LUẬN VĂN THẠC SĨ : CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP TRÊN WDM

Chia sẻ: Orchid_1 Orchid_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:111

Thêm vào BST

Báo xấu

189
lượt xem 49
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong một vài năm gần đây đã có sự bùng nổ về lưu lượng IP do sự phát triển của các ứng dụng đa phương tiện như HDTV, điện thoại Internet, âm thanh số…Điều này dẫn đến có nhiều nghiên cứu về các kỹ thuật phân chia trong truyền dẫn tốc độ cao cũng như các công nghệ chuyển mạch, trong đó WDM đã nổi lên như là một công nghệ truyền dẫn mạng lõi đường trục Internet thế hệ sau với khả năng hỗ trợ đồng thời nhiều kênh tốc độ cao trên một sợi cáp quang....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LUẬN VĂN THẠC SĨ : CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG IP TRÊN WDM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------------- ĐỖ SINH TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG IP TRÊN WDM ĐỖ SINH TRƯỜNG 2006-2008 HÀ NỘI 2008 Hà Nội 2008
1 LỜI NÓI ĐẦU Trong một vài năm gần đây đã có sự bùng nổ về lưu lượng IP do sự phát triển của các ứng dụng đa phương tiện như HDTV, điện thoại Internet, âm thanh số…Điều này dẫn đến có nhiều nghiên cứu về các kỹ thuật phân chia trong truyền dẫn tốc độ cao cũng như các công nghệ chuyển mạch, trong đó WDM đã nổi lên như là một công nghệ truyền dẫn mạng lõi đường trục Internet thế hệ sau với khả năng hỗ trợ đồng thời nhiều kênh tốc độ cao trên một sợi cáp quang. Một trong những vấn đề nảy sinh khi thực hiện kỹ thuật này đó là làm thế nào để hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng IP trên WDM. Lý do là bởi vì hiện tại IP cung cấp dịch vụ không kết nối, truyền dẫn không tin cậy và phân phối gói tin đáp ứng tốt nhất nhưng các ứng dụng thời gian thực hiện nay lại có yêu cầu về QoS rất cao. Chất lượng dịch vụ đối với IP thường được đánh giá dựa vào các tiêu chí về tỷ lệ mất gói tin (được tính bằng số gói tin bị mất trên tổng số gói tin được truyền trên mạng), độ trễ gói tin (được tính là khoảng thời gian cần để truyền gói tin từ nguồn đến đích so với giá trị thời gian trung bình của các gói tin cùng nguồn /đích). Trong mạng IP trên WDM, có ba phương pháp chuyển mạch được ứng dụng là chuyển mạch định tuyến bước sóng (WR), chuyển mạch gói quang (OPS) và chuyển mạch chùm quang (OBS) và mỗi phương pháp đều có các ưu nhược điểm khác nhau. Tuy nhiên trong khuân khổ luận văn này chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu chính về QoS của mạng IP trên WDM sử dụng công nghệ chuyển mạch chùm quang . Hiện nay, các mô hình QoS đều dựa trên chuyển mạch gói và qui định việc sử dụng bộ đệm để phân tách các lớp lưu lượng khác nhau được gọi là mô hình dựa trên bộ đệm (buffer-based). Thuật toán lập lịch trong mô hình này thường có độ phức tạp cao. Ngoài ra nó rất khó có thể áp dụng vào các mạng WDM với nguyên nhân chính là bởi sự truyền dẫn của lưu lượng trong các phương pháp này dựa trên mô hình lưu-và- chuyển tiếp và sử dụng bộ đệm để tránh xung đột. Do bộ đệm quang chưa phát triển
2 nên bộ đệm điện tử được sử dụng trong các chuyển mạch quang cùng với các bộ chuyển đổi quang-điện. Mặc dù có các đường trễ quang (FDL) được sử dụng để thay thế các bộ chuyển đổi này nhưng thực tế nó chưa đáp ứng được đầy đủ các khả năng theo các yêu cầu chất lượng dịch vụ cơ bản. Mục đích của luận văn này là tìm hiểu về các mô hình QoS và các thuật toán có thể áp dụng cho mạng IP trên WDM, đặc biệt là với mạng WDM sử dụng công nghệ chuyển mạch chùm quang OBS. Ngoài ra luận văn cũng đề cập đến phương pháp nâng cao hiệu năng QoS bằng cách chèn thêm các sợi trễ quang FDL. Bố cục của luận văn bao gồm 5 chương, chia thành hai phần chính. Phần thứ nhất bao gồm ba chương đầu nói về các kiến thức tổng quan về hệ thống mạng quang sử dụng công nghệ WDM. Chương 1 nói về mạng WDM và các thành phần cơ bản. Chương 2 đề cập đến các kỹ thuật chuyển mạch quang, đặc biệt là hệ thống chuyển mạch chùm quang và các giao thức hỗ trợ QoS. Chương 3 đề cập đến vấn đề tích hợp IP trên hệ thống mạng WDM và giao thức chuyển mạch nhãn đa giao thức sử dụng trong mạng này. Phần thứ hai bao gồm hai chương cuối. Chương 4 nói về các vấn đề về QoS trong mạng IP/WDM và các giải thuật lập lịch kênh trong chuyển mạch chùm quang OBS. Chương cuối cùng sẽ xây dựng một mô phỏng hệ thống mạng WDM và đánh giá các kết quả thu được trên hệ thống mô phỏng này. Hà Nội, tháng 11 năm 2008 Học viên ĐỖ SINH TRƯỜNG
3 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ABR Aggressive Burst Rescheduling: Tái lập lịch chùm quang linh hoạt ADM Add/Drop Multiplexer: Bé ghÐp kªnh xen/rÏ APD Avalanche Photo Diode: §ièt quang th¸c APD APS Automatic Protection Switching: ChuyÓn m¹ch b¶o vÖ tù ®éng ATM Ansynchronous Transfer Mode: KiÓu chuyÒn dÉn kh«ng ®ång bé AWG Array Wave Grating: C¸ch tö AWG BER Bit Error Ratio: TØ lÖ lçi bit BPH Burst Header Packet: Gói mào đầu chùm quang CB Control Burst: Chùm quang điều khiển DB Data Burst: Chùm quang dữ liệu DCG Dispersion Compensating Grating: C¸ch tö bï t¸n s¾c DSF Dispersion-shifted Singlemode DWDM Density Wavelengh Division Multiplexer: GhÐp kªnh theo b−íc sãng mËt ®é cao DXC Digital Cross-connect: Bé ®Êu nèi chÐo EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier: Bé khuÕch ®¹i quang sîi FDL Fiber Delay Line: Đường trễ quang First Fit Unscheduled Channel: Kênh chưa lập lịch phù hợp đầu tiên FFUC FXC Fiber Cross-Connect: đấu chéo sợi quang IP Internet Protocol: Giao thøc Internet ISDN Intergrated Service Digital Network: Mang sè ®a dÞch vô JET Just Enough Time JIT Just In Time Latest Available Unscheduled Channel: Kênh chưa lập lịch khả dụng LAUC cuối cùng Label Edge IP Router: bộ định tuyến biên IP nhãn LER
4 Label Information Base: Cơ sở thông tin nhãn LIB LSP Label-Switched Path: Đường chuyển mạch nhãn LSR Label Switched IP Router: bộ định tuyến IP chuyển mạch nhãn MPLS Multi-Protocol Label Switching: Chuyển mạch nhãn đa giao thức OADM Optical Add/Drop Multiplexer: Bé xen/rÏ b−íc sãng quang OBS Optical Burst Switching: Chuyển mạch chùm quang OC Optical Channel: Kªnh quang ODBR On-Demand burst rescheduling: Tái lập lịch chùm quang theo yêu cầu ODM Optical Demultiplexer: Bé t¸ch b−íc sãng quang OPS Optical Packet Switching: Chuyển mạch gói quang OSN Optical Swiching Node: Nút chuyển mạch quang OXC Optical Cross-connect: Bé ®Êu nèi chÐo quang SCU Switching Control Unit: Đơn vị điều khiển chuyển mạch SDH Synchronous Digital Hierarchy: Ph©n cÊp sè ®ång bé SMF Single Mode Fiber: Sợi quang đơn mốt SNR Signal to Noise Ratio: TØ sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m SOA Semiconductor Optical Amplifier: Khuếch đại quang bán dẫn SONET Synchronous Optical NETwork: M¹ng quang ®ång bé TAW Tell And Wait: Báo và chờ TDM Time Division Multiplexing: GhÐp kªnh theo thêi gian WDM Wavelengh Division Multiplexer: GhÐp kªnh ph©n chia theo b−íc sang WIXC Wavelength Interchanging Cross Connect: Chuyển mạch trao đổi bước sóng WSXC Wavelength Selective Cross Connect: Chuyển mạch lựa chọn bước sóng
5 DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1.1. Vùng bước sóng [11] Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM [1] Hình 1.3 Hệ thống ghép kênh theo bước sóng song hướng và đơn hướng [1] Hình 1.4 Bộ xen/rẽ kênh quang (OADM) [10] Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống OXC 3×3 với hai bước sóng trên mỗi sợi quang [32] Hình 1.6 Một số dạng OXC [32] Hình 2.1 Chuyển mạch gói quang[23] Hình 2.2 Mô hình chuyển mạch chùm quang (OBS)[23] Hình 2.3 OPS và OBS [12] Hình 2.4 Giao thức JET [27] Hình 3.1 Mô hình mạng quang [36] Hình 3.2 Mối quan hệ giữa các bộ định tuyến IP và OXC trong mặt phẳng điều khiển[36] Hình 3.3 Mô hình dịch vụ [36] Hình 3.4 Các mô hình vận chuyển IP trên WDM [36] Hình 3.5: Tương tác giữa lớp quang và các lớp trên [36] Hình 3.6 Tương tác giữa mạng MPLS và MPLambdaS[36] Hình 3.7 Mô hình mạng IP/MPLS/MPLambdaS định tuyến theo bước sóng[23] Hình 3.8 Truyền dẫn trục chính IP/ OBS WDM dùng MPLS[35] Hình 3.9 Mô hình chức năng tại OXC hỗ trợ OBS và MPLS[35] Hình 3.10 Giao diện MAC giữa IP và các lớp OBS WDM[35] Hình 4.1 Thời gian trễ cho dịch vụ được bảo đảm [2] Hình 4.2 Kiến trúc nút lõi (core node) trong mạng OBS [24] Hình 4.3 Mối quan hệ giữa thời gian đến của BHPi và DBi[24] Hình 4.4 Minh họa của thuật toán LAUC [2] Hình 4.5 Mô tả thuật toán LAUC-VF [2]
6 Hình 4.6 Ví dụ về phương pháp tái lập lịch [21] Hình 4.7 Ví dụ về tái lập lịch đa mức [21] Hình 4.8 Ví dụ về lập lịch đa mức [21] Hình 4.9 Không lập lịch theo phương pháp LAUC, LACU-VF và ODBR [21] Hình 4.10 Ví dụ về thuật toán ABR [21] Hình 4.11 Cấu trúc nút chuyển mạch quang [25] Hình 4.12 Cấu trúc bộ đệm FDL[25] Hình 4.13 Phân tách lớp trong đặt trước tài nguyên[25] Hình 4.14 Sự khác biệt giữa FDL và hàng đợi [25] Hình 5.1 Kiến trúc OWns và các tầng Hình 5.2 Các thành phần của OWns Hình 5.3 Ví dụ mô phỏng mạng với 25 nút Hình 5.4 Mối quan hệ giữa xác suất bị chặn và hệ số chuyển đổi bước sóng Hình 5.5 Mối quan hệ giữa hệ số chuyển đổi bước sóng và trễ trung bình gói tin Hình 5.6 Mối quan hệ giữa số hop trung bình và hệ số chuyển đổi bước sóng Hình 5.7 Mối quan hệ giữa độ hiệu dụng của liên kết với hê số chuyển đổi bước sóng Hình 5.8 Mối quan hệ giữa xác suất bị chặn và tải lưu lượng Hình 5.9 Mối quan hệ giữa tải lưu lượng và trễ trung bình gói tin Hình 5.10 Mối quan hệ giữa lưu lượng tải và số hop trung bình Hình 5.11 Mối tương quan giữa tải lưu lượng và độ hiệu dụng liên kết Bảng 5.1 Xác suất bị chặn Bảng 5.2 Trễ trung bình gói tin Bảng 5.3 Số hop trung bình Bảng 5.4 Mối quan hệ giữa độ hiệu dụng của liên kết với hê số chuyển đổi bước sóng Bảng 5.5 Xác suất bị chặn và tải lưu lượng Bảng 5.6 Trễ trung bình gói tin và tải lưu lượng biến đổi Bảng 5.8 Mối tương quan giữa tải lưu lượng và độ hiệu dụng liên kết
7 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM) 1.1. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA TRUYỀN DẪN SỢI QUANG Truyền dẫn sợi quang bắt đầu được áp dụng từ thế kỷ 19 và cơ bản đã đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn các dịch vụ hiện tại. Các hệ thống truyền dẫn sợi quang với các ưu điểm về dung lượng truyền tải, băng thông, cự ly truyền dẫn lớn, tỷ lệ lỗi thấp, tránh được giao thoa điện trường, khả năng bảo mật... đã ngày càng được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi. Trong truyền dẫn quang, người ta có xu hướng sử dụng những vùng phổ quang nhất định, ở đó suy hao quang được tính toán là thấp nhất. Những vùng này, thường được gọi là cửa sổ, nằm giữa các khu vực có độ hấp thụ ánh sáng cao. Ban đầu, hệ thống thông tin quang hoạt động ở cửa sổ thứ nhất, khu vực bước sóng xấp xỉ 850nm trước khi người ta nhận ra rằng ở cửa số thứ 2 (băng S), khu vực bước sóng 1310nm, có hệ số suy hao thấp hơn và thấp hơn nữa ở khu vực cửa sổ thứ 3 bước sóng 1550nm (băng C). Ngày nay, cửa sổ thứ tư (băng L) bước sóng 1625nm vẫn đang được nghiên cứu để ứng dụng. Bốn cửa sổ đã trình bày được minh hoạ như trên hình 1.1. Hình 1.1. Vùng bước sóng [11]
8 Công nghệ WDM được áp dụng đầu tiên vào đầu những năm 80’s sử dụng 2 bước sóng cách nhau khá xa trong vùng 1310nm và 1550nm (hoặc 850nm hoặc 1310nm) và được gọi là WDM băng rộng. Vào đầu những năm 90’s, bắt đầu xuất hiện công nghệ WDM thế hệ thứ 2, còn gọi là WDM băng hẹp, sử dụng từ 2 đến 8 kênh. Các kênh này thuộc cửa sổ 1550nm và cách nhau khoảng 400GHz. Đến giữa những năm 90’s, các hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) được phát triển với 16 đến 40 kênh và khoảng cách mỗi kênh từ 100 đến 200 GHz. Cho đến cuối thập kỷ 90, các hệ thống DWDM đã sử dụng tới 64 đến 160 kênh với khoảng cách mỗi kênh là 50 thậm chí 25 GHz. [11] 1.2 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG 1.2.1 Định nghĩa Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ truyền dẫn đồng thời nhiều bước sóng tín hiệu quang trong một sợi quang. Ở đầu phát, các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải (tách kênh) khôi phục lại thành các tín hiệu gốc và đưa đến các thiết bị đầu cuối khác nhau đến đích mong muốn. Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM [1] Như minh họa trong hình 1.2, hệ thống WDM bao gồm các các chức năng thành phần như sau:
9 - Phát tín hiệu: Hệ thống WDM sử dụng nguồn tín hiệu Laser. Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, độ rộng phổ, bước sóng trung tâm phải nằm trong giới hạn cho phép. - Ghép/Tách tín hiệu: Ghép tín hiệu là sự kết hợp một số bước sóng ánh sang khác nhau thành một tín hiệu tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tách tín hiệu là phân tách luồng tín hiệu tổng hợp đó thành các bước sóng tín hiệu riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tách. Khi nói đến các bộ tách/ghép tín hiệu, ta phải xét đến các tham số như khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm của các kênh, suy hao… - Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, các vấn đề về khuếch đại tín hiệu… - Khuếch đại tín hiệu: Được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn có khoảng cách xa nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu ở nơi nhận. Có ba chế độ khuếch đại tín hiệu: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại. - Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như các hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD. 1.2.2 Phân loại hệ thống WDM Hệ thống WDM về cơ bản chia làm 2 loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như minh hoạ trên hình 1.3. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy, để truyền thông tin giữa 2 điểm cần 2 sợi quang. Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm.
10 Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy: • Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng. • Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố ngay lập tức. • Về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng… Hình 1.3- Heä thoáng gheùp keânh theo böôùc soùng song höôùng vaø ñôn höôùng.[1]
11 Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng. 1.2.3 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ưu điểm nổi trội: - Dung lượng truyền dẫn lớn: Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứng với tốc độ bit nào đó (TDM). Do đó hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM. Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử nghiệm thành công. Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s). - Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao: Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bước sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp. Điều này làm giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do đó tránh được sự phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao. - Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động: Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có mà không phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang). Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc thuê sợi hoặc cáp. Việc nâng cấp chỉ đơn giản là gắn thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-n-play).
12 - Quản lý băng tần hiệu quả và thiết lập lại cấu hình một cách mềm dẻo và linh hoạt: Việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM cho phép quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và thiết lập lại cấu hình dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần thi công lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại. - Giảm chi phí đầu tư mới. Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở ngay bản thân công nghệ. Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ này: - Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang: Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng nhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang. Cho dù công nghệ còn phát triển những dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn. - Chi phí cho khai thác tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động hơn. Tuy nhiên, chi phí cho bảo dưỡng hệ thống WDM vẫn nhỏ hơn rất nhiều nếu so sánh với hệ thống TDM có dung lượng tương đương. 1.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG WDM 1.3.1. Nguồn phát a. Yêu cầu đối với nguồn phát - Độ rộng phổ hẹp và phổ vạch: Nhìn chung, hệ thống WDM cũng sử dụng các nguồn phát giống như đối với hệ thống truyền dẫn đơn kênh cự ly dài. Tuy nhiên trong trường hợp này chúng ta sử dụng loại Laser DFB hoặc DBR có duy nhất một vạch phổ trong dải phổ của nó. Độ rộng phổ tuỳ thuộc vào số lượng kênh trong hệ thống và dung sai của các phần tử. - Độ ổn định bước sóng phát: Trong hệ thống WDM cần giảm thiểu sự thay đổi bước sóng nguồn phát trong suốt thời gian hoạt động để tránh được những ảnh hưởng không mong muốn đến chỉ tiêu hệ thống.
13 - Khả chỉnh: Laser khả chỉnh có nghĩa rất lớn trong mạng quang tương lai, đặc biệt trong mạng quảng bá. Khả năng điều chỉnh của bộ phát lẫn bộ thu ảnh hưởng đến chỉ tiêu của toàn bộ hệ thống. b. Các loại nguồn phát được sử dụng hiện nay Nguồn phát quang thường được sử dụng hiện nay là điode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD). 1.3.2 Phần tử tách ghép bước sóng Các phần tử tách ghép bước sóng có các tham số cơ bản sau: - Bước sóng trung tâm: Đối với cách tử là bước sóng tại trung tâm của băng phản xạ, còn đối với các bộ lọc là bước sóng nằm giữa hai bước sóng ở 2 cạnh của băng. - Băng tần: Băng tần đặc trưng cho dải bước sóng phản xạ đối với cách tử và dải bước sóng lọc đặc trưng bởi khoảng cách (theo thiết kế) giữa các cạnh bộ lọc. - Đỉnh phản xạ: Đỉnh phản xạ định nghĩa cho cách tử, tương ứng lượng ánh sáng phản xạ tại bước sóng trung tâm - Bước sóng danh định: Bước sóng danh định sử dụng cho bộ lọc, được qui định từ nhà sản xuất. Bước sóng trung tâm thực tế thường là khác bước sóng này - Suy hao xen: Suy hao xen là lượng tổn hao công suất trên tuyến truyền dẫn quang do sự xuất hiện của các bộ ghép bước sóng. - Xuyên kênh: Xuyên kênh là sự xuyên nhiễu tín hiệu từ kênh này sang kênh khác, nói cách khác là sự xuất hiện của tín hiệu kênh này trong kênh lân cận. Sự xuyên kênh này làm tăng nền nhiễu của kênh tín hiệu dẫn đến giảm tỷ số S/N. - Độ rộng phổ của kênh: Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh. Độ rộng phổ này phải đủ lớn để đảm bảo ngăn chặn được nhiễu giữa các
14 kênh, do đó nó được xác định tuỳ theo từng loại nguồn quang. 1.3.3 Sợi quang a. Sợi SMF (theo ITU G.652) Sử dụng loại sợi SMF cho phép đạt tới cự ly xấp xỉ 1000 km tại tốc độ STM-16 mà không cần sử dụng các bộ bù tán sắc. Tuy nhiên với tốc độ STM-64 nếu sử dụng loại sợi này thì chỉ đạt được khoảng cách khoảng 60 km nếu không sử dụng bù tán sắc. Cũng vì tán sắc lớn tại vùng bước sóng 1550 nm nên hiệu ứng FWM không xảy ra trong sợi SMF. b. Sợi DSF (theo ITU G.653) Loại sợi này đặc biệt phù hợp với các hệ thống đơn kênh, cự ly dài, dung lượng lớn. Tuy nhiên loại sợi này được khuyến nghị là không sử dụng cho các hệ thống WDM. Trong trường hợp tuyến đang sử dụng loại sợi này, muốn nâng cấp tăng dung lượng bằng kỹ thuật WDM thì phải chọn vùng bước sóng có tán sắc đủ lớn để tránh hiệu ứng FWM. Điều này làm hạn chế khả năng tăng dung lượng của hệ thống. c. Sợi NZ-DSF (theo ITU G.655) Tán sắc của loại sợi này đủ nhỏ để cho phép truyền với tốc độ 10 Gb/s trên khoảng cách 300 - 400 km mà không cần bù tán sắc nhưng cũng đủ lớn để giảm ảnh hưởng của FWM trong dải băng của EDFA (từ 1530 - 1565 nm). Vì vậy loại sợi này đặc biệt thích hợp với các hệ thống WDM tốc độ cao, cự ly truyền dẫn lớn. 1.3.4 Đầu thu (bộ tách sóng quang) a. PIN - Hiệu suất lượng tử (QE): là tỷ lệ giữa số electron thu được tại vùng chuyển tiếp và số photon tới. Hiệu suất lượng tử tuyệt đối là 1 nếu có 1 photon tới thì giải phóng 1 electron. QE phụ thuộc vào bước sóng hoạt động.
15 - Độ đáp ứng: Độ đáp ứng quan tâm đến năng lượng photon. Nó được đo bằng dòng photo đầu ra của thiết bị (đơn vị là A) chia cho công suất quang đầu vào (đơn vị là W). Đối với một photodiode silic thì độ đáp ứng điển hình ở bước sóng 900nm là 0,44. b. Photodiode thác (APD) Dạng cơ bản của một APD là một photodiode PIN có thế hiệu ngược rất lớn (thường khoảng 50V). Các tham số quan trọng của APD: - Độ nhạy - Tốc độ hoạt động - Tích độ tăng ích và băng tần - Nhiễu 1.3.5 Khuếch đại quang Khuếch đại quang được sử dụng trọng các hệ thống truyền dẫn để tăng khoảng cách trạm lặp hay tăng cự ly truyền dẫn. Khuếch đại trong các hệ thống WDM đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Do có nhiều kênh quang cùng hoạt động nên các yêu cầu về đặc tính khuếch đại của hệ thống WDM nghiêm ngặt hơn nhiều so với hệ thống đơn kênh. Có nhiều kiểu khuếch đại nhưng cho đến nay người ta chủ yếu tập trung vào hai loại sau: khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi (AFA). Tuy nhiên, các phẩm chất của SOA trong cửa sổ sóng 1550 nm kém hơn AFA ở nhiều khía cạnh như: độ khuếch đại, công suất bão hoà và mức độ phụ thuộc phân cực nên trong các ứng dụng ngày nay khuếch đại quang sợi đã trở thành độc tôn. Công nghệ khuếch đại quang sợi đã gặt hái được rất nhiều thành công và đến nay nó được đánh giá là công nghệ trụ cột trong tương lai của mạng quang.
16 1.4 MẠNG WDM 1.4.1. Một số thành phần chính trong mạng WDM 1.4.1.1.Thiết bị OADM Trên thực tế, đôi khi người ta cần thực hiện việc tách hoặc/và ghép một số kênh xác định nào đó trong luồng tín hiệu. Để thực hiện nhiệm vụ này phải cần đến một loại thiết bị chuyên dụng, đó là thiết bị xen/rẽ kênh hay gọi ngắn gọn là thiết bị xen/rẽ. [10] Thiết bị xen/rẽ kênh quang (OADM) thực hiện chức năng thêm vào và tách ra một kênh tín hiệu từ tín hiệu WDM mà không gây ra nhiễu với những kênh khác trong sợi. Theo thời gian chức năng xen/rẽ kênh quang của OADM đã dần hoàn thiện và linh hoạt hơn. Hình 1.4 Bộ xen/rẽ kênh quang (OADM) [10] 1.4.1.2. Thiết bị OXC Dưới góc độ phần tử mạng, thiết bị đấu nối chéo quang (OXC) là một phần tử chuyển mạch quang linh hoạt cho phép chuyển mạch tín hiệu tới từ một cổng đầu vào đến một hoặc nhiều cổng đầu ra khác nhau. Dưới góc độ mạng, đấu nối chéo là một nút chuyển mạch mà trạng thái thay đổi theo hệ thống quản lý mạng chứ không theo báo hiệu trong mạng. Do đó những thay đổi này thường kéo dài trong
17 khoảng thời gian tính bằng giây. Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống OXC 3×3 với hai bước sóng trên mỗi sợi quang [32] Bộ đấu nối chéo quang (OXC) được xem như nền móng cho lớp mạng quang, nó đem lại cho người sử dụng khả năng lựa chọn mềm dẻo và linh hoạt cấu hình mạng (topo mạng) với độduy trì mạng cao. Ngày nay các thiết bị này chủ yếu xuất hiện trong môi trường mạng đường trục. Tuy nhiên những thiết bị loại này đang được trông đợi nhiều ở tất cả các cấp mạng bao gồm cả ở mạng nội hạt. Rào cản hiện tại của những thiết bị này trong mạng thực tế đó là giá thành. Chức năng chính của OXC sẽ là khả năng tái cấu hình mạng một cách linh hoạt ở mức bước sóng cho khôi phục mạng hoặc thích ứng đối với những thay đổi nhu cầu băng tần.[10] Một số chức năng của OXC hiện nay: - Quản lý băng tần và kết nối để cung cấp kết nối cho các kênh thuê riêng và kết nối của các kênh quang (hỗ trợ cho tải SDH), cung cấp chức năng xen/rẽ bước sóng.
18 - Sắp xếp hiệu quả bước sóng để tận dụng tốt hơn cơ sở hạ tầng đã có. - Phát triển từ từ các dịch vụ 10Gbit/s đến 40Gbit/s, đem lại một chi phí thấp cho mạng - Bảo vệ và khôi phục mạng ở mức bước sóng. - Định tuyến và liên kết ở mức bước sóng. Hiện nay, có thể phân thiết bị OXC thành hai loại chính: OXC dựa trên ma trận chuyển mạch điện (lõi điện) và OXC dựa trên ma trận chuyển mạch quang (lõi quang). Trước đây do công nghệ quang chưa chế tạo được chuyển mạch quang không gian lớn nên nhiều nhà sản xuất thiết bị hướng đến sử dụng ma trận điện trong các thiết bị đấu nối chéo quang của mình. Chính vì vậy mà phần lớn thiết bị được quảng cáo ngày nay của một số hãng lớn như Ciena, Cisco Network, Sycamore được phát triển trên nền này. Tín hiệu quang tới và ra khỏi OXC phải qua giao diện O/E, tốc độ xử lý cơ sở trong kiểu OXC này thường là 2,5Gbit/s. [32] Tuy nhiên khi nối chéo những tốc độ lớn như 10 hoặc 40Gbit/s thì các bị OXC này sẽ bộc lộ những nhược điểm về công nghệ của mình như xuyên kênh lớn, kích thước chuyển mạch nhỏ (
19 FXC là kiểu chuyển mạch ít phức tạp nhất trong số hai kiểu còn lại (do đó cũng rẻ hơn). Trong một số phần mạng mà việc bảo vệ chống đứt sợi là vấn đề chính thì FXC có thể là một giải pháp hợp lý. Chúng tận dụng tối đa các công nghệ quang hiện tại. Chúng có thể cung cấp các khả năng khôi phục và dự phòng đơn giản nhưng lại không linh hoạt (nhằm hỗ trợ các dịch vụ bước sóng điểm-điểm mới). Hình 1.6 (a)OXC chuyển mạch sợi, (b)OXC chuyển mạch lựa chọn bước sóng, (c) chuyển mạch trao đổi bước sóng [32] b. OXC lựa chọn bước sóng (WSXC) WSXC chuyển mạch một nhóm các kênh bước sóng từ một sợi đầu vào đến một sợi đầu ra. Về mặt chức năng thì chúng yêu cầu giải ghép (theo tần số) các tín hiệu đến thành bước sóng ban đầu của chúng. WSXC còn có tính linh hoạt trong việc khôi phục dịch vụ. Các kênh bước sóng có thể được bảo vệ riêng biệt nhờ cơ chế bảo vệ mesh, ring hoặc kết hợp. c. OXC trao đổi bước sóng (WIXC) WIXC hoàn toàn giống như WSXC mô tả trên nhưng có thêm khả năng chuyển đổi hoặc thay đổi tần số (hoặc bước sóng) của kênh từ tần số này đến tần số khác. Đặc tính này làm giảm xác suất không được định tuyến từ sợi đầu vào đến sợi đầu ra do sự cạnh tranh bước sóng. WIXC có tính linh hoạt cao nhất trong việc khôi phục và dự