Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM

BGP Border Gateway Protocol Giao thức định tuyến vùng biên
CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã
DVA Distance Vector Algorithm Thuật toán Vector khoảng cách
DWDM Dense WDM WDM mật độ cao
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi có pha tạp
Erbium
EIGRP Enhanced IGRP Giao thức IGRP nâng cấp
IGRP Interior Gateway Routing Protocol Giao thức định tuyến bên trong
ISDN Itegrated Servise Digital Network Mạng số tích hợp dịch vụ
LD Diod Laser
LED Light Emitting Diode Diod phát quang
LP Lightpath Đường đi ánh sáng
LSA Link State Algorithm Thuật toán trạng thái liên kết
OADM Optical Add/Drop Multipler Bộ ghép kênh xen/rớt quang
OLT Optical Line Terminator Thiết bị đầu cuối quang
OXC Optical Cross Connect Bộ kết nối chéo quang
P
O
L
I
E
D
C
PIN Positive Intrinsic Negative
RIP Routing Information Protocol Giao thức thông tin định tuyến
RWA Routing & Wavelength Assignment Định tuyến và gán bước sóng
SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn
TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian
WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước
sóng
Hệ thống thông tin quang ra đời cùng với những ưu điểm vượt trội của nó đã và
đang áp dụng rộng rãi trên mạng lưới thông tin toàn cầu. Hiện nay, các hệ thống
thông tin quang truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp, băng rộng đáp ứng
yêu cầu của mạng số tích hợp dịch vụ ISDN. Vì thế, hệ thống thông tin quang sẽ là
mũi đột phá về tốc độ truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông
cấp cao.
Đối với hệ thống thông tin quang, môi trường truyền dẫn chính là sợi quang, nó
thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu. Định
tuyến và gán bước sóng trở thành chức năng không thể thiếu được trong mạng quang
R
T
W
S
WDM. Vấn đề đặt ra là định tuyến đường đi cho ánh sáng và gán bước sóng cho nó
trên mỗi tuyến như thế nào để đạt được một mạng tối ưu.
Trong đồ án kĩ thuật thông tin này, em xin trình bày về đề tài định tuyến và gán
bước sóng trong mạng WDM (Routing and Wavelength Assignment). Đồ án được
chia thành bốn chương:
 Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang.
 Chương 2: Giới thiệu về hệ thống WDM.
 Chương 3: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM.
 Chương 4: Thực hiện mô phỏng định tuyến cho đường đi ánh sáng lightpath.
Đề tài “Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM” của đồ án này đã phân
tích sự cần thiết của chức năng định tuyến và gán bước sóng trong mạng quang
WDM, trở thành chức năng không thể thiếu trong việc điều hành mạng quang.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài: dựa vào chức năng của định tuyến và gán
bước sóng trong WDM, thực hiện mô phỏng chức năng định tuyến trong mạng. Ánh
sáng đi trong sợi quang phải đi qua nhiều node mạng trung gian để tới node đích, tức
là qua các tuyến trung gian. Việc định tuyến với tiêu chí tối ưu hàm mục tiêu là các
tham số quen thuộc như băng thông, độ trễ, chi phí tuyến, Vì thế dùng thuật toán
tìm đường ngắn nhất Dijkstra để thực hiện mô phỏng định tuyến tối ưu mạng.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Văn Phòng đã tận tình hướng dẫn,
cung cấp tài liệu, đồng thời động viên trong thời gian em nghiên cứu đề tài này. Em
xin cảm ơn tất cả các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông đã nhiệt tình dạy
dỗ, cung cấp trang bị cho em những kiến thức quí báu, cám ơn gia đình đã động viên
em trong suốt thời gian vừa qua, cám ơn các bạn đã góp những ý kiến chân thành góp
phần giúp em hoàn thành đồ án.
Trong thời gian thực hiện đồ án khá ngắn đồ án, mặc dù có nhiều cố gắng nhưng
đồ án không khỏi tránh những thiếu sót. Kính mong các thầy cô giáo trong khoa cùng
các bạn tận tình chỉ bảo và góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân
thành cảm ơn.
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2007

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG.
1.1. Giới thiệu chương
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. Số người sử dụng truy cập Internet ngày
càng tăng và thời gian mỗi lần truy cập thuờng kéo dài gấp nhiều lần cuộc nói chuyện
điện thoại. Chúng ta đang hướng tới một xã hội mà việc truy cập thông tin có thể
được đáp ứng ở mọi lúc, mọi nơi chúng ta cần. Mạng internet và ATM ngày nay
không đủ dung lượng để đáp ứng cho nhu cầu băng thông trong tương lai.
Hình 1.1: Sự gia tăng lưu lượng dữ liệu và tiếng nói qua các năm.
Kĩ thuật thông tin quang có thể được xem là vị cứu tinh của chúng ta trong việc
giải quyết vấn đề trên. Bởi vì hệ thống thông tin quang ra đời với những khả năng
vượt trội của nó: băng thông khổng lồ (gần 50Tbps), suy giảm tín hiệu thấp (khoảng
0.2dB/km), méo tín hiệu thấp, đòi hỏi năng lượng cung cấp thấp, không bị ảnh hưởng
của nhiễu điện từ, khả năng bảo mật cao… Vì vậy thông tin quang được xem là kĩ
thuật cho hệ thống thông tin băng rộng. Các hệ thống thông tin quang không chỉ đặc
biệt phù hợp với các tuyến thông tin đường dài, trung kế mà còn có tiềm năng to lớn
trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt và đáp ứng mọi loại hình dịch
vụ hiện tại và trong tương lai.
1
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang
Vì vậy việc phát triển và xây dựng hệ thống thông tin sợi quang là cần thiết cho
nhu cầu phát triển thông tin trong tương lai. Trong chương này sẽ nói rõ về hệ thống
thông tin sợi quang và việc truyền ánh sáng trong sợi quang.
1.2. Giới thiệu về thông tin quang
Khác với thông tin hữu tuyến hay vô tuyến - các loại thông tin sử dụng các môi
trường truyền dẫn tương ứng là dây dẫn và không gian như hình 1.2 - thì thông tin
quang là hệ thống truyền tin qua sợi quang như hình 1.3. Điều đó có nghĩa là thông
tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang. Tại
nơi nhận, nó lại được biến đổi thành thông tin ban đầu.
1.2.1. Sự phát triển của thông tin quang
Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người
về chuyển dộng, hình dáng và màu sắc sự vật qua đôi mắt. Tiếp đó một hệ thống
thông tin điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng, các đèn
hiệu. Sau đó, năm 1791, VC. Chape phát minh một máy điện báo quang. Thiết bị này
sử dụng khí quyển như là một môi trường truyền dẫn, do đó chịu ảnh hưởng của các
điều kiện về thời tiết. Để giải quyết hạn chế này, Marconi đã sáng chế ra máy điện
báo vô tuyến có khả năng thực hiện thông tin giữa những người gởi và người nhận ở
xa nhau.
Đầu năm 1880, A.G. Bell- người phát minh ra hệ thống điện thoại đã nghĩ ra một
thiết bị quang thoại có khả năng biến đổi dao động máy hát thành ánh sáng. Tuy
2
Hình 1.2: Thông tin hữu tuyến
Hình 1.3: Thông tin quang
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang
nhiên, sự phát triển tiếp theo của hệ thống này đã bị bỏ bê do sự xuất hiện hệ thống
vô tuyến.
Sự nghiên cứu hiện đại về thông tin quang được bắt đầu bằng sự phát minh thành
công của Laser năm 1960 và bằng khuyến nghị của Kao và Hockham năm 1966 về
việc chế tạo sợi quang có độ tổn thất thấp. Bốn năm sau, Kapron đã có thể chế tạo
các sợi quang trong suốt có độ suy hao khoảng 20dB/km. Được cổ vũ bởi thành công
này, các nhà khoa học và kĩ sư trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành các hoạt động
nghiên cứu và phát triển và kết quả là các công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn,
về tăng dải thông, về các Laser bán dẫn… đã được phát triển thành công trong những
năm 70, độ tổn thất của suy hao đã được giảm đến 0.18dB/km. Hơn nữa trong những
năm 70, Laser bán dẫn có khả năng thực hiện dao động liên tục đã được chế tạo, tuổi
thọ của nó ước lượng khoảng 100 năm và cho phép tạo ra cự ly truyền xa hơn với
dung lượng truyền lớn hơn mà không cần đến các bộ tái tạo. Cùng với công nghệ chế
tạo các nguồn phát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin
quang với nhiều ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin cáp kim
loại.
Hiện nay các hệ thống thông tin quang truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng
hẹp, băng rộng đáp ứng yêu cầu của mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN.
1.2.2. Những ưu điểm của hệ thống thông tin quang
Thông tin sợi quang có những ưu điểm vượt trội. Trong phần này, em đưa những
ưu điểm thể hiện tính vượt trội của nó:
 Băng thông khổng lồ đầy tiềm năng: tần số sóng mang quang trong
khoảng10
13
đến 10
16
Hz (thường gần vùng hồng ngoại quanh giá trị 10
14
Hz), cung
cấp băng thông truyền lớn hơn nhiều so với hệ thống cáp kim loại (băng thông của
cáp đồng trục khoảng 500Mhz). Hiện tại, giá trị băng thông của hệ thống sợi quang
chưa sử dụng hết nhưng việc ở một vài GHz qua khoảng cách vài km và hàng trăm
Mhz qua khoảng cách hàng chục Km mà không cần sự can thiệp về điện (dùng bộ
lặp) là có thể. Vì thế, dung lượng mang thông tin của hệ thống thông tin quang lớn
hơn nhiều so với hệ thống cáp đồng tốt nhất. Do suy hao lớn ở băng thông rộng, hệ
3
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang
thống cáp đồng trục giới hạn khoảng cách truyền với chỉ một vài km ở băng thông
trên 100Mhz.
 Sợi quang kích thước nhỏ và nhẹ: sợi quang có bán kính rất nhỏ, thường
bán kính này không lớn hơn bán kính sợi tóc con người. Vì thế, thậm chí khi sợi
quang được phủ thêm những lớp bảo vệ thì chúng vẫn nhỏ và nhẹ hơn nhiều so với
cáp đồng.
 Sự cách li về điện: sợi quang được chế tạo từ thuỷ tinh hoặc đôi lúc là chất
dẻo, đó là những chất cách điện, vì thế không giống với dây dẫn kim loại, nó không
cho thấy những trục trặc cơ bản. Hơn nữa, đặc tính này làm cho việc truyền thông tin
của sợi quang trở nên phù hợp một cách lí tưởng cho sự thông tin trong những môi
trường mạo hiểm về điện.
 Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu và xuyên âm: sợi quang được chế tạo từ các
chất điện môi phi dẫn nên chúng không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, các xung
điện tử, nhiễu tần số vô tuyến. Vì thế hoạt động của hệ thống thông tin quang không
bị ảnh hưởng khi truyền qua môi trường nhiễu điện. Điều đó có nghĩa là nó có thể lắp
đặt cung ứng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi trường phản ứng hạt nhân.
 Bảo mật thông tin: ánh sáng từ sợi quang bị bức xạ một cách không đáng kể
nên chúng có tính bảo mật tín hiệu cao. Đặc tính này thu hút đối với quân đội, ngân
hàng và các ứng dụng truyền dữ liệu.
 Suy hao thấp: sự phát triển của sợi quang qua nhiều năm đã đạt được kết quả
trong việc chế tạo ra sợi quang có độ suy hao rất thấp. Sợi quang được chế tạo với độ
suy hao 0.2dB/km và đặc tính này trở thành lợi thế chính của thông tin quang. Điều
này thuận lợi cho việc đặt bộ khuếch đại cho mỗi khoảng cách trên đường truyền mà
không cần chuyển sang tín hiệu điện ở bước trung gian, do đó giảm được cả giá thành
và cả độ phức tạp của hệ thống.
 Tính linh hoạt: mặc dù các lớp bảo vệ là cần thiết, sợi quang được chế tạo
với sức căng cao, bán kính rất nhỏ. Với lợi thế về kích thước và trọng lượng, sợi
quang nói chung là tốt hơn trong việc lưu trữ, chuyên chở, xử lí và lắp đặt dễ hơn hệ
thống cáp đồng.
4
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang
 Độ tin cậy của hệ thống và dễ bảo dưỡng: do đặc tính suy hao thấp của sợi
quang nên có thể giảm được yêu cầu số bộ lặp trung gian hoặc số bộ khuếch đại trên
đường truyền. Vì thế, với một vài bộ lặp thì độ tin cậy của hệ thống có thể được nâng
cao hơn hẳn hệ thống dẫn điện. Hơn nữa, độ tin cậy của các thiết bị quang không còn
là vấn đề, các thiết bị quang có tuổi thọ rất cao, khoảng 20-30 năm.
 Giá thành thấp đầy tiềm năng: thủy tinh cung cấp cho thông tin quang được
lấy từ cát, không phải là nguồn tài nguyên khan hiếm. Vì thế, sợi quang đem lại giá
thành thấp.
Thông tin quang cũng cho phép truyền đồng thời các tín hiệu có bước sóng khác
nhau. Đặc tính này cùng với khả năng truyền dẫn băng thông rộng của sợi quang sẵn
có làm cho dung lượng truyền dẫn của tuyến trở nên rất lớn.
1.2.3. Cấu trúc và các thành phần chính của hệ thống thông tin quang

Các thành phần của tuyến truyền dẫn quang bao gồm: phần phát quang, cáp sợi
quang và phần thu quang.
-Phần phát quang: được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điều
khiển liên kết với nhau. Phần tử phát xạ ánh sáng có thể là: Diod Laser (LD), Diod
phát quang (LED: Light Emitting Diode). LED dùng phù hợp cho hệ thống thông tin
quang có tốc độ bit không quá 200Mbps sử dụng sợi đa mode. LED phát xạ tự phát,
ánh sáng không định hướng nên để sử dụng LED tốt trong hệ thống thông tin quang
thì nó phải có công suất bức xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh. LD khắc phục nhược
điểm của LED, thường sử dụng LD cho truyền dẫn tốc độ cao. LD có nhiều ưu điểm
hơn so với LED: phổ phát xạ của LD rất hẹp (khoảng từ 1 đến 4nm nên giảm được
tán sắc chất liệu), góc phát quang hẹp (5- 10
0
), hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi cao.
5
Mã
hoá
Giải
mã
Phát
Thu
Sợi
quang
Thiết bị
phát
quang
Sợi
quang
Bộ
lặp
Thiết
bị thu
quang
Hình 1.4: Cấu trúc của hệ thống thông tin quang
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang
- Cáp sợi quang: gồm các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ
khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài. Có thể chọn các loại sợi sau: sợi quang
đa mode chiết suất nhảy bậc, sợi quang đa mode chiết suất giảm dần, sợi quang đơn
mode.
- Phần thu quang: do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín
hiệu hợp thành. Trong hệ thống thông tin quang, người ta quan tâm nhất đối với các
bộ tách sóng quang là các diod quang PIN và diod quang kiểu thác APD được chế tạo
từ các bán dẫn cơ bản Si, Ge, InP.
Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối
quang, các mối hàn, các bộ chia quang và các trạm lặp. Tất cả tạo nên một tuyến
thông tin hoàn chỉnh.
Tương tự như cáp đồng, cáp sợi quang được khai thác với điều kiện lắp đặt khác
nhau, có thể được treo ngoài trời, chôn trực tiếp dưới đất hoặc đặt dưới biển,…tuỳ
thuộc vào các điều kiện lắp đặt khác nhau mà độ chế tạo của cáp cũng khác nhau và
các mối hàn sẽ kết nối các độ dài cáp thành độ dài tổng cộng của tuyến được lắp đặt.
Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham gia quyết định độ dài tuyến là suy
hao sợi quang theo bước sóng.
Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng LED hoặc laser bán dẫn. Cả hai
nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu
ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến. Bước sóng làm
việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, đoạn sợi quang ra
của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang khai thác trên tuyến.
Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ đuợc lan truyền dọc
theo sợi quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu thường
bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang
ở phần thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát tới. Tín
hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện. Các Photodiod PIN và Photodiod
thác APD đều có thể sử dụng làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông
tin quang. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang.
6

Xem chi tiết: Định tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM