Định tuyến gán bước sóng trong mạng WDM
PHẦN 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong lĩnh vực thông tin quang, vấn đề quan trọng là phải sử dụng được mạng
quang hiện có và tương lai sẽ xây dựng để tạo thành mạng WDM tốc độ cao, dung
lượng lớn đa dịch vụ. Trong khi thực hiện mạng vấn đề then chốt quyết định hiệu
suất sử dụng tài nguyên mạng là quy hoạch hợp lý tài nguyên bước sóng và nó liên
quan trực tiếp tới vấn đề định tuyến và gán bước sóng trong mạng. Vấn đề tìm các
tuyến và gán bước sóng cho luồng quang được gọi là bài toán định tuyến và gán bước
sóng (RWA- Routing and Wavelength Assignment). Bài toán RWA được chia làm
hai phần: định tuyến và gán bước sóng. Đề tài sẽ thực hiện việc tìm hiểu và giới thiệu
về định tuyến cùng phương pháp gán bước sóng để giải quyết bài toán RWA.
2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài sẽ tìm hiểu một cách tổng quát những lý thuyết liên quan như lý thuyết
hệ thống thông tin quang, mạng ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM. Những
kiến thức này sẽ được trình bày tóm tắt và đầy đủ phục vụ cho nhiệm vụ chính của đề
tài là tìm hiểu về định tuyến gán bước sóng. Trong nhiệm vụ chính sẽ trình bày và
đưa ra tìm hiểu các thuật toán và phương pháp định tuyến gán bước sóng nhằm đánh
giá và thực hiện mô phỏng thực tế bằng phần mềm. Từ đó thấy được vai trò của định
tuyến và gán bước sóng trong mạng viễn thông WDM cũng như hiệu quả của các
phương pháp này mang lại trong thiết kế mạng thực tế mang lại hiệu quả kinh tế và
đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ viễn thông.
3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đề tài “Định tuyến gán bước sóng trong mạng WDM” sẽ đi vào nghiên cứu
tìm hiểu các phương pháp định tuyến và mô phỏng việc định tuyến của vấn đề định
tuyến gán bước sóng trong mạng WDM. Đề tài thực hiện trong phạm vi là tìm hiểu
về lý thuyết và xây dựng ứng dụng mô phỏng, đề tài sẽ được thể hiện qua các mục
chính:
- Tổng quan về hệ thống thông tin quang
- Giới thiệu mạng WDM
- Định tuyến và gán bước sóng
- Xây dựng chương trình mô phỏng định tuyến
Định tuyến gán bước sóng trong mạng WDM
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
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
xây dựng một ứng dụng viết bằng môt ngôn ngữ lập trình để thực hiện mô phỏng
định tuyến tối ưu mạng.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN:
- Đề tài là kết quả của sự nỗ lực và cố gắng hết mình mà tôi đã thực hiện trong
suốt thời gian làm đề tài, và đây cũng là kết quả của sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè
và gia đình.
- Đề tài là kết quả của suốt quá trình học tại trường và bước ngoặc quan trọng
để tôi có thể tốt nghiệp và hoàn thành thời gian học tập.
- Qua đề tài tôi được tìm hiểu thêm nhiều kiến thức mới khác với những kiến
thức đã được học, điều đó cho tôi có được ham muốn tìm hiểu và nghiên cứu những
kiến mới phục vụ cho bản thân và công việc.
- Qua đề tài đã thực hiện nghiên cứu và giải quyết các vấn đề liên quan với
những kiến thức được tổng hợp sẽ là một báo cáo khoa học có thể giúp ích cho những
vấn đề nghiên cứu và tìm hiểu sau này.
Định tuyến gán bước sóng trong mạng WDM
PHẦN 2: NỘI DUNG ĐỀ TÀI
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 thì 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, 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.
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.
Định tuyến gán bước sóng trong mạng WDM
1.2 GIỚI THIỆU 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 2 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
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
Hình 1.2: Thông tin hữu tuyến
Hình 1.3: Thông tin quang
Định tuyến gán bước sóng trong mạng WDM
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 Các đặt tính của thông tin quang
Trong thông tin sợi quang, các ưu điểm sau của sợi quang được sử dụng một
cách hiệu quả: độ suy hao truyền dẫn thâp và băng thông lớn. Thêm vào đó chúng có
thể sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng (nhỏ), không có xuyên
âm với các đường sợi quang bên cạnh và không chịu ảnh hưởng của nhiễu cảm ứng
sóng điện từ. Trong thực tế sợi quang là phương tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và
kinh tế nhất đang có hiện nay.
- Trước hết, vì có băng thông lớn nên nó có thể truyền một khối lượng thông
tin lớn như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu, và các tín hiệu hỗn hợp khác thông qua
một hệ thống có cự ly đến 100km mà không cần đến các bộ tái tạo. 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.
- Thứ hai, sợi quang nhỏ nhẹ và không có xuyên âm. 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. Do vậy, chúng có thể được lắp đặt dễ dàng.
- Thứ ba, vì sợi quang được chế tạo từ các chất dẫn điện môi phi dẫn nên
chúng không chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và của xung điện từ. Vì
Định tuyến gán bước sóng trong mạng WDM
vậy, chúng có thể sử dụng để truyền dẫn mà không có tiếng ồn, có thể lắp đặt cùng
với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi trường phản ứng hạt nhân.
- Thứ tư, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát và chất dẻo – là
những thứ rẻ hơn đồng nhiều nên nó kinh tế hơn cáp đồng trục. Ngoài ra, như đã đề
cập ở trên, do đặt trưng là có độ tổn thất thấp nên giá thành lắp đặt ban đầu cũng như
giá thành bảo dưỡng và sửa chữa thấp bởi vì chúng cần ít các bộ tái tạo hơn.
- Ngoài những ưu điểm đã nêu trên, sợi quang có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi
thọ dài và có khả năng đề kháng với môi trường lớn, nó cũng rất dễ bảo dưỡng và sửa
chữa. Nhờ những ưu điểm này sợi quang được sử dụng cho các mạng lưới điện
thoại, số liệu máy tính, phát thanh truyền hình (băng thông rộng) và sẽ được sử dụng
cho ISDN, điện lực, các ứng dụng y tế và quân sự, cũng như các thiết bị đo.
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 thấp (không quá 200Mbps) sử dụng sợi đa mode, LED
phát xạ tự phát, ánh sáng không định hướng, công suất bức xạ thấp, thời gian đáp ứng
chậm. 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, hiệu suất ghép
ánh sáng vào sợi cao.
- 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:
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
Định tuyến gán bước sóng trong mạng WDM
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. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là
độ nhạy thu quang.
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.
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 và 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 sau đó được biến đổi trở lại
thành tín hiệu điện. Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài tín hiệu quang trong sợi bị
suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có các trạm lặp đặt trên tuyến. Những năm gần
đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế cho các trạm lặp quang.
1.3 SỢI QUANG
1.3.1 Sợi dẫn quang
Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền các ánh sáng nhìn thấy được và các
tia hồng ngoại. Chúng có lõi ở giữa và có phần bao bọc xung quanh lõi. Để ánh sáng
có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết xuất của lõi phải lớn hơn chiết
suất vỏ bọc.
Định tuyến gán bước sóng trong mạng WDM
Vỏ bọc đươc làm bằng nguyên liệu mềm bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn
mòn, đồng thời chống xuyên âm với các sợi đi bên cạnh và làm cho sợi quang dễ xử
lí. Lõi và áo được làm bằng thủy tinh hay chất dẻo.
Sợi quang được phân loại thành các loại sợi quang đơn mode và đa mode
tương ứng với số lượng mode của ánh sáng truyền qua sợi quang. Ngoài ra chúng còn
được phân loại thành sợi quang có chỉ số bước sóng và chỉ số lớp tuỳ theo hình dạng
và chiết suất của các phần của lõi sợi quang.
1.3.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang
Sợi quang là môi trường truyền thông đặc biệt so với các môi trường khác như
cáp đồng hay không gian tự do. Một sợi quang cho suy hao tín hiệu thấp trên một
phạm vi tần số lớn, đặc tính này cho phép tín hiệu được truyền qua các khoảng cách
xa ở tốc độ cao trước khi cần khuếch đại hoặc tái lặp lại.
Một sợi quang gồm có một lõi hình trụ được bao quanh bởi lớp vỏ. Cả phần
lõi và phần vỏ được làm chủ yếu từ silica (SiO2), có chỉ số khúc xạ (chiết suất) xấp
xỉ 1.45. Chỉ số khúc xạ của vật liệu là tỉ số vận tốc ánh sáng trong chân không so với
tốc độ ánh sáng trong vật liệu đó.
n =
v
c
n: chiết suất của môi trường, không có đơn vị.
c: vận tốc ánh sáng trong chân không , đơn vị : m/s
v
: vận tốc ánh sáng trong môi trường, đơn vị : m/s.
Vì c
v
≥
nên n
1
≥
Hình 1.5: Cấu tạo sợi quang
Định tuyến gán bước sóng trong mạng WDM
Trong quá trình sản xuất sợi, một số tạp chất nào đó được đưa vào trong lõi hoặc
vỏ để cho chỉ số khúc xạ trong lõi lớn hơn một tí so với vỏ. Các nguyên liệu như
Germani hoặc Photpho làm tăng chiết suất silica và được dùng để thêm vào phần lõi
của sợi quang, trong khi chất Bo hay Flo làm giảm chiết suất của Silica nên được
dùng tạp chất cho lớp vỏ.
Ánh sáng có thể được xem như một chùm tia truyền theo những đường thẳng
trong một môi trường và bị phản xạ hoặc khúc xạ ở bề mặt giữa hai vật liệu khác
nhau. Một tia sáng từ môi trường 1 đến mặt phân cách của môi trường 2, góc tới là
góc giữa tia tới và pháp tuyến với bề mặt chung của hai môi trường được biểu thị
bằng
1
θ
. Phần năng lượng bị phản xạ vào môi trường 1 là một tia phản xạ, phần còn
lại đi xuyên qua môi trường 2 là tia khúc xạ. Góc phản xạ
r1
θ
là góc giữa tia phản xạ
và pháp tuyến, tương tự góc khúc xạ là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến.
Ta có:
11
θθ
=
r
Theo định luật Snell:
2211
sinsin
θθ
nn
=
Khi góc tới
1
θ
tăng lên thì góc khúc xạ
2
θ
cũng tăng theo. Nếu
°=
90
2
θ
thì sin
1
θ
=
1
2
n
n
, lúc này góc
1
θ
được gọi là góc tới hạn có giá trị
1
2
1
sin
n
n
c
−
=
θ
, với
21
nn
>
.
Với những giá trị
c
θθ
>
1
, sẽ không có tia khúc xạ và tất cả năng lượng từ tia tới
được phản xạ hết. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần.
Điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần:
Hình 1.6: Sự phản xạ và khúc xạ các tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường.
Định tuyến gán bước sóng trong mạng WDM
Các tia sáng phải đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có
chiết suất nhỏ hơn.
Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.
Ánh sáng truyền trong sợi quang do hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra giữa bề
mặt phần lõi và vỏ.
Hình trên cho thấy ánh sáng được ghép từ môi trường bên ngoài (không khí với
chiết suất n
0
) vào sợi.
1.3.3 Các thông số của sợi quang
Để xác định tốc độ truyền dẫn và khoảng cách trạm lặp của hệ thống thông tin sợi
quang, có hai tham số cần phải nghiên cứu là tổn hao quang và độ rộng băng truyền
dẫn. Đo tổn hao quang để xác định tổn hao công suất ánh sáng lan truyền trong sợi
quang.
1.3.3.1 Suy hao của sợi quang
- Định nghĩa:
Công suất quang truyền tải sợi cũng giảm dần theo cự ly với quy luật hàm số mũ
tương ứng như tín hiệu điện. Biểu thức của hàm số truyền công suất có dạng:
P
(Z)
= P
(0)
x
10
10
z
α
−
Trong đó:
P
(0)
: Có công suất ở đầu sợi.
P
(z)
: công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi.
α
: hệ số suy hao.
- Hệ số suy hao của sợi được tính theo công thức:
Hình 1.7: Ánh sáng trong sợi quang
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét