Chương 1. Giới thiệu mạng thông tin quang 1. Giới thiệu Mạng viễn thông đã sử dụng các sợi quang từ những năm 1980 làm giải pháp gia tăng băng tần cần thiết cho mạng điện thoại. Mặt khác sợi quang tăng tỷ số tín hiệu trên tạp từ 109 (với cáp đồng) đến 1012 (với sợi quang) đây chính là điểm mạnh cho việc truyền lưu lượng số liệu.
Mạng truyền tải quang được xem như là sự phát triển của mạng quang từ mặt kiến trúc mạng và các bức tranh truyền tải tín hiệu tương ứng. Kiến trúc mạng được xem xét từ các phân miền địa lý khác nhau, các công nghệ ghép kênh, các chức năng chuyển mạch và định tuyến, dung lượng truyền tải và các công nghệ sử dụng. Ngày nay, từ mạng quang đồng bộ một bước sóng SONET/SDH (Single wavelength synchronous Optical Network/ Synchronous Digital Heirarchy) dựa trên truyền tải điểm-điểm đã phát triển đến giai đoạn truyền dẫn quang đa bước sóng. Sự phát triển của mạng quang bắt đầu từ SONET với định nghĩa phân cấp ghép kênh theo miền thời gian trong miền điện ETDM (Electronic Time- Domain Multiplexing) là các tín hiệu đồng bộ STS-n cho tốc độ bit cao trong miền quang là các kênh quang bậc n (OC-n).
SONET không phải là mạng mà là một giao diện nó tập hợp tất cả lưu lượng tại các bộ ghép kênh điện. Dòng bit tốc độ cao sau đó được chuyển đổi sang tín hiệu quang OC-n. Tại lớp vật lý SONET/SDH định ra một khung 125µs và phân cấp phân chia theo thời gian TDM (Time Domain Multiplexing) là OC-n/STM-m với n=3m [4]. Mạng dựa trên SONET/SDH bao gồm các nút hoặc các phần tử mạng được liên kết bằng cáp sợi quang.
Cấu hình mạng điểm-điểm xây dựng dựa trên mạng quang đồng bộ ngày nay có nhiều loại khác nhau như ring, cây, mesh… Các phần tử mạng quang đồng bộ thu các tín hiều từ nhiều nguồn khác nhau như là các bộ ghép kênh truy nhập, ATM (Asynchronous Transfer Mode), LAN, MAN. Được phát triển từ đầu những năm 1980, SONET/SDH đã góp phần thay thế hầu hết cáp đồng trong mạng đường trục bằng cáp sợi quang. Song song với sự phát triển các công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM và ghép kênh theo thời gian trong miền điện TDM, các nhà nghiên cứu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 13 - đưa ra kỹ thuật ghép kênh theo thời gian trong miền quang OTDM (Optical Time Domain Multiplexing) lên đến tốc độ từ hàng chục đến hàng trăm Gb/s. Từ những năm 1990, khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) đã được sử dụng các tín hiệu đa bước sóng có thể được khuếch đại mà không cần phải tách ra từng kênh.
Những tên gọi ghép kênh lỏng, ghép kênh mật độ cao, ghép kênh mật độ rất cao và các tiêu chuẩn mới vẫn được tiếp tục phát triển [3]. Mạng toàn quang được đưa ra từ những năm 1990 là một giải pháp mạng tính cách mạng hướng tới đáp ứng sự gia tăng rất nhanh nhu cầu băng tần do các công nghệ viến thông mới như internet, email, dịch vụ điện toán peer-to-peer, truyền hình hội nghị thêm vào lưu lượng thoại truyền thống. Quá trình phát triển của mạng chuyển tải quang Cáp sợi quang và các công nghệ liên quan cho phép truyền các dung lượng thoại và số liệu có tốc độ cao hơn và xa hơn tạo ra mạng quang đường trục trong cơ sở hạ tầng mạng viễn thông. Mạng quang thế hệ thứ nhất cung cấp tốc độ cao và truyền tải đường dài dựa trên SONET/SDH.
Trong các mạng quang, các gói số liệu được truyền tải tại tốc độ bit cao trong miền quang trên khoảng cách dài. Tuy nhiên, chuyển mạch kênh, phân chia lưu lượng, định tuyến, và các chức năng bảo vệ lại được thực hiện hoàn toàn trong miền điện. Các việc này khi thực hiện phải thực hiện các bộ biến đổi điện quang, quang điện O/E/O. Tốc độ bit đã được gia tăng từ 2,5 đến 10 Gb/s trong SONET/SDH sử dụng công nghệ ghép bước sóng quang mật độ cao DWDM, DWDM gia tăng hiệu quả sử dụng băng tần truyền dẫn.
Khi lưu lượng xử lý tại truyền tải đường dài và tại các nút trung gian trở nên phức tạp mạng quang sau đó được phát triển lên mạng quang thế hệ thứ hai ở đó một số chức năng định tuyến và chuyển mạch là quang với điều khiển điện [4]. Có 2 công nghệ thiết bị quan trọng như nhau trong mạng quang thế hệ thứ hai là bộ xen rẽ quang OADM và bộ circulator. Những thiết bị này cho phép định tuyến và chuyển mạch ở lớp bước sóng. Mạng quang thế hệ thứ hai, dựa trên công nghệ WDM tạo thành lớp quang cung cấp các dịch vụ luồng quang, chuyển mạch kênh và kênh ảo quang.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 14 - Chuyển mạch toàn quang sẽ đem đến cho mạng quang một thế hệ mạng kế tiếp được thừa nhận ngày nay là thế hệ mạng quang thứ ba của hệ thống truyền tải quang. Các chức năng chuyển mạch và định tuyến trong mạng quang thế hệ thứ ba sẽ cung cấp các nối chéo quang OXC (Optical Cross-Connect). Xu hướng phát triển công nghệ mạng quang được nhìn tổng thể trên bức tranh phát triển kiến trúc mạng truyền tải quang, các công nghệ được sử dụng trong mạng truyền tải trong từng giai đoạn. Xu hướng công nghệ truyền tải Mạng chuyển mạch gói quang Mạng chuyển mạch chùm quang Mạng định tuyến bước sóng động Mạng định tuyến bước sóng tĩnh Mạng sử dụng OADM Mạng WDM điểm- điểm Thời gian Hình 1.
Công nghệ sử dụng trong mạng truyền tải Trong thế hệ mạng thứ nhất các kiến trúc mạng quang bao gồm các liên kết WDM điểm-điểm. Mạng quang khi đó bao gồm một số liên kết điểm-điểm tại đó tất cả lưu lượng đến một nút được lấy ra, chuyển đổi quang sang điện, xử lý điện và chuyển đổi từ điện sang quang trở về nút. Việc lấy ra và cộng vào lưu lượng tại mỗi nút trong mạng phải chịu chi phí đáng kể cho chuyển mạch và xử lý tín hiệu điện [3]. Trong kiến trúc thế hệ mạng quang thứ hai dựa trên các bộ xen rẽ bước sóng quang OADM (Optical Add-Drop Multiplexer).
OADM cho phép lựa chọn các kênh bước sóng trên một sợi để kết cuối trong khi các bước sóng khác vẫn tiếp tục đi qua. Nói tóm lại, toàn bộ lưu lượng đi qua mạng cao hơn khối lượng lưu lượng cần thiết trích xuống một nút. Bằng việc sử dụng OADM chúng ta có thể giảm chi phí xử lý tín hiệu trên mạng. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 15 - Trong kiến trúc mạng quang thế hệ thứ ba, để xây dựng một mạng mesh bao gồm các liên kết sợi đa bước sóng, tương ứng với nó các công nghệ thiết bị toàn quang liên kết sợi được nghiên cứu và đưa ra.
Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng Một kỹ thuật đang được phát triển trong các mạng quang là kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo bước sóng WDM. Công nghệ WDM khai thác băng thông truyền dẫn lớn gần như vô hạn của sợi quang. Công nghệ này cho phép mỗi sợi quang có thể truyền dẫn nhiều tín hiệu quang, các tín hiệu tương ứng ở các bước sóng khác nhau. Theo đó ta có thể hiểu WDM biến đổi một sợi quang thành nhiều sợi ảo.
Sử dụng công nghệ WDM cho phép duy trì tốc độ thấp ở mỗi bước sóng trong khi vẫn đảm bảo tốc độ luồng tổng ở mức rất cao. Cách tiếp cận công nghệ này là một giải pháp khả thi để xây dựng các hệ thống lên tới tốc độ 40 Gbps và cao hơn nữa mà các hệ thống TDM hiện nay không thể thực hiện được. Các hệ thống WDM sẽ làm giảm số lượng các bộ tái tạo, khuếch đại tín hiệu trên đường truyền và bởi vậy sẽ giảm được đáng kể giá thành hệ thống. Để so sánh ta xét một hệ thống truyền dẫn tốc độ 40 Gbps trên khoảng cách 600 km.
Với hệ thống truyền thống, cần sử dụng 16 cặp sợi quang với các bộ phát lặp được ấn định sau mỗi 35 km tổng cộng 272 bộ. Khi sử dụng hệ thống WDM 16 bước sóng, mỗi bước sóng có tốc độ truyền 2.5 Gbps, chỉ sử dụng một cặp sợi quang và 4 bộ khuếch đại được đặt sau mỗi 120 km trên toàn tuyến 600 km [8]. Các hệ thống WDM được phân loại theo mật độ của các bước sóng được ghép ta có hệ ghép kênh mật độ thấp (CWDM) hay hệ ghép kênh mật độ cao (DWDM), tuỳ theo khoảng trống giữa các bước sóng. Các thế hệ hệ thống DWDM tiên tiến có thể ghép nhiều bước sóng hơn do đó trên một liên kết quang sẽ truyền nhiều kênh thông tin hơn.
Ngày nay các nhà nghiên cứu đang hướng tới hệ thống ghép tới 1000 bước sóng trên mỗi sợi quang. Về lí thuyết, để đạt được điều này ta sử dụng kết hợp các băng C và băng L với khoảng cách giữa các bước sóng là 0. Các kỹ thuật chuyển mạch quang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Giới thiệu Hoàn toàn tương tự như trong chuyển mạch điện tử, chuyển mạch quang về nguyên lý là một phép ánh xạ tín hiệu quang từ một cổng lối vào tới một cổng lối ra yêu cầu.
Một trong những khó khăn để thực thi các hệ thống chuyển mạch quang là yêu cầu cao về mặt công nghệ để xử lý tín hiệu trên miền quang. Ưu điểm của các kỹ thuật truyền dẫn sử dụng tín hiệu quang là có khả năng truyền với tốc độ cao nhưng kém về xử lý các tín hiệu. Đó là bởi vì các photon hoặc không thể đi chậm, tập trung lại, hoặc không được cất giữ một cách thuận tiện. Kích thước của các thiết bị quang bị giới hạn do nhiễu xạ theo trật tự bước sóng làm cho các thiết bị quang lớn hơn nhiều thiết bị điện tử.
Tuy nhiên, trong tương lai nếu như có thể khắc phục được những yếu điểm về mặt công nghệ thì chuyển mạch quang sẽ là một giải pháp đầy hứa hẹn cho mạng viễn thông nhân loại. Cũng như chuyển mạch điện tử, dựa trên nguyên lý, chuyển mạch quang được phân chia theo theo các loại như sau: - Chuyển mạch quang phân chia theo không gian, - Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian, - Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng. Loại chuyển mạch phổ biến nhất là chuyển mạch phân chia theo không gian, ở đó có sự biến đổi vật lí giữa các đường dẫn sóng ánh sáng. Khác với chuyển mạch điện tử, chuyển mạch quang có thêm chuyển mạch theo bước sóng.
Như đã trình bày trong hình 1.1, các mạng quang sẽ chuyển đổi dần từ công nghệ truyền dẫn quang đơn thuần sang các mạng chuyển mạch quang.