Đề tài Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch quang

ghệ chuyển mạch Dựa vào số lượng lớn lưu lượng đa phương tiện cần thiết được chuyển mạch trong tương lai, một vấn đề tất yếu được đặt ra là chuyển mạch photonic có thể được sử dụng trên mạng để giảm độ phức tạp và giá thành của mạng không và việc triển khai nó về phương diện thương mại sẽ thực hiện ở vị trí nào. Vấn đề chính cho việc thừa nhận chuyển mạch photonic là loại bỏ ‘nút cổ chai’ điện tử-quang tức là giao diện chuyển đổi giữa tín hiệu quang và tín hiệu điện tử cho việc chuyển mạch, định tuyến và xử lý cao hơn của các tín hiệu. Ngoài ra nếu như chuyển mạch quang phối hợp cùng truyền dẫn quang thì mạng lúc đó sẽ là truyền thông suốt không phụ thuộc vào các dạng mã và tốc độ bit. Do vậy sẽ giảm đi các nút và các thiết bị xử lý cũng như làm tăng hiệu quả sử dụng trên mạng. Các bộ khuếch đại quang và ghép kênh phân chia theo bước sóng đang được thừa nhận về phương diện thương mại cho truyền dẫn cự ly xa. Vậy vai trò của chuyển mạch quang trong các mạng với các liên kết truyền dẫn được ghép kênh theo bước sóng là gì? Hiện tại có hai xu hướng về việc sử dụng chuyển mạch quang: các đề xuất của chuyển mạch bằng quang là có thể xem chuyển mạch điện tử được thay thế hoàn toàn bằng chuyển mạch quang, định tuyến bước sóng và chuyển đổi bước sóng; Các đề xuất khác theo hướng chuyển mạch điện tử với tốc độ Terabit/s là có thể xem chuyển mạch điện tử có hiệu quả về mặt giá thành do đó các thiết bị quang chỉ cần cho chuyển tải điểm-điểm còn chuyển mạch, định tuyến và xử lý nên là các thiết bị điện tử. Theo truyền thống thì các thiết bị quang là tốt cho chuyển tải nhưng kém về xử lý các tín hiệu; đó là bởi vì các photon hoặc không thể đi chậm lại, tập trung lại, hoặc không được cất giữ một cách thuận tiện. Kích thước của các thiết bị quang bị giới hạn do nhiễu xạ theo trật tự bước sóng làm cho các thiết bị photonic lớn hơn nhiều thiết bị điện tử. Nếu coi đây là hạn chế cơ bản của các thiết bị quang thì ứng dụng thích hợp của photonic trong các mạng chuyển mạch cần phải được xem xét cẩn thận trước khi đưa vào sử dụng. Tuy nhiên, trong tương lai nếu như có những kết quả nghiên cứu về mặt công nghệ nhằm khắc phục được những yếu điểm này thì chuyển mạch quang sẽ là một giải pháp đầy hứa hẹn cho mạng viễn thông. Bảng so sánh chuyển mạch điện tử và chuyển mạch quang: Các điểm so sánh Chuyển mạch điện tử STM Chuyển mạch quang Phạm vi ứng dụng Nội hạt, chuyển tiếp, quốc tế Nút mạng, mạng truy nhập băng thông rộng ISDN Dung lượng Rất lớn Nhỏ Băng tần tín hiệu chuyển mạch Nhỏ (2 Mb/s) Rất lớn Thông lượng Lớn Rất lớn Thời gian chuyển mạch Nhỏ Biến động lớn Khả năng dịch vụ Nhiều Không đặt ra Theo chiến lược phát triển khoa học - công nghệ và công nghiệp bưu chính - viễn thông đến năm 2020 của tổng cục bưu điện : triển khai và hoàn thành chuyển đổi hệ thống báo hiệu sang báo hiệu số 7 trên toàn mạng. Triển khai các tổng đài ISDN và ứng dụng tổng đài ATM trên các nút đường trục và các thành phố lớn. Thử nghiệm các hệ thống chuyển mạch quang. Giai đoạn từ năm 2011 đến năm 2020, hoàn thành việc triển khai các tổng đài ATM tới cấp nội Trong giai đoạn từ nay đến năm 2010, mở rộng và nâng cấp mạng truyền số liệu sử dụng công nghệ chuyển mạch gói nhanh nhằm cung cấp dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao hạt để cung cấp dịch vụ B-ISDN cho khách hàng. Triển khai các hệ thống chuyển mạch quang trên các nút đường trục. Chương II: Các công nghệ chuyển mạch quang 1. Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian Chuyển mạch quang phân chia theo thời gian chuyển tạm thời các tín hiệu quang đã ghép giữa các khe thời gian ti và tj. Chuyển từng bít của tín hiệu 10Gbit/s cần một thời gian chuyển mạch tối thiểu là 100ps. Tuy nhiên đòi hỏi thời gian chuyển mạch phải được điều tiết trong trường hợp chuyển gói tin chứa hàng trăm bít. Chuyển mạch phân chia thời gian rất hấp dẫn đối với đa truy nhập phân chia thời gian, trong đó lưu lượng được ghép theo thời gian. Vì các photon không thể dễ dàng lưu giữ và hồi phục sau khi trễ lập trình nên việc thực hiện chuyển mạch phân chia thời gian hoặc trao đổi khe thời gian là không dễ dàng. Dây trễ lập trình gồm các vòng sợi và một chuyển mạch 2x2 như hình 2.1a. Thời gian trễ của một vòng sợi là T lấy bằng chu kỳ của một gói, thời gian trễ lập trình kT (k là số lần mà gói tin đi qua vòng sợi trong một dây trễ) được thực hiện bằng cách thay đổi trạng thái của chuyển mạch 2x2. Trước tiên đặt chuyển mạch ở trạng thái “chéo” trong thời hạn T để chuyển gói tin đầu vào tới vòng sợi. Sau đó đặt chuyển mạch ở trạng thái “ngang” trong thời hạn (k-1)T. Cuối cùng đặt lại chuyển mạch ở trạng thái “chéo” và thời gian trễ tổng là kT. Sử dụng các dây trễ lập trình, TSI được thực hiện theo sơ đồ trong hình 2.1b. Tầng đầu tiên là bộ tách khe thời gian (TSDEMUX). Hoạt động của TSDEMUX như hình 2.1c, trong đó các khe thời gian được sắp xếp trong miền thời gian. Tại các đầu ra của TSDEMUX, các khe thời gian xuất hiện đồng thời và đi vào dây trễ tương ứng. Bộ ghép khe thời gian như hình 2.1d. Hình 2.1: Chuyển mạch phân chia thời gian Trong thực tế chuyển mạch phân chia thời gian kết hợp với chuyển mạch phân chia không gian và/ hoặc chuyển mạch phân chia bước sóng. Vì các dây trễ lập trình đã đề cập trên đây có suy hao công suất quang đáng kể và gây ra lỗi thời gian sau một quá trình trễ dài, vì vậy đòi hỏi thiết kế phải rất chính xác. Khi chuyển mạch nhiều chiều có thể không cần dùng các dây trễ và chuyển mạch phân chia thời gian được thực hiện theo một số phương pháp khác nhau. Chẳng hạn chuyển mạch T- S -T được thực hiện nhờ sử dụng kết hợp WC-WGR-WC như hình 2.2 Hình 2.2: Chuyển mạch quang T - S - T sử dụng WC-WGR-WC Laser hai trạng thái cũng là một trong những bộ nhớ bít của chuyển mạch số, nhưng yêu cầu nghiêm ngặt về cải thiện tốc độ hoạt động và dung lượng. 2. Chuyển mạch quang phân chia theo bước sóng Hệ thống ghép bước sóng là rất cần thiết để thay đổi kênh tín hiệu từ bước sóng li thành lj tại các nút mạng. Chuyển mạch bước sóng được phân thành hai loại: (1) quảng bá và lựa chọn, (2) định tuyến bước sóng. Loại thứ nhất như hình 2.3. Coupler hình sao dùng để xáo trộn các bước sóng vào và phát quảng bá chúng tới các đầu ra. Các bộ lọc quang tại đầu ra coupler hình sao cho phép chuyển mạch bước sóng không tắc nghẽn. Muốn chuyển một số bước sóng tới người sử dụng dịch vụ, cần sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng (WC) để hoán vị bước sóng. Hình 2.3: Chuyển mạch phân chia theo bước sóng quảng bá và lựa chọn Chuyển mạch định tuyến bước sóng như hình 2.4, gồm hai dãy WC đặt tại hai phía bộ định tuyến bước sóng dùng cách tử (WGR). Các WC trong tầng đầu chuyển đổi các bước sóng vào. Nếu bước sóng tại cổng vào i cần định tuyến tới cổng ra j thì bước sóng của nó trước tiên được chuyển thành [3]: λi+j = λ0 - (i+j) Δλ Trong đó λ0 là bước sóng tham chiếu được xác định bởi WGR, Δλ là khoảng cách giữa hai bước sóng kề nhau. Tại đầu ra của WGR các bước sóng lại được chuyển đổi một lần nữa trở về bước sóng ban đầu. Hình 2.4: Chuyển mạch định tuyến bước sóng So sánh hai phương pháp chuyển mạch bước sóng trên đây nhận thấy phương pháp quảng bá và lựa chọn thực hiện đơn giản hơn, nhưng suy hao phân bố rộng. Phương pháp định tuyến bước sóng có suy hao công suất thấp nhưng đòi hỏi điều khiển và chuyển đổi bước sóng chính xác. Trong cả hai phương pháp chuyển mạch nói trên, các bước sóng đầu vào được định tuyến trong miền không gian. Cũng có khả năng thực hiện chuyển mạch bước sóng trong miền bước sóng. Phương pháp này gọi là trao đổi kênh bước sóng (WCI) và tương đương về mặt logic với trao đổi khe thời gian (TSI). Hình 2.5 mô tả WCI. Trong mô hình này gồm bộ ghép bước sóng, một dãy các bộ chuyển đổi bước sóng (WC) và coupler, việc chuyển mạch bước sóng được thực hiện trong cùng một kênh bước sóng. Tách bước sóng được cấu trúc nhờ kết hợp bộ chia công suất quang và bộ lọc bước sóng. Điều chỉnh bước sóng của tách bước sóng hoặc chuyển đổi là cần thiết để chuyển mạch bước sóng tuỳ ý từ i thành j. Cả hai cách kết hợp sau đây đều có khả năng: thứ nhất là kết hợp bộ tách ống dẫn sóng có bước sóng cố định với một laser điều hưởng (điều chỉnh l được). Thứ hai là bộ tách công suất, bộ lọc điều hưởng bước sóng và một laser có bước sóng cố định. Một laser điều hưởng và/hoặc bộ lọc là thành phần chủ yếu trong trường hợp bất kỳ. Bước sóng hoạt động của bộ chuyển đổi bước sóng sẽ chiếm hầu hết vùng bước sóng của hệ thống WDM nhằm đảm bảo chuyển mạch tuỳ ý giữa các kênh WDM. Tín hiệu quang có tốc độ bít 10Gbit/s đã được chuyển đổi khi sử dụng sơ đồ điều chế khuếch đại ánh sáng phun. Một thực nghiệm chuyển mạch quang 16 kênh WDM đã thực hiện thành công khi sử dụng thiết bị chủ chốt này. Cần chú ý là WCI sử dụng một coupler thay cho bộ ghép bước sóng, vì các bộ chuyển đổi bước sóng có khả năng chuyển đổi các bước sóng khác nhau. Khi WCI sử dụng cùng với WGR có thể hoạt động như chuyển mạch bước sóng-không gian-bước sóng (λ-S-λ) hoặc S-λ-S. Hình 2.5: Chuyển mạch bước sóng 3. Chuyển mạch quang hình cây phân chia theo không gian Tổng quan về cấu trúc hình cây Phèi hîp kÕt nèi c¸c kªnh Phèi hîp kÕt nèi c¸c kªnh 1 N 1 N Bé t¸ch 1:N/2 Khèi trung t©m Bé ghÐp N/2:1 Hình 2.6: Cấu trúc mạngchuyển mạch hình cây tổng quát Cấu trúc chung của mạng chuyển mạch quang cấu trúc hình cây NxN được thể hiện trên hình 2.6. Nó bao gồm N bộ tách quang 1:N/2 và N bộ ghép quang N/2:1. Các bộ tách và ghép có thể có đặc tính thụ động hoặc tích cực và chúng thường được bố trí theo cấu hình dạng cây nhị phân gồm các phần tử cơ bản 1:2 và 2:1 tương ứng. Các khối trung tâm và khối phối hợp kết nối giữa các kênh có đặc điểm riêng tuỳ theo từng loại mạng hình cây và mỗi khối này có thể gồm một hoặc nhiều lớp chuyển mạch. Với cấu trúc mạng hình cây cho phép kết nối điểm - điểm cũng như điểm - đa điểm. Mạng hình cây truyền thống: N/2 1 N 1 N Bé t¸ch 1:N/2 Khèi trung t©m Bé ghÐp N/2:1 1 1 1 N N 1 1 N N 1 N/2 1 N/2 N/2 1 Hình 2.7: Cấu trúc mạng chuyển mạch hình cây truyền thống Cấu trúc mạng hình cây truyền thống được thể hiện trên hình 2.7. Khối trung tâm của mạng hình cây truyền thống được cấu thành bởi lớp bộ tách quang và lớp bộ ghép quang và khối phối hợp kết nối giữa các lớp này. Trong các mạng cụ thể khối tách và ghép quang có thể có đặc tính thụ động hoặc tích cực, vì vậy sự kết hợp giữa chúng có thể bao gồm các trường hợp sau: AS/AC, PS/AC và AS/PC trong đó AS, AC tương ứng với bộ tách và ghép tích cực còn PS, PC tương ứng với bộ tách và ghép thụ động. Trong cấu trúc PS/AC cho phép kết nối điểm - đa điểm. Một ưu điểm nổi bật của cấu trúc mạng hình cây truyền thống là cho phép tất cả các phần tử chuyển mạch tích cực nằm trên mỗi cột gồm các bộ tách và ghép có chung một bộ điều khiển. Độ suy hao của cấu trúc mạng hình cây: Sự thay đổi của độ suy hao theo cấu trúc và dung lượng của khối chuyển mạch được thể hiện trên hình 2.8 với L = 0,5 dB; W = 1,5 dB. Bảng 1 là các công thức tính độ suy hao ứng với từng cấu trúc mạng, trong đó N là số cổng vào/ra, L là độ suy hao của một phần tử chuyển mạch tích cực, W là độ suy hao trong kết nối ống dẫn sóng-cáp quang. ở đây ta đã giả sử các điều kiện sau: * Không có suy hao quá độ * Độ suy hao trong các thanh chéo là bằng 0 * Độ suy hao của các bộ tách 1:2 và bộ ghép 2:1 là 3-dB 0 10 20 30 40 50 60 2 4 8 16 32 64 128 256 512 Dung l­îng §é suy hao CÊu tróc më réng PS/PC CÊu tróc hai líp tÝch cùc CÊu tróc më réng PS/AC CÊu tróc truyÒn thèng PS/AC, AS/PC CÊu tróc ®¬n gi¶n PS/AC, AS/PC CÊu tróc truyÒn thèng AS/AC CÊu tróc ®¬n gi¶n AS/AC CÊu tróc thanh chÐo Hình 2.8: Sự thay đổi độ suy hao theo cấu trúc và dung lượng của mạng Bảng 2.1: Công thức tính độ suy hao trong các cấu trúc mạng hình cây Cấu trúc Độ suy hao (dB) Cấu trúc truyền thống AS/AC 2L log2N + W Cấu trúc truyền thống PS/AC (3 + L) log2N + 2W Cấu trúc mở rộng PS/AC (3 + L) log2N + L + 2W Cấu trúc mở rộng PS/PC 6 log2N + L + 2W Cấu trúc đơn giản AS/AC (2 log2N - 1) L + 2W Cấu trúc đơn giản PS/AC, AS/PC (3 + L) log2N - 3 + 2W Cấu trúc hai lớp tích cực (kết nối điểm-điểm) 6(log2N - 1) + 2L + 2W Cấu trúc hai lớp tích cực (địa chỉ nhóm) 6(log2N - 1) + 3 + 2L + 2W Tỷ số tín hiệu/nhiễu SNR Bảng 2.2 trình bày các công thức tính tỷ số tín hiệu/nhiễu của các cấu trúc mạng, trong đó X là tỷ số tín hiệu/nhiễu SNR của một phần tử chuyển mạch cơ bản đo bằng dB. Có một điểm cần lưu ý là công thức tính SNR đối với cấu trúc truyền thống AS/PC chỉ đúng trong trường hợp tất cả các bộ tách tích cực nằm trong cùng một cột được điều khiển bằng một bộ điều khiển chung và kết nối ở đây là kết nối điểm-điểm. Tỷ số tín hiệu/nhiễu SNR của cấu trúc mạng hình cây đơn giản AS/AC là lớn nhất và bằng X. Công thức tính SNR của cấu trúc hai lớp tích cực được áp dụng cho cả hai trường hợp là kết nối điểm-điểm và địa chỉ nhóm, tuy nhiên trong trường hợp ngược lại tức là kết nối đa điểm-điểm thì giá trị của SNR sẽ là: X - 10log10(N - 1) Bảng 2.2: Tỷ số tín hiệu/nhiễu SNR của các cấu trúc mạng hình cây Cấu trúc Tỷ số tín hiệu/nhiễu SNR (dB) Cấu trúc truyền thống AS/AC 2X - 10log10(log2N) Cấu trúc truyền thống PS/AC, AS/PC X - 10log10(log2N) Cấu trúc mở rộng PS/AC 2X - 10log10(log2N) Cấu trúc mở rộng PS/PC X - 10log10(N - 1) Cấu trúc đơn giản AS/AC X Cấu trúc đơn giản PS/AC X - 10log10(log2N) Cấu trúc đơn giản AS/PC X - 10log10(log2N/2) Cấu trúc hai lớp tích cực X - 10log10(log2N/2) Đánh giá cấu trúc mạng hình cây: Các cấu trúc hình cây là một trong những lựa chọn tốt nhất cho các mạng quang phân chia không gian. Tất cả các loại mạng ở trên là toàn thông và một số trong chúng được dùng cho các kết nối nhân bản (ví dụ mạng hai cấp tích cực, mạng hình cây mở rộng). Dung lượng tối đa của hầu hết các mạng này bị giới hạn chủ yếu do tổng suy hao chèn và SNR trong trường hợp xấu nghiêm trọng. Nếu giả sử giá trị giới hạn cho mất mát chèn là 30 dB và SNR thấp nhất có thể chấp nhận được là 11 dB (để đạt được tốc độ lỗi bit 10-9 cũng như L=0.5 dB, W=1.5 dB và X=20 dB) thì dung lượng mạng tối đa là 128x128 cho các cấu trúc PS/AS và AS/PC truyền thống, PS/AC mở rộng và PS/AC đơn giản. Các mạng AS/PC đơn giản và hai cấp tích cực có thể đạt tới dung lượng 16x16, trong khi cấu trúc PS/PC mở rộng chỉ là 8x8. Dung lượng của các mạng AS/AC truyền thống và AS/AC đơn giản dễ vượt quá 2048x2048 và bị hạn chế do các yếu tố khác hơn là do tổng suy hao chèn và SNR. Nếu số lượng nhỏ nhất có thể của các cấp tích cực là mối quan tâm chủ yếu thì các cấu trúc hai cấp tích cực và PS/PC mở rộng là đáng chú ý nhất. Loại cấu trúc thứ hai có khả năng chấp nhận được khi các bộ khuyếch đại quang được sử dụng như các hệ thống chuyển mạch. Chương III: Chuyển mạch ATM quang 1. Chuyển mạch ATM quang Với nhu cầu phát triển hiện nay không chỉ cho các dịch vụ thoại, dữ liệu và hình ảnh tĩnh truyền thống mà còn cho các dịch vụ thông tin tốc độ cao và băng rộng như các dịch vụ điện thoại thấy hình, hội nghị truyền hình, phân phối truyền hình TV độ nét cao và truyền file tốc độ cao, thì nhu cầu cho các mạng thông tin băng rộng càng gia tăng. Các hệ thống chuyển mạch ATM đủ linh hoạt để xử lý nhiều loại hình dịch vụ thông tin. Để phát triển các dịch vụ băng rộng ra toàn quốc thì hệ thống chuyển mạch cần có khả năng thích ứng được hàng trăm đến hàng chục ngàn giao diện khách hàng-mạng (UNI). Bởi vậy, sẽ cần có một hệ thống chuyển mạch ATM với khả năng xử lý luồng lưu lượng hàng ngàn cổng vào hay ra với các tốc độ bit vài Gigabit/s. Với các hệ thống chuyển mạch ATM xử lý các tốc độ cao như vậy có kết cấu hay ma trận chuyển mạch là điện tử sẽ tồn tại "nút cổ chai" và như vậy sẽ làm giảm tốc độ của tín hiệu. Cách duy nhất để đạt được các tốc độ cao hơn này là chuyển sang lĩnh vực hoàn toàn quang. Một hệ thống chuyển mạch sử dụng kết cấu chuyển mạch quang được gọi là chuyển mạch ATM quang. Hiện tại, một số kiểu của hệ thống chuyển mạch ATM quang đã được triển khai. Dưới đây là hai cấu trúc chuyển mạch ATM quang. a. Cấu trúc 1 (thế hệ thứ nhất) Hình 3.1 chỉ ra cấu hình một hệ thống chuyển mạch ATM quang điển hình. Mặc dù hầu hết nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc sử dụng hiệu quả độ rộng băng khả dụng trong chuyển mạch ma trận quang nhưng các mạch điện tử vẫn được sử dụng để điều khiển chuyển mạch ma trận quang. Bởi vậy, việc chuyển đổi tiếp đầu (header) quang thành tiếp đầu điện tử và phát đi tín hiệu điều khiển điện tử cho chuyển mạch ma trận quang nhờ chuyển đổi tiếp đầu điện tử. Kết quả là các tốc độ chuyển mạch bị hạn chế theo tốc độ vận hành của mạch điều khiển điện tử. Do vậy, đối với ma trận chuyển mạch quang NxN thì N2 tín hiệu điều khiển điện tử là cần thiết. Với việc gia tăng số lượng các cổng vào và ra thì mạch điều khiển điện tử trở nên hoàn toàn phức tạp do số lượng mạch điện tử tốc độ cao đang phát triển nhanh chóng. NxN 1 N N 1 1 N PD Các tín hiệu điều khiển điện tử Mạch điều khiển điện tử Tiếp đầu quang Bộ nhớ đệm Chuyển mạch ma trận quang Tín hiệu quang lối ra Hình 3.1: Cấu trúc chuyển mạch ATM quang thế hệ thứ nhất Bộ nhớ đệm điện tử được sử dụng cho hàng đợi trong môi trường điện tử. Trong trường hợp môi trường quang đối với bộ nhớ đệm quang thì đường trễ quang thường được sử dụng trong chuyển mạch ATM quang. Trong trường hợp bộ nhớ đệm điện tử thì tốc độ chuyển mạch trong chuyển mạch ATM quang bị giới hạn do tốc độ hoạt động điện tử của bộ nhớ đệm. Về phía đường trễ cáp quang, nó có thể cất giữ các tín hiệu quang tốc độ cực cao. Tuy nhiên, để gia tăng tốc độ tín hiệu tế bào, độ chính xác hoàn toàn theo độ dài đường trễ là cần thiết. Ngoài ra, bộ nhớ đường trễ quang là không phù hợp cho việc tích hợp. b. Cấu trúc 2 (thế hệ thứ hai) Tín hiệu tế bào quang lối vào NxN N 1 1 N Bộ nhớ đệm quang Mạch tự định tuyến quang Tín hiệu quang lối ra Hình 3.2: Cấu trúc chuyển mạch ATM quang thế hệ thứ hai Hình 3.2 chỉ ra cấu trúc chuyển mạch ATM quang thế hệ kế tiếp. Ở đây, chuyển mạch ATM quang đệm lối vào được mô tả. Hệ thống chuyển mạch này bao gồm các bộ nhớ đệm quang FIFO (vào trước-ra trước) và mạch tự định tuyến quang NxN. Khi một tế bào hướng tới cùng một lối ra được gửi tới mạch tự định tuyến từ các bộ nhớ đệm FIFO tại cùng một thời điểm thì tế bào với độ ưu tiên cao nhất có thể được tự định tuyến, trong khi tín hiệu tế bào khác bị loại bỏ để tránh sự tranh chấp tế bào. Bộ nhớ đệm quang tốc độ cao có thể được xây dựng nhờ việc chuyển đổi các tín hiệu tế bào nối tiếp thành các tín hiệu song song và nhờ việc sử dụng số lượng lớn các kết nối quang song song. 2. Kết nối quang Sử dụng kết nối quang trong hệ thống chuyển mạch ATM là giải pháp tăng dung lượng các nút, tại những nơi có độ dài kết nối phù hợp. Hình 3.3 đưa ra kiểu kết nối quang trong hệ thống chuyển mạch ATM của hãng UT Italia. TRỘN P/S PLL Khôi phục dữ liệu cơ bản PLL GIẢI TRỘN BỘ DÒ S/P Đồng bộ Dữ liệu đầu vào (song song) Xung nhịp Ck Đồng bộ tế bào Dữ liệu đầu ra (song song) Xung nhịp Ck Điều khiển Laser AGC Đầu thu Laser Chân diode Chuỗi tín hiệu quang 311Mbit/s ASTRID MINUET Hình 3.3: 1 Kết nối quang nối tiếp điểm-điểm Kết nối quang điểm-điểm được tập trung vào việc phát triển hai chi tiết: Một chi tiết để chuyển song song dữ liệu sang dạng chuỗi (ASTRID) và chi tiết kia để thực hiện điều khiển laser và đầu thu diod (MINUET). ASTRID có một giao diện song song tuỳ theo khuôn dạng của UT-XC (bộ kết nối chéo của UT) (4/8 dữ liệu, nhịp dữ liệu, nhịp tế bào) với 77,8MHz/38.9MHz, tốc độ 311Mbit/s. ASTRID hoạt động trên các tế bào có khuôn dạng (64 byte) và chuyển đổi từ dạng song song sang dạng chuỗi. Bộ chuyển đổi S/P (nối tiếp/song song) và P/S (song song/nối tiếp) được thực hiện bởi IC CMOS 0,7mm với công suất tiêu thụ 1,1W tại tần số làm việc. Modul đầu phát quang sử dụng 2 linh kiện CMOS MINUET 0,7mm (một đầu thu, một đầu phát) và 1 diode laser. Đầu phát và đầu thu được tích hợp trong cùng một IC 20 chân, diode laser, chân diode được gắn trực tiếp lên IC. Đầu thu hoạt động với tốc độ bit là 311Mbit/s, độ nhạy là -20dBm, công suất tiêu thụ là 150mW. Hoạt động kết nối quang song song giúp cho giảm diện tích tới mức tối thiểu trên bản mạch. Hai modul phát và thu 8 kênh chưa được phát triển, trên cơ sở điều khiển laser và mảng thu diode quang có các đặc tính giống các thiết bị điểm-điểm đã được mô tả trước đây. Các modul bao gồm một đầu sợi đa mốt và một bộ kết nối tương thích với hệ thống kết nối mật độ cao. Kết nối quang được sử dụng một cách hiệu quả khi các khối kết nối quang được tập trung trong kích thước nhỏ. Khối này hoặc dựa trên công nghệ sợi uốn mềm, hoặc bước sóng quang học. Trong thực tế, giải pháp này cho phép khi phát triển hệ thống hoặc thay đổi trong kết nối, chỉ cần thay đổi khối kết nối quang mà không cần thay đổi đầu sợi cáp hiện tại. 3. Chuyển mạch quang tại các nút ATM · · · Kết cấu chuyển mạch quang 2,5 hoặc 10 Gbit/s 155 Mbit/s 622 Mbit/s 2,5 Gbit/s Hình 3.4: Chuyển mạch ATM T bít dựa trên các hệ thống chuyển mạch truy nhập điện tử ATM và hạt nhân chuyển mạch quang Có hai cách giải quyết khác nhau được kết hợp trong phạm vi nghiên cứu này. Ở cách thứ nhất, kết nối quang được đưa ra trong các lớp ATM điện tử và đề xuất việc sử dụng kết nối chéo quang để cung cấp kết nối trong các chuyển mạch ATM truy nhập điện tử có dung lượng cao (tới hàng chục Gb/s). Lợi thế của giải pháp này là việc tái sử dụng các hệ thống chuyển mạch ATM điện tử (cũng như các giao diện truy nhập) được kết nối với nhau rất linh hoạt và hiệu quả nhằm đạt được độ lưu thoát rất cao. Trong giải pháp ở hình 3.4 chuyển mạch quang chỉ cung cấp việc định tuyến các luồng ATM tốc độ cao (2,5 hoặc 10Gbit/s) mà không hoạt động ở mức tế bào. Việc định tuyến qua hệ thống chuyển mạch quang phân chia không gian được quản lý bởi bộ điều khiển điện tử mà có thể đặt lại cấu hình kết nối trong các hệ thống chuyển mạch truy nhập ATM ngoại vi phù hợp với các nhu cầu lưu lượng. TẢI TIN TIẾP ĐẦU T. gói Đồng bộ o e Bảng tìm kiếm Điều khiển điện tử Chuyển mạch./tầng đệm đóng gói quang o e Trễ = T xử lý N N TIẾP ĐẦU GHI LẠI TIẾP ĐẦU @ lối vào T xử lý =< T gói GHI LẠI TIẾP ĐẦU @ lối ra TẢI TIN TIẾP ĐẦU Hình 3.5: Sơ đồ khối của hệ thống chuyển mạch ATM quang Tbit/s Cách giải quyết thứ hai tập trung hơn tới công nghệ quang. Trong trường hợp này, giả thiết là các thiết bị quang sẽ phát triển để sản xuất hàng loạt, với độ tin cậy cao và tiêu thụ nguồn thấp là các yếu tố then chốt đối với hệ thống viễn thông. Khái niệm này dự báo các hệ thống chuyển mạch quang ATM dung lượng cao trên cơ sở khai thác vùng bước sóng cho việc định tuyến tế bào tốc độ cao và/hoặc cho lớp đệm tế bào ATM, các phần điện tử chỉ được sử dụng cho các khối chức năng đòi hỏi mức độ cao của việc xử lý tốc độ thấp như điều khiển chuyển mạch. Sơ đồ chuyển mạch quang ATM nói chung như trong hình 3.5. Các bộ đệm quang để giải quyết sự tranh chấp các tế bào dựa trên các mạch vòng trễ quang do hiện tại công nghệ quang vẫn chưa có khả năng phát triển các bộ nhớ quang tích hợp quy mô lớn. Đã có nhiều nghiên cứu về các cấu trúc khác nhau để làm giảm tối thiểu độ phức tạp của các bộ đệm quang (lối vào, lối ra, chia sẻ bộ đệm, sử dụng các bước sóng theo vị trí bộ nhớ tế bào, phù hợp với lưu lượng và yêu cầu hoạt động của hệ thống). Các gói được cất giữ trong các bộ nhớ sợi quang do vậy tránh được việc xử lý ở mức độ bit hay byte, cho phép các nút quang hoạt động theo kiểu truyền thông suốt thậm chí cả ở mức độ bit và mã. Điều khiển điện tử của nút quang quản lý chức năng đệm/định tuyến tế bào trên các cơ sở thông tin lấy từ các tiếp đầu của gói. Việc ghi lại tiếp đầu tại lối ra hay lối vào của nút là cần thiết cho việc thay đổi VP/VC (đường dẫn ảo/kênh ảo) phù hợp với các bảng dò tìm mà sẽ được cập nhật khi thiết lập kết nối và cung cấp các thông tin định tuyến của hệ thống chuyển mạch. Kiểu chuyển mạch ATM quang vận hành đồng bộ đòi hỏi các tế bào đến trên n lối vào chuyển mạch được gán với khe thời gian. Do đó, các thiết bị đồng bộ là cần thiết tại mỗi lối vào. FFPFs SOAs FFPFs Trễ sợi quang l0 l1 l2 l3 l0 l1 l2 l3 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ Input #0 Input #1 Trễ EDFA l0,l1,l2,l3 Output #0 Output #1 1:1 1:1 1:1 O/E O/E Hình 3.6: Lược đồ thử nghiệm của hệ thống chuyển mạch ATM quang sử dụng bộ nhớ lặp sợi quang Ý nghĩa của thử nghiệm ở hình 3.5 là kiểm tra tính khả thi của chuyển mạch ATM quang và khả năng công nghệ photonic cho phép tăng dung lượng đến vùng Tbit/s. Còn rất nhiều việc cần giải quyết đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ khi mà các thiết bị photonic và kỹ thuật tích hợp còn rất mới mẻ. Thử nghiệm này còn chỉ ra rằng độ dài của tế bào ATM không phù hợp với vận hành ở các tốc độ cao hơn 2,5Gbit/s trên mỗi kênh mà tốc độ này lại thuận tiện cho việc sử dụng công nghệ quang. Khuôn dạng đóng gói mới đang được nghiên cứu nhằm khai thác tốt hơn công nghệ photonic và đem đến các giải pháp mới cho các mạng đóng gói quang. Theo hướng này thì các khái niệm mới như các nút và các mạng gói quang dựa trên các gói truyền thông suốt có khoảng thời gian cố định áp dụng cho việc