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

MỞ ĐẦU Sự bùng nổ của mạng Internet, sự phát triển số lượng người sử dùng, sự phát triển của các ứng dụng và dịch vụ mới trên nền IP, đó là những gì mà chúng ta đã chứng kiến trong vòng gần một thập kỉ qua. Xét về mặt kỹ thuật, để đáp ứng được sự phát triển đó, hạ tầng mạng truyền dẫn bao gồm mạng đường backbone và mạng truy nhập đã và đang phải nâng cao dung lượng bằng cách chuyển dần sang mạng truyền dẫn cáp sợi quang. Mạng truyền dẫn quang đã đáp ứng được rất nhiều yêu cầu về dung lượng (tối 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. Trong 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, cho phép không xảy ra nghẽn .  Cấu trúc chuyển mạch song song Cấu trúc chuyển mạch ma trận đầy đủ Cấu trúc của loại chuyển mạch ma trận đầy đủ(Full Matrix Cross-Connect Switch )gồm một khối chuyển mạch quang (NxM) x (NxM) cổng đặt ở giữa các bộ phát (transmitter). Nếu không có các bộ phát, thì hệ thống sẽ trở thành chuyển mạch transparent WP. Hai cách có thể dùng để thực hiện khối chuyển mạch quang (NxM) x (NxM) cổng đó là: chuyển mạch không gian một tầng (A single-stage switch), và chuyển mạch Clos ba tầng do C.Clos đưa ra đầu tiên (xem hình 1.30). Khối chuyển mạch Clos ba tầng gồm N chuyển mạch MxL tầng đầu vào, L chuyển mạch NxN tầng giữa và N chuyển mạch LxN tầng đầu ra. Nếu L>=2M-1 thì sẽ không xảy ra nghẽn. Ví dụ khi thiết kế một hệ thống OPXC 16 cổng sợi quang (N=16), với số bước sóng ghép kênh trên một sợi quang là M=32, thì thường lấy L=64 (>=63), và số lượng cổng trên ma trận chuyển mạch là NxM=512. Khói chuyển mạch quang (NxM)x(NxM) cho phép chuyển mạch chéo (cross-connection) với (NxM) bộ phát WDM, mỗi bộ phát có một nguồn sang bước sóng cố định.  Cấu trúc chuyển mạch ma trận đầy đủ 1.3.2.2. Công nghệ chuyển mạch gói quang. a) Giới thiệu công nghệ chuyển mạch gói Công nghệ chuyển mạch gói quang thuộc công nghệ chuyển mạch gói. Hình 1.31 là sơ đồ khối chức năng của một nút chuyển mạch gói tổng quát. Cấu trúc gồm 2 phần: khối chuyển mạch (Switching Fabric) và khối xử lý mào đầu (Header Processor). Gói sẽ được chuyển từ một đầu vào sang một hay nhiều đâu ra. Cấu tạo gói đầu vào gồm hai phần mào đầo (header) và tải(payload). Khi Nút nhận được gói, nó sẽ tách lấy phần mào đầu và chuyển thông tin mào đầu này xuống khối xử lý mào đầu để xác định đầu ra cho gói. Bộ xử lý mào đầu sẽ thiết lập khối chuyển mạch không gian để chuyển phần payload đến đúng đầu ra mong muốn. Khi hai hay nhiều payload cùng được hướng tới một đầu ra tại một thời điểm, chúng sẽ được tạm thời đưa vào bộ đệm. Khối xử lý mào đầu sẽ tái tạo lại một mào đầu mới và gán nó vào payload trước khi gói được đưa ra một ngõ ra ra. Sơ đồ khối chức năng của một nút chuyển mạch gói Nếu chỉ xét về vị trí đặt các bộ đệm trong khối chuyển mạch, ta có 3 loại cấu trúc chuyển mạch như ở hình 1.32. Mô hình thứ nhất (xem hình 1.32a), tranh chấp được giải quyết ngay tại đầu vào. Mỗi cổng đầu vào được trang bị một bộ đệm lưu các gói đến theo cơ chế FIFO. Dưới cơ chế tùy ý sẽ điều khiển bộ đệm phát gói vào phần chuyển mạch (Switching media). Nhược điểm của mô hình này là có trễ lớn. Giả sử ở cổng đầu vào A và B đều có gói muốn được chuyển đến cùng một cổng ra X. Theo một cơ chế phát gói nào đó, chỉ cho phép cổng A được phát gói đến cổng X, trong khi cổng B sẽ bị chặn. Như vậy cổng B không thể gửi gói tiếp theo mặc dù cổng đầu ra của gói này đang rỗi. Loại nghẽn này gọi là nghẽn đầu dòng (Head of Line Blocking). Loại nghẽn HOL này ảnh hưởng đến thông lượng của phần chuyển mạch. Rất nhiều các thuật đệm và phát gói đã được nghiên cứu để hạn chế ảnh hưởng của loại nghẽn này. Các loại chuyển mạch không gian Mô hình chuyển mạch thứ hai cho ở hình 1.32b có bộ đệm được thiết kế đặt ở đầu ra. Trong mô hình này phần chuyển mạch có thể truyền đồng thời nhiều gói đến từ các ngõ vào khác nhau tới cùng một ngõ ra. Mỗi ngõ ra được đặt một bộ đệm để tránh tranh chấp ở đầu ra. Bộ đệm có thể nhận và lưu trữ tạm thời nhiều gói tại cùng một thời điểm, sau đó phát gói tới ngõ ra của nó từng gói một theo kiểu FIFO. Mô hình này thì đơn giản nhưng cần bộ đệm và phần chuyển mạch có tốc độ cao hơn nhiều. Cụ thể là nó không cần bộ đệm phức tạp và một thuật phát để tránh nghẽn HOL. Nhưng nó lại yêu cầu bộ đệm phải có khả năng chứa gói nhanh gấp N lần sơ với tốc độ phát ở ngõ vào khi phần chuyển mạch có N cổng vào. Mô hình chuyển mạch thứ 3 (hình 1.32c) có bộ đệm được dùng chung cho tất cả các ngõ vào và ngõ ra. Mỗi ngõ vào lưu tất cả các gói ở bộ đệm trung tâm, và mỗi ngõ ra truy cập bộ đệm này theo kiểu FIFO. Mô hình này có hiệu suất sử dụng bộ nhớ tốt hơn hai mô hình trên, tuy nhiên việc quản lý bộ nhớ của bộ đệm trung tâm phức tạp hơn rất nhiều. b) Công nghệ chuyển mạch gói quang (Optical Packet-Switching) Như đã giới thiệu ở trên, xét về vị trí bộ đệm ta có 3 loại mô hình chuyển mạch gói. Trong nút chuyển mạch gói quang, các bộ đệm thường được thực hiện bằng các dây trễ sợi quang do bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên vẫn chưa có trong thực tế. Do đó cấu trúc chuyển mạch cần quản lý bộ nhớ phức tạp như là loại chuyển mạch thứ 3, không phù hợp cho chuyển mạch gói quang. Trong phần này chỉ đề cập đến hai mô hình chuyển mạch thứ nhất và thứ hai được thực hiện cho chuyển mạch gói quang. Với giả thiết tất cả các gói có chiều dài cố đinh, việc sử dụng dây trễ sợi quang là hết sức thuận lợi. Hình 1.33 là một ví dụ về cấu trúc chuyển mạch gói quang ma trận 3x3 và 5 khe thời gian, có bộ đệm ở đầu vào. Nó gồm 2 phần bộ đệm gói quang và chuyển mạch không gian quang. Để tránh tranh chấp tại đầu ra của bộ chuyển mạch, các bộ đệm bằng dây trễ sợi quang. Trong ví dụ này, ngõ vào 1 và 2 đồng thời đều có các gói vào ở khe thời gian 0 với cùng đích đến là ngõ ra C. Bộ đệm gói làm trễ gói đầu tiên của ngõ vào 2 tới khe thời gian thứ 2. Gói hiện đang sở hữu khe thời gian thứ 2 phải được trễ xuống khe thời gian thứ 2 hoặc trễ hơn. Các khe thời gian thứ 3 và thứ 4 cũng xung đột với gói ở ngõ vào 1. Vì vậy, gói vốn nằm ở khe thời gian khe thời gian thứ 2 được trễ xuống khe thời gian thứ 5 và các khe thời gian thứ nhất, thứ ba và thứ tư ở ngõ vào 2 đều để trống. Những khe trống này chính là nhân tố làm giảm thông lượng của chuyển mạch gói quang. Cuối cùng khối chuyển mạch không gian chuyển tất các các gói này tới các ngõ ra mà không xảy ra tranh chấp. Một ví dụ về cấu trúc chuyển mạch gói quang 3x3 Hình 1.34 là ví dụ về một chuyển mạch gói quang đệm đầu ra, gồm một bus quảng bá (broadcast bus), các bộ đệm gói, và bộ lựa chọn kênh bước sóng (Wave-length Channel Selector). Kiến trúc này sử dụng mô hình ghép kênh WDM sử dụng bộ đệm ở đầu ra. Một kênh bước sóng cố định được gán cho mỗi ngõ vào, các gói quang vào được ghép với nhau theo cách ghép WDM và được phân phối tó mỗi ngõ ra qua broadcast bus (bộ ghép quang- optical coupler ). Các bộ đệm gói WDM được đặt ở mỗi ngõ ra. Nếu một gói WDM ghép hai hay nhiều gói có cùng đích ngõ ra, bộ đệm gói lưu và gửi tới bộ chọn kênh WDM. Bộ chọn kênh WDM lọc ra gói mong muốn trong các gói của gói WDM. Cấu trúc đầy đủ của một nút chuyển mạch gói quang gồm 4 khối con được mô tả trên hình 1.35. Giao diện đầu vào gồm một khối lọc header, lọc ra thông tin mào đầu trên gói; khối đồng bộ (synchronizer) thực hiện định thời lại các gói. Khối lõi chuyển mạch truyền các gói tới đầu ra phù hợp. Giao diện đầu ra thực hiện gán header mới vào gói, và có thể phải tái tạo lại dữ liệu và chuyển nó sang một bước sóng khác. Khối điều khiển thực hiện quản lý bộ đệm và thuật toán tránh xung đột. Một ví dụ về chuyển mạch gói đệm đầu ra Cấu trúc chuyển mạch gói quang đầy đủ ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG Giới thiệu bài toán RWA Trong mạng toàn quang, để trao đổi thông tin giữa hai node bất kỳ nào, mạng sẽ thiết lập các kênh thông tin quang được goi là lightpath. Lightpath là một đường đi của tín hiệu quang từ node nguồn đến node đích thông qua những kết nối trung gian. Một lightpath có thể kéo dài qua nhiều tuyến truyền dẫn (link) để cung cấp một kết nối chuyển mạch giữa hai node với dung lượng rất lớn và có thể ở khoảng cách xa. Số các bước sóng có ghép kênh WDM có thể được hỗ trợ trong một sợi quang bị giới hạn (hiện nay khoảng vài ) nên chỉ có một số giới hạn các lightpath có thể được thiết lập tại một thời điểm. Mặc dù những đường đi ngắn có vẻ thích hợp hơn, nhưng đôi khi ta lại phải chịu sự hy sinh để cho nhiều lightpath hơn được thiết lập. Vì vậy các thuật toán thường cho phép nhiều đường đi thay phiên nhau đối với mỗi lightpath được thiết lập. Các lightpath không được thiết lập do ràng buộc về đường đi và bước sóng được coi là bị nghẽn (blocking). Do đó thuật toán RWA tối ưu là thuật toán giảm tối thiểu xác suất nghẽn xảy ra. Hai lightpath chia sẻ cùng một tuyến truyền dẫn sẽ không được gán cùng bước sóng. Thông thường một lightpạth được thiết lập sử dụng duy nhất một bước sóng trên tất cả các tuyến truyền dẫn mà nó đi qua. Trường hợp này ra nói rằng lightpath thỏa mãn sự ràng buộc về tính liên tục bước sóng. Tuy nhiên nếu một node chuyển mạch/định tuyến (WR) được trang bị với một bộ chuyển đổi bước sóng, thì điều kiện ràng buộc về tính liên tục bước sóng sẽ không còn và một lightpaht có thể chuyển sang nhiều bước sóng khác nhau trên lộ trình từ nguồn đến đích. Định tuyến và gán bước sóng lightpath trong mạng toàn quang Trong một mạng không có bộ chuyển đổi bước sóng (WC), các lightpath phải sử dụng cùng một bước sóng trên đường đi (path) từ nguồn đến đích. Khi có cuộc gọi (yêu cầu) đến một đầu vào của bộ WR (Wavelength Router), dựa trên thuật toán định tuyến đã được định nghĩa từ trước WR sẽ chọn ra một tuyến ra và một bước sóng phù hợp. Việc lựa chọn bước sóng đóng một vai trò quan trọng quyết định đến chất lượng của thuật toán và xác suất nghẽn trung bình. Vì vậy khi có yêu cầu một lightpath WR phải tìm ra một tuyến đi và gán một bước sóng trên tuyến đó sao cho tối thiểu hoá xác suất nghẽn. Đây là yêu cầu cơ bản trong thiết kế mạng toàn quang Trong một mạng quang định tuyến bằng bước sóng, các yêu cầu lightpath đến tuân theo một quá trình đến nhất định và thời gian giữ bước sóng đó (holding time) cũng tuân theo một quá trình xác định. Một thuật toán RWA động sử dụng trạng thái hiện tại của mạng để xác định một tuyến hay đường đi cho một yêu cầu lightpath. Tuyến được chọn để thiết lập kết nối phản ánh mức sử dụng hiện tại của các links trong mạng, và một kết nối sẽ bị nghẽn (blocking) nếu không có sẵn một tuyến rỗi để phục vụ nó. Một trong những thách thức liên quan đến thiết kế mạng với nhu cấu lưu lượng mạng động là phải xây dựng một thuật toán và giao thức hiệu quả để thiết lập các lightpaths sao cho xác suất nghẽn mạng là nhỏ nhất. Thuật toán RWA có thể được chia ra thành hai loại: thuật toán RWA tĩnh( Static hoặc Off-line) và thuật toán RWA động (Dynamic hay On-line). Trong thuật toán RWA off-line, tất cả các tuyến và các bước sóng cho các lightpath được thiết lập cố định ngay từ đầu. Bất cứ khi nào có một yêu cầu đến, thuật toán RWA sẽ gán cho nó một tuyến và một bước sóng đã được chỉ định từ trước. Vì vậy cách định tuyến này sẽ không thay mặc dù trạng thái của mạng thay đổi theo thời gian. Khi sử dụng phương pháp gán tĩnh, việc thực hiện sẽ không phức tạp do không phải chạy bất kỳ một thuật toán RWA nào, nó chỉ việc gán ngay một đường đi và một bước sóng khi nhận được yêu cầu. Bài toán RWA động, việc định tuyến và gán bước sóng phù hợp được quyết định dựa vào thông tin trạng thái toàn mạng node phục vụ có được tại thời điểm đó. Thuật toán định tuyến và gán bước sóng RWA được hình thành từ hai thuật toán là: thuật toán định tuyến (lựa chọn một tuyến/ lối ra) và thuật toán gán bước sóng với yêu cầu là để giảm tối thiểu xác suất nghẽn. Dưới đây tác giả sẽ nêu tổng quát hoá các thuật giải định tuyến và gán bước bước sóng đã được đề xuất. Các thuật toán định tuyến Các thuật toán định tuyến cũng được phân ra hai loại: thuật toán định tuyến tĩnh (Static/fixed routing) và thuật toán định tuyến động ( Dynamic/adaptive routing). Định tuyến tĩnh có nghĩa là việc lựa chọn tuyến độc lập với trạng thái hiện thái của mạng. Ngược lại, định tuyến động lại dựa vào thông tin trạng thái toàn mạng để chọn ra một tuyến đi. Định tuyến có đường đi ngắn nhất (SPR- Shortest Path Routing) Là thuật toán định tuyến tĩnh đơn giản nhất. Các tuyến đi giữa bất kỳ hai router nào đều được xác định trước (thường là tuyến ngắn nhất) và không yêu cầu phải có thông tin về trạng thái mạng để thiết lập một lightpath. Song loại định tuyến này có xác suất nghẽn cao. Định tuyến thay thế cố định (FAR- Fixed -alternate Routing) So với thuật toán SPR, thuật toán định tuyến này sẽ cải thiện xác suất nghẽn rõ rệt. Theo thuật toán định tuyến này, mỗi cặp nguồn-đích được gán sẵn một tập các tuyến đi. Một giả thiết chung cho cá thuật toán định tuyến FAR đó là các tuyến thay thế (alternate routes) của mỗi cặp nguồn và đích không có link chung, để xác suất nghẽn xảy ra trên một tuyến này độc lập với xác suất nghẽn xảy ra trên các tuyến dự phòng khác. Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng, khi tải thấp và số lượng tuyến dự phòng (alternate routes) giữa nguồn và đích chưa tận dụng hết các kết nối của mạng, lợi ích về xác suất nghẽn từ việc thêm một tuyến dự phòng mới lớn hơn so với việc thêm vào khả năng chuyển đổi bước sóng. Có rất nhiều các công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các thuật toán định tuyến động hiệu quả hơn định tuyến tĩnh. Tuy nhiên, do cần phải có thông tin về trạng thái của mạng để thiết lập lighpath nên thuật toán định tuyến động cần sẽ gây ra trễ lớn hơn và điều khiển phức tạp. Định tuyến theo tải ít nhất (LLR- Least Loaded Routing) Karasan đã đề xuất một thuật toán RWA động có tên là định tuyến theo tải ít nhất LLR. Thuật toán này sẽ chọn ra cặp tuyến – bước sóng (Route-wavelength pair) đang có tải nhỏ nhất. Nó chọn tuyến bị nghẽn ít nhất và chọn một bước sóng trong tập các bước sóng rỗi từ k các đường đi ngắn nhất xác định trước. Việc lựa chọn này dựa trên thông tin về trạng thái hiện tại của mạng, để tránh các tuyến đã bị quá tải không bị tắc nghẽn thêm. Định tuyến theo tuyến nghẽn nhỏ nhất với các tuyến cố đinh ( FPLC -Fixed-Paths Least-Congestion Routing) FPLC là một thuật toán định tuyến động do Ling Li đề xuất. Khi nhận được một yêu cầu kết nối, thuật toán sẽ chọn tuyến có mức độ nghẽn nhỏ nhất trong số một tập các tuyến xác định trước. Tuyến được chọn sẽ là tuyến có số lượng bước sóng rỗi lớn nhất trong tập các tuyến tìm được kết nối nguồn-đích. Nếu không thể tìm ra tuyến nào, thì yêu cầu sẽ bị từ chối (blocked). Vì vậy thuật toán này yêu cầu node đang phục vụ phải có thông tin về các bước sóng đang rỗi trên tất cả các tuyến của tập dự phòng. Chất lượng của thuật toán FPLC được đánh giá bằng cách sử dụng các mô hình phân tích và công cụ mô phỏng. Phương pháp định tuyến FLPC được so sánh với các phương pháp định tuyến khác: FAR và SPR. Kết quả cho thấy, thuật toán FPLC tốt hơn nhiều so với FAR và SPR khi tải thấp. Để thiết lập một kết nối, thông tin về các bước sóng rỗi trên các link của tập tất cả các tuyến dự phòng phải được trao đổi giữa các node với nhau. Nhược điểm của thuật toán FPLC là gây ra trễ lớn và sinh ra lưu lượng mào đầu điều khiển cao hơn. Các thuật toán gán bước sóng Gán bước sóng là yếu tố chính quyết định đến xác suất nghẽn và kéo theo là chất lượng mạng. Việc gán hợp lý các bước sóng có thể làm giảm hoặc không sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng, do đó sẽ giảm được đáng kể chi phí. Cần lưu ý rằng, nếu tất cả các bộ định tuyến bước sóng (WR) đều có khả năng chuyển đổi bước sóng, thì bài toán gán bước sóng trở thành vô nghĩa. Vì vậy khi ta nghiên cứu bài toán gán bước sóng, ta phải giả thiết rằng mạng không sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng. Tuy nhiên nếu là mạng có bộ chuyển đổi bước sóng được phân bố rải rác (Sparse wavelength conversion), chúng ta vẫn cần phải xem xét bài toán gán bước sóng. Thuật toán gán bước sóng được chia ra thành hai loại: thuật toán gán tĩnh (static assignemnt hay off-line) và thuật toán gán động (dynamic assignment hay on-line). Trong mô hình gán tĩnh, cùng môt bước sóng có thể được gán cho mọi yêu cầu đến một node với điều kiện bước sóng đó đang chưa được gán, nếu không cuộc yêu cầu đó sẽ không được phục vụ và xảy ra nghẽn mạng. Trong mô hình gán động, khi có yêu cầu lightpath đến node, node đó sẽ sử dụng một thuật toán gán xác định để chọn ra và gán bước sóng còn rỗi nào đó cho yêu cầu đó, nếu không xảy ra nghẽn tại node này. Hầu hết các thuật toán gán bước sóng đang hiện có thuộc loại gán động. Mọi thuật toán gán bước sóng đều lưu một danh sách các bước sóng đang sử dụng và đang rỗi tại một node. Bất cứ khi nào xuất hiện một yêu cầu tại node đó, nó sẽ chọn ra một bước sóng từ một tập hợp các bước sóng đang rỗi và gán nó cho yêu cầu đó. Có rất nhiều các nghiên cứu đánh giá và so sánh chất lượng của các thuật toán gán bước sóng khác nhau. Dưới đây là một số thuật toán gán bước sóng đã được đề xuất. Gán bước sóng ngẫu nhiên ( Random Wavelength Assigment) Theo thuật toán này, node sẽ giữ một danh sách các bước sóng đang rỗi được cập nhật sau một khoảng thời gian xác định. Khi có một cuộc gọi đến, Node sẽ chọn ra ngẫu nhiên một bước sóng từ một tập các bước sóng rỗi và gán bước sóng đó cho cuộc gọi. Tập các bước sóng đang rỗi được cập nhật qua việc xoá bước sóng ra khỏi danh sách. Khi cuộc gọi kết thúc, bước sóng đó được xoá khỏi danh sách các bước sóng đang được sử dụng và đưa vào danh sách các bươc sóng còn rỗi. Theo như vậy, danh sách các bước sóng rỗi sẽ được cập nhật mỗi khi cuộc gọi nhận được tín hiệu trả lời hoặc thời gian giữ cuộc gọi đã hết. Gán bước sóng động sẽ phân phối lưu lượng ngẫu nhiên để hiệu suất sử dụng bước sóng được cân bằng. Việc gán một bước sóng ngẫu nhiên dẫn tới tranh chấp sử dụng bước sóng đó thấp và kết quả là xác suất nghẽn cũng thấp hơn Gán bước sóng phù hợp đầu tiên (First-Fit Wavelength Assignment) Thuật toán được thực hiện bằng cách định nghĩa trước bậc (chỉ số) của các bước sóng. Danh sách các bước sóng đang sử dụng và danh sách bước sóng rỗi được cập nhật. Thuật toán gán bước sóng này luôn chọn bước sóng có chỉ só nhỏ nhất và gán nó cho yêu cầu. Khi cuộc gọi kết thúc, bước sóng này được đưa vào danh sách các bước sóng rỗi. Nhược điểm của phương pháp này là các bước sóng chỉ số thấp hơn bị sử dụng nhiều hơn so với các bước sóng khác. Bước sóng có bậc càng cao càng ít được sử dụng. Vì vậy sẽ có một số bước sóng có hiệu suất sử dụng rất thấp. Hơn nữa việc tăng số bước sóng trên một sợi quang cũng không cải thiện chất lượng của mạng khi các bước sóng có chỉ số cao ít khi được sử dụng. Vì vậy tất cả các node trong mạng sử dụng các bước sóng thấp dẫn đến tranh chấp bước sóng xảy ra nhiều sẽ làm tăng xác suất nghẽn. Gán bước sóng được sử dụng nhiều nhất (Most-used wavelength Assignment) Theo thuật toán này, bước sóng rỗi được sử dụng nhiều nhất trên các tuyến sợi quang sẽ được phân bổ cho yêu cầu. Nếu có vài bước sóng có cùng mức độ sử dụng cao nhất, thì bước sóng có chỉ số nào đó, ví dụ thấp nhất, sẽ được chọn để gán. Gán bước sóng sử dụng ít nhất ( Least- used wavelength Assignment) Thuật toán này cũng tương tự với thuật toán gán bước sóng được dùng nhiều nhiều nhất ở trên, chỉ khác ở đây là bước sóng được sử dụng ít nhất được gán. Mục đích chính của thuật toán là để đạt được phân bố tải gần như đồng đều trên tập tất cả các bước sóng. Trong các thuật toán gán bước sóng đề cập ở trên, thuật toán gán ngẫu nhiên và thuật toán phù hợp đầu tiên được sử dụng nhiều nhất trong thực tế vì chúng được thực hiện đơn giản. Không giống như các thuật toán gán bước sóng được sử dụng nhiều nhất, và ít nhất, các thuật toán này không yêu cầu phải biết thông tin về toàn mạng. Chúng chỉ phụ thuộc vào trạng thái của node tại thời điểm đó và chọn bước sóng từ tập các bước sóng rỗi trên tuyến sợi quang đầu ra. Vì không quan tâm đến trạng thái của mạng, nên các thuật toán gán này sẽ không đạt được kết quả tối ưu. Thuật toán gán ngẫu nhiên được đánh giá là tốt hơn thuật toán gán phù hợp đầu tiên vì nó có thể chọn bất kỳ bước sóng rỗi nào. Để thực hiện các thuật toán gán bước sóng sử dụng nhiều nhât và ít nhất, mỗi node phải biết thông tin về toàn mạng. Chất lượng của các thuật toán này phụ thuộc vào mức độ chính xác của thông tin về mạng mà mỗi node nắm được. Vì trạng thái của mạng thay đổi rất nhanh, rất khó để cập nhật chính xác thông tin mạng tại mọi thời điểm, sẽ ảnh hưởng đến việc gán bước sóng. Hơn nữa, các nodes phải trao đổi thông tin về trạng thái mạng với các node lân cận sau mỗi khoảng thời gian cố định. Các bản tin trao đổi này tiêu tốn đáng kể băng thông của mạng, làm giảm băng thông cung cấp cho lưu lượng cần truyền. Ngoài ra các thuật giải này phải lưu trữ trạng thái mạng và rất phức tạp để thực hiện.  NGHIÊN CỨU PHÂN BỔ TỐI ƯU BỘ CHUYỂN ĐỔI BƯỚC SÓNG Vai trò bộ chuyển đổi bước sóng Mạng WDM toàn quang định tuyến bằng bước sóng (Wavelength-routed all-optical WDM) được coi là ứng cử viên cho mạng đường trục diện rộng thế hệ thiếp theo. Mạng này được hình thành từ một tập các bộ định tuyến bước sóng (kí hiệu là WR- Wavelength Router)nối trực tiếp với nhau bằng tuyến sợi quang. Trên mỗi tuyến này có thể có hàng vài trục bước sóng truyền đồng thời trên đó nhờ sử kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM. Các WR có thể chuyển mạch các tín hiệu quang đầu vào dựa trên bước sóng của chúng. Hai bộ định tuyến bước sóng về mặt vật lý kết nối trực tiếp hoặc không, có thể trao đổi thông tin với nhau bằng cách thiết lập một lightpath giữa chúng (là một kết nối quang trực tiếp không qua bất kì một phần tử điện tử trung gian nào). Trong mạng WDM định tuyến bằng bước sóng, một chuỗi các yêu cầu thiết lập lightpath đến node, mỗi lightpath có một khoảng thời gian tồn tại (holding time) ngẫu nhiên. Do hạn chế về dung lượng của mạng nên một số yêu cầu lightpath không được đáp ứng, gây ra nghẽn. Một trong những mục tiêu của bài toán thiết kế mạng AON là giảm tối thiểu xác suất nghẽn này. Trong mạng WDM, để thiết lập một lightpath, mạng yêu cầu các tuyến truyền dẫn(link) dọc theo đường đi (path/route)từ nguồn đến đích phải tồn tại cùng một bước sóng còn rỗi trên đó. Yêu cầu này được gọi là ràng buộc về tính liên tục của bước sóng. Mạng định tuyến bằng bước sóng nhu vậy được gọi là mạng liên tục bước sóng (Wavelength- continuous network). Nó khác với mạng chuyển mạch kênh truyền thống (Circuit-switched network) chỉ từ chối phục vụ cuộc gọi khi không còn tài nguyên (timeslot) trên tất cả các tuyến có thể thiết lập được kết nối. Do đó so với mạng chuyển mạch kênh truyền thống, xác suất nghẽn cuộc gọi (hay kết nối) trong mạng WDM cao hơn rất nhiều do ràng buộc về tính liên tục bước sóng- “một lightpath phải sử dụng cùng một bước sóng từ nguồn đến đích “ Ví dụ sau sẽ giải thích rõ hơn về khả năng xảy ra không thể thiết lập lightpath. Thiết lập lightpath đơn giản Xét ví dụ ở hình trên, ta có 3 nodes định tuyến bước sóng (WR) được nối với nhau bằng hai tuyến sợi quang Link 1 và Link 2. Giả sử trên Link 1 các bước sóng và đều bận, trên Link 2 các bước sóng và cũng đang bận. Bây giờ có một yêu cầu thiết lập lightpath giữa node 2 và node 3 cần định tuyến qua Link 1 và Link 2. Rõ ràng, yêu cầu này sẽ bị từ chối vì các bước sóng còn rỗi trên hai tuyến Link 1 và Link 2 là khác nhau, và ta nói mạng xảy ra nghẽn. Do vậy mạng liên tục bước sóng có xác suất nghẽn cao hơn so với mạng chuyển mạch kênh truyền thống. Để giảm ảnh hưởng của điều kiện ràng buộc trên lên xác suất nghẽn, người ta loại bỏ yêu cầu ràng buộc này bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng (WC- Wavelength Converter) tại các node mạng. Bộ chuyển đổi bước sóng có thể chuyển đổi tín hiệu quang từ một bước sóng sang bước sóng khác. Trong ví dụ ở trên nếu node 2 có khả năng chuyển đổi tín hiệu có bước sóng trên Link 1 thành tín hiệu có bước sóng phát trên Link 2, thì yêu cầu thiết lập lighpath cho kết nối node 1 và node 3 sẽ được chấp nhận, vì vậy sẽ làm giảm xác suất nghẽn. Một node có khả năng chuyển đổi bước sóng được gọi là router có thể chuyển đổi bước sóng (WCR-Waveleng Convertible Router). Các mạng quang định tuyến bước sóng với khả năng chuyển đổi bước sóng được gọi là mạng có thể chuyển đổi bước sóng (Wavelength -convertible Networks). Khả năng chuyển đổi của một node WCR được đánh giá bằng số bộ WC mà nó có. Tại một thời điểm một bộ WC chỉ cho phép chuyển đổi được một bước sóng sang bước sóng khác. Vì vậy số chuyển đổi bước sóng đồng thời được thực hiện trong WCR được xác định bằng số bộ WC mà nó có. Tuy nhiên hiện nay giá thành của các bộ WC còn rất đắt, vì vậy có nhiều cấu trúc WCR được đề xuất để giảm chi phí chi phí thiết bị: WCR chuyển đổi bước sóng đầy đủ (Complete Wavelength Conversion) Hình 3.2 là ví dụ về bộ vWCR với khả năng chuyển đổi bước sóng đầy đủ, ở đó mỗi đầu ra của khối chuyển mạch quang gắn với với một bộ chuyển đổi bước sóng riêng. Loại WCR được coi là lý tưởng vì nó có khả năng chuyển đổi đồng thời tất cả các bước sóng đầu vào sang bất kỳ bước sóng đầu ra nào. Chú ý rằng, số lượng bộ WC bằng số sợi quang nhân với số bước sóng trên một sợi quang. Vì số bước sóng trên mỗi sợi quang có thể lên đến hàng trăm hoặc nhiều hơn, nên số lượng bộ WC trong mỗi node WCR rất lớn, kéo theo giá thành của node cấu trúc đó rất cao. WCR chuyển đổi bước sóng một phần (Partial Wavelength Conversion) Hình 3.3 là cấu trúc WCR với số lượng bộ chuyển đổi hạn chế và được dùng chung cho tất cả các cổng ra. Cấu trúc này cần rất ít số bộ chuyển đổi bước sóng mà mạng vẫn có thể đạt chất lượng gần bằng với cấu trúc chuyển đổi bước sóng đầy đủ nhờ việc phân bổ tối ưu bộ chuyển đổi tại các node mạng. Mặc dù vậy nó lại phức tạp hơn so với bộ định tuyến bước sóng không có WC, vì nó phải cần đến một khối chuyển mạch quang nhỏ (OSW). Vấn đề cần phải biết bao nhiêu bộ WC phải đặt ở mỗi node WCR để đạt được chất lượng mong muốn. Các cấu trúc node chuyển đổi bước sóng đầy đủ Cấu trúc node chuyển đổi bước sóng một phần Các mạng toàn quang WDM định tuyến bằng bước sóng thường được phân loại theo đặc điểm chuyển đổi bước sóng của toàn mạng. Có thể xem xét và đánh giá theo khả năng chuyển đổi bước sóng của từng node hoặc cả mạng. Khả năng chuyển đổi của node được chia thành 3 loại: đầy đủ, giới hạn, hoặc không có (complete, limited, no). Node được cho là có khả năng chuyển đổi đầy đủ (complete conversion capability) khi nó có thể chuyển đổi đồng thời tất cả các bước sóng đầu vào sang bất kỳ bước sóng khác ở đầu ra. Trong khi đó, nếu node chỉ có thể chuyển đổi một vài bước sóng tại một thời điểm, thì WCR được gọi là có khả năng chuyển đổi một phần (Partial conversion capability). Nếu xét tất cả các node của mạng quang, ta có thể chia ra làm hai loại mạng: mạng có tất cả các node là WCR (full), và mạng có một số node là WCR (Sparse). Loại mạng sau được để ý nhiều hơn vì nó có thể tiết kiệm đáng kể số bộWC, và là giải pháp mềm dẻo vì nó cho phép mạng được nâng cấp dần lên để có khả năng hỗ trợ chuyển đổi bước sóng. Kết hợp về phân bố WCR trên toàn mạng và khả năng chuyển đổi bước sóng của mỗi bộ WCR tại node, ta có một số cấu trúc mạng các node WC/WCR: full-complete, full-partial, sparse-complete, sparse-partial. Một mạng được gọi là có khả năng chuyển đổi full-complete khi tất cả các tuyến dọc theo mỗi lightpath không bị mạng bị từ chối thiết lập do ràng buộc liên tục bước sóng. Với đặc tính đó, mạng sẽ đạt được xác suất nghẽn thấp nhất (giới hạn dưới) trong trường hợp tải lưu lượng động. Trong mạng với khả năng chuyển đổi full-partial, tất cả các node đều là WCR, với khả năng chuyển đổi bước sóng partial. Khi mạng chỉ có một số node của mạng là WCR có khả năng chuyển đổi complete ta gọi mạng này là sparse-complete. Nếu một mạng các các node WCR phân bố rải rác với khả năng chuyển đổi bước sóng partial, thì mạng này được gọi là mạng SPWC (Sparse –Partial Wavelength Conversion) Mặc dù có những tiến bộ đáng kể trong công nghệ chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng WC, nhưng giá thành vẫn còn rất cao. Chính vì vậy yêu cầu đối với bài toán thiết kế mạng quang là phải đưa ra phương pháp phân bổ tối ưu WC trên toàn mạng sao cho chất lượng của mạng đạt được tiến gần đến chất lượng mạng full-complete với yêu cầu sử dụng số WC cho toàn mạng là ít nhất. Theo kết quả của nhiều công trình nghiên cứu, hiệu quả của việc sử bộ chuyển đổi bước sóng trong mạng truyền dẫn quang phụ thuộc vào rất nhiều yêu tố. Cụ thể đó là: cấu trúc mạng (network topology), thuật toán RWA được sử dụng, số bước sóng, khả năng chuyển đổi bước sóng, và đặc tính của lưu lượng chạy trên mạng. Giới thiệu tổng quan Như đã nói ở trên, để giảm ảnh hưởng của điều kiện ràng buộc về tính liên tục bước sóng lên xác suất nghẽn cuộc gọi, bộ chuyển đổi bước sóng đã được sử dụng. Nếu các bộ chuyển đổi được đặt ở tất cả các node mạng, thì điều kiện này hoàn toàn được loại bỏ và xác suất nghẽn của mạng giảm rất nhiều. Tuy nhiên do các khó khăn về mặt kĩ thuật nên giá thành các bộ chuyển đổi còn rất đắt. Chính vì vậy, cộng đồng nghiên cứu đã tập trung nỗ lực nghiên cứu vào các mạng SPWC, ở đó chỉ có một số node là có khả năng chuyển đổi bước sóng. Hơn nữa các nghiên cứu trước đó đã chỉ ra rằng mạng Sparse-wavelength conversion cũng có thể đạt chất lượng nghẽn tương tự như mạng quang full-wavelength conversion nếu các bộ chuyển đổi được đặt một cách tối ưu. Bài toán đặt tối ưu bộ chuyển đổi (WCP) có liên quan chặt chẽ với bài toán RWA. Để chọn một thuật toán RWA phù hợp , giả thiết lưu lượng rất quan trọng. Ta có thể chia làm hai loại lưu lượng chính là tĩnh và động. Đối với lưu lượng tĩnh, tất cả các kết nối đều được cố định và biết trước, do đó mục tiêu phải giảm tối đa số bước sóng sử dụng để đáp ứng một yêu cầu đó. Còn đối với lưu lượng động, tất cả các yêu cầu kết nối đến/đi khỏi mạng một cách ngẫu nhiên, và mục tiêu của ta là phải giảm xác suất nghẽn kết nối. Trong tất cả các thuật giải định tuyến, thuật định tuyến theo tải nhỏ nhất (LLR) hay được sử dụng phổ biến hơn cả trong các mạng chuyển mạch kênh truyền thống. Định tuyến động xác định tuyến sau khi xem xét trạng thái toàn mạng tại thời điểm nhận được yêu cầu kết nối. Nói chung, chất lượng (xác suất nghẽn) của các thuật giải động tốt hơn rất nhiều (thấp hơn) so với các thuật giải định tuyến tĩnh. Lí do là định tuyến động đưa ra quyết định dựa trên trạng thái mạng hiện tại, vì vậy một tuyến, ở đó nghẽn đã được tránh, có thể được thiết lập. Còn trong những thuật giải gán bước sóng, gán bước sóng ngẫu nhiên và gán bước sóng phù hợp đầu tiên (FF) là các thuật giải được sử dụng nhiều nhất. Trong thuật giải gán ngẫu nhiên, các bước sóng rỗi được chọn ngẫu nhiên trong tất cả các kết nối dọc theo tuyến. Trong thuật giải gán FF các bước sóng được chọn dựa trên thứ tự được quy định trước (chỉ số từ thấp đến cao) từ một tập các bước sóng rỗi dọc theo tuyến. Thuật toán FF đạt được xác suất nghẽn thấp hơn so với gán ngẫu nhiên khi tăng độ phức tạp của mạng Lúc đầu các bài toán RWA và bài toán phân bổ bộ chuyển đổi bước sóng được nghiên cứu độc lập với nhau. Mặc dù gầy đây, người ta đã chứng minh được việc xem xét đồng thời đó sẽ cho kết quả tốt hơn, nhưng rất khó có thể đưa ra một mô hình tối ưu đồng thời cho cả hai vấn đề do tính phức tạp của nó. Do đó để cho dễ nghiên cứu và đánh giá, người ta đi xây dựng thuật giải WCP tối ưu cho một thuật toán RWA cụ thể, và trong một mạng quang có cấu trúc cụ thể (Mesh, Tree, Ring). Trong luận văn này, tác giả chỉ giới thiệu các thuật toán WCP được đề xuất cho mạng quang sử dụng định tuyến động LLR và gán bước sóng ngẫu nhiên hoặc FF. Thuật toán GA cho mạng Ring Thuật toán định tuyến LLR cho mạng SWC Để đơn giản, tất cả các bộ chuyển đổi trong mô hình mạng đều là bộ chuyển đổi toàn dải (Full-range Wavelength Converter). Tuyến gồm một tập các kết nối bắt đầu từ node nguồn và kết thúc tại node đích. Trong một mạng quang đặt các bộ chuyển đổi phân tán SWC- Sparse Wavelength Converters), ta định nghĩa đoạn (segment) trên tuyến gồm một tập con các kết nối có thể là : Bắt đầu từ node nguồn và kết thúc ở bộ chuyển đổi đầu tiên. Bắt đầu từ một bộ chuyển đổi và kết thúc ở bộ chuyển đổi tiếp theo Bắt đầu ở một bộ chuyển đổi và kết thúc tại node đích hoặc. Chính là cả tuyến nếu không có bộ chuyển đổi nào trên tuyến đó. Ràng buộc về liên tục bước sóng được bỏ qua tại điểm giữa các đoạn. Nếu không có bộ chuyển đổi nào trên một tuyến, thì đoạn của tuyến chính là tuyến đó. Một ví dụ về các tuyến bị phân đoạn bởi các bộ chuyển đổi bước sóng được minh họa ở hình 3.4. Node WC là node được trang bị một bộ chuyển đổi bước sóng. Đoạn đầu tiên của tuyến từ node S đến node D gồm hai kết nối và . Đoạn thứ hai gồm hai kết nối và . Trong đoạn đầu tiên, một bước sóng chung (cụ thể là ) được sử dụng để thiết lập lighpath do tính ràng buộc liên tục bước sóng. Với khả năng của bộ chuyển đổi tại node WC, đoạn thứ hai sử dụng bước sóng khác để thiết lập lightpath. Các đoạn trên tuyến từ nguồn (S) đến đích (D) Mô hình mạng và các hàm chi phí tuyến (Path Cost) được đề xuất Thuật toán LLR đã được sử dụng trong các mạng chuyển mạch kênh từ đầu những năm 1980. Trong [8], để chuyển sang dùng cho mạng quang, dựa trên khái niệm của thuật toán LLR, hai hàm chi phí tuyến được để xuất cho hai loại mạng khác nhau. Với mạng quang không có chuyển đổi bước sóng, tuyến được chọn nếu nó thỏa mãn: (1) (Trong đó là số sợi quang trên kết nối và là số sợi quang trên đó có bước sóng trên kết nối ) Đối với mạng quang có khả năng chuyển đổi đầy đủ, một tuyến được chọn nếu thỏa mãn: (2) (Trong đó K là số bước sóng trên một sợi quang. Tuy nhiên cả hai hàm chi phí tuyến đều không được áp dụng trực tiếp vào các mạng quang với chuyển đổi bước sóng rời rạc. Trong phần này, hai hàm chi phí tuyến có thể được sử dụng trọng các thuật giải định tuyến dựa trên LLR trong các mạng phân bố WC phân tán. Đối với mỗi cặp node nguồn-đích, để giảm không gian trạng thái, chúng ta chỉ xét tuyến ngắn nhất không cố cạnh chung (k edge-disjoint shortest path) Phân loại chúng theo hop-count (tổng số kết nối trong một tuyến) theo thứ tự tăng dần và theo số bước sóng trên tất cả các kết nối theo thứ tự giảm dần. Những tuyến không có cạnh chung là để đảm bảo rằng xác suất nghẽn dọc theo tuyến đó là độc lập với nhau. Một kênh của một tuyến (hay đoạn) được định nghĩa là một bước sóng rỗi cho truyền tin từ nguồn đến đích dọc theo tuyến (đoạn). Chú ý rằng có thể có nhiều hơn một kênh sử dụng cùng một bước sóng nếu tuyến có nhiều sợi quang. Hai hàm chi phí tuyến mới được đề xuất như là các mở rộng của (1) và (2) khi mạng có phân bố WC phân tán. Hàm thứ nhất kí hiệu là LLR-MMM (Least-Load Routing using Min-Max-Min) cho bởi công thức: (3) Trong đó là tuyến cho yêu cầu kết nối . Nếu trên tuyến này chỉ có một vài node có bộ chuyển đổi bước sóng, thì tuyến này được phân thành nhiều đoạn và chi phí của một đoạn được định nghĩa là số tối đa các kênh còn rỗi của tất cả các bước sóng trên tuyến này. Chú ý rằng hàm chi phí của tuyến này liên quan đến cả định tuyến và gán bước sóng. Hàm chi phí thứ hai được kí hiệu LLR-MSM (Least Load Routing using Min-Sum-Min): (4) Hàm chi phí này xem xét trường hợp có một số node dọc tuyến không có bộ chuyển đổi bước sóng nào. Nếu một số node trên tuyến này không được trang bị bộ chuyển đối, thì tuyến được phân làm nhiều đoạn và chi phí của một đoạn là tổng số kênh còn rỗi của tất cả các bước sóng trên đoạn đó. So với LLR-MMM, hàm chi phí tuyến này thể hiện tốt hơn với số kênh rỗi tổng cộng của một đoạn vì khái niệm tải nhỏ nhất được áp dụng cho tổng số kênh rỗi chứ không phải số lượng tối đa kênh rỗi trong một bước sóng. Điều này có thể vì hàm chi phí tuyến không liên quan đến bần kì thuật giải gán bước sóng nào trong mô hình toán học. Các thuật giải gán bước sóng khác nhau có thể làm việc với LLR-MSM. Giả sử ta có tuyến ngắn nhất cho yêu cầu kết nối R. Nếu gọi Z là tập k tuyến ngắn nhất này thì . Thuật toán định tuyến LLR được cho thuật giải 1. Chú ý thuật giải LLR này có hai loại LLR-MMM và LLR-MSM, phụ thuộc vào hàm chi phí nào được sử dụng. Các hàm chi phí dựa trên thuật LLR xem xét ảnh hưởng của các bộ chuyển đổi bước sóng trong quyết định định tuyến. Số bộ chuyển đổi là có hạn và bộ chuyển đổi giúp tháo gỡ ràng buộc liên tục bước sóng, vì vậy dễ tìm được một kênh rỗi trên tuyến có các bộ chuyển đổi hơn là tuyến không có. Do việc triển khai các bộ chuyển đổi, lúc đầu thuật toán cố tìm một tuyến không có bộ chuyển đổi (cụ thể =1) với much đích dự trữ các bộ chuyển đổi cho yêu cầu sau này. Nếu không có tuyến đó, các tuyến với một bộ chuyển đổi (=2), và cứ như vậy, cho đến khi tất cả k tuyến ngắn nhất không có cạnh chung được kiểm tra. Mạng 6 node, chỉ có một node là WCR Để minh họa cho thuật giải định tuyến với hai hàm chi phí, hình 3.5 ở trên là ví dụ về một mạng có 6 node. Node WCR là node được trang bị bộ chuyển đổi bước sóng, các node còn lại không có khả năng chuyển đổi này. Một yêu cầu kết nối đến node S và kết thúc tại node D. Chi phí của các đoạn và của các tuyến được chỉ ra trong bảng 3.1. Trong ví dụ này, có bốn đoạn khác nhau và tồn tại bốn tuyến từ node S đến D có thể sử dụng. Các bước sóng trong ngoặc kép được cho ở cột thứ 2 và 3 của bảng 3.1, là các bước sóng rỗi có thể được sử dụng trong các đoạn tương ứng. Đối với cả hai hàm chi phí tuyến, tuyến có chi tuyến lớn nhất, vì vậy nên sử dụng tuyến này để thiết lập kết nối từ node S đến node S trong thuật giải LLR-MMM hoặc LLR-MSM với bước sóng rỗi Chi phí các đoạn, tuyến cho lightpath từ node S đến node D Thuật toán WCP sử dụng thuật toán GA Nguyên tắc của thuật toán nàylà tìm một bộ số (vector) tối ưu để đặt các WC trong mạng bằng cách phân bổ chúng một cách ngẫu nhiên trên mạng rồi từ đó tìm ra được tổ hợp tối ưu với xác suất từ chối là nhỏ nhất. Thuật toán sẽ rất phức tạp khi số node tính toán là lớn chỉ áp dụng được cho mạng Ring. Giả sử có K bộ chuyển đổi trong mạng có N node. Bài toán đặt ra là tìm một tổ hợp để đặt K bộ chuyển này vào trong mạng sao cho đem lại xác suất nghẽn là nhỏ nhất () Đầu tiên ta đánh dẫu mỗi node trong mạng với một chỉ số duy nhất từ 0 đến N-1. Chúng ta gọi vector vị trí đặt là [i] với K chiều. Giá trị của phần tử thứ i (i=1,2,….,K) của vector là chỉ số của node mà bộ chuyển đổi thứ i này đặt tại đó. Ví dụ nếu giá trị của vector là (1,2,4,7,9) cho việc đặt 5 bộ WC vào mạng NSFNet 14 node thì 5 bộ này phải được đặt tương ứng vào các node có chỉ số là 1,2,4,7, và 9. Mỗi một giá trị khác nhau của vector, tương ứng có một tập vị trí node được đặt WC, sẽ cho ta một xác suất nghẽn khác nhau. Vị trí đặt tối ưu là vị trí có xác suất nghẽn nhỏ nhất. Chúng ta cho phép thuật toán GA thực hiện tìm kiếm một bộ tối ưu trong một khoảng thời gian chấp nhận được để đạt được để đạt được tới . Thực hiện thuật toán GA là một thủ tục tối ưu thực hiện vòng lặp để đặt được kết quả gần với giá trị tối ưu. Ý tưởng cơ bản là lấy từ quá trình tiến hóa trong tự nhiên. Trong bài toán đặt tối ưu của ta, hàm mục tiêu được định nghĩa là xác xuất nghẽn cuộc gọi trung bình . Vì xác suất nghẽn cho các thuật giảI LLR-MSM và LLR-MMM chưa có sẵn công thức, được tính từ các kết quả mô phỏng. GA bắt đầu quá trình tiến hóa của mình bằng việc đặt bộ chuyển đổi vào các node một cách ngẫu nhiên. Quá trình tiến hóa này được lặp đi lặp lại một số lần (qua một số thế hệ) được xác định trước hoặc đến khi kết quả hội tụ (không tiến hóa nữa) thì thuật toán GA sẽ dừng và kết quả thu được cuối cùng là vị trí đặt tối ưu với xác suất nghẽn nhỏ nhất. Một tiến hóa thế hệ gồm việc chọn giống -chọn chỗ đặt (chọn nhiễm sắc thể) mà có khả năng sống sót trong thế hệ tiếp theo à giao phối (crossover)để kết hợp các đặc tính tốt của các vị trí đặt (placements) và tạo ra các vị trí mới (kết hợp các gen từ các nhiễm sắc thể khác nhau để tạo ra các nhiễm sắc thể mới), và cuối cùng là sự biến đổi (đột biến gen) để thay đổi ngẫu nhiên các phần tử của một lần đặt( cụ thể là chuyển bộ chuyển đổi từ node này sang node khác. Ba bước được thực hiện trong quá trình tiến hóa này được lặp đi lặp lại. Việc lựa chọn các vị trí đặt còn sống sót từ lần lặp này sang lần lặp sau tuân theo hàm phù hợp (fitness function) F được định nghĩa là chuyển đổi mũ âm của xác suất nghẽn được mô tả ở thuật giải 2 dưới đây. "Nguồn: [2], trang 5" Trong quá trình chuyển bậc, các vị trí đăt có xác suất nghẽn nhỏ hơn sẽ có cơ hội sống