Đề tài Nghiên cứu công nghệ chuyển mạch quang

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 lượng 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 lượng 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 lượng trên mạng chuyển tải sẽ tăng lên. Vấn đề đặt ra là phải giải quyết yêu cầu về chuyển mạch như 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 vượt bậc, phát triển từ những hệ thống chuyển mạch với dung lượng hạn chế, điều khiển nhân công trong giai đoạn đầu tiên đến những hệ thống chuyển mạch phức tạp điều khiển theo chương trình ghi sẵn SPC (Stored Program Control). Hiện nay các hệ thống chuyển mạch đang được nghiên cứu thiết kế trên thế giới không những đáp ứng nhu cầu dịch vụ viễn thông trước mắt mà còn cố gắng thoả mãn nhu cầu ngày một tăng trong tương 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 hướng phát triển của mạng viễn thông là tiến tới một mạng toàn quang trong đó tất cả các thành phần chính của mạng như tách/ghép kênh, truyền dẫn và chuyển mạch đều được 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 được biểu diễn như hình vẽ dưới đây: Có ba bước phát triển: (a) Truyền dẫn quang điểm nối điểm có thêm ghép và tách kênh quang Có thêm chuyển mạch quang Chuyển mạch điện tử Truyền dẫn quang (a) bước 1: Truyền dẫn quang điểm nối điểm Truyền dẫn quang Các bộ ghép nối (b) bước 2: Ghép kênh quang Chuyển mạch quang Truyền dẫn quang (c) bước 3: Chuyển mạch quang Hình 1. Ba bước phát triển tới mạng thông tin toàn quang 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 như: Mỹ (hãng AT&T), Nhật (hãng NEC), Châu Âu (hãng ERICSON, SIEMENS) bước đầu đã thu được 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 tương lai. Đây là một vấn đề cần quan tâm và mang tính cấp thiết. 1. Phương pháp nghiên cứu đề tài Chuyển mạch quang là một công nghệ viễn thông mới, phức tạp do đó việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu là rất quan trọng để có thể dễ dàng nắm bắt được vấn đề và đạt được hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên ở Việt Nam công nghệ chuyển mạch này chưa 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 ưu điểm của chuyển mạch quang như: thời gian chuyển mạch nhỏ hơn 10-12(s), ít xuyên âm và nhiễu, tăng độ tin cậy, tăng thông lượng nút kết nối chéo… đều có từ đặc tính cơ bản của ánh sáng; đồng thời để giải thích được cơ chế chuyển mạch ánh sáng thì trước 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 được tiến hành theo phương pháp đi từ tổng quan đến chi tiết, từ những khái niệm đơn giản đến những vấn đề phức tạp nhằm đạt được hiệu quả cao nhất. 2. Nội dung nghiên cứu của đề tài. 2.1 Giới thiệu chung. 2.2 Các phương thức chuyển mạch quang và ma trận chuyển mạch quang phân chia không gian. Có thể phân chia thành nhiều phương thức chuyển mạch quang khác nhau dựa trên các cơ sở khác nhau. Chuyển mạch quang được 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 bước 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 được sử dụng. Phần tử chuyển mạch cơ bản này được 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 hướng truyền của ánh sáng. Sự biến đổi này có khả năng đáp ứng nhanh về mặt trong thời gian phạm vi 10-12s do vậy có thể tạo khả năng thực hiện việc chuyển mạch ánh sáng với tốc độ cực nhanh. Output1 1 Output2 V LiNbO3 Ti Input 2 Input 1 Hình 2. Chuyển mạch ống dẫn sóng 2x2. Nếu các ống dẫn sóng không được cung cấp điện áp thì chuyển mach ở trạng thái CROSS (chéo), công suất ánh sáng ở các đầu ra: Pout.2 = Pin.1 Pout.1 = 0 Nếu cung cấp một điện áp thích hợp cho ống dẫn sóng thì chuyển mạch chuyển sang trạng thái BAR (ngang): Pout.2 = 0 Pout.1 = Pin.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 đưa ra một cấu hình tối ưu 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 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) Hình 3. Ma trận chuyển mạch cross-bar cross-bar có xảy ra nghẽn nội (b) cross-bar không xảy ra nghẽn nội Ma trận này có nhược điểm là khi dung lượng trường 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 phương pháp để giảm số giao điểm này là sử dụng chuyển mạch nhiều tầng (chuyển mạch Clos). Điều kiện để ma trận chuyển mạch Clos ba tầng hoàn toàn không nghẽn nội là m ³ 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. Ma trận chuyển mạch Clos: Hình 4. Ma trận chuyển mạch Clos ba tầng. Ma trận chuyển mạch Benes Ma trận này là trường hợp riêng của ma trận chuyển mạch Clos 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 N - 1 N N - 1 N N/2 Benes N/2 Benes Hình 5. Ma trận chuyển mạch Benes ba tầng hiệu. Khắc phục nhược 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 tượng xuyên âm. Ma trận chuyển mạch nhiều tầng có nhược điểm chung là tích luỹ xuyên âm qua các tầng chuyển mạch làm ảnh hưởng 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 được 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 đường nối chéo Cross Over Crossbar Double Crossbar Clos Benes Dilated Benes - N+1 3 2p - 1 2p N2 2N2 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] Rearrangeably Rearrangeably 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 được tiếp tục nghiên cứu trên thế giới. Công nghệ chuyển mạch quang vẫn chưa đủ trưởng thành để có thể xâm nhập vào thị trường. Hơn nữa, cũng chưa có nhu cầu thực sự cấp bách về các vấn đề lưu lượng trên mạng viễn thông, do vậy hiện tại việc áp dụng vào mạng viễn thông quốc gia là chưa cần thiết. Tuy nhiên, mạng viễn thông hiện tại đã sử dụng công nghệ truyền dẫn SDH đồng thời mạng đang phát triển theo hướng đa dịch vụ băng rộng, do vậy trong tương lai, việc sử dụng các bộ kết nối chéo quang OXC hay chuyển mạch quang tại các nút mạng có dung lượng 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 trưởng 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] Dương Văn Thành, Cơ sở kỹ thuật chuyển mạch, HVCNBCVT, 2000 [4] Viện KHKT Bưu Điện (Tổng cục Bưu Điện) Nghiên cứu tiếp cận công nghệ chuyển mạch quang trong mạng viễn thông tương lai, 1999 [5] Vũ Văn San, Hoàng Văn Võ Kỹ thuật thông tin quang, Nxb Khoa học & Kỹ thuật, 1997 [6] Lương Duyên Bình, Vật lý đại cương (tập 3) Nxb Giáo dục [7] Tạp chí BCVT-Tổng cục Bưu Điện (Số tháng 4-2000).