LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 1: Giới Thiệu Mạng Thông Tin Quang HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 1 C C H H Ư Ư Ơ Ơ N N G G 1 1 G G I I Ơ Ơ Ù Ù I I T T H H I I E E Ä Ä U U M M A A Ï Ï N N G G T T H H O O Â Â N N G G T T I I N N Q Q U U A A N N G G Lượng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin ngày nay tăng lên rất nhanh. Bên cạnh gia tăng về số lượng, dạng lưu lượng truyền thông trên mạng cũng thay đổi. Dạng dữ liệu chủ yếu là lưu lượng Internet. Phần lớn những nhu cầu hiện nay liên quan đến việc truyền dữ liệu hơn là tiếng nói. Số người sử dụng Internet ngày càng đông và thời gian mỗi lần truy cập thường kéo dài hơn nhiều lần một cuộc gọi điện thoại. Bên cạnh đó, các doanh nghiệp cũng thường dựa vào các mạng tốc độ cao để điều hành công việc. Những điều này đã tạo ra một nhu cầu sử dụng băng thông lớn, những đường truyền tốc độ cao, tin cậy và chi phí thấp. Mạng thông tin quang ra đời đã đáp ứng được những yêu cầu trên. Thông tin quang cung cấp băng thông lớn với tỉ lệ lỗi rất thấp (10 -11 ). Bên cạnh dung lượng cao, môi trường quang còn cung cấp khả năng trong suốt. Tính trong suốt cho phép các dạng dữ liệu khác nhau chia sẻ cùng một môi trường truyền và điều này rất phù hợp cho việc mang các tín hiệu có những đặc điểm khác nhau. Vì vậy, truyền thông quang được xem như là một kỹ thuật cho hệ thống thông tin băng rộng trong tương lai. Tuy nhiên, băng thông quang rất lớn đối với một ứng dụng đơn lẻ. Vì vậy, nó nên được chia sẻ giữa những người sử dụng với nhau bằng cách ghép nhiều kênh trên một đường truyền. Kỹ thuật ghép kênh được quan tâm nhất hiện nay là ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) và ghép kênh phân chia thời gian (TDM). Trong tương lai, ghép kênh theo bước sóng sẽ được ưa chuộng hơn vì chi phí kỹ thuật và thiết bò để lắp đặt các hệ thống TDM tương đối cao. Theo báo cáo, hệ thống TDM với dung lượng 10 Gbps được lắp đặt ở Nhật vào năm 1996. Các hệ thống WDM 40 Gbps đã được lắp đặt ở Bắc Mỹ. Trong WDM, nhiều kênh được ghép trên một sợi quang sử dụng các bước sóng khác nhau. Một phương pháp ghép kênh khác là ghép kênh phân chia mã (CDM). Kỹ thuật này thực hiện mã hóa mỗi luồng thông tin bởi một mã trực giao với mã của các luồng thông tin khác cùng chia sẻ môi trường truyền (sợi quang). Kỹ thuật này không còn phổ biến từ sau những năm 80 vì những hạn chế về kỹ thuật như tốc độ điều chế và suy hao trong mã hoá cũng như giải mã cao. Hơn nữa, ứng dụng của phương pháp này làm cho vấn đề tán sắc và đồng bộ trở nên xấu hơn vì thế dường như không còn thích hợp cho thông tin quang ngày nay. 1. Các mạng quang Ngoài việc cung cấp dung lượng khổng lồ, mạng quang còn mang lại một cơ sở hạ tầng chung mà qua đó các dòch vụ khác nhau được thực hiện. Các mạng này cũng có khả năng phân phát băng thông một cách mềm dẻo khi cần thiết. Sợi quang cung cấp băng thông lớn hơn rất nhiều so với cáp đồng và ít nhạy đối với các loại nhiễu điện từ khác nhau và các hiệu ứng không mong muốn khác. Do đó, nó trở thành một môi trường truyền dữ liệu với tốc độ hơn vài chục megabit trên giây qua những khoảng cách dài hơn một kilômet. Sợi quang cũng là phương LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 1: Giới Thiệu Mạng Thông Tin Quang HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 2 tiện hay được dùng để thực hiện những kết nối tốc độ cao (gigabit trên giây hoặc cao hơn) khoảng cách ngắn bên trong những hệ thống lớn. Thống kê gần đây nhất từ Ủy ban truyền thông Liên Bang Mỹ cho biết sự triển khai của sợi quang ở khắp nơi. Sợi quang ngày nay được triển khai rộng rãi trong tất cả các loại mạng viễn thông, có lẽ ngoại trừ khu dân cư. Mặc dù được cung cấp đến nhiều doanh nghiệp, đặc biệt trong những thành phố lớn, sợi quang chưa được đưa đến nhà riêng, vì chi phí lắp đặt đường dây rất lớn. Kỹ thuật truyền dẫn sợi quang tiến hoá qua vài chục thập niên cung cấp tốc độ bit ngày càng cao và qua những khoảng cách ngày càng dài hơn. Hình 1.1 cho thấy sự gia tăng băng thông qua nhiều thời gian của các loại mạng khác nhau. Sự phát triển mạnh mẽ này chủ yếu là do sự triển khai các hệ thống thông tin quang. Khi nói đến các mạng quang, chúng ta đang thực sự nói về hai thế hệ của chúng. Ở thế hệ thứ nhất, sợi quang chủ yếu dùng cho truyền dẫn và cung cấp dung lượng. Sợi quang cung cấp tỉ lệ lỗi bit thấp hơn và dung lượng cao hơn so với cáp đồng. Tất cả chức năng chuyển mạch và mạng thông minh được điều khiển bằng điện tử. Thí dụ cho các mạng quang thế hệ thứ nhất này là SONET (mạng quang đồng bộ), tương tự với mạng SDH (hệ phân cấp số đồng bộ), hình thành nên phần lõi của cơ sở hạ tầng viễn thông tương ứng ở Bắc Mỹ và Châu u, Châu Á, cũng như các mạng doanh nghiệp khác như ESCON. Ngày nay chúng ta đang thấy sự triển khai của những mạng quang thế hệ thứ hai, nơi mà các chức năng chuyển mạch, đònh tuyến và sự thông minh được chuyển vào lớp quang học. 2. Mạng quang thế hệ thứ hai Sợi quang hiển nhiên trở thành một phương tiện truyền dẫn được ưa thích và ngày nay truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng WDM được dùng rộng rãi trong Hình 1.1: Sự g ia tăn g băn g thôn g theo thời g ian tron g các loại mạn g khác nhau 0.0001 0.01 1 100 10,000 1000,000 Residential access Local-area networks Leased lines Long haul Year 2000 1995 1990 1985 1980 Bit rate (Mb/s) LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 1: Giới Thiệu Mạng Thông Tin Quang HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 3 mạng. Những năm gần đây, người ta nhận ra rằng các mạng quang có khả năng cung cấp nhiều chức năng hơn là chỉ truyền dẫn điểm nối điểm. Những thuận lợi chủ yếu đạt được bằng cách hợp nhất một vài chức năng chuyển mạch và đònh tuyến đã được thực hiện điện tử vào phần quang của mạng. Ví dụ như, khi tốc độ dữ liệu ngày càng cao, việc xử lý dữ liệu bằng điện tử trở nên khó khăn hơn. Giả sử các thiết bò điện tử phải xử lý dữ liệu mỗi khối 53 bytes (chiều dài mỗi tế bào trong phương thức truyền bất đồng bộ ATM). Trong một luồng dữ liệu 100Mb/s, ta có 4,24 µs để xử lý một khối, trong khi với luồng 10Gb/s, khối này phải được xử lý trong vòng 42,4 ns. Trong các mạng thế hệ thứ nhất, thiết bò điện tử ở một nút phải điều khiển không chỉ tất cả các dữ liệu dành cho nút đó mà còn tất cả các dữ liệu đi xuyên qua nó đến các nút khác trong mạng. Nếu dữ liệu có thể được đònh tuyến trong miền quang, tải trọng các thiết bò điện ở các nút sẽ giảm đi đáng kể. Đây là một trong những nguyên nhân chính cho sự ra đời của các mạng quang thế hệ thứ hai. Các mạng quang dựa vào mô hình này đang được triển khai. Kiến trúc của mạng được chỉ ra trong hình 1.2, ta gọi mạng này là một mạng đònh tuyến bước sóng. Mạng cung cấp những lightpath cho người sử dụng, như các thiết bò cuối SONET hoặc các bộ đònh tuyến IP. Lightpaths là các kết nối quang được mang từ đầu cuối đến đầu cuối bằng một bước sóng trên mỗi tuyến trung gian. Ở các nút trung gian trong mạng, các lightpath được đònh tuyến và chuyển mạch từ tuyến này sang tuyến khác. Trong một số trường hợp, các lightpath cũng có thể được chuyển từ một bước sóng này thành bước sóng khác dọc theo đường đi. λ 2 OLT oxc λ 1 X λ 2 λ 1 Li g ht Path λ 2 λ 1 IP router IP router E F SONET terminal IP router DC λ 1 IP router A SONET terminal OADM B Hình 1.2: Mạn g q uan g đònh tu y e á n bước són g LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 1: Giới Thiệu Mạng Thông Tin Quang HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 4 Các lightpath trong mạng đònh tuyến bước sóng có thể sử dụng cùng bước sóng khi nó không dùng chung một tuyến truyền dẫn nào. Điều này cho phép cùng một bước sóng được sử dụng lại ở các phần khác nhau của mạng. Ví dụ, ở hình 1.5 chỉ ra 6 lightpaths. Lightpath giữa B và C, lightpath giữa D và E, và một trong những lightpaths giữa E và F không dùng chung tuyến liên kết nào trong mạng và vì thế có thể được thiết lập sử dụng một bước sóng λ 1 . Đồng thời, lightpath giữa A và F dùng chung một kết nối với lightpath giữa B và C nên phải sử dụng bước sóng khác (λ 2 ). Tương tự, hai lightpath giữa E và F phải được gán các bước sóng khác nhau. Chú ý rằng tất cả các lightpath này sử dụng cùng bước sóng trên mọi kết nối trong đường đi của nó. Đây là một sự ràng buộc mà ta phải giải quyết nếu ta không có đủ khả năng chuyển đổi bước sóng trong mạng. Giả sử ta chỉ có hai bước sóng có sẵn trong mạng và muốn thiết lập một lightpath mới giữa các nút E và F. Không có chuyển đổi bước sóng, ta sẽ không thể thiết lập được lightpath này. Nói cách khác, nếu nút trung gian X có thể thực hiện chuyển đổi bước sóng, thì ta có thể thiết lập lightpath này sử dụng bước sóng λ 2 trên tuyến EX và bước sóng λ 1 trên tuyến XF. Các phần tử mạng chính cho phép mạng quang hoạt động là các thiết bò cuối quang (OLTs), các bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADMs) và các bộ kết nối chéo quang (OXCs) như chỉ ra trong hình 1.2. OLT ghép các bước sóng vào một sợi quang và tách một tập những bước sóng trên một sợi đơn vào các sợi riêng rẽ. OLTs được sử dụng ở các đầu cuối của một liên kết WDM điểm nối điểm. OADM thu vào các tín hiệu ở nhiều bước sóng và “rớt” có chọn lọc một số các bước sóng này trong khi cho những bước sóng khác đi qua. Nó cũng thêm các bước sóng vào tín hiệu ghép đi ra một cách chọn lọc. Một OADM có các cổng hai dây nơi các tín hiệu ghép WDM hiện diện và một số cổng nội bộ nơi mà các bước sóng được rớt và xen. Một OXC về cơ bản thực hiện một chức năng tương tự như OADM nhưng với quy mô lớn hơn nhiều. OXCs có số cổng lớn (từ vài chục đến vài nghìn) và có thể chuyển mạch những bước sóng từ một cổng vào đến cổng khác. Cả OADMs và OXCs đều có thể kết hợp các khả năng chuyển đổi bước sóng bên trong. Các mạng quang dựa vào kiến trúc được mô tả ở trên đã được triển khai. OLTs được triển khai rộng rãi cho các ứng dụng điểm nối điểm. OADMs hiện nay được sử dụng trong các mạng đường dài và mạng tập trung. OXCs bắt đầu được triển khai trước trong các mạng đường dài vì dung lượng yêu cầu cao hơn trong các mạng này. 3. Tính trong suốt và các mạng toàn quang Một đặc trưng chính của dòch vụ lightpath được cung cấp bởi các mạng thế hệ thứ hai là dạng dòch vụ này có thể trong suốt đối với dữ liệu thật được gửi trên lightpath một khi nó được thiết lập. Chẳng hạn như một tốc độ bit lớn nhất và nhỏ nhất nào đó có thể được đònh rõ, dòch vụ có thể chấp nhận dữ liệu ở bất cứ tốc độ bit nào và bất cứ dạng nghi thức nào trong vòng giới hạn này. Nó cũng có thể mang dữ liệu tương tự. LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 1: Giới Thiệu Mạng Thông Tin Quang HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 5 Tính trong suốt trong mạng cung cấp nhiều thuận lợi. Một điều hành viên có thể cung cấp các loại dòch vụ khác nhau sử dụng một cơ sở hạ tầng riêng rẽ. Ta có thể nghó điều này như là tính trong suốt của dòch vụ. Thứ hai, nếu các nghi thức hoặc tốc độ bit thay đổi, thiết bò đã triển khai trong mạng vẫn có khả năng hỗ trợ các nghi thức hoặc tốc độ bit mới mà không cần một sự đại tu toàn bộ mạng. Điều này cho phép các dòch vụ mới được triển khai hiệu quả và nhanh chóng, trong khi các dòch vụ cũ vẫn được thực hiện. Một ví dụ về mạng trong suốt loại này là mạng điện thoại. Một khi cuộc gọi được thiết lập trong mạng điện thoại, nó cung cấp 4 Khz băng thông qua đó một người sử dụng có thể gửi nhiều dạng lưu lượng khác nhau như là tiếng nói, dữ liệu, hoặc fax. Tính trong suốt cũng trở thành một nét đặc biệt trong các mạng quang thế hệ thứ hai. Một thuật ngữ khác liên quan đến các mạng trong suốt là khái niệm mạng toàn quang. Trong mạng này, dữ liệu đïc mang từ nguồn đến nơi dưới dạng quang, mà không phải trải qua bất cứ chuyển đổi quang-điện nào dọc theo đường đi. Một cách lý tưởng, mạng này sẽ hoàn toàn trong suốt. Tuy nhiên, mạng toàn quang bò giới hạn trong phạm vi của nó bởi nhiều thông số của lớp vật lý như là băng thông và các tỉ số tín hiệu trên nhiễu. Ví dụ như các tín hiệu tương tự yêu cầu tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn nhiều so với các tín hiệu số. Yêu cầu thật sự dựa vào đònh dạng điều chế được sử dụng cũng như tốc độ bit. Mặc dù chúng ta nói về các mạng quang, nhưng hầu như các mạng này luôn chứa một số thiết bò điện tử. Trước hết, điện tử đóng một vai trò chủ yếu trong việc thực hiện các chức năng điều khiển và quản lý thông minh trong mạng. Tuy nhiên, ngay cả trên đường đi của dữ liệu, trong hầu hết trường hợp, thiết bò điện tử cần thiết ở phần bên ngoài mạng để làm thích ứng tín hiệu đi vào mạng quang. Trong nhiều trường hợp, tín hiệu không thể duy trì dưới dạng quang trên đường đi đến đích vì những giới hạn bò áp đặt bởi thiết kế lớp vật lý và phải tái tạo lại ở giữa. Trong các trường hợp khác, tín hiệu cần phải được chuyển từ một bước sóng này sang bước sóng khác. Trong tất cả các tình huống này, tín hiệu thường được chuyển từ dạng quang sang dạng điện và điện thành quang. Các bộ lặp điện tử sẽ làm giảm tính trong suốt của đường đi tín hiệu. Có ba kỹ thuật tái tạo điện tử cho dữ liệu số. Một tiêu chuẩn được gọi là tái tạo với đònh thời gian và đònh dạng được gọi là 3R. Ở đây tốc độ bit được tách ra từ tín hiệu và tín hiệu được đònh thời gian lại. Kỹ thuật này chủ yếu tạo ra một bản sao “mới” của tín hiệu ở mỗi bước tái tạo, cho phép tín hiệu đi qua một số rất lớn các bộ lặp. Tuy nhiên, nó loại trừ tính trong suốt đối với tốc độ bit và các đònh chuẩn khung. Một phương pháp tái tạo các tín hiệu quang mà không cần đònh thời gian, được gọi là 2R, cung cấp tính trong suốt đối với các tốc độ bit mà không hỗ trợ dữ liệu tương tự hoặc các đònh dạng điều chế khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp này giới hạn số bước lặp cho phép, đặc biệt ở các tốc độ bit cao hơn, trên vài trăm Mbps. Dạng tái tạo cuối cùng là 1R, trong đó tín hiệu đơn giản được nhận và phát lại mà không cần đònh thời gian và hình dạng. Dạng tái tạo này cũng có thể xử lý dữ LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 1: Giới Thiệu Mạng Thông Tin Quang HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 6 liệu tương tự, nhưng hiệu quả của nó kém hơn hai dạng trên. Vì lý do này, các mạng đang triển khai ngày nay sử dụng kỹ thuật 2R và 3R. Tuy nhiên, các bộ khuếch đại này được dùng rộng rãi để khuếch đại tín hiệu trong miền quang mà không phải chuyển tín hiệu quang sang điện. Một mạng hoàn toàn trong suốt sẽ hỗ trợ các tín hiệu tương tự với các tốc độ bit và các nghi thức khung bất kỳ. Tuy nhiên, như đã nói ở trên, xây dựng được một mạng loại này là điều không thực tế. Ngày nay, một lựa chọn thực tiễn hơn là xây dựng mạng hỗ trợ các loại tín hiệu số khác nhau với tốc độ bit cực đại được đònh trước và một tập các đònh chuẩn khung riêng biệt, như là SONET và Gigabit Ethernet. Mạng hỗ trợ nhiều đònh chuẩn khung khác nhau được thực hiện bằng cách sử dụng hoặc là kỹ thuật 2R trong mạng hoặc là cung cấp các thiết bò thích nghi 3R riêng biệt cho mỗi đònh ước khung. Mạng này được vẽ trong hình 1.3. 4. Chuyển mạch gói quang Đến đây ta đã nói về mạng quang cung cấp các lightpath. Các mạng này về bản chất là các mạng chuyển mạch mạch. Những nhà nghiên cứu cũng đang làm việc trên các mạng quang mà có thể thực hiện chuyển mạch gói trong miền quang. Một mạng loại này có thể cung cấp các dòch vụ mạch ảo hoặc các dòch vụ datagram, rất giống các dòch vụ trong các mạng ATM và IP. Với một kết nối mạch ảo, mạng cung cấp một kết nối chuyển mạch mạch giữa hai nút. Tuy nhiên, băng thông được cấp trên kết nối có thể nhỏ hơn toàn bộ băng thông có sẵn trên một tuyến liên kết. Ví dụ như, những kết nối riêng rẽ trong một mạng tốc độ cao tương lai có thể hoạt động ở 10Gbps, trong khi tốc độ bit truyền dẫn trên một bước sóng có thể là 100Gbps. Vì vậy mạng phải hợp nhất một số dạng ghép kênh phân chia thời gian để kết hợp nhiều kết nối thành một tốc độ bit. Ở những tốc độ này, có thể thực hiện ghép kênh trong miền quang dễ hơn trong miền điện. Một nút chuyển mạch gói quang được mô tả như trong hình 1.4. Mục đích là nhằm tạo ra các nút chuyển mạch gói với dung lượng cao hơn nhiều so với chuyển OEO Wavelength conversion OEO OEO Re g eneration OEO Ada p tation OEO OEO All-o p tical subnet All-o p tical subnet All-o p tical subne t Lightpath λ 2 λ 1 λ 2 λ 1 Hình 1.3 LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 1: Giới Thiệu Mạng Thông Tin Quang HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 7 mạch gói điện tử. Một nút này lấy một gói đi vào, đọc header của nó và chuyển nó đến một ngõ ra thích hợp. Nút cũng có thể áp đặt một header mới trên gói. Nó cũng phải xử lý tranh chấp cho các cổng ra. Nếu hai gói đi vào trên các cổng khác nhau muốn đi ra trên cùng một cổng, một trong hai phải được đệm, hoặc gửi ra trên một cổng khác. Một cách lý tưởng, tất cả các chức năng bên trong nút đều được thực hiện trong miền quang, nhưng thực tế, một số chức năng nào đó như là xử lý header và điều khiển chuyển mạch phải thực hiện bằng điện tử. Điều này là do khả năng xử lý bò giới hạn trong miền quang. Bản thân phần header có thể được gửi ở một tốc độ bit thấp hơn so với dữ liệu cho nên nó có thể được xử lý điện tử. Nhiệm vụ của chuyển mạch gói quang là cho phép các khả năng chuyển mạch gói ở các tốc độ mà không thể đạt được với chuyển mạch gói điện tử. Tuy nhiên, các nhà thiết kế bò cản trởû bởi nhiều hạn chế về mặt xử lý tín hiệu trong miền quang. Một yếu tố quan trọng là thiếu các bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên quang để đệm. Các bộ đệm quang được thực hiện bằng cách sử dụng một chiều dài sợi quang và những đường dây trễ đơn giản mà không phải là các bộ nhớ chức năng đầy đủ. Chuyển mạch gói bao gồm một số lớn các phần mềm thời gian thực thông minh và phần cứng dành để điều khiển mạng và cung cấp các đảm bảo về chất lượng dòch vụ, các chức năng này khó thực hiện trong miền quang. Một yếu tố khác là trạng thái tương đối mới của kỹ thuật chuyển mạch quang nhanh so với chuyển mạch điện tử. Vì những lý do này, ngày nay chuyển mạch gói quang vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm. 5. Các vấn đề cơ bản về truyền dẫn Phần này giới thiệu và đònh nghóa các thông số phổ biến liên quan đến hệ thống thông tin quang. 5.1. Bước sóng, tần số, và khoảng cách kênh Control Input Switch Header recognition Header recognition Output buffers Input buffers Packets Hình 1.4: Một nút chu y ển mạch g ói q uan g LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 1: Giới Thiệu Mạng Thông Tin Quang HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 8 Khi nói đến các tín hiệu WDM là chúng ta đang nói về bước sóng hoặc tần số của các tín hiệu này. Bước sóng λ và tần số f liên hệ với nhau qua công thức: c = f λ . Trong đó c là tốc độ của ánh sáng trong không gian tự do và bằng 3 x 10 8 m/s. Tốc độ ánh sáng trong sợi quang thật sự thấp hơn một chút (gần 2 x 10 8 m/s), do đó các bước sóng cũng khác nhau. Để mô tả một tín hiệu WDM, ta có thể sử dụng hoặc tần số hoặc bước sóng của nó. Bước sóng được đo bằng đơn vò là nanomet (nm) hoặc micromet (µm hoặc microns). (1 nm = 10 -9 m, 1 µm = 10 -6 m). Các bước sóng ưa được dùng trong thông tin quang tập trung xung quanh 0.8, 1.3, và 1.55 µm. Các bước sóng này nằm trong dải hồng ngoại, không thể nhìn thấy đối với mắt người. Tần số được đo bằng đơn vò Hertz (hoặc số chu kỳ trên giây), tiêu biểu hơn là megahertz (1 MHz = 10 6 Hz), gigahertz (1 GHz = 10 9 Hz), hoặc Terahertz (1 THz = 10 12 Hz). Sử dụng c = 3 x 10 8 m/s, một bước sóng 1.55 µm sẽ tương ứng với một tần số xấp xỉ 193 THz hay 193 x 10 12 Hz. Một thông số được quan tâm khác là khoảng cách kênh, là khoảng cách giữa hai bước sóng hoặc tần số trong một hệ thống WDM. Khoảng cách kênh có thể được đo bằng đơn vò của bước sóng hoặc tần số. Mối liên hệ giữa hai đại lượng có thể đạt được bắt đầu từ phương trình f = c / λ . Lấy vi phân phương trình này quanh một giá trò trung tâm λ 0 , ta được mối liên hệ giữa khoảng cách tần số ∆f và khoảng cách bước sóng ∆ λ là: ∆f = - c. ∆ λ / λ 2 0 . Ở bước sóng λ 0 = 1550 nm, khoảng cách bước sóng 0.8 nm tương ứng một khoảng cách tần số 100Ghz, một khoảng cách tiêu biểu trong các hệ thống WDM. Các tín hiệu thông tin số trong miền thời gian có thể được xem như chuỗi các xung đònh kỳ, mở hoặc tắt, phụ thuộc vào dữ liệu là 1 hay 0. Tốc độ bit đơn giản là nghòch đảo của chu kỳ. Các tín hiệu này có một sự biễu diễn tương tự trong miền tần số, nơi mà năng lượng của tín hiệu trải dài qua một tập tần số. Sự biễu diễn này được gọi là phổ công suất, hoặc đơn giản là phổ. Băng thông tín hiệu là độ rộâng phổ của tín hiệu. Băng thông cũng có thể được đo trong miền tần số hoặc trong miền bước sóng, nhưng hầu hết được đo trong miền tần số. Lưu ý rằng chúng ta đang sử dụng thuật ngữ băng thông khá lỏng lẻo. Băng thông và tốc độ bit của một tín hiệu số liên quan nhau nhưng không giống nhau một cách chính xác. Băng thông thường được đo bằng kilohertz, megahertz hoặc gigahertz, trong khi đó tốc độ bit được tính bằng kilobit/giây (kb/s), megabit/giây(Mb/s), hoặc gigabit/giây (Gb/s). Mối liên quan giữa hai đại lượng phụ thuộc vào dạng điều chế được sử dụng. Ví dụ như, một đường dây điện thoại cung cấp băng thông 4 kHz, nhưng kỹ thuật điều chế phức tạp cho phép chúng ta thực hiện một tốc độ bit 56kb/s qua đường dây điện thoại này. Tỉ số của tốc độ bit với băng thông có sẵn được gọi là hiệu suất phổ. Các hệ thống thông tin quang sử dụng các kỹ thuật điều chế khá đơn giản mà đạt được hiệu suất phổ khoảng 0.4 bits/s/Hz. Vì thế hợp lý khi cho rằng một tín hiệu ở tốc độ 10Gb/s sử dụng băng thông xấp xỉ 25 Ghz. Lưu ý rằng băng LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 1: Giới Thiệu Mạng Thông Tin Quang HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 9 thông tín hiệu cần đủ nhỏ hơn khoảng cách kênh; nếu không ta sẽ gặp các nhiễu không mong muốn giữa các kênh kế nhau và méo của chính tín hiệu. 5.2. Các tiêu chuẩn bước sóng Các hệ thống WDM ngày nay chủ yếu sử dụng vùng bước sóng 1.55 µm vì hai lý do: mất mát vốn có trong sợi quang thấp nhất ở vùng này, và các bộ khuếch đại xuất sắc sẵn có trong vùng đó. Các bước sóng và tần số được sử dụng trong các hệ thống WDM được tiêu chuẩn hoá trên một lưới tần số bởi Hiệp Hội Viễn Thông Quốc Tế (ITU). Nó là một lưới vô tận tập trung ở 193.1 THz, một phần của nó được chỉ ra trong hình 1.5. ITU quyết đònh tiêu chuẩn hoá mạng lưới trong miền tần số dựa vào các khoảng cách kênh tương đương 50 GHz hoặc 100 GHz. Quan sát thấy rằng nếu nhiều kênh được cách đều nhau theo bước sóng, thì sẽ không cách đều một cách chính xác trong miền tần số và ngược lại. Ngày nay, ta đang bắt đầu nhìn thấy những hệ thống sử dụng các khoảng cách kênh 25 GHz. Chúng ta cũng đang thấy nhiều băng truyền dẫn được sử dụng. Các hệ thống WDM trước đây sử dụng băng C, hoặc băng quy ước (xấp xỉ 1530-1565 nm). Sử dụng băng L, hoặc băng có bước sóng dài (xấp xỉ 1565-1625 nm), đã trở nên khả thi gần đây với sự phát triển của các bộ khuếch đại quang trong dải này. Nó được chứng minh rằng khó đạt được sự thoả thuận từ những nhà sản xuất và các nhà cung cấp dòch vụ WDM khác nhau trên những tiêu chuẩn bước sóng cụ thể hơn. Các nhà sản xuất WDM khác nhau dùng các phương pháp khác nhau để tối ưu những thiết kế hệ thống của họ, vì thế kế hoạch hội tụ tại một bước sóng là điều khó khăn. Tuy nhiên, tiêu chuẩn của ITU đã giúp tăng cường sự triển khai các hệ thống này. 5.3. Công suất quang và mất mát Trong thông tin quang, việc sử dụng đơn vò decibel (dB) để đo công suất và các mức tín hiệu gần như là phổ biến, trái với các đơn vò quy ước. Lý do để làm điều . . . . . . 100 GHz 100 GHz Signal bandwidth Frequency (THz) 192.9 193.0 193.1 193.2 193.3 Wavelength(nm) 1554.1341553.3291552.524 11551.7211550.918 Hình 1.5: Lưới tần số sử dụn g tron g hệ thốn g WDM được q u y đònh bởi ITU LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 1: Giới Thiệu Mạng Thông Tin Quang HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 10 này là công suất thay đổi qua nhiều mức trong một hệ thống. Điều này dễ giải quyết với một tỷ lệ logarit hơn là một thang đo tuyến tính. Vả lại, sử dụng tỷ lệ này, các tính toán liên quan đến phép nhân trong miền quy ước trở thành các thao tác cộng trong miền decibel. Các đơn vò Decibel được dùng để thể hiện các giá trò tương đối cũng như tuyệt đối. Để hiểu hệ thống này, ta xét một tuyến truyền dẫn sợi quang. Giả sử ta phát một tín hiệu ánh sáng với công suất P t watts (W). Dưới dạng đơn vò dB, ta có (P t ) dBW = 10log(P t ) W . Trong nhiều trường hợp, đo công suất quang bằng miliwatts (mW) thuận tiện hơn và ta có một giá trò dBm là (P t ) dBm = 10log(P t ) mW . Ví dụ như, một công suất 1 mW tương ứng 0 dBm hoặc –30dBW. Một công suất 10 mW tương ứng với 10 dBm hoặc –20 dBW. Khi truyền qua sợi quang, tín hiệu ánh sáng sẽ suy hao; nghóa là công suất nó bò giảm. Ở đầu cuối của đường truyền, ta giả sử công suất nhận được là P r . Thì mất mát γ của đường truyền được đònh nghóa là γ = P r / P t . Trong đơn vò dB, ta sẽ có (γ) dB = 10logγ = (P r ) dBm – (P t ) dBm. Lưu ý rằng dB được dùng để chỉ các giá trò tương đối, trong khi đó dBm và dBW được dùng để chỉ các giá trò công suất tuyệt đối. Ví dụ như, nếu P t = 1 mW và P r = 1 µW, tức là γ = 0.001. Ta có: (P t ) dBm = 0 dBm hoặc –30 dBW, (P r ) dBm = -30 dBm hoặc –60 dBW, và (γ) dB = -30 dB. Có nghóa là, một tín hiệu bò suy hao 1000 lần chòu mất mát là 30dB. Một tín hiệu được khuếch đại 1000 lần tương đương với độ lợi là 30 dB. Ta thường đo mất mát trong sợi quang bằng đơn vò dB/km. Ví dụ một tín hiệu được truyền qua 120 km sợi quang với mất mát 0.25 dB/km thì sẽ bò suy hao 30 dB. [...]... tán xạ Các nguồn quang nên có một bề rộng phổ nhỏ để giảm thiểu tán xạ • Duy trì sự vận hành ổn đònh trong những điều kiện môi trường thay đổi (như nhiệt độ) • Cho phép điều chế trực tiếp công suất quang ngõ ra • Giá thành thấp và tin cậy hơn các thiết bò điện tử, cho phép các hệ thống thông tin sợi quang có thể cạnh tranh với những hệ thống thông tin thông thường Các hệ thống thông tin quang hoạt động... một tín hiệu quang về dạng điện bẩm sinh của nó Một mạng này dựa vào các bộ chuyển mạch điện tử Các chuyển mạch này cung cấp các chức năng chuyển mạch và đònh tuyến với độ mềm dẻo cao Tuy nhiên, tốc độ điện tử không thể phù hợp với băng thông cao của sợi quang Sự chuyển đổi điện tử ở các node trung gian trong mạng cũng thêm vào trễ Những yếu tố này đã thúc đẩy sự phát triển của mạng toàn quang trong... phần tử xen/rớt quang HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 23 LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 4: Các Thành Phần Trong Hệ Thống Thông Tin Quang 2 2 1 1 3 4 3 Hình 4.3: Bộ truyền 3 cổng và 4 cổng 3 Nguồn phát quang Bộ phát quang có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang Ánh sáng phát ra từ các nguồn này được ghép vào sợi quang để truyền đi Có hai loại linh kiện dùng làm nguồn phát quang hiện nay là • Diode phát quang. .. đều FWM có thể được dùng để cung cấp chuyển đổi bước sóng HVTH: LƯU NGOC ĐIỆP 22 LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 4: Các Thành Phần Trong Hệ Thống Thông Tin Quang CHƯƠNG 4 CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Trong thông tin quang, tín hiệu quang (ánh sáng) được phát đi ở nguồn truyền qua môi trường truyền thông là sợi quang để đến nơi thu Kỹ thuật điều chế được sử dụng phổ biến nhất là điều chế OOK... lượng tích luỹ trong một thời khoảng bit Một hệ thống thông tin quang cơ bản gồm có những thành phần như: các bộ nối, bộ phát quang, bộ thu quang, các bộ khuếch đại quang các chuyển mạch, các bộ lọc, các bộ ghép và tách kênh quang Hình 4.1 cho thấy những thành phần của một hệ thống thông tin quang với một bộ khuếch đại Hình 4.1: Hệ thống thông tin quang 1 Các bộ ghép (Couplers) Một bộ ghép đònh hướng... sợi quang cung cấp cho chúng ta các đường truyền đạt được những đặc tính mong muốn, thì băng thông mạng lại bò giới hạn bởi tốc độ xử lý ở các nút Nguyên do là tốc độ xử lý ở các nút phải được thực hiện bằng điện tử Điều này có nghóa là tín hiệu quang trên sợi phải được chuyển thành tín hiệu điện, xử lý ở tốc độ điện tử thấp và sau đó được chuyển lại thành tín hiệu quang để truyền đi trên sợi quang. .. giữa các sóng quang Ngoài ra, một số các bộ lọc, ví dụ như gratings, sử dụng đặc HVTH: LƯU NGỌC ĐIỆP 32 LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 4: Các Thành Phần Trong Hệ Thống Thông Tin Quang tính nhiễu xạ – ánh sáng từ một nguồn có khuynh hướng tản ra theo tất cả các hướng phụ thuộc vào bước sóng tới 7 Các bộ chuyển mạch Hầu hết các mạng ngày nay thực hiện xử lý điện tử ở các node và chỉ sử dụng sợi quang như môi...LUẬN ÁN CAO HỌC Chương 2: Giới Thiệu Mạng Ghép Kênh Đa Bước Sóng (DWDM) CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU MẠNG GHÉP KÊNH ĐA BƯỚC SÓNG (DWDM) Những mạng quang dùng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM) được tin là các mạng thế hệ tiếp theo có thể làm thoả mãn nhu cầu gia tăng băng thông liên tục cho người sử dụng Để hỗ trợ các ứng dụng có yêu cầu băng thông cao, trễ và tỉ lệ lỗi thấp; ta phải sử dụng các mạng. .. tín hiệu quang để truyền đi trên sợi quang Điều này không những làm cho mạng bò chậm xuống, mà còn làm gia tăng chi phí trên mạng Giải pháp cho vấn đề này hiển nhiên là xây dựng các mạng mà trong đó tín hiệu hoàn toàn được xử lý trong miền quang Các mạng này được gọi là các mạng toàn quang Nhu cầu băng thông cao hơn: Ngày nay, các mạng xương sống Internet đang được xây dựng với một nhòp độ rất nhanh... quang trong đó các thành phần chuyển mạch quang được triển khai có thể chuyển mạch các luồng dữ liệu quang băng thông cao mà không cần chuyển đổi điện tử Các bộ chuyển mạch quang được sử dụng trong các mạng quang cho nhiều ứng dụng khác nhau Mỗi ứng dụng yêu cầu thời gian chuyển mạch và số các cổng chuyển mạch khác nhau Một ứng dụng của các bộ chuyển mạch quang là cung cấp các lightpaths Trong ứng