Nghiên cứu phân bổ tối ưu bộ chuyển đổi bước sóng trong mạng AON

đa 50Tbps), chi phí xây dựng và tính bảo mật thông tin. Hai công nghệ quan trọng gần đây giúp tăng dung lượng hệ thống là WDM và khuêch đại sợi quang EDFA. Từ khoảng năm 1986 trở lại đây có rất nhiều các dự án xây dựng mạng đường trục cáp quang biển quốc tế được triển khai, đã giúp tăng cường khả năng trao đổi thông tin giữa các quốc gia, lãnh thổ trên thế giới. Tiếp đến là các mạng đường trục trên đất liền ở các quốc gia được xây dựng trên nền tảng truyền dẫn sợi quang. Vào đầu năm 1988, các công nghệ SONET và SDH là những chủ đề nóng được đề cập đến như là những chuẩn ghép kênh cho các mạng đường trục trong tương lai. SONET và SDH là các chuẩn thiết kế từ đầu cho các hệ thống TDM (chiếm đa số vào những năm 1980). Sử dụng TDM, một luồng dữ liệu ở tốc độ cao hơn được tạo ra trực tiếp bằng cách ghép các kênh có tốc độ bit thấp hơn. Thực tế đã có rất nhiều các hệ thống SDH/SONET đã và vẫn đang được triển khai. Các hệ thống TDM dung lượng cao hoạt động ở tốc độ OC-192 hoặc 10Gbps. Tuy nhiên ta sẽ gặp khó khăn khi muốn chuyển lên tốc độ OC-768 hoặc lớn hơn do hạn chế tần số hoạt động của linh kiện điện tử. Đến năm 1997, công nghệ WDM được đánh giá là công nghệ ghép kênh số một giúp tăng dung lượng hệ thống lên hàng trăm lần, giảm chi phí đầu tư. Công nghệ WDM cho phép ghép nhiều kênh tốc độ bít khác nhau trên cùng một sợi quang bằng cách đặt các kênh trên các bước sóng khác nhau. Hiện nay đã có thiết bị ghép kênh WDM có khả năng ghép 80 kênh (bước sóng). Với việc chỉ xử lý tín hiệu quang tại các node mạng, đã loại bỏ sự hạn chế của thiết bị điện tử, và đưa ra một mạng mới tên là mạng toàn quang (AON). Mạng toàn quang định tuyến bước sóng được coi là ứng cử viên cho mạng backbone diện rộng thế hệ tiếp theo. Mạng AON được xây dựng từ các thiết bị ghép kênh WDM (kèm theo khả năng xen/tách) và các thiết bị đấu chéo OXC (cross-connect). Hệ thống DWDM có khả năng ghép 32 bước sóng hoặc nhiều hơn trong dải 1550nm, tăng dung lượng trên sợi quang đang có và trong suốt với tốc độ bít. Mạng AON làm việc với các bước sóng khác nhau ở lớp vật lý, ghép kênh WDM và định tuyến theo bước sóng. Nó gồm các node định tuyến bước sóng quang được nối với nhau bằng các kết nối sợi quang. Một lightpath phải được thiết lập giữa hai node định tuyến bất kì trước khi chúng trao đổi thông tin. Mạng sẽ phải xác định tuyến (route/path) nối node này và gán một bước sóng rỗi cho các kết nối dọc theo đường đi. Lightpath chính là một kết nối quang trực tiếp giữa hai node không qua bất kì một thiết bị điện tử trung gian nào. Để thiết lập một lightpath, thông thường yêu cầu mạng phải phân bổ một bước sóng chung trên tất cả các kết nối dọc theo đường đi của lightpath. Đó chính là yêu cầu về tính liên tục bước sóng, điều khiến cho mạng định tuyến bước sóng khác với các mạng điện thoại chuyển mạch truyền thống. Một yêu cầu sẽ bị từ chối nếu không có bước sóng chung còn rỗi trên toàn tuyến. Một trong những mục tiêu cơ bản của bài toán thiết kế mạng AON định tuyến bước sóng là phải giảm tối thiểu xác suất nghẽn toàn mạng. Để tận dụng tài nguyên bước sóng và giảm xác nghẽn, tại các node mạng người ta phải đặt các bộ chuyển đổi bước sóng (WC). Khi đó mỗi kết nối từ node nguồn đến node đích, thông tin được truyền đi trên cùng một hoặc các bước sóng khác nhau. Xong câu hỏi đặt ra là có cần phải đặt các bộ chuyển đổi bước sóng ở tất cả các node? Nếu không thì những node mạng nào nên đặt và cần bao nhiêu bộ chuyển đổi đặt tại node đó? Trước khi đi ta trả lời hai câu hỏi trên, ta cần phải biết là giá thành của các bộ chuyển đổi hiện nay rất đắt mặc dù đã có những đột phá về công nghệ. Mạng có tất cả các node được trang bị bộ chuyển đổi bước sóng sẽ đạt được chất lượng tốt nhất (xác suất nghẽn nhỏ nhất), nhưng kéo theo đòi hỏi chi phí đầu tư lại rất lớn. Đối với nhà khai thác mạng khi đầu tư, yếu tố chi phí đầu tư ban đầu (CAPEX) luôn được quan tâm đâu tiên vì nó ảnh hưởng đến giá thành dịch vụ và hiệu quả đầu tư kinh doanh sau này. Mặt khác lý thuyết và thực tế đã chứng minh, có những node mạng không cần phải có bộ chuyển đổi bước sóng vì không có lưu lượng đi qua nó cần chuyển đổi. Chính vì lý do đó đã thúc đẩy các nhà thiết kế, quy hoạch mạng tìm ra một thuật giải phân bổ các bộ chuyển đổi bước sóng sao cho số lượng bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng là tối thiểu, nhưng lại đạt chất lượng gần với mạng được trang bị đầy đủ. Đó chính là yêu cầu của bài toán phân bổ tối ưu các bộ chuyển đổi bước sóng được tác giả nghiên cứu trong luận văn này. Có thể coi đây là bài toán con trong cả một bài toán lớn về thiết kế và quy hoạch mạng truyền dẫn toàn quang. Đầu vào của bài toán gồm có : Topo mạng, số lượng bộ chuyển đổi, và thống kế lưu lượng của mạng. Đầu ra của bài toán này sẽ cho biết phải đặt bộ chuyển đổi ở node mạng nào và số lượng bao nhiêu để mạng có xác suất nghẽn nhỏ nhất. Dựa vào đó, nhà khai thác sẽ có cơ sở để lên cấu hình thiết bị cho các node mạng. Do đó bài toán WCP rất quan trọng đối với nhà khai thác mạng đường trục khi chuyển dần mạng truyền dẫn quang hiện tại sang mạng WDM, hoặc xây dựng một mạng truyền dẫn quang WDM mới xếp chồng lên mạng đang có. Sau khi nhận thấy tầm quan trọng của các bộ chuyển đổi bước sóng, yếu tố giá thành, và đặc biệt là nhận xét về sự dư thừa không cần thiết khi trang bị các bộ chuyển đổi bước sóng tại node mạng, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và đưa ra các thuật toán phân bổ tối ưu các bộ chuyển đổi bước sóng cho các cấu trúc mạng khác nhau (Mesh, Ring..). Lúc đầu các thuật toán này được nghiên cứu độc lập, sau đó nó được nghiên cứu gắn liền với các thuật giải định tuyến và gán bước sóng RWA. Dựa trên mô phỏng, các công trình đã có sự so sánh chất lượng giữa các thuật toán cũ và mới đề xuất. Trong luận văn này, tác giả không đưa ra một thuật giải mới. Mà mục đích chính là để nêu ra một vấn đề mà các nhà thiết kế và quy hoạch mạng phải quan tâm trước khi đầu tư mua thiết bị, đó là chất lượng mạng không chỉ phụ thuộc vào thuật toán đính tuyến và gán bước sóng được chọn, mà phân bổ tối ưu bộ chuyển đổi bước sóng là một bài toán góp phần nâng cao hơn nữa chất lượng mạng. Do đó đầu tiên tác giả nêu bật tầm quan trọng của bộ chuyển đổi bước sóng và ý nghĩa của việc chọn thuật toán phân bổ tối ưu bộ trong thiết kế và quy hoạch mạng. Trong luận văn này, tác giả đề cập đến mạng truyền dẫn quang đường trục cấu trúc mesh và ring. Mạng mesh sẽ được chọn là mạng đường trục trong tương lai vì tính dư thừa cần thiết của nó mặc dù sẽ tăng chi phí đầu tư ban đầu. Mạng vòng ring hay được triển khai trong thực tế do khả năng dự phòng của nó rất tốt. Nếu xét về khả năng chuyển đổi bước sóng, thì đối tượng nghiên cứu của luận văn là mạng có phân bố bộ chuyển đổi bước sóng rời rạc và có khả năng chuyển đổi hạn chế (SPWC- Sparse Partial Wavelength Converter). Hai ưu điểm quan trọng của mạng này là giảm chỉ phí đầu tư nhờ việc sử dụng ít bộ chuyển đổi hơn mà vẫn đạt được chất lượng mạng như yêu cầu, và mang lại thuận lợi cho các nhà khai thác khi nâng cấp dần lên hệ thống full-complete. Tổng quan mạng truyền dẫn toàn quang Các thành phần cơ bản của mạng truyền dẫn quang Sợi quang Sợi quang (Optical fiber) được chọn làm môi trường truyền dẫn tín hiệu trong các mạng tốc độ cao do nó sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với các môi trường truyền dẫn truyền thống. Có thể liệt kê ra như : Phổ tần sử dụng rộng, suy hao thấp, tiêu thụ công suất ít, không bị gây nhiễu bởi điện từ trường bên ngoài, sử dụng vật liệu chế tạo ít, nhỏ gọn và giá thành rẻ hơn. Cũng nhờ đó mà các hệ thống thông tin quang thường có tỉ lệ BER rất thấp, nhỏ hơn 10-11 Tuy nhiên sợi quang vẫn tồn tại các hiện tượng vật lý như: suy hao, tán sắc, và các hiệu ứng phi tuyến đã làm ảnh hưởng đến việc tận dụng tối đa tài nguyên của nó, đặc biệt trong các mạng đường trục tốc độ cao. Có hai vùng suy hao thấp quan trọng hay được sử dụng:1300nm, bề rộng 200nm, suy hao nhỏ hơn 0.5dB/Km; và 1550nm, bề rộng 200nm, suy hao thấp khoảng 0.2dB/Km. Băng thông được tính xấp xỉ 50THz theo công thức: Phổ suy hao của sợi quang Có hai loại sợi quang là sợi quang đơn mode(SMF) và sợi quang đa mode (MMF). Nhược điểm chính của sợi quang đa mode là do hiện tượng tán sắc giữa các mode (Iinter-mode Dispersion), làm giảm giá trị tích BR*D ( BR- Bit Rate; D – Distance) xuống chỉ còn vài chục Mb/s/Km. Sử dụng sợi quang có chiết suất bậc (Step- Index), và sợi quang chiết suất giảm dần (Graded- Index) có thể nâng lên hàng (Gb/s )-Km, tuy nhiên vẫn không đảm bảo khi khoảng cách truyền dẫn lớn. Trong khi đó, sợi quang đơn mode loại bỏ tán sắc giữa các mode bằng cách giảm đường kính của lõi sợi quang. Tuy nhiên, hiện tượng tán sắc (Chromatic Dispersion)-do sự tồn tại nhiều thành phần hài trong phổ tín hiệu quang truyền trong sợi quang gây nên- lại là yếu tố ảnh hưởng sâu sắc đến chất lượng truyền quang. Một số loại sợi quang đơn mode chuẩn, do ITU-T khuyến nghị hay được dùng trong các mạng truyền dẫn quang gồm có : Non- Dispersion Shifted Fiber (G.652), Dispersion-Shifted (C.653), 1550-nm Loss minimized Fiber (G.654) và Nonzero-Dispersion Fiber (G.655) NDSF (ITU-T G.652 ) Là loại sợi quang được sử dụng nhiều nhất. Nó được chế tạo tối ưu cho vùng 1310nm, có tán sắc bằng 0 tại chính bước sóng 1310nm, và gần 20ps/nm-Km ở bước sóng 1550nm. DSF (ITU-T G.653) Là loại sợi quang được thiết kế tối ưu cho vùng 1500-1600nm, có hệ số tán sắc xấp xỉ 3.3ps/nm-Km tài cửa sổ 1550nm và gần bằng 0 tại bước sóng 1550nm. Loại sợi quang này không phù hợp cho mạng WDM do ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến. 1550nm Loss Minimized Fiber (ITU-T G.654) Đây là loại sợi quang đơn mode chuẩn đặc biệt, có tổn hao rất thấp tại vùng cửa sổ 1550nm. ITU G.654 được thiết kế tối ưu cho vùng 1500-1600nm. Bước sóng cutoff hiệu dụng là một thông số quan trọng trong thiết kế loại sợi này. Tổn hao thấp là nhờ sử dụng lõi thuỷ tinh tinh khiết. Sản xuât ITU G.654 tốt kém, giá thành cao, nên nó ít được sử dụng. Loại sợi quang này phù hợp nhất là cho hệ thống cáp quang biển hoặc mạng cáp quang đường trục NZ-DSF (ITU-T G.655) Là loại sợi quang SMF có hệ số tán sắc lớn hơn một giá trị khác không ở cả vùng 1500nm. Hiện tượng tán sắc này làm giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến như: FXM, SPM,XPM xuất hiện trong các hệ thống DWDM. Loại sợi quang này phù hợp nhất, hoạt động tối ưu nhất là tại vùng 1500-1600nm. Bộ phát/thu tín hiệu quang Bộ phát tín hiệu quang Bộ phát tín hiệu quang (Optical transmitter) có chức năng chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang. ánh sáng phát ra từ các nguồn này được bơm vào sợi quang để truyền đi. Có hai loại linh kiện dùng làm nguồn phát quang hiện nay là  LED (Light Emitting Diode) và LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission Radiation). Các nguồn phát sáng quang cần có các tính chất vật lý sau : Phù hợp với kích thước sợi quang Bơm đủ công suất vào sợi quang để đảm bảo tín hiệu có thể được phát hiện ở đầu thu với suy hao biết trước. Phát ra ánh sáng ở bước sóng có suy hao và tán xạ thấp. Độ rộng phổ hẹp để giảm thiểu tán xạ. Duy trì đặc tính ổn định trong điều kiện môi trường thay đổi Cho phép điều chế trực tiếp công suát quang phát ra Giá thành thấp và độ tin cậy cao LEDs là nguồn phát lý tưởng cho các hệ thống quang đa mode sử dụng trong mạng LAN hoặc các mạng truy cập. Tuy nhiên LEDs không thể cung cấp đủ ánh sáng vào sợi quang đơn mode trên một khoảng cách truyền dẫn lớn. LASER là nguồn phát ánh sáng được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống truyền dẫn quang. Hầu hết các hệ thống phát Laser được thiết kế để làm việc với nhưng bước sóng được quy định bởi ITU-T. Đối với các hệ thống WDM, người ta thường dùng loại nguồn Laser có thể điểu chỉnh được đến các bước sóng khác nhau (Tunable Laser) nhằm tiết kiệm chi phí. Cách khác là dùng các Laser cố định bước sóng (Fixed Tune Laser) DFB làm việc rất tốt với các ứng dụng hiện nay. Với các hệ thống WDM có số bước sóng lớn gồm hàng chục đến hàng trăm bước sóng, cách này trở thành rất tốn kém, gây khó khăn cho nhà sản xuất và công tác vận hành Một lựa chọn khác là dùng mảng Laser (Laser Array), bao gồm một tập các Laser, với mỗi Laser đã hoạt động ở một bước sóng cố định khác nhau. Nhưng mặt hạn chế là số bước sóng có sẵn trong một mảng Laser là cố định và hiện tại giới hạn khoảng 20 bước sóng. Thiết bị thu tín hiệu quang Thiết bị thu tín hiệu quang (Optical Receiver) thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện bằng cách sử dụng linh kiện Photodetector tạo ra dòng điện có cường độ tỷ lệ với công suất quang thu được. Dòng điện sau đó được khuếch đại và cho đi qua một thiết bị ngưỡng. Một bít phát đi được xác định là ở mức 0 hay 1 phụ thuộc dòng điện này ở trên hay dưới một ngưỡng nào đó trong suốt thời gian bit. Nói cách khác sự quyết định được thực hiện dựa vào cường độ ánh sáng trong suốt khoảng thời gian bit đó. Bộ lọc và bộ ghép kênh quang Các bộ lọc quang (Optical Filter) là những thành phần chủ yếu trong hệ thống truyền dẫn WDM đối với ít nhất hai ứng dụng là ghép và tách các bước sóng, các thiết bị này được gọi là các bộ ghép kênh (MUX) và các bộ phân kênh (DEMUX). Ngoài ra bộ lọc còn làm phẳng độ lợi và lọc nhiễu trong các bộ khuếch đại quang. Bộ lọc và bộ ghép kênh Một bộ lọc đơn giản là một thiết bị hai cổng chọn một bước sóng và loại bỏ các bước sóng khác. Nó có thể có một cổng thứ ba thêm vào mà trên đó thu được các bước sóng bị loại bỏ. Một bộ ghép kênh (MUX) kết hợp các tín hiệu ở các bước sóng khác nhau trên các đầu vào đưa tín hiệu kết hợp ở một đầu ra chung. Bộ DEMUX thực hiện chức năng ngược lại. MUX và DEMUX được dùng trong các thiết bị đầu cuối mạng WDM, các bộ kết nối chéo bước sóng (WXC) và các bộ ghép kênh xen/tách bước sóng (ADM). MUX và DEMUX có thể được nối liên tầng để tạo ra các WXC. Hình 1.3 là một ví dụ về WXC cố định. Thiết bị gửi các tín hiệu từ một đầu vào đến một ngõ ra dựa trên bước sóng. WXC động có thể được xây dựng bằng cách kết hợp sử dụng các bộ chuyển mạch quang với các bộ ghép kênh và phân kênh. Bộ kết nối chéo cố định . Bộ chuyển mạch quang Các mạng thông tin quang trước đây sử dụng chuyển mạch điện tử tại các node mạng. Tuy nhiên ngày nay tốc độ của chuyển mạch điện tử không thể đáp ứng với yêu cầu về tốc độ bit, và hiệu suất sử dụng băng thông của sợi quang. Chuyển mạch điện tử ở các node trung gian trong mạng cũng làm gia tăng trễ. Những yếu tố này đã thúc đẩy sự phát triển của mạng toàn quang trong đó các thành phần chuyển mạch điện tử được thay thế bằng chuyển mạch quang với khả năng chuyển mạch các luồng dữ liệu quang băng thông cao. Các bộ chuyển mạch quang được sử dụng trong các mạng quang cho nhiều ứng dụng khác nhau. Mỗi ứng dụng yêu cầu thời gian chuyển mạch và số cổng chuyển mạch khác nhau. Một ứng dụng của các bộ chuyển mạch quang là cung cấp các lightpaths. Trong ứng dụng này, các chuyển mạch được sử dụng bên trong các bộ WXC nhằm cấu hình lại chúng để cung cấp các lightpaths mới. Sẽ phải có một phần mềm dùng để quản lý mạng từ đầu cuối đến đầu cuối. Một ưng dụng quan trọng khác là chuyển mạch bảo vệ. ở đây các chuyển mạch được sử dụng để chuyển các luồng lưu lượng từ một sợi chính sang một sợi khác trong trường hợp sợi chính bị hỏng. Toàn bộ quá trình chuyển luồng phải được hoàn thành trong hàng chục ms, bao gồm thời gian tìm ra lỗi, thông tin lỗi đến các phần tử mạng để điều khiển việc chuyển mạch, và thời gian chuyển mạch thật sự. Vì vậy thời gian chuyển mạch yêu cầu khoảng một vài ms. Có thể có các dạng chuyển mạch bảo vệ khác nhau, phụ thuộc vào phương pháp sử được sử dụng, số lượng cổng chuyển mạch cần thiết có thể thay đổi từ hàng trăm đến hàng ngàn cổng khi sử dụng trong các bộ kết nối chéo bước sóng. Các bộ chuyển mạch quang cũng là phần tử quan trọng trong mạng chuyển mạch gói quang tốc độ cao. Trong các mạng này, các chuyển mạch được sử dụng để chuyển các tín hiệu trên cơ sở các gói. Với ứng dụng này, thời gian chuyển mạch phải nhở hơn nhiều thời gian của một gói nên cần có các bộ chuyển mạch tốc độ cực cao. Ví dụ kích thước của một cell trong mạng ATM là 53bytes ở tốc độ 10Gbps dài 42ns, vì vậy thời gian chuyển mạch yêu cầu khoảng một vài ns. Các bộ chuyển mạch quang còn được sử dụng như là cá bộ điều chế bên ngoài để mở và đóng dữ liệu trước một nguồn Laser. Trong trường hợp này, thời gian chuyển mạch phải là một phần nhỏ của độ rộng bit. Do đó một bộ điều chế bên ngoài cho một tín hiệu 10Gbps (với một khoảng thời gian bit 100ps) phải có thời gian chuyển mạch khoảng 10ps. Bộ chuyển đổi bước sóng Bộ chuyển đổi bước sóng (Wavelength Converter) là thiết bị có khả năng chuyển đổi tín hiệu quang từ bước sóng này ở đâu vào sang một bước sóng khác ở ngõ ra. Bộ WC rất hữu ích trong việc làm giảm xác suất nghẽn mạng. Nếu các bộ WC được tích hợp vào các bộ OXC trong mạng toàn quang, thì các kết nối có thể được thiết lập giữa nguồn và đích ngay cả khi bước sóng đó không có trên tất cả các tuyến của đường đi. Chúng sẽ giúp loại bỏ sự bắt buộc về tính liên tục bước sóng. Dưới đây là một số đặc điểm mà một bộ WC lý tưởng nên có: Trong suốt đối với tốc độ bit và các định dạng tín hiệu. Thời gian tạo bước sóng ở đầu ra nhanh Chuyển đổi được cả những bước sóng ngắn và dài Dải bước sóng rộng đối vớicác tín hiệu vào/a Có tỷ số SNR cao để đảm bảo khả năng ghép tầng Có độ nhậy thấp với phân cực của tín hiệu vào Chi phí thấp và lắp đặt đơn giản Các bộ chuyển đổi bước sóng có thể được chia thành hai dạng dựa vào lượng chuyển đổi có thể. Một số bộ chuyển đổi bước sóng đầy đủ có thể chuyển một bước sóng ngõ vào thành bất kỳ bước sóng nào ở ngõ ra. Một bộ chuyển đổi bước sóng giới hạn chỉ có thể chuyển một bước sóng ngõ vào thành một số các bước sóng nào đó ở ngõ ra. Một mạng mà có các bộ chuyển đổi bước sóng đầu đủ ở tất cả các node sẽ có chất lượng tốt hon xét về khía cạnh tối thiểu hóa xác suất nghẽn. Tuy nhiên, điều này khó thực hiện trong thực tế do yếu tố chi phí và phụ thuộc các giới hạn kỹ thuật. Vì vậy thường một mạng chỉ có một số node được trang bị các bộ WC đầy đủ hoặc giới hạn. Vì vậy vấn đề lựa chọn các node thích hợp để đặc các bộ WC trở nên hết sức quan trọng. Các kỹ thuật thiết kế bộ chuyển đổi bước sóng có thể được chia ra hai dạng chuyển đổi bước sóng quang-điện và chuyển đổi bước sóng toàn quang. Dưới đây sẽ trình bày hai kỹ thuật này. Chuyển đổi bước sóng O-E Trong phương pháp này, tín hiệu quang trước tiên được chuyển thành tín hiệu điện sử dụng một bộ tách sóng. Luồng bit được lưu trữ trong bộ đệm. Sau đó tín hiệu điện được dùng dể lái ngõ vào của một Tuable Laser để tạo thành một bước sóng mong muốn ở ngõ ra. Phương pháp này không thích hợp cho các tốc độ bít cao hơn 10Gb/s. Sự tiêu hao nhiều công suất hơn và các thủ túc phức tạp là một số trở ngại củ phương pháp này khi so với các phương pháp khác. Tuy nhiên quá trình chuyển đổi O-E ảnh hưởng một cách bất lợi đến tính trong suốt. Chuyển đổi bước sóng toàn quang Trong phương pháp này tín hiệu quang ở trong miền quang trong suốt quá trình chuyển đổi. Ta có thể chia phương pháp này thành các loại sau: a) Chuyển đổi bước sóng sử dụng hiệu ứng kết hợp Các phương pháp này dựa vào hiệu ứng trộn 4 bước sóng. Trộn bước sóng phát sinh từ hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang khi có nhiều hơn 2 bước sóng cùng truyền trên một sợi quang. Kết quả là sinh ra một bước sóng khác mà cường độ tỉ lệ với cường dộ các sóng tương tác. Trộn bước sóng duy trì thông tin về pha và biên độ, cung cấp một sự trong suốt nghiêm ngặt. Nó cũng là phương pháp duy nhất cho phép đồng thời chuyển một tập nhiều bước sóng ở ngõ vào thành một tập các bước sống ở ngõ ra và có thể cung cấp các tín hiệu với tốc độ bit vượt qua 100Gb/s. Trong hình 1.4, giá trị n=3 tương ứng với FWM và n=2 tương ứng với DFG. Các kỹ thuật này được mô tả dưới đây: Trộn bốn bước sóng (FWM) : FWM được sử dụng trong các sợi thủy tinh, nó làm cho ba sóng quang với các tần số ,, và với a#b,c tương tác với nhau trong hệ thống ghép kênh đa bước sóng tạo ra bước sóng thứ tư có tần số . FWM có thể thực hiện được trong các ống dẫn sóng bán dẫn hoặc trong môi trường tích cực như bộ SOA. Kỹ thuật này cho phép tạo ra sự độc lập dạng điều chế và tốc độ bit. Tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng bơm vào thành năng lượng tín hiệu không cao lắm. Phát sinh tần số sai phân (DFG) : DFG là kết quả của sự tương tác phi tuyến của một môi trường với hai sóng quang : một sóng bơm và một sóng tín hiệu. Kỹ thuật này cung cấp một phạm vi trong suốt hoàn toàn mà không thêm vào nhiễu, nhưng hiệu suất thấp và nhạy với sự phân cực. Khó khăn chính trong việc thực hiện kỹ thuật này nằm ở chỗ làm khớp pha của các sóng tương tác và chế tạo một ống dẫn sóng suy hao thấp để đạt được năng suất chuyển đổi cao. Chuyển đổi bước sóng b) Chuyển đổi bước sóng dùng điều biên chéo (XPM) Kỹ thuật này sử dụng các thiết bị bán dẫn tích cực như các bộ khuêchs đại quang học và laser bán dẫn. Bộ khuêch đại quang bán dẫn (SOA) ở chế độ XGM và XPM : Nguyên tắc sử dụng một bộ khuêch dại ở chế độ điều chế chéo độ lợi hay hệ số khuêch đại (XGM) như sau : tín hiệu ngõ vào điều chế độ lợi trong SOA. Một tín hiệu sóng liên tục (CW) ở bước sóng ngõ ra mong muốn () được điều chế bằng sự thay đổi độ lợi để cho nó mang cùng thông tin với tín hiệu ngõ vào ban đầu. Tín hiệu CW có thể được phóng vào SOA cùng hướng hoặc ngược hướng với tín hiệu vào. XGM cho ra một tín hiệu được chuyển đổi bước sóng đảo ngược lại so với tín hiệu ngõ vào. Phương pháp XGM dễ dàng thực hiện, tuy nhiên nó gặp trở ngại là sự đảo lại của luồng bít được chuyển đổi. Hoạt động của bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng SOA trong mode điều chế xuyên pha XPM dựa vào sự phụ thuộc của chỉ số khúc xạ của SOA vào mật đọ sóng mang trong vùng tích cực. Một tín hiệu đi vào sẽ điều chế chỉ số khúc xạ và kết quả là điều chế pha của tín hiệu CW được phép chuyển đổi. Với XPM, tín hiệu ngõ ra được chuyển đổi có thể bị đảo cũng có thể không. XPM mang lại hiệu quả cao hơn so với XGM. Laser bán dẫn: Sử dụng laser bán dẫn đơn mode, cường độ laser được điều chế bởi ánh sáng tín hiệu ngõ vào thông qua sự bão hòa. Tín hiệu ngõ ra thu được bị đảo so với tín hiệu ngõ vào. Bộ khuêch đại quang Trong quá trình truyền cường độ tín hiệu quang bị suy hao do các hiện tượng vật lý trong sợi quang gây nên. Ngoài ra các thành phần quang khác, như các bộ ghép nối, mối hàn cũng gây ra suy hao. Sau một khoảng cách nhất, suy hao tích lũy làm cho tín hiệu bị yếu dần đến mức dưới độ nhạy của bộ thu quang. Do đó để có thể truyền được tín hiệu quang đi xa, ngoài việc tăng công suất phát ban đầu, ta phải dùng các bộ lặp tái sinh hoặc bộ khuếch đại quang sau một khoảng cách truyền nhất định. Một bộ lặp tái sinh sẽ phải thực hiện biến đổi O/E/O, nên nó sẽ làm hạn chế tính trong suốt đối với đặc tính tín hiệu truyền, đồng thời tăng chi phí bảo trì. Kỹ thuật khuếch đại quang mang lại nhiều thuận lợi hơn các bộ lặp. Bộ khuếch đại quang không phụ thuộc vào tốc bit và các định dạng tín hiệu. Một hệ thống sử dụng khuếch đại quang có thể dễ dàng nâng cấp hơn, ví dụ như đến một tốc độ bit cao hơn mà không cần phải thay thế các bộ khuếch đại. Hơn nữa, các bộ khuếch đại quang có một băng thông khá rộng nên có thể được dùng khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM. Nếu không với mỗi bước sóng ta phải có một bộ lặp. Điều này cho thấy các bộ khuếch đại quang thật sự cần thiết cho các hệ thống ghép kênh theo bước sóng. ở đây ta sẽ xem xét hang loại khuếch đại quang cơ bản: EDFA ( Eribium-Doped Fiber Amplifiers) và SOA (Sermiconductor Optical Amplifiers) Bộ khuếch đại EDFA Bộ khuếch đại quang EDFA hoạt động trong dải từ 1530nm đến 1560nm. Cấu tạo EDFA gồm một đoạn silica ma phần lõi được cấy vào các ion E3+ của nguyên tố Eribi. ở đầu cuối sợi quang, một laser phát đi một tín hiệu (pumped signal) vào sợi quang. Để kết hợp tín hiệu gốc đặt ở đầu vào với tín hiệu laser, người ta dùng một bộ ghép phụ được đặt trước đoạn cáp. Thông thường sẽ có một bộ cách ly được dùng trước ngõ vào hoặc ngõ ra của bộ khuyếch đại để ngăn cản sự phản xạ ngược trở lại vào trong bộ khuếch đại.  Cấu tạo bộ khuêch đại EDFA Tín hiệu bơm kích thích các nguyên tử Er3+ đến một mức năng lượng cao hơn. Sự chuyển dịch mức năng lượng của điện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra một photon, được goi là bức xạ tự phát nếu như không có bất cử một tác động nào khác chen vào, hoặc bức xạ kích thích do sự có mặt của các photon chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển. Thời gian sống của các điện tử ở mức năng lượng cao vào khoảng 10-9s đảm bảo cho các ion E3+ đợi để được khuếch đại tín hiệu bằng bức xạ kích thích. Khi tín hiệu đầu vào được bơm vào EDFA, nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng tháI kích thích, do vậy khuếch đại công suất tín hiệu. Hầu hết các EDFA được bơm bằng laser với bước sóng 980nm hoặc 1480nm. Bước sóng 980nm cho hiệu suất độ lợi khoảng10dB/mW, trong khi bước sóng 1480nm cho hiệu suất khoảng 5dB/mW. Một hạn chế của khuếch đại quang là độ lợi phổ không đồng đều. Độ lợi phổ EDFA được vẽ trong hình 1.6 dưới đây. Ngoài ra, các bộ khuếch đại cũng khuếch đại nhiễu như tín hiệu, và vùng tích cực của bộ khuếch đại cũng tự động phát ra các photon và vùng tích cực của bộ khuếch đại cũng tự động phát ra các photon, làm hạn chế hiệu suất của bộ khuếch đại. Đường cong độ lợi khuếch đại theo bước sóng Một số phương pháp làm phẳng độ lợi của EDFA đã được nghiện cứu như sử dụng bộ lọc quanh tần số 1530nm để nén đỉnh trong vùng này. Tuy nhiên khi có nhiều bộ khuếch đại EDFA được ghép liên tầng, một đỉnh khác xuất hiện quanh bước sóng 1560nm, lúc đó một bộ lọc ở tần số 1560nm đực sử dụng. Một phương pháp khác là hiệu chỉnh công suất phát đầu vào để cho công suất trên mọi bước sóng nhận được ở bên thu như nhau. Cách này được áp dụng trong mạng vòng Ring WDM. Bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA Về cơ bản bộ khuếch đại SOA (Semiconductor Optical Amplifier) có cấu tạo là một ghép nối P-N (xem hình 1.7). Lớp giữa được hình thành ở mối nối hoạt động như là một vùng tích cực. ánh sáng được khuếch đại do sự phát xạ kích thích khi nó lan truyền qua vùng tích cực này. Đối với một bộ khuếch đại, hai đầu cuối của vùng tích cực được phủ một lớp không phản xạ để loại bỏ gợn sóng trong độ lợi của bộ khuếch đại. Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại bán dẫn Hai dạng Laser bán dẫn cơ bản là Fabry-Perot Amplifier và Travelling-Wave Amplifier (TWA). Sự khác nhau cơ bản giữa hai loại này là tính phản xạ của hai gương đầu cuối. Tính phản xạ của Fabry-Perot khoảng 30%, của TWA khoảng 0.01%. Tính phản xạ cao hơn trong Fabry-Perot gây ra cộng hưởng trong bộ khuếch đại làm cho dải thông hẹp khoảng 5GHz. Vì vậy TWA thích hợp hơn Fabry –Perot dùng cho các mạng WDM. Ngày nay các bộ khuếch đại bán dẫn có thể đạt được độ lợi 25dB với một độ bão hoà là 10dBm, độ nhạy phân cực là 1dB và phạm vi băng thông 40nm. Một thuận lợi của các bộ khuếch đại bán dẫn là khả năng tích hợp chúng vào các thành phần khác. Cấu trúc mạng DWDM Trong phần này ta sẽ đi tìm hiểu cấu trúc tổng quát của một mạng WDM. Cấu trúc của mạng được mô tả trong hình 1.8 gồm các thiết bị đầu cuối (OLT), các bộ ghép kênh xen/tách quang (OADM) và các bộ kết nối chéo quang OXC liên kết với nhau qua các kết nối sợi quang. Hình vẽ không chỉ ra các bộ khuếch đại quang, được triển khai dọc theo tuyến truyền dẫn nhằm đảm bảo công suất quang tại đầu thu. Ngoài ra, trong các OLT, OADM, OXC cũng có thể tích hợp các bộ khuếch đại quang bên trong để bù suy hoa. ở đây, OLT được triển khai rộng rãi, OADM được triển khai ở phạm vi nhỏ hơn và OXC chỉ mới bắt đầu được triển khai. Cấu trúc mạng này liên kết các mạng thuộc các loại khác nhau như mạng vòng (Ring), mạng mắt lưới (mesh). Một số đặc điểm đáng chú ý của kiến trúc này: Sử dụng lại bước sóng: Trên hình 5.1 ta thấy nhiều lightpath trong mạng có thể sử dụng cùng bước sóng khi chúng không trung nhau trên bất cứ tuyến nào. Khả năng sử dụng lại này cho phép mạng hỗ trợ một số lớn các lightpath sử dụng một số giới hạn các bước sóng. Chuyển đổi bước sóng: Lightpath có thể trải qua nhiều chuyển đổi bước sóng dọc theo lộ trình (route) của nó. Chuyển đổi bước sóng có thể cải thiện hiệu quả sử dụng các bước sóng trong mạng. Chuyển đổi bước sóng cũng cũng cần thiết ở những phần giáp danh mạng ngoài nhằm đưa các tín hiệu từ các nguồn bên ngoài vào bước sóng phù hợp để sử dụng bên trong mạng. Tính trong suốt: Nghĩa là các lightpath có thể mang dữ liệu với các tốc độ bit, định dạng khác nhau. Mang tính chuyển mạch kênh: Các lightpath được cung cấp ở lớp quang có thể được thiết lập và kết thúc theo yêu cầu. Điều này giống như việc thiết lập và giải phóng các kênh trong mạng chuyển mạch kênh. Khả năng dự phòng: Mạng có thể được cấu hình sao cho trong trường hợp bị đứt một lightpath nào đó, các ligthpath có thể được định tuyến lại bằng các đường thay thế một cách tự động.  Cấu trúc mạng định tuyến bước sóng DWDM Thiết bị đầu cuối OLT Thiết bị đầu cuối là phần tử mạng tương đối đơn giản xét về mặt cấu trúc. Chúng được dùng ở đầu cuối của một liên kết điểm-điểm để ghép và phân kênh các bước sóng. Hình 1.9 mô tả ba phần tử chức năng bên trong một OLT gồm: bộ tiếp sóng(transponder), bộ ghép kênh bước sóng (Wavelength Multiplexer) và một bộ khuếch đại quang không được vẽ ra trên hình. Bộ tiếp sóng có chức năng biến đổi tín hiệu đi vào từ người sử dụng sang một tín hiệu phù hợp sử dụng trong mạng và tương tự theo chiều ngược lại. Giao diện giữa người sử dụng và bộ tiếp sóng có thể thay đổi phụ thuộc vào người sử dụng, tôc độ bit và khoảng cách hoặc suy hao giữa người dùng và bộ chuyển tiếp. Giao diện phổ biến nhất là SONET/SDH. Cấu trúc một thiết bị đầu cuối OLT Tín hiệu có thể cần được chuyển sang một bước sóng thích hợp trong mạng quang. Các bước sóng tạo ra bởi bộ tiếp sóng tuân theo các tiêu chuẩn của ITU trong cửa sổ 1.55micromet, trong khi tín hiệu đến có thể là tín hiệu 1,3micromet. Bộ tiếp sóng có thể thêm vào phần vào đầu (overhead) nhằm mục đích quản lý mạng. Nó cũng có thể thêm thông tin sửa lỗi FEC, đặc biệt cho các tín hiệu 10Gbps và các tốc độ cao hơn. Trong một số trường hợp, việc làm thích nghi chỉ cho hướng đi vào và bước sóng ITU ở hướng ngược lại được gửi trực tiếp đến thiết bị người sử dụng. Tr._.ong một số trường hợp khác, ta có thể tránh sử dụng bộ tiếp sóng bằng cách thực hiện chức năng thích nghi bên trong thiết bị người sử dụng như phân tử mạng SONET có chỉ ra trong hình 1.9. Tín hiệu ra khỏi bộ tiếp sóng được ghép kênh với các tín hiệu khác ở các bước sóng khác nhau sử dụng bộ ghép kênh theo bước sóng phát ra trên một sợi quang. Thêm vào đó, có thể phải sử dụng bộ khuếch đại quang để đẩy công suất tín hiệu lên trước khi chúng được gửi đến bộ phân kênh, rồi truyền tới bộ tiếp sóng hoặc trực tiếp đến thiết bị người sử dụng. OLT cũng là đầu cuối của một kênh giám sát quang OSC. OSC được mang trên một bước sóng riêng, tách biệt với các bước sóng mang lưu lượng. Nó dùng để giám sát việc thực hiện của các bộ khuếch đại dọc theo tuyến, và một số chức năng quản lý khác. Bộ ghép/xem OADM OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) là thiết bị được sử dụng trong các hệ thống WDM để ghép và định tuyến các kênh quang vào đi vào/ra một sợi quang đơn mode (SMF). Đây là loại node quang thường hay được dùng để xây dựng mạng quang cấu trúc mạch vòng. Ơ đây “Add” và “Drop” chỉ ra khả năng đưa thêm một hay nhiều kênh bước sóng mới vào tín hiệu WDM đa bước sóng đang có và /hoặc tách (rớt) một hay nhiều kênh bước sóng, rồi định tuyến sang một tuyến khác của mạng (xem hình 1.10). Một thiết bị OADM có thể coi như làm một loại chuyển mạch quang (Optical Cross-connect) đặc biệt. Cấu tạo của một bộ OADM sử dụng FBG và hai bộ Circulator Cấu trúc điển hình của một OADM gồm 3 khối: Khối tách kênh quang (Optical Demux), khối ghép kênh quang (Optical Mux), ở giữa là khối chuyển mạch quang (optical switch). Tất cả các lightpath đi trực tiếp qua OADM gọi là cut-through ligthpath., trong khi nhũng lightpath được xen/rớt tại node OADM gọi là added/dropped lightpath. Một OADM có các chuyển mạch quang có thể cấu hình lại từ xa được gọi là ROADM (Reconfigurabel OADM). Về mặt vật lý, có một số cách để thực hiện OADM. Có rất nhiều công nghệ tách/ghép kênh như: dùng bộ lọc, FBG (Fiber Bragg Gratings) với các bộ Circulator quang, … Cũng có rất nhiều các công nghệ chuyển mạch hay cấu hình lại: Fiber Patch Panel, công nghệ MEMS, các chuyển mạch quang nhiệt và tinh thể lỏng trong các mạch dẫn sóng phẳng. Mặc dù đều có chức năng xen/rớt, nhưng OADM lại khác với các bộ ADM (Add-Drop Multiplexer) về dạng tín hiệu làm việc. OADM xen/rớt các kênh quang trong mạng WDM, trong khi ADM xen/rớt các luồng TDM tín hiệu điện trong mạng SONET/SDH. Bộ xen/tách quang cung cấp một phương tiện điều khiển lưu lượng hiệu quả trong mạng. OADM có thể dùng tại những vị trí khuếch đại trong các mạng đường trục, nhưng cũng có thể sử dụng như những phần tử mạng độc lập. Để hiểu được các lợi ích của bộ xen/tách quang, ta xét một mạng giữa ba node A,B, và C với các bộ định tuyến IP đặt ở mỗi node như trong hình 1.11. Dựa vào cấu trúc mạng, lưu lượng giữa A và C đi xuyên qua node B. Để đơn giản ta giả thuyết các tuyến kết nối hoàn toán song công giống như hầu hết các mạng quang hiện nay. Vai trò của OADM trong mạng 3 node Giả sử yêu cần lưu lượng như sau: một bước sóng giữa A và B, một bước sóng giữa B và C, và ba bước sóng giữa A và C. Bây giờ ta xây dựng hệ thống WDM điểm nối điểm để đáp ứng nhu cầu lưu lượng này. Trong giải pháp đưa ra trong hình 1.11a, mỗi liên kết điểm điểm sử dụng một OLT ở cuối tuyến. OLT gồm các bộ Mux/demux, các bộ tiếp sóng. Chí phí bộ tiếp sóng là một phần quan trọng trong chi phí chung của mạng. Node B có hai OLT, mỗi OLT kết thúc bốn bước sóng và vì vậy yêu cầu bốn bộ tiếp sóng. Tuy nhiên, chỉ có một trong bốn bước sóng này là dành cho node B, các bước sóng còn lại được sử dụng để cung cấp lưu lượng giữa A và C. Vì thế sau trong tám bộ tiếp sóng ở node B dùng để điều khiển lưu lượng. Đây là việc làm tốn kém. Xét giải pháp dùng OADM trong hình 1.11b. Thay vì thực hiện các hệ thống WDM điểm nối điểm, ta triển khai một mạng định tuyến bước sóng. Mạng sử dụng một OLT ở node A và C và một OADM ở node B. OADM tách một trong bốn bước sóng, sau đó kết thúc trong các transponder. Ba bước sóng còn lại đi xuyên qua trong miền quang sử dụng các kỹ thuật lọc tương đối đơn giản, mà khôngphảI kết thúc trong các transponder. Kết quả là chỉ có hai transponder cần thiết ở node B thay vì tám transponder như ở giải pháp 1.11a. Điều này cho thấy OADM sẽ giảm bớt chi phí đáng kể. Các loại ROADM trong mạng toàn quang có thể cấu hình lại Tuy nhiên các OADM hiện tại khá cứng nhắc do nó không có khả năng thay đổi lựa chọn các kênh được tách và đi xuyên qua băng phần mềm điều khiển khi đang hoạt động. Với ROADM (Reconfigurable OADM) sử dụng các bộ lọc và laser hiệu chỉnh đáp ứng được yêu cầu về tính mềm dẻo của cấu hình hệ thống. Các mạng toàn quang cấu hình lại được có bộ khung chính là các node ROADM (xem hình 1.12 ở trên). Hiện nay có 4 loại ROADM chính gồm ROADM loại I/II, WSS (Wavelength Selective Switches), và OXC (Optical Cross-Connects). Bảng 1.1 tổng hợp các đặc điểm quan trọng của các loại ROADM này Loại ROADM Số lượng kênh Add/Drop Nhiều bước sóng trên một cổng Các công nghệ thành phần ROADM loại I (Fixed Ports) N Không Wavelength Blocker (LCD or MEMS) + Fixed Filters (TFF) Demux + Small Switch Array + Mux (PLC) ROADM loại II (Any to any port) M Không Wavelength Blocker( LCD or MEMS)+Tunalbe Filters/Lasers Demux+Small Switch Array+Mux+MxN Switches (PLC) WSS (Any multiple ’s to any port M-1 (1xM WSS) Có 1xN Wavelength Selective Switch (LCD or LCoS or MEMS) OXC (Any multiple ’s from any port to any port) N/A (Mesh connectivity only) Có NxN Matrix Switch (PLC) NxN Wavelength Selective Switch (LCD or LCoS or MEMS) So sánh các loại ROADM Bộ kết nối chéo quang OXC OADM là phân tử mạng hữu ích để điều khiển các cấu trúc mạng đơn giản như cấu trúc tuyến tính trong hình 5.4 hoặc cấu trúc vòng Ring với số bước sóng ít. Với mạng có cấu trúc mắt lưới phức tạp hơn và số bước sóng sử dụng nhiều hơn, người ta phải sử dụng một phần tử khác là bộ kết nối chéo OXC. OXC là thiết bị dùng để chuyển mạch các tín hiệu quang tốc độ cao trong mạng sợi quang. Có thể coi OADM là một trường hợp đặc biệt của OXC. OXC được đặt ở vị trí trung tâm, điều khiển lưu lượng lớn. Một OXC cũng là phần tử mạng chính cho phép cấu hình lại các mạng quang, ở đó các lightpath được thiết lập và giải phóng theo yêu cầu, chứ không được cung cấp một cách cố định. Có một số cách thực hiện một OXC. Loại thứ nhất thực hiện OXC trên miền điện tử. Sau khi được tách kênh qua bộ Demux, tất cả các tín hiệu quang đầu vào được chuyển đổi sang tín hiệu điện. Các tín hiệu điện này sau đó được chuyển mạch bởi một module chuyển mạch điện tử. Cuối cùng các tín hiệu điện chuyển mạch được chuyển đổi trở lại tín hiệu quang bằng cách sử dụng chúng để điều chế các bộ laser và sau đó các tín hiệu quang thu được sẽ được ghép kênh với nhau trước khi đưa vào sợi quang để truyền đi. Loại cấu trúc này gọi là OXC cấu trúc OEO. Các cross-connects dựa trên một quá trình chuyển mạch OEO có hạn chế đó là chuyển mạch điện tử sẽ hạn chế băng thông cực đại của tín hiệu. Tuy nhiên, ta lại dễ giám sát chất lượng tín hiệu trong thiết bị OEO, vì tất cả các tín hiệu được chuyển đổi sang tín hiệu điện tại node chuyển mạch. Một ưu điểm nữa là các tín hiệu quang được tái tạo lại, nên không gây ra tán sắc hay suy hao khi tín hiệu quang đi qua node chuyển mạch. Một OXC điện tử được gọi là opaque OXC. Cách thứ hai để thực hiện OXC là chuyển mạch các tín hiệu quang trong thiết bị toàn quang. Loại OXC này được gọi là Transparent OXC hay Photonic Cross-Connect (PXC). Cụ thể là, qua khối tách kênh quang (Optical Demux)tín hiệu quang được tách thành các kênh bước sóng, rồi được đưa đến khối chuyển mạch quang(Optical Switch). Sau chuyển mạch, các kênh quang này được ghép kênh, rồi phát vào sợi quang bằng các bộ ghép kênh quang (Optical Mux). Loại cấu trúc OXC này sẽ giữ nguyên được các đặc điểm về tốc độ bit và trong suốt với giao thức lớp trên. Tuy nhiên do các tín hiệu này được duy trì ở dạng quang, nên khó giám sát chất lượng tín hiệu quang. Một loại OXC thứ ba kết hợp cả hai loại trên, gọi là translucent OXC. Trong cấu trúc này, có một tầng chuyển mạch bao gồm một khối chuyển mạch quang và một khối chuyển mạch điện. Các tín hiệu quang đi qua tầng chuyển mạch có thể được chuyển mạch bằng khối chuyển mạch quang hoặc khối chuyển mạch điện. Trong hầu hết các trường hợp, khối chuyển mạch quang hay được sử dụng hơn do tính trong suốt của nó. Khi tất cả các giao diện của khối chuyển mạch quang đều bận, hoặc do tín hiệu quang cân được tái tạo thông qua quá trình chuyển đổi O/E/O thì khối chuyển mạch điện được sử dụng. Như vậy node Translucent OXC có khả năng kết hợp cả hai ưu điểm đó là trong suốt với tín hiệu quang và khả năng tái tạo, giám sát chất lượng tín hiệu quang OXC làm việc trực tiếp với các phần tử mạng SONET/SDH cũng như các bộ IP Router và các chuyển mạch ATM, các thiết bị đầu cuối WDM và các bộ OADM như chỉ ra trong hình 1.13. Một số người coi OXC như là một bộ chuyển mạch kết nối chéo với các thiết bị đầu cuối OLT xung quanh. Ta có thể xây dung mạng sử dụng các thiết bị OXC và OLT từ các nhà sản xuất khác nhau. OXC cung cấp nhiều chức năng như sau: Cung cấp dịch vụ: Một OXC sẽ cung cấp các lightpath còn gọi là dịch vụ, trong một mạng lớn một cách tự động mà không phải bằng tay. Khả năng này trở nên quan trọng khi giải quyết số bước sóng lớn hơn trong một node hoặc với số node trong mạng lớn. Nó cũng khá quan trọng khi các lightpath trong mạng cần được cấu hình lại để đáp ứng với sự thay đổi lưu lượng. Các OXC có thể cấu hình từ xa đảm nhận chức năng này. Kết nối OXC với các phần tử khác Bảo vệ lightpath: Bảo vệ lightpath khi sợi bị đứt và khi thiết bị gặp sự có trong mạng là những chức năng quan trọng nhất được mong đợi từ bộ kết nối chéo. Bộ kết nối chéo là một phần tử mạng thông minh. Nó có thể phát hiện ra sự cố trong mạng và nhanh chóng định tuyến lại các lightpath. Các bộ kết nối chéo cho phép nâng cao hiệu quả sử dụng băng thôngcho các mạng mesh. Trong suốt đối với tốc độ bit: Khả năng chuyển mạch các tín hiệu với tốc độ bit và các định dạng khung tùy ý là một thuộc tính mong muốn của các OXC. Thực hiện chuyển đổi bước sóng: Ngoài việc chuyển mạch một tín hiệu từ cổng này sang cổng khác, OXC cũng có thể kết hợp thêm khả năng chuyển đổi bước sóng bên trong. Thực hiện ghép kênh WDM Một số cấu trúc OXC được triển khai Hình 1.14 là một số cấu trúc của OXC được triển khai trong thực tế. Hình 1.14a mô tả một OXC gồm một lõi chuyển mạch điện bao quanh bởi các bộ chuyển đổi quang-điện (O/E). OXC hoạt động với các OLT thông qua các giao diện quang phi WDM, tiêu biểu ở 1310nm. OLT có các bộ tiếp sóng để chuyển tín hiệu này bước sóng WDM thích hợp, hoặc tự OXC có thể có các laser bước sóng riêng biệt hoạt động với các OLT mà không cần những bộ tiếp sóng giữa chúng. Hình 1.14b,d mô tả các OXC với một lõi chuyển mạch quang. Sự khác nhau chính nằm ở chỗ các OXC làm việc với những thiết bị WDM. Lưu ý rằng các cấu hình 1.14a,b và c đều có chuyển đổi bước sóng và tái sinh tín hiệu trong bản thân OXC hoặc sử dụng các bộ tiếp sóng gắn vào các OLT. Để khả năng phục hồi tín hiệu, và chuyển đổi bước sóng, cầu hình ở hình 1.14d được bổ sung để thêm vào bộ kết nối chéo lõi điện tử như trong hình 1.15. Cấu hình này cho phép hầu hết các tín hiệu được chuyển mạch trong miền quang, tối thiểu chi phí và tối đa dung lượng mạng, trong khi cho phép ta định tuyến các tín hiệu xuống lớp điện khi cần thiết. Node mạng kết nối chuyển mạch quang và chuyển mạch điện Trong hình 1.16, tín hiệu vào trong các đôi sợi quang khác nhau trước tiên được phân kênh bởi các OLT. Tất cả các tín hiệu ở cùng một bước sóng cho trước được gửi đến một bộ chuyển mạch dành cho bước sóng đó, và các tín hiệu từ các ngõ ra của các chuyển mạch được ghép lại với nhau bằng các OLT. Trong một node với F đôi sợi WDM và W bước sóng trên mỗi cặp sợi, sự xếp đặt này sử dụng F bộ OLT và W bộ chuyển mạch 2Fx2F. Điều này cho phép bất kì tín hiệu trên bất kì bước sóng nào được rớt cục bộ. Ngược lại cấu hình 1.15 sử dụng F bộ OLT và một bộ chuyển mạch 2WFx2WF để cung cấp cùng dung lượng. Ví dụ xét F=4 và W=32 là những giá trị thực tế hiện đang dùng. Trong trường hợp này cấu hình 1.16 sử dụng 4 bộ OLT và 32 bộ chuyển mạch 8x8. Ngược lại cấu hình 1.14b cần 4 bộ OLT và một chuyển mạch 256x256. Như đã biết, các bộ chuyển mạch quang càng lớn thì càng khó chế tạo hơn so với những chuyển mạch nhỏ. Cấu trúc OXC cải tiến Do vậy sử dụng cấu hình 1.16 mạng lại sự lựa chọn với chi phí thấp hơn cho các bộ chuyển mạch quang không nghẽn kích thước lớn hơn. Tuy nhiên, ta không xem xét làm thế nào để tối ưu số bộ kết cuối xen/rớt (là các transponder hoặc các giao diện O/E). Cả hai hình 1.15 và 1.16 đều giả thiết có đủ các cổng để kết thúc tất cả WF tín hiệu. Hầu như đây là trường hợp hiếm khi nào xảy ra, vì chỉ một phần lưu lượng sẽ cần được lấy xuống và các thiết bị kết cuối thì đắt tiền. Nếu thực sự cần WF kết thúc trên một chuyển mạch điện, thì giải pháp tốt nhất là sử dụng cấu hình lõi điện trong hình 1.14a. Nếu ta có tổng cộng T thiết bị đầu cuối, tất cả đều có các laser chỉnh được bước sóng và ta muốn rớt bất cứ tín hiệu nào trong số WF tín hiệu, điều này yêu cầu một chuyển mạch quang TxWF thêm vào giữa những bộ chuyển mạch và các thiết bị kết cuối như trong hình 1.17. Ngược lại, với một bộ chuyển mạch không nghẽn kích thước lớn, ta chỉ đơn giản kết nối T thiết bị kết cuối đến T cổng của bộ chuyển mạch này, tạo ra một chuyển mạch (WF+T)x(WF+T). Cấu trúc OXC mới nhất Tóm lại sử dụng mô hình 1.16 ta cần phải tính luôn số sợi, phần lưu lượng được xen/rớt, số bộ kết cuối và các khả năng điều chỉnh cũng như các thông số riêng biệt trong thiết kế. Hiện nay các OXC có lõi chuyển mạch điện với toàn bộ dung lượng lên đến một vài Tb.s, có khả năng phân luồng xuống tới luồng STS-1 (51Mbps) đã có mặt trên thị trường. Các OXC với trung tâm chuyển mạch quang với hơn 1000 cổng cũng đang nổi lên như các sản phẩm thương mại. Một số công nghệ quan trọng trong mạng AON Công nghệ kênh quang Kênh quang Dung lượng truyền dẫn điểm-điểm đã tăng lên hơn hai lần trong vòng một thập kỷ qua nhờ việc sử dụng truyền dẫn sợi quang, với hệ thống có tốc độ 10Gb/s đang được xây dựng. Tuy nhiên, các hệ thông SDH, ATM, và hệ thống IP gặp phải một cản trở khi muốn tăng tốc độ truyền dẫn lên 10Gbps, đó chính là sự hạn chế tốc độ của thiết bị chuyển mạch điện tử tại các node. Công nghệ đường dẫn quang (Optical path) là bước ngoặt phá bỏ sự hạn chế này. Các đường dẫn quang được tách biệt bằng các bước sóng khác nhau. Sự ra đời của nó tạo ra bước nhảy vọt về cả dung lượng truyền dẫn và tốc độ chuyển mạch (Cross-connect throughput) bằng việc khai thác các công nghệ WDM và định tuyến bước sóng (Wavelength routing). Các công nghệ kênh ghép kênh ở bảng 1.2 một số công nghệ ghép kênh và tạo đường dẫn khác nhau được so sánh về cách nhận biết path và cơ chế định tuyến. Các path lớp 2 được nhận ra nhờ nhãn/mào đầu (Label/header)gắn vào gói/tế bào(packet/cell). Các đường dẫn số của SDH và PDH ở lớp 1 được xác định bằng vị trí khe thời gian trong khung TDM. Trong WDM, các bước sóng được sử dụng để phân biệt các path với nhau. Định tuyến bước sóng có các đặc điểm quan trọng sau: Định tuyến bằng phần cứng cho phép thông lượng của node định tuyến rất lớn. Định tuyến dựa trên cơ chế Store and Forward rất khó, do thiếu bộ nhớ. Định tuyến bước sóng cho phép tại một thời điểm định tuyến được nhiều tín hiệu có định dạng khác nhau trên cùng một sợi quang. Mặt mạnh của công nghệ WDM và định tuyến theo bước sóng là cho phép xây dựng được các hệ thống truyền dẫn quang có kích thước nhỏ, tiêu thụ công suất thấp, và có thông lượng cực lớn. Tuy nhiên số lượng path trên một sợi quang bị hạn chế khoảng nhỏ hơn 1000, dung lượng của một path khoảng hơn vài trăm Mb/s. Vì vậy đường dẫn quang được ứng dụng nhiều nhất là để tăng dung lượng đường transaccess giữa các node như mô tả ở hình 1.18. Các đường dẫn điện (Electric Path), như các đường dẫn số, VP, LSP, sẽ được sử dụng làm đường dẫn truy nhập dịch vụ để cung cấp các dịch vụ cụ thể and để thực hiện kỹ thuật lưu lượng cần thiết. Hiện tại các đường dẫn quang không những sẽ thay thế tất cả các đường dẫn điện, mà còn bổ sung cho chúng ví dụ dưới dạng các đường dẫn transacces. Theo đó, các mạng đường dẫn quang sẽ dần dần thay thế các mạng dựa trên đường dẫn điện. Tóm lại, công nghệ đường dẫn quang đã mạng lại lợi ích vô cùng to lớn cho mạng truyền dẫn nói chung, cụ thể là: ứng dụng công nghệ WDM nâng cao dung lượng truyền dẫn Định tuyến bước sóng nâng cao thông lượng của node chuyển mạch Khả năng truyền dẫn linh hoạt Khả năng bảo vệ/phục hồi mạng hiệu quả Dung lượng đường dẫn >1Gb/s, và số lượng đường dẫn trên một sợi quang <1000 ứng dụng của đường dẫn quang Nâng cao thông lượng chuyển mạch Trong khi công nghệ WDM làm tăng dung lượng truyền dẫn, nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông sợi quang, thì định tuyến bước sóng (Wavelength routing) lại mở rộng thông lượng của node chuyển mạch. Thông lượng của một hệ thống chuyển mạch đường dẫn quang lớn hơn hệ thống chuyển mạch TDM rất nhiều, đồng thời phần cứng thực hiện cũng đơn giản mặc dù lưu lượng cần chuyển qua rất lớn. Đó là bởi vì định tuyến bước sóng không nhạy với dung lượng đường dẫn chỉ cần các thiết bị quang thụ động (Passive Optical Devices), không cần đồng bộ giữa các đường dẫn quang (các kênh WDM không cần được đồng bộ Tăng thông lượng mạng với cơ chế Cut-through quang Hình 1.19 so sánh công nghệ IPoWDM (IP over WDM) với các công nghệ đường dẫn quang (ví dụ photonic MPLS ). Trong mạng IPoWDM, để truy nhập tuyến truyền dẫn sợi quang, tất cả các tín hiệu WDM trong sợi quang đó phải được biến đổi thành tín hiệu điện và kết thúc ở mỗi node. Toàn bộ băng thông tín hiệu trên mỗi tuyến phải được định tuyến (từng gói một) dựa trên phần mào đầu của gói tại mỗi node gói đi qua. Trong mạng IP, hầu hết các gói đơn giản chỉ đi qua node, và chỉ một phần của toàn bộ dung lượng sợi quang được kết cuối tại mỗi node. Nếu lưu lượng được định tuyến không sử dụng chuyển đổi O/E và không thực hiện xử lý từng gói một tại node, thì việc xử lý IP tại node này được giảm thiểu và thông lượng tổng cộng của node tăng lên rất lớn. Điều này có thể thực hiện bằng việc sử dụng các đường dẫn quang và định tuyến bước sóng. IP over WDM Định tuyến đường dẫn quang có thể được thực hiện từ các linh kiện thụ động. Kỹ thuật này sẽ loại bỏ tình trạng nghẽn lưu lượng hay thấy ở các node định tuyến hiện nay. Đây là ưu điểm đáng chú ý khi dung lượng tuyến tổng cộng rất lớn do nó giảm thiểu việc chuyển đổi luồng bit tôc độ cao từ dạng nối tiếp sang song song và xử lý tín hiệu điện. Nghẽn thắt cổ chai do xử lý điện được tháo gỡ nhờ việc đưa ra sử dụng các đường dẫn quang. Giảm chi phí xây dựng mạng Chi phí mạng có thể giảm nhờ việc sử dụng các đường dẫn quang (IP over Photonic) trong các mạng có thông lượng lớn. Hình 1.20 là một ví dụ tính toán chi phí mạng. Giả thiết các giao diện IP router có tốc dộ 2.5Gb/s, và tốc độ truyền dẫn của một sợi quang 20Gb/s (ghép WDM 8 bước sóng). Chỉ có chi phí node là được tính do chi phí truyền dẫn không quan trọng trong tổng chi phí mạng nhờ ưu điểm của truyền dẫn WDM. Rõ ràng là sử dụng chuyển mạch PTS sẽ giảm chi phí node tổng cộng so với phương pháp định tuyến IP xử lý tín hiệu điện (All-Electronic IP router) còn gọi là IPoWDM. Khi số node trung gian tăng lên, những lợi ích chi phí này càng trở lên quan trọng hơn. Lý do là bởi vì định tuyến các đường dẫn quang dung lượng lớn sẽ giảm chi phí các node trung gian. Giảm chi phí với hệ thống XC đường dẫn quang Dễ dàng mở rộng thông lượng hệ thống chuyển mạch quang Các đường dẫn quang dị bộ với nhau, nên rất dễ để thực hiện ghép/tách các đường dẫn quang tốc độ cao do không cần phải thực hiện đồng bộ bit. Đặc tính dị bộ này cho phép chúng ta thiết kế hệ thống chuyển mạch với khả năng tăng thông lượng (số bước sóng trên một sợi quang, số sợi quang, và tốc độ của kênh) bằng cách lắp thêm các module vào hệ thống (xem hình 1.21). Khi đó ta có thể thay đổi hệ thống dễ dàng nhằm đáp ứng mọi yêu cầu về thông lượng đặt ra. Điều này đặc biệt có ý nghĩa kinh tế khi đầu tư xây dựng một hệ thống mới. Mở rộng dung lượng hệ thống chuyển mạch quang Là nền tảng hệ thống truyền dẫn Đối với các dịch vụ IP, các công nghệ khác nhau như: IP overATM/ [SDH/SONET]/WDM hay IPover[SDH/SONET]/WDM đang được phát triển. Hình 1.22 là ví dụ một mô hình phân lớp, trong đó có một số chức năng của mỗi lớp bị lặp lại ở các lớp khác. Như các chức năng ghép kênh, định tuyến, và chức năng bảo vệ/phục hồi đều có mặt ở tất cả các lớp. Không chỉ tồn tại lặp lại chức năng, mà còn xảy ra xung đột về chức năng bảo vệ/phục hồi khi mạng xảy ra lỗi giữa các lớp. Mô hình phân lớp với sự lặp lại chức năng Đối với mạng quang WDM, đường dẫn quang được thiết kế có thể hỗ trợ các định dạng tín hiệu điện khác nhau. Như đã nói ở trên, các dạng tín hiệu điện khác nhau được mang trên các bước sóng khác nhau trong một sợi quang sử dụng gán bước sóng. Rõ ràng, đường dẫn quang sẽ cung cấp một hạ tầng truyền dẫn truyền được nhiều dạng tín hiệu khác nhau, nhanh chóng và dễ dàng nâng cấp để đưa ra các dịch vụ mới. So sánh mạng định tuyến tín hiệu điện với mạng truyền dẫn quang Hình 1.23 so sánh các mạng định tuyến công nghệ điện tử với mạng truyền dẫn quang dựa trên công nghệ đường dẫn quang. Có hai đặc điểm quan trọng đối với mạng truyền dẫn quang. Thứ nhất là sự đơn giản hoá mạng truyền dẫn lõi ( ở đó chỉ cần định tuyến bước sóng và do vậy chỉ cần dùng một loại thiết bị định tuyến OXC (Optical cross-connect)/OADM (Optical Add/Drop Multiplexer)), định tuyến cho các dạng tín hiệu điện khác nhau trong lớp quang. Thứ hai là việc tách các chức năng lớp lõi và lớp biên. Lớp lõi (core network) có nhiều node thông lượng cao được kết nối bằng các tuyến có dung lượng lớn và tất cả đều có dự phòng, có khả năng bảo vệ/phục hồi. Các node xử lý tín hiệu điện nằm ở mạng biên (edge network) kết nối trực tiếp với nhau bằng các đường dẫn quang. Đường dẫn bước sóng và đường dẫn bước sóng ảo Các đường dẫn quang được tách biệt với nhau bằng bước sóng của chúng. Có hai loại đường dẫn quang: WP (Wavelength Path) và VWP (Virtual Wavelength Path). Đối với WP, một đường dẫn quang được thiết lập giữa hai node băng cách phân bổ một bước sóng cho đường dẫn đó. Các node trung gian dọc theo WP thực hiện định tuyến WP theo bước sóng này. Còn đối với VWP, bước sóng của nó được phân bổ trên từng tuyến (link). Vì vậy bước sóng của mỗi VWP trên tuyến chỉ có ý nghĩa nội bộ thay vì toàn mạng như của WP. Điều này giống như nguyên tắc gán VPI (Virtual Path Identifier) trong mạng ATM. Vì lí do này, loại này được gọi là Virtual WP. Trong mô hình VWP sẽ cần bộ chuyển đổi bước sóng tại các node chuyển mạch. So sánh WP và VWP Hình 1.24 so sánh hai loại đường dẫn quang này. Yêu cầu là phải thiết lập 4 WP, và 4 VWP trên các tuyến giống nhau. Kết quả là mô hình WP cần sử dụng 3 bước sóng, VWP sử dụng chỉ 2 bước sóng. Tức là mô hình VWP đã tối đa mức độ tái sử dụng lại bước sóng trong mạng cho phép sử dụng ít bước sóng hơn. Trong quá trình sắp xếp tạo WP, bài toán gán bước sóng và bài toán định tuyến phải được giải quyết đồng thời, để mỗi WP được gán một bước sóng khác nhau trên một sợi quang. Với tài nguyên biết trước (số sợi quang và số bước sóng trên một sợi), node phải định tuyến quang (Optical Path route) và gán bước sóng, theo một thuật toán tối ưu (RWA). Công nghệ chuyển mạch kênh quang Công nghệ chuyển mạch kênh được sử dụng từ lâu trong các hệ thống viễn thông. Nhược điểm của công nghệ này là thời gian chuyển mạch lớn và hiệu suất sử dụng tài nguyên thấp. Với sự phát triển bùng nổ lưu lượng IP, công nghệ chuyển mạch kênh dần bị thay thế bởi các cng nghệ chuyển mạch mới có tốc độ chuyển mạch cao: chuyển mạch gói (ATM), chuyển mạch nhãn (MPLS). Trong khi đó truyền dẫn cáp sợi quang dần khẳng định được những ưu điểm vượt trội của nó so với các loại truyền dẫn truyền thống. Trên môi trường truyền dẫn quang, ta có các loại chuyển mạch quang: Chuyển mạch kênh quang, Chuyển mạch quang gói (Optical Packet Switching), Chuyển mạch quang nhãn (Optical Label Switching), và chuyển mạch nhóm quang ( Optical Burst Switching). Mạng đường dẫn quang WDM cung cấp các chức năng: truyền dẫn, ghép kênh, định tuyến, giám sát...vv, và xử lý trên nền quang. Hệ thống chuyển mạch đường dẫn quang (OPXC) tại mỗi node là thành phần quan trọng tạo nên backbone cho mạng đường dẫn quang WDM. Một hệ thống OPXC điển hình (xem hình 1.25) gồm bộ chuyển mạch quang (OXC), bộ chuyển đổi bước sóng (W/C), truyền dẫn WDM (WDM-T), và các chức năng ghép/tách tải (PAD- Payload Assembler/Disassembler). Chức năng W/C cần có trong mạng VWP nhưng lại không cần trong mạng WP. Giao diện Node –Mạng (ONNI- Optical Network-Node Interface) được cung cấp bởi WDM-T, và giao diện User-Mạng (OUNI- Optical User Network Interface) được thực hiện bởi PAD. Cấu hình chức năng của một node OXPC Hệ thống OPXC được thiết kế gồm N cổng sợi quang vào/ra, và có khả năng ghép WDM tối đa M bước sóng trên một sợi quang. Trong N cổng vào ra này, u cổng dùng cho các giao diện nội đài thông qua PAD với các thiết bị điện tử khác (chuyển mạch điện tử). Khối OXC chuyển mạch bất kỳ đầu vào quang đến đầu bất kỳ cổng sợi quang nào. Chức năng OXC cũng bao gồm cả chức năng xen/tách quang OADM (Optical Adds/Drops Multiplexing), dùng để xen/tách các đường dẫn quang từ/đến PAD . Hầu hết các hệ thống mạng Ring WDM chỉ thực hiện các chức năng OADM. Khối chức năng WDM-T đảm bảo chất lượng truyền dẫn WDM chất lượng cao với các node OPXC lân cận. Các chức năng 3R (Reshaping, Retiming, Regeneration) và giám sát chất lượng cũng có thể được tích hợp trọng khối WDM-T. Để toàn bộ mạng WDM được vận hành, quản lý, và điều khiển, thì mỗi khối chức năng phải có chức năng giám sát. Mạng WDM được thiết kế để có thể khôi phục khi nhận được các thông tin lỗi báo lỗi từ lớp truyền dẫn. Sơ đồ phát triển công nghệ điều khiển đường dẫn quang Các công nghệ điều khiển (thiết lập/khôi phục/ngắt) đường dẫn phát triển từ điều khiển tĩnh sang điều khiển động (xem hình 1.26). Hệ thống truyền dẫn quang điểm-điểm được xây dựng vào khoảng năm 1990 là bước phát triển đầu tiên của mạng quang WDM. Tiếp đến là phát triển mạng WDM vòng, có chức năng OADM bước sóng cố định sử dụng các bộ lọc quang. Việc phát triển các bộ chuyển mạch quang kích cỡ nhỏ mở đầu cho khả năng điều khiển linh hoạt bước sóng gán trong OADM. Các thế hệ tiếp theo của hệ thống WDM gắn liền với sự ra đời lần lượt của các hệ thống tại node mạng: OXPC, Photonic MPLS Router, Next-generation Photonic MPLS Router. Photonic MPLS Router gồm hai phần OPXC và IP Router , điều khiển mỗi đường dẫn quang theo lưu lượng IP. OPXC nhận các lệnh điều khiển thiết lập/giải phóng/ khôi phục đường dẫn quang từ IP router. Phần sau đây giới thiệu các cấu trúc khác nhau của OPXC có khả năng hỗ trợ các hệ thống mạng WDM vòng và mạng mesh-like mà việc vận hành chúng dựa trên mô hình client/server hoặc peer -to-peer. Cấu trúc chuyển mạch WP Cấu trúc hệ thống chuyển mạch WP Cấu trúc hệ thống node OPXC loại WP được cho là đơn giản và chi phí hiệu quả so với loại VWP, mặc dù bài toán gán bước sóng phải được giải quyết xong trước khi cấu hình mạng. Loại hệ thống này phù hợp cho các mạng WDM với yêu cầu lưu lượng gần như cố định (tĩnh). Hai dạng cấu trúc chính của hệ thống thuộc loại này được cho trên hình 1.27. Trong cả hai cấu trúc đều yêu cầu cần có M bộ chuyển mạch ma trận NxN. Mỗi module chuyển mạch tương ứng với một bước sóng và thực hiện chuyển mạch WP của một trong N sợi quang đầu vào tới WP của một trong N sợi quang đầu ra. Sự khác nhau giữa hình 1.27a và 1.27b là việc sử bộ lọc điều chỉnh được (tunable filter) và bộ ghép nối quang (optical coupler) thay vì sử dụng các bộ Mux và Demux như trên hình 1.27b. Khi tunalbe filter được sử dụng thay cho fixed-wavelength filer ở trước phần chuyển mạch ma trận NxN. Như ở hình 1.27b, cùng một bước sóng trên các sợi quang đầu vào khác nhau, có thể kết thúc ở node. Không có bộ phát được vẽ trong hình 1.27 nghĩa là hệ thống chuyển mạch WP này là một hệ thống trong suốt (transparent system). Cấu trúc hệ thống chuyển mạch WP/VWP Một số cấu trúc có thể áp dụng cho cả hai loại hệ thống chuyển mạch WP và VWP. Hình 1.28a mô tả cấu trúc có sử dụng các bộ chuyển mạch ghép nối và phân phối (DC-SWs). Hình 1.28b là cấu trúc MxN DC-SW (chú ý rằng khối chức năng PAD không được vẽ). Cấu trúc này cho phép kết nối bất kỳ một trong M sợi quang ở đầu vào với một trong N sợi quang ở đầu ra. Nếu N=1 ta có bộ ghép quang Mx1. Với cấu hình như vậy, các đường dẫn quang đầu vào và đầu ra được nối với nhau theo cách không bị nghẽn. O đây hệ thống vận hành phần tử mạng (NE-Network Element) phải đảm bảo WP của bất kỳ sợi quang đầu vào nào không xảy ra tranh chấp với WP ở đầu ra . Nếu có chức năng chuyển đổi bước sóng W/C thì hệ thống dễ dàng tránh được tranh chấp về bước sóng ở đầu ra như trên. W/C sẽ chuyển sang bất kỳ bước sóng nào còn rỗi trên sợi quang đầu ra. Với W/C không phụ thuộc vào tốc độ bit, thì ta có hệ thống OPXC trong suốt.  Cấu trúc hệ thống chuyển mạch WP/VWP Ta có thể thực hiện được hệ thống này bằng cách thay thế mạch chức năng W/C bằng một bộ phát WDM bước sóng cố định. Hệ thống này có khả năng module hoá cao, do vậy việc triển khai hệ thống sẽ đạt chi phí hiệu quả phù hợp cho từng giai đoạn phát triển. Cấu trúc hệ thống dựa trên chuyển mạch song song được mô tả trên hình 1.29. Các tín hiệu WDM trên mỗi sợi quang đầu vào được phân phối cho MxN cổng với hai tầng ghép nối quang, và sau đó mỗi tín hiệu được chọn ra bởi khối chuyển mạch Nx1. Tiếp đến, bộ tunable filter lọc ra bước sóng yêu cầu (một đường dẫn quang) và được khối phát WDM chuyển đổi sang một bước sóng cố định nào đó trước khi phát đi. Kết hợp chức năng của tunalbe filter (hoặc fixed filter) và opto-electronic 3R có thể tạo thành một bộ chuyển đổi bước sóng dựa trên mô hình lựa chọn bước sóng tại đầu vào. Cấu trúc này hỗ trợ chuyển mạch VWP sử dụng mạch chuyển đổi bước sóng W/C._.g Ring sử dụng 4 bộ WC. Theo như MBPF, 4 bộ này được đặt ở cỏc vị trớ (1, 3, 5, 7). Một nhận xột quan trong đú là xỏc suất nghẽn của thuật giải LLR-FF tăng nhanh khi tải tăng. Chất lượng của thuật giải LLR-FF thậm chớ cũn tồi hơn so với FAR-FF. Tuy nhiờn, thuật giải WLCR-FF vẫn đạt chất lượng tốt hơn so với FA-FF. Điểm yếu của thuật giải LLR-FF trong mạng SWC đú là nú đưa ra quyết định chọn tuyến dựa trờn thụng tin của cỏc bước súng rỗi mà khụng quan tõm đến chiều dài của mỗi tuyến. Trong topo Ring, đều cú một tuyến rất ngắn và một tuyến rất dài. Thuật toỏn LLR-FF đó sử dụng quỏ nhiều tuyến dài và vỡ vậy sử dụng quỏ nhiều tài nguyờn mạng. Trong khi đú, WLCR-FF xem xột đến cả chiều dài của mỗi tuyến và trỏnh sử dụng quỏ nhiều tuyến dài nờn nú đạt chất lượng cao hơn. Chất lượng của cỏc thuật toỏn RWA trong trường hợp full-conversion được cho ở hỡnh 3.17c. Trong mạng full-conversion, khụng cũn tồn tại ràng buộc liờn tục bước súng. Cũng tương tự như lập luận ở trờn, LLR-FF sử dụng quỏ nhiều tuyến dài, nờn đó làm tăng vọt xỏc suất nghẽn. Ta cú thể thấy, chất lượng của LLR-FF kộm hơn SP-FF khi tải lơn hơn 100Erlangs. WLCR-FF hoạt động rất tốt với chuyển đổi bước súng đầy đủ. Chất lượng của mạng SWC sử dụng MBPF rất sỏt với mạng Ring FWC. Xác suất nghẽn mạng Ring 8 node và mesh-torus 25 node "Nguồn: [3], trang 76" Chất lượng mạng NSFNET Hỡnh 3.18a là xỏc suất nghẽn so với tải trong mạng NSFNet khụng cú chuyển đổi bước súng. Ta cú thể thấy rằng, chất lượng của FAR-FF tốt hơn rất nhiều so với thuật giải SP-FF. Cỏc thuật giả LLR-FF và WLCR-FF cũn cải thiện chất lượng hơn nữa. Xác suất nghẽn của mạng NSFNET-14 node "Nguồn: [3], trang 79" Trong SWC, cỏc tỏc giả đó đặt 5 bộ chuyển đổi bước súng vào cỏc node (3, 4, 6 ,10, 12) theo thuật giải MBPF. Từ hỡnh 3.18b ta thấy chất lượng thuật giải LLR-FF tốt hơn thuật giảI FAR-FF. Thuật giải WLCR-FF có thể giảm xác suất nghẽn hơn nữa. Hình 3.18c là xác suất nghẽn của mạng FWC. Thuật giải LLR-FF hoạt động không tốt trong trường hợp này. Khi tải tăng, xác suất nghẽn của LLR-FF rất gần và thạm chí còn lớn hơn FAR-FF. Ngược lại thuật giải WLCR-FF lại có thể đạt xác suất nghẽn thấp hơn rất nhiều so với cả FAR-FF và LLR-FF. Giới thiệu phân bổ tối ưu trong mô hình mạng SPWC Như đã nói ở trên, kiến trúc mạng SPWC mang lại ưu điểm: thứ nhất là giảm đáng kể số WC phải sử dụng, và thứ hai là thuận lợi cho quá trình nâng cấp mạng lên hỗ trợ chuyển đổi bước sóng bằng cách mở rộng thêm các bộ chuyển đổi tại node WCR hoặc thay thế bộ định tuyến cũ bằng bộ WCR mới. Các kết quả lý thuyết và từ mô phỏng được công bố trong [3] đã cho thấy rằng, chỉ với 1-5% số bộ WC, nếu được đặt tối ưu là có thể đạt được chất lượng tương đương với mạng Full-Complete. Trong mục này tác giả chỉ muốn giới thiệu các mô hình toán học mà công trình [3] đã sử dụng để ta nắm cụ thể được cách giải quyết bài toán phân bổ tối ưu bộ WC, đặc biệt là thấy được mối liên hệ giữa các thuật toán RWA và thuật toán phân bổ. Mô hình mạng full -complete Dưới đây là một số giả thiết , khái niệm, và kí hiệu sử dụng trong mô hình mạng SPWC: Mạng mesh toàn quang sử dụng WDM gồm N node, và J kết nối (links). Các node được đánh kí hiệu từ 1 đến N, các kết nối được đánh kí hiệu từ 1 đến J Bậc của node kí hiệu là , Số bộ chuyển đổi bên trong node n: F(n) Để đơn giản, coi các kết nối đều là 2 chiều, mỗi kết nối hỗ trợ W bước sóng ở mỗi chiều Giả thiết các yêu cầu thiết lập lightpath giữa cặp node tuân theo quá trình Poisson với tốc độ, thời gian giữ kết nối là hàm mũ theo thời gian. Tổng lưu lượng mà mạng có thể cung cấp là T (Erlang) Để đơn giản, giả thiết sử dụng thuật giải định tuyến Fixed Shortest. Tuyến (route) giữa cặp node a kỹ hiệu là , và chiều dài của tuyến tính theo đơn vị Hop-count là . Kết nối thứ của tuyến kí hiệu là , Xác suất nghẽn của tuyến kí hiệu là: A- Tính xác suất nghẽn cho mạng Full-complete Đối với nhà khai thác, điều quan trọng là phải dự đoán được khả năng bao nhiêu lượng mạng có thể phục vụ với xác suất nghẽn cho trước. Thông thường mạng có chuyển đổi bước sóng full-complete sẽ đạt được chất lượng tốt nhất theo nghĩa xác suất nghẽn. Mục đích của mục này là giới thiệu một mô hình để tính bao nhiêu lưu lượng mạng có thể phục vụ để đảm bảo mạng có xác suất nghẽn thấp cho trước (giả sử là 2%). Trong công trình [2] tác giả đã sử dụng một mô hình đơn giản để tính xác suất nghẽn của mạng WDM với khả năng chuyển đổi bước sóng full-complete. Trong mạng như vậy, mỗi node là một WCR với khả năng chuyển đổi đầy đủ (Complete), cụ thể là số bộ chuyển đổi trong node -được kí hiệu là , được tính bằng công thức: . Mạng sẽ không chịu sự ràng buộc tính liên tục bước sóng. Xác suất nghẽn toàn mạng được định nghĩa là tỉ số giữa lưu lượng bị nghẽn và tổng lưu lượng mà mạng đang phục vụ. Cụ thể là (4-1) Để đạt được xác suất ở trạng thái ổn định số các bước sóng còn rỗi trên mỗi kết nối, người ta sử dụng phương pháp xấp xỉ tải giảm được giới thiệu trong [2]. kí hiệu số bước sóng còn rỗi trên kết nối j. Giả sử rằng các biến ngẫu nhiên Xj, độc lập với nhau, và yêu cầu thiết lập kết nối trên kết nối j là đến theo quá trình Poisson với tốc độ . kí hiệu xác suất có bước sóng còn rỗi trên kết nối j. Hình 3: Chuối Markov cho phân bố các bước sóng rỗi trên kết nối j Theo như các giả thiết đó, các yêu cầu đến và khả năng phục vụ trên kết nối tạo thành hệ thống M/M/m/m (m server) và chuối Markov được mô tả ở hình 3. Giải chuối Markov, sẽ tính được kết quả sau: (4-2) Và (4-3) Theo như cách lấy xấp xỉ trong [6] cho lưu lượng trên kết nối j, ta xác định được theo công thức sau: , trong đó kết nối j thuộc (4-4) Một lightpath có thể được thiết lập nếu và chỉ nếu mọi kết nối trên tuyến từ node nguồn đến node đích có bước sóng rỗi. Vì vậy, ta có thể tính được xác suất nghẽn của một tuyến theo công thức sau: (4-5) Công thức trên dẫn đến một loạt các phương trình phi tuyến, có thể giải được bằng cách thay thế lặp như sau: Bước 1: Khởi tạo cho tất cả các tuyến, và cho tất cả các liên kết. Bước 2: Xác định sử dụng công thức (4-4) cho tất cả các kết nối Bước 3: Xác định sử dụng công thức (4-2) và (4-3) cho tất cả các kết nối. Bước 4: Xác định cho tất cả các tuyến sử dụng công thức (4-5). Nếu các giá trị mới của hội tụ vào các giá trị cũ, thì quá trình lặp này dừng lại và ta chuyển sang bước (5), nếu không ta chuyển sang bước (2) cho quá trình lặp tiếp theo. Bước 5: Cuối cùng ta xác định được xác suất nghẽn B sử dụng công thức (4-1) Chúng ta sử dụng phương pháp trên để tính xác suất nghẽn mạng full-complete. Trong công trình [2], các tác giả đã tính xác suất nghẽn cho mạng 14 NSFNET, với giả thiết tải được phân bố đồng đều cho tất cả các cặp node. Nếu kí hiệu L là chiều dài trung bình của tuyến, thì ta có thể dễ dàng tính được hiệu suất sử dụng bước sóng trung bình . Dựa theo thuật toán định tuyến đường đi ngắn nhất, với chiều dài trung bình là 2.18, ta thu được kết quả về tải lưu lượng mà mạng có thể phục vụ với xác suất nghẽn 2%. Chúng ta có thể thấy hệ số sử dụng bước sóng trung bình chỉ khoảng 60%. Lưu lượng mạng NSFNET có thể phục vụ với x/s nghẽn 2% B- Phân tích lưu lượng đi qua mỗi node Sau khi biết được mạng có thể xử lý được bao nhiêu lưu lượng, ta sẽ phân tích được lưu lượng được đi qua mỗi node. Điều ta quan tâm bây giờ là số lượng chuyển đổi bước sóng đồng thời tại mỗi node. Giả thiết quá trình yêu cầu thiết lập lightpath đến node n tuân theo phân bố Poisson với tốc độ . Rễ ràng suy ra: , trong đó tuyến đi qua node n (4-6) Gọi là xác suất có lightpath được chuyển đổi đồng thời tại node n. Do đó biến thiên từ 0 đến F(n) vì tại một thời điểm node n có thể hỗ trợ tối đa F(n) chuyển dổi đồng thời. Dựa trên các giả thiết đó, ta có bài toán lưu lượng theo mô hình M/M/m/m. Giải chuỗi Markov này, ta thu được: , (4-7) Trong trường hợp này, xác suất nghẽn của hệ thống M/M/m/m rất thấp, hệ thống M/M/m/m có thể được coi xấp xỉ như hệ thống M/M/. Vì vậy, số lightpath cần chuyển đổi bước sóng trung bình có thể xấp xỉ bằng , vì thời gian phục vụ được tính theo phân bố hàm mũ. Vẫn mô phỏng cho mạng NSFNET với 40 bước sóng , yêu cầu xác suất nghẽn là 2% hoặc nhỏ hơn. Từ kết quả ở bảng 3.6, lưu lượng thổng cộng là 208Erl, và mỗi cặp node có 2.286Erl yêu cầu thiết lập lightpath, ta tính được tải chuyển đổi bước sóng tại mỗi node sử dụng công thức (4-6) được cho ở bảng 3.7. Chúng ta thấy rằng tỉ sốdao động từ 0 đến 28.6% và trong hầu hết các trường hợp nó chỉ có giá trị từ 10-15%. Điều đó có nghĩa là số lightpath yêu cầu chuyển đổi bước sóng đồng thời tại mỗi node là rất nhỏ so với dung lượng của node. Giá trị và của mạng NSFNET có tổng lưu lượng 208Erlangs Như vậy có rất nhiều lưu lượng đi qua node nhưng không cần chuyển đổi bước sóng. Chính vì chỉ có một lượng nhỏ lưu lượng đi qua node cần chuyển đổi bước sóng, nên chỉ cần trang bị một số lượng vừa đủ số bộ chuyển đổi bước sóng tại mỗi node mà vẫn đạt được chất lượng như mong muốn. Các mô phỏng tiếp theo trong công trình [3] cũng còn chỉ rõ, nếu sử dụng thuật toán gán bước sóng thích hợp, ta còn giảm được nữa số chuyển đổi bước sóng đồng thời thực hiện tại mỗi node. Bài toán WCP cho mạng SPWC Hiện tại công nghệ chuyển đổi bước sóng vẫn còn ở thời kì bắt đầu, giá thành của các bộ chuyển đổi bước sóng vẫn còn rất, nên sẽ không khả thi nếu các nhà khai thác mạng thay tất cả các node định tuyến bước sóng bằng WCR. Mặc khác người ta đã kết luận cho rằng mạng phân bố WC rải rác có thể đạt được chất lượng tốt gần bằng với mạng trang bị đầy đủ WC. Công trình [2] đã đề xuất một kiến trúc SPWC, kết hợp các ưu điểm của mạng chuyển đổi bước sóng một phần và phân bố bộ chuyển đổi rải rác. Có hai loại node trong mạng này: các node không có khả năng chuyển đổi bước sóng, và các bút có khả năng chuyển đổi bước sóng hạn chế. Bằng cách kết hợp như vậy, chỉ cần một số lượng nhỏ các bộ chuyển đổi bước sóng là mạng có thể đạt được chất lượng tương đương với mạng Full-complete. Điều này sẽ mang lại sự lựa chọn dễ dàng đối với nhà khai thác khi phát triển mạng hiện tại lên hỗ trợ chuyển đổi bước sóng. Mạng này hoạt động như sau: khi nhận được yêu cầu thiết lập lightpath, nếu có bất kì kết nối nào của tuyến được chọn không có bước sóng rỗi, thì mạng không thể thiết lập lightpath cho tuyến đó được. Nếu không, đầu tiên mạng sẽ phải tìm một bước sóng chung còn rỗi trên tất cả các kết nối của tuyến đã chọn. Tất cả các lightpath được thiết lập theo kiểu này sẽ không cần sử dụng chuyển đổi bước sóng. Nếu không có một bước sóng chung, rỗi, thì mạng phải kiểm tra liệu bộ chuyển đổi bước sóng có thể giúp. Một lightpath được chia thành nhiều đoạn (segment) bằng các bộ WCR như hình 3.19 mô tả. : Node đầu cuối : Node hiện không có bộ WC còn rỗi : Node hiện có bộ WC còn rỗi Một lightpath và các phân đoạn của nó Chú ý rằng, một WCR sẽ không có khả năng chuyển đổi bước sóng khi tất cả các bộ WC của nó đều đang bận. Mỗi đoạn chịu sự ràng buộc về tính liên tục bước sóng. Một lightpath có thể được thiết lập thành công nếu và chỉ nếu mọi segment đều tồn tại một bước sóng chung còn rỗi. Vì vậy mạng phải kiểm tra xem mỗi đoạn còn bước sóng rỗi chung không. Sau đó các bộ chuyển đổi sẽ được phân bổ nếu cần thiết. Khi lightpath kết thúc, các bộ WC phục vụ cho lightpath này được chuyển sang trạng thái rỗi. A- Mô hình phân tích tính xác suất nghẽn Để tính toán xác suất nghẽn của mạng WDM định tuyến bước sóng có cấu trúc SPWC, công trình [3] đã đề xuất một mô hình phân tích như sau: Số lượng node WCR trên tuyến là D (không tính hai node nguồn và đích của tuyến ) Vì mỗi WCR chỉ có hai trạng thái: (1) Không còn bộ chuyển đổi bước sóng rỗi, và (2) Còn một hoặc nhiều. Vì vậy, kết hợp ta có 2D trạng thái khác nhau của tuyến Ra. Đối với mỗi trạng thái chuyển đổi X, ta kí hiệu số WCR ở trạng thái (2) là Ex, trong đó . Như vậy, ở trạng thái X, tuyến Ra được chia thành (Ex+1) đoạn : S0, S1, S3,..,SEx. Mỗi đoạn sử dụng một cùng một bước sóng trên tất cả các kết nối thuộc đoạn này. : là xác suất có bước sóng chung còn rỗi trên đoạn . Một lightpath sẽ được thiết lập trên tuyến thành công nếu và chỉ nếu mỗi đoạn còn ít nhất một bước sóng chung còn rỗi. : kí hiệu xác suất nghẽn của tuyến cho trạng thái chuyển đổi X. được tính như sau: (4-8) Từ đó ta tính được xác suất nghẽn tuyến: (4-9) Trong đó P(X) là xác suất nghẽn ở trạng thái chuyển đổi X. Vì vậy để tính , ta phải tính và P(X). Đâu tiên ta xem xét cách tính- là xác suất có bước sóng chung còn rỗi trên đoạn . Nếu là đoạn có hai kết nối và thì xác suất có x bước sóng rỗi là và xác suất có y bước sóng rỗi . Giả sử biết trước, và , thì xác suất để tồn tại bước sóng chung kí hiệu là được tính theo công thức sau: (4-10) Trong đó: (4-11) Từ đó ta tính được cho đoạn chỉ có 2 bước nhảy : (4-12) Phân tích ở trên có thể mở rộng áp dụng để xác định cho đoạn có nhiều hai hai bước nhảy (h). Giả sử tập các kết nối Sk là . Dùng để biểu thị đoạn con (sub-segment) gồm các kết nối . Bằng cách coi đoạn Sk gồm đoạn con và kết nối , ta có thể tính được sử dụng công thức hồi quy sau: (4-13) Bây giời ta xem làm cách nào để tính P(X)- xác suất của trạng thái X trên tuyến Ra. Giả sử xác suất WCR thứ trên tuyến không có bộ chuyển đổi nào còn rỗi là , ta định nghĩa : (14)ố ta có : (4-15) Biến duy nhất mà ta chưa biết giá trị là . Đối với bất kỳ yêu cầu lightpath nào được chuyển đổi bước sóng tại node WCR thứ , có hai trường hợp xảy ra : (1)Trên tất cả các kết nối dọc theo tuyến đều còn một bước sóng chung rỗi, (2) không còn bước sóng chung còn rỗi, nhưng mỗi đoạn có một bước sóng chung còn rỗi. Chỉ có trường hợp thứ hai, bộ WC mới được đặt ở tại WCR, và chúng ta gọi các lightpath yêu cầu thiết lập chuyển đổi là lưu lượng chuyển đổi. Gọi là lưu lượng chuyển đổi tổng cộng qua node WCR thứ . Theo như thuật toán gán bước sóng, một lightpath được chấp nhận sử dụng chuyển đổi bước sóng được con là lưu lượng chuyển đổi. Hơn nữa xác suất không có bước sóng chung còn rỗi nào trên tất cả các kết nối của tuyến là , nếu ta coi tuyến là một đoạn đơn. Do vậy có thể được tính theo công thức : (4-16) Giả sử số bộ chuyển đổi tại node WCR thứ n là , ta có lấy xấp xỉ lưu lượng chuyển đổi đến node WCR thứ n theo quá trình Poisson với tốc độ , tạo thành hệ thống M/M/m/m với servers. Từ đó ta rút ra được xác suất - xác xuất node WCR thứ n không có bộ chuyển đổi bước sóng còn rỗi : (4-17) Thuật toán số học dùng để giải các phương trình phi tuyến như sau : - Bước 1 : Khởi tạo =0 cho tất cả các tuyến, và cho tất cả các kết nối - Bước 2 : Xác định từ biểu thức (4-4) cho tất cả các kết nối - Bước 3 : Xác định sử dụng biểu thức (4-2) và (4-3) cho tất cả các kết nối - Bước 4 : Xác định cho tất cả các tuyến sử dụng các biểu thức (4-8)-(417). Nếu giá trị mới của hội tụ vào fias trị cũ, thì quá trình lặp dừng lại và chuyển sang bước (5), nếu không quay lại bước 2 cho một quá trình lặp tiếp theo - Bước 5 : Cuối cùng xác định xác suất nghẽn tổng cộng B sử dụng biểu thức (4-1) B- Thuật toán phân bổ cho mạng SPWC Một vấn đề rất quan trong trong cấu trúc mạng SPWC là việc đặt các bộ chuyển đổi bước sóng. Thông thường, bài toán này chỉ được đặt vào trường hợp mạng có bộ chuyển đổi bước sóng đặt rời rạc, với khả năng chuyển đổi đầy đủ (Sparse-complete). Trong cấu trúc SPWC, bài toán xác định vị trí đặt tối ưu gồm hai bài toán con: (1)- Xác định các node sẽ được đặt WCR, và (2)- Với tổng số M bộ chuyển đổi, thì mỗi node được đặt bao nhiêu bộ chuyển đổi. Dưới đây là mô hình dựa trên mô phỏng để giải hai bài toán này. ý tưởng cơ bản để giải bài toán: Đầu tiên ta thực hiện mô phỏng cho mạng Full-Complete. Từ kết quả mô phỏng ta quan sát được có bao nhiêu chuyển đổi bước sóng được thực hiện tại mỗi node. Từ đó, ta thu được kết quả thống kê hai tham số cho mỗi node thứ sau: 1) : Số bộ chuyển đổi bận trung trình 2) : Số bộ chuyển đổi cực đại Từ đó ta dễ dàng quyết định sẽ đặt nhiều bộ chuyển đổi hơn lên các node có các giá trị A(n) và P(n) lớn. Thuật toán RWA được sử dụng để thiết lập một lightpath cho mạng là thuật tìm đường đi ngắn nhất và gán bước sóng phù hợp đầu tiên (Shortest Path Routing and First Fit) được mô tả như sau qua các bước sau: Bước 1: Khi nhận được yêu cầu thiết lập lightpath giữa hai node (nguồn và đích), mạng sẽ tìm đường đi ngắn nhất giữa hai node đó. Bước 2: Trên tuyến ngắn nhất này, nếu có bất kì kết nối nào không còn bước sóng rỗi, thì yêu cầu lightpath sẽ bị từ chối (nghẽn). Bước 3: Nếu tồn tại bước sóng chung rỗi trên tất cả các kết nối của tuyến, thì mạng sẽ chọn bước sóng chung còn rỗi có chỉ số nhỏ nhất cho mỗi kết nối để thiết lập lightpath yêu cầu (thuật gán bước sóng First-Fit) Bước 4: Nếu không, đối với mỗi liên kết, sử dụng mô hình gán bước sóng phù hợp đầu tiên. Nếu hai kết nối liên tiếp sử dụng các bước sóng khác nhau, thì mạng phải sử dụng một bộ chuyển đổi bước sóng tại node WCR trung gian giữa hai kết nối này. Đánh giá chất lượng thuật toán qua mô phỏng Trong [3] đã thực hiện mô phỏng mạng NSFNET 14 node, mỗi kết nối mang 40 bước sóng, yêu cầu thiết lập lightpath 1.000.000 được sinh ra liên tục. Tổng lưu lượng của mạng 200Erlangs được phân bố đều cho tất cả các cặp node. Thuật toán định tuyến và gán bước sóng SP-FF được thực hiện như mô tả ở trên. Kết quả mô phỏng được cho ở bảng 3.10 dưới đây. Thống kê chuyển đổi bước sóng của mạng NSFNET 14 node Từ các giá trị A(n) và P(n) trong bảng 3.8, ta có thể thấy rằng hiệu suất sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng rất thấp. Nhìn chung, một node bậc cao hơn có nhiều lưu lượng cần chuyển đổi (bypassing traffic) hơn, nên cần sử dụng nhiều bộ chuyển đổi hơn. Mặc dù giá trị đỉnh của số bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng đồng thời rất lớn, nhưng trong hầu hết thời gian mô phỏng chỉ một phần nhỏ trong số đó là bận. Để minh họa điều này, [3] đã đưa ra phân bố xác suất của số bộ chuyển đổi bận cho node 4 cho ở hình 3.20. Phân bố xác suất số bộ chuyển đổi Một trong những ưu điểm của SPWC là nó mang lại cho nhà khai thác dịch vụ khả năng nâng cấp dần dần lên FWC. Từ bảng 3.10, ta thấy rằng tại các node 4, 6, 7, 10 có nhiều chuyển đổi bước sóng xảy ra nhất. Các node 2, 9, 11, 12, 1, 5, 3 ít quan trọng hơn. Các node 8, 13, 14 gần như không cần chuyển đổi bước sóng. Dựa vào các thông tin này, nhà khai thác sẽ biết node cần đặt WC. Ví dụ ta chọn K={4, 6, 7, 10} để đặt WCR. Trong bước 2, đơn giản ta chỉ gán các bộ chuyển đổi vào các node trong tập K với số lượng tỉ lệ với A(n). Ví dụ ta có 50 bộ chuyển đổi, theo thuật phân bổ này các bộ chuyển đổi này được đặt như sau: Node n 4 6 7 10 Số WC đặt 16 13 11 10 Phân bổ các bộ chuyển đổi tại các node WCR Xác suất nghẽn mạng NSFNET với M=50 và M=100 "Nguồn: [3], trang 119" Hình 3.21a là xác suất nghẽn của mạng FPWC (Full-Partial Wavelength Converter) và SPWC trong các điều kiện tải khác nhau. Ta nhận thấy chuyển đổi bước sóng có thể làm giảm xác suất nghẽn xuống một mức rất lớn. So với 1.6000 bộ chuyển đổi sử dụng trong mạng FCWC (Full-Complete Wavelength Conversion), thì mạng FPWCvà mạng SPWC chỉ cần sử dụng có 50 bộ chuyển đổi là các thể đặt được chất lượng gần như ngang bằng. Chất lượng của mạng FPWC và SPWC gần như giống nhau trong trường hợp M=50. Tuy nhiên, rõ ràng là chất lượng của SPWC còn nằm dưới chất lượng mạng SCWC. Để minh họa cho điều này, [3] tiếp tục chuyển thêm một số node thành WCR, và thực hiện mô phỏng. Kết quả ở hình 3.21b cho thấychất lượng của mạng SPWC khi M=100 gần như trùng với M=50. Tuy nhiên chất lượng của FPWC được cải thiện và rất gần với chất lượng mạng FCWC. Thực tế nếu ta đưa thêm bộ chuyển đổi vào các node WCR, chất lượng của mạng FPWC sẽ tiến gần đến chất lượng của mạng FCWC. Nhận xét chung về các thuật giải phân bổ Thuật toán GA dựa trên cơ sở chọn một tổ hợp bất kì các bộ chuyển đổi bước sóng rồi so sánh các tổ hợp với nhau để tìm ra một tổ hợp tối ưu. Thuật toán sẽ rất phức tạp nếu số lượng các node lớn và sẽ mất rất nhiều thời gian để có được kết quả như mong muốn. Từ các nghiên cứu ở trên ta thấy rằng, để giải quyết một cách chính xác bài toán phân bổ bộ chuyển đổi bước sóng, chúng ta phải xem xét thuật toán RWA được sử dụng. Như thuật toán MBPF sử dụng tốt nhất với thuật toán định tuyến và gán bước sóng FAR, WMSL là cho LLR. Hai thuật toán phân bổ này khổng chỉ mang lại chất lượng tốt hơn nhiều so với các thuật giải tồn tại trước đó, mà còn đạt được chất lượng tương đương so với mạng FWC sử dụng cùng thuật toán RWA. Khi có mặt bộ chuyển đổi bước sóng trong mạng truyền dẫn toàn quang, kết quả mô phỏng cho thấy các thuật toán định tuyến động hiện đang có không tận dụng tài nguyên tuyến quang một cách hiệu quả. Thuật toán định tuyến WLCR là loại định tuyến động, xem xét kết hợp cả phân bố các bước sóng rỗi và chiều dài mỗi tuyến để đưa ra đường đi phù hợp nhất. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, thuật giải WLCR-FF đạt được xác suất nghẽn tốt hơn nhiều trong mạng SWC hoặc FWC. Để tiết kiệm số bộ chuyển đổi bước sóng phải sử dụng, mô hình mạng SPWC (Sparse-Partial Wavelength Conversion) đã được chứng minh là mang lại chất lượng tốt với hiệu quả chi phí cao nhờ sự kết hợp các ưu điểm của mạng SWC và bộ chuyển đổi bước sóng một phần. Trong mạng này chỉ một số node là có khả năng chuyển đổi bước sóng, mỗi node này chỉ cố một số lượng hạn chế bộ chuyển đổi được trang bị. Bài toán gán bước sóng và bài toán đặt bộ chuyển đổi là hai yếu tố quan trong tiết kiệm số bộ chuyển đổi phải sử dụng. Cụ thể là chỉ sử dụng 1-5% số bộ chuyển đổi cần sử dụng trong FCWC, mạng SPWC có thể đạt được chất lượng gần sát với mạng FCWC. KếT LUậN Các mạng WDM toàn quang định tuyến bằng bước sóng đang trở thành kiến trúc đầy hứa hẹn tận dụng băng thông lớn của sợi quang, cung cấp các dịch vụ kênh bước sóng trong suốt (Transparent Lighpath Service). Để sử dụng hiệu quả các tài nguyên mạng, bao gồm tài nguyên bước sóng và tài nguyên chuyển mạch, các thuật toán định tuyến và gán bước sóng RWA phải được thiết kế cẩn thận. Chuyển đổi bước sóng được sử dụng chứng minh có thể cải thiện chất lượng mạng nhờ việc loại bỏ ràng buộc về tính liên tục bước sóng. Chi phí đầu tư và triển khai sẽ rất tốn kém nếu không sử dụng một thuật giải phân bổ bộ chuyển đổi bước sóng một cách hợp lí. Luận văn được trình bày gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan mạng truyền dẫn toàn quang Chương này trình bày tổng quan cấu trúc và một số công nghệ ứng dụng trong mạng toàn quang. Các công nghệ được đề cập đến như công nghệ chuyển mạch quang, công nghệ ghép kênh quang WDM. Chương 2: Định tuyến và gán bước sóng Do chất lượng của mạng phụ thuộc vào cả thuật toán định tuyến và gán bước sóng và thuật toán phân bổ bộ chuyển đổi. Do đó trước khi tìm hiểu các thuật toán phân bổ bộ chuyển đổi bước sóng, chương này sẽ trình bày bày nội dung của một số các thuật toán định tuyến và thuật toán gán bước sóng. Chương 3: Nghiên cứu phân bổ tối ưu bộ chuyển đổi bước sóng Trong chương này tác giả đã nêu ra vai trò của chuyển đổi bước sóng trong mạng truyền dẫn toàn quang, giới thiệu một số mô hình phân bổ bộ chuyển đổi và giới thiệu một số thuật giải phân bổ tối ưu đã được công bố. Tác giả có đưa ra một số kết quả nghiên cứu của các công trình nghiên cứu trên thế giới để có sự so sánh về chất lượng của các thuật giải này. Ngoài việc giới thiệu tổng quan về cấu trúc và một số công nghệ quan trọng trong mạng toàn quang, luận văn đã khái quát một cách tương đối đầy đủ các thuật giải phân bổ bước sóng được sử dụng với các thuật toán định tuyến và gán bước sóng cho các mô hình mạng Mesh và mạng Ring. Tác giả đã giới thiệu cách mô hình toán học mạng, cách tính xác suất nghẽn toàn mạng, và thuật toán phân bổ bộ chuyển đổi bước sóng. Sau khi nghiên cứu chi tiết từng thuật giải trên, tác giả đã rút ra một số nhận xét quan trọng khi xem xét bài toán phân bổ bộ chuyển đổi bước sóng trong mạng truyền dẫn toàn quang như sau: Phải xây dựng một thuật giải phân bổ riêng cho mỗi cấu trúc mạng (mesh, ring, ..) Chất lượng mạng phụ thuộc vào cả thuật toán RWA và thuật toán WCP. Tuy nhiên thuật toán RWA quyết định chủ yếu đến chất lượng mạng. Cấu trúc mạng full-complete có xác suất nghẽn nhỏ nhất. Tuy nhiên chỉ với số lượng bộ chuyển đổi hạn chế, được phân bố hợp lý tại các node mô hình mạng SPWC cũng có thể đạt chất lượng rất gần với mạng full-complete. TàI LIệU THAM KHảO [1]- Andre Soares, Jose Maranhao, William Giozza, Paulo Cunha, Fist Load Priority: A Wavelength Converter Placement Scheme for Optical Networks with Sparse-Partial Wavelength Conversion [2] Xiaowen Chu, Jiangchuan Liu, Zhensheng Zhang, Analysis of Sparse-Partial Wavelength Conversion in Wavelength-Routed WDM Networks. [3]- Chu, X. (2003). RWA and Wavelength Conversion in Wavelength-Routed All-Optical WDM Networks. PhD thesis, Hong Kong University. [4]- X.W. Chu, Bo Li, Zhensheng Zhang, A Dynamic RWA Algorithm in a Wavelength-Routed All-Optical Network with Wavelength Converter, 2003. IEEE INFOCOM. [5]- Xiao Hei, Jun Zhang, Chi-Chung Cheung, Brahim Bensaou “Wavelength Converter Placement in Least-Load Routing based Optical Networks using Genetic Algorithms”, 2003. [6]- A. Arora and S. Subramaniam, “Converter placement in wavelength routing mesh topologies,” in Proceedings of ICC, vol. 3, 2000, pp. 1282 –1288. [7]- X.W. Chu and B.Li, “Wavelength Converter Placement under the Fixed-Alternate Routing and First-Fit Wavelength Assignment Algorithm in All-Optical Networks”, SPIE/Kluwer Optical Networking Magazine, Special Issue on Engineering the Next Generation Optical Internet. [8]- E.Karasan and E. Ayanoglu, “Effects of Wavelength routing and selection algorithms on wavelength conversion gain in WDM optical networks”, IEEE/ACM Trans. Netw.6, 186-196 (1998). [9]- Achyut K.Dutta, Niloy K.Dutta, Masahiko Fujiwara, WDM Technologies Optical Networks, 2004, ELSEVIER Academic Press. Mục lục Lời cam đoan Mục lục Danh mục từ viết tắt Danh mục hình vẽ Danh mục bảng Mở đầu KếT LUậN Tài liệu tham khảo Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Phổ suy hao của sợi quang - 5 - Hình 1.2: Bộ lọc và bộ ghép kênh - 9 - Hình 1.3: Bộ kết nối chéo cố định - 9 - Hình 1.4: Chuyển đổi bước sóng - 13 - Hình 1.5: Cấu tạo bộ khuêch đại EDFA - 15 - Hình 1.6: Đường cong độ lợi khuếch đại theo bước sóng - 16 - Hình 1.7: Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại bán dẫn - 17 - Hình 1.8: Cấu trúc mạng định tuyến bước sóng DWDM - 19 - Hình 1.9: Cấu trúc một thiết bị đầu cuối OLT - 20 - Hình 1.10: Cấu tạo của một bộ OADM sử dụng FBG và hai bộ Circulator - 21 - Hình 1.11: Vai trò của OADM trong mạng 3 node - 22 - Hình 1.12: Các loại ROADM trong mạng toàn quang có thể cấu hình lại - 23 - Hình 1.13: Kết nối OXC với các phần tử khác - 26 - Hình 1.14: Một số cấu trúc OXC được triển khai - 27 - Hình 1.15: Node kết nối các bộ kết nối chéo lõi quang và chuyển mạch điện - 28 - Hình 1.16: Cấu trúc OXC cải tiến - 29 - Hình 1.17: Cấu trúc OXC mới nhất - 30 - Hình 1.18. Ung dụng của đường dẫn quang - 33 - Hình 1.19: IP over WDM - 35 - Hình 1.20: Giảm chi phí với hệ thống XC đường dẫn quang - 36 - Hình 1.21: Mở rộng dung lượng hệ thống chuyển mạch quang - 36 - Hình 1.22: Mô hình phân lớp với sự lặp lại chức năng - 37 - Hình 1.23: So sánh mạng định tuyến tín hiệu điện với mạng truyền dẫn quang - 38 - Hình 1.24: So sánh WP và VWP - 39 - Hình 1.25: Cấu hình chức năng của một node OXPC - 41 - Hình 1.26: Sơ đồ phát triển công nghệ điều khiển đường dẫn quang - 42 - Hình 1.27: Cấu trúc hệ thống chuyển mạch WP - 43 - Hình 1.28: Cấu trúc hệ thống chuyển mạch WP/VWP - 44 - Hình 1.29: Cấu trúc chuyển mạch song song - 45 - Hình 1.30: Cấu trúc chuyển mạch ma trận đầy đủ - 46 - Hình 1.31: Sơ đồ khối chức năng của một nút chuyển mạch gói - 47 - Hình 1.32: Các loại chuyển mạch không gian - 48 - Hình 1.33: Một ví dụ về cấu trúc chuyển mạch gói quang 3x3 - 50 - Hình 1.34: Một ví dụ về chuyển mạch gói đệm đầu ra - 51 - Hình 1.35: Cấu trúc chuyển mạch gói quang đầy đủ - 51 - Hình 2.1: Định tuyến và gán bước sóng lightpath trong mạng toàn quang - 53 - Hình 3.1: Thiết lập lightpath đơn giản - 61 - Hình 3.2: Các cấu trúc node chuyển đổi bước sóng đầy đủ - 63 - Hình 3.3: Cấu trúc node chuyển đổi bước sóng một phần - 63 - Hình 3.4: Các đoạn trên tuyến từ nguồn (S) đến đích (D) - 67 - Hình 3.5: Mạng 6 node, chỉ có một node là WCR - 70 - Hình 3.6: So sánh chất lượng của các thuật toán RWA và WCP - 78 - Hình 3.7: Chất lượng mạng thuật toán GA với số WC khác nhau - 78 - Hình 3.8: Cách phân bổ bộ chuyển đổi bước sóng theo MBPF - 79 - Hình 3.9: Một tuyến và các đoạn dọc theo - 81 - Hình 3.10: Chuỗi Markov cho phân bố bước sóng rỗi trên kết nối thứ j - 82 - Hình 3.11: X/s nghẽn theo số node WCR trong mạng ring, FAR-FF - 89 - Hình 3.12: X/s nghẽn theo số node WCR trong mạng mesh-torus, LLR-FF - 90 - Hình 3.13: X/s nghẽn theo lưu lượng trong mạng NSFNET 14 node, FAR-FF - 92 - Hình 3.14: Xác xuất nghẽn theo tải Erlang của mạng EON 19 node, FAR-FF - 93 - Hình 3.15: Xác suất nghẽn mạng NSFNET 14 node, LLR-FF - 95 - Hình 3.16: X/s nghẽn mạng EON 19 node, LLR-FF - 95 - Hình 3.17: Xác suất nghẽn mạng Ring 8 node và mesh-torus 25 node - 105 - Hình 3.18: Xác suất nghẽn của mạng NSFNET-14 node - 106 - Hình 3.19: Một lightpath và các phân đoạn của nó - 113 - Hình 3.20: Phân bố xác suất số bộ chuyển đổi - 118 - Hình 3.21: Xác suất nghẽn mạng NSFNET với M=50 và M=100 - 119 - Danh mục bảng Bảng 1.1: So sánh các loại ROADM - 24 - Bảng 1.2: Các công nghệ kênh ghép kênh - 32 - Bảng 3.1: Chi phí các đoạn, tuyến cho lightpath từ node S đến node D - 71 - Bảng 3.2: Trao đổi đồng nhất không hợp lệ - 74 - Bảng 3.3: Trao đổi đồng nhất hợp lệ - 75 - Bảng 3.4: Hoán đổi một vị trí - 75 - Bảng 3.5: Phân bổ WC đưới các thuật giải TOT, K-MDS và GA - 77 - Bảng 3.6: Vị trí đặt các WC trong 14-node NSFNet với 2 và 5 bộ WC - 94 - Bảng 3.7: Vị trí đặt các WC trong mạng 19-node EON với 2 và 5WC - 94 - Bảng 3.8: Lưu lượng mạng NSFNET có thể phục vụ với x/s nghẽn 2% - 110 - Bảng 3.9: Giá trị và của mạng NSFNET có tổng lưu lượng 208Erlangs - 112 - Bảng 3.10: Thống kê chuyển đổi bước sóng của mạng NSFNET 14 node - 118 - Bảng 3.11: Phân bổ các bộ chuyển đổi tại các node WCR - 119 - ._.