Kỹ thuật viễn thông

Nguyen Nam

RESUMEN Este artículo es una investigación bibliográfica que tiene como objetivo abordar la relevancia de la educación continua de los docentes, desde la perspectiva de conocer sus necesidades de capacitación, así como abordar las dificultades y las deficiencias de los docentes, señalando los desafíos que enfrentan al abandonar la Universidad y venir al aula y sus alumnos. Palabras-clave: Formación Continua, Necesidades de capacitación docente A FORMAÇÃO CONTINUADA COMO ALIADA NO TRABALHO PEDAGÓGICO DO PROFESSOR DO SÉCULO XXI RESUMO Este artigo é uma investigação bibliográfica que visa abordar a relevância da formação continuada de professores, na perspectiva de conhecer suas necessidades de formação, bem como abordar as dificuldades e deficiências dos professores, apontando os desafios que eles enfrentam ao sair Universidade e vir para a sala de aula e seus alunos. Palavras-chave: Formação continuada, Desafios, Necessidade de capacitação docente TRAINING CONTINUED AS ALLY IN THE PEDAGOGICAL WORK OF THE 21st CENTURY TEACHER ABSTRACT This article is a bibliographic investigation that aims to address the relevance of continuing teacher education, from the perspective of knowing their training needs, as well as addressing the difficulties and deficiencies of teachers, pointing out the challenges they face when leaving University and coming to the classroom class and their students.

Interpenetrating polyaniline (PANI) formation in a 3D network of poly(vinyl alcohol) (PVA) hydrogel was developed. Polymerization was effected by immersing swollen PVA hydrogel previously soaked with ammonium persulfate (APS) in 1M HCl solution of aniline hydrochloride (AnHCl). Gradual transformation of the swollen gel from colorless transparent gel to an opaque green color indicated the formation of PANI emeraldine salt (ES)

BEST! Seragam Sekolah, Anak, Batik, Dinas, Kerja, Jahit Custom by Rumah Jahit Azka Langsung Owner WA 0812-2503-6194, Seragam Sekolah, Seragam Anak, Seragam Batik, Seragam Dinas, Seragam Kerja, Jahit Custom by Rumah Jahit Azka Jahit Custom by Rumah Jahit Azka Mekarsari Rt 01 / Rw 05 Kutowinangun, Kebumen Jawa Tengah (54393) Fast Respon Langsung Owner WA 0812-2503-6194 #jahit #seragam #custom #seragamsekolah #seragamanak #seragambatik #seragamdinas #seragamkerja #azkalabel #rumahjahitazka

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KỸ THUẬT VIỄN THÔNG (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) L u hành nội bộ HÀ N I - 2007 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Biên soạn : TS. NGUYỄN TIẾN BAN Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn CHƯ NG 1: C S K THU T TRUY N D N 1.1. K thu t đi u ch và ghép kênh 1.1.1. Các ph ơng pháp mã hóa và điều chế Mã hóa Trong các hệ thống truyền dẫn số thông tin đ ợc chuyển đổi thành một chuỗi các tổ hợp xung, sau đó truyền trên đ ng truyền. Khi đó, thông tin t ơng tự (nh tiếng nói của con ng i) ph i đ ợc chuyển đổi vào d ng số nh các bộ biến đổi A/D. Độ chính xác của chuyển đổi A/D quyết định chất l ợng lĩnh hội của thuê bao. Tổ hợp số ph i đủ chi tiết sao cho tiếng nói (hoặc video) t ơng tự có thể đ ợc tái t o mà không có méo và nhiễu lo n thiết bị thu. Hiện nay, mong muốn của chúng ta là gi m khối l ợng thông tin số để sử dụng tốt hơn dung l ợng m ng. Các bộ mã hoá đ ợc phân làm 2 lo i chính: mã hoá d ng sóng và mã hoá tho i (vocoder). Ngoài ra, còn có các bộ mã hoá lai tổ hợp đặc tính của 2 lo i trên. Hình 1.1 minh ho sự khác nhau về chất l ợng tho i và các yêu cầu tốc độ bit đối với các lo i mã hóa khác nhau. ChÊt l−îng tho¹i TuyÖt vêi C¸c bé m· ho¸ l¹i Tèt C¸c bé m· ho¸ d¹ng sãng Kh¸ tèt C¸c bé m· ho¸ tho¹i KÐm 1 2 Hình 1.1: Các ph 4 8 16 32 ng pháp mã hoá và mối quan hệ chất l 64 Bit Rate (Kbit/s) ng thoại/tốc độ bit Mã hoá d ng sóng có nghĩa là các thay đổi biên độ của tín hiệu t ơng tự (đ ng tho i) đ ợc mô t bằng một số của giá trị đ ợc đo. Sau đó các giá trị này đ ợc mã hoá xung và gửi tới đầu thu. D ng điệu t ơng tự nh tín hiệu đ ợc tái t o trong thiết bị thu nh các giá trị nhận đ ợc. Ph ơng pháp này cho phép nhận đ ợc mức chất l ợng tho i rất cao, vì đ ng tín hiệu nhận đ ợc là b n sao nh thật của đ ng tín hiệu bên phát. 3 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Mã hoá tho i là bộ mã hoá tham số. Thay cho việc truyền tín hiệu mô t trực tiếp d ng của đ ng tín hiệu tho i là truyền một số tham số mô t đ ng cong tín hiệu đ ợc phát ra nh thế nào. Cách đơn gi n để gi i thích sự khác nhau giữa hai ph ơng pháp này là sử dụng phép ẩn dụng: nh c đang đ ợc chơi và các b n nh c thì đ ợc các nh c công sử dụng. Trong mã hoá d ng sóng chính những âm thanh nh c đang chơi đ ợc truyền đi, còn trong mã hoá tham số thì các b n nh c đ ợc gửi tới bên nhận. Mã hoá tham số yêu cầu có một mô hình xác định rõ đ ng tín hiệu tho i đ ợc t o nh thế nào. Chất l ợng sẽ mức trung bình (âm thanh của tho i nhận đ ợc thuộc lo i “tổng hợp”) nh ng mặt khác các tín hiệu có thể đ ợc truyền với tốc độ bit rất thấp. Bộ mã hoá lai gửi một số các tham số cũng nh một l ợng nhất định thông tin d ng sóng. Kiểu mã hoá tho i này đ a ra một sự tho hiệp hợp lý giữa chất l ợng tho i và hiệu qu mã hoá, và nó đ ợc sử dụng trong các hệ thống điện tho i di động ngày nay. Đi u ch Điều chế là một kỹ thuật cho phép thông tin đ ợc truyền nh sự thay đổi của tín hiệu mang thông tin. Điều chế đ ợc sử dụng cho c thông tin số và t ơng tự. Trong tr ng hợp thông tin t ơng tự là tác động liên tục (sự biến đổi mềm). Trong tr ng hợp thông tin số, điều chế tác động từng b ớc (thay đổi tr ng thái). Khối kết hợp điều chế và gi i điều chế đ ợc gọi là modem. Trong truyền dẫn t ơng tự có thể sử dụng hai ph ơng pháp điều chế theo biên độ và theo tần số Sãng mang TÝn hiÖu ®ang ®iÒu chÕ TÝn hiÖu ®−îc ®iÒu chÕ biªn ®é TÝn hiÖu ®−îc ®iÒu chÕ theo tÇn sè Hình 1.2: Đi u ch theo biên độ và theo tần số Điều biên đ ợc sử dụng để truyền tiếng nói t ơng tự (300-3400 Hz). Điều tần th ng đ ợc sử dụng cho truyền thông qu ng bá (băng FM), kênh âm thanh cho TV và hệ thống viễn thông không dây. 1.1.2. Điều chế xung mã PCM Hiện nay có nhiều ph ơng pháp chuyển tín hiệu analog thành tín hiệu digital (A/D) nh điều xung mã (PCM), điều xung mã vi sai (DPCM), điều chế Delta (DM), ... Trong thiết bị ghép kênh số th ng sử dụng ph ơng pháp ghép kênh theo th i gian kết hợp điều xung mã (TDM PCM). 4 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Để chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu digital dùng ph ơng pháp PCM, cần thực hiện 3 b ớc nh hình 1.3. Lấy mẫu t L ợng tử hoá t Mã hoá 1 0 Hình 1.3: Quá trình chuy n đổi A/D dùng ph t ng pháp PCM Tr ớc hết ph i lấy mẫu tín hiệu tho i, tức là chỉ truyền các xung tín hiệu t i các th i điểm nhất định. B ớc thứ hai là l ợng tử hoá biên độ, nghĩa là chia biên độ của xung mẫu thành các mức và lấy tròn biên độ xung đến mức gần nhất. B ớc thứ ba mã hoá xung l ợng tử thành từ mã nhị phân có m bit. Lấy m u tín hiệu analog Biên độ của tín hiệu analog là liên tục theo th i gian. Lấy mẫu là lấy biên độ của tín hiệu analog từng kho ng th i gian nhất định. Quá trình này giống nh điều chế biên độ, trong đó các dãy xung có chu kỳ đ ợc điều chế biên độ b i tín hiệu analog. Do vậy các mẫu lấy đ ợc sẽ gián đo n theo th i gian. Dãy mẫu này gọi là tín hiệu PAM (điều chế biên độ xung). Để thực hiện quá trình lấy mẫu tín hiệu bất kỳ ph i dựa vào định lý Nyquist, nội dung của định lý đ ợc phát biểu nh sau: Nếu tín hiệu gốc là hàm liên tục theo th i gian có tần phổ giới h n từ 0 đến fmax khi lấy mẫu thì tần số lấy mẫu ph i lớn hơn hoặc bằng hai lần tần số lớn nhất trong tín hiệu gốc, nghĩa là: fm ≥ 2×fmax. Một yếu tố quan trọng trong lấy mẫu là phía phát lấy mẫu cho tín hiệu analog theo tần số nào để cho phía thu tái t o l i đ ợc tín hiệu ban đầu. Theo định lý Nyquist, bằng cách lấy mẫu tín hiệu analog theo tần số cao hơn ít nhất hai lần tần số cao nhất của tín hiệu thì có thể t o l i tín hiệu analog ban đầu từ các mẫu đó. Đối với tín hiệu tho i ho t động băng tần 0,3 ÷ 3,4 kHz, tần số lấy mẫu là 8kHz để đáp ứng yêu cầu về chất l ợng truyền dẫn: phía thu khôi phục tín hiệu analog có độ méo trong ph m vi cho phép. Quá trình lấy mẫu tín hiệu tho i nh hình 1.4. 5 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Biên độ (a) 0 t Biên độ Tm (b) t Biên độ +3 +2 +1 0 -1 -2 -3 (c) t Hình 1.4: Quá trình lấy m u tín hiệu thoại (a) Thể hiện đ ng cong tín hiệu tho i. (b) Dãy xung điều khiển ho t động bộ lấy mẫu có chu kỳ Tm = 125μs. (c) Tín hiệu đầu ra bộ lấy mẫu (tín hiệu điều biên xung- PAM) L ng t hoá L ợng tử hoá nghĩa là chia biên độ của tín hiệu thành các kho ng đều hoặc không đều, mỗi kho ng là một b ớc l ợng tử, biên độ tín hiệu ứng với đầu hoặc cuối mỗi b ớc l ợng tử gọi là một mức l ợng tử. Sau khi có các mức l ợng tử thì biên độ của các xung mẫu đ ợc làm tròn đến mức gần nhất. Có hai lo i l ợng tử hoá biên độ: l ợng tử hoá đều và l ợng tử hoá không đều. L ợng tử hoá đều Biên độ tín hiệu đ ợc chia thành những kho ng đều nhau, sau đó lấy tròn các xung mẫu đến mức l ợng tử gần nhất. Quá trình l ợng tử hoá đều thể hiện nh hình 1.5. 6 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Biên độ +3 +2 +1 0 -1 -2 Δ t -3 Hình 1.5: Quá trình l ng t hoá đ u B ớc l ợng tử đều bằng Δ. Nh vậy, biên độ của tín hiệu gồm có 7 b ớc l ợng tử và 8 mức (đánh số từ -3 ÷ +3). Mối quan hệ giữa số mức l ợng tử và số b ớc l ợng tử nh sau: Tổng số mức l ợng tử = Tổng số b ớc l ợng tử + 1. Do ph i lấy tròn đến mức l ợng tử gần nhất, độ chênh lệch giữa biên độ xung l ợng tử và giá trị tức th i của xung lấy mẫu sẽ gây ra nhiễu l ợng tử Qd (xem hình 1.6). Biên độ xung nhiễu l ợng tử luôn tho mãn điều kiện sau: − Δ Δ ≤ Qd K ≤ + 2 2 Công suất trung bình nhiễu l ợng tử đều đ ợc xác định nh sau: Δ2 PQd = 12 Từ biểu thức này cho thấy công suất nhiễu l ợng tử chỉ phụ thuộc vào b ớc l ợng tử Δ mà không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu. Đối với tín hiệu m nh, tỷ số: S ⎛ TÝnhiÖu ⎞ ⎜= ⎟ sẽ lớn hơn tỷ số này của tín hiệu yếu. N ⎝ NhiÔu ⎠ Muốn san bằng tỷ số này giữa tín hiệu m nh và tín hiệu yếu ph i sử dụng l ợng tử hoá không đều. Biên độ Qd = nhiễu l ợng tử (Quantising distortion) +3 Qd Qd Qd +2 +1 Qd Qd t 0 -1 Qd -2 Qd Qd Δ -3 Hình 1.6: Nhiễu l ng t 7 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn L ợng tử hoá không đều L ợng tử hoá không đều dựa trên nguyên tắc: khi biên độ tín hiệu càng lớn thì b ớc l ợng tử càng lớn (hình 1.7). Biªn ®é +4 Δ4 Δ3 +3 Δ2 Δ1 +2 +1 0 -1 -2 t -3 -4 Hình 1.7: Quá trình l ng t hoá không đ u Trong thí dụ trên hình 1.7 biên độ của tín hiệu analog đ ợc chia thành 4 b ớc l ợng tử, ký hiệu là Δ1, Δ2, Δ3, Δ4. Nh vậy: Δ1 < Δ2 < Δ3 < Δ4 < ... Các đ ng thẳng song song với trục hoành (t) gọi là các mức l ợng tử, đ ợc đánh số từ 0 t i gốc to độ. Các xung lấy mẫu t i các chu kỳ n×Tm (trong đó n=0,1,2,...) đ ợc lấy tròn đến mức l ợng tử gần nhất. Muốn l ợng tử hoá không đều có thể sử dụng một trong hai ph ơng pháp: nén - dãn analog hoặc nén - dãn số. • Nén - dãn analog Quá trình nén - dãn analog đ ợc thực hiện bằng cách đặt bộ nén analog tr ớc bộ mã hoá đều phía nhánh phát của thiết bị ghép kênh, trong miền tín hiệu tho i analog và đặt một bộ dãn analog tr ớc bộ gi i mã đều nhánh thu của thiết bị ghép kênh, cũng trong miền tín hiệu tho i analog. Trong thiết bị ghép kênh số chế t o theo tiêu chuẩn Châu Âu sử dụng bộ nén - dãn theo luật A. Còn theo tiêu chuẩn Bắc Mỹ và Nhật sử dụng bộ nén theo luật μ. Đặc tuyến của bộ nén luật A (sự phụ thuộc điện áp đầu vào và đầu ra bộ nén) biểu thị bằng biểu thức Ax 1 + ln A Y= Trong đó x = 8 1 + ln Ax 1 + ln A 0≤x≤ 1 A 1 ≤ x ≤1 A uV với uV là biên độ điện áp đầu vào bộ nén, cònU0 là điện áp vào bão hoà. U0 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Theo khuyến nghị của ITU-T lấy A = 87,6. Đặc tuyến của bộ nén luật μ biểu thị bằng biểu thức ln (1 + μx ) ln (1 + μ ) Y= − 0 ≤ x ≤1 ln (1 − μx ) ln (1 + μ ) −1 ≤ x ≤ 0 Theo khuyến nghị của ITU-T lấy μ = 255. Từ các biểu thức trên có thể xây dựng đ ợc các đ ng cong thể hiện đặc tuyến bộ nén A và μ. Đặc tuyến bộ nén ph i đối xứng với đặc tuyến bộ dãn để không gây méo khi khôi phục tín hiệu. D ng đ ng cong đặc tuyến của bộ nén và bộ dãn nh hình 1.8. Biên độ ra Đặc tuyến bộ nén +1 Đặc tuyến bộ dãn -1 +1 Biên độ vào -1 Hình 1.8: Đặc tuy n bộ nén và bộ dãn analog Nhiều thí nghiệm về l ợng tử hoá tín hiệu tho i đã đ a ra kết luận: Muốn đ t đ ợc tỷ số: S ⎛ TÝnhiÖu ⎞ ⎜= ⎟ kho ng 25 dB thì số mức l ợng tử đều ph i bằng N ⎝ NhiÔu ⎠ 2048. Nh vậy mỗi từ mã cần có 11 bit (không kể bit dấu). Vì 211 = 2048 là số mức l ợng tử của biên độ d ơng hoặc âm của tín hiệu tho i. Sau khi nén, tín hiệu tho i chỉ còn 128 mức. Nếu kể c bit dấu chỉ cần từ mã 8 bit. Đó là lý do t i sao ph i thực hiện nén tín hiệu. • Nén - dãn số: Bộ nén số đ ợc đặt trong miền tín hiệu số của nhánh phát và bộ dãn số đ ợc đặt trong miền tín hiệu số của nhánh thu của thiết bị ghép kênh. Đặc tuyến bộ nén và bộ dãn số dựa trên cơ s của bộ nén và bộ dãn analog. Bằng cách gần đúng hoá đ ng cong đặc tuyến bộ nén - dãn analog theo luật A và μ thành các đo n thẳng gấp khúc. Đặc tuyến của bộ nén số luật A có tất c 13 đo n thẳng có độ dốc khác nhau và lấy tên là bộ nén số A = 87,6/13 đ ợc thể hiện trong hình 1.9. 9 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Các đo n thẳng có độ dốc khác nhau, do vậy trong cùng một đo n tín hiệu không bị nén. Khi chuyển từ đo n này sang đo n khác thì tín hiệu bị nén và khi biên độ càng lớn sẽ bị nén càng nhiều. Tín(TÝn hiệuhiÖu y đầu ®Çu ra ra) H 1 G 7 8 F 6 8 E 5 8 D 4 8 3 8 7 12 11 10 9 C 8 2 8 B 1 8 A x 1 128 -1 §o¹n 13 1 64 1 32 1 16 1 8 1 4 1 2 1 (TÝn hiÖu Tín hiệu ®Çu vµo) đầu vào 6 5 4 3 2 §o¹n 1 -1 Hình 1.9: Đặc tính biên độ bộ nén số A=87,6/13 Để xây dựng đặc tính biên độ của bộ nén số cần tiến hành các b ớc sau đây: Trục x đặc tr ng cho biên độ chuẩn hoá của tín hiệu đầu vào bộ nén (-1 ≤ x ≤ 1 t ơng ứng với 4096 b ớc l ợng tử đều) và trục y đặc tr ng cho tín hiệu đầu ra. Trên trục x chia theo khắc độ logarit cơ số hai, nửa d ơng gồm các điểm 0, 1 1 , , 128 64 1 1 1 1 1 , , , , và 1; còn nửa âm đ ợc chia ng ợc l i. 32 16 8 4 2 Trên trục y chia thành các kho ng đều nhau và 4 5 6 7 , , , và 1 ; còn nửa âm đ ợc chia ng ợc l i. 8 8 8 8 10 nửa d ơng gồm các điểm 0, 1 2 3 , , , 8 8 8 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Tiếp đó đánh dấu các điểm đặc biệt A, B, C, D, E, F, G và H, trong nửa d ơng của đ ng đặc tính, trong đó điểm H là điểm cắt nhau của đo n thẳng vuông góc với trục x t i điểm có x= 1 và đo n thẳng vuông góc với trục y t i điểm có y= 1. Điểm G là điểm cắt nhau của đo n thẳng vuông góc với trục x t i điểm có x=1/2 và đo n thẳng vuông góc với trục y t i điểm có y=7/8, .... Điểm A là điểm cắt nhau của đo n thẳng vuông góc với trục x t i điểm có x=1/128 và đo n thẳng vuông góc với trục y t i điểm có y=1/8. Nối hai điểm kề nhau bằng một đo n thẳng. Nh vậy nửa d ơng của đ ng đặc tính biên độ có tất c 8 đo n thẳng, mỗi đo n đ ợc đặc tr ng bằng tù mã 3 bit. Trong mỗi đo n đ ợc chia thành 16 mức, mỗi mức phân phối từ mã 4 bit. Nửa âm của đ ng đặc tính biên độ đ ợc lấy đối xứng với nửa d ơng qua gốc to độ O. Do 4 đo n gần gốc to độ 0 có độ dốc nh nhau (trong đó nửa d ơng có hai đo n OA và OB). Nh vậy toàn bộ đ ng đặc tính biên độ có 13 đo n thẳng có độ dốc khác nhau. Nửa âm và nửa d ơng của đ ng đặc tính biên độ đ ợc phân phối từ mã 1 bít. Bít 0 t ơng ứng với nửa âm của đ ng đặc tính biên độ và bít 1 t ơng ứng với nửa d ơng của đ ng đặc tính biên độ. Tóm l i, khi ch a nén thì tín hiệu tho i đ ợc chia thành 4096 mức, sau khi dùng bộ nén A=87,6/13 thì chỉ còn l i 256 mức (tức là số bít trong một từ mã đã gi m từ 12 xuống 8). Chuy n đổi tín hiệu digital thành tín hiệu analog T i phía thu, tín hiệu số PCM đ ợc chuyển đổi thành tín hiệu analog qua hai b ớc là: gi i mã và lọc. Tổng hợp hai quá trình xử lý này gọi là quá trình chuyển đổi D/A và đ ợc biểu diễn nh hình 1.10. 1 0 t Gi i mã t Lọc t Hình 1.10: Quá trình chuy n đổi D/A Gi i mã là quá trình ng ợc l i với mã hoá. Trong gi i mã, bắt đầu bằng việc tách các mã nhị phân 8 bit từ tín hiệu PCM (trong hình 1.10 t ợng tr ng từ mã 3 bit). Tiếp theo, chuyển mỗi từ mã nhị phân thành một xung l ợng tử có biên độ t ơng ứng với số mức l ợng tử của từ mã đó. Hình 1.11 minh ho gi i mã các từ mã 3 bít. Tín hiệu xung đã đ ợc l ợng tử hoá đầu phát đ ợc t o l i đầu thu bằng cách gi i mã nh vậy. Tín hiệu xung sau khi gi i mã có biên độ chênh lệch với biên độ xung mẫu t i phía phát. Hiện t ợng này gọi là méo l ợng tử và phát sinh do làm tròn biên độ khi l ợng tử hoá. 11 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Tín hiệu PCM nh n đ c 011 11 0 1 01 6 011 0 01 t 01 0 5 3 3 Tín hiệu xung l ng t 1 2 t Hình 1.11: Quá trình giải mã Sau đó, tín hiệu xung l ợng tử đ ợc đ a qua bộ lọc thông thấp. Đầu ra bộ lọc này nhận đ ợc tín hiệu analog là tín hiệu liên tục theo th i gian nh nội suy giữa các mẫu kế tiếp nhau nh hình 1.12. Tín hiệu xung L ng t t Lọc tín hiệu analog Điện áp tổng đầu ra bộ lọc t Hình 1.12: Quá trình lọc tín hiệu từ các xung PAM Các ph ng pháp mã hoá mới PCM đã tồn t i trong 1/4 thập kỷ và các công nghệ mới đã bắt đầu thu hút sự chú ý. Trong thập kỷ cuối, mã hoá tho i tinh vi đã tr lên hiện thực nh sự phát triển của VLSI (m ch tích hợp rất lớn). PCM t i 64 Kb/s không còn là công nghệ duy nhất nữa. Việc mã hoá 32 và 16 kbit/s đã đ ợc phát triển, và các ph ơng pháp “vocoder” cũng đ ợc phát triển mà chỉ yêu cầu 4.8 Kb/s và ít hơn. Chúng ta có thể bằng mọi cách để đ t tới 800bit/s mà vẫn nghe hiểu đ ợc, nh ng t i tốc độ bit này không có kh năng nhận d ng đ ợc l i nói của ng i nói. Các ph ơng pháp mã hoá mới đã gợi ra rất nhiều lợi ích, vì chúng cho phép các nhà khai thác tăng gấp 2 hay 4 lần dung l ợng để truyền dẫn tho i trong m ng của họ mà không cần ph i lắp đặt thiết bị truyền dẫn mới. Một trong những ph ơng pháp có thể dùng là điều chế xung mã vi sai thích ứng, ADPCM. ADPCM cho phép truyền tho i với chất l ợng gi m tối thiểu t i 32Kbit/s. Khuyến nghị của ITU về ADPCM đ ợc gọi là G.726. PCM vi sai (DPCM) Tín hiệu đã đ ợc lấy mẫu cho thấy mức độ t ơng quan cao giữa các mẫu kế cận. Hay nói cách khác, hai mẫu gần nhau là khá t ơng tự nh nhau. Nghĩa là sẽ có nhiều lợi ích nếu mã hoá sự 12 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn khác nhau giữa các mẫu kế cận thay cho mã hoá giá trị tuyệt đối của mỗi mẫu. Trên hình 1.13 cho thấy 4 bit có thể đ ợc sử dụng thay cho 8 bit. Đây là ý t ng ẩn trong PCM vi sai (DPCM), đây độ chính xác vẫn đ ợc giữ l i mặc dù không cần băng tần rộng. DPCM đầu tiên dựa trên b n quyền từ 1952. Gi¸ trÞ mÉu tuyÖt ®èi 5 4 6 3 2 1 MÉu sè 1 2 3 4 5 t 7 6 §é lÖch gi÷a c¸c gi¸ trÞ mÉu 6 MÉu sè 1 2 3 4 t 5 Hình 1.13: PCM vi sai (DPCM) PCM vi sai có nh ợc điểm là nếu tín hiệu đầu vào t ơng tự mà thay đổi quá lớn giữa các mẫu, thì nó không thể đ ợc biểu diễn bằng 4 bit mà sẽ bị cắt. DPCM thích ứng (ADPCM) PCM vi sai thích ứng (ADPCM) đã tổ hợp ph ơng pháp DPCM và PCM thích ứng. ADPCM có nghĩa là các mức l ợng tử hoá đ ợc thích ứng với d ng của tín hiệu đầu vào. Kích cỡ của các b ớc l ợng tử tăng lên khi có liên tiếp dốc đứng trong tín hiệu kéo đủ dài. Trong hình 1.14, số mẫu là 6 có thể đ ợc mô t bằng 5 b ớc l ợng tử lớn thay cho 10 mẫu nhỏ. Ph ơng pháp này có tên từ kh năng thích ứng ấy, tức là nó t o ra kh năng gi m các b ớc l ợng tử. 13 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn MÉu sè 1 2 3 4 5 6 Thêi gian Hình 1.14: PCM thích ứng Trong mã hoá ADPCM, sau khi tín hiệu vào t ơng tự đã đi qua mã hoá PCM thông th ng, thì luồng các mẫu 8 bit đ ợc gửi tiếp tới bộ mã hoá ADPCM. Trong bộ mã hoá này, một thuật toán chỉ với 15 mức l ợng tử đ ợc sử dụng để gi m độ dài từ 8 bit xuống 4 bit. 4 bit này không biểu diễn biên độ của mẫu nữa, nh ng nh có mã hoá vi sai mà 4 bit vẫn chứa đủ thông tin để cho phép tín hiệu gốc sẽ đ ợc tái t o bộ thu. Mức của một mẫu đ ợc dự đoán dựa trên mức của mẫu đứng tr ớc. Sự khác nhau giữa mẫu dự đoán và thực tế là rất nhỏ và vì vậy có thể mã hoá bằng 4 bit. Nếu có vài mẫu tiếp theo thay đổi lớn, thì các b ớc l ợng tử đ ợc thích ứng nh mô t trên. 1.1.3. Kỹ thuật ghép kênh Ghép kênh c s PCM-30 Phần trên đã trình bày nguyên lý cơ b n của ph ơng pháp điều chế xung mã PCM. Bây gi , chúng ta sẽ xem xét những nguyên lý đó đ ợc sử dụng nh thế nào để thiết lập các hệ thống truyền dẫn PCM thực tế. Tr ớc hết là xét đến nguyên lý ghép kênh phân chia theo th i gian vì nó làm cho các hệ thống truyền dẫn tín hiệu tho i bằng PCM có u điểm về mặt kinh tế. Sơ đồ nguyên lý các hệ thống PCM, quá trình ghép kênh phân chia theo th i gian th ng đ ợc thực hiện tr ớc khi mã hóa dãy xung, tức là các mẫu của tín hiệu t ơng tự riêng đ ợc kết hợp l i trên một đ ng truyền PAM chung. Theo ph ơng pháp này, thiết bị mã hóa có thể đ ợc dùng trong quá trình ghép kênh phân chia theo th i gian. đây không thực hiện ghép từng xung một mà ghép từng từ mã PCM một, cách này th ng đ ợc gọi là ghép khe th i gian. Các hệ thống PCM hầu hết là các hệ thống TDM. Sơ đồ bộ ghép kênh PCM-30 nh hình 1.15. 14 ≈ Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn 1 S§ • ≈ • • 30 ≈ S§ ≈ LÊy mÉu GhÐp kªnh M· ho¸ LËp m· ®-êng §Çu ra • • • 1 Chän xung kªnh Bé t¹o xung ph¸t 30 X§B vµ B¸o hiÖu 1 • • • LÊy mÉu Bé t¹o xung thu 30 Chän xung kªnh Gi¶i m· T¸ch X§B T¸ch kªnh Gi¶i m· ®-êng §Çu Hình 1.15: Bộ ghép kênh PCM-30 Sơ đồ này ghép 30 kênh tho i, kênh đồng bộ và kênh báo hiệu thành luồng bit có tốc độ bằng 2048 kbit/s. Đôi dây âm tần đ ợc nối vào máy đầu cuối thuê bao nh máy điện tho i, thiết bị truyền số liệu v.v. Sau đây phân tích ho t động của bộ ghép tín hiệu tho i. Bộ sai động SĐ tách tín hiệu tho i thu và phát riêng biệt. T i nhánh phát có bộ lọc thông thấp để h n chế băng tần tiếng nói từ 300 đến 3400 Hz, đầu ra bộ lọc thông thấp nối đến m ch lấy mẫu. M ch lấy mẫu là một chuyển m ch điện tử đóng m theo chu kỳ 125μs, đầu ra nhận đ ợc các xung mẫu có chu kỳ bằng 125μs. Bộ mã hoá biến đổi mỗi xung lấy mẫu thành 8 bit và khối ghép kênh tín hiệu tho i, tín hiệu đồng bộ và tín hiệu báo hiệu thành một khung có th i h n 125μs. Đầu ra các m ch lấy mẫu đấu song song với nhau, vì vậy xung lấy mẫu của các kênh đ ợc ghép theo th i gian và lần l ợt đ a vào bộ mã hoá. Trong bộ ghép kênh PCM-30 dùng bộ mã hoá nén số A= 87,6 và đặc tính biên độ có 13 đo n. Dãy xung lấy từ bộ t o xung phát qua bộ chia để t o ra xung điều khiển các m ch lấy mẫu 8 kbit/s, điều khiển các bộ mã hoá và điều khiển bộ ghép kênh. Báo hiệu từ các thuê bao đ ợc đ a tới khối xử lý báo hiệu. T i đây báo hiệu đ ợc chuyển đổi thành các bit để ghép vào khung tín hiệu. Dãy bit hai mức đầu ra khối ghép kênh qua khối lập mã đ ng chuyển thành dãy bit ba mức rồi đi ra ngoài. T i nhánh thu của bộ ghép kênh PCM-30 tiếp nhận dãy bit ba mức đến và chuyển vào khối gi i mã đ ng để chuyển thành dãy bit hai mức. Một phần tín hiệu đầu ra khối gi i mã đ ng, đ a vào khối tách xung đồng bộ để tách ra xung đồng bộ và đ a tới khối t o xung thu để kích thích bộ chia xung và t o ra các khe th i gian đồng bộ với phía phát. Phần tín hiệu còn l i đ ợc đ a vào khối tách kênh để tách luồng bit đầu vào thành 30 kênh tho i, kênh báo hiệu. Khối báo hiệu chuyển các bit báo hiệu thành tín hiệu báo hiệu ban đầu, chẳng h n báo hiệu đa tần, các digit bộ số thuê bao, xung điều khiển rơ le v.v. Các từ mã 8 bit của 30 kênh tho i đ a tới bộ gi i mã để chuyển thành các xung l ợng tử, qua bộ chọn xung kênh và bộ lọc thông thấp tách ra tín hiệu tho i analog của từng kênh. Tín hiệu analog qua bộ sai động đi vào máy điện tho i. Bộ chọn xung 15 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn kênh là một chuyển m ch điện tử đóng m theo tốc độ và pha của bộ lấy mẫu phía phát. Đầu vào bộ chọn xung kênh đấu song song với nhau và mỗi bộ chỉ cho xung kênh mình đi qua, tức là tách kênh theo th i gian đ ợc thực hiện t i đây. Cấu trúc khung và đa khung Cấu trúc khung và đa khung của bộ ghép PCM-30 nh hình 1.16. TMF=125μs ×16= 2ms Đa§akhung khung khung 1616khung F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11F12 F13F14 F15 TF=125μs 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 TS Khung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 C¸c khung ch½n Si 0 0 1 1 0 1 1 C¸c khung lÎ Si 1 A S S S S S 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 CH Khung F0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 0 0 0 0 SA S S Chó thÝch: TS - khe thêi gian CH- kªnh tho¹i Hình 1.16: Cấu trúc khung và đa khung của bộ ghép kênh PCM-30 Khung có th i gian 125μs đ ợc chia thành 32 khe th i gian bằng nhau và đánh số thứ tự từ TS0 đến TS31. Mỗi khe th i gian TS dài 3,9μs gồm một từ mã 8 bít. Mỗi khung gồm có 256 bit và chu kỳ lặp l i của khung bằng 8000 Hz. Các khe TS0 đứng đầu các khung chẵn gồm bit Si đ ợc sử dụng cho quốc tế (nếu không dùng thì cài đặt bằng 1) và b y bít còn l i là từ mã đồng bộ khung 0011011. Các khe TS0 đứng đầu các khung lẻ gồm bit thứ nhất Si dùng cho m ng quốc tế, nếu không sử dụng đặt Si= 1, bit thứ hai luôn có logic 1 để tránh phỏng t o từ mã đồng bộ khung, bit thứ ba dùng cho c nh báo xa khi mất đồng bộ khung, năm bit S còn l i dành cho quốc gia. Khi tr m đầu xa không thu đ ợc từ mã đồng bộ khung sẽ đặt A=1 và truyền về tr m gốc. Mỗi đa khung kéo dài trong 2 ms và chứa 16 khung. Các khung đ ợc đánh số thứ tự từ F0 đến F15, trong đó 8 khung mang chỉ số chẵn và 8 khung còn l i mang chỉ số lẻ. Khe th i gian TS16 của khung F0 truyền từ mã đồng bộ đa khung vào vị trí các bit thứ nhất đến bit thứ t , bit thứ 6 truyền c nh báo xa khi mất đồng bộ đa khung (A=1), các bit S dành cho quốc gia, nếu không sử dụng đặt S=1. Các khe th i gian TS16 của khung F1 đến khung F15 dùng để truyền báo hiệu. Báo hiệu của mỗi kênh tho i đ ợc mã hoá thành 4 bit a, b, c, d và ghép vào nửa khe th i gian TS16. Nửa bên trái truyền báo hiệu của các kênh tho i thứ nhất đến 15 và nửa bên ph i truyền báo hiệu các kênh tho i thứ 16 đến 30 nh b ng 1.1. 16 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Bảng 1.1. Ghép tín hiệu báo hiệu của 30 kênh thoại Khe th i gian TS16 b1b2b3b4 b5b6b7b8 a bc d ab cd Khung 1 Kênh 1 Kênh 16 Khung 2 Kênh 2 Kênh 17 Khung 3 Kênh 3 Kênh 18 Khung 4 Kênh 4 Kênh 19 Khung 5 Kênh 5 Kênh 20 Khung 6 Kênh 6 Kênh 21 Khung 7 Kênh 7 Kênh 22 Khung 8 Kênh 8 Kênh 23 Khung 9 Kênh 9 Kênh 24 Khung 10 Kênh 10 Kênh 25 Khung 11 Kênh 11 Kênh 26 Khung 12 Kênh 12 Kênh 27 Khung 13 Kênh 13 Kênh 28 Khung 14 Kênh 14 Kênh 29 Khung 15 Kênh 15 Kênh 30 Nh vậy ph i có 16 khe th i gian TS16 trong một đa khung mới đủ để truyền báo hiệu và đồng bộ đa khung. Đó cũng là lí do t i sao mỗi đa khung chứa 16 khung. Nếu các bít a b c d không dùng cho báo hiệu thì đặt b=1, c=0 và d=1. Ngoài ra cũng cần l u ý cấm sử dụng tổ hợp 0000 để truyền báo hiệu vì nó trùng với từ mã đồng bộ đa khung. Ph ơng thức báo hiệu đã trình bày trên đây gọi là báo hiệu kênh kết hợp CAS. Ngoài ph ơng thức báo hiệu kênh kết hợp CAS, trong tổng đài điện tử số còn có ph ơng thức báo hiệu kênh chung CCS, trong đó báo hiệu của các kênh tho i đ ợc truyền trên một đ ng riêng. Điển hình của CCS là hệ thống báo hiệu số 7 (CCSS-7). Trong tr ng hợp PCM-30 đ ợc sử dụng để truyền số liệu thì bit Si trong khe th i gian TS0 là bit kiểm tra d vòng CRC (xem b ng 1.2). 17 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Bảng 1.2. Chức năng các bit trong TS0 của một đa khung Thứ tự khung Bit 1 đến bit 8 của TS0 Si 2 3 4 5 6 7 8 0 C1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 A S S S S S 2 C2 0 0 1 1 0 1 1 3 0 1 A S S S S S 4 C3 0 0 1 1 0 1 1 5 1 1 A S S S S S 6 C4 0 0 1 1 0 1 1 7 0 1 A S S S S S 8 C1 0 0 1 1 0 1 1 9 1 1 A S S S S S 10 C2 0 0 1 1 0 1 1 11 1 1 A S S S S S 12 C3 0 0 1 1 0 1 1 13 E 1 A S S S S S 14 C4 0 0 1 1 0 1 1 15 E 1 A S S S S S B ng 1.2. tóm tắt chức năng các bit của khe th i gian TS0 trong mỗi đa khung 16 khung. Cũng có thể xem đa khung gồm 2 đa khung con; đa khung con thứ nhất gồm khung 0 đến khung 7 và đa khung con thứ hai gồm khung 8 đến khung 15. Bit Si trong các khung chẵn của mỗi đa khung con là các bit kiểm tra d chu trình C1 C2 C3 C4 (CRC-4). Bit Si trong các khung lẻ của đa khung t o thành từ mã đồng bộ đa khung CRC-4, bít E trong khung 13 chỉ thị lỗi bit của CRC4 của đa con thứ nhất và bit E trong khung 15 chỉ thị lỗi bit của CRC-4 của đa khung con thứ hai. Phân cấp số c n đồng bộ PDH Sau khi giới thiệu về ph ơng pháp ghép kênh cơ s PCM-30, phần này sẽ trình bày về các hệ thống ghép kênh bậc cao. Ghép kênh bậc cao là ghép nhiều luồng số có tốc độ thấp để t o thành một luồng số có tốc độ cao hơn. Thiết bị thực hiện nhiệm vụ nói trên đ ợc gọi là máy ghép kênh bậc cao. PDH là một trong những hệ thống ghép kênh số bậc cao thông dụng. Trong m ng thông tin PDH không sử dụng đồng bộ tập trung, nghĩa là tất c các phần tử trong m ng không bị khống chế b i một đồng hồ chủ. Mỗi thiết bị ghép kênh hoặc tổng đài trong m ng này có một đồng hồ riêng. Chính vì vậy mà các luồng số do chúng t o ra có sự chênh lệch về tốc độ bit. Chẳng h n tổng đài thứ nhất đ a ra luồng số (2048 kbit/s + 5×10-5); trong khi đó một tổng đài khác l i đ a ra luồng số (2048 kbit/s - 5×10-5). Muốn ghép các luồng số có tốc độ bit khác nhau này thành một luồng số có tốc độ cao hơn thì ph i hiệu chỉnh cho tốc độ bit của chúng bằng 18 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn tốc độ bit của đồng hồ bộ ghép nh chèn bit. Sau khi chèn bit thì các luồng số đầu vào bộ ghép xem nh đẫ đồng bộ về tốc độ bit, nh ng pha của chúng không đồng bộ với nhau. Kiểu ghép nh vậy đ ợc gọi là ghép cận đồng bộ (hình 1.17). Luồng số 2Mbit/s có tốc độ bit định mức 6 5 4 3 2 1 Chèn Bit 6 5 4 3 2 1 Bộ chuyển m ch J- Các bit chèn Tín hiệu ra Các bit dữ liệu đầu vào Bộ t o xung đồng hồ Bộ ghép 5 4 3 2 1 Chèn Bit J 5 4 3 2 1 Luồng số 2Mbit/s có tốc độ bit thấp hơn định mức Hình 1.17: Nguyên t c ghép c n đồng bộ Về tiêu chuẩn tốc độ bit PDH, hiện nay trên thế giới có 3 tiêu chuẩn: Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật B n. Sau đây là đặc điểm chính của các tiêu chuẩn này. Tiêu chuẩn Châu Âu Châu Âu dựa trên tốc độ bit cơ s 2048 kbit/s để ghép xen bit thành các tốc độ bit cao hơn và gồm có 4 mức. Sơ đồ hình thành các mức theo tiêu chuẩn Châu Âu nh hình 1.18a. Mức 1 (DS1): Ghép 30 kênh tho i thành luồng 2048 kbit/s. Các luồng số cơ s này đ ợc cung cấp từ thiết bị ghép kênh PCM-30 hoặc từ tổng đài điện tử số. Mức 2 (DS2): Ghép 4 luồng số cơ s thành luồng số mức 2 là 8448 kbit/s, gồm 120 kênh tho i. Mức 3 (DS3): Ghép 4 luồng số mức 2 thành luồng số mức 3 là 34368 kbit/s, gồm 480 kênh tho i. Mức 4 (DS4): Ghép 4 luồng số mức 3 thành luồng mức số 4 là 139268 kbit/s, gồm 1920 kênh tho i. Mức 5 (DS5): Ghép 4 luồng số mức 4 thành luồng mức số 5 là 564992 kbit/s, gồm 7680 kênh tho i. Tiêu chuẩn Bắc Mỹ Bắc Mỹ sử dụng luồng số cơ s 1544 kbit/s từ thiết bị PCM-24 hoặc từ tổng đài điện tử số để ghép xen bit thành các luồng số có tốc độ bit cao hơn và gồm có 4 mức. Sơ đồ hình thành các mức theo tiêu chuẩn Bắc Mỹ nh hình 1.18b. Mức 1 (DS1): Ghép 24 kênh tho i thành luồng 1544 kbit/s. Mức 2 (DS2): Ghép 4 luồng số mức 1 thành luồng số mức 2 là 6312 kbit/s, gồm 96 kênh tho i. 19 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Mức 3 (DS3): Ghép 7 luồng số mức 2 thành luồng số mức 3 là 44736 kbit/s, gồm 672 kênh tho i. Mức 4 (DS4): Ghép 6 luồng số mức 3 thành luồng mức số 4 là 274716 kbit/s, gồm 4032 kênh tho i. Tiêu chuẩn của Nhật Bản Hai mức đầu tien theo tiêu chuẩn Nhật B n hoàn toàn giống tiêu chuẩn Bắc Mỹ và gồm có tất c là 5 mức nh hình 1.18b. Mức 1 (DS1): Ghép 24 kênh tho i thành luồng 1544 kbit/s. Mức 2 (DS2): Ghép 4 luồng số mức 1 thành luồng số mức 2 là 6312 kbit/s, gồm 96 kênh tho i. Mức 3 (DS3): Ghép 5 luồng số mức 2 thành luồng số mức 3 là 32064 kbit/s, gồm 480 kênh tho i. Mức 4 (DS4): Ghép 3 luồng số mức 3 thành luồng mức số 4 là 97728 kbit/s, gồm 1440 kênh tho i. Mức 5 (DS5): Ghép 4 luồng số mức 4 thành luồng mức số 5 là 400352 kbit/s, gồm 5760 kênh tho i. ITU-T công nhận 4 mức đầu tiên theo tiêu chuẩn Châu Âu và 3 mức đầu tiên theo tiêu chuẩn Bắc Mỹ là các mức truyền dẫn PDH quốc tế. 2048 kbit/s ×4 8448 kbit/s ×4 34368 kbit/s ×4 139264 kbit/s ×4 564992 kbit/s Tiêu chuẩn Châu Âu ITU-T (a) ×5 1544 kbit/s ×4 32064 kbit/s ×3 97728 kbit/s ×4 Tiêu chuẩn Nhật 6312 kbit/s ×7 ITU-T 44736 kbit/s ×6 (b) Hình 1.18: Qui định các mức truy n d n PDH 20 400352 kbit/s 274176 kbit/s Tiêu chuẩn Bắc Mỹ Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Ph ơng pháp ghép Có ba ph ơng pháp ghép các luồng số là: - Ghép xen bit - Ghép xen byte - Ghép xen chu trình Nh ng trong PDH chỉ sử dụng kỹ thuật ghép xen bit. Sau đây sẽ trình bày ph ơng pháp ghép này. Hình 1.19 mô t quá trình ghép xen bit bốn luồng số DS1 thành luồng số DS2. Thứ tự ghép nh sau: Tr ớc tiên ghép xung đồng bộ (XĐB), tiếp theo ghép bit thứ nhất của luồng số DS1 thứ nhất, bit thứ nhất của luồng số DS1 thứ hai, bit thứ nhất của luồng số DS1 thứ ba, bit thứ nhất của luồng số DS1 thứ t . Sau đó ghép bit thứ hai cũng theo trình tự trên. Cứ ghép nh vậy cho hết một chu trình 125μs. Đến chu trình sau tr ớc hết ph i ghép xung đồng bộ và sau đó ph i ghép từng bit theo thứ tự trên. Trong 125μs ph i ghép hết số bit trong chu trình đó c 4 luồng vào. Nh vậy thì tốc độ luồng số đầu ra DS2 mới tăng ít nhất gấp 4 lần tốc độ một luồng số đầu vào DS1. DS-1#1 • • • • • • • t T DS-1#2 • • • • • • • DS-1#3 • • • • • • • DS-1#4 • • • • • • • XĐB • • • • • • • DS-2 • • • t t t t • • • T t Hình 1.19: Ghép xen bit bốn luồng số DS1 thành luồng số DS2 Khi ghép các luồng số PDH có tốc độ bit thấp thành luồng số có tốc bit cao hơn thì các thiết bị ghép th ng ho t động theo kiểu cận đồng bộ. Vì các luồng số đầu vào bộ ghép có tốc độ bit 21 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn tức th i có thể khác nhau với tốc độ bit danh định chút ít, nên ghép các luồng số đầu vào này thành luồng số đầu ra có liên quan đến quá trình chèn. Quá trình này ho t động nh sau: Khi thực hiện ghép các bit của các luồng nhánh, tr ớc hết các bít này đ ợc ghi lần l ợt vào ô nhớ trong các bộ nhớ t ơng ứng của các luồng nhánh (d ới sự điều khiển của đồng hồ tách từ dãy xung vào, còn gọi là đồng hồ ghi). Sau đó các bít này đ ợc lấy ra (d ới sự điều khiển của đồng hồ đọc lấy từ bộ t o xung của bộ ghép kênh MUX) và đ a vào bộ MUX để thực hiện ghép xen bít. C dãy bit đọc và đãy bit ghi đều đ ợc đ a vào bộ so sánh pha. Khi hai dãy bit lệch pha với nhau đ t giá trị ng ỡng đặt tr ớc thì xẩy ra quá trình chèn. Nhận đ ợc thông báo chèn thì khối điều khiển chèn sẽ phát tín hiệu điều khiển chèn, khi đó khối MUX sẽ tiến hành chèn bit vào vị trí đã qui định trong khung. Trong tr ng hợp một luồng số đầu vào bộ nhớ có tốc độ bit tức th i chậm hơn tốc độ bít đồng hồ đọc của MUX sẽ xuất hiện định kỳ một số điểm bỏ trống trong tín hiệu đầu ra bộ nhớ đệm và gây ra lỗi bit t i phía thu. Muốn tránh lỗi bit bắt buộc ph i chèn thêm các bit mang thông tin gi vào các điểm bỏ trống và truyền thông báo tới phía thu để xoá các bit các bít chèn này, nh vậy gọi là chèn d ơng. Ng ợc l i, nếu tốc độ tức th i của luồng số đầu vào bộ nhớ nhanh hơn tốc độ bit đồng hồ đọc của bộ MUX sẽ xuất hiện định kỳ các th i điểm mà t i đó hai bit dữ liệu đ ợc đọc b i một bit của đồng hồ đoc, gây ra lỗi bit t i đầu ra bộ nhớ. Do đó, ph i tách bit dữ liệu đ ợc đọc sau để ghép vào vị trí đã qui định trong khung và có thông báo gửi tới phía thu để phía thu không xoá bit dữ liệu này. Đây chính là chèn âm. Chèn đ ợc xem nh quá trình làm thay đổi tốc độ xung của tín hiệu số mức độ điều khiển cho phù hợp với tốc độ xung khác với tốc độ xung vốn có của nó mà không làm mất thông tin. Phân cấp số đồng bộ SDH Các đặc điểm chính Nh đã trình bày trong phần trên, hiện nay trên thế giới tồn t i 3 phân cấp số cận đồng bộ PDH (Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật B n). Song các phân cấp số cận đồng bộ này không có giao diện tiêu chuẩn hoá quốc tế nên không đáp ứng đ ợc nhu cầu phát triển các dịch vụ viễn thông trong giai đo n hiện t i và t ơng lai. Ngoài ra quá trình tách/ghép các luồng số trong hệ thống truyền dẫn cận đồng bộ rất phức t p, yêu cầu thiết bị cồng kềnh làm gi m chất l ợng truyền dẫn và kh năng giám sát, qu n lý m ng còn kém. Hệ thống truyền dẫn đồng bộ SDH đ ợc xem là giai đo n phát triển tiếp theo của phân cấp truyền dẫn cận đồng bộ. SDH t o ra một cuộc cách m ng trong việc truyền các dịch vụ viễn thông, thể hiện một kỹ thuật tiên tiến có thể đáp ứng rộng rãi các yêu cầu của thuê bao, nhà khai thác cũng nh các nhà s n xuất, tho mãn các yêu cầu đặt ra cho ngành Viễn thông trong th i đ i mới. Trong t ơng lai, hệ thống truyền dẫn đồng bộ sẽ ngày càng đ ợc phát triển nh các u điểm v ợt trội so với hệ thống truyền dẫn cận đồng bộ, đặc biệt SDH có kh năng kết hợp với PDH trong m ng l ới hiện hành, cho phép thực hiện việc hiện đ i hoá m ng l ới theo từng giai đo n phát triển. Các tiêu chuẩn của SDH bắt đầu hình thành từ năm 1985 t i Mỹ. Kh i đầu là nỗ lực để t o ra một m ng giao tiếp quang có thể ho t động với tất c các hệ thống truyền dẫn khác nhau của 22 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn các s n phẩm khác nhau (theo tiêu chuẩn Châu Âu hoặc Bắc Mỹ). Dần dần sau đó các tiêu chuẩn này đ ợc sử dụng rộng rãi để có thể xử lý cho m ng hiện t i và cho c các lo i tín hiệu trong t ơng lai, cũng nh cho c ph ơng diện khai thác và b o d ỡng. Trong hoàn c nh đó, tháng 2 năm 1985 công ty BELLCORE là công ty con của công ty BELL t i Mỹ đã đề nghị một phân cấp truyền dẫn mới nhằm mục đích khắc phục các nh ợc điểm của hệ thống cận đồng bộ. Phân cấp mới này có tên là m ng quang đồng bộ (SONET). SONET dựa trên nguyên lý ghép kênh đồng bộ, trong đó cáp quang đ ợc sử dụng làm môi tr ng truyền dẫn. Về sau các tiêu chuẩn về giao diện thiết bị cũng đ ợc nghiên cứu, để kết nối các lo i thiết bị khác nhau có tiêu chuẩn khác nhau mà không gây tr ng i khi áp dụng phân cấp đồng bộ SDH vào m ng l ới hiện t i. Để đáp ứng yêu cầu đó cần ph i l u ý đến quá trình tổ chức các tín hiệu b o d ỡng, giám sát, chuyển m ch b o vệ tự động và c vấn đề qu n lý m ng l ới của các lo i thiết bị khác nhau đó. Đề nghị của hãng BELLCORE đ ợc Viện các tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ ANSI nghiên cứu và đến năm 1988 đã phê chuẩn SONET là tiêu chuẩn của Hoa Kỳ. Các tiêu chuẩn của SONET đ ợc hình thành theo hai giai đo n. Giai đo n một qui định các tiêu chuẩn về các tốc độ bit truyền dẫn (b ng 1.3), khuôn d ng tín hiệu, các thông số giao diện quang và thứ tự sắp xếp t i trọng trong khung tín hiệu. Giai đo n một đã hoàn thành vào năm 1988. Giai đo n hai của SONET qui định các giao thức để sử dụng các kênh nghiệp vụ vào việc điều hành, qu n lý, b o d ỡng, giám sát và đ ợc hoàn thành năm 1991. Đồng th i SONET cũng gây đ ợc sự chú ý và cũng đ ợc nghiên cứu, phát triển t i Châu Âu. Bảng 1.3. Tốc độ bit của SONET Các mức tín hiệu quang (OC) Các mức tín hiệu đồng bộ (STS) Tốc độ bit OC-1 STS-1 51,84 OC-3 STS-3 155,52 OC-9 STS-9 466,56 OC-12 STS-12 622,08 OC-18 STS-18 933,12 OC-24 STS-24 1244,16 OC-36 STS-36 1866,24 OC-48 STS-48 2488,32 (Mbit/s) Tháng 11 năm 1988, trên cơ s tiêu chuẩn của SONET và xét đến các tiêu chuẩn khác Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật B n, ITU-T đã đ a ra tiêu chuẩn quốc tế về công nghệ truyền dẫn theo phân cấp số đồng bộ SDH dùng cho truyền dẫn cáp quang và vi ba. Các tiêu chuẩn của SDH đã đ ợc ITU-T ban hành trong các khuyến nghị sau đây: G.702 - Số l ợng mức trong phân cấp số đồng bộ G.707 - Các tốc độ bit của SDH G.708 - Giao diện nút m ng SDH 23 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn G.709 - Cấu trúc ghép đồng bộ G.773 - Giao thức phù hợp với giao diện Q (Qu n lý hệ thống truyền dẫn) G.774 - Mô hình thông tin qu n lý SDH G.782 - Các kiểu và các đặc tính chủ yếu của thiết bị ghép SDH G.784 - Qu n lý SDH G.803 - Cấu trúc m ng truyền dẫn SDH G.825 - Điều khiển rung pha và trôi pha trong m ng thông tin SDH G.957 - Các giao diện quang của các thiết bị và hệ thống liên quan đến SDH G.958 - Hệ thống truyền dẫn SDH sử dụng cho cáp sợi quang M.30 - Các nguyên tắc qu n lý m ng viễn thông M.3010- Nguyên lý ho t động của TMN Hiện nay các khuyến nghị G.707, G.708 và G.709 đã kết hợp l i thành khuyến nghị G.70x. Về tốc độ bit của SDH bao gồm nh sau: STM-1 = 155,52 Mbit/s STM-4 = 4× STM-1 = 622,08 Mbit/s STM-8 = 8× STM-1 = 1244,16 Mbit/s STM-12 = 12× STM-1= 1866,24 Mbit/s STM-16 = 16× STM-1= 2488,32 Mbit/s STM-64 = 64× STM-1= 9953,28 Mbit/s Các tốc độ bit STM-1, STM-4 và STM-16 trùng với các tốc độ bit STS-3, STS-12 và STS48 của SONET. So với PDH thì SDH có các u điểm cơ b n sau đây: − Giao diện đồng bộ thống nhất. Nh giao diện đồng bộ thống nhất nên việc ghép và tách các luồng nhánh từ tín hiệu STM-N đơn gi n và dễ dàng. Đồng th i trên m ng SDH có thể sử dụng các chủng lo i thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau. − Ghép đ ợc các lo i tín hiệu khác nhau một cách linh ho t. Không những tín hiệu tho i mà c tín hiệu khác nh ATM, B-ISDN v.v. đều có thể ghép vào trong khung SDH − Dung l ợng các byte dành cho qu n lý, giám sát và b o d ỡng lớn. Làm cho m ng ho t động linh ho t, độ tin cậy cao và gi m đ ợc chi phí rất lớn cho việc qu n lý. − M ng có kh năng đáp ứng đ ợc t ơng lai, có nghĩa là cung cấp cho nhà khai thác một gi i pháp đáp ứng đ ợc t ơng lai, cộng với kh năng cập nhật phần mềm và m rộng đ ợc dung l ợng của các thiết bị hiện có. Có thể thay thế hệ thống SDH từng phần vào trong m ng theo nhu cầu của dịch vụ mới. Bộ ghép SDH 24 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Bộ ghép SDH theo khuyến nghị G.709 của ITU-T có cấu trúc nh trên hình 1.20. STM-N ×N ×1 AUG AU-4 VC-4 ×3 139264 kbit/s C-3 44736 kbit/s 34368 kbit/s ×3 TUG-3 AU-3 C-4 VC-3 ×7 Ghi chó: TU-3 ×7 TUG-2 Xử lý con trỏ TU-2 VC-2 C-2 6312 kbit/s TU-12 VC-12 C-12 2048 kbit/s TU-11 VC-11 C-11 1544 kbit/s ×3 ×4 Ghép kênh VC-3 Đồng chỉnh Sắp xếp Hình 1.20: Cấu trúc bộ ghép SDH của ITU-T Chức năng các khối • C-n (n=1,...,4) : Container mức n Container là một khối thông tin chứa các byte t i trọng do luồng nhánh PDH cung cấp trong th i h n 125μs cộng với các byte độn (không mang thông tin). • VC-n : Container o mức n Container o mức n là một khối thông tin gồm phần t i trọng do các nhóm khối nhánh (TUG) hoặc Container mức n (C-n) t ơng ứng cung cấp và phần mào đầu tuyến (POH). POH đ ợc sử dụng để xác định vị trí bắt đầu của VC-n, định tuyến, qu n lý và giám sát luồng nhánh. Trong tr ng hợp sắp xếp không đồng bộ các luồng nhánh vào VC-n thì ph i tiến hành chèn bit. Có hai lo i VC-n là VC-n mức thấp (n= 1; 2) và VC-n mức cao (n = 3; 4). • TU-n : Nhóm khối nhánh mức n Nhóm khối nhánh mức n là một khối thông tin bao gồm một Container o cùng mức và một con trỏ khối nhánh (TU-PTR) để chỉ thị kho ng cách từ con trỏ khối nhánh đến vị trí bắt đầu của VC-3 hoặc VC-n mức thấp. • TUG-n (n = 2; 3) : nhóm các khối nhánh mức n Nhóm các khối nhánh mức n đ ợc hình thành từ các khối nhánh (TU-n) hoặc từ nhóm các khối nhánh (TUG) mức thấp hơn. TUG-n t o ra sự t ơng hợp giữa các Container o (VC) mức thấp và Container o (VC) mức cao hơn. • AU-n : khối qu n lý mức n 25 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Khối qu n lý mức n (AU-n) là một khối thông tin bao gồm một Container o mức n (VC-n) cùng mức và một con trỏ khối qu n lý (AU-PTR) để chỉ thị kho ng cách từ con trỏ khối qu n lý đến vị trí bắt đầu của Container o (VC) cùng mức. • AUG : nhóm các khối qu n lý Nhóm các khối qu n lý (AUG) gồm một AU-4 hoặc 3 AU-3. • STM-N (N=1, 4, 16, 64) : module truyền t i đồng bộ mức N Module truyền t i đồng bộ mức N (STM-N) cung cấp các kết nối lớp đo n trong SDH, bao gồm phần t i trọng là N × AUG và phần mào đầu đo n (SOH) để đồng bộ khung, qu n lý và giám sát các tr m lặp và các tr m ghép kênh. Sự khác nhau chủ yếu giữa SONET và SDH có thể thấy một cách rõ ràng t i luồng bậc cao. Trong SONET luồng bậc cao là VC-3, trong khi đó bậc cao của SDH l i dựa vào VC-4. Sự khác nhau này t o điều kiện thuận lợi cho truyền dẫn các luồng PDH của Châu Âu và của Bắc Mỹ qua m ng SDH. Tuy nhiên, quá trình phối hợp ho t động t i biên giới lục địa sẽ sử dụng lớp luồng bậc cao VC-4. Trong SONET, một VC-3 có thể ghép các tín hiệu STS-1. Nh ng ITU-T không qui định tốc độ bit STS-1 là tốc độ bit thấp nhất của SDH. ITU-T đã qui định ba lớp ph ơng tiện truyền dẫn chung cho c SONET và SDH bắt nguồn từ module truyền dẫn đồng bộ mức 1 (STM1) và hai mức tiếp theo là STM-4 và STM-16. Trong SDH, VC-3 đ ợc sử dụng để truyền các tốc độ bit mức 3 là 34368 kbit/s; VC-4 đ ợc sử dụng để ghép 3 VC-3 hoặc 63 VC-12. VC-4 đ ợc xác định là lớp truyền dẫn trợ giúp cho các luồng ATM trong SONET và SDH. Ngoài ra, SDH trợ giúp chuyển t i VC-11 trên các kết nối lớp VC-12 bằng gi i pháp t ơng thích đặc biệt.Có hai ph ơng pháp hình thành tín hiệu STM-N. Ph ơng pháp thứ nhất qua AU-4 và ph ơng pháp thứ hai qua AU-3. Ph ơng pháp thứ nhất đ ợc sử dụng t i Châu Âu và các n ớc khác trong đó có Việt Nam. Ph ơng pháp thứ hai đ ợc sử dụng t i Bắc Mỹ, nhật B n và một số n ớc khác. Tín hiệu AU-4 đ ợc hình thành từ một luồng nhánh 139264 kbit/s, hoặc 3 luồng nhánh 34368 kbit/s, hoặc 63 luồng 2048 kbit/s thộc phân cấp số PDH của Châu Âu. AU-3 đ ợc hình thành từ một luồng nhánh 44736 kbit/s, hoặc 7 luồng nhánh 6312 kbit/s, hoặc 28 luồng 1544 kbit/s. Cũng có thể sử dụng 63 luồng 1544 kbit/s thay thế cho 63 luồng 2048 kbit/s ghép thành tín hiệu STM-1 qua TU-12, ..., AU-4. Có thể coi quá trình hình thành STM-N bao gồm hai b ớc độc lập. B ớc thứ nhất hình thành module truyền dẫn đồng bộ mức 1 (STM-1) từ các luồng nhánh PDH. B ớc thứ hai hình thành các module truyền dẫn đồng bộ bậc cao mức N (STM-N), thực hiện bằng cách ghép xen byte các module truyền dẫn đồng bộ mức 1 (STM-1) hoặc các module truyền dẫn đồng bộ mức thấp hơn STM-M (M<N). Ph ơng pháp ghép kênh SDH Trong hệ thống SDH tốc độ bit cơ s thấp nhất là 155,52 Mbit/s, t ơng ứng với mức STM1. Để hình thành các module truyền dẫn đồng bộ bậc cao mức hơn STM-N, thực hiện bằng ph ơng pháp ghép kênh là ghép xen byte các module truyền dẫn đồng bộ mức 1 (STM-1). Quá trình ghép kênh SDH đ ợc chia ra làm hai giai đo n: • Giai đo n 1: Hình thành mức STM-1 từ các luồng nhánh PDH Sắp xếp các luồng nhánh PDH vào các khung VC t ơng ứng 26 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Ghép các khung VC vào STM-1 • Giai đo n 2: Hình thành mức STM-N từ mức STM-1 hoặc mức STM thấp hơn. Tuy nhiên chỉ xét quá trình ghép kênh SDH đ ợc lấy từ các luồng nhánh PDH theo tiêu chuẩn Châu Âu. Để hiểu rõ quá trình ghép kênh SDH, sau đây sẽ trình bày về cấu trúc khung SDH. Cấu trúc khung SDH Theo khuyến nghị G709, các khung tín hiệu trong SDH đ ợc tổ chức thành khối thông tin có 9 dòng × n cột và có th i h n là 125μs. • Cấu trúc khung VC-3 và VC-4 Cấu trúc khung VC-3 và VC-4 nh hình 1.21. 261 cét P O 9 dòng 9 dòng 85 cét Vùng t i trọng H P O Vùng t i trọng H 125μs (a) VC-3 POH 125μs (b) VC-4 POH Hình 1.21: Cấu trúc khung VC-3 (a) và VC-4 (b) Khung VC-3 có trúc 9 dòng × 85 cột. Nói một cách khác là khung có 9 dòng mỗi dòng ghép 85 byte, mỗi byte ghép 8 bit. Khung VC-4 có trúc 9 dòng × 261 cột, nghĩa là là khung có 9 dòng mỗi dòng ghép 261 byte, mỗi byte ghép 8 bit. Cấu trúc khung VC-3 và VC-4 gồm 2 phần chính: − Phần thứ nhất ghép các byte POH từ dòng 1 đến dòng 9 thuộc cột 1 dùng cho qu n lý, giám sát tuyến mức cao. (chức năng và vị trí của các byte này sẽ đ ợc trình bày trong mục 2.4.2.5) − Phần thứ hai là phần t i trọng để ghép các luồng nhánh PDH. Với khung VC-3 đ ợc ghép từ dòng 1 đến dòng 9 thuộc cột 2 đến cột 85, đối với khung VC-4 đ ợc ghép từ dòng 1 đến dòng 9 thuộc cột 2 đến cột 261. Trình tự truyền các byte trong khung là từ trái sang ph i và từ trên xuống d ới. Trình tự truyền các bit trong một byte là bit có trọng số lớn nhất truyền đi tr ớc và bit có trọng số bé nhất truyền sau cùng. Nguyên tắc truyền này áp dụng cho mọi lo i khung tín hiệu trong SDH. • Cấu trúc khung và đa khung VC-n, TU-n mức thấp Cấu trúc khung và đa khung VC-n, TU-n mức thấp nh hình 1.22. 27 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn TU-n V1 VC-n VC-11 VC-12 VC-2 26 35 107 26 35 107 26 35 107 26 35 107 104 140 428 V5 V2 125μs J2 V3 V4 250μs N2 375μs K4 500μs (b) (a) Hình 1.22: Cấu trúc khung và đa khung VC-n, TU-n mức thấp Đặc điểm của các khung VC-n và TU-n mức thấp là số byte rất ít so với VC-n và TU-n mức cao. Vì vậy ph i sắp xếp thành đa khung có 4 khung để sử dụng một số byte mào đầu tuyến và một con trỏ. Cấu trúc đa khung VC-n nh hình 2.24a, gồm 4 khung VC-n (mỗi khung VC-11 có 26 dòng và 1 cột, mỗi khung VC-12 có 35 dòng và 1 cột, mỗi khung VC-2 có 107 dòng và 1 cột). Trong mỗi khung VC-n của đa khung VC-n gồm có 2 phần: − Phần thứ nhất là các byte POH đ ợc ghép vào dòng 1, cột 1 dùng cho qu n lý và giám sát tuyến mức thấp. Nh vậy trong mỗi đa khung VC-n mức thấp có 4 byte VC-n POH, đ ợc ký hiệu là V5, J2, N2 và K4. − Phần thứ hai là phần còn l i PDH. trong mỗi khung VC-n dùng để sắp xếp các luồng nhánh Cấu trúc trúc đa khung TU-n nh hình 1.22b, gồm 4 khung TU-n. Đ ợc hình thành bằng cách thêm con trỏ TU-n PTR vào trong đa khung VC-n ( dòng1, cột 1 trong mỗi khung VC-n). Nh vậy trong mỗi đa khung TU-n có con trỏ TU-n PTR gồm 4 byte; ký hiệu là V1, V2, V3, V4. • Cấu trúc khung STM-1 Cấu trúc khung STM-1 nh hình 1.23. Khung STM-1 có 9 dòng × 270 cột, nghĩa là, khung có 9 dòng mỗi dòng ghép 270 byte, mỗi byte ghép 8 bit. Cấu trúc gồm 3 phần: − Phần thứ nhất dùng để ghép các byte RSOH và MSOH. Các byte RSOH ghép từ dòng 1 đến dòng 3 thuộc cột 1 đến cột 9 dùng cho qu n lý, giám sát các tr m lặp. Các byte 28 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn MSOH ghép từ dòng 5 đến dòng 9 thuộc cột 1 đến cột 9 dùng cho qu n lý, giám sát các tr m ghép kênh. − Phần thứ hai dùng để ghép con trỏ khối nhánh AU-3 PTR hoặc AU-4 PTR đặt t i dòng 4 thuộc cột 1 đến cột 9 (có 9 byte). − Phần thứ ba là phần t i trọng có 9 dòng × 261 cột đ ợc sử dụng để ghép 1 VC-4 hoặc 3 VC-3 hoặc 63 VC-12 v.v. 270 cét 261 9 9 dòng RSOH AU-n PTR Vùng t i trọng MSOH 125μs Hình 1.23: Cấu trúc khung STM-1 Từ cấu trúc của khung STM-1 tính đ ợc tốc độ bit của luồng STM-1. VSTM-1 = 9 dòng/khung × 270 byte/dòng × 8 bit/byte × 8000 khung/s = 15552×104 bit/s • Cấu trúc khung STM-N = 155,52 Mbit/s Khi ghép xen byte N tín hiệu STM-1 để t o ra tín hiệu STM-N thì cấu trúc khung của STMN nh hình 1.24. 270×N cét 9×N 261×N 9 dòng RSOH AU-n PTR Vùng t i trọng MSOH 125μs Hình 1.24: Cấu trúc khung STM-N 29 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn So với kích th ớc của khung STM-1 kích th ớc của khung STM-N sẽ tăng N lần. Nghĩa là, có 9 dòng × (270 × N) cột. Cấu trúc khung STM-N cũng t ơng tự nh cấu trúc khung STM-1, gồm có 3 phần chính: − Phần thứ nhất dùng để ghép các byte qu n lý, giám sát các tr m lặp RSOH và các tr m ghép kênh MSOH. − Phần thứ hai dùng để ghép con trỏ khối nhánh AU-3 PTR hoặc AU-4 PTR − Phần thứ ba là phần t i trọng. 1.2. Thông tin quang Trong những năm gần đây công nghệ thông tin quang đã phát triển rất nhanh. Thông tin quang đã đ ợc triển khai trong c m ng đ ng dài (liên tỉnh và quốc tế) và m ng nội h t. Trong m ng thông tin quang thì môi tr ng truyền dẫn sợi quang và cáp sợi quang đóng vai trò hết sức quan trọng. Đặc tính của sợi quang và cáp sợi quang nh h ng rất lớn đến chất l ợng của hệ thống. Vì vậy cần nghiên cứu kỹ l ỡng về cấu t o, tính chất và các thông số của sợi quang để lựa chọn, thiết kế, xây dựng và b o d ỡng tuyến thông tin cáp sợi quang theo các tiêu chuẩn và yêu cầu đặt ra. Muốn hình thành một tuyến thông tin quang, ngoài cáp sợi quang ph i có thiết bị thông tin quang. Thiết bị thông tin quang có các bộ phận chủ yếu nh chuyển đổi mã nhánh phát, bộ chuyển đổi mã nhánh thu, chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang, chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, các kênh nghiệp vụ, v.v. Chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang chủ yếu sử dụng các nguồn quang bằng bán dẫn. Hiện t i có 2 lo i nguồn quang chủ yếu, đó là diode phát x ánh sáng (LED) và laser diode (LD). Mỗi lo i nguồn quang này có u điểm và nh ợc điểm riêng và đ ợc ứng dụng vào từng tuyến thông tin quang cụ thể. Chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện nh diode tách quang (PD). Trong thực tế th ng dùng PIN diode hoặc APD. Mỗi lo i diode tách quang cũng có đặc tính riêng và sử dụng thích hợp cho mỗi tuyến cụ thể. Nói cách khác, ph i lựa chọn nguồn quang và diode tách quang khi thiết kế một tuyến thông tin cáp sợi quang nào đó. 1.2.1. Mô hình hệ thống thông tin quang Mô hình hệ thống thông tin quang nh hình 1.25. 30 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Telephone Telephone Tr¹m ®Çu cuèi Tr¹m lÆp Fax MUX E/O O/E E/O Tr¹m ®Çu cuèi DEO/E MUX Fax Data Data TV TV Hình 1.25: Mô hình hệ thống thông tin quang Chức năng các phần tử • Bộ ghép Mux: Có chức năng chuyển tín hiệu tho i analog thành tín hiệu số, chuyển tín hiệu truyền hình TV và tín hiệu Fax thành tín hiệu số, chuyển tín hiệu số liệu data từ d ng tín hiệu số đầu ra thiết bị truyền số liệu thành tín hiệu số t ơng ứng. Các lo i tín hiệu này đ ợc ghép thành một l ồng chung có tốc độ bit cao để đ a vào khối chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang (E/O). • Khối E/O: Khối này chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang. Muốn vậy ph i dùng nguồn quang nh LED hoặc laser diode có b ớc sóng thích hợp. Nếu tín hiệu số bơm trực tiếp vào nguồn quang thì gọi là điều chế c ng độ quang. Nếu tín hiệu số và tín hiệu quang từ laser diode đ a vào một bộ điều chế thì gọi là điều chế ngoài. Điều chế ngoài có thể là điều chế c ng độ, điều chế biên độ, điều chế tần số hoặc điều chế pha. Tín hiệu quang đầu ra khối E/O đ a vào sợi quang để truyền đi xa. • Tr m lặp: Trong hình vẽ là tr m lặp điện. T i đây ph i chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện (t i h ớng thu), tái t o xung, khuếch đ i xung và chuyền đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang (t i phía phát). Nếu dùng bộ lặp quang thì không cần chuyển đổi quang - điện - quang. Tr m lặp sử dụng trong tr ng hợp hai tr m đầu cuối hoặc xen/rẽ v ợt quá cự ly cho phép. Thông th ng khi sử dụng laser diode truyền qua sợi quang đơn mode thì cự ly là 60 - 80 km (phụ thuộc b ớc sóng). • Khối O/E: Khối này có chức năng chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Muốn vậy dùng diode tách quang PIN hoặc APD. Dòng tách quang chính là dãy tín hiệu số đ ợc đ a vào bộ khuếch đ i để nâng công suất tín hiệu thu. • Khối DEMUX: Khối này tách luồng tín hiệu số đầu vào thành các kênh tiêu chuẩn, sau đó gi i mã để chuyển thành tín hiệu tho i, tín hiệu truyền hình TV và đ a đến thiết bị thuê bao. • Cáp sợi quang: Trong thông tin quang chỉ dùng một cáp sợi quang. Số sợi quang trong cáp phụ thuộc dung l ợng của tuyến và ph ơng thức dự phòng. Mỗi hệ thống thông tin quang cần 2 sợi quang, một sợi phát và một sợi thu. Trong ph ơng thức dự phòng 1 + 1 thì mỗi hệ thống ho t động (2 sợi quang) có một hệ thống dự phòng (2 sợi quang). 31 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn 1.2.2. Các loại cáp sợi quang Sợi quang là lo i sợi điện môi có chỉ số chiết xuất thấp. Sợi có cấu trúc hình trụ của vật liệu điện môi trong suốt, gồm lõi để truyền ánh sáng và bao quanh lõi là vỏ có chỉ số chiết suất nhỏ hơn chỉ số chiết suất của lõi. Điều này nhằm t o ra điều kiện để ánh sáng truyền đ ợc trong lõi. Vỏ còn có tác dụng b o vệ lõi. Vật liệu cơ b n để chế t o lõi và vỏ là Silica (SiO2). Th ng dùng Germani dioxide (GeO2) bổ sung vào Silica để làm tăng chỉ số chiết xuất của lõi. Muốn làm gi m chỉ số chiết xuất của vỏ ph i dùng chất bổ sung là Fluorine. Để tránh trầy x ớc vỏ và tăng độ bền cơ học, sợi quang th ng đ ợc bao bọc thêm một lớp chất dẻo tổng hợp. Lớp vỏ b o vệ này sẽ ngăn chặn các tác động cơ học vào sợi, gia c ng thêm cho sợi, b o vệ sợi không bị nứt do kéo dãn hoặc x ớc do cọ xát bề mặt; mặt khác t o điều kiện bọc sợi thành cáp sau này. Lớp vỏ bọc này đ ợc gọi là lớp vỏ bọc sơ cấp. Cấu trúc đầy đủ của một sợi quang cho viễn thông nh hình 1.26. Tuỳ thuộc từng lo i sợi mà có sự phân bố chiết xuất khác nhau trong lõi sợi. Nếu chiết xuất phân bố đều thì gọi là sợi chiết xuất bậc, nếu phân bố theo qui luật tăng dần dần gọi là sợi chiết xuất gradient. Kích th ớc của sợi phụ thuộc lo i sợi, lo i thứ nhất lõi có đ ng kính 2a = 50μm gọi là sợi đa mode, lo i thứ hai lõi có đ ng kính 2a ≤ 10μm gọi là sợi đơn mode. Đ ng kính vỏ d của các lo i sợi đều bằng 125μm. Lõi Vỏ Lớp vỏ bọc sơ cấp Hình 1.26: Cấu trúc tổng th của s i quang s d ng trong viễn thông Tổng hợp c phân bố chiết xuất và kích th ớc của lõi để chia thành ba lo i sợi, đó là: − Sợi đa mode chiết xuất bậc. − Sợi đa mode chiết xuất gradient. − Sợi đơn mode (chiết xuất bậc). Ngoài ra, khi phân lo i theo cấu trúc vật liệu sợi quang đ ợc chia thành các lo i sau: − Sợi thuỷ tinh (lo i sợi thông th − Sợi lõi thuỷ tinh vỏ chất dẻo. − Sợi thuỷ tinh nhiều thành phần − Sợi chất dẻo 32 ng) Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Sau đây sẽ nghiên cứu chức năng các thành phần của sợi thông th ng. Lõi sợi đóng vai trò hết sức quan trọng, đó là môi tr ng truyền dẫn ánh sáng. Đ ng kính lõi lớn hay bé và trị số cũng nh phân bố chiết xuất của lõi nh h ng trực tiếp đến chất l ợng tín hiệu thu. Đ ng kính lõi lớn (50 μm) truyền nhiều mode (nhiều tia) nên gọi là sợi đa mode. Ng ợc l i, nếu đ ng kính lõi bé (≤ 10 μm) thì truyền chỉ một mode (một tia) nên gọi là sợi đơn mode. Trị số của chiết xuất lõi (n1) ph i lớn hơn trị số chiết xuất vỏ (n2) để t o ra ph n x toàn phần t i tiếp giáp lõi - vỏ. Điều này đ ợc thể hiện trong hình 1.27. Gi thiết ánh sáng truyền từ môi tr ng có chiết xuất lớn sang môi tr ng có chiết xuất bé. Trong hình 1.27a tia tới hợp với pháp tuyến một góc bé hơn góc tới h n, nghĩa là 0 < φ < φc nên có tia khúc x và góc khúc x 0 < φ, < π/ 2. Theo qui tắc Snell viết đ ợc: n1 sin φ = n2 sin φ, (1.1) Khi góc tới tăng cho đến khi tia khúc x trùng với tiếp giáp giữa hai môi tr φ = φc gọi là góc tới h n và góc khúc x φ,= π/ 2 (hình 1.27b). Vì vậy: sin φc= n2/ n1 (1.2) Khi φr > φc sẽ x y ra ph n x toàn phần (hình 1.27c). n1>n2 φ’ n2 n1 φ A (a) ng thì góc tới A’ B’ φc φr φr C’ C B (b) (c) Hình 1.27: Khúc xạ và phản xạ toàn phần tại ti p giáp lõi và vỏ của s i đa mode chi t xuất b c Nh vậy, điều kiện để xẩy ra ph n x toàn phần là: − Các tia sáng ph i truyền từ môi tr nhỏ hơn. ng có chiết suất lớn sang môi tr ng có chiết suất − Góc tới của tia sáng ph i lớn hơn góc tới h n. Các định luật ph n x và khúc x ánh sáng là nguyên lý cơ b n áp dụng cho việc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi quang. sợi quang, các tín hiệu ánh sáng đ ợc truyền dựa vào hiện t ợng ph n x toàn phần. 1.2.2.1. Truyền ánh sáng trong sợi quang đa mode S i quang đa mode chi t xuất b c 33 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn • Mặt cắt chỉ số chiết xuất: Lo i sợi này gọi là sợi quang đa mode chiết xuất bậc. Sợi đ ợc đặc tr ng b i vùng lõi đồng nhất có chiết xuất là hằng số n1 và xung quanh nó là vỏ có chiết xuất là n2 < n1. Mặt cắt dọc của sợi và mặt cắt chiết xuất của nó đ ợc thể hiện t ơng ứng trong các hình 1.28a và 1.28b. Vì mặt cắt chiết xuất có hình bậc thang nên gọi là chiết xuất bậc. Lõi sợi có đ ng kính 2a=50μm, vỏ sợi có đ ng kính d=125μm. d 2 r a a d 2 n2 n1 n (b) (a) Hình 1.28: S i đa mode chi t xuất b c • Khẩu độ số: Để hiểu rõ khẩu độ số (NA - Numerical Aperture) của sợi, xem xét một mặt cắt dọc qua trục sợi quang chiết xuất bậc nh hình 1.29. n1 >n2 na =1 na n2 φm θm A αm B C C’ l/ cos θm n1 θm l A’ B’ Hình 1.29: Mặt c t dọc s i chi t xuất b c Từ nguồn quang có 3 tia sáng truyền đến sợi quang. T i đầu sợi các tia sáng đi vào lõi sợi từ môi tr ng có chiết xuất na=1. Muốn tia sáng truyền trong lõi sợi thì góc tới t i tiếp giáp lõi và vỏ ph i lớn hơn góc tới h n φc. Muốn vậy thì tia khúc x t i đầu sợi ph i nghiêng với trục sợi một góc θm = π/ 2 - φm bé hơn θc = π/ 2 - φc và góc tới của tia từ nguồn quang đi vào lõi sợi αm ph i bé hơn αc. Để xác định αc và θc cần áp dụng qui tắc Snell: Đối với các tia khúc x t i tiếp giáp lõi - không khí viết đ ợc: sin αm = n1sin θm = n1cos φm Các tia khúc x này truyền đ ợc trong lõi sợi nếu tho mãn điều kiện ph n x toàn phần t i tiếp giáp lõi - vỏ, nghĩa là: sinαm= sin αc = n1sin θc = n1cos φc sin φc = n2/ n1 34 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn cos φc = (n12- n22)1/ 2/ n1 Vì vậy: sin αc = (n12- n22)1/ 2 Các tia từ nguồn quang đi vào lõi sợi có góc tới lớn hơn αc không truyền đ ợc trong lõi sợi. Giá trị αc càng lớn thì công suất ánh sáng của các tia truyền đ ợc trong lõi sợi càng lớn. αc là góc đón ánh sáng, sin αc đ ợc gọi là khẩu độ số của sợi quang, ký hiệu là NA. NA = sin αc = (n12- n22)1/ 2 = n1 (2Δ)1/ 2 trong đó: Δ = (n1 2 n22)/ (1.3) 2n1 ≈ (n1- n2)/ n1 là độ lệch t ơng đối chỉ số chiết xuất lõi và vỏ. 2 Một tham số khác có liên quan đến NA, đó là tần số chuẩn hoá V đ ợc xác định theo (1.4). V= 2 πa 2 πa 2 2 × n1 − n 2 × (NA ) = λ λ (1.4) Trong đó: a là bán kính lõi sợi quang, λ là b ớc sóng của ánh sáng. Vì khẩu độ số có liên quan tới góc vào lớn nhất, cho nên nó thể hiện sự tiếp nhận ánh sáng và kh năng tập trung các tia sáng của sợi. Ngoài ra, qua khẩu độ số cho phép tính đ ợc hiểu qu của quá trình ghép nguồn phát vào sợi quang. • Quĩ đạo truyền lan của các tia sáng Hình 1.28a thể hiện quĩ đ o truyền lan các tia sáng trong lõi sợi. Do cấu trúc của sợi nh trên nên sự truyền lan ánh sáng đ ợc mô t nh ph n x toàn phần bên trong làm cho các tia sáng khi truyền trong lõi có d ng là những đo n thẳng gấp khúc. Mỗi tia là một mode sóng, nh vậy trong sợi đa mode chiết xsuất bậc truyền đ ợc số l ợng lớn các tia. Số l ợng mode truyền trong lõi sợi đ ợc xác định theo biểu thức N≈ V2 2 (1.5) Trong đó: V là tần số chuẩn hoá đ ợc xác định b i (1.4). S i quang đa mode chi t xuất Gradient • Mặt cắt chiết suất Khác với sợi đa mode chiết xuất bậc, sợi đa mode chiết xuất Gradient có mặt cắt chiết xuất nh hình 1.30b. Trong sợi quang chiết xuất Gradient, chiết suất của lõi không đồng đều nh sợi đa mode chiết xuất bậc, mà nó gi m dần từ tâm lõi ra ranh giới phân cách lõi - vỏ theo chiều tăng của của bán kính r. Còn chiết xuất vỏ là một hằng số. Phân bố chiết xuất của sợi quang đa mode chiết xuất Gradient nh biểu thức (1.6). n(r) = 2 ⎡ ⎛r⎞ ⎤ n1 ⎢1 − 2 Δ⎜ ⎟ ⎥ ⎝ a ⎠ ⎥⎦ ⎢⎣ n2 1/ 2 Khi 0 ≤ r ≤ a Khi a < r ≤ d/2 (1.6) Trong đó r là bán kính của sợi quang; a là bán kính lõi sợi; n1 là chiết suất t i trục lõi sợi; n2 là chiết xuất của vỏ; Δ đã đ ợc gi i thích t i biểu thức (1.3). 35 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn d 2 r a a d 2 (a) n2 n1 n (b) Hình 1.30: S i đa mode chi t suất Gradient • Khẩu độ số: So với sợi chiết suất bậc thì việc xét khẩu độ số của sợi chiết xuất gradient có phức t p hơn. sợi Gradient, khẩu độ số NA phụ thuộc vào vị trí mặt cắt ngang đầu lõi sợi. Nói một cách khác, vì chiết suất của sợi đa mode Gradient phụ thuộc vào bán kính r của sợi, do vậy góc đón ánh sáng αmax và khẩu độ số NA cũng là hàm của bán kính. Xét về quang hình học thì ánh sáng tới lõi sợi t i vị trí r sẽ lan truyền đ ợc trong lõi chỉ khi nó trong khẩu độ số cục bộ NA(r) t i điểm đó. Khẩu độ số cục bộ NA(r) đ ợc xác định nh biểu thức (1.7). [n (r ) − n ] 2 NA(r) = [ 2 1/ 2 2 0 ≈ NA (0 ) 1 − ⎜ ⎟ ] ⎛r⎞ ⎝a⎠ 2 Khi 0 ≤ r ≤ a Khi a < r ≤ d/2 (1.7) Với NA(0) là khẩu độ số t i trục sợi và đ ợc xác định nh biểu thức (1.8). NA(0) = n (0 ) − n 2 2 2 1/ 2 (1.8) Từ biểu thức (1.7) cho thấy NA của sợi Gradient gi m từ giá trị NA(0) (vì t i lõi có r = 0) tới không (vì t i tiếp giáp lõi - vỏ r = a). Nh vậy, các tia sáng đi đến lõi sợi quang gần tiếp giáp lõi - vỏ sợi quang ph i song song với tiếp giáp này thì mới truyền đ ợc vào lõi. • Quĩ đạo truyền lan của các tia sáng Quĩ đ o các tia sáng truyền trong lõi sợi đa mode Gradient nh hình 1.30b. Vì chỉ số chiết suất của lõi sợi là đ ng cong Parabole nên các tia sáng đổi h ớng liên tục và t o thành đ ng cong hình sin và cắt nhau t i các điểm cách đều trên trục sợi. u điểm nổi bật của sợi đa mode Gradient là độ rộng băng tần lớn hơn sợi đa mode chỉ số bậc và tốc độ truyền của các mode khác nhau trong lõi sợi hầu nh đã đ ợc cân bằng nh cấu t o mặt cắt chỉ số chiết suất thích hợp. Số l ợng mode truyền trong lõi sợi đ ợc xác định theo biểu thức (1.9). N≈ V2 4 Trong đó: V là tần số chuẩn hoá đ ợc xác định nh biểu thức (1.4). 36 (1.9) Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn 1.2.2.2. Truyền ánh sáng trong sợi quang đơn mode Trong sợi đa mode chiết xuất bậc tán sắc mode có nh h ng lớn nhất và làm h n chế kh năng truyền tín hiệu. Để lo i trừ hoàn toàn tán sắc này cần chế t o sợi sao cho trong lõi chỉ truyền một mode cơ b n nh hình 1.31. d 2 r a d 2 (b) n2 n1 n (a) Hình 1.31: S i đ n mode chi t suất b c Điều kiện truyền một mode cơ b n trong sợi đơn mode là tần số chuẩn hoá V ph i tho mãn biểu thức (1.10). V= 2 πa 2 2 × n1 − n 2 ≤ 2,405 λ (1.10) u điểm của sợi đơn mode là băng tần lớn hơn so với sợi đa mode do không có tán sắc mode. Nhân tố chủ yếu làm h n chế băng tần của sợi đơn mode là tán sắc sắc thể. Ngoài ra sợi đơn mode còn có các u điểm khác nh : Suy hao thấp, dung l ợng lớn nên đáp ứng đ ợc nhu cầu truyền tín hiệu băng rộng trong t ơng lai. Từ biểu thức (1.10) nếu a, n1 và n2 đ ợc chọn thì số l ợng mode N phụ thuộc vào b ớc sóng λ. Nếu b ớc sóng đ t đ ợc từ giá trị nào đó tr lên thì trong lõi sợi chỉ truyền một mode, ng ợc l i nếu b ớc sóng ánh sáng bé hơn giá trị giới h n thì trong lõi sợi truyền nhiều mode. B ớc sóng tối thiểu đ m b o cho sợi quang ho t động đơn mode gọi là b ớc sóng cắt (λc). Khái niệm về b ớc sóng cắt là rất quan trọng đối với các sợi đơn mode b i vì nó xác định vùng ho t động đơn mode của sợi. B ớc sóng cắt đ ợc xác định theo biểu thức (1.11). λc = 2 πa 2 2 × n1 − n 2 2,405 (1.11) Nếu sợi có đ ng kính lõi 2a = 9μm, NA= (n12- n22)1/2 = 0,11 thì b ớc sóng cắt sẽ là: λc = 3,14 × 9μm × 0,11/ 2,045 = 1293 nm Muốn đ t đ ợc tần số cắt nh biểu thức (1.12) thì ph i tăng độ dài b ớc sóng công tác của nguồn quang hoặc gi m đ ng kính lõi sợi hoặc gi m hiệu số chiết xuất giữa lõi và vỏ (Δ). Tuy nhiên nếu gi m Δ thấp hơn giới h n cho phép thì sợi rất nh y c m với suy hao do uốn cong. Từ biểu thức (1.10) cũng xác định đ ợc đ 2a ≤ ( 2,405 λ π n1 − n 2 2 ) ng kính của lõi sợi: 2 1/ 2 37 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Mặc dù đ ng kính lõi gi m bé hơn 10 μm nh ng đ ng kính vỏ vẫn ph i đ m b o 125μm để b o vệ lõi sợi từ các tác động cơ học và gi m nh y c m đối với suy hao do uốn cong. Các chỉ tiêu kỹ thuật của sợi đơn mode tiêu chuẩn nh b ng 1.4. Bảng 1.4. Các chỉ tiêu k thu t của s i đ n mode tiêu chu n Các tham số Đ ng kính tr Đ ng kính vỏ Đơn vị Giá trị danh định Sai số μm 9÷10 ±3 μm ng mode 125 ±10% Độ lêch tâm giữa lõi và vỏ μm Độ méo của vỏ % <2 B ớc sóng cắt của sợi nm 1100<λC<1280 Suy hao do uốn cong (quấn 100 vòng quanh ống sợi có bán kính 37,5mm t i 1550nm) dB <1 Suy hao t i 1300nm dB/km <1 Suy hao t i 1550nm dB/km <0,5 nm 1295<λ0< 1322 B ớc sóng tán sắc zero Giá trị tán sắc t i λ0 ps/(nm.km) ≤0,095 ps/(nm.km) ≤3,5 Trị số tán sắc Vùng λ=1285÷1330nm Vùng λ=1270÷1340nm ps/(nm.km) Vùng λ=1525÷1575nm ≤1 ps/(nm.km) ≤6,0 ≤20 1.2.2.3. Các tham số truyền dẫn của sợi quang Các tham số truyền dẫn của sợi quang gồm suy hao, tán sắc, độ rộng băng tần, khẩu độ số và b ớc sóng cắt. Đây là những yếu tố rất quan trọng, chúng tác động vào toàn bộ quá trình thông tin, định cỡ về kho ng cách và tốc độ của tuyến truyền dẫn cũng nh xác định cấu hình của hệ thống thông tin quang. Những tham số này đ ợc xem xét chi tiết sau đây. 1) Suy hao của s i quang Suy hao trong sợi quang là một trong những thông số quan trọng khi xác định kho ng lặp cực đ i và đ ợc biểu thị bằng dB/km. Suy hao do các yếu tố bên trong và bên ngoài gây ra. Suy hao của sợi đ ợc xác định bằng tỷ số giữa công suất quang đầu ra Pout của sợi quang dài L (km) với công suất quang đầu vào Pin. Tỷ số công suất này là hàm của b ớc sóng, nếu gọi α là hệ số suy hao thì nó đ ợc xác định theo biểu thức (1.12). α= 10 ⎛ Pin ⎞ log⎜ ⎟ L ⎝ Pout ⎠ [dB/km] (1.12) Trong quá trình truyền tín hiệu ánh sáng, b n thân sợi quang có suy hao và làm cho tín hiệu yếu đi khi qua một cự li lan truyền nào đó. Suy hao do các yếu tố bên trong sợi quang bao gồm: − Suy hao do hấp thụ − Suy hao do tán x 38 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Trong các suy hao trên đây, suy hao do hấp thụ có liên quan tới vật liệu sợi bao gồm hấp thụ do t p chất, hấp thụ vật liệu và hấp thụ vùng hồng ngo i và vùng cực tím. Suy hao do tán x có liên quan tới c vật liệu sợi và tính không hoàn h o về cấu trúc của sợi. Nguyên nhân bên ngoài gây ra suy hao có thể là do ghép nối, lắp đặt và môi tr ng gây ra. Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang và giữa sợi quang với đầu thu quang cũng đ ợc coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn. Bên c nh đó, suy hao còn do vi uốn cong (với bán kính uốn cong rất nhỏ) và uốn cong quá giới h n cho phép. Uốn cong là không thể tránh khỏi trong điều kiện ho t động hiện t i cho c bên trong cáp và t i các hộp chứa mối hàn. Vi uốn cong chủ yếu hoặc do lực ép vào bề mặt gồ ghề của vỏ sợi hoặc do oằn sợi bên trong cáp. Ngoài ra sự thay đổi nhiệt độ cũng gây ra vi uốn cong. Để gi m suy hao vi uốn cong tới mức nhỏ nhất là bọc một lớp vỏ có kh năng chịu nén cho sợi. Khi có lực bên ngoài tác động vào thì vỏ này sẽ bị biến d ng tr ớc nh ng sợi vẫn định h ớng t ơng đối thẳng. Khi sợi bị cong quá mức thì ánh sáng không ph n x t i tiếp giáp lõi - vỏ, mà truyền vào vỏ và gây ra suy hao. Về lý thuyết suy hao công suất quang t i đo n sợi đa mode bị cong tỷ lệ với exp(R/ Rc), trong đó R là bán kính cong, Rc ≈ a/ (NA)2 = a/ 2n12Δ là bán kính cong tới h n, a là bán kính lõi sợi. T i đo n cong có bán kính Rc suy hao là đáng kể, nh ng suy hao d ng hàm mũ sẽ gi m rất nhanh khi độ cong gi m. Trong sợi đơn mode suy hao uốn cong phụ thuộc vào ph m vi mà điện từ tr ng thâm nhập vào vỏ, và vì vậy phụ thuộc vào mặt cắt hệ số chiết xuất và b ớc sóng. Suy hao do uốn cong chính là tr ng m rộng vào vỏ và suy biến theo hàm mũ theo kho ng cách bức x . Mặt phẳng pha vuông góc với trục sợi. Tốc độ pha của mode dẫn bất kỳ là thấp hơn tốc độ pha của các sóng phẳng trong vỏ (c/n2). Nh ng bên ngoài đo n cong tốc độ pha tăng theo kho ng cách bức x và đ t đ ợc c/n2. Trong sợi đơn mode sợi bị uốn cong sẽ nh h ng đến đặc tính cơ học nhiều hơn nh h ng đến suy hao. Nếu sợi bị uốn cong thái quá thì mặt sợi phía ngoài bị dãn thêm 0,2% và sợi bị nứt, còn mặt sợi phía trong sẽ bị nén và gãy. Muốn ngăn ngừa ph i đặt sợi trong cáp. 2) Tán s c của s i quang Hiện t ợng tán sắc làm nới rộng xung ánh sáng theo th i gian và méo xung ánh sáng truyền dọc theo sợi. Tán sắc làm h n chế kh năng truyền tín hiệu của sợi hoặc nói đúng hơn là h n chế băng tần công tác và cự ly truyền dẫn của sợi. Có các lo i tán sắc chủ yếu sau đây: Tán sắc Mode, tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng. Tuỳ lo i sợi mà tán sắc nào trong số các tán sắc này v ợt trội. Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích th ớc của lõi sợi, nó tồn t i trong các sợi đa mode. Các sợi đơn mode gần nh không có tán sắc mode mà chỉ tồn t i tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng (tổng hai lo i tán sắc này gọi là tán sắc sắc thể). Tán sắc mode còn gọi là tán sắc giữa các mode. Nguyên nhân là trong sợi đa mode có sự khác nhau về tốc độ nhóm giữa các mode và do đó các mode xuất phát từ đầu sợi t i cùng một th i điểm nh ng đến cuối sợi không đồng th i. Độ lệch th i gian giữa mode nhanh nhất và mode chậm nhất đặc tr ng cho tán sắc mode. Tán sắc sắc thể (hay tán sắc tổng) gồm có hai thành phần, đó là: Tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng nh đã nói trên đây. Tán sắc vật liệu là do chiết xuất của vật liệu phụ thuộc vào b ớc sóng. Tán sắc ống dẫn sóng là do sự phụ thuộc không tuyến tính của hằng số truyền lan β vào tần số (b ớc sóng) trong ống dẫn quang. 39 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn 3) Độ rộng băng tần công tác của s i Hiện nay trên một số tuyến thông tin quang còn sử dụng sợi đa mode chiết xuất gradient. Độ rộng băng tần của lo i sợi này bị h n chế chủ yếu do tán sắc mode hoặc tán sắc vật liệu tuỳ thuộc vào b ớc sóng của nguồn quang. Khi nguồn quang là LED có đặc tính phổ rộng và ho t động t i λ = 850 nm thì tán sắc vật liệu đóng vai trò chủ yếu. Ng ợc l i, nếu sử dụng laser diode có đặc tính phổ hẹp hơn và ho t động t i λ = 1300 nm thì tán sắc mode l i đóng vai trò chủ yếu. Độ rộng băng tần công tác của sợi đơn mode phụ thuộc chủ yếu vào tán sắc tổng. 4) Kh u độ số Khái niệm khẩu độ số NA đã đ ợc trình bày (1.3) và (1.7). trên. NA đ ợc xác định theo các biểu thức 5) B ớc sóng c t Khái niệm b ớc sóng cắt đã đ ợc trình bày thức (1.11). trên. B ớc sóng cắt đ ợc xác định theo biểu 1.2.3. Máy phát tín hiệu quang 1.2.3.1. Các loại nguồn quang Nguồn quang trong thiết bị thông tin quang là linh kiện có kh năng chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang d i b ớc sóng truyền trong sợi quang. Có hai lo i nguồn quang, đó là diode phát x (LED) và laser diode (LD). Sau đây trình bày một số khái niệm liên quan đến chức năng của nguồn quang. Nếu trong nguyên tử (hoặc phân tử) chuyển động của các điện tử đ ợc giới h n trong một ph m vi hẹp cỡ bằng kích th ớc nguyên tử, thì trong các chất rắn nói chung và chất bán dẫn nói riêng, các điện tử hoá trị có thể chuyển động từ nguyên tử nút m ng tinh thể này đến nguyên tử nút m ng tinh thể khác và là s hữu chung của c m ng tinh thể. Vì các mức năng l ợng của điện tử phụ thuộc vào vị trí t ơng đối của nó so với m ng tinh thể, mà số điện tử l i rất nhiều, do đó số các mức năng l ợng của các điện tử hoá trị trong toàn m ng tinh thể là một số vô cùng lớn. Ngoài ra trong chất rắn, các nguyên tử đ ợc phân bố sát nhau, các lớp vỏ điện tử của chúng đặc biệt là những lớp phía ngoài che phủ lên nhau và t ơng tác với nhau rất m nh. Sự t ơng tác này gây nên những dịch chuyển vị trí và làm tách các mức năng l ợng điện tử ra thành nhiều phân mức khác nhau. Đối với các chất bán dẫn, những vùng năng l ợng cho phép đ ợc ngăn cách với nhau b i tập hợp các giá trị năng l ợng vùng cấm. Thông th ng độ rộng vùng cấm của các chất bán dẫn điển hình kho ng 0,1÷1,0 eV. Trong số các vùng năng l ợng cho phép, vùng trên cùng đã dồn đầy các điện tử hoá trị đ ợc gọi là vùng dẫn. Vùng tiếp theo đó còn hoàn toàn trống nhiệt độ 0K gọi là vùng cấm và vùng d ới cùng gọi là vùng háo trị. Vì quá trình vật lý xẩy ra trong các chất bán dẫn chỉ liên quan đến các điện tử vùng hoá trị hoặc đáy vùng dẫn do đó khi vẽ gi n đồ năng l ợng của bán dẫn chỉ để ý đến hai vùng này nh hình 1.32. 40 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Vùng dẫn Eg Vùng cấm Vùng hoá trị Hình 1.32: S đồ vùng năng l ng của bán d n nhiệt độ thấp thì bán dẫn tr thành chất điện môi. Khi nhiệt độ tăng thì bán dẫn tr thành chất dẫn điện. B i vì khi đó các điện tử của vùng hoá trị nhận đ ợc năng l ợng đủ lớn để v ợt qua vùng cấm lên vùng dẫn và tr thành các điện tử dẫn. Khi đó vùng hoá trị, t i nơi điện tử vừa đi khỏi sẽ xuất hiện các lỗ trống nh hình 1.33. Năng l ợng các điện tử Điện tử E0 Vùng dẫn EC Chuyển dịch điện tử Mật độ các điện tử Vùng cấm EV Mật độ các lỗ trống Vùng hoá trị Lỗ trống Hình 1.33: S đồ phân bố m t độ các điện t và lỗ trống Quá trình này đ ợc gọi là quá trình t o cặp điện tử và lỗ trống bằng nhiệt. Quá trình xẩy ra không chỉ do nung nóng bán dẫn, mà có thể hình thành d ới tác dụng các d ng kích thích khác. Ví dụ nh bằng ánh sáng, dòng điện, bắn phá b i các điện tử và ion bên ngoài. Song song với quá trình trên, trong tinh thể bán dẫn còn xẩy ra quá trình ng ợc l i gọi là quá trình tái hợp điện tử-lỗ trống, các điện tử của vùng dẫn có thể thực hiện chuyển d i tự phát xuống vùng hoá trị và chiếm lấy các mức năng l ợng tự do đó. Các thực nghiệm về quang phổ đều cho thấy khi các nguyên tử hấp thụ và bức x đều hình thành phổ v ch. Hiện t ợng này đ ợc gi i thích dựa vào mức năng l ợng r i r c t ơng ứng với các tr ng thái của nguyên tử. Ký hiệu E1 và E2 là hai mức năng l ợng của một nguyên tử. đây, E1 là năng l ợng tr ng thái nền và E2 là năng l ợng tr ng thái kích thích. T i tr ng thái cân bằng nhiệt thì các điện tử mức năng l ợng thấp E1 (hình 1.34a). Theo định luật Planck thì sự dịch chuyển giữa hai tr ng thái này có liên quan tới quá trình hấp thụ và phát x của các photon có năng l ợng hν12= E2-E1. Bình th ng, hệ thống tr ng thái nền. Khi có một năng l ợng hν12 tác động vào hệ thống thì một điện tử tr ng thái E1 sẽ hấp thụ năng l ợng này và đ ợc kích thích lên tr ng thái E2 (hình 1.34b). Vì đây là tr ng thái không bền vững nên điện tử sẽ nhanh chóng quay l i tr ng thái ban đầu và sẽ gi i phóng một năng l ợng bằng E2-E1. Hiện t ợng này gọi là 41 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn phát x tự phát (hình 1.34c) và khi năng l ợng đ ợc gi i phóng d ới d ng ánh sáng thì gọi là ánh sáng phát x tự phát. Phát x này đẳng h ớng, có pha ngẫu nhiên. Một số chất dễ dàng phát sáng, và một số chất khác không phát sáng. E2 Bức x c ỡng bức Bức x tự phát Điện tử Ánh sáng Ánh sáng Lỗ trống E1 a) b) c) Hình 1.34: Bi u đồ mức năng l d) ng và quá trình phát xạ Theo cơ học l ợng tử thì b ớc sóng ánh sáng khi phát x hoặc hấp thụ đ ợc xác định theo biểu thức sau đây: E2-E1 = hν12, ν12 = (E2- E1)/ h λ = c/ν12 = hc/(E2-E1) Vậy: Trong đó: (1.13) h = 6,626 × 10-34 J.s là hằng số Planck c = 3×108 m/s là tốc độ ánh sáng trong không gian tự do. Khi ánh sáng có năng l ợng bằng E2 - E1 tác động vào hệ thống trong khi điện tử đang tr ng thái kích thích thì điện tử hấp thụ năng l ợng ánh sáng tới buộc nó tr về mức năng l ợng E1và gi i phóng ra năng l ợng. Năng l ợng ánh sáng đ ợc gi i phóng t i th i điểm này sẽ lớn hơn năng l ợng ánh sáng phát x tự phát và pha của nó là pha của ánh sáng tới. Hiện t ợng này gọi là phát x c ỡng bức (hình 1.34d). B ớc sóng phát x c ỡng bức cũng đ ợc xác định theo biểu thức (1.13). 1.2.3.2. Diode phát quang (LED) LED phát xạ mặt (SLED) Diode phát x mặt có cấu trúc dị thể kép đ ợc ký hiệu là DH SLED. Mặt cắt ngang của DH SLED kiểu chôn nh hình 1.35. 150μm 50μm Lớp tiếp xúc Lớp nền n-GaAs Vùng hoạt tính p-GaAs SiO Lớp tiếp xúc dươ àt ả Hình 1.35: Mặt c t ngang của DH SLED ki u chôn 42 60μm Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Lớp ho t tính có bề rộng gần bằng đ ng kính lõi sợi đa mode và phía nối với sợi quang khoét một hố sâu để chôn đầu sợi quang gần lớp ho t tính. Nh vậy sẽ hứng đ ợc nhiều tia sáng đi vào lõi sợi, đồng th i gi m suy hao công suất ánh sáng. Lớp cách điện SiO2 phủ lên lớp tiếp xúc d ơng chỉ trừ một vùng đối diện với lớp ho t tính để tập trung mật độ dòng qua lớp ho t tính và sẽ nâng cao đ ợc hiệu suất phát x . Lớp tiếp xúc d ơng đặt gần lớp ho t tính sẽ to nhiệt và đ m b o cho nhiệt độ của nguồn quang không v ợt giới h n cho phép. Nếu nhiệt độ lớp ho t tính v ợt quá ph m vi cho phép sẽ gây ra ba hậu qu là b ớc sóng bức x thay đổi theo nhiệt độ, hệ số l ợng tử bên trong gi m do tăng tốc độ tái hợp không bức x khi nhiệt độ tăng, gi m tuổi thọ của LED. Qua tính toán và thực nghiệm thấy rằng công suất phát của LED gi m 50% nếu nhiệt độ trong phòng tăng tới 900C ÷ 1000C. LED chế t o từ GaAlAs và InGaAsP thì nhiệt độ đỉnh của tiếp giáp ph i duy trì thấp hơn 600C ÷700C. Hình 1.36 minh ho nguyên lý ho t động của LED. V Lớp ho t tính p P N hoặc e d Hàng rào dị thể Vùng dẫn Điện tử Lỗ trống c c d Hàng rào dị thể e Lớp ho t tính P Tái hợp Vùng cấm Vùng hoá trị N Phát x tự phát Hình 1.36: Nguyên lý hoạt động của LED LED gồm đ o mật độ các h t t i điện, bức x tự phát và phát ánh sáng vào sợi. LED sử dụng nguồn phân cực thuận, tức là cực d ơng của nguồn nối với lớp tiếp xúc d ơng. Khi có dòng bơm qua LED thì các điện tử từ d i hoá trị nh y lên d i dẫn. D ới tác động của điện tr ng phân cực thuận, các điện tử từ lớp N chuyển dịch vào lớp ho t tính, còn các lỗ trống từ lớp P chuyển dịch vào lớp ho t tính. Các cặp điện tử lỗ trống tái hợp với nhau và bức x photon. 43 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn LED phát xạ cạnh (ELED) Diode phát x c nh có cấu trúc dị thể kép có ký hiệu là DH ELED và có cấu t o nh hình 1.37. Công suất quang đ ợc truyền dọc theo lớp ho t tính nh ph n x bên trong t i các tiếp giáp dị thể và đi tới mặt bên của diode. Lớp ho t tính đ ợc qui định b i lớp tiếp xúc và rãnh sâu cuối lớp ho t tính. Nh vậy mà lớp ho t tính đ ợc thu ngắn nh ng kích th ớc của chip l i không quá bé. Tự hấp thụ của lớp ho t tính gi m do lớp này rất mỏng. Công suất quang bị hấp thụ lớn nhất x y ra t i d i b ớc sóng ngắn. Nh vậy mà thu hẹp bề rộng phổ so với LED phát x mặt. Độ rộng phổ gi m từ 35nm xuống 25nm t i b ớc sóng 0,9μm và từ 100nm xuống 70nm t i 1,3μm. Ánh sáng đầu ra của DH ELED có d ng hình chóp elip, góc m theo chiều đứng là 300 và theo chiều ngang là 1200. Góc phát x nh vậy sẽ ghép nối ELED với sợi đa mode có hiệu qu hơn so với SLED và cũng có thể phóng vào sợi đơn mode một công suất quang đáng kể. So với SLED thì ELED khó to nhiệt hơn. Nh ng so với laser diode thì ELED dễ chế t o hơn, ho t động đơn gi n hơn, độ tin cậy cao hơn và rẻ hơn. Vì vậy nó đ ợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống mà độ tin cậy và giá thành đ ợc u tiên hơn chất l ợng. ← ↑ → ↓ ⊗ ⊕ 350μm Lớp ti p xúc và toả nhiệt Au 3μm 2μm 0,05μm 2μm 3μm ∼300 Lớp n n n-GaAs ∼1200 50μm 150μm Hình 1.37: S đồ cấu trúc của diode phát xạ cạnh Các lớp bao gồm: ← Lớp cách điện; ↑ p+-GaAs; → P-Ga0,6Al0,04As; ↓ Lớp ho t tính nGa0,9Al0,1As; ° N- Ga0,6Al0,4As; ± n-GaAs Các tham số của LED Các tham số cơ b n của LED nh b ng 1.5. 44 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Bảng 1.5. Các tham số của LED Các tham số Gi i b ớc sóng 800 nm ÷ 850nm B ớc sóng 1300nm Ga Al As 30 ÷ 60 Ga In As P 0,5 ÷ 4,0 0,4 ÷ 0,6 0,01 ÷ 0,05 0,015 ÷ 0,035 Vật liệu lớp ho t tính Độ rộng phổ, nm Công suất phát, mW 50 ÷ 150 Công suất phóng vào sợi, mW: - đa mode 2a = 50μm SLED 0,05 ÷ 0,13 ELED đơn mode ELED 50 ÷ 150 Dòng điều khiển, mA Th i gian tăng s n xung, ns 4 ÷ 14 SLED 2 ÷ 10 ELED 0,08 ÷ 0,15 Tần số điều chế, GHz 1 ÷ 10 Tuổi thọ, 106 h 0,03 ÷ 0,06 0,003 ÷ 0,03 100 ÷ 150 2,5 ÷ 10 0,1 ÷ 0,3 50 ÷ 100 1.2.3.3. Laser diode có khoang cộng h ởng Fabry- perot Laser diode có cấu trúc dị thể kép nh LED, nh ng có kh năng khuếch đ i. Để đ t đ ợc mục đích này th ng dùng khoang cộng h ng Fabry - Perot, bằng cách mài nhẵn hai đầu dị thể kép thành hai g ơng ph n x nh hình 1.38a. Cấu trúc này của laser diode đ ợc viết tắt là FP-LD. Kho ng cách hai g ơng trong Laser diode Fabry-Perot là L. Các g ơng này có có kh năng t o ra hồi tiếp tích cực, tức là sự quay l i của các photon kích thích trong vùng ho t tính sẽ kích thích nhiều photon hơn. Ánh sáng đi ra ngoài qua hai g ơng ph n x . Xét điều kiện khuếch đ i trong laser diode Fabry-Perot: một sóng truyền từ g ơng bên trái tới g ơng bên ph i, nh hình 1.38b. T i g ơng bên ph i, sóng này sẽ ph n x và tiếp tục truyền nh thế. D ng sóng này gọi là sóng đứng. Để trong buồng cộng h ng chỉ có sóng với b ớc sóng ổn định thì nó ph i là sóng đứng. Yêu cầu vật lý này có thể đ ợc viết nh biểu thức 2L/λ =N Trong đó: (1.14) L- kho ng cách hai g ơng N- số nguyên. Để tho mãn điều kiện cộng h bằng số nguyên lần nửa b ớc sóng. ng, hai g ơng ph n x ph i cách nhau một quãng là L Quá trình phát x của FP-LD đ ợc thực hiện khi một vài b ớc sóng cộng h trong đ ng cong khuếch đ i có hệ số khếch đ i lớn hơn suy hao nh hình 1.38c. ng nằm 45 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Vùng ho t tính G ơng G ơng Vùng h n chế Vùng h n chế (a) (b) Công suất đầu ra (mW) Khuếch đ i/Tổn hao L Tổn hao λN+2 λN+1 λN λN-1 λN-2 λ (nm) Δλ (d) (c) Hình 1.38: Laser diode Fabry-Perot: (a) Cấu tạo của khoang cộng h (b) Hình thành sóng đứng trong khoang cộng h (c) Đ λ (nm) ng; ng; ng cong tổn hao-khu ch đại; (d) Phổ phát xạ của FP-LD 1.2.3.4. Máy phát tín hiệu quang Chức năng chuyển đổi điện-quang của máy phát quang đ ợc thể hiện trong hình 1.39. Tín hiệu vào Bộ Bộ lập mã điều khiển IP Nguồn quang Tín hiệu quang ra Hình 1.39: S đồ khối máy phát tín hiệu quang Bộ lập mã có chức năng chuyển mã đ ng thành mã thích hợp với ho t động của nguồn quang và đ ng truyền. Bộ điều khiển chuyển điện áp tín hiệu đơn cực thành dòng bơm Ip cho nguồn quang. Nếu dòng Ip đ t giá trị cực đ i thì công suất phát của nguồn quang cũng đ t giá trị cực đ i. Ng ợc l i, khi Ip cực tiểu thì công suất phát của nguồn quang gần bằng zero. Đây là ph ơng thức điều chế c ng độ bức x của nguồn quang. 1.2.4. Máy thu tín hiệu quang 1.2.4.1. Các loại photodiode Nguyên t c tách quang 46 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Trong thiết bị thông tin quang sử dụng hai lo i diode tách quang (PD), đó là PIN diode và diode quang thác (APD). Tr ớc khi phân tích chi tiết các lo i, cần hiểu rõ nguyên tắc chung về tách quang. C hai lo i PD đều dựa vào tiếp giáp p-n phân cực ng ợc. Khi ánh sáng chiếu vào PD có b ớc sóng trong không gian tự do bé hơn b ớc sóng cắt đ ợc xác định theo biểu thức λ c (μm ) = 1,24 [eV.μm] , E g [eV] (1.15) trong đó Eg là độ rộng d i cấm, thì bán dẫn sẽ hấp thụ các photon. Hấp thụ một photon sẽ kích thích một điện tử trong d i hoá trị nh y lên d i dẫn và để l i trong d i hoá trị một lỗ trống. Nh vậy mỗi photon đ ợc hấp thụ sẽ t o ra một cặp điện tử - lỗ trống. Tuy nhiên biểu thức (1.15) chỉ là điều kiện cần cho tách quang. Điều kiện đủ để tách quang là các cặp điện tử-lỗ trống đ ợc t o ra do hấp thụ photon sẽ không tái hợp tr ớc khi hình thành dòng điện qua m ch ngoài (hình 1.40). Không ph i tất c photon đ ợc hấp thụ trong diode tách quang đều tham gia vào sự hình thành đáp ứng của diode. Cần chú ý là, khác với laser diode ho t động trong một d i b ớc sóng rất hẹp, còn PD l i ho t động trong d i b ớc sóng rất rộng. D i cấm là một tham số chủ chốt của PD. Nh đã nhận xét trên là silic không sử dụng cho laser diode, Nh ng silic l i có thể sử dụng để chế t o PD ho t động trong d i b ớc của sợi quang. Một điểm khác nhau cơ b n nữa giữa LD và PD là PD đ công suất quang thu rất bé nên không làm nóng PD, do đó việc chế t o tích hợp quang điện rất dễ dàng. vì có d i cấm gián tiếp. sóng t i cửa sổ thứ nhất ợc định thiên ng ợc. Do các PD d ới d ng m ch 1.2.4.2. Diode tách quang p-n Diode tách quang p-n nh hình 1.40. V p Ánh sáng tới _ _ _ + + + + + n (a) Engoài ETX Hình 1.40: Diode tách quang p-n • Tiếp xúc P-N không có điện áp phân cực Trong vùng bán dẫn n nồng độ điện tử cao hơn nồng độ lỗ trống; trong vùng bán dẫn p nồng độ lỗ trống cao hơn nồng độ điện tử. Vì vậy t i vùng lân cận tiếp giáp p- n xuất hiện hiện t ợng khuếch tán các h t t i điện: lỗ trống khuếch tán từ vùng p sang vùng n và các địện tử khuếch tán từ vùng n sang vùng p. Dòng khuếch tán h ớng từ p sang n. Các điện tử khuếch tán qua tiếp giáp sẽ tái hợp với các lỗ trống trong vùng p và hình thành các ion âm trong vùng p lân cận với tiếp giáp. Các lỗ trống khuếch tán qua tiếp giáp sẽ tái hợp với điện tử trong vùng n và hình 47 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn thành các ion d ơng trong vùng n lân cận với tiếp giáp. về hai phía của tiếp giáp xuất hiện hai khối điện tích cố định trái dấu và gọi là vùng điện tích không gian hay vùng nghèo (nồng độ các h t t i điện không đáng kể). Độ dày vùng nghèo này kho ng 1μm. Hai khối điện tích trái dấu t o ra điện tr ng tiếp xúc (ETX) có véc tơ c ng độ điện tr ng h ớng từ các điện tích d ơng cố định sang các điện tích âm cố định. • Tiếp xúc P-N phân cực ng ợc Do vùng nghèo hầu nh trống rỗng các h t t i điện nên có điện tr lớn hơn các vùng nằm bên ngoài vùng nghèo. Do đó nguồn phân cực ng ợc (V) t o ra trên vùng nghèo một điện tr ng ngoài (Engoài) có trị số gần bằng V và chiều của véc tơ c ng độ điện tr ng ngoài trùng với chiều với véc tơ c ng độ điện tr ng tiếp xúc. Điện tr ng tổng này t o ra trên tiếp giáp p-n một hàng rào thế ngăn tr sự khuếch tán của các h t t i điện đa số qua tiếp giáp. Ng ợc l i, các h t t i điện thiểu số trôi qua tiếp giáp dễ dàng để t o ra dòng điện ng ợc hay còn gọi là dòng tối. Do nồng độ các h t t i điện thiểu số thấp nên dòng điện ng ợc nhanh chóng đ t giá trị bão hoà. • Khi có ánh sáng tới Ánh sáng đi vào PD qua lớp p rất mỏng, qua vùng nghèo đã đ ợc hình thành t i tiếp giáp p-n và tiếp tục truyền vào lớp n. Các photon bị hấp thụ suốt chiều dọc của PD. C ng độ ánh sáng gi m theo hàm mũ khi truyền qua các lớp bán dẫn. Trong diode tách quang điều kiện quan trọng để kích thích các điện tử nh y lên d i dẫn là hấp thụ photon từ ánh sáng đầu vào hoặc tăng nhiệt độ. Hầu hết ánh sáng đi vào bán dẫn sẽ đ ợc hấp thụ trong diode tách quang, nếu diode tách quang có đủ độ dài. Tuy nhiên chỉ có hấp thụ photon x y ra trong lớp nghèo mới có vai trò quan trọng. Hiệu qu của hấp thụ photon trong việc t o ra dòng tách quang đ ợc đánh giá theo hệ số l ợng tử η và đáp ứng R. 1.2.4.3. Diode tách quang p-i-n Cấu tạo và hoạt động Diode tách quang p-i-n dựa trên cấu trúc của của PD p-n bằng cách xen vào giữa lớp p và lớp n một lớp bán dẫn thuần i nh hình 1.41. Vùng nghèo trong diode tách quang p-i-n bao gồm toàn bộ lớp i. Trong vùng nghèo hình thành một hàng rào thế ngăn c n các h t t i điện đa số đi vào vùng nghèo. Điện tr ng này đ ợc t o ra nh các khối điện tích cố định nằm về hai phía của tiếp giáp giữa lớp i với các lớp p và n. Các lỗ trống và các điện tử trong lớp i đ ợc hình thành khi vùng nghèo hấp thụ photon. u điểm quan trọng của p-i-n diode là c i thiện đ ợc đáp ứng tần số do điện dung của diode CD rất bé . Đ t đ ợc điều này nh xen thêm lớp i. Để gi i thích vấn đề này, sử dụng biểu thức xác định điện dung của một tụ điện phẳng song song: C = ε0 εr(A/ d), trong đó ε0 là hằng số điện môi của không gian tự do, εr là hằng số điện môi t ơng đối của môi tr ng giữa hai má tụ điện, A là diện tích của má tụ điện, d là kho ng cách hai má tụ điện. Mặt khác đáp ứng tần số cũng phụ thuộc vào th i gian chuyển dịch của các h t t i điện qua vùng nghèo. Vùng nghèo m rộng của p-i-n diode làm chậm th i gian chuyển dịch. Vùng nghèo càng rộng thì th i gian chuyển dịch càng dài. Điện tr ng trong vùng nghèo của p-i-n diode yếu hơn điện tr ng trong cấu trúc diode p-n. Tuy nhiên cấu trúc p-i-n diode có đáp ứng nhanh nhất so với các diode khác. 48 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn V _ _ p _ GaAs _ Ánh sáng tới w1 i InGaAs + + + + + n GaAs w2 E x Hình 1.41: Cấu tạo của diode tách quang p-i-n Còn có một số u điểm khác của p-i-n diode so với diode p-n. Thứ nhất, hầu nh toàn bộ photon đi vào vùng nghèo đều đ ợc hấp thụ t i đó và rất ít photon đi tới lớp n. Nh vậy đã gi m đ ợc hấp thụ photon trong các vùng bên ngoài vùng nghèo và h n chế kéo dài s n sau của đáp ứng. Luồng dòng trong các vùng n và p chủ yếu là do khuếch tán, trong khi đó dòng chính trong vùng nghèo là dòng trôi đ ợc điều khiển b i điện tr ng. Hầu hết luồng dòng đều d ới d ng dòng trôi nhanh, nên đáp ứng th i gian của p-i-n diode đ ợc c i thiện hơn so với diode tách quang p-n. Muốn nhận đ ợc đáp ứng tần số trên 50 GHz, lớp i và mặt cắt ngang ph i bé. Nh ng mặt cắt ngang hẹp sẽ gặp khó khăn khi đ a ánh sáng vào PD. Diode tách quang p-i-n gi m đ ợc nh h ng kéo dài s n sau của xung và đáp ứng tần số tốt hơn so với diode tách quang p-n nên đ ợc sử dụng trong thiết bị thông tin quang. Đối với p-i-n diode cũng có thể sử dụng cấu trúc dị thể. Nh ng khác với cấu trúc dị thể của laser diode, p-i-n diode cấu trúc dị thể ho t động trong một d i rộng của b ớc sóng. Vì vậy việc chế t o p-i-n diode dị thể ho t động đơn mode là không cần thiết. D i cấm của lớp i ph i thiết kế sao cho λc ph i lớn hơn b ớc sóng của tín hiệu quang 1,55μm, nh vậy thì diode tách quang sẽ đ ợc sử dụng cho mọi tr ng hợp. Tạp âm trong p-i-n diode • T p âm nổ (shot noise) Độ nh y tối đa của PD đ ợc xác định b i điện áp ngẫu nhiên và thăng dáng dòng x y ra t i đầu ra PD khi có hoặc không có tín hiệu quang. Trị trung bình của dòng tách quang là Iph, thăng dáng ngẫu nhiên quanh trị số trung bình này gọi là t p âm nổ. Cũng có thể gi i thích chi tiết hơn nguyên nhân gây ra t p âm nổ nh sau. T p âm nổ trong các m ch điện do số l ợng các h t t i điện đi qua một điểm riêng biệt trong m ch là hàm ngẫu nhiên của th i gian gây ra. Trong tách quang, số cặp điện tử - lỗ trống đ ợc t o ra do hấp thụ photon cũng là hàm ngẫu nhiên của th i gian, do đó số l ợng h t t i điện qua m ch bên ngoài cũng ngẫu nhiên. Lo i t p âm nổ này đ ợc xem nh quá trình Poisson đồng nhất hoặc không đồng nhất phụ thuộc vào d ng điều chế đ ợc sử dụng trong hệ thống thông tin quang. Trung bình bình ph ơng của t p âm nổ Ish2 tỷ lệ với trị trung bình dòng tách quang I và độ rộng băng tần của diode tách quang Δf . Vì vậy: 49 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn <ish>2 = 2e I Δf (1.16) e = điện tích của điện tử • T p âm dòng tối Dòng đầu ra diode tách quang xuất hiện ngay c khi không có tín hiệu quang hay còn gọi là dòng tối Id. Trung bình bình ph ơng của t p âm dòng tối đ ợc xác định theo biểu thức <id>2 = 2e Id Δf (1.17) • T p âm nhiệt T p âm nhiệt còn gọi là t p Johnson hoặc t p âm Nyquist là do chuyển động ngẫu nhiên của các điện tử tự do qua m ch điện. Số l ợng các điện tử là vô cùng lớn và vì vậy t p âm nhiệt là một quá trình ngẫu nhiên Gauss. Qua thực nghiệm đã xác minh đ ợc mật độ phổ của t p âm nhiệt phân bố đều trên trục tần số trong miền xa cực tím. Nếu điện tr là R[Ω], t i nhiệt độ Kelvin T và B là độ rộng băng tần máy thu thì trị trung bình bình ph ơng của t p âm nhiệt là: I th 2 = 4 kTΔf R (1.18) Trong đó k = 1,38 × 10-23 J/ K là hằng số Boltzmann. 1.2.4.4. Diode quang thác (APD) Cấu tạo và quá trình thác APD có cấu t o nh hình 1.42. V p+ Ánh sáng tới + i p n+ E x Miền hấp thụ Miền nhân Hình 1.42: APD và phân bố điện tr ng bên trong Ánh sáng đi vào APD qua lớp p+ rất mỏng. Hầu nh toàn bộ hấp thụ photon đều x y ra trong vùng nghèo là bán dẫn p pha t p nhẹ. Cũng nh trong p-i-n diode, điện tr ng trong vùng nghèo của APD điều khiển các lỗ trống và điện tử chuyển động ng ợc h ớng với nhau. D ới tác 50 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn động của điện tr ng phân cực ng ợc, các lỗ trống trong lớp này h ớng tới lớp p+, còn các điện tử h ớng tới lớp n+. Điện áp phân cực ng ợc đặt lên PD gần với mức đánh thủng zener để t o ra điện tr ng lớn (hay miền tăng tốc) t i tiếp giáp p - n+. Khi các điện tử và lỗ trống qua miền điện tr ng lớn này sẽ đ ợc tăng tốc, va đập m nh vào các nguyên tử của bán dẫn và t o ra các cặp điện tử - lỗ trống thứ cấp thông qua quá trình ion hoá do va ch m. Các h t t i điện thứ cấp qua miền điện tr ng lớn l i đ ợc tăng tốc và chúng có đủ động năng để t o ra các cặp điện tử - lỗ trống mới v.v. Đó chính là hiệu ứng thác, hay còn gọi là hiệu ứng nhân. Quá trình này làm tăng dòng điện bên ngoài và cũng chính là tăng độ nh y của APD . Hình 1.43 minh ho quá trình nhân trong miền tăng tốc. Từ hình vẽ cho biết từ một cặp điện tử - lỗ trống ban đầu, hiệu ứng nhân đã t o ra sáu cặp khác. Có thể định nghĩa hệ số ion hoá của các điện tử αe và của lỗ trống αh là xác suất của một va ch m giữa một h t t i điện đã đ ợc tăng tốc và một nguyên tử bán dẫn để sinh ra một cặp điện tử lỗ trống. Hệ số ion hoá tăng rất nhanh khi c ng độ điện tr ng tăng. Sự phụ thuộc của M vào nhiệt độ đ ợc thể hiện trong hình 1.44. Hệ số nhân M đ ợc đo nh là hàm của điện áp định thiên V: M= 1 [1 − (V − I ph R′) / VB ]n (1.19) Trong đó Iph là dòng tách quang trung bình, R′ = RS + Rth là tổng điện tr nối tiếp RS và điện tr gia tăng do nhiệt độ Rth, VB là điện áp đánh thủng. hf c d e f g h Hình 1.43: Quá trình nhân Một số đ ng cong điển hình của M(V) nh hình 1.44. 51 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Hệ số nhân M đ t cực đ i khi sử dụng các vật liệu có α lớn. Tuy nhiên thiết bị nh vậy có đáp ứng tần số chậm. Trong thực tế APD đ ợc thiết kế để tho mãn tiêu chuẩn đáp ứng tần số. Điều này có thể thực hiện nếu hoặc các điện tử hoặc các lỗ trống chiếm u thế trong miền tăng tốc. Mong muốn k ≈ 0. Từ hình 1.44 thấy rằng đối với APD yêu cầu rất nghiêm ngặt c về ổn định nguồn định thiên và nhiệt độ của môi tr ng. M T=3400K 0 T=320 K 0 T=300 K T=2730K 1000 100 10 V 1 0 100 200 300 400 Hình 1.44: Sự thay đổi của M khi V và nhiệt độ thay đổi Tạp âm trong APD Hiệu ứng nhân chỉ x y ra đối với dòng tách quang và dòng tối nh ng không khuếch đ i t p âm nhiệt. Thành phần bề mặt của dòng tối ch y dọc mặt ngoài của diode cũng không đ ợc khuếch đ i. Vì vậy t p âm chủ yếu trong APD là t p âm nổ đ ợc khuếch đ i. T p âm này đ ợc xác định nh sau: <ish>2 = M2[2e F (RP) Δf] (1.20) Trong đó: F- Hệ số t p âm, M- Hệ số nhân, R- Đáp ứng của APD và P- Công suất ánh sáng đầu vào APD. 1.2.4.5. Các tham số của diode tách quang 1) Hệ số l ng t Hệ số l ợng tử của diode tách quang η đ ợc định nghĩa nh sau: η= Số l ợng điện tử trên m ch ngoài/ Số l ợng photon tới Vì Iph/e là số l ợng điện tử đi qua m ch ngoài của diode tách quang trong một giây do hấp thụ photon tới, còn P0/ hf là số l ợng photon tới trong một giây nên η đ ợc viết l i nh sau: η= I ph / e I ph hc hc = × =R eλ P0 / hf P0 eλ Muốn nhận hệ số l ợng tử cao ph i có các điều kiện sau đây: 52 Ph n x ánh sáng t i bề mặt diode tách quang là cực tiểu. (1.21) Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn - Hấp thụ trong lớp nghèo là cực đ i - Tránh tái hợp các h t t i điện tr ớc khi chúng đ ợc tập trung l i. Hệ số l ợng tử 0,8 hoặc lớn hơn có thể đ t đ ợc và có thể tối u t i một b ớc sóng bằng cách thay đổi bề dày lớp n- . 2) Đáp ứng Dòng tách quang Iph tăng tuyến tính với công suất quang tới P. Tỷ số Iph trên P gọi là đáp ứng R của diode tách quang : R= I ph ηe ηλe = = P hf hc (1.22) Trong đó e là điện tích của điện tử, η là hệ số l ợng tử, λ là b ớc sóng của ánh sáng tới, h là hằng số Plank và c là tốc độ ánh sáng trong không gian tự do. Đáp ứng đ ợc đo bằng A/W, μA/ μW hoặc nA/ nW v.vĐáp ứng th ng đ ợc thể hiện bằng đồ thị nh hình 1.45. Những đ ng cong này là giá trị giới h n, tuy nhiên đáp ứng cũng phụ thuộc vào kích th ớc của thiết bị, vỏ chống ph n x và các yếu tố khác. Mặt khác đáp ứng còn phụ thuộc vào các đặc tính của bán dẫn cấu thành diode. T i đầu vào máy thu của hệ thống thông tin quang có mức công suất quang rất thấp nh ng dòng tách quang vẫn tỷ lệ tuyến tính với công suất quang. Vì vậy c đáp ứng R và hệ số l ợng tử η đều là hàm của λ mà không phụ thuộc vào mức công suất quang. Đối với các laser m nh sẽ có hiện t ợng bão hoà và dẫn tới phụ thuộc không tuyến tính của đáp ứng vào công suất quang. R Lý t ng Thực tế λ Hình 1.45: Đáp ứng phụ thuộc vào b ớc sóng Trong tr ng hợp lý t ng đáp ứng tăng tuyến tính với b ớc sóng vì năng l ợng của một photon gi m khi b ớc sóng tăng và sau đó gi m đột ngột xuống zero t i λ = λc. Đáp ứng thực tế khác với đáp ứng lý t ng, vì hệ số hấp thụ tự nó là hàm của b ớc sóng. B ớc sóng cắt phía trên đ ợc xác định b i d i cấm, trong khi đó b ớc sóng cắt phía d ới phụ thuộc vào hệ số hấp thụ. 3) Độ rộng băng tần Đáp ứng của APD có cấu trúc n+ - p -i - p+ nh hình 1.42 đ ợc chia làm ba phần: (a) Th i gian dịch chuyển của điện tử qua miền trôi (ttr)e = w2/ vse (b) Th i gian yêu cầu của quá trình nhân tA (c) Th i gian dịch chuyển của lỗ trống cuối cùng đ ợc t o ra trong miền tăng tốc tới rìa của không gian trôi (ttr) = w2 / vsh. 53 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Phần (b) và (c) đặc tr ng cho trễ bổ sung vào th i gian đáp ứng của diode không có hiệu ứng thác. Độ rộng băng tần bị h n chế đã c n tr việc sử dụng APD trong các hệ thống tốc độ bit rất cao. Th i gian trễ tA là hàm của của hệ số ion hoá k. Khi k = 0 thì hiệu ứng nhân tiến triển phụ thuộc th i gian dịch chuyển của điện tử qua miền tăng tốc (ttr=wA/vse). Gi thiết wA << w2. Khi k > 0 thì hiệu ứng nhân có sự tham gia của c điện tử và lỗ trống, th i gian tA đ ợc xác định theo biểu thức sau đây: tA ≈ Mkw A v se (1.23) Đáp ứng th i gian toàn bộ τ là: τ≈ (w 2 + Mkw A ) (w 2 + w A ) + v se v sh (1.24) Độ rộng băng tần đ ợc xác định theo biểu thức f(-3dB) ≈ 0,44 / τ (1.25) Biểu thức (1.23) một lần nữa cho biết t i sao ph i tìm kiếm vật liệu có k ≈ 0 để chế t o APD trong đó các điện tử kh i đầu hiệu ứng thác. Tóm l i khi tốc độ bit cao hơn 2-5 Gbit/s sử dụng APD không có lợi. 1.2.4.6. Máy thu tín hiệu quang Trong máy thu tín hiệu quang của hệ thống IM-DD, ánh sáng từ sợi quang chiếu vào bộ tách sóng quang. Do đó đầu ra bộ tách quang nhận đ ợc tín hiệu điện. Sau đó tín hiệu điện qua các b ớc xử lí tiếp theo để khôi phục l i tín hiệu ban đầu nh đầu vào máy phát. Sơ đồ khối của máy thu quang điển hình nh hình 1.46. Bộ tách sóng quang là PIN hoặc APD thực hiện chuyển đổi công suất quang đầu vào thành tín hiệu điện. Bộ khuếch đ i điều chỉnh thực hiện biến đổi dòng tách quang thành tín hiệu điện áp với mức phù hợp. Sau khi khuếch đ i tín hiệu qua bộ cân bằng để hiệu chỉnh hàm truyền đ t của bộ khuếch đ i. Bộ lọc đây giới h n băng tần của máy thu trong ph m vi yêu cầu đối với phổ tín hiệu và định ra đáp ứng tần số của máy thu nhằm tối u hoá chất l ợng máy thu (làm gi m tối thiểu t p âm phát ra từ bộ tách sóng và khuếch đ i). Xung đồng hồ (clock) đ ợc lấy từ bộ tách đồng hồ, thực hiện bằng cách trích lấy ra từ luồng dữ liệu số chung và đ ợc dùng để tái t o l i tín hiệu số trong m ch quyết định. Tín hiệu số đơn cực đầu ra bộ quyết định đ ợc đ a vào bộ gi i mã để chuyển thành mã đ ng l ỡng cực t ơng ứng. Tín hiệu vào Tách sóng quang Khuếch đ i điều chỉnh Bộ cân bằng Bộ lọc Bộ quyết định Bộ gi i mã Bộ tách đồng hồ Hình 1.46: Sơ đồ khối bộ thu quang điển hình trong hệ thống truyền dẫn số 54 Dữ liệu ra clock Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn 1.3. Thông tin vô tuy n 1.3.1. Các ph ơng pháp đa truy nhập vô tuyến Các ph ơng thức đa truy nhập vô tuyến đ ợc sử dụng rộng rãi trong các m ng thông tin di động. Phần này giới thiệu tổng quan các ph ơng pháp đa truy nhập sử dụng trong thông tin vô tuyến. Mô hình của một hệ thống đa truy nhập đ ợc cho hình 1.47. Hình 1.47. Các hệ thống đa truy nh p a) các đầu cuối mặt đất và bộ phát đáp, b) các trạm di động và các trạm gốc Thông th ng một hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến có nhiều tr m đầu cuối và một số các tr m có nhiệm vụ kết nối các tr m đầu cuối này với m ng hoặc chuyển tiếp các tín hiệu từ các tr m đầu cuối đến một tr m khác. Các tr m đầu cuối trong các hệ thống thống tin di động mặt đất là các máy di động còn các tr m đầu cuối trong các hệ thống thông tin vệ tinh là các tr m thông tin vệ tinh mặt đất. Các tr m kết nối các tr m đầu cuối với m ng hoặc chuyển tiếp các tín hiệu từ các tr m đầu cuối đến các tr m khác là các tr m gốc trong thông tin di động mặt đất hoặc các bộ phát đáp trên vệ tinh trong các hệ thống thông tin vệ tinh. Do vai trò của tr m gốc trong thông tin di động mặt đất và bộ phát đáp vệ tinh cũng nh máy di động và tr m mặt đất giống nhau các hệ thống đa truy nhập vô tuyến nên trong phần này ta sẽ xét chúng đổi lẫn cho nhau. Trong các hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến bao gi cũng có hai đ ng truyền: một đ ng từ các tr m đầu cuối đến các tr m gốc hoặc các tr m phát đáp, còn đ ng khi theo chiều ng ợc l i. Theo quy ớc chung đ ng thứ nhất đ ợc là đ ng lên còn đ ng thứ hai đ ợc gọi là đ ng xuống. Các ph ơng pháp đa truy nhập đ ợc chia thành bốn lo i chính: Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA: Frequency Division Multiple Access). Đa truy nhập phân chia theo th i gian (TDMA: Time Division Multiple Access). 55 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiple Access). Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA: Space Division Access). Các ph ơng pháp đa truy nhập cơ b n nói trên có thể kết hợp với nhau để t o thành một ph ơng pháp đa truy nhập mới. Các ph ơng pháp đa truy nhập đ ợc xây dựng trên cơ s phân chia tài nguyên vô tuyến cho các nguồn sử dụng (các kênh truyền dẫn) khác nhau. Nguyên lý của ba ph ơng pháp đa truy nhập cơ b n đầu tiên đ ợc cho hình 1.48. Mỗi kênh ng i sử dụng vô tuyến trong hệ thống vô tuyến tổ ong mặt đất hay một tram đầu cuối trong hệ thống thông tin vệ tinh đa tr m sử dụng một sóng mang có phổ nằm trong băng tần của kênh vào th i điểm ho t động của kênh. Tài nguyên dành cho kênh có thể đ ợc trình bầy d ng một hình chữ nhật trong mặt phẳng th i gian và tần số. Hình chữ nhật này thể hiện độ rộng của kênh và th i gian ho t động của nó (hình 1.48). Khi không có một quy định tr ớc các sóng mang đồng th i chiếm hình chữ nhật này và gây nhiễu cho nhau. Để tránh đ ợc can nhiễu này các máy thu của tr m gốc (hay các pháy thu cu các tr m phát đáp trên vệ tinh) và các máy thu của các tr m đầu cuối ph i có kh năng phân biệt các sóng mang thu đ ợc. Để đ t đ ợc sự phân biệt này các tài nguyên ph i đ ợc phân chia: 56 Nh là hàm số của vị trí năng l ợng sóng mang vùng tần số. Nếu phổ của sóng mang chiếm các băng tần con khác nhau, máy thu có thể phân biệt các sóng mang bằng cách lọc. Đây là nguyên lý đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA: Frequency Division Multiple Access, hình 1.48a). Nh là hàm vị trí th i gian của các năng l ợng sóng mang. Máy thu thu lần l ợt các sóng mang cùng tần số theo th i gian và phân tách chúng bằng cách m cổng lần l ợt theo th i gian thậm chí c khi các sóng mang này chiếm cùng một băng tần số. Đây là nguyên lý đa truy nhập phân chia theo th i gian (TDMA: Time Division Multiple Access; hình 1.48b). Nh là hàm phụ thuộc mã của các năng l ợng sóng mang. Máy thu thu đồng th i các sóng mang cùng tần số và phân tách chúng bằng cách gi i mã các sóng mang này theo mã mà chúng đ ợc phát. Do mỗi kênh hay nguồn phát có một mã riêng nên máy thu có thể phân biệt đ ợc sóng mang thậm chí tất c các sóng mang đồng th i chiếm cùng một tần số. Mã phân biệt kênh hay nguồn phát th ng đ ợc thực hiện bằng các mã gi t p âm (PN: Pseudo Noise Code). Ph ơng pháp này đ ợc gọi là đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA: Code Division Multiple Access; hình 1.48c). Việc sử dụng các mã này dẫn đến sự m rộng đáng kể phổ tần của sóng mang so với phổ mà nó có thể có khi chỉ đ ợc điều chế b i thông tin hữu ích. Đây cũng là lý do mà CDMA còn đ ợc gọi là đa truy nhập tr i phổ (SSMA: Spread Spectrum Multiple Access). Nh là hàm phụ thuộc vào không gian của các năng l ợng sóng mang. Năng l ợng sóng mang của các kênh hay các nguồn phát khác nhau đ ợc phân bổ hợp lý trong không gian để chúng không gây nhiễu cho nhau. Vì các kênh hay các nguồn phát chỉ sử dụng không gian đ ợc quy định tr ớc nên máy thu có thể thu đ ợc sóng mang của nguồn phát cần thu thậm chí khi tất c các sóng mang khác đồng th i phát và phát trong cùng một băng tần. Ph ơng pháp này đ ợc gọi là ph ơng pháp đa truy nhập theo không gian (SDMA: Space Division Multiple Access). Có nhiều biện pháp để thực hiện SDMA nh : 1. Sử dụng lặp tần số cho các nguồn phát t i các kho ng cách đủ lớn trong không gian để chúng không gây nhiễu cho nhau. Ph ơng pháp này th ng đ ợc gọi là ph ơng pháp tái sử dụng tần số và kho ng cách cần thiết để các nguồn phát cùng tần số không gây Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn nhiễu cho nhau đ ợc gọi là kho ng cách tái sử dụng tần số. Cần l u ý rằng thuật ngữ tái sử dụng tần số cũng đ ợc sử dụng cho tr ng hợp hai nguồn phát hay hai kênh truyền dẫn sử dụng chung tần số nh ng đ ợc phát đi hai phân cực khác nhau. 2. Sử dụng các anten thông minh (Smart Anten). Các anten này cho phép tập trung năng l ợng sóng mang của nguồn phát vào h ớng có lợi nhất cho máy thu chủ định và tránh gây nhiễu cho các máy thu khác. Hình 1.48. Nguyên lý đa truy nh p a) Đa truy nh p phân chia theo tần số (FDMA); b) Đa truy nh p phân chia theo th i gian (TDMA); c) Đa truy nh p phân chia theo mã (CDMA) 57 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Các ph ơng pháp đa truy nhập nói trên có thể kết hợp với nhau. Hình 1.49 cho thấy các cách kết hợp của ba ph ơng pháp đa truy nhập đầu tiên. Hình 1.49. K t h p ba dạng đa truy nh p c s thành các dạng đa truy nh p lai ghép 1.3.2. Hệ thống truyền dẫn vi ba số 1.3.2.1. Giới thiệu chung Sóng vô tuyến điện có b ớc sóng d ới một mét đến cỡ mi-li-mét đ ợc gọi là sóng vi ba. Sóng vi ba đ ợc dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ và ứng dụng thực tế đ i sống. Thông tin viễn thông và truyền thông qu ng bá càng đ ợc dùng nhiều dẫn đến tài nguyên môi tr ng ngày càng quý giá. Hình thức truyền tin dựa trên môi tr ng không gian m và nh vậy nó chịu tác động nhiều b i môi tr ng. Sự chồng chéo, xung đột sóng mang tín hiệu giữa các hệ thống thông tin khác nhau yêu cầu ph i có sự b o vệ của chính mình và qu n lý ngày càng khoa học, chặt chẽ của nhà n ớc. Một trong các ph ơng tiện thông tin vô tuyến quan trọng của xã hội loài ng i là hệ truyền thông tin điểm tới điểm trên mặt đất, ngày nay gọi là hệ thống vi ba số. Do đặc điểm truyền sóng trực tiếp từ điểm phát tới điểm thu nên nó còn có tên là thông tin tầm nhìn thẳng. So với các hệ thống truyền dẫn khác, hệ thống truyền dẫn vi ba số có rất nhiều h n chế do môi tr ng truyền dẫn là môi tru ng h và băng tần h n hẹp. Truyền dẫn vi ba số đ ợc thực hiện d i tần từ 1 GHz đến vài chục GHz, trong khi đó truyền dẫn quang đ ợc thực hiện tần số vào kho ng 2.106 GHz (nếu coi λ=1500 nm) vì thế băng tần truyền dẫn vi ba số rất hẹp so với quang. Một số đặc tính quan trọng cần chú ý đối với truyền dẫn vi ba số là: 58 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn - Chất l ợng tín hiệu khi truyền dẫn vi ba chịu tác động rất lớn của các điều kiện khí hậu th i tiết nh m a, gió, mây mù, bão, tuyết, … - Các nguồn nhiễu thiên nhiên, vũ trụ nh sấm sét, bão từ cũng làm nhiễu thông tin. - Tác động của các lo i nhiễu điện từ do s n xuất công nghiệp và giao thông vận t i nh hàn điện, các thiết bị điện đánh lửa, xe ô tô, các lo i thiết bị dân dụng, … - nh h ng của địa hình đối với sóng truyền của đ truyền dẫn nh núi, đồi, sông, biển, nhà cao tầng, … - Sự suy hao công suất tín hiệu khá lớn trong môi tr ng truyền vi ba số giữa các tr m ng truyền dẫn . - Sự can nhiễu lẫn nhau giữa các kênh thông tin vô tuyến và các hệ thống thông tin khác nhau . - Điều kiện dễ dàng đối với sự xâm nhập chiếm kênh trái phép và độ an toàn về b o vệ bí mật thông tin là vô cùng khó khăn . Tuy nhiên ph ơng thức truyền dẫn vi ba số cũng có các u điểm mà các lo i ph ơng thức truyền dẫn khác không thể có đ ợc, ví dụ nh : - Hệ thống có kh năng linh ho t, nhanh chóng đáp ứng phục vụ thông tin cho khách hàng mọi lúc mọi nơi và mọi dịch vụ . Nhu cầu di động sẽ không ngừng tăng trong t ơng lai. - Việc triển khai hay tháo gỡ hệ thống truyền dẫn rất cơ động, khi không cần thiết có thể nhanh chóng chuyển sang lắp đặt vị trí khác của m ng viễn thông. - Giá c hệ thống và đầu t ban đầu thấp. u điểm này cho phép các nhà khai thác phát triển m ng viễn thông nhanh chóng các vùng cơ s h tầng viễn thông ch a phát triển với vốn đầu t thấp nhất. Ngoài các u điểm trên thông tin vô tuyến là ph ơng tiện thông tin duy nhất cho các chuyến bay vào vũ trụ, thông tin đ o hàng, định vị .... Để phát huy đ ợc các u điểm và khắc phục các nh ợc điểm của truyền dẫn vi ba số, các nhà thiết kế thiết bị và hệ thống truyền dẫn vi ba số ph i sử dụng các biện pháp công nghệ xử lý số và các công nghệ vô tuyến hiện đ i. 1.3.2.2. Hiện t ợng pha đinh Một nh h ng rất nguy hiểm các đ ng truyền dẫn vi ba số là pha đinh. Từ lí thuyết truyền sóng ta biết phađinh là hiện t ợng thăng giáng thất th ng cu c ng độ điện tr ng điểm thu. Nguyên nhân pha đinh có thể do th i tiết và địa hình làm thay đổi điều kiện truyền sóng. Khi x y ra pha đinh trong truyền dẫn vi ba số, t i điểm thu c ng độ sóng thu đ ợc lúc m nh lúc yếu thậm chí có lúc mất thông tin. Pha đinh nguy hiểm nhất là pha đinh nhiều tia xẩy ra do máy thu nhận đ ợc tín hiệu không ph i chỉ từ tia đi thẳng mà còn từ nhiều tia khác ph n x từ các điểm khác nhau trên đ ng truyền dẫn. Các hệ thống truyền dẫn vi ba số ph i đ ợc trang bị các hệ thống và thiết bị chống pha đinh hữu hiệu. Ng i ta chia hiện t ợng pha đinh thành pha đinh phẳng và pha đinh lựa chọn tần số. Pha đinh phẳng là mối quan tâm đối với hệ thống dung l ợng nhỏ băng tần hẹp. Pha đinh lựa chọn tần số cần quan tâm cho hệ thống truyền dẫn dung l ợng cao, băng tần rộng. Pha đinh nhiều tia gây ra hậu qu xấu nhất do nhiều tia sóng đi quãng đ ng khác nhau cùng đến điểm thu với hiệu ứng lựa chọn làm méo biên độ và méo th i gian trễ suốt độ rộng băng tần của kênh truyền . Những sự méo này t o nên sự giao thoa dấu hiệu S.I.S lớn hơn so với độ tăng của t p âm nhiệt của tín hiệu thu . 59 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Không một lo i pha đinh nào có thể tiên đoán đ ợc một cách chính xác b i sự biến đổi của chúng tuỳ thuộc vào điều kiện không khí. Kinh nghiệm cho thấy điều kiện khí hậu và địa hình là nguyên nhân chính gây ra pha đinh mà tất c kh năng pha đinh chỉ có thể xác định bằng thống kê. Nói cách khác là chỉ có thể dựa vào lý thuyết xác suất tính toán kh năng hệ thống vi ba số sẽ ngừng ho t động với số phần trăm chắc chắn trong năm vì pha đinh. Trong ph m vi này số phần trăm dung sai là quá lớn. Ng i ta nghiên cứu và đề xuất một số kỹ thuật nhằm c i thiện th i gian gián đo n thông tin. Pha đinh phẳng Pha đinh phẳng xuất hiện th ng xuyên là do chùm tia sóng truyền đi bị cong. Chùm tia sóng cực ngắn có thể bị chuyển h ớng do sự thay đổi chỉ số khúc x của không khí (hằng số điện môi). Hệ số k = 4/3 đ ợc dùng để tính toán truyền sóng điều kiện áp suất tiêu chuẩn. T i đó tia sóng có độ cong bằng một phần t của độ cong mặt đất thực . Bán kính qu đất hiệu dụng k= Bán kính thật của qu đất Khi hai an-ten phát và thu đ ợc đặt trong điều kiện tiêu chuẩn, toàn bộ c ng độ tín hiệu sẽ nhận đ ợc b i máy thu. Khi mật độ không khí thay đổi thì chỉ số khúc x cũng thay đổi khác với điều kiện chuẩn làm cho chùm tia sóng có thể cong lên hay cong xuống phụ thuộc chỉ số k . Khi k nhỏ hơn 4/3 th ng gọi là độ khúc x thấp hay điều kiện d ới chuẩn tia sóng có h ớng cong lên. Khi k lớn hơn 4/3 th ng gọi là độ khúc x cao hay điều kiện trên chuẩn tia sóng có h ớng cong xuống . Việc phụ thuộc nghiêm ngặt của sự cong một trong hai lo i trên có thể gây ra sự suy gi m đáng kể c ng độ tr ng tín hiệu thu dẫn tới làm hỏng dịch vụ. Nói chung thì hầu nh lo i tia sóng xuất hiện cong lên phía trên an-ten thu. Đối với tia cong xuống, chùm không cong quá, một số năng l ợng của chùm đ ợc ph n x từ vật c n, sự pha đinh băng rộng đ ợc so sánh với sự quan hệ hẹp băng tần sóng cực ngắn là pha đinh phẳng hoặc pha đinh không lựa chọn. Tuy nhiên nếu số năng l ợng đ ợc ph n x từ vật c n và nó nhiễu với năng l ợng đ ng trực tiếp thì pha đinh là lựa chọn tần số. T ơng tự đối với chùm tia cong lên, năng l ợng không tới máy thu khác với đ ng trực tiếp, khi chùm tia cong xa xuất hiện pha đinh phẳng . k < 4/3 a k > 4/3 b Tia sóng cong lên (a) Tia sóng cong xuống (b) Hình 1.50: Hiện t ợng tia sóng cong Pha đinh lựa chọn tần số Pha đinh nhiều đ ng khí quyển Khi các điều kiện khí quyển là các lớp với sự tồn t i các mật độ khác nhau, sự dẫn có thể xuất hiện. Nếu sự tập hợp các lớp làm sao cho các chùm tia sóng cực ngắn không bị bẫy mà chỉ bị 60 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn làm lệch h ớng thì năng l ợng sóng cực ngắn có thể đi tới an-ten thu bằng nhiều đừơng khác so với đ ng trực tiếp. Sự thu nhận nhiều đ ng gây ra pha đinh do hai sóng thu đ ợc hiếm khi cùng pha. Nếu chúng đến hoàn toàn trái pha, có ít giây mất công suất thu có thể lên đến 30 dB hoặc hơn, đó là điều tr ng i (hình 1.51). 2 1 3 4 Đ ng 1 trực tiếp ; đ Hình 1.51: Các đ ng 2,3 lệch ; đ ng 4 ph n x . ng sóng từ phát đ n thu. Pha đinh nhiều tia ph n x từ mặt đất Sự ph n x từ mặt đất t o thành sự thu nhiều đ ng tia sóng nó sẽ là tr ng i khi các sóng thu đ ợc ng ợc pha. Khi ph n x đất và pha đinh khí quyển xuất hiện đồng th i có thể x y ra pha đinh sâu tới 40 dB. Nếu những tác động sửa lỗi không đ ợc tiến hành thì thông tin có thể ngừng trệ. Pha đinh nhiều tia là pha đinh lựa chọn tần số, do sự ng ợc pha làm mất thông tin nghĩa là các tia sóng đi các quãng đ ng khác nhau nửa b ớc sóng . Điều l u ý là pha đinh sẽ không ph i xuất hiện cùng một lúc với mọi tần số RF . 1.3.2.3. Nhiễu và phân bố tần số 1) Vấn đ nhiễu Khi tồn t i các hệ thống thông tin vô tuyến t ơng tự và số chúng có thể gây can nhiễu lẫn nhau. Nói chung có những vấn đề sau cần ph i quan tâm : - Can nhiễu hệ thống số đến hệ thống số. - Can nhiễu hệ thóng t ơng tự đến hệ thông số. - Can nhiễu hệ thống số đến hệ thống t ơng tự. Hệ thống số có tính chống nhiễu cao hơn hệ thống t ơng tự cùng tính năng, vấn đề là nhiễu từ hệ thống số đến các bộ phận t ơng tự của hệ thống. Để ho t động chính xác thì yêu cầu tỷ số sóng mang trên nhiễu C/I ph i từ 15dB ÷ 20dB tuỳ theo kỹ thuật điều chế. m ch phức hợp, có nhiều d ng nhiễu khác nhau, phần tử mang tin ph i giữ C/I từ 15 đến 20 dB c khi pha đinh, nghĩa là mức kênh nhiễu thấp hơn ng ỡng thu của kênh bị t p âm 15 ÷ 20dB, thực tế điều này phân cho anten, lọc, ghép nối, … 2) Các nguồn nhiễu và tạp âm Có ba lo i nguồn nhiễu chính : từ kênh phân cực chéo, kênh đồng phân cực lân cận và sự thu tần số đo n ng ợc h ớng với đo n bị nhiễu. 61 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn + Kênh phân cực chéo : đ ợc dùng cùng tần số nhằm tăng phổ tần và hiểu nh “ dùng l i tần số ” mang. Bình th ng sự phân biệt hai sóng là tho mãn, khi bị suy yếu pha đinh thì mức nhiễu cùng kênh sẽ tăng. + Nhiễu kênh lân cận : x y ra giữa các hệ thống cùng ho t động trên một vùng nh ng không chung đ ng và địa điểm tr m ; hai hệ trên một vùng không chung đ ng cùng tr m ; hai hệ chung đ ng …. nh hình 1.52. Mỗi nguồn t p âm làm tăng tỷ số lỗi và gi m độ dự trữ pha đinh phẳng. Để v ợt qua độ suy gi m, duy trì đ ợc chỉ tiêu BER thì ph i tăng mức công suất phát, nghĩa là tăng mức công suất thu. Nhiễu từ các kênh lân cận hoặc nhiễu từ kênh cao tần lân cận cùng cực tính có quan hệ chặt chẽ đến việc chọn kho ng cách giữa các kênh. V f1 H f1 f1 Nhiễu phân cực chéo S N Nhiễu bức x ng ợc f1 f2 Nhiễu kênh lân cận cùng phân cực Nhiễu vệ tinh hay hệ khác Nhiễu v ợt đo n Hình 1.52: Một số dạng nhiễu vi ba số 3) Phân bố tần số Để chống nhiễu cần bố trí băng tần hợp lý, CCIR khuyến nghị : hệ số phổ hiệu dụng ít nhất là 2bit/s/Hz và tốc độ bít ph i bằng hoặc hơn độ rộng băng tần RF, không phụ thuộc phân cực, vào tần số sử dụng l i hoặc cấu hình hệ thống. Việc chọn băng tần có tác dụng lớn đến đặc tính của thiết bị. Các băng tần của thiết bị vi ba số có những ràng buộc b i đặc điểm đã nêu trên, nó còn bị ràng buộc b i yếu tố tính kh dụng của phổ tự do, sự phân bố tần số và các điều lệ qu n lý khác. Băng tần đ ợc chia thành nửa băng tần thấp và nửa băng tần cao và phần phòng vệ rìa băng ZS. Kho ng cách cực tiểu giữa hai nửa băng XS đ ợc quyết định bằng cách xét đến nhiễu của kênh lân cận và kho ng cách cực tiểu giữa tần số phát và thu (YS). Kho ng cách tần số th ng đ ợc xác định tiêu chuẩn hoá theo tốc độ đấu hiệu rs của hệ thống. Việc sử dụng phân cực đứng và ngang trong hệ thống số có thể dùng t i tần nh nhau, các tín hiệu thu tách biệt nhau thực hiện theo độ phân biệt đối với phân cực chéo của an-ten. Sự khác nhau này cũng có thể x y ra trong sự 62 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn phân bố xen nhau, đó các sóng mang có thể lệch đi bằng độ rộng nửa kênh. Lúc này dùng các bộ lọc lo i trừ sóng không mong muốn. Hình 1.53 biểu diễn phân chia băng tần RF. Nửa băng tần thấp Nửa băng tần cao XS YS ZS f1 f2 fn f0 f,1’ fn’ Hình 1.53: Phân bố băng tần Đối với các anten có độ tăng ích cao, các hệ thống số làm việc với cùng tần số sóng mang có thể khai thác trên một số h ớng có góc h ớng thấp đến 600 hoặc nhỏ hơn. Ví dụ, theo khuyến nghị 497-2CCIR có thể phân bố tần số vô tuyến theo : Nửa băng tần d ới fn = (f0 – 295 + 35n) MHz Nửa băng tần trên fn = (f0 + 21 + 35n) MHz với n = 1, 2, 3, 4, 5 và 6. + f0 + fn + tần số trung tâm băng RF thuộc thiết bị. tần số tâm phổ sóng mang thứ n thuộc một nửa băng thấp. ’ fn tần số tâm phổ sóng mang thứ n thuộc một nửa băng cao. Nếu hệ làm việc tốc độ 34Mbit/s thì theo khuyến nghị 497-2CCIR : Nửa băng tần d ới fn = (f0 – 295 + 28n) MHz Nửa băng tần trên fn’ = (f0 + 7 + 28n) MHz n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. 1.3.2.4. Một số biện pháp bảo đảm chất l ợng truyền dẫn ở vi ba số Các kỹ thuật sử dụng để chống l i các nh h ng của pha đinh phẳng và pha đinh lựa chọn tần số nhiều đ ng (sóng) là phân tập không gian hay phân tập tần số, các bộ cân bằng tự thích nghi hiệu chỉnh các biến đổi tín hiệu thu trong kênh do đ ng truyền gây ra. Phân tập không gian cùng kết hợp các bộ khử giao thoa phân cực giao nhau nhằm nâng cao chất l ợng trong lúc có pha đinh lựa chọn. Th i gian gián đo n thông tin ph i gi m sao cho các chỉ tiêu chất l ợng của tuyến hay hệ thống có thể đ ợc tho mãn. 1) Phân t p theo không gian Định nghĩa phân tập theo không gian là truyền dẫn đồng th i một tín hiệu, một kênh vô tuyến trên hai anten (hay nhiều hơn) để thu hay để phát. Nh tên gọi, ng i ta dùng hai anten đặt cách nhau một kho ng cách nào đó để phát hay thu một tin đ ợc truyền từ nguồn tới đích. Kho ng cách giữa các anten đ ợc chọn sao cho tín hiệu thu đ ợc riêng biệt không t ơng quan nhau. Thực tế không bao gi đ t đ ợc hệ số t ơng quan bằng “0” thậm chí rất thấp song điều này không làm gi m lợi ích của phân tập. Các tín hiệu thu đ ợc của hệ thống phân tập không gian ph i đ ợc tổ hợp l i nh hình 1.54. Sự tiến hành việc này bằng cách dùng một bộ tổ hợp công suất cực đ i nhằm cực đ i hoá các tín hiệu thu đ ợc làm san phẳng đáp tuyến tần số biên độ hay đáp ứng tần số th i gian trễ nhóm của 63 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu tổng hợp hay dùng một chuyển m ch BB phù hợp, lựa chọn tín hiệu có BER thấp. Nếu bộ chuyển đổi đ ợc kh i động bằng bộ đo tỷ số lỗi bit nhanh nhất thì lo i tổ hợp này rất hữu hiệu. Rx 1 Số liệu vào f Tx Số liệu ra f Rx 1 Chia tách chiều đứng Bộ tổ hợp an-ten Hình 1.54: Phân tập không gian Các phân tích cho thấy sự c i thiện độ tin cậy của hệ thống (hay gi m th i gian gián đo n do pha đinh) nằm trong gi i hệ số 10 đến 200. Sự c i thiện đ ợc tăng c ng bằng sự tăng tần số, dự phòng pha đinh đặt an-ten cách nhau theo chiều đứng và gi m độ dài của đo n đ ng truyền. Kho ng điển hình các an-ten ít nhất là 200 lần b ớc sóng (ví dụ : băng 6GHz thì cách > 10m) Biểu thức hệ số c i thiện : Ι = T Td Với T và Td là th i gian có và không có phân tập. Phân tập không gian c i thiện đ ng truyền qua mặt đất với các ph n x mặt đất không đáng kể có thể gần đúng bằng công thức Vigant: 1, 2 × 10 η S 2 f 10 ( F − V ) / 10 d η : hiệu qu của chuyển m ch phân tập. IS = −3 S : kho ng cách các tâm an-ten (5 ≤ S ≤ 15) m f : tần số GHz F : độ sâu pha đinh V : khác nhau hệ số lợi an-ten d : độ dài đo n truyền dẫn Gần đây sự đ t đ ợc độ lợi với an-ten đặt ngang hai bên tháp thay đặt đứng. Trong tr ng hợp này mỗi an-ten có góc ngẩng (elevation) khác nhau và nó gi i thích t i sao th ng đ ợc gọi là phân tập góc mặc dầu sự khác nhau góc ngẩng có thể giữa chúng khác 10 tr lên mà đủ sự khác nhau về nhận c ng độ tín hiệu thu trong môi tr ng pha đinh nhiều đ ng (đi của sóng) nhằm nhận sự c i thiện có nghĩa thực tiễn. Việc nghiên cứu vẫn còn tiếp tục trong lĩnh vực này. Phân tập không gian là lựa chọn thứ nhất cho b o vệ hệ thống. Nó rẻ và không m rộng băng tần nh phân tập tần số. 2) Phân t p theo tần số 64 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Sự b o vệ hệ thống đ t đ ợc của lo i phân tập tần số, sự ho t động hiệu qu của các máy vô tuyến mà chúng ho t động trên cùng anten thu và phát, hình 1.55. Thông tin đ ợc phát ra đồng th i trên hai máy phát có tần số làm việc khác. Chúng đ ợc ghép chung ống dẫn sóng tới anten và bức x vào không gian (th ng khác cực tính). T i đầu thu thông tin đ ợc anten chọn lọc qua ống sóng và bộ lọc chia tách hai đ ng sóng mang cho hai máy thu riêng. Bộ tổng hợp b o đ m cho tín hiệu đầu ra lớn nhất. Nếu hai tần số của máy phát rộng, pha định lựa chọn tần số có tác dụng thấp c hai đ ng và c i thiện tốt thông tin. Sự sai khác tần số là 2% là tốt, 5% rất tốt. Nghĩa là 6GHz đến ít nhất là 120Mhz. Nh ợc điểm là băng tần rộng. Sự tính toán cho thấy độ c i thiện là 10 so với 0. Theo CCIR báo cáo 338 hệ số c i thiện xấp xỉ : với Δf : kho ng cách f (GHz) I f = 80 Δ f 10 f 2d F / 10 F : độ sâu pha đinh (dB) f : tần số sóng mang (GHz) (2≤ f ≤ 11) d : kho ng hop km (30 ≤ d ≤ 70) Tx1 Số liệu vào f1 Rx 1 f2 Số liệu ra Tx2 Rx2 Bộ tổ hợp Hình 1.55: Phân tập theo tần số Phân tập theo tần số và theo không gian cho các tr ng hợp x y ra pha đinh, nhiễu đ ng vô cùng cao. Để c i thiện tốt, kỹ thuật chuyển m ch hitless đ ợc sử dụng. Chùm bit thu đ ợc t i băng tần gốc đ ợc t o l i từng bit, nếu lỗi bị phát hiện, dùng bộ nhớ đàn hồi quyết định chuyển m ch tới luồng bit không lỗi. Đây là ph ơng pháp chuyển m ch không lỗi bít hoặc hitless. Để tránh sự cố truyền dẫn ng i ta tiến hành thêm cấu hình dự phòng nóng (Hot standby). 3) Các bộ cân bằng thích ứng trung tần Ng i ta đã biết đ ợc d ng sóng trung tần băng thông bị thay đổi nghiêm trọng khi có pha đinh nhiều đ òng sóng. Một số tần số trong phổ sóng mang bị suy gi m quá nghiêm trọng hơn các tần số khác. Kết qu điều này dẫn đến méo băng tần gốc dẫn tới lỗi và hỏng đ ng truyền. Các bộ cân bằng thích ứng IF làm gi m tối thiểu điều này. Điều này rất quan trọng, nó cần thiết để xem xét l i điều kiện truyền sóng tồn t i giữa các anten thu phát. Khí quyển t o ra các đ ng sóng D1 và D2 có độ dài khác nhau. d = D1 − D2 = Ví dụ : h1 = 60 m ; h2 = 500m ; D = 50 km thì 2 h 1h 2 D d = 1, 2 m 65 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn t= qu·ng d−êng sãng 1,2 = = 4 ns tèc dé truyÒn 3.10 8 Th i gian đi của hai đ ng sóng khác nhau điều này t ơng đ ơng f = 1/t = 250 MHz. Nếu tổng hợp đồ thị véc tơ hai đ ng truyền th i gian khác nhau, nó có giá trị max nếu cùng pha và bằng 0 nếu ng ợc pha. Tuy nhiên thực tế ít khi nh vậy. D1 h2 D2 h1 D Hình 1.56: Lan truy n nhi u tia sóng khác nhau gây méo phổ Nh ví dụ này thì sự cùng pha và khác pha mỗi 250Mhz. Tất c các điểm trên đ ng cong tuần hoàn sẽ có pha khác nhau từ 0 ÷ 1800. Đ ng cong gọi là đ ng xicloit . Th ng thì tín hiệu tổng hợp tăng hơn tín hiệu đ ng truyền trực tiếp riêng rẽ là 6dB. Gi sử trung tần cho gi i điều chế điển hình 56Mhz, chỉ một phần đ ng cong tuần hoàn đ ợc tính băng trung tần gi i điều chế (hình 1.57a). Biên độ RF1 RF1 RF2 RF2 RF1 Đo độ rộng RF2 RF1 + RF2 6dB RF1 logic kỉêm tra RF1 RF2 RF2 t 1/2τ 1/τ 3/2τ a) Hình 1.57: Đ (Tần số) b) ng cong méo phổ và chống méo phổ (do pha đinh) Sự gi i điều tốt nhất khi băng trung tần rơi vào giữa vùng biên độ lớn nhất của đ ng cong, ng ợc l i thì xấu và xấu nhất khi bằng trung tần rơi vào vùng khe đ ng cong . Pha đinh biến động nên khó khăn đ t đ ợc tối u cho gi i điều chế . 66 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Ng i ta dùng các lo i bộ cân bằng thích ứng sẽ điều chỉnh cho hiện t ợng này để chống pha đinh c i thiện sự không phẳng của đáp ứng qua băng IF. Có lo i bộ cân bằng nghiêng (Slope) và cân bằng cầu vồng (Hump) (hình 1.57b). 4) Các bộ cân bằng ngang thích ứng băng gốc Một ph ơng pháp khác có thể chống méo t i băng tần gốc . Sự ho t động bộ cân bằng ngang có thể đ ợc gi i thích tốt nhất bằng xem đáp ứng xung kênh méo so sánh với đáp ứng xung kênh lý t ng, trong đó có cắt ngang “ không ” cân bằng t i lúc ngừng dấu hiệu. Đáp ứng xung kênh méo có số biên độ d ơng và âm t i các điểm nơi có thể là điểm cắt “ không “ hay nói cách khác là hiệu ứng vòng méo trễ. Mục tiêu của bộ cân bằng băng gốc là tối thiểu hoá nhiễu giao thoa dấu hiệu (ISI) do điều kiện truyền sóng nghĩa là bộ cân bằng ngang c ỡng bức điểm cắt “ không” đúng nơi nó cần xuất hiện . Sau tính toán thành lập đ ợc toàn bộ sơ đồ khối bộ cân bằng ngang băng gốc trên cơ s các m ch logic. 1.3.2.5. Hệ thống truyền dẫn vi ba số Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống truyền dẫn vi ba số đ ợc cho hình 1.58. Hình 1.58: S đồ khối hệ thống vi ba số Vai trò của các khối chức năng trong sơ đồ hình 1.58 nh sau. a/ Phía phát * Khối KĐ và giao diện đ + Phối kháng với đ ng số có các chức năng sau: ng số + Khuyếch đ i và cân bằng cáp đ ng truyền số 67 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn + Biến đổi mã đ ng vào mã máy + Tái sinh tín hiệu số + Khôi phục xung đồng hồ * Khối xử lý số băng gốc phát: + Ghép thêm các thông tin điều khiển và qu n lý đ ng truyền + Mật mâ hoá các thông tin quan trọng + Mã hoá kênh chống lỗi + Ngẫu nhiên hoá tín hiệu số tr ớc khi đ a lên điều chế * Khối điều chế và biến đổi nâng tần: + Điều chế sóng mang bằng tín hiệu số để chuyển đổi tín hiệu số này vào vùng tần số cao thuận tiện cho việc truyền dẫn + Đối với các máy phát đổi tần với điều chế thực hiện trung tần khối biến đổi nâng tần cho phép chuyển tín hiệu trung tần phát vào tần số vô tuyền tr ớc khi phát. * Khối khuyếch đ i công suất: + Khuyếch đ i công suất phát đến mức cần thiết tr ớc khi đ a phát vào không trung. b/ Phía thu: * Khuyếch đ i t p âm nhỏ: + Khuyếch đ i tin hiệu thu yếu trong khi khuyếch đ i rất ít t p âm * Biến đổi h tần, khuyếch đ i trung tần và gi i điều chế : + Đối với máy thu đổi tần tr ớc khi gi i điều chế tín hiệu thu đ ợc biến đổi vào trung tần thu nh khối biến đổi h tần. Trong quá trình biến đổi h tần do xuất hiện tần số nh g ơng nên khối biến đổi h tần th ng làm thêm nhiệm vụ triệt tần số nh g ơng. + Đối với các máy thu đổi tần sau biến đổi h tần là khuyếch đ i trung tần. Nhiệm vụ của khối chức năng này là khuyếch đ i, lọc nhiễu kênh lân cận và cân bằng thích ứng vùng tần số cũng nh cân bằng trễ nhóm các phần tử của kênh truyền dẫn . + Gi i điều chế tín hiệu thu để phục hồi tín hiệu số * Xử lý số băng tần gốc thu: + Thực hiện các chức năng ng ợc với khối xử lý số băng gốc phát nh : • Gi i ghép xen • Gi i mã kênh • Gi i ngẫu nhiên • Phân luồng cho luồng số chính và luổng số điều khiển qu n lý đ ng truyền • Cân bằng thích ứng vùng th i gian để gi m thiểu nh hửơng của phađinh * Khuyếch đ i và giao diện đ ng số: + Khuyếch đ i tín hiệu số đến mức cần thiết tr ớc khi đ a ra ngòai máy + Biến đổi mã máy vào mã đ + Phối kháng với đ 68 ng số ng Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn c/ Giao diện môi tr ng truy n d n: + Là hệ thống anten-phiđơ và các thiết bị siêu cao tần cho phép các máy thu và máy phát giao tiếp với môi tr ng truyền dẫn vô tuyến. 1.3.3. Hệ thống thông tin di động 1.3.3.1. Các đặc điểm chính của thông tin di động Công nghệ thông tin vô tuyến đã phát triển với những b ớc dài từ điện báo, phát thanh vô tuyến và truyền hình tới việc sử dụng tr i phổ cho điện tho i di động. Vấn đề đáp ứng sự tăng tr ng về dung l ợng mà không cần tăng phổ vô tuyến đã đ ợc gi i quyết bằng cách gi m công suất của tr m thu phát vô tuyến BTS chỉ phục vụ một vùng nhỏ (Cell) và phủ sóng một vùng rộng bằng cách đặt nhiều cell liên tiếp nhau. Mỗi cell đ ợc ấn định một phần nhỏ của toàn bộ tài nguyên phổ tần số đ ợc ấn định. Các cell đặt xa nhau có thể sử dụng cùng cùng một tần số, đó là xuất xứ của tên m ng tổ ong Cellular. Nh kh năng sử dụng l i tần số này mà m ng cellular có dung l ợng lớn hơn. Thế hệ đầu tiên của các hệ thống tổ ong là các hệ thống Analog đ ợc hãng NTT sử dụng t i Tokyo vào năm 1977. M ng Analog NMT đ ợc sử dụng t i châu Âu vào năm 1981, m ng AMPS đ ợc sử dụng t i Bắc Mỹ vào năm 1983. Vào cuối những năm 80 thế hệ đầu tiên của hệ thống Cellular dựa trên các kỹ thuật báo hiệu analog tỏ ra đã lỗi th i. Những tiến bộ về công nghệ m ch tích hợp cho phép các kỹ thuật mã hoá tiên tiến đ ợc sử dụng, cho phép tăng hiệu qu sử dụng phổ vô tuyến. Thêm vào đó viễn thông số cho phép sử dụng mã hoá sửa sai cung cấp một ph ơng thức chống l i nhiễu, vấn đề gây nhiều khó khăn cho hệ thống analog. Ngoài ra các hệ thống số cho phép ghép các lo i số liệu khác nhau và điều khiển hiệu qu m ng l ới. Sự triển khai toàn cầu của hệ thống thông tin cellular số bắt đầu vào đầu những năm 90. châu Âu đó là GSM, hệ thống này thống nhất tiêu chuẩn tr ớc đó đ ợc dùng châu Âu nh hệ thống NMT bán đ o Scandinavia, hệ thống C-450 Đức và các hệ thông khác nh TACS và R2000. Hệ thống GSM đ t đựoc hai mục đích là c i thiện công nghệ truyền dẫn và cung cấp một tiêu chuẩn thống nhất. bắc Mỹ đó là hệ thống DAMPS (tiêu chuẩn IS 136), Nhật là hệ thống PDC, ngoài ra cuối những năm 90 xuất hiện hệ thống CDMA (tiêu chuẩn IS-95). Ngoài nhiệm vụ ph i cung cấp các dịch vụ nh m ng điện tho i cố định thông thu ng, các m ng thông tin di động ph i cung cấp các dịch vụ đặc thù cho m ng di động để đ m b o thông tin mọi lúc, mọi nơi. Để đ m b o các chức năng nói trên các m ng thông tin di động ph i đ m b o một số đặc tính cơ b n sau: 1. Sử dụng hiệu qu băng tần đ ợc cấp phát để đ t đ ợc dung l ợng cao do sự h n chế của d i tần vô tuyến sử dụng cho thông tin di động. 2. Đ m b o chất l ợng truyền dẫn yêu cầu. Do truyền dẫn đ ợc thực hiện bằng vô tuyến là môi tr ng truyền dẫn h , nên tín hiệu dễ bị nh h ng của nhiễu pha đinh. Các hệ thống thông tin di động ph i có kh năng h n chế tối đa các nh h ng này. Ngoài ra để tiết kiệm băng tần m ng thông tin di động chỉ có thể sử dụng các Codec tốc độ thấp. Các Codec này ph i đ ợc thiết kế theo công nghệ đặc biệt để đ t đ ợc chất l ợng truyền dẫn cao. 69 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn 3. Đ m b o an toàn thông tin tốt nhất. Môi tr ng truyền dẫn vô tuyến là môi tr ng rất dễ bị nghe trộm và sử dụng trộm đ ng truyền nên cần ph i có biện pháp đặc biệt để đ m b o an toàn thông tin. Để đ m b o quyền lợi của ng i thuê bao cần giữ bí mật số nhận d ng thuê bao và kiểm tra tính hợp lệ của mỗi ng i sử dụng khi họ truy nhập m ng. Đẻ chống nghe trộm cần mật mã hoá thông tin của ng i sử dụng. một số hệ thống thông tin di động ng i ta sử dụng một khoá nhận d ng bí mật riêng l u bộ nhớ an toàn. hệ thống GSM thẻ SIM-Card đ ợc sử dụng. Ng i thuê bao cắm thẻ này vào máy di động của mình và chỉ có ng i này có thể sử dụng nó. Các thông tin l u giữ SIM-Card cho phép đ m b o an toàn thông tin. 4. Gi m tối đa rớt cuộc gọi khi thuê bao di động chuyển từ vùng phủ này sang vùng phủ khác. 5. Cho phép phát triển các dịch vụ mới, nhất là các dịch vụ phi tho i. 6. Để mang tính toàn cầu ph i cho phép chuyển m ng quốc tế. 7. Các thiết bị cầm tay ph i gọn nhẹ và tiêu thụ ít năng l ợng. 1.3.3.2. Các công nghệ sử dụng trong thông tin di động Công nghệ FDMA Công nghệ FDMA là công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số. Phổ tần số qui định cho liên l c di động đ ợc chia thành 2N d i tần số kế tiếp, cách nhau một d i tần phòng vệ. Mỗi d i tần đ ợc gán cho một kênh liên l c. N d i tần dành cho liên l c h ớng lên, sau một d i tần phân cách là N d i tần kế tiếp dành cho liên l c h ớng xuống . Đặc điểm: mỗi MS đựoc cấp phát đôi kênh liên l c suốt th i gian thông tuyến. Nhiễu giao thao do tần số các kênh lân cận nhau là rất đáng kể BTS ph i có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong tế bào. Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống di động AMPS (Advanced mobile phone system) . Công nghệ TDMA Công nghệ TDMA là công nghệ đa truy cập phân chia theo th i gian. Phổ tần số quy định cho liên l c di động đ ợc chia thành d i tần liên l c, mỗi d i tần liên l c này đ ợc dùng chung cho N kênh liên l c, mỗi kênh liên l c là một khe th i gian trong chu kỳ 1 khung. Tin tức đựơc tổ chức d ới d ng gói, mỗi gói có bít chỉ thị đầu gói, thị chỉ cuối gói, các bít đồng bộ, các bít b o vệ và các bít dữ liệu . Đặc điểm: Tín hiệu của thuê bao đ ợc truyền dẫn số. Liên l c song công mỗi h ớng thuộc d i tần liên l c khác nhau. Gi m nhiễu giao thao, gi m số máy thu phát BTS. Fading và trễ truyền dẫn là những vấn đề kỹ thuật rất phức t p, ngoài ra ISI (giao thao các ký hiệu) hay mất đồng bộ cũng là những vấn đề cần gi i quyết. Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống di động GSM (Global System for Mobile communication). Công nghệ CDMA Công nghệ CDMA là công nghệ đa truy cập phân chia theo mã. Mỗi MS đ ợc gán một mã riêng biệt và kỹ thuật tr i phổ tín hiệu giúp cho các MS không gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện cùng một lúc dùng chung d i tần số. 70 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Đặc điểm: d i tần tín hiệu rộng hàng trăm Mhz, sử dụng kỹ thuật tr i phổ phức t p. Kỹ thuật tr i phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có c ng độ tr ng rất nhỏ và chống pha đinh hiệu qu hơn FDMA hay TDMA. Việc các thuê bao MS trong tế bào dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn gi n, việc thay đổi kế ho ch tần số không còn là vấn đề phức t p, chuyển giao tr nên mềm dẻo hơn, điều khiển dung l ợng trong tế bào rất linh ho t. Hệ thống CDMA cũng áp dụng kỹ thuật nén số nh TDMA, nh ng với tốc độ bit thay đổi theo tích cực tho i, nên tín hiệu tho i có tốc độ bit trung bình nhỏ hơn. 1.3.3.3. Cấu trúc và các thành phần của hệ thống GSM Hệ thống GSM có thể chia thành ba phần chính : hệ thống BSS, hệ thống m ng chuyển m ch NSS và hệ thống vận hành và b o d ỡng O&M (hình 1.59). Um Abis A BSC HLR PSTN,ISDN CSPDN PSPDN PLMN MSC SM ME VLR BTS BSC BTS Station Base Station Subsystem EIR AuC Network Subsystem Hình 1.59: Cấu trúc tổng quát của hệ thống GSM BTS (Base Transceiver Station) : Tr m thu phát gốc BSC (Base Station Controller) : Bộ điều khiển tr m gốc MSC (Mobile Service Switching Center) : Trung tâm chuyển m ch các dịch vụ di động HLR (Home Location Register) : Bộ ghi dịch định vị th ng trú EIR (Equipment Identity Register) : Bộ nhận d ng thiết bị AuC (Authentication Center) : Trung tâm nhận d ng VLR (Visitor Location Register) : Bộ ghi định vị t m trú ISDN (Intergrated Services Digital network) : m ng số tổ hợp đa dịch vụ PSPDN (Packet Switching Public Digital network) : m ng chuyển m ch gói công cộng PSTN (Public Switching Telephone Network) : M ng chuyển m ch tho i công cộng PLMN (Public Land Mobile Network) : m ng di động mặt đất công cộng) Đa số các chức năng đặc biệt của hệ thống GSM đ ợc thực hiện b i hệ thống các tr m phát BSS trong việc liên l c với thiết bị đầu cuối mobile. Hệ thống BSS đ ợc chia thành hai khối chức năng : Tr m phát BTS và bộ điều khiển tr m phát BSC. Một m ng GSM dung l ợng cao thông 71 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn th ng có hàng ngàn BTS. BTS cung cấp chức năng vô tuyến thu phát và báo hiệu cho sự t ơng tác với các phần tử khác của m ng. Vùng phủ sóng của một BTS gọi là một Cell. BSC thực hiện chức năng chuyển m ch và điều khiển các kênh vô tuyến cho hệ thống BSS. BSC ấn định kênh vô tuyến trong toàn bộ th i gian thiết lập một cuộc gọi và gi i phóng tài nguyên khi cuộc gọi kết thúc. Chức năng di động chỉ trong nội vùng hệ thống BSS đ ợc thực hiện b i BSC. Các chức năng này làm cho cấu trúc của BSC cao hơn của BTS. Thông th ng mỗi BSC điều khiển hàng chục BTS. Khối chuyển mã TCE kết hợp với BSS chuyển đổi tín hiệu tho i đặc tr ng GSM thành d ng mã dùng trong m ng điện tho i cố định thông th ng. Vị trí của bộ chuyển mã TCE có thể đặt t i hai vị trí tuỳ thuộc vào đặc tr ng cụ thể của hệ thống : đặt t i vị trí của BSC hoặc vị trí của MSC. Vị trí đặt có ý nghĩa đối với giá thành truyền dẫn b i vì tín hiệu giữa BTS và bộ chuyển mã là 16 Kbit/sec. T i bộ chuyển mã, tín hiệu 16 Kbit/sec đ ợc chuyển đổi thành 64 Kbit/sec qua MSC tới m ng tho i cố định. Việc chuyển m ch giữa các thuê bao đ ợc thực hiện b i tr ng chuyển m ch trong MSC. Một MSC kết nối với các m ng khác nh là m ng tho i cố định PSTN, m ng ISDN, m ng số liệu gói PSPDN. Một bộ số liệu logic đ ợc gọi là bộ đăng ký dữ liệu chủ chứa đựng các thông tin liên quan đến việc đăng ký của mỗi thuê bao nh các dịch vụ và vị trí của thuê bao. Để có thể định tuyến các cuộc gọi tới, các thông tin địa chỉ của vùng khách đ ợc chứa trong HLR. Một ngân hàng giữ liệu là bộ đăng ký dữ liệu khách VLR phụ trách việc ghi chú các đăng ký yêu cầu và thông tin vị trí của các thuê bao c trú trong vùng phục vụ của nó. Thêm vào đó một bộ nhận thực thiêt bị EIR đ ợc sử dụng để ngăn c n việc sử dụng trộm hoặc các máy mobile cầm tay không đ ợc phép. Một cuộc gọi tới máy MS đ ợc định tuyến tới tổng đài MSC cổng trong m ng di động công cộng mặt đất PLMN của thuê bao. Bằng cách sử dụng các thông tin chứa trong HLR và VLR cuộc gọi đ ợc định tuyến tới MSC mà thuê bao đang đó. Trong khi thuê bao đang trong m ng chủ thì tổng đài MSC chủ và MSC cổng là giống nhau. 1.3.3.4. Giao diện vô tuyến Một trong những mục đích sớm nhất trong sự nghiên cứu phát triển của hệ thống GSM là xác định một giao diện m cho phép các nhà khai thác (Operator) xây dựng m ng l ới của mình từ các phần tử m ng của các nhà cung cấp khác nhau, và cho phép xây dựng m ng l ới có chất l ợng cao với giá c hợp lý. Một trong các giao diện quan trọng nhất là giao diện vô tuyến : giao diện Abis giữa BTS và BSC, giao diện A giữa BSC và MSC. Tất c các giao diện này đ ợc dùng cho việc truyền dẫn các thông tin của ng i sử dụng cũng nh điều khiển báo hiệu. Thêm vào đó có một vài giao diện giữa MSC, VLR, HLR. 72 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Hình 1.60. Cấu trúc khung và đa khung Giao diện vô tuyến bao gồm hai băng tần số song công 25 Mhz cho c đ ng lên và đ ng xuống (Uplink và downlink), gi i băng tần là 890-915 MHz và 935-960 MHz (hình 1.60). Công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA đ ợc ứng dụng cho mỗi sóng mang có độ rộng băng tần là 200 KHz. Về ph ơng diện th i gian mỗi sóng mang đ ợc ghép vào 8 khe th i gian liên tiếp (sử dụng công nghệ đa truy nhập theo th i gian TDMA). Một chu kỳ nhắc l i liên tiếp của mỗi khe th i gian gọi là một khung TDMA. Thông tin báo hiệu và số liệu của ng i sử dụng đ ợc b o vệ chống l i các điều kiện lỗi trên giao diện vô tuyến bằng cách sử dụng mã sửa lỗi (mã xoắn) và đan xen. Số liệu đ ợc mã hoá khối đ ợc đ a vào các Burst, mã hoá và điều chế sử dụng khoá dịch tối thiểu Gauss (điều chế tần số GMSK) qua giao diện vô tuyến. Về mặt logic các kênh l u l ọng đ ợc tổ hợp của các khe th i gian trong các khung TDMA liên tiếp, thực hiện điều khiển liên kết chậm SACCH và các khe th i gian rỗi trong một đa khung 26 (Hình 1.61). Hình 1.61. Tổ chức của các Burts, khung TDMA và đa khung 73 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Đ ng lên (uplink) chậm 3 khe th i gian so với đ ng xuống. Việc này là một chi tiết rất quan trọng cho việc thiết kế MS chỗ việc phát và thu không bao gi cùng một th i gian không giống nh các hệ thống Cellular analog. Điều này đơn gi n cho việc thiết kế b i vì việc cần thiết cách ly giữa các m ch thu và phát là gi m đi. Thêm vào đó để thu và phát, việc giám sát của các Cell lân cận đ ợc yêu cầu cho mục đích chọn lựa Cell. MS RX 3 4 0 1 5 6 7 0 1 3 4 5 6 3 4 0 1 5 6 7 0 1 3 4 5 MS TX 7 7 6 Giám sát Hình 1.62. Hoạt động của MS trong ch độ thoại hoặc số liệu s d ng một khe th i gian Hình 1.62 cho thấy sự ho t động của một MS trong tr ng thái truyền tho i hoặc số liệu. Trong ví dụ này khe th i gian 2 đ ợc sử dụng cho việc thu và phát. Việc phát có thể sớm hơn một chút để đ m b o th i gian đến chính xác t i BTS. Việc giám sát của các cell lân cận đ ợc thực hiện trong kho ng th i gian giữa việc thu và phát theo khung TDMA. Trình tự này đ ợc tiếp tục lặp l i trong toàn bộ th i gian diễn ra cuộc gọi trừ khung rỗi trong đa khung 26. Trong toàn bộ khung rỗi, MS thực hiện việc đồng bộ với các Cell lân cận. 1.3.3.5. Mã hoá kênh và điều chế truyền dẫn số ng i ta th ng đo chất l ợng của tín hiệu thu đ ợc bằng tỷ số lỗi bít (BER). BER nói lên bao nhiêu bít trong tổng số bít thu đ ợc mắc lỗi. Tỷ số này càng nhỏ càng tốt. Tuy nhiên do đ ng truyền dẫn luôn luôn thay đổi nên ta không thể gi m hoàn toàn xuống không, nghĩa là ph i cho phép một l ợng lỗi nhất định. Để có thể c i thiện tỷ số lỗi bít BER ng i ta dùng các ph ơng pháp mã hoá kênh. Thông th ng mã hoá kênh có thể phát hiện lỗi và chừng mực nào đó sửa đ ợc lỗi. Mã hoá kênh ph i tr giá là thêm số bít kiểm tra, tức là làm tăng l ợng thông tin truyền trên đ ng truyền. Trong thông tin di động sử dụng hai ph ơng pháp mã hoá cơ b n là mã khối và mã xoắn. mã hoá khối ta bổ sung một số bít kiểm tra vào một số bít thông tin nhất định, các bít kiểm tra chỉ phụ thuộc vào các bít thông tin khối b n tin. mã xoắn, bộ mã hoá t o ra khối các bít thông tin mã hóa không chỉ phụ thuộc vào khối b n tin hiện th i, mà còn phụ thuộc vào các bít của các khối tr ớc. Các mã khối th ng đ ợc sử dụng khi có báo hiệu định huớng theo khối, chẳng h n vô tuyến di động mặt đất t ơng tự khi số liệu đ ợc phát đi theo khối. Nó cũng th ng đ ợc sử dụng để phát hiện lỗi khi thực hiện ARQ (yêu cầu tự động phát l i). Mã hoá xoắn liên quan nhiều hơn đến sửa lỗi, chẳng h n khi không có ph ơng tiện ARQ. 74 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn C hai ph ơng pháp đều đ ợc sử dụng GSM, tr ớc hết một số bít thông tin đ ợc mã hoá khối để t o nên một khối thông tin kiểm tra. Sau đó tất c các bít này đ ợc mã hoá xoắn để t o nên các bít đ ợc mã hoá.C hai b ớc trên đều đ ợc áp dụng cho c tiếng và số liệu mặc dù các sơ đồ mã hoá chúng hơi khác nhau. Lý do sử dụng mã hoá “kép” vì ta muốn sửa lỗi nếu có thể (mã hoá xoắn) và sau đó có thể nhận biết đ ợc (mã hoá khối) xem liệu thông tin có bị hỏng đến mức không dùng đ ợc hay không. 1.3.3.6. Các thế hệ thông tin di động M ng thông tin di động tế bào (Cellular) đã tr i qua 3 thế hệ: 1G, 2-2.5G và 3G (hình 1.63). Hệ thống thế hệ thứ nhất 1G là các hệ thống di động t ơng tự, đ ợc thiết kế để truyền t i tho i. Thế hệ 2 (2-2.5G) sử dụng công nghệ số. Hệ thống thế hệ 3 (3G) đáp ứng đáng kể phần thiếu hụt của các tiêu chuẩn thế hệ hai hiện có, c về lo i hình dịch vụ và tốc độ truy nhập. Hệ thống di động số hiện t i đ ợc thiết kế tối u cho thông tin tho i, trong khi đó hệ thống 3G chú trọng đến kh năng truyền thông đa ph ơng tiện. Hình 1.63: Xu th phát tri n mạng thông tin di động Thông tin di động th hệ thứ nhất Hệ thống thế hệ thứ nhất, xuất hiện vào cuối những năm 70 đầu những năm 80, dùng kỹ thuật điều tần (FM) t ơng tự, trong đó có hệ thống AMPS là hệ thống đáng chú ý nhất. AMPS sử dụng công nghệ FM đẻ truyền dẫn tho i và báo hiệu số cho thông tin điều khiển. Các hệ thống thế hệ thứ nhất khác gồm có: + AMPS băng hẹp (NAMPS): đ ợc đ a vào sử dụng năm 1982, đây là tiêu chuẩn t ơng tự thành công nhất. Hệ thống đã đ ợc triển khai khá nhiều n ớc trên thế giới. + Hệ thống TACS: ban đầu đ ợc giành riêng cho Anh và cũng dựa trên AMPS. Chỉ tiêu TACS ban đầu đã đ ợc m rộng thành ETAC. ETAC chủ yếu đ ợc triển khai khu vực Châu á Thái Bình D ơng. + Hệ thống tho i di động Bắc Âu (NMT-900): là hệ thống t ơng tự xuất hiện đầu tiên, đ ợc đ a vào Thuỵ Điển và Na Uy năm 1979. 75 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Tất c các hệ thống Cellular thế hệ thứ nhất trên đều dùng đa truy nhập phân tần (FDMA), mỗi kênh đ ợc gán cho một băng tần số duy nhất trong một nhóm cell. Thông tin di động th hệ thứ hai Hiện t i có bốn công nghệ di động thế hệ 2-2.5 đang cùng tồn t i: GSM, CdmaOne, TDMA và PDC, trong đó GSM là phổ biến nhất. Sau đây là một số đặc điểm chính của công nghệ này. Vào năm 1982, CEPT (Conférence Eroupéenne des Postes et des Télécommunication) thành lập Nhóm đặc trách về thông tin di động GSM (Group Spécial Mobile). Năm 1989, Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI - Eropean Telecommunication Standards Institute) đ a ra các tiêu chuẩn kỹ thuật của GSM. Hiện t i, nhóm 3GPP (3G Partnership Project) đang tiến hành xây dựng tiêu chuẩn m ng 3G cho châu Âu. Hệ thống GSM cho phép tới 8 ng i dùng cùng chia sẻ một băng tần vô tuyến 200 KHz bằng việc gán lần l ợt các khe th i gian cho mỗi ng i dùng. GSM sử dụng băng tần 900 MHz và 1800 MHz trên toàn thế giới ngo i trừ Bắc Mỹ (băng tần 1900 MHz). Sắp tới, băng tần 450 MHz và 850 MHz sẽ đ ợc sử dụng. Kể từ khi đi vào ho t động, hệ thống GSM đã cung cấp dịch vụ nhắn tin SMS (Short Message Service), đây là dịch vụ chuyển m ch gói phi kết nối với giới h n của b n tin nhỏ hơn 160 kí tự. Việc truyền số liệu có thể đ ợc thực hiện bằng ph ơng thức chuyển m ch kênh CSD (Circuit Switched Data) với tốc độ 14,4 Kb/s. Giới h n về tốc độ truyền số liệu dẫn tới sự cần thiết ra đ i tiêu chuẩn truyền số liệu tốc độ cao qua chuyển m ch kênh HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) và dịch vụ chuyển m ch gói vô tuyến GPRS (General Packet Service). HSCSD cho phép tốc độ truyền số liệu cao hơn CSD (lên tới 57,6 Kb/s), nh ng nó cũng giống nh CSD là ph i dựa trên ph ơng thức chuyển m ch kênh. Vì vậy, sử dụng công nghệ này không mang l i hiệu qu cao khi truyền l u l ợng có tốc độ bit thay đổi. Hơn nữa, HSCSD còn sử dụng vài kênh vô tuyến (tới 4 kênh). Nh ợc điểm này của HSCSD khiến cho chỉ có ít nhà khai thác sử dụng công nghệ này. Hầu hết các nhà khai thác sử dụng công nghệ GPRS. GPRS tuân thủ ph ơng pháp điều chế vô tuyến, băng tần, cấu trúc khung của GSM và đ ợc thiết kế dựa vào một số nguyên tắc sau: - Liên tục: cho phép gửi và nhận dữ liệu bất cứ lúc nào - Tốc độ bít cao: băng tần thực t ơng đ ơng với tốc độ kết nối của Modem Dial-up. - Cải thiện việc sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến: nhiều ng vô tuyến. i sử dụng chia sẻ các kênh - Cấp kênh vô tuyến riêng biệt cho kết nối đi (Uplink) và đến (Downlink) - Duy trì đồng thời dịch vụ truyền số liệu và dịch vụ thoại Từ đầu năm 2002, một công nghệ mới có tên là EDGE (Enhanced Data Rate for Global Evolution) đ ợc triển khai Mỹ. Công nghệ này c i tiến GPRS bằng cách áp dụng ph ơng pháp điều chế vô tuyến mới, làm tăng băng tần lên 3 lần so với GPRS. Thông tin di động th hệ thứ ba Đã có nhiều nỗ lực quốc tế để đ a ra một chuẩn 3G toàn cầu. Có 2 hệ thống đề xuất chính cho 3G đ ợc hiệp hội Viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) xem xét: • UMTS của châu Âu: bao hàm 2 hệ thống khác biệt có liên quan tới ph ơng pháp điều chế: 76 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn - CDMA tr i phổ trực tiếp: CDMA băng rộng, còn đ ợc gọi là song công phân chia tần số FDD (Frequence Division Duplex). - CDMA-TDD: song công phân chia th i gian TDD (Time Division Duplex). • Cdma2000 của Bắc Mỹ (và một số n ớc châu Á): CDMA đa sóng mang, là thế hệ mới phát triển từ công nghệ cdmaOne. Mặc dù đ ợc sử dụng trong thế hệ 3G, nh ng công nghệ EDGE chỉ đ ợc xem nh là b ớc phát triển chuyển tiếp từ công nghệ GSM lên 3G mà thôi. 1.3.3.7. Các dịch vụ trong hệ thống GSM Dịch vụ số liệu cũng nh tho i trong GSM thông th ng là chuyển m ch kênh. Một giao diện vô tuyến tốc độ 12 kbit/sec (13 kbit/sec cho tho i) sau khi đã thực hiện sửa sai từ tốc độ 22.8 kbit/sec. Một tốc độ tối đa cho ng i sử dụng là 9.6 kbit/sec giữa máy cầm tay MS và MSC. Các dịch v thoại c bản Bên c nh dịch vụ tho i cơ b n rất quen thuộc cho phép thiết lập cuộc gọi giữa hai thuê bao di động, giữa thuê bao di động và thuê bao cố định, ... m ng di động GSM hiện nay có kh năng cung cấp các dịch vụ bổ sung khá phong phú nh - Các dịch vụ nhận d ng thuê bao CLIP, CLIR, MCID. - Các dịch vụ chuyển tho i CFU, CFB, CFNR. - Dịch vụ chuyển tiếp cuộc gọi CT. - Dịch vụ cuộc gọi ch CW. - Các dịch vụ cuộc gọi ba bên 3PTY và cuộc gọi hội nghị CONF. - Các dịch vụ h n chế cuộc gọi BAOC, BOIC, BAIC. - Dịch vụ hoàn tất cuộc gọi đến thuê bao bận CCBS. - Dịch vụ giữ cuộc gọi HOLD. - Dịch vụ thông báo th i gian cuộc gọi AOC. - Dịch vụ báo hiệu từ ng i sử dụng đến ng i sử dụng UUS. Các dịch vụ bổ sung đã nêu chỉ đơn thuần nói lên kh năng sẵn sàng đáp ứng các yêu cầu về mặt dịch vụ của m ng di động. Trong từng tr ng hợp cụ thể việc thực hiện các dịch vụ này còn bị nh h ng b i một số yếu tố khác nh kh năng kỹ thuật và qu n lý của m ng đích, h n chế do chuyển vùng, h n chế do chủng lo i và thế hệ thiết bị sử dụng. Các dịch v d liệu Tiêu chuẩn GSM định nghĩa các chức năng đấu nối với các m ng PSTN, ISDN, m ng số liệu gói PSPDN, m ng số liệu chuyển m ch kênh CSPDN và các m ng truy nhập trực tiếp (ETS 94a). Việc đấu nối với PSTN đ ợc thực hiện qua Modem đặt trong chức năng đấu nối MSC. Chức năng này đ ợc thực hiện rộng rãi trong các s n phẩm của các nhà s n suất tổng đài MSC và máy cầm tay MS. Việc kết nối với m ng số liệu gói th ng đ ợc thực hiện b i Modem tới bộ biến đổi không đồng bộ (asynchronous packet assembler and disassembler -PAD). Tính ích lợi của thiết bị đầu cuối không đồng bộ đã làm tăng tr ng việc sử dụng của các dịch vụ không đồng bộ đề cập trên và làm cho các dịch vụ đồng bộ tr nên lỗi th i. Thêm vào các dịch vụ này, truy nhập băng hẹp “narrowband” tr thành dịch vụ số liệu quan trọng trong GSM. 77 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Thuận lợi của cuộc gọi số liệu GSM-ISDN là th i gian thiết lập đấu nối từ đầu cuối tới đầu cuối. Trong việc đấu nối hoàn toàn số ISDN, không cần thiết cho việc thiết lập quan hệ modem, điều này làm gi m đáng kể th i gian thiết lập cuộc gọi. Trong thực tế thiết lập quan hệ modem có thể thực hiện trong kho ng từ 134 dến 17 giây, trong khi thiết lập một đấu nối ISDN sử dụng một bộ Adapter chuyển đổi thông th ng chỉ trong kho ng 4 giây. Cùng với báo hiệu trong GSM, việc thiết lập cuộc gọi trong PSTN trong kho ng 22 giây, trong khi thiết lập đấu nối số liệu GSMISDN chỉ kho ng 10 giây. Nh vậy th i gian cho thiết lập cuộc gọi có thể đ ợc xem xét đ ợc gi m đáng kể. ISDN cũng cho phép sự khác nhau giữa một vài dịch vụ số liệu hoặc tho i sử dụng một số thuê bao. Thêm vào các dịch vụ số liệu là dịch vụ Fax nhóm 3 sử dụng cùng kênh mang với các dịch vụ số liệu đ ợc cung cấp. Khuyến nghị của ITU-T đ ợc sử dụng trong toàn bộ quá trình thiết lập đấu nối, truyền dẫn cung cấp đấu nối từ đầu cuối tới đầu cuối. Việc yêu cầu th i gian thực của giao thức facsmile làm cho tính năng không cần sửa lỗi của GSM thêm tin cậy. Đây là lý do t i sao việc thực hiện của dịch vụ facsmile đ ợc triển khai với các dịch vụ kiểu trong suốt (transparent mode). Kiểu trong suốt đ m b o th i gian trễ cố định với nhiều lo i bít lỗi tốc độ khác nhau, trong khi kiểu không trong suốt (non transparent) đ m b o tốc độ bít lỗi thấp với th i gian trễ truyền dẫn thay đổi. Trong đấu nối với m ng số liệu, việc trễ thay đổi đ ợc chấp nhận. Một dịch vụ số liệu khác hoàn toàn với các dịch vụ số liệu nêu trên là dịch vụ b n tin ngắn SMS. Nó là một lo i dịch vụ gói cho phép thu và phát của các b n tin có kích cỡ lên tới 160 ký tự. Các b n tin đ ợc truyền giữa máy đầu cuối MS và trung tâm nhắn tin. Chức năng của trung tâm nhắn tin này nh là một server chứa và chuyển h ớng cho b n tin đến tận khi b n tin có thể phân phát đến ng i nhận. Việc truyền của b n tin tới hoặc từ một MS rỗi đ ợc thực hiện thông qua kênh điều khiển liên kết nhanh FACCH. Trong khi MS đang có một cuộc gọi đ ợc thiết lập, b n tin đ ợc truyền song song trên một kênh điều khiển liên kết chậm SACCH. Do vấn đòi hỏi của báo hiệu việc truyền một b n tin ngắn chỉ diễn ra trong kho ng th i gian vài giây. Dịch vụ b n tin ngắn SMS đã đ ợc sử dụng rộng rãi để thông báo cho ng i sử dụng b n tin Voice-mail đến. Hiện nay theo khuyến nghị của ETSI 95n cho phép kết nối tới 255 b n tin. Sự phát triển thêm nhiều các ứng dụng thông minh trong hệ thống GSM đang diễn ra nhanh chóng. Tuy nhiên, một vài ứng dụng nh các dịch vụ thông tin về giao thông, chứng khoán không thể đ ợc cung cấp với một tốc độ số liệu thấp từ các kênh điều khiển nh trên. Vì vậy, một dịch vụ vô tuyến gói GSM cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao đang đ ợc các nhà khai thác di động GSM h ớng tới. Ngoài ra dịch vụ nhắn tin qu ng bá tới các Cell đ ợc sử dụng để chuyển phát đồng th i một b n tin nào đó tới nhiều ng i sử dụng trong một vùng phủ sóng nhất định. Tuy vậy b n tin này không thể đ ợc thu nhận trong khi cuộc tho i hoặc số liệu đang diễn ra. Kích cỡ cực đ i của các b n tin là 88 byte và 15 b n tin có thể đ ợc kết hợp. 1.3.4. Hệ thống thông tin vệ tinh Nhu cầu thông tin điện tho i đi kho ng cách xa tới các điểm khác nhau trên trái đất đòi hỏi loài ng i không ngừng phát minh sáng t o . Vào những năm 1960 khi con ng i đã phóng thành công vệ tinh nhân t o bay quanh qu đất, một ph ơng tiện thông tin vô tuyến sóng cực ngắn mới xuất hiện và tr thành th ơng m i. Lúc này ng i ta đặt trên tr m vệ tinh các thiết bị thu phát vô tuyến để thu sóng từ một điểm trên mặt đất và phát tr l i nhiều điểm khác hay thông tin chuyển 78 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn tiếp hai chiều. Để thông tin tốt chỉ có một vài d i tần số đ ợc sử dụng và gọi là của sổ tần số vũ trụ nh là băng C (tần số kho ng 3,7 đến 6,5 GHz) hay băng Ku (11 đến 18 GHz). Các lo i vệ tinh thông tin đ ợc sắp xếp trên các quỹ đ o khác nhau bay vòng quanh qu đất. Ng i ta chia ra số lo i quỹ đ o vệ tinh : vệ tinh quỹ đ o nghiêng elíp, vệ tinh quỹ đ o cực, vệ tinh địa đồng bộ hay quỹ đ o xích đ o (hình 1.64). Các vệ tinh địa đồng bộ có chu kỳ quay vòng đ ợc đồng bộ với trái đất hoặc bội của nó. Quỹ đ o địa tĩnh là một sự địa đồng bộ duy nhất đ ợc định vị trên xích đ o qu đất . Vệ tinh t i quỹ đ o địa tĩnh có độ cao và tốc độ cố định khi quan sát từ một vị trí trên mặt đất. Th i gian đi một vòng của vệ tinh là 23 gi 56 phút 4,1 giây và độ cao của nó là 35.765 km tốc độ 3,073 km/s. N Quỹ đ o Elip Nquỹđ o địa cực ß N Quỹ đ o xích đ o Hình 1.64: Các qu đạo vệ tinh thông tin Vệ tinh quỹ đ o elip lấy tâm qu đất là một trong hai tiêu điểm của hình elíp, độ cao viễn điểm kho ng 35.600 km, độ cao cận điểm kho ng 3.960 km, chu kỳ quay d ới 12 gi . Với vùng nhìn thấy là 8 gi , nói chung ba vệ tinh có thể phủ sóng trùm quanh trái đất. Các vệ tinh quỹ đ o qu đất tầm thấp LEOS, có độ cao 850 km, quay vòng hết 100 phút, có băng tần vô tuyến làm việc 1-2 GHz phục vụ cho PCN thuận tiện. Với các mục đích thông tin khác nhau rất nhiều vệ tinh nhân t o đã đ ợc phóng lên các quỹ đ o quanh qu đất, làm nên m ng vệ tinh thông tin dày đặc và b o đ m thông tin toàn cầu nhanh chóng, thuận lợi và tin cậy (hình 1.65). 79 Ch ơng 1. Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Hình 1.65: Một số vệ tinh thông tin th giới Các ph ơng pháp truy nhập trong thông tin vệ tinh đ ợc phát triển không ngừng: - Đa truy nhập chia tần số (FDMA). - Đa truy nhập chia th i gian (TDMA). - Đa truy nhập chia mã (CDMA). Các lĩnh vực dùng vệ tinh là: - Hệ điện tho i vệ tinh trên biển INMARSAT (1979). - Hệ thông tin của tổ chức INTELSAT. - Các hệ thống thông tin khu vực (vùng phủ sóng hẹp). Ngoài ra còn các dịch vụ truyền thông mới - Hệ thống IDR (Intermediate Rate) có tốc độ điều chế trung bình. - Hệ thống IBR (Intelsat Business Service) dịch vụ th ơng m i Intelsat. Các hệ thông tin hai chiều đ ợc th ơng m i hoá phát triển SAT và Internet. - Hệ Vista có một vài kênh tho i t ơng tự, anten đ ng kính 4mét. - Hệ VSAT Việtnam (VNPT/VTI) dùng FDMA-DAMA. 80 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch CHƯ NG 2: C S K THU T CHUY N M CH Các hệ thống chuyển m ch có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với m ng viễn thông. Các nhà qu n lý hệ thống viễn thông khi đ a ra những quyết định chiến l ợc phát triển m ng th ng dựa trên một số tiêu chí nh độ tin cậy, độ mềm dẻo cũng nh chức năng đáp ứng đ ợc của hệ thống chuyển m ch trong m ng mà họ đang qu n lý. Năng lực của hệ thống chuyển m ch là nhân tố quyết định cho phép tr l i các câu hỏi nh : hệ thống có kh năng cung cấp các dịch vụ nh thế nào, giá thành dịch vụ có tho mãn ng i sử dụng hay không? Công nghệ chuyển m ch gắn liền với công nghệ m ng. Các m ng điện tho i tr ớc đây sử dụng công nghệ chuyển m ch kênh. Xu h ớng hiện nay là xây dựng các m ng hội tụ dựa trên chuyển m ch gói, cung cấp c dịch vụ tho i và số liệu một cách mềm dẻo. Trong ch ơng này sẽ trình bày những đặc điểm quan trọng nhất của c hai hệ thống chuyển m ch kênh và gói. 2.1. Chuy n mạch kênh 2.1.1. Tổng đài chuyển mạch số Vào kho ng thập niên 60 của thế kỷ 20, xuất hiện thế hệ tổng đài điện tử số là sự kết hợp giữa công nghệ điện tử với kỹ thuật máy tính. Tổng đài điện tử số đầu tiên điều khiển theo ch ơng trình ghi sẵn đ ợc giới thiệu t i Mỹ vào năm 1965. Sau đó, hàng lo t các tổng đài điện tử số th ơng m i ra đ i. Các thế hệ tổng đài đầu tiên sử dụng hệ thống chuyển m ch số, song các m ch giao tiếp thuê bao vẫn là Analog. Sau đó hầu hết các hệ thống chuyển m ch số đều đ a ra các cấu hình hỗ trợ cho các dịch vụ mới nh ISDN, dịch vụ cho m ng thông minh, và các tính năng mới t ơng thích với sự phát triển của m ng l ới. Ngày nay, sự bùng nổ của m ng Internet đã tác động m nh mẽ đến công nghiệp viễn thông và xu h ớng hội tụ các m ng máy tính và truyền thông đã tr thành một bài toán mang tính th i sự. Một m ng có thể cho phép truyền thông băng rộng với các lo i hình dịch vụ tho i và phi tho i. Tốc độ cao và đ m b o chất l ợng phục vụ (QoS) đã tr thành những vấn đề cấp thiết cần ph i gi i quyết. Các hệ thống chuyển m ch điện tử số cũng ph i dần thay đổi theo h ớng này cùng với các chỉ tiêu kỹ thuật và giao thức mới. 2.1.1.1. Phân cấp các hệ thống tổng đài Thông th ng các hệ thống chuyển m ch đ ợc phân cấp trong m ng. ITU-T khuyến nghị 35 cấp cho một quốc gia, tuy nhiên hiện nay đang có xu h ớng gi m số cấp m ng để ổn định hơn về mặt đồng bộ. Sau đây là một ví dụ về phân cấp các hệ thống tổng đài: - Tổng đài nội h t (lớp 5). Nó có giao diện trực tiếp với các thuê bao và đấu nối tới tổng đài liên tỉnh (Toll) qua các đ ng trung kế. Các tổng đài này có chức năng ghi thông tin c ớc thuê bao. - Tổng đài quá giang và liên đài, liên tỉnh (lớp 4). Hầu hết tất c các tổng đài lớp 5 đều đấu nối tới tổng đài liên tỉnh. Các tổng đài quá giang chuyển m ch các l u l ợng trung kế tới tổng đài liên tỉnh cấp cao hơn. Dịch vụ điều hành c ớc có thể cung cấp b i các tổng đài này. 81 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch - Tổng đài liên tỉnh (lớp 3). Tổng đài liên tỉnh sơ cấp có thể trực tiếp phục vụ các tổng đài lớp 4 và lớp 5 phụ thuộc vào triển khai các đ ng trung kế. Nói cách khác, nếu trong điều kiện bình th ng các đ ng trung kế bị hết, thì l u l ợng từ các lớp tổng đài thấp hơn có thể đến thẳng lớp 3. Các tổng đài lớp 3 có kh năng l u trữ, sửa đổi, tiền biên dịch, biên dịch hoặc biến đổi mã các con số nhận đ ợc cũng nh là tìm tuyến hiệu qu nhất tới các tổng đài cấp cao hơn. - Tổng đài liên vùng (lớp 2). Có chức năng nh một trung tâm chuyển m ch liên tỉnh và có thể nằm trong số các tổng đài lớp 1. - Tổng đài cửa quốc tế (lớp 1). Các tổng đài này truy nhập trực tiếp tới các tổng đài cửa của các n ớc khác. Nó cũng cung cấp trợ giúp điều hành quốc tế. u điểm của m ng phân cấp là nó cung cấp một cơ chế tìm tuyến đ ng hiệu qu qua m ng. Nh ợc điểm là nếu các tổng đài liên tỉnh hay liên vùng có sự cố thì một vùng rộng lớn sẽ bị cách ly. Có thể dự phòng một vài h ớng thay thế nh ng chúng cũng không thể t i đủ dịch vụ. 2.1.1.2. Cấu trúc chức năng của tổng đài kỹ thuật số Chức năng chính của hệ thống tổng đài là chuyển m ch. Tr ng chuyển m ch của tổng đài kĩ thuật số SPC đ ợc cấu t o từ nhiều phần tử chuyển m ch và đ ợc điều khiển b i phần mềm theo ch ơng trình ghi sẵn. Các ma trận chuyển m ch đ ợc sắp xếp nh thế nào là do thiết kế của nhà s n xuất, nh ng đều dựa trên các phần tử chuyển m ch cơ b n là đơn vị chuyển m ch theo th i gian (T) hay chuyển m ch không gian (S). Mô hình đơn gi n nhất của một tr ng chuyển m ch chỉ ra trên hình 2.1. Lèi vµo Tr−êng chuyÓn m¹ch Lèi ra C¸c bé ®/k Bé xö lý trung t©m Hình 2.1. Mô hình hệ thống chuy n mạch đ n giản Nhiệm vụ quan trọng nhất của tr ng chuyển m ch là thực hiện quá trình đấu nối cho một đầu vào tới một đầu ra (tuyến số liệu, khe th i gian, …) d ới sự điều khiển của bộ xử lý trung tâm. Về mặt vật lý, tr ng chuyển m ch có thể có các cấu trúc ghép hợp TS, ST, STS,TST, TSSST, TTT. Tuy nhiên, cấu trúc ghép TST đang sử dụng phổ biến nhất vì hiệu qu kinh tế, các chỉ tiêu kỹ thuật, dung l ợng và một số u điểm khác. T i tr ng chuyển m ch, các ma trận chuyển m ch tầng S đ ợc cấu t o từ các phần từ logic AND hoặc phần tử 3 tr ng thái d ới sự điều khiển của các bộ vi xử lý cục bộ, còn các chuyển m ch tầng T là các bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (RAM) và cũng đ ợc điều khiển b i các bộ vi xử lý cục bộ. Trên hình 2.1 chỉ thể hiện một cách đơn gi n vấn đề điều khiển tr ng chuyển m ch. Trên thực tế t i các tổng đài quá trình điều khiển th ng phân cấp thành nhiều mức, thể hiện cơ cấu điều khiển phân tán t i các bộ xử lý bên trong. Một số hệ thống chuyển m ch dung l ợng nhỏ 82 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch th ng sử dụng cơ cấu điều khiển tập trung, có thể hiểu là toàn bộ ho t động điều hành hệ thống nằm trong một nhóm bộ xử lý duy nhất. Các bộ xử lý cấp thấp đ ợc điều khiển b i các bộ xử lý cấp cao và thông th ng có một bộ hoặc nhóm bộ xử lý lập thành trung tâm xử lý, có trách nhiệm qu n lý và điều hành toàn bộ hệ thống chuyển m ch số. Có thể m rộng khái niệm về hệ thống chuyển m ch số bằng việc xét thêm các khối chức năng theo h ớng phục vụ cho thuê bao và các đ ng dây trung kế (hình 2.2). Các module trung kế (TM) và thuê bao (LM) là những khối hợp nhất của hệ thống chuyển m ch. Chúng đ i diện cho các đ ng dây thuê bao hoặc nhóm trung kế giống nhau trên một lô m ch điện, gọi là thiết bị đ ng dây hoặc thiết bị trung kế, và đ ợc đấu nối tới tr ng chuyển m ch qua giao diện điều khiển. Lèi ra Lèi vµo Module ®−êng d©y Module trung kÕ Tr−êng chuyÓn m¹ch Module ®−êng d©y Module trung kÕ C¸c bé ®/k Bé xö lý trung t©m Hình 2.2 Mô hình hệ thống chuy n mạch có các module đ ng dây và trung k Các hệ thống chuyển m ch số sử dụng nhiều cách khác nhau để kết nối các đ ng dây thuê bao trong module đ ng dây. Một vài hệ thống chuyển m ch số cho phép kết cuối không chỉ một đ ng dây trên một module đ ng dây mà còn cho phép nhóm nhiều đ ng kết cuối tới một module đ ng dây. Các kiểu kết nối này đều có u điểm và c nh ợc điểm. Nếu một module đ ng dây nhiều đ ng có chất l ợng kém, nó có thể nh h ng tới một số đ ng dây trong module đó. Tuy nhiên, trong tr ng hợp một thiết bị đ ng dây hỏng, thì có thể dễ dàng cài đặt l i sang thiết bị đ ng dây mới nếu module đó gồm nhiều đ ng dây thuê bao. T ơng tự đối với việc sử dụng các trung kế trên module trung kế. Trong các hệ thống chuyển m ch hiện đ i có thể thêm vào các phần tử module đ ng dây hay trung kế mà không ph i lắp mới hệ thống. Điều này cho phép dễ dàng phát triển và cung cấp các dịch vụ mới. Tác dụng của ý t ng thiết kế này là đ m b o cho hệ thống độ tin cậy nhất định khi hệ thống hoàn toàn ho t động tự động. H ớng phát triển tiếp theo tập trung vào phần điều khiển hệ thống. T i đây phát triển các khái niệm xử lý phân tán trong môi tr ng hệ thống chuyển m ch số (hình 2.3). Trên hình vẽ có thể thấy rằng bộ điều khiển tập trung đã đ ợc thay thế bằng các bộ xử lý điều khiển phân tán, thêm vào đó là bộ xử lý điều khiển module đ ng dây và trung kế. 83 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch Lèi ra Lèi vµo Module ®−êng d©y Module trung kÕ I C Tr−êng chuyÓn m¹ch C¸c bé ®/k I C Module ®−êng d©y Module trung kÕ C¸c bé ®/k Bé xö lý trung t©m Hình 2.3 Mô hình hệ thống chuy n mạch có các bộ đi u khi n c c bộ Nhiệm vụ điều khiển hệ thống chuyển m ch đ ợc phân bổ cho hàng lo t các bộ xử lý để điều khiển các khối chuyển m ch cũng nh là các nhóm module thuê bao và trung kế. Bộ xử lý trung tâm điều khiển ho t động của các bộ điều khiển này. Kiểu kiến trúc này rất mềm dẻo và cho phép xây dựng các tổng đài có dung l ợng khác nhau nh quá trình tăng số l ợng bộ xử lý điều khiển m ng. Ví dụ, một tổng đài nhỏ có thể cấu hình chỉ một bộ xử lý điều khiển toàn bộ, trong khi cấu hình của tổng đài lớn hơn có thể có vài bộ xử lý điều khiển cục bộ. Kh năng xử lý của bộ vi xử lý điều khiển trung tâm, các bộ vi xử lý điều khiển m ng và kích th ớc m ng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định dung l ợng tối đa của hệ thống. Để tr ng chuyển m ch của tổng đài ho t động có hiệu qu , các kênh tín hiệu số th ng đ ợc ghép l i để có luồng tốc độ cao nhất và đồng nhất cho tất c các lối vào có tốc độ khác nhau. Thuật ngữ chỉ luồng tốc độ cao là Highway (HW). Tốc độ HW cụ thể bằng bao nhiêu là tuỳ thuộc vào từng tổng đài cụ thể. Chính vì vậy, tr ớc khi đi vào tr ng chuyển m ch chính, thông th ng hệ thống tổng đài có các m ch giao tiếp IC với các chức năng ghép kênh, ghép luồng, tập trung l u l ợng hoặc t ơng tự nh vậy. Để hoàn tất các khái niệm cơ b n về một tổng đài điện tử số, ta xem xét thêm các khối chức năng dịch vụ hệ thống, trong đó quan trọng nhất là khối chức năng báo hiệu. Sơ đồ hệ thống tổng đài với các khối chức năng dịch vụ thể hiện trên hình 2.4. Mục đích của các m ch điều khiển dịch vụ là cung cấp âm m i quay số, chuông, và các chức năng liên quan khác. Trong hệ thống chuyển m ch số hiện đ i mỗi một module đ ng dây hoặc trung kế hoặc nhóm module có thể đấu nối tới một m ch điều khiển phục vụ. Các m ch phục vụ t o ra các tín hiệu cơ b n để kết nối các hệ thống tổng đài trong m ng cũng nh thực hiện chức năng điều hành trong m ng nói chung. 84 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch Lèi vµo SC Module ®−êng d©y Module trung kÕ SC I C Tr−êng chuyÓn m¹ch C¸c bé ®/k I C Lèi ra Module ®−êng d©y Module trung kÕ C¸c bé ®/k Bé xö lý trung t©m Hình 2.4: Mô hình hệ thống chuy n mạch đi n hình Chức năng các khối trong mô hình hệ thống tổng đài trên hình 2.4 cụ thể nh sau. Khối chức năng chuyển mạch Gồm các tr ng chuyển m ch không gian và th i gian, thực hiện nhiệm vụ chuyển thông tin từ một tuyến đầu vào tới một tuyến đầu ra. Khối chức năng điều khiển trung tâm tr Gồm các bộ vi xử lý thực hiện các nhiệm vụ điều khiển phục vụ cho đấu nối số liệu qua ng chuyển m ch, vận hành và b o d ỡng hệ thống tổng đài điện tử số. Khối chức năng các bộ điều khiển Là các bộ vi xử lý thực hiện xử lý mức thấp hơn bộ xử lý trung tâm (đ ợc gọi là xử lý thứ cấp), hỗ trợ các chức năng xử lý tới các khối thiết bị theo lệnh điều khiển từ bộ xử lý trung tâm. Khối giao tiếp IC Làm nhiệm vụ giao diện giữa tốc độ thấp và tốc độ cao, chuẩn hoá các luồng số liệu tr ớc khi đ a vào tr ng chuyển m ch. Ngoài ra, IC còn đ m nhiệm việc truyền số liệu điều khiển tới các khối thiết bị khác. Khối module đ ờng dây và trung kế Đ m nhiệm vai trò giao diện với m ng tho i bên ngoài và thực hiện quá trình biến đổi các tín hiệu tốc độ khác nhau thành d ng tín hiệu tiêu chuẩn tr ớc khi đ a chúng tới tr ng chuyển m ch. Mạch phục vụ SC Cung cấp các chức năng báo hiệu cho toàn hệ thống, bao gồm báo hiệu cho đ bao và báo hiệu cho đ ng dây trung kế. ng dây thuê Ngoài các chức năng liệt kê trên, còn một chức năng nữa rất quan trọng của tổng đài điện tử số là vận hành và b o d ỡng hệ thống (O&M). Tổng đài ho t động 24/24 gi và liên tục trong nhiều năm, đòi hỏi độ ổn định ngắn h n và dài h n cho hệ thống. Chính vì vậy, chức năng vận hành và b o d ỡng tự động đ ợc khai thác triệt để với rất nhiều ph ơng pháp kiểm tra và khôi phục lỗi đa d ng, phong phú giúp cho hệ thống đ ợc an toàn và tin cậy. 85 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch 2.1.2. Chuyển mạch thời gian kỹ thuật số Trong tr ng hợp tổng quát, khi có yêu cầu chuyển m ch cho các khe th i gian khác chỉ số thì ph i ứng dụng tr ng chuyển m ch th i gian. Nh chúng ta đã biết các mẫu thông tin tho i cần ph i chuyển đi trong một kho ng th i gian gọi là khe th i gian TS. Khe th i gian đ ợc coi là vị trí nắm giữ trên trục th i gian. Các khe th i gian của một cuộc gọi đ ợc xuất hiện định kỳ và ghép nhau liên tiếp theo các chỉ số để t o thành khung PCM. Ví dụ, khung PCM tốc độ cơ s E1 có 32 khe th i gian với độ dài khung là 125 microsec và mỗi khe th i gian có độ dài xấp xỉ 3,9 microsec. Tr ớc khi xem xét tr ng chuyển m ch th i gian kỹ thuật số chúng ta cần hiểu rõ khái niệm trao đổi khe th i gian TSI. Trao đổi khe th i gian có nghĩa là trao đổi vị trí trên trục th i gian hay chính xác hơn là trễ trên trục th i gian. Quá trình trao đổi khe th i gian chỉ xuất hiện trên cùng một khung và độ trễ lớn nhất không v ợt quá độ dài của khung đó là 125 microsec. 2.1.2.1. Cấu trúc tr ờng chuyển mạch thời gian Cấu t o của chuyển m ch tầng T bao gồm 02 thành phần chính là bộ nhớ tho i S-Mem (Speech Memory) và bộ nhớ điều khiển C-Mem nh trên hình 2.5. Chức năng cơ b n của S-Mem là nhớ t m th i các tín hiệu PCM chứa trong mỗi khe th i gian phía đầu vào để t o độ trễ thích hợp theo yêu cầu. Nó có giá trị từ nhỏ nhất là 1TS và lớn nhất là (n-1)TS. Nếu việc ghi các tín hiệu PCM chứa trong các khe th i gian phía đầu vào của tầng chuyển m ch T vào S-Mem đ ợc thực hiện một cách tuần tự thì có thể sử dụng một bộ đếm nhị phân modulo n cùng với bộ chọn rất đơn gi n để điều khiển. L u ý rằng khi đó tín hiệu đồng hồ ph i hoàn toàn đồng bộ với các th i điểm đầu của TS trong khung tín hiệu PCM sử dụng trong hệ. Bộ nhớ C-Mem có chức năng điều khiển quá trình đọc thông tin đã l u đệm t i S-Mem. Bộ nhớ C-Mem có n ô nhớ, bằng số l ợng khe th i gian trong khung tín hiệu PCM sử dụng. Trong th i gian mỗi TS, C-Mem điều khiển quá trình đọc một ô nhớ t ơng ứng trong S-Mem. Nh vậy hiệu qu trễ của tín hiệu PCM đ ợc xác định một cách chính xác b i hiệu số giữa các khe th i gian ghi và đọc bộ nhớ S-Mem. 86 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch TS 3 HW vµo 0 S-MEM Add TS 7 0 n R/W HW ra Local controller Selector 1 R Clock W C-MEM 0 TS count 7(3) R/W Selector 2 R W n Data Trung t©m ®iÒu khiÓn H×nh 2.5 Tr−êng chuyÓn m¹ch thêi gian tÝn hiÖu sè Tính không gian trong chuyển m ch th i gian xuất hiện trong quá trình kết nối cho một cuộc gọi nào đó. Thông th ng việc chuyển nội dung thông tin trong các khe th i gian là cố định đối với một cuộc gọi. Khi đó, nội dung ô nhớ chiếm dụng trong bộ nhớ điều khiển cũng là cố định, và nh vậy nó mang tính không gian. 2.1.2.2. Điều khiển trao đổi khe thời gian Nguyên lý điều khiển trao đổi khe th i gian trong chuyển m ch th i gian T sẽ đ ợc trình bày qua ví dụ sau đây. Gi sử có yêu cầu chuyển m ch phục vụ cho cuộc nối giữa TS#3 của luồng tín hiệu PCM đầu vào với TS#7 của luồng tín hiệu PCM đầu ra của chuyển m ch tầng T trên hình 2.5. Căn cứ yêu cầu chuyển m ch, hệ thống điều khiển trung tâm CC của tổng đài sẽ t o các số liệu điều khiển cho tầng T. Để thực hiện điều này CC sẽ n p số liệu về địa chỉ nhị phân ô nhớ số 3 của T-Mem vào ô nhớ số 7 của C-Mem, sau đó CC giao quyền điều khiển cục bộ cho chuyển m ch tầng T trực tiếp thực hiện quá trình trao đổi khe th i gian theo yêu cầu chuyển m ch. Tiếp theo, để quá trình mô t đ ợc xác định và dễ theo dõi, chúng ta kh o sát từ th i điểm bắt đầu TS#0 của khung tín hiệu PCM. Quá trình ghi thông tin PCM chứa trong các khe th i gian phía đầu vào vào bộ nhớ S-Mem đ ợc thực hiện một cách lần l ợt và đồng bộ nh ho t động phối hợp giữa bộ đếm khe th i gian TS-Counter và bộ chọn địa chỉ Selector1. Cụ thể là khi bắt đầu khe th i gian TS#0, tín hiệu đồng hồ tác động vào TS-Counter làm nó thiết lập tr ng thái 0 để t o tổ hợp mã nhị phân t ơng ứng với địa chỉ mã nhị phân ô nhớ 0 của S-Mem. Bộ chọn địa chỉ Selector1 đ ợc sử dụng để điều khiển đọc hay ghi bộ nhớ S-Mem (RAM), trong tr ng hợp này nó chuyển mã địa chỉ này vào bus địa chỉ Add của S-Mem đồng th i t o tín hiệu điều khiển ghi 87 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch W, do vậy tổ hợp mã tín hiệu PCM chứa trong khe th i gian TS#0 của luồng số đầu vào đ ợc ghi vào ô nhớ 0 của S-Mem. Kết thúc th i gian TS#0 cũng là bắt đầu TS#1 song đồng hồ l i tác động vào TS-Counter làm cho nó chuyển sang tr ng thái 1 để t o địa chỉ nhị phân cho ô nhớ số 1 của SMem. Selector1 chuyển số liệu này vào bus địa chỉ của S-Mem, đồng th i t o tín hiệu điều khiển ghi W do đó tổ hợp mã tín hiệu PCM trong khe th i gian TS 1 của luồng số đầu vào đ ợc ghi vào ô nhớ 1 của S-Mem. Quá trình x y ra t ơng tự đối với các khe th i gian TS2, TS3, và tiếp theo cho tới khe th i gian cuối cùng TSn của khung. Sau đó tiếp tục lặp l i cho các khung tiếp theo trong suốt th i gian thiét lập cuộc nối yêu cầu. Đồng th i với quá trình ghi tín hiệu vào S-Mem, C-Mem thực hiện điều khiển quá trình đọc các ô nhớ của S-Mem để đ a tín hiệu PCM ra vào các khe th i gian thích hợp theo yêu cầu. Cụ thể diễn biến quá trình x y ra nh sau. Bắt đầu khe th i gian TS7, tín hiệu đồng hồ tác động vào TS-Counter làm nó chuyển tr ng thái t o mã nhị phân t ơng ứng địa chỉ ô nhớ số 9 của C-Mem. Bộ chọn địa chỉ Selector2 chuyển số liệu này vào Bus địa chỉ của C-Mem đồng th i t o tín hiệu điều khiển đọc R cho bộ nhớ CMem, kết qu là nội dung chứa trong ô nhớ số 9 của C-Mem đ ợc đ a ra ngoài h ớng tới Bus địa chỉ đọc phía đầu vào của Selector1. Vì nội dung của ô nhớ số 7 C-Mem chứa địa chỉ nhị phân của ô nhớ số 3 của S-Mem do vậy bộ chọn địa chỉ Selector1 chuyển địa chỉ này vào Bus địa chỉ của SMem, đồng th i nó t o đ ợc tín hiệu điều khiển đọc R của S-Mem. Kết qu là nội dung chứa trong ô nhớ số 3 của S-Mem đ ợc đ a ra ngoài vào kho ng th i gian của khe th i gian TS7, nghĩa là đã thực hiện đúng chức năng chuyển m ch yêu cầu cho tr ớc. Quá trình tiếp tục lặp l i nh trên với chu kì 125 microsec với các khung tiếp theo cho tới khi kết thúc cuộc nối. Nh vậy, có thể nhận thấy rằng tr ng chuyển m ch th i gian gây trễ cho tín hiệu. Độ trễ lớn nhất của một kênh là n-1 khe th i gian. Có hai ph ơng thức điều khiển cho tr ng chuyển m ch th i gian số. Ph ơng thức thứ nhất là điều khiển đầu ra SWRR ( Sequence Write Random Read) hay còn gọi là Ghi vào tuần tự đọc ra có điều khiển. Ph ơng thức thứ hai là điều khiển đầu vào RWSR ( Random Write Sequence Read) hay còn gọi là ph ơng thức Ghi vào có điều khiển đọc ra tuần tự. Dung l ợng của tr ng chuyển m ch th i gian số phụ thuộc vào tốc độ xử lý ghi, đọc của các bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên. Thông th ng các khối chuyển m ch th i gian đ ợc xử lý song song để tăng dung l ợng và gi m tốc độ ghi đọc. 2.1.3. Chuyển mạch không gian kỹ thuật số 2.1.3.1. Cấu trúc tầng chuyển mạch không gian Một chuyển m ch không gian kỹ thuật số bao gồm một ma trận TDM với các hệ thống PCM đầu vào và đầu ra, đ ợc điều khiển b i bộ điều khiển cục bộ. Để truyền bất kỳ khe th i gian nào trong hệ thống PCM đến khe th i gian ra t ơng ứng, to độ thích hợp của ma trận chuyển m ch không gian ph i đ ợc kích ho t trong suốt th i gian ho t động của khe th i gian này để đ m b o rằng sự chuyển h ớng không gian tín hiệu đ ợc hoàn tất. Trong suốt th i gian của cuộc gọi (các mẫu tín hiệu tho i cách nhau 125 microsec) tiếp điểm này đ ợc sử dụng, sau đó tiếp điểm sẽ phục vụ cho cuộc nối khác. Tính chu kỳ này sẽ đ ợc điều khiển b i một vài ph ơng pháp đơn gi n thông qua bộ điều khiển cục bộ. Tầng chuyển m ch không gian S d trên các ma trận tiếp điểm chuyển m ch đ ợc kết nối theo hàng và cột (hình 2.6). Các hàng đầu vào và các tiếp điểm chuyển m ch đ ợc tiếp nối với các tuyến PCM đầu vào. Các cột đầu ra và các tiếp điểm chuyển m ch đ ợc tiếp nối với các tuyến 88 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch PCM đầu ra. Các tiếp điểm chuyển m ch này có thể là các linh kiện bán dẫn logic số không nhớ ( ví dụ cổng AND ). Các tiếp điểm đ ợc điều khiển b i một bộ nhớ đấu nối ( Connection Memory ) hay còn gọi là bộ nhớ điều khiển ( Control Memory ) nằm trong khối điều khiển cục bộ. Mỗi bộ nhớ điều khiển có số ngăn nhớ bằng số khe th i gian của tuyến PCM đầu vào. Nh vậy mỗi tiếp điểm chuyển m ch trong mỗi cột đ ợc gán một địa chỉ duy nhất, và địa chỉ cho phép tác động m tiếp điểm. Số bit nhị phân trong một ngăn nhớ điều khiển cần ph i đủ để đánh số hết địa chỉ các tiếp điểm. Với ma trận nh trên hình 2.6, tổng số địa chỉ là n + 1. Khi đó, số bit cần thiết trong một ngăn nhớ CM ph i lớn hơn hoặc bằng log2(n+1). Nếu có n tuyến đầu vào và m tuyến đầu ra thì ta cần có ma trận n x m. Thông th ng ma trận chuyển m ch là vuông (n x n). Mỗi bộ nhớ đấu nối đ ợc nối tới bộ gi i mã địa chỉ. Bộ gi i mã này thực hiện gi i mã thông tin địa chỉ đọc từ CM để điều khiển tiếp điểm trên cột t ơng ứng với địa chỉ đó. Quá trình điều khiển chuyển m ch bao gồm việc đọc nội dung ô nhớ trong kho ng th i gian của TS cần chuyển qua và sử dụng các địa chỉ đó để lựa chọn tiếp điểm thông qua bộ gi i mã DEC. Quá trình ghi/đọc bộ nhớ đ ợc điều khiển thông qua bộ chọn Selector với tín hiệu đồng hồ lấy từ bộ cung cấp th i gian cơ s đồng bộ với tín hiệu của tuyến PCM. Các số liệu ghi vào bộ nhớ điều khiển CM trên cơ s thông tin số liệu từ bộ điều khiển trung tâm CC. Tín hiệu địa chỉ Add từ bộ chọn Selector sẽ trỏ đến các địa chỉ mà số liệu điều khiển cần truy xuất đồng bộ với tuyến PCM đầu ra trên cột. PCM ra 0 1 2 m 0 1 PCM vµo 2 Ma trËn ®Êu nèi 3 Hµng ®Çu vµo Cét ®Çu ra n Bus ®iÒu khiÓn Local controler Clk TS counter R W n Data Local controler R/W Selector Local controler 0 Add Local controler DEC Bé ®iÒu khiÓn ®Êu nèi Hình 2.6 Nguyên lý chuy n mạch không gian k thu t số Nh vậy, tr ng chuyển m ch không gian không gây trễ về mặt th i gian, nh ng có thể gây nên hiện t ợng Blocking khi có nhiều hơn một khe th i gian đầu vào cùng muốn đấu nối tới 1 khe 89 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch th i gian đầu ra. Dung l ợng của tr ng chuyển m ch không gian phụ thuộc vào số tuyến đầu vào và đầu ra cùng với dung l ợng kênh ( khe th i gian ) trên mỗi tuyến. Tính th i gian trong tr ng chuyển m ch không gian đ ợc lý gi i trên thực tế của các tiếp điểm , nó chỉ thực sự đóng trong kho ng th i gian định tr ớc t i các khe th i gian. 2.1.3.2. Điều khiển tr ờng chuyển mạch không gian Có 2 ph ơng pháp điều khiển tr ng chuyển m ch không gian kỹ thuật số là điều khiển theo cột (đầu ra) và điều khiển theo hàng (đầu vào). Việc điều khiển đ ợc thực hiện bằng cách sử dụng các bộ ghép kênh và tách kênh logic số. Bộ ghép kênh logic số là một thiết bị tích hợp cho phép n đầu vào kết nối với 1 đầu ra tuỳ thuộc vào địa chỉ nhị phân đặt trên đ ng điều khiển (hình 2.7a). Còn bộ tách kênh logic số thì có cấu trúc ng ợc l i (hình 2.7b). Dung l ợng của chuyển m ch không gian có thể m rộng bằng cách ghép kênh theo th i gian cho các đầu vào, nh ng quá trình gia tăng dung l ợng này bị h n chế b i tốc độ ho t động của các m ch logic. Một gi i pháp khác cho tốc độ của các phần tử logic là sử dụng ph ơng pháp ghép song song, tuy nhiên ph ơng pháp này sẽ làm phức t p hơn trong quá trình điều khiển và làm gi m độ tin cậy của hệ thống. (A) 1 2 N Lèi vµo ... ... ... MUX MUX MUX CM-1 CM-2 1 CM-N 2 Lèi ra N (B) 1 2 CM-1 CM-1 N Lèi vµo CM-N DEMUX DEMUX 1 2 DEMUX N Lèi ra Hình 2.7 Cấu trúc của tr ng chuy n mạch không gian thực t Các tr ng chuyển m ch không gian thực tế th ng có cấu trúc module để đ m nhiệm từng phần l u l ợng của toàn bộ tổng đài. Những ma trận quá lớn sẽ không thực hiện đ ợc trên một b ng m ch in ngay c khi dùng các chip VLSI. Tính hiệu qu kinh tế của tổng đài sẽ đẩy h ớng thiết kế các chuyển m ch không gian số theo module. Các module thông dụng nhất th ng sử 90 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch dụng ma trận 8x8 và 16x16. Ma trận 64x64 cũng đ ợc sử dụng song h n chế hơn. Để cấu hình các ma trận chuyển m ch lớn, các module sẽ đ ợc ghép liên thông với nhau. 2.1.4. Chuyển mạch ghép Trên đây đã trình bày cấu trúc chức năng của các tr ng chuyển m ch th i gian và không gian số. Nh ợc điểm lớn nhất của tr ng chuyển m ch th i gian là độ trễ, còn của tr ng chuyển m ch không gian là sự tắc nghẽn cũng đã đ ợc chỉ ra. Để đáp ứng yêu cầu thực tế và m rộng dung l ợng tổng đài, trong cơ cấu tr ng chuyển m ch của hệ thống tổng đài điện tử số ng i ta sử dụng quá trình ghép các tr ng chuyển m ch. Về mặt vật lý, phân hệ chuyển m ch sẽ gồm một số module cơ s , trên đó có chứa tr ng các chuyển m ch S và T đ ợc cấu trúc ghép hợp với nhau. Các kiểu ghép có thể là TS, ST, STS, TST. Sau đây là một số mô hình ví dụ. 2.1.4.1. Khối chuyển mạch T-S Khối chuyển m ch T-S bao gồm một tr ng chuyển m ch th i gian trên đầu vào và một tr ng chuyển m ch không gian trên đầu ra (hình 2.8). Trên cấu hình này thông th ng các tr ng chuyển m ch th i gian đầu vào thực hiện theo ph ơng thức ghi vào tuần tự đọc ra có điều khiển. Trên ma trận chuyển m ch không gian thực hiện theo ph ơng thức điều khiển đầu ra. Với khối chuyển m ch T-S này, các chuyển m ch th i gian sẽ chuyển nội dung thông tin giữa các khe th i gian đầu vào và đầu ra mong muốn, trong khi chuyển m ch không gian kết nối các tuyến vào và ra. ChuyÓn m¹ch T TS3 ChuyÓn m¹ch S TS11 TS10 IT#0 IT#1 S IT#2 TS11 TS7 TS10 IT#3 Hình 2.8 Ví d v mô hình chuy n mạch ghép TS Đặc điểm của khối chuyển m ch T-S là mặc dù cho phép tăng dung l ợng lớn hơn so với chuyển m ch một tầng T nh ng vấn đề tắc nghẽn vẫn có thể x y ra trên các khe th i gian t ơng ứng t i phía tầng chuyển m ch không gian S. 2.1.4.2. Khối chuyển mạch S-T Cấu trúc của khối chuyển m ch ghép S-T giống nh khối chuyển m ch ghép T-S, ngo i trừ chuyển m ch không gian kết nối các tuyến đầu vào với đầu ra tr ớc khi thức hiện trao đổi nội dung thông tin trong các khe th i gian t i đầu ra (hình 2.9). 91 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch ChuyÓn m¹ch S ChuyÓn m¹ch T TS11 TS10 TS3 OT#0 OT#1 S OT#2 TS11 TS10 TS7 OT#3 Hình 2.9 Ví d v mô hình chuy n mạch ghép ST Khối chuyển m ch S-T cho phép tăng dung l ợng lớn hơn so với chuyển m ch một tầng, tuy nhiên vấn đề tắc nghẽn t i phía tầng chuyển m ch không gian S vẫn ch a thể khắc phục đ ợc. 2.1.4.3. Khối chuyển mạch S-T-S Khối chuyển m ch ghép S-T-S kết hợp các chuyển m ch không gian S qua tr ng chuyển m ch th i gian T để gi m thiểu tắc nghẽn x y ra trong m ng chuyển m ch. Kiểu chuyển m ch này th ng đ ợc sử dụng trong những năm đầu của công nghệ điện tử, khi các bộ xử lý tốc độ cao có giá thành rất đắt và khó chế t o. Khối chuyển m ch S-T-S đối xứng th ng có cấu hình điều khiển cho tầng S1 đầu vào theo ph ơng thức điều khiển theo hàng ( đầu vào) và tầng S2 điều khiển theo cột ( đầu ra). 2.1.4.4. Khối chuyển mạch T-S-T Cấu hình chuyển m ch T-S-T rất đ ợc a chuộng khi tiến bộ khoa học kỹ thuật áp dụng vào công nghệ chế t o tổng đài. Theo lý thuyết Clos, khi thực hiện ghép các tr ng chuyển m ch trung gian thì số khe th i gian trung gian tối thiểu qua tầng S là 2N-1, trong đó N là số khe th i gian trên đầu vào của tầng T1 hay trên đầu ra của tầng T2. Hình 2.10 là ví dụ mô hình chuyển m ch T-S-T. TS3 TÇng T1 TS10 TÇng S TS11 TÇng T2 IT#0 OT#0 IT#1 OT#1 TS3 S IT#2 OT#2 TS11 TS7 IT#3 TS10 TS7 OT#3 Hình 2.10 Ví d v mô hình chuy n mạch ghép TST Khối chuyển m ch T-S-T cũng giống nh các kiểu ghép khác đều nhằm mục đích tăng dung l ợng và gi m độ tắc nghẽn. Tuy nhiên, khi ghép hợp các tr ng chuyển m ch sẽ làm phức 92 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch t p hóa vấn đề điều khiển. Đồng th i, độ tin cậy của toàn bộ hệ thống cũng sẽ gi m xuống khi có nhiều khối thiết bị ho t động song song và cần đồng bộ với nhau. 2.2. Chuy n mạch gói 2.2.1. Nguyên lí chuyển mạch gói Kĩ thuật chuyển m ch kênh đã đ ợc ứng dụng rộng rãi trong các m ng viễn thông trong kho ng th i gian dài, tuy nhiên nó cũng thể hiện khá nhiều nh ợc điểm nh tốc độ cố định, đầu cuối cần kh dụng và cùng tốc độ, tài nguyên giành riêng, ... Để khắc phục những nh ợc điểm này, kỹ thuật chuyển m ch gói đã ra đ i. Kỹ thuật chuyển m ch gói đóng một vai trò rất quan trọng trong các m ng truyền số liệu tr ớc đây và ngày nay là m ng hội tụ NGN, cho phép truyền t i không chỉ dữ liệu, mà c tiếng nói, video, v.v. Khái niệm đặc tr ng cho m ng chuyển m ch gói là kiến trúc m ng (Topology). Topology đề cập đến ph ơng cách đấu nối các thiết bị bằng các đ ng thông tin. M ng chuyển m ch gói bao gồm các thành phần cơ b n sau (hình 2.11): tr m (station), nút m ng (node) và các đ ng truyền dẫn (link). Nót CM1 Nót CM 2 Nót CM 6 Nót CM 3 User E Nót CM 4 Nót CM 5 User A Hình 2.11: Mạng chuy n mạch gói Các tr m có thể là máy tính hoặc các thiết bị đầu cuối khác, có chức năng t o và thu số liệu. Nút m ng là một hệ thống chuyển m ch hay định tuyến, thực hiện các chức năng phân gói (nút gốc), hợp gói (nút đích), chuyển m ch, l u t m và chuyển tiếp các gói tin (các nút trung gian). Các liên kết đóng vai trò là đ ng truyền thông tin giữa các nút. Mỗi tr m trong m ng chuyển m ch gói đ ợc đấu nối với một nút m ng. M ng không liên quan đến nội dung thông tin đ ợc trao đổi giữa các tr m. Mục đích của nó chỉ là chuyển số liệu từ tr m này đến tr m khác (từ nguồn tới đích). M ng chuyển m ch gói có đặc điểm là l u l ợng truyền số liệu th ng có yêu cầu trao đổi tin nhanh, và do đó th i gian truyền tin rất ngắn (<1s). Với th i gian truyền tin ngắn nh vậy thì kỹ thuật chuyển m ch kênh là không thích hợp b i vì th i gian thiết lập và gi i phóng kênh có thể lâu hơn rất nhiều so với th i gian truyền tin. 93 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch Trong kỹ thuật chuyển m ch gói, các b n tin cần truyền đ ợc chia cắt thành các thành phần nhỏ gọi là gói tin. Mỗi gói l i đ ợc đ a thêm phần điều khiển để m ng có thể định tuyến gói đó đến đích theo yêu cầu. Nguyên tắc chuyển m ch là t i từng nút gói đựơc nhận, l u t m và chuyển tiếp tới nút tiếp theo cho đến khi đến đích cuối cùng. Nhìn chung, các b ớc cần thiết để truyền thông tin đi từ nguồn đến đích nh sau: - B ớc 1: Phân đo n gói phía phát - B ớc 2: Định tuyến các gói - B ớc 3: Tái hợp gói phía thu Tuỳ thuộc vào giao thức truyền thông mà có thể có nhiều mức phân chia b n tin thành các gói với chiều dài khác nhau. Ngoài những thông tin đ ợc cắt từ b n tin, gói còn đ ợc chèn thêm các phần đầu (tiêu đề) và đuôi để phục vụ cho việc định tuyến qua m ng. Hình 2.12 minh ho giao thức cắt gói. B¶n tin cã ®é dµi L … B¶n tin Gãi tin §Çu Tr−êng tin §u«i Hình 2.12: Nguyên lý c t mảnh và tạo gói 2.2.2. Chuyển giao h ớng kết nối và phi kết nối Trong m ng chuyển m ch gói các gói tin đ ợc chuyển qua m ng từ nút này tới nút khác theo nguyên lí “l u đệm và phát chuyển tiếp“. Mỗi nút sau khi thu một gói sẽ t m th i l u giữ một b n sao của gói vào bộ nhớ đệm cho tới khi phát chuyển tiếp gói tới nút tiếp theo hay tới tr m của ng i sử dụng. Chuyển m ch gói có thể đáp ứng đ ợc yêu cầu ho t động truyền tin một cách nhanh chóng, kể c khi có sự thay đổi mẫu l u l ợng hoặc có sự hỏng hóc một phần hay nhiều tính năng khác của m ng. Kĩ thuật chuyển m ch gói sử dụng hai ph ơng pháp tiêu biểu để chuyển các luồng gói từ nguồn đến đích là l ợc đồ dữ liệu (Datagram) và m ch o (Virtual Circuit). Trong ph ơng pháp chuyển gói theo l ợc đồ dữ liệu (hình 2.13), mỗi gói đ ợc truyền độc lập với các gói khác, không liên quan gì đến gói đã đựơc truyền tr ớc đó. Gi thiết rằng tr m A có 3 b n tin 1, 2, 3 cần gửi đến B. Tr m A truyền số liệu đến nút 4. Nút 4 thực hiện phân gói, và định tuyến cho từng gói. Để đến đ ợc nút 6 nối với tr m B, nút 4 có thể t o tuyến gói qua nút 5 hoặc 3. Ví dụ, gói 1 qua nút 3, còn hai gói 2 và 3 qua nút 5. Nh vậy nghĩa là các gói không đ ợc chuyển trên cùng một tuyến, và do đó có thể đến đích không theo thứ tự. T i nút đích (nút 6) các gói tin đ ợc sắp xếp l i theo thứ tự để gửi đến tr m B. Nếu một trong các gói có lỗi hay mất thì việc truyền coi nh không thành công. 94 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch Nót CM1 Nót CM 2 Nót CM 6 3 2 1 Nót CM 3 User B Nót CM 4 Nót CM 5 User A Hình 2.13. Ph ng pháp l c đồ d liệu (Datagram) Ph ơng pháp datagram chỉ sử dụng pha chuyển thông tin, không có thiết lập và gi i phóng kế nối. Do vậy giao thức thông tin của datagram còn có tên gọi là giao thức phi kết nối (Connectionless). Trong ph ơng pháp chuyển gói theo kiểu m ch o (hình 2.14), tr ớc khi gói đ ợc chuyển đi thì có một gói gọi là c hiệu (TAG) đ ợc gửi từ nút gốc, trong đó có địa chỉ nút gốc. C hiệu này sẽ ch y qua các nút, đi đến đâu nó đặt hàng chiếm kết nối qua nút đó. Khi đ ng đi đã đ ợc chiếm, ví dụ từ A qua 5 đến B, nó gửi tín hiệu công nhận chiếm (ACK) đến nút gốc. Sau đó, các gói số liệu đ ợc gửi một cách tuần tự từ nút gốc đến nút đích theo tuyến đ ng đã đ ợc thiết lập. Nót CM1 Nót CM 2 Nót CM 6 3 2 1 Nót CM 3 User B Nót CM 4 TAG ACK Nót CM 5 User A H×nh 2.14. Ph−¬ng ph¸p m¹ch ¶o (Virtual Circuit) 95 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch Tuyến đ ng chiếm (ví dụ từ A qua 4, 5, 6 đến B) đ ợc coi nh cố định trong suốt th i gian kết nối. Kiểu truyền tin này giống với chuyển m ch kênh, và do vậy đ ợc gọi là m ch o hay kênh o. Trong mỗi gói, ngoài phần số liệu thực còn có thêm phần nhận d ng liên kết kênh o đ ợc sử dụng cho mục đích địch tuyến. Đặc điểm chính của kỹ thuật m ch o là tuyến giữa các tr m đựơc thiết lập để chuyển số liệu, nh ng không có nghĩa là đ ng này đ ợc giành riêng nh trong chuyển m ch kênh. Mọi gói có thể đựơc l u t m t i từng nút, sắp hàng và chuyển tới nút tiếp theo nếu cần. T i cùng một th i điểm, mỗi tr m có thể có một hoặc nhiều m ch o kết nối tới một hoặc nhiều tr m khác trong m ng. Thủ tục truyền thông tin theo kiểu m ch o gồm 3 pha: thiết lập kết nối, chuyển thông tin và gi i phóng kết nối. Do vậy, giao thức truyền thông trong tr ng hợp này còn đ ợc gọi là giao thức h ớng kết nối (Connection Oriented). Sự khác nhau giữa datagram và m ch o là trong ph ơng pháp m ch o, nút không ph i thực hiện định tuyến cho từng gói, mà nó chỉ thực hiện định tuyến một lần duy nhất cho tất c các gói. Nếu hai tr m dự định trao đổi số liệu trong một kho ng th i gian dài thì ph ơng pháp m ch o có nhiều u điểm hơn so với datagram. Tr ớc tiên là m ng có thể cung cấp các dịch vụ liên quan đến m ch o gồm c sắp xếp và điều khiển lỗi. Sắp xếp đề cập đến việc khi các gói đ ợc chuyển trên cùng một tuyến thì chúng sẽ đến đích theo thứ tự nh khi phát từ nút gốc. Điều khiển lỗi là một dịch vụ b o đ m rằng không những các gói đến đích theo đúng thứ tự mà còn đến chính xác. Ví dụ nếu gói trong thứ tự từ nút 4 khi đến nút 6 có lỗi thì nút 6 sẽ yêu cầu nút 4 phát l i gói đó. u điểm nữa là vì sử dụng m ch o nên các gói đ ợc chuyển nhanh hơn vì không cần thủ tục định tuyến cho từng gói. u điểm của datagram là không có pha thiết lập, do vậy khi tr m gửi số liệu ngắn thì datagram sẽ phân phát nhanh hơn. Datagram mềm dẻo hơn vì khi một phần của m ng có sự cố thì nó sẽ tự định tuyến l i để tránh tắc nghẽn. 2.2.3. Các đặc điểm của chuyển mạch gói u điểm của chuyển mạch gói so với chuyển mạch kênh: - Hiệu qu sử dụng tài nguyên cao hơn vì một liên kết đơn giữa nút và nút có thể sử dụng động cho nhiều gói t i cùng một th i điểm. - Hai tr m với tốc độ khác nhau có thể thông tin đựoc với nhau. - Khi l u l ợng tăng nhiều, trong chuyển m ch kênh một số cuộc gọi sẽ bị từ chối, nh ng trong chuyển m ch gói các gói vẫn có thể đ ợc nhận, đ ợc l u t m và khi l u l ợng gi m các gói sẽ đ ợc truyền đi. - Trong chuyển m ch gói dễ sử dụng đặc tính u tiên, các gói đ ợc sắp hàng t i nút, nút có thể truyền gói có mức u tiên cao tr ớc các gói có mức u tiên thấp. Kích th ớc gói Một vấn đề gặp ph i trong chuyển m ch gói là kích th ớc gói đựơc sử dụng trong m ng. Có một mối quan hệ chặt chẽ giữa kích th ớc gói và th i gian truyền dẫn (hình 2.15). Ta kh o sát một ví dụ: - Gi thiết một m ch o từ tr m X đến tr m Y qua các nút a và b. - B n tin M gồm 30 Octet (còn gọi là 30 byte), t o thành 1 gói tin - Thêm 3 octet thông tin điều khiển gọi là tiêu đề đ ợc gán đầu gói. - Nếu toàn bộ b n tin M đ ợc gửi nh một gói đơn 33 octet, thì gói đầu tiên đ ợc truyền từ X đến a. 96 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch - Khi nhận đ ợc tất c các gói thì nó đ ợc chuyển từ a đến b. Nếu nút b nhận đ ợc đấy đủ tất c các gói thì nút b chuyển tiếp đến Y. - Tổng th i gian truyền bằng 99 Octet th i gian (33 Octet x 3). Bây gi , gi sử rằng b n tin M chia làm hai gói, trong đó - Mỗi gói gồm 15 Octet số liệu thực, - Thêm 3 octet tiêu đề. Trong tr ng hợp này nút a có thể bắt đầu phát gói thứ nhất ngay khi gói đến tr m X mà không cần ch gói thứ hai đến, nh vậy có sự chồng lấn th i gian truyền, nên tổng th i gian truyền trong tr ng hợp này bằng 72 Octet th i gian. 1 Gói 2 Gói 10 Gói 1 1 Data Data 1 1 2 2 2 3 Data Data 2 1 3 3 4 Data 4 Data Data 2 1 4 5 5 5 6 t 6 Data Data 6 7 2 X a b 7 7 8 Y 8 8 9 9 9 10 10 10 X a b Y Hình 2.15. ảnh h X a b Y ng của kích th ớc gói đ n th i gian truy n 97 Ch ơng 2. Cơ s kĩ thuật chuyển m ch Nếu chia M làm 5 gói thì các nút trung gian sẽ truyền gói sớm hơn và th i gian truyền sẽ rút ngắn l i còn 63 Octet th i gian. Nh ng nếu chia M làm 10 gói thì th i gian truyền sẽ l i tăng lên vì mỗi gói số liệu thật còn ph i kèm theo tiêu đề. Nếu phân chia gói quá nhỏ thì tỷ số tiêu đề/số liệu trong gói sẽ tăng lên, và do vậy th i gian truyền cũng tăng theo. Nh vậy, có thể thấy rằng ph i thiết kế gói sao cho có độ dài thích hợp để đ m b o truyền gói nhanh nhất. 98 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN CHƯ NG 3: C S K THU T M NG IP VÀ NGN 3.1. C s kĩ thu t mạng IP Ngày nay giao thức IP đ ợc sử dụng rộng rãi trên ph m vi toàn cầu cho kết nối m ng viễn thông. M ng sử dụng giao thức IP lo i bỏ ranh giới giữa dịch vụ số liệu và tho i. Tr ớc đây chúng ta ph i xây dựng các m ng riêng lẻ dựa trên các giao thức khác nhau. Do đó, kh năng kết nối giữa các hệ thống là rất khó khăn. Giao thức IP độc lập với lớp liên kết dữ liệu. Nghĩa là lớp 2, chúng ta có thể dùng ATM, Frame Relay, LAN hoặc PPP. Điều này cho phép truyền gói tin IP giữa hai điểm mà giữa chúng là các liên kết lớp 2 bất kỳ. M ng IP đ ợc xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn toàn cầu của IETF. Do đó, thiết bị của các nhà s n xuất khác nhau có thể dễ dàng t ơng ho t. Hiện nay, nếu nói tới tiêu chuẩn truyền thông phổ biến nhất thì đó chính là giao thức IP. 3.1.1. Bộ giao thức TCP/IP TCP/IP là bộ giao thức đ ợc phát triển b i cục các dự án nghiên cứu cấp cao (ARPA) của bộ quốc phòng Mỹ. Ban đầu nó đ ợc sử dụng trong m ng ARPANET. Khi công nghệ m ng cục bộ phát triển, TCP/IP đ ợc tích hợp vào môi tr ng điều hành UNIX và sử dụng chuẩn Ethernet để kết nối các tr m làm việc với nhau. Đến khi xuất hiện các máy PC, TCP/IP l i đ ợc chuyển mang sang môi tr ng PC, cho phép các máy PC ch y DOS và các tr m làm việc ch y UNIX có thể kết nối trên cùng một m ng. Hiện nay, TCP/IP đ ợc sử dụng rất phổ biến trong m ng máy tính, mà điển hình là m ng Internet. TCP/IP đ ợc phát triển tr ớc mô hình OSI. Do đó, các tầng trong TCP/IP không t ơng ứng hoàn toàn với các tầng trong mô hình OSI (hình 3.1). Chồng giao thức TCP/IP đ ợc chia thành bốn tầng: giao diện m ng (network interface), liên m ng (internet), giao vận (transport) và ứng dụng (application). Hình 3.1. Mô hình OSI và TCP/IP 99 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN 3.1.1.1. Tầng ứng dụng Tầng ứng dụng cung cấp các dịch vụ d ới d ng các giao thức cho ứng dụng của ng dùng. Một số giao thức tiêu biểu t i tầng này gồm: i − FTP (File Transfer Protocol): Đây là một dịch vụ h ớng kết nối và tin cậy, sử dụng TCP để cung cấp truyền tệp giữa các hệ thống hỗ trợ FTP. − Telnet (TERminaL NETwork): Cho phép các phiên đăng nhập từ xa giữa các máy tính. Do Telnet hỗ trợ chế độ văn b n nên giao diện ng i dùng th ng d ng dấu nhắc lệnh t ơng tác. Chúng ta có thể đánh lệnh và các thông báo tr l i sẽ đ ợc hiển thị. − HTTP (Hyper Text Transfer Protocol): Trao đổi các tài liệu siêu văn b n để hỗ trợ WEB. − SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Truyền th điện tử giữa các máy tính. Đây là d ng đặc biệt của truyền tệp đ ợc sử dụng để gửi các thông báo tới một máy chủ th hoặc giữa các máy chủ th với nhau. − POP3 (Post Office Protocol): Cho phép lấy th điện tử từ hộp th trên máy chủ. − DNS (Domain Name System): Chuyển đổi tên miền thành địa chỉ IP. Giao thức này th ng đ ợc các ứng dụng sử dụng khi ng i dùng ứng dụng này dùng tên chứ không dùng địa chỉ IP. − DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): Cung cấp các thông tin cấu hình động cho các tr m, chẳng h n nh gán địa chỉ IP. − SNMP (Simple Network Managament Protocol): Đ ợc sử dụng để qu n trị từ xa các thiết bị m ng ch y TCP/IP. SNMP th ng đ ợc thực thi trên các tr m của ng i qu n lý, cho phép ng i qu n lý tập trung nhiều chức năng giám sát và điều khiển trong m ng. 3.1.1.2. Tầng giao vận Tầng giao vận chịu trách nhiệm chuyển phát toàn bộ thông báo từ tiến trình-tới-tiến trình. T i tầng này có hai giao thức là TCP và UDP, mỗi giao thức cung cấp một lo i dịch vụ giao vận: h ớng kết nối và phi kết nối. Giao thức TCP TCP là giao thức h ớng kết nối, đầu cuối tới đầu cuối. Nó là giao thức có độ tin cậy và cung cấp nhiều ứng dụng m ng. Giao thức TCP cung cấp cho ta nhiều hình thức xử lý truyền tin đáng tin cậy. Về cơ b n TCP có thể ho t động phía trên ph m vi rộng của những dãy hệ thống truyền tin từ đ ng kết nối hệ thống tới m ng chuyển m ch gói. Giao thức IP cũng phân m nh hoặc nhóm l i từng phần TCP đ ợc đòi hỏi để hoàn thành việc vận chuyển và phân chia thông qua nhiều m ng và kết nối liên tiếp nhiều cổng l i với nhau. TCP thực hiện một số chức năng nh sau. Chức năng đầu tiên là nhận luồng dữ liệu từ ch ơng trình ứng dụng; dữ liệu này có thể là tệp văn b n hoặc là một bức nh. TCP chia luồng dữ liệu nhận đ ợc thành các gói nhỏ có thể qu n lý. Sau đó gắn mào đầu vào tr ớc mỗi gói. Phần mào đầu này có chứa địa chỉ cổng nguồn và cổng đích. Ngoài ra, nó còn chứa số trình tự để chúng ta biết gói này nằm vị trí nào trong luồng dữ liệu. 100 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Sau khi nhận đ ợc một số l ợng gói nhất định, TCP sẽ gửi xác nhận. Ví dụ, nếu số l ợng gói đ ợc quy định là 3 thì phía thu sẽ gửi xác nhận cho phía gửi sau khi nhận đ ợc 3 gói. u điểm của việc làm này là TCP có kh năng điều chỉnh việc gửi và nhận các gói tin. Giao thức UDP UDP (User Datagram protocol) là một giao thức truyền thông phi kết nối, đ ợc dùng thay thế cho TCP trên IP theo yêu cầu của ứng dụng. UDP không cung cấp sự tin cậy, nó gửi gói tin vào tầng IP nh ng không có sự đ m b o rằng gói tin sẽ đến đ ợc đích của chúng. UDP có trách nhiệm truyền các thông báo từ tiến trình-tới-tiến trình, nh ng không cung cấp các cơ chế giám sát và qu n lý. UDP cũng cung cấp cơ chế gán và qu n lý các số cổng để định danh duy nhất cho các ứng dụng chay trên một tr m của m ng. Do ít chức năng phức t p nên UDP có xu thế ho t động nhanh hơn so với TCP. Nó th ng đ ợc dùng cho các ứng dụng không đòi hỏi độ tin cậy cao trong giao vận. K thu t đi u khi n luồng và lỗi Trong tầng giao vận có 2 vấn đề kỹ thuật quan trọng là điều khiển luồng và điều khiển lỗi. Điều khiển luồng định nghĩa l ợng dữ liệu mà nguồn có thể gửi tr ớc khi nhận một xác nhận từ đích. Trong tr ng hợp đặc biệt, giao thức tầng giao vận có thể gửi một byte dữ liệu và đợi xác nhận tr ớc khi gửi byte tiếp theo. Nh ng nếu làm nh vậy, quá trình gửi sẽ diễn ra rất chậm. Nếu dữ liệu ph i đi qua đo n đ ng dài thì nguồn sẽ tr ng thái rỗi trong khi đợi xác nhận. Trong một tr ng hợp đặc biệt khác, giao thức tầng giao vận có thể gửi tất c dữ liệu nó có mà không quan tâm tới xác nhận. Làm nh vậy sẽ tăng tốc độ truyền, nh ng có thể làm tràn ngập tr m đích (tr m đích không xử lý kịp). Bên c nh đó, nếu một phần dữ liệu bị mất, bị nhân đôi, sai thứ tự hoặc bị hỏng thì tr m nguồn sẽ không biết. TCP sử dụng một gi i pháp nằm giữa hai tr ng hợp đặc biệt này. Nó định nghĩa một cửa sổ, đặt cửa sổ này lên bộ đệm gửi và chỉ gửi l ợng dữ liệu bằng kích th ớc cửa sổ. Kỹ thuật này gọi là kỹ thuật cửa sổ tr ợt (sliding window). Hay nói một cách khác, để thực hiện điều khiển luồng, TCP sử dụng giao thức cửa sổ tr ợt. Hai tr m hai đầu kết nối TCP đều sử dụng một cửa sổ tr ợt. Cửa sổ này bao phủ phần dữ liệu trong bộ đệm mà một tr m có thể gửi tr ớc khi quan tâm tới xác nhận từ tr m kia. Nó đ ợc gọi là cửa sổ tr ợt do có thể tr ợt trên bộ đệm khi tr m gửi nhận đ ợc xác nhận. Ngoài điều khiển luồng, TCP còn hỗ trợ điều khiển lỗi. Nó là kỹ thuật đ m b o tính tin cậy cho TCP. Điều khiển lỗi gồm các cơ chế phát hiện phân đo n bị hỏng, bị mất, sai thứ tự hoặc nhân đôi. Nó cũng gồm cơ chế sửa lỗi sau khi chúng đ ợc phát hiện. Phát hiện lỗi trong TCP đ ợc thực hiện thông qua việc sử dụng ba công cụ đơn gi n: tổng kiểm tra, xác nhận và th i gian ch (time-out). Mỗi phân đo n có chứa một tr ng tổng kiểm tra để phát hiện phân đo n lỗi. Nếu phân đo n lỗi, nó sẽ bị TCP phía nhận bỏ đi. TCP sử dụng ph ơng pháp xác nhận để thông báo sự nhận các gói đã tới đích mà không lỗi. Không có xác nhận gói hỏng trong TCP. Nếu một phân đo n không đ ợc xác nhận tr ớc khi hết gi thì nó đ ợc xem nh bị hỏng hoặc bị mất trên đ ng đi. Cơ chế sửa lỗi trong TCP rất đơn gi n. TCP nguồn đặt một bộ định th i cho mỗi phân đo n đ ợc gửi đi. Bộ định th i đ ợc kiểm tra định kỳ. Khi nó tắt, phân đo n t ơng ứng đ ợc xem nh bị hỏng hoặc bị mất và sẽ đ ợc truyền l i. 101 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN 3.1.1.3. Tầng liên mạng Tầng liên m ng trong chồng giao thức TCP/IP t ơng ứng với tầng m ng trong mô hình OSI, cho phép kết nối nhiều m ng với các công nghệ khác nhau qua m ng lõi sử dụng giao thức IP (hình 3.2). Hình 3.2. K t nối liên mạng s d ng giao thức IP Chức năng chính của tầng m ng là đánh địa chỉ lôgic và định tuyến gói tới đích. Giao thức đáng chú ý nhất tầng liên m ng chính là giao thức liên m ng (IP – Internet Protocol). Ngoài ra còn có một số giao thức khác nh ICMP, ARP và RARP. Sau đây sẽ trình bày khái quát về các giao thức này. Giao thức IP IP là một giao thức phi kết nối và không tin cậy. Nó cung cấp dịch vụ chuyển gói nỗ lực tối đa. Nỗ lực tối đa đây có nghĩa IP không cung cấp chức năng theo dõi và kiểm tra lỗi. Nó chỉ cố gắng chuyển gói tới đích chứ không có sự đ m b o. Nếu độ tin cậy là yếu tố quan trọng, IP ph i ho t động với một giao thức tầng trên tin cậy, chẳng h n TCP. Giao thức ICMP Nh đã trình bày trên, IP là giao thức chuyển gói phi kết nối và không tin cậy. Nó đ ợc thiết kế nhằm mục đích sử dụng có hiệu qu tài nguyên m ng. IP cung cấp dịch vụ chuyển gói nỗ lực nhất. Tuy nhiên nó có hai thiếu hụt: thiếu điều khiển lỗi và thiếu các cơ chế hỗ trợ; IP cũng thiếu cơ chế truy vấn. Một tr m đôi khi cần xác định xem router hoặc một tr m khác có ho t động không. Một ng i qu n lý m ng đôi khi cần thông tin từ một tr m hoặc router khác. Giao thức thông báo điều khiển liên m ng (ICMP – Internet Control Message Protocol) đ ợc thiết kế để bù đắp hai thiếu hụt trên. Nó đ ợc đi kèm với giao thức IP. 3.1.1.4. Tầng truy nhập mạng Tầng truy nhập m ng đôi khi còn đ ợc gọi là giao diện m ng. Nó cung cấp giao tiếp với m ng vật lý (thông th ng tầng này bao gồm các driver thiết bị trong hệ thống vận hành và các card giao diện m ng t ơng ứng trong máy tính. Chức năng của tầng này là điều khiển tất c các thiết bị phần cứng, thực hiện giao tiếp vật lý với cáp hoặc với bất kỳ môi tr ng nào đ ợc sử dụng cũng nh là kiểm soát lỗi dữ liệu phân bố trên m ng vật lý. Tầng truy nhập m ng không định nghĩa một giao thức riêng nào c , nó hỗ trợ tất c các giao thức chuẩn (standard) và độc quyền (proprietory), ví dụ nh Ethernet, Token Ring, FDDI, X25, Frame Relay, ATM, … 102 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN 3.1.2. Địa chỉ IP mức ứng dụng, chúng ta có thể coi một liên m ng là một m ng đơn lẻ kết nối các tr m với nhau. Để một tr m truyền thông với tr m khác, chúng ta cần một hệ thống định danh toàn cầu. Nói cách khác, chúng ta cần đặt tên duy nhất cho mỗi tr m. Hệ thống định danh này chỉ đ ợc sử dụng t i tầng ứng dụng, không thể sử dụng tầng m ng vì trên m ng còn có các thực thể khác gắn tới, chẳng h n router. Một liên m ng đ ợc t o nên từ sự kết hợp của các m ng vật lý (LAN hoặc WAN) kết nối với nhau qua các router. Khi một tr m truyền thông với một tr m khác, gói dữ liệu có thể di chuyển từ một m ng vật lý này đến m ng vật lý khác bằng cách sử dụng các router này. Nghĩa là việc truyền thông t i mức này cũng cần có một hệ thống định danh toàn cục. Một tr m ph i có thể truyền thông với một tr m bất kỳ mà không ph i lo lắng về m ng vật lý ph i đi qua. Nghĩa là t i tầng này, một tr m cũng ph i đ ợc định danh duy nhất và toàn cục. Hơn nữa, để định tuyến tối u và hiệu qu , mỗi router cũng ph i đ ợc định danh duy nhất và toàn cục t i tầng này. Số hiệu nhận d ng đ ợc sử dụng tầng liên m ng của bộ giao thức TCP/IP đ ợc gọi là địa chỉ liên m ng hay địa chỉ IP. Đối với phiên b n IPv4, địa chỉ này là một số nhị phân 32 bít, đ ợc thực thi trong phần mềm, dùng để định danh duy nhất và toàn cục một tr m hoặc một router trên liên m ng. Các địa chỉ IP là duy nhất theo nghĩa mỗi địa chỉ định danh một và chỉ một thiết bị (tr m hoặc router) trên liên m ng. Hai thiết bị trên liên m ng không thể có cùng địa chỉ IP. Tuy nhiên, một thiết bị có thể có nhiều địa chỉ IP nếu chúng đ ợc kết nối tới nhiều m ng vật lý khác nhau. Các địa chỉ IP là toàn cục theo nghĩa hệ thống đánh địa chỉ này ph i đ ợc tất c các tr m muốn kết nối tới liên m ng chấp nhận. Mỗi địa chỉ IP gồm 4 byte, định nghĩa hai phần: địa chỉ m ng (NetID) và địa chỉ tr m (HostID). Các phần này có chiều dài khác nhau tuỳ thuộc vào lớp địa chỉ. Các bít đầu tiên trong phần địa chỉ m ng xác định lớp của địa chỉ IP. 11000000 00000001 00000010 00000011 192 . 1 . 2 . 3 Hình 3.3: Ký pháp dấu chấm th p phân Để dễ đọc và dễ nhớ, các địa chỉ IP th ng đ ợc biểu diễn d ới d ng dấu chấm thập phân. Trong cách biểu diễn này, các byte đ ợc tách riêng và biểu diễn d ới d ng thập phân, viết cách nhau b i dấu chấm (hình 3.3). 3.1.2.1. Các lớp địa chỉ IP Địa chỉ IP đ ợc chia làm 5 lớp, ký hiệu là A, B, C, D và E. Chiều dài phần địa chỉ m ng và phần địa chỉ tr m của các lớp là khác nhau. Cấu trúc của các lớp đ ợc chỉ ra trong hình 3.4. Các bit đầu tiên của địa chỉ IP đ ợc dùng để định danh lớp địa chỉ (0 - lớp A; 10 - lớp B; 110 - lớp C; 1110 - Lớp D và 1111 - lớp E). 103 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Địa chỉ tr m (24 bít) Địa chỉ m ng (7 bít) Lớp A 0 Lớp B 1 0 Lớp C 1 1 0 Địa chỉ m ng (14 bít) Địa chỉ tr m (16 bít) Địa chỉ m ng (21 bít) Địa chỉ tr m (8 bít) Lớp D 1 1 1 0 Địa chỉ multicast (28 bít) Lớp E 1 1 1 1 Ch a sử dụng (28 bít) 32 bít Hình 3.4. Các lớp địa chỉ IP Địa chỉ Lớp A Trong địa chỉ lớp A, byte đầu tiên đ ợc dùng để định nghĩa địa chỉ m ng. Tuy nhiên bít đầu tiên ph i luôn luôn bằng ‘0’, 7 bít còn l i định nghĩa các m ng khác nhau. Nghĩa là số m ng có địa chỉ IP lớp A rất h n chế. Về lý thuyết có thể có 27 = 128 m ng lớp A. Tuy nhiên trên thực tế chỉ có 126 m ng vì có 2 m ng đ ợc dành riêng cho các mục đích cụ thể. Trong một m ng địa chỉ lớp A, 24 bít đ ợc sử dụng để định danh địa chỉ tr m. Nghĩa là về lý thuyết có thể có tối đa 224 = 16.777.216 tr m. Tuy nhiên cũng có hai địa chỉ đặc biệt (phần địa chỉ tr m gồm toàn bít ‘0’ hoặc toàn bít ‘1’) đ ợc sử dụng làm các địa chỉ đặc biệt. Nghĩa là thực tế chỉ có tối đa 16.777.214 tr m trong một m ng lớp A. Các địa chỉ lớp A đ ợc thiết kế cho các tổ chức có số l ợng máy tính cực lớn kết nối vào m ng. Tuy nhiên, không một tổ chức nào có số l ợng máy lớn nh vậy do đó rất nhiều địa chỉ bị lãng phí. Địa chỉ Lớp B Trong địa chỉ lớp B, 2 byte đầu đ ợc dùng để định nghĩa địa chỉ m ng và 2 byte sau để định nghĩa địa chỉ tr m. Tuy nhiên, hai bít đầu tiên trong phần địa chỉ m ng luôn luôn là ‘10’, nên chỉ có 14 bít để định nghĩa các m ng khác nhau. Nghĩa là có nhiều m ng lớp B hơn lớp A. Số m ng lớp B là 214 = 16.384. Trong một m ng lớp B, 16 bít đ ợc sử dụng để định danh tr m, nghĩa là về lý thuyết mỗi m ng có thể có tối đa 216 = 65.536 tr m. Tuy nhiên cũng có hai địa chỉ đặc biệt nên thực tế một m ng lớp B chỉ có tối đa 65.534 tr m. Các địa chỉ lớp B đ ợc thiết kế cho các công ty cỡ vừa, những công ty có số l ợng máy tính t ơng đối lớn. Tuy nhiên cũng giống những m ng lớp A, nhiều địa chỉ IP bị lãng phí vì rất ít công ty có số l ợng máy tính lớn nh vậy. Địa chỉ Lớp C Trong địa chỉ lớp C, 3 byte đầu đ ợc dùng cho phần địa chỉ m ng và 1 byte cuối đ ợc dùng cho phần địa chỉ tr m. Tuy nhiên, 3 bít đầu tiên trong phần địa chỉ m ng luôn luôn là ‘110’, nên 104 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN chỉ còn 21 bít để định nghĩa địa chỉ m ng. Số m ng lớp C lớn hơn số m ng lớp A, B và bằng 221 = 2.097.152 m ng. Một m ng lớp C về lý thuyết có thể có tối đa 28 = 256 tr m. Tuy nhiên thực tế chỉ có thể có tối đa 254 tr m do có hai địa chỉ đ ợc sử dụng cho các mục đích đặc biệt. Địa chỉ lớp C đ ợc thiết kế cho các công ty nhỏ, những công ty chỉ có ít tr m nối vào m ng. Địa chỉ Lớp D Địa chỉ lớp D đ ợc định nghĩa cho truyền đa h ớng (multicasting). Trong lớp này, không có phần địa chỉ m ng và địa chỉ tr m. 4 bít đầu luôn luôn bằng ‘1110’ để định nghĩa địa chỉ lớp D, 28 bít còn l i để định nghĩa địa chỉ đa h ớng (multicast). Địa chỉ Lớp E Lớp E đ ợc dự phòng để sử dụng cho các mục đích đặc biệt. Không có phần địa chỉ m ng và địa chỉ tr m. 4 bít đầu tiên bằng ‘1111’ để định nghĩa lớp E. 3.1.3. Địa chỉ cổng và socket Mặc dù có một số cách để thực hiện truyền thông tiến trình-tới-tiến trình, nh ng cách thông dụng nhất là thực hiện thông qua mô hình khách-chủ (client-server). Một tiến trình trên máy cục bộ, đ ợc gọi là khách, cần một dịch vụ từ một ứng dụng trên tr m xa, đ ợc gọi là chủ. Các hệ điều hành hiện nay hỗ trợ c môi tr ng đa ng i dùng và đa ch ơng trình. Một máy xa có thể ch y nhiều ch ơng trình ứng dụng cùng lúc, giống nh nhiều máy cục bộ có thể ch y một hoặc nhiều ch ơng trình khách cùng lúc. Để truyền thông, chúng ta cần xác định: − Tr m cục bộ, − Tiến trình cục bộ − Tr m xa − Tiến trình xa Tr m cục bộ và tr m xa đ ợc xác định sử dụng địa chỉ IP. Để xác định các tiến trình, chúng ta cần một số hiệu nhận d ng thứ hai, đó là số cổng. Trong TCP/IP, số cổng là một số nguyên nằm trong kho ng từ 0 đến 65535 (số 2 byte). Ch ơng trình khách tự xác định nó bằng một số cổng đ ợc chọn ngẫu nhiên. Cổng này đ ợc gọi là cổng ngẫu nhiên. Ch ơng trình chủ cũng ph i tự xác định bằng một số cổng. Tuy nhiên, cổng này không thể đ ợc chọn ngẫu nhiên. Nếu máy chủ xa ch y một tiến trình chủ và lấy một số ngẫu nhiên là số cổng, thì ứng dụng máy khách muốn truy nhập và sử dụng dịch vụ trên máy chủ đó sẽ không biết đ ợc số cổng cần sử dụng. Tất nhiên, một gi i pháp có thể là gửi một gói đặc biệt để yêu cầu số cổng của một ứng dụng chủ cụ thể, tuy nhiên cách này làm tăng l u l ợng m ng. TCP/IP đã chọn cách sử dụng các số cổng thông dụng cho các ứng dụng chủ. Mọi tiến trình khách ph i biết số cổng của tiến trình chủ t ơng ứng. Nh vậy, địa chỉ IP và số cổng đóng vai trò khác nhau trong việc chọn đích cuối cùng của dữ liệu. Địa chỉ IP đích xác định tr m trong số nhiều tr m khác nhau. Sau khi tr m đã đ ợc chọn, số cổng xác định một tiến trình trên tr m cụ thể đó. Các số cổng đ ợc chia thành ba vùng: thông dụng, đăng ký và động. Cổng thông dụng nằm trong kho ng từ 0 đến 1023. Những cổng này đ ợc gán và giám sát b i IANA. 105 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Cổng đăng ký nằm trong kho ng từ 1024 đến 49151, không do IANA gán và điều khiển. Chúng chỉ có thể đ ợc đăng ký với IANA để tránh trùng lặp. Cổng động nằm trong kho ng từ 49152 đến 65535 có thể đ ợc sử dụng b i mọi tiến trình. Chúng còn đ ợc gọi là các cổng ngẫu nhiên. Để thiết lập một kết nối cần có hai số hiệu nhận d ng: địa chỉ IP và số cổng. Sự kết hợp địa chỉ IP và số cổng đ ợc gọi là địa chỉ socket. Để sử dụng dịch vụ chúng ta cần một cặp địa chỉ socket: địa chỉ socket khách và địa chỉ socket chủ. Địa chỉ socket khách để định danh duy nhất ứng dụng khách. Địa chỉ socket chủ để định danh duy nhất ứng dụng chủ. Bốn thông tin này là một phần của tiêu đề IP và tiêu đề TCP. Tiêu đề IP chứa địa chỉ IP; tiêu đề TCP chứa địa chỉ cổng. 3.1.4. Định tuyến trong mạng IP 3.1.4.1. Khái niệm về định tuyến Định tuyến là quá trình xác định đ ng đi để chuyển t i thông tin trong liên m ng từ nguồn đến đích. Nó là một chức năng đ ợc thực hiện tầng m ng. Chức năng này cho phép router đánh giá các đ ng đi sẵn có tới đích. Để đánh giá đ ng đi, định tuyến sử dụng các thông tin về Topology của m ng. Các thông tin này có thể do ng i qu n trị thiết lập hoặc đ ợc thu thập thông qua các giao thức định tuyến. Tầng m ng hỗ trợ chuyển gói cuối-tới-cuối cố gắng nhất (best-effort) qua các m ng đ ợc kết nối với nhau. Tầng m ng sử dụng b ng định tuyến IP để gửi các gói từ m ng nguồn đến m ng đích. Sau khi đã quyết định sử dụng đ ng đi nào, router tiến hành việc chuyển gói. Nó lấy một gói nhận đ ợc giao diện vào và chuyển tiếp gói này tới giao diện ra t ơng ứng (giao diện thể hiện đ ng đi tốt nhất tới đích cho gói). Trong một liên m ng, mỗi m ng đ ợc định danh b i một địa chỉ m ng và router sử dụng các địa chỉ m ng này để nhận biết đích. Router sử dụng địa chỉ m ng để nhận d ng m ng đích (LAN) của một gói tin trong một liên m ng. Hình 3.5 minh họa ba địa chỉ m ng đ ợc dùng để nhận diện các phân đo n kết nối tới router. Hình 3.5 Định tuy n gói tin theo địa chỉ mạng và địa chỉ trạm 106 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Khi định tuyến dữ liệu từ nguồn đến đích, router th ng chuyển tiếp gói từ một liên kết dữ liệu (m ng) này đến một liên kết dữ liệu khác, sử dụng hai chức năng cơ b n là xác định đ ng đi và chuyển m ch. 3.1.4.2. Định tuyến tĩnh và định tuyến động Các tuyến tĩnh đ ợc ng i qu n trị cập nhật và qu n lý một cách thủ công. Trong tr hợp tôpô m ng thay đổi, ng i qu n trị ph i cập nhật l i các tuyến tĩnh cho phù hợp. ng Định tuyến động ho t động khác với định tuyến tĩnh. Sau khi ng i qu n trị nhập các lệnh cấu hình để kh i t o định tuyến động, thông tin về tuyến sẽ đ ợc cập nhật tự động mỗi khi nhận đ ợc một thông tin mới từ liên m ng. Các thay đổi về tôpô m ng đ ợc trao đổi giữa các router. Tại sao định tuy n tĩnh Định tuyến tĩnh có một số ứng dụng hữu ích. Định tuyến động có khuynh h ớng truyền đ t tất c các thông tin về một liên m ng. Tuy nhiên, trong tr ng hợp vì lý do an toàn, chúng ta có thể muốn che dấu một số phần của liên m ng. Định tuyến tĩnh cho phép chúng ta chỉ rõ thông tin muốn tiết lộ. Trong tr ng hợp chỉ có một đ ng đi duy nhất tới m ng, thì chỉ một tuyến tĩnh tới m ng là đủ. Lo i m ng này đ ợc gọi là m ng cụt (stub network). Cấu hình định tuyến tĩnh cho một m ng cụt tránh đ ợc l u l ợng cập nhật định tuyến động. Sự cần thi t của định tuy n động M ng hình 3.6 sẽ thích ứng khác nhau đối với các thay đổi về tôpô m ng, tuỳ thuộc việc nó sử dụng định tuyến tĩnh hay định tuyến động. Định tuyến tĩnh cho phép các router định tuyến gói tin từ m ng này tới m ng khác dựa trên các thông tin đ ợc cấu hình thủ công. Trong ví dụ này, Router A luôn gửi l u l ợng có đích là Router C qua Router D. Router A tham chiếu tới b ng định tuyến của nó và dựa theo các thông tin tĩnh để chuyển tiếp gói tới Router D. Router D cũng thực hiện các công việc t ơng tự và chuyển tiếp gói tới Router C. Router C chuyển gói tới tr m đích. Nếu đ ng đi giữa Router A và Router D bị lỗi, Router A không không thể chuyển gói tới Router D thông qua tuyến tĩnh đã thiết lập này. Nh vậy, truyền thông với m ng đích không thể thực hiện đ ợc cho đến khi Router A đ ợc cấu hình l i để chuyển gói qua Router B. Đây chính là một nh ợc điểm của định tuyến tĩnh. Hình 3.6: Định tuy n động và khả năng thay th tuy n hỏng không Định tuyến động ho t động linh ho t hơn. Theo b ng định tuyến của Router A, gói có thể tới đích của nó qua Router D. Tuy nhiên, còn có một đ ng đi sẵn có khác tới đích, đó là đi qua 107 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Router B. Khi Router A nhận ra rằng liên kết tới Router D bị lỗi, nó điều chỉnh b ng định tuyến và đ ng đi tới m ng đích sẽ qua Router B. Khi liên kết giữa Router A và D đ ợc khôi phục, Router A có thể một lần nữa thay đổi b ng định tuyến để chuyển đ ng đi tới đích là qua Router D. Các giao thức định tuyến động cũng có thể chuyển l u l ợng từ cùng một phiên làm việc qua nhiều đ ng đi khác nhau trong m ng để có hiệu suất cao hơn. Tính chất này đ ợc gọi là chia sẻ t i (load sharing). Sự thành công của định tuyến động phụ thuộc vào hai chức năng cơ b n của router: − Duy trì b ng định tuyến, − Chia sẻ tri thức cho các router khác d ới d ng các cập nhật định tuyến. Định tuyến động dựa vào các giao thức định tuyến để chia sẻ tri thức giữa các router. Giao thức định tuyến định nghĩa một tập luật mà router sử dụng khi liên l c với các router kế cận. Xác định khoảng cách trên các đ ng đi mạng Khi một gi i thuật định tuyến cập nhật b ng định tuyến, mục đích chính của nó là xác định đâu là thông tin tốt nhất để l u trong b ng định tuyến. Mỗi gi i thuật định tuyến xác định thông tin tốt nhất theo cách của riêng nó. Gi i thuật t o ra một số, đ ợc gọi là giá trị metric, cho mỗi đ ng đi qua m ng. Th ng thì giá trị metric càng nhỏ thì đ ng đi càng tối u. Có thể tính toán các metric dựa trên một đặc tính đơn lẻ của đ ng đi; hoặc cũng có thể tính các metric phức t p hơn bằng cách kết hợp nhiều đặc tính. Các metric đ ợc sử dụng phổ biến gồm: chiều dài đ ng đi, độ tin cậy, độ trễ định tuyến, băng thông, t i, giá truyền thông. Hầu hết các gi i thuật định tuyến đều thuộc một trong 3 lo i sau: • • • Gi i thuật vectơ kho ng cách (distance vector). Gi i thuật tr ng thái liên kết (Link State). Gi i thuật lai. Gi i thuật định tuyến vectơ kho ng cách xác định h ớng (vectơ) và kho ng cách tới bất kỳ một liên kết nào trên liên m ng. Giao thức định tuyến vectơ kho ng cách gửi định kỳ các b n sao của một b ng định tuyến từ một router tới các router hàng xóm (router nối trực tiếp). Những cập nhật đều đặn này giữa các router truyền đ t các thay đổi về tôpô m ng. Gi i thuật tr ng thái liên kết (còn đ ợc gọi là gi i thuật đ ng đi ngắn nhất) t o l i chính xác tôpô của toàn bộ liên m ng (hoặc ít nhất một phần của liên m ng mà Router nối tới). Các gi i thuật định tuyến tr ng thái liên kết, còn đ ợc gọi là gi i thuật đ ng đi ngắn nhất tr ớc (SPF), duy trì một cơ s dữ liệu phức t p về thông tin tôpô. Trong khi gi i thuật véctơ kho ng cách có các thông tin không cụ thể về các m ng xa và không có hiểu biết về các router xa, thì gi i thuật định tuyến tr ng thái liên kết duy trì các thông tin đầy đủ về router xa và cách chúng đ ợc kết nối với nhau. Các gi i thuật tr ng thái liên kết dựa trên việc sử dụng các cập nhật tr ng thái liên kết. Mỗi khi tôpô tr ng thái liên kết thay đổi, các router đầu tiên biết đ ợc sự thay đổi này gửi một thông tin mới tới các router khác hoặc tới một router chỉ định (nơi các router khác có thể sử dụng để cập nhật). 108 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN 3.1.4.3. Giao thức định tuyến Ngày nay, một liên m ng có thể lớn đến mức một giao thức định tuyến không thể xử lý công việc cập nhật các b ng định tuyến của tất c các router. Vì lý do này, liên m ng đ ợc chia thành nhiều hệ thống tự trị (AS - Autonomous System). Hệ thống tự trị là một nhóm các m ng và router chịu một quyền lực qu n trị chung. Nó đôi khi còn đ ợc gọi là vùng định tuyến (routing domain). Định tuyến bên trong một hệ thống tự trị đ ợc gọi là định tuyến trong. Định tuyến giữa các hệ thống tự trị đ ợc gọi là định tuyến ngoài. Mỗi hệ thống tự trị có thể chọn một giao thức định tuyến trong để thực hiện định tuyến bên trong hệ thống. Tuy nhiên, th ng chỉ có một giao thức định tuyến ngoài đ ợc chọn để thực hiện định tuyến giữa các hệ thống tự trị. Hiện nay có nhiều giao thức định tuyến trong và ngoài đang đ ợc sử dụng. Tuy nhiên, tiêu biểu nhất và phổ biến nhất là giao thức định tuyến trong (OSPF) và một giao thức định tuyến ngoài (BGP). OSPF có thể đ ợc sử dụng để cập nhật các b ng định tuyến bên trong một hệ thống tự trị. BGP có thể đ ợc sử dụng để cập nhật các b ng định tuyến cho các router nối các hệ thống tự trị với nhau. 3.2. Mạng th hệ mới NGN M ng thông tin toàn cầu hiện nay đã có những b ớc phát triển m nh mẽ song chỉ tập trung vào 2 lĩnh vực dịch vụ chủ yếu là truyền tho i và truyền số liệu, t ơng ứng với nó là 2 cơ s h tầng m ng PSTN (tho i) và Internet (số liệu). Ngoài ra còn một số m ng cung cấp dịch vụ khác nh m ng di động mặt đất (PLMN), truyền hình cáp (CATV). Mỗi hệ thống này có m ng l ới truyền t i và truy nhập riêng, nh ng đều ph i sử dụng chung m ng l ới chuyển m ch và đ ng trục cáp quang quốc gia, điều này gây ra nhiều phức t p trong hệ thống qu n lý viễn thông, gi m hiệu suất phục vụ, tăng chi phí vận hành b o d ỡng. NGN (Next Generation Network) là một gi i pháp m ng nhằm nâng cao kh năng cung cấp dịch vụ của các m ng hiện nay để có thể truyền đa dịch vụ trên nền t ng chuyển m ch gói, hình thành một cơ s h tầng m ng viễn thông duy nhất sử dụng chung m ng lõi cho nhiều m ng truy nhập khác nhau. Mục đích của NGN là cung cấp đa dịch vụ thông minh trên cơ s hội tụ tho i và số liệu, di động và cố định theo mô hình dịch vụ client/server. 3.2.1. Sự cần thiết phải chuyển đổi sang mạng thế hệ sau M ng PSTN hiện t i dựa trên nền t ng công nghệ TDM và hệ thống báo hiệu số 7 (CCS7). Về cơ b n m ng này vẫn có kh năng cung cấp tốt các dịch vụ viễn thông bình th ng nh tho i hay Fax với chất l ợng khá ổn định. Song nhu cầu của b n thân nhà cung cấp dịch vụ lẫn khách hàng ngày càng tăng làm bộc lộ những h n chế không thể khắc phục đ ợc của m ng hiện t i. Ngày nay thị tr ng viễn thông trong n ớc và thế giới đang trong cuộc c nh tranh quyết liệt do việc xóa bỏ độc quyền nhà n ớc và m cửa tự do cho tất c các thành phần kinh tế. Các nhà cung cấp dịch vụ đang ph i đứng tr ớc sức ép gi m giá thành đồng th i tăng chất l ợng dịch vụ. Sự xuất hiện và phát triển bùng nổ của dịch vụ Internet dẫn đến những thay đổi đột biến về cơ s m ng buộc các nhà cung cấp dịch vụ ph i “thay đổi t duy”. D ới đây là một số h n chế của m ng hiện t i. a. Cứng nhắc trong việc phân bổ băng thông 109 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN M ng PSTN dựa trên công nghệ TDM trong đó đ ng truyền đ ợc phân chia thành các khung cố định là 125μs. Mỗi khung đ ợc chia thành các khe th i gian (Timeslot). Kênh cơ s đ ợc tính t ơng đ ơng với một khe th i gian là 64Kb/s. Điều này dẫn đến một số bất lợi, ví dụ nh đối với nhiều lo i dịch vụ đòi hỏi băng thông thấp hơn thì cũng không đ ợc, hay nh đối với các dịch vụ có nhu cầu băng thông thay đổi thì TDM cũng không thể đáp ứng đ ợc. Cuộc nối TDM đ ợc phân bổ l ợng băng thông cố định (Nx64Kb/s) và các khe th i gian này đ ợc chiếm cố định trong suốt th i gian diễn ra cuộc nối dẫn đến lãng phí băng thông. Chuyển m ch gói qu n lý băng thông mềm dẻo theo nhu cầu dịch vụ nên hiệu qu sử dụng băng thông cao hơn rất nhiều. b. Khó khăn cho việc tổ hợp mạng Tr ớc đây các lo i dịch vụ viễn thông khác nhau nh tho i, dữ liệu hay video đ ợc cung cấp trên các m ng tách biệt nhau. Nỗ lực tổ hợp tất c các m ng này thành một m ng duy nhất đ ợc thực hiện từ những năm 80 với mô hình m ng ISDN băng hẹp. Mô hình này vẫn dựa trên nền công nghệ TDM và gặp ph i một số khó khăn nh tốc độ thấp, thiết bị m ng phức t p. Ý t ng m ng ISDN băng rộng dựa trên nền công nghệ ATM đã đ ợc đ a ra song có vẻ nh quá đồ sộ và đắt đỏ đối với ng i tiêu dùng. V l i ATM cũng không linh ho t khi ho t động tốc độ thấp. Gi i pháp IPoverATM nghe có vẻ hợp lý hơn. c. Khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ mới Trong m ng PSTN toàn bộ phần “thông minh” của m ng đều tập trung các tổng đài. Dịch vụ mới muốn đ ợc triển khai ph i bắt đầu từ tổng đài. Điều này dẫn đến sự thay đổi phần mềm và đôi khi c phần cứng của tổng đài rất phức t p và tốn kém. Ngoài ra, nhu cầu của khách hàng không ngừng tăng và nhiều lo i dịch vụ mới không thể thực hiện trên nền m ng TDM. d. Đầu t cho mạng PSTN lớn, giá thiết bị cao, chi phí vận hành mạng lớn, không linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống, vốn đâu t tập trung tại các trung tâm chuyển mạch Điều này d ng nh quá rõ ràng. Đầu t cho các thiết m ng PSTN rất lớn (so với m ng IP). Các tổng đài th ng rất đắt, đầu t c cục. Chi phí nhân công cho việc vận hành b o d ỡng m ng rất cao. Các chức năng phần cứng và phần mềm đều tập trung t i tổng đài nên rất khó khăn khi cần thay đổi. M ng có nhiều cấp gây phức t p trong việc phối hợp hệ thống báo hiệu, đồng bộ và triển khai dịch vụ mới. Ngoài ra, việc thiết lập trung tâm qu n lý m ng, hệ thống tính c ớc hay chăm sóc khách hàng cũng rất phức t p. e. Giới hạn trong phát triển mạng Các tổng đài chuyển m ch nội h t đều sử dụng kỹ thuật chuyển m ch kênh, trong đó các kênh tho i đều có tốc độ 64Kb/s. Quá trình báo hiệu và điều khiển cuộc gọi liên hệ chặt chẽ với cơ cấu chuyển m ch. Ngày nay, những lợi ích về mặt kinh tế của tho i gói đang thúc đẩy sự phát triển của c m ng truy nhập và m ng đ ng trục từ chuyển m ch kênh sang gói. Và b i vì tho i gói đang dần đ ợc chấp nhận rộng rãi trong c m ng truy nhập và m ng đ ng trục, các tổng đài chuyển m ch kênh nội h t truyền thống đóng vai trò cầu nối của c hai m ng gói này. Việc chuyển đổi gói sang kênh ph i đ ợc thực hiện t i c hai đầu vào và ra của chuyển m ch kênh, làm phát sinh những chi phí phụ không mong muốn và tăng thêm trễ truyền dẫn cho thông tin, đặc biệt nh h ng tới những thông tin nh y c m với trễ đ ng truyền nh tín hiệu tho i. Nếu tồn t i một gi i pháp mà trong đó các tổng đài nội h t có thể cung cấp dịch vụ tho i và các dịch vụ tuỳ chọn khác ngay trên thiết bị chuyển m ch gói, thì sẽ không ph i thực hiện các 110 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN chuyển đổi không cần thiết nữa. Điều này mang l i lợi ích kép là gi m chi phí và tăng chất l ợng dịch vụ (gi m trễ đ ng truyền). Và đó cũng là một b ớc quan trọng tiến gần tới cái đích cuối cùng là m ng NGN f. Không đáp ứng đ ợc sự tăng tr ởng nhanh của các dịch vụ dữ liệu Sự thật là ngày nay dịch vụ Internet phát triển với tốc độ chóng mặt, l u l ợng Internet tăng với cấp số nhân theo từng năm và triển vọng sẽ còn tăng m nh vào những năm sau trong khi l u l ợng tho i cố định d ng nh có xu h ớng bão hòa thậm chí gi m một số n ớc phát triển. Internet đã thâm nhập vào mọi góc c nh của đ i sống xã hội với nhiều ý t ng rất ngo n mục nh : đào t o từ xa, y tế từ xa, chính phủ điện tử hay tin học hóa xã hội, v.v... Các m ng cung cấp dịch vụ số liệu nói chung và Internet nói riêng nếu không c i tiến và áp dụng công nghệ mới thì rõ ràng sẽ không thể đáp ứng đ ợc những nhu cầu ngày càng tăng này. Với yêu cầu về thay đổi công nghệ m ng nh trên, m ng thế hệ sau NGN đã đ ợc giới thiệu và ứng dụng một số quốc gia. Thực tiễn triển khai cho thấy công nghệ m ng mới này đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về kĩ thuật và kinh doanh kể trên. Vì vậy, m ng viễn thông Việt nam không có sự lựa chọn nào khác là cần ph i chuyển dần sang m ng thế hệ sau sử dụng công nghệ gói. 3.2.2. Nguyên tắc tổ chức mạng NGN Khái niệm NGN và sự hội t công nghệ Cho tới nay, mặc dù các tổ chức viễn thông quốc tế và các nhà cung cấp thiết bị viễn thông trên thế giới đều rất quan tâm và nghiên cứu về chiến l ợc phát triển NGN, nh ng vẫn ch a có một định nghĩa cụ thể và chính xác nào cho m ng NGN. Do đó định nghĩa m ng NGN nêu ra đây không thể bao hàm hết mọi chi tiết về m ng thế hệ sau, nh ng có thể đ ợc coi là khái niệm chung nhất khi đề cập đến NGN. Khuyến nghị Y.2001 của ITU-T chỉ rõ: Mạng thế hệ sau (NGN) là mạng chuyển mạch gói có khả năng cung cấp các dịch vụ viễn thông và tạo ra ứng dụng băng thông rộng, các công nghệ truyền tải đảm bảo chất lượng dịch vụ và trong đó các chức năng dịch vụ độc lập với các công nghệ truyền tải liên quan. Nó cho phép truy nhập không giới hạn tới mạng và là môi trường cạnh tranh giữa các nhà cung cấp dịch vụ trên các kiểu dịch vụ cung cấp. Nó hỗ trợ tính di động toàn cầu cho các dịch vụ cung cấp tới người sử dụng sao cho đồng nhất và đảm bảo. Nh vậy, NGN có thể hiểu là m ng có h tầng thông tin duy nhất dựa trên công nghệ chuyển m ch gói, triển khai các dịch vụ một cách đa d ng và nhanh chóng, đáp ứng sự hội tụ giữa tho i và số liệu, giữa cố định và di động (hình 3.7). Những kh năng và u điểm của NGN bắt nguồn từ sự tiến bộ của công nghệ thông tin và các u điểm của công nghệ chuyển m ch gói và truyền dẫn quang băng rộng. 111 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Hình 3.7: Sự hội t gi a thoại và số liệu, cố định và di động trong mạng th hệ sau Nguyên t c tổ chức mạng Để tận dụng hết lợi thế đem đến từ quá trình hội tụ công nghệ và phát huy tối đa hiệu suất sử dụng trong môi tr ng đa dịch vụ, m ng NGN đ ợc tổ chức dựa trên những nguyên tắc cơ b n sau: - M ng có cấu trúc đơn gi n; - Đáp ứng nhu cầu cung cấp các lo i hình dịch vụ viễn thông phong phú và đa d ng; - Nâng cao hiệu qu sử dụng, chất l ợng m ng l ới và gi m chi phí khai thác, b o d ỡng; - Dễ dàng tăng dung l ợng, phát triển dịch vụ mới; - Có độ linh ho t và tính sẵn sàng cao, năng lực tồn t i m nh; - Việc tổ chức m ng dựa trên số l ợng thuê bao theo vùng địa lý và nhu cầu phát triển dịch vụ; không tổ chức theo địa bàn hành chính mà tổ chức theo vùng m ng hoặc vùng l u l ợng. Các đặc đi m của mạng NGN Với những nguyên tắc xây dựng cơ b n nh trên, m ng NGN có bốn đặc điểm chính: 1. Nền t ng là hệ thống m ng m ; 2. Là m ng dịch vụ thúc đẩy, nh ng dịch vụ ph i thực hiện độc lập với m ng; 3. Là m ng chuyển m ch gói, dựa trên một bộ giao thức thống nhất; 4. Là m ng có dung l ợng ngày càng tăng, tính thích ứng cao và đủ năng lực để đáp ứng nhu cầu của ng i sử dụng. Tr ớc hết, do áp dụng cơ cấu mở mà: - - 112 Các khối chức năng của tổng đài truyền thống đ ợc chia thành các phần tử m ng độc lập, các phần tử phân theo chức năng và phát triển một cách độc lập. Giao diện và giao thức giữa các bộ phận ph i dựa trên các tiêu chuẩn t ơng ứng. Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Việc phân tách làm cho m ng viễn thông vốn có dần dần đi theo h ớng mới, những nhà kinh doanh có thể căn cứ vào nhu cầu dịch vụ để tự tổ hợp các phần tử khi tổ chức m ng l ới. Việc tiêu chuẩn hóa giao thức giữa các phần tử có thể thực hiện nối thông các m ng có cấu hình khác nhau. Tiếp đến, mạng NGN là mạng dịch vụ thúc đẩy, với đặc điểm: - Chia tách dịch vụ với điều khiển cuộc gọi; - Chia tách cuộc gọi với truyền t i. Mục tiêu chính của chia tách là làm cho dịch vụ thực sự độc lập với m ng, thực hiện một cách linh ho t và có hiệu qu việc cung cấp dịch vụ. Thuê bao có thể tự bố trí và xác định đặc tr ng dịch vụ của mình, không quan tâm đến m ng truyền t i dịch vụ và lo i hình đầu cuối. Điều đó làm cho việc cung cấp dịch vụ và ứng dụng có tính linh ho t cao. NGN là mạng chuyển mạch gói, giao thức thống nhất. Từ tr ớc đến nay, các m ng viễn thông, m ng máy tính hay truyền hình cáp đã tồn t i và cung cấp dịch vụ một cách riêng biệt. Nh ng mấy năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ IP, ng i ta mới nhận thấy là các m ng trao đổi thông tin này cuối cùng rồi cũng tích hợp trong một m ng IP thống nhất, đó là xu thế mà ng i ta th ng gọi là “dung hợp ba m ng”. Giao thức IP làm cho các dịch vụ lấy IP làm cơ s có thể thực hiện nối thông các m ng khác nhau; con ng i lần đầu tiên có đ ợc giao thức thống nhất mà ba m ng lớn đều có thể chấp nhận đ ợc; đặt cơ s vững chắc về mặt kỹ thuật cho h tầng cơ s thông tin quốc gia (NII). Giao thức IP thực tế đã tr thành giao thức ứng dụng v n năng và bắt đầu đ ợc sử dụng làm cơ s cho các m ng đa dịch vụ, mặc dù hiện t i vẫn còn thế bất lợi so với các chuyển m ch kênh về kh năng hỗ trợ l u l ợng tho i và cung cấp chất l ợng dịch vụ đ m b o cho số liệu. Tốc độ đổi mới nhanh chóng trong thế giới Internet đ ợc t o điều kiện b i sự phát triển của các tiêu chuẩn m sẽ sớm khắc phục những thiếu sót này. NGN là mạng có dung l ợng ngày càng tăng và tính thích ứng cao, có đủ năng lực để đáp ứng nhu cầu của ng ời sử dụng. Với việc sử dụng nền chuyển m ch gói và cấu trúc m , NGN có kh năng cung cấp rất nhiều lo i hình dịch vụ, đặc biệt là các dịch vụ yêu cầu băng thông cao nh truyền thông đa ph ơng tiện, truyền hình, giáo dục, … Vì vậy dung l ợng m ng ph i ngày càng tăng để đáp ứng nhu cầu ng i sử dụng, đồng th i m ng NGN cũng ph i có kh năng thích ứng với những m ng viễn thông đã tồn t i tr ớc nó nhằm tận dụng cơ s h tầng m ng, dịch vụ và khách hàng sẵn có. 3.2.3. Các công nghệ nền tảng cho NGN 3.2.3.1. Công nghệ truyền dẫn Một vấn đề quan trọng khi triển khai NGN là các công nghệ áp dụng trên m ng l ới ph i sẵn sàng. Trong cấu trúc m ng thế hệ mới, truyền dẫn là một thành phần của lớp truy nhập và truyền dẫn. Trong vòng hai thập kỷ vừa qua, công nghệ quang đã chứng minh đ ợc là một ph ơng tiện truyền t i thông tin hiệu qu trên kho ng cách lớn, và hiện nay nó là công nghệ chủ đ o trong truyền dẫn trên m ng lõi. Các c i tiến trong kĩ thuật ghép kênh theo b ớc sóng đã nâng cao đáng kể hiệu qu kinh tế về truyền t i trên m ng cáp quang. 113 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Một số điểm m nh của hệ thống truyền dẫn trên cáp quang có thể kể đến là: - Hiện nay trên 60% l u l ợng thông tin truyền đi trên toàn thế giới đ ợc truyền trên m ng quang; - Công nghệ truyền dẫn quang SDH cho phép t o đ ng truyền dẫn tốc độc cao (n*155 Mb/s) với kh năng b o vệ của các m ch vòng đã đ ợc sử dụng rộng rãi nhiều n ớc và Việt Nam; - Công nghệ WDM cho phép sử dụng độ rộng băng tần rất lớn của sợi quang bằng cách kết hợp một số tín hiệu ghép kênh theo th i gian với độ dài các b ớc sóng khác nhau và có thể sử dụng đ ợc các cửa sổ không gian, th i gian và độ dài b ớc sóng. WDM cho phép nâng tốc độ truyền dẫn lên tới 5 Gb/s, 10 Gb/s và 20 Gb/s. Nh vậy, có thể nói công nghệ truyền dẫn của m ng thế hệ mới sẽ là SDH, WDM với kh năng ho t động mềm dẻo, linh ho t, thuận tiện cho khai thác và điều hành qu n lý. Các tuyến truyền dẫn SDH hiện có và đang đ ợc tiếp tục triển khai rộng rãi trên m ng viễn thông là sự phát triển đúng h ớng theo cấu trúc m ng mới. Cần tiếp tục phát triển các hệ thống truyền dẫn SDH và WDM, h n chế sử dụng công nghệ PDH. Ngoài ra, có thể nhận thấy rằng thị tr ng thông tin vệ tin trong khu vực đã có sự phát triển m nh trong những năm gần đây và sẽ còn tiếp tục trong những năm tới. Các lo i hình dịch vụ vệ tinh đã rất phát triển nh : DTH t ơng tác, truy nhập Internet, các dịch vụ băng rộng, HDTV, … Ngoài các ứng dụng phố biến đối với nhu cầu thông tin qu ng bá, viễn thông nông thôn, với sự sử dụng kết hợp các u điểm của công nghệ CDMA, thông tin vệ tinh ngày càng có xu h ớng phát triển đặc biệt trong lĩnh vực thông tin di động và thông tin cá nhân. Một vấn đề quan trọng là ngày nay IP đã tr thành giao diện hoàn thiện thực sự cho các m ng lõi NGN. Vì vậy các m ng truyền dẫn ph i tối u cho điều khiển l u l ợng IP. Một gi i pháp có tính thuyết phục hiện nay là hội tụ các lớp dữ liệu và các lớp quang trong m ng lõi. Việc hội tụ này mang l i một số lợi thế nh cung cấp các dịch vụ tốc độ cao, b o vệ dòng thông tin liên tục cho m ng quang với chuyển m ch nhãn đa giao thức MPLS. 3.2.3.2. Công nghệ truy nhập Trong xu h ớng phát triển NGN sẽ duy trì nhiều lo i hình m ng truy nhập vào một môi truyền dẫn chung nh : - M ng truy nhập quang, - M ng truy nhập vô tuyến, - M ng truy nhập cáp đồng sử dụng các công nghệ ADSL, HDSL, … - Các m ng truy nhập băng rộng. Nhìn chung là ph i đa d ng hoá các ph ơng thức truy nhập, c vô tuyến và hữu tuyến. Xu h ớng hiện nay là tích cực phát triển và hoàn thiện để đem vào ứng dụng rộng rãi các công nghệ truy nhập tiên tiến nh truy nhập quang, truy nhập WLAN, truy nhập băng rộng, đặc biệt là triển khai rộng hình thức truy nhập ADSL và hệ thống di động 3G. 3.2.3.3. Công nghệ chuyển mạch Chuyển m ch cũng là một thành phần trong lớp m ng truyền t i của NGN. So với hình thức chuyển m ch TDM tr ớc đây thì công nghệ chuyển m ch trong NGN đã có những thay đổi lớn. 114 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN M ng thế hệ mới dựa trên nền công nghệ chuyển m ch gói, cho phép ho t động với nhiều tốc độ và có kh năng cung cấp nhiều loai hình dịch vụ khác nhau. Sự lựa chọn công nghệ chuyển m ch cho NGN có thể là IP, ATM hay MPLS. Tuy nhiên, những nghiên cứu hoàn thiện về công nghệ MPLS gần đây hứa hẹn công nghệ này sẽ là công nghệ chuyển m ch chủ đ o trong NGN. Bên c nh đó, một công nghệ khác là chuyển m ch quang cũng đang đ ợc nghiên cứu và chế t o thử nghiệm. Trong t ơng lai sẽ có các chuyển m ch quang phân chia theo không gian, theo th i gian hay theo độ dài b ớc sóng. Hy vọng là các chuyển m ch quang tốc độ cao sẽ sớm đ ợc ứng dụng trong thực tế. Sau đây là những nét khái quát về đặc điểm công nghệ, các u nh ợc điểm cũng nh là kh năng ứng dụng của từng lo i công nghệ chuyển m ch nhắc đến trên. IP Sự phát triển và phổ biến của IP đã là một thực tế không ai có thể phủ nhận. Hiện nay l ợng dịch vụ lớn nhất trên các m ng đ ng trục trên thực tế đều là từ IP. Trong công tác tiêu chuẩn hóa các lo i kỹ thuật, việc b o đ m tốt hơn cho IP đã tr thành trọng điểm của công tác nghiên cứu. IP là giao thức chuyển tiếp gói tin, trong đó việc chuyển gói tin đ ợc thực hiện theo cơ chế phi kết nối. IP định nghĩa cơ cấu đánh số, cơ cấu chuyển tin, cơ cấu định tuyến và các chức năng điều khiển mức thấp. Gói tin IP chứa địa chỉ của bên gửi và bên nhận. Địa chỉ IP là số định danh duy nhất trong toàn m ng và mang đầy đủ thông tin cần cho việc chuyển gói tin tới đích. Cơ cấu định tuyến có nhiệm vụ tính toán đ ng đi tới các nút trong m ng. Do vậy, các thiết bị định tuyến ph i đ ợc cập nhật thông tin về topo m ng, nguyên tắc chuyển tin (nh trong BGP) và ph i có kh năng ho t động trong môi tr ng m ng nhiều cấp. Kết qu tính toán của cơ cấu định tuyến đ ợc l u trong các b ng chuyển tiếp (forwarding table) chứa thông tin về chặng tiếp theo để có thể gửi gói tin tới h ớng đích. Dựa trên các b ng này, bộ định tuyến chuyển các gói tin IP tới đích. Ph ơng thức chuyển tin truyền thống là theo từng chặng một. cách này, mỗi nút m ng thực hiện việc tính toán để chuyển tiếp gói tin một cách độc lập. Do vậy, yêu cầu kết qu tính toán các thông tin định tuyến t i tất c các nút ph i nhất quán với nhau. Sự không thống nhất của kết qu sẽ dẫn đến việc chuyển gói tin sai h ớng, điều này đồng nghĩa với việc mất gói tin. Kiểu chuyển gói tin theo từng chặng h n chế kh năng của m ng. Ví dụ, với ph ơng thức này, nếu các gói tin chuyển tới cùng một địa chỉ đi qua cùng một nút thì chúng sẽ đ ợc truyền qua cùng một tuyến tới điểm đích. Điều này khiến cho m ng không thể thực hiện một số chức năng khác nh định tuyến theo đích, theo dịch vụ. Tuy nhiên, ph ơng thức định tuyến và chuyển tin này nâng cao độ tin cậy cũng nh kh năng m rộng của m ng. Giao thức định tuyến động cho phép m ng ph n ứng l i với sự cố bằng việc thay đổi tuyến khi router biết đ ợc sự thay đổi về topo m ng thông qua việc cập nhật thông tin về tr ng thái kết nối. Với các ph ơng thức nh CDIR (Classless Inter Domain Routing), kích th ớc của b n tin đ ợc duy trì mức chấp nhận đ ợc, và do việc tính toán định tuyến đều do các nút tự thực hiện, m ng có thể m rộng mà không cần bất cứ thay đổi nào. Tóm l i, IP là một giao thức chuyển m ch gói có độ tin cậy và kh năng m rộng cao. Tuy nhiên, việc điều khiển l u l ợng rất khó thực hiện do ph ơng thức định tuyến theo từng chặng. Mặt khác, IP cũng không hỗ trợ chất l ợng dịch vụ (QoS). ATM 115 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Công nghệ ATM dựa trên cơ s của ph ơng pháp chuyển m ch gói nhanh, trong đó thông tin đ ợc nhóm vào các gói tin có chiều dài cố định và ngắn. Các chuyển m ch ATM cho phép ho t động với nhiều tốc độ và dịch vụ khác nhau. ATM có hai đặc điểm quan trọng. Thứ nhất, ATM sử dụng các gói có kích th ớc nhỏ và cố định gọi là tế bào (cell). Các tế bào nhỏ với tốc độ truyền lớn sẽ làm cho trễ truyền và biến động trễ gi m đủ nhỏ đối với các dịch vụ th i gian thực, đồng th i cũng sẽ t o điều kiện cho việc hợp kênh tốc độ cao đ ợc dễ dàng hơn. Thứ hai, ATM có kh năng nhóm một vài kênh o thành một đ ng o nhằm giúp cho việc định tuyến đ ợc dễ dàng. Định tuyến trong ATM khác với IP một số điểm. ATM là công nghệ chuyển m ch h ớng kết nối. Kết nối từ điểm đầu đến điểm cuối ph i đ ợc thiết lập tr ớc khi thông tin đ ợc gửi đi. ATM yêu cầu kết nối ph i đ ợc thiết lập thông qua báo hiệu. Mặt khác, ATM không thực hiện định tuyến t i các nút trung gian. Tuyến kết nối xuyên suốt đ ợc xác định tr ớc khi trao đổi dữ liệu và đ ợc giữ cố định trong suốt th i gian kết nối. Trong quá trình thiết lập kết nối, các tổng đài ATM trung gian cung cấp cho kết nối một nhãn. Việc này thực hiện hai điều: dành cho kết nối một số tài nguyên và xây dựng b ng chuyển tế bào t i mỗi tổng đài. B ng chuyển tế bào này có tính cục bộ và chỉ chứa thông tin về các kết nối đang ho t động đi qua tổng đài. Điều này khác với thông tin về toàn m ng chứa trong b ng chuyển tin của bộ định tuyến IP. Quá trình chuyển tế bào qua tổng đài ATM cũng t ơng tự nh việc chuyển gói tin qua bộ định tuyến. Tuy nhiên, ATM có thể chuyển m ch nhanh hơn vì nhãn gắn trên tế bào có kích th ớc cố định (nhỏ hơn của IP), kích th ớc b ng chuyển tin nhỏ hơn nhiều so với của bộ định tuyến IP, và việc này đ ợc thực hiện trên các thiết bị phần cứng chuyên dụng. Do vậy, thông l ợng của tổng đài ATM th ng lớn hơn thông l ợng của bộ định tuyến IP truyền thống. IP over ATM Kỹ thuật ATM, do có các tính năng nh tốc độ cao, chất l ợng dịch vụ và điều khiển l u l ợng nên đã đ ợc sử dụng rộng rãi trên m ng đ ng trục IP. Khi yêu cầu tính th i gian thực trên m ng l ới cao, IP over ATM là kỹ thuật có thể đ ợc nghĩ đến. Có thể nói MPLS chính là sự c i tiến của IP over ATM, cho nên việc nhìn l i một chút về kỹ thuật này đây cũng là điều cần thiết. IP over ATM là kỹ thuật kiểu xếp chồng, nó xếp IP (lớp 3) lên trên ATM (lớp 2). Do giao thức của hai tầng hoàn toàn độc lập với nhau, giữa chúng ph i nh một lo t giao thức nữa (nh NHRP, ARP,…) mới đ m b o nối thông. Điều đó hiện nay trên thực tế đã đ ợc ứng dụng rộng rãi. Nh ng trong tình tr ng m ng l ới đ ợc m rộng nhanh chóng, cách xếp chồng đó cũng gây ra nhiều vần đề cần xem xét l i. Tr ớc hết, vấn đề nổi bật nhất là trong ph ơng thức xếp chồng, khi cần thiết lập, b o d ỡng hay gỡ bỏ liên kết giữa các điểm nút, số việc ph i làm (nh số VC, l ợng tin điều khiển) sẽ tăng theo cấp số nhân (bình ph ơng của số điểm nút). Điều này có thể gây nên nhiều phiền phức, nhất là khi m ng l ới ngày càng rộng lớn thì chi phối kiểu đó sẽ làm cho m ng tr nên quá t i. Thứ hai là, ph ơng thức xếp chồng sẽ phân cắt c m ng l ới IP over ATM ra làm nhiều m ng logic nhỏ (LIS), các LIS trên thực tế đều là trong một m ng vật lý. Giữa các LIS dùng bộ định tuyến trung gian để liên kết, điều này sẽ nh h ng đến việc truyền nhóm gói tin giữa các LIS khác nhau. Mặt khác, khi l u l ợng rất lớn, những bộ định tuyến này sẽ gây hiện t ợng nghẽn cổ chai đối với băng rộng. Hai điểm nêu trên làm cho IP over ATM chỉ có thể thích hợp cho m ng t ơng đối nhỏ nh m ng xí nghiệp, không thể đáp ứng đ ợc nhu cầu của m ng đ ng trục 116 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Internet trong t ơng lai. Trên thực tế, c hai kỹ thuật IP và ATM đang tồn t i vấn đề yếu kém về kh năng m rộng thêm. Thứ ba là, với ph ơng thức chồng xếp, IP over ATM vẫn không có cách nào đ m b o QoS thực sự. Vấn đề thứ t là c hai kỹ thuật IP và ATM từ ban đầu đều đ ợc thiết kế riêng lẻ, không xét gì đến kỹ thuật kia, điều này làm cho sự nối thông giữa hai bên ph i dựa vào một lo t giao thức phức t p, cùng với các bộ phục vụ xử lý các giao thức này. Cách làm nh thế có thể gây nh h ng không tốt đối với độ tin cậy của m ng đ ng trục. Các kỹ thuật MPOA (Multiprotocol over ATM – đa giao thức trên ATM), LANE (LAN Emulation – Mô phỏng LAN), … cũng chính là kết qu nghiên cứu để gi i quyết các vấn đề đó, nh ng các gi i thuật này đều chỉ gi i quyết đ ợc một phần các tồn t i, nh vấn đề QoS chẳng h n. Ph ơng thức mà các kỹ thuật này dùng vẫn là ph ơng thức chồng xếp, kh năng m rộng vẫn không đủ. Hiện nay đã xuất hiện một lo i kỹ thuật IP over ATM không dùng ph ơng thức xếp chồng, mà dùng ph ơng thức chuyển m ch nhãn, áp dụng ph ơng thức tích hợp. Kỹ thuật này chính là cơ s của MPLS. MPLS Xét từ góc độ các nhà thiết kế m ng thì sự phát triển nhanh chóng và m rộng không ngừng của Internet cùng với sự tăng vọt về số l ợng cũng nh tính phức t p của các lo i hình dịch vụ đã dần dần làm cho m ng viễn thông hiện t i không còn kham nổi. Một mặt, các nhà khai thác than phiền khó kiếm đ ợc lợi nhuận, nh ng mặt khác thì thuê bao l i kêu ca là giá c quá cao, tốc độ quá chậm. Thị tr ng bức bách đòi hỏi có một m ng tốc độ cao hơn với giá c thấp hơn. Đây là nguyên nhân căn b n để ra đ i một lo t các kỹ thuật mới, trong đó có kỹ thuật chuyển m ch nhãn đa giao thức MPLS. Bất kể kỹ thuật ATM từng đ ợc coi là nền t ng của m ng số đa dịch vụ băng rộng (BISDN), hay là IP đ t thành công lớn trên thị tr ng hiện nay, đều tồn t i những nh ợc điểm khó khắc phục đ ợc. Sự xuất hiện của MPLS đã giúp chúng ta có đ ợc sự chọn lựa tốt đẹp cho cấu trúc m ng thông tin t ơng lai. Ph ơng pháp này đã dung hợp một cách hữu hiệu năng lực điều khiển l u l ợng của thiết bị chuyển m ch với tính linh ho t của bộ định tuyến. Hiện nay càng có nhiều ng i tin t ng một cách chắc chắn rằng MPLS sẽ là ph ơng án lý t ng cho m ng đ ng trục trong t ơng lai. MPLS tách chức năng của IP router làm hai phần riêng biệt: chức năng chuyển gói tin và chức năng điều khiển. Phần chức năng chuyển gói tin, với nhiệm vụ gửi gói tin giữa các router, sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn t ơng tự nh ATM. Trong MPLS, nhãn là một số có độ dài cố định và không phụ thuộc vào lớp m ng. Kỹ thuật hoán đổi nhãn về b n chất là việc tìm nhãn của một gói tin trong một b ng các nhãn để xác định tuyến của gói và nhãn mới của nó. Việc này đơn gi n hơn nhiều so với việc xử lý gói tin theo kiểu thông th ng, và do vậy, c i thiện đ ợc kh năng của thiết bị. Các router sử dụng kỹ thuật này đ ợc gọi là LSR (Label Switch Router). Phần chức năng điều khiển của MPLS bao gồm các giao thức định tuyến lớp m ng với nhiệm vụ phân phối thông tin giữa các LSR, và thủ tục gán nhãn để chuyển thông tin định tuyến thành các b ng định tuyến cho việc chuyển m ch. MPLS có thể ho t động đ ợc với các giao thức định tuyến Internet khác nh OSPF (Open Shortest Path First) và BGP (Border Bateway Protocol). Do MPLS hỗ trợ việc điều khiển l u l ợng và cho phép thiết lập tuyến cố định, việc 117 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN đ m b o chất l ợng dịch vụ của các tuyến là hoàn toàn kh thi. Đây là một điểm v ợt trội của MPLS so với các định tuyến cổ điển. Ngoài ra, MPLS còn có cơ chế chuyển tuyến nhanh (fast rerouting). Do MPLS là công nghệ chuyển m ch h ớng kết nối, kh năng bị nh h ng b i lỗi đ ng truyền th ng cao hơn các công nghệ khác. Trong khi đó, các dịch vụ tích hợp mà MPLS ph i hỗ trợ l i yêu cầu dung l ợng cao. Tuy nhiên, kh năng phục hồi của MPLS đ m b o cung cấp dịch vụ của m ng không phụ thuộc vào cơ cấu khôi phục lỗi của lớp vật lý bên d ới. Bên c nh độ tin cậy, công nghệ MPLS cũng khiến cho việc qu n lý m ng đ ợc dễ dàng hơn. Do MPLS qu n lý việc chuyển gói tin theo các luồng, các gói tin thuộc một lớp chuyển tiếp FEC có thể đ ợc xác định b i một giá trị của nhãn. Nh đó, trong miền MPLS, các thiết bị đo l u l ợng m ng có thể dựa trên nhãn để phân lo i các gói tin. L u l ợng đi qua các tuyến chuyển m ch nhãn (LSP) đ ợc giám sát một cách dễ dàng dùng RTFM ( Real Time Flow Measurement). Bằng cách giám sát l u l ợng t i các LSR, nghẽn l u l ợng sẽ đ ợc phát hiện và vị trí x y ra nghẽn có thể đ ợc xác định nhanh chóng. Tuy nhiên, giám sát l u l ợng theo ph ơng pháp này không đ a ra đ ợc toàn bộ thông tin về chất l ợng dịch vụ (ví dụ nh trễ từ điểm đầu đến điểm cuối trong miền MPLS). Tóm l i, MPLS là một công nghệ chuyển m ch IP có nhiều triển vọng. Với tính chất cơ cấu định tuyến của mình, MPLS có kh năng nâng cao chất l ợng dịch vụ của m ng IP truyền thống. Bên c nh đó, thông l ợng của m ng sẽ đ ợc c i thiện một cách rõ rệt. Tuy nhiên, độ tin cậy là một vấn đề thực tiễn có thể khiến việc triển khai MPLS trên m ng Internet bị chậm l i. 3.2.4. Các tổ chức và h ớng phát triển NGN Trên thế giới có nhiều tổ chức quốc tế về viễn thông, mỗi tổ chức l i đ a ra các bộ tiêu chuẩn riêng cho mình, do vậy khi phát triển NGN cũng có nhiều ý t ng khác nhau đ ợc đ a ra b i nhiều tổ chức khác nhau. Mô hình của ITU Cấu trúc m ng thế hệ sau NGN nằm trong mô hình cấu trúc thông tin toàn cầu GII (Global Information Infrastructure) do ITU đ a ra. Mô hình này gồm 3 lớp chức năng nh sau (hình 3.8): • Các chức năng ứng dụng; • Các chức năng trung gian bao gồm: − Chức năng điều khiển dịch vụ, − Chức năng qu n lý; • Các chức năng cơ s bao gồm: − Các chức năng m ng (gồm chức năng truyền t i và chức năng điều khiển), − Các chức năng l u trữ và xử lý, − Các chức năng giao tiếp ng 118 i – máy. Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN TruyÒn th«ng vµ nèi m¹ng th«ng tin CÊu tróc Giao diÖn ch−¬ng tr×nh øng dông Cung cÊp dÞch vô xö lý vµ l−u tr÷ th«ng tin ph©n t¸n C¸c chøc n¨ng øng dông C¸c chøc n¨ng trung gian Giao diÖn ch−¬ng tr×nh c¬ së Cung cÊp dÞch vô truyÒn th«ng chung C¸c chøc n¨ng c¬ së C¸c chøc n¨ng giao tiÕp ng−êi–m¸y C¸c chøc n¨ng xö lý vµ l−u tr÷ Chøc n¨ng ®iÒu khiÓn Chøc n¨ng truyÒn t¶i Chøc n¨ng ®iÒu khiÓn Chøc n¨ng truyÒn t¶i Hình 3.8: Các chức năng GII và mối quan hệ gi a chúng Một số h ớng nghiên cứu của IETF Theo IETF cấu trúc h tầng m ng thông tin toàn cầu cần có m ng truyền t i sử dụng giao thức IP với bất cứ công nghệ lớp nào. Nghĩa là IP cần có kh năng truyền t i kết hợp với các m ng truy nhập và đ ng trục sử dụng các giao thức kết nối khác nhau. Đối với m ng truy nhập, IETF có IP trên m ng cáp và IP trên môi tr ng vô tuyến. Đối với m ng đ ng trục, IETF có hai giao thức chính là IP trên ATM và IP với giao thức điểm nối điểm PPP trên nền m ng phân cấp số đồng bộ SONET/SDH. Mô hình IP over ATM xem IP nh một lớp trên lớp ATM và định nghĩa các m ng con IP trên nền m ng ATM. Ph ơng thức tiếp cận này cho phép IP và ATM ho t động với nhau mà không cần thay đổi giao thức. Tuy nhiên ph ơng thức này không tận dụng hết kh năng của ATM và không thích hợp với m ng nhiều router vì không đ t hiệu qu cao. IETF cũng là tổ chức đ a ra nhiều tiêu chuẩn về MPLS. Công nghệ chuyển m ch nhãn đa giao thức MPLS là kết qu phát triển IP Switching sử dụng cơ chế hoán đổi nhãn nh ATM để truyền gói tin mà không cần thay đổi các giao thức định tuyến của IP. Mô hình của MSF MSF (Multiservice Switch Forum - diễn đàn chuyển m ch đa dịch vụ) đ a ra mô hình cấu trúc m ng chuyển m ch đa dịch vụ (hình 3.9) bao gồm các lớp: • Lớp thích ứng • Lớp chuyển m ch • Lớp điều khiển • Lớp ứng dụng Ngoài ra trong mô hình của MSF còn có lớp qu n lý là một lớp đặc biệt xuyên suốt các lớp thích ứng, chuyển m ch và điều khiển. Trong đó cần phân biệt chức năng qu n lý với chức năng điều khiển. Lớp điều khiển có nhiệm vụ kết nối để cung cấp các dịch vụ thông suốt từ đầu cuối tới đầu cuối với bất cứ lo i giao thức và báo hiệu nào. 119 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Líp øng dông C¸c giao thøc, giao diÖn, API b¸o hiÖu/IN tiªu chuÈn Líp Bé ® iÒu khiÓn IP/MPLS ® iÒu khiÓn Bé ®iÒu khiÓn Bé ®iÒu khiÓn Voice/SS7 ATM/SVC ... Líp Líp chuyÓn m¹ch Multiservice qu¶n ChuyÓn m¹ch lai ghÐp lý Líp thÝch øng TCP/IP C¸c giao thøc , giao diÖn më réng Video Voice TDM FR ATM ... C¸c giao diÖn logic vµ vËt lý tiªu chuÈn Hình 3.9: Cấu trúc mạng chuy n mạch đa dịch v Mô hình của ETSI ETSI vẫn đang tiếp tục th o luận về mô hình cấu trúc m ng thế hệ sau NGN. Với mục tiêu cung cấp tất c các dịch vụ viễn thông truyền thống và các dịch vụ mới bao gồm: PSTN/ISDN, X25, FR, ATM, IP, GSM, GPRS, IMT2000, … ETSI phân chia nghiên cứu cấu trúc m ng theo các lĩnh vực: • Lớp truyền t i trên cơ s công nghệ quang • M ng lõi dung l ợng cao trên cơ s công nghệ gói IP/ATM • Điều khiển trên nền IP • Dịch vụ và ứng dụng trên nền IP • Qu n lý trên cơ s IT và IP Theo phân lớp của ETSI thì NGN có 5 lớp chức năng. Các ứng dụng từ nhà khai thác m ng đ ợc cung cấp cho khách hàng thông qua các giao diện dịch vụ. Các giao diện dịch vụ đ ợc phân thành 4 lo i: giao diện dịch vụ tho i, giao diện dịch vụ số liệu, giao diện dịch vụ tính c ớc và giao diện dịch vụ chỉ dẫn (hình 3.10). 120 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN C¸c nhµ khai th¸c m¹ng vµ c¸c øng dông ®èi víi kh¸ch hµng Giao diÖn dÞch vô tho¹i Giao diÖn dÞch vô sè liÖu Giao diÖn dÞch vô tÝnh c−íc Giao diÖn dÞch vô chØ dÉn Chøc n¨ng m¹ng th«ng minh c¬ b¶n Chøc n¨ng m¹ng c¬ b¶n Chøc n¨ng chuyÓn t¶i m¹ng Hình 3.10: Cấu trúc chức năng mạng NGN theo ETSI 3.2.5. Sự tiến hóa lên NGN và các vấn đề cần quan tâm M c tiêu ti n tới NGN Sự tiến hóa của m ng viễn thông lên NGN nhằm đ t đ ợc các mục tiêu sau: • Cung cấp đa lo i hình dịch vụ với giá thành thấp, đồng th i đ m b o th i gian đ a dịch vụ mới ra thị tr ng đ ợc rút ngắn. • Gi m chi phí khai thác m ng và dịch vụ. • Nâng cao tối đa hiệu qu đầu t . • T o ra những nguồn doanh thu mới, không phụ thuộc vào nguồn doanh thu từ các dịch vụ truyền thống. Yêu cầu chung khi xây dựng NGN Việc xây dựng m ng NGN cần đ m b o các yêu cầu cơ b n sau đây: • Tránh làm nh h ng đến các chức năng cũng nh việc cung cấp dịch vụ của m ng hiện t i. Tiến tới cung cấp dịch vụ tho i và số liệu trên cùng một h tầng thông tin duy nhất. Đồng th i ph i hỗ trợ các thiết bị khách hàng đang sử dụng. • M ng ph i có cấu trúc đơn gi n, gi m thiểu số cấp chuyển m ch và chuyển tiếp truyền dẫn nhằm nâng cao hiệu qu sử dụng, chất l ợng m ng l ới và gi m chi phí khai thác b o d ỡng. Cấu trúc tổ chức m ng không phụ thuộc vào định giới hành chính. Cấu trúc chuyển m ch ph i đ m b o an toàn, dựa trên chuyển m ch gói. • Hệ thống qu n lý m ng, dịch vụ ph i có tính tập trung cao. • Việc chuyển đổi ph i thực hiện theo từng b ớc và theo nhu cầu của thị tr ng. • H n chế đầu t các kỹ thuật phi NGN cùng lúc với việc triển khai và hoàn thiện các công nghệ mới. • Ph i b o toàn vốn đầu t của nhà khai thác. 121 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN • Xác định các giai đo n cần thiết để chuyển sang NGN. Có các sách l ợc thích hợp cho từng giai đo n chuyển h ớng để việc triển khai NGN đ ợc ổn định và an toàn. Lộ trình chuy n đổi Quá trình chuyển đổi từ m ng hiện t i sang NGN có thể đ ợc thực hiện thông qua các b ớc sau: • u tiên gi i quyết phân t i l u l ợng Internet cho tổng đài chuyển m ch nội h t. Đ m b o cung cấp dịch vụ truy nhập băng rộng t i các thành phố lớn tr ớc. • T o cơ s h tầng thông tin băng rộng để phát triển các dịch vụ đa ph ơng tiện, phục vụ các ch ơng trình tin học hóa và chính phủ điện tử của quốc gia. • u tiên thực hiện trên m ng liên tỉnh tr ớc nhằm đáp ứng nhu cầu về tho i và tăng hiệu qu sử dụng các tuyến truyền dẫn đ ng trục. • M ng nội tỉnh thực hiện có trọng điểm t i các thành phố có nhu cầu truyền số liệu, truy nhập Internet băng rộng. • Lắp đặt các thiết bị chuyển m ch thế hệ mới, các máy chủ để phục vụ các dịch vụ đa ph ơng tiện chất l ợng cao. Các h ớng phát tri n NGN Nói chung việc xây dựng NGN có thể đ ợc nhìn d ới hai góc độ của hai nhà khai thác dịch vụ khác nhau: các nhà cung cấp dịch vụ truyền thống (ESP – Established Service Provider) và nhà cung cấp dịch vụ mới (ISP – Internet Service Provider hoặc ASP – Application Service Provider). Tuỳ vào hiện tr ng của m ng hiện t i và quan điểm của nhà khai thác mà có thể chọn một trong hai h ớng phát triển NGN: xây dựng m ng hoàn toàn mới và xây dựng trên cơ s m ng hiện có. Đối với các nhà cung cấp dịch vụ truyền thống, h ớng phát triển có thể là tổ chức l i m ng để có năng lực xử lý các dịch vụ băng rộng, gi m số l ợng các phần tử m ng xếp chồng nhằm tối u hóa m ng PSTN. Mặt khác cần từng b ớc triển khai các công nghệ và dịch vụ của m ng thế hệ mới, kh i đầu bằng việc triển khai VoIP mức quá giang để xử lý l u l ợng Internet, kết nối l u l ợng m ng di động và các l u l ợng không thể dự báo tr ớc (số liệu). Việc định h ớng chuyển m ch quá giang sang NGN đ ợc tiến hành đồng th i với việc lắp đặt các cổng tích hợp VoIP, thiết bị điều khiển cổng ph ơng tiện MGC ho t động theo các giao thức chuyển m ch mềm nh MEGACO, MGCP, SIP, SIGTRAN, BICC, … Song song với việc triển khai công nghệ là ph i xây dựng một m ng đ ng trục duy nhất, đủ năng lực để truyền t i cùng lúc nhiều lo i hình l u l ợng sẽ phát sinh khi cung cấp các dịch vụ NGN. Đối với các nhà cung cấp dịch vụ ISP hoặc ASP, do đã có sẵn h tầng chuyển m ch gói nên các nhà khai thác này rất thuận lợi trong việc xây dựng m ng NGN. Khi tiến hành triển khai m ng thế hệ sau họ có thể lắp đặt các bộ điều khiển cổng ph ơng tiện MGC, các server truy nhập m ng NAS (Network Access Server) và các server truy nhập băng rộng BRAS (Broadband Remote Access Server), đồng th i sử dụng các giao thức báo hiệu SIP, H.323, SIGTRAN, … cho VoIP và các giao thức mới bổ sung cho m ng. Nh vậy có thể thấy rằng có nhiều gi i pháp đ ợc đ a ra nhằm đáp ứng nhu cầu của các nhà khai thác muốn chuyển từ m ng truyền thống sang m ng thế hệ sau. Các ESP có xu h ớng xây dựng NGN dựa trên cơ s m ng hiện t i, còn các ISP/ASP thuận lợi hơn khi phát triển NGN theo quan điểm thứ hai là xây dựng m ng hoàn toàn mới. Song dù xây dựng m ng theo xu h ớng 122 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN nào thì việc phát triển m ng đều ph i dựa vào nhu cầu mới của khách hàng để thu hút và giữ khách hàng. Điều này cũng có nghĩa là các nhà khai thác sẽ triển khai m ng NGN theo h ớng để đáp ứng cho nhu cầu phát triển dịch vụ của khách hàng. Các vấn đ cần quan tâm khi tri n khai NGN Mặc dù việc tiến tới NGN đã đ ợc khẳng định là tất yếu, trong quá trình triển khai vẫn còn nhiều vấn đề cần quan tâm nghiên cứu và cân nhắc để có thể đ a ra gi i pháp chuyển đổi thích hợp. Tr ớc hết, các nhà khai thác dịch vụ viễn thông ph i xem xét m ng TDM mà họ đã tốn rất nhiều chi phí đầu t để quyết định xây dựng một NGN xếp chồng hay thậm chí thay thế các tổng đài truyền thống bằng những chuyển m ch công nghệ mới sau này. Một sự lựa chọn hợp lí có thể là gi m các cấp chuyển m ch, đặc biệt là các tổng đài nội h t và chuyển dần các lo i thuê bao sang thành thuê bao NGN. Các nhà khai thác cần tìm ra ph ơng pháp cung cấp các dịch vụ mới cho khách hàng của họ trong th i kỳ quá độ tr ớc khi các m ng của họ chuyển sang NGN một cách đầy đủ. Vấn đề lớn cần nhắc tới khi chuyển sang công nghệ gói là ph i hỗ trợ dịch vụ tho i qua IP và hàng lo t các dịch vụ giá trị gia tăng khác trong khi cơ chế “best effort” phân phối các gói tin không còn đủ đáp ứng nữa. Một thách thức căn b n là m rộng m ng IP theo nhiều h ớng, nhiều kh năng cung cấp dịch vụ trong khi vẫn giữ đ ợc u thế gọn nhẹ của m ng IP. Một khía c nh khác là quy mô m ng ph i đủ lớn để cung cấp cho khách hàng nhằm chống l i hiện t ợng tắc nghẽn cổ chai trong l u l ợng của m ng lõi. Việc tăng số l ợng các giao diện m cũng làm tăng nguy cơ mất an ninh m ng. Do đó việc đ m b o an toàn thông tin m ng để chống l i sự xâm nhập trái phép từ bên ngoài tr thành vấn đề sống còn của các nhà khai thác m ng. Ngoài ra, khi m rộng m ng ph i đ m b o đáp ứng các yêu cầu về độ tin cậy, đồng th i các dịch vụ triển khai ph i đ ợc tối u hoá trong việc sử dụng các nguồn tài nguyên m ng. Vấn đề cũng không kém phần quan trọng là ph i phát triển các gi i pháp qu n lý thích hợp cho NGN trong môi tr ng đa nhà khai thác và đa lo i hình dịch vụ. Mặc dù còn mất nhiều th i gian và công sức tr ớc khi hệ thống qu n lý m ng đ ợc triển khai nh ng mục tiêu này vẫn có giá trị và sẽ mang l i nhiều lợi ích nh gi m thiểu các chi phí vận hành, khai thác và qu n lí m ng. 3.2.6. Kiến trúc phân lớp mạng NGN theo mô hình Call Server Cho đến nay NGN vẫn là xu h ớng phát triển mới, ch a có một khuyến nghị chính thức nào của ITU về cấu trúc NGN. Các hãng khai thác và cung cấp thiết bị viễn thông đã đ a ra một số mô hình khác nhau. Các diễn đàn, hiệp hội và tổ chức viễn thông khác cũng đang cố gắng để tiến tới những nguyên tắc và chuẩn chung cho m ng NGN. Từ các mô hình này có thể thấy cấu trúc m ng viễn thông thế hệ sau có đặc điểm chung là bao gồm các lớp chức năng sau: lớp truy nhập và truyền dẫn, lớp truyền thông và lớp điều khiển. Nếu xem xét từ góc độ kinh doanh và cung cấp dịch vụ thì còn có thêm lớp ứng dụng dịch vụ. Trong môi tr ng phát triển c nh tranh thì sẽ có rất nhiều thành phần tham gia kinh doanh trong lớp ứng dụng dịch vụ này. Ngoài ra, trong mô hình cấu trúc m ng còn có lớp qu n lý là một lớp đặc biệt xuyên suốt bốn lớp trên. Kết nối giữa các lớp chức năng là các giao diện lập trình m API (hình 3.11). 123 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Líp øng dông Giao diÖn më API Líp ®iÒu khiÓn Líp truyÒn th«ng Líp qu¶n lý Giao diÖn më API Giao diÖn më API Líp truy nhËp vµ truyÒn dÉn Hình 3.11: Cấu trúc mạng th hệ sau (từ góc độ dịch v ) 3.2.6.1. Lớp truy nhập và truyền tải + Phần truy nhập + Với truy nhập vô tuyến có các hệ thống thông tin di động GSM hoặc CDMA, truy nhập vô tuyến cố định, vệ tinh. Trong t ơng l i các hệ thống truy nhập không dây sẽ phát triển rất nhanh nh truy nhập hồng ngo i, bluetooth hay WLAN (802.11). Với truy nhập hữu tuyến, hiện nay có cáp đồng và xDSL đang đ ợc sử dụng. Tuy vậy trong t ơng lai truyền dẫn quang DWDM, PON sẽ dần chiếm u thế, thị tr ng của xDSL và modem sẽ dần thu nhỏ l i. Lớp truy nhập cung cấp các kết nối giữa thuê bao đầu cuối và m ng đ ng trục qua cổng giao tiếp thích hợp. NGN cũng cung cấp hầu hết các truy nhập chuẩn cũng nh không chuẩn của các thiết bị đầu cuối nh : truy nhập đa dịch vụ, điện tho i IP, máy tính PC, tổng đài nội bộ PBX, … Phần truyền tải T i lớp vật lý các công nghệ truyền dẫn quang nh SDH, WDM hay DWDM sẽ đ ợc sử dụng. Công nghệ ATM hay IP có thể đ ợc sử dụng trên m ng lõi để đ m b o QoS. Các router đ ợc sử dụng biên m ng lõi khi l u l ợng lớn. Khi l u l ợng nhỏ switch–router có thể đ m nhận luôn chức năng những router này. Lớp truyền t i có kh năng hỗ trợ các mức QoS khác nhau cho cùng một dịch vụ và cho các dịch vụ khác nhau. Lớp ứng dụng sẽ đ a ra các yêu cầu về năng lực truyền t i và nó sẽ thực hiện yêu cầu đó. 3.2.6.2. Lớp truyền thông Lớp truyền thông gồm các thiết bị là các cổng ph ơng tiện MG (Media Gateway) nh : 124 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN + + Cổng truy nhập: AG kết nối giữa m ng lõi và m ng truy nhập, RG kết nối m ng lõi và m ng thuê bao nhà. Cổng giao tiếp: TG kết nối m ng lõi với m ng PSTN/ISDN, WG kết nối m ng lõi với m ng di động. Lớp này chịu trách nhiệm chuyển đổi các lo i môi tr ng (FR, PSTN, LAN, vô tuyến, …) sang môi tr ng truyền dẫn gói đ ợc áp dụng trên m ng lõi và ng ợc l i. 3.2.6.3. Lớp điều khiển Lớp điều khiển bao gồm các hệ thống điều khiển mà thành phần chính là Softswitch còn gọi là MGC hay Call Agent, đ ợc kết nối với các thành phần khác nhau nh SG, MS, FS, AS để kết nối cuộc gọi hay qu n lý địa chỉ IP. Lớp điều khiển có nhiệm vụ kết nối để cung cấp các dịch vụ truyền thông từ đầu cuối đến đầu cuối với bất kỳ lo i giao thức báo hiệu nào. Các chức năng qu n lý và chăm sóc khách hàng cũng đ ợc tích hợp trong lớp điều khiển. Nh có giao diện m nên có sự tách biệt giữa dịch vụ và truyền dẫn, điều này cho phép các dịch vụ mới đ ợc đ a vào nhanh chóng và dễ dàng. Hiện nay lớp điều khiển vẫn rất phức t p, kh năng t ơng thích giữa các thiết bị của các hãng là vấn đề cần quan tâm. Các giao thức, giao diện báo hiệu và điều khiển kết nối rất đa d ng, còn ch a đ ợc chuẩn hoá và đang tiếp tục phát triển. Do vậy, cần có th i gian để xem xét và quan tâm đến tính t ơng thích của các lo i giao diện và giao thức khi lựa chọn thiết bị mới. 3.2.6.4. Lớp ứng dụng Lớp này gồm các nút thực thi dịch vụ (thực chất là các server dịch vụ), có chức năng cung cấp các ứng dụng cho khách hàng thông qua lớp truyền t i. Các dịch vụ cung cấp có thể là dịch vụ m ng thông minh IN, dịch vụ tr tiền tr ớc, dịch vụ giá trị gia tăng Internet, v.v. Hệ thống ứng dụng và dịch vụ m ng này liên kết với lớp điều khiển thông qua các giao diện m API. Nh giao diện m này mà các nhà cung cấp có thể triển khai nhanh chóng các dịch vụ trên m ng. Lớp ứng dụng cung cấp các dịch vụ có băng thông khác nhau và nhiều mức độ. Một số dịch vụ sẽ thực hiện làm chủ việc điều khiển logic của chúng và truy nhập trực tiếp tới lớp ứng dụng, còn một số dịch vụ khác sẽ thực hiện điều khiển từ lớp điều khiển. 3.2.6.5. Lớp quản lý Lớp qu n lý là một lớp đặc biệt xuyên suốt các lớp từ kết nối cho đến ứng dụng. T i lớp qu n lý ng i ta có thể khai thác hoặc xây dựng m ng qu n lý viễn thông TMN nh một m ng riêng để theo dõi và điều phối các thành phần m ng đang ho t động. Các chức năng qu n lý đ ợc chú trọng là qu n lý m ng, qu n lý dịch vụ và qu n lý kinh doanh. 3.2.7. Chức năng và hoạt động của các phần tử mạng NGN không ph i là m ng hoàn toàn mới đ ợc xây dựng từ đầu. Trong cấu trúc vật lý của NGN cần có các thành phần đ m b o việc kết nối với các m ng hiện hành và tận dụng các thiết bị viễn thông hiện có nhằm đ t đ ợc hiệu qu khai thác tối đa. Các phần tử chính trong m ng thế hệ sau có thể thấy rõ trên hình 3.12. 125 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Hình 3.12: Các thành phần chính trong mạng th hệ sau Có rất nhiều thiết bị kỹ thuật đ ợc chỉ ra trên hình vẽ, song đây sẽ chỉ đề cập đến những thiết bị thể hiện rõ nét sự tiên tiến của NGN so với m ng viễn thông truyền thống. Cụ thể những thiết bị đ ợc trình bày trong phần này là cổng ph ơng tiện (MG), bộ điều khiển cổng ph ơng tiện (MGC), cổng báo hiệu (SG), máy chủ ph ơng tiện (MS) và máy chủ ứng dụng/đặc tính (AS/FS). 3.2.7.1. Cổng ph ơng tiện - MG Cổng ph ơng tiện (Media Gateway - MG) là thiết bị chuyển đổi giao thức đóng khung và truyền t i từ lo i m ng này sang một định d ng yêu cầu của một lo i m ng khác, thông th ng là từ d ng chuyển m ch kênh sang d ng gói. Thực tế, nó chuyển đổi giữa các mã truyền trong m ng IP (truyền trên RTP/UDP/IP) với mã hoá truyền trong m ng SCN (PCM, GSM). Việc chuyển đổi này đ ợc điều khiển bằng Softswitch. MG thực hiện việc mã hoá, gi i mã và nén dữ liệu. Các ho t động này đ ợc thực hiện b i các bộ xử lý tín hiệu số DSP. Ngoài ra, MG còn tập hợp dữ liệu cho việc tính c ớc và hệ thống chăm sóc khách hàng (kh năng cung cấp hồ sơ, hỗ trợ nhanh cuộc gọi c trong th i gian thực và phi th i gian thực) hay phát hiện ng ỡng dữ liệu nếu yêu cầu. MG hỗ trợ các giao thức định tuyến chính nh OSPF, IS-IS, BGP. Tùy theo vị trí và chức năng, ng 126 i ta phân ra nhiều lo i cổng ph ơng tiện khác nhau: - MG trung kế (TG - Trunking Gateway): kết nối các chuyển m ch thuộc PSTN/ISDN tới phần lõi NGN; - MG truy nhập (AG - Access Gateway) kết nối giữa m ng lõi NGN với m ng truy nhập; - MG dân c (RG - Regidental Gateway): Kết nối m ng lõi NGN với m ng thuê bao nhà dân; Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN - - - MG truy nhập di động (WAG – Wireless Access Gateway): cho phép các khách hàng của m ng di động 3G kết nối tới NGN; MG trung kế di động (WG – Wireless Gateway): cho phép m ng di động 3G kết nối tới NGN; MG báo hiệu (SG – Signalling Gateway): chuyển đổi tín hiệu báo hiệu số 7 giữa m ng chuyển m ch kênh và m ng gói. Yêu cầu chính đối với MG là ph i cung cấp chất l ợng tho i tốt, cụ thể là ph i đ m b o trễ và tỉ lệ mất gói thấp. Nh ng trong tr ng hợp d i thông quan trọng hơn chất l ợng thì việc nén dữ liệu l i là một đặc tính quan trọng. MG cung cấp tập hợp các codec tho i nh G723.1, G711, G729, G726, GSM và các hỗ trợ cần thiết khác cho phép lựa chọn các yêu cầu về chất l ợng tho i và gi i thông. Thêm vào đó, các đặc tính nh khử tiếng vọng và bộ đệm jitter cũng nhằm để c i tiến chất l ợng tho i và tiện nghi ng i dùng. MG hỗ trợ lấp kho ng lặng và t o các nhiễu nền để gi m khối l ợng t i trong m ng. Một yêu cầu gần nh bắt buộc đối với MG là tính m . Điều này cho phép kết nối MG với các phần tử m ng khác nh MGC sử dụng các giao thức chuẩn nh MGCP, MEGACO/H.248 hay SIP. Việc sử dụng các giao thức chuẩn cho phép nhà điều hành ít phụ thuộc nhất vào các nhà cung cấp và thuận tiện trong việc thay thế các phần tử m ng. Ngày nay các Media Gateway hỗ trợ IPv4, nh ng chúng có thể phát triển để hỗ trợ IPv6 là chuẩn đ ợc mong đợi cho t ơng lai. Vấn đề quan trọng khác là tính b o mật. Ng i dùng không đ ợc nhận thực sẽ không thể sử dụng MG. Trong thiết bị Media Gateway sử dụng các giao thức nhận thực nh PAP, CHAP hay IPSec. Độ linh ho t của các Gateway là một yêu cầu quan trọng, b i vì nó cho phép nhà điều hành m ng m rộng m ng nếu cần thiết. Ngoài ra, độ tin cậy cũng là một yếu tố không thể thiếu đối với các thiết bị MG. 3.2.7.2. Bộ điều khiển cổng ph ơng tiện - MGC Bộ điều khiển cổng ph ơng tiện (Media Gateway Controller - MGC) là thành phần chính của hệ thống Softswitch. Nó đ a ra các quy luật xử lý cuộc gọi, còn MG và SG sẽ thực hiện các quy luật đó. MGC điều khiển SG thiết lập và kết thúc cuộc gọi. Ngoài ra nó còn giao tiếp với hệ thống OS và BSS. MGC chính là cầu nối giữa các m ng có đặc tính khác nhau, nh PSTN, SS7, m ng IP. Nó chịu trách nhiệm qu n lý l u l ợng tho i và dữ liệu qua các m ng khác nhau. Nó cũng đ ợc gọi là Call Agent do chức năng điều khiển các b n tin. Call Agent thực hiện điều khiển cuộc gọi liên quan tới mô hình cuộc gọi, chuyển giao tín hiệu và điều khiển cổng ph ơng tiện. Nó ph i cung cấp một giao diện phù hợp với Application Server để có thể điều khiển dịch vụ và chính sách. Các Call Agent ph i hợp tác ho t động với nhau để thực hiện một cuộc gọi cơ b n. Truyền thông giữa các MGC đ ợc thực hiện b i các giao thức chuẩn nh BICC hay SIP-T. Ngoài ra, Call Agent cũng cho phép các đầu cuối IP kết nối trực tiếp sử dụng các giao thức điển hình nh SIP hay H.323 (hình 3.13). Softswitch thực hiện việc định tuyến và đánh số cơ b n, báo hiệu số 7, thu thập dữ liệu l u l ợng, b o d ỡng hệ thống, điều khiển quá t i, ghi số liệu c ớc, có chức năng điều khiển m ng, cung cấp các dịch vụ m ng thông minh và dịch vụ m ng IP. MGC kết hợp cùng MG, SG và các thành phần khác nh MS, FS, AS để kết nối cuộc gọi hay qu n lý địa chỉ IP. 127 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Hình 3.13: Vai trò và vị trí của Call Agent trong mô hình mạng th hệ mới Yêu cầu chính đối với các MGC là tính m , có nghĩa là cho phép sử dụng các giao thức chuẩn và giao diện lập trình ứng dụng m . Tính năng này đ m b o tính độc lập của các nhà cung cấp đối với sự phát triển của dịch vụ và cho phép sử dụng dịch vụ ba bên. Tuy nhiên, hiện nay các giao thức chuẩn và giao diện lập trình ứng dụng ch a đủ hoàn thiện để đ m b o t ơng thích hoàn toàn. 3.2.7.3. Cổng báo hiệu - SG Cổng báo hiệu (Signalling Gateway - SG) t o ra chiếc cầu nối giữa m ng báo hiệu SS7 với m ng IP d ới sự điều khiển của Media Gateway Controller (MGC). SG làm cho MGC giống nh một nút SS7 trong m ng báo hiệu SS7. Nhiệm vụ của SG là xử lý thông tin báo hiệu. Cổng báo hiệu đ m nhiệm các chức năng sau: - - - Cung cấp việc liên kết báo hiệu giữa m ng TDM và m ng gói. Phụ thuộc vào lo i báo hiệu sử dụng (ISUP, ISDN, V5.2, ...), SIGTRAN đ ợc sử dụng hiệu qu (đ m b o th i gian thực) và tin cậy (hỗ trợ không mất gói và jitter trong m ng gói). Với tho i và báo hiệu đ ợc nhận trên cùng một kênh, chức năng SG th hợp trên MG. ng đ ợc tích Với ISUP “quasi-associated” (sử dụng STP) thì SG là thiết bị độc lập. 3.2.7.4. Máy chủ ph ơng tiện - MS Máy chủ ph ơng tiện (Media Server - MS) là thành phần lựa chọn của Softswitch, đ ợc sử dụng để xử lý các thông tin đặc biệt. MS cung cấp chức năng t ơng tác giữa ng i gọi và các ứng dụng thông qua thiết bị viễn thông, ví dụ nó có thể tr l i cuộc gọi, phát thông báo, đọc th , cung cấp các lệnh tho i nh sử dụng công nghệ nhận d ng tiếng nói. MS phân phát dịch vụ tho i và 128 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN video trên m ng gói, nh cầu hội nghị (nếu dịch vụ này không đ ợc MG hỗ trợ), thông báo (các thông báo đơn gi n do MG gửi), IN và một số t ơng tác ng i dùng. Chức năng MS có thể đ ợc tích hợp trong Softswitch hoặc để thể là bắt buộc hoặc lựa chọn. Có hai nhóm chức năng chính là: - - MG. Các chức năng này có Các chức năng tài nguyên ph ơng tiện nh tách tone, tổng hợp tho i, ph ơng tiện nhận d ng tiếng nói, ... Các chức năng điều khiển ph ơng tiện nh nhắc, ghi b n tin, v.v. Trên thị tr ng, MS là những thiết bị đ ợc điều khiển bằng SIP, MGCP hoặc H.248/Megaco và là gi i pháp của SRPs (Service Resource Point) hỗ trợ cho IN. Một Media Server ph i hỗ trợ phần cứng DSP với hiệu suất cao nhất. 3.2.7.5. Máy chủ ứng dụng/đặc tính – AS/FS Máy chủ đặc tính (Feature Server – FS) là một server lớp ứng dụng chứa một lo t dịch vụ của doanh nghiệp. Chính vì vậy nó còn đ ợc gọi là máy chủ ứng dụng th ơng m i (Application Server). Máy chủ đặc tính xác định tính hợp lệ và hỗ trợ các thông số dịch vụ thông th ng cho hệ thống đa chuyển m ch. Giữa Softswitch và FS có thể sử dụng các giao thức chuẩn hoặc giao diện ch ơng trình ứng dụng m API. Vì hầu hết các AS/FS tự qu n lý các dịch vụ và truyền thông qua m ng IP nên chúng không ràng buộc nhiều với Softswitch về việc phân chia hay nhóm các thành phần ứng dụng. Mục tiêu chính của máy chủ ứng dụng là điều khiển và qu n lý các ứng dụng một cách hiệu qu , kinh tế và nhanh chóng. Nó cho phép đ a ra các dịch vụ mới không cần cập nhật phần mềm Softswitch trong th i gian ngắn. Một dịch vụ mới có thể đ ợc phát triển b i b n thân các nhà khai thác m ng. Các máy chủ ứng dụng điều khiển tất c các logic và kết nối ứng dụng. Phần mềm máy chủ ứng dụng có thể đơn gi n hoá việc kết nối các hệ thống web mới, các hệ thống đặt trong các vị trí khác nhau và các hệ thống kế thừa thông qua web client. Sau đây là một số tính năng cơ b n của các máy chủ ứng dụng. Tính năng chung - Server ứng dụng ph i cung cấp sự tích hợp Web để hỗ trợ giao diện Web cho ng qu n lý, khai thác và b o trì. i Tính năng xác thực và bảo mật - - Điều khiển các phần tử m ng thực hiện xác thực, cấp phép và các kh năng tính toán cho các dịch vụ đ ợc cung cấp; Trợ giúp cơ chế đăng ký, có thể là yêu cầu đăng ký SIP hoặc H.323; Cung cấp các dịch vụ b o mật nh mã hoá hay xác thực để đ m b o truy cập b o mật tới các dịch vụ. Tính năng truyền thông - Truyền thông với các ứng dụng trong hoặc ngoài; - Truyền thông với các máy chủ điều khiển tài nguyên m ng bên ngoài. Tính năng cung cấp dữ liệu 129 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN - Cung cấp cơ s dữ liệu thuê bao và dịch vụ; - Qu n lý giao dịch trên cơ s của các luật ACID. Nói chung, nhà qu n trị giao dịch hoặc bộ giám sát đ ợc thiết kế để nhận thực khái niệm ACID. Tính năng hoạt động, quản lý và điều khiển - - Qu n lý dịch vụ, bao gồm các phần tử liên quan đến kiểm toán, đặc tính dịch vụ, … Qu n lý hệ thống, bao gồm các phần tử liên quan đến ho t động, qu n lý và khai thác các máy chủ ứng dụng (ví dụ nh qu n lý c nh báo, giám sát đặc tính, bắt giữ và khôi phục h hỏng, …). Qu n lý th i gian vòng đ i dịch vụ, bao gồm trợ giúp sự triển khai dịch vụ, cung cấp dịch vụ, thuê dịch vụ, kích ho t và gi i kích ho t dịch vụ, xác định phiên b n của dịch vụ, … Tính năng thực hiện dịch vụ - Trợ giúp thực hiện đa ứng dụng hay đa tr ng hợp của cùng ứng dụng; Môi tr ng trợ giúp thực hiện dịch vụ, bao gồm tập các kh năng độc lập dịch vụ để truy cập các hệ thống bên ngoài thông qua các giao thức, giao diện ch ơng trình ứng dụng để qu n lý các phiên dịch vụ, truy cập dịch vụ, các sự kiện và khai báo, đăng nhập và t ơng tác logic dịch vụ, … Nh vậy, máy chủ ứng dụng sẽ là nền công nghệ thông tin, đóng vai trò kiến t o dịch vụ trong m ng thông minh nhằm m rộng tính năng của chúng để bao phủ các tình huống mới của m ng. Các giao diện giữa máy chủ ứng dụng và môi tr ng kiến t o ứng dụng có thể đ ợc cung cấp trên cơ s các công cụ nh ngôn ngữ CPL. Sự thực hiện ứng dụng sẽ đ ợc thi hành sau khi n p mã ứng dụng (mã th ng đ ợc phiên dịch) trên môi tr ng server ứng dụng. Trong những tr ng hợp nh vậy, máy chủ ứng dụng ph i hỗ trợ ngôn ngữ kịch b n đ ợc sử dụng. 3.2.8. Điều khiển kết nối trong mạng NGN Trong ch ơng tr ớc đã trình bày về cấu trúc m ng và các thiết bị kĩ thuật cấu thành nên m ng NGN. Nội dung của ch ơng này sẽ giới thiệu các vấn đề liên quan đến kết nối và điều khiển kết nối trong m ng NGN thông qua các giao thức khác nhau. Để các thiết bị trong m ng có thể phối hợp ho t động với nhau cần ph i sử dụng rất nhiều giao thức, tuy nhiên đây sẽ chỉ trình bày những giao thức tiêu biểu liên quan đến vấn đề báo hiệu và điều khiển các thiết bị kĩ thuật đã nêu trên. 3.2.8.1. Vai trò của điều khiển kết nối trong NGN Trong cấu trúc m ng NGN chức năng điều khiển kết nối đ ợc tách riêng thành một lớp và đẩy lên nằm trên lớp truyền t i và d ới lớp ứng dụng/dịch vụ. Lớp điều khiển kết nối đ ợc tổ chức thành một cấp cho toàn m ng nhằm gi m số cấp m ng và tận dụng tối đa năng lực xử lý cuộc gọi của các thiết bị thế hệ mới với mục tiêu gi m chi phí đầu t . Lớp điều khiển có nhiệm vụ thống nhất các tiêu chuẩn kết nối giữa các nhà cung cấp dịch vụ và nhà cung cấp m ng cũng nh là giữa các nhà cung cấp m ng thành viên, nhằm đ m b o thông suốt việc cung cấp các dịch vụ viễn thông đến ng i sử dụng. 130 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Với các chức năng điều khiển lớp truyền t i, truy nhập và cung cấp các dịch vụ m ng NGN, lớp điều khiển bao gồm nhiều module nh : điều khiển kết nối ATM, điều khiển kết nối IP/MPLS, … (hình 3.14). Các thiết bị của lớp truyền t i và truy nhập đ ợc điều khiển và kết nối thông qua giao diện API. Các ứng dụng và dịch vụ cho khách hàng đ ợc điều khiển bằng các server độc lập với m ng truyền t i. Các bộ điều khiển nh IP/MPLS Controller, ATM/SVC Controller, Voice/SS7 Controller đ ợc đặt t ơng ứng với vị trí của các nút Core t i các vùng l u l ợng chính. Feature COPS AIN or CS-x SIP Controllers ISDN xDSL ATM Controllers BICC or SIP Access Router PTS SS7 SS7 …… SS7 POTS ISDN xDSL ATM Access Gateway Mạng lõi ATM/IP/MPLS Trunk Gateway NB NB PSTN Hình 3.14: K t nối và đi u khi n các phần t trong mạng NGN Việc tổ chức kết nối các m ng hiện th i (PSTN, PLMN, Internet, …) đ ợc thực hiện thông qua các cổng Media Gateway (MG). Giao thức điều khiển sử dụng là MGCP hoặc Megaco/H.248. Các thiết bị Softswitch hay MGC trên m ng đ ợc kết nối với nhau qua kênh báo hiệu BICC hoặc SIP. Trên hình 3.15 minh họa cấu trúc lớp điều khiển báo hiệu và các giao thức liên quan trong gi i pháp m ng NGN của Siemens. 131 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN SG SS7 link C7/IP Sigtran SG Hệ thèng qu¶n lý m¹ng Corba, SNMP, API,PINT C7/IP Sigtran SS7 link BICC Sigtran Softswitch Softswitch MGC MGC STP H.248/Megaco Sigtran H.248/Megaco Sigtran PSTN PSTN MG M¹ng IP (ATM, MPLS) MG ATM ISDN STP ATM Kªnh Trung kÕ Kªnh Trung kÕ ISDN xDSL xDSL ……… …………… Nót truy nhËp, MG Nót truy nhËp, MG Hình 3.15: Cấu trúc và các giao thức đi u khi n báo hiệu trong mạng NGN 3.2.8.2. Hoạt động của hệ thống dựa trên chuyển mạch mềm Với chức năng chuyển m ch và điều khiển cuộc gọi, softswitch là thành phần chính trong m ng thế hệ sau NGN. Một cách đơn gi n, chúng ta có thể hiểu softswitch là hệ thống chuyển m ch dựa trên phần mềm, thực hiện đ ợc đầy đủ các chức năng của các tổng đài điện tử truyền thống. Ngoài ra, softswitch còn cho phép liên kết giữa các m ng IP, Mobile và PSTN truyền thống, điều khiển và chuyển m ch l u l ợng hỗn hợp tho i-dữ liệu-video. Softswitch là hệ thống mềm dẻo, tích hợp đ ợc c chức năng của tổng đài nội h t hoặc tandem với chức năng tổng đài doanh nghiệp (PBX). Tuy nhiên, khác với m ng chuyển m ch kênh dựa trên các tổng đài điện tử, l u l ợng cuộc gọi trong m ng chuyển m ch mềm không đi qua softswitch, các đầu cuối trao đổi dữ liệu với nhau thông qua các thiết bị của lớp truyền thông. Mô hình hệ thống Mô hình tối thiểu của hệ thống dựa trên chuyển m ch mềm cho trên hình 3.16. Từ hình vẽ có thể thấy các khối cơ b n của hệ thống bao gồm: chuyển m ch mềm (softswitch hay MGC Media Gateway Controller), cổng kết nối SS7/IP, các cổng ph ơng tiện MG (Media Gateway), khối tính c ớc, hệ thống qu n lí, các máy chủ ứng dụng và thành phần cuối cùng không thể thiếu là m ng lõi chuyển m ch gói. Theo thuật ngữ chuyển m ch mềm thì chức năng chuyển m ch vật lý đ ợc thực hiện b i cổng ph ơng tiện Media Gateway (MG), còn xử lý cuộc gọi là chức năng của bộ điều khiển cổng ph ơng tiện Media Gateway Controller (MGC). 132 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN HÖ thèng Qu¶n lý C¸c øng dông M¹ng b¸o hiÖu SS7 HÖ thèng TÝnh c−íc ChuyÓn m¹ch mÒm Megaco MGCP IP T D M ATM Media Gateway M¹ng gãi (Packet Network) T D M IP ATM Media Gateway Hình 3.16. Mô hình của hệ thống dựa trên chuy n mạch m m Nh trên hình vẽ ta cũng thấy rõ trong chuyển m ch mềm các thành phần cơ b n của hệ thống là các module riêng biệt nhau, phần mềm xử lý điều khiển cuộc gọi không phụ thuộc vào phần cứng chuyển m ch vật lý cũng nh môi tr ng lõi truyền thông tin. Còn đối với m ng truyền thống thì tất c các thành phần đều tích hợp trong một thiết bị phần cứng. Nh vậy, m ng chuyển m ch mềm là m ng xử lý tập trung về mặt logic nh ng tài nguyên phân tán, chuyển m ch cuộc gọi đ ợc thực hiện trên nền m ng chuyển m ch gói và t o ra nhiều u thế v ợt trội so với m ng truyền thống. Các u điểm cơ b n của m ng chuyển m ch mềm có thể kể đến nh sau. Thứ nhất, chuyển m ch mềm cho phép có một gi i pháp phần mềm chung đối với việc xử lý cuộc gọi. Phần mềm này đ ợc cài đặt trên nhiều lo i m ng khác nhau, bao gồm c m ng chuyển m ch kênh và m ng gói (áp dụng đ ợc với các d ng gói và môi tr ng truyền dẫn khác nhau). Thứ hai, do phần mềm điều khiển có thể ch y trên các hệ điều hành và môi tr ng máy tính chuẩn, cho phép tiết kiệm một cách đáng kể chi phí trong việc phát triển và ứng dụng các phần mềm xử lý cuộc gọi. Thứ ba, chuyển m ch mềm cho phép các phần mềm thông minh của nhà cung cấp dịch vụ có thể điều khiển từ xa thiết bị chuyển m ch đặt t i trụ s của khách hàng. Đây là một yếu tố quan trọng trong việc khai thác tiềm năng của m ng trong t ơng lai. Các chức năng MGC MGC hay Softswitch là trung tâm của m ng NGN. Nó có nhiệm vụ t o cầu nối giữa các m ng có đặc tính khác nhau bao gồm PSTN, SS7 và IP. Khác với tổng đài truyền thống, trong MGC tất c các chức năng điều khiển hay chuyển m ch đều do phần mềm đ m nhiệm. Các chức năng chính của MGC đ ợc thể hiện trên hình 3.17. 133 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Hình 3.17. Các chức năng chính của MGC Nhiệm vụ của từng thực thể chức năng cụ thể nh sau: AS-F (Application Server Function) là thực thể thi hành các ứng dụng, có nhiệm vụ chính là cung cấp các logic dịch vụ và thi hành một hay nhiều ứng dụng/dịch vụ. MS-F (Media Server Function) cung cấp các dịch vụ tăng c ng cho xử lý cuộc gọi. Nó ho t động nh một server để xử lý các yêu cầu từ AS-F hoặc MGC-F. MGC-F (Media Gateway Control Function) cung cấp logic cuộc gọi và tín hiệu báo hiệu xử lý cuộc gọi cho một hay nhiều Media Gateway. CA-F (Call Agent Function) là một phần chức năng của MGC-F. Thực thể này đ ợc kích ho t khi MGC-F thực hiện việc điều khiển cuộc gọi. IW-F (Interworking Function) cũng là một phần chức năng của MGC-F. Nó đ ợc kích ho t khi MGC-F thực hiện các báo hiệu giữa các m ng báo hiệu khác nhau. R-F (Routing Function) cung cấp thông tin định tuyến cho MGC-F. A-F (Accounting Function) cung cấp thông tin dùng cho việc tính c ớc. SG-F (Signaling Gateway Function) dùng để chuyển các thông tin báo hiệu của m ng PSTN qua m ng IP. MG-F (Media Gateway Function) dùng để chuyển thông tin từ d ng truyền dẫn này sang d ng truyền dẫn khác. Chú ý rằng CA-F và IW-F là hai chức năng con của MGC-F. Riêng thực thể Inter-operator Manager có nhiệm vụ liên l c, trao đổi thông tin giữa các MGC với nhau. Từ ý nghĩa của các thực thể chức năng có thể thấy MGC đ m nhiệm các công việc sau đây: 134 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Điều khiển cuộc gọi, duy trì tr ng thái của mỗi cuộc gọi trên một Media Gateway; Điều khiển và hỗ trợ ho t động của Media Gateway, Signaling Gateway; Trao đổi các b n tin cơ b n giữa 2 MG-F; Xử lý b n tin SS7 (khi sử dụng SIGTRAN); Xử lý b n tin liên quan QoS; Phát hoặc nhận b n tin báo hiệu; Định tuyến (bao gồm b ng định tuyến, phân tích số và dịch số); T ơng tác với AS-F để cung cấp dịch vụ hay đặc tính cho ng i sử dụng; Có thể qu n lý các tài nguyên m ng (port, băng tần, …). Trên đây chỉ là những chức năng cơ b n nhất. Ngoài ra, tùy thuộc vào nhu cầu thực tế mà MGC còn có thể đ ợc bổ sung thêm những chức năng khác nữa. Quá trình x lý cuộc gọi Để hiểu rõ hơn ho t động của hệ thống dựa trên chuyển m ch mềm, sau đây trình bày khái quát các b ớc xử lí cuộc gọi trong tr ng hợp thuê bao gọi đi là thuộc m ng điện tho i truyền thống PSTN. Các tr ng hợp khác thì ho t động của chuyển m ch mềm cũng sẽ t ơng tự. Cụ thể các b ớc xử lí cuộc gọi đ ợc thực hiện nh sau: (1) Khi có một thuê bao (thuộc PSTN) nhấc máy và chuẩn bị thực hiện cuộc gọi thì tổng đài nội h t qu n lý thuê bao đó sẽ nhận biết tr ng thái nhấc máy của thuê bao. SG nối với tổng đài này thông qua m ng SS7 cũng nhận biết đ ợc tr ng thái mới của thuê bao. (2) SG báo cho MGC trực tiếp qu n lý mình thông qua CA-F, đồng th i cung cấp tín hiệu m i quay số cho thuê bao. Ta gọi MGC này là MGC chủ gọi. (3) MGC chủ gọi gửi yêu cầu t o kết nối đến MG nối với tổng đài nội h t ban đầu nh MGC-F. (4) Các con số quay số của thuê bao sẽ đ ợc SG thu và chuyển tới MGC chủ gọi. (5) MGC chủ gọi sử dụng những số này để quyết định công việc tiếp theo sẽ thực hiện. Cụ thể là các số này sẽ đ ợc chuyển tới chức năng R-F và R-F sẽ sử dụng thông tin l u trữ của các máy chủ để định tuyến cuộc gọi. ng hợp đầu cuối đích cùng lo i với đầu cuối gọi (đều là thuê bao PSTN): Tr - Nếu thuê bao bị gọi cùng thuộc MGC chủ gọi, tiến trình thực hiện tiếp b ớc (7), Còn nếu thuê bao bị gọi thuộc sự qu n lý của một MGC khác, tiến trình thực hiện theo b ớc (6). (6) MGC chủ gọi sẽ gửi yêu cầu thiết lập cuộc gọi đến một MGC khác. Nếu MGC đó ch a ph i là của thuê bao bị gọi (ta gọi là MGC trung gian) thì nó tiếp tục chuyển yêu cầu thiết lập cuộc gọi đến MGC khác nữa cho đến khi đến đúng MGC bị gọi. Trong quá trình này, các MGC trung gian luôn ph n hồi l i MGC đã gửi yêu cầu đến nó. Các công việc này đ ợc thực hiện b i CA-F. (7) MGC bị gọi gửi yêu cầu t o kết nối với MG nối với tổng đài nội h t của thuê bao bị gọi (MG trung gian). (8) Đồng th i MGC bị gọi gửi thông tin đến SG trung gian, thông qua m ng SS7 để xác định tr ng thái của thuê bao bị gọi. 135 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN (9) Khi SG trung gian nhận đ ợc b n tin thông báo tr ng thái của thuê bao bị gọi (gi sử là rỗi) thì nó sẽ gửi ng ợc thông tin này tr về MGC bị gọi. (10) MGC bị gọi gửi ph n hồi về MGC chủ gọi để thông báo tiến trình cuộc gọi. (12) MGC bị gọi gửi thông tin để cung cấp tín hiệu hồi âm chuông cho MGC chủ gọi, qua SG chủ gọi đến thuê bao chủ gọi. (13) Khi thuê bao bị gọi nhấc máy thì quá trình thông báo t ơng tự nh các b ớc trên: qua nút báo hiệu số 7, qua SG trung gian đến MGC bị gọi, rồi đến MGC chủ gọi, qua SG chủ gọi đến thuê bao thực hiện cuộc gọi. (14) Kết nối giữa thuê bao chủ gọi và thuê bao bị gọi đ ợc hình thành thông qua MG chủ gọi và MG trung gian.. (15) Khi kết thúc cuộc gọi thì quá trình sẽ diễn ra t ơng tự nh thiết lập cuộc gọi. L u đồ xử lý cuộc gọi đ ợc minh họa trên hình 3.18. 136 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Nhấc máy, nhấn số IAM IAM CRCX OK Invite CRCX OK IAM ACM Ringback tone ACM ACM Rung chuông 183 ACM MDCX OK ANM IAM ANM 200 ANM ANM ACK Thông tin tho i Đàm tho i Nhấc máy tr l i Đàm tho i SS7 SIGTRAN SIP MGCP Hình 3.18. L u đồ x lý cuộc gọi trong chuy n mạch m m Có thể nhận thấy, cũng giống nh trong chuyển m ch kênh, chuyển m ch mềm ph i thiết lập kết nối tr ớc khi thực hiện đàm tho i. Trong chuyển m ch kênh, kênh báo hiệu và kênh tho i là hai kênh khác nhau nh ng cùng truyền đến một điểm xử lý trên cùng kết nối vật lý (kênh báo hiệu đ ợc thiết lập tr ớc, sau đó kênh tho i mới đ ợc thiết lập). Còn đối với chuyển m ch mềm thì hai kênh này không chỉ là riêng biệt mà chúng còn đ ợc truyền trên hai kết nối khác nhau: thông tin báo hiệu đ ợc truyền qua SG và thông tin tho i đ ợc truyền qua MG. 3.2.8.3. Một số giao thức điều khiển báo hiệu điển hình Hệ thống chuyển m ch mềm có kiến trúc phân tán. Các chức năng báo hiệu và xử lý báo hiệu, chuyển m ch và điều khiển cuộc gọi đ ợc thực hiện b i các thiết bị nằm phân tán trong cấu hình m ng. Để có thể t o ra các kết nối giữa các đầu cuối nhằm cung cấp dịch vụ cho ng i sử 137 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN dụng, các thiết bị này ph i trao đổi các thông tin báo hiệu với nhau. Cách thức trao đổi thông tin báo hiệu đ ợc quy định b i các giao thức báo hiệu. Các giao thức báo hiệu và điều khiển chính sử dụng trong m ng NGN là: - H.323; - SIP (Session Initiation Protocol); - SIGTRAN (Signaling Transport); - MGCP (Media Gateway Control Protocol); - Megaco/H.248; - BICC (Bearer Independent Call Control). Các giao thức này đ ợc hai tổ chức khác nhau xây dựng và phát triển là IETF (Internet Engineering Task Force) và ITU (International Telecom Union). Có thể phân các giao thức trên thành hai lo i là: giao thức ngang cấp (H.323, SIP) và giao thức chủ tớ (MGCP, Megaco). Từng giao thức có vai trò khác nhau trong việc thiết lập cuộc nối, chúng cũng có những thế m nh và điểm yếu khác nhau. Giao thức ngang cấp H323, SIP đ ợc sử dụng để trao đổi thông tin báo hiệu giữa các MGC, giữa MGC và các Server. Giao thức chủ tớ MGCP, Megaco là giao thức báo hiệu điều khiển giữa MGC và các Gateway (trong đó MGC điều khiển Gateway). SIGTRAN là giao thức báo hiệu giữa MGC và Signaling Gateway. BICC là giao thức đ m b o truyền thông giữa các server (hay MGC). Mỗi giao thức sẽ định nghĩa các thiết bị phần cứng, ngăn xếp giao thức, các lo i b n tin, lệnh cũng nh thủ tục thiết lập, duy trì và gi i phóng kết nối khác nhau. Hình 3.19 cho thấy vị trí và mối quan hệ giữa các giao thức báo hiệu và điều khiển trong m ng NGN. Giao thức H.323 phiên b n 1 và 2 hỗ trợ H.245 trên nền TCP, Q.931 trên nền TCP và RAS trên nền UDP. Các phiên b n 3 và 4 của H.323 hỗ trợ thêm H.245 và Q.931 trên nền UDP. Giao thức SIP hỗ trợ c TCP và UDP. Trong m ng NGN các cuộc gọi tho i đều là các cuộc gọi VoIP. 138 Ch ơng 3. Cơ s kĩ thuật m ng IP và NGN Hình 3.19: Vị trí và mối quan hệ gi a các giao thức trong mạng NGN 139 Thuật ngữ viết tắt THU T NG Từ đầy đủ Từ vi t t t 140 VIẾT T T Ý nghĩa AAA Authentication/Authorization/ Accouting Server Máy chủ nhận thực/cho phép/ thanh toán A/D Analog-Digital Converter Bộ chuyển đổi t ơng tự-số ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line Đ ng dây thuê bao số không đối xứng AG Access Gateway Cổng truy nhập AS Application Server Máy chủ ứng dụng ATM Asynchoronous Transfer Mode Ph ơng thức truyền giao không đồng bộ B-ISDN Broadband-ISDN ISDN băng rộng BRAS Broadband Remote Access System Hệ thống điều khiển truy nhập băng rộng BW Bandwidth Băng thông CAS Channel Associated Signalling Báo hiệu kênh liên kết CATV Cable Television Truyền hình cáp CCS Common Channel Signalling Báo hiệu kênh chung CGI Common Gateway Interface Giao diện cổng chung COPS Common Open Policy Service Dịch vụ chính sách m chung CPL Call Processing Language Ngôn ngữ xử lý cuộc gọi CS Call Server Máy chủ cuộc gọi DNS Domain Name System Hệ thống tên miền DSLAM Digital Subcriber Line Access Multiplex Bộ ghép kênh truy nhập đ thuê bao số DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối số liệu FR Frame Relay Ph ơng thức chuyển khung FS Feature Server Máy chủ đặc tính FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file GE Gigabit Ethernet Ethernet Gigabit GK Gatekeeper Bộ giữ cổng trong m ng H.323 GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống truyền thông di động toàn cầu GW Gateway Cổng ph ơng tiện HTML Hyper Text Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn b n HTTP Hyper Text Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn b n IETF Internet Engineering Task Force Lực l ợng đặc nhiệm về kỹ thuật ng dây Thuật ngữ viết tắt Internet IP Internet Protocol Giao thức Internet ISDN Integrated Services Digital Network M ng (số) đa dịch vụ tích hợp ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế ITU-T ITU Telecommunication Standadization Sector Liên minh viễn thông quốc tế - Tiểu ban chuẩn hóa viễn thông LAN Local Area Network M ng nội h t MCU Multipoint Control Units Khối điều khiển đa điểm trong m ng H.323 MG Media Gateway Cổng ph ơng tiện MGC Media Gateway Controller Thiết bị điều khiển cổng ph ơng tiện MGCP Media Gateway Control Protocol Giao thức điều khiển cổng ph ơng tiện MIME Multipurpose Internet Mail Extension Giao thức th điện tử MS Media Server Máy chủ ph ơng tiện NGN Next Generation Network M ng viễn thông thế hệ sau N-ISDN Narrow-ISDN ISDN băng hẹp OSI Open System Interconnection Kết nối hệ thống m PBX Private Branch Exchange Tổng đài cơ quan PC Personal Computer Máy vi tính cá nhân PLMN Public Land Mobile Network M ng di động mặt đất POTS Plain Old Telephone Service Dịch vụ tho i truyền thống QoS Quality of Service Chất l ợng dịch vụ RAS Registration, Admission, Status Đăng ký, Chấp nhận và Tr ng thái RFC Request For Comments Yêu cầu ý kiến (IETF) bình luận RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức l u trữ tài nguyên m ng RTP Real Time Protocol Giao thức th i gian thực RTSP Real Time Streaming Protocol Giao thức kiểm soát luồng dữ liệu SAP Session Advertisement Protocol Giao thức qu ng cáo trong phiên kết nối SDH Synchronuous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ SDP Session Description Protocol Giao thức mô t các phiên kết nối đa ph ơng tiện SG Signalling Gateway Cổng báo hiệu SIGTRAN Signaling Transport Giao thức chuyển đổi báo hiệu SIP Session Initiation Protocol Giao thức kh i t o phiên SS7 Signalling System No 7 Hệ thống báo hiệu số 7 141 Thuật ngữ viết tắt 142 TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo th i gian TG Trunking Gateway Cổng giao tiếp TMN Telecommunication Managament Network M ng qu n lý viễn thông UDP User Datagram Protocol Giao thức dữ liệu đồ ng WDM Wave Division Multiplexing Ghép kênh theo b ớc sóng WG Wireless Gateway Kết nối m ng lõi với m ng di động WLAN Wiless Local Area Network M ng LAN không dây XML Extensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu m rộng - là ngôn ngữ phần mềm dùng trong th ơng m i điện tử và để tìm kiếm các Web i sử dụng Mục lục M CL C CHƯ NG 1: C S K THU T TRUY N D N ...................................................3 1.1.Kỹ thuật điều chế và ghép kênh ............................................................................3 1.1.1. Các ph ơng pháp mã hóa và điều chế ........................................................3 1.1.2. Điều chế xung mã PCM ..............................................................................4 1.1.3. Kỹ thuật ghép kênh ...................................................................................14 1.2.Thông tin quang ..................................................................................................30 1.2.1. Mô hình hệ thống thông tin quang............................................................30 1.2.2. Các lo i cáp sợi quang ..............................................................................32 1.2.3. Máy phát tín hiệu quang ...........................................................................40 1.2.4. Máy thu tín hiệu quang .............................................................................46 1.3.Thông tin vô tuyến ..............................................................................................55 1.3.1. Các ph ơng pháp đa truy nhập vô tuyến ..................................................55 1.3.2. Hệ thống truyền dẫn vi ba số ....................................................................58 1.3.3. Hệ thống thông tin di động .......................................................................69 1.3.4. Hệ thống thông tin vệ tinh ........................................................................78 CHƯ NG 2: C S K THU T CHUY N M CH.............................................81 2.1.Chuyển m ch kênh..............................................................................................81 2.1.1. Tổng đài chuyển m ch số .........................................................................81 2.1.2. Chuyển m ch th i gian kỹ thuật số...........................................................86 2.1.3. Chuyển m ch không gian kỹ thuật số .......................................................88 2.1.4. Chuyển m ch ghép....................................................................................91 2.2.Chuyển m ch gói ................................................................................................93 2.2.1. Nguyên lí chuyển m ch gói ......................................................................93 2.2.2. Chuyển giao h ớng kết nối và phi kết nối ................................................94 2.2.3. Các đặc điểm của chuyển m ch gói..........................................................96 CHƯ NG 3: C S K THU T M NG IP VÀ NGN .........................................99 3.1.Cơ s kĩ thuật m ng IP........................................................................................99 3.1.1. Bộ giao thức TCP/IP .................................................................................99 143 Mục lục 3.1.2. Địa chỉ IP ................................................................................................ 103 3.1.3. Địa chỉ cổng và socket............................................................................ 105 3.1.4. Định tuyến trong m ng IP....................................................................... 106 3.2.M ng thế hệ mới NGN ..................................................................................... 109 3.2.1. Sự cần thiết ph i chuyển đổi sang m ng thế hệ sau ............................... 109 3.2.2. Nguyên tắc tổ chức m ng NGN.............................................................. 111 3.2.3. Các công nghệ nền t ng cho NGN ......................................................... 113 3.2.4. Các tổ chức và h ớng phát triển NGN ................................................... 118 3.2.5. Sự tiến hóa lên NGN và các vấn đề cần quan tâm.................................. 121 3.2.6. Kiến trúc phân lớp m ng NGN theo mô hình Call Server ..................... 123 3.2.7. Chức năng và ho t động của các phần tử m ng ..................................... 125 3.2.8. Điều khiển kết nối trong m ng NGN...................................................... 130 THU T NG 144 VIẾT T T ........................................................................................ 140 KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 412KVT260 Chịu trách nhiệm bản thảo TRUNG TÂM ÐÀO TẠO BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG 1

Log In

Kỹ thuật viễn thông

Kỹ thuật viễn thông

Related Papers

RELATED PAPERS