Chương 2. Hệ thống chuyển mạch chùm quang
2.4. Thiết kế thực thi lớp vật lý các node mạng lõi OBS
2.4.4. Xây dựng phần chuyển mạch quang
Như đã trình bày trong phần trước, kỹ thuật chuyển mạch quang sử dụng các bộ SOA là một trong những giải pháp đáp ứng được các yêu cầu để xây dựng trường chuyển mạch quang trong các node mạng lõi OBS. Các cổng SOA có thể thực hiện đảm bảo thời gian chuyển mạch quang cỡ 1 đến 10 ns, hệ số tỉ lệ on/off cao và do bản thân là bộ khuếch đại nên chúng có thể thực hiện khuếch đại để bù vào phần năng lượng mất mát khi tín hiệu đi vào node mạng. Hơn nữa các bộ SOA có thể thực thi không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu dữ liệu vào và nó cũng cho phép băng thông quang lớn (hơn 50 nm). Phần này sẽ giới thiệu, xây dựng cấu trúc trường chuyển mạch quang trong các node mạng lõi OBS sử dụng các cổng khuếch đại laser bán dẫn SOA.
Để đảm bảo không bị mất các chùm dữ liệu trong node mạng lõi thì trường chuyển mạch quang phải là trường chuyển mạch không nghẽn. Nghĩa là một cổng lối vào không được sử dụng luôn có khả năng kết nối tới cổng lối ra không sử dụng bất kỳ. Hệ chuyển mạch không nghẽn có thể là không nghẽn tuyệt đối hoặc hệ không nghẽn với khả năng sắp xếp lại. Hệ không nghẽn tuyệt đối nghĩa là mọi cổng lối vào không sử dụng có thể nối tới cổng lối ra không sử dụng bất kỳ mà không cần định tuyến lại các kết nối khác. Còn hệ không nghẽn có khả năng sắp xếp lại là cấu trúc sử dụng một số hệ chuyển mạch, khi đó hệ yêu cầu các thuật toán điều khiển thiết lập kết nối phức tạp hơn. Một nhược điểm khác của hệ chuyển mạch không nghẽn có khả năng sắp xếp lại là các kết nối đang hoạt động có thể bị ngắt tạm thời để đáp ứng cho kết nối mới, dẫn tới mất dữ liệu. Trong node mạng lõi OBS chúng ta chỉ đề cập đến các hệ chuyển mạch quang không nghẽn tuyệt đối. Hai cấu trúc thực thi hệ chuyển mạch quang không nghẽn tuyệt đối kích thước NM x NM lớn được trình bày dưới đây:
2.4.4.1 Xây dựng hệ chuyển mạch bằng cách nối tầng các phần tử chuyển mạch
Phần này sẽ xây dựng một hệ chuyển mạch dung lượng lớn từ các phần tử chuyển mạch cơ sở kích thước 2 x 2 sử dụng 4 bộ SOA (hình 2.28.a). Các hệ chuyển mạch dung lượng lớn trong node mạng lõi OBS được xây dựng theo cấu trúc đa tầng không nghẽn, tương tự như hệ chuyển mạch ma trận trong miền điện. Trong hình 2.28 (b) chỉ ra một hệ chuyển mạch không nghẽn 4 x 4 với các thanh liên kết ngang sử dụng 16 phần tử chuyển mạch cơ sở 2 x 2. Sự liên kết giữa lối vào và lối ra được thực hiện bằng cách thiết lập trạng thái cảu các phần tử chuyển mạch cơ sở. Một hệ chuyển mạch NM x NM với các thanh liên kết ngang được xây dựng từ (NM)2 phần tử chuyển mạch cơ sở 2 x 2 tương ứng sử dụng 4.(NM)2 bộ SOA.
Hình 2.28 Hệ chuyển mạch sử dụng các bộ SOA; (a) phần tử chuyển mạch cơ sở 2x2; (b) hệ chuyển mạch 4x4, nối tầng 16 phần tử chuyển mạch cơ sở.
Trong hệ chuyển mạch này, tuỳ theo các yêu cầu vào ra mà các đường tín hiệu có thể có độ dài (số tầng chuyển mạch tín hiệu đi qua) khác nhau, ngắn nhất là 1 và dài nhất là 2.NM-1. Ngoài ra, do chuyển mạch quang ở đây là chuyển mạch tương tự và việc tái tạo lại tín hiệu không được thực hiện nên suy hao, ồn nhiễu của tín hiệu khi qua các tầng được tích luỹ. Bởi vậy, kích thước của hệ chuyển mạch sẽ bị giới hạn. Để khắc phục nhược điểm này, yêu cầu các đường tín hiệu ngắn tới mức yêu cầu, nên sẽ sử dụng cấu trúc trường chuyển mạch chỉ với một tầng các cổng SOA.
2.4.4.2 Cấu trúc lựa chọn và quảng bá (BAS) đơn tầng
Hệ chuyển mạch lựa chọn và quảng bá cổ điển dựa trên một phần tử thụ động chọn một bước sóng từ tín hiệu tổng NM tín hiệu thành phần (tín hiệu tổng
lối vào gồm N tín hiệu WDM, mỗi tín hiệu ghép M bước sóng) và chuyển chúng tới một hoặc các lối ra (trong NM lối ra) yêu cầu. Hệ chuyển mạch lựa chọn và quảng bá có khả năng thực hiện các kết nối điểm-điểm hoặc quảng bá tới các lối ra khác nhau. Nhược điểm của hệ chuyển mạch này là tín hiệu suy giảm nhiều khi đi qua các bộ chia, giảm chất lượng tín hiệu. Hình vẽ 2.29 dưới đây chỉ ra hai cấu trúc hệ chuyển mạch quang có thể thựcthi trong các node mạng lõi OBS.
Node mạng có N sợi vào ra, mỗi sợi truyền M bước sóng. Các hệ này là các hệ chuyển mạch chùm quang không nghẽn tuyệt đối và có khả năng chuyển mạch quảng bá. Để xây dựng một hệ yêu cầu phải sử dụng N2M bộ SOA.
Hình 2.29 Cấu trúc trường chuyển mạch trong node mạng lõi OBS. (a) node mạng lựa chọn và quảng bá BAS; (b) node mạng điều chỉnh và lựa chọn TAS.
Trong node mạng có trường chuyển mạch quang BAS, các module chuyển mạch quang được xây dựng từ các cổng SOA và các bộ lọc có thể lựa chọn bước sóng để chọn lấy một bước sóng mong muốn. Đối với node mạng có kích thước N sợi vào ra, mỗi sợi truyền M tín hiệu, tín hiệu tổng lối vào có thể được chia nhỏ thành NM thành phần. Các tín hiệu được đưa tới các cổng SOA, trên cơ sở tín hiệu điều khiển mà bộ điều khiển sẽ đóng hoặc mở các cổng SOA để tín hiệu đi qua. Sau đó bộ lọc có thể điều chỉnh được sẽ lựa chọn bước sóng cần thiết và chuyển tới một bộ chuyển đổi bước sóng với lối vào có thể điều chỉnh, lối ra cố định. Bộ chuyển đổi này sẽ cho tín hiệu lối ra có bước sóng mong muốn. Cũng giống như các bộ SOA, các bộ lọc NM cũng phải có thời gian điều chỉnh nhỏ
hơn 1 μs. Cuối cùng các tín hiệu này sẽ được ghép kênh chuyển tới các sợi lối ra tương ứng [5].
Trong cấu trúc node mạng sử dụng chuyển mạch quang TAS, các module chuyển mạch quang là các bộ chuyển đổi bước sóng có thể điều chỉnh và các cổng SOA. Các bộ chuyển đổi bước sóng có thể điều chỉnh sẽ được đặt trước các cổng SOA (hình 2.29 b). Tín hiệu lối vào được phân kênh thành các bước sóng thành phần và các chùm dữ liệu được chuyển đổi tới bước sóng lối ra mong muốn nhờ các bộ chuyển đổi bước sóng có thể điều chỉnh được. Với cấu trúc BAS, tín hiệu được chia nhỏ thành các tín hiệu thành phần và được chuyển tới tất cả các lối ra. Các chùm dữ liệu được đưa tới lối ra mong muốn thông qua điều khiển trạng thái đóng mở của các cổng SOA. Tại lối ra của node mạng, các tín hiệu được đưa tới một lối ra sẽ được tập hợp, ghép kênh lại. Như vậy, với mỗi node mạng N sợi vào ra, mỗi sợi truyền M bước sóng sẽ cần sử dụng N2M cổng SOA và NM bộ chuyển đổi bước sóng có thể điều chỉnh được, với thời gian điều chỉnh nhỏ hơn 1 μs.
Như vậy cả hai cấu trúc chuyển mạch quang này đều yêu cầu sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng. Trong cấu trúc BAS bộ phát lối ra có bước sóng phát ra không đổi, nhưng lại yêu cầu các bộ chia quang có thể điều chỉnh để lựa chọn bước sóng mong muốn với thời gian điều chỉnh yêu cầu nhỏ hơn 1μs. Các bộ lọc quang âm với thời gian điều chỉnh trong dải 10μs là không thể sử dụng, các bộ lọc quang điện LiNbO3 điều chỉnh nhanh còn đang nghiên cứu phát triển. Trong cấu trúc TAS, bước sóng lối ra của các bộ chuyển đổi bước sóng là có thể điều chỉnh. Để thực thi, yêu cầu các laser phát quang với bước sóng phát có thể điều chỉnh được với thời gian điều chỉnh nhỏ hơn 1 μs đã được giới thiệu trong phần II.4.1.1.