Luận văn Kỹ thuật đa truy nhập trong mạng quang và ứng dụng

Bộ giáo dục và đào tạo Tr−ờng đại học bách khoa hà nội -------------------------------------------- luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật đa truy nhập trong mạng quang và ứng dụng ngành: xử lý thông tin và truyền thông M∙ số: Nguyễn thế d−ơng Ng−ời h−ớng dẫn khoa học: PGS -TS. Đặng văn chuyết hà nội 2006 -i- Lời cam đoan Em xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân. Các nghiên cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và hiểu biết thực tế của em, không sao chép. Tác giả luận văn Nguyễn Thế D−ơng -ii- Mục lục Nội dung Trang Lời Mở đầu ............................................................................................. Ch−ơng 1: các phần tử sử dụng trong mạng quang đa truy nhập 1.1 giới thiệu chung …………………….................................. 1 1.2 Bộ ghép hình sao quảng bá ………………………….... 2 1.3 bộ ghép kênh và tách kênh ........................................... 4 1.4 điốt laze điều chỉnh đ−ợc b−ớc sóng. .................... 7 1.4.1 Điều chỉnh nhiệt. ........................................................................... 8 1.4.2 Điốt laze điều chỉnh đ−ợc b−ớc sóng sử dụng hốc ngoài............... 8 1.4.3 điốt laze hồi tiếp phân bố (DFB) hai đoạn..................................... 10 1.4.4 Điốt laze phản xạ phân bố Bragg hai đoạn và ba đoạn. ................ 11 1.5 bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc …................................ 12 Ch−ơng 2 : Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo b−ớc sóng - wdma 2.1 Tổng quan về kỹ thuật WDMA....................................... 14 2.2 Mạng WDMA đơn b−ớc ....................................................... 14 2.2.1 Mạng WDMA “ quảng bá và lựa chọn ”........................................ 14 2.2.2 Mạng WDMA “định tuyến theo b−ớc sóng”................................. 20 2.2.3 Các vấn đề liên quan đến hiệu suất và thiết kế mạng .................... 25 2.2.3.1 Vị trí bộ đệm trong mạng WDMA đơn b−ớc ................................. 25 2.2.3.2 Xuyên kênh..................................................................................... 26 2.3 Mạng WDMA đa b−ớc ......................................................... 29 2.3.1 Khái niệm chung về mạng WDMA đa b−ớc ................................ 29 2.3.2 Đặc điểm của mạng WDMA đa b−ớc ……………....................... 31 -iii- 2.4 ứng dụng mạng kỹ thuật đa truy nhập WDMA 36 2.4. 1 Mạng WDMA đơn b−ớc .............................................................. 36 2.4.1.1 Mạng LAMBDANET...................................................................... 36 2.4.1.2 Mạng RAINBOW............................................................................ 37 2.4.1.3 FOX –Bộ kết nối chéo quang tốc độ cao…………………………… 38 2.4.1.4 HYPASS (High performance packet switch system……………...... 39 2.4.1.5 Mạng RINGGO............................................................................... 42 2.4.2 Mạng WDMA đa b−ớc .................................................................. 43 2.4.2.1 Mạng Starnet.................................................................................. 43 2.4.2.2 Mạng HORNET.............................................................................. 44 Ch−ơng 3 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng mang phụ – SCMA 3.1 Giới thiệu chung .................................................................. 49 3.2 Hiệu suất của mạng scma đơn kênh …..................... 51 3.2.1 Nhiễu l−ợng tử Short noise ………………................................... 53 3.2.2 Nhiễu nhiệt của máy thu ............................................................... 54 3.2.3 Nhiễu c−ờng độ Laser ................................................................... 55 3.2.4 Nhiễu giao thoa quang .................................................................. 55 3.2.5 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng....................................................... 58 3.2.6 ứng dụng của các hệ thống SCMA đơn kênh ................................ 55 3.3 Đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh .................... 60 3.3.1 Khái niệm về hệ thống SCMA đa kênh ........................................ 61 3.3.2 Đặc điểm của hệ thống SCMA đa kênh ….................................... 62 3.3.3 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng ...................................................... 64 3.3.4 ứng dụng của các hệ thống SCMA đa kênh .................................. 65 Ch−ơng 4 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian – TDMA 4.1 Giới thiệu chung .................................................................. 68 -iv- 4.2 Các khái niệm cơ bản của Kỹ thuật TDMA ………. 68 4.3 ứng dụng mạng Kỹ thuật đa truy nhập TDMA .... 71 4.3.1 ATM-PON (ATM dựa trên mạng quang thụ động) ...................... 71 4.3.2 E- PON (Ethernet dựa trên mạng quang thụ động) ....................... 74 Ch−ơng 5 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo m∙ - cdma 5.1 Tổng quan kỹ thuật đa truy nhập CDMA .............. 78 5.2 Các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA ............................. 78 5.2.1 Mạng sử dụng kỹ thuật CDMA tách sóng trực tiếp ...................... 78 5.2.2 Mạng CDMA quang kết hợp......................................................... 85 5.2.3 Đặc điểm của các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA quang.............. 87 Ch−ơng 6 : đề xuất mô hình ứng dụng mạng man Tại b−u điện hà nội 6.1 Hiện trạng mạng viễn thông của BĐHN .................. 88 6.1.1 Mạng truyền dẫn ........................................................................... 88 6.1.2 Mạng tổng đài ............................................................................... 88 6.1.3 Mạng DDN truyền thống ……………………………………….. 90 6.1.4 Mạng truyền số liệu ATM + IP ..................................................... 90 6.1.5 Mạng truy nhập băng rộng ADSL & SHDSL ................................ 91 6.2 Đánh giá ứng dụng truy nhập quang của bđhn 94 6.3 Dự báo nhu cầu phát triển ............................................ 96 6.4 Phân tích giải pháp ứng dụng xây dựng mạng .... 99 6.5 Lựa chọn giải pháp công nghệ truy nhập .............. 103 6.6 Một số chỉ tiêu cơ bản khi xây dựng mạng …….. 105 6.7 Đề xuất cấu hình ứng dụng mạng MAN .................... 107 Kết luận................................................................................................. 110 Tài liệu tham khảo ........................................................................... 111 -v- Thuật ngữ và chữ viết tắt ADSL Asymmetric Digital Sub Line Thuê bao số không đối xứng AON All –optical network Mạng toàn quang ADM Add/ Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ APD Avalanche Photodiode Điốt tách sóng thác AR Antireflection Coating Vỏ chống phản xạ ASK Amplitude Shift Keying Khoá dịch biên độ ATM Asynchronous Transfer Mode Mode chuyển giao không đồng bộ B-ISDN Broadband Integrated Service Digital network Mạng số liên kết đa dịch vụ băng rộng BPF BandPass Filter Bộ lọc băng thông BRAS Broadband Access Server Server truy nhập băng rộng CNR Carrier –to- Noise Ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu COT Central Office terminal Thiết bị đầu cuối tổng đài CT Central terminal Thiết bị đầu cuối tập trung DBR Distributed Bragg Reflecter Phản xạ phân bố Bragg DCN Digital Communication network Mạng thông tin số DCS Digital Cross -connect system Bộ nối chéo số DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép (tách) kênh DFB Distributed Feedback Hồi tiếp phân bố DLC Digital loop Carrier Truyền tải mạch vòng số DR Distributed reflector Bộ phản xạ phân bố DSL Digital sub line Đ−ờng dây thuê bao số DSLAM DSL access Multiplexer Bộ ghép đ−ờng thuê bao số FBG Fiber Bragg grating Cách tử quang Bragg FP-LD Fabry-Perot laser diode Đi ốt la-de Fabry-Perot FSK Frequency Shift Keying Khoá dịch tần số FTTB Fiber to the Building Cáp quang tới toà nhà FTTC Fiber to the Curb Cáp quang tới khu dân c− -vi- FTTH Fiber to the home Cáp quang tới nhà FTTL Fiber to the loop Mạch vòng cáp quang FTTO Fiber to the office Cáp quang tới công sở FWM Four –Wave Mixing Trộn bốn sóng GGL Gain Guided laser Lade điều khiển khuyếch đại GI Graded Index Chỉ số Gradien GRIN Graded refractive Index Chỉ số chiết suất Gradien IF Intermediate frequency Trung tần IGL Index Guided laser Lade điều khiển chỉ số chiết suất IM Intensity Modulation Điều biến c−ờng độ IMD Intermodulation Distortion Méo điều chế t−ơng hỗ LD Laser diode Điốt lade LED Light Emitting Diode Điốt phát quang LED LO Local Oscillator Dao động nội LOC Large Optical Cavity Hốc cộng h−ởng quang rộng MAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực nội thị MQW Multiple Quantum Well Giếng l−ợng tử MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MZ Mach –Zehnder Bộ điều chế Mach –Zehnder OA Optical amplifier Bộ khuếch đại quang OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ quang OFA Optical fiber amplifier Bộ khuếch đại quang sợi ONI Optical Network interface Giao diện mạng quang ONNI Optical network – to – network interface Giao diện mạng –mạng quang ONU Optical network Unit Thiết bị mạng quang OTN Optical transport network Mạng truyền tải quang OXC Optical Cross connect Nối chéo quang PDS Passive Distribute Service Dịch vụ phân phối thụ động -vii- PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN PON Passive optical network Mạng quang thụ động PSK Phase shift keying Khoá dịch pha RF Radio frequency Tần số vô tuyến RIN Relative Intensity Noise Nhiễu c−ờng độ t−ơng đối RPR Resilient packet ring Mạng vòng chuyển mạch gói tự hồi phục SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích SCM Subcarrier Multiplexing Ghép kênh sóng mang phụ SDSL Symmetric digital sub line Thuê bao số đối xứng SEL Surface Emitting laser La-de phát mặt SPM Self phase modulation Tự điều chế pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ raman kích thích TDM Time division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian TDMA Time division Multiple Access Đa truy nhập theo thời gian TT Tunable transmitter Bộ phát điều chỉnh đ−ợc TR Tunable receiver Bộ thu điều chỉnh đ−ợc FT Fixed – tuned transmitter Bộ phát cố định RF Fixed – tuned receiver Bộ thu cố định VPN Virtual private network Dịch vụ mạng riêng ảo WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh theo b−ớc sóng WDMA Wavelength Division Multiple Access Đa truy nhập theo b−ớc sóng WGR Wavelength Grating Router Bộ định tuyến cách tử dẫn sóng WR Wavelength Router Bộ định tuyến b−ớc sóng WRC Wavelength routing Controller Bộ điều khiển định tuyến b−ớc sóng WT Wavelength terminal Thiết bị kết cuối b−ớc sóng XPM Cross Phase Modulation Điều chế ngang (chéo) pha -viii- danh mục bảng Bảng 2.1 Quan hệ giữa số nút mạng (N) và số b−ớc (h) xuất phát từ một nút nguồn trong giản đồ ShuffleNet (p,k) ....................... 33 Bảng 2.2 Một số thông số đại diện biểu đồ ShuffleNet ....................... 34 Bảng 2.3 Các tham số thử nghiệm mạng HORNET ............................. 45 Bảng 6.1 Kỹ thuật truyền dẫn từ tổng đài đến thuê bao ……………… 104 Bảng 6.2 Kỹ thuật truyền dẫn từ thuê bao đến tổng đài ……………… 104 Danh mục hình vẽ Hình 1.1. Một số cấu kiện quang thụ động ........................................... 2 Hình 1.2. Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode . 2 Hình 1.3. Các bộ ghép hình sao ............................................................. 4 Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ thống WDM .................................................... 4 Hình 1.5 Thiết bị ghép –tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) ............. 5 Hình 1.6 Xuyên kênh ............................................................................ 9 Hình 1.7 Điốt laze điều chỉnh đ−ợc sử dụng hốc ngoài ........................ 9 Hình 1.8 Laser MAGIC ........................................................................ 9 Hình 1.9 Điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn ....................................... 10 Hình 1.10 Sơ đố cấu trúc diode laze phản xạ phân bố Bragg ................ 11 Hình 1.11 Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc .............................. 12 Hình 2.1 Mạng WDMA hình sao đơn b−ớc “quảng bá và lựa chọn”.... 15 Hình 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số b−ớc sóng đ−ợc sử dụng .................................................................................. 17 Hình 2.3 Quan hệ số b−ớc sóng bận -Tải ρ và số b−ớc sóng cực đại ... 20 Hình 2.4 Nguyên lý định tuyến b−ớc sóng mạng WDMA đơn b−ớc .. 220 Hình 2.5 Mạng định tuyến theo b−ớc sóng N = 3 nút ,sử dụng phần tử WDM .................................................. 21 Hình 2.6 Mạng định tuyến theo b−ớc sóng sử dụng chuyển mạch không gian chọn b−ớc sóng ............... 23 -ix- Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạng LLN …………………………... 24 Hình 2.8 Tái sử dụng b−ớc sóng trong mạng LLN ............................... 25 Hình 2.9 Quan hệ thời gian đợi và tải cho mạng đệm đầu ra đầu vào 26 Hình 2.10 Chọn kênh trong mạng WDMA thu kết hợp ......................... 27 Hình 2.11 Mất mát công suất do xuyên kênh trong bộ tách sóng quang 28 Hình 2.12 Quan hệ giữa công suất cực đại trên kênh và số kênh cho 4 ảnh h−ởng phi tuyến trong mạng WDMA ……………….. 29 Hình 2.13 Cấu trúc mạng đa chặng WDMA hình sao 8 nút ................... 30 Hình 2.14 Biểu đồ kết nối trực tiếp Shufflenet mạng đa chặng hình sao 8 nút.......................................................................... 32 Hình 2.15 Biểu diễn thông l−ợng trên một nút, số nút N cho mạng WDMA shuffleNet ................................................ 35 Hình 2.16 Cấu trúc mạng Lambdanet WDMA ....................................... 36 Hình 2.17 Cấu trúc cơ bản của mạng FOX ............................................. 38 Hình 2.18 Cấu trúc mạng WDMA –Hypass ........................................... 39 Hình 2.19 Minh hoạ thuật toán thăm dò hình cây trong tr−ờng hợp có 4 gói dữ liệu đồng thời đến cùng một đích ....................... 40 Hình 2.20 Quan hệ giữa thời gian trễ trung bình và tải ρ trong mạng Hypass ................................................... 41 Hình 2.21 Mạng metro WDM ringo ................................................... 42 Hình 2.22 Cấu trúc nút RINGO ............................................................. 43 Hình 2.23 Cấu trúc chuyển mạch Starnet ............................................... 43 Hình 2.24 Cấu trúc mạng HORNET....................................................... 46 Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc nút truy nhập (AN) trong mạng HORNET .... 46 Hình 2.26 Nguyên lý hoạt động giao thức CSMA/CA trong mạng HORNET ……………………………………… 47 Hình 3.1 Nguyên lý kỹ thuật điều chế SCM …………………………. 49 Hình 3.2 Mạng SCMA cấu trúc hình sao .............................................. 51 Hình 3.2 (a) Phổ công suất quang của hai Laser đơn mode dọc 53 -x- có độ lệch tần số trung tâm bằng δv ..................................... Hình 3.2(b) Phổ công suất điện của thành phần nhiễu khi δv ≠0 .............. 57 Hình 3.2 (c) Phổ công suất điện của thành phần nhiễu khi δv = 0 ............ 57 Hình 3.3 Tỷ số (SNRtot) tổng và 4 loại nhiễu trong hệ thống SCMA đơn kênh ..................................................... 59 Hình 3.4 H−ớng lên hệ thống FITL dựa trên SCMA –PON ................ 60 Hình 3.5 Mạng SCMA đa kênh , N b−ớc sóng và M nút mạng trên một b−ớc sóng ............................................................... 61 Hình 3.6 Gán kênh tần trong mạng SCMA đa kênh ............................. 62 Hình 3.7 Cấu trúc chuyển mạch gói tốc độ cao dựa trên SCMA đa kênh ứng dụng cho MAN ……………………….. 66 Hình 4.1 Mạng quang thụ động dựa trên cấu trúc Bus ......................... 69 Hình 4.2 Cấu trúc của ATM-PON......................................................... 72 Hình 4.3 Khung thời gian ATM-PON đối xứng 155 Mbps .................. 74 Hình 4.4 Sơ đồ ứng dụng E-PON ......................................................... 75 Hình 4.5 Khe thời gian h−ớng lên và h−ớng xuống E-PON ................. 76 Hình 5.1 Mạng CDMA quang .............................................................. 79 Hình 5.2 Mã hoá bít nguồn tin ‘1’ với chuỗi chíp CDMA. Số các chíp, F=25. Số các chip 1, K=5 .................................. 79 Hình 5.3 (a) Bộ mã hoá quang và (b) bộ giải mã quang sử dụng các đ−ờng dây trễ quang song song........................................ 82 Hình 5.4 Hai mã quang trực giao A và B .............................................. 84 Hình 5.5 Mã hoá và giải mã phổ các xung ánh sáng cực ngắn trong các mạng CDMA quang kết hợp .................................. 86 Hình 6.1 Sơ đồ đấu nối các trạm tổng đài - mạng B−u điện Hà Nội .... 89 Hình 6.2 Cấu trúc mạng truyền số liệu ATM + IP ............................... 91 Hình 6.3 Sơ đồ cấu trúc mạng truy nhập ADSL & SHDSL .................. 92 Hình 6.4 Sơ đồ mạng truy nhập ADSL và SHDSL – B−u điện Hà Nội 93 Hình 6.5 Sơ đồ triển khai MAN ứng dụng công nghệ HORNET trên mạng Hà Nội ................................................. 108 -xi- Lời mở đầu Ngày nay, thế giới đang b−ớc sang kỷ nguyên của thông tin, trong đó công nghệ thông tin và truyền thông là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội. Do đó, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa ph−ơng tiện trong đời sống kinh tế – xã hội của từng quốc gia cũng nh− kết nối toàn cầu. Để đáp ứng đ−ợc vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung l−ợng lớn. Một trong giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn đó là mạng thông tin quang tốc độ cao. Mặc dù có sự phát triển nhanh về công nghệ, cấu trúc mạng và cấu hình các hệ thống truyền dẫn quang trong các ứng dụng thực tế, song về cơ bản mạng thông tin quang có thể chia làm hai phần là mạng truy nhập và mạng truyền tải. Mạng truyền tải với mục tiêu truyền các l−u l−ợng lớn với băng tần rộng nhằm thoả mãn nhu cầu truyền tải trong cấu trúc mạng hiện đại. Trên cơ sở đó, vấn đề thông suốt l−u l−ợng đ−ợc đặt ra nh− là một nền tảng cho việc thoả mãn nhu cầu băng tần rộng của khách hàng mà không cần quan tâm tới nội dung của luồng tín hiệu. Đây cũng là nội dung yêu cầu tiến đến mạng toàn quang thế hệ sau (all optical network). Mạng truy nhập quang ở nhiều nơi đã đ−ợc khai thác có hiệu quả và đã đáp ứng đ−ợc nhiều loại hình dịch vụ. Tuy nhiên, nhu cầu thông tin ngày một phát triển mạnh, các yêu cầu về các hệ thống truy nhập quang cho mạng nội hạt có băng tần rộng đã đ−ợc đặt ra nhằm thoả mãn sự phát triển của mạng và các loại hình dịch vụ có băng tần và chất l−ợng cao. Để thực hiện các mục đích trên ng−ời ta đã và đang nghiên cứu rất nhiều các giải pháp kỹ thuật, một trong số đó là kỹ thuật đa truy nhập quang nhằm tạo ra các sở cứ khoa học cho việc thiết kế và ứng dụng các mạng quang đa truy nhập, nội dung luận văn bao gồm: Ch−ơng 1 giới thiệu một số phần tử sử dụng trong mạng quang đa truy nhập. Nghiên cứu chức năng, nguyên lý hoạt động và đặc tính kỹ thuật của một số cấu kiện quang thụ động và các phần tử điều chỉnh đ−ợc ứng dụng trong mạng quang đa truy nhập (Bộ phát thay đổi, bộ thu thay đổi và bộ lọc thay đổi đ−ợc). -xii- Ch−ơng 2 sẽ trình bày về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo b−ớc sóng WDMA trong đó đ−a ra tổng quan về công nghệ WDMA, các khái niệm về mạng WDMA đơn b−ớc và đa b−ớc đồng thời phân tích cấu trúc, đặc tính kỹ thuật của các mạng WDMA đơn b−ớc và đa b−ớc và nghiên cứu một số cấu trúc và giao thức mạng ứng dụng kỹ thuật WDMA. Ch−ơng 3 nghiên cứu về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng mang phụ SCMA tìm hiểu các đặc điểm về kỹ thuật đa truy nhập sóng mang phụ đơn kênh, kỹ thuật đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh, đ−a ra các phân tích ảnh h−ởng về nhiễu gây ra liên quan đến hiệu suất của mạng và nêu ứng dụng của kỹ thuật SCMA. Ch−ơng 4 mô tả kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA với hai ph−ơng thức xử lý ghép dòng tín hiệu d−ới dạng chèn bít và dạng khối. Trình bày các mạng ứng dụng: Mạng A-PON (ATM dựa trên mạng quang thụ động) và Mạng E-PON (Ethernet dựa trên mạng quang thụ động). Ch−ơng 5 nghiên cứu đặc điểm của kỹ thuật phân chia theo mã CDMA liên quan đến các kỹ thuật CDMA tách sóng trực tiếp và mạng CDMA quang kết hợp và đặc điểm của các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA quang. Ch−ơng 6 đề xuất khả năng ứng dụng mô hình ứng dụng MAN trên mạng của B−u điện Hà nội để chuyển tải l−u l−ợng cho các mạng băng rộng và từng b−ớc có thể thay thế các mạng truyền dẫn kênh truyền thống. Việc triển khai ứng dụng mạng MAN nhờ kỹ thuật WDMA cũng nh− ứng dụng của kỹ thuật WDMA trong các mạng đ−ờng trục và mạng diện rộng đ−ợc mô tả cho thấy mức độ và tính khả thi khi áp dụng cấu trúc MAN cho việc truyền tải dữ liệu chuyển mạch gói rất phù hợp cho các ứng dụng của mạng thế hệ sau NGN vào thực tế nh− thế nào. -1- Ch−ơng 1 tổng quan về các phần tử sử dụng trong mạng quang đa truy nhập 1.1 giới thiệu chung. Trong kỹ thuật đa truy nhập quang, về mặt b−ớc sóng ta có kỹ thuật ghép kênh theo b−ớc sóng WDM t−ơng ứng là kỹ thuật truy nhập WDMA, ghép kênh nhiều sóng mang SCM t−ơng ứng là kỹ thuật truy nhập SCMA, về mặt thời gian ta có kỹ thuật truy nhập theo thời gian TDMA và truy nhập phân chia theo mã CDMA. Trong các mạng truy nhập quang dòng bít dữ liệu h−ớng đi từ ng−ời sử dụng đến tổng đài có l−u l−ợng nhỏ và h−ớng về từ tổng đài đến ng−ời sử dụng có l−u l−ợng lớn hơn rất nhiều, vì vậy, kỹ thuật truy nhập cho các h−ớng cũng khác nhau. Để thực hiện đ−ợc mạng quang đa truy nhập cần phải có một số cấu kiện quang, thông th−ờng đ−ợc gọi là các thiết bị quang thụ động. Tuỳ theo các chức năng thực hiện mà chúng đ−ợc chia ra các loại nh− sau : • Bộ chia quang: Bộ này thực hiện chia công suất quang từ một đầu vào duy nhất tới một số đầu ra. • Bộ tổng hợp quang: Bộ này thực hiện chức năng ng−ợc lại của bộ chia, nó tổng hợp một số tín hiệu quang ở các đ−ờng vào và đ−a tới một đầu ra duy nhất. • Bộ ghép hình sao quảng bá: Thiết bị này thực hiện việc kết hợp các tín hiệu quang từ các cổng vào và chia đều nó cho các cổng ra. • Thiết bị ghép kênh theo b−ớc sóng : Thiết bị này tổng hợp các kênh có b−ớc sóng khác nhau tại các đầu vào và đ−a ra một đầu ra duy nhất. • Thiết bị tách kênh theo b−ớc sóng : Thiết bị này chia đa kênh quang từ một đầu vào thành các đầu ra khác nhau tuỳ thuộc vào b−ớc sóng của chúng. • Các bộ các ly quang: Có nhiệm vụ bảo vệ bộ phát hoặc bất cứ thiết bị liên quan đến độ nhạy từ những tín hiệu phản xạ không mong muốn. • Bộ lọc quang : Thiết bị này thực hiện chọn lọc một kênh trong số các kênh đến đầu vào, và đ−a kênh đ−ợc chọn này đến đầu ra. Ngoài ra trong một số mạng quang đa truy nhập yêu cầu một vài phần tử điều chỉnh đ−ợc, ví dụ nh− bộ phát thay đổi đ−ợc (Tx- Tunable), bộ thu -2- thay đổi đ−ợc (Rx- Tunable) và các bộ lọc quang thay đổi đ−ợc. Đây là các phần tử tích cực, nó có vị trí đặc biệt quan trọng trong các mạng quang sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo b−ớc sóng (WDMA). Hình 1.1 Cấu kiện quang thụ động. a. Bộ chia quang. d. Bộ ghép kênh theo b−ớc sóng. b. Bộ tổng hợp quang. e. Bộ tách kênh theo b−ớc sóng. c. Bộ ghép hình sao quảng bá. f. Bộ cách ly quang. 1.2 Bộ ghép hình sao quảng bá. Hình 1.2 Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode. Vai trò của một bộ ghép hình sao là kết hợp các tín hiệu quang từ các cổng đầu vào và chia đều nó trên các cổng đầu ra nh− chỉ ra trên hình 1.2. Không nh− các bộ tách kênh, các bộ ghép hình sao không chứa các phần tử 9 10 11 12 8 7 6 5 4 3 2 1 MN λn λ1 λ1 ...... λn λ1 ...... λn λ1 λn a b c d e f -3- lựa chọn b−ớc sóng. Vì vậy chúng không có khả năng tách các kênh riêng rẽ. Trong tr−ờng hợp tổng quát số các cổng đầu vào và các cổng đầu ra không cần phải bằng nhau và ký hiệu là (NxM), trong đó N là số cổng đầu vào và M là số cổng đầu ra. Có một số kiểu bộ ghép hình sao đã đ−ợc phát triển. Loại bộ ghép đầu tiên sử dụng các bộ ghép sợi 3dB. Mỗi bộ ghép sợi có khả năng ghép hai tín hiệu đầu vào và phân chia đều trên hai cổng đầu ra, cũng có nghĩa là bộ ghép hình sao 2x2. Các hình sao bậc cao hơn NxN có thể đ−ợc tạo ra bằng cách gộp một số bộ ghép 2x2 với nhau trong đó N là bội số lần của 2. Hình 1.2 mô tả sơ đồ nh− vậy cho cấu trúc hình sao 8x8 tạo thành từ 12 bộ ghép 2x2. Để tạo ra đ−ợc bộ coupler hình sao NxN thì số bộ coupler 3 dB cần thiết đ−ợc tính theo biểu thức sau: N NNC 2log2 = 1.1 Nếu gọi β là suy hao của tín hiệu khi đi qua coupler 3dB thì hệ số này đ−ợc xác định bằng tổng số công suất đầu ra trên tổng công suất đầu vào, thông th−ờng giá trị này đ−ợc biểu diễn theo đơn vị deciBel. Suy hao tổng của tín hiệu khi đi qua bộ ghép hình sao NxN đ−ợc tính nh− biểu thức (1.2). Nh− vậy khi số cổng tăng lên thì suy hao tín hiệu qua bộ ghép cũng tăng lên. NN dBLoss N 1010 log 10 log).log3.31(10log10][ 2 ββ −≅ ⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧−= 1.2 Có một giải pháp khác đ−ợc đ−a ra là sử dụng các bộ ghép biconical- taper (thắt làm hai hình chóp nóng chảy) để tạo ra các bộ ghép hình sao vững vàng, chắc chắn. Hình 1.3 mô tả sơ đồ sao truyền dẫn và sao phản xạ đ−ợc tạo ra bằng công nghệ này. Kỹ thuật này làm nóng chảy một số l−ợng lớn các sợi lại với nhau và kéo dài phần nóng chảy thành dạng cấu trúc thắt hai phần. ở phần có dạng hình nêm, tín hiệu từ mỗi sợi đ−ợc ghép lại với nhau và chia đều ra trên các cổng đầu ra. Cấu trúc nh− vậy hoạt động t−ơng đối tốt với sợi đa mode. Còn trong tr−ờng hợp sợi đơn mode thì nó bị hạn chế do chỉ có thể làm nóng chảy đ−ợc vài sợi. Các bộ ghép nóng chảy 2x2 sử dụng sợi đơn mode đ−ợc chế tạo từ khá sớm. Chúng có thể đ−ợc thiết kế để hoạt động trên một phạm vi b−ớc sóng rộng. -4- a, Bộ ghép sao truyền dẫn ; b, Bộ ghép sao phản xạ Hình 1.3 Các bộ ghép hình sao. 1.3 bộ ghép kênh (MUX) và tách kênh (DE-MUX). 1.3.1 Nguyên lý cơ bản ghép kênh theo b−ớc sóng quang. Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống WDM Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo b−ớc sóng quang đ−ợc minh hoạ ở hình 1.4. Có hai ph−ơng án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép b−ớc sóng quang WDM đó là: Ph−ơng án truyền dẫn ghép b−ớc sóng quang theo một h−ớng, là sự kết hợp các tín hiệu có b−ớc sóng khác nhau vào sợi quang tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia. Thông th−ờng cần phải sử dụng hai sợi quang để thực hiện truyền tín hiệu thông tin cho chiều đi và chiều về. Ph−ơng án truyền dẫn hai h−ớng thì không qui định phát ở một đầu và thu ở một đầu; điều này tức là có thể truyền thông tin theo một h−ớng tại các b−ớc sóng λ1, λ2 , λ3, .......λj ......λn và đồng thời cũng truyền thông tin khác theo h−ớng ng−ợc lại tại các b−ớc sóng λ1’, λ2’, λ3’, .......λj’......λn’. Ph−ơng án này chỉ cần sử dụng một sợi cũng có thể thiết lập đ−ợc một hệ thống truyền dẫn cho cả chiều đi và chiều về. Để thực hiện một hệ thống WDM theo một h−ớng, thì cần phải có bộ ghép kênh b−ớc sóng MUX ở đầu phát để kết hợp các tín hiệu quang từ các nguồn phát quang khác nhau đ−a vào một sợi quang chung. Tại đầu thu, cần phải có một bộ tách kênh DEMUX để thực hiện tách các kênh quang t−ơng ứng. Nhìn chung, các MUX DE-MUX o(λ1 .....λn) i(λ1 .....λn) i1(λ1) in(λn) O1(λ1) On(λn) (a) (b) -5- laze đơn mode th−ờng không phát một l−ợng công suất đáng kể nào ở ngoài độ rộng phổ kênh đã định tr−ớc của chúng, cho nên không cần phải để ý đến vấn đề xuyên kênh ở đầu phát. Vấn đề đáng quan tâm ở đây là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép ít bị suy hao. Đối với bộ tách kênh, vì các bộ tách sóng quang th−ờng nhạy cảm trên cả một vùng rộng các b−ớc sóng cho nên nó có thể thu đ−ợc toàn bộ các b−ớc sóng đã đ−ợc phát đi từ phía thiết bị phát. Nh− vậy, để ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có biện pháp cách ly tốt các kênh quang. Để thực hiện điều này, cần thiết kế các bộ tách kênh chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định và có b−ớc sóng cắt chính xác. Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép kênh nào cũng có thể đ−ợc dùng làm bộ tách kênh. Nh− vậy hiểu đơn giản, từ “bộ ghép-Multiplexer” trong tr−ờng hợp này th−ờng đ−ợc sử dụng ở dạng chung để t−ơng thích cho cả bộ ghép và bộ tách kênh, ngoại trừ tr−ờng hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng. Ng−ời ta chia thiết bị ghép sóng quang thành ba loại : Bộ ghép kênh (MUX ), bộ tách kênh (DEMUX) và các bộ ghép và tách hỗn hợp (MUX- DEMUX). Các bộ MUX và DEMUX đ−ợc dùng cho ph−ơng án truyền dẫn theo một h−ớng, còn loại thứ ba (MUX-DEMUX) đ−ợc sử dụng cho ph−ơng án truyền dẫn hai h−ớng trên một sợi. Hình 1.5 mô tả cấu trúc thiết bị ghép – tách kênh hỗn hợp. Việc phân tích chính xác thiết bị ghép phải dựa trên ma trận chuyển đổi với các phần tử của ma trận là Aij(x). Các phần tử này là các hệ số phụ thuộc vào b−ớc sóng, nó biểu thị các tín hiệu quang đi vào cửa thứ i và ra cửa ra thứ j. Hìn Hình 1.5. Thiết bị ghép –tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) Tín hiệu ghép kênh Tín hiệu tách kênh Sợi quang O(λk) I(λi) Ik(λk) Oi(λi) -6- 1.3.2 Các tham số cơ bản của bộ ghép kênh và tách kênh. Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính của các bộ ghép – tách kênh hỗn hợp là suy hao xen, xuyên kênh, độ rộng kênh. Để đơn giản, ta hãy phân biệt ra thành thiết bị một h−ớng ở hình 1.4 và thiết bị hai h−ớng nh− ở hình 1.5. Các ký hiệu I(λi) và O(λk) t−ơng ứng là các tín hiệu có b−ớc sóng λi , λk ở đ−ờng chung. Ký hiệu Ik(λk) là tín hiệu đầu vào đ−ợc ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này đ−ợc phát từ nguồn phát quang thứ k. Ký hiệu Oi(λi) là tín hiệu có b−ớc sóng λi đã đ−ợc tách và đi ra từ cửa thứ i. Bây giờ ta xem xét ba tham số cơ bản là suy hao xen, xuyên kênh, và độ rộng kênh nh− sau : Suy hao xen : Đ−ợc xác định là l−ợng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép b−ớc sóng quang WDM. Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao bản thân các thiết bị ghép gây ra. Suy hao xen đ−ợc diễn giải t−ơng tự nh− suy hao đối với các bộ ghép coupler chung, nh−ng có điểm khác là ở WDM chỉ xét cho một b−ớc sóng đặc tr−ng: )( )( log10 ii i i I OL λ λ−= đối với thiết bị MUX 1.3 )( )( log10 i ii i I O L λ λ−= đối với thiết bị DEMUX 1.4 Với Li là suy hao tại b−ớc sóng λi khi thiết bị đ−ợc ghép xen vào tuyến. Xuyên kênh : Là hiện t−ợng một l−ợng nhỏ tín hiệu từ kênh này bị rò sang kênh khác. Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tuỳ thuộc vào tr−ờng hợp áp dụng, nh−ng nhìn chung phải đảm bảo nhỏ hơn –30 dB trong mọi tr−ờng hợp. Trong một bộ tách kênh lý t−ởng sẽ không có sự rò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có b−ớc sóng λi sang các kênh khác có b−ớc sóng khác với λi . Nh−ng trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nhất định điều đó làm giảm chất l−ợng truyền dẫn của hệ thống. Khả năng tách các kênh khác nhau đ−ợc diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và đ−ợc tính bằng dB : ( ) ] )( log[10)( k ki ki I U D λ λλ −= 1.5 -7- Từ hình 1.6 (a) ta thấy Ui(λk) là l−ợng tín hiệu không mong muốn ở b−ớc sóng λk do có sự rò tín hiệu trên cửa ra thứ i, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở b−ớc sóng λi. Trong thiết bị ghép –tách kênh hỗn hợp nh− ở hình 1.6 (b), việc xác định suy hao xuyên kênh cũng đ−ợc áp dụng nh− bộ tách kênh. Trong tr−ờng hợp này, phải xem xét cả hai loại xuyên kênh “xuyên kênh đầu xa” là do các kênh khác đ−ợc ghép đi vào đ−ờng truyền gây ra, ví dụ nh− I(λk) sinh ra Ui(λk). “ xuyên kênh đầu gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó đ−ợc ghép ở bên trong thiết bị, nh− Ui (λj). Khi tạo ra các sản phẩm, các nhà chế tạo phải cho biết suy hao kênh đối với từng kênh của thiết bị. a) Bộ tách kênh và b) Bộ ghép –tách kênh hỗn hợp. Hình 1.6 Xuyên kênh Độ rộng kênh : Là dải b−ớc sóng dành cho mỗi kênh mà nó định ra do nguồn phát quang. Nếu nguồn phát quang là các điốt laze thì các độ rộng kênh đ−ợc yêu cầu vào khoảng một vài đến hàng chục nano mét để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn định của các nguồn phát gây ra, ví dụ nh− khi nhiệt độ làm việc thay đổi sẽ làm trôi b−ớc sóng. Đối với nguồn phát quang là điốt phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần. Nh− vậy, độ rộng kênh phải đảm bảo đủ lớn để tránh nhiễu giữa các kênh, vì thế nó đ−ợc xác định tuỳ theo từng loại nguồn phát. 1.4 điốt laze điều chỉnh đ−ợc b−ớc sóng. Đối với việc thiết kế hệ thống thì điốt laze lý t−ởng là loại phát xạ đơn mode dọc với độ rộng phổ rất hẹp và tốc độ điều chỉnh b−ớc sóng cỡ nano giây trên khoảng b−ớc sóng cỡ 100 nm quanh b−ớc sóng 1.3 hoặc 1.5 àm . Đã có nhiều kỹ thuật đ−ợc phát triển cho ứng dụng điều chỉnh b−ớc sóng. Tuy nhiên cho đến nay các kỹ thuật này vẫn ch−a hoàn thiện và đáp ứng đ−ợc tất cả các yêu cầu ứng dụng một cách đồng thời. Do đó có những thoả hiệp nhất DEMUX Oi(λi) + Ui(λk) Sợi quang I(λi)..... I(λk) (a) λj λk I(λi)... I(λk) O(λj) (b) Oi(λ i) + Ui(λk) + Ui(λj) Ij(λj) -8- định về tốc độ điều chỉnh và khoảng b−ớc sóng mà trên đó laze có thể điều chỉnh đ−ợc liên tiếp. Trong phần này sẽ đề cập đến một số loại kỹ thuật để tạo điốt laze có b−ớc sóng thay đổi đ−ợc. 1.4.1 Điều chỉnh nhiệt. Do ảnh h−ởng chỉ số khúc xạ của lớp laze tích cực phụ thuộc vào nhiệt độ, nh− vậy một cách đơn giản để làm laze thay đổi b−ớc sóng là làm thay đổi nhiệt độ của nó. Tỷ lệ thay đổi b−ớc sóng theo nhiệt độ là vào khoảng – 0.1nm/ 0C ( + 13 GHz/ 0C tại b−ớc sóng 1.5 àm). Do khoảng thay đổi nhiệt độ bị khống chế nhỏ hơn ± 10 0 C để đảm bảo độ tin cậy, do vậy khoảng điều chỉnh thực tế có thể đ−ợc thực hiện bằng ph−ơng pháp này vào khoảng 2 nm là tối đa. Gần đây khoảng điều chỉnh đã đ−ợc cải thiện tới 10.8 nm khi sử dụng laze giếng l−ợng tử – phản xạ phân bố Bragg MQW-DBR. Tuy nhiên, tốc độ thay đổi bị giới hạn bởi trở kháng nhiệt cỡ vài mili giây do đó ph−ơng pháp này hạn chế cả về độ rộng lẫn tốc độ điều chỉnh. 1.4.2 Điốt laze điều chỉnh đ−ợc b−ớc sóng sử dụng hốc ngoài. Một ph−ơng pháp đơn giản để tạo điốt laze điều chỉnh đ−ợc trên một khoảng rộng là thêm vào một bộ lọc thay đổi đ−ợc tại một đầu ra. Các laze nh− vậy đ−ợc xem nh− là laze bán dẫn có hốc ngoài. Bằng cách điều chỉnh bộ lọc, b−ớc sóng của mode chọn có thể thay đổi cho tới khi xuất hiện b−ớc nhảy tới mode mới của buồng cổng h−ởng Fabry-Perot. Đối với chiều dài hốc 10 cm thì các mode Fabry-Perot lân cận đ−ợc phân cách cỡ δf ≈ 1 GHz (hay δλ ≈ 0.005 nm). Nh− vậy, khoảng điều chỉnh đ−ợc thực hiện bằng các b−ớc nhảy giữa các mode Fabry-Perot. Nguyên tắc này đ−ợc tuân thủ cho các loại điốt laze thay đổi đ−ợc. Mặc dù rất nhiều dạng bộ lọc ngoài khác nhau đã đ−ợc làm ra, tuy nhiên loại đ−ợc sử dụng rộng rãi nhất là cách tử tán xạ chỉ ra trên hình 1.7. ánh sáng đi ra từ một đầu của điốt laze đ−ợc chuẩn trực bằng thấu kính tr−ớc khi đi đến cách tử tán xạ, cách tử này đáp ứng nh− là g−ơng phản xạ và cũng nh− bộ lọc băng hẹp. B−ớc sóng đ−ợc điều chỉnh bằng cách di chuyển cách tử ; Điều chỉnh thô đ−ợc tạo ra bằng cách quay cách tử trong lúc đó điều chỉnh tinh đ−ợc thực hiện bằng cách dịch chuyển cách tử theo chiều dọc. Với kỹ thuật này khoảng điều chỉnh đạt đ−ợc đến 240 nm tại b−ớc sóng 1.55 àm khi sử dụng điốt laze giếng l−ợng tử (MQW). -9- Hình 1.7 Điốt laze điều chỉnh đ−ợc sử dụng hốc ngoài Hình 1.8 Laze MAGIC Mặt hạn chế của các điốt laze sử dụng cách tử là tốc độ điều chỉnh thấp, kích th−ớc vật lý t−ơng đối lớn và khó thực hiện đ−ợc độ ổn định cơ học cho các bộ phát quang. Những hạn chế này gần đây đã đ−ợc khắc phục bằng ph−ơng pháp mới dựa trên nguồn quang bán dẫn có thể chọn đ−ợc từng b−ớc sóng ra. Thay vì sử dụng điốt laze đơn và dịch chuyển cách tử, thiết bị mới Đầu ra điốt laze Khuếch đại Lớp chống phản xạ Lăng kính chuẩn trực Tinh chỉnh GHz Cách tử tán xạ 5 đến 25 cm Chọn b−ớc sóng Điều chỉnh thô 50 –240 nm 12 nm 2 nm Cách tử tán xạ cố định Tín hiệu quang ra Hai mảng phần tử tích cực -10- này sử dụng hai mảng phần tử tích cực tổ hợp với cách tử tán xạ cố định. Sơ đồ thiết bị này đ−ợc chỉ ra trong hình 1.8 và đ−ợc gọi là laze MAGIC ( multistripe array grating-integrated cavity laser). Mỗi sọc đ−ợc đánh địa chỉ một cách độc lập để tạo ra các b−ớc sóng laze khác nhau. Việc chọn và liên kết cách tử với một sọc là duy nhất với một b−ớc sóng. Thiết bị kiểu này có khả năng đánh địa chỉ cho 15 b−ớc sóng khác nhau với độ phân cách bằng 1.89 nm trong cửa sổ 1.5 àm . 1.4.3 điốt laze hồi tiếp phân bố (DFB) hai đoạn. Điều chỉnh b−ớc sóng nhanh cỡ nano giây có thể đ−ợc thực hiện bằng cách phun sóng mang vào môi tr−ờng laze tích cực, điều này làm giảm chỉ số khúc xạ hiệu dụng tạo nên sự thay đổi b−ớc sóng laze đầu ra. Khoảng điều chỉnh b−ớc sóng có thể đ−ợc −ớc tính bằng biểu thức δλ/λ=δneff/neff . Trong thực tế khoảng thay đổi của chiết suất t−ơng đối là vào khoảng 1% do hạn chế về nhiệt. Nh− vậy khoảng thay đổi b−ớc sóng lớn nhất cỡ từ 10 đến 15 nm có thể đ−ợc thực hiện ở ph−ơng pháp này. Để thực hiện điều chỉnh một cách độc lập b−ớc sóng và công suất ra của điốt laze cần ít nhất hai điện cực: Trong đó một điện cực sử dụng để thay đổi chỉ số khúc xạ tức là điều chỉnh b−ớc sóng phát xạ, điện cực còn lại đ−ợc sử dụng để biển đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang đ−ợc điều chế ở đầu ra. Sơ đồ dựa trên cấu trúc hồi tiếp phân bố chỉ ra ở hình 1.9 đ−ợc gọi là điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn. Hình 1.9 Điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn. Công suất quang đầu ra đ−ợc xác định bằng đoạn thứ nhất với thiên áp ng−ỡng trên. B−ớc sóng quang phát xạ chủ yếu đ−ợc xác định bằng phần bơm Lớp chống phản xạ Tín hiệu quang ra Dòng điều khiển Ia khuyếch đại Ib điều chỉnh z=0 z=l -11- thứ hai tại c−ờng độ dòng điện thấp hơn một chút so với c−ờng độ ng−ỡng trung bình. Với công nghệ này ng−ời ta đã đ−a ra thiết bị có khoảng thay đổi liên tục 3.3 nm với độ rộng phổ 15-MHz và công suất ra 1-mW. Khoảng điều chỉnh về cơ bản bị giới hạn bởi l−ợng cho phép cực đại của sóng mang phun vào phần điều khiển b−ớc sóng. 1.4.4 Điốt laze phản xạ phân bố Bragg (DBR) hai đoạn và ba đoạn. Việc cải thiện khoảng điều chỉnh b−ớc sóng đ−ợc thực hiện bằng cách tách vùng cách tử chọn b−ớc sóng Bragg ra khỏi vùng khuyếch đại bên trong hốc laze. Vùng Bragg lớn hơn vùng khuyếch đại. Do đó, vùng Bragg có thể đ−ợc bơm rất mạnh mà không cần sự đóng góp từ bộ tạo photon dẫn đến khoảng thay đổi đ−ợc rộng hơn. Cấu trúc này đ−ợc xem nh− là bộ phản xạ phân bố Bragg hai đoạn. Hình 1.10. Sơ đố cấu trúc điốt laze phản xạ phân bố Bragg Để cải thiện hơn nữa khoảng điều chỉnh b−ớc sóng ng−ời ta đ−a thêm phần thứ ba nhằm để điều chỉnh phase b−ớc sóng bên trong hốc laze, cấu trúc của nó đ−ợc chỉ ra ở hình 1.10. Nguyên lý điều chỉnh b−ớc sóng trong bộ phản xạ phân bố Bragg ba đoạn có thể đ−ợc hiểu nh− sau: Phần DBR đ−a ra mức phản xạ cao bên trong một băng tần hạn chế vào khoảng 3 nm. Mode gần nhất có mức phản xạ cực đại của bộ phản xạ phân bố Bragg sẽ hoạt động nh− laze nếu phase của nó là bội số 2π. Phần dịch phase sử dụng để điều chỉnh phase ống sóng1.5àm InGaAsP z=0 z=l n+ InP p+ InP Đầu ra quang Dòng điều khiển K. Đại Ia Ip phase Ib Bragg Điều chỉnh InGaAs/ InGaAsP MQW tích cực -12- của hành trình, nh− vậy b−ớc sóng laze có thể đ−ợc điều chỉnh quanh mỗi băng tần phản xạ Bragg. Với sự điều chỉnh độc lập của ba dòng điện trong các phần tích cực, Bragg, phase thì các khoảng điều chỉnh là hầu nh− liên tục từ 8 nm đến 10 nm. Gần đây ng−ời ta đã chế tạo đ−ợc điốt laze có khoảng thay đổi lớn hơn 10 nm thậm chí đạt đến 80 nm khi sử dụng siêu cách tử. 1.5 bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc. Các bộ thu thay đổi đ−ợc là phần tử then chốt trong mạng WDMA, nó có thể chọn đ−ợc một kênh mong muốn trong một tập kênh ghép theo b−ớc. Thông th−ờng việc chọn kênh đòi hỏi một bộ lọc quang thay đổi đ−ợc, sơ đồ chức năng của bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc trình bày trong hình 1.11, trong đó rất nhiều kênh đầu vào nh−ng chỉ xuất hiện một kênh ở đầu ra. Hình 1.11. Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc. Có rất nhiều loại thiết bị lọc quang điều chỉnh đ−ợc, tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo. Các công nghệ này chủ yếu là khai thác hiệu ứng giao thoa quang để tạo ra sự lựa chọn b−ớc sóng. Một số thiết bị này cũng có thể đ−ợc sử dụng trong các bộ thu quang kết hợp mặc dù bộ thu thay đổi trong tách sóng quang kết hợp thông th−ờng đạt đ−ợc từ bộ giao động nội có khả năng điều chỉnh (laze thay đổi) nh− đã trình bày mục trên. Để đánh giá các bộ lọc quang thay đổi đ−ợc ng−ời ta dựa trên một số thông số cơ bản nh− sau : -Khoảng điều chỉnh ∆λ : Bằng khoảng giữa b−ớc sóng ngắn nhất và dài nhất mà bộ lọc có thể chọn đ−ợc. -Số kênh cực đại : Định nghĩa bằng tỷ số của khoảng điều chỉnh đ−ợc trên độ rộng kênh yêu cầu tối thiểu để đảm bảo độ xuyên kênh nhỏ nhất. -Tốc độ điều chỉnh : Là tốc độ mà bộ lọc quang thay đổi có thể chuyển từ một b−ớc sóng tới b−ớc sóng mới bên trong khoảng điều chỉnh. Đối với Bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc Điều khiển chọn b−ớc sóng Kênh đ−ợc chọn Tách sóng quang λ λi λ λ1 λ2 .....λn ∆λ δλ -13- chuyển mạch kênh thì thời gian thay đổi cỡ mili giây là đủ, trong khi đó đối với các ứng dụng chuyển mạch gói thì đòi hỏi thay đổi cỡ micro giây. -Mức độ suy hao : Thông th−ờng tín hiệu quang đ−ợc chọn sẽ chịu một l−ợng suy hao nhất định do suy hao đấu nối và suy hao bên trong bộ lọc. Suy hao này càng nhỏ càng tốt để tránh ảnh h−ởng đến quỹ công suất của mạng. -Mức độ phụ thuộc vào phân cực: Tốt nhất là bộ lọc không bị ảnh h−ởng bởi tính chất phân cực (điều này có nghĩa là hàm truyền đạt độc lập với các trạng thái phân cực có thể xảy ra của tín hiệu quang đến). -Độ ổn định về nhiệt và các yếu tố cơ học: Phải đ−ợc khống chế sao cho nó ảnh h−ởng ít nhất đến hàm truyền đạt của bộ lọc và khống chế độ trôi ở khoảng một vài phần trăm độ rộng của kênh. -Yêu cầu về kích th−ớc : Nhỏ gọn phù hợp với ứng dụng trong mạng quang. Hiện tại đã có rất nhiều loại bộ lọc điều chỉnh đ−ợc nh− : Bộ lọc Fabry – Perot (FPF); Bộ lọc Mach-Zender (MZF); Bộ lọc sử dụng các hiệu ứng điện – quang (EOTF); Bộ lọc dựa trên các phần tử bán dẫn; Bộ lọc dựa trên hiệu ứng phi tuyến quang Brillouin. Nhận xét: Ch−ơng 1 của luận văn đã hệ thống lại một số cấu kiện quang thụ động cơ bản, nghiên cứu cấu trúc và các đặc tính kỹ thuật của các bộ: Ghép hình sao quảng bá, ghép kênh, tách kênh và các phần tử điều chỉnh đ−ợc (Tx –Tunable; Rx- Tunable; bộ lọc quang thay đổi). Với sự phát triển rất nhanh của công nghệ, do vậy nhiều cấu kiện cũng nh− các phần tử mới (ví dụ bộ xen rẽ quang, cách tử dẫn sóng...) đã và đang đ−ợc nghiên cứu chế tạo nhằm tạo ra kiến trúc mạng quang hiện đại, mềm dẻo và ổn định để đáp ứng đ−ợc các dịch vụ băng rộng cho khách hàng và cũng nh− các yêu cầu quản lý mạng. Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn chúng ta chỉ đề cập đến những phần tử cơ bản nhất và nó là cơ sở trong việc nghiên cứu các ch−ơng tiếp theo. -14- Ch−ơng 2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo b−ớc sóng –WDMA 2.1 Tổng quan về kỹ thuật WDMA. Việc sử dụng công nghệ WDM cho phép ta xây dựng một ph−ơng thức mạng trong đó b−ớc sóng của kênh tự nó có thể đ−ợc sử dụng cho chuyển mạch định tuyến hoặc phân phát từng kênh đến địa chỉ của nó. B−ớc sóng ở đây đ−ợc sử dụng cho đa truy nhập nên đ−ợc xem là ph−ơng thức đa truy nhập theo b−ớc sóng viết tắt là WDMA. Về cơ bản để thực hiện đ−ợc mạng WDMA yêu cầu các phần tử quang có khả năng điều chỉnh đ−ợc b−ớc sóng nh− là các nguồn phát quang điều chỉnh đ−ợc hoặc là các bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc. Các phần tử này tạo thành các bộ thu phát quang điều chỉnh đ−ợc để kết hợp vào mỗi nút mạng và nó đ−ợc sử dụng vào các mục đích khác nhau phụ thuộc vào loại cấu trúc mạng WDMA đ−ợc lựa chọn. Mạng đa truy nhập sử dụng kỹ thuật ghép b−ớc sóng đ−ợc phân làm hai loại chính là : Mạng WDMA đơn b−ớc (còn gọi là các mạng WDMA toàn quang) và mạng WDMA đa b−ớc. 1. Trong mạng đơn b−ớc WDMA: Chuỗi tín hiệu đ−ợc truyền d−ới dạng quang trong toàn mạng mà không có biến đổi quang-điện-quang và tái truyền dẫn ở các b−ớc trung gian. Mạng này đ−ợc phân thành hai loại chính là WDMA "quảng bá lựa chọn" và "định tuyến theo b−ớc sóng". 2. Trong mạng đa b−ớc WDMA: Chuỗi tín hiệu khi qua các nút trung gian phải chuyển thành tín hiêụ điện. Sau đó nút trung gian tiếp tục truyền tới các nút khác bằng cách phát lại chuỗi tín hiệu d−ới dạng quang với các b−ớc sóng thích hợp. 2.2 Mạng WDMA đơn b−ớc. Mạng WDMA đơn b−ớc đ−ợc phân loại thành hai loại chính là: Mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” và mạng WDMA “định tuyến theo b−ớc sóng”. 2.2.1 Mạng WDMA “ quảng bá và lựa chọn ”. Trong mạng WDMA "quảng bá và lựa chọn" đầu phát chỉ phát một hoặc một số b−ớc sóng, còn tại các đầu thu "quảng bá" có thể điều chỉnh để thu đ−ợc nhiều b−ớc sóng. Trong mạng WDMA "quảng bá ", tất cả các b−ớc sóng λ1,λ2...λn phía phát đ−ợc ghép vào trong một cáp và gửi đến đầu thu R. -15- Ng−ợc lại trong WDMA "lựa chọn" các b−ớc sóng từ λ1,λ2...λn đ−ợc đ−a qua bộ tách WDM để đ−a từng b−ớc sóng đến Ri t−ơng ứng. Tại các bộ ghép WDM có thể thu cả, hoặc lựa chọn một số b−ớc sóng cần thiết. Một số khả năng có thể xảy ra phụ thuộc vào hoặc các bộ thu hoặc các bộ phát hoặc cả hai đều có khả năng điều chỉnh đ−ợc. Nói chung mỗi nút mạng có thể đ−ợc trang bị với một số bộ phát và một số bộ thu, một trong số chúng có khả năng điều chỉnh động trong khi các số khác đựơc điều chỉnh cố định tới một vài b−ớc sóng cụ thể. Tuỳ thuộc vào các chức năng của các đầu thu, đầu phát mà mạng có các tính chất khác nhau: Hình 2.1 Mạng WDMA hình sao đơn b−ớc “quảng bá và lựa chọn”. + Khi các bộ phát là điều chỉnh đ−ợc trong khi các bộ thu đ−ợc chỉnh cố định ở một b−ớc sóng, một kết nối đ−ợc thiết lập giữa bộ phát và bộ thu bằng cách điều chỉnh b−ớc sóng trùng nhau của bộ phát và bộ thu. Về cơ bản mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” là kiểu chuyển mạch không gian theo thứ tự dữ liệu vào. Xung đột dữ liệu có thể xảy ra trong mạng do hai hoặc nhiều gói dữ liệu từ các nút khác nhau gửi đến đồng thời cùng một địa chỉ đích. Vấn đề tranh chấp này đ−ợc giải quyết bằng các giao thức mạng kết hợp với các kết nối trong mạng. Các mạng WDMA đơn chặng với một bộ phát điều chỉnh đ−ợc và một bộ thu cố định (đ−ợc xem là mạng TT-FR) thì các nút trong mạng bị hạn chế Mảng các bộ thu cố định - FR λn λ1 λ1 λ2 λi λn Star Coupler NxN R2 R1 WDM r 1 . r n Các bộ phát cố định Các bộ thu thay đổi T2 Ti Tn T1 Ri -16- kết nối “điểm-tới-điểm”. Đối với các kết nối “đa điểm - điểm” đ−ợc thực hiện thì mỗi nút thu của mạng WDMA phải đ−ợc trang bị tối thiểu từ hai bộ thu cố định trở nên (mạng kiểu này ký hiệu TT-FRm). T−ơng tự ta có khái niệm mạng kết nối kiểu multicast “điểm – tới - đa điểm” đ−ợc thực hiện bằng việc trang bị tại mỗi nút phát của mạng từ hai bộ phát điều chỉnh đ−ợc trở lên (ký hiệu mạng TTm -FR). + Mạng WDMA trở nên linh hoạt hơn có thể đ−ợc xây dựng bằng cách sử dụng các bộ phát cố định và bộ thu điều chỉnh đ−ợc (ký hiệu là mạng FT – TR), với mạng kiểu này ngoài khả năng cung cấp kết nối “điểm –tới -điểm”, bằng cách điều chỉnh đồng thời các bộ thu của một số nút về cùng một b−ớc sóng nó còn cung cấp khả năng kết nối Multicast. T−ơng tự nh− các mạng TT- FR, Các kết nối “đa điểm – tới - điểm” cũng đ−ợc cung cấp nếu các nút mạng WDMA đ−ợc trang bị từ hai bộ thu điều chỉnh đựơc trở nên (ký hiệu là mạng FT-TRm) .−u điểm của các mạng FT-TR là tự động ngăn ngừa đ−ợc các xung đột dữ liệu do mỗi kênh sử dụng các b−ớc sóng khác nhau. Tuy nhiên do các bộ thu chỉ có thể điều chỉnh tới một b−ớc sóng ở một thời điểm nên dễ xảy ra mất dữ liệu trong mạng kiểu này. Trong tr−ờng hợp này chất l−ợng của mạng FT–TR đ−ợc cải thiện bằng cách thông báo cho các bộ thu biết đ−ợc phải điều chỉnh đến b−ớc sóng ở thời điểm nào thông qua các giao thức. + Khả năng thứ ba đối với mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” là khi cả hai bộ phát và bộ thu đều có khả năng điều chỉnh đ−ợc (ký hiệu TT-TR). Các mạng TT-TR có khả năng hỗ trợ các kết nối “điểm –tới -điểm” và “đa điểm –tới -điểm” cũng nh− các kết nối multicast vì vậy đây là mạng linh hoạt nhất trong ba loại, do đó mạng này đòi hỏi các giao thức mạng phức tạp hơn yêu cầu cả hai bộ phát và bộ thu phải đ−ợc điều chỉnh để phối hợp các luồng dữ liệu trong mạng. Nh− đã trình bày trong phần trên về các mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” với giả thiết rằng số b−ớc sóng có khả năng sử dụng đ−ợc W bằng với số nút N kết nối vào mạng. Tuy nhiên trong thực tế do nhiều lý do về công nghệ nên số b−ớc sóng có khả năng sử dụng W th−ờng bị hạn chế, th−ờng nhỏ hơn rất nhiều so với số nút mạng N. Do đó việc phân tích sau này sẽ tập trung vào đặc tính mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” với điều kiện W < N. Trong ba loại mạng trên thì mạng TT-TR tận dụng tốt nhất tiềm năng của các b−ớc b−ớc sóng phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu. Điều này dựa trên giả thiết rằng mỗi nút mạng đều có khả năng biết đ−ợc hoàn toàn trạng thái -17- của tất cả các b−ớc sóng trong hệ thống. Tại các nút không có bộ đệm khi gói tin đến, chỉ có khả năng hoặc là gói tin đ−ợc truyền hoặc là mất ngay lập tức phụ thuộc vào kết nối đ−ợc phép hay không một cách t−ơng ứng và trễ lan truyền dữ liệu đ−ợc bỏ qua. Do đó phân tích này là thích hợp với cả mạng chuyển mạch kênh cũng nh− chuyển mạch gói tập trung. Khi số nút gán vào mạng hình sao quảng bá bằng N và số b−ớc sóng có thể đ−ợc dùng bằng W, trong đó W< N. Một gói tin đi đến nút i đ−ợc gửi đến nút j với xác suất 1/N không phụ thuộc vào i và j. Chiều dài gói tin phân bố theo luật hàm mũ với thời gian chiếm giữ trung bình 1/à (giây/gói tin ) và là nh− nhau cho tất cả các nút, các gói tin đến ở mỗi nút tuân theo hàm phân bố Poisson với tốc độ trung bình λ gói trên giây. Do đó tải trung bình của mỗi tuyến vào bằng à λρ = . 0 w-1 w w +1 W Nλ à σw → w - 1 =wà σw + 1 →à =(w +1 ) à σw → w + 1 =Nλ (1- )1)( W w N w − (a) bộ phát điều chỉnh/bộ thu cố định hoặc bộ phát cố định/bộ thu điều chỉnh. 0 w-1 w w +1 W Nλ à σw → w - 1 =wà σw + 1 →à =(w +1 ) à σw → w +1 =Nλ (1- )N w 2 (b) bộ phát điều chỉnh/bộ thu điều chỉnh. -18- Hình 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số b−ớc sóng sử dụng. Đối với mỗi giá trị ρ xác định thì số b−ớc sóng bận w thay đổi ngẫu nhiên tuỳ theo thống kê của các tuyến vào. Tính chất thay đổi động của w có thể đ−ợc mô hình hoá bằng quá trình “sinh ra – mất đi ”nh− chỉ ra trong hình. Hình 2.2 (a) t−ơng ứng với tr−ờng hợp hoặc chỉ là b−ớc sóng điều chỉnh đ−ợc ở bộ phát hoặc b−ớc sóng điều chỉnh đ−ợc ở bộ thu, trong khi đó hình 2.2 (b) t−ơng ứng với tr−ờng hợp b−ớc sóng điều chỉnh đ−ợc ở cả phát và thu. Trong tất cả các tr−ờng hợp chuyển dịch trạng thái về h−ớng trái là kết quả là do giải phóng một b−ớc sóng bận sau khi kết nối thành công. Đối với một trạng thái xác định mà trong đó w b−ớc sóng bận thì xác suất chuyển dịch trạng thái về h−ớng trái đ−ợc tính theo biểu thức 2.1. àσ ωω w=−→ 1 2.1 Xác suất chuyển dịch trạng thái sang phía phải t−ơng ứng với việc bổ sung thêm một b−ớc sóng kích hoạt trong mạng, phụ thuộc vào vị trí của b−ớc sóng điều chỉnh đ−ợc đối với bộ phát và thu. Khi chỉ có các bộ phát điều chỉnh đ−ợc thì việc chuyển dịch trạng thái chỉ có thể xảy ra nếu đáp ứng 02 điều kiện sau: + Một yêu cầu kết nối đ−ợc tạo ra từ một trong số (N-w) bộ phát còn rỗi. + Kết nối này đ−ợc đánh địa chỉ đến một trong số các bộ thu cố định còn rỗi. Do hệ thống có W b−ớc sóng đ−ợc sử dụng mà trong đó w b−ớc sóng đã bận do vậy xác suất để thoả mãn điều kiện thứ hai là (1-w/W). Vì vậy việc dịch chuyển trạng thái từ w tới trạng thái w +1 xuất hiện với xác suất. )1)((1 W wwN −−=+→ λσ ωω 2.2 Khi chỉ có các bộ thu điều chỉnh đ−ợc, thì việc chuyển đổi trạng thái sang h−ớng phải chỉ có thể xuất hiện nếu: + Một yêu cầu kết nối đ−ợc tạo ra từ một bộ phát mà b−ớc sóng cố định ch−a bị bận (Xác suất t−ơng ứng bằng (1-w/W)). + Yêu cầu này đ−ợc đánh địa chỉ đến một trong số (N-w) bộ thu còn rỗi, vì vậy xác suất chuyển dịch trạng thái giống nh− (2.2). Nh− vậy trong các tr−ờng hợp khả năng điều chỉnh đ−ợc chỉ đ−ợc cung cấp tại một phía (ví dụ nh− chỉ ở phía phát hoặc chỉ ở phía thu nh−ng không cả -19- hai) có xác suất chuyển dịch trạng thái thái giống nhau. Tr−ờng hợp cả hai phía phát và phía thu đều có khả năng điều chỉnh đ−ợc thì xác suất chuyển dịch trạng thái sang phía phải là lớn hơn do cả hai phía đều có khả năng điều chỉnh. Công thức tính xác suất chuyển đổi nh− sau đ−ợc tính nh− sau: )1)((1 N wwN −−=+→ λσ ωω 2.3 Vì số l−ợng trung bình của các gói tin truyền thành công trên một đơn vị thời gian cũng bằng số l−ợng trung bình các b−ớc sóng bận trong hệ thống nên ta có thể định nghĩa dung l−ợng mạng đã đ−ợc chuẩn hoá S nh− biểu thức 2.4. wpwS w W w 0= ∑>==< 2.4 Dung l−ợng mạng thực tế đạt đ−ợc khi ta nhân S với tốc độ bit của tuyến vào và tải ρ (với giả thiết là tất cả các nút giống nhau). Hình 2.3 chỉ ra quan hệ số b−ớc sóng đ−ợc dùng và tải trung bình của tuyến. Từ hình vẽ ta thấy S nh− là một hàm của tải trung bình ρ đối với W=25, 50 và 125 khi N=250. Thấy rằng ngoại trừ tải rất thấp (ρ ≤ 0.1) thì tr−ờng hợp cung cấp khả năng điều chỉnh đ−ợc cả phía phát lẫn phía thu thì việc tận dụng b−ớc sóng là lớn nhất, do đó dung l−ợng của mạng cao hơn tr−ờng hợp mạng chỉ có hoặc một phía phát thay đổi hoặc chỉ có một phía thu thay đổi. Sự khác nhau này có thể tăng lên 40% tại một số tr−ờng hợp đặc biệt chẳng hạn nh− W=50 và ρ = 0.3. Đối với các giá trị W nhỏ (W=25 hoặc 50) thì S tiến đến bão hoà khi ρ tăng. Giá trị bão hoà xảy ra do tải ρ của tuyến đầu vào tăng lên, giá trị trung bình của b−ớc sóng bận tiến nhanh đến giá trị W nhỏ. Tr−ờng hợp W lớn (ví dụ W=125) thì giá trị trung bình của b−ớc sóng bận luôn luôn nhỏ hơn W, thậm chí khi giá trị của tải ρ tiến đến 1. Qua phân tích mở rộng đối với các tr−ờng hợp nhiều bộ phát và nhiều bộ thu trên một nút. Kết quả đã chỉ ra rằng để hiệu suất tiến gần đến giới hạn biên trên khi W=N thì chỉ cần với một số l−ợng nhỏ các bộ phát và bộ thu điều chỉnh đ−ợc trên mỗi nút. Điều này có thể xảy ra vì với giả thiết l−u l−ợng không thay đổi thì xác suất để nhiều hơn một gói tin đi đến cùng một địa chỉ đích tại cùng một thời điểm là rất nhỏ. Thực vậy, chúng ta giả thiết rằng tất cả các gói tin đến đầu vào của một nút là độc lập và cũng bằng và giống nh− đi đến mỗi nút trong số N nút trong mạng. Với cùng giá trị tải ρ cho tất cả các -20- luồng tín hiệu vào các nút, Xác suất pk mà k gói đồng thời đi đến cùng nút đ−ợc tính theo biểu thức 2.5. kNk k Nk NN CP − ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= ρρ 1 k=0, 1, ....N 2.5 Hình 2.3 Quan hệ số b−ớc sóng bận – Tải ρ và số b−ớc sóng cực đại. 2.2.2 Mạng WDMA “định tuyến theo b−ớc sóng”. Tổ hợp các phần tử định tuyến b−ớc sóng λj λi λk T1 TN RN Ri R1 λj λk λi TT TR 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Số b −ớ c só ng b ận < w > tr un g bì nh Tải Trung bình ρ =λ/à 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 W=25 W=50 W=125 ___ Mạng phát và thu thay đổi ........ Mạng hoặc phát hoặc thu thay đổi. N=250 -21- Hình 2.4. Nguyên lý định tuyến b−ớc sóng trong mạng WDMA đơn b−ớc Vào Ra R1 R2 R3 T1 λ0 λ2 λ1 T2 λ1 λ0 λ2 T3 λ2 λ1 λ0 Hình 2.5. Mạng định tuyến theo b−ớc sóng N = 3 nút sử dụng phần tử WDM. Loại thứ hai của mạng WDMA đơn chặng đ−ợc nói đến là mạng định tuyến theo b−ớc sóng. Hình 2.4 và 2.5 chỉ ra sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động của mạng WDMA đơn b−ớc sử dụng kỹ thuật định tuyến theo b−ớc sóng. Mạng này bao gồm các phần tử lựa chọn (định tuyến) b−ớc sóng thụ động và một kết nối duy nhất đựơc xác định bằng b−ớc sóng của tín hiệu phát và nút mà qua đó tín hiệu đ−ợc đ−a vào mạng. Ví dụ mạng định tuyến b−ớc sóng NxN có thể đ−ợc xây dựng từ các phần tử WDM đ−ợc nối với nhau bằng N2 sợi cáp nh− chỉ ra trên hình 2.4(b) với N=3 . Mỗi nút đ−ợc trang bị 01 bộ R3 λ1 λ0 λ2 λ1 λ0 λ2 WDM WDM T1 T2 T3 R1 R2 λ0 λ1 λ2 -22- phát và 01 bộ thu có khả năng điều chỉnh đ−ợc. Bằng cách điều chỉnh bộ phát đến một b−ớc sóng đã đ−ợc lựa chọn, tín hiệu đ−a vào đ−ợc định tuyến thụ động đến bộ thu định tr−ớc, bộ thu này cũng phải điều chỉnh đến cùng b−ớc sóng để nhận gói tin. Điều này có nghĩa có thể kết nối đầy đủ NxN kết nối trong mạng chỉ với N b−ớc sóng phân biệt và mỗi nút thu có thể thu đ−ợc từ bất kỳ bộ phát nào mà không ảnh h−ởng đến nhau. Trong thực tiễn −u điểm của mạng WDMA “định tuyến theo b−ớc sóng” so với mạng WDMA “quảng bá và lựa chọn” là mạng WDMA định tuyến theo b−ớc sóng sử dụng các bộ WDM không sử dụng các bộ coupler hoặc van quang nên tránh đựơc suy hao tách quang. Tuy nhiên mặt hạn chế chính của nguyên lý khi sử dụng các phần tử định tuyến thụ động là các nút phải cung cấp các bộ phát và bộ thu đều phải điều chỉnh đ−ợc hoặc là phải bố trí mảng các phần tử phát hoặc thu đã đ−ợc điều chỉnh tr−ớc đến một số b−ớc sóng cố định khác nhau. Đổi lại thì mạng WDMA định tuyến theo b−ớc sóng có khả năng điều chỉnh động cấu trúc định tuyến bên trong theo yêu cầu phân bố l−u l−ợng của mạng. Điều này rất có lợi cho mạng khi có l−u l−ợng không cân bằng giữa các nút khi nối vào mạng. Việc thay đổi định tuyến động có thể thực hiện theo hai cách sau: 1. Sử dụng các bộ chuyển mạch không gian chọn b−ớc sóng, các tín hiệu chuyển mạch động từ một đ−ờng tới một đ−ờng khác bằng cách thay đổi định tuyền WDM trong mạng. 2. Sử dụng các bộ biến đổi b−ớc sóng để chuyển đổi tín hiệu từ một b−ớc sóng sang b−ớc sóng khác. Hình 2.6 Mô tả mạng định tuyến theo b−ớc sóng sử dụng chuyển mạch không gian chọn b−ớc sóng có 2 nút. ở đây có thể xem các chuyển mạch nh− thiết bị có ba cổng có khả năng điều khiển bất kỳ b−ớc sóng nào ở đầu vào đến một trong hai cổng ra. Nói cách khác bất kỳ tập b−ớc sóng λ1 …… λN trên cổng đầu vào của thiết bị có thể đ−ợc lựa chọn và truy cập trực tiếp đến một trong hai cổng ra. Sự lựa chọn này đ−ợc sắp xếp lại do đó đ−ờng đi của bất kỳ b−ớc sóng nào trong mạng cũng có thể đ−ợc thay đổi khi mong muốn . -23- Hình 2.6 Mạng định tuyến theo b−ớc sóng sử dụng chuyển mạch không gian chọn b−ớc sóng. Gần đây đã phát triển một kiểu mạng định tuyến b−ớc sóng đ−ợc gọi là mạng quang tuyến tính LLN mạng này đ−ợc đề xuất ứng dụng cho l−u l−ợng chuyển mạch kênh. Để giải thích nguyên lý hoạt động của mạng này ta khảo sát hình 2.7. Trong đó các nút đ−ợc nối nhau thông qua bộ coupler 2x2 không phụ thuộc vào b−ớc sóng, hệ số liên kết αi đ−ợc cho phép lấy bất kỳ giá trị nào giữa 0 và 1. Mỗi nút mạng sử dụng một b−ớc sóng riêng để thiết lập kết nối mong muốn. Ví dụ kết nối từ nút 1 đến nút 1* đ−ợc thiết lập trên b−ớc sóng λ1 qua tuyến A-B-C-F-G, trong cùng thời điểm đó kết nối từ nút 2 tới nút 2* thông qua b−ớc sóng λ2 qua tuyến H-B-C. Với việc đ−a thêm các b−ớc sóng, các kết nối khác có thể đ−ợc thực hiện ở cùng thời điểm với việc cung cấp giá trị αi thích hợp. Giá trị của hệ số liên kết αi có thể quản lý tập trung thông qua bộ điều khiển trung tâm hoặc sử dụng giao thức điều khiển phân bố. Trong cả hai tr−ờng hợp trên hệ số liên kết mỗi coupler phụ thuộc vào việc thiết lập của các coupler khác trên toàn mạng. Từ các phân tích trên ta thấy các mạng LLN phù hợp với mô hình hoạt động của mạng chuyển mạch kênh trong khi không phù hợp với mạng chuyển mạch gói. Điều khiển chuyển mạch Chuyển mạch chọn b−ớc sóng WDM λ11 λ21, λ31 λ22, λ32 λ12 λ2 1, λ31, λ12 λ11, λ22, λ32 TR Nhóm thu cố định -FR λ12, λ22, λ32 Phát thay đổi Nhóm phát cố đinh -FT λ11, λ21, λ31 T2 T1 1 T2 1 T3 1 -24- Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạng LLN Để tránh tán xạ đa đ−ờng từ cùng một nút mạng nguồn, các đ−ờng khác nhau nên đ−ợc bố trí theo cấu trúc hình cây. Theo hình 2.7 tán xạ đa đ−ờng xuất hiện tại các coupler B và F đối với kết nối từ 1 đến 1*. Thật vậy bằng cách thiết lập kết nối A-B-C-F-G tín hiệu tại b−ớc sóng λ1 cũng có thể truyền theo tuyến A-H-B-C-F-G, A-H-B-D-E-F-G do đó liên kết từ F tới G sẽ chứa 4 bản copy trễ theo thời gian của các luồng tín hiệu từ nút 1 dẫn đến chất l−ợng kết nối bị giảm do nhiều giữa các biểu t−ợng. Ng−ời ta đã nghiên cứu và đ−a vào sử dụng coupler b−ớc sóng phẳng ∆x∆ trong mạng LLN, một giải pháp mới đ−a ra cùng với việc thiết lập hệ số phù hợp để tránh tán xạ đa đ−ờng. Mặc dù suy hao tín hiệu trong mạng LLN lớn hơn các mạng định tuyến theo b−ớc sóng sử dụng các phần tử WDM hoặc các chuyển mạch nh−ng nó cho một đặc tính rất hữu ích là sử dụng lại b−ớc sóng. Điều này có thể thực hiện đ−ợc là do nếu sau khi đi qua một số bộ coupler tín hiệu tại b−ớc sóng xác định bị suy hao do đó các kết nối tại cùng thời điểm ở các phần khác của mạng có cùng b−ớc sóng này có thể dùng lại. Điều này đ−ợc mô tả trong Hình 2.8, các kết nối ở λ1 có thể xảy ra đồng thời đối với kết nối giữa nút 1 đến 4* và giữa nút 3 đến 1*. Khi kỹ thuật ngày càng hoàn thiện tạo ra các bộ coupler suy hao thấp, mức tán xạ đa đ−ờng thấp và kết hợp với kỹ thuật sử dụng lại b−ớc sóng sẽ mở ra h−ớng ứng dụng cho các mạng MAN dung l−ợng cao. A H B C D E F G 4 1 2 5 2* 3 4* λ1 3* 1* 5* Nút mạng -25- Hình 2.8 Tái sử dụng b−ớc sóng trong mạng LLN (Kết nối từ 1 đến 4 * và từ 3 đến 1* có thể xảy ra đồng thời trên λ1) 2.2.3 Các vấn đề liên quan đến hiệu suất, thiết kế mạng WDMA đơn b−ớc Trong mạng đa truy nhập theo b−ớc sóng thì chất l−ợng, tốc độ điều chỉnh của các bộ thu và bộ phát là rất quan trọng, tuy nhiên cho đến ngày nay các công nghệ này vẫn còn có rất nhiều hạn chế. Bên cạnh đó còn có một số yếu tố khác ảnh h−ởng đến đặc tính và hiệu suất của các mạng WDMA đơn b−ớc nh− : Giao thức mạng, vị trí của các bộ đệm số liệu đảm bảo tránh mất gói, mức xuyên kênh giữa các kênh WDM và yêu cầu độ ổn định b−ớc sóng. 2.2.3.1 Vị trí bộ đệm trong mạng WDMA đơn b−ớc. Thông th−ờng do tính ngẫu nhiên của l−u l−ợng bên trong mạng nên xuất hiện xung đột giữa các gói dữ liệu đồng thời đi đến cùng một nút là không thể tránh khỏi. Các gói số liệu xung đột có thể hoặc bị loại bỏ hoặc đ−ợc đ−a vào hàng đợi để phát lại sau đó. Nếu gói tin bị loại bỏ thông tin sẽ bị mất vĩnh viễn, rõ rãng điều đó là không thể chấp nhận đ−ợc trừ khi xác suất mất gói tin là rất nhỏ trong phạm vi cho phép. Do vậy bộ đệm cần thiết phải có để chống lại việc mất gói dữ liệu. A H B C D E F G 4 1 2 5 2* 3 4* Nút mạng λ1 3* 1* 5* λ1 -26- Hình 2.9 Thời gian đợi trung bình và tải cho mạng đệm đầu ra và đầu vào Trong các mạng WDMA đơn b−ớc bộ đệm có thể đ−ợc đặt ở đầu vào (bộ phát) hoặc đầu ra (bộ thu) của hệ thống. Giả sử các bộ đệm hoạt động theo nguyên lý vào tr−ớc ra tr−ớc (FIFO) đặt tại mỗi nút. Điều đó chỉ ra rằng dung l−ợng của một hệ thống đệm đầu vào với N≥ 20 bằng khoảng 58 % dung l−ợng hệ thống đệm đầu ra. Nguyên nhân giảm dung l−ợng của hệ thống đệm đầu vào là do hiện t−ợng block luồng dữ liệu (HOL) : Khi tất cả các gói tin định tuyến đến cùng một đầu ra thì lúc đó chỉ một gói đ−ợc truy nhập vào mạng trong lúc đó các gói tin khác bị giữ lại trong bộ đệm. Hình 2.9 chỉ ra quan hệ giữa thời gian đợi và tải cho cả hai hệ thống đệm đầu vào và đầu ra.Trong các hệ thống đệm đầu ra, hiện t−ợng block HOL không thể xuất hiện do tất cả các gói tin tại đầu của các bộ đệm FIFO (ở phía các bộ phát) có thể tự do định tuyến đến các nút đích của nó trong khi đó các gói tin đ−ợc đệm trong các bộ đệm FIFO tại đầu thu. Cần phải chú ý là để có dung l−ợng mạng lớn, thì cũng cần phải có thời gian trễ rất nhỏ cùng với việc giữ nguyên trật tự vào ra của các gói tin trong các bộ đệm FIFO. 2.2.3.2 Xuyên kênh. Một vấn đề rất quan trọng liên quan đến chất l−ợng các mạng WDMA là mức xuyên kênh giữa các kênh ghép theo b−ớc sóng. Hiện t−ợng xuyên kênh có thể đ−ợc phân biệt theo hai loại sau: Hàng đợi đầu ra 0 5 10 T hờ i g ia n đợ i ( tín h th eo g ói ti n ) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Hàng đợi đầu ra N=∞ Tải ρ Hàng đợi đầu vào -27- - Xuyên kênh tuyến tính, nguyên nhân do các đặc tính không lý t−ởng của các thiết bị chọn kênh. - Xuyên kênh phi tuyến, do hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang hoặc do hiệu ứng bão hoà độ tăng ích trong các bộ khuyếch đại quang bán dẫn. Xuyên kênh tuyến tính: Lựa chọn kênh trong mạng WDMA có thể đ−ợc thực hiện bằng cách sử dụng hoặc là bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc với bộ thu tách sóng trực tiếp hoặc là sử dụng Laze có bộ dao động nội điều chỉnh đ−ợc và một bộ lọc điện thông dải (BPF) trong các bộ thu tách sóng kết hợp. Xuyên kênh tuyến tính phụ thuộc vào loại thiết bị sử dụng để chọn kênh cũng nh− là khoảng cách giữa các kênh. Trong thực tế thì khoảng cách giữa các kênh đ−ợc xác định bằng đặc tính của các thiết bị chọn kênh và mức xuyên âm cho phép. Hình 2.10 Chọn kênh trong mạng WDMA kết hợp Trong mạng WDMA tách sóng kết hợp, việc chuyển kênh đ−ợc thực hiện bằng cách điều chỉnh b−ớc sóng của bộ dao động nội Laze trong vùng lân cận của kênh đ−ợc chọn và sau đó truyền tín hiệu điện đã tách sóng qua bộ lọc BPF điều chỉnh cố định có tần số trung tâm bằng tần số trung tần IF. Xuyên kênh tuyến tính bị ảnh h−ởng bởi độ rộng phổ tần số trung tần ( ∆v =∆vs + ∆vlo trong đó ∆vs và ∆vlo là độ rộng phổ của laze phát và bộ dao động nội t−ơng ứng) và hàm truyền của bộ lọc BPF điện. Độ rộng trung tần gây ra hiện t−ợng xuyên âm có thể giảm nhỏ một cách đáng kể khi ta chọn ∆v/B <0.1 (trong đó B là tốc độ bít tín hiệu). Bộ lọc điện thông giải gây ra hiện t−ợng xuyên kênh Dao động nội Kênh 1 2 3 4 v1 v2 vlo v1v3 v4 Hàm truyền của BPF vlo –v1 1 4 2 3 v4 –vlovlo –v2 v3 –vlo 0 Tần số quang Tần số điện trung tần Vif -28- phụ thuộc vào kiểu tín hiệu điều chế (ASK, PSK, FSK). Thông th−ờng kênh không đ−ợc chọn mà gần nhất với tần số bộ dao động nội vlo tạo nên nguồn ảnh h−ởng xuyên kênh lớn nhất. Nếu tần số trung tâm của kênh không đ−ợc chọn rơi vào bên trong độ rộng băng tần của bộ lọc BPF thì phần công suất trong băng xuất hiện nh− là nguồn nhiễu và vì vậy làm tăng mức BER của kênh đ−ợc chọn. Mức BER có thể duy trì ở một giá trị thích hợp bằng cách tăng công suất của tín hiệu. Phần công suất tăng này đ−ợc xem nh− công suất bù mất mát do xuyên âm tuyến tính gây ra. Hình 2.11 chỉ ra công suất bù mất mát là hàm của độ rộng kênh ∆f/B ( trong đó ∆f là băng thông 3dB của bộ lọc BPF) đối với các kiểu điều chế ASK, PSK và FSK. Từ hình vẽ ta cũng thấy đ−ợc công suất mất mát nhỏ không đáng kể d−ới 0.5dB đạt đ−ợc trong cả ba tr−ờng hợp khi mà ∆f ≅ 5B. Với B= 10 Gbps --> ta có ∆f =50 GHz và 150 nm (20THz) băng thông cho phép của sợi quang quanh b−ớc sóng 1.5 àm có khả năng cung cấp 400 kênh. Hình 2.11 Mất mát công suất do xuyên kênh trong bộ tách sóng quang. Xuyên kênh phi tuyến: Phần lớn ảnh h−ởng phi tuyến trong sợi quang xảy ra khi sử dụng nguồn quang có công suất lớn và sử dụng nhiều kênh b−ớc sóng khác nhau. Xuyên kênh phi tuyến là do các hiệu ứng phi tuyến gây nên có thể chia làm hai loại: 1 2 3 C ôn g su ất m ất m át d o xu yê n k ên h- d b ∆f/B 0 2 4 5 6 8 10 ASK PSK FSK -29- Loại thứ nhất xuất hiện do ảnh h−ởng của hiệu ứng tán xạ trong môi tr−ờng sợi quang do tác động của sóng ánh sáng với các phonon (dao động của phân tử) trong môi tr−ờng silica. Hai hiệu ứng chính của loại này là: Tán xạ Raman kích thích (SRS) và tán xạ Brillouin kích thích (SBS). Loại thứ hai xuất hiện do sự phụ thuộc của chiết suất vào công suất quang. Loại này gồm có các hiệu ứng: Tự điều chế pha (SPM), điều chế pha chéo (XPM), trộn bốn sóng (FWM). Hình 2.12 trình bày ảnh h−ởng của hiệu ứng phi tuyến lên mạng WDMA. Hình 2.12 Quan hệ giữa công suất cực đại trên kênh và số kênh cho 4 ảnh h−ởng phi tuyến chính trong mạng WDMA. Từ hình vẽ ta thấy ảnh h−ởng của hiện t−ợng phi tuyến lên các hệ thống thông tin quang đa kênh làm giới hạn công suất trong khoảng từ vài mW đến 100 mW. ảnh h−ởng này còn phụ thuộc vào số kênh N. Khi số kênh nhỏ N ≤ 10 thì ảnh h−ởng của SBS và FWM trội hơn, đối N>10 thì XPM trở nên trội hơn và cuối cùng SRS trở nên là yếu tố giới hạn chính khi (N ≥ 500). 2.3 Mạng WDMA đa b−ớc. 2.3.1 Khái niệm chung về mạng WDMA đa b−ớc. Khái niệm cơ bản về mạng WDMA đa b−ớc đ−ợc trình bày ở hình vẽ 2.13 với mạng hình sao 8 nút. Trong cấu hình mỗi nút có hai bộ phát, hai bộ thu kết nối thông qua coupler hình sao NxN. Mạng này có đặc điểm là hai λ = 1.55àm α = 0.2 dB/km Leff = 22 km ∆v=10 GHz Aeff = 5.10 -7 cm2 1 10 100 1000 Số kênh N 1000 100 10 1 0.1 C ôn g su ất c ực đ ại t rê n kê nh ( m W ) Raman XPM FWM Brillouin -30- b−ớc sóng phát của cùng một nút chỉ có thể thu đ−ợc bằng hai nút khác. Nói cách khác, mặc dù các kênh tại các b−ớc sóng riêng là quảng bá nh−ng chỉ các kết nối điểm tới điểm gán cố định có thể đ−ợc hỗ trợ bên trong mạng. Vì mỗi nút phát đ−ợc kết nối tới một nút thu khác nhau do đó kết nối từ bất kỳ một nút xác định nào tới một nút bất kỳ khác có thể thực hiện bằng cách cho phép phát lại qua một hoặc nhiều nút trung gian. Hình 2.13 Cấu trúc mạng đa b−ớc WDMA hình sao 8 nút. Coupler hình sao NxN T R R T T R R T T R T R R T R T Nút 1 Nút 2 Nút 3 Nút 4 Nút 5 Nút 6 Nút 7 Nút 8 λ9λ13 λ1λ2 λ3λ4 λ10λ1 λ5λ6 λ11λ1 λ7λ8 λ12λ1 λ1λ5 λ9λ10λ11λ1 λ2λ6 λ13λ1 λ3λ7 λ15λ1 λ4λ8 Cấu trúc nút 5 Chuyển mạch điện tử Tx và Rx λ10 λ9λ1 λ5 Tx E/O Rx O/E Coupler Splitter -31- Giả sử nút 2 muốn gửi một gói tin tới nút 7. Nút 2 có thể sử dụng một trong hai b−ớc sóng λ3 hoặc λ4 để phát. Vì từ nút 2 đến nút 7 có một kết nối trực tiếp trên b−ớc sóng λ3 , nên b−ớc sóng λ3 trên nút 2 sẽ đ−ợc sử dụng để truyền các gói tin của nó tới nút 7. Việc quyết định xem nút sẽ truyền gói tin trên b−ớc sóng nào dựa trên việc sắp xếp địa chỉ đích với các cổng ra, điều này có thể thực hiện đ−ợc dựa trên hoặc là bảng tra cứu phần cứng hoặc là bằng mạch logic thực hiện các thuật toán định tuyến đặc biệt. Tr−ờng hợp nút 1 muốn truyền gói tin đến nút 3 nh−ng không có kết nối trực tiếp giữa hai nút này nên gói tin này phải chuyển qua một vài nút trung gian. Lúc đó để truyền gói tin giữa nút 1 đến nút 3 thì phải sử dụng b−ớc sóng λ2 để truyền từ nút 1 đến nút 6 sau đó nút 6 sử dụng b−ớc sóng λ11 để phát lại cho nút 3. Mặt khác nếu sử dụng b−ớc sóng λ1 để truyền từ nút 1 thì để đến đ−ợc nút 3 phải thông qua các b−ớc ( 1λ1→ nút 5 λ10→ nút 2 λ4→ nút 8 λ15→ nút 3). Mặc dù khi số nút của mạng tăng thì lúc đó khả năng trễ mạng là lớn và chất l−ợng của tuyến là thấp, tuy nhiên có nhiều đ−ờng đi khác nhau nên có thể khai thác để tránh đ−ợc các tắc nghẽn cục bộ từng đ−ờng hoặc là khi xảy ra hỏng hóc nút mạng hoặc đứt từng tuyến riêng. Một −u điểm khác nữa của mạng đa b−ớc so với mạng đơn b−ớc là không cần đòi hỏi kênh điều khiển nữa. Thực tế, mỗi nút mạng phục vụ nh− là một trạm lặp tích cực và các thiết bị sẽ có nhiệm vụ nhận gói tin dành cho nó hoặc chung chuyển nó đến một nút khác. 2.3.2 Đặc điểm của mạng WDMA đa b−ớc * Khả năng kết nối giữa các nút. Khả năng kết nối giữa các nút trong mạng quang đa b−ớc có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau. Hình 2.14 minh hoạ biểu đồ kết nối trực tiếp t−ơng ứng với mạng đa chặng hình sao 8 nút. Trong đó các mũi tên từ mỗi nút truyền một b−ớc sóng riêng trực tiếp tới tất cả các nút có khả năng nhận b−ớc sóng đó. Để tổng quát ta xét mỗi nút mạng có p đầu phát và p đầu thu cố định. Nếu biểu diễn hmax là số chặng cực đại từ một nút nguồn tới nút đích xác định (đôi khi hmax đựơc gọi là đ−ờng kính của biểu đồ trực tiếp) thì bất đẳng thức sau là luôn luôn đúng. 1 1....1 1 2 max max − −=++++≤ + p ppppN h h (p≥ 2) 2.6 Dấu bằng trong biểu thức trên t−ơng ứng với giới hạn Moore và nó là giới hạn trên của số nút mạng cực đại Nmax với một bán kính hmax cho tr−ớc. -32- Tuy nhiên giới hạn Moore là không hoàn toàn đúng ngoại trừ tr−ờng hợp đặc biệt p =N- 1. Để khắc phục vấn đề này ng−ời ta đã đ−a ra biểu đồ kết nối trực tiếp ShuffleNet. Hình 2.14 Biểu đồ kết nối trực tiếp Shufflenet mạng đa b−ớc hình sao 8 nút Biểu đồ ShuffleNet: Biểu đồ trực tiếp Shufflenet đ−ợc xây dựng nên từ N = kpk (k = 1,2,......) nút trong đó k là số cột, pk là số nút trong mỗi cột : Ví dụ mạng 8 nút ở trên ta có (k=2, p=2) và mạng 18 nút ta có thể biểu diễn d−ới dạng (k=2, p=3). Trong biểu đồ trực tiếp (p, k) mỗi nút có p cung đi vào và p cung đi ra. Tổng toàn bộ các nút ta có k.pk + 1 cung và nh− vậy cũng t−ơng đ−ơng với số b−ớc sóng khác nhau đ−ợc sử dụng trong mạng. Từ một nút bất kỳ trong cột bất kỳ, để giải thích ta chọn cột 1, có thể đi đến p nút khác chỉ qua 1 b−ớc, nếu qua 2 b−ớc thì nó đi đến thêm đ−ợc p2 nút, và tiếp tục nh− vậy đến pk –1 nút còn lại của cột gốc. Từ đó, bất cứ nút nào không kết nối đ−ợc ngay trong l−ợt thứ nhất thì sẽ kết nối đ−ợc trong l−ợt thứ hai (giả thiết là thuật toán định tuyến sẽ chỉ đ−ờng kết nối sao cho độ trễ trong mạng là nhỏ nhất tức là kết nối hai nút với số b−ớc ít nhất). B−ớc đầu trong l−ợt thứ 2 sẽ có Nút 1 Nút 2 Nút 3 Nút 4 Nút 5 Nút 6 Nút 7 Nút 8 Nút 4 Nút3 Nút 2 Nút 1 λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ6 λ7 λ8 λ9 λ10 λ14 λ13 λ11 λ12 λ15 λ16 -33- thêm (pk –p) nút mà tín hiệu có thể đến bởi vì đã có p nút của cột thứ 2 tín hiệu đã có thể đến đ−ợc ngay trong l−ợt đầu, t−ơng tự nh− vậy ta có số nút mà tín hiệu có thể đi đến từ một nút nguồn sau khi qua h b−ớc nh− sau: Bảng 2.1 : Quan hệ giữa số nút mạng (N) và số b−ớc (h) xuất phát từ một nút nguồn trong giản đồ ShuffleNet (p,k) Số b−ớc (h) Số nút (N) 1 P 2 p2 . . k-1 pk-1 K pk –1 k+1 pk –p k+2 pk –p2 . . 2k-1 pk –pk-1 Từ bảng trên ta thấy số chặng cực đại đ−ợc giới hạn là hmax =2k-1, do vậy số nút cực đại trong biểu đồ ShuffleNet (p,k) đ−ợc biểu diễn nh− sau: 1 maxmax max)1( 2 1 ++= hphN 2.7 * Độ trễ gói trung bình. Một tham số quan trọng trong việc đánh giá biểu đồ shuffleNet (p,k) là độ trễ trung bình của gói tin đi qua mạng . Độ trễ trung bình D ___ và số b−ớc trung bình h __ có quan hệ nh− sau: V LhD * ____ = 2.8 Trong đó L là khoảng cách trung bình giữa các nút và v là vận tốc lan truyền trong sợi quang (v=c/n). L−u ý công thức trên không tính đến phần trễ phụ có thể xuất hiện do xử lý thông tin mào đầu hoặc ở bộ đệm dữ liệu trong các nút. * Tính toán thông l−ợng qua mỗi nút. -34- Từ bảng 2.1 ta thấy số b−ớc trung bình giữa hai nút mạng ngẫu nhiên đ−ợc biểu diễn nh− sau: )})(({1 1 1 0 1 1 j k j k K j j ppjkjp N h −++−= ∑∑ − = − = 2.9 Với N= kpk ph−ơng trình (2.9) trên đ−ợc viết lại nh− sau: )1)(1(2 )1(2)1)(13( −− −−−−= k kk kpp pkpkkph 2.10 Bảng 2.2 cung cấp một vài thông số đại diện cho biểu đồ Shufflenet (p,k) và giới hạn Moore. Do là mạng đa chặng nên chỉ có một phần dung l−ợng B của tuyến là thực sự sử dụng để mang l−u l−ợng đ−a ra ngay từ lần đầu (l−u l−ợng mới đến). Trong khi đó phần dung l−ợng còn lại của tuyến mang l−u l−ợng chuyển tiếp. Nói cách khác mỗi chặng dùng một phần nhất định trong toàn bộ tốc độ của mạng, mà tốc độ này bằng tích của các kênh WDM (kpk +1) nhân với tốc độ bit trên một kênh. Giả thiết l−u l−ợng là đồng nhất và sử dụng thuật toán định tuyến cân bằng l−u l−ợng tải trên các kênh WDM thì thông suất của mạng đ−ợc tính theo 2.11. h BkpS k *1+= 2.11 Bảng 2.2. Một số thông số đại diện biểu đồ ShuffleNet. Giới hạn Moore ShuffleNet P hmax Nmax k N h 2 3 15 2 8 2.0 3 3 40 2 18 2.2 2 5 63 3 24 3.3 3 5 364 3 81 3.6 4 5 1,365 3 192 3.7 6 5 9,131 3 684 3.8 8 5 37,449 3 1,536 3.9 Từ ph−ơng trình 2.11 ta thấy, nếu số gói tin l−u chuyển trong mạng tăng thậm chí đến giá trị kpk+1 gói thì trung bình chỉ có h/1 gói tin tạo ra từ l−u -35- l−ợng đ−a ra lần đầu. Cuối cùng thông l−ợng lớn nhất trên một nút đ−ợc rút ra từ việc kết hợp các biểu thức 2.10 và 2.11 ta thu đ−ợc biểu thức 2.12 : )1(2)13)(1( )1)(1(2 −−−− −−= kk k pkkpkp Bkppp N S 2.12 Hình 2.15 biểu diễn thông l−ợng lớn nhất qua một nút có thể đạt đ−ợc với các giá trị p khác nhau tính toán từ ph−ơng trình 2.12. Từ đồ thị ta thấy với N=1000 và B =1Gbps, p=2 chẳng hạn thì thông l−ợng toàn bộ của mạng có thể đạt 200 Gbps với 200Mbps l−u l−ợng đ−a ra lần đầu từ mỗi nút. Kết quả trên chỉ đúng khi giả thiết l−u l−ợng đ−a ra là đồng nhất cho tất cả các tuyến shufflenet. Nh−ng trong thực tế, tải đ−a ra thay đổi bất kỳ không đồng nhất. Phụ thuộc vào thuật toán định tuyến đ−ợc sử dụng thì thông l−ợng qua một nút mạng với l−u l−ợng không đồng nhất bị giảm với hệ số từ 0.3 đến 0.5 so với thông l−ợng khi l−u l−ợng đồng nhất. Việc sử dụng các bộ thu phát thay đổi đựơc TT, TR cho phép việc kết nối thay đổi phù hợp với sự thay đổi của l−u l−ợng (hoặc khi mạng bị hỏng hóc). Hình 2.15 Biểu diễn thông l−ợng trên một nút, số nút N cho mạng WDMA shuffleNet T hô ng l− ợn g tr ên n út ( M bp s) 6 7 0.1 10 100 1000 10000 Số nút mạng 10,000 1000 100 10 10 0.1 Tốc độ truyền dẫn 1 Gbps Mạng đơn kênh Mạng đa kênh p 2 3 4 5 8 -36- 2.4 ứng dụng mạng kỹ thuật đa truy nhập WDMA. 2.4. 1 Mạng WDMA đơn b−ớc. Đã có rất nhiều mạng WDMA đơn b−ớc đ−ợc thiết kế và giới thiệu trong các phòng thí nghiệm cũng nh− trong thực tế. Các lĩnh vực ứng dụng của nó rất đa dạng: - Mạng quang thụ động WDMA tốc độ cao. - Mạng LAN băng thông cao ; mạng MAN & các mạng diện rộng WANs. - Là nền tảng của các bộ chuyển mạch gói và các bộ kết nối tốc độ cao của các bộ đa xử lý và bộ nhớ. 2.4.1.1 Mạng LAMBDANET. Do phòng thí nghiệm Bellcore phát triển. Cấu trúc đ−ợc chỉ ra trên hình 2.16, đây là kiểu FT – FRn mạng quảng bá và lựa chọn. Mạng có 18 nút, mỗi nút trang bị một bộ phát cố định sử dụng điốt laze phản hồi phân bố (DFB) đơn tần phát xạ trong khoảng 1,527 nm đến 1,561 nm , với độ phân cách kênh là 2 nm và 18 bộ thu. Tại mỗi nút thu sử dụng cách tử phân kênh để tách các kênh quang riêng rẽ rồi chuyển đổi sang dạng tín hiệu điện t−ơng ứng bằng các điốt tách sóng. Σ λi Coupler MxM Nút 3 Nút 4 Nút N Giao diện điện Tx -λ1 Các bộ thu Bộ tách kênh λ1 Nút 1 Giao diện điện Các bộ thu Tx -λ2 Bộ tách kênh λ2 Σ λi Nút 2 i = 1 tới N -37- Hình 2.16 Cấu trúc mạng Lambdanet. Để mỗi nút có thể truyền đồng thời tới các nút khác ng−ời ta dùng kỹ thuật TDM trên mỗi b−ớc sóng. Khung TDM chứa 18 khe thời gian và 01 thẻ đồng bộ, mỗi khe thời gian đã đ−ợc cấp phát dự định tr−ớc cho một nút. Vì vậy khe thứ i của khung TDM truyền trên b−ớc sóng λj có chứa luồng bít thông tin từ nút j đến nút i. Do đó mỗi nút có thể nhận và sử lý một cách không đồng bộ và song song đ−ờng truyền từ các nút khác. Nhờ cấu trúc lai ghép “b−ớc sóng - thời gian” nên loại bỏ đ−ợc hoàn toàn xung đột dữ liệu trong mạng. Ngoài ra mạng Lambdanet là mạng xếp hàng đợi đầu ra, do vậy dung l−ợng của nó về cơ bản đ−ợc xác định bằng số b−ớc sóng và tốc độ mỗi kênh trong mạng. Trong thực tế ng−ời ta đã thiết kế mạng có dung l−ợng 27 GHz sử dụng 18 kênh b−ớc sóng, mỗi kênh có tốc độ 1.5 GHz trên khoảng cách truyền dẫn 57,8 km ký hiệu (Lambdanet 1.5 Gbps , 18λ, 57.8 km) và mạng ( Lambdanet 2 Gb/s ,16λ, 40 km ) . 2.4.1.2 Mạng RAINBOW. Mạng sử dụng coupler hình sao 32x32. Mỗi nút mạng sử dụng 01 bộ phát cố định và 01 bộ thu điều chỉnh đ−ợc (FT-TR), tại mỗi bộ thu sử dụng bộ lọc thay đổi đ−ợc Fabry –Perot với tốc độ điều chỉnh cỡ mili giây. RAINBOW đ−ợc thiết kế ứng dụng cho mạng MAN chuyển mạch kênh với bán kính tới 50 km. Tốc độ truyền dẫn cho mỗi nút vào khoảng 300 Mbps cho RAINBOW I và RAINBOW II tốc độ nút có thể đạt đến 1Gbps. Trong mạng RAINBOW giao thức yêu cầu để thiết lập và ngắt kết nối qua mạng sử dụng kiểu xắp xếp tìm kiếm vòng tròn. Bản chất hoạt động của giao thức này có thể đ−ợc hiểu nh− sau: Giả sử nút A muốn thiết lập kết nối hai h−ớng đến nút B. Nút A bắt đầu bằng việc phát yêu cầu kết nối một cách lặp lại trên b−ớc sóng λA. Đồng thời nút A điều chỉnh bộ thu của nó trên b−ớc sóng λB là b−ớc sóng của bộ thu của nút B. Yêu cầu kết nối trên b−ớc sóng λA chứa thông tin nguồn (nút A) và địa chỉ đích (nút B) đ−ợc quảng bá tới tất cả các nút bằng bộ ghép hình sao NxN. Nếu nút đích B ch−a sẵn sàng thiết lập kết nối với các nút khác. Nó quét bộ lọc quang của nó trên toàn bộ dải các b−ớc sóng của bộ thu cho đến khi yêu cầu kết nối đ−ợc xác đinh. Khi xác định đ−ợc yêu cầu kết nối bộ lọc quang sẽ khoá b−ớc sóng λA và một bản tin chấp nhận kết nối đ−ợc gửi lặp lại nhiều lần trên b−ớc sóng λB. Kết nối hai chiều giữa nút A và B đ−ợc sau đó -38- đ−ợc thiết lập kể từ khi hai nút có bộ lọc quang của chúng điều chỉnh đến chính xác b−ớc sóng. Kết nối đ−ợc giải phóng nếu không nhận đ−ợc đữ liệu trong một khoảng chu kỳ đã định tr−ớc. 2.4.1.3 FOX - Bộ kết nối chéo quang tốc độ cao. FOX đ−ợc đề xuất cho các ứng dụng kết nối các bộ vi sử lý chia sẻ bộ nhớ trong các hệ thống máy tính sử lý song song. Tuy nhiên nó có thể đ−ợc áp dụng trong lĩnh vực chuyển mạch quang phục vụ mạng viễn thông. Cấu trúc cơ bản của FOX đ−ợc chỉ ra trong hình 2.17. Hệ thống sử dụng hai mạng hình sao NxN kết nối với nhau: Một cho chuyển tải các gói dữ liệu, một cho chuyển tải thông tin điều khiển. Cả hai mạng đều sử dụng cấu trúc phát điều chỉnh đ−ợc – thu cố định (mạng “quảng bá - và - lựa chọn” cấu trúc TT-FR ). FOX dựa trên lập luận l−u l−ợng đồng nhất do đó chỉ có một xác suất nhỏ mà hơn một gói số liệu dự định đến cùng đầu ra tại cùng thời điểm. Nếu xuất hiện xung đột tại một cổng ra thì gói tin đ−ợc truyền lại theo một thuật toán riêng cho tới khi thu đ−ợc thành công. Hệ thống FOX là hệ thống đầu tiên đòi hỏi các điốt laze điều chỉnh với tốc độ cao cỡ nano giây để thực hiện chuyển mạch các gói tin ngắn. Hình 2.17 Cấu trúc cơ bản của mạng FOX. 1 Nx N Star coupler Nx N Star coupler 1 2 N R2 FR Ra trung kế quang # 2 T1 TT 2 N Đệm và điều khiển O/E Đầu vào quang #1 R1 FR 2 N 1 T2 TT 1 2 N Trạng thái cổng ra E/O -39- 2.4.1.4 HYPASS (High performance packet switch system). Hình 2.18 Cấu trúc mạng WDMA –Hypass Hệ thống chuyển mạch gói hiệu suất cao HYPASS là mở rộng của FOX, tuy nhiên có một số thay đổi. Hình 2.18 chỉ ra cấu trúc của nó. Về cơ bản vẫn sử dụng 02 bộ coupler hình sao NxN: Một để chuyền tải dữ liệu, một để chuyển tải thông tin điều khiển. Mạng chuyển tải dữ liệu sử dụng cấu trúc phát điều chỉnh đ−ợc thu cố định (TT-FR) ng−ợc lại mạng điều khiển sử dụng cấu trúc phát cố định thu điều chỉnh đ−ợc(FT-TR). Hoạt động của HYPASS dự trên nguyên tắc xếp hàng đầu vào/ điều khiển đ−ợc đầu ra. Nói cách khác là điều khiển các cổng ra khi các cổng vào đ−ợc phép truyền. Tr−ớc hết là biến đổi các gói dữ liệu đến cổng vào thành dạng tín hiệu điện và l−u trữ tạm thời trong bộ đệm đầu vào. Giải mã gói tin tiêu đề chứa địa chỉ đích đến và bộ phát thay đổi đ−ợc tại cổng vào của mạng chuyển tải dữ liệu đ−ợc chuyển sang b−ớc sóng t−ơng ứng với địa chỉ của cổng ra. Các gói dữ liệu đ−ợc l−u trữ chờ trong bộ đệm đầu vào cho tới khi nhận đ−ợc tín hiệu thăm dò đ−ợc phát đi từ cổng ra mà cổng ra này mong muốn nhận đ−ợc số liệu từ chính cổng vào đó. Nx N Star coupler Nx N Star coupler 1 2 N R2 FR E/O Ra trung kế quang # 2 T1 TT 2 N Đệm và điều khiển O/E Đầu vào quang #1 TR 1 2 N 1 FT 1 2 N R1 T2 Tạo tín hiệu thăm dò trạng thái cổng Dòng điều chỉnh -40- Tín hiệu thăm dò từ các cổng ra đ−ợc quảng bá trên toàn bộ mạng điều khiển đi đến các cổng vào. Để nhận đ−ợc tín hiệu yêu cầu từ cổng ra mong muốn thì bộ thu tại cổng vào đ−ợc điều chỉnh đến cùng b−ớc sóng nh− là của bộ phát cố định của địa chỉ cổng ra. Trong lúc nhận đựơc tín hiệu yêu cầu từ cổng ra mong muốn, dữ liệu trong bộ đệm đ−ợc chuyển qua mạng chuyển tải dữ liệu trên b−ớc sóng của địa chỉ đích. Đồng thời các gói tin từ các cổng vào khác đ−ợc truyền trên các b−ớc sóng khác tới các cổng ra khác sử dụng cùng mạng chuyển tải dữ liệu. Thăm dò cổng vào Tín hiệu truyền từ cổng Chu kỳ 1 1 tới 8 Đụng độ 2 1 tới 4 Đụng độ 3 1 tới 2 1 4 3 tới 4 3 5 5 tới 8 Đụng độ 6 5 tới 6 - 7 7 tới 8 Đụng độ 8 7 7 9 8 8 Hình 2. 19 Minh hoạ thuật toán thăm dò hình cây trong tr−ờng hợp có 4 gói dữ liệu đồng thời đến cùng một đích. Có rất nhiều giao thức tạo tín hiệu thăm dò (poll generation) đ−ợc sử dụng cho mạng Hypass. Một giao thức đ−ợc chọn cụ thể phụ thuộc chính vào kiểu l−u l−ợng bên trong mạng. Đối với chuyển mạch gói giao thức điều khiển Chuyển mạch 8 x8 với 4 gói tin dự định đến cổng ra cho tr−ớc Cổng vào 21 3 4 5 6 7 8 Có tin không Có tin không Có tin Có tin không không -41- dựa trên thuật toán thăm dò hình cây (Tree polling). Giao thức này dựa trên biểu đồ hình cây động và giả thiết rằng số cổng là luỹ thừa của 2 tức là N=2k . Thuật toán dựa trên cơ sở phát hiện xung đột để phân sử theo yêu cầu truy nhập. Chu kỳ thăm dò đầu tiên đựơc bắt đầu bằng cách thăm dò tất cả các cổng vào. Nếu không có hơn một gói dữ liệu cho cổng ra t−ơng ứng thì chu kỳ đ−ợc hoàn tất ngay trong vòng đầu. Nếu có hơn một gói dữ liệu dự định đến cổng ra thì các cổng vào nhận tín hiệu thăm dò sẽ phát các gói tin của nó và xảy ra xung đột tại các cổng ra. Ngay khi phát hiện xung đột thì cổng đầu ra phát tín hiệu thăm dò để giới hạn số cổng đầu vào. Nhóm tín hiệu thăm dò này đ−ợc lặp lại cho tới khi giải quyết đ−ợc xung đột. Thuật toán này đ−ợc minh hoạ trong hình 2.19 ở đây có bốn yêu cầu đồng thời từ các cổng vào (từ các cổng vào 1,3,7,8) cần truy nhập tới cổng ra đã cho của chuyển mạch 8x8. Trong ví dụ số chu kỳ thăm dò là 9. Hình 2.20 Quan hệ giữa thời gian trễ trung bình và tải ρ trong mạng Hypass Phân tích hiệu suất của Hypass với thuật toán thăm dò hình cây động đã đ−ợc thực hiện dựa trên giả thiết l−u l−ợng là đồng nhất cho nên bất kỳ cổng ra nào cũng đ−ợc gửi đến với xác suất bằng nhau (1/N). Các bộ đệm đầu vào là FIFO và do đó thông l−ợng của mạng sẽ chịu ảnh h−ởng hiện t−ợng blocking HOL. Hình 2.20 chỉ ra quan hệ giữa thời gian trễ trung bình và tải của tuyến vào ρ. Từ đồ thị ta thấy tải cực đại bị giới hạn ở mức ρ=0.25. Với tuyến vào có tốc độ 5 Gbps và kích th−ớc chuyển mạch 128x128 thì có thể đạt đ−ợc thông l−ợng đỉnh của mạng là 150 Gbps. 0.0 0.05 0.1 0.15 0..20 0..25 0.30 0.35 Tải tuyến ρ 1 2 3 4 5 Đ ộ tr ễ tr un g bì nh th eo g ói -42- 2.4.1.5 Mạng RINGGO. Hình 2.21 mô tả cấu trúc của mạng RINGGO, mạng chuyển mạch gói RINGO là mạng ring cáp quang vô h−ớng. Mạng này có N nút mạng bằng số b−ớc sóng sử dụng trong mạng, mỗi nút gắn một mảng phát cố định và một bộ thu cố định hoạt động ở một b−ớc sóng định tr−ớc và dùng để xác định nghĩa nút mạng. Ví dụ nút j sẽ tách b−ớc sóng λj từ vòng ring. Nh− vậy để truyền thông với nút j, một nút i cho tr−ớc phải truyền dữ liệu trên b−ớc sóng λj. Tất cả các b−ớc sóng đ−ợc chia thành các khe thời gian với chiều dài của khe thời gian chính bằng thời gian truyền dẫn của gói tin có kích th−ớc cố định cộng với thời gian bảo vệ. Mỗi nút kiểm tra trạng thái chiếm dụng b−ớc sóng trên lần l−ợt từng khe thời gian. Đây là cơ sở để chống xung đột dữ liệu bằng cách mô hình hoá đa kênh theo kiểu thăm dò khe thời gian rỗng. Trong kiểu thăm dò này một bit bắt đầu của mỗi khe thời gian chỉ thị trạng thái của khe thời gian t−ơng ứng có nghĩa là khe thời gian đó rỗi hay bị sử dụng. Trong hình 2.22 là sơ đồ chi tiết của mỗi nút: Bao gồm bộ thu t−ơng ứng một b−ớc sóng đ−ợc rớt xuống, bộ giám sát trạng thái các khe thời gian qua khối các bộ thu quang và van quang 90/10, khối các bộ phát cố định thông qua bộ liên kết 50/50. Hình 2.21 Mạng metro WDM ringo Nút 1 Nút 2 Nút 3 Nút i Nút j Nút N Nhóm phát cố định Tx Thu cố định Rx λi Nhóm phát cố định Tx Thu cố định Rx λj Gói tin từ nút i đến nút j trên λj -43- Hình 2.22 Cấu trúc nút RINGO 2.4.2 Mạng WDMA đa b−ớc 2.4.2.1 Mạng STARNET. Hình 2. 23 : Cấu trúc chuyển mạch Starnet Starnet là mạng LAN – WDMA do phòng nghiên cứu thông tin quang - Standford University nghiên cứu phát triển. Starnet có thể đồng thời chuyển tải l−u l−ợng chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói trên cùng một kiến trúc vật lý. Hệ thống cung cấp khả năng chuyển mạch kênh l−u l−ợng 3 Gbps qua WDMA đơn b−ớc và 100 Mbps l−u l−ợng chuyển mạch gói qua WDMA đa b−ớc. Thực tế mạng Starnet có kiến trúc vật lý là hình sao nh−ng cấu trúc logic (topologic) đ−ợc tổ chức nh− là mạng ring. Mỗi nút có một bộ phát và hai bộ λ1 λn λdrop D E M U X M U X 50/50 Điều chế ngoài M U X Khối các bộ phát Tx Rx λ1..... λn Khối các bộ thu quang 90/10 Coupler hình sao Rx λ4 Tx λ1 Rx λ1 Tx λ2 Tx λ4 Rx λ3 Tx λ3 Rx λ2 λ4 λ1 λ2 λ3 -44- thu trong đó một bộ thu điều chỉnh đ−ợc và một bộ thu cố định, sử dụng coupler 4x4 nh− chỉ ra ở hình 2.23. Hệ thống hoạt động tại b−ớc sóng trung tâm 1,319 nm trên cáp sợi quang đơn mốt có bán kính mạng 4km đảm bảo mức Ber bằng 10-9 ở mức công suất ng−ỡng 10-dB. Khi muốn gửi một gói dữ liệu từ một nút, một cách đơn giản nó truyền gói tin tới nút tiếp theo. Tại mỗi nút, dòng số liệu quang đ−ợc biến đổi thành dạng điện để cho nút xử lý gói tin (kiểm tra tr−ờng địa chỉ đích). Nếu gói tin cần thiết gửi chuyển tiếp thì thông tin quang lại đ−ợc gửi lại cho nút tiếp theo của vòng ring ảo. 2.4.2.2 Mạng HORNET. Giới thiệu chung : Mạng này do phòng nghiên cứu phát triển thông tin quang Stanford University phát triển ứng dụng cho mạng MAN (metropolitan), nó có khả năng truyền tải gói tin dạng IP hoặc các cell ATM trực tiếp trên lớp WDM. Mạng có cấu trúc TT –FR, có khả năng kết nối đến 100 điểm truy nhập mạng AN (access network) và bán kính hoạt động khoảng 100 km. Cấu trúc mạng là đa chặng, sử dụng ph−ơng thức đa truy nhập lai ghép giữa b−ớc sóng và thời gian (T/WDMA). Do vậy nhiều nút mạng có thể chia sẻ cùng một b−ớc sóng nh−ng ở các khe thời gian khác nhau và các gói tin mang địa chỉ của điểm truy nhập đến nằm ở phần sóng mang phụ mào đầu. Khi một điểm truy nhập rẽ một b−ớc sóng đ−ợc lựa chọn, nó thực hiện kiểm tra địa chỉ đích của gói tin. Nếu gói tin mà có địa chỉ đến điểm truy nhập bên d−ới nó, thì nút thực hiện phát lại gói tin đó trên cùng b−ớc sóng cho tới khi nó đến đúng đích. Mạng sử dụng giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang có dò xung đột (CSMA/CA). Giao thức này cho phép nút mạng kiểm tra l−u l−ợng trên tất cả các b−ớc sóng để tránh đụng độ khi truyền dẫn. Khi một điểm truy nhập muốn truyền một gói tin tới một điểm đích xác định, nó ghép tần số sóng mang phụ t−ơng ứng với địa chỉ của điểm truy nhập đến và giả sử rằng không có gói tin khác trên cùng b−ớc sóng cùng đi đến điểm truy nhập đích, thì nó đ−ợc phép truyền gói tin và tone sóng mang phụ đã đ−ợc ghép. −u điểm chính của việc ghép sóng mang phụ mào đầu là tỷ số tín hiệu mào đầu trên số liệu là không ảnh h−ớng đến hạn chế hiệu suất băng tần nh− trong tr−ờng hợp tín hiệu mào đầu đ−ợc phát song song với dữ liệu. Lần thử nghiệm đầu tiên mạng HORNET sử dụng các khe thời gian có kích th−ớc cố định, chiều dài của nó là bằng với chiều dài của một cell ATM -45- (53 byte). Thế hệ tiếp theo của mạng này sử dụng khe thời gian có kích th−ớc thay đổi điều này là phù hợp với việc truyền tải các gói IP có kích th−ớc thay đổi. Trong cả hai tr−ờng hợp việc đồng bộ thực hiện theo gói hoặc cell. Cấu trúc mạng: Hình 2.24 chỉ ra cấu trúc mạng theo đó mạng có đặc tính : Đa kênh, cấu trúc vòng ring chia khe thời gian, sử dụng hai sợi quang cho hai h−ớng khác nhau. Các mạng truy nhập đ−ợc nối với AN bằng giao diện Gigabit Ethernet hoạt động ở tốc độ 1 Gb/s. Các khe thời gian trên vòng ring có kích th−ớc cố định bằng với kích th−ớc khung của đơn vị truyền cực đại trên Ethernet (MTU) vào khoảng 12,000 bits (hoặc 1,500 byte). Ng−ời ta đã tiến hành thử nghiệm thành công trên mạng l−ới hai cấu trúc mạng dựa trên công nghệ HORNET có các tham số nh− bảng 2.3; Trong đó ký hiệu 16/4/ 2.5 có ý nghĩa là 16 nút mạng, 4 b−ớc sóng , tốc độ dữ liệu trên một b−ớc sóng 2.5 Gb/s ; cũng t−ơng tự nh− vậy với ký hiệu 64/4/10. Tuy nhiên các nghiên cứu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm chỉ ra rằng công nghệ này cần thêm một thời gian để hoàn thiện và nó có thể cung cấp đ−ợc các mạng có số l−ợng nút lớn và tốc độ rất cao nh− : Cấu trúc 65/32/10 –dung l−ợng mạng khoảng 1,2Tb/s ; Cấu trúc 65/16/10 –dung l−ợng mạng khoảng 350 Gb/s .v.v Bảng 2.3 Các tham số thử nghiệm mạng HORNET. Tham số Cấu trúc 1 Cấu trúc 2 Chiều dài vòng Ring 138 240 mét 138 240 mét Thời gian trễ lan truyền : D 691.2 às 691.2 às Số b−ớc sóng trên một sợi quang: Nw 4 4 Kích th−ớc khe thời gian: S 12,000 bits 12,000 bits Cờu trúc 16/4/2.5 64/4/10 Tốc độ dữ liệu trên 1 b−ớc sóng : Rw 2.5 Gb/s 10 Gb/s Tốc độ mạng : Rw x Nw 10 Gb/s 40 Gb/s Số nút truy nhập : NT 16 64 Tích trễ băng tần : BDP = Rw x D 1,728,000 bits 6,912,000 bits Số khe thời gian trên b−ớc sóng : Sw = BDP/S 144 576 -46- Hình 2.24 Cấu trúc mạng HORNET Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc nút mạng (AN) trong mạng HORNET AN POP AN AN ANAN AN Hai sợi quang R IP –Router / ATM -SW R R Mạng LAN Mạng khác (WAN) IP –Router / ATM -SW MAN Từ MAN Coupler 10/ 90 Bộ trễ quang Bộ thu mào đầu Tách khe thời gian Khôi phục địa chỉ Bộ thu dữ liệu B−ớc sóng rẽ (λdrop) Quản lý khe thời gian Cách tử Bộ rẽ Bộ xen Coupler Bộ phát tốc độ thay đổi 5 ns Dữ liệu vào/ ra từ nút Đến MAN λadd -47- Hình 2.26 Nguyên lý hoạt động giao thức CSMA/CA trong mạng HORNET Công nghệ HORNET rất hứa hẹn tạo ra các mạng MAN cấu trúc vòng ring mang l−u l−ợng chuyển mạch gói. Trong một vài năm gần đây các tổ chức viễn thông, các hãng chế tạo thiết bị và các nhà cung cấp dịch vụ Viễn thông đang tập trung xây dựng chuẩn mới cho mạng MAN chuyển mạch gói (chuẩn IEEE 802.17). Những −u điểm của nghệ HORNET và công nghệ RPR của Cisco cũng đã đ−ợc tận dụng để đ−a vào khuyến nghị cho tiểu chuẩn này. Cho đến nay công việc chuẩn hoá vẫn ch−a kết thúc, do vậy các hãng viễn thông lớn trên thế giới nh− (Cisco, Nortel, Siemens , NEC .v.v) đã và đang phát triển các dòng sản phẩm riêng, nhìn chung cấu trúc và chức năng của các dòng sản phẩm này là t−ơng tự nh− công nghệ HORNET hoặc công nghệ RPR hoặc là sự lai ghép giữa hai công nghệ này. Nhận xét. Ch−ơng 2 chúng ta đã phân tích các kỹ thuật liên quan đến mạng đa truy nhập theo b−ớc sóng. Mạng này rất có tiềm năng đáp ứng đ−ợc các nhu cầu về băng thông lớn. Trong đó cũng đã nêu ra một số mạng đã đ−ợc thử nghiệm và triển khai. Các mạng WDMA hình sao dự kiến có một vai trò then Tần số Không có f10 Một sợi quang λ1 λ2 λ10 Dữ liệu Sóng mang phụ Dữ liệu Sóng mang phụ Dữ liệu Sóng mang phụ Sóng mang phụ Dữ liệu Dữ liệu Sóng mang phụ Dữ liệu Sóng mang phụ Sóng mang phụ Dữ liệu Dữ liệu Clock 2.5 GHz f1 f2 f10 Tần số Sóng mang phụ Dữ liệu Bộ phát thay đổi Dữ liệu f10 -48- chốt trong t−ơng lai của các mạng máy tính tốc độ cao, các mạng lai ghép đơn b−ớc - đa b−ớc cấu trúc ring cũng mở ra những hứa hẹn lớn trong việc xây dựng các mạng MAN chuyển mạch gói đáp ứng đ−ợc l−u l−ợng cũng nh− các loại hình dịch vụ trong t−ơng lai. Cho đến thời điểm này đã có rất nhiều các linh kiện, phần tử cho mạng WDMA cũng đã và đang đ−ợc phát triển hoàn thiện điều này chỉ ra rằng các mạng WDMA có tốc độ và chất l−ợng cao đã hội đủ điều kiện đ−ợc đ−a vào ứng dụng trong thời gian tới. -49- Ch−ơng 3 kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng mang phụ - scma 3.1 Giới thiệu chung. Rất nhiều kỹ thuật sóng mang phụ của hệ thống thông tin quang đ−ợc vay m−ợn từ công nghệ truyền dẫn vi ba trong đó sóng vi ba đ−ợc sử dụng để truyền dẫn một số l−ợng các kênh tần số đã đ−ợc ghép kênh qua ph−ơng tiên truyền dẫn. Sóng mang phụ ở đây đ−ợc hiểu theo nghĩa là các kênh vi ba đã đ−ợc điều chế sau đó lại đ−ợc đ−a vào điều chế quang và truyền dẫn trên cáp sợi quang. Đây chính là nguyên lý của kỹ thật SCM (subcarrier multiplexing). Trong kỹ thuật SCM thông tin ở mỗi kênh đ−ợc điều chế vào một sóng mang riêng và tất cả các sóng mang đã đ−ợc điều chế sau đó đ−ợc cộng lại sử dụng bộ phối hợp công suất vô tuyến (RF). Sau đó tín hiệu tổng hợp đ−ợc sử dụng để điều chế c−ờng độ sóng mang quang. Tín hiệu quang đ−ợc phát trong hệ thống thông tin quang theo kiểu điểm –tới - điểm hoặc điểm –tới -đa điểm (có thể bao gồm cả các bộ khuyếch đại quang) và đ−ợc thu nhận bởi bộ tách sóng photodiode có băng thông rộng. Sau đó bộ tách sóng photodiode sẽ biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Kênh mong muốn tại phía thu sẽ đ−ợc chọn bằng bộ lọc thông dải vô tuyến hoặc thu theo kiểu máy thu đổi tần số (tuner). Tính độc lập của mỗi sóng mang phụ có nghĩa cả tín hiệu t−ơng tự và tín hiệu số đều có thể đ−ợc truyền dẫn đồng thời. Hình 3.1: Nguyên lý kỹ thuật điều chế SCM Cáp quang E/O E/O LO LO#1 LO#2 LO#i LO#N Đầu thu Đầu phát Σ -50- Khi các kênh đ−ợc điều chế d−ới dạng quang, các tần số từ 107 đến 1010 Hz hoạt động nh− các sóng mang phụ cho sóng mang quang. Nguyên lý của kỹ thuật truy nhập SCMA dựa trên kỹ thuật điều chế SCM đ−ợc chỉ ra trên hình 3.1. Thông tin trong mỗi kênh đ−ợc điều chế với một sóng mang phụ riêng. Tín hiệu kết hợp sau đó đ−ợc sử dụng để điều chế với sóng mang quang. Do sóng mang phụ không ảnh h−ởng tới tuyến truyền dẫn quang, nên ta có thể truyền đồng thời cả tín hiệu t−ơng tự và tín hiệu số. Kỹ thuật SCMA đ−ợc chia ra làm hai loại đó là kỹ thuật SCMA đơn kênh và kỹ thuật SCMA đa kênh trong đó đa truy nhập sóng mang phụ đơn kênh chỉ có duy nhất một kênh sóng mang phụ đ−ợc ấn định cho mỗi bộ phát quang còn trong đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh thì bao gồm nhiều kênh sóng mang phụ đ−ợc kết hợp cùng với nhau trong phạm vi vô tuyến tr−ớc khi đ−a vào bộ phát quang. Hình 3.2 chỉ ra cấu trúc vật lý mạng hình sao MxM sử dụng SCMA. Dữ liệu từ mỗi nút đ−ợc sử dụng để điều chế ở tần số sóng mang phụ RF, sau đó sóng này đ−ợc sử dụng để điều chế trực tiếp c−ờng độ của nguồn phát quang bán dẫn bằng cách đ−a nó vào dòng thiên áp của nguồn phát. Các kênh quang từ các nút đ−ợc kết hợp và quảng bá tới các nút bằng coupler hình sao MxM. Tại phía thu thực hiện lựa chọn kênh bằng bộ lọc băng thông RF hoặc bằng bộ thu đổi tần. Nếu các bộ dao động nội của các bộ thu phát vô tuyến có thể thay đổi đựơc thì trong tr−ờng hợp này khả năng đa truy nhập động đ−ợc cung cấp. SCMA có một sóng mang phụ trên một kênh và một nguồn phát quang (đ−ợc gọi là SCMA đơn kênh) vì vậy rất giống với WDMA, ngoại trừ với SCMA đơn kênh thì việc kế