Trờng đại học vinh Khoa điện tử viễn thông đồ án tốt nghiệp đại học Đề tài: Chuyển mạch gói trong mạng quang Chuyển mạch gói trong mạng quang wdm wdm Giảng viên hớng dẫn : KS. Lê văn chơng Sinh viên thực hiện : nguyễn ngọc chiến Lớp : 47K - ĐTVT Niên khóa : 2006 - 2011 Vinh, 2011 MỞ ĐẦU Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật. cùng với đó là sự đòi hỏi đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người trong tất cả các lĩnh vực, đặc biệt trong vấn đề thông tin liên lạc. Trong đó việc tăng dung lượng, tốc độ truyền, tăng số lượng dịch vụ số liệu tích hợp trên một đường truyền là một yêu cầu cấp thiết. Với sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh bước sóng WDM đã nâng cao dung lượng và tốc độ truyền dẫn. Cùng với đó sự phát triển hệ thống chuyển mạch cũng cần phải được thực hiện. Những vấn đề được coi là nhược điểm làm giảm, hạn chế đến việc nâng cao tốc độ chuyển mạch như méo, trôi trượt, xuyên âm…trong hệ thống chuyển mạch được giải quyết bằng chuyển mạch quang với kỹ thuật quang điện tử đã ra đời. Ưu điểm lớn của kĩ thuật WDM đó là khi tín hiệu quang đi qua bộ chuyển mạch, không cần chuyển đổi quang điện/điện quang, vậy nên nó không bị các thiết bị quang điện như bộ điều chế, máy đo kiểm…làm hạn chế về tốc độ làm việc. Cùng với đó sự nâng nên rõ rệt về tốc độ bit và việc điều chế khi thông qua chuyển mạch quang. Thì nhược điểm của bộ chuyển mạch quang hiện nay vẫn còn phải điều khiển bằng tín hiệu điện, hay chuyển mạch quang điều khiển điện. Mà nguyên nhân chủ yếu là tác dụng của linh kiện logic quang còn rất đơn giản, không thể thực hiện chức năng xử lý logic phức tạp của bộ phận điều khiển. Hiện nay, việc chuyển mạch gói quang OPS ra đời đáp ứng được yêu cầu hỗ trợ dịch vụ truyền số liệu trong tương lai của mạng quang. Đây là một trong ba kiến trúc được sử dụng trong mạng quang, đã được đưa ra và chú trọng nghiên cứu rất cẩn thận với nhiều ưu điểm như: mạng thông tin toàn quang, dung lượng lớn, trong suốt, có tốc độ cao….Được tìm hiểu kỹ hơn về công nghệ mới này dựa trên kiến thức đã tiếp thu được trong thời gian học tập tại Trường, em đã chọn đề tài tốt nghiệp: “Chuyển mạch gói trong mạng quang WDM”. Nội dung đề tài gồm ba chương chính: 1 Chương 1: Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM và các hiệu ứng gây nhiễu lên hệ thống WDM. Chương 2: Các linh kiện, phần tử trong mạng WDM. Chương 3: Chuyển mạch gói trong mạng WDM. Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Lê Văn Chương, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian em thực hiện đề tài. Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông và trường Đại học Vinh đã giúp em tiếp thu được nhiều kiến thức trong thời gian học tập tại trường. Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế về nội dung. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn. Vinh, tháng 5 năm 2011 Sinh viên thực hiện Nguyễn Ngọc Chiến 2 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đề Tài CHUYỂN MẠCH GÓI TRONG MẠNG QUANG WDM Chương 1 tập trung đi vào tìm hiểu về hai phần chính: - Công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng (WDM). Trong đó tìm hiểu về các cấu hình sử dụng trong mạng như: cấu hình vòng, điểm – điểm. Các kĩ thuật ghép kênh quang cũng là ý nhỏ được tìm hiểu trong mục này. Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống quang. Tập trung chủ yếu tìm hiểu về các hiệu ứng phi tuyến xảy ra và ảnh hưởng tới sợi quang, như các hiệu ứng tán xạ, các hiệu ứng kerr… Chương 2 sẽ trình bày sơ lược về các linh kiện, phần tử được sử dụng trong mạng thông tin quang WDM như bộ chọn bước sóng, bộ xen rẽ quang (OADM)… Ngoài ra nội dụng chương này cũng nêu ra các kĩ thuật được sử dụng trong các thiết bị đó… Chương 3 đi vào tìm hiểu kiến trúc bên trong nút mạng, định dạng gói, đồng bộ, định tuyến, trường chuyển mạch… Chương này còn đi vào tìm hiểu về một số các dự án về chuyển mạch gói quang đã được nghiên cứu. 3 MỤC LỤC Trang Mở đầu ………………………………………………………………………. 1 Tóm tắt đồ án………………………………………………………………… 3 Mục lục………………………………………………………………………. 4 Danh sách hình vẽ……………………………………………………………. 7 Danh sách bảng biểu……………………………………………………… . 10 Bảng đối chiếu thuật ngữ tiếng anh………………………………………… 11 CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG QUANG VÀ NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG QUANG…………………………………………………… . 14 1.1 Công nghệ ghép kênh theo bước WDM)……………………………… 14 1.1.1 Giới thiệu về WDM sóng quang ………………………………. 14 1.1.2 Các cấu hình sử dụng trong mạng WDM ………………………18 1.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống quang. …………… 21 1.2.1 Hiệu ứng tán xạ ………………………………………………. 22 1.2.1.2 Hiệu ứng Kerr quang ……………………………………… 25 Kết luận chương …………………………………………………………… 28 CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN, PHẦN TỬ TRONG MẠNG WDM … 29 2.1 Các bộ lọc quang……………………………………………………… 29 2.1.1 Bộ chọn bước sóng…………………………………………… 29 2.1.2 Bộ lọc điều chỉnh được ……………………………………… . 31 4 2.2 Bộ ghép và bộ tách kênh quang ……………………………………… 33 2.2.1 Nguyên tắc làm việc của lăng kính ……………………………. 33 2.2.2 Nguyên lý làm việc của cách tử tán xạ ……………………… 34 2.2.3 Bộ ghép và tách kênh quang ………………………………… 35 2.3 Bộ xen rẽ quang (OADM) …………………………………………… 36 2.4 Coupler hình sao (PSC) ……………………………………………… . 37 2.5 Bộ định tuyến bước sóng ……………………………………………… 39 2.6 Bộ nối chéo quang OXC ………………………………………………. 40 2.7 Bộ biến đổi bước sóng ………………………………………………… 41 2.8 Phần tử phát và thu quang……………………………………………… 43 2.8.1 Bộ phát ………………………………………………………… 43 2.8.1 Bộ thu………………………………………………………… 46 2.9 Bộ khuếch đại quang ………………………………………………… 47 Kết luận chương 2 …………………………………………………………. 48 CHƯƠNG 3: CHUYỂN MẠCH GÓI TRONG MẠNG QUANG WDM ……………………………………………………………………… 49 3.1 Giới thiệu chung về chuyển mạch gói quang………………………… . 49 3.2 Mô hình mạng chuyển mạch gói quang ……………………………… 50 3.3 Kiến trúc nút mạng …………………………………………………… 50 3.3.1 Kiến trúc và hoạt động nút mạng ……………………………… 50 3.3.2 Định dạng gói tin ………………………………………………53 5 3.3.3 Đồng bộ và sắp xếp gói………………………………………… 54 3.3.4 Xử lý tiêu đề…………………………………………………… 60 3.3.5 Định tuyến gói ………………………………………………… 61 3.3.6 Giải pháp chống xung đột …………………………………… . 62 3.3.7 Trường chuyển mạch ………………………………………… 67 3.4 Một số dự án về chuyển mạch gói quang đã được nghiên cứu ………… 72 3.4.1 KEOPS ……………………………………………………… 72 3.4.2 WASPET ……………………………………………………… 77 Kết luận chương 3 ………………………………………………………… 78 Kết luận …………………………………………………………………… 79 Tài liệu tham khảo …………………………………………………………. 80 6 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1. Nguyên lý cơ bản hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng quang………………………………………………………………… . 15 Hình 1.2. Hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang hai hướng ………… 16 Hình 1.3. Cấu hình Điểm-Điểm truyền đơn hướng…………………………… 18 Hình 1.4. Cấu hình mạng Ring………………………………………………… 19 Hình 1.5. Cấu hình mạng Ring có các kênh được quản lý bởi trạm Hub … 20 Hình 2.1. Bộ lọc màng mỏng điện môi…………………………………………. 30 Hình 2.2 Cấu trúc bộ tách/ghép kênh dùng bộ lọc điện môi gắn trực tiếp trên sợi …………………………………………………………………………… 31 Hình 2.3. Bộ lọc Fabry-Perot …………………………………………………… 32 Hình 2.4. Tán sắc dùng lăng kính………………………………………………. 33 Hình 2.5. Sử dụng cách tử để tách bước sóng ………………………………… 35 Hình 2.6. Sử dụng lăng kính để tách bước sóng ……………………………… 36 Hình 2.7. Sử dụng cách tử tán xạ để ghép kênh………………………………. 36 Hình 2.8. Bộ xen rẽ quang OADM …………………………………………… 36 Hình 2.9. Nguyên Lý cơ bản của AWG ……………………………………… 37 Hình 2.10. Coupler sao 8x8 sử dụng 12 coupler 2x2………………………… 38 Hình 2.11. Coupler xoắn nóng chảy……………………………………………. 39 Hình 2.12. Sơ đồ minh họa định tuyến bước sóng…………………………… 39 Hình 2.13. Sơ đồ nối chéo quang ………………………………………………. 40 7 Hình 2.14. Nguyên tắc làm việc của các bộ chuyển đổi bước sóng ……… . 42 Hình 2.15. Bơm cùng chiều …………………………………………………… . 48 Hình 2.16. Bơm ngợc chiều …………………………………………………… . 48 Hình 2.17. Bơm hai chiều ……………………………………………………… 48 Hình 3.1. Mô hình mạng chuyển mạch gói quang …………………………… 49 Hình 3.2. Cấu trúc nút chuyển mạch gói quang………………………………. 50 Hình 3.3. Định dạng gói tin……………………………………………………… 53 Hình 3.4. Sắp xếp gói trong khe thời gian……………………………………… 54 Hình 3.5. Tiêu đề lệch khỏi khe thời gian …………………………………… 55 Hình 3.6. Tiêu đề và tải tin lệch khỏi khe thời gian ………………………… 56 Hình 3.7. Đồng bộ gói trong trường hợp lệch gói và tiêu đề được ghi lại ở khối giao diện đầu ra ………………………………………………… 56 Hình 3.8. Đồng bộ trong trường hợp rung pha và tiêu đề đợc ghi lại ở khối giao diện đầu vào……………………………………………………… 57 Hình 3.9. Cấu trúc khối đồng bộ………………………………………………… 58 Hình 3.10. Sắp xếp gói trong mạng đồng bộ ………………………………… 60 Hình 3.11. Các công nghệ mã hóa tiêu đề trong mạng chuyển mạch gói quang……………………………………………………………………………… 61 Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý của WC dựa trên XGM trong SOA……………. 64 Hình 3.13. Bộ biến đổi bước sóng quang hai đầu dây kiểu can thiệp Mach-Zehnder………………………………………………………………. 65 Hình 3.14.Trường chuyển mạch không gian đơn tầng với N cổng, 8 W bước sóng, và D FDL…………………………………………………………. 68 Hình 3.15. Trường chuyển mạch quảng bá và chọn lọc đơn tầngvới FDL nối tiếp ……………………………………………………………………………… 69 Hình 3.16. Trường chuyển mạch định tuyến bước sóng với N cổng vào…… 70 Hình 3.17. Tầng i của trường chuyển mạch đa tầng với W bước sóng và D FDL………………………………………………………………………… 71 Hình 3.18. Cấu trúc thiết bị đồng bộ trong dự án KEOPS………………… 73 Hình 3.19. Cấu trúc thiết bị tái sinh 3R trong dự án KEOPS……………… 74 Hình 3.20. Trường chuyển mạch WRS trong dự án KEOPS………………… 75 Hình 3.21. Định dạng gói trong KEOPS ……………………………………… 76 Hình 3.22. Trường chuyển mạch trong dự án WASPET …………………… 77 9