Mạng quang hiện tại đang sử dụng công nghệ WDM với lưới tần số cô định, theo khuyến nghị của liên minh viễn thông thế giới ITU-T khoảng cách phổ biến giữa các kênh quang WDM là 50 GHz ho
Trang 1HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Trang 2Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS BANG THE NGỌC
Phản biện 1: PGS.TS Đỗ Quốc Trinh
Phản biện 2: TS Phạm Mạnh Lâm
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: 08 giờ 30 ngày 27 tháng 02 năm 2016
Có thê tìm hiệu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Trang 3-]-Lời nói đầu
Do nhu cầu dịch vụ ngày càng đa dạng nên yêu cầu mạng
truyền dẫn cũng cần phải đáp ứng được tính đa dạng này, mạngtruyền dẫn phải có khả năng truyền tải với nhiều tốc độ khác nhau từnhỏ đến lớn trên cùng một kênh quang Cùng với sự phát triển củadịch vụ streaming, điện toán đám mây, lưu trữ trực tuyến yeu cầu
về truyền dẫn tốc độ siêu cao sẽ dần xuất hiện trong tương lai gần,tốc độ yêu cầu có thể lên đến hàng trăm Gbit/s thậm chí Tbit/s trên
một kênh quang Mạng quang hiện tại đang sử dụng công nghệ
WDM với lưới tần số cô định, theo khuyến nghị của liên minh viễn
thông thế giới (ITU-T) khoảng cách phổ biến giữa các kênh quang
WDM là 50 GHz hoặc 100 GHz, do vay dan dén han ché vé giới han
tốc độ truyền dan trên một kênh quang Chúng ta không thé tạo ra các
kênh quang siêu tốc độ lên đến hàng chục Tbit/s với lưới tần số cố
định đó Một hạn chế nữa của mạng quang hiện tại là sử dụng chưa
hiệu quả băng tần, do khoảng cách giữa các tần số trung tâm của mỗi
kênh quang là cô định vì vậy mặc dù chỉ cần truyền một tốc độ thấpthì vẫn phải chiếm cả băng thông cấp cho kênh đó, dẫn đến hiệu suất
sử dụng băng tần chưa cao
Từ những yếu tố trên, việc nghiên cứu một công nghệ mangquang mới là rất cần thiết để đáp ứng yêu cầu về truyền dẫn dịch vụtrong tương lai trong điều kiện tai nguyên pho quang là giới hạn
Công nghệ mạng quang lưới bước sóng linh hoạt đang nổi lên là một
công nghệ mới hứa hẹn đáp ứng được các yêu cầu trên Xuất phát từ
Trang 4-2-định hướng đó, tôi đã quyết -2-định lựa chon hướng nghiên cứu về
mạng quang lưới bước sóng linh hoạt cho nội dung luận văn tốt
nghiệp Trong công nghệ mạng mới này vấn đề kỹ thuật hóc búa nhất
là định tuyến và cấp phát bước sóng, và đây là nội dung quan trọng
được nghiên cứu trong luận văn này với tên đề tài là: “Định tuyến và
cấp phát băng thông trong mạng quang lưới bước sóng linh hoạt”
Dựa theo các nội dung định hướng đã nêu bên trên, luận văn trình bày các nội dung chính trong 3 chương như sau:
- _ Chương 1: điểm lại nội dung của mang WDM qua đó
nhận ra các hạn chế của mạng WDM và các hướngphát triển của mạng quang trong tương lai
- _ Chương 2: giới thiệu về mạng quang lưới bước sóng
linh hoạt từ khái niệm, đặc điểm, công nghệ áp dụng
và lợi ích đem lại.
- _ Chương 3: đi sâu trình bày về van đề định tuyến, cấp
phát bước sóng và so sánh hiệu quả mạng quang mới
này so với mạng WDM hiện tại trong một số kịch
bản cụ thể, qua đó chứng minh ưu việt của mạng
quang mới này so với mạng WDM hiện tại.
Đây là công nghệ mạng mới, cũng chỉ được nghiên cứu từ
khoảng năm 2009 trở lại đây và rất mới mẻ tại Việt nam, do vậytrong quá trình thực hiện nghiên cứu tôi đã gặp nhiều khó khăn Tuyvậy, dưới sự hướng dan của giáo viên hướng dẫn cùng sự trao đổi
đóng góp nhiệt tình của các thầy/cô trong Học viện đã giúp tôi hoàn
thành luận văn này.
Trang 5Chương 1: Tổng quan mạng WDM và xu hướng
phát triển
1.1 Giới thiệu chương
Ngay từ khi ra đời công nghệ WDM đã thể hiện được tính ưuviệt trong truyền dẫn quang và được ứng dụng rộng rãi trong mạngtruyền dẫn quang Ngày nay, mạng truyền dẫn đường trục tốc độ cao
tại các quốc gia hầu hết đều đang dùng công nghệ WDM Tuy nhiên,
sự bùng nỗ nhu cầu truyền tải lưu lượng IP tốc độ cao đang đây công
nghệ WDM gần đến giới hạn của nó Do vậy, việc nghiên cứu cáccông nghệ truyền tải quang nhằm thay thế WDM đang được đâymạnh dé có thé đáp ứng được nhu cau về truyền dẫn trong tương lai
Để có cái nhìn tổng quan về xu hướng phát triển và công
nghệ tiềm năng của mạng truyền tải quang trong tương lai, Chương 1
sẽ trình bày các nội dung chính như sau: giới thiệu tóm tắt công nghệ
và hệ thông mang WDM, phân tích về những khó khăn sẽ gặp phải
và những hạn chế về kỹ thuật của mạng quang hiện tại khi đối mặtvới yêu cầu truyền dẫn trong tương lai cũng như một số biện pháp
khắc phục
1.2 Tổng quan về hệ thống WDM
1.2.1 Nguyên lý ghép kênh WDM
1.2.2 Mô hình hệ thong WDM
Trang 6-4-1.2.3 Các phan tử hệ thong WDM
1.2.3.1 Bộ đầu cuối đường quang
Bộ đầu cuối đường quang là thiết bị thực hiện ghép tín hiệu ở
đầu phát và truyền đi trên sợi quang và giải ghép ở đầu thu trước khichuyên các tín hiệu thành phần đến phía đầu cuối khách hàng
1.2.3.2 Bộ khuếch đại đường quang
Là thiết bị khuếch đại tín hiệu truyền dẫn trong sợi quang và
ngay tại miền quang (không cần chuyên về tín hiệu điện)
1.2.3.3 Bộ xen rẽ quang
Chức năng của bộ ghép xen/rẽ quang là tách/ghép một số
kênh bước sóng, các kênh bước sóng còn lại được cho đi xuyên qua.
1.2.3.4 Bộ kết nối chéo quang OXC
Đối với các mô hình mạng đơn giản như mô hình mạngtuyến tính hoặc mô hình mạng vòng, OADM là sự lựa chọn tối ưu xét
về khía cạnh kinh tế, công nghệ chế tạo và khả năng đáp ứng yêu cầu
của mạng Tuy nhiên, trong tương lai khi yêu cầu về khả năng linh
động trong việc cung ứng dịch vụ, đồng thời các dịch vụ đa phươngtiện đòi hỏi phải đáp ứng được sự tăng băng thông đột biến thì các
mô hình mạng hiện tại không đáp ứng được Khi đó, cần phải triểnkhai mạng với phan tử trung tâm là các bộ kết nối chéo quang OXC
1.2.4 Các tham số cơ bản của hệ thong WOM
= Suy hao xen: là lượng công suất tổn hao trong tuyến truyền
dẫn quang do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và
suy hao do bản thân các thiết bị ghép gây ra
Trang 7_5-= Nhiéu xuyên kênh: là sự có mặt của một kênh này trong
kênh kế cận làm tăng nền nhiễu và giảm tỷ số tín hiệu trên
nhiễu của kênh đang xét.
" Do rộng kênh: là dải bước sóng mà nó định ra cho từng
nguôn phát quang Nếu nguồn phát quang là các diode laser
thì độ rộng kênh yêu cầu khoảng vài chục nm Đối với nguồn
phát quang là diode phát quang (LED) độ rộng kênh phải lớn
hơn từ 10-20 lần Laser
= _ Các hiệu ứng phi tuyến
Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽxảy ra khi công suất tín hiệu trong sợi quang vượt quá một giới hạn
của hệ thống WDM và mức công suất này thấp hơn nhiều so với các
hệ thống đơn kênh Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chấtlượng của hệ thống WDM có thể chia thành hai loại là hiệu ứng tán
xạ và hiệu ứng Kerr (khúc xạ).
1.3 Hạn chế của mạng WDM hiện tại
Để đáp ứng các yêu cầu dung lượng kênh lớn, cho phép
truyền các tốc độ cao hơn qua nhiều kết nối WDM và kết nối chéo
quang OXC mà không cần tái tạo lại Quang - Điện — Quang (O-E-O)tín hiệu thì giải pháp hiệu quả cho mạng truyền tải là các bước sóngtruyền dẫn cần được định tuyến trong suốt trong mạng Tuy nhiênmạng WDM hiện tại chưa có khả năng đáp ứng các yêu cầu này
Mạng quang hiện tại dang sử dung lưới tần số cố định, theokhuyến nghị của ITU-T khoảng cách phổ biến giữa các kênh quang là
Trang 8-6-50 GHz hoặc 100 GHz, điều này về lý thuyết sẽ dẫn đến han chếtrong giới hạn tốc độ truyền dẫn trên một kênh quang Chúng ta
không thé tao ra các kênh quang siêu tốc độ lên đến hàng chục Tbit/s
với lưới tần số cô định đó
Hiện tại, các mạng định tuyến bước sóng yêu cầu cấp pháttoàn bộ băng thông của một bước sóng cho kết nối, thậm chí khi lưu
lượng giữa các node không chiếm đầy dung lượng của bước sóng thì
kết nối này vẫn chiếm toàn bộ băng thông cấp cho kênh đó Điều nay
dẫn đến hiệu suất sử dụng băng tần chưa cao, gây lãng phí băng
thông, đặc biệt trong các mạng WDM dung lượng lớn hơn.
1.4 Xu hướng phát triển mạng truyền dẫn quang
1.4.1 Các giới han vật lý trong truyền dẫn quang
Yếu tố giới han đầu tiên đối mặt trong mạng quang hiện tại làcông suất đầu vào sợi quang
Yếu tố giới hạn thứ hai là sự thăng giáng tín hiệu do hiệuứng phi tuyến trong sợi quang
Yếu tô thứ ba là hiệu quả sử dụng phổ (SE)Yếu tổ thứ tư là băng thông khuếch đại cho các bộ lặp
1.4.2 Xu hướng công nghệ mới trong truyền dẫn quang
= Soi quang mới
Sợi đa lõi trong đó mật độ công suất mỗi lõi được điều khiển
dé tăng tông công suất/dung lượng và một sợi đa mode với tín hiệu
được mang trong mode riêng rẽ trong đường kính lõi rộng dé mở
rộng dung lượng (hình 1.14) cũng đang được tập chung nghiên cứu.
Trang 9-7-" Ky thuật ghép kênh mới
Kỹ thuật ghép kênh mới như ghép kênh phân chia theo
không gian (SDM) và ghép kênh phân chia theo mode (MDM) trong
các sợi quang mới cũng đang được nghiên cứu.
" Mang quang lưới bước sóng linh hoạt.
Điểm cốt yếu của mạng quang lưới bước sóng linh hoạt là
cấp phát băng thông linh hoạt cho mỗi tuyến quang Lợi ích của
mạng loại nay là tiết kiệm phổ thông qua khai thác tài nguyên phổ
chưa được sử dụng một cách hiệu quả Kết quả là sẽ làm tăng dung
lượng truyén dẫn của mạng.
1.5 Kết luận chương
Trong chương này, luận văn đã trình bày tóm tắt các điểm cơ
bản của mạng WDM, đưa ra một số hạn chế của mạng WDM cũng
như mạng quang nói chung hiện tại Đây là những hạn chế mang tính
kỹ thuật và chính là động lực thúc day các nghiên cứu trong tương lai
dé cải tiến mạng quang hiện tại Phần cuối của chương đã nêu ra một
số điểm quan trọng cần tập chung nghiên cứu để giúp mạng quanghiện tại vượt qua được các giới hạn về công nghệ Trong các hướng
nghiên cứu đó, kỹ thuật mạng quang lưới bước sóng linh hoạt được
xem là tiềm năng và có khả năng triển khai tốt nhờ tính kế thừa hạtang mang WDM hiện tại Các nội dung nay sẽ được trình bảy chi tiết
trong chương 2 theo của luận văn.
Trang 10Chương 2: Mạng quang lưới bước sóng linh hoạt
2.1 Giới thiệu chương
Như đã trình bay trong phần cuối chương 1, mạng quang lưới
bước sóng linh hoạt hứa hẹn là công nghệ mạng tiềm năng dé thay
thế mạng WDM hiện tại Công nghệ này sẽ giúp mạng truyền tải
quang đáp ứng tốt hơn các nhu cầu về truyền tải đữ liệu trong tương
lai Nội dung chính về mạng quang mới này sẽ được trình bày trong
chương 2 của luận văn bao gồm: khái niệm, đặc điểm kỹ thuật, yêu
cầu công nghệ và lợi ích của mạng quang lưới bước sóng linh hoạt
Các nội dung này sẽ được lần lượt trình bày chỉ tiết tại các phần bên
dưới của chương.
2.2 Động lực phát triển mạng quang mới
ITU-T đã chuẩn hóa lưới tần số trong dai bước sóng
1530-1565 nm với các khe tần số cô định như 50 GHz hay 100 GHz , tuynhiên, với các tốc độ lớn hơn 100 Gb/s thì sự phân chia này là không
đủ Thậm chí nếu phô tần là có sẵn thì tín hiệu tốc độ dit liệu cao
cũng rất khó dé truyền qua một khoảng cách xa với hiệu quả phô cao
Một động lực khác đó là sự đa dạng về tốc độ trong nhu cầu
truyền dẫn Đã làm xuất hiện nhiều tốc độ khác nhau, các tốc độ này
trải rộng từ vai Mb/s đến hang Gb/s và trong tương lai có thé tiễn đến
hàng trăm Gb/s Việc cứng nhắc trong cấp phát băng thông cho mỗi
nhu cầu truyền dẫn là không còn phù hợp và làm giảm hiệu quả khai
thác mạng truyền dẫn
Trang 11-9-2.3 Công nghệ mang quang lưới bước sóng linh hoạt
Mạng quang lưới bước sóng linh hoạt sẽ cấp phát tài nguyên
phổ thích ứng theo các yêu cầu sử dung trong mạng tại các thời điểm
khác nhau ngay trong miền quang Lợi ích của mạng loại này là tiết
kiệm phổ đạt được thông qua khai thác tài nguyên phổ chưa được sử
dụng một cách hiệu quả, giúp tăng dung lượng mạng Trong mạng
quang mới này, kích thước đúng của băng thông sẽ được cấp phát
tương ứng từ đầu cuối đến đầu cuối của tuyến trong mạng Việc nàyđược thực hiện băng việc chia nhỏ tài nguyên phô từ toàn bộ độ rộngphố sợi quang hiệu dụng hiện tại dé cap phát cho mỗi yêu
Trong mạng quang truyền thống không gian kênh là cố định,
do vậy nhà vận hành mạng không cần phân biệt kênh quang và tàinguyên phô được cấp phát cho tuyến, chỉ quan tâm đến tần số trungtâm của kênh quang khi thiết lập kết nối đầu cuối đến đầu cuối.Ngược lại tần số trung tâm và độ rộng phổ được cấp cho tuyến là
tham số biến đồi trong mạng quang lưới bước sóng linh hoạt, nhà vận
hành mạng cần ý thức được tài nguyên phổ gan cho luồng quang,theo lý thuyết nó là tập hợp của tần số trung tâm và độ rộng hoặc tần
số trên và tần số đưới của luồng quang
“ Mục tiêu chính của mạng quang lưới bước sóng linh hoạt:
- _ Hỗ trợ tốc độ 400Gb/s, 1Tb/s và các tốc độ yêu cầu cao hơn
- Dap ứng nhu cầu băng thông hỗn tạp
- Khong gian kênh chặt hon,
- Can đôi khoảng cách và hiệu năng phô.
Trang 12-10 Mang động: lớp quang có thể phúc đáp trực tiếp về nhu cầu
băng thông biến đổi từ lớp người dùng
2.4 Đặc điểm công nghệ mạng quang lưới bước sóng linh hoạt
2.4.1 Cấp phát băng thông linh hoạt
Trong các mạng WDM truyền thống, đại đa số là thực thi các
yêu cầu dịch vụ một chiều, tốc độ bit trên mỗi bước sóng là cô định,
giới hạn quang là cố định, và phổ tần cô định Mạng quang lưới bước
sóng linh hoạt (EON) cho phép lựa chọn băng thông khi thực hiện
một yêu cầu truyền dẫn Một yêu cầu sẽ được gắn một khuôn dang
điều chế sao cho hiệu quả nhất so với khoảng cách cần truyền, trong
khi băng thông yêu cầu là nhỏ nhất
2.4.2 Bộ thu phát băng thông khả biễn
Khái niệm BVT (Bộ thu phát băng thông khả biến) là một bộthu phát trong đó sẽ bao gồm một loạt các bộ thu phát ảo ứng với cáctuyến quang linh hoạt (EOP) riêng biệt Ví dụ, bộ thu phát 400Gb/s
sẽ được chia lam 3 EOP: 100Gb/s, 100Gb/s và 200Gb/s.
2.4.3 Quan ly phé tan
Do các khe phố tần trong mang EON là rất nhiều, chúng sẽ
có hiện tượng phân mảnh phổ qua thời gian, giống như phân mảnh
trong ô đĩa máy tính Điều này sẽ dẫn đến khó khăn trong việc tạo ra
các siêu kênh vốn cần cấp phat một số lượng lớn các khe phổ tần liên
tiếp nhau Dé giải quyết vấn đề này sẽ cần yêu cầu tái phân bồ lại
băng tần theo chu kỳ thời gian thực
Trang 13-1ll1-2.4.4 Quan lý kết nối theo yêu cau
Trong mạng WDM có định, mỗi bước sóng phải được quản
lý riêng biệt, chuyển mạch riêng lẻ các bước sóng quanh ROADM,
các bước sóng chiếm một độ rộng phổ giống nhau bat ké đó là mộtphần của nhu cầu lớn hay nhỏ va xuất hiện như là một thực thê riêng
biệt trong các hệ thông quản lý Nếu nhiều bước sóng được sử dụng
cho một yêu cầu dung lượng lớn, lúc này sẽ tạo thành các nhóm
(bước sóng) xuất hiện tại lớp người dùng nhưng không ảnh hưởng
đến mạng, khi đó hau hết các yêu cầu là phân bé 1:1 (hình 2.6 a)
Trong khi đó với mạng EON, nếu nhu cầu truyền dẫn là nhỏhơn một BVT, các EOP trong BVT sẽ mang chúng độc lập, nếu yêucầu là lớn hơn một BVT thì nhiều kênh BVT sẽ được bó thành mộtsiêu kênh và thực hiện yêu cầu (hình 2.6 b) Theo cách này, yêu cầu
sẽ được chuyền mạch như một phần tử tại ROADM và quản lý nhưthực thé độc lập trong hệ thống quản ly
2.5 Các kỹ thuật trong mạng quang lưới bước sóng linh hoạt
2.5.1 Bộ thu phát quang lĩnh hoạt
Các giải pháp đa sóng mang như ghép kênh phân chia theo
bước sóng Coherent (CoWDM), ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao Coherent (CO-OFDM), Nyquist-WDM, hay cách tử quang tao
bước sóng tùy biến (OAWG) đã được dé xuất là các bộ thu phát khảdụng trong EON Các giải pháp này dựa trên việc kết hợp nhiều sóngmang con tốc độ thấp để hình thành dạng sóng dữ liệu băng rộng
Trang 14-12-trong khi van sử dung các điều chế tốc độ thấp Trong khi OFDM CoWDM, và Nyquist-WDM yêu cầu chuẩn hóa khoảng cách
CO-giữa các tần số sóng mang con quang và cô định theo tốc độ symbol
thì OWAG có thể có định và thích ứng với nhiều khoảng cách tần số
sóng mang con.
2.5.2 ROADM/WXC băng thông khả biến
Chuyên mạch lựa chọn bước sóng băng thông khả biến(WSS) là chìa khóa cho mạng quang linh hoạt WSS kết hợp với ưuviệt của điều chế nhiều mức và điều chế đa sóng mang khoảng cách
nhỏ dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao hay
Nyquist-WDM, chúng ta có thể lựa chọn tổ hợp ba tham số tối ưu cho tín hiệu
quang để truyền đi: tốc độ ký hiệu, số bit trên mỗi ký hiệu và số sóng
mang con Khi đó dung lượng truyền sẽ là lớn nhất trong khi tài
nguyên phô cấp phát là nhỏ nhất
2.6 Lợi ích của mạng quang lưới bước sóng linh hoạt
2.6.1 Hiệu nang cao
2.6.2 Truyền tải lưu lượng IP tốc độ cao
2.6.3 Khả năng bảo vệ tuyén