Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HS-SV Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch quang Mở đầu Mạng viễn thông đang phát triển nhanh chóng từ mạng băng hẹp sang mạng số tích hợp đa dịch vụ băng rộng (B-ISDN) do việc xuất hiện số lợng lớn các ứng dụng dịch vụ với các yêu cầu khác nhau. Các ứng dụng này bao gồm truyền hình theo yêu cầu, hội nghị truyền hình, điện thoại thấy hình, truyền dữ liệu tốc độ cao Mỗi dịch vụ này làm nảy sinh một số lợng lớn yêu cầu và do đó năng lực xử lý của hệ thống chuyển mạch có thể lên tới hàng chục Tb/s cùng với dung lợng trên mạng chuyển tải sẽ tăng lên. Vấn đề đặt ra là phải giải quyết yêu cầu về chuyển mạch nh thế nào, có thể dùng các thiết bị quang không những chỉ để truyền tín hiệu mà còn chuyển mạch các tín hiệu đó hay không. Công nghệ chuyển mạch từ khi ra đời cho tới nay đã có những tiến bộ vợt bậc, phát triển từ những hệ thống chuyển mạch với dung lợng hạn chế, điều khiển nhân công trong giai đoạn đầu tiên đến những hệ thống chuyển mạch phức tạp điều khiển theo chơng trình ghi sẵn SPC (Stored Program Control). Hiện nay các hệ thống chuyển mạch đang đợc nghiên cứu thiết kế trên thế giới không những đáp ứng nhu cầu dịch vụ viễn thông trớc mắt mà còn cố gắng thoả mãn nhu cầu ngày một tăng trong tơng lai tiến tới một mạng viễn thông toàn cầu với những siêu xa lộ thông tin tiếp cận đến từng khách hàng mọi nơi mọi lúc. Xu hớng phát triển của mạng viễn thông là tiến tới một mạng toàn quang trong đó tất cả các thành phần chính của mạng nh tách/ghép kênh, truyền dẫn và chuyển mạch đều đợc thực hiện với tín hiệu quang. Do vậy một công nghệ chuyển mạch mới ra đời-công nghệ chuyển mạch quang. Quá trình phát triển tới mạng viễn thông toàn quang đợc biểu diễn nh hình vẽ dới đây: Có ba bớc phát triển: (a) Truyền dẫn quang điểm nối điểm (b) có thêm ghép và tách kênh quang (c) Có thêm chuyển mạch quang Hình 1. Ba bớc phát triển tới mạng thông tin toàn quang Học viện công nghệ BCVT 145 Chuyển mạch điện tử Truyền dẫn quang (a) bớc 1: Truyền dẫn quang điểm nối điểm Truyền dẫn quang Các bộ ghép nối (b) b ớc 2: Ghép kênh quang Chuyển mạch quang Truyền dẫn quang (c) b ớc 3: Chuyển mạch quang Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HS-SV Công nghệ chuyển mạch quang đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm. Trên thế giới các trung tâm nghiên cứu viễn thông hàng đầu thế giới nh: Mỹ (hãng AT&T), Nhật (hãng NEC), Châu Âu (hãng ERICSON, SIEMENS) bớc đầu đã thu đợc những kết quả đáng kể. Cùng với xu thế của thế giới, Việt Nam đang trong giai đoạn nghiên cứu tiếp cận với công nghệ mới này để có thể ứng dụng vào thực tế trong tơng lai. Đây là một vấn đề cần quan tâm và mang tính cấp thiết. 1. Phơng pháp nghiên cứu đề tài Chuyển mạch quang là một công nghệ viễn thông mới, phức tạp do đó việc lựa chọn phơng pháp nghiên cứu là rất quan trọng để có thể dễ dàng nắm bắt đợc vấn đề và đạt đợc hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên ở Việt Nam công nghệ chuyển mạch này cha có các sản phẩm thực tế do vậy việc nhgiên cứu có nhiều hạn chế, chủ yếu dựa trên cơ sở lý thuyết bằng cách đọc, dịch các tài liệu phù hợp với nội dung dề tài. Công nghệ chuyển mạch quang liên quan chặt chẽ với bản chất của ánh sáng. Hầu hết các u điểm của chuyển mạch quang nh: thời gian chuyển mạch nhỏ hơn 10 -12 (s), ít xuyên âm và nhiễu, tăng độ tin cậy, tăng thông lợng nút kết nối chéo đều có từ đặc tính cơ bản của ánh sáng; đồng thời để giải thích đợc cơ chế chuyển mạch ánh sáng thì trớc khi nghiên cứu về công nghệ chuyển mạch quang cần phải nghiên cứu về bản chất ánh sáng. Trên cơ sở phân tích vấn đề và tìm hiểu tài liệu, việc nghiên cứu đợc tiến hành theo phơng pháp đi từ tổng quan đến chi tiết, từ những khái niệm đơn giản đến những vấn đề phức tạp nhằm đạt đợc hiệu quả cao nhất. 2. Nội dung nghiên cứu của đề tài. 2.1 Giới thiệu chung. 2.2 Các phơng thức chuyển mạch quang và ma trận chuyển mạch quang phân chia không gian. Có thể phân chia thành nhiều phơng thức chuyển mạch quang khác nhau dựa trên các cơ sở khác nhau. Chuyển mạch quang đợc phân chia phù hợp với các công nghệ ghép kênh cơ bản bao gồm: Chuyển mạch quang phân chia theo không gian Chuyển mạch quang phân chia thời gian Chuyển mạch quang phân chia bớc sóng a. Chuyển mạch ống dẫn sóng 2x2. Để thiết kế một ma trận chuyển mạch quang phân chia không gian thì các phần tử chuyển mạch cơ sở là các chuyển mạch ống dẫn sóng 2x2 đợc sử dụng. Hình 2. Chuyển mạch ống dẫn sóng 2x2. Nếu các ống dẫn sóng không đợc cung cấp điện áp thì chuyển mach ở trạng thái CROSS (chéo), công suất ánh sáng ở các đầu ra: Học viện công nghệ BCVT 146 Output1 1 Output2 V LiNbO3 Ti Input 2 Input 1 Phần tử chuyển mạch cơ bản này đợc cấu trúc trên nền tinh thể LiNbO3 là hợp chất có khả năng thay đổi chiết suất khi có điện áp ngoài dặt vào làm đổi hớng truyền của ánh sáng. Sự biến đổi này có khả năng đáp ứng nhanh về mặt trong thời gian phạm vi 10 -12 s do vậy có thể tạo khả năng thực hiện việc chuyển mạch ánh sáng với tốc độ cực nhanh. Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HS-SV P out.2 = P in.1 P out.1 = 0 Nếu cung cấp một điện áp thích hợp cho ống dẫn sóng thì chuyển mạch chuyển sang trạng thái BAR (ngang): P out.2 = 0 P out.1 = P in.1 b. Các tiêu chí thiết kế ma trận chuyển mạch quang phân chia không gian. Có rất nhiều thông số kỹ thuật cần xem xét khi thiết kế 1 ma trận chuyển mạch quang phân chia theo không gian để có thể đa ra một cấu hình tối u ứng với từng ứng dụng cụ thể. Các thông số cơ bản bao gồm: độ suy hao, xuyên âm, số các phần tử chuyển mạch cơ bản, toàn thông hay không toàn thông, tốc độ chuyển mạch, độ ổn định, độ tin cậy, cấu trúc module, giá thành. Trong đó một số thông số quan trọng nhất yêu cầu đối với một ma trận chuyển mạch quang đó là: Suy hao công suất thấp Xuyên âm thấp Kết nối đơn giản Không nghẽn nội (non-blocking) c. Ma trận chuyển mạch quang. Sử dụng các phần tử chuyển mạch cơ bản 2x2 và trên cơ sở các tiêu chí thiết kế ma trận có thể thiết kế các ma trận chuyển mạch khác nhau phù hợp với mục đích sử dụng và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Ma trận chuyển mạch cross-bar Hình 3. Ma trận chuyển mạch cross-bar (a) cross-bar có xảy ra nghẽn nội (b) cross-bar không xảy ra nghẽn nội Ma trận này có nhợc điểm là khi dung lợng trờng chuyển mạch lớn sẽ yêu cầu số giao điểm chuyển mạch lớn làm tăng không gian kết nối và giá thành của ma trận chuyển mạch. Một phơng pháp để giảm số giao điểm này là sử dụng chuyển mạch nhiều tầng (chuyển mạch Clos). Ma trận chuyển mạch Clos: Học viện công nghệ BCVT 147 O 1 O 2 O 3 O 4 I 1 I 2 I 3 I 4 O 1 O 2 O 3 O 4 I 1 I 2 I 3 I 4 (a) (b) 1 2 r 1 2 r 1 m r x r n x m m x n Điều kiện để ma trận chuyển mạch Clos ba tầng hoàn toàn không nghẽn nội là m 2n-1. Chuyển mạch Clos có nhiều kết nối chéo (crossover) nếu m lớn. Tuy nhiên sẽ không còn là vấn đề nếu sử dụng kết nối Clos ba chiều. Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HS-SV Hình 4. Ma trận chuyển mạch Clos ba tầng. Ma trận chuyển mạch Benes Ma trận này là trờng hợp riêng của ma trận chuyển mạch Clos Hình 5. Ma trận chuyển mạch Benes ba tầng Ma trận chuyển mạch nhiều tầng có nhợc điểm chung là tích luỹ xuyên âm qua các tầng chuyển mạch làm ảnh hởng nghiêm trọng đến tín Hình 6. Ma trận chuyển mạch Benes mở rộng Các đặc điểm chính của các ma trận chuyển mạch phân chia không gian có thể đợc tóm tắt trong bảng sau: Cấu trúc Số tầng Số giao điểm chuyển mạch Crosspoint Số giao điểm chuyển mạch lớn nhất trên 1 tuyến nối Số giao điểm chuyển mạch nhỏ nhất trên 1 tuyến nối Không nghẽn nội Số đờng nối chéo Cross Over Học viện công nghệ BCVT 148 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 N - 1 N N - 1 N N/2 Benes N/2 Benes 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 hiệu. Khắc phục nhợc điểm này bằng cách sử dụng ma trận chuyển mạch Benes mở rộng trong đó các phân tử chuyển mạch cơ bản 2x2 ở tầng một và tầng ba chỉ có một đầu vào và một đầu ra hoạt động, việc này làm giảm đáng kể hiện tợng xuyên âm. Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HS-SV Crossbar Double Crossbar Clos Benes Dilated Benes - N+1 3 2p - 1 2p N 2 2N 2 2N m + m (N/n) 2 N (p - 1/2) 2Np 2N - 1 N + 1 2 (n + r + m) - 3 2p - 1 2p 1 N + 1 3 2p - 1 2p Wide - sense Wide - sense Có [1] Rearrangea bly Rearrangea bly Không Có Không trong 3D Không trong 3D Không trong 3D 3. Kết luận: Hiện nay, chuyển mạch quang vẫn là một lĩnh vực mới mẻ, đang đợc tiếp tục nghiên cứu trên thế giới. Công nghệ chuyển mạch quang vẫn cha đủ trởng thành để có thể xâm nhập vào thị tr- ờng. Hơn nữa, cũng cha có nhu cầu thực sự cấp bách về các vấn đề lu lợng trên mạng viễn thông, do vậy hiện tại việc áp dụng vào mạng viễn thông quốc gia là cha cần thiết. Tuy nhiên, mạng viễn thông hiện tại đã sử dụng công nghệ truyền dẫn SDH đồng thời mạng đang phát triển theo hớng đa dịch vụ băng rộng, do vậy trong tơng lai, việc sử dụng các bộ kết nối chéo quang OXC hay chuyển mạch quang tại các nút mạng có dung lợng cao có thể là một giải pháp hợp lý. Ngoài ra, cũng cần có hệ thống chuyển mạch quang thử nghiệm để sử dụng trong công tác nghiên cứu nhằm tiếp cận sâu hơn đồng thời trang bị cho các cán bộ kỹ thuật có kiến thức cụ thể hơn về loại công nghệ mới này, qua đó có thể triển khai các ứng dụng chuyển mạch quang trên mạng viễn thông khi công nghệ đã trởng thành đầy đủ. Tài liệu tham khảo [1] MaxMing-Kang liu, Principles and applications of optical communications Irwin,1996 [2] Michael Bass-Eric W.Van Stryland, David R.Williamss L.Wolffe Hand Book of optics [3] Dơng Văn Thành, Cơ sở kỹ thuật chuyển mạch, HVCNBCVT, 2000 [4] Viện KHKT Bu Điện (Tổng cục Bu Điện) Nghiên cứu tiếp cận công nghệ chuyển mạch quang trong mạng viễn thông tơng lai, 1999 [5] Vũ Văn San, Hoàng Văn Võ Kỹ thuật thông tin quang, Nxb Khoa học & Kỹ thuật, 1997 [6] Lơng Duyên Bình, Vật lý đại cơng (tập 3) Nxb Giáo dục [7] Tạp chí BCVT-Tổng cục Bu Điện (Số tháng 4-2000). Học viện công nghệ BCVT 149 TuyÓn tËp ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc HS-SV Häc viÖn c«ng nghÖ BCVT 150 . kênh quang Chuyển mạch quang Truyền dẫn quang (c) b ớc 3: Chuyển mạch quang Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học HS-SV Công nghệ chuyển mạch quang. các tài liệu phù hợp với nội dung dề tài. Công nghệ chuyển mạch quang liên quan chặt chẽ với bản chất của ánh sáng. Hầu hết các u điểm của chuyển mạch quang