sáng đến được khuyếch tán trong tấm đầu vào, đi qua các dẫn sóng xếp hàng, tập trung lại tại tấm đầu ra, và được ghép vào các dẫn sóng đầu ra. Tấm dẫn sóng Ống dẫn sóng vào/ra N cổng ra N cổng vào tấm dẫn sóng tại trục đối xứng Ma trận M ống dẫn sóng Hình 2.3 Biểu đồ sắp xếp của một AWG N x N Các dẫn sóng xếp hàng sẽ trễ pha không phụ thuộc vào bước sóng vì chỉ các tần số với sự khác pha số nguyên lần 2π mới gây cộng hưởng trong dẫn sóng tấm đầu ra. Do vậy, mỗi cổng đầu ra mang các tần số vượt qua có tính tuần hoàn. Độ rộng của các tần số vượt qua có tính tuần hoàn này được gọi là dải phổ tự do (FSR) và xấp xỉ bằng: FSR = C [Hz] (2.2) ng(DL + dsinqI +dsin0) hoặc đơn giản hơn [Zir98] FSR = l2 [m] (2.3) ngDL Trong mỗi FSR, một AWG NxN chấp nhận một số lượng tổng của N bước sóng từ mỗi cổng vào và nó truyền dẫn mỗi bước sóng tới một đầu ra nhất định. Mỗi đầu ra nhận các bước sóng N, mỗi bước sóng từ một cổng vào riêng. Ở đây tồn tại hoán vị bước sóng vòng lặp tại các dẫn sóng đầu ra nếu các dẫn sóng đầu vào khác nhau được sử dụng. Trong hình 2.4 kết nối định tuyến của một AWG 8x8 được mô tả. Mỗi tần số quang (tương ứng, chúng ta cũng có thể nói mỗi bước sóng) cho ta một chỉ dẫn định tuyến độc lập với cổng vào. Do vậy, thông tin định tuyến của fk ra cổng ra, mà các cổng (k-1) nằm dưới cổng vào tương ứng ví dụ như f1 vào từ cổng vào 1 được ra ở cổng 1 và từ cổng vào 5 sẽ ra ở cổng 5. Tương tự như vậy, f3 vào ở cổng 1 sẽ đi ra ở cổng 3, trong khi nếu f3 vào ở cổng 5 nó sẽ đi ra ở cổng 7. Nhờ vào đặc tính tuần hoàn của AWG, tần số quang f9 (ví dụ như một dải phổ tự do lớn hơn f1) vảo ở cổng 1 và ra ở cổng 1 giống như f17 và các tần số khác được phân tách nhờ một số lượng nguyên FSR. Nhưng cũng có các AWG với các phương pháp định tuyến kênh khác, ví dụ như kênh fi vào ở cổng j và ra ở cổng k trong đó k = (8-i+j)mod 8 + 1 với i Í N và j,k Í {1,2,…8}. Kiểu định tuyến bước sóng của một AWG có thể được mô tả chính thức hơn dựa vào ma trận chuyển đổi bước sóng. Nhờ vào hoán vị bước sóng tại các cổng ra AWG nằm trong họ các bộ định tuyến bước sóng hoán vị. Một AWG NxN cung cấp kết nối bên trong NxN đầy đủ. Sử dụng một FSR có thể cho phép có đồng thời N2 kết nối. Chú ý rằng một PSC NxN chỉ có thể cho phép mang đồng thời tối đa N kênh. Các đặc tính truyền dẫn sau của một AWG NxN đóng một vai trò quan trọng trong các mạng WDM. Các AWG có suy hao chèn thấp vào khoảng từ 3-5 dB. Cũng như vậy, các AWG với suy hao không thay đổi hình thức đối với tất cả các kênh cũng được xác định. Độ rộng kênh tần số của bộ kết hợp kênh được cho bởi công thức: [Hz] (2.4) f1 f8 f4 f8 f4 f8 N=1 (f1… f4…f8) 2 3 4 5 6 7 8 INPUT 1 2 3 4 5 6 7 8 OUTPUT f1 Hình 2.4 Bộ kết hợp nối của một AWG 8 x 8 Độ rộng kênh thông thường là 100 hoặc 200 GHz. Một độ rộng kênh 100 GHz tại vùng suy hao thấp ở 1,55mm tương ứng với một độ rộng kênh là 0,8mm, dẫn đến ghép kênh phân chia theo bước sóng chặt (DWDM). Một AWG 64x64 với độ rộng kênh là 0,4nm (50 GHz) đã được báo cáo trong [OMS95]. Gần đây, AWG độ rộng 25 GHz với 400 kênh đã được báo cáo trong [JJK+ 01]. Tần số đáp ứng của AWG là rất quan trọng cho các ứng dụng. Nó cũng giống như tần số đáp ứng của các bộ lọc thông dải Gauss. Độ rộng tối đa tại nửa đỉnh (FWHM) được cho bởi công thức: [Hz] (2.5) Nói chung, FHWM bằng khoảng 30% độ rộng kênh. Hình dáng của bộ lọc thông dải Gauss đặt ra các giới hạn chặt chẽ cho dung sai bước sóng của các laser diode và đòi hỏi điều khiển nhiệt độ chính xác cho cả các AWG và các laser diode. Sự dao động tần số trong nguồn quang sẽ dẫn tới phải giảm công suất để đạt được cùng giá trị BER tại đầu thu. Hơn nữa, độ rộng dải thông của các AWG thác trở nên nhỏ hơn nhiều so với của bộ lọc AWG đơn chặng. Gần đây, các bộ kết hợp kênh AWG với đáp ứng phổ phẳng đã được công bố [OS96] [TBB+97] [KS01]. Băng thông 3 dB có thể nâng lên tới 124 GHz cho độ rộng kênh 200 GHz và xuyên âm liên kênh từ kênh bước sóng cho trước đối với các kênh lân cận là nhỏ hơn -27 dB. Xuyên âm xuất hiện là do ảnh hưởng của các tín hiệu khác lên một tín hiệu mong muốn. Hệ thống WDM có hai dạng xuyên âm: xuyên âm liên kênh và xuyên âm đồng kênh. Xuyên âm liên kênh xảy ra khi tín hiệu xuyên âm là tại bước sóng khác so với bước sóng tín hiệu mong muốn. Xuyên âm đồng kênh xảy ra khi tín hiệu xuyên âm có cùng bước sóng với tín hiệu mong muốn. Nhưng nó phải trả giá bởi suy hao chèn cao hơn khoảng 3 dB. Các AWG với đáp ứng tần số phẳng và rộng sẽ giải quyết các hạn chế đã được đề cập ở trên. Nói chung, xuyên âm ở vào khoảng -30dB. Do đó, giải ghép kênh là hoàn toàn có thể đối với mất công suất không đáng kể, nghĩa là xuyên âm là đủ nhỏ để không làm tăng đáng kể BER. Các thông số truyền dẫn quan trọng của một AWG và các giá trị thông số điển hình được tổng kết trong bảng 2.1. Suy hao xen ~ 3 – 5 dB Suy hao vượt quá ~ 0.4 dB Xuyên nhiễu khác tần số ~ -30dB Khoảng cách kênh (25, 50, 100, 200) GHz FWHM ~ 30% của khoảng cách kênh Số lượng cổng 2 … 400 Bảng 2.1 Đặc tính của một AWG Bảng 2.2 tổng kết các đặc tính của một AWG và so sánh chúng với PSC. Chú ý rằng các AWG hỗ trợ đa truyền thông băng rộng nếu một nguồn quang băng rộng được sử dụng ví dụ như một diode phát quang (LED). Tín hiệu đầu vào này sẽ bị chia phổ bởi AWG sao cho một phần nhỏ của tín hiệu băng rộng đầu vào được truyền dẫn tới mỗi cổng đầu ra tương ứng, như là được trình bày trong phần 1.2.4. Tính bảo mật có nghĩa rằng các bước sóng chỉ được định tuyến tới các cổng ra tương mà chúng cần. Điều này khác với PSC lựa chọn và quảng bá trong đó tất cả các đầu ra đều có thể nhận tất cả các bước sóng cùng một lúc. Do vậy, nếu như cùng một bước sóng được đưa vào hai hay nhiều các cổng đầu vào của PSC đồng thời thì xung đột kênh sẽ xảy ra tại tất cả các cổng ra của PSC. Nói cách khác, PSC không cho phép tái sử dụng phân tập các bước sóng tại các cổng ghép kênh đầu vào. Ngược lại, AWG định tuyến theo bước sóng cho phép tái sử dụng bước sóng theo không gian phân tập mà không gây ra xung đột kênh tại các cổng ra của AWG. Do đó, một PSC NxN chỉ cỏ thể hỗ trợ tối đa N truyền dẫn đồng thời, mỗi truyền dẫn sử dụng một bước sóng khác nhau. Trong khi đó một AWG NxN không có một yêu cầu nào đối với các tín hiệu đến và hỗ trợ tới N2 truyền dẫn đồng thời mà không gây nên xung đột kênh tại các đầu ra của AWG. PSC AWG Quảng bá yes no Phát theo nhóm yes no Định tuyến bước sóng no yes Tái sử dụng bước sóng theo không gian no yes Tính chu kỳ no yes Suy hoa chia yes no Tính riêng tư no yes Nghẽn kênh yes no Số lượng truyền dẫn đồng thời N N2 Bảng 2.2 So sánh các đặc tính của PSC và AWG Như vậy AWG có các ưu điểm: khoảng cách giữa các bước sóng nhỏ, số kênh lớn, băng thông bằng phẳng ... phù hợp cho các hệ thống WDM tốc độ cao và dung lượng lớn. 1.2.4 Các máy phát và thu Ngoài các linh kiện đã đề cập ở trên để xây dựng được một mạng truyền thông WDM còn cần các bộ phát và các bộ thu. Một bộ phát bao gồm một nguồn quang, một bộ điều chế, và các thiết bị điện hỗ trợ. Một bộ thu cần một bộ lọc quang, một photodetector, một bộ giải điều chế và các linh kiện điện hỗ trợ. Các nguồn quang băng thông rộng Ánh sáng đầu ra của một nguồn quang băng thông rộng có dải phổ rộng trong khoảng từ 10-100 nm. Các LED là phổ biến nhất và rất rẻ. Vì các sản phẩm khác có băng thông tương đối nhỏ nên LED được ứng dụng chủ yếu ở những nơi mà tốc độ dữ liệu thấp hay khoảng cách truyền dẫn ngắn. Công suất đầu ra phổ biến của chúng là 10 dBm. Tuy nhiên, các diode siêu phát quang với công suất ra của sợi đơn mode là 18,0 dBm và độ rộng băng thông 3 dB là 35 nm đã có trên thị trường. Ở tốc độ thấp, các hệ thống nhạy cảm với bước sóng có độ dự trữ nhỏ, LED cung cấp một giải pháp rẻ so với các laser rất đắt. Hình 2.5 biểu thị một phần dải phổ của một tín hiệu LED băng rộng qua một AWG định tuyến theo bước sóng. Tại mỗi cổng ra AWG một phần khác nhau của tín hiệu băng rộng gốc được tách ra bởi các node, mỗi phần như thế mang cùng một thông tin. Do đó, một LED có thể được chia sẻ bởi nhiều bộ thu khác nhau. 3 x 3 AWG l Công suất Tín hiệu băng rộng Các lát cắt Hình 2.5: Lát cắt phổ của tín hiệu băng rộng Laser Để nâng cao băng thông một cách đáng kể các laser thành phẩm khác nhau đã được dùng. Thực ra, một laser là một bộ khuyếch đại quang bao gồm trong một khung phản xạ mà tạo ra ánh sáng dao động thông qua phản hồi dương. Các laser có khả năng tạo ra công suất đầu ra lớn, thường là từ 0 tới 10 dBm. Các laser có thể là cố định với bước sóng danh nghĩa (mặc dù bước sóng này có thể xê dịch do nhiệt độ hoặc thời gian) hoặc là có thể chuyển đổi được, trong đó các laser chuyển đổi được có thể là chuyển đổi liên tục hoặc rời rạc. Chỉ có các bước sóng phù hợp với chu kỳ và chiết suất của laser mới được khuyếch đại, một laser có thể chuyển đổi bằng cách điều khiển chiều dài khoảng cộng hưởng và/hoặc chiết suất của môi trường khuyếch đại. Các ví dụ phổ biến là cơ học, quang âm, quang điện, và các laser chuyển đổi được tiêm dòng. Hầu hết các laser chuyển đổi được cơ học sử dụng một buồng Fabry-Perot ngoài mà chiều dài của nó có thể điều chỉnh được. Các laser chuyển đổi được cơ học cho một dải chuyển đổi khá rộng lên tới 500nm nhưng thời gian chuyển đổi khá chậm khoảng 1-10ms. Trong laser quang âm và laser quang điện chiết suất của khoảng bên ngoài được thay đổi nhờ sử dụng một cách tương ứng sóng âm hoặc dòng điện. Một laser quang âm có một dải chuyển đổi trung bình, vào khoảng xấp xỉ 100nm với một thời gian chuyển đổi trung bình, vào khoảng 10ms. Các laser quang điện có thể chuyển đổi 10-15nm trong vài ns. Các laser dùng dòng tiêm hình thành một họ các nguồn quang cho phép lựa chọn bước sóng thông qua lưới phản xạ, ví dụ như các laser phản xạ phân bố (DFB) và các laser phản xạ Bragg phân bố (DBR). Việc chuyển đổi được thực hiện bằng cách thay đổi mật độ dòng tiêm và do đó thay đổi chiết suất. Kiểu laser này thường bao gồm nhiều phần để có thể cho phép điều khiển độc lập công suất và bước sóng đầu ra của laser. Gần đây, các bộ phát đa phần chuyển đổi nhanh có thể chuyển đổi sang bước sóng liền kề chỉ trong 4ns và trong một khoảng rộng khoảng 30nm trong vòng 15ns đã được báo cáo. Đặc biệt, các laser SG-DBR hứa hẹn sử dụng cho các bộ phát với dải chuyển đổi rộng và công suất đầu ra lớn. Các dải chuyển đổi và thời gian chuyển đổi của các loại bộ phát khác nhau được tổng kết ở trong bảng 2.3. Chú ý rằng thay vì các laser chuyển đổi được có thể sử dụng một loạt các laser cố định hoạt động ở bước sóng khác nhau hoặc các laser đa tần số. Kiểu bộ phát Giải điều chỉnh Thời gian điều chỉnh Điều chỉnh cơ 500 nm 1-10 ms Quang âm ~ 100 nm ~ 10 ms Quang điện 10-15 nm 1-10 ns Dòng bơm ~ 30nm 15 ns Bảng 2.3 Các bộ phát: Giải điều chỉnh và thời gian điều chỉnh Các bộ lọc quang Các bộ lọc quang được sử dụng để lựa chọn một tín hiệu băng rộng hoặc một bước sóng nằm ngoài dải răng lược WDM. Bước sóng được lựa chọn được chuyển đổi quang điện nhờ một photodetector. Các bộ lọc quang có thể là cố định hoặc có thể chuyển đổi được, trong khi các bộ lọc chuyển đổi được có thể là liên tục hoặc rời rạc. Các ví dụ về bộ lọc cố định là cách tử nhiễu xạ, các bộ lọc phim mỏng điện, và các cách tử Bragg sợi (FBGs). Các bộ lọc quang điều chỉnh được bao gồm các bộ lọc quang điện, quang âm, nhiệt, cơ và các bộ lọc Fabry-Perot tinh thể lỏng. Các bộ lọc điều chỉnh cơ bao gồm một hoặc nhiều hơn khoảng được hình thành nhờ hai gương song song (các mặt). Bằng cách điều chỉnh cơ khoảng cách giữa các gương, các bước sóng khác nhau sẽ được lựa chọn. Loại bộ lọc này có dải chuyển đổi khoảng 500nm và thời gian chuyển đổi trong khoảng 1-10ms. Máy giao thoa Mach Zehnder (MZI) là một ví dụ cho một bộ lọc điều khiển bằng nhiệt. Trong MZI, một bộ chia quang có nhiệm vụ chia luồng sáng đến thành hai dẫn sóng và một bộ kết hợp thực hiện kết hợp các tín hiệu tại đầ._.u ra của dẫn sóng. Một thiết bị trễ điều chỉnh được bằng nhiệt điều khiển chiều dài đường dẫn quang của một ống dẫn sóng. Nhờ vào sự sai khác pha một sóng mong muốn duy nhất sẽ được lựa chọn nhờ cộng hưởng. Một MZI cớ thể chuyển đổi lớn hơn 10 nm trong vòng vài ms. Trong các bộ lọc điều chỉnh quang âm (AOTFs), một sóng âm thay đổi tuần hoàn chiết suất của môi trường lọc từ đó cho phép môi trường hoạt động như là một lưới lọc. Bằng cách thay đổi tần số của sóng âm, một bước sóng quang duy nhất được chọn trong khi các sóng còn lại bị triệt tiêu. Nếu có nhiều hơn một sóng âm được dùng thì cũng sẽ có nhiều sóng quang được lựa chọn. Một nhược điểm của các AOTFs là chúng không thể loại bỏ được xuyên âm từ các kênh lân cận nếu như các kênh này quá gần nhau, do đó giới hạn số lượng kênh. Các AOTFs có thể chuyển đổi trong dải 100nm trong vòng 10ms. Các bộ lọc điều chỉnh quang điện (EOTFs) sử dụng các điện cực nằm ở môi trường lọc. Các dòng điện được dùng để thay đổi chiết suất của môi trường bộ lọc, cho phép một bước sóng mong muốn đi qua trong khi các bước sóng khác bị triệt tiêu. Thời gian điều chỉnh chỉ bị giới hạn bởi tốc độ điện. Do đó, các EOTFs có thể chuyển đổi trong 1-10ns. Tuy nhiên, các EOTFs cung cấp một dải điều chỉnh tương đối nhỏ, khoảng 15 nm. Các bộ lọc Fabry-Perot tinh thể lỏng (LC) là bộ lọc rẻ nhất với các yêu cầu công suất thấp. Thiết kế của một bộ lọc LC là tương tự như thiết kế của một bộ lọc Fabry-Perot, nhưng khoang là tinh thể lỏng. Chiết suất của LC có thể điều khiển được bằng một dòng điện để lấy ra bước sóng tương ứng. Thời gian điều chỉnh là 0,5-10μs và khoảng điều chỉnh là 30-40nm. Các dải điều chỉnh và thời gian điều chỉnh của các loại bộ thu khác nhau được tổng kết trong bảng 2.4. Chú ý rằng tương ứng các bộ lọc quang chuyển đổi được các dãy bộ thu cố định hay các bộ thu đa bước sóng có thể được dùng. Kiểu bộ thu Dải điều chỉnh Thời gian điều chỉnh Điều chỉnh cơ 500 nm 1-10 ms Điều chỉnh nhiệt > 10 nm 1-10 ms Quang âm ~ 100 nm ~ 10 ms Quang điện 10-15 nm 1-10 ns Tinh thể lỏng 30-40 nm 0.5-10 ms Bảng 2.5 Các bộ thu: Dải điều chỉnh và thời gian điều chỉnh 1.3 Các suy giảm truyền dẫn Để xây dựng một hệ thống truyền thông các linh kiện được miêu tả ở trên được kết nối bằng các bộ lọc. Trong các hệ thống như vậy, một tín hiệu quang truyền từ bộ phát tới bộ thu phải gặp một số lỗi như: suy hao, tán sắc, phi tuyến, xuyên âm, nhiễu. 1.3.1 Suy hao Ngoài tổn thất công suất quang gây ra bởi các linh kiện, bộ lọc làm giảm công suất tín hiệu. Hình 2.6 chỉ ra suy hao của một sợi quang theo bước sóng. Đỉnh suy hao ở vùng 1400nm gây ra do sự không tinh khiết ion hydroxyl (OH-) trong sợi quang. Tuy nhiên, trong sợi Lucent đỉnh này được giảm đáng kể. Trong các hệ thống truyền thông quang ngày nay có ba dải được sử dụng là 0,85ms, 1,3ms, 1,55ms trong đó dải băng cuối cho suy hao thấp nhất vào khoảng 0,25 dB/km. 1.2 0.8 0.4 0 1000 1200 1400 1600 Bước sóng (nm) Suy hao (dB/km) Hình 2.6 Suy hao trong sợi quang 1.3.2 Tán sắc Tán sắc là bất cứ hiện tượng nào trong đó các thành phần khác nhau của tín hiệu được truyền dẫn di chuyển với tốc độ khác nhau trong sợi quang, dẫn đến thời điểm đến bộ thu khác nhau. Kết quả là độ rộng xung tăng lên và gây lên nhiễu giữa các kí hiệu (ISI). Do vậy, tán sắc sẽ giới hạn khoảng cách bit tối thiểu nghĩa là tốc độ bit tối đa. Tổng tán sắc phụ thuộc vào chiều dài tuyến nối. Các loại tán sắc quan trọng là tán sắc mode, tán sắc màu (vật liệu), tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc mode phân cực (PMD). Tán sắc mode Tán sắc mode xuất hiện chỉ trong sợi đa mode trong đó các mode khác nhau truyền ở tốc độ khác nhau. Rõ ràng là, trong các sợi đơn mode tán sắc mode là không xảy ra. Tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc ống dẫn sóng gây ra bởi truyền các bước sóng khác nhau phụ thuộc vào đặc tính của bước sóng như là các chỉ số và hình dạng của lõi sợi, vỏ. Sau khi đi vào một sợi đơn mode, một thông tin mạng xung ánh sáng được phân bố giữa lõi và vỏ. Phần lớn sẽ di chuyển bên trong lõi, phần còn lại sẽ nằm trong vỏ. Cả hai phần này di chuyển với tốc độ khác nhau vì lõi và vỏ có chỉ số chiết suất khác nhau. Tán sắc màu Tán sắc màu hay tán sắc vật liệu xuất hiện do các thành phần tần số khác nhau trong một xung (và cũng là tín hiệu với bước sóng khác nhau) di chuyển với vận tốc khác nhau do chỉ số chiết suất trong sợi quang là hàm của bước sóng. Thông thường nó được đo bằng đơn vị ps/nm.km, trong đó ps biểu thị độ rộng xung theo thời gian, nm là độ rộng phổ của xung, và km tương ứng với chiều dài tuyến. Các sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (SMF) có tán sắc màu có giá trị 17ps/nm.km ở vùng 1550nm. Gần đây, các sợi quang dịch tán sắc (NZ DSF) khác không được lắp đặt nhiều hơn. Bằng cách điều khiển tán sắc ống dẫn sóng, sợi NZ DSF có tán sắc màu nằm trong khoảng 1 đến 8 ps/nm.km hay -1 đến -8 ps/nm.km tại 1550nm. Ví dụ như sợi quang Alcatel's TeraLight Metro hoạt động ở khoảng cách 80-200 km mà không đòi hỏi bù tán sắc. Một ví dụ khác là sợi Corning MetroCor. Tán sắc âm của nó cho phép sử dụng các bộ laser DFB điều chế trực tiếp có chi phí thấp. Cả hai loại sợi quang này đều lắp đặt cho các mạng WDM nội thị để giảm chi phí và độ phức tạp của mạng. Tán sắc mode phân cực PMD xuất hiện khi lõi sợi không hoàn toàn tròn, đặc biệt trong khi lắp đặt. Do vậy, sự phân cực khác nhau của tín hiệu di chuyển với tốc độ khác nhau. PMD được chứng minh là chướng ngại nghiêm trọng trong các hệ thống tốc độ rất cao hoạt động ở tốc độ 10 Gb/s hoặc cao hơn. 1.3.3 Phi tuyến Khi công suất quang trong sợi quang là nhỏ, sợi quang có thể được xem là môi trường tuyến tính nghĩa là suy hao và chỉ số chiết suất của sợi là độc lập với công suất tín hiệu. Tuy nhiên, khi mức công suất là cao trong hệ thống thì các đặc tính phi tuyến sẽ tạo ra những giới hạn đáng kể trong các hệ thống tốc độ cao cũng như các hệ thống WDM. Các đặc tính phi tuyến có thể phân làm hai loại. Loại thứ nhất xảy ra do sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất vào công suất. Loại này bao gồm điều chế tự pha (SPM), điều chế chéo pha (CPM hay XPM) và hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM). Loại thứ hai do các hiệu ứng phân bố trong môi trường sợi vì sự tương tác giữa các sóng ánh sáng vơi các phono (sự dao động phân tử) trong môi trường silica. Hai hiệu ứng chính trong loại này là phân bố Raman kích thích (SRS) và phân bố Brillouin kích thích. Điều chế tự pha SPM gây ra bởi sự dao động của công suất của tín hiệu quang và dẫn đến sự biến đổi pha của tín hiệu. SPM dẫn đến việc mở rộng phổ của xung. Các biến đổi tức thời trong pha của tín hiệu gây ra bởi sự thay đổi trong mật độ tín hiệu sẽ dẫn tới các biến đổi tức thời của tần số quanh tần số trung tâm của tín hiệu. Đối với các xung rất ngắn, thành phần tần số bổ sung do SPM kết hợp với các hiệu ứng tán sắc vật liệu dẫn tới mở rộng hoặc nén xung trong miền thời gian từ đó ảnh hưởng tới tốc độ bit tối đa và tỉ lệ lỗi bit (BER). Điều chế chéo pha XPM là sự dịch pha của tín hiệu gây ra bởi sự thay đổi trong mật độ của một tín hiệu được truyền dẫn ở bước sóng khác nhau. XPM có thể dẫn tới mở rộng phổ không đối xứng, kết hợp với SPM và tán sắc cũng có thể ảnh hưởng tới dạng xung trong miền thời gian. Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM xảy ra khi hai bước sóng hoạt động ở tần số f1 và f2 trộn với nhau tạo ra các tần số như là 2f1-f2 và 2f2-f1. Các tín hiệu này có thể gây nhiễu nếu chúng chồng lấn với các tần số được sử dụng để truyền dẫn dữ liệu. Tương tự như thế, việc trộn có thể xảy ra với ba hoặc nhiều hơn sóng. Phân bố Raman kích thích SRS gây ra bởi sự tương tác giữa ánh sáng với sự dao động của phân tử. Sự va chạm của ánh sáng với các phân tử sẽ tạo ra một ánh sáng kích thích với một bước sóng dài hơn là ánh sáng tới. Một phần của ánh sáng di chuyển với tốc độ tại mỗi tần số sẽ bị dịch xuống qua vùng có các tần số thấp hơn. Ánh sáng tạo ra các tần số thấp hơn gọi là sóng Stokes. Phần công suất được chuyển xuống sóng Stokes tăng nhanh khi công suất của tín hiệu đến tăng. Trong các hệ thống đa bước sóng, các kênh sóng càng ngắn thì sẽ mất một phần công suất của nó cho các kênh sóng dài hơn. Để giảm lượng mất mát, công suất của mỗi kênh sóng phải nhỏ hơn một mức nhất định. Phân bố Brillouin kích thích SBS tương tự như SRS. Điểm khác là dịch tần bị gây ra bởi các sóng âm thay vì sự dao động của các phân tử. Các đặc tính khác của SBS là sóng Stokes truyền theo hướng ngược lại với sóng tới. Mật độ sóng phân bố SBS lớn hơn nhiều so với SRS, nhưng dải tần của SBS lại thấp hơn nhiều so với SRS. Để chống lại ảnh hưởng của SBS, người ta phải đảm bảo rằng công suất vào phải nhỏ hơn một ngưỡng nhất định. Trong các hệ thống đa bước sóng, SBS cũng gây ra xuyên âm giữa các kênh. Xuyên âm xảy ra khi hai sóng truyền đối nghịch khác nhau về tần số bằng đúng dịch Brillouin, khoảng 11 GHz đối với bước sóng 1550 nm. 1.3.4 Xuyên âm Xuyên âm làm giảm tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR từ đó dẫn đến tăng BER. Có hai loại xuyên âm: + Xuyên âm liên kênh: gây ra bởi các tín hiệu có tần số khác nhau. Xuyên âm liên kênh phải chú ý đến khi xác định độ rộng kênh. Trong một số trường hợp, xuyên âm liên kênh có thể loại bỏ được nhờ sử dụng các bộ lọc băng hẹp thích hợp. + Xuyên âm đồng kênh: gây ra bởi các tín hiệu có cùng tần số trong một sợi quang khác, do các đặc tính truyền dẫn không hoàn hảo của các linh kiện ví dụ như AWG chẳng hạn. Xuyên âm đồng kênh xuất hiện trong các node chuyển mạch/định tuyến trong đó các tín hiệu có cùng bước sóng được thực hiện chuyển mạch/định tuyến từ các tín hiệu vào khác nhau tới các đầu ra khác nhau. Dạng xuyên âm này đáng lo ngại hơn xuyên âm liên kênh vì nó không thể bị loại bỏ nhờ bộ lọc. 1.3.5 Nhiễu SNR được định nghĩa bằng các thuật ngữ nhiễu khác nhau. Đặc biệt phải quan tâm đến sự phát xạ tự phát bộ khuyếch đại (ASE) của các khuyếch đại sợi Erbium, nhiễu lượng tử của photodetector và nhiễu nhiệt của các bộ khuyếch đại điện. Sự phát xạ tự phát bộ khuyếch đại Một bộ EDFA quang khuyếch đại ánh sáng tới nhờ phát kích thích. Ngoài phát kích thích, phát tự phát cũng gây ra hiệu ứng xấu đối với hệ thống. Bộ khuyếch đại coi sự phát xạ tự phát như các tín hiệu tới khác và phát xạ tự phát được khuyếch đại cùng với luồng sáng tới. Kết quả là ASE sẽ trở thành nhiễu ở đầu ra của EDFA. Nhiễu hạt Một photodetector chuyển đổi tín hiệu quang thành một dòng quang điện. Khó khăn lớn nhất trong việc tái tạo bit là cùng với dòng quang điện còn có một dòng nhiễu hạt. Dòng nhiễu hạt xuất hiện do sự phân bố ngẫu nhiên của các electron được tạo ra bởi quá trình thu quang ngay cả khi dòng quang đến là không đổi (chú ý rằng dòng nhiễu hạt không cộng vào dòng quang mà chỉ xuất hiện trong sự biến đổi của dòng quang điện được tạo ra như một thành phần riêng rẽ). Nhiễu nhiệt Vì dòng quang điện là khá nhỏ nên nó được khuyếch đại thứ cấp bằng các bộ khuyếch đại điện. Bộ khuyếch đại điện này tạo ra một dòng nhiễu nhiệt bổ sung do sự chuyển động của các electron mà luôn xuất hiện ở các nhiệt độ thông thường. CHƯƠNG II. CÁC MẠNG WDM NỘI THỊ Các mạng nội thị nằm giữa các mạng truy nhập và mạng đường trục như được vẽ trên hình 1.3 chương I. MAN có một số đặc tính riêng cần phải xem xét khi thiết kế các giao thức và kiến trúc mạng nội thị: - Vùng phủ địa lí của MAN là có giới hạn. Thông thường, các MAN có đường kính từ 50 km tới 200 km, cung cấp đa dịch vụ tập trung ở khu vực đô thị. - Số lượng node trong một MAN phổ biến trong khoảng từ 10 tới 200 node. - So với các mạng đường trục, các MAN có hiệu quả chi phí hơn vì số lượng khách hàng ít hơn nhiều và lưu lượng trong MAN có tính bùng nổ hơn. - Trong khi tính chất lưu lượng trong các LAN và WAN đã được nghiên cứu, các kiểu lưu lượng trong MAN đang được nghiên cứu ở mức lý thuyết. - Trong khi các mạng lưới là khá phổ biến trong mạng đường trục, các mạng nội thị thường có mô hình sao, ring hoặc bus. Đồ án này sẽ tổng quan các mạng WDM nội thị khác nhau đã được giới thiệu một cách lí thuyết cho đến thời điểm hiện tại. Thông thường, các mạng WDM nội thị có cấu hình sao hoặc ring. 2.1 Các mạng WDM nội thị ring Hầu hết các mạng WDM nội thị ring được mô tả dưới đây hoạt động ở tốc độ đường là 2.5Gb/s. Vì các lí do thực tế nên hầu hết chúng được triển khai dạng các bộ thu cố định hơn là các bộ thu chuyển đổi được. 2.1.1 Mạng Komnet Mạng ba trường WDM nội thị Komnet bao gồm ba bộ kết hợp kênh xen/rẽ quang (OADM) được kết nối với nhau thông qua một mô hình ring hai hướng. Cấu trúc của một OADM được chỉ ra trên hình 3.1. Trên mỗi một sợi các bước sóng khác nhau có thể được lọc bằng cách dùng các lưới Bragg chuyển đổi được. Bằng cách sử dụng các bộ kết hợp bước sóng mật độ cao, các bước sóng các thể được xen vào mỗi sợi quang. Mỗi FBG có một tổn thất chèn tương đối nhỏ khoảng 0,1 dB. Các FBG có thể chuyển đổi cơ với dải ms. Do đó, Komnet rất thích hợp cho chuyển mạch kênh (Lambda), nhưng lại không hiệu quả cho chuyển mạch gói do thời gian chuyển đổi tương đối lớn đối với mỗi FBG. OADM OADM OADM DEMUX DEMUX Receivers Transmitters Receivers Combiners Circulator Tunable FBGs . . . . . . . . Hình 3.1. Mạng WDM nội thị KomNet 2.1.2 RINGO Mạng nội thị RINGO chuyển mạch gói là một mạng ring sợi đơn hướng. Nó bao gồm N node trong đó N bằng với số bước sóng. Mỗi node được trang bị một dãy các bộ phát cố định và một bộ thu cố định hoạt động ở bước sóng cho trước tương ứng với node đó. Node j tách bước sóng λj từ vòng ring. Do vậy, để truyền thông với node j, một node cho trước phải truyền dữ liệu bằng cách sử dụng laser hoạt động ở bước sóng λj, như được mô tả trên hình 3.2. Tất cả các bước sóng được chèn với chiều dài khe bằng với thời gian truyền của bói dữ liệu có kích thước cố định cộng với thời gian bảo vệ. Mỗi node kiểm tra trang thái của chiếm bước sóng (λ–giám sát) dựa trên khe thời gian để tránh xung đột nhờ tạo ra đa kênh theo xu hướng khe rỗng (Trong xu hướng khe rỗng, một bit tại đầu mỗi khe thời gian chỉ ra trạng thái của khe thời gian tương ứng nghĩa là nó có rỗi hay không). Cơ chế truy nhập này dành sự ưu tiên cho truyền bằng cách cho phép một node giám sát sử dụng chỉ các khe thời gian rỗi. Hình 3.2 Mạng nộ thị WDM RINGO Hình 3.3 Cấu trúc node RINGO Hình 3.3 thể hiện cấu trúc node một cách chi tiết hơn. Tại mỗi node tất cả các bước sóng đều được giải ghép kênh. Bước sóng cần tách được định tuyến tới một bộ thu trong khi trạng thái của các bước sóng khác được giám sát bởi khoảng trống 90/10 và một dãy các photodiode. Tiếp đó, các bước sóng được ghép kênh trong sợi ra. Với một bộ kết hợp 50/50 và một bộ điều chế ngoài, node tương ứng có thể gửi gói tin dữ liệu bằng cách kích hoạt một hoặc nhiều các bộ phát cố định. 2.1.3 HORNET HORNET là một mạng ring WDM đơn hướng. Tất cả các bước sóng được chèn vào khe với chiều dài khe bằng với thời gian truyền của một gói kích thước cố định (cộng với thời gian bảo vệ). Mỗi bước sóng được chia sẻ bởi một vài node để tiếp nhận dữ liệu. Tất cả các node được trang bị một bộ phát chuyển đổi nhanh và một bộ thu mode cố định. Cấu trúc node bao gồm một bộ quản lí khe thời gian, mọt bộ tách thông minh và một khối chèn thông minh như hình 3.4 Hình 3.4 Cấu trúc node HORNET Truy cập tới tất cả các bước sóng được điều khiển nhờ giao thức MAC truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột (CSMA/CA). Khi một node truyền một gói tin nó ghép sóng âm thứ cấp vào gói tin tại một tần số thứ cấp tương ứng với bước sóng mà gói tin chuẩn bị truyền. Do vậy, tất cả các gói tin trên vòng mang cùng với nó một sóng âm ghép kênh thứ cấp biểu thị bước sóng mà chúng chiếm. Để cảm nhận, bộ quản lí khe thời gian chỉ cần tách một lượng nhỏ công suất quang và xác định nó bằng một photodiode. Như được mô tả trên hình 3.5, dữ liệu trên tất cả các bước sóng xung đột tại băng gốc trong khi bỏ lại các tần số sóng mang thứ cấp (được điều chế ASK hoặc FSK) không bị ảnh hưởng. Sự vắng mặt của âm thứ cấp chỉ ra sự vắng mặt của bước sóng tương ứng. Điều này cho phép node đó xác định liệu bước sóng đó là rỗi hay bận. Nếu như bước sóng đó của node đích tương ứng là rỗi, node cảm nhận sẽ truyền gói tin bằng cách sử dụng khối chèn thông minh của nó. Mỗi khối sử dụng khỗi tách thông minh của nó (xem hình 3.4) để thu trên bước sóng gắn sẵn cố định của nó. Tần số sóng mang thứ cấp tương ứng được điều chế FSK và mạng địa chỉ đích của gói tin tương ứng. Nếu địa chỉ đích gói tin không phù hợp với địa chỉ node, node đó sẽ chuyển tiếp gói tin bằng cách sử dụng khối chèn thông minh. Giao thức MAC CSMA/CA có thể mở rộng để hỗ trợ các gói tin IP có kích thước thay đổi. Bằng cách bổ sung một ring sợi theo hướng ngược lại, HORNET có thể chống lại lỗi sợi/node. Hình 3.5: Cấu trúc của quản lý khe thời gian 2.1.4 IEEE 802.17 RPR Hiện nay IEEE 802.17 và IETF WG IPoRPR đang làm việc để có một chuẩn mới cho các mạng ring nội thị. 2.2 Các mạng WDM nội thị hình sao Các mạng WDM nội thị hình sao có thể dựa trên PSC hoặc AWG. Trong các mạng hình sao dưới đây, truyền thông giữa hai cặp node bất kì - có thể chuyển mạch kênh hoặc chuyển mạch gói - xảy ra đơn chặng nghĩa là dữ liệu được truyền không phải xử lí và chuyển tiếp qua các node trung gian. 2.2.1 RAINBOW RAINBOW là một mạng WDM nội thị do IBM khởi xướng dựa trên một PSC. Như được mô tả trên hình 3.6 mạng này gồm 32 node. Mỗi node được trang bị với một bộ phát cố định với một bước sóng dành riêng và một bộ thu điều chỉnh được. Tất cả các bộ thu sử dụng một bộ lọc Fabry-Perot điều chỉnh được với tốc độ điều chỉnh là 1ms. RAINBOW hướng tới xu hướng chuyển mạch kênh song công. Các mạch giữa các node được thiết lập và loại bỏ bằng cách dùng giao thức tìm kiếm vòng. Để thiết lập một kết nối, một node liên tục quảng bá một bản tin yêu cầu kết nối trên một bước sóng được gán trước cho nó. Đích mong muốn, nếu rỗi, dò tìm bộ lọc điều chỉnh được của nó đối với tất cả các bước sóng để tìm kiếm một bản tin như vậy và khoá đối với một bước sóng nếu nó gặp một bước sóng như vậy. Sau đó nó gửi trở lại một bản tin chấp nhận kết nối mà phía khởi tạo tìm kiềm trong khi nó kiểm tra tất cả các bước sóng. Trong RAINBOW 1, mỗi node có khả năng gửi dữ liệu ở tốc độ 300Mb/s. Trong RAINBOW 2, ngược lại, tốc độ tại mỗi node là 1Gb/s. Hình 3.6 Mạng nội thị sao RAINBOW của IBM 2.2.2 Telstra Mạng Telstra sử dụng một AWG trung tâm (mà không đi kèm với bất cứ bộ kết hợp và bộ chia nào) như là một bộ định tuyến bước sóng thụ động cho các mạng WDM liên kết với nhau trong một mô hình sao như được thể hiện trong hình 3.7. Hình 3.7 Mạng nội thị kết nối nhiều vòng dựa trên Telstra’s AWG Mỗi node dùng các bộ thu phát cố định. Bằng cách kích hoạt các bộ thu phát khác nhau, mỗi node có khả năng gửi dữ liệu tới các mạng ring khác thông qua AWG định tuyến theo bước sóng. Điều quan trọng trong kiến trúc này là thực ra hai ring bất kì kết nối trực tiếp với nhau thông qua một AWG trung tâm. 2.2.3 NTT NTT là một mạng WDM nội thị hình sao dựa trên một AWG kết nối 32 node lại với nhau. Như trong hình 3.8, mỗi node có 32 bộ thu phát cố định. Mỗi bộ thu phát hoạt động ở một bước sóng khác nhau sao cho mỗi cặp node bất kì có thể truyền thông qua đơn chặng duy nhất với tốc độ 10Gb/s. Với đường kính mạng 20km thì không cần một bộ khuyếch đại quang nào. Mạng có thể mở rộng tới 96 node cho phép dung lượng mạng lên tới 96x96x10Gb/s = 92Tb/s. Hình 3.8 Mạng WDM nội thị hình sao dựa trên NTT’s AWG Một mạng biến đổi trong đó mỗi node được trang bị chỉ hai bộ phát cố định (và n bộ thu, trong đó n là số lượng node) được trình bày trong [OSS+01]. Mỗi node truyền các gói dữ liệu ở cùng bước sóng 1,55mm và các tiêu đề gói tin tương ứng ở bước sóng 1,33mm. Để cho phép truyền thông đơn chặng giữa bất cứ cặp node nào, các bước sóng phải được chuyển đổi tại một AWG trung tâm. Hình 3.9 mô tả một tiêu đề và gói tin đến từ một node cho trước tới một AWG trung tâm. Một coupler WDM định tuyến gói tin phải truyền để đến được node đích tương ứng. Gói tin dữ liệu được khuyếch đại và chuyển tiếp tới bộ chuyển đổi bước sóng. Bộ này bao gồm nhiều nguồn quang mỗi cái hoạt động ở bước sóng khác nhau. Nhờ sử dụng các cổng khuyếch đại quang (SOA) và điều chế thu thập chéo (XGM), gói tin tới sẽ được chuyển đổi thành bước sóng đích. Sau khi vượt qua bộ kết hợp kênh AWG sẽ định tuyến gói tin theo bước sóng tới node đích tương ứng. Hình 3.9 Cấu trúc của NTT’s AWG trung tâm với bước sóng chuyển đổi 2.3 Các mạng WDM đơn chặng Khái niệm của truyền thông đơn chặng không chỉ giới hạn trong các mạng WDM nội thị. Nó cũng được áp dụng trong các mạng WDM diện rộng, các mạng nội hạt, các chuyển mạch, và các kết nối tốc độ cao giữa các bộ vi xử lí và các bộ nhớ. Vài mạng WDM đơn chặng đã được làm và đang ở giai đoạn thử nghiệm. SONATA là một mạng đơn chặng quốc gia dựa trên AWG không gian tự do với các dãy được gắn lại với nhau của các bộ chuyển đổi bước sóng và một bộ điều khiển tài nguyên trung tâm. Các ví dụ cho các LAN WDM đơn chặng là Bellcore LAMBDANET, Fairnet, STARNET của đại học Stanford, SYMFONET. Các ví dụ về các chuyển mạch dựa trên WDM đơn chặng được cung cấp bởi chuyển mạch quang tử của phòng thí nghiệm AT&T Bell, Bellcore’FOX, BHYPASS và một chuyển mạch ATM quang tử. LIGHTNING là một ví dụ cho các hệ thống truyền thông đa vi xử lí WDM đơn chặng. Vì lí do chi phí, mỗi node trong các mạng WDM đơn chặng triển khai một số lượng bộ thu phát nhỏ mà thông thường là nhỏ hơn số lượng bước sóng có sẵn để truyền/nhận tin. Để tăng cường hiệu quả mạng tất cả các bước sóng phải luôn được sử dụng tại một thời điểm cho trước. Có thể đạt được điều này nếu mỗi bước sóng được sử dụng bởi các tập con các node khác nhau. Tuy nhiên, nếu các bộ thu của mỗi node là cố định thì mỗi node không thể nhận được tất cả các bước sóng vì số lượng giới hạn của các bộ thu phát trong mỗi node. Kết quả là các mạng đơn chặng với các bộ thu phát cố định trong mỗi node không có khả năng cung cấp kết nối hoàn toàn. Vấn đề này có thể được giải quyết hoặc bằng cách trang bị cho mỗi node một bộ thu phát cố định cho mỗi bước sóng hoặc làm cho mỗi node chuyển tiếp gói tin tới node đích nghĩa là hình thành mạng đa chặng. Các mạng đơn chặng trong đó bất cứ kết nối nào cũng có thể hình thành nếu các bộ thu và/hoặc bộ phát ở mỗi node là chuyển đổi được. Để làm được như vậy, mỗi node truy nhập được tới tất cả các bước sóng và có khả năng gửi và/hoặc nhận các gói tin ở bất kì bước sóng nào (trong dải chuyển đổi của bộ thu phát). Theo những cấu trúc node khác nhau, các mạng WDM đơn chặng có thể được phân loại như sau: - Bộ thu cố định và bộ phát cố định (FT-FR) - Bộ phát cố định và bộ thu điều chỉnh được (FT-TR) - Bộ phát điều chỉnh được và bộ thu cố định (TT-FR) - Bộ phát điều chỉnh được và bộ thu điều chỉnh được (TT- TR) Hầu hết tất cả các mạng WDM đơn chặng được báo cáo trong lí thuyết đều dùng một cấu trúc node là phát chuyển đổi được và/hoặc thu chuyển đổi được thay vì một dãy các bộ thu phát cố định (một bộ cho mỗi bước sóng). Trong các mạng như thế các gói tin có thể gặp phải xung đột kênh và xung đột bộ thu. Xung đột kênh xảy ra khi hai hay nhiều node truyền đồng thời cùng một bước sóng. Xung đột bộ thu xảy ra khi một gói tin được truyền không xung đột ở một bước sóng cho trước tới một node đích mà bộ thu của nó đã được bật sang một bước sóng khác. Do đó, gói tin không được thu bởi node đích, dẫn đến xung đột bộ thu (còn được gọi là xung đột phía thu). Để làm giảm hoặc loại bỏ hoàn toàn các xung đột này, truy nhập bước sóng phải được phân xử bởi một giao thức MAC. Như hình 3.10 chỉ ra các giao thức MAC cho các mạng WDM đơn chặng có thể được chia làm phân bổ trước, truy nhập ngẫu nhiên, đặt trước trong đó nhóm các giao thức đặt trước có thể được chia nhỏ hơn thành các giao thức báo và truyền và các giao thức thử và chờ. Ngoài ra còn có các giao thức là lai giữa các giao thức đã đề cập ở trên. Trong các phần kế tiếp hoạt động cơ bản và các ví dụ của các loại giao thức MAC khác nhau sẽ được trình bày. Các giao thức MAC đơn hop Phân phối trước Truy nhập ngẫu nhiên Dành trước Lai (hỗn hợp) Tell- and- go Attempt-and-defer Hình 3.10 Phân loại các giao thức MAC của mạng WDM đơn chặng Phần còn lại của chương sẽ chỉ ra báo cáo trước đây về các giao thức MAC cho các mạng WDM đơn chặng. Đối với mỗi loại giao thức MAC cần phân loại giao thức và giao thức không xung đột bộ thu. 2.3.1 Các giao thức phân bổ trước Các giao thức có xung đột bộ thu Giao thức phân bổ trước tài nguyên dùng cho các mạng sao và bus. Mỗi node được trang bị cả hai TT-TR hoặc một trong hai điều chỉnh được (FT-TR hoặc TT-FR). Giao thức truy nhập này gán mỗi truyền dẫn được phép tới các node tài nguyên trong một kiểu TDMA vòng kín cố định trong đó mỗi vòng gồm [N/W] khe có cùng chiều dài. Trong mỗi khe, W node tài nguyên khác nhau được cho phép truyền dẫn tới bất cứ đích nào, mỗi node tài nguyên gửi trên một bước sóng riêng. Giao thức này tránh được xung đột kênh nhưng vẫn có thể có xung đột bộ thu nếu có nhiều hơn một node trong W node truyền đồng thời gói tin tới cùng một node đích. Tình huống này xảy ra nhiều khi tải lưu lượng là từ trung bình tới cao và W » N. Với W << N và/hoặc tải lưu lượng thấp các xung đột bộ thu xảy ra ít hơn vì các gói tin truyền dẫn ít khi bị định tuyến tới cùng một node đích. Thực tế là mỗi node sử dụng khe phân bổ để truyền bất cứ một trong số (N-1) node đích nào nên các bước sóng được tận dụng một cách hiệu quả hơn. Tuy nhiên, đối với mô hình tải lưu lượng trung bình đến cao và lưu lượng không bùng nổ có lí do để gán mỗi node tài nguyên (N-1) khe, mỗi một cho node đích. Các giao thức mà không xung đột bộ thu Một cải biến của giao thức được đề cập ở trên là giao thức phân bổ nguồn/đích. Trong giao thức này mỗi vòng gồm [N(N-1)/W] khe có cùng kích thước nghĩa là số lượng khe trong mỗi vòng được tăng lên một lượng (N-1) so với giao thức phân bổ nguồn. Bằng cách phân bổ một khe riêng cho mỗi cặp đích nguồn trong mỗi vòng, cả xung đột kênh và bộ thu đều được loại bỏ. Nhưng sự tận dụng kênh lại giảm và trễ lớn hơn cho lưu lượng không có tính bùng nổ hay tải lưu lượng từ thấp tới trung bình. Một giao thức TDMA vòng kín không xung đột khác được sử dụng trong mạng PSC và mỗi node có một kiến trúc TT-FR. Các bước sóng được gán cố định cho một hoặc nhiều node. Do đó các bộ thu không thể được chuyển đổi sang bất cứ một bước sóng nào khác để tránh xung đột bộ thu. Vì các bộ thu không phải điều chỉnh được nên độ phức tạp trong hoạt động và triển khai của mạng được giảm xuống. Mạng này dựa trên một PSC và mỗi node có cấu trúc TT-FR. Ở mỗi node thu trên FSR của bộ thu các đặc tính lọc thông dải đa bước sóng của bộ thu được dùng, dẫn đến số lượng bước sóng cho phép là rất lớn. Tuy nhiên, bộ phát ở mỗi node phải chuyển đổi được trong một FSR bộ thu để cho phép kết nối hoàn toàn. Do vậy, xu hướng này tăng số lượng kênh trong khi rất tốn kém cho bộ phát với thời gian điều chỉnh nhỏ. Để tránh xung đột bộ thu, các bước sóng được gán trước theo một cách mà mỗi node được phép nhận dữ liệu chỉ trên một FSR ở một thời điểm cho trước. Mạng dựa trên một PSC với cấu trúc TTi-TRj (1 ≤ i,j ≤ W) (thuật toán xếp thời gian biểu) được đề xuất tránh được cả hai loại xung đột. Nó bao gồm các khung được thay thế theo chu kì. Mỗi khung bao gồm các khoảng thời gian truyền và khoảng điều chỉnh bộ thu phát. Nó đã chỉ ra rằng vấn đề tối thiểu hoá cả hai khoảng trên được tính toán tương tác và do đó được chia làm hai vấn đề con. Một cơ chế gán TDMA/WDMA vòng kín cố định cho các bản tin thời gian thực dựa trên một PSC và cấu trúc node là FT-TR, TT-FR hoặc TT-TR. Xếp lịch TDMA/WDMA là hoàn toàn không xung đột và cung cấp bảo đảm thời gian xác định trước cho các bản tin với một giới hạn phân phát cho trước trong khi tối thiểu hoá số lượng bước sóng cần thiết. 3.3.2 Các giao thức truy nhập ngẫu nhiên Các giao thức có xung đột bộ thu Một giao thức hoàn toàn phân bổ dựa trên một PSC hay bus có cấu trúc node là TT-TR. Tất cả các bước sóng được đưa vào khe với độ dài khe bằng với thời gian truyền dẫn gói tin. Bất cứ node nào với gói tin gửi đều được phép truyền dẫn gói tin trong một bước sóng được lựa chọn ngẫu nhiên tại khởi đầu mỗi khe. Cả hai loại xung đột đều có thể xảy ra đặc biệt với tải lưu lượng trung bình đến cao. Các giao thức không xung đột bộ thu Giao thức phân bổ đích cho phép tất cả các node gửi một gói tin tại khởi đầu khe. Mạng dựa trên một PSC hoặc bus và mỗi node có cấu trúc một TT-FR hoặc một TT-TR. Trong khi xung đột kênh có thể xảy ra thì xung đột bộ thu bị loại bỏ bằng cách gán mỗi bước sóng tới các bộ thu khác nhau trong mỗi khe. Một chu kì bao gồm nhiều khe và được lặp lại một cách tuần hoàn. Trong mỗi chu kì tất cả các node có cơ hội gửi gói tin tới bất kì đích nào. Một giao thức truy nhập ngẫu nhiên tương tự được sử dụng dựa trên một PSC. Để đơn giản hoá hoạt động và triển khai mỗi node được phân bổ một bước sóng (kênh) cố định để nhận trong khi bộ phát là điều chỉnh được (TT-FR), nghĩa là xung đột bộ thu bị loại bỏ. Tất cả các bước sóng được gán khe ngang nhau và mỗi node có thể truyền dẫn một gói tin tại thời điểm bắt đầu khe, có thể dẫn tới xung đột kênh. Hai giao thức trên là giống với ALOHA gán khe được mở rộng cho môi trường đa kênh. Hai biến thể của ALOHA gán khe đa kênh khác nhau trong các giới hạn đồng bộ. Giao thức thứ nhất được gán khe trong các giới hạn khe rất nhỏ trong khi giao thức thứ hai mỗi khe dài hơn và bao gồm L khe con bằng với chiều dài gói trong đó L≥ 1. Giao thức truy nhập ngẫu nhiên thứ hai cho thông lượng cao hơn giao thức đầu do đã giảm thời gian không được bảo vệ và do đó giảm xung đột kênh. Quan trọng hơn đối với một số lượng nhỏ bước sóng sẽ thuận tiện hơn để sử dụng tất cả các bước sóng để truyền dẫn dữ liệu thay vì dùng một bước sóng khác để điều khiển và đặt trước như thường được làm trong các giao thức đặt trước. Kênh dữ liệu bổ sung sẽ trở nên kém lợi thế hơn khi số lượng các bước sóng tăng. Đối với tải hệ thống thấp, ALOHA gán khe đa kênh thực hiện TDMA ngẫu nhiên theo nghĩa là thông lượng và trễ và ngược lại cho môi trường tải lưu lượng từ trung bình đến cao vì TDMA không bị xung đột kênh. Hiệu năng của cả hai mạng là tốt nhất khi các bộ phát ở mỗi node có thể chuyển s._.chu kỳ phân phối. Sijl: là số lượng khe rỗi trong l khoảng rỗiij (1£ l £ nij) Đầu tiên chúng ta sẽ tính toán Res(sijl, ) tức là giá trị mong muốn của phần dư thời gian người dùng (i, j) bận trong l khoảng rỗi với chiều dài sijl khe. Res(sijl, ) = (4.26) = (4.27) Qij là giá trị thời gian bận trung bình của người dùng (i,j) trong mỗi khoảng rỗi Qij = (4.28) = (4.29) Vì vậy, sử dụng phương trình (4.17) và (4.25) có thể tính toán được khả năng thông của mạng và trễ hàng đợi trung bình. Xác suất va chạm là xác suất một gói đến một node bận. Giả sử lưu lượng của tất cả người dùng đồng nhất như nhau. Vì vậy, bất kì người dùng ảo (i, j) đều được xem xét. Sử dụng (4.22) và (4.23) xác suất va chạm có thể được tính như sau: PB = (4.30) Tính toán với một số thông số Chúng ta so sánh mạng đơn chặng dựa trên AWG và PSC về mặt thông lượng, trễ và tổn thất gói tin với số lượng node truyền thông đồng thời N khác nhau. Nhắc lại rằng trong mạng dựa trên AWG chỉ cần bước sóng trong khi mạng PSC cần N bước sóng. Độ rộng kênh được giả thiết là 200GHz (1,6nm tại 1,55mm). Các bộ thu phát quang điện chuyển đổi nhanh được giả thiết là có dải chuyển đổi 10nm và thời gian chuyển đổi 10ns trong khi các bộ thu phát quang âm có dải chuyển đổi 100nm với thời gian chuyển đổi 10ms. Kết quả, các bộ thu phát chuyển đổi nhanh có thể triển khai khi số lượng bước sóng không lớn hơn 7. Nếu không các bộ thu phát quang âm hoặc cơ chuyển đổi được phải được sử dụng. Các gói tin được giả thiết có kích thước cố định 104bit, được truyền/thu ở tốc độ tuyến là 10Gbit/s. Do đó thời gian chuyển đổi bình thường hoá t sẽ bằng 10-2 cho các bộ thu phát quang điện và bằng 10 cho các bộ thu phát quang âm. Cần nhắc lại rằng các bước sóng được gán theo lược đồ TDM vòng lặp gán khe. mỗi khe gồm thời gian truyền dẫn gói tin và thời gian chuyển đổi bộ thu phát. Để thể hiện chúng ta biểu diễn các điểm với cho các giá trị nhỏ của N Î{4,9,16}. Như chúng ta sẽ thấy khi tăng N sự khác biệt hiệu năng giữa mạng đơn chặng dựa trên AWG và PSC sẽ trở lên rất rõ. Hình 3.18 thể hiện thông lượng (được cho dưới dạng các gói tin/thời gian truyền dẫn gói tin) và tốc độ đến trung bình l (dưới dạng gói tin/thời gian truyền dẫn gói tin). Mạng dựa trên AWG rõ ràng hơn hẳn mạng dựa trên PSC. Với N=4 số lượng bước sóng cần thiết là đủ nhỏ để sử dụng các bộ thu phát chuyển đổi nhanh trong cả hai mạng. Với NÎ{9,16}, ngược lại, các bộ thu phát quang điện chỉ được sử dụng trên mạng AWG. Trong mạng dựa trên PSC phải sử dụng các bộ thu phát quang âm có trễ chuyển đổi lớn hơn nhiều so với bộ thu phát quang điện. Kết quả là độ tận dụng kênh giảm đáng kể dẫn tới giảm thông lượng tổng. Nói chung, thông lượng tổng tăng theo l. Chú ý mạng dựa trên PSC sẽ bão hoà sớm hơn (nghĩa là tại tải lưu lượng thấp hơn). Có điều này bởi vì khe thời gian dài hơn dẫn tới chiều dài trong một khung một người sử dụng sẽ có nhiều khả năng bị nghẽn (dự trữ=nghẽn) khi mà khe thời gian tương ứng được gán cho nó. Nhờ thời gian chuyển đổi không đáng kể của các bộ thu phát quang điện nên thông lượng tổng tối đa của mạng AWG là xấp xỉ bằng N. Nó bằng với dung lượng của mạng. Với N lớn hơn thì thông lượng tăng trong cả hai mạng vì có nhiều bước sóng hơn sẽ dẫn tới mức độ đồng bộ cao hơn và dẫn tới thông lượng tổng được tăng lên. Hơn thế, sự bão hoà xảy ra tại tải thấp hơn vì chiều dài khung là dài hơn. Với N lớn hơn (nghĩa là khung dài hơn) một người sử dụng có nhiều kn bị nghẽn khi khe tương ứng được phân bổ cho nó. Cần chú ý rằng sự khác biệt thông lượng giữa hai loại mạng đơn chặng trở nên rõ ràng hơn khi tăng N. Tængkh¶ n¨ng th«ng 0.5 0.0 1.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 PSC AWG PSC & AWG N = 9 N = 16 N = 4 Tèc ®é ®Õn trung b×nh Hình 3.18 Tổng khả năng thông (các gói/thời gian truyền một gói) và tốc độ đến trung bình (gói/thời gian truyền dẫn một gói) Trong hình 3.19 thể hiện trễ hàng đợi trung bình (dưới dạng thời gian truyền dẫn gói tin) và tốc độ đến trung bình l (dưới dạng thời gian truyền dẫn gói tin/gói tin) đối với các gói tin không nghẽn. Một lần nữa mạng dựa trên AWG rõ ràng hơn hẳn mạng dựa trên PSC đặc biệt với N lớn. Trong cả hai mạng trễ hàng đợi trung bình đều tăng và sự bão hoà xảy ra sớm hơn khi N tăng vì kích thước của khung tăng lên. Với tải cao trễ hàng đợi trung bình trong cả hai mạng tiếp cận giá trị tối đa. Giá trị này bằng với chiều dài khung (N-1)x(1+t). Chú ý rằng trễ hàng đợi trung bình bị chặn trên vì mô hình phânn tích của chúng ta giả thiết sử dụng các bộ đệm gói tin riêng cho mỗi người sử dụng. Nếu bộ đệm đó đã chứa một gói tin thì gói tin mới đang đến sẽ bị loại bỏ và không được bổ sung vào trễ hàng đợi trung bình. Hàng đợi trung bình 0.5 0.0 1.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 PSC AWG PSC & AWG N = 9 N = 16 N = 4 Tèc ®é ®Õn trung b×nh Hình 3.19 Hàng đợitrung bình (thời gian truyền một gói) và tốc độ đến trung bình (gói/thời gian truyền dẫn một gói) Hình 3.20 thể hiện trễ hàng đợi trung bình (thời gian truyền dẫn gói tin) và thông lượng tổng (các gói tin/trễ thời gian truyền dẫn gói tin) cho các gói tin không bị nghẽn. Hình cũng chỉ ra rõ ràng rằng với N mạng dựa trên AWG hơn hăng mạng dựa trên PSC ở các khía cạnh thông lượng và trễ. Xác suất nghẽn theo hàm của tốc độ đến trung bình l (gói tin/thời gian truyền dẫn gói tin) được thể hiện trong hình 3.21. Chúng ta thấy rằng với N Î {9,16} các node nghẽn trong mạng PSC chịu trễ hàng đợi trung bình lớn hơn so với mạng AWG. Kết quả là trong mạng PSC các gói tin mới đến sẽ thấy các bộ đệm dường như đã đầy với xác suất cao hơn so với mạng AWG. Điều này lại dẫn tới xác suất nghẽn cao hơn. Với N xác suất lỗi tăng sớm hơn vì kích thước của khung tăng. TrÔ hµng ®îi trung b×nh 12 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 PSC AWG PSC & AWG N = 9 N = 16 N = 4 Tæng kh¶ n¨ng th«ng H×nh 3.20 TrÔ hµng ®îi trung b×nh (thêi gian truyÒn gãi) vµ tæng kh¶ n¨ng th«ng (c¸c gãi/thêi gian truyÒn gãi) 180 2 4 8 10 14 16 Chú ý rằng với các hệ thống ngoài thực tế các tỷ lệ tổn thất gói tin cao như vậy là không thể chấp nhận được. Có ba giải pháp cho vấn đề này: - Hệ thống chỉ chạy ở tải lưu lượng thấp. Xu hướng này không hấp dẫn vì tại tải thấp thì thông lượng tổng cũng thấp. - Các bộ đệm gói tin duy nhất được thay thế bởi các bộ đệm lớn hơn. Để làm được như vậy, các tin đang đến được lưu trữ lại, dẫn tới xác suất nghẽn thấp hơn trong khi vẫn cung cấp một thông lượng chấp nhận được.Được xem xét sau - Giải pháp thứ 3 là biến đổi dạng lưu lượng Biến đổi lưu lượng có mục tiêu làm giảm tính bùng nổ của lưu lượng đến sao cho thời gian đến trở nên có tính xác định. Có thể dễ dàng thực hiện điều này bằng cách sử dụng phương pháp “gáo dò”. Phương pháp này đưa các gói tin vào mỗi bộ đệm của một node với tốc độ không đổi. Tốc độ truyền dẫn của bộ biến đổi phải không lớn hơn tốc độ dịch vụ cho mỗi người sử dụng để tránh tràn gói tin và do đó tránh tổn thất gói tin trong các bộ đệm gói tin. Giới hạn trên của tốc độ truyền dẫn bộ biến đổi được cho bởi Rate ≤ 1 (4.31) (N-1)(1+t) X¸c suÊt blocking 0.5 0.0 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 PSC AWG PSC & AWG N = 9 N0 = 16 N = 4 Tèc ®é ®Õn trung b×nh H×nh 3.21 X¸c suÊt Blocking vµ tèc ®é ®Õn trung b×nh (gãi/thêi gian truyÒn gãi) Nói đơn giản có nghĩa là bộ biến đổi được cho phép tối đa một gói tin trong một bộ đệm gói tin cho trước trong một khung. Khung này gồm (N-1)x(1+t) khe. Sẽ không có tin nào bị tổn thất tại mỗi bộ đệm gói tin người sử dụng nếu bộ biến đổi đẩy các gói tin với một tốc độ nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn này. Hình 3.22 chỉ ra tốc độ truyền dẫn bộ biến đổi tối đa và số lượng node truyền thông đồng thời N. Như vậy mạng dựa trên AWG bộ biến đổi được cho phép truyền dẫn gói tin tại tốc độ cao hơn trong mạng dựa trên PSC. Trễ hàng đợi trong mỗi bộ đệm gói tin bị chặn trên theo công thức: Hàng đợi ≤ (N-1).(1+t) Tèc ®é lín nhÊt cña bé s¾p xÕp 101 100 102 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 AWG PSC 103 Sè l­îng node m¹ng N H×nh 3.22 Tèc ®é lín nhÊt cña bé s¾p xÕp vµ sè l­îng node m¹ng N (Tèc ®é ®­êng lµ R = 2.5 Gb/s) 10-1 100 Nó bằng với số lượng khe giữa hai sự cho phép truyền dẫn liền kề cho một người sử dụng. Giới hạn trên này được vẽ trong hình 3.23. Một lần nữa chúng ta thấy rằng nhờ tái sử dụng bước sóng trong không gian và tổn hao chuyển đổi bộ thu phát nhỏ hơn nên mạng đơn chặng dựa trên AWG hơn hẳn mạng dựa trên PSC. TrÔ hµng ®îi lín nhÊt 101 100 102 100 101 102 103 104 10-5 106 AWG PSC 103 Sè l­îng node m¹ng N H×nh 3.23 TrÔ hµng ®îi lín nhÊt vµ sè l­îng node m¹ng N (Tèc ®é ®­êng lµ R = 2.5 Gb/s) * Kết luận Các bộ thu phát chuyển đổi nhanh cung cấp một thời gian chuyển đổi không đáng kể với dải chuyển đổi nhỏ. Kết quả là các kênh được tận dụng hiệu quả hơn nhưng chỉ với một số lượng nhỏ các bước sóng tại mỗi cổng của mạng đơn chặng dựa trên AWG của chúng ta. Tuy nhiên, nhờ tái sử dụng bước sóng trong không gian số lượng các kênh truyền thông tăng đáng kể. Điều này cho phép một số lượng tương đối lớn các node thu/phát đồng thời không chịu ảnh hưởng trễ chuyển đổi bộ thu phát lớn. Sự mở rộng tái sử dụng bước sóng theo không gian được quyết định chủ yếu bởi xuyên âm kênh của AWG. Với một số lượng node cho trước chúng ta đã so sánh một mạng đơn chặng dựa trên AWG và một mạng đơn chặng dựa trên PSC với giả thiết tuân theo một lược đồ gán bước sóng TDM vòng lặp cố định. Mạng AWG là hơn hẳn so với mạng PSC về mặt thông lượng, trễ, tổn thất gói tin. Điều này là bởi vì thực tế AWG, khác với PSC, cho phép tái sử dụng bước sóng trong không gian tại mỗi cổng dẫn trong một dải chuyển đổi bộ thu phát cần thiết khá nhỏ nhờ số lượng bước sóng là nhỏ. Nhờ thời gian chuyển đổi bộ thu phát nhỏ hơn nên nó làm tăng độ tận dụng kênh và tăng hiệu năng trễ thông lượng của mạng AWG so với mạng PSC. Chú ý rằng gán bước sóng cố định (tĩnh) được dùng ở trên chỉ phù hợp cho lưu lượng đồng dạng và không bùng nổ tại tải hệ thống từ trung bình tới cao. Với lưu lượng dữ liệu bùng nổ ví dụ như trong mạng truyền thông máy tính, một phần lớn của các khe gán cố định là không được sử dụng nên làm giảm độ tận dụng kênh và lãng phí băng thông. Với lưu lượng bùng nổ các bước sóng phải được phân bổ động theo nhu cầu để nâng cao hiệu năng trễ thông lượng của mạng. Tóm lại với cấu trúc hình sao sử dụng AWG như la một HUB trung tâm thực sự tỏ ra có ưu thế chúng cung cấp một số lợi thế như là tính trong suốt với giao thức, khuôn dạng điều chế và tốc độ bit, quản lý đơn giản, giảm yêu cầu xử lý node và nâng cao hiệu năng trễ thông lượng nhờ nâng cao độ tận dụng kênh và trễ chuyển đổi nhỏ hơn. Mặc dù chi phí của nó là khá cao nhưng mà theo như xem xét thì việc sử dụng một bộ chuyển duy nhất thì vẫn có tính hiệu quả về kinh tế. Hơn nữa cấu trúc này cho phép tái sử dụng bước sóng trong không gian nên phải sử dụng ít hơn các bước sóng vì thế mạng đơn chặng dựa trên AWG hơn hẳn mạng đơn chặng dựa trên PSC về mặt thông lượng, trễ và tổn thất gói tin,một số lượng lớn các giá trị thông số đối với cả các lưu lượng thời gian thực và không thực. 3.3. Giao thức MAC Một giao thức MAC trong mạng đề xuất vì 3 lý do sau: * Bình thường, lớp mạng có trách nhiệm chuyển đổi gói. Tuy nhiên, khi xem xét một mạng đơn chặng, không có các node trung gian và tuyến khác để chọn. Vì thế, trong cấu trúc của chúng ta, lớp mạng không có mặt và việc chuyển đổi gói do lớp phụ MAC đảm nhận. * Mỗi node được trang bị một bộ phát đơn có thể điều chỉnh và một bộ thu đơn có thể điều chỉnh để phát và thu dữ liệu. Để hiệu quả với mạng chuyển mạch gói thi nên sử dụng khai bộ phát có thể điều chỉnh nhanh. * Vì các đặc tính định tuyến của AWG mỗi máy thu phát phải được điều chỉnh qua ít nhất một FSR chung để cung cấp sự kết nối hoàn toàn trong một chặng đơn. Sau đó, mọi bước sóng được truy cập bởi tất cả các node, gọi lại cho một giao thức MAC. 3.3.1. Giao thức Gán bước sóng tại một cổng AWG cho trước được biểu diễn theo sơ đồ trên hình 3.6. Trục y biểu trị bước sóng được dùng để truyền và nhận. Như hình minh họa, R FSRs liên tiếp của AWG DxD được sử dụng Để tránh nhiễu tại bên nhận trong quá trình truyền đồng thời các FSRs khác nhau của AWG, FSR của bên nhận phải khác với FSR của AWG. Trong trường hợp này, FSR của bên nhận bằng R.D bước sóng. Trục x biểu thị thời gian. Thời gian d dược chia thành nhiều vòng theo chu kỳ lặp lại. Mỗi vòng được chia nhỏ hơn thành D khung. Cæng AWG 1 Cæng AWG 2 Cæng AWG D Cæng AWG 1 Cæng AWG 2 Cæng AWG D khung D khung 2 khung 1 khung1 khung 2 khungD Thêi gian Chu k× Chu k× FSR R FSR 2 FSR 1 (R-1)D +2 RD (R-1)D +1 2D D+2 D+1 D 2 1 Cæng AWG x = cöa sæ ®Æt tr­íc cho c¸c node tham gia vµo cæng vµo AWG x Hình 3.25. Sự chỉ định bước sóng tại một cổng AWG cho trước AWG Các node được giả thiết là đồng bộ. Một phương pháp để có sự đồng bộ vị trí ở tất cả các node được mô tả và làm việc như sau. Bên cạnh N node, có một node làm đồng bộ đặt ở AWG. Node này phát một dao động gọi là dao động đồng bộ vào đầu mỗi vòng bằng cách sử dụng một nguồn quang băng rộng. Do đó, khoảng cách của các xung đồng bộ là một chu kỳ. Thời gian nhận một dao động tại một node được lấy xác định bởi thời đểm mà bộ thu nhận xung đồng bộ. Thuật toán mà mỗi node dùng để nhận chu kỳ đồng bộ như sau: Thuận toán đồng bộ Mỗi node sẽ ước lượng hay dự đoán thời gian đến của xung đồng bộ kế tiếp tại bộ thu của nó. Chu kì của các xung đồng bộ được sử dụng để ước lượng chính xác khoảng thời gian này. Mỗi node sẽ ước lượng trễ toàn trình của nó tới AWG sử dụng giả thiết là các tín hiệu điều khiển gửi bởi nguồn quang băng rộng của nó được AWG phát quảng bá. Một node truyền thông tin trong một chu kỳ cụ thể gọi là chu kỳ x, một trễ truyền toàn trình tới AWG sử dụng để ước lượng thời gian đến của xung đồng bộ tại thời điểm bắt đầu của chu kỳ x. Vì số khe trong một chu kỳ đã biết nên mỗi node có thể tính toán các khe thời gian bằng việc chia nhỏ một cách phù hợp chu kỳ truyền dẫn đã biết. Khoảng truyền dẫn của các xung bắt đầu chu kỳ tạo ra bởi bộ đồng bộ đảm bảo rằng bất kì hiện tượng trôi nào trong các xung đồng hồ của các node đều được bù lại. Mỗi node cũng ước lượng trễ truyền toàn trình của mình tới AWG trong khi gửi các gói điều khiển. Vì vậy, mỗi node có khả năng bù lại sự thay đổi do nhiệt độ, sự lão hoá và các yếu tố tương tự. Khuôn dạng khung trên một bước sóng như hình 3.26. Một khung bao gồm FÍN khe với chiều dài khe tương đương với thời gian truyền dẫn của một gói điều khiển. Nếu thời gian điều khiển của các bộ thu phát không bỏ qua được thì mỗi khe có thêm một khoảng thời gian điều chỉnh thu phát bên cạnh thời gian truyền dẫn của gói điều khiển. Mỗi khung bao gồm M khe đầu, 1£M<F (vùng được chia sẻ) và (F-M) khe còn lại. Trong M khe này, phối hợp truyền được thực hiện. Các gói điều khiển được truyền trong suốt khoảng thời gian này và tất cả các node bắt buộc phải điều chỉnh các bộ thu của mình đúng với một trong các lát cắt tương ứng của nguồn quang băng rộng (các kênh) để nhận được thông tin điều khiển. Vì đặc tính định tuyến bước sóng của AWG, trong một khung thì chỉ những node tham gia vào cùng một bộ kết hợp có thể truyền các gói điều khiển. Các node tham gia vào cổng vào AWG thứ i (qua một bộ kết hợp chung) gửi gói điều khiển của mình trong khung i của chu kỳ, 1 £i£D (hình 3.25). Mỗi khung trong một chu kỳ chứa được các gói điều khiển xuất phát từ các cổng đầu vào AWG khác nhau. Vì vậy, sau D khung (một chu kỳ) thì tất cả các node đều có cơ hội gửi các gói điều khiển của mình. Khung = Khung (F khe) C¸c gãi d÷ liÖu DữliÖu §iÒu khiÓn M khe H×nh3.26 Khu«n d¹ng khung Cã ®Æt tr­íc trong khung kÕ tiÕp ? Göi gãi ®iÒu khiÓn Rçi Chê RTT/2 Gãi ®iÒu khiÓn cã bÞ va ch¹m kh«ng? Göi gãi d÷ liÖu Gi¶i phãng kªnh ? Göi gãi d÷ liÖu vµ c¸c gãi ®iÒu khiÓn trong chu k× kÕ tiÕp Gãi d÷ liÖu cã ®· lËp biÓu ch­a? H×nh 3.27L­u ®å phÇn ph¸t cña 1 node yes No Yes No yes yes No No RTT: Thêi gian truyÒn toµn tr×nh Gãi ®­îc t¹o ra M khe không được phân bổ cố định. Thay vào đó, các gói điều khiển được gửi trên cơ sở tranh chấp dùng một phiên bản chỉnh sửa của ALOHA chia khe. Dùng một cơ chế truy cập ngẫu nhiên cho các gói điều khiển mà không cần phân bổ trước các khe hoặc phải ấn định cố định nên tạo ra một mạng mở. Lụa chọn phiên bản chuyển đổi của ALOHA chia khe vì 2 lý do. Một là, đơn giản và rẻ khi thực hiện. Hai là quan trọng hơn. ALOHA có độc lập về tỷ số của trễ lan truyền và thời gian truyền gói. Trong mạng quang tốc độ cao, nó nâng cao hiệu quả các cơ chế truy nhạp ngẫu nhiên như đa truy cập CSMA. Hơn nữa, tốc độ đường truyền có thể tăng tới 40Gb/s hay thậm chí tốc độ dữ liệu cao hơn mà không làm thông lượng của kênh điều khiển. Các gói điều khiển tới bộ thu sau một thời gian trễ t bằng nửa thời gian thực hiện cả quá trình truyền. Chú ý rằng thời gian thực hiện cả quá trình truyền đồng nghĩa với trễ truyền từ nguồn tới đích và truyền nguợc lại nguồn. Vì vậy, thời gian truyền một quá trinh truyền là 2t. Trong F-M khe còn lại của mỗi khung không có gói điều khiển nào được gửi, cho phép bộ thu điều chỉnh tới bước sóng bất kỳ nào. Điều này làm việc truyền giữa các cặp node bất kỳ là có thể thực hiện được. Trong các khe đó, mỗi node xử lý gói điều khiển nhận được bằng các thực hiện cùng thuật tóan đã lập chương trình. Tham số M từ bỏ hai loại trùng lặp. Trong số M khe đầu tiên của mỗi khung, các gói điều khiển và dữ liệu có thể được truyền đồng thời, nhưng chỉ từ các node gắn liền với cùng cổng vào AWG. Trong khoảng thời gian này, các gói bắt nguồn từ các cổng vào của AWG khác không thể được nhận. Mặt khác, trong F-M khe cuối cùng của mỗi khung, tất cả bên nhận không bị khóa và có thể được điều chỉnh tới bất kỳ bước sóng nào. Kết quả là trong khoảng thời gian này các gói dữ liệu từ bất kỳ cổng vào AWG cũng đều nhận được. Điều này cho phép tái sử dụng bước sóng. Giao thức MAC làm việc như sau. Đầu tiên, hãy xem xét phần truyền của một node mà biểu đồ của nó được mô tả ở hình 3.27. Nếu một node không có gói dữ liệu trong vùng đệm của nó, nguồn quang băng rộng và LD trở nên vô hiệu. Khi một gói dữ liệu có đích là node j, a £ j £ N, đến node i ¹j, 1 £ i £ N, nguồn quang băng rộng của i phát quảng bá một gói điều khiển vào một trong M khe của khung nằm ở cổng vào của AWG mà node i tham gia vào. Khe được chọn ngẫu nhiên theo một xác suất xác định. Một gói điều khiển bao gồm bốn trường là: tên địa chỉ đích (unicast hay multicast), chiều dài và kiểu của gói dữ liệu tương ứng, và mã chỉnh sửa lỗi phía trước (FEC). Chú ý, các gói điều khiển không phải mang địa chỉ nguồn vì mỗi node nguồn đều biết khe mà nó đã truyền gói điều khiển tương ứng. Hình 3.26, gói dữ liệu có thể có chiều dài L thay đổi, 1 £ L £ F, trong đó L biểu thị độ dài theo đơn vị khe. Trường kiểu dữ liệu gồm một bit và được sử dụng trong chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. FRC được sử dụng bởi bộ thu để sửa một hay nhiều bit lỗi trong gói điều khiển hay để tìm ra nếu gói điều khiển bị nghẽn trên kênh ALOHA chia khe. Theo việc phân bổ trước, mỗi gói điều khiển phải mang một mã FEC mã này cho phép bên thu không chỉ phát hiện lỗi mà còn có thể sửa lỗi. Mặt khác node nguồn A có thể nhận một gói điều khiển nguyên vẹn trong khi node đến B có thể nhận một bản copy bị lỗi của cùng gói điều khiển, và node B sẽ không xem xét đặt truớc. Kết quả là, node A sẽ gửi gói dữ liệu tương ứng và node B sẽ hầu như không thu được bước sóng thích hợp dẫn đến một nghẽn ở bên thu và lãng phí độ rộng băng tần. Chú ý là mặc dù sự truyền gói không có lỗi, nhưng sự lỗi của node cũng ảnh hưởng đến sự hoạt động của giao thức phân bổ trước. . Vấn đế này phải được đặt ở các giao thức lớp cao hơn. NhËn (c¸c) gãi ®iÒu khiÓn Rçi ChØ nhËn (c¸c) gãi ®iÒu khiÓn NhËn d÷ liÖu vµ c¸c gãi ®iÒu khiÓn LËp biÓu trong M khe ®Çu tiªn ? Bé thu = ®Ých? LËp biÓu c¸c gãi d÷ liÖu ? Yes Yes Yes No No No H×nh 3.28 L­u ®å phÇn thu cña mét node Xem xét phần thu của một node: Hình 3.28 là lưu đồ tương ứng. Mọi node tập hợp tất cả các gói điều khiển bằng việc điều chỉnh bộ thu của mình đúng với các kênh tương ứng với M khe đầu tiên của một khung. Vì vậy, nó biết về hoạt động của tất cả các node khác và biết gói điều khiển của nó gửi thành công hay không bằng cách sử dụng trường FEC. Trong khung k, 1£k£D, mỗi bộ thu tập hợp các gói điều khiển được gửi trước đó một thời gian một phần hai thời gian truyền toàn bộ quá trình bởi các node tham gia vào cổng đầu vào của AWG thứ k. Nếu gói điều khiển của nó bị nghẽn, node i chờ và truyền lại gói điều khiển trong chu kỳ kế tiếp với phân bố xác suất p và với xác suất (1-p), nó sẽ hoãn truyền dẫn một chu kỳ, trong đó 0£ p£1. Sau một chu kì, node truyền lại gói điều khiển với xác xuất p, và cứ như vậy. Các gói điều khiển thành công được xếp hàng trong hàng đợi phân phối tại mỗi node. Tất cả các node xử lí các gói điều khiển đã thu thành công bằng việc thực hiện cùng một thuật toán xử lí lập biểu trong (F-M ) khe còn lại của mỗi khung. Kết quả là tất cả các node có cùng lịch trình truyền và nhận. Vì mỗi node phải xử lí các gói điều khiển của tất cả các node, nên việc tính toán phức tạp. Để đơn giản, chúng ta sử dụng thuật toán lập biểu với các gói dữ liệu trên cơ sở đến trước phục vụ trước và first fit trong một cửa sổ lập biểu hạn chế. Sau khi nhận gói điều khiển thành công, thuật toán xử lí sẽ lập biểu truyền dẫn cho gói dữ liệu tương ứng trong D khung. D khung này không cần thiết phải trùng với đường bao một chu kỳ. Gói dữ liệu được gửi trong khe đầu tiên có thể sử dụng bước sóng khả dụng thấp nhất. Nếu không có đủ các khe khả dụng trong D khung, gói dữ liệu không được truyền và node nguồn phải truyền lại gói điều khiển trong chu kỳ kế tiếp. Các node mà không gửi thành công sẽ biết được điều này vì các node cùng thực hiện một thuật toán lập biểu. Thông tin toàn mạng kết hợp với lập biểu phân phối giảm trễ vì tránh phải sử dụng đến ACK và có thể thực hiện một khả năng thông thông thường tới 100%. Vì mỗi node phải xử lí các gói điều khiển của tất cả các node để nắm được thông tin toàn mạng, mào đầu tính toán dành trước có thể bị nghẽn cổ trai nghiêm trọng ảnh hưởng tới tính năng mở của . Để chứa số lượng lớn các node và tạo ra mạng khả mở thuần tuý, thì các tính toán phức tạp tại mỗi node trong mạng là nhỏ. Vì vậy, trong phần sau chúng ta sử dụng một chuỗi trải phổ đơn mà không sử dụng CDMA. Chuỗi trải phổ này được sử dụng bởi tất cả các node. Chiều dài của cửa sổ lập biểu tương đương D khung vì hai lí do. Thứ nhất, do hạn chế của chiều dài lịch trình cho một số lượng nhỏ các khung để yêu cầu tính toán tại mỗi node nhỏ. Vì cửa sổ lập biểu nhỏ nên mỗi node phải duy trì và cập nhật chỉ các bảng lập biểu nhỏ. Thứ hai, trong D khung, tất cả các node nhận các gói điều khiển từ cùng một tập các node. Với cùng một thời gian, vì đặc tính định tuyến bước sóng của AWG và yêu cầu tất cả các node lắng nghe các lát cắt điều khiển, chỉ tập các node này có thể truyền các gói dữ liệu. Các gói dữ liệu này được đưa ra bởi các gói điều khiển chính xác trong D khung sớm nhất. Bằng việc tạo ra cửa sổ lập biểu có chiều dài D khung, các gói điều khiển và dữ liệu có thể được gửi đồng thời làm tăng độ đồng thời và hiệu quả của mạng. Tiếp theo chúng ta thảo luận về sự hỗ trợ cho Multicast và chuyển mạch kênh. Multicast có thể thực hiện bằng các bộ chia. Mỗi bộ chia phân phối một gói đến tới tất cả các node tham gia. Bằng việc điều chỉnh các bộ thu đúng với bước sóng tương ứng, gói có thể được nhận bởi nhiều hơn một node. Vì vậy, mà khả năng thông của các bộ thu tăng nên ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng. Chuyển mạch kênh thực hiện bằng sử dụng trường kiểu gói và chiều dài của gói điều khiển. Chiều dài chỉ thị số lượng khe yêu cầu trong một chu kỳ. Sử dụng một tập các bit trong trường kiểu, node nguồn chỉ thị số lượng khe phải được dành trước trong một chu kỳ. Sau khi nhận gói điều khiển, kênh được thiết lập bằng việc chọn các khe đầu tiên có thể tại bước sóng khả dụng thấp nhất. Các khe được dành trước trong một chu kỳ nhỏ cho đến khi kết nối được kết cuối. Kết cuối chuyển mạch kênh làm việc như sau. Giả sử node i, 1£i£N, thiết lập một kênh có nghĩa là node i cấp một số khe xác định trong một chu kỳ. Hơn nữa giả sử j, 1£j£(M-1), node khác tham gia vào cùng bộ kết hợp chiếm các kênh. Sau đó, trong mỗi chu kỳ node i lặp lại gói điều khiển trong khe (j+1) của cửa sổ đặt trước tương ứng. Để kết cuối kênh, node i chỉ đơn giản dừng việc phát lại gói điều khiển. Trong cách này, tất cả các node khác nhận thấy rằng kênh được kết cuối và khe tương ứng trở thành rỗi. Lưu ý rằng, trong suốt thời gian chiếm một kênh thì các kênh khác có thể bị loại bỏ. Vì vậy, khe tương ứng gọi là khe k, 1≤ k ≤ (j+1), trở nên rỗi. Trong khi đó, tất cả các khe với chỉ số lớn hơn k, tức là các khe để chỉ thị sự tồn tại của các kênh, bị ngăn cản bởi khe j. Vì vậy, j khe đầu tiên của cửa sổ dành trước tương ứng chỉ thị sự tồn tại của các kênh trong khi (M-j) khe còn lại rỗi và được sử dụng cho đặt trước. Một node giử một gói điều khiển gửi tới một trong các khe (j+1), (j+2), ..., M một cách ngẫu nhiên. Vì vậy, trong khi các kênh được thiết lập thì không có cả M khe khả dụng để dành trước nên tăng nghẽn trong kênh ALOHA phân khe. Tuy nhiên, mỗi node chỉ phải điều khiển kênh điều khiển cho tới khi giải phóng kênh mà không phải duy trì và cập nhật thời gian sống cho mỗi kết nối đơn. Như vậy, điều này làm giảm việc tính toán trong mỗi node, điều này là một nhân tố rất quan trọng trong các mạng quang tốc độ cao, tức là mạng có điều khiển truy nhập kênh dựa trên những thông tin toàn mạng. Cuối cùng ta nhận thấy rằng việc phân bổ trước và thiết lập kênh có khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) và lưu lượng nhạy cảm trễ/ jitter và ứng dụng thời gian thực như video, thoại, và hình ảnh. Các kênh cũng có khả năng cung cấp QoS cho các luồng riêng lẻ hoặc luồng tổng hợp. 3.3.2. Một ví dụ minh họa Các đặc tính của giao thức MAC được đề xuất là: Phân bổ kênh động Chuyển mạch gói unicast Chuyển mạch kênh unicast Nghẽn kênh các gói điều khiển và cách giải quyết của nó Nhận đồng thời các gói điều khiển và dữ liệu Các gói dữ liệu kích cỡ thay đổi Sử dụng nhiều FSR AWG 2x2 4x1 4x1 1x4 1x4 2 5 6 1 3 5 8 Rx Tx Hình 3.29 Kiến trúc mạng (N= 8, D =2, S =4) 3 4 7 8 2 4 6 7 Trong ví dụ của chúng ta không chứng minh cụ thể tái sử dụng bước sóng theo không gian. Như hình 3.29, chúng ta xem xét N=8 node được kết nối qua một AWG 2x2 (D=2) với một bộ kết hợp 4x1 và một bộ chia 1x4 (S=4). Hình 3.30 mô tả việc gán bước sóng. Hai FSR được sử dụng (R=2), mỗi FSR bao gồm hai bước sóng. Mỗi khung bao gồm F=5 khe. Cửa sổ dành trước có chiều dài là M=3 khe. Phần trên của hình thể hiện bộ phát trong khi phần dưới chỉ thị phần nhận của gói được truyền sau thời gian truyền dẫn t. Để đơn giản ta giả sử rằng khoảng cách giữa mỗi node và AWG là như nhau, có nghĩa là trễ truyền dẫn t là như nhau cho tất cả các node. Trong ví dụ minh hoạ, t tương đương 5 khe, tức 1 khung. 1 & 4 2 2 1 4 2 4 2 1 3 FSR2 FSR1 4 3 2 1 Khung 1 Khung 2 Khung 1 Khung 1 Khung 1 Khung 2 Khung 2 Khung 2 Chu k× 1 Chu k× 2 Chu k× 3 Chu k× 4 l Thêi gian PhÇn ph¸t 5-8 2 7 8 7 3 l Thêi gian PhÇn thu 1-4 2 1-4 2 5-8 2 1-4 2 1-4 2 5-8 2 1-4 2 5-8 2 5-8 2 1-4 2 TrÔ truyÒn dÉn 2 = Gãi ®iÒu khiÓn = Gãi d÷ liÖu H×nh 3.30 Phân bổ b­íc sãng ®éng (R =2, M=3, i = 5 khe =1 khung) Chúng ta bắt đầu nghiên cứu các khe bên trái phần phát. Trong khung 1 của chu kỳ 1chỉ node 1 – 4 được quyền gửi các gói điều khiển. Trong khe đầu tiên, node 1 và 4 đồng thời gửi một gói điều khiển nên nghẽn kênh. Node 2 lựa chọn ngẫu nhiên khe 3. Sau t khe, các gói điều khiển đến tất cả các node. Mọi node điều chỉnh bộ thu của mình để nhận các gói điều khiển, tức là, node 1-4 và node 5-8 đượcđiều chỉnh đồng thời tới bước sóng 1 và 2 tương ứng. Tuy nhiên, các node cũng có thể nhận các gói điều khiển bằng cách điều chỉnh các bộ thu của mình đúng với các kênh tương ứng của FSR khác, tức là, node 1-4 có thể điều chỉnh bộ thu của mình đúng bước sóng 3, và node 5-8 có thể điều chỉnh bộ thu của mình đúng với bước sóng 4. Gói điều khiển của node 2 được nhận thành công bởi tất cả các node. Trong ví dụ minh họa, gói điều khiển có đích là node 7 và yêu cầu một kênh với 5 khe trong một chu kỳ. Thực hiện thuật toán xử lí được giả sử trong 2 khe. Gói dữ liệu được truyền trên kênh khả dụng đầu tiên tại thời điểm sớm nhất có thể. Do đó, gói dữ liệu được gửi trên bước sóng 2 trong suốt khung 1 của chu kỳ 2. Node 2 lặp lại gói điều khiển trong mỗi chu kỳ cho đến khi mạch được giải phóng. Vì trong ví dụ của chúng ta không có bất kì một kênh hiện thời nào khác thiết lập, nên node 2 gửi gói điều khiển trong khe đầu tiên của khung 1 của chu kỳ 2. Như hình 3.11, khe 1 trở nên rỗi trong trong chu kỳ 3. Điều này thông báo cho tất cả các node rằng, kênh giữa node 2 và node 7 được giải phóng và khe này lại có thể được sử dụng bởi tất cả các node. Node 3 nắm giữ khe này trong chu kỳ 4 để truyền dẫn một gói dữ liệu đơn hay thiết lập một kênh trong chu kỳ tiếp theo. Bây giờ chúng ta xem xét các gói điều khiển bị va chạm của node 1 và 4. Sau t khe, cả hai node này biết được nghẽn kênh xảy ra với các gói điều khiển của chúng. Vì vậy, việc truyền lại các gói điều khiển của chúng trong chu kỳ kế tiếp với xác suất p, khe đầu tiên của khung 1 được gán cố định cho node 2 để chỉ thị kênh tương ứng. Trong ví dụ, node 1 và node 4 truyền lại thành công các gói điều khiển của mình trong khung 1 của chu kỳ 2. Ta xem xét node 1, node 1 có một gói dữ liệu đơn có chiều dài 3 khe và có đích là node 3. Sau khi chờ 3 khe, node 1 gửi gói điều khiển trên bước sóng 1. Tương tự, node 4 có gói dữ liệu gửi đến node 8 và có chiều dài 4 khe. Gói dữ liệu này được gửi tại thời điểm khung 1 của chu kỳ 3. Node 4 chọn bước sóng 4 vì bước sóng 2 được sử dụng cho node 2. Đây là một ví dụ sử dụng nhiều FSR để truyền thông giữa một cặp cổng vào-ra của AWG. Ngoài ra, trong khi thu dữ liệu, node 7 và node 8 điều chỉnh kênh điều khiển. Vì vậy, node 8 thu lát cắt tương ứng của FSR thứ hai. Mục lục ._.