Luận Văn Thạc Sĩ Về Thiết Kế Mạng Quang Toàn Diện Sử Dụng Giải Thuật Tô Mầu Cạnh Tổng Quát

Khám phá thiết kế mạng quang trong suốt với giải thuật tô màu mạnh tổng quát, ứng dụng trong công nghệ và tối ưu hóa hiệu suất mạng.

• Tác giả: Ngô Hữu Hậu
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Dũng
• Trường học: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Thiết Kế Mạng Quang Toàn Diện: Giải Thuật Tô Mầu Cạnh Tổng Quát
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU MẠNG THÔNG TIN QUANG
• 1.1. Quá trình hội tụ mạng
• 1.2. Thách thức đối với mạng hiện nay
• 1.3. Xu hướng hội tụ
• 1.4. Kiến trúc mạng tương lai
• 2. CÁC THÀNH PHẦN CẤU THÀNH MẠNG TOÀN QUANG
• 2.1. Hệ thống DWDM
• 2.2. Các thành phần cấu thành mạng DWDM
• 2.3. Thiết bị phát quang
• 2.4. Thiết bị thu quang và bộ lọc
• 2.5. Khuếch đại quang
• 2.6. Khuếch đại laser bán dẫn
• 2.7. Khuếch đại EDFA
• 2.8. Ưu nhược điểm của bộ khuếch đại EDFA
• 2.9. Bộ ghép tách kênh DWDM
• 2.10. Bộ ghép kênh xen/rẽ quang (OADM)
• 2.11. Chuyển đổi bước sóng
• 2.12. Bộ đấu chéo quang
• 3. ĐỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM
• 3.1. Định tuyến và gán bước sóng tĩnh
• 3.2. Định tuyến và gán bước sóng động
• 4. CÁC GIẢI PHÁP RWA CHO NHIỀU TOPO MẠNG
• 4.1. RWA cho mạng WDM Ring
• 4.1.1. Chiến lược định tuyến. Chiến lược tô mầu
• 4.1.2. Chiến lược gán bước sóng Spiral
• 4.1.3. Chiến lược gán bước sóng link-based
• 4.2. RWA trên các mạng Tree toàn quang. Thuật toán Online-WA
• 4.2.1. Mạng cây bất kỳ
• 4.3. RWA cho mạng Mesh
• 4.3.1. Thuật toán WCA (Wavelength Converter Aware)
• 4.3.2. Mô hình hệ thống
• 4.3.3. Phương án tổng thể
• 4.3.4. Thực hiện định tuyến nguồn đích
• 4.3.5. Hạn chế của các giải thuật
• 4.3.6. Kết quả đạt được
• 4.4. Multicast & Broadcast RWA
• 4.4.1. Vấn đề Multicast tối ưu
• 5. THIẾT KẾ MẠNG TOÀN QUANG VÀ THUẬT TOÁN TÔ MẦU CẠNH TỔNG QUÁT
• 5.1. Thiết kế topo ảo (Virtual Topology)
• 5.2. Mô hình lưu lượng và mạng
• 5.3. Mô tả vấn đề
• 5.4. Hàm đối tượng
• 5.5. Tích hợp điều khiển topo và dự đoán lưu lượng với Virtual Neighbor Graph
• 5.6. Virtual Neighbor Graph (VNG)
• 5.7. Tích hợp thiết kế topo và dự đoán lưu lượng
• 5.8. Vấn đề path ngắn nhất với ràng buộc giao diện
• 5.8.1. Thuật toán Minimum Weight Perfect Matching
• 5.9. Gán bước sóng trong mạng WDM đa sợi với giải thuật tô mầu cạnh tổng quát
• 5.9.1. LP với nhiều nhất 2 link
• 5.9.2. Gán bước sóng tổng quát
• 5.9.3. So sánh các lý thuyết
• 5.9.4. Tính toán thực tế định lý 14
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Mạng Quang Toàn Diện

Thiết kế mạng quang toàn diện là một lĩnh vực quan trọng trong ngành viễn thông hiện đại. Mạng quang không chỉ đáp ứng nhu cầu truyền tải dữ liệu lớn mà còn tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí. Việc áp dụng các giải thuật tô màu cạnh tổng quát trong thiết kế mạng quang giúp giải quyết các vấn đề về định tuyến và gán bước sóng, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên quang.

1.1. Khái Niệm Về Mạng Quang Toàn Diện

Mạng quang toàn diện (AON) là mạng sử dụng hoàn toàn công nghệ quang để truyền tải dữ liệu mà không cần chuyển đổi sang điện. Điều này giúp giảm thiểu độ trễ và tăng cường băng thông.

1.2. Lợi Ích Của Thiết Kế Mạng Quang

Thiết kế mạng quang mang lại nhiều lợi ích như khả năng mở rộng, giảm chi phí vận hành và tăng cường hiệu suất truyền tải. Các giải pháp tối ưu hóa giúp khai thác tối đa tài nguyên quang.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Thiết Kế Mạng Quang

Mặc dù mạng quang mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong thiết kế và triển khai. Các vấn đề như tắc nghẽn giữa quang và điện, cũng như việc gán bước sóng hiệu quả cần được giải quyết.

2.1. Tắc Nghẽn Giữa Quang Và Điện

Tắc nghẽn giữa quang và điện xảy ra khi mạng không thể xử lý dữ liệu với tốc độ ánh sáng. Điều này dẫn đến việc giảm hiệu suất và tăng độ trễ trong truyền tải.

2.2. Thách Thức Về Gán Bước Sóng

Gán bước sóng là một trong những thách thức lớn trong mạng quang. Việc tối ưu hóa gán bước sóng giúp giảm thiểu số lượng bộ chuyển đổi bước sóng cần thiết, từ đó tiết kiệm chi phí.

III. Phương Pháp Giải Quyết Vấn Đề Định Tuyến Và Gán Bước Sóng

Để giải quyết các vấn đề về định tuyến và gán bước sóng, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Giải thuật tô màu cạnh tổng quát là một trong những phương pháp hiệu quả nhất.

3.1. Giải Thuật Tô Mầu Cạnh Tổng Quát

Giải thuật tô màu cạnh tổng quát giúp xác định cách gán bước sóng cho các lightpath trong mạng quang, từ đó tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên quang.

3.2. Các Giải Pháp Định Tuyến Hiện Đại

Các giải pháp định tuyến hiện đại sử dụng các thuật toán thông minh để tối ưu hóa lưu lượng và giảm thiểu tắc nghẽn trong mạng quang.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Mạng Quang Toàn Diện

Mạng quang toàn diện đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như viễn thông, truyền hình, và internet. Các ứng dụng này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.

4.1. Ứng Dụng Trong Viễn Thông

Mạng quang được sử dụng để cung cấp dịch vụ viễn thông với băng thông cao, đáp ứng nhu cầu truyền tải dữ liệu lớn trong thời đại số.

4.2. Ứng Dụng Trong Truyền Hình

Công nghệ quang cho phép truyền hình độ nét cao và các dịch vụ video theo yêu cầu, mang lại trải nghiệm tốt hơn cho người dùng.

V. Kết Luận Về Thiết Kế Mạng Quang Toàn Diện

Thiết kế mạng quang toàn diện là một lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ. Việc áp dụng các giải thuật tối ưu như tô màu cạnh tổng quát không chỉ giúp giải quyết các vấn đề hiện tại mà còn mở ra hướng đi mới cho tương lai của mạng viễn thông.

5.1. Tương Lai Của Mạng Quang

Mạng quang sẽ tiếp tục phát triển với các công nghệ mới, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng và doanh nghiệp.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa hơn nữa các giải pháp định tuyến và gán bước sóng, nhằm nâng cao hiệu suất mạng quang.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh thế kỷ 21, nhu cầu thông tin và liên lạc của con người tăng trưởng mạnh mẽ, đặc biệt với sự phát triển đa dạng các dịch vụ như Video theo yêu cầu, truyền hình hội nghị, thoại có hình và truyền số liệu tốc độ cao. Theo ước tính, dung lượng truyền dẫn trên sợi quang có thể đạt tới hàng trăm terabit mỗi giây, tuy nhiên các mạng viễn thông thế hệ cũ vẫn bộc lộ nhiều hạn chế như tắc nghẽn giao diện quang-điện và thiếu hụt băng thông. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế mạng quang toàn phần (All Optical Network - AON) sử dụng giải thuật tô màu cạnh tổng quát nhằm tối ưu hóa định tuyến và gán bước sóng (Routing and Wavelength Assignment - RWA), giảm thiểu số lượng bộ chuyển đổi bước sóng cần thiết, từ đó nâng cao hiệu suất mạng và giảm chi phí đầu tư.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mạng quang WDM (Wavelength Division Multiplexing) với các topo mạng phổ biến như Ring, Tree, Mesh và Multicast, trong khoảng thời gian nghiên cứu đến năm 2005 tại Việt Nam. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giải quyết các vấn đề tắc nghẽn trong mạng quang, nâng cao khả năng mở rộng và tận dụng tài nguyên mạng, đồng thời góp phần phát triển mạng NGN (Next Generation Network) và mạng hội tụ IP/quang trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết mạng quang và lý thuyết tô màu đồ thị.

1. Lý thuyết mạng quang: Tập trung vào các thành phần cấu thành mạng toàn quang như sợi quang đơn mode, hệ thống DWDM, bộ khuếch đại EDFA, bộ ghép tách kênh quang (OADM), bộ đấu chéo quang (OXC) và bộ chuyển đổi bước sóng (Wavelength Converter - WC). Các khái niệm quan trọng bao gồm ràng buộc tính liên tục bước sóng (Wavelength-continuity Constraint), chuyển đổi bước sóng toàn quang và các mức chuyển đổi bước sóng (Full, Limited, Fixed, No conversion).

2. Lý thuyết tô màu đồ thị: Áp dụng để giải quyết bài toán gán bước sóng trong mạng quang, trong đó các lightpath được biểu diễn dưới dạng các cạnh của đồ thị và các bước sóng tương ứng với các màu sắc. Giải thuật tô màu cạnh tổng quát được sử dụng nhằm giảm thiểu số lượng bộ chuyển đổi bước sóng cần thiết, tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng.

Các khái niệm chính bao gồm: Lightpath (LP), định tuyến và gán bước sóng (RWA), mạng WDM, mạng toàn quang AON, bộ chuyển đổi bước sóng (WC), và thuật toán tô màu cạnh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm các mô hình mạng quang thực tế, các ma trận lưu lượng tĩnh và động, cùng các topo mạng phổ biến như Ring, Tree, Mesh và Multicast. Phương pháp phân tích sử dụng kết hợp mô hình toán học Mixed Integer Linear Programming (MILP) để mô hình hóa bài toán RWA, cùng với việc phát triển và áp dụng giải thuật tô màu cạnh tổng quát nhằm gán bước sóng hiệu quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các mạng quang với số lượng node và link đa dạng, được lựa chọn dựa trên tính đại diện cho các kiểu topo mạng phổ biến. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các trường hợp điển hình trong thiết kế mạng quang để đảm bảo tính tổng quát và khả năng áp dụng rộng rãi.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2003 đến 2005, bao gồm các giai đoạn khảo sát lý thuyết, phát triển giải thuật, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của giải thuật tô màu cạnh tổng quát trong gán bước sóng: Giải thuật này giúp giảm đáng kể số lượng bộ chuyển đổi bước sóng cần thiết trong mạng. Trong trường hợp đặc biệt khi tất cả các lightpath có tối đa 2 link và số sợi trên mỗi link là chẵn, mạng không cần sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng, tiết kiệm chi phí đầu tư lên đến 30-40% so với các giải pháp truyền thống.

2. Tối ưu hóa thiết kế topo ảo (Virtual Topology): Việc thiết kế topo ảo dựa trên mô hình Virtual Neighbor Graph (VNG) giúp tích hợp điều khiển topo và dự đoán lưu lượng, từ đó nâng cao hiệu quả định tuyến và gán bước sóng. Kết quả mô phỏng cho thấy lưu lượng mạng được cân bằng tốt hơn, giảm tắc nghẽn tới 25% so với topo vật lý truyền thống.

3. So sánh các giải pháp RWA trên các topo mạng khác nhau: Mạng Ring và Tree có thể áp dụng các thuật toán định tuyến và gán bước sóng đơn giản hơn, trong khi mạng Mesh và Multicast đòi hỏi các thuật toán phức tạp hơn như WCA (Wavelength Converter Aware) và MR1 (Multicast Routing 1). Tỷ lệ thành công trong thiết lập lightpath đạt trên 90% với các thuật toán thích nghi, cao hơn khoảng 15% so với các thuật toán tĩnh.

4. Ảnh hưởng của bộ chuyển đổi bước sóng đến hiệu suất mạng: Việc sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng toàn phần (Full wavelength conversion) giúp loại bỏ ràng buộc liên tục bước sóng, làm tăng khả năng thiết lập lightpath và giảm tắc nghẽn mạng. Tuy nhiên, chi phí tăng lên đáng kể, do đó cần cân nhắc sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng hạn chế (Limited hoặc Fixed) để cân bằng giữa hiệu suất và chi phí.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do giải thuật tô màu cạnh tổng quát tận dụng được cấu trúc đặc biệt của mạng quang và các ràng buộc bước sóng để tối ưu hóa việc gán bước sóng. So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã mở rộng phạm vi áp dụng giải thuật cho nhiều topo mạng khác nhau và tích hợp dự đoán lưu lượng trong thiết kế topo ảo, từ đó nâng cao hiệu quả tổng thể.

Việc giảm thiểu số lượng bộ chuyển đổi bước sóng không chỉ giúp giảm chi phí đầu tư mà còn làm giảm độ phức tạp trong quản lý mạng, tăng tính ổn định và khả năng mở rộng. Kết quả có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh tỷ lệ tắc nghẽn, số lượng bộ chuyển đổi bước sóng sử dụng và hiệu suất thiết lập lightpath trên các topo mạng khác nhau.

Ngoài ra, việc áp dụng mô hình Virtual Neighbor Graph giúp mạng có khả năng thích nghi với biến động lưu lượng, nâng cao tính linh hoạt và đáp ứng nhanh các yêu cầu kết nối động. Điều này phù hợp với xu hướng phát triển mạng NGN và mạng hội tụ IP/quang hiện nay.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai giải thuật tô màu cạnh tổng quát trong thiết kế mạng quang: Các nhà thiết kế mạng nên áp dụng giải thuật này để tối ưu hóa việc gán bước sóng, giảm thiểu số lượng bộ chuyển đổi bước sóng, từ đó tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu suất mạng. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 1-2 năm, chủ thể là các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông và các trung tâm nghiên cứu công nghệ mạng.

2. Phát triển và ứng dụng mô hình Virtual Neighbor Graph (VNG): Khuyến khích tích hợp VNG trong phần mềm quản lý mạng để dự đoán lưu lượng và thiết kế topo ảo hiệu quả, giúp cân bằng tải và giảm tắc nghẽn. Thời gian triển khai khoảng 1 năm, chủ thể là các nhà phát triển phần mềm mạng và các tổ chức nghiên cứu.

3. Sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng hạn chế hợp lý: Đề xuất sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng Limited hoặc Fixed tại các nút mạng trọng yếu để cân bằng giữa hiệu suất và chi phí đầu tư. Chủ thể thực hiện là các nhà cung cấp thiết bị mạng, thời gian áp dụng trong vòng 1-3 năm.

4. Nâng cao năng lực đào tạo và nghiên cứu về mạng quang toàn phần: Các trường đại học và viện nghiên cứu cần tăng cường đào tạo chuyên sâu về thiết kế mạng quang, thuật toán RWA và công nghệ chuyển đổi bước sóng nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển mạng NGN và mạng hội tụ IP/quang. Thời gian thực hiện liên tục, chủ thể là các cơ sở giáo dục và nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà thiết kế và quản lý mạng viễn thông: Luận văn cung cấp các giải pháp thiết kế mạng quang toàn phần hiệu quả, giúp họ tối ưu hóa tài nguyên mạng và giảm chi phí vận hành.

2. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ mạng quang: Tài liệu chi tiết về các thuật toán RWA và giải thuật tô màu cạnh tổng quát là nguồn tham khảo quý giá cho việc phát triển các công nghệ mạng quang mới.

3. Sinh viên và học viên cao học ngành Điện tử - Viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mạng quang, các thành phần cấu thành và các thuật toán thiết kế mạng, hỗ trợ học tập và nghiên cứu.

4. Các nhà cung cấp thiết bị mạng và phần mềm quản lý mạng: Thông tin về các thành phần mạng quang và giải pháp tối ưu gán bước sóng giúp họ phát triển sản phẩm phù hợp với xu hướng mạng toàn quang và NGN.

Câu hỏi thường gặp

1. Giải thuật tô màu cạnh tổng quát là gì và tại sao nó quan trọng trong mạng quang?
   Giải thuật tô màu cạnh tổng quát là phương pháp gán bước sóng cho các lightpath trong mạng quang sao cho các cạnh (lightpath) không cùng màu (bước sóng) nếu chúng chia sẻ link vật lý. Nó giúp giảm thiểu số lượng bộ chuyển đổi bước sóng cần thiết, từ đó tối ưu hóa chi phí và hiệu suất mạng.

2. Tại sao mạng quang toàn phần (AON) lại được xem là xu hướng tương lai?
   Mạng AON xử lý tín hiệu hoàn toàn trong miền quang, tránh chuyển đổi quang-điện-quang, giúp tăng tốc độ truyền dẫn, giảm độ trễ và nâng cao dung lượng mạng, phù hợp với nhu cầu băng thông ngày càng lớn.

3. Bộ chuyển đổi bước sóng có vai trò gì trong mạng quang?
   Bộ chuyển đổi bước sóng phá vỡ ràng buộc liên tục bước sóng, cho phép lightpath sử dụng các bước sóng khác nhau trên các link khác nhau, giảm tắc nghẽn và tăng khả năng thiết lập kết nối.

4. Phân biệt giữa định tuyến và gán bước sóng tĩnh và động?
   Định tuyến và gán bước sóng tĩnh thiết lập các lightpath cố định, phù hợp với lưu lượng ổn định, trong khi định tuyến và gán bước sóng động thiết lập lightpath theo yêu cầu kết nối thời gian thực, phù hợp với lưu lượng biến động.

5. Làm thế nào để cân bằng giữa hiệu suất mạng và chi phí đầu tư khi sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng?
   Có thể sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng hạn chế (Limited hoặc Fixed) tại các nút trọng yếu thay vì full conversion toàn mạng, kết hợp với giải thuật tô màu cạnh để tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển giải thuật tô màu cạnh tổng quát hiệu quả cho bài toán định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang toàn phần, giảm thiểu số lượng bộ chuyển đổi bước sóng cần thiết.
• Thiết kế topo ảo dựa trên mô hình Virtual Neighbor Graph giúp tích hợp điều khiển topo và dự đoán lưu lượng, nâng cao hiệu quả mạng.
• So sánh các giải pháp RWA trên nhiều topo mạng cho thấy sự khác biệt về độ phức tạp và hiệu suất, từ đó đề xuất các thuật toán phù hợp.
• Việc sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng hạn chế giúp cân bằng giữa hiệu suất mạng và chi phí đầu tư.
• Đề xuất các giải pháp triển khai và khuyến nghị đào tạo nhằm thúc đẩy phát triển mạng quang toàn phần và mạng NGN trong tương lai.

Next steps: Triển khai thử nghiệm giải thuật trên các mạng thực tế, phát triển phần mềm quản lý mạng tích hợp VNG, và nghiên cứu mở rộng cho mạng quang đa lớp.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp viễn thông nên áp dụng và phát triển các giải pháp này để nâng cao hiệu quả mạng quang, đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng tăng trong kỷ nguyên số.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 cũng đã nghiên cứu các yêu cầu về mạng quang thế hệ sau cần phải đáp ứng và kiến trúc cho mạng quang thế hệ sau. Trong chương kế tiếp sẽ nghiên cứu các thành phần cơ bản để kết cấu một mạng AON. Đồ án tốt nghiệp cao học 10 Ngô Hữu Hậu Các thành phần cấu thành mạng toàn quang CHƯƠNG 2 CÁC THÀNH PHẦN CẤU THÀNH MẠNG TOÀN QUANG Trong chương này sẽ tập trung vào lý do mạng quang trở nên phổ biến và các ưu điểm của sợi quang cũng như chi tiết về các hệ thống DWDM. Ngoài ra cũng xem xét các thiết bị hỗ trợ cho mạng AON như bộ đấu chéo quang OXC (Optical Cross-connect) và bộ chuyển đổi bước sóng WC (Wavelength Converter).

Các phần trong chương này sẽ nêu bật được ưu điểm của hệ thống DWDM khi cho phép dung lượng truyền dẫn vô cùng lớn (chẳng hạn có thể tạo ra băng thông cho một kênh bước sóng là 10 Gbps, và giả sử ghép 40 kênh bước sóng trên một sợi quang thì băng thông tổng trên sợi quang lúc này là 400 Gbps). Với dung lượng truyền dẫn lớn như vậy thì hệ thống hoàn toàn có thể đáp ứng được các nhu cầu băng thông rộng trong thế kỷ 21 như thoại có hình, video-on-demand, hội nghị truyền hình, thông tin di động v.v… Xu hướng hội tụ trong tương lại như đã được trình bày trong Chương 1 đó là hội tụ tới mạng toàn quang AON (All Optical Network) và mạng có khả năng định tuyến và gán bước sóng động (Dynamic Routing and Wavelength Assignment). Để thực hiện được điều này bên cạnh phải có những thuật toán, thiết bị mới thì các thành phần cơ bản trong mạng quang phải đáp ứng các tiêu chí: Đồ án tốt nghiệp cao học 11 Ngô Hữu Hậu Các thành phần cấu thành mạng toàn quang • Dung lượng sợi: Do nhu cầu về truyền thông trong tương lai vô cùng lớn nên sợi quang phải có khả năng truyền tải được một lượng lớn bước sóng riêng rẽ với suy hao thấp. • Khả năng khôi phục: Một mạng gồm rất nhiều lớp, mỗi lớp thường có cơ chế bảo vệ riêng độc lập với các lớp khác.

Đối với hệ thống WDM với nhiều kênh trên một sợi quang, một sợi bị đứt sẽ gây ra nhiều lỗi dẫn đến nhiều hệ thống độc lập bị lỗi. Với việc khôi phục trên lớp quang thay vì lớp điện có thể thực hiện chuyển mạch bảo vệ nhanh hơn và kinh tế hơn. • Giảm chi phí: Với sự ra đời của bộ khuếch đại EDFA chi phí cho việc khuếch đại tín hiệu giảm đáng kể do không phải thực hiện chuyển đổi quang-điện-quang (O-E-O). Trong một mạng quang với các bộ ghép kênh xen/rẽ bước sóng chỉ có các kênh được yêu cầu mới được ghép hoặc tách trong khi các bước sóng khác đi thẳng không cần qua biến đổi.

Chỉ có bước sóng nào mà ghép/tách lưu lượng ở một site thì mới cần các biến đổi điện tương ứng còn các kênh khác đơn giản đi qua miền quang. Điều này tiết kiệm chi phí quản lý mạng và thiết bị. • Kênh bước sóng: Một ưu điểm lớn của sợi quang là băng thông truyền tải vô cùng lớn. Do đó các nhà cung cấp dịch vụ có thể tăng lợi nhuận bằng cách bán các kênh bước sóng với bất kỳ yêu cầu nào về tốc độ truyền dữ liệu.

Hệ thống DWDM DWDM là một kỹ thuật truyền dẫn sợi quang. Nó thực hiện ghép nhiều bước sóng khác nhau vào trong cùng một sợi quang do đó mỗi sợi quang sẽ có thể truyền đồng thời nhiều kênh bước sóng. Do có nhiều loại tín hiệu đầu vào (không nhất thiết phải là kênh bước sóng tại lớp quang) do đó công nghệ Đồ án tốt nghiệp cao học 12 Ngô Hữu Hậu Các thành phần cấu thành mạng toàn quang DWDM cho phép nhà cung cấp dịch vụ tích hợp với các thiết bị đang tồn tại trên mạng. Một đặc điểm quan trọng của DWDM đó là các bước sóng được điều chế trực giao do đó chúng có thể được tách, định tuyến, chuyển mạch mà không gây nhiễu cho các bước sóng khác.

Mỗi tín hiệu được mang ở các tốc độ khác nhau (OC-3/12/24 v.v…) với các định dạng khác nhau (SONET, ATM, data v. Chẳng hạn một hệ thống DWDM trộn các tín hiệu SONET hoạt động ở tốc độ OC-48 (2,5 Gbps) hoặc OC-192 (10 Gbps) có thể mang được tổng dung lượng trên 40 Gbps. Trong tương lai hệ thống DWDM có thể ghép được lên tới 80 kênh bước sóng OC-48 nâng tổng dung lượng truyền lên tới 200 Gbps hoặc 40 kênh bước sóng OC-192 nâng tổng dung lượng truyền lên tới 400 Gbps. Các thành phần cấu thành mạng DWDM Có thể hình dung một tuyến truyền dẫn DWDM điểm nối điểm (point-to- point) như hình vẽ dưới đây.

1 Tuyến truyền dẫn quang điểm nối điểm (point-to-point) Như Hình 2.1 có thể nhận thấy rằng để có thể cấu thành một mạng DWDM cần các thành phần như sợi quang, nguồn quang, bộ thu quang, khuếch đại quang EDFA, các bộ ghép kênh xen/rẽ bước sóng. Đồ án tốt nghiệp cao học 13 Ngô Hữu Hậu Các thành phần cấu thành mạng toàn quang 2. Sợi quang Sợi quang ra đời đã đánh dấu một bước quan trọng trong thông tin quang. Với khả năng truyền tải lớn, nhiều bước sóng trên cùng sợi quang đã tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực thông tin quang.

Trong sợi quang quan tâm chủ yếu tới 2 vùng suy hao thấp. Một là ở cửa sổ 1300 nm với suy hao xấp xỉ 0,5 dB/km và vùng cửa sổ 1550 nm với suy hao xấp xỉ 0,2 dB/km. Với việc sử dụng các bước sóng trong dải suy hao thấp này sẽ làm giảm số bộ khuếch đại cũng như các bộ lặp cần thiết để đảm bảo chất lượng tín hiện. Trong hệ thống thông tin quang thì yêu cầu tối thiểu tốc độ lỗi bit (BER) thấp hơn 10 −11.

Sợi quang có thể được phân biệt bởi hai loại đó là sợi đơn mode và sợi đa mode. Như theo luật Snell thì để có thể xẩy ra hiện tượng phản xạ toàn phần tại giao diện giữa core và cladding thì góc tới phải lớn hơn góc tới hạn θ crit  n clad  θ inc > sin −1    n core  Về mặt lý thuyết thì bất kỳ bước sóng tới nào có θ core lớn hơn θ crit thì đều có thể truyền được trên sợi quang. Tuy nhiên một số bước sóng có góc tới không thể truyền được do nhiễu giữa các bước sóng tới. Chính vì lẽ đó số lượng góc tới mà ở đó bước sóng có thể truyền qua sợi sẽ được gọi là số mode sóng.

Nếu có nhiều hơn một mode có thể truyền trong một sợi quang thì sợi đó được gọi là sợi quang đa mode (multimode). Một vài tiêu chí đối với sợi quang trong hệ thống thông tin DWDM: • Tốc độ: Mạng quang hoạt động ở tốc độ cao lên tới THz. • Băng thông: Khả năng mang một lượng lớn băng thông. • Khoảng cách: Tín hiệu có thể được truyền đi xa mà không cần phải lặp.

Đồ án tốt nghiệp cao học 14 Ngô Hữu Hậu Các thành phần cấu thành mạng toàn quang • Chống nhiễu: Chống nhiễu điện từ như radio, motor hoặc các sợi cáp khác liền kề. • Bảo dưỡng: Cáp sợi quang có chi phí bảo dưỡng thấp. Chức năng của sợi quang là một ống dẫn ánh sáng. Tín hiệu quang được đưa vào một đầu và được lấy ra ở đầu bên kia.

Nguồn sáng có thể sử dụng là LED hoặc laser. Nguồn sáng là các xung ánh sáng bật (on) và tắt (off) và phía thu sẽ chuyển đổi các xung này thành các tín hiệu số 1 và 0 tương ứng. Có 3 loại sợi quang: sợi đơn mode, sợi đa mode, sợi quang plastic (POF) • Sợi đơn mode: Nó là một chuẩn của sợi thuỷ tinh có đường kính lõi từ 8,3 µm đến 10 µm và chỉ hỗ trợ truyền một mode sóng. Sợi đơn mode cho phép truyền dẫn ở tốc độ cao hơn 50 lần so với sợi đa mode.

Sợi đơn mode có lõi nhỏ hơn sợi đa mode. Sóng ánh sáng chỉ được truyền theo một đường duy nhất (đơn mode). • Sợi đa mode: Đây là sợi có đường kính lõi từ 50 đến 100 µm (thông thường là 62,5 µm ). Sợi đa mode cho băng thông cao ở các tốc độ cao trên các khoảng cách trung bình.

Sóng ánh sáng được truyền theo nhiều đường (đa mode). Sợi quang đa mode thường được sử dụng với các bước sóng 850 hoặc 1300 nm. • POF: Đây là sợi quang plastic cung cấp hiệu suất tương đương sợi thuỷ tinh trên quãng đường rất ngắn nhưng rẻ hơn. Thiết bị phát quang Thiết bị phát quang có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang vào trong sợi quang.

Tín hiệu điện đến sẽ điều khiển để một laser phát ánh sáng vào trong sợi quang. Mô hình một hệ thống DWDM Đồ án tốt nghiệp cao học 15 Ngô Hữu Hậu Các thành phần cấu thành mạng toàn quang Hình 2. 2 Hệ thống DWDM Nguồn quang bán dẫn được sử dụng cho hệ thống sợi quang từ thiết bị rẻ tiền như LED đến các thiết bị đắt tiền như laser bán dẫn. Tuy nhiên đối với hệ thống DWDM do số lượng bước sóng được ghép trên một sợi quang là lớn cho nên tính đơn sắc của tia sáng phải cao.

Chính vì thế các laser bán dẫn được làm nguồn phát là chủ yếu. Một hệ thống quang sợi nên thoả mãn các điều kiện sau: • Sử dụng bước sóng tại vùng cửa sổ suy hao thấp của sợi quang. • Công suất quang đưa vào trong sợi quang phải đủ lớn để sao cho có thể bù được các suy hao trong quá trình truyền như suy hao sợi quang, suy hao kết nối, suy hao mối hàn, v.v…và mức tín hiệu tại đầu thu phải lớn hơn độ nhạy cho phép của bộ thu. • Đảm bảo tính ổn định của hệ thống trong điều kiện môi trường thay đổi (chẳng hạn nhiệt độ).

• Cho phép điều chế trực tiếp công suất đầu ra quang. • Chi phí thấp và ổn định hơn so với hệ thống điện. Đồ án tốt nghiệp cao học 16 Ngô Hữu Hậu Các thành phần cấu thành mạng toàn quang Như ở trên ta đã biết sợi quang có 3 vùng cửa sổ suy hao thấp là 850 nm, 1300 nm và 1550 nm. Nguồn bán dẫn được thiết kế để hoạt động ở các bước sóng mà tối thiểu hấp thụ quang và tối đa băng thông hệ thống.

Các bộ phát quang cho hệ thống DWDM yêu cầu phải có độ phân giải cao, các laser băng hẹp chính xác. Laser cho phép khoảng cách giữa các kênh rất gần do vậy ta sẽ tăng được số lượng bước sóng được ghép trên một sợi quang.