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# System prepended metadata

title: WDM Optical Network Architectures
tags: [' NCKU', WDM, ' HSNL']

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tags: WDM, HSNL, NCKU
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# WDM Optical Network Architectures
contributed by <`RusselCK` >

###### tags: `RusselCK`
## 先備知識
1. (Wavelength) 波長 = 傳輸通道
    * 一個波長同一時間只能給一個人使用 
2. 光 傳輸無法得知 訊息內容
    * 需要 **光轉電** 才能讀取內容
3. **Single-hop** : 一段 **全光** 傳輸的路程
    * 中途無 O/E/O
    * multi-hop : 多段 single-hop
    :::warning
    * single-hop $\neq$ 1 條 fiber link
    ::: 
## Broadcast-and-select networks

![](https://i.imgur.com/xw7nIIR.png)

### 配置
* **Star Coupler** (耦合器)
    * 架構簡單的 被動元件
    * <font color = red>負載中心</font>
* 每個 node 至少有一個 **Transceiver**
    > Transmitter + Receiver

:::success
* Coupler 的組成 : combiner + spliter 

    ![](https://i.imgur.com/7To3a1R.png)

    1. Splitter : 將光分成兩份
        * 分支的光強度較分之前弱
    2. Combiner
    3. Coupler
:::
:::info
* Transceiver 種類:
    1. Fixed transceiver <font color =red>(Broadcast-and-select networks 不能使用)</font>
        * 只接收 固定波長
        * 價格最便宜
    2. Fixed-tuned transceiver
        * offline 狀態可以調整波長
        * online  狀態只能使用固定波長
    3. Tunable transceiver 
        * 任何狀態都能調整波長
:::
### NxN Star Coupler
假設 $N$ is power of 2 (i.e. $N=2^k, k=0,1,2,...$)
#### way I

![](https://i.imgur.com/AVH7yoa.png)
> N = 8
> 12 couplers
* $log_2N$ stages
* $\frac{N}{2}$ couplers/staget
* ==$\frac{N}{2}log_2N$== = #of couplers = #of combiners = #of spliters 
:::warning
* 有些 combiner 和 spliters 是多餘的
:::
#### way II
![](https://i.imgur.com/bPyUgHz.png)
> N =8
> 7 combiners + 7 spliters
* ==$N-1$== = #of combiners = #of spliters 
### 使用方式
1. nodes :
    * 事先協調好所有接收端各自要使用的波長
        * 調整 transmitters 及 receivers
    * transmitters 傳遞 message
2. Star Coupler :
    * 結合所有 message
    * 將結合的 message 廣播 給所有 nodes
3. nodes :
    * receivers 在收到的 message 中，selects 想要的波長，得到想要的 message

### 優點
* 配置簡單
* Natural **multicasting** (群播) capability
* 傳輸過程不需要 檢查內容
    * 省略 O/E/O 的過程
### 缺點
* receivers 有能力可以看到別人的 message 
    * 資安問題
* 需要大量的 wavelengthes
    * 一人要用一個 波長
    * NO wavelength reuse
* 無法傳遞太長的距離
    * 由於 spliter，光強度會越分越弱

### 問題與解決
#### 問題
1. Transmission collision
    * 波長選擇沒有協調好，導致多個人使用同一個波長
3. destination conflicts
    * 若要接收的 message 太多，Reciever 會不足
#### 解決
* medium access control protocol

## Wavelength-routed networks

### 配置
Topology (MIMO)
* Vertex (routing node) : ==WXCs==
    * 每個 routing node 有一組 **Transceivers**
* Edge : fiber links

:::success
* Wavelength Cross Connect, WXC
    
    ![](https://i.imgur.com/6dZWSKz.png)
    * 同一種 wavelength 由同一個 Optical switch 處理
    * #of input 不一定和 #of output 相同
    * #of switch = #of wavelength = #of channel
:::

### 使用方式
* message 經由 一條 **wavelength-continuous route** 到達目的地
    > lightpath
    * single-hop
        * all-optical communication path
    * 整段路至少要有一個閒置的波長
        * same wavelength throughout the route
* Wavelength routing
    * ==Routing and Wavelength Assignment, RWA==
### 優點
* NO O/E/O conversion
* NO buffer at nodes
* NO splitting
    * 路徑明確，不用廣播
* wavelength reuse
    * 若沒有 commom link，則可配置相同的 wavelength

### 限制
* Wavelength continuity
    * physical path ( R )
    * wavelength (WA)
* Distinct wavelenght assignment
    * 若有 common link，則不能配置相同的 wavelength


## Linear lightwave networks

### 配置
* 以 ==wavebands== 為單位
    * a group of wavelengths

    ![](https://i.imgur.com/wYydmWP.png)
### 使用方式

![](https://i.imgur.com/1wYApO1.png)

### 限制

1. Insparability (不可分割性)
    * 同一個 waveband 的 wavelengths 要集體行動
:::success
* 解決方式 : **Splitting**

    ![](https://i.imgur.com/GGBzVA5.png)

* Side Effect :
    1. 只有 End nodes 知道哪一條 wavelength 才是真正有用的
    2. Forrtuitous (錯覺的) destination
        * 上圖的 虛線
    3. Color clash
        ![](https://i.imgur.com/oa5VHmX.png)
        * 路徑選擇要考慮更多 (複雜度增加)
:::
2. Distinct source combining
    * 若 A 被 split 成 A~1~、A~2~，則 A~1~、A~2~ 之後不可以 combine 
    ![](https://i.imgur.com/VmkhvlL.png)


## 習題
### Q10.
Consider the following MAC protocol for single-hop broadcast-and-select networks:
* each node transmits on an unique fixed wavelength, diffrent from the other nodes
* each node uses a tunable filter to select one among all the different wavelengths for reception
* a control channel shared by all the nodes,in which **each node is assigned a time slot for transmission**
    * 同一時間只有一個 node 傳 header
* A node transmits the packet header in its assigned time slot on the **control channel** and follows this by transmitting the actual packet on its **data channel**.
* After listening to the packet header on the control channel, the intended receiver tunes to the appropriate channel to receive the packet." 

Can collisions occur here? Suggest a way to deal with destination conflicts.
### A10.
![](https://i.imgur.com/xw7nIIR.png)

![](https://i.imgur.com/kt4wbZV.jpg)

:::warning
- [ ] wavelength? channel ?
:::
#### 問題分析
依據題目，所有 node 共用 Control Channnel ，
且 每個 node 都有屬於自己的 time slot 可以傳 header
(即 在該 time slot ，只會有一個 node 傳輸東西 )
假設 Control Channnel 在固定的 波長 上運作
(即 每個 node 都會在同一個 波長上 傳 header )

假設 資料 從 Star Coupler 到 任意 node 所需時間都相同 (反之亦然) 
由於 Broadcast 的特性，從某個 node 傳出的 header，應該會同時到達 其他的 node
假設 每個 node 解析 header 的時間相同，解析完後調整接收波長的時間也相同

若 header 傳輸後，只有 payload 緊接在後傳遞 
那麼，payload 只要在接收端的 node 調整完後抵達，便可成功傳遞資料
* 此種 case 跟 同一時間只能有一個人傳給另一個 是一樣的

若 header 傳輸後，還有另一個 node 傳輸 header，
那麼，因為第一個 header 而改變 接收波長 的 node ，會錯過 第二個 header 的資料，之後有可能會錯過 應該接收的 payload

#### 解決方式
1. 退化到  同一時間只能有一個人傳給另一個
2. 每個 node 至少配置 2 個以上的 Receivers
    * 一個 專門收 Control channel 的 header
    * 其餘的 專門收 Data Channel 的 payloads
        * 越快根據 header 而調整，越能避免浪費時間解析沒用到的 波長
        * Receivers 越多，錯過應該接收的 payloads 的機會越低
### Q14.
What factors limit throughput in the following networks
1. broadcast-and-select network
2. wavelength routed network
3. linear lightwave network

### A14.
1. broadcast-and-select network
    * NO wavelength reuse
    * cannot span long distance
    * Transmission collision
    * destination conflicts
2. wavelength routed network
    * Wavelength continuity
    * Distinct wavelenght assignment
3. linear lightwave network
    * Insparability
    * Splitting Side Effect
        * 只有 End nodes 知道哪一條 wavelength 才是真正有用的
        * Forrtuitous (錯覺的) destination
        * Color clash
    * Distinct source combining