Mạng MAN đơn chặng lựa chọn bước sóng dựa trên AWG

của một hoặc nhiều node sẽ làm giảm độ tận dụng kênh vì một bước sóng cho trước không thể sử dụng bởi các bộ thu khác khi nó rỗi. 4. Hỗ trợ đa phiên sẽ không hiệu quả trong một mạng với node sử dụng bộ thu cố định. Trong một hệ thống với mỗi node có một kênh dành riêng để thu, một gói tin đa hướng cho trước phải truyền rất nhiều lần. Điều này dẫn tới giảm hiệu quả băng thông so với một hệ thống trong đó mỗi node có thể chuyển bộ thu của nó tới bước sóng tương ứng của node nguồn. Các bộ thu nhạy cảm bước sóng thì đắt hơn các bộ thu cố định. Mặc dầu rất khó để dự đoán giá của các bộ thu phát chuyển đổi được sẽ có trong thị trường trong tương lai nhưng chúng ta cũng có thể rút ra được một số nhận xét sau. Vì lý do kinh tế, mỗi node trong mạng đơn chặng dựa trên AWG không nên sử dụng nhiều hơn một bộ thu phát chuyển đổi nhanh. Cần chú ý rằng một bộ thu chuyển đổi cho một node có thể đủ để tạo ra hiệu năng gần với giới hạn trên. Điều này là bởi vì đối với lưu lượng đồng dạng và một số nhỏ bước sóng xác suất có nhiều hơn một gói tin định tuyến tới một node đich và tìm thấy được một bước sóng rỗi là rất nhỏ. Với kiểu lưu lượng không đồng dạng ví dụ các máy chủ thể hiện các điểm nóng mạng sẽ không thể đủ khi chỉ trang bị cho các node điểm nóng nhiều bộ thu phát trong khi các node còn lại vẫn chỉ sử dụng một bộ thu phát duy nhất. Trong mạng thực tế mỗi bộ thu phát chuyển đổi được phải được bảo vệ bởi một bộ thu phát thứ cấp để đảm bảo tính tồn tại trong trường hợp xảy ra lỗi. Do đó trong mạng đơn chặng thực tế mỗi node sẽ bao gồm hai bộ thu phát chuyển đổi được giống hệt nhau. Trong khi mạng đa chặng yêu cầu nhiều hơn một bộ thu phát dự phòng tại mỗi node. Mỗi bộ thu phát cố định phải được bảo vệ bởi một bộ thu phát khác hoạt động ở cùng bước sóng. Kết quả là số lượng các bộ thu phát cố định trong một node trong mạng đa chặng có thể rất lớn. Thông thường dãy các bộ thu phát này được tích hợp trên một chip duy nhất để giảm chi phí. Nếu một bộ thu phát bị hỏng, toàn bộ dãy này phải thay thế làm lãng phí các bộ thu phát vẫn còn hoạt động. Chi phí của mạng không chỉ được quyết định bởi số lượng và loại bộ thu phát mà còn bởi chi phí liên quan tới hoạt động bảo trì tiêu thụ công suất, giám sát hiệu năng và quản lý. Đặc biệt từ quan điểm giám sát hiệu năng và quản lý mạng người ta thích một số lượng nhỏ bộ thu phát trên một node hơn. Vì vậy cho dù giá cả của các bộ thu phát cố định trang bị cho một node có nhỏ hơn bộ thu phát thay đổi được thì xem ra bộ thu phát co thể thay đổi được vẫn có khả năng được lựa chọn nhiều hơn. 3.2.3.2. Mạng đơn chặng dựa trên AWG và PSC Trong phần trước chúng ta đã thất rằng các bộ thu phát chuyển đổi nhanh có thời gian chuyển đổi không đáng kể nhưng có dải chuyển đổi nhỏ. Điều này dẫn tới số lượng bước sóng cho phép là nhỏ. Tuy nhiên tất cả các bước sóng này có thể sử dụng tại mỗi công AWG đồng thời mà không dẫn đến xung đột kênh. Trong phần này chúng ta sẽ phân tích hiệu năng trễ, thông lượng của mạng đơn chặng dựa trên AWG sẽ được lợi như thế nào từ việc tái sử dụng bước sóng theo không gian. Để thể hiện độ lợi hiệu năng nhờ tái sử dụng bước sóng theo không gian chúng ta sẽ so sánh mạng đơn chặng dựa trên AWG này với một mạng đơn chặng dựa trên PSC. Tới nay hầu hết mạng WDM đơn chặng logic được triển khai trên một cấu hình sao dựa trên PSC vật lý. Mạng này không cho phép tái sử dụng bước sóng theo không gian. Chúng ta sẽ chỉ ra rằng AWG hơn hẳn PSC về mặt thông lượng, trễ và tổn thất gói tin. a. Tái sử dụng bước sóng trong không gian Không giống như PSC, AWG cho phép tái sử dụng bước sóng trong không gian nghĩa là mỗi bước sóng có thể được sử dụng tại tất cả các cổng vào AWG một cách đồng thời mà không dẫn tới xung đột kênh tại các cổng ra AWG. Một cách lý tưởng AWG sẽ định tuyến mỗi bước sóng tới một cổng ra khác nhau mà không gây nên xuyên âm kênh tại các cổng ra AWG còn lại. Tuy nhiên AWG thực tế chịu ảnh hưởng bởi dò rỉ do các lỗi pha đường quang. Kết quả là mỗi bước sóng được định tuyến không chỉ tới cổng ra AWG mong muốn mà còn được thu một phần tại các cổng ra AWG còn lại. Điều này dẫn tới sử dụng cùng một bước sóng tại nhiều cổng vào AWG đồng thời sẽ dẫn tới nhiễu do xuyên âm tín hiệu tại các cổng ra AWG. Nhiễu này có cùng bước sóng với tín hiệu và không thể loại bỏ được bởi các bộ giải ghép kênh. Nhiễu homodyne này sẽ tạo ra giới hạn cho mạng về tốc độ bit, số lượng kênh bước sóng trên một sợi quang và số lượng các cổng đầu vào/đầu ra AWG. Xuyên âm tín hiệu có ảnh hưởng nghiêm trên lên tỷ lệ lỗi bít (BER). Nó không phụ thuộc vào tốc độ bít, tổn hao công suất ở trường hợp kém nhất đối với trạng thái phân cực ghép được cho bởi công thức P = - 5log10 [1- 4q2 A 10edB/10]dB Trong đó, edB là thành phần (trong trường hợp AWG của chúng ta) xuyên âm dưới dạng dB, A biểu thị số lượng thành phần xuyên âm và q = 5,9 cho tỷ lệ lỗi là 10-9. Hình 3.11 thể hiện tổn hao công suất trong phương trình 4.12 cho AÎ{1,2,4,8,16,32,100}. Rõ ràng tái sử dụng bước sóng theo không gian trong một mạng đơn chặng AWG chỉ xảy ra với tổn hao nhất định. Hình 4.7 chỉ ra rằng đối với một AWG thực tế một xuyên âm khoảng –35dB và một tổn hao công suất 1dB. Một bước sóng cho trước không thể tái sử dụng theo không gian nhiều quá 8 lần. Do đó trong đồ án này chúng ta chỉ xem xét AWG có số cổng £ 8. Chú ý rằng giới hạn này là cho các AWG sử dụng công nghệ Planar. Tuy nhiên bằng cách sử dụng các AWG rỗng không gian có dòng tiêm kênh lân cận nhỏ hơn –40dB và xuyên âm nền nhỏ hơn –60dB đã xuất hiện. Sử dụng AWG rỗng không gian này sẽ có nhiều cổng hơn nhờ đó cho phép tái sử dụng bước sóng theo không gian mở rộng hơn nũa. A=100 32 16 8 4 2 1 Hình 3.11 Tái sử dụng bước sóng trong không gian làm tăng một cách đáng kể cấp đồng bộ nghĩa là có thê truyền dẫn đồng thời nhiều hơn. Cho N cổng đầu vào, một AWG sử dụng một FSR gồm N bước sóng sẽ có khả năng hỗ trợ lên tới truyền dẫn N2 bước sóng đồng thời so với một PSC chỉ cho phép truyền dẫn N bước sóng đồng thời để không dẫn tới xung đột kênh tại các cổng ra tương ứng. Kết quả là với N node truyền thông đồng thời trong một mạng đơn chặng dựa trên AWG số lượng bước sóng sẽ rất nhỏ vì chỉ cần [] bước sóng tái sử dụng theo không gian tại tất cả các cổng vào AWG trong đó [x] biểu thị số nguyên nhỏ nhất mà lớn hơn hoặc bằng x. Ngược lại trong mạng đơn chặng dựa trên PSC số lượng bước sóng cần thiết sẽ tăng tuyến tính theo số lượng node truyền thông đồng thời N, mỗi node trên một bước sóng riêng. Hình 3.12 thể hiện số lượng bước sóng cần thiết và số lượng node truyền thông đồng thời cho mạng đơn chặng dựa trên AWG và PSC. Rõ ràng AWG cần số lượng bước sóng ít hơn nhiều so với PSC đặc biệt với N. Điều này lại cho phép mạng đơn chặng dựa trên AWG triển khai các bộ thu phát quang điện có thời gian chuyển đổi vài ns đối với số lượng node mà ở đó một mạng đơn chặng dựa trên PSC đã phải sử dụng các bộ thu phát quang âm. Chúng ta đã biết rằng các bộ thu phát quang âm có dải chuyển đổi rộng nhưng có thời gian trễ chuyển đổi rất lớn. Ví dụ với N=64 node truyền thông đồng thời và độ rộng kênh 1,6nm (200GHz tại 1,55mm) Một mạng đơn chặng dựa trên AWG 8x8 chỉ cần các bộ thu phát với dải chuyển đổi 11,2nm so với 100,8nm cho một mạng dựa trên PSC. Do vậy, trong mạng dựa trên AWG 8x8 các bộ thu quang điện có thể sử dụng. Chúng có thời gian chuyển đổi nhỏ hơn nhiều so với bộ thu quang âm bắt buộc phải sử dụng trong mạng dựa trên PSC. Do tổn hao chuyển đổi nhỏ hơn nên các kênh bước sóng được tận dụng hiệu quả hơn so với mạng sử dụng PSC dẫn tới tăng hiệu năng mạng. AWG PSC Hình 3.12 Yêu cầu giữa số lượng bước sóng yêu cầu và số lượng node phát đồng thời Số lượng node mạng Số lượng bớc sóng yêu cầu 1 3 5 7 9 11 15 13 1 3 5 7 9 11 13 15 Kiến trúc và gán bước sóng Để so sánh các mạng đơn chặng dựa trên AWG và PSC chúng ta xem xét một số lượng node N cho trước. Cả hai mạng đều hỗ trợ tính hoàn toàn kết nối và cho phép mỗi node truyền thông ở thời điểm bất kỳ. Trong mạng đơn chặng dựa trên PSC mỗi node được gắn tới một cổng PSC riêng như trong hình 3.13. Mỗi node được trang bị một bộ thu phát giống hết nhau gồm một bộ thu và một bộ phát. Bộ phát của một node được gắn tới một trong N cổng vào PSC trong khi bộ thu tương ứng gắn ở cổng ra đối diện. Vì tất cả các node đều có mụcđích tích cực tại thời điểm bất kỳ nên sẽ cần N bước sóng khác nhau để tránh xảy ra xung đột kênh. Trong mạng đơn chặng dựa trên PSC bộ phát và/hoặc bộ thu của mỗi node phải chuyển đổi được để đảm bảo tính kết nối hoàn toàn cho mạng đơn chặng. Rx PSC NxN 1 2 N 1 2 N Tx Hình 3.12 Kiến trúc mạng đơn chặng dựa trên PSC Với một bộ phát chuyển đổi được và bộ thu cố định, mỗi node có kênh riêng để thu và tất cả node khác phải chuyển đổi bộ phát của nó tới kênh riêng của node đích để truyền thông. Tương tự như vậy với một bộ phát cố định và một bộ thu chuyển đổi được mỗi node truyền trên một kênh riêng và các node còn lại phải chuyển các bộ thu chuyển đổi được của chúng tới bước sóng của node nguồn tương ứng để thực hiện việc thu nhận. Dù trong trường hợp nào mỗi node cũng chịu trễ nhất định khi chuyển đổi bộ phát và/hoặc bộ thu của nó từ một bước sóng tới một bước sóng khác. Trong một mạng đơn chặng dựa trên PSC số lượng cổng của PSC bằng với số lượng node mạng N thì số lượng cổng của AWG chỉ là (để đơn giản sau đây chúng ta giả thiết rằng là nguyên, nếu không chúng ta coi nó là []). Vì thực tế mỗi cổng của AWG x thì bước sóng được tái sử dụng theo không gian tạo ra tổng N kênh cho phép hỗ trợ N node tích cực đồng thời. Hình 3.14 thể hiện mạng đơn chặng dựa trên AWG trong đó đối với mỗi cổng vào và cổng ra AWG một bộ kết hợp x1 và một bộ chia 1xđược ghép tương ứng. Các thiết bị này là cần thiết để gắn node tới mỗi cổng AWG. Tất cả các bộ kết hợp và bộ chia phải nhạy cảm bước sóng. Vì trong một mạng đơn chặng dựa trên AWG cả bộ phát và bộ thu đều phải chuyển đổi được để đảm bảo tính kết nối hoàn toàn trong mạng đơn chặng. Mỗi node được trạng bị một bộ thu phát giống hệt nhau gồm một bộ thu chuyển đổi được và một bộ phát chuyển đổi được. Bộ phát chuyển đổi được của một node cho trước được gán tới một trong các cổng vào bộ kết hợp trong khi bộ thu chuyển đổi được tương ứng nằm ở phía bên kia của cổng ra bộ chia. Mỗi node có khả năng truyền dẫn bước sóng khác nhau. Chúng được đưa vào các cổng vào AWG tương ứng. Tương tự mỗi node nhận dữ liệu từ các node còn lại trên bước sóng khác nhau. Do đó các bộ phát và bộ thu phải thu thập và phân phát tất cả bước sóng một cách tương đương. Nghĩa là cả bộ phát và bộ thu đều phải nhạy cảm bước sóng. Ưu điểm của các bộ chia là chúng có khả năng thực hiện đa hướng quang bằng cách phân phát tín hiệu quang đầu vào ngang nhau tới các bộ thu được ghép. Mặt khác các bộ kết hợp và các bộ chia đều chịu ảnh hưởng của suy hao do chia. Suy hao do chia của mạng đơn chặng dựa trên AWG bằng 2x10log = 10logN (dB). Nó bằng với suy hao do chia của mạng dựa trên PSC NxN. (-1)+1 (-1)+2 (-1)+2 (-1)+1 AWG x x1 x1 x1 x1 x1 x1 N N 2 +2 2 1 +1 1 2 +1 +2 2 Hình 3.14 Kiến trúc mạng đơn chặng dựa trên AWG Tx Rx Chú ý rằng trong hình 3.14 các bộ thu được ghép theo kiểu vòng lặp. Lý do cho điều này được thể hiện trong hình 3.15 và 3.16 với N = 4. Hình 3.15a thể hiện kiến trúc không sử dụng các bộ thu ghép vòng lặp. Cần nhắc lại rằng mạng này được xây dựng để cho phép tất cả N = 4 node thu/nhận tại thời điểm bất kỳ. Nếu các node được gắn tới cùng một bộ kết hợp truyền thông trên cùng bước sóng đồng thời thì xung đột kênh sẽ xảy ra tại cổng vào AWG tương ứng. Để không những tránh xung đột kênh mà còn cả xung đột bộ thu chúng ta sử dụng một lược đồ gán bước sóng ghép kênh phân chia theo thời gian vòng tròn như được chỉ ra trong hình 3.15b. Thời gian được chia thành các khung lặp lại tuần hoàn. Mỗi khung gồm 4 khe thời gian có độ dài bằng với thời gian truyền dẫn gói tin công với thời gian chuyển đổi bộ thu phát. Thời gian của các gói tin được giả thiết là hằng số. Các bộ thu phát chuyển đổi trên cơ sở mỗi gói tin. Trong mỗi khe, truyền thông giữa N=4 cặp node sẽ xảy ra trong đó X/Y biểu thị node X truyền thông tới node Y. Rõ rằng, bằng thông bị lãng phí trong khe thời gian khi X = Y. Vì đặc trưng định tuyến bước sóng của AWG nên tất cả các khe thời gian chỉ được gán tới bước sóng l1. AWG 2x2 2x1 2x1 2x1 2x1 2 3 4 1 2 3 4 Rx Tx a) Rx 1/1 3/3 1/2 3/4 2/1 4/3 2/2 4/4 1/1 3/3 2/4 4/2 2/3 4/1 1/4 3/2 1/3 3/1 2/4 4/2 4i+1 4i+2 4i+3 4i+4 4(i+1)+1 Thêi gian Thêi gian l2 l1 Khung i Khung (i+1) b) Hình 3.15 a. Mạng đơn chặng dựa trên AWG không có các bộ thu tham gia kiểu chu kỳ, b. Gán bước sóng cố định (N=4) AWG 2x2 2x1 2x1 2x1 2x1 2 3 4 1 3 2 4 Rx Tx a) TX RX 1/1 4/4 2/1 3/4 1/3 4/2 2/3 3/2 1/1 4/4 2/2 3/3 1/2 4/3 2/4 3/1 1/4 4/1 2/2 3/3 4i+1 4i+2 4i+3 4i+4 4(i+1)+1 Thời gian Thời gian l2 l1 Khung i Khung (i+1) b) Hình 3.16 a. Mạng đơn chặng dựa trên AWG với các bộ thu tham gia kiểu chu kỳ , b. Gán bước sóng cố định với chiều dài khung giảm (N=4) Băng thông có thể được tiết kiệm bằng cách gắn các bộ thu tới các bộ chia theo phương pháp vòng lặp, như trong hình 3.16a. Kết quả gán bước sóng được thể hiện trong hình 3.16b. Chú ý rằng khe thời gian đầu tiên của mỗi khung có thể loại bỏ vì nó chỉ chứa cặp bộ phát/bộ thu trong đó bộ phát và bộ thu thuộc cùng một node. Để làm như vậy, độ dài khung được giảm đi một khe thời gian do đó tiết kiệm băng thông. Ý tưởng này là phù hợp với N bất kỳ. Nói chung, bộ thu i được gắn tới bộ chia đạt tại cổng ra AWG j theo thứ tự sau: j = [(i-1)mod ] + 1, i Î {1, 2, …, N}, j Î{1, 2, …, } (4.13) Khung kết quả sẽ gồm (N-1) khe và đảm bảo tính kết nối hoàn toàn. Dung lượng C của cả hai mạng được định nghĩa theo công thức C = N (4.14) 1 + t Dung l­îng tæng 101 100 102 0 50 100 150 200 250 300 AWG PSC 103 Sè l­îng node m¹ng N Hình 3.17 Dung lượng tổng và số lượng node mạng N (Tốc độ đường là R= 2.5Gb/s) Trong đó N thể hiện số lượng node truyền thông đồng thời, thời gian được bình thường hoá thành thời gian truyền dẫn gói tin và t biểu thị thời gian chuyển đổi bộ thu phát đã bình thường hoá. Dung lượng mạng bằng với số lượng tối đa node truyền thông đồng thời tại thời điểm bất kỳ. Trong phần 3.2.3.1 đã chỉ ra rằng trễ chuyển đổi bộ thu phát có ảnh hưởng lớn lên dung lượng mạng. Hình 3.17 thể hiện ảnh hưởng của tổn hao chuyển đổi của các loại bộ thu phát khác nhau lên dung lượng tổng của các mạng đơn chặng dựa trên PSC và AWG như là hàm của số lượng node N. Với một độ rộng kênh bằng 100GHz (0,8nm tại 1,55mm) và chiều dài gói tin 104 bit thì tính không liên tục trên hình thể hiện việc bắt buộc phải chuyển đổi từ công nghệ quang điện sang quang âm và cơ để tăng N và do đó làm tăng dải chuyển đổi bộ thu phát hơn nhiều. Chúng ta thấy rằng mạng đơn chặng dựa trên AWG hơn hẳn mạng dựa trên PSC về mặt dung lượng tổng. Nhờ tái sử dụng bước sóng theo không gian nên các bộ thu phát chuyển đổi nhanh với thời gian chuyển đổi vài ns có thể được sử dụng lên tới xấp xỉ N=300 node. Ngược lại với N=300 trên mạng đơn chặng dựa trên PSC mỗi node phải sử dụng các bộ thu phát cơ học. Chúng cung cấp dải chuyển đổi đủ rộng nhưng lại có thời gian chuyển đổi lên tới vài ms. Thời gian chuyển đổi mào đầu này làm giảm đáng kể dung lượng mạng đặc biệt là tại tốc độ cao khi mà thời gian truyền dẫn gói tin rất nhỏ. Hơn thế mạng dựa trên PSC không có khả năng cung cấp nhiều hơn N=626 node truyền thông đồng thời do giới hạn của dải chuyển đổi mà các bộ thu phát chuyển đổi được cơ học có thể thực hiện được. Trong khi trong một mạng dựa trên AWG có khả năng có N = 322 = 1024 node truyền thông đồng thời mà vẫn sử dụng các bộ thu phát quang âm với thời gian chuyển đổi vài ms. 3.2.3.3 Phân tích Trong phần này chúng ta sẽ xem xét tới các node không liên tục có dữ liệu để gửi. Điều này dẫn tới độ tận dụng kênh nhỏ hơn và một thông lượng tổng nhỏ hơn dung lượng mạng. Chúng ta sẽ xem xét hiệu năng trễ - thông lượng của cả hai mạng đơn chặng dựa trên PSC và AWG đối với lưu lượng dữ liệu ngẫu nhiên. Đối với phân tích hiệu năng trễ - thông lượng thì phương pháp phân tích giao thức phân bổ đích/nguồn được thay đổi một chút để cung cấp tái sử dụng bước sóng theo không gian và tổn thất gói tin. Có N node truyền thông đồng thời trong bước sóng trong trường hợp AWG và trên N bước sóng trong trường hợp PSC. Mỗi node có thể phát/thu một gói tin tại một thời điểm trên/từ bất cứ một bước sóng nào. Tất cả các node có N bộ đệm gói tin, một cho quá trình thu và N-1 còn lại cho phát. Do vậy, các kết nối bên trong giữa mỗi cặp node có thể thực hiện một cách độc lập. Mỗi bộ đệm thể hiện một người dùng (ảo) độc lập (i,j) 1£i,j£N. Chiều dài gói tin được giả thiết là hằng số thời gian được bình thường hoá thành thời gian truyền dẫn gói tin. Thời gian được chia thành các chu kỳ (giống với các khung đã được đề cập ở trên). Mỗi chu kỳ gồm N-1 khe. Mỗi khe bao gồm thời gian truyền dẫn gói tin và thời gian chuyển đổi bộ thu phát được được bình thường hoá t. mỗi cặp người dùng ảo được gán một khe thời gian trong một chu kỳ. Quá trình đến được giả thiết tuân theo quá trình poisson với tốc độ đến trung bình là l gói tin trong một đơn vị thời gian cho một người dùng. Một người dùng rỗi được định nghĩa là một người dùng có bộ đệm rỗng và một người dùng dự trữ được định nghĩa là một người dùng với một gói tin cho truyền dẫn. Các gói tin đang đến sẽ bị loại bỏ nếu như người dùng là dự trữ nghĩa là nếu như bộ đệm là đầy. Lưu lượng giữa bất cứ một người dùng nào được giả thiết là có cùng tốc độ đến trung bình l. 1, nếu uij(t) > 0 Ma trận phân bổ U(t) là một ma trận NxN có các phần tử uij(t) thể hiện số kênh trên đó người sử dụng (i,j) có thể truyền dẫn trong khe thời gian t với t = 1,2,…(N-1). Và 1£i,j£N. W(t) là một ma trận nhị phân với wij (t) = Ind(uij(t) > 0), với: Ind(uij(t) > 0) = 0, trong các trường hợp còn lại Ma trận phân phối U(t) thoả mãn các điều kiện sau: 1, tức là không có nghẽn thu xuất hiện. = N, tức là số lượng truyền dẫn đồng thời bị giới hạn là N. Trong trường hợp của PSC, mọi wij(t) 0; uij(t) ukl (t) nếu i k và j l, tức là không có nghẽn kênh xuất hiện. Trong trường hợp của AWG, mọi wij(t) 0; uij(t) ukl(t) nếu [] = [] Và i k, j l, tức là không có nghẽn kênh xuất hiện. 1, tức là một node có thể truyền trên nhiều nhất là một bước sóng. Khả năng thông của người dùng (i, j), được định nghĩa là số lượng các gói được truyền thành công của người dùng (i,j) trong một khe được biểu diễn như sau: Sij = (4.16) Trong đó ij(t) là xác suất ổn định mà người dùng (i,j) bận (gói trong bộ đệm) tại thời điểm bắt đầu của khe thời gian t. Vì vậy, khả năng thông của hệ thống, được định nghĩa là tổng số gói được truyền thành công trong một chu kỳ, và được biểu diễn như sau: S = (4.17) Để tính tổng khả năng thông ta sử dụng (t). Xác suất (t) có thể được xem xét như là một hàm của xác suất(t-1), tốc độ đến trung bình của gói và ma trận W(t): (t) = [1- (t-1)](1 – e-) + (t-1)[1 – wij(t-1)] (4.18) = (t-1)[e- wij(t-1)] + (1 - e), 2 t (N-1) (4.19) Theo tính đệ qui ta có (t) = (1). {+ 1}, 2 (N-1) (4.20) Giả sử hệ thống ổn định, có ta cân bằng: (N) = (1) (4.21) Thay (4.21) vào (4.20) ta có (1) = (1- e) (4.22) và với 2 £ t £ (N-1)ta có (t) = (1- e) + (1- e).{} (4.23) Trễ gói trung bình của người dùng (i, j), được định nghĩa là thời gian trung bình giữa hai gói đến tại người dùng (i, j) và khởi đầu của truyền dẫn này được biểu diễn bởi: Dij = (4.24) Trong đó Qij là thời gian bận trung bình của người dùng (i, j). Để tính trễ gói trung bình trong hệ thống, ta đặt: D = (4.25) Để tính toán Qij ta định nghĩa : rij: số lượng truyền dẫn được phép trong một chu kỳ (lưu ý rằng trong xem xét này thì cơ chế phân phối kênh rij = 1, 1 £ i, j £N) Khoảng rỗi ij: là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mà người dùng (i,j) được quyền truy nhập hay là giữa lần được cấp quyền và đường biên chu kỳ. nij: số khoảng rỗi ij của người dùng (i, j) trong một chu kỳ phân phối. Sijl: là số lượng khe rỗi trong l khoảng rỗiij (1£ l £ nij) Đầu tiên chúng ta sẽ tính toán Res(sijl, ) tức là giá trị mong muốn của phần dư thời gian người dùng (i, j) bận trong l khoảng rỗi với chiều dài sijl khe. Res(sijl, ) = (4.26) = (4.27) Qij là giá trị thời gian bận trung bình của người dùng (i,j) trong mỗi khoảng rỗi Qij = (4.28) = (4.29) Vì vậy, sử dụng phương trình (4.17) và (4.25) có thể tính toán được khả năng thông của mạng và trễ hàng đợi trung bình. Xác suất va chạm là xác suất một gói đến một node bận. Giả sử lưu lượng của tất cả người dùng đồng nhất như nhau. Vì vậy, bất kì người dùng ảo (i, j) đều được xem xét. Sử dụng (4.22) và (4.23) xác suất va chạm có thể được tính như sau: PB = (4.30) Tính toán với một số thông số Chúng ta so sánh mạng đơn chặng dựa trên AWG và PSC về mặt thông lượng, trễ và tổn thất gói tin với số lượng node truyền thông đồng thời N khác nhau. Nhắc lại rằng trong mạng dựa trên AWG chỉ cần bước sóng trong khi mạng PSC cần N bước sóng. Độ rộng kênh được giả thiết là 200GHz (1,6nm tại 1,55mm). Các bộ thu phát quang điện chuyển đổi nhanh được giả thiết là có dải chuyển đổi 10nm và thời gian chuyển đổi 10ns trong khi các bộ thu phát quang âm có dải chuyển đổi 100nm với thời gian chuyển đổi 10ms. Kết quả, các bộ thu phát chuyển đổi nhanh có thể triển khai khi số lượng bước sóng không lớn hơn 7. Nếu không các bộ thu phát quang âm hoặc cơ chuyển đổi được phải được sử dụng. Các gói tin được giả thiết có kích thước cố định 104bit, được truyền/thu ở tốc độ tuyến là 10Gbit/s. Do đó thời gian chuyển đổi bình thường hoá t sẽ bằng 10-2 cho các bộ thu phát quang điện và bằng 10 cho các bộ thu phát quang âm. Cần nhắc lại rằng các bước sóng được gán theo lược đồ TDM vòng lặp gán khe. mỗi khe gồm thời gian truyền dẫn gói tin và thời gian chuyển đổi bộ thu phát. Để thể hiện chúng ta biểu diễn các điểm với cho các giá trị nhỏ của N Î{4,9,16}. Như chúng ta sẽ thấy khi tăng N sự khác biệt hiệu năng giữa mạng đơn chặng dựa trên AWG và PSC sẽ trở lên rất rõ. Hình 3.18 thể hiện thông lượng (được cho dưới dạng các gói tin/thời gian truyền dẫn gói tin) và tốc độ đến trung bình l (dưới dạng gói tin/thời gian truyền dẫn gói tin). Mạng dựa trên AWG rõ ràng hơn hẳn mạng dựa trên PSC. Với N=4 số lượng bước sóng cần thiết là đủ nhỏ để sử dụng các bộ thu phát chuyển đổi nhanh trong cả hai mạng. Với NÎ{9,16}, ngược lại, các bộ thu phát quang điện chỉ được sử dụng trên mạng AWG. Trong mạng dựa trên PSC phải sử dụng các bộ thu phát quang âm có trễ chuyển đổi lớn hơn nhiều so với bộ thu phát quang điện. Kết quả là độ tận dụng kênh giảm đáng kể dẫn tới giảm thông lượng tổng. Nói chung, thông lượng tổng tăng theo l. Chú ý mạng dựa trên PSC sẽ bão hoà sớm hơn (nghĩa là tại tải lưu lượng thấp hơn). Có điều này bởi vì khe thời gian dài hơn dẫn tới chiều dài trong một khung một người sử dụng sẽ có nhiều khả năng bị nghẽn (dự trữ=nghẽn) khi mà khe thời gian tương ứng được gán cho nó. Nhờ thời gian chuyển đổi không đáng kể của các bộ thu phát quang điện nên thông lượng tổng tối đa của mạng AWG là xấp xỉ bằng N. Nó bằng với dung lượng của mạng. Với N lớn hơn thì thông lượng tăng trong cả hai mạng vì có nhiều bước sóng hơn sẽ dẫn tới mức độ đồng bộ cao hơn và dẫn tới thông lượng tổng được tăng lên. Hơn thế, sự bão hoà xảy ra tại tải thấp hơn vì chiều dài khung là dài hơn. Với N lớn hơn (nghĩa là khung dài hơn) một người sử dụng có nhiều kn bị nghẽn khi khe tương ứng được phân bổ cho nó. Cần chú ý rằng sự khác biệt thông lượng giữa hai loại mạng đơn chặng trở nên rõ ràng hơn khi tăng N. Tængkh¶ n¨ng th«ng 0.5 0.0 1.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 PSC AWG PSC & AWG N = 9 N = 16 N = 4 Tèc ®é ®Õn trung b×nh Hình 3.18 Tổng khả năng thông (các gói/thời gian truyền một gói) và tốc độ đến trung bình (gói/thời gian truyền dẫn một gói) Trong hình 3.19 thể hiện trễ hàng đợi trung bình (dưới dạng thời gian truyền dẫn gói tin) và tốc độ đến trung bình l (dưới dạng thời gian truyền dẫn gói tin/gói tin) đối với các gói tin không nghẽn. Một lần nữa mạng dựa trên AWG rõ ràng hơn hẳn mạng dựa trên PSC đặc biệt với N lớn. Trong cả hai mạng trễ hàng đợi trung bình đều tăng và sự bão hoà xảy ra sớm hơn khi N tăng vì kích thước của khung tăng lên. Với tải cao trễ hàng đợi trung bình trong cả hai mạng tiếp cận giá trị tối đa. Giá trị này bằng với chiều dài khung (N-1)x(1+t). Chú ý rằng trễ hàng đợi trung bình bị chặn trên vì mô hình phânn tích của chúng ta giả thiết sử dụng các bộ đệm gói tin riêng cho mỗi người sử dụng. Nếu bộ đệm đó đã chứa một gói tin thì gói tin mới đang đến sẽ bị loại bỏ và không được bổ sung vào trễ hàng đợi trung bình. Hàng đợi trung bình 0.5 0.0 1.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 PSC AWG PSC & AWG N = 9 N = 16 N = 4 Tèc ®é ®Õn trung b×nh Hình 3.19 Hàng đợitrung bình (thời gian truyền một gói) và tốc độ đến trung bình (gói/thời gian truyền dẫn một gói) Hình 3.20 thể hiện trễ hàng đợi trung bình (thời gian truyền dẫn gói tin) và thông lượng tổng (các gói tin/trễ thời gian truyền dẫn gói tin) cho các gói tin không bị nghẽn. Hình cũng chỉ ra rõ ràng rằng với N mạng dựa trên AWG hơn hăng mạng dựa trên PSC ở các khía cạnh thông lượng và trễ. Xác suất nghẽn theo hàm của tốc độ đến trung bình l (gói tin/thời gian truyền dẫn gói tin) được thể hiện trong hình 3.21. Chúng ta thấy rằng với N Î {9,16} các node nghẽn trong mạng PSC chịu trễ hàng đợi trung bình lớn hơn so với mạng AWG. Kết quả là trong mạng PSC các gói tin mới đến sẽ thấy các bộ đệm dường như đã đầy với xác suất cao hơn so với mạng AWG. Điều này lại dẫn tới xác suất nghẽn cao hơn. Với N xác suất lỗi tăng sớm hơn vì kích thước của khung tăng. TrÔ hµng ®îi trung b×nh 12 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 PSC AWG PSC & AWG N = 9 N = 16 N = 4 Tæng kh¶ n¨ng th«ng H×nh 3.20 TrÔ hµng ®îi trung b×nh (thêi gian truyÒn gãi) vµ tæng kh¶ n¨ng th«ng (c¸c gãi/thêi gian truyÒn gãi) 180 2 4 8 10 14 16 Chú ý rằng với các hệ thống ngoài thực tế các tỷ lệ tổn thất gói tin cao như vậy là không thể chấp nhận được. Có ba giải pháp cho vấn đề này: - Hệ thống chỉ chạy ở tải lưu lượng thấp. Xu hướng này không hấp dẫn vì tại tải thấp thì thông lượng tổng cũng thấp. - Các bộ đệm gói tin duy nhất được thay thế bởi các bộ đệm lớn hơn. Để làm được như vậy, các tin đang đến được lưu trữ lại, dẫn tới xác suất nghẽn thấp hơn trong khi vẫn cung cấp một thông lượng chấp nhận được.Được xem xét sau - Giải pháp thứ 3 là biến đổi dạng lưu lượng Biến đổi lưu lượng có mục tiêu làm giảm tính bùng nổ của lưu lượng đến sao cho thời gian đến trở nên có tính xác định. Có thể dễ dàng thực hiện điều này bằng cách sử dụng phương pháp “gáo dò”. Phương pháp này đưa các gói tin vào mỗi bộ đệm của một node với tốc độ không đổi. Tốc độ truyền dẫn của bộ biến đổi phải không lớn hơn tốc độ dịch vụ cho mỗi người sử dụng để tránh tràn gói tin và do đó tránh tổn thất gói tin trong các bộ đệm gói tin. Giới hạn trên của tốc độ truyền dẫn bộ biến đổi được cho bởi Rate ≤ 1 (4.31) (N-1)(1+t) X¸c suÊt blocking 0.5 0.0 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 PSC AWG PSC & AWG N = 9 N0 = 16 N = 4 Tèc ®é ®Õn trung b×nh H×nh 3.21 X¸c suÊt Blocking vµ tèc ®é ®Õn trung b×nh (gãi/thêi gian truyÒn gãi) Nói đơn giản có nghĩa là bộ biến đổi được cho phép tối đa một gói tin trong một bộ đệm gói tin cho trước trong một khung. Khung này gồm (N-1)x(1+t) khe. Sẽ không có tin nào bị tổn thất tại mỗi bộ đệm gói tin người sử dụng nếu bộ biến đổi đẩy các gói tin với một tốc độ nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn này. Hình 3.22 chỉ ra tốc độ truyền dẫn bộ biến đổi tối đa và số lượng node truyền thông đồng thời N. Như vậy mạng dựa trên AWG bộ biến đổi được cho phép truyền dẫn gói tin tại tốc độ cao hơn trong mạng dựa trên PSC. Trễ hàng đợi trong mỗi bộ đệm gói tin bị chặn trên theo công thức: Hàng đợi ≤ (N-1).(1+t) Tèc ®é lín nhÊt cña bé s¾p xÕp 101 100 102 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 AWG PSC 103 Sè l­îng node m¹ng N H×nh 3.22 Tèc ®é lín nhÊt cña bé s¾p xÕp vµ sè l­îng node m¹ng N (Tèc ®é ®­êng lµ R = 2.5 Gb/s) 10-1 100 Nó bằng với số lượng khe giữa hai sự cho phép truyền dẫn liền kề cho một người sử dụng. Giới hạn trên này được vẽ trong hình 3.23. Một lần nữa chúng ta thấy rằng nhờ tái sử dụng bước sóng trong không gian và tổn hao chuyển đổi bộ thu phát nhỏ hơn nên mạng đơn chặng dựa trên AWG hơn hẳn mạng dựa trên PSC. TrÔ hµng ®îi lín nhÊt 101 100 102 100 101 102 103 104 10-5 106 AWG PSC 103 Sè l­îng node m¹ng N H×nh 3.23 TrÔ hµng ®îi lín nhÊt vµ sè l­îng node m¹ng N (Tèc ®é ®­êng lµ R = 2.5 Gb/s) * Kết luận Các bộ thu phát chuyển đổi nhanh cung cấp một thời gian chuyển đổi không đáng kể với dải chuyển đổi nhỏ. Kết quả là các kênh được tận dụng hiệu quả hơn nhưng chỉ với một số lượng nhỏ các bước sóng tại mỗi cổng của mạng đơn chặng dựa trên AWG của chúng ta. Tuy nhiên, nhờ tái sử dụng bước sóng trong không gian số lượng các kênh truyền thông tăng đáng kể. Điều này cho phép một số lượng tương đối lớn các node thu/phát đồng thời không chịu ảnh hưởng trễ chuyển đổi bộ thu phát lớn. Sự mở rộng tái sử dụng bước sóng theo không gian được quyết định chủ yếu bởi xuyên âm kênh của AWG. Với một số lượng node cho trước chúng ta đã so sánh một mạng đơn chặng dựa trên AWG và một mạng đơn chặng dựa trên PSC với giả thiết tuân theo một lược đồ gán bước sóng TDM vòng lặp cố định. Mạng AWG là hơn hẳn so với mạng PSC về mặt thông lượng, trễ, tổn thất gói tin. Điều này là bởi vì thực tế AWG, khác với PSC, cho phép tái sử dụng bước sóng trong không gian tại mỗi cổng dẫn trong một dải chuyển đổi bộ thu phát cần thiết khá nhỏ nhờ số lượng bước sóng là nhỏ. Nhờ thời gian chuyển đổi bộ thu phát nhỏ hơn nên nó làm tăng độ tận dụng kênh và tăng hiệu năng trễ thông lượng của mạng AWG so với mạng PSC. Chú ý rằng gán bước sóng cố định (tĩnh) được dùng ở trên chỉ phù hợp cho lưu lượng đồng dạng và không bùng nổ tại tải hệ thống từ trung bình tới cao. Với lưu lượng dữ liệu bùng nổ ví dụ như trong mạng truyền thông máy tính, một phần lớn của các khe gán cố định là không được sử dụng nên làm giảm độ tận dụng kênh và lãng phí băng thông. Với lưu lượng bùng nổ các bước sóng phải được phân bổ động theo nhu cầu để nâng cao hiệu năng trễ thông lượng của mạng. Tóm lại với cấu trúc hình sao sử dụng AWG như la một HUB trung tâm thực sự tỏ ra có ưu thế chúng cung cấp một số lợi thế như là tính trong suốt với giao thức, khuôn dạng điều chế và tốc độ bit, quản lý đơn giản, giảm yêu cầu xử lý node và nâng cao hiệu năng trễ thông lượng nhờ nâng cao độ tận dụng kênh và trễ chuyển đổi nhỏ hơn. Mặc dù chi phí của nó là khá cao nhưng mà theo như xem xét thì việc sử dụng một bộ chuyển duy nhất thì vẫn có tính hiệu quả về kinh tế. Hơn nữa cấu trúc này cho phép tái sử dụng bước sóng trong không gian nên phải sử dụng ít hơn các bước sóng vì thế mạng đơn chặng dựa trên AWG hơn hẳn mạng đơn chặng dựa trên PSC về mặt thông lượng, trễ và tổn thất gói tin,một số lượng lớn các giá trị thông số đối với cả các lưu lượng thời gian thực và không thực. 3.3. Giao thức MAC Một giao thức MAC trong mạng đề xuất vì 3 lý do sau: * Bình thường, lớp mạng có trách nhiệm chuyển đổi gói. Tuy nhiên, khi xem xét một mạng đơn chặng, không có các node trung gian và tuyến khác để chọn. Vì thế, trong cấu trúc của chúng ta, lớp mạng không có mặt và việc chuyển đổi gói do lớp phụ MAC đảm nhận. * Mỗi node được trang bị một bộ phát đơn có thể điều chỉnh và một bộ thu đơn có thể điều chỉnh để phát và thu dữ liệu. Để hiệu quả với mạng chuyển mạch gói thi nên sử dụng khai bộ phát có thể điều chỉnh nhanh. * Vì các đặc tính định tuyến của AWG mỗi máy thu phát phải được điều chỉnh qua ít nhất một FSR chung để cung cấp sự kết nối hoàn toàn trong một chặng đơn. Sau đó, mọi bước sóng được truy cập bởi tất cả các node, gọi lại cho một giao thức MAC. 3.3.1. Giao thức Gán bước sóng tại một cổng AWG cho trước được biểu diễn theo sơ đồ trên hình 3.6. Trục y biểu trị bước sóng được dùng để truyền và nhận. Như hình minh họa, R FSRs liên tiếp của AWG DxD được sử dụng Để tránh nhiễu tại bên nhận trong quá trình truyền đồng thời các FSRs khác nhau của AWG, FSR của bên nhận phải khác với FSR của AWG. Trong trường hợp này, FSR của bên nhận bằng R.D bước sóng. Trục x biểu thị thời gian. Thời gian d dược chia thành nhiều vòng theo chu kỳ lặp lại. Mỗi vòng được chia nhỏ hơn thành D khung. Cæng AWG 1 Cæng AWG 2 Cæng AWG D Cæng AWG 1 Cæng AWG 2 Cæng AWG D khung D khung 2 khung 1 khung1 khung 2 khungD Thêi gian Chu k× Chu k× FSR R FSR 2 FSR 1 (R-1)D +2 RD (R-1)D +1 2D D+2 D+1 D 2 1 Cæng AWG x = cöa sæ ®Æt tr­íc cho c¸c node tham gia vµo cæng vµo AWG x Hình 3.25. Sự chỉ định bước sóng tại một cổng AWG cho trước AWG Các node được giả thiết là đồng bộ. Một phương pháp để có sự đồng bộ vị trí ở tất cả các node được mô tả và làm việc như sau. Bên cạnh N node, có một node làm đồng bộ đặt ở AWG. Node này phát một dao động gọi là dao động đồng bộ vào đầu mỗi vòng bằng cách sử dụng một nguồn quang băng rộng. Do đó, khoảng cách của các xung đồng bộ là một chu kỳ. Thời gian nhận một dao động tại một node được lấy xác định bởi thời đểm mà bộ thu nhận xung đồng bộ. Thuật toán mà mỗi node dùng để nhận chu kỳ đồng bộ như sau: Thuận toán đồng bộ Mỗi node sẽ ước lượng hay dự đoán thời gian đến của xung đồng bộ kế tiếp tại bộ thu của nó. Chu kì của các xung đồng bộ được sử dụng để ước lượng chính xác khoảng thời gian này. Mỗi node sẽ ước lượng trễ toàn trình của nó tới AWG sử dụng giả thiết là các tín hiệu điều khiển gửi bởi nguồn quang băng rộng của nó được AWG phát quảng bá. Một node truyền thông tin trong một chu kỳ cụ thể gọi là chu kỳ x, một trễ truyền toàn trình tới AWG sử dụng để ước lượng thời gian đến của xung đồng bộ tại thời điểm bắt đầu của chu kỳ x. Vì số khe trong một chu kỳ đã biết nên mỗi node có thể tính toán các khe thời gian bằng việc chia nhỏ một cách phù hợp chu kỳ truyền dẫn đã biết. Khoảng truyền dẫn của các xung bắt đầu chu kỳ tạo ra bởi bộ đồng bộ đảm bảo rằng bất kì hiện tượng trôi nào trong các xung đồng hồ của các node đều được bù lại. Mỗi node cũng ước lượng trễ truyền toàn trình của mình tới AWG trong khi gửi các gói điều khiển. Vì vậy, mỗi node có khả năng bù lại sự thay đổi do nhiệt độ, sự lão hoá và các yếu tố tương tự. Khuôn dạng khung trên một bước sóng như hình 3.26. Một khung bao gồm FÍN khe với chiều dài khe tương đương với thời gian truyền dẫn của một gói điều khiển. Nếu thời gian điều khiển của các bộ thu phát không bỏ qua được thì mỗi khe có thêm một khoảng thời gian điều chỉnh thu phát bên cạnh thời gian truyền dẫn của gói điều khiển. Mỗi khung bao gồm M khe đầu, 1£M<F (vùng được chia sẻ) và (F-M) khe còn lại. Trong M khe này, phối hợp truyền được thực hiện. Các gói điều khiển được truyền trong suốt khoảng thời gian này và tất cả các node bắt buộc phải điều chỉnh các bộ thu của mình đúng với một trong các lát cắt tương ứng của nguồn quang băng rộng (các kênh) để nhận được thông tin điều khiển. Vì đặc tính định tuyến bước sóng của AWG, trong một khung thì chỉ những node tham gia vào cùng một bộ kết hợp có thể truyền các gói điều khiển. Các node tham gia vào cổng vào AWG thứ i (qua một bộ kết hợp chung) gửi gói điều khiển của mình trong khung i của chu kỳ, 1 £i£D (hình 3.25). Mỗi khung trong một chu kỳ chứa được các gói điều khiển xuất phát từ các cổng đầu vào AWG khác nhau. Vì vậy, sau D khung (một chu kỳ) thì tất cả các node đều có cơ hội gửi các gói điều khiển của mình. Khung = Khung (F khe) C¸c gãi d÷ liÖu DữliÖu §iÒu khiÓn M khe H×nh3.26 Khu«n d¹ng khung Cã ®Æt tr­íc trong khung kÕ tiÕp ? Göi gãi ®iÒu khiÓn Rçi Chê RTT/2 Gãi ®iÒu khiÓn cã bÞ va ch¹m kh«ng? Göi gãi d÷ liÖu Gi¶i phãng kªnh ? Göi gãi d÷ liÖu vµ c¸c gãi ®iÒu khiÓn trong chu k× kÕ tiÕp Gãi d÷ liÖu cã ®· lËp biÓu ch­a? H×nh 3.27L­u ®å phÇn ph¸t cña 1 node yes No Yes No yes yes No No RTT: Thêi gian truyÒn toµn tr×nh Gãi ®­îc t¹o ra M khe không được phân bổ cố định. Thay vào đó, các gói điều khiển được gửi trên cơ sở tranh chấp dùng một phiên bản chỉnh sửa của ALOHA chia khe. Dùng một cơ chế truy cập ngẫu nhiên cho các gói điều khiển mà không cần phân bổ trước các khe hoặc phải ấn định cố định nên tạo ra một mạng mở. Lụa chọn phiên bản chuyển đổi của ALOHA chia khe vì 2 lý do. Một là, đơn giản và rẻ khi thực hiện. Hai là quan trọng hơn. ALOHA có độc lập về tỷ số của trễ lan truyền và thời gian truyền gói. Trong mạng quang tốc độ cao, nó nâng cao hiệu quả các cơ chế truy nhạp ngẫu nhiên như đa truy cập CSMA. Hơn nữa, tốc độ đường truyền có thể tăng tới 40Gb/s hay thậm chí tốc độ dữ liệu cao hơn mà không làm thông lượng của kênh điều khiển. Các gói điều khiển tới bộ thu sau một thời gian trễ t bằng nửa thời gian thực hiện cả quá trình truyền. Chú ý rằng thời gian thực hiện cả quá trình truyền đồng nghĩa với trễ truyền từ nguồn tới đích và truyền nguợc lại nguồn. Vì vậy, thời gian truyền một quá trinh truyền là 2t. Trong F-M khe còn lại của mỗi khung không có gói điều khiển nào được gửi, cho phép bộ thu điều chỉnh tới bước sóng bất kỳ nào. Điều này làm việc truyền giữa các cặp node bất kỳ là có thể thực hiện được. Trong các khe đó, mỗi node xử lý gói điều khiển nhận được bằng các thực hiện cùng thuật tóan đã lập chương trình. Tham số M từ bỏ hai loại trùng lặp. Trong số M khe đầu tiên của mỗi khung, các gói điều khiển và dữ liệu có thể được truyền đồng thời, nhưng chỉ từ các node gắn liền với cùng cổng vào AWG. Trong khoảng thời gian này, các gói bắt nguồn từ các cổng vào của AWG khác không thể được nhận. Mặt khác, trong F-M khe cuối cùng của mỗi khung, tất cả bên nhận không bị khóa và có thể được điều chỉnh tới bất kỳ bước sóng nào. Kết quả là trong khoảng thời gian này các gói dữ liệu từ bất kỳ cổng vào AWG cũng đều nhận được. Điều này cho phép tái sử dụng bước sóng. Giao thức MAC làm việc như sau. Đầu tiên, hãy xem xét phần truyền của một node mà biểu đồ của nó được mô tả ở hình 3.27. Nếu một node không có gói dữ liệu trong vùng đệm của nó, nguồn quang băng rộng và LD trở nên vô hiệu. Khi một gói dữ liệu có đích là node j, a £ j £ N, đến node i ¹j, 1 £ i £ N, nguồn quang băng rộng của i phát quảng bá một gói điều khiển vào một trong M khe của khung nằm ở cổng vào của AWG mà node i tham gia vào. Khe được chọn ngẫu nhiên theo một xác suất xác định. Một gói điều khiển bao gồm bốn trường là: tên địa chỉ đích (unicast hay multicast), chiều dài và kiểu của gói dữ liệu tương ứng, và mã chỉnh sửa lỗi phía trước (FEC). Chú ý, các gói điều khiển không phải mang địa chỉ nguồn vì mỗi node nguồn đều biết khe mà nó đã truyền gói điều khiển tương ứng. Hình 3.26, gói dữ liệu có thể có chiều dài L thay đổi, 1 £ L £ F, trong đó L biểu thị độ dài theo đơn vị khe. Trường kiểu dữ liệu gồm một bit và được sử dụng trong chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. FRC được sử dụng bởi bộ thu để sửa một hay nhiều bit lỗi trong gói điều khiển hay để tìm ra nếu gói điều khiển bị nghẽn trên kênh ALOHA chia khe. Theo việc phân bổ trước, mỗi gói điều khiển phải mang một mã FEC mã này cho phép bên thu không chỉ phát hiện lỗi mà còn có thể sửa lỗi. Mặt khác node nguồn A có thể nhận một gói điều khiển nguyên vẹn trong khi node đến B có thể nhận một bản copy bị lỗi của cùng gói điều khiển, và node B sẽ không xem xét đặt truớc. Kết quả là, node A sẽ gửi gói dữ liệu tương ứng và node B sẽ hầu như không thu được bước sóng thích hợp dẫn đến một nghẽn ở bên thu và lãng phí độ rộng băng tần. Chú ý là mặc dù sự truyền gói không có lỗi, nhưng sự lỗi của node cũng ảnh hưởng đến sự hoạt động của giao thức phân bổ trước. . Vấn đế này phải được đặt ở các giao thức lớp cao hơn. NhËn (c¸c) gãi ®iÒu khiÓn Rçi ChØ nhËn (c¸c) gãi ®iÒu khiÓn NhËn d÷ liÖu vµ c¸c gãi ®iÒu khiÓn LËp biÓu trong M khe ®Çu tiªn ? Bé thu = ®Ých? LËp biÓu c¸c gãi d÷ liÖu ? Yes Yes Yes No No No H×nh 3.28 L­u ®å phÇn thu cña mét node Xem xét phần thu của một node: Hình 3.28 là lưu đồ tương ứng. Mọi node tập hợp tất cả các gói điều khiển bằng việc điều chỉnh bộ thu của mình đúng với các kênh tương ứng với M khe đầu tiên của một khung. Vì vậy, nó biết về hoạt động của tất cả các node khác và biết gói điều khiển của nó gửi thành công hay không bằng cách sử dụng trường FEC. Trong khung k, 1£k£D, mỗi bộ thu tập hợp các gói điều khiển được gửi trước đó một thời gian một phần hai thời gian truyền toàn bộ quá trình bởi các node tham gia vào cổng đầu vào của AWG thứ k. Nếu gói điều khiển của nó bị nghẽn, node i chờ và truyền lại gói điều khiển trong chu kỳ kế tiếp với phân bố xác suất p và với xác suất (1-p), nó sẽ hoãn truyền dẫn một chu kỳ, trong đó 0£ p£1. Sau một chu kì, node truyền lại gói điều khiển với xác xuất p, và cứ như vậy. Các gói điều khiển thành công được xếp hàng trong hàng đợi phân phối tại mỗi node. Tất cả các node xử lí các gói điều khiển đã thu thành công bằng việc thực hiện cùng một thuật toán xử lí lập biểu trong (F-M ) khe còn lại của mỗi khung. Kết quả là tất cả các node có cùng lịch trình truyền và nhận. Vì mỗi node phải xử lí các gói điều khiển của tất cả các node, nên việc tính toán phức tạp. Để đơn giản, chúng ta sử dụng thuật toán lập biểu với các gói dữ liệu trên cơ sở đến trước phục vụ trước và first fit trong một cửa sổ lập biểu hạn chế. Sau khi nhận gói điều khiển thành công, thuật toán xử lí sẽ lập biểu truyền dẫn cho gói dữ liệu tương ứng trong D khung. D khung này không cần thiết phải trùng với đường bao một chu kỳ. Gói dữ liệu được gửi trong khe đầu tiên có thể sử dụng bước sóng khả dụng thấp nhất. Nếu không có đủ các khe khả dụng trong D khung, gói dữ liệu không được truyền và node nguồn phải truyền lại gói điều khiển trong chu kỳ kế tiếp. Các node mà không gửi thành công sẽ biết được điều này vì các node cùng thực hiện một thuật toán lập biểu. Thông tin toàn mạng kết hợp với lập biểu phân phối giảm trễ vì tránh phải sử dụng đến ACK và có thể thực hiện một khả năng thông thông thường tới 100%. Vì mỗi node phải xử lí các gói điều khiển của tất cả các node để nắm được thông tin toàn mạng, mào đầu tính toán dành trước có thể bị nghẽn cổ trai nghiêm trọng ảnh hưởng tới tính năng mở của . Để chứa số lượng lớn các node và tạo ra mạng khả mở thuần tuý, thì các tính toán phức tạp tại mỗi node trong mạng là nhỏ. Vì vậy, trong phần sau chúng ta sử dụng một chuỗi trải phổ đơn mà không sử dụng CDMA. Chuỗi trải phổ này được sử dụng bởi tất cả các node. Chiều dài của cửa sổ lập biểu tương đương D khung vì hai lí do. Thứ nhất, do hạn chế của chiều dài lịch trình cho một số lượng nhỏ các khung để yêu cầu tính toán tại mỗi node nhỏ. Vì cửa sổ lập biểu nhỏ nên mỗi node phải duy trì và cập nhật chỉ các bảng lập biểu nhỏ. Thứ hai, trong D khung, tất cả các node nhận các gói điều khiển từ cùng một tập các node. Với cùng một thời gian, vì đặc tính định tuyến bước sóng của AWG và yêu cầu tất cả các node lắng nghe các lát cắt điều khiển, chỉ tập các node này có thể truyền các gói dữ liệu. Các gói dữ liệu này được đưa ra bởi các gói điều khiển chính xác trong D khung sớm nhất. Bằng việc tạo ra cửa sổ lập biểu có chiều dài D khung, các gói điều khiển và dữ liệu có thể được gửi đồng thời làm tăng độ đồng thời và hiệu quả của mạng. Tiếp theo chúng ta thảo luận về sự hỗ trợ cho Multicast và chuyển mạch kênh. Multicast có thể thực hiện bằng các bộ chia. Mỗi bộ chia phân phối một gói đến tới tất cả các node tham gia. Bằng việc điều chỉnh các bộ thu đúng với bước sóng tương ứng, gói có thể được nhận bởi nhiều hơn một node. Vì vậy, mà khả năng thông của các bộ thu tăng nên ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng. Chuyển mạch kênh thực hiện bằng sử dụng trường kiểu gói và chiều dài của gói điều khiển. Chiều dài chỉ thị số lượng khe yêu cầu trong một chu kỳ. Sử dụng một tập các bit trong trường kiểu, node nguồn chỉ thị số lượng khe phải được dành trước trong một chu kỳ. Sau khi nhận gói điều khiển, kênh được thiết lập bằng việc chọn các khe đầu tiên có thể tại bước sóng khả dụng thấp nhất. Các khe được dành trước trong một chu kỳ nhỏ cho đến khi kết nối được kết cuối. Kết cuối chuyển mạch kênh làm việc như sau. Giả sử node i, 1£i£N, thiết lập một kênh có nghĩa là node i cấp một số khe xác định trong một chu kỳ. Hơn nữa giả sử j, 1£j£(M-1), node khác tham gia vào cùng bộ kết hợp chiếm các kênh. Sau đó, trong mỗi chu kỳ node i lặp lại gói điều khiển trong khe (j+1) của cửa sổ đặt trước tương ứng. Để kết cuối kênh, node i chỉ đơn giản dừng việc phát lại gói điều khiển. Trong cách này, tất cả các node khác nhận thấy rằng kênh được kết cuối và khe tương ứng trở thành rỗi. Lưu ý rằng, trong suốt thời gian chiếm một kênh thì các kênh khác có thể bị loại bỏ. Vì vậy, khe tương ứng gọi là khe k, 1≤ k ≤ (j+1), trở nên rỗi. Trong khi đó, tất cả các khe với chỉ số lớn hơn k, tức là các khe để chỉ thị sự tồn tại của các kênh, bị ngăn cản bởi khe j. Vì vậy, j khe đầu tiên của cửa sổ dành trước tương ứng chỉ thị sự tồn tại của các kênh trong khi (M-j) khe còn lại rỗi và được sử dụng cho đặt trước. Một node giử một gói điều khiển gửi tới một trong các khe (j+1), (j+2), ..., M một cách ngẫu nhiên. Vì vậy, trong khi các kênh được thiết lập thì không có cả M khe khả dụng để dành trước nên tăng nghẽn trong kênh ALOHA phân khe. Tuy nhiên, mỗi node chỉ phải điều khiển kênh điều khiển cho tới khi giải phóng kênh mà không phải duy trì và cập nhật thời gian sống cho mỗi kết nối đơn. Như vậy, điều này làm giảm việc tính toán trong mỗi node, điều này là một nhân tố rất quan trọng trong các mạng quang tốc độ cao, tức là mạng có điều khiển truy nhập kênh dựa trên những thông tin toàn mạng. Cuối cùng ta nhận thấy rằng việc phân bổ trước và thiết lập kênh có khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) và lưu lượng nhạy cảm trễ/ jitter và ứng dụng thời gian thực như video, thoại, và hình ảnh. Các kênh cũng có khả năng cung cấp QoS cho các luồng riêng lẻ hoặc luồng tổng hợp. 3.3.2. Một ví dụ minh họa Các đặc tính của giao thức MAC được đề xuất là: Phân bổ kênh động Chuyển mạch gói unicast Chuyển mạch kênh unicast Nghẽn kênh các gói điều khiển và cách giải quyết của nó Nhận đồng thời các gói điều khiển và dữ liệu Các gói dữ liệu kích cỡ thay đổi Sử dụng nhiều FSR AWG 2x2 4x1 4x1 1x4 1x4 2 5 6 1 3 5 8 Rx Tx Hình 3.29 Kiến trúc mạng (N= 8, D =2, S =4) 3 4 7 8 2 4 6 7 Trong ví dụ của chúng ta không chứng minh cụ thể tái sử dụng bước sóng theo không gian. Như hình 3.29, chúng ta xem xét N=8 node được kết nối qua một AWG 2x2 (D=2) với một bộ kết hợp 4x1 và một bộ chia 1x4 (S=4). Hình 3.30 mô tả việc gán bước sóng. Hai FSR được sử dụng (R=2), mỗi FSR bao gồm hai bước sóng. Mỗi khung bao gồm F=5 khe. Cửa sổ dành trước có chiều dài là M=3 khe. Phần trên của hình thể hiện bộ phát trong khi phần dưới chỉ thị phần nhận của gói được truyền sau thời gian truyền dẫn t. Để đơn giản ta giả sử rằng khoảng cách giữa mỗi node và AWG là như nhau, có nghĩa là trễ truyền dẫn t là như nhau cho tất cả các node. Trong ví dụ minh hoạ, t tương đương 5 khe, tức 1 khung. 1 & 4 2 2 1 4 2 4 2 1 3 FSR2 FSR1 4 3 2 1 Khung 1 Khung 2 Khung 1 Khung 1 Khung 1 Khung 2 Khung 2 Khung 2 Chu k× 1 Chu k× 2 Chu k× 3 Chu k× 4 l Thêi gian PhÇn ph¸t 5-8 2 7 8 7 3 l Thêi gian PhÇn thu 1-4 2 1-4 2 5-8 2 1-4 2 1-4 2 5-8 2 1-4 2 5-8 2 5-8 2 1-4 2 TrÔ truyÒn dÉn 2 = Gãi ®iÒu khiÓn = Gãi d÷ liÖu H×nh 3.30 Phân bổ b­íc sãng ®éng (R =2, M=3, i = 5 khe =1 khung) Chúng ta bắt đầu nghiên cứu các khe bên trái phần phát. Trong khung 1 của chu kỳ 1chỉ node 1 – 4 được quyền gửi các gói điều khiển. Trong khe đầu tiên, node 1 và 4 đồng thời gửi một gói điều khiển nên nghẽn kênh. Node 2 lựa chọn ngẫu nhiên khe 3. Sau t khe, các gói điều khiển đến tất cả các node. Mọi node điều chỉnh bộ thu của mình để nhận các gói điều khiển, tức là, node 1-4 và node 5-8 đượcđiều chỉnh đồng thời tới bước sóng 1 và 2 tương ứng. Tuy nhiên, các node cũng có thể nhận các gói điều khiển bằng cách điều chỉnh các bộ thu của mình đúng với các kênh tương ứng của FSR khác, tức là, node 1-4 có thể điều chỉnh bộ thu của mình đúng bước sóng 3, và node 5-8 có thể điều chỉnh bộ thu của mình đúng với bước sóng 4. Gói điều khiển của node 2 được nhận thành công bởi tất cả các node. Trong ví dụ minh họa, gói điều khiển có đích là node 7 và yêu cầu một kênh với 5 khe trong một chu kỳ. Thực hiện thuật toán xử lí được giả sử trong 2 khe. Gói dữ liệu được truyền trên kênh khả dụng đầu tiên tại thời điểm sớm nhất có thể. Do đó, gói dữ liệu được gửi trên bước sóng 2 trong suốt khung 1 của chu kỳ 2. Node 2 lặp lại gói điều khiển trong mỗi chu kỳ cho đến khi mạch được giải phóng. Vì trong ví dụ của chúng ta không có bất kì một kênh hiện thời nào khác thiết lập, nên node 2 gửi gói điều khiển trong khe đầu tiên của khung 1 của chu kỳ 2. Như hình 3.11, khe 1 trở nên rỗi trong trong chu kỳ 3. Điều này thông báo cho tất cả các node rằng, kênh giữa node 2 và node 7 được giải phóng và khe này lại có thể được sử dụng bởi tất cả các node. Node 3 nắm giữ khe này trong chu kỳ 4 để truyền dẫn một gói dữ liệu đơn hay thiết lập một kênh trong chu kỳ tiếp theo. Bây giờ chúng ta xem xét các gói điều khiển bị va chạm của node 1 và 4. Sau t khe, cả hai node này biết được nghẽn kênh xảy ra với các gói điều khiển của chúng. Vì vậy, việc truyền lại các gói điều khiển của chúng trong chu kỳ kế tiếp với xác suất p, khe đầu tiên của khung 1 được gán cố định cho node 2 để chỉ thị kênh tương ứng. Trong ví dụ, node 1 và node 4 truyền lại thành công các gói điều khiển của mình trong khung 1 của chu kỳ 2. Ta xem xét node 1, node 1 có một gói dữ liệu đơn có chiều dài 3 khe và có đích là node 3. Sau khi chờ 3 khe, node 1 gửi gói điều khiển trên bước sóng 1. Tương tự, node 4 có gói dữ liệu gửi đến node 8 và có chiều dài 4 khe. Gói dữ liệu này được gửi tại thời điểm khung 1 của chu kỳ 3. Node 4 chọn bước sóng 4 vì bước sóng 2 được sử dụng cho node 2. Đây là một ví dụ sử dụng nhiều FSR để truyền thông giữa một cặp cổng vào-ra của AWG. Ngoài ra, trong khi thu dữ liệu, node 7 và node 8 điều chỉnh kênh điều khiển. Vì vậy, node 8 thu lát cắt tương ứng của FSR thứ hai.