Tài liệu nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng

Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 MỤC LỤC MỤC LỤC............................................................................................................1 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT....................................................................................4 LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................................9 Chương I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG................................................11 1.1. Giới thiệu..................................................................................................11 1.2. Khảo sát công nghệ..................................................................................12 1.3. Phân loại mạng quang..............................................................................15 1.3.1. phân loại dựa vào định tuyến.............................................................15 1.3.1.1. Optical-Link Networks (các mạng liên kết quang).....................16 1.3.1.2. Single-Hop Optical Networks (các mạng quang đơn chặng)......16 1.3.1.3. Multihop Optical Networks (các mạng quang đa chặng)............22 1.3.1.4. Các mạng quang lai ghép ( Hybrid Optical Networks)...............26 1.3.1.5. Mạng Photon...............................................................................30 1.3.2. Phân loại theo topo mạng...................................................................32 1.3.2.1. Cấu trúc mạng RING...................................................................33 1.3.2.2. Cấu trúc mạng MESH.................................................................33 1.3.2.3. Cấu trúc hình sao đơn..................................................................34 1.3.2.4. Cấu trúc hình sao kép..................................................................34 1.4. Các tham số đặc trưng của mạng quang...................................................35 1.4.1. Đặc trưng riêng của mạng quang.......................................................35 1.4.2. Các tham số liên quan đến topo mạng...............................................36 1.4.3. Các tham số liên quan đến những giới hạn vật lí...............................37 Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 1 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 1.4.4. Các tham số liên quan đến nhu cầu lưu lượng mạng.........................38 1.4.5. Các tham số liên quan đến kiến trúc..................................................39 1.4.6. Các tham số liên quan đến sự giám sát..............................................40 Chương II. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG QUANG WDM VÀ CÔNG NGHỆ.......41 2.1. Giới thiệu chương.....................................................................................41 2.2. Nguyên lí hoạt động của hệ thống WDM................................................42 2.3. Ưu điểm của hệ thống WDM...................................................................44 2.4. Vấn đề tồn tại của hệ thống WDM và hướng giải quyết trong tương lai.44 2.5. Chuyển mạch quang.................................................................................45 2.6. Các thành phần chính của hệ thống WDM..............................................46 2.6.1. Thiết bị đầu cuối OLT.......................................................................46 2.6.2. Bộ ghép kênh xen/rẽ quang OADM..................................................48 2.6.3. Bộ khuếch đại quang..........................................................................52 2.6.4. Bộ kết nối chéo quang OXC..............................................................55 2.6.4.1. Chức năng OXC..........................................................................55 2.6.4.2. Phân loại OXC.............................................................................58 2.7. Sự chuyển đổi bước sóng.........................................................................60 2.8. Kết luận chương.......................................................................................62 Chương III. ĐỊNH TUYẾN THEO BƯỚC SÓNG............................................63 3.1. Giới thiệu chương.....................................................................................63 3.2. Giới thiệu về định tuyến và gán bước sóng (Routing and Wavelength and Assignment)....................................................................................................63 3.3. Phương pháp định tuyến và gắn bước sóng bước sóng...........................65 Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 2 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 3.3.1. Phương pháp định tuyến....................................................................65 3.3.1.1. Phương pháp định tuyến trong mạng MESH..............................65 3.3.1.1.1. Định tuyến cố định................................................................65 3.3.1.1.2. Định tuyến luân phiên cố định..............................................66 3.3.1.1.3. Định tuyến thích nghi............................................................68 3.3.1.1.4. Định tuyến bảo vệ.................................................................69 3.3.1.2. Phương pháp định tuyến trong mạng cấu trúc RING..................70 3.3.2. Phương pháp gán bước sóng.............................................................78 3.3.2.1. Phương pháp gán bước sóng tĩnh...............................................78 3.3.2.1.1 Thuật toán gán bước sóng từ bậc lớn nhất (LF – Largest First) ...............................................................................................................80 3.3.2.1.2. Phương pháp gán bước sóng trong mạng Ring....................82 3.3.2.2. Phương pháp gán bước sóng động.............................................85 3.3.2.2.1. Gán bước sóng ngẫu nhiên...................................................85 3.3.2.2.2. Gán bước sóng theo phù hợp nhất........................................85 3.3.2.2.3 Gán bước sóng theo chiều dài luồng quang dài nhất (LF – Longest – First )....................................................................................86 3.3.2.2.4. Gán bước sóng dựa trên bước sóng sử dụng ít nhất ( LULeast Used )..........................................................................................87 3.3.2.2.5. Gán bước sóng theo số bước sóng sử dụng nhiều nhất (MUMost Used)............................................................................................88 KẾT LUẬN........................................................................................................91 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................92 Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 3 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADM Add/drop multiplexer Bộ ghép kênh xen kẽ AG Auxiliary Graph Dựng một đồ thị phụ AN Acces Node Nút truy nhập AOTF Acousto Optic Bộ lọc thanh quang Turnable Filter có điều chỉnh APD Avalanche Photodiode Điốt quang thác AWGM Arrayed - Wavelength Bộ ghép kênh lưới quang Grating Multiplexer dẫn sóng kiểu dàn Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không ATM đồng bộ AW Available Wavelength Bước sóng khả dụng DCA Distinct Channel Assignment Gán kênh riêng biệt DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép kênh DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi dịch tán sắc DXC Digital Cross Connect Nối chéo số DLE Dynamic Lightpath Establishment Thiết lập luồng quang DWDM Differential Wavelength Ghép kênh chia bước Division Multiplexer sóng vi sai FBG Fibre Grating Lưới sợi quang EDFA Erbium doped fiber amplifer Khuếch đại sợi quang trộn erbium FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia tần số FFWF First Fit Wavelength First Thuật toán gán bước sóng Generalized Multiple Protocol theo thứ tự bước sóng Label Swithching Chuyển mạch nhãn đa GMPLS giao thức tổng quát Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 4 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 GW Gateway Cổng IP Internet Protocol Giao thức internet ISDN Integrated service digital network Mạng số liên kết dịch vụ LAN Local Area Network Mạng cục bộ LC Logical Connection Kết nối logic LCP Least Congested Path Định tuyến đường nghẽn ít nhất LCG Logical Connection Graph Hướng kết nối logíc biểu đồ LF Largest First Thuật toán gán bước sóng từ bậc lớn nhất LEC Least Converter First Chuyển đổi bước sóng theo thứ tự cao nhất LL Least Loaded Thuật toán gán bước sóng dựa trên tải ít nhất LSP Label Swithched Path Luồng chuyển mạch nhãn LSR Label Swithching Router Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn LU Least Used Gán bước sóng dựa trên bước sóng sử dụng ít nhất MΣ Max-Sum Thuật toán gán bước sóng dựa trên tổng dung lượng lớn nhất MESH Mesh Dạng lưới MPLS Multi Protocol Label Swithching Chuyển mạch nhãn đa giao thức OADM Optical add/drop multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang OC Optical Circulator Bộ đấu vòng quang O/E/O Optical/Electrical/ Optical Quang/ Điện/ Quang Och Optical Channel Kênh quang OLA Optical Line Amplifier Khuếch đại đường quang OXC Optical Cross Connect Nối chéo quang OTDM Optical Time Division Multiplex Ghép kênh quang phân chia Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 5 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 thời gian RWA Routing and Wavelength Định tuyến và gán bước sóng Assignment SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ SGC Sequential Graph Coloring Tô màu đồ thị tuần tự SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ SNCP Sub-Network Connection Bảo vệ kết nối mạng con Protection STM Synchronous Transport Module Modun truyền tải đồng bộ SWR Static Wavelength Routing Bộ định tuyến bước sóng tĩnh SOS Space Optical Switch Chuyển mạch quang không gian TAW TDM Total wavelength and Available Tổng bước sóng của các wavelength bước sóng khả dụng Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian Thr Thr - Protecting Threshold Ngưỡng bảo vệ TSI Time Slot Interchanger Trao đổi khe thời gian WADM Wavelength Add- Drop Bộ nhập tách bước sóng Multiplexer WC Wavelegth Converter Bộ chuyển đổi bước sóng WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh chia bước sóng WGR Waveguide Grating Router Bộ định tuyến lưới quang dẫn sóng WP Wavelength Path Đường bước sóng WR Wavelength Router Bộ định tuyến bước sóng WRS Wavelength Router Switch Khoá định tuyến bước sóng RCA Routing And Chanel Assignment Định tuyến và gán kênh WRN Wavelength Router Network Mạng định tuyến bước sóng Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 6 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 IGRP Interior Gateway Routing Đồ án tốt nghiệp 2012 Giao thức định tuyến bên trong Protocol RIP Routing Imformation Protocol Giao thức thông tin định tuyến SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 7 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 : Cấu trúc sợi quang.................................................................................15 Hình 2 : Single-hop optical Network..................................................................19 Hình 3 : Mạng sao chọn lọc và quảng bá............................................................20 Hình 4 : Mô hình treeNet....................................................................................21 Hình 5 : Cấu hình vật lý của mạng LLN.............................................................22 Hình 6 : Mạng quang đa chặng...........................................................................24 Hình 7 : Một cấu trúc RING 6 node....................................................................35 Hình 8 : Cấu trúc mạng MESH...........................................................................36 Hình 9 : Cấu trúc hình sao đơn............................................................................36 Hình 10 : Cấu trúc hình sao kép..........................................................................37 Hình 11 : Hệ thống TDM....................................................................................45 Hình 12 : Hệ thống WDM...................................................................................45 Hình 13 : Nguyên lí ghếp kênh phân chia theo bước sóng.................................46 Hình 14 : Hệ thốn WDM theo một hướng (a) và hai hướng (b).........................47 Hình 15 : OLT.....................................................................................................50 Hình 16 : Vai trò của OADM trong mạng...........................................................52 Hình 17 : Các kiến trúc OADM.........................................................................54 Hình 18 : EDFA..................................................................................................56 Hình 19 : Mạng WDM định tuyến bước sóng.....................................................58 Hình 20 : Các khối chức năng của OXC.............................................................59 Hình 21 : Trạng thái của OXC............................................................................61 Hình 22 : Hybrid OXC........................................................................................61 Hình 23 : OXC toàn quang WGR.......................................................................63 Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 8 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 Hình 24 : Sự chuyển đổi bước sóng....................................................................64 Hình 25 : Các khả năng chuyển đổi bước sóng...................................................65 Hình 26 : Điều kiện tính liên tục của bước sóng.................................................67 Hình 27 : Đường ngắn nhất cố định...................................................................69 Hình 28 : Tuyến chính (nét liền) và tuyến thay thế (nút chấm) từ nút 0 đến.....70 Hình 29 : Định tuyến thích nghi từ nút 0 đến nút 2.............................................72 Hình 30 : Nguyên tắc định tuyến theo số chặng nhỏ nhất...................................77 Hình 31 : Nguyên tắc định tuyến chặng nhỏ nhất có sửa đổi..............................78 Hình 32 : Nguyên tắc tải tối thiểu với các lưu lượng theo thứ tự A-C,E-D,B-C 78 Hình 33 : Nguyên tắc tối thiểu : cơ chế định tuyến với thứ tự lưu lượng có thay đổi........................................................................................................................79 Hình 34 : Mạng cấu trúc đa RING......................................................................81 hình 35 : Mạng có 8 luồng quang định tuyến......................................................84 Hình 36 : Đồ thị phụ thuộc G(V,E) cho các luồng quang...................................84 Hình 37 : Mạng với các yêu cầu luồng quang....................................................85 Hình 38 : G(V,E) cho các luồng quang trong mạng với thuật toán gán..............85 bước sóng từ bậc lớn nhất (Largest First)...........................................................85 Hình 39 : Sơ đồ minh họa mối liên hệ với bài toán tô màu nút đồ thị................87 Hình 40 : Gắn bước sóng cho RING sử dụng đồ thị đoạn..................................88 Hình 41 : Thuật toán gắn bước sóng theo First – Fit...........................................90 Hình 42 : Gán bước sóng theo chiều dài luồng quang đầu tiên dài nhất.............91 Hình 43 : Trạng thái ban đầu của mạng..............................................................92 Hình 44 : Gắn bước sóng cho LU.......................................................................92 Hình 45 : Trạng thái gán bước sóng cho kết nối mới của mạng.........................93 Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 9 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 LỜI MỞ ĐẦU Trong hệ thống truyền tải, với sự ra đời của công nghệ mạng quang WDM đặc biệt là công nghệ DWDM được coi như là một công nghệ tối ưu thay thế cho công nghệ TDM truyền thống. Với sự ra đời của công nghệ WDM cho phép các nhà thiết kế mạng lựa chọn được phương án tối ưu nhất để tăng dung lượng đường truyền với chi phí thấp nhất. Cho đến nay hầu hết các hệ thống thông tin quang đường trục có dung lượng cao đều sử dụng công nghệ WDM. Ban đầu từ những tuyến WDM điểm – điểm đến nay đã xuất hiện các mạng với nhiều cấu trúc phức tạp. Tuy nhiên, do hiện nay số lượng bước sóng sử dụng trong hệ thống WDM là rất hạn chế, vấn đề đặt ra là phải làm thế nào để có thể sử dụng nguồn tài nguyên này một cách hiệu quả nhất. Giải quyết được vấn đề này tức là nâng cao năng lực của mạng với số tối đa tải trên một bước sóng cho trước, đây chính là vai trò của việc định truyến các bước sóng trong mạng. Việc định truyến tốt sẽ cho phép sử dụng tối ưu các bước sóng khi xây dựng một mạng mới và làm giảm chi phí cho thiết bị. Do đó, vai trò của việc định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM là rất quan trọng. Việc sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM cho phép nâng cao đáng kể băng thông mà vẫn duy trì hiện trạng hoạt động của mạng, nó cũng đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí cho các mạng đường dài. Vì lẽ đó đề tài “Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng” sẽ nghiên cứu vấn đề này một cách cụ thể hơn trong nội dung của đồ án này. Đồ án được chia thành 3 chương:  Chương 1 : Tổng quan về mạng quang  Chương 2 : Giới thiệu về mạng quang WDM và công nghệ  Chương 3 : Định tuyến và gắn bước sóng trong mạng quang WDM Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 10 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 Mặc dù có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn. Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Ths.Chu Công Cẩn đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ thuật thông tin, Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học giao thông vận tải Hà Nội đã giúp đỡ em trong thời gian qua. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè người thân- những người đã luôn cổ vũ động viên giúp đỡ kịp thời em trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2012 Sinh viên thực hiện Trần Văn Khoa Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 11 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 Chương I TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG 1.1. Giới thiệu Mạng truyền dẫn quang mang các bản tin được mã hóa như các tín hiệu sóng ánh sáng – bức xạ điện từ trong quang phổ thấy được và quang phổ gần vùng thấy được. Khả năng truyền dẫn tín hiệu sóng ánh sáng qua ống dẫn sóng quang bằng silica với tốc độ dữ liệu và độ tin cậy cao được tăng tốc để phát triển mạng quang. Mạng quang bao gồm các hệ thống từ các mạng sợi biến đổi đơn giản, thay thế các đường truyền dẫn điện bằng liên kết sợi quang, đến các mạng toàn quang được đề xuất gần đây, trong đó quá trình xử lí và truyền dẫn bản tin nằm toàn bộ trong miền quang. Do các công nghệ tồn tại dưới mạng quang đang phát triển rất nhanh chóng, nên các mạng quang đang xuất hiện dưới rất nhiều dạng khác nhau. Sự tiến bộ trong công nghệ gần như luôn luôn đi theo kiến trúc mạng mới làm thuận lợi cho nó. Khả năng xử lí tốt trong mạng quang giải thích tại sao nhiều chiến lược chuyển mạch duy nhất được ra đời và phát triển trong phạm vi của mạng quang. Mạng quang chia sẻ với mạng điện thông thường về mục đích cơ bản của lưu lượng tích hợp phân phối hiệu suất cao (ví dụ: video, voice, và dữ liệu) dưới những điều kiện thay đổi không thể đoán trước được (như sai hỏng, tắc nghẽn, và các lỗi nguy hiểm). Vì vậy chúng ta cần chuyển mạch gói, các dịch vụ datagram,và chuyển mạch kênh – đây là những công nghệ không phù hợp trong các mạng quang, do không yêu cầu mạch điện – các dịch vụ định hướng kết nối. Lưu lượng chuyển mạch gói có thể trễ, không liên tục, mất gói. Các lớp lưu lượng không yêu cầu đảm bảo chuyển giao đầu cuối đến đầu cuối cũng như độ tin cậy trong giao thức lớp cao để tạo ra độ đảm bảo chuyển từ đầu cuối tới đầu cuối. Tuy nhiên, lớp lưu lượng thời gian thực đòi hỏi độ trễ xác định và chuyển giao theo thứ tự của thông tin; nó cũng yêu cầu tỉ lệ lỗi không được vượt quá giới hạn và kênh ảo cung cấp một thông lượng cho trước. Nhưng chúng ta có thể hoàn toàn phân biệt được quang với mạng điện Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 12 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 thông thường. Sợi quang đơn mode là môi trường chủ yếu cho truyền dẫn tín hiệu sóng ánh sáng có khả năng hướng sóng cao với bước sóng 0.8, 1.3 và 1.5μm, tương ứng với các vùng mà nguồn và bộ tách sóng sử dụng một cách dễ dàng. 1.2. Khảo sát công nghệ Trong phần này chúng ta xem xét của việc thiết lập mạng quang. Các công nghệ sóng ánh sáng, photon, và hướng sóng quang đã tiến được những bước dài và xu hướng sẽ còn tiếp tục. Vì vậy, để hiểu việc định tuyến trong mạng quang, người đọc cần phải có hiểu biết về nền tảng công nghệ của họ mạng này. Đầu tiên chúng ta mô tả thiết bị mà trở thành 1 phần kiến thức về kiến trúc mạng quang. Loại thiết bị quang duy nhất được nghiên cứu sử dụng trong mạng truyền thông, và chúng ta xem xét đặc điểm và chức năng cơ bản của các thiết bị này. Thành phần mới được phát triển ổn định. Đây là các mẫu hiện đang khả dụng và sẽ khả dụng trong tương lai.  Sợi quang: ống dẫn sóng quang bao gồm một hình trụ trung tâm - hoặc lõi của vật liệu suy hao thấp như thủy tinh silic được bao phủ bởi lớp vỏ bên ngoài chỉ số khúc xạ thấp. Các sợi quang đơn mode,với đường kính lõi khoảng 10micromet, chỉ truyền dẫn 1 mode ánh sáng, bằng cách ấy loại trừ được dần dần sự phân bố năng lượng xung tốc độ hạn chế và khoảng cách truyền dẫn trong sợi đa mode. Những sợi quang đơn mode như vậy làm suy giảm tổn thất khoảng 0.16dB/km. Mặc dù không có sự tán sắc, sợi đơn mode là yếu tố tác động đến tán sắc màu, trong đó việc truyền các bước sóng khác nhau qua sợi quang với tốc độ khác nhau sao cho tín hiệu tạm thời trải rộng ra. Một phần bù cho các tác động có thể đạt được bởi kĩ thuật sản xuất sợi tán sắc thay đổi và sợi dẹt, cho phép cải tiến hoạt động tại tần số 1.3 và 1.5 micromet. Bởi vì kích cỡ vật lí nhỏ (đường kính lớp vỏ vào khoảng 100micromet) sợi quang lớn hơn có thể được gói bởi một cáp. Các cáp bao gồm hàng trăm sợi quang. Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 13 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 Hình 1 : Cấu trúc sợi quang  Bộ ghép quang: Một thiết bị thường gặp trong mạng quang, bộ ghép quang được sử dụng để tách nguồn từ một đầu vào tới nhiều đầu ra. Hơn nữa nó có thể kết hợp tín hiệu xung ánh sáng từ 2 sợi vào thành 1 sợi ra. Đặc điểm bộ tách và kết hợp nối quang được định ra tại thời điểm chế tạo và không thể thay đổi. Các cặp sợi quang đơn mode được ghép bởi quá trình làm thon thành hình nón bằng phương pháp nóng chảy. Cấu trúc hình học của cáp nhọn có thể được điều chỉnh sản xuất tỉ lệ nối phù hợp. Với 4 cổng của bộ ghép có thể kết nối tới bộ ghép hình sao n đầu vào và đầu ra, hoặc với bộ ghép hình sao 128 cổng có thể được cấu như các thiết bị tích hợp. Là một thiết bị thụ động hoàn chỉnh không yêu cầu phải cấp nguồn, bộ ghép này không đắt và có độ tin cậy cao, tổn hao thấp.  Chuyển mạch không gian quang: Các thiết bị thường được xây dựng bởi khuyếch tán titan vào LiNbO3 nhưng chúng cũng có thể vào hợp chất bán dẫn. Với khả năng chuyển mạch nhanh các thiết bị này được tìm thấy trong mạng quang. Các chuyển mạch thông thường có tổn thất lớn (4 tới 5 dB).  Thiết bị phối hợp đường truyền: Thiết bị phối hợp đường truyền là sự tổng quát hóa của chuyển mạch không gian quang có thể với cấu hình cung cấp nguồn tùy cho bộ ghép giữa các đầu vào và đầu ra. LDC là thiết bị với n đầu vào và ra cho qua tín hiệu xung ánh sáng tùy theo ma trận aij truyền dẫn nguồn quang của từng người sử dụng. Cổng vào aij cho biết tỉ Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 14 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 lệ công suất gửi từ đầu vào i tới đầu ra j. Hệ số δ miêu tả sự phân chia nguồn quang từ cổng đầu vào i phân phối tới cổng đầu ra j Hệ số ơij miêu tả sự phân chia của nguồn quang từ cổng đầu vào i tới trực tiếp cổng đầu ra j. Ta có aij = ơijδij Giống như bộ ghép tổng quát LDC có thể đồng thời tách và ghép tín hiệu quang phù hợp với thiết bị của chúng. Lựa chọn bước sóng LDC là một trong những bước sóng đặc trưng của ma trận truyền dẫn đặc trưng. Thiết bị này cho thấy sự khác nhau giữa hệ số tách và ghép được áp dụng cho đồng thờicác bước sóng khác nhau. Vì thế các bước sóng khác nhau đưa vào LDC qua đầu vào và phân phối nguồn khác nhau ở đầu ra.  Bộ ghép và tách sóng: Ghép và phân chia bước sóng được thực hiện bởi sự nhiễu xạ có chia tách các bước sóng về không gian. Ngược lại bộ ghép phối hợp các tín hiệu riêng lẻ từ các cổng vào và kết hợp chúng vào cổng đầu ra .  Routers bước sóng: Một thành phần của tín hiệu đầu vào gửi tới đầu ra đặc biệt trên cơ sở của bước sóng tín hiệu được gọi là chuyển mạch bước sóng. Chuyển mạch bước sóng là dạng tổng quát của thiết bị tách sóng. Trong thực tế, chuyển mạch bước sóng thường chỉ đơn thuần là chuyển bước sóng ở cổng đầu vào tới cổng đầu ra. Router biến đổi bước sóng không chỉ định tuyến bước sóng đi tới mà còn chuyển nó sang một bước sóng mới, bằng cách ấy cải thiện được hiệu suất thiết lập của các bước sóng bằng phương pháp giảm xung đột bước sóng.  Chuyển mạch cơ điện quang: Chức năng của chuyển mạch cơ điện quang giống như chuyển mạch không gian trừ tín hiệu xung ánh sáng được chuyển mạch cơ học. Các thiết bị này tốc độ chậm nhưng đắt, với thiết kế cơ sở như gương, lăng trụ, selenit.  Bộ lọc quang: Bộ lọc quang cho phép chọn 1 hoặc nhiều bước sóng từ toàn bộ tín hiệu gồm nhiều bước sóng. Sóng âm lan truyền qua một vật Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 15 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 liệu quang tương tác với sóng ánh sáng qua hiệu ứng photon đệm bao gồm nhiễu mà có thể thay đổi đặc tính vốn có của sóng ánh sáng. Các thiết bị này có thể điều chỉnh được độ rộng nhưng thời gian điều chỉnh của chúng tương đối dài (có thể vài μs).  Bộ khuyêch đại quang: Mặc dù hiểu họ router trong mạng quang không yêu cầu tất yếu với các công nghệ ứng dụng của mạng quang, phát triển bộ khuếch đại quang dùng erbium được tăng tốc độ phát triển trong mạng quang. Khả năng tín hiệu xung ánh sáng mở rộng tại bước sóng cửa sổ 1.5μm, EDFA tăng công suất của tín hiệu đầu vào mà không cần tái tạo tín hiệu. Các bộ khuếch đại sợi quang được kích thích bởi các phần tử đất hiếm khác, như các bộ khuếch đại sợi florua kích thích bởi Neođim hay Prazeođim, có cấu tạo tương tự để khuếch đại các tín hiệu sóng ánh sáng tại bước sóng 1.3mm. 1.3. Phân loại mạng quang 1.3.1. phân loại dựa vào định tuyến Chúng ta trình bày một kiểu phân loại dựa trên cách mà mạng định tuyến các bản tin từ nguồn đến đích. Phân loại tạo nên sự hợp nhất cho việc thảo luận về định tuyến. Phân loại mạng quang có thế chia làm 5 phần sau:  Optical-Link Networks (các mạng liên kết quang).  Single-Hop Optical Networks (các mạng quang đơn chặng).  Multihop Optical Networks (các mạng quang đa chặng).  Hybrid Optical Networks (các mạng quang lai).  Photonic Networks (các mạng photon). 1.3.1.1. Optical-Link Networks (các mạng liên kết quang). Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 16 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 Optical-Link Network dùng sợi quang thay vì sợi dây kim loại. Các mạng này bao gồm các chuyển mạch điện kết nối trong một topo mạng lưới bới các liên kết quang. Phương pháp này đảm bảo tốc độ truyền dẫn tốc độ cao và cho độ trễ thấp hơn các hệ thống thông thường khác nhưng không phải là tối ưu trong công nghệ mạng quang. Optical-Link Network thì có nhiều ưu điểm hơn so với các Electronic-Link Network : nó cho băng thông cao hơn, tỉ lệ lỗi thấp. Mặt khác, các tuyến quang thì có độ phức tạp hơn so với các tuyến điện, và thật khó khăn khi thực hiện chuyển mạch điện mà phù hợp với tốc độ quang. Các ví dụ về mạng Optical-Link Networks bao gồm mạng số dịch vụ tích hợp băng thông rộng (B-ISDN) mà dùng chuyển mạch tế bào ATM, và mạng gigabit testbed do chính phủ Hoa Kỳ cải tiến được gọi siêu xa lộ thông tin (Information Superhightway). Khó khăn chính trong việc thiết kế lược đồ định tuyến cho các mạng này là tốc độ, nó đòi hỏi xử lí phần mào đầu gói chậm nhất có thể. Cách giải quyết điển hình bao gồm: định tuyến nguồn, định tuyến kênh ảo, và chuyển mạch liên tục để giảm thiểu việc đệm gói tin. Định tuyến trong Optical-Link Networks về cơ bản cũng giống như trong các mạng điện truyền thống. 1.3.1.2. Single-Hop Optical Networks (các mạng quang đơn chặng). Trong Single-Hop Optical Network một bản tin di chuyển từ nguồn đến đích chỉ trong một hop, mà không có sự chuyển đổi trong miền quang và không có xử lí thông tin điều khiển trong băng. Chú ý rằng việc định tuyến và chuyển đổi bước sóng phải được cho phép. Bản tin truyền qua mạng trong một hop, và định tuyến thực chất là tìm một kênh từ nguồn đến đích. Trong định tuyến trong mạng Single Hop thì giảm được vấn đề đa truy nhập. Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 17 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 Hình 2 : Single-hop optical Network Nhiều mạng Single-Hop Optical Netwoks bao gồm các trạm được gắn vào “optical star coupler” (bộ ghép quang cấu trúc sao), quảng bá tín hiệu bất kỳ được gửi đến nó đến tất cả các trạm trong mạng, như chỉ ra ở hình 3. Ví dụ bao gồm: LAMBDANET và Rainbow. Trong LAMBDANET được dự định cung cấp kết nối giữa các tổng đài, mỗi một trạm có truyền dẫn một bước sóng duy nhất và nó truyền theo kiểu ghép kênh phân chia theo thời gian. Trạm này có bộ phân kênh mà đưa đến cho phía thu. Phía thu chọn một bước sóng và một khe thời gian từ bản tin được tách ra. Do vậy, không yêu cầu khả năng điều hướng (tunability), nhưng mỗi trạm phải xử lí thực thi ở phía nhận. Các trạm cũng có một bộ phát bước sóng chung, mà được dùng cho quản lý kết nối và báo hiệu. Truy cập đến bước sóng được kiểm soát bởi ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM). Một trạm trong mạng Rainbow truyền một bước sóng duy nhất. Mỗi một trạm có bộ lọc mà có thể phân biệt được bước sóng thích hợp cho phía thu. Rainbow dùng chủ yếu trong chuyển mạch kênh, và nó hoạt động không hiệu quả trong các mạng chuyển mạch gói. Mạng sao cơ bản không hỗ trợ các trạm với số lượng lớn, bởi vì bộ ghép cấu trúc sao (star coupler) có số cổng hạn chế, và các trạm không dễ dàng đạt được tốc độ bước sóng để truyền thông với các trạm khác. Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 18 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 Hình 3 : Mạng sao chọn lọc và quảng bá Quadro là một kiểu mạng khác của Single-Hop Network dựa trên ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) trong topo mạng hình sao. Nó giải quyết nhiều vấn đề về phối hợp phía thu - phía phát bởi cho phép phía thu thu được nhiều thông tin đồng thời. Các trạm Quadro có một bộ phát bước sóng cố định và một bộ thu trang bị một loạt các giai đoạn mạch trễ quang mà được dùng giống như bộ đệm thu. Nếu hai trạm truyền đồng thời tới một đích, thì đích này có thể đưa hai bước sóng đã được điều chế này thông qua các mạch trễ, ban đầu cho tín hiệu của bước sóng thứ hai đưa vào giai đoạn 1 của mạch trễ, sau đó lại cho tín hiệu của bước sóng thứ nhất đưa vào giai đoạn 2 của mạch trễ. Thao tác này có thể được lặp đi lặp lại nếu cần thiết, nhưng các tín hiệu bị mất ở giai đoạn cuối cùng. Giao thức giành trước được dùng để thông báo cho phía thu kế hoạch truyền dẫn. Mặt khác, TreeNet cũng là một single hop network trong đó dùng topo hình cây cho phân phối tín hiệu. Cây này được xây dựng bởi các sợi quang kết hợp với “bộ ghép cáp hai nón- biconical taper couplers” tại các node phía trong. Các trạm được đặt tại lá của cây, ngược lại các mạng single-hop network sao Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 19 Trần Văn Khoa – Lớp KTTT&TT K48 Đồ án tốt nghiệp 2012 đơn giản có một bộ ghép hình sao “star coupler”được đặt tại trung tâm. Về phương diện vật lí, TreeNet phân tán các thiết bị nối để đạt được khả năng duy trì khi gặp sự cố. Cây này làm thành một phương tiện truyền broadcast trong đó sử dụng giao thức truy cập đa kênh, cho các trạm với bộ thu phát. Việc tạo khuyếch đại tại node gốc cho phép hàng trăm trạm có thể được hỗ trợ. TreeNet được mô tả trong hình 4. Hình 4 : Mô hình treeNet Mạng sóng ánh sáng tuyến tính (LLN-Linear lightwave network) cũng là một kiểu mạng Single-hop Network. LLN dùng các LDC(linear divider-combiner) như là các node trong topo hình lưới. Các trạm người dùng được gắn đến các LDC, mà được lập trình để tạo quảng bá giữa các trạm, như chỉ ra ở hình 5. Mạng con được định nghĩa bởi việc thiết lập các LCD và băng tần của các bước sóng kề nhau. Việc duy trì và thay đổi LLN có thể điều khiển bởi mạng bên ngoài và cho phép người điều khiển các LDC. Nghiên cứu về mạng quang và phương pháp định tuyến quang theo bước sóng 20