NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐO KIỂM TRA OSNR TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG (OPS)

Đề tài : NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐO KIỂM TRA OSNR TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG (OPS) Đồ án gồm các phần như sau: Chương 1. Giới thiệu chung. Chương này giới thiệu tổng quan các mạng quang hiện nay cũng như yêu cầu cấp thiết của việc đo kiểm tra hiệu năng mạng. Chương 2. Các phương pháp đo kiểm tra OSNR trong mạng quang. Trong chương này, đưa ra những phương pháp được sử dụng để đo thông số OSNRthông số chính đánh giá hiệu năng của mạng quang trong các mạng OCS và OPS Chương 3. Phương pháp kiểm tra OSNR trong mạng chuyển mạch gói quang sử dụng bộ tương quan quang.

KHOA VIỄN THÔNG 1 - -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

“NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐO KIỂM TRA OSNR

TRONG MẠNG CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG (OPS)”

Hà nội, tháng 12/ 2012

Đồ án tốt nghiệp luôn là điểm mốc đáng nhớ đối với mỗi sinh viên, không chỉ là kết thúc một quá trình lâu dài học tập, phấn đấu tại trường mà còn là cơ hội để sinh viên vận dụng những gì đã được học để đưa vào áp dụng giải quyết các bài toán thực

tế, đây cũng là bước quan trọng để sinh viên trau chuốt kỹ năng trước khi ra trường bước vào một môi trường mới Để hoàn thành đồ án không chỉ có sự nổ lực cố gắng ở bản thân người thực hiện, mà ở đó còn có sự chỉ dạy, hướng dẫn, góp ý, động viên từ những người xung quanh Đối với em trong quá trình thực hiện đồ án đã nhận được rất nhiều sự quan tâm từ mọi người Đó là động lực to lớn để em cố gắng thực hiện thật tốt đề tài này

Đầu tiên cho em được gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô trong học viện, đặc biệt là các thầy cô giáo trong khoa Viễn thông 1-Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã truyền đạt những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình em học tập tại Học viện

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS Cao Hồng Sơn, bộ môn Thông Tin Quang, người đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ em không chỉ trong đợt làm đồ án tốt

nghiệp này, mà cả trong quá trình học tập, nghiên cứu cũng như trong cuộc sống trong suốt thời gian qua Những gì thầy truyền đạt sẽ là hành trang quan trọng đối với em không chỉ trong quá trình thực hiện đồ án mà cả sau này Em xin chân thành cảm ơn thầy

Em cũng xin cảm ơn đến bố mẹ, các thành viên trong gia đình em, cảm ơn mọi người đã động viên, tạo điều kiện tốt để cho em hoàn thành đề tài này.Và cuối cùng xin cảm ơn đến tất cả các bạn trong tập thể lớp D08VT4 đã giúp đỡ, góp ý cho mình trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án này

Xin chân thành cảm ơn!

(Của giảng viên hướng dẫn)

.………

………

………

………

………

………

………

.………

………

………

………

………

………

………

.………

………

………

………

………

………

………

.………

………

………

………

………

………

………

Điểm: ……….………(bằng chữ: … ……… ….)

…………, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ- GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(ký, họ tên)

(Của giảng viên phản biện)

.………

………

………

………

………

………

………

.………

………

………

………

………

………

………

.………

………

………

………

………

………

………

.………

………

………

………

………

………

………

Điểm: ……….………(bằng chữ: … ……… ….)

…………, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ- GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

(ký, họ tên)

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AOLS All-optical Label Switching Chuyển mạch tiêu đề toàn quangASE Amplified Spontaneous Emission Khuếch đại tạp âm phát xạ tự

phátATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộAWG Arrayed Waveguide Grating Dãy cách tử dẫn sóng

CW Continuous Wave Sóng liên tiếp

FBG Fiber Bragg Grating Cách tử sợi quang Bragg

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi chuỗi Fourier nhanh

MPLS Multi Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thứcMZI Mach-Zehnder Interferometer Giao thoa kế Mach-ZehnderOBS Optical Burst Switching Chuyển mạch Burst quang

OCS Optical Circuit Switching Chuyển mạch kênh quang

ODI Optical Delay Interferometer Bộ trễ giao thoa quang

ODL Optical Delay Line Trễ đường quang

O/E/O Optical to Electrical to Optical Chuyển đổi quang/điện/quangOLS Optical Label Switching Chuyển mạch nhãn quang

OPM Optical Performance Monitoring Đo kiểm tra hiệu năng quang

OSA Optical Spectrum Analyzer Máy phân tích phổ quang

OSNR Optical Signal-to-Noise Ratio Tỉ lệ tín hiện quang trên tạp âmOXC Optical Cross-Connect Kết nối chéo quang

PBS Polarization Beam Splitter Chùm chia phân cực

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode

SDH Signal Digital Hierarchy Hệ thống phân cấp số đồng bộSLA Service Level Agreement Thỏa thuận cấp độ dịch vụ

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại bán dẫn quang

tích hợp

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh quang theo bước sóng

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

MỞ ĐẦU

Trong một vài năm gần đây, cùng với sự phát triển của Xã hội là những yêu cầu ngày càng cao của người dung về chất lượng cũng như các dịch vụ mạng khác nhau Các dịch vụ mới phi thoại như thoại video, truyền hình độ nét cao hay truyền dữ liệu ngày càng trở nên phổ biến Kết quả là, các mạng viễn thông đang trải qua một sự gia tăng đáng kể trong nhu cầu thời gian thực và các ứng dụng băng thông rộng mà đã vượt quá các giới hạn của cấu trúc mạng hiện có

Hệ thống mạng truyền tải quang ra đời đã đáp ứng được những yêu cầu về chất lượng cũng như độ rộng băng thông cho các dịch vụ trên Tuy nhiên, sự phát triển của mạng chuyển mạch gói quang cũng đem lại sự phức tạp trong quá trình đo kiểm tra và giám sát các thông số hiệu năng của mạng

Do vậy, trong Đồ án này em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp đo kiểm tra OSNR trong mạng chuyển mạch gói quang (OPS)” nhằm đưa ra các

phương pháp mới được sử dụng trong việc đo kiểm tra và đánh giá hiệu năng của mạng quang mới

Đồ án gồm các phần như sau:

Chương 1 Giới thiệu chung

Chương này giới thiệu tổng quan các mạng quang hiện nay cũng như yêu cầu cấp thiết của việc đo kiểm tra hiệu năng mạng

Chương 2 Các phương pháp đo kiểm tra OSNR trong mạng quang

Trong chương này, đưa ra những phương pháp được sử dụng để đo thông số OSNR-thông số chính đánh giá hiệu năng của mạng quang trong các mạng OCS và OPS

Chương 3 Phương pháp kiểm tra OSNR trong mạng chuyển mạch gói quang sử dụng bộ tương quan quang

Chương này đi sâu tìm hiểu về cách đo kiểm tra OSNR dựa trên các thiết kế bộ tương quan

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG

Sự tăng trưởng nhanh chóng của Internet và World Wide Web trong thập kỷ qua, cả về số lượng cũng như băng thông cho mỗi người dùng, đã làm tăng mạnh lưu lượng truy cập trong các mạng viễn thông Ngoài ra, sự thay đổi đáng kể trong các loại hình lưu lượng chi phối của từ giọng nói sang dữ liệu và các dịch vụ mới như video theo yêu cầu , cuộc gọi video, và các dịch vụ đa phương tiện khác sẽ tiếp tục tăng lưu lượng truy cập trong các mạng băng thông rộng Cùng với nhu cầu băng thông ngày càng tăng, tính chất của loại hình lưu lượng mới này đòi hỏi phải sửa đổi, bổ sung các kiến trúc mạng hiện tại

Công nghệ sợi quang cung cấp dung lượng cao để truyền băng thông rất lớn theo yêu cầu của hoàn cảnh hiện nay Thật vậy, công nghệ sợi quang học và đặc biệt là

hệ ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) đã được nghiên cứu kỹ lưỡng để tăng băng thông mang trên một sợi quang một cách hiệu quả bằng việc ghép các kênh tín hiệu ở các bước sóng khác nhau trong một sợi duy nhất, nói cách khác, WDM cho

phép truyền song song với kênh tốc độ cao trên cùng một sợi quang với một chi phí rất

hợp lý cho mỗi bit Những mạng quang ban đầu, được gọi là các mạng quang thế hệ đầu tiên, tập trung vào việc sử dụng các sợi quang như môi trường truyền dẫn trong khi tất cả các chức năng nút (xử lý, định tuyến, vv) được thực hiện trong miền điện

Tuy nhiên, mặc dù mạng lưới như vậy là một bước tiến lớn nhưng lại không mềm dẻo và thể hiện một số hạn chế do chuyển đổi quang-điện (O/E) được thực hiện trong các nút mạng

Để tăng hiệu quả mạng thì cần thiết giảm số lượng các thiết bị điện tử phức tạp bằng cách chuyển thành mạng toàn quang, nơi dữ liệu được chuyển mạch và định tuyến trong suốt ở dạng quang, tối thiểu quá đáng kể quá trình điện tử hóa Sự phát triển bùng nổ này của mạng làm nổi bật tầm quan trọng của việc giới thiệu công nghệ quang trong các mạng thế hệ tiếp theo

Các mạng trong tương lai cần phải cung cấp một lượng lớn các dịch vụ chất lượng cao trong một môi trường tính động cao Các phương pháp tiếp cận truyền thống như mạng chuyển mạch quang không đủ linh hoạt Vì vậy, người ta hy vọng chuyển mạch gói quang (OPS) sẽ đáp ứng được sự linh hoạt và sử dụng băng thông hiệu quả cho mạng hiệu suất cao trong tương lai

1.1 Sự phát triển của mạng quang và các giải pháp mạng quang

1.1.1 Sự phát triển mạng quang

Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) đã được triển khai để thích ứng với nhu cầu băng thông ngày càng tăng Giai đoạn ban đầu của mạng quang tập trung vào việc tăng khả năng liên kết Ngoài việc tăng lưu lượng, lợi ích thực sự của các mạng quang là nâng cao khả năng cấu hình lại băng thông mà không ảnh hưởng

đến thiết bị điện tử trong mặt phẳng dữ liệu trong khi cung cấp một kỹ thuật lưu lượng

ổn định và hỗ trợ chất lượng của các ứng dụng dịch vụ Mục tiêu quan trọng của việc thực hiện của mạng thông minh trong lĩnh vực quang là việc triển khai các mạng quang động có khả năng tái cấu hình Trong vấn đề này, đã có tranh luận gay gắt diễn

ra về mô hình mạng quang để áp dụng, mức độ thông suốt tối ưu phải đạt được, và tính linh hoạt kết nối quang Hình 1.1 mô tả sự phát triển của mạng hiện nay từ truyền điểm-điểm tới triển khai một mạng linh hoạt hơn

Hình 1.1: Xu hướng của giải pháp mạng quang

1.1.2 Các giải pháp mạng quang

Trong phần này chúng ta sẽ đề cập tới 3 mạng quang lần lượt theo trình tự của

sự phát triển mạng là OCS, OBS, OPS và các công nghệ giúp triển khai mạng một cách hiệu quả hơn

Trong các mạng OCS, khi một nút cần thiết lập một đường quang mới, nó sẽ gửi một yêu cầu báo hiệu dọc theo tuyến Nếu yêu cầu thực hiện hoàn toàn, mỗi nút trung gian sẽ giành các tài nguyên trong khi cấu hình ma trận chuyển mạch của nó Mạng OCS đảm bảo cung cấp chuyển giao rõ ràng và một số mức độ linh hoạt Ngoài ra, dễ dàng thực hiện khi sử dụng các công nghệ chuyển mạch quang thương mại (các OXC) Mặc dù bước đầu tiên mạng OCS cung cấp hướng tới mạng quang, các mạch quang là không hiệu quả và không được tối ưu hóa cho lưu lượng truy cập dữ liệu chiếm ưu thế hiện nay Ngoài ra, các mạng đòi hỏi độ trễ khá lớn để xác nhận hoàn thành chuyển mạch, ảnh hưởng đến khả năng phản ứng với nhu cầu lưu lượng động Với những hạn chế này, mạng Internet quang phải phát triển các giải pháp hiệu quả cung cấp sử dụng mạng cao và dịch vụ hỗ trợ với các mẫu lưu lượng gói

Hình 1.2:Mạng chuyển mạch kênh quang OCS.

Để đáp ứng những yêu cầu mới, công nghệ quang làm giảm khoảng cách giữa dung lượng truyền dẫn sợi quang và tốc độ xử lý của các thiết bị điện tử thực tế, tránh việc sử dụng các chuyển đổi O / E

OBS ban đầu xuất hiện vừa có khả năng tái cấu hình nhanh mạng OCS Sự ra đời của OBS đã được thúc đẩy bởi mong muốn nhanh chóng truyền tải một lượng lớn

dữ liệu mà không cần phải có một kênh quang Hiện nay, OBS dường như là một công nghệ đầy hứa hẹn với tính hạt băng tần được cải thiện cũng như giảm được việc xử lý tiêu đề và đệm trong các nút trung gian Ở biên của mạng, các gói tin với cùng một điểm đến được tập hợp tạo thành một Burst, gán cho một kênh bước sóng Trước khi Burst được đưa ra, một gói điều khiển quang ngoài băng thiết lập một đường quang với khoảng thời gian cố định Sau đó, burst được chuyển tiếp tại các nút trung gian mà không có bất kỳ chuyển đổi O/E nào Điều này có nghĩa rằng chỉ có các gói điều khiển được chuyển đổi vào miền điện để đưa ra quyết định dành trước tài nguyên, trong khi burst vẫn trong miền quang Hình 1.3 minh họa một ví dụ về công nghệ OBS

Hình 1.3: Giải pháp OBS: Các bộ định tuyến biên chịu trách nhiệm tập hợp các

gói dữ liệu vào các Burst

Bước cuối cùng trong sự phát triển mạng tương ứng với công nghệ chuyển mạch gói quang (OPS) Phương pháp OPS cung cấp một khả năng mới để xử lý các gói tin ở các lớp quang cho mạng Internet quang tương lai Với tính hạt băng tần mịn của nó (tức là mức gói tin), nó có tiềm năng để sử dụng dung lượng sợi quang tối đa và

sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên mạng khi được kết hợp với công nghệ WDM Không giống như giải pháp OBS, thông tin dữ liệu và điều khiển được truyền đi cùng nhau trong cùng một kênh Đặc biệt, mỗi nút trung gian chuyển các tiêu đề điều khiển thành các quyết định định tuyến, trong khi các gói dữ liệu vẫn trong miền quang Khái niệm về chuyển mạch gói được đưa ra trong hình 1.4

Bảng 1.1, tóm tắt đặc điểm chính của mỗi công nghệ chuyển mạch, có thể thấy được những lợi thế của OPS và OBS so với OCS là tập trung vào khả năng sử dụng mạng cao, trong đó việc sử dụng mạng là tỷ lệ phần trăm của tổng băng tần sử dụng và các dịch vụ hỗ trợ với các mẫu lưu lượng có tính bùng nổ Hơn nữa, lợi ích của việc sử dụng các bộ định tuyến toàn quang trong mạng OPS và OBS ngày càng tăng nhờ giảm nguồn cung cấp và kích thước yêu cầu và độ trễ thấp, trong đó liên quan đến tổng trễ gây ra do lưu lượng truy cập dữ liệu khi vận chuyển qua mạng (truyền tải, định tuyến và các quá trình xử lý khác, trễ…) Tuy nhiên, sự phức tạp của cả hai phương pháp tăng do các chính sách giải quyết tranh chấp cần thiết phải được thực hiện để

giảm xác suất mất gói tin Vì vậy, OPS là giải pháp sử dụng chuyển mạch có tính hạt băng tần tốt nhất và do đó linh hoạt hơn và tăng sự phức tạp.

Hình 1.4.Mạng OPS: Bộ định tuyến biên tập hợp các dữ liệu người dung để tạo

thành các gói dữ liệu quang

Bảng 1.1: Đặc tính của mỗi giải pháp chuyển mạch

Giải pháp Tính sử

dụng

Tính hạt băng tần

Khả năng xử lý Khả năng

thích ứng

Độ trễ

OBS Trung bình Bình thường Trung bình Trung bình Trung bình

Mạng dữ liệu hiện tại thường được xây dựng với bốn lớp xếp chồng lên nhau: một lớp IP để thực hiện các ứng dụng và dịch vụ, lớp chế độ truyền không đồng bộ (ATM) cho kỹ thuật lưu lượng, lớp SONET/SDH cho truyền tải, và lớp WDM mật độ cao (DWDM) cho dung lượng Mặc dù việc tách thành các lớp cung cấp một số lợi ích, nó cũng dẫn đến không hiệu quả, làm tăng thời gian trễ của các kết nối, và hạn chế việc cung cấp đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) Hơn nữa, các lớp phần lớn không liên quan đến nhau, do đó có một số chồng lấn các giao thức truyền tải và nhiệm vụ quản lý Như một hệ quả, tối ưu hóa mạng lưới để đạt được tính linh hoạt, khả năng

mở rộng và hiệu quả chi phí sẽ đòi hỏi một cấu hình lớp đơn giản Hình 1.5 cho thấy

sự phát triển một kiến trúc mạng đơn giản dựa trên lớp IP qua DWDM thực hiện bởi OPS Trong cấu trúc này, các gói IP được chuyển mạch và định tuyến trên lớp DWDM quang, tránh việc xử lý điện tử trong mặt phẳng dữ liệu.

Hình 1.5:Sự phát triển của cấu trúc mạng

Công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) đã nổi lên như là một giải pháp hấp dẫn do loại bỏ các lớp ATM và SONET / SDH và tích hợp lớp IP với các lớp quang MPLS thực hiện một mặt phẳng điều khiển, dựa trên chuyển mạch nhãn, chịu trách nhiệm thiết lập và quản lý các đường dẫn quang trong mạng Kết quả là, các nút mạng trung gian (tức là các OXC) chuyển mạch các kênh quang một cách tương tự như các bộ định tuyến chuyển mạch nhãn (LSR) trong các mạng IP Đặc biệt, MPLS tập hợp các gói tin IP với cùng một đích đến và yêu cầu chất lượng sẽ được dán nhãn với một tiêu đề MPLS Bằng cách sử dụng nhãn quang, các gói IP được trực tiếp qua mạng quang lõi trong khi hoàn thành các chi tiết kỹ thuật lưu lượng Do đó, MPLS đưa

ra một giải pháp thống nhất cho các mặt phẳng điều khiển làm giảm sự phức tạp quản

lý mạng và tăng tính thông suốt cho giao thức

Với sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ chuyển mạch quang, sự thành công của MPLS đã mang lại khái niệm chuyển mạch nhãn từ các lớp điện tử sang các lớp quang học Chuyển mạch Lambda đa giao thức (MPAs), mở rộng MPLS (GMPLS), và chuyển mạch nhãn quang (OLS) đã được đề xuất tiếp MPAS và GMPLS đang từng bước chuẩn hóa Trong khi MPAS vẫn còn sử dụng cho các mạng OCS, OLS đã chủ yếu được nghiên cứu cho các mạng OPS GMPLS là một kỹ thuật mặt phẳng điều khiển chứ không phải là một kỹ thuật chuyển mạch và đang nổi lên như là một điều khiển thông dụng và giao thức truyền tín hiệu chung để ứng dụng với

tin, và thậm chí cả mức khe thời gian Mặc dù có những lợi thế này, GMPLS bị một số hạn chế vì tính hạt băng tần dữ liệu của nó là quá lớn về lưu lượng bước sóng (thời gian chuyển mạch rất dài), có nghĩa là khả năng mở rộng và tính linh hoạt thấp Để khắc phục những hạn chế, công nghệ OLS đã nổi lên OLS là một công nghệ hấp dẫn

để truyền tải IP qua WDM bằng cách sử dụng chính xác các nhãn gói tin quang, cho phép khả năng tương tác liền mạch với OPS, OCS cũng như OBS trên một nền tảng WDM Bằng cách giữ các gói dữ liệu tải trọng trong miền quang, quá trình gán nhãn được thực hiện ở tốc độ trung bình, sử dụng kỹ thuật điện tử Vì vậy, OLS áp dụng chuyển mạch nhãn với gói tin quang, và kết hợp được những ưu điểm tính hạt băng tần

của MPLS và OPS.

1.2 Mạng chuyển mạch gói quang (OPS)

Các dịch vụ mạng trong tương lai sẽ được đặc trưng bởi các mẫu lưu lượng burst/gói Do đó cần một mạng quang mới có khả năng chuyển mạch gói trực tiếp

trong miền quang Mạng OPS hứa hẹn sẽ mang sự linh hoạt và hiệu quả của Internet

cho mạng toàn quang OPS là giải pháp để thu hẹp khoảng cách giữa các lớp điện IP/ MPLS và lớp quang WDM cung cấp tốc độ bit cao, thông suốt với định dạng dữ liệu,

và có khả năng tái cấu hình Hình 1.6 cho thấy một ví dụ về một mạng OPS

Hình 1.6: Mạng chuyển mạch gói quang

Tại các nút biên, các gói dữ liệu được tập hợp thành các gói quang được gửi qua mạng Một gói quang bao gồm một tiêu đề và tải trọng Các tiêu đề chứa thông tin định tuyến và các thông tin điều khiển khác trong khi tải trọng là các dữ liệu được truyền Tiêu đề được xử lý tại mỗi nút chuyển mạch, yêu cầu tiêu đề có tốc độ bit không đổi tương đối thấp phù hợp cho xử lí trong miền điện, trong khi tải trọng có tốc

độ bit cao hơn Trong hình 1.6, các gói dữ liệu quang được truyền đi theo đường quang

được mô tả bằng đường nét đứt Không giống như các chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói không cần thiết lập bất kỳ kết nối xác nhận nào trước khi truyền, bởi vì các gói được chuyển tiếp chặng – chặng dựa trên thông tin tiêu đề gói và bảng chuyển tiếp gói tại mỗi nút chuyển mạch.

Các nút OPS kết hợp một số chức năng, một số thực hiện trong miền điện, trong khi một số khác thực hiện trong miền quang Cụ thể, cấu trúc bộ định tuyến gói chung yêu cầu các chức năng giao diện, đồng bộ hóa, đệm, chuyển mạch và điều khiển Các gói tin đến tại nút quang phải trải qua giải mã tiêu đề và thông tin này được sử dụng để điều khiển đồng bộ hóa tải trọng và chuyển mạch thông qua kết hợp định tuyến bước sóng và chuyển mạch không gian Đệm và lựa chọn bước sóng được sử dụng để giải quyết tranh chấp trong miền bước sóng Trong nút chuyển mạch tiêu đề gói tin quang được đọc và so sánh với bảng chuyển tiếp Tải trọng sau đó được chuyển đến cổng đầu ra thích hợp với một tiêu đề mới Cấu hình nút chuyển mạch gói được hiển thị trong hình 1.7

Hình 1.7:Cấu trúc nút chuyển mạch gói

Miền điện đóng vai trò quan trọng trong các chức năng kiểm soát như xử lý tiêu

đề gói tin, chuyển mạch và điều khiển đệm Cho đến nay, việc xử lý tiêu đề vẫn được thực hiện trong miền điện do các thiết bị điện tử chi phí thấp và hoàn thiện Tuy nhiên,

xử lí tiêu đề trong miền điện cho các hệ thống mạng lõi tốc độ bit cao sẽ không đáp ứng được nhu cầu tốc độ và lưu lượng Do đó, xử lý toàn quang là một giải pháp để tránh thắt nút cổ chai đối với các nút

1.3 Giải pháp chuyển từ mạng chuyển mạch kênh quang (OCS) sang mạng chuyển mạch gói quang (OPS).

1.3.1.Mạng chuyển mạch gói toàn quang: dự án LASAGNE.

Thông thường, thông tin mạng được xử lý trong miền điện trong khi truyền tải

dữ liệu vẫn giữ ở miền quang Tuy nhiên, để hỗ trợ chuyển mạch gói và chuyển tiếp tốc độ bit lên đến terabit/s, các nút lõi OPS cần thiết phải xử lý trong miền quang Khi tốc độ gói càng cao, trễ từ chuyển đổi O/E tiêu đề và xử lý điện tử bắt đầu ảnh hưởng đến hiệu quả chuyển tiếp gói tin AOPS là một khái niệm mới về thực hiện các kỹ thuật chuyển mạch gói cho các gói quang bằng cách thực hiện việc xử lý tiêu đề trong miền quang Bằng cách sử dụng các tiêu đề quang, các gói tin IP được chuyển qua các mạng quang lõi mà không cần phải chuyển đổi O/E/O bất cứ khi nào có yêu cầu định tuyến Ưu điểm chính của phương pháp này là khả năng định tuyến gói/ burst độc lập với tốc độ bit, định dạng gói tin, và độ dài gói tin Mô hình mạng AOPS minh họa trong hình 1.8

Hình 1.8: Mô hình mạng AOPSHoạt động mạng OPS đã được trình bày trong phần trước, các gói IP đưa vào mạng AOPS qua nút đầu vào Các gói tin IP được phân loại theo đích và yêu cầu chất lượng

và được đóng thành các gói quang tốc độ bit cao với các tiêu đề quang Khi vào trong mạng lõi, chỉ có tiêu đề quang được sử dụng để đưa ra các quyết định định tuyến tại

các nút quang Mỗi nút AOPS sử dụng thông tin của các tiêu đề để thực hiện quyết

định định tuyến và chuyển tiếp các gói đến các nút biên đầu ra Một nút AOPS thực hiện hoạt động định tuyến và chuyển tiếp cùng với chuyển đổi bước sóng và tráo đổi tiêu đề Trong suốt quá trình này, sự toàn vẹn của các gói tốc độ cao vẫn được duy trì trong miền quang

Thiết kế của mạng toàn quang dựa trên khái niệm AOPS được xây dựng từ các nút chuyển mạch gói toàn quang và khái niệm của các giao thức mặt phẳng điều khiển được đưa ra trong FP6 IST của dự án LASAGNE Không giống như các dự án trước đây tập trung vào việc tráo đổi tiêu đề quang như IST-STOLAS ,KEOPS,và IST-NHÃN , dự án LASAGNE lần đầu tiên nghiên cứu tỉ mỉ thiết kế nút chuyển mạch gói

AOPS với xử lí tiêu đề toàn quang bằng cách sử dụng bộ giao thoa kế Mach-Zehnder

dựa trên bộ khuếch đại bán dẫn quang tích hợp (SOA-MZI)

Trong kết cấu của LASAGNE, có hai kiểu mạng OPS với các nút toàn quang đã được đề xuất Giải pháp đầu tiên dành cho một mạng chuyển mạch gói thuần túy, với các nút OPS được kết nối trực tiếp bằng cách sử dụng các liên kết WDM (hình 1.9a) Phương pháp thứ hai dựa trên một giải pháp kết hợp kênh- gói Kiến trúc này bao gồm một lớp gói quang và một lớp kênh quang nằm dưới Các nút OPS được kết nối bằng cách sử dụng các kênh quang WDM cung cấp bởi lớp kênh (hình 2.9b)

Hình 1.9: a)Mạng OPS thuần túy b) Giải pháp kết hợp gói-kênh

Phương pháp đầu tiên có ưu điểm là kiến trúc mạng đơn giản, vì đã bỏ đi một lớp mạng Nó có thể được xem xét như là một mô hình dài hạn cuối cùng Tuy nhiên, trong ngắn hạn, sẽ là hợp lý khi giữ các lớp kênh để hỗ trợ một số dịch vụ dựa trên các kết nối điểm-điểm (ví dụ như mạng riêng ảo VPN) Với lợi nhuận cao của loại hình dịch vụ này, các dịch vụ như vậy sẽ không biến mất do đó hoàn toàn hợp lý khi xem xét mức độ chuyển mạch quang trong một mạng sử dụng các nút OPS Một mô hình

mà kiến trúc kênh -gói kết hợp có thể được tính đến như là 1 sự chuyển đổi theo hướng chuyển mạch gói Trong các phần tiếp theo, một số mô hình chuyển đổi được

đề xuất trong dự án Lasagne sẽ được mô tả

Khi thảo luận về giải pháp OPS, cần thiết phân biệt giữa hai loại nút: nút lõi và nút biên Các nút trước đây là các bộ định tuyến toàn quang thực hiện tất cả các chức năng liên quan để xử lý gói, tức là xử lý tiêu đề quang, định tuyến gói, vv Để thực hiện các chức năng này, vấn đề đồng bộ hóa và đệm cần được giải quyết Ngoài ra, các nút lõi thực hiện xử lý gói nhanh bằng cách sử dụng các cổng logic quang học dựa trên SOA-MZI, như đã nói ở trên Kết quả thể hiện ở tính linh hoạt, có khả năng mở rộng, và có khả năng tích hợp Kiến trúc của nút lõi được đề xuất trong LASAGNE như trong hình 1.10.

Hình 1.10: Đề xuất nút lõi trong dự án LASAGNE

Như chỉ ra trên hình 1.10, các bước sóng vào nút đầu tiên được tách ra và với mỗi bước sóng được đưa vào một khối tráo đổi tiêu đề toàn quang (AOLS) để thực hiện tạo tiêu đề quang mới và chuyển các gói đến bước sóng phù hợp với các chức năng định tuyến Với bước sóng này, các gói quang được định tuyến tới cổng ra mong muốn bằng một AWG (dãy cách tử dẫn sóng) Cuối cùng, các gói dữ liệu được gửi đến mô-đun giải quyết tranh chấp và đệm để khắc phục các tranh chấp trong mạng Cấu trúc chi tiết của bộ hoán đổi tiêu đề toàn quang (AOLS) đề xuất trong LASAGNE được minh họa trong hình 1.11

Hình 1.11: Chi tiết của bộ hoán đổi tiêu đề toàn quang trong LASAGNE.

Bộ hoán đổi tiêu đề toàn quang thực hiện xử lý gói tin như sau Tại lối vào của bộ hoán đổi tiêu đề toàn quang, tải trọng gói và tiêu đề được tách ra Tiêu đề gói được đưa vào dãy bộ tự tương quan XOR (OR loại trừ) dựa trên các cổng logic quang để thực hiện so sánh với tập các địa chỉ nội bộ Những địa chỉ nội bộ này được tạo ra bằng cách sử dụng đường dây trễ quang (ODL) Sau khi so sánh, một xung cường độ cao sẽ xuất hiện ở đầu ra của các bộ tương quan XOR với địa chỉ phù hợp Xung này cung cấp cho khối điều khiển để điều khiển bộ chuyển đổi bước sóng Khối điều khiển được tạo thành bởi các flip-flops quang Tùy thuộc vào địa chỉ phù hợp (xung tương quan đầu ra), những flip-flop thích hợp sẽ phát ra một tín hiệu CW (sóng liên tục) tại một bước sóng nhất định Trong khi đó, một tiêu đề mới được tạo ra trong ODL thích hợp Tiêu đề mới được gán vào phía trước của tải trọng, tải trọng và tiêu đề mới được chuyển sang bước sóng được tạo bởi flip-flop đã xác định cổng ra Với bước sóng này gói tin được định tuyến bằng một AWG, như được giải thích ở trên

Hình 1.12: Kiến trúc nút OPS biên trong dự án LASAGNE.

Mặt khác, để đáp ứng các tín hiệu khách hàng khác nhau, một số hoạt động phải được thực hiện ở biên của một mạng OPS Các hoạt động cơ bản ở đầu vào/ra là chèn/ tách thông tin của khách hàng vào/ từ các gói quang, xác định thủ tục sắp xếp và tạo ra

"tiêu đề tại biên" cho phép các nút đích tách đúng các tín hiệu khách hàng Do đó, kiến trúc của các nút biên giống như các nút lõi, bao gồm các chức năng bổ sung Tại đầu ra nút biên, các gói dữ liệu quang được gửi thông qua mạng OPS Hình 1.12 minh họa kiến trúc nút biên, trong đó nó có thể được nhìn thấy rằng bộ hoán đổi nhãn toàn quang cũng là một yếu tố quan trọng

Ngoài các chức năng mô tả ở trên, mỗi nút mạng có một số loại điều khiển thông minh có trách nhiệm phát hiện ra các nút lân cận, phân phối tiêu đề và các vấn đề khác liên quan đến nhiệm vụ định tuyến, chẳng hạn như việc xây dựng các bảng chuyển tiếp Ngoài ra, cần thiết khi thêm các chức năng bổ sung tập trung vào việc đo kiểm tra chất lượng tín hiệu và quản lý lỗi để thực hiện các cơ chế phục hồi Các vấn này sẽ được giải quyết trong phần tiếp theo Mặt khác, cần thiết để mặt phẳng điều khiển tương thích với các giao thức dựa trên GMPLS để tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển đổi từ các mạng hiện hành sang các mạng OPS trong tương lai được đề cập trong LASAGNE

1.3.2 Kế hoạch chuyển đổi trong dự án LASAGNE

Mặc dù sự tiến bộ gần đây trong công nghệ quang, mạng toàn quang được vẫn được coi là một tương lai xa Trọng tâm chính là ở chỗ, thiết kế một đường thay thế từ các công nghệ mạng hiện tại sang mạng chuyển mạch gói toàn quang Chiến lược chuyển đổi và các mạng trong tương lai sẽ như thế nào, phụ thuộc vào yêu cầu áp đặt bởi các trình điều khiển khác nhau như kinh doanh, người sử dụng dịch vụ, ứng dụng phục hồi thảm họa, vv Một số kỹ thuật chuyển đổi đã được xác định trong dự án LASAGNE bằng cách sử dụng giải pháp kết hợp OCS / OBS / OPS Các đường thay thế được giải thích chi tiết dưới đây

1.3.2.a Đưa các nút OPS vào mạng OCS

Chiến lược chuyển đổi này dựa trên việc thay thế dần các nút trong các mạng hiện, tức là các nút kết nối chéo bằng các nút OPS Cả hai nút cùng tồn tại

và mạng trung gian được xem như là một mạng quang lai với một số công nghệ song song Từng nút sẽ lần lượt được chuyển đổi và sự chuyển đổi dựa trên định nghĩa các đảo OPS

Kịch bản chuyển đổi này đề xuất một kiến trúc mạng với hai loại nút: kết nối chéo và OPS với khả năng kết nối chéo OXC nằm dưới Việc thay thế chỉ một nút trong mạng OCS không có ý nghĩa bởi vì một gói quang phải được tập hợp và sau đó giải tập hợp một lần nữa Do đó, trong kịch bản này một tập các nút OPS được đặt phân tán qua mạng Hình 1.13.a cho thấy kiến trúc mạng, nơi các nút OPS được chèn vào trong lớp OCS để lưu lượng kênh và gói được chuyển tải qua cùng một lớp truyền tải Vì thế, mạng xử lý các bước sóng quang và các gói tin đồng thời, cải thiện được tính hạt băng tần Để đảm bảo việc chuyển đổi thành các mạng chuyển mạch gói, các nút OPS phải có khả năng chuyển mạch thông suốt lưu lượng truy cập phi gói Để giải quyết vấn đề này, một tập các bước sóng chỉ được dành riêng để chuyển tải lưu lượng truy cập gói trong khi phần còn lại được sử dụng cho lưu lượng kênh Điều này có nghĩa là việc gán các bước sóng khác nhau phụ thuộc vào các loại lưu lượng dữ liệu Khái niệm này được minh họa trong h́nh 1.13.b, một nút OPS với các khả năng kết nối chéo OXC nằm dưới được đặt vào mạng Một bước sóng được dành riêng cho lưu lượng gói trong khi vẫn giữ các bước sóng khác cho các loại lưu lượng khác

Ngoài ra, một giao diện đặc biệt sẽ gửi lưu lượng gói đến nút OPS và lưu lượng phi gói đến OXC được định nghĩa để đảm bảo rằng không chuyển tiếp lưu lượng vào các nút OPS Các nút OPS sử dụng tiêu đề gói cho chức năng định tuyến trong khi đó định tuyến trong OXC dựa vào bước sóng đến

Hình 1.13 a) Chuyển đổi từng nút ; b) Nút OPS với chức năng kết nối chéo

OXC nằm dưới

Kịch bản này là phần mở rộng của đường chuyển đổi trước đó Trong trường hợp này, một số nút OPS dưới dạng mạng con được đưa vào trong kiến trúc mạng hiện tại Trong ngắn hạn thực hiện một mạng chuyển mạch gói đầy đủ trên một vùng rộng

có thể được coi là một điều không tưởng Mạng phân vùng tạo ra các mạng con có thể

là một cách để tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển đổi Đặc biệt, kịch bản này bao gồm một mạng OCS với các nút kết nối chéo, trong đó có mạng con OPS với các nút OPS được đưa vào Các bộ định tuyến biên OPS phải kết hợp phần cứng bổ sung để tạo thành giao diện đúng với mạng OCS (lớp thích ứng) Tại các nút biên, lưu lượng

dữ liệu phải được cung cấp dưới dạng các tải trọng gói quang cho nên phải thực hiện một số hoạt động Các hoạt động cơ bản là chèn/ tách thông tin lưu lượng dữ liệu vào/

từ gói quang Điều này xác định rõ thủ tục sắp xếp để chuyển các thông tin dữ liệu người sử dụng thành thông tin thích hợp cho mạng OPS Hình 1.14 cho thấy các hoạt động thực hiện trong các nút biên OPS

Hình 1.14 Đưa vào các mạng con OPS (Bộ định tuyến biên OPS kết hợp một

loạt các chức năng để thực hiện các thủ tục sắp xếp)

Giống như việc xây dựng các gói tin quang, quá trình này bao gồm việc tập hợp nhiều dữ liệu người dùng có cùng một điểm đến và yêu cầu chất lượng Trước tải trọng các gói quang, một tiêu đề quang được chèn vào cho nhiệm vụ định tuyến Mặt khác, thủ tục sắp xếp dẫn đến việc xây dựng một bảng chứa các thông tin liên kết mạng giữa

dữ liệu người dùng và mạng OPS Những liên kết mạng không chỉ sắp xếp dữ liệu người dùng trong các gói quang, mà còn biên dịch thông tin địa chỉ của người sử dụng thành thông tin địa chỉ của mạng OPS Có hai lựa chọn cho thủ tục sắp xếp, bao hàm tính phức tạp của các nút OPS và khả năng chuyển mạch sẽ được xem xét Trong các phương pháp đầu tiên, các bộ định tuyến biên OPS có khả năng đọc địa chỉ khách hàng của các gói dữ liệu đến (ví dụ như địa chỉ IP) và để đóng gói / tháo gỡ các gói tin (xem hình 1.15)

Hình 1.15: Đưa vào các mạng con OPS (dựa trên sử dụng ngăn xếp tiêu đề cho định tuyến đầu cuối Mỗi mạng sử dụng tiêu đề tương ứng để định tuyến gói đến đích)1.3.2.b Mạng quang lai Client-Sever

Kịch bản này sử dụng một phân cấp các mạng lớp quang với các công nghệ mạng khác nhau, tạo ra một mạng lai client-server Tầng dưới của hệ thống phân cấp là lớp máy chủ chịu trách nhiệm thiết lập một cấu trúc ảo cho lớp khách hàng Để thiết kế mạng hiệu quả, phân cấp tính hạt băng tần được thiết lập với các tính hạt mịn hơn trong các lớp trên và tính hạt thô hơn trong các lớp thấp hơn Đặc biệt, kiến trúc bao gồm một mạng chuyển mạch kênh hoạt động như lớp máy chủ và một mạng OPS hoạt động như các máy chủ khách hàng Các nút OPS được kết nối với nhau bằng cách sử dụng trực tiếp các kênh WDM được cung cấp bởi các mạng OCS cơ bản Các gói quang chỉ được chuyển mạch trong các nút lớp khách hàng và truyền thông suốt trong các đường quang thông qua các nút chuyển mạch lớp máy chủ tương tự như với ống GMPLS Hình 1.16 cho thấy kiến trúc mạng lai OPS + OCS

Hình 1.16 a) Mạng Clien-Server quang lai; b) Nút OPS được kết nối qua mạng

OCS với các kết nối vật lý được thực hiện

Nhờ có kiến trúc client-server, lưu lượng chuyển mạch tại các nút lớp khách hàng giảm xuống Ngoài ra, phương pháp này tránh phải xử lí điều khiển và các tình huống tranh chấp Sự kết nối giữa các thiết bị của khách hàng và các nút OPS / AOPS

có thể mất một khoảng thời gian Trong giai đoạn chuyển tiếp này, một số khách hàng

có thể sử dụng mạng OPS trong khi những người khác vẫn có thể được kết nối thông qua mạng OCS

1.3.2.c ORION

Kịch bản này đề xuất một kiến trúc mạng lai trong đó mạng OCS và OPS được tích hợp hoàn toàn Có nghĩa là cả hai công nghệ mạng đồng thời chia sẻ tài nguyên băng thông như trong cùng một mạng Nói cách khác, lưu lượng truy cập hoặc là truyền tải cùng trong chuyển mạch bước sóng hoặc trong chế độ chuyển mạch gói Khái niệm này tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên Để truyền tải thông suốt đường dẫn bước sóng được sử dụng, trong khi lưu lượng động có thể được xử lý bằng cách sử dụng chế độ chuyển mạch gói

Cấu hình này bao gồm một mạng OCS với các nút kết hợp khả năng chuyển mạch kênh và gói Các nút có thể: a) lựa chọn sử dụng một phân đoạn bước sóng nhất định như là một phần của một đường dẫn bước sóng và gửi bước sóng kênh lưu lượng hoặc b) bỏ qua các đường dẫn bước sóng đã thiết lập và gửi lưu lượng bằng công nghệ chuyển mạch gói Trong hoạt động bình thường, nút phát các gói trên đường dẫn đã thiết lập, tránh phải xử lý gói trong các nút kế tiếp Tuy nhiên, trong trường hợp bị nghẽn có thể lựa chọn để thay đổi chế độ chuyển mạch gói Trong trường hợp này,

độ hoạt động này được gọi là "tràn lụt" Hình 1.17 trình bày một ví dụ về mạng quang tích hợp nhiều công nghệ.

Trong kỹ thuật chuyển đổi này, một nút biên thông minh sử dụng kĩ thuật mạng độc lập khác nhau hoặc kết hợp, để tối ưu phục vụ các yêu cầu dịch vụ của khách hàng Đặc biệt, dịch vụ truyền tải sử dụng chuyển mạch kênh kết hợp với các dịch vụ chuyển mạch gói động Các nút biên chọn công nghệ mạng dựa trên yêu cầu người sử dụng, dựa vào đặc điểm lưu lượng như băng thông, thời gian, tuyến đường dự kiến, hoặc dựa trên các yêu cầu QoS Mạng quang ảo (VON) và mạng quang đa dịch vụ quang (PMON) đã cho thấy khả năng của các loại mạng lai này Hình 1.18 minh họa các loại kiến trúc mạng lai quang song song, với các nút biên lựa chọn các dịch vụ chuyển tải từ hai mạng quang Ở đây, lưu lượng IP có thể được chuyển trong bursts/ gói quang hoặc trong các byte liên tục bên trong một đường dẫn quang

Hình 1.18: Mạng quang lai song song mà người sử dụng có thể chọn kỹ thuật

để gửi lưu lượng

Trong khi chia sẻ các tài nguyên mạng nói chung được cải thiện nhờ việc cải thiện ghép kênh theo thống kê, nó cũng có nhiệm vụ truyền và chuyển mạch đáp ứng các yêu cầu của công nghệ đòi hỏi khắt khe nhất Ví dụ, một chuyển mạch tích hợp cho OPS lai và chuyển mạch kênh đòi hỏi công nghệ chuyển mạch nhanh hơn, logic điều khiển phức tạp hơn và các giao diện burst/gói của OPS, mặc dù các dịch vụ chuyển mạch kênh có thể được thực hiện với công nghệ đơn giản hơn Vì vậy, có một

sự đánh đổi giữa hiệu quả và độ phức tạp

Bảng 1.2 tóm tắt các đặc điểm chính của kiến trúc mạng lai đã thảo luận về yêu cầu tài nguyên, độ phức tạp của kỹ thuật, và phức tạp kiểm soát

Bảng 1.2: Đặc điểm chính của các kiến trúc mạng.

Yêu cầu tài nguyên Phức tạp kiểm soát Phức tạp kỹ thuật.

Từ bảng 1.2, giả pháp lai song song là phương pháp khả quan nhất Mạng lai song song phù hợp với lộ trình chuyển đổi được đề xuất trong LASAGNE.

1.4 Yêu cầu đo kiểm tra hiệu năng mạng quang

Mạng viễn thông trong tương lai sẽ được đặc trưng bởi dịch vụ băng thông rộng, dẫn đến một sự tăng trưởng đáng kể trong lưu lượng chuyển tải Đặc biệt, các dịch vụ người sử dụng sẽ được tập trung vào: a) các ứng dụng đa phương tiện bao gồm tất cả các dịch vụ liên quan đến giọng nói, video, truyền dữ liệu và b) ứng dụng lưu trữ chuyển số lượng lớn dữ liệu theo yêu cầu của mạng lưới khu vực lưu trữ (SAN) và chức năng khôi phục thảm họa, và c) các ứng dụng lưới đòi hỏi tính sẵn sàng và băng thông cao Trước khi nhắc tới khái niệm tối thiểu hóa các yêu cầu mạng cho các mạng OPS tương lai, những vấn đề sau đây cần đưa vào xem xét:

• Loại lưu lượng nào sẽ được truyền tải qua mạng OPS? Mạng OPS sẽ là một mạng đa người dùng với các mẫu lưu lượng động

• Vấn đề nào làm tối đa độ trễ/ jitter? Yêu cầu nghiêm ngặt nhất được tính đến trong các ứng dụng có liên quan đến truyền tải thời gian thực (độ trễ tối đa: 3-10 ms, jitter tối đa: 1 ms) Độ trễ tổng do truyền dữ liệu dọc theo mạng được tính là tổng các độ trễ riêng gây ra bởi: a) trễ đóng gói đó là thời gian ở biên của mạng để tạo thành một gói tin OPS, b) độ trễ của nút lői OPS, trong trường hợp không tranh chấp nó chỉ là độ trễ lan truyền, và c) trễ tháo gói, thời gian cần thiết để tách các dữ liệu khách hàng

• Đâu là giới hạn cho phép cho các yêu cầu QoS? Thông thường, nó phải tuân theo các thông số sau: BER= 10-12, mất gói= 0,01 Ngoài ra, cơ chế đo kiểm tra phải được thực hiện để giám sát chất lượng tín hiệu và do đó, bảo đảm yêu cầu chất lượng tối thiểu

• Làm thế nào để hỗ trợ các yêu cầu dịch vụ không đồng nhất về QoS và tính sẵn sàng? Tính sẵn sàng của một dịch vụ được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm thời gian dịch vụ có khả năng Tính sẵn sàng là rất quan trọng trong mạng lõi bởi vì một lỗi có thể ảnh hưởng đến số lượng lớn các dữ liệu lưu lượng Các yêu cầu sẵn sàng đòi hỏi các nút với độ tin cậy cao và có khả năng triển khai các cơ chế bảo vệ/ phục hồi Tùy thuộc vào người dịch vụ sử dụng, các yêu cầu về thời gian và tính sẵn sàng có thể khác nhau Các tiêu chuẩn trong mạng SDH là: thời gian phản ứng bằng 50 ms và tính sẵn sang từ 0,9999 (4/9) và 0,99999 (5/9) Đối với mạng chuyển mạch gói tương lai, các nút trung gian phải bao gồm chức năng bảo vệ / phục hồi

Như đã trình bày ở trên, mạng OPS trong tương lai sẽ hỗ trợ nhiều loại dịch vụ khác nhau, từ các dữ liệu thoại cho tới các dịch vụ băng thông rộng như video theo yêu cầu Các lớp truyền tải tương lai phải chú trọng chất lượng của các ứng dụng dịch vụ

để đảm bảo lưu lượng truy cập của người dùng được sắp xếp thích hợp khi qua mạng

về băng thông, độ trễ, jitter và chất lượng tín hiệu Qua đó, các mạng trong tương lai phải thực hiện các chức năng quan trọng như các ứng dụng, dịch vụ khác biệt và đặc tính chất lượng tín hiệu cho chất lượng dịch vụ (QoS) đảm bảo và thỏa thuận cấp độ

dịch vụ (SLA) thực hiện Trong kịch bản như vậy, quản lý hiệu năng bao gồm đo kiểm tra, phát hiện lỗi và cảnh báo được hỗ trợ trong tất cả các mạng quang.

Các ứng dụng QoS hiện tại được dựa trên đo tỷ lệ lỗi bit (BER) Những kỹ thuật phân tích thông tin thống kê của tín hiệu nhận được để xác định tỷ lệ lỗi bit Những kỹ thuật đo kiểm tra truyền thống dựa trên BER là không thích hợp cho các mạng quang tốc độ cực cao tương lai do chuyển đổi O/ E làm giới hạn tốc độ bit và thời gian đáp ứng Trong mạng gói quang: dữ liệu gói được truyền trong miền quang

mà không thông qua bất kỳ chuyển đổi O/E Do đó, mạng cung cấp tốc độ dữ liệu cao, cho phép chuyển mạch linh hoạt, và hỗ trợ nhiều dạng khách hàng Tuy nhiên, quản lý lỗi và đo kiểm tra hiệu năng phức tạp hơn Để thực hiện các chức năng này trong các mạng quang thế hệ tiếp theo, kỹ thuật đo kiểm tra mới hoạt động trong miền quang phải được nghiên cứu Hơn nữa, do tính động của lưu lượng dữ liệu nên việc đề xuất các kỹ thuật mới khai thác đặc tính chi tiết của các mạng OPS là rất cần thiết Cuối cùng, truyền tải thông tin giám sát trong gói sẽ là một giải pháp hiệu quả để áp dụng QoS trên cơ sở gói Trong chương tiếp theo, một số kỹ thuật đo kiểm tra quang để đo kiểm mức gói sẽ được trình bày

Ngoài việc giám sát QoS, thông tin chất lượng tín hiệu có thể làm việc cùng với các cơ chế phục hồi để đảm bảo việc thực hiện các yêu cầu chất lượng

Sự phát triển của các mạng quang có xu hướng hướng tới một mạng cấu hình lại đầy đủ dựa trên chuyển mạch gói, trong đó mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng quản lý làm việc cùng nhau để cung cấp một mạng thông minh và cho phép cấu hình lại động Nhờ thông tin giữa hai mặt phẳng, có tương tác giữa các cơ chế phục hồi và nhiệm vụ đo kiểm tra như đã đề cập trên (xem hình 1.19)

Hình 1.19:Tương tác giữa đo kiểm tra giữa phân hệ đo kiểm tra và mặt phẳng

Tóm lại, với các yêu cầu dịch vụ của mạng thế hệ tiếp theo cần đảm bảo các mạng được thực hiện ở các mức mong muốn, do đó đạt được độ tin cậy, hiệu năng cao

và dịch vụ đa đạng cần có mạng toàn quang Hoạt động đo kiểm tra và thực hiện các

cơ chế phục hồi nhanh là đặc biệt quan trọng Trong các mạng gói quang, các nút đã được bổ sung một hệ thống phụ giám sát có chức năng đánh giá chất lượng tín hiệu Thông tin đo kiểm tra được gửi đến mặt phẳng điều khiển để suy ra các trạng thái của mạng Hơn nữa, mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng quản lý làm việc với nhau để tự động cấu hình lại các kết nối như một phản ứng với những thay đổi mạng Sự tương tác này dẫn đến sự tích hợp giữa các mô-đun giám sát và cơ chế phục hồi, có nghĩa là xảy ra lỗi hoặc giảm chất lượng tín hiệu được phát hiện, các cơ chế phục hồi được kích hoạt

Mặt khác, thông tin đo kiểm tra này cũng có thể được sử dụng phối hợp với các chức năng định tuyến bằng cách thiết lập đường dẫn quang mới theo đánh giá chất lượng Việc đo kiểm tra thực hiện trên cơ sở gói xen gói mang lại thách thức mới vì vậy kỹ thuật đo kiểm mới hoạt động trong miền quang phải được nghiên cứu Chủ đề này là trọng tâm chính của đồ án và nó sẽ được trình bày trong các chương sau, giải pháp đo kiểm tra quang mới cho các mạng OPS sẽ được làm rõ

tra OSNR trong mạng quang

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KIỂM TRA OSNR TRONG MẠNG QUANG2.1.Giới thiệu.

-Trong suốt nhiều thập kỉ qua,hệ thống truyền tải quang đã trở thành giải pháp hữu hiệu nhất đáp ứng nhu cầu phát triển nhanh chóng của việc truyền tải dữ liệu trong mạng đường trục Ngoài việc nâng cao lưu lượng mạng lưới, mạng cáp quang còn cho phép tăng tốc độ truyền tải nhưng cũng làm tăng sự phức tạp cho việc quản lý mạng

Do gia tăng trong tính thông suốt cũng như tốc độ dữ liệu, chất lượng của tín hiệu sẽ dễ bị suy yếu ở lớp quang do nhiễu ASE, sợi phi tuyến, tán sắc sắc thể (CD), tán sắc phân cực mode (PMD) Do đó, với công tác vận hành và quản lý mạng quang năng động tương lai th́ì việc quản lí và đo kiểm các thông số ảnh hưởng trực tiếp tới lớp quang là không thể thiếu Hơn nữa, các chức năng của lớp quang mới bao gồm cả việc cấu hình lại và phục hồi đường quang càng làm tăng khó khăn trong việc đo kiểm các thông số trong miền quang Tất cả những vấn đề này khiến chúng ta càng phải tập trung vào đo kiểm tra hiệu năng quang học (OPM) như một công nghệ cho phép triển khai các mạng quang thế hệ kế tiếp Trong thực tế, OPM là một cơ chế tiềm năng có khả năng cải thiện sự kiểm soát truyền tải cũng quản lý lỗi lớp vật lý mà kết quả nằm trong việc tăng cường độ tin cậy của mạng

Các ứng dụng tiềm năng của OPM bao gồm kiểm soát phần tử mạng, thiết lập đường dẫn quang, lựa chọn kết nối dựa trên hạn chế vật lý, đánh giá chất lượng tín hiệu (để đảm bảo QoS), phát hiện và định vị lỗi và sự hoạt động của cơ chế khôi phục Đến nay, rất nhiều kỹ thuật đo kiểm tra hiệu năng mạng quang đã được đề xuất và chứng minh trong nhiều ứng dụng Tuy nhiên, mạng quang thế hệ tiếp theo yêu cầu một kỹ thuật mới có khả năng đo kiểm tra thời gian thực để có thể phản ứng ngay lập tức đối với với tín hiệu lỗi hoặc tín hiệu bị suy hao, điều mà các kĩ thuật hiện nay không đáp ứng được

2.2.Kiểm tra hiệu năng quang

Mặc dù thực tế rằng các mạng quang đã đáp ứng được sự tăng trưởng nhanh chóng của lưu lượng dữ liệu, nhưng sự suy hao quang gây ra trong sợi quang làm giảm hiệu năng của mạng và hạn chế việc triển khai đường truyền dẫn quang tốc độ cao Hơn nữa, xu hướng của mạng quang hướng tới một mạng có khả năng tái cấu hình đầy đủ đòi hỏi sự tích hợp các chức năng OPM với mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng quản lý để thực hiện một hệ thống đáng tin cậy, hiệu suất cao và đa dịch vụ mạng toàn quang

Nhờ sự tương tác này, các khối chịu trách nhiệm đo kiểm chất lượng tín hiệu có

tra OSNR trong mạng quang

thể cung cấp thông tin cho quản lý lỗi trong đó bao gồm nhận dạng, định vị, chuẩn đoán và theo dõi các lỗi trong một mạng; b) OPM có thể được sử dụng như một thông tin phản hồi để giữ cho các hoạt động mạng lưới một cách tối ưu; c) OPM có thể thực hiện đo kiểm chất lượng tín hiệu để đảm bảo chất lượng của dịch vụ, d) OPM có thể hoạt động như một cảnh báo để dự đoán lỗi trong mạng và cho phép lưu lượng được định tuyến lại trước khi lỗi xảy ra Cùng với các ứng dụng có liên quan đo kiểm chất lượng và theo dõi lỗi, OPM cũng có thể hỗ trợ mặt phẳng điều khiển phát hiện và tự động thiết lập các đường dẫn quang có tính đến các suy hao vật lý như đã nói ở chương trước Vì vậy, OPM là cần thiết để quản lý các mạng quang trong tương lai vì

nó bao gồm một loạt các chức năng tập trung vào cải thiện hiệu năng mạng

Nhìn chung, OPM bao gồm việc theo dõi một loạt các thông số có thể được chia làm ba loại như hình 2.1

Hình 2.1.Các thông số của OPM

Thông số đầu tiên liên quan đến việc đo kiểm các thành phần lỗi trong sợi và đứt sợi gây ra sự mất mát tín hiệu Thứ hai, đo kiểm đồng chỉnh tín hiệu, tập trung vào

sự đồng chỉnh bước sóng tín hiệu, vị trí bộ lọc, và phân chia xung để đảm bảo hoạt động tốt Cuối cùng, đo kiểm tra chất lượng tín hiệu là đo kiểm tra các ảnh hưởng làm giảm tín hiệu, những ảnh hưởng này phải được giảm thiểu hoặc kiểm soát

tra OSNR trong mạng quang

Việc đo kiểm tra đứt đường quang là cần thiết để tránh mất một lượng lớn dữ liệu khi xảy ra lỗi Để hoàn tất việc này, phương pháp giám sát thụ động quang dựa trên cách tử sợi quang Bragg (FBG) đã được đề xuất Phân tích phổ sử dụng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) cũng đã được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ này

Bên cạnh những lỗi đã đề cập ở trên, có các ảnh hưởng nội tại khác trong truyền dẫn quang phải được kiểm soát và giảm thiểu Trong mạng OCS chất lượng tín hiệu được giám sát thông qua các thông số đo như công suất kênh, công suất tổng, bước sóng kênh và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm quang Tăng cường tính thông suốt và yêu cầu khả năng tái cấu hình, các mạng quang trong tương lai đòi hỏi phải định hình được các

kỹ thuật tiên tiến có khả năng đo kiểm tra trong các tình huống linh động Vì vậy, để thực hiện OPM trong một hệ thống quang, nó là cần thiết để đo kiểm tra các thông số đặc trưng của lớp quang Các tham số này có thể được chia thành hai loại là: ảnh hưởng tuyến tính ảnh hưởng phi tuyến Phân loại này được dựa trên sự phụ thuộc vào công suất tín hiệu Trong trường hợp các thông số tuyến tính, chúng là độc lập với công suất tín hiệu truyền, trong khi các ảnh hưởng phi tuyến phức tạp hơn, và rất khó

để định lượng chúng vì chúng phụ thuộc vào sự kết hợp của các yếu tố như công suất tín hiệu, số bước sóng trên một kênh, và băng thông kênh Thông thường, ảnh hưởng của các thông số tuyến tính là chủ yếu Đó là lý do tại sao nó thường được giả định rằng các ảnh hưởng phi tuyến là không đáng kể Do đó, các kỹ thuật giám sát được tập trung vào việc đo đạc các thông số tuyến tính sau đây:

• Tỷ số tín hiệu trên tạp âm quang (OSNR): bộ khuếch đại quang học đã trở thành

thành phần thiết yếu trong các mạng quang học để bù đắp tổn thất truyền tải Ngoài việc tăng độ khuếch đại quang, các bộ khuếch đại thêm tạp âm không mong muốn vào các tín hiệu khuếch đại, được gọi là khuếch đại tạp âm phát xạ tự phát (ASE) ASE là

tỷ lệ thuận với công suất tín hiệu và tỉ lệ nghịch với độ khuếch đại và băng thông liên kết Quang phổ của tạp âm nền thường là rộng, và do đó một số tạp âm có thể gây ra suy giảm tín hiệu do sự giao thoa giữa các tín hiệu và tạp âm Tạp âm này ảnh hưởng đến khả năng nhận để giải mã các tín hiệu quang học và do đó gây ra lỗi Tạp âm được định lượng qua OSNR, được đo bằng công thức:

tra OSNR trong mạng quang

• Hệ số chất lượng tín hiệu : Q-factor/Tỉ số lỗi bit : BER: Một bit lỗi xảy ra khi một

tín hiệu truyền bị hỏng gây ra việc tiếp nhận là bit « 0 » khi bit « 1 » được truyền đi hoặc ngược lại Tỷ lệ lỗi bit (BER) là một phương pháp thống kê thường xảy ra của các lỗi Tham số này là một trong những tham số ưu tiên nhất cho quản lý lỗi vì nó sử dụng các số liệu tương tự như xác định QoS ở thiết bị đầu cuối Tuy nhiên, các phép

đo BER có ý nghĩa thống kê đòi hỏi rất nhiều thời gian, vài giây hoặc vài phút làm cho chúng không thích hợp cho các mạng quang học tốc độ cao trong tương lai Tại thời điểm này, biểu đồ mắt cung cấp một giải pháp nhanh hơn Một biểu đồ mắt được xây dựng bằng cách chồng các chuỗi bit Quá trình này có thể mất một vài mili giây Các kết quả thu được từ biểu đồ mắt có liên quan đến BER của tín hiệu truyền thông qua các yếu tố chất lượng hoặc Q-factor của tín hiệu, được định nghĩa bằng cách điều chỉnh ngưỡng quyết định nhận một giá trị tối ưu Các biểu thức toán học được cho bởi:

BER= erfc ( ), với Q= , (2.2)

với x và x là giá trị trung bình và độ lệch chuẩn trong đó ký tự x biểu thị giá trị bit 0 hoặc 1.Với tương quan mạnh mẽ giữa Ber và Q-factor.tham số này thường được

sử dụng để đo kiểm tra chất lượng tín hiệu

• Tán sắc sắc thể (CD): Tán sắc là một hiệu ứng thời gian mà kết quả là việc mở rộng

xung và hậu quả là lỗi ở phía thu Hiệu ứng này là một trong những yếu tố gây hạn chế nhất ở tốc độ cao Tán sắc là một thuật ngữ được định nghĩa là thành phần quang phổ khác nhau của một xung di chuyển ở các vận tốc khác nhau Tán sắc được gây ra bởi

sự phụ thuộc của chiết suất của môi trường truyền dẫn trên các thành phần tần số hiện tại trong tín hiệu truyền CD cho một môi trường đồng nhất có thể được tính như sau:

CD= , (2.3)

trong đó λ là bước sóng của tín hiệu truyền, c là tốc độ ánh sang, n là chiết suất của

môi trường đồng nhất

• Tán sắc phân cực mode (PMD): PMD gây ra bởi sự bất đối xứng của lõi sợi, trong

đó ánh sáng phân cực trong một trục đi nhanh hơn một chút so với ánh sáng phân cực

ở trên trục trực giao Xung lan truyền phát sinh do tốc độ ánh sáng khác nhau và gây ra can nhiễu giữa các ký tự (ISI) dẫn đến tăng tỷ lệ lỗi bit Vì vậy, PMD cùng với tán sắc

là một trong những hạn chế chính trong việc triển khai các hệ thống quang truyền phát

ở 10 Gbit/s hoặc lớn hơn PMD bậc nhất được gọi là trễ nhóm vi sai (DGD) và đại diện cho sự chậm trễ thời gian giữa các chế độ phân cực chính của sợi DGD của sợi được mô tả bởi: