Luận văn: Kỹ thuật đa truy nhập trong mạng quang và ứng dụng - Nguyễn Thế Dương

Nghiên cứu chi tiết kỹ thuật đa truy nhập WDMA trong mạng quang. Luận văn phân tích cấu trúc mạng đơn bước, đa bước và các ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Thế Dương
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Bằng Văn Chuyết
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Xử lý thông tin và truyền thông
• Đề tài: Kỹ thuật đa truy nhập Wdma trong mạng quang và ứng dụng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về kỹ thuật WDMA trong mạng quang

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo bước sóng (WDMA) là một trong những công nghệ quan trọng nhất trong lĩnh vực truyền thông quang hiện đại. WDMA cho phép nhiều luồng dữ liệu được truyền đồng thời trên cùng một sợi quang bằng cách sử dụng các bước sóng khác nhau. Đây là nền tảng cho sự phát triển của mạng quang đa truy nhập hiệu quả và tối ưu hóa băng thông sử dụng. Công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống viễn thông hiện đại, từ mạng cáp quang dài đến các mạng nội bộ trong trung tâm dữ liệu. Sự hiểu biết sâu sắc về nguyên lý hoạt động WDMA là điều cần thiết cho các kỹ sư và nhà phát triển hệ thống mạng quang.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý cơ bản WDMA

WDMA (Wavelength Division Multiple Access) là kỹ thuật cho phép nhiều người dùng cùng truy nhập vào một sợi quang bằng cách gán cho mỗi người dùng một bước sóng riêng biệt. Nguyên lý cơ bản dựa trên việc sử dụng các bộ ghép/tách kênh để kết hợp và tách các tín hiệu ở những bước sóng khác nhau. Điều này cho phép tận dụng tối đa dung lượng của sợi quang đơn mode.

1.2. Lịch sử phát triển và tầm quan trọng

Kỹ thuật WDMA phát triển từ nhu cầu tăng cường dung lượng truyền thông trong các mạng quang. Sự tiến bộ của công nghệ diode laze và bộ lọc quang đã tạo điều kiện cho sự thực thi WDMA trên quy mô thương mại. Ngày nay, WDMA không chỉ là công nghệ tiêu chuẩn mà còn là yếu tố then chốt để đáp ứng nhu cầu dữ liệu ngày càng tăng.

II. Các thành phần thiết bị sử dụng trong hệ thống WDMA

Hệ thống mạng WDMA được tạo nên từ nhiều thành phần thiết bị quang học chuyên dụng hoạt động một cách điều hòa. Các thành phần này bao gồm diode laze điều chỉnh được bước sóng, bộ ghép/tách kênh, bộ lọc quang điều chỉnh được, và các thiết bị xử lý tín hiệu khác. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của tín hiệu truyền. Sự lựa chọn đúng đắn các thiết bị này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của toàn hệ thống mạng quang đa truy nhập.

2.1. Diode laze và nguồn phát quang

Diode laze (LD) là thiết bị phát sáng quang chính trong hệ thống WDMA. Các loại diode laze như diode laze điều chỉnh được bước sóng, diode laze phản xạ phân bố Bragg (DBR), và diode laze hỏi tiếp phân bố (DFB) cung cấp tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau. Chất lượng của tín hiệu laze ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của mạng.

2.2. Bộ ghép tách kênh quang Multiplexer Demultiplexer

Bộ ghép hình sao và các thiết bị tách kênh là những thành phần không thể thiếu trong kiến trúc WDMA. Chúng cho phép kết hợp các tín hiệu ở bước sóng khác nhau trên một sợi quang duy nhất. Bộ lọc quang điều chỉnh được cung cấp độ chọn lọc cao cho từng bước sóng riêng lẻ.

III. Kiến trúc mạng WDMA đơn bước và đa bước

Mạng WDMA đơn bước và mạng WDMA đa bước là hai kiến trúc chính trong thiết kế hệ thống mạng quang hiện đại. Mạng đơn bước sử dụng định tuyến theo bước sóng trực tiếp từ nguồn đến đích, trong khi mạng đa bước cho phép truyền qua nhiều nút trung gian. Mỗi kiến trúc có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phụ thuộc vào quy mô mạng và yêu cầu hiệu suất. Các mạng như ShuffleNet, HORNET, RINGO, và LambdaNet là những ví dụ tiêu biểu của các kiến trúc mạng WDMA hiệu quả.

3.1. Mạng WDMA đơn bước Quảng bá và định tuyến

Trong mạng WDMA đơn bước, các nút mạng có thể truyền dữ liệu trực tiếp đến các nút khác bằng cách sử dụng bước sóng riêng biệt. Kiến trúc này đơn giản nhưng bị hạn chế về số lượng nút do số lượng bước sóng có sẵn là hữu hạn. Vấn đề xuyên kênh và hiệu ứng phi tuyến cần được xem xét kỹ lưỡng.

3.2. Mạng WDMA đa bước Tái sử dụng bước sóng

Mạng WDMA đa bước giải quyết giới hạn của mạng đơn bước bằng cách cho phép tái sử dụng bước sóng trên các khoảng cách khác nhau. Các mạng như ShuffleNet với shuffle pattern và LambdaNet sử dụng các giao thức định tuyến phức tạp để tối ưu hóa luồng dữ liệu và giảm thiểu tranh chấp tài nguyên.

IV. Ứng dụng thực tế của WDMA trong viễn thông hiện đại

Ứng dụng WDMA trong viễn thông hiện đại rất đa dạng, từ các mạng cáp quang dài đến mạng toàn quang (all-optical network) trong các trung tâm dữ liệu. Công nghệ này cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ rất cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của Internet và các ứng dụng cloud computing. Các mạng như RINGO, HORNET, và những hệ thống WDM commercial đã chứng minh hiệu quả của kỹ thuật đa truy nhập WDMA trong thực tế. Sự phát triển của giao thức CSMA/CA và các cơ chế điều khiển truy nhập cải thiện đáng kể hiệu suất mạng.

4.1. Ứng dụng trong mạng cáp quang dài

Các hệ thống WDMA được sử dụng rộng rãi để tăng dung lượng của các tuyến cáp quang dài. Bằng cách sử dụng công nghệ WDM, một sợi quang đơn có thể truyền tải nhiều kênh độc lập đồng thời, giảm chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng. Điều chỉnh bước sóng cho phép linh hoạt trong quản lý tài nguyên mạng.

4.2. Ứng dụng trong mạng nội bộ trung tâm dữ liệu

Mạng quang all-optical trong các trung tâm dữ liệu hiện đại sử dụng WDMA để kết nối các máy chủ với tốc độ cao. Các mạng như HORNET với giao thức CSMA/CA cung cấp cơ chế điều khiển truy nhập hiệu quả. Công nghệ này cho phép giảm độ trễ và tăng thông lượng đáng kể.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: CAC PHAN TU SỬ DỤNG TRONG MẠNG QUANG ĐA TRUY NHẬP GIỚI THIỆU CHUNG. BO GHEP HINA SAO QUẢNG BÁ .- 13 BỘ GIIÉP KẼNH VÀ TÁCH KÊNH. 14 DIỐT LAZE DIỀU CHỈNH DUỢC BUỐC SÓN: LAL Điều chỉnh nhiệt 142 Điết laze điều chỉnh được bước sóng sử dụng hốc ng 1.43 Điốt laze hỏi tiếp phân bố (DFRB) hai đoạn. 144 Điết laze phản xạ phân bố Tragg hai đoạn và ba đoạn.

15 BỘ LỌC QUANG ĐIỀU CHỈNT ĐUỢC. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHAN CHIA THEO BƯỚC SÓNG - WDMA. 21 TONG QUAN VE KY THUAT WDMA. 14 22 MẠNG WDMA DƠN BUỚC.1 Mạng WDMA * quảng bá và lựa chọn ” L4 2.2 Mạng WDMA “định tuyến theo bước sóng! 20 2.3 Các vấn đề liên quan đến hiệu suất và thiết kế mạng.

2234 Vi bí bộ đệm trong mạng WDMA đơn bước 22. 26 23 MẠNG WDMA ĐA BƯỚC.1 Khải niệm chung về mạng WDMA da bud 29 2.2 Đặc điểm của mạng WDMA đa bước. 31 -vili- DANH MỤC BẢNG Bang 2.1 Quan hệ giữa số nút mạng (N) và sổ bước (h) xuất pháttừ — 33 một nút nguồn trong giản đồ ShuffleNet (p,k) Bang 2.2 Một số thông số đại diện biểu đỏ ShutfleNet .3 Các tham số thứ nghiệm mang HORNET .1 Kỹ thuật truyền dẫn từ tổng đài đến thuê bao .2 K¥ thuật truyền dẫn từ thuê bao đến tổng đài. 104 DANH MỤC HÌNH VẺ Hinh 1.

Một số cấu kiện quang thụ động. Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode .3, Các bộ phép hình sao. Sơ đồ khối hệ thống WDM.5 Thiết bị phép -tách kênh hé Tĩnh 1.6 Xuyên kênh Tinh 1.7 Dist laze digu chỉnh được sử dụng hốc ngoài. Hinh 18 Laser MAGIC cớ Hinh 1.9 Dist laze hỏi tiếp phân bố hai doạn Hinh 1.10 Sơ đố cấu trúc diode laze phản xạ phân bố Bragg.11 Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh được .1 Mang WDMA hình sao đơn bước “quảng và lựa chọn” Tĩnh 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số bước sóng được — l7 sử dụng Tĩnh 2.3 Quan hệ số bước sóng bận -Tải p va số bước sóng cực đại.4 Nguyên lý định tuyến bước sóng mạng WDMA đơn bước.5 Mang định tuyến theo bước sóng Ñ = 3 a nút ,sử dụng phần từ WDM.6 Mang định tuyến theo bước sóng 23 sử dụng chuyển mạch không gian chọn bước sóng.

-vili- DANH MỤC BẢNG Bang 2.1 Quan hệ giữa số nút mạng (N) và sổ bước (h) xuất pháttừ — 33 một nút nguồn trong giản đồ ShuffleNet (p,k) Bang 2.2 Một số thông số đại diện biểu đỏ ShutfleNet .3 Các tham số thứ nghiệm mang HORNET .1 Kỹ thuật truyền dẫn từ tổng đài đến thuê bao .2 K¥ thuật truyền dẫn từ thuê bao đến tổng đài. 104 DANH MỤC HÌNH VẺ Hinh 1. Một số cấu kiện quang thụ động. Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode .3, Các bộ phép hình sao.

Sơ đồ khối hệ thống WDM.5 Thiết bị phép -tách kênh hé Tĩnh 1.6 Xuyên kênh Tinh 1.7 Dist laze digu chỉnh được sử dụng hốc ngoài. Hinh 18 Laser MAGIC cớ Hinh 1.9 Dist laze hỏi tiếp phân bố hai doạn Hinh 1.10 Sơ đố cấu trúc diode laze phản xạ phân bố Bragg.11 Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh được .1 Mang WDMA hình sao đơn bước “quảng và lựa chọn” Tĩnh 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số bước sóng được — l7 sử dụng Tĩnh 2.3 Quan hệ số bước sóng bận -Tải p va số bước sóng cực đại.4 Nguyên lý định tuyến bước sóng mạng WDMA đơn bước.5 Mang định tuyến theo bước sóng Ñ = 3 a nút ,sử dụng phần từ WDM.6 Mang định tuyến theo bước sóng 23 sử dụng chuyển mạch không gian chọn bước sóng.7 Nguyên lý hoạt động mạngLTN.8 Tái sử dụng bước sóng trong mạng LLN Tĩnh 2.9 Quan hệ thời gian đợi và tải cho mạng đệm đầu ra đản vào 26 Hinh 2.10 Chọn kênh trong mạng WDMA thu kết hợp Hinh 2.11 Mãi tát công suất do xuyên kênh trong bộ tách sóng quang 28 Hinh 2.12 Quan hệ giữa công suất cực dại trên kênh và số kênh cho 29 4 ãnh hưởng phí lien iremg mang WDMA .13 Cấu trúc mạng da chang WDMA hinh sao 8 nút Hinh 2.14 Biểu đồ kết nối trực tiếp ShufTlenet mạng da ch hình sao 8 nút.15 Biểu diễu thông lượng trêu một nút, số nút Ñ' 35 che mang WDMA shuttleNet Tĩnh 2.16 Cấu trúc ang Lamnbdanel WDMA Hình 2.17 Cấu trúc cơ bản của mang POX Hinh 2.18 Cấu trắc mạng WIDMA -Hyp Hinh 2.19 Minh hoa thuật toán thăm dò hình cây trong trường hợp. 40 có 4 gối dữ liệu đồng thời đến c Hinh 2.20 Quan hệ giữa thời gian trễ trung bình 4L và lai p Irong mạng FẨypas.21 Many metro WDM RINGG .22 Cấu trúc nút RINGO .23 Cấu trúc chuyển mạch Starnet .24 Cấu trúc mạng HORNFT.25 Sơ đồ cấu trúc nút truy nhập (AN) trong mạng LORNIST.26 Nguyên lý hoại động giao thức CSMA/CA 4? trong mang HORNET khan Hình 3.1 Nguyên lý kỹ thuat digu che SCM .2 Mang SCMA cau trac hink sao Hình 3.2 (a) Phổ công suất quang của hai T.aser đơn mode dọc 33 -- THUAT NGU VA CHU VIET TAT Asynmuetric Digital Sub Tine Thuê báo số không đối xứng All -optical network Mạng toàn quang Add/ Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ Avalanche Photodiode Diết tách sống thác Antiretlection Coating V6 chong phan xa Amplitude Shift Keying Khoi dich biên độ Asynchronous Transfer Mode Mode chuyén giao không đồng bộ B-ISDN Broadland = Tnlegrated Srvice Mạng số Ì đa địch vụ Digital network băng rộng: BandPass Tilter Bé loc bang thông BRAS Broadband Access Server Servcr truy nhập bãng rộng. Carrier -to- Noise Ratio 'Tỷ số sóng mang trên nhiều cor Central Office terminal Thiết bị đầu cuối tổng đài.

Central terminal Thiết bi đần cuối lập trung, DBR Distributed Bragg Reflecter Phân xa phan bé Bragg DCN Digital Communication nctwork Mạng thông tin số bcs Digital Cross -connect system Bộ nối chéo số DEMUX Demultiplexer Hệ giải ghép (tách) kênh DFB Distributed Feedback šp phân bố DLC Digital loop Carrier Truyền tái mạch vòng số Distributed reflector lộ phản xạ phán bố Digital sub line Đường đây thuê bao số DSL access Multiplexer lộ ghép đường thuê bao số Fiber Bragg grating Cách tử quang Brapg, Fabry-Perot laser diode Di 6t la-de Fabry-Perot Frequency Shift Keying Khoá dịch tân số Fiber to the Building Cấp quang tới toà nhà Tiber to the Curb Cáp quang tới khu dân cư Hinh 2.7 Nguyên lý hoạt động mạngLTN.8 Tái sử dụng bước sóng trong mạng LLN Tĩnh 2.9 Quan hệ thời gian đợi và tải cho mạng đệm đầu ra đản vào 26 Hinh 2.10 Chọn kênh trong mạng WDMA thu kết hợp Hinh 2.11 Mãi tát công suất do xuyên kênh trong bộ tách sóng quang 28 Hinh 2.12 Quan hệ giữa công suất cực dại trên kênh và số kênh cho 29 4 ãnh hưởng phí lien iremg mang WDMA .13 Cấu trúc mạng da chang WDMA hinh sao 8 nút Hinh 2.14 Biểu đồ kết nối trực tiếp ShufTlenet mạng da ch hình sao 8 nút.15 Biểu diễu thông lượng trêu một nút, số nút Ñ' 35 che mang WDMA shuttleNet Tĩnh 2.16 Cấu trúc ang Lamnbdanel WDMA Hình 2.17 Cấu trúc cơ bản của mang POX Hinh 2.18 Cấu trắc mạng WIDMA -Hyp Hinh 2.19 Minh hoa thuật toán thăm dò hình cây trong trường hợp. 40 có 4 gối dữ liệu đồng thời đến c Hinh 2.20 Quan hệ giữa thời gian trễ trung bình 4L và lai p Irong mạng FẨypas.21 Many metro WDM RINGG .22 Cấu trúc nút RINGO .23 Cấu trúc chuyển mạch Starnet .24 Cấu trúc mạng HORNFT.25 Sơ đồ cấu trúc nút truy nhập (AN) trong mạng LORNIST.26 Nguyên lý hoại động giao thức CSMA/CA 4? trong mang HORNET khan Hình 3.1 Nguyên lý kỹ thuat digu che SCM .2 Mang SCMA cau trac hink sao Hình 3.2 (a) Phổ công suất quang của hai T.aser đơn mode dọc 33 -vili- DANH MỤC BẢNG Bang 2.1 Quan hệ giữa số nút mạng (N) và sổ bước (h) xuất pháttừ — 33 một nút nguồn trong giản đồ ShuffleNet (p,k) Bang 2.2 Một số thông số đại diện biểu đỏ ShutfleNet .3 Các tham số thứ nghiệm mang HORNET .1 Kỹ thuật truyền dẫn từ tổng đài đến thuê bao .2 K¥ thuật truyền dẫn từ thuê bao đến tổng đài. 104 DANH MỤC HÌNH VẺ Hinh 1. Một số cấu kiện quang thụ động.

Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode .3, Các bộ phép hình sao. Sơ đồ khối hệ thống WDM.5 Thiết bị phép -tách kênh hé Tĩnh 1.6 Xuyên kênh Tinh 1.7 Dist laze digu chỉnh được sử dụng hốc ngoài. Hinh 18 Laser MAGIC cớ Hinh 1.9 Dist laze hỏi tiếp phân bố hai doạn Hinh 1.10 Sơ đố cấu trúc diode laze phản xạ phân bố Bragg.11 Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh được .1 Mang WDMA hình sao đơn bước “quảng và lựa chọn” Tĩnh 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số bước sóng được — l7 sử dụng Tĩnh 2.3 Quan hệ số bước sóng bận -Tải p va số bước sóng cực đại.4 Nguyên lý định tuyến bước sóng mạng WDMA đơn bước.5 Mang định tuyến theo bước sóng Ñ = 3 a nút ,sử dụng phần từ WDM.6 Mang định tuyến theo bước sóng 23 sử dụng chuyển mạch không gian chọn bước sóng. -- THUAT NGU VA CHU VIET TAT Asynmuetric Digital Sub Tine Thuê báo số không đối xứng All -optical network Mạng toàn quang Add/ Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ Avalanche Photodiode Diết tách sống thác Antiretlection Coating V6 chong phan xa Amplitude Shift Keying Khoi dich biên độ Asynchronous Transfer Mode Mode chuyén giao không đồng bộ B-ISDN Broadland = Tnlegrated Srvice Mạng số Ì đa địch vụ Digital network băng rộng: BandPass Tilter Bé loc bang thông BRAS Broadband Access Server Servcr truy nhập bãng rộng.

Carrier -to- Noise Ratio 'Tỷ số sóng mang trên nhiều cor Central Office terminal Thiết bị đầu cuối tổng đài.