Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Thiết kế mô hình bảo vệ cho hệ thống WDM-PON kết hợp truyền Peer-to-Peer

1.2 Lý do chọn đề tài Trong hoạt động thực tế của mạng WDM-PON sợi quang dự phòng khi không có lỗi xẩy ra sẽ được sử dụng cho mục đích khác như tận dụng truyền tín hiệu mức ưu tiên thấp

Giới thiệu tổng quan

Giới thiệu mạng WDM-PON

Passive optical networks (PONs) trong những năm gần đây đang thu hút nhiều những công trình nghiên cứu và hứa hẹn sẽ mang lại cho khách hàng dịch vụ băng thông rộng với quy mô lớn Trong những đặc trƣng của mạng PON, dịch vụ được truyền từ OLT tại trung tâm điều khiển (CO) được truyền tải trên các đường truyền tải quang “feeder fiber” với khoảng cách từ 15-20 km, trước khi công suất quang đƣợc chia vào trong các “distribution fibers” thông qua bộ chia công suất quang tại RN Mỗi “distribution fiber” thường có chiều dài nhỏ hơn 5 km, có chức năng chuyển dịch vụ từ CO tới ONU, tại đây thì đường truyền quang kết thúc, trước khi truyền dịch vụ tới từng khách hàng thông qua các chuẩn giao tiếp khác nhau ví dụ nhƣ truyền tín hiệu trên dây đồng tới từng user Với hệ thống truy cập quang sâu rộng, chi phí của mạng PON là thấp và mang tính cạnh tranh cao Đặc điểm của mạng PON là mạng truy cập thụ động, và những chi phí về vận hành cũng nhƣ triển khai giảm nhẹ, ngoài ra cả RN và ONU có cấu trúc không phức tạp và chi phí thấp

Sự phổ biến của Internet và các dịch vụ truyền thông đa phương tiện ngày nay đòi hỏi mạng PON phải truyền tải đồng thời hai loại tín hiệu băng thông rộng Các dịch vụ truyền tải trên mạng PON ngày càng phong phú và yêu cầu tốc độ cao Các chuẩn B-PON, E-PON và G-PON được triển khai rộng rãi để cung cấp thêm nhiều tính năng cho truy cập dữ liệu Khi giá thành các thiết bị quang đã giảm thấp, mạng PON xây dựng trên nền WDM sẽ trở thành thế hệ mới trong hệ thống truyền dẫn quang trong tương lai.

GVHD: TS Phạm Quang Thái Trần Văn Việt

2 Công nghệ mạng quang thụ động PON [1] còn đƣợc hiểu là mạng công nghệ quang truy nhập giúp tăng cường kết nối giữa các nốt mạng truy nhập của nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng Công nghệ PON được biết tới đầu tiên đó là TPON (Telephony PON) đƣợc triển khai vào những năm 90, tiếp đó năm 1998, mạng BPON (Broadband PON) đƣợc chuẩn hóa dựa trên nền ATM Hai năm 2003 và 2004 đánh dấu sự ra đời của hai dòng công nghệ Ethernet PON (EPON) và Gigabit PON (GPON), có thể nói hai công nghệ này mở ra cơ hội mới cho các nhà cung cấp dịch vụ giải quyết hàng loạt vấn đề truy nhập băng thông rộng tới người sử dụng đầu cuối Thành viên mới nhất trong gia đình PON đó là WDM PON (Wavelength Division Multiplexer PON) Trong mạng WDM-PON mỗi ONU đƣợc cấp riêng một bước sóng kết nối tới OLT, mỗi ONU riêng biệt sẽ có những khoảng băng thông dành riêng Nhƣ vậy dung lƣợng của hệ thống cũng nhƣ sự linh hoạt của hệ thống đƣợc cải thiện rất nhiều

Cấu trúc của WDM-PON đƣợc mô tả nhƣ trong Hình 1.1 Trong đó, WDM- PON có thể đƣợc sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau nhƣ là FTTx, các ứng dụng cho đường dây thuê bao số tốc độ rất cao VDSL và các điểm truy nhập vô tuyến từ xa Các bộ thu WDM-PON sử dụng kỹ thuật lọc quang mảng ống dẫn sóng Một bộ lọc quang ống dẫn sóng có thể được đặt ở môi trường trong nhà hoặc ngoài trời

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của WDM-PON

3 Giải pháp WDM yêu cầu một bộ thu điều khiển đƣợc hoặc là một mảng bộ thu ở OLT để nhận các kênh khác nhau Thậm chí nhiều vấn đề khó khăn cho các nhà khai thác mạng là kiểm kê từng bước sóng của ONU thay vì chỉ có một loại ONU, thì có nhiều loại ONU dựa trên các bước sóng Laser của nó Mỗi ONU sẽ sử dụng một laser hẹp và độ rộng phổ điều khiển đƣợc cho nên rất đắt tiền Mặc khác, nếu một bước sóng bị sai lệch sẽ gây ra nhiễu cho các ONU khác trong mạng PON, ngày nay khi giá thành của thiết bị truyền dẫn quang ngày càng hạ, vấn đề lựa chọn thiết bị không còn là khó khăn lớn trong triển khai các giải pháp trên mạng WDM- PON, việc sử dụng Laser điều khiển có thể khắc phục đƣợc vấn đề này hình 1.2 mô tả cấu trúc sử dụng laser điều khiển tại ONU

Hình 1.2 Cấu trúc sử dụng laser điều khiển đƣợc tại ONU

Điểm mạnh nổi bật của WDM-PON là khả năng cung cấp nhiều loại dịch vụ dữ liệu với cấu trúc khác nhau như DS1/E1/DS3, 10/100/1000 Base Ethernet, đáp ứng được nhu cầu băng thông của từng khách hàng.

WDM-PON là công nghệ PON sử dụng ghép kênh chia theo bước sóng (WDM) để truyền dẫn dữ liệu trên cùng một sợi quang, giảm thiểu chi phí sản xuất bộ lọc quang cho các bước sóng khác nhau WDM-PON thường được triển khai kết hợp với giao thức TDMA PON, giúp cải thiện băng thông truyền dẫn Hiện tại, WDM-PON đang được triển khai rộng rãi tại Hàn Quốc và các nước Châu Âu, được kỳ vọng sẽ trở thành công nghệ truyền dẫn tương lai.

Lý do chọn đề tài

Trong hoạt động thực tế của mạng WDM-PON sợi quang dự phòng khi không có lỗi xẩy ra sẽ đƣợc sử dụng cho mục đích khác nhƣ tận dụng truyền tín hiệu mức ƣu tiên thấp, trong những mô hình bảo vệ cho mạng WDM-PON chỉ nêu phương pháp bảo vệ nhưng chưa đề xuất ra mô hình tận dụng những sợi quang bảo vệ cho việc truyền tín hiệu mức ƣu tiên thấp Trong hoạt động bảo vệ cho mạng WDM-PON lỗi hệ thống xẩy ra trên đường truyền quang do nhiều nguyên nhân như đứt dây dẫn quang hay suy hao quá lớn hoặc có thể do hỏng hóc thiết bị, lúc này chức năng bảo vệ sẽ được sử dụng Nếu trong trường hợp đứt dây dẫn quang hay suy hao quá lớn làm mất kết nối quang thì hệ thống bảo vệ sẽ hoạt động và tự động chuyển mạch sang đường truyền quang bảo vệ để kết nối tín hiệu quang hoạt động trợ lại Tuy nhiên, trong trường hợp mạng WDM-PON hoạt động bình thường khi không có lỗi xẩy ra việc duy trì đường truyền quang bảo vệ mà không sử dụng vào mục đích nào khác sẽ dẫn đến sử dụng không hiệu quả tài nguyên mạng Do đó ý tưởng đề tài thiết kế mô hình bảo vệ cho mạng WDM-PON kết hợp truyền peer-to- peer nhằm tận dụng tài nguyên bảo vệ trong trạng thái hoạt động thông thường của mạng WDM-PON Trong trạng thái hoạt động bình thường, dây dẫn quang dùng trong mục đích bảo vệ không hoạt động và sẽ đƣợc tận dụng cho việc truyền peer- to-peer.

Mục đích nghiên cứu đề tài

5 Mạng WDM-PON với nhiều ƣu điểm về băng thông rộng cũng nhƣ khả năng thích ứng các chuẩn dữ liệu khác nhau việc triển khai hệ thống cũng không quá khó khăn khi giá thành thiết bị truyền dẫn quang ngày càng hạ cho thấy công nghệ WDM-PON hứa hẹn sẽ đƣợc triển khai sâu rộng, đáp ứng nhu cầu tốc độ, băng thông của người dùng

Trong truyền dẫn quang nói chung và hoạt động của mạng WDM-PON nói riêng việc thiết kế mô hình bảo vệ cho hoạt động của mạng khi có sự cố là vô cùng quan trọng Ngày nay khi khách hàng sử dụng dịch vụ internet ngày càng gia tăng, các ngân hàng, trung tâm dữ liệu, các dịch vụ giải trí nhƣ truyền hình, game luôn đòi hỏi băng thông tốc độ cao, mạng hoạt động liên tục, dữ liệu xuyên suốt nên việc thiết kế mô hình bảo vệ cho mạng WDM-PON là rất cần thiết Trong những năm gần đây việc thiết kế mô hình bảo vệ cho mạng WDM-PON thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm nghiên cứu của nhiều người, hằng năm đều có bài báo, tạp chí đưa ra các mô hình bảo vệ cho mạng WDM-PON [3,4] cho thấy đây là vấn đề đang đƣợc xã hội quan tâm

Mục đích nghiên cứu của đề tài là đƣa ra mô hình bảo vệ cho mạng WDM- PON khắc phục những nhược điểm của những mô hình trước đây đã đưa ra, tối ưu hóa thiết bị thời gian chuyển mạch bảo vệ cũng nhƣ sự linh hoạt của mô hình

Nhƣ ta đã biết mạng PON không hỗ trợ truyền peer-to-peer việc thiết kế mô hình truyền peer-to-peer trên mạng WDM-PON mạng lại nhiều tiện ích cho người sử dụng Những ứng dụng nổi bật trên mạng peer-to-peer đang đƣợc triển khai và nghiên cứu ngày nay nhƣ:

 Hệ thống IPTV peer-to-peer

Hệ thống IPTV cơ bản sử dụng mô hình client/server để cung cấp dịch vụ

IPTV có những hạn chế về dịch vụ như băng thông, lưu trữ và xử lý, chỉ phục vụ tốt cho một số lượng thuê bao nhất định Do đó, giải pháp P2P trên mạng WDM-PON được xem là một giải pháp thay thế hiệu quả với những ưu điểm riêng biệt.

6 của nó qua việc giúp người sử dụng chia sẻ dịch vụ ngang hàng dễ dàng và thuận lợi hơn trong việc mở rộng thuê bao khả năng cung cấp băng thông rộng Những ƣu điểm của hệ thống P2P cho mục đích chia sẻ dữ liệu mở ra con đường dẫn tới một ứng dụng hoàn hảo trên Internet là video trực tuyến P2P

 Hệ thống truyền dữ liệu ngang hàng peer-to-peer

Trong hệ thống ngang hàng, mọi người dùng đều được kết nối với nhau Mỗi máy đóng vai trò tương đương, không có máy nào điều khiển toàn bộ hệ thống Hoạt động của hệ thống dựa trên sự trao đổi trực tiếp giữa các peer thông qua các liên kết được thiết lập giữa chúng.

Hình 1.3 Mô hình truyền peer-to-peer Ƣu điểm của hệ thống P2P là khả năng mở rộng đƣợc, bất kỳ nút nào cũng có thể tham gia vào mạng và sau đó có thể truyền dữ liệu với các nút khác Với mô hình này có thể áp dụng cho các công ty, chủ sở hay chi nhánh khi cần trao đổi, Backup dữ liệu cho nhau dễ dàng

Việc thiết kế mô hình truyền P2P trên mạng WDM-PON đang thu hút sự quan tâm ngày càng lớn Tuy nhiên, các mô hình được đề cập trong [9, 10] vẫn còn nhiều hạn chế và thiếu sót cần được khắc phục Do đó, thiết kế một mô hình truyền P2P tối ưu hơn trên mạng WDM-PON là cần thiết để mang lại tính linh hoạt và hiệu quả cao hơn.

7 hoạt, khả năng khai thác tài nguyên mạng cũng nhƣ hiệu suất sử dụng mạng WDM-PON tăng lên từ đó giá thành sử dụng dịch vụ của người dùng sẽ giảm xuống.

Phạm vi và phương thức nghiên cứu của đề tài

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thiết kế mô hình bảo vệ và truyền P2P trên mạng WDM-PON, những mô hình mạng E-PON, G-PON… không nghiên cứu kỹ trong đề tài này vì nhƣ ta thấy rằng công nghệ WDM-PON so sánh với những công nghệ E-PON, G-PON…có nhiều ƣu điểm vƣợt trội và là mô hình mạng mới đang được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều người và cũng là chủ đề nghiên cứu chính trong bài luận văn Trong mô hình nghiên cứu đề xuất xem xét mô hình mạng WDM-PON với số lượng bước sóng bằng 4 trong đó ba bước sóng λ 1 , λ 2 , λ 3 là những bước sóng sử dụng trong truyền tín hiệu WDM-PON và nghiên cứu trong mô hình bảo vệ, bước sóng còn lại λ P2P sử dụng trong mô hình truyền P2P Mô hình nghiên cứu đề xuất đƣa ra trong hình 1.4

Hình 1.4 Mô hình Bảo vệ cho mạng WDM-PON kết hợp truyền P2P

Trên mô hình đề xuất cho bảo vệ mạng WDM-PON sử dụng phương thức bảo vệ 1:1 với hai loại bảo vệ đƣợc nghiên cứu là bảo vệ cho sợi quang “feeder fiber” và “distribution fiber” những mô hình bảo vệ cho mạng WDM-PON đã đƣợc

8 đƣa ra [3,4] chƣa thực sự tối ƣu và còn nhiều bất cập sẽ đƣợc phân tích trong các chương sau và từ đó cho thấy với mô hình bảo vệ 1:1 cho ta sự linh hoạt trong thiết kế mô hình bảo vệ Mô hình bảo vệ cho sợi quang “feeder fiber” là rất quan trọng vì sợi quang “feeder fiber” là sợi quang truyền tất cả các bước sóng cung cấp cho phía người dùng ONU, khi sợi quang này gặp sự có và mất kết nối thì toàn bộ ONU phía người dùng không thu được tín hiệu cũng như không thực hiện truyền P2P trong mô hình P2P được Mô hình bảo vệ cho sợi quang “distribution fiber” cũng tương tự như mô hình bảo vệ cho sợi quang “feeder fiber” sử dụng phương pháp bảo vệ 1:1 nhƣ trên hình 1.4

Trong mô hình bảo vệ cho mạng WDM-PON ngoài thiết kế mô hình chuyển mạch bảo vệ thành công khi có lỗi xẩy ra thì thông số quan trọng khác cần quan tâm là thời gian chuyển mạch giữa thời điểm ONU mất kết nới tới CO và thời điểm kết nối trở lại Những yếu tố ảnh hưởng tới thời gian chuyển mạch chủ yếu là số lượng chuyển mạch, số lượng thiết bị và quãng đường tính từ vị trí mất kết nối tới bộ thu Rx tại ONU Nhƣ vậy muốn cho thời gian chuyển mạch giảm chỉ còn cách thiết kế mô hình với số lƣợng chuyển mạch và thiết bị trên hệ thống phải tối ƣu

Mô hình truyền P2P kết hợp với mô hình bảo vệ trong mạng WDM-PON được đề xuất trong hình 1.4, linh hoạt hơn trong thiết kế so với mô hình truyền P2P trước đây Điều này giúp giảm giá thành thiết bị phía người sử dụng, rất quan trọng trong thiết kế hệ thống mạng vì chi phí triển khai quá cao sẽ khó áp dụng thực tế.

Việc thiết kế bước sóng λ P2P truyền từ CO giúp giảm chi phí thiết bị và linh hoạt trong thiết kế mạng Trong hoạt động thông thường, nếu không có yêu cầu truyền P2P, bước sóng λ P2P sẽ được thu hồi và sử dụng như dự phòng hoặc cấp cho người dùng khác cần truyền dữ liệu ưu tiên thấp Mô hình truyền P2P đề xuất sử dụng cả sợi quang hoạt động.

“working fiber” và sợi quang dự phòng “protection fiber” trong truyền P2P điều này cho thấy mô hình đƣa ra khai thác triệt để tài nguyên mạng sẵn có mang lại hiệu suất sử dụng mạng cao

Trong mô hình thiết kế truyền P2P quỹ công suất là vấn đề cần quan tâm vì khi mở rộng mạng sẽ ảnh hưởng rất nhiều tới quỹ công suất hệ thống Trong mô hình thiết kế trên hình 1.4 hai điểm ảnh hưởng tới việc mở rộng mạng P2P là bộ chia công suất 1:N và bộ chuyển mạch chéo OXC, trong khi bộ chia công suất là thiết bị nhà sản xuất thiết kế với thông số không thể thay đổi thì bộ nối chéo OXC có độ suy hao công suất lớn hay nhỏ phụ thuộc vào mô hình thiết kế bên trong bộ OXC, việc thiết kế bộ OXC tối ƣu cũng là bài toán đặt ra và cần đƣợc quan tâm

Những kết quả và thực nghiệm trong luận văn đƣợc thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Optisystem cộng với những phân tích kết quả từ những công thức để cho ra kết quả cuối cùng trong luận văn Vì điều kiện kinh tế cũng nhƣ những khó khăn về cơ sở vật chất, giá thành thiết bị quang quá cao mà không thể thực hiện các kết quả trên thiết bị thực đƣợc nhƣng những kết quả mô phỏng từ phần mềm Optisystem khá chính xác và đánh giá đƣợc bản chất của hệ thống.

Những đóng góp của luận văn

Những điểm chính trong luận văn đã thực hiện là:

 Thiết kế mô hình bảo vệ cho mạng WDM-PON với trường hợp bảo vệ cho cả dây “feeder fiber” và “distribution fiber” với mô hình bảo vệ 1:1, mô hình đề xuất đơn giản, tiết kiệm đƣợc số lƣợng thiết bị triển khai trên hệ thống, linh hoạt trong kết hợp truyền P2P trên mạng WDM-PON

 Thiết kế mô hình truyền P2P trên mạng WDM-PON với nhiều ƣu điểm so với mô hình đã đề xuất trong [9]

 Phân tích thời gian chuyển mạch trong mô hình bảo vệ từ đó cho thấy khả năng đáp ứng và tính sẵn sàng của mô hình đề xuất, sự phụ thuộc của thời gian chuyển mạch vào số lƣợng thiết bị cho thấy thiết kế tối ƣu phải có số lƣợng thiết bị thấp

 Phân tích quỹ công suất trong truyền P2P để từ đó cho ta thấy giá trị giới hạn của số lƣợng user khi thiết kế hệ thống cũng nhƣ khả năng mở rộng mạng

 Thiết kế mô hình chuyển mạch chéo OXC trong mô hình truyền P2P tiết kiệm số lƣợng thiết bị và giảm suy hao.

Kết luận chương 1

Công nghệ truyền dẫn WDM-PON là công nghệ tương lai đáp ứng nhu cầu về tốc độ và băng thông ngày càng cao của người sử dụng Những dịch vị truyền hình băng thông rộng, chia sẻ dữ liệu tốc độ cao sẽ đƣợc triển khai dễ dàng trên nền mạng WDM-PON Với yêu cầu ngày càng cao của người dùng về truyền dữ liệu xuyên suốt, những data center cung cấp dịch vụ cho khách hàng không đƣợc gián đoạn dịch vụ và yêu cầu khắt khe trong thiết kế hệ thống, khả năng đáp ứng của hệ thống cao, là những lý do phải triển khai mô hình bảo vệ cho hệ thống WDM-PON nhằm đáp ứng khả năng sẵn sàng của hệ thống

Chương 1 tìm hiểu các khái niệm mạng WDM-PON, các mô hình mạng WDM-PON và các chuẩn đã đề cập cho ta cái nhìn tổng quan về hoạt động thiết kế và triển khai mạng Từ đó đƣa ra mô hình bảo vệ cũng nhƣ mô hình truyền peer-to- peer tối ưu và chính xác nhất Chương 1 nêu tổng quan vấn đề nghiên cứu phương thức thực hiện và những đóng góp của luận văn, chi tiết thực hiện đƣợc làm rõ trong các chương sau

Chương 2 Phân tích mạng WDM-PON các mô hình bảo vệ và truyền P2P 2.1 Gới thiệu mạng WDM-PON

WDM-PON là mạng quang thụ động sử dụng phương thức đa ghép kênh phân chia theo bước sóng thay vì theo thời gian như trong phương thức TDMA

OLT sử dụng một bước sóng riêng lẻ để thông tin với mỗi ONU theo dạng điểm điểm Mỗi một ONU có một bộ lọc quang để lựa chọn bước sóng tương thích với nó, OLT cũng có một bộ lọc cho mỗi ONU Cấu trúc của WDM-PON đƣợc mô tả nhƣ trong Hình 2.1 Trong đó, WDM-PON có thể đƣợc sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau như là FTTx, các ứng dụng cho đường dây thuê bao số tốc độ rất cao VDSL và các điểm truy nhập vô tuyến từ xa Các bộ thu WDM-PON sử dụng kỹ thuật lọc quang mảng ống dẫn sóng Một bộ lọc quang ống dẫn sóng có thể đƣợc đặt ở môi trường trong nhà hoặc ngoài trời

Hình 2.1 Mô hình tổng quát mạng WDM-PON

Trong hệ thống WDM-PON đƣợc phân thành nhiều khối với chức năng và hoạt động khác nhau việc phân tích chi tiết hoạt động từng khối cho ta cái nhìn tổng quan về mạng WDM-PON từ đó thiết kế mô hình bảo vệ và truyền P2P đƣợc chính xác

Sợi quang là một thành phần quan trọng trong mạng, nó tạo sự kết nối giữa các thiết bị Hai thông số cơ bản của sợi quang là suy hao và tán sắc, tuy nhiên sợi quang ứng dụng trong mạng PON thì chỉ cần quan tâm đến suy hao không quan tâm đến tán sắc bởi khoảng cách truyền tối đa chỉ là 20 km nên tán sắc ảnh hưởng không đáng kể Do đó, người ta sử dụng sợi quang có suy hao nhỏ, chủ yếu là sử dụng sợi quang theo chuẩn G.652 Trên thực tế, để khắc phục nhƣợc điểm trong truyền dẫn thông tin của cáp đồng, đã từ lâu người ta đã cho ra đời cáp quang cùng với những tính năng ƣu việt hơn Không giống nhƣ cáp đồng truyền tín hiệu bằng điện, cáp quang dùng ánh sáng để truyền tín hiệu đi, chính vì sự khác biệt đó, mà cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ cao và có khả năng truyền xa hơn Tuy vậy phải đến giai đoạn hiện nay thì cáp quang mới đƣợc phát triển bùng nổ đặc biệt trong lĩnh vực kết nối xuyên lục địa và kết nối xuyên quốc gia Việc sử dụng công nghệ truyền dẫn hiện đại này cũng đang bắt đầu thay thế dần mạng cáp đồng ADSL phục vụ trực tiếp đến người sử dụng Cấu tạo của sợi quang thể hiện trên hình 2.2

Hình 2.2 Cấu tạo sợi quang

 Trong đó các thành phần:

Core: Trung tâm phản chiếu của sợi quang nơi ánh sáng đi qua

Cladding: Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi và phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi

Buffer coating: Lớp phủ dẻo bên ngoài bảo vệ sợi không bị hỏng và ẩm ƣớt

13 Jacket: Hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang đƣợc đặt trong bó gọi là cáp quang, những bó này đƣợc bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài của cáp đƣợc gọi là jacket Độ suy hao thấp hơn các loại cáp đồng (tín hiệu bị mất trong cáp quang ít hơn trong cáp đồng), nên có thể tải các tín hiệu đi xa hàng ngàn km Dung lƣợng tải của cáp quang cao hơn, vì sợi quang mỏng hơn cáp đồng, nhiều sợi quang có thể được bó vào với đường kính đã cho hơn cáp đồng, điều này cho phép nhiều kênh đi qua một sợi cáp

2.1.2 Bộ chia công suất quang coupler

Một mạng quang thụ động sử dụng một thiết bị thụ động để tách một tín hiệu quang từ một sợi quang sang một vài sợi quang và ngƣợc lại, thiết bị này là Coupler quang Để đơn giản, một Coupler quang gồm hai sợi nối với nhau, tỷ số tách của bộ tách có thể đƣợc điều khiển bằng chiều dài của tầng nối và vì vậy nó là hằng số

Hình 2.3 (a) có chức năng tách 1 tia vào thành 2 tia ở đầu ra, đây là Coupler Y Hình 2.3 (b) là Coupler ghép các tín hiệu quang tại hai đầu vào thành một tín hiệu tại đầu ra, hình 2.3 (c) vừa ghép vừa tách quang và gọi là Coupler X hoặc Coupler phân hướng 2x2 Coupler có nhiều hơn hai cổng vào và nhiều hơn hai cổng ra gọi là Coupler hình sao, Coupler NxN đƣợc tạo ra từ nhiều Couper 2x2 Coupler đƣợc đặc trƣng bởi các thông số sau:

Hình 2.3 Cấu hình đơn giản của Coupler (a) chia công suất (b) ghép công suất (c) ghép tách kênh quang

Tổn hao tách: Mức năng lƣợng ở đầu ra của Coupler so với năng lƣợng đầu vào (db) Đối với Coupler 2x2 lý tưởng, giá trị này là 3dB, hình 2.4 minh họa hai mô hình 8x8 Star Coupler dựa trên 2x2 Coupler

Hình 2.4 Star coupler với 8 ngõ vào và 8 ngõ ra

Trong hình 2.5 (a) chỉ 1/6 năng lƣợng đầu vào đƣợc chia ở mỗi đầu ra, hình 2.5 (b) đƣa ra mô hình hiệu quả hơn gọi là mạng liên kết mạng đa ngăn Trong mô hình này, mỗi đầu ra nhận đƣợc 1/8 năng lƣợng đầu vào

Hình 2.5 (a) Coupler 4 ngăn 8x8 (b) Coupler 3 ngăn 8x8

OLT cung cấp giao diện quang về phía mạng phối quang ODN và cung cấp ít nhất một giao diện quang trên mạng ở phía mạng truy nhập quang OLT có thể đƣợc đặt ở bên trong tổng đài hay tại một trạm từ xa Sơ đồ khối chức năng của OLT đƣợc mô tả trong Hình 2.6

Hình 2.6 Mô hình OLT OLT có chức năng quản lý tất cả các hoạt động của mạng WDM-PON

ONU và OLT cung cấp các dịch vụ truyền dẫn một cách trong suốt thông qua mạng WDM-PON

Phần lõi OLT bao gồm các chức năng sau đây:

Chức năng kết nối chéo đƣợc số hóa cung cấp các kết nối giữa phần mạng lõi/ metro với phần mạng phối quang ODN Chức năng ghép kênh truyền dẫn cung cấp kết nối VP giữa chức năng cổng dịch vụ SPF và giao diện ODN Các VP khác nhau đƣợc gán vào các dịch vụ khác nhau tại giao diện PON Các thông tin khác nhƣ báo hiệu, OAM đƣợc trao đổi nhờ các VC trong VP Chức năng ghép kênh truyền dẫn cung cấp việc truyền và ghép các kênh trên mạng phối quang ODN Ví dụ nhƣ dữ liệu đi từ mạng lõi/ metro đến mạng phối quang ODN thì nó có nhiệm vụ là truyền, còn dữ liệu đi từ mạng phối quang ODN đến mạng lõi/ metro thì nó phải được ghép kênh trước khi truyền đến mạng lõi/ metro Chức năng giao diện ODN cung cấp môi trường truyền dẫn quang kết nối OLT với một hoặc nhiều ONU bằng

16 việc sử dụng thiết bị thụ động Nó điều khiển quá trình chuyển đổi quang/ điện và điện/ quang Để có thể thực hiện cơ chế chuyển mạch bảo vệ và làm dễ dàng cho việc xử lí thiết bị thụ động bộ chia thì ở OLT sẽ có các chức năng giao diện ODN giống nhƣ phần mạng phối quang ODN

Giao diện ODN: Đầu cuối đường dây PON xử lý chuyển đổi quang điện Giao diện ODN chèn các tế bào ATM vào

Phần dịch vụ OLT có chức năng cổng dịch vụ Các cổng dịch vụ sẽ truyền ít nhất tốc độ ISDN và sẽ có thể cấu hình một số dịch vụ hay có thể hỗ trợ đồng thời hai hay nhiều dịch vụ khác nhau ví dụ nhƣ dịch vụ truyền hình độ phân giải cao

(HDTV- high definition TV), game online, truyền dữ liệu Bất kì khối TU (tributary unit) cũng đều cung cấp hai hay nhiều port có tốc độ 2 Mbps phụ thuộc vào cách cấu hình trên mỗi port Khối TU có nhiều port có thể cấu hình mỗi port một dịch vụ khác nhau Chức năng cổng dịch vụ SPF đóng vai trò giao tiếp với node dịch vụ Chức năng cổng dịch vụ thực hiện chèn tế bào ATM vào tải trọng SDH đường lên, và tách tế bào ATM từ tải trọng SDH đường xuống Chức năng này phải đƣợc dự phòng, do đó chuyển mạch bảo vệ là cần thiết

Hình 2.7 Các khối chức năng trong OLT

Phần lõi Phần dịch vụ

Phân tích mạng WDM-PON các mô hình bảo vệ và truyền P2P

Giới thiệu các mô hình bảo vệ trong mạng WDM-PON

Những năm gần đây, các dịch vụ thông tin tăng trưởng nhanh chóng, yêu cầu về dung lƣợng truyền dẫn ngày càng lớn, đồng thời yêu cầu về chất lƣợng truyền dẫn cũng ngày càng khắt khe hơn Mạng truyền dẫn WDM-PON có ƣu điểm cung cấp dịch vụ băng thông rộng, tốc độ cao và là xu thế phát triển mạng truyền dẫn hiện tại và trong tương lai

Khách hàng ngày nay không chỉ yêu cầu cung cấp dịch vụ băng rộng tốc độ cao mà còn yêu cầu dịch vụ cung cấp phải liên tục, tính sẵn sàng và ổn định của hệ thống cao Những ứng dụng trên mạng WDM-PON thường là dịch vụ video tốc độ cao như truyền hình HDTV, các dịch vụ trò chơi trực tuyến…, đòi hỏi đường truyền không gián đoạn trong quá trình cung cấp dịch vụ

Trong mô hình mạng WDM-PON có nhiều hạn chế trong việc bảo vệ, và khi những thiết bị hay đường dây quang bị lỗi thì có khả năng bị mất kết nối từ nhà cung cấp dịch vụ tới khách hàng Ngày nay khi yêu cầu độ sẵn sàng của hệ thống ngày càng cao, kết nối không bị mất trong quá trình truyền dịch vụ tới khách hàng, vì thế việc phát triển các mô hình bảo vệ trong mạng quang ngày càng đƣợc quan tâm và triển khai [2]

Bảo vệ riêng là hình thức bảo vệ mà trong đó mỗi kênh làm việc đƣợc truyền trên hai tuyến khác nhau và kênh có chất lƣợng tốt nhất sẽ đƣợc lựa chọn tại đầu thu, do vậy một nửa của dung lƣợng truyền dẫn trong mạng sẽ luôn đƣợc ấn định là dung lƣợng dự phòng dành cho bảo vệ (tức là dung lƣợng bảo vệ bằng 100% dung lƣợng làm việc)

21 Trong bảo vệ 1+1, nút nguồn phát tín hiệu đồng thời trên cả hai tuyến hoạt động và bảo vệ Nút đích giám sát tín hiệu của cả hai tuyến này và lựa chọn tín hiệu có chất lƣợng tốt nhất (ví dụ dựa trên tham số SNR) Nếu phát hiện suy giảm tín hiệu trên tuyến hoạt động thì nút đích tự động chuyển mạch sang tuyến bảo vệ

Trong bảo vệ 1:1 nút nguồn chỉ phát tín hiệu lên tuyến hoạt động, còn tuyến bảo vệ có thể được dùng để truyền lưu lượng có mức ưu tiên thấp Khi xảy ra sự cố trên tuyến hoạt động thì cả nút nguồn và nút đích chuyển mạch lên tuyến bảo vệ

Ví dụ trong một mạng vòng bảo vệ 1+1 sử dụng các kênh quang kép, tín hiệu được phát đi trên hai kênh: một kênh truyền theo hướng thuận chiều kim đồng hồ, còn kênh kia truyền theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, máy thu sẽ lựa chọn tín hiệu tốt nhất Nếu hoạt động này đƣợc thực hiện ở lớp kênh quang thì ta gọi là OC- DPRing (áp dụng cho ring 2 sợi 2 hướng), nếu thực hiện ở lớp ghép kênh quang thì ta gọi là OMS -DPRing (áp dụng cho ring 4 sợi 2 hướng)

Trong các mạng lưới xây dựng các liên kết điểm - điểm truyền tải hai hướng muốn cung cấp bảo vệ riêng thì phải sử dụng hai cặp sợi tách biệt nhau về mặt vật lý, một cặp cấp cho các kênh hoạt động còn cặp kia cấp cho các kênh bảo vệ, khi xảy ra sự cố trên sợi hoạt động thì chuyển các kênh lưu lượng lên sợi bảo vệ

Bảo vệ chia sẻ là phương pháp sử dụng chung một hệ thống dự phòng cho nhiều hệ thống hoạt động Trong điều kiện bình thường, các yêu cầu được định tuyến đến các tuyến hoạt động, còn dung lượng bảo vệ dùng cho lưu lượng ít ưu tiên Khi xảy ra sự cố, lưu lượng trên tuyến sự cố được chuyển sang bước sóng bảo vệ, đòi hỏi hỗ trợ báo hiệu để đảm bảo rằng bước sóng bảo vệ trên sợi cáp khác kết nối đến đúng tuyến quang yêu cầu bảo vệ Khi tài nguyên dự phòng được sử dụng để bảo vệ một tuyến sự cố, nó không còn khả dụng để bảo vệ các tuyến hoạt động khác.

22 cho các tuyến quang hoạt động khác cho tới khi tuyến hoạt động ban đầu này đƣợc khôi phục lại Đối với các vòng ring quang bảo vệ chia sẻ, dung lƣợng của các sợi dành cho các kênh hoạt động và bảo vệ là riêng biệt Do đó một ring 2 sợi bảo vệ chia sẻ là ring 2 hướng, một sợi truyền lưu lượng theo hướng thuận chiều kim đồng hồ, còn sợi kia truyền lưu lượng theo hướng ngược chiều kim đồng hồ

Tương tự với các mạng lưới quang bảo vệ chia sẻ (trong các liên kết điểm - điểm), trong mỗi cặp sợi, mỗi sợi sử dụng một nửa số kênh cho làm việc, và dành một nửa số kênh còn lại để bảo vệ cho lưu lượng làm việc trên sợi kia Nếu một sợi bị sự cố thì các kênh hoạt động sẽ đƣợc truyền trên các kênh bảo vệ của sợi kia

Bảo vệ chia sẻ là một cách để giảm dung lƣợng thừa dành cho dự phòng và giảm số lƣợng các tuyến quang cần phải quản lý

Hiện nay đã áp dụng bảo vệ riêng OMS cho các hệ thống WDM điểm - điểm, trong khi đó bảo vệ OCh đƣợc sử dụng cho cả hệ thống điểm - điểm và các ring OADM

2.2.3 Bảo vệ đoạn ghép kênh quang

Hình thức bảo vệ này đƣợc thực hiện ở lớp ghép kênh quang (OMS), và đƣợc áp dụng bảo vệ trong các mạng cung cấp một số lƣợng lớn các kênh quang Tất cả các bước sóng (kênh WDM) truyền trên sợi quang bị sự cố cùng được định tuyến lại lên một tuyến sợi quang tạm thời rỗi (đã được xác định trước) Thực hiện chuyển mạch bảo vệ không gian tại bộ ghép kênh WDM (chuyển mạch sợi quang)

Hình thức bảo vệ này đƣợc thực thi ở lớp kênh quang Mỗi kênh quang đƣợc bảo vệ độc lập sử dụng một chuyển mạch riêng, dẫn đến tổng số các chuyển mạch quang lớn nhƣng cho phép lựa chọn các kênh để bảo vệ trong bộ ghép kênh và có thể tích hợp bảo vệ của các bộ phát đáp vào trong kiến trúc này

23 Bảo vệ riêng là hình thức bảo vệ mà trong đó mỗi kênh làm việc đƣợc truyền trên hai tuyến khác nhau và kênh có chất lƣợng tốt nhất sẽ đƣợc lựa chọn tại đầu thu, do vậy một nửa của dung lƣợng truyền dẫn trong mạng sẽ luôn đƣợc ấn định là dung lƣợng dự phòng dành cho bảo vệ (tức là dung lƣợng bảo vệ bằng 100% dung lƣợng làm việc)

Những điểm cần lưu ý trong bảo vệ và phục hồi mạng WDM-PON

Trong bảo vệ và phục hồi mạng yếu tố thời gian chuyển mạch và sự duy trì liên tục tín hiệu là yếu tố quan trọng nhất, thời gian chuyển mạch phụ thuộc nhiều

Hình 2.11 Mạng lưới WDM bảo vệ chia sẻ 1:N

Số lượng và chất lượng thiết bị ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của hệ thống bảo vệ Mỗi mô hình bảo vệ đều có ưu và nhược điểm riêng khi triển khai thực tế Việc thiết kế mô hình phù hợp với nhu cầu bảo vệ là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả tối ưu.

2.3.1 Bảo vệ và phục hồi

Trong điều khiển lỗi của mạng quang, có hai cách chính nhằm đảm bảo cho hệ thống không bị gián đoạn đƣợc gọi là bảo vệ và hồi phục Bảo vệ trong mạng quang là việc thiết kế ra sơ đồ mạng nhằm bảo vệ cho trường hợp sợi quang bị đứt, khi sợi quang bị đứt thì các Switch sẽ tự động chuyển trạng thái kết nối với sợi quang bảo vệ Luồng dữ liệu bị mất sẽ đƣợc phục hồi rất nhanh, chức năng tự phục hồi sẽ tìm trên các luồng quang, nếu xuất hiện lỗi hay là cáp quang bị đứt thì chức năng tự phục hồi sẽ hoạt động và khôi phục lại luồng dữ liệu Mặc dù vậy thời gian phục hồi có thể sẽ mất nhiều thời gian phụ thuộc vào quá trình tự chuyển luồng khi dữ liệu bị mất Với hầu hết tất cả các ứng dụng mạng PON, cấu trúc mạng khá đơn giản chủ yếu là hai loại sơ đồ hình tree và ring

Bảo vệ trong mạng quang tập trung vào việc giảm thời gian khôi phục dữ liệu sau sự cố gián đoạn Đặc biệt, bảo vệ lớp quang phải nhanh chóng khôi phục dữ liệu để tránh ảnh hưởng đến các lớp trên Lý do là vì xử lý lỗi tại lớp quang chậm có thể khiến một số dịch vụ tại lớp trên hết thời gian chờ (timeout).

Có hai loại cấu hình chính trong mạng PON là cấu hình tree và ring Trong cấu hình mạng tree, tín hiệu quang được truyền từ OLT tới RN tại đây các bước sóng được chia ra thành nhiều bước sóng đơn lẻ và truyền trực tiếp đến các ONU thông qua “distribution fibers” Với cầu hình ring OLT kết nối tới các “access nodes” (ANs) thông qua vòng ring đơn hay vòng ring kép Mỗi AN bao gồm những

“optical adddrop multiplexer” (OADM) hay những bộ chia công suất đơn giản, để nối tới các ONU trong cả hai trường hợp với mô hình tree hay ring

Ngoài hai mô hình phổ biến ring và tree thì còn những mô hình khác nhƣ mô hình bus hay mô hình star-ring Khi cấu trúc bảo vệ cho mạng quang đƣợc thiết kế

26 mô hình mạng xác định tuyến cáp quang cần bảo vệ hay xác định kết nối giữa OLT và ONU và phương thức bảo vệ đường truyền quang

Ta xét trong mô hình tree, những trường hợp dây fiber bị đứt ảnh hưởng trực tiếp tới các ONU và không tìm đƣợc tín hiệu xuống từ OLT Tuy nhiên trong mô hình ring những dây fiber bị đứt sẽ bị cách ly khỏi luồng dữ liệu xuống từ những ANs và phụ thuộc vào vị trí bị đứt trên vòng ring, nếu không có vòng ring bảo vệ thì tín hiệu xuống tại những ONU này sẽ bị mất

2.3.3 Đặc điểm mô hình mạng

Thông thường trong mạng PON với dữ liệu xuống sẽ có một sóng mang quang dùng cho truyền (video) hay hai sóng mang quang cho truyền ( video và data), trong khi đó một sóng mang quang sẽ dùng cho dòng dữ liệu truyền lên

Những sóng mang quang này sẽ phân thời gian tại tất cả ONU, nhằm kích hoạt dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao tới khách hàng và làm giảm tính phức tạp trong việc nâng cấp mạng, PON sử dụng kỹ thuật WDM với tên gọi là WDM-PON, đây cũng là kỹ thuật thu hút nhiều sự quan tâm và nghiên cứu trong thời gian gần đây Trong WDM-PON, mỗi ONU được chỉ định bởi một bước sóng riêng biệt để kết nối tới OLT Những vấn đề thông thường về khoảng cách và thời gian phân chia cho mỗi

ONU không còn là vấn đề cần quan tâm Tại RN tất cả các bước sóng lên “upstream wavelengths” sẽ không bị đụng độ vì mỗi kênh là một bước sóng khác nhau Trong mỗi ONU sẽ có một khoảng băng thông dành riêng phụ thuộc vào mục đích sử dụng Bảo vệ trong PON thường triển khai bằng việc lắp đặt hai sợi quang, một cho truyền dữ liệu và một cho dự phòng cộng thêm các switch chuyển trạng thái Trong WDM-PON đưa ra nhiều kích thước cho kênh quang, sự đa dạng của sợi quang tạo điều kiện dễ dàng trong việc triển khai mô hình mạng Làm giảm số lƣợng sợi quang trong mô hình bảo vệ

2.3.4 Tài nguyên mạng cần bảo vệ

Nhìn chung có hai loại tài nguyên cần bảo vệ trên mạng PON là dây dẫn quang và các loại thiết bị, cả hai thành phần này đều ảnh hưởng trực tiếp tới tính sẵn sàng của kênh truyền quang khi hoạt động trên mạng

Để bảo vệ tính liên tục của dữ liệu trong trường hợp đứt cáp quang, các phương pháp bảo vệ như cấu hình 1:1 hoặc 1:N đã được phát triển và triển khai Những phương pháp này giúp ngăn chặn sự gián đoạn dịch vụ khi tuyến cáp quang ngoài trời dễ bị đứt, đồng thời giảm thời gian phục hồi bằng cách giảm thiểu nhu cầu hàn cáp.

Ngoài việc bảo vệ tại dây dẫn quang và các thiết bị thì tại bộ ghép và dồn kênh tại RN trong mạng WDM-PON cũng có thể cần đƣợc bảo vệ nhƣ bảo vệ trong bộ AWG hay các bộ WDM multiplexer

2.3.5 Số lỗi cần bảo vệ trên hệ thống mạng WDM-PON

Các mô hình hiện tại thường tập trung vào biện pháp bảo vệ khi hệ thống xảy ra lỗi Tuy nhiên, lỗi đường truyền hay sự cố thiết bị lại xảy ra ngẫu nhiên và không phụ thuộc vào mô hình mạng Thời gian trung bình để xảy ra lỗi cũng lớn hơn nhiều so với thời gian khắc phục sự cố Do đó, nếu lỗi nghiêm trọng như đứt cáp quang thì có thể khiến nhiều điểm trên hệ thống mất kết nối Hiện nay, có nhiều nghiên cứu và thử nghiệm các mô hình bảo vệ mạng mới nhằm khắc phục những vấn đề này.

2.3.6 Tự động chuyển mạch bảo vệ

Công tắc bảo vệ tự động (ASP) có thể được đặt tại tủ thiết bị đầu cuối tuyến (CO) hoặc thiết bị mạng quang (ONU) Nếu đặt tại CO, tất cả các công tắc sẽ hoạt động tại thiết bị đầu cuối tuyến quang (OLT) sau khi tín hiệu cảnh báo được tập trung và giám sát bởi màn hình Các công tắc được điều khiển bằng mạch điện và có thể tự động chuyển đổi trạng thái khi xảy ra lỗi.

Các mô hình bảo vệ trong mạng WDM-PON

Trong phần này giới thiệu về một số mô hình bảo vệ trong mạng quang cho mô hình PON và WDM-PON, với hai loại mô hình tiêu biểu là tree và ring sẽ đƣợc

29 làm rõ Như đã đề cập trong phần trước sự cố mất kết nối trên đường truyền quang thường xẩy ra và nó đặt hệ thống WDM-PON trong tình trạng nguy hiểm vì sẽ làm mất kết nối kênh quang từ OLT tới ONU, vì vậy trong những mô hình đƣợc nêu ra sau đây nhằm mục đích bảo vệ cho mạng PON hoạt động tốt ngay cả khi có sự cố đứt kênh quang xẩy ra

Các chuẩn trong mạng PON bao gồm A-PON (ITU-T G.983.1) [2], B-PON

(ITU-T G.983.3) [2], EPON (IEEE 802.3ah) [2], và G-PON (ITU-T G.984) [3], thường rơi vào mô hình mạng tree với phương thức kết nối point-to-multipoint

Những bộ chia công suất đƣợc triển khai nhằm chia tín hiệu truyền xuống tại RN và truyền tín hiệu tới các ONU thông qua dây “fiber” Hình 2.12 đƣa ra bốn mô hình bảo vệ khác nhau và bảo vệ tại các lớp khác nhau, theo khuyến nghị của ITU-T G.983.1 [4] Đây là các mô hình đơn giản gồm các cách bảo vệ 1:1 cho dây “fiber” hay các thiết bị trong mạng

Hình 2.12 Mô hình switch bảo vệ theo khuyến nghị ITU-T G.983.1 Trong hình 2.12 (a) là mô hình bảo vệ với hai dây “feeder fiber” nối song song từ OLT tới RN trong đó một sợi dùng cho truyền tín hiệu downstream và sợi

30 còn lại dùng cho bảo vệ Hình 2.12 (b) trình bày mô hình hai nguồn thu phát tại OLT thông qua hai dây “feeder fiber” nối giữa OLT và RN với mô hình này khi một nguồn phát bị lỗi thì nguồn còn lại sẽ là nguồn bảo vệ, khi có hƣ hỏng xẩy ra trên thiết bị phát thì switch tại OLT sẽ chuyển trạng thái kết nối tới nguồn bảo vệ và duy trì truyền tín hiệu liên tục Với mô hình này sẽ làm giảm chi phí trong việc thiết kế song song nguồn thu phát tại các ONU Trong hình 2.12 (c) không chỉ thiết kế song song các nguồn thu phát tại OLT mà cả tại ONU, theo đó bộ chia công suất tại RN sẽ đƣợc chia ra làm hai nhóm Hệ thống mạch điều khiển chuyển trạng thái của các switch cho bảo vệ đƣợc đặt tại OLT và ONU, khi có sự cố xẩy ra đứt dây

“fiber” hay các thiết bị hƣ hỏng, mạch điều khiển sẽ tự động chuyển trạng thái kết nối tại các switch Trong hình 2.12 (d) tương tự như hình 2.12 (c) nhưng tại RN các dây “feeder fiber” đƣợc đấu chéo giữa các bộ thu phát và các bộ chia công suất, với mô hình kết nối này mô hình bảo vệ linh hoạt hơn

Mô hình bảo vệ đƣợc đề cập trong [5, 6, 7] nhƣ hình sau:

Hình 2.13 Mô hình bảo vệ khi lỗi xẩy ra tại hai điểm trên đường truyền quang Xét tại trung tâm mạng CO, tín hiệu quang tới mỗi RN đƣợc chia ra bởi bộ chia/ ghép quang CP 3 dB và kết nối tới đường quang hoạt động thông thường và

31 đường bảo vệ bởi bộ lọc B/R như trong hình 2.13 và hình 2.14 Tại RN bao gồm

1xN AWG và bộ lọc B/R trong đó Port “B” kết nối tới các ONU tương ứng trong nhóm 1, Port “R” kết nối tới các ONU trong nhóm 2 Bước sóng cho các ONU được chia làm hai và được chuyển mạch đồng thời trong hai đường khác nhau, một đường sử dụng cho truyền thông thông thường và đường còn lại sử dụng trong trường hợp bảo vệ Bộ phát hiện công suất quang được tích hợp sẵn trong ONU, giám sát trạng thái của đường truyền và phát hiện ra sự mất công suất trong đường truyền quang

Khi một đường truyền quang bị mất kết nối, bộ thu phát hiện công suất quang phát hiện và chuyển trạng thái và bộ phận điều khiển sẽ gửi tín hiệu chuyển mạch tới switch chuyển mạch (OSW) cho trạng thái tương ứng OSW tại ONU sẽ chuyển port bảo vệ để kết nối dữ liệu trở lại

Hình 2.14 Mô hình bảo vệ cho dây dẫn quang từ CO tới RN

32 Trong các kỹ thuật bảo vệ mạng nêu ra thì hầu nhƣ là triển khai bảo vệ với mô hình nhân đôi ví dụ nhƣ trong bảo vệ dây “fiber” và các thiết bị trong hệ thống WDM-PON Trong mô hình dưới đây thiết kế mô hình bảo vệ 1:N [8, 17] nhằm đưa ra mô hình bảo vệ cho hệ thống tốt hơn

 Trước tiên ta tìm hiểu các mô hình 1:1 như trong hình 2.15

Tại remote node (RN) bao gồm một AWG (S=8) và sử dụng 1:2 coupler để truyền tín hiệu tới các ONU Tín hiệu đƣợc truyền từ OLT tới ONU thông qua dây “feeder fiber” (FF1) trong khi đó (FF2) dùng cho dự phòng Bộ chuyển mạch tự động đƣợc đặt tại OLT, hai màn hình giám sát công suất quang đƣợc đặt tại các vị trí thích hợp trong ONU nhằm phát hiện lỗi và điều khiển chuyển mạch bảo vệ tại switch

Hình 2.15 Mô hình bảo vệ tại ONU Mô hình trong hình 2.16 khác với mô hình trong hình 2.15 tại OLT có hai hệ thống phát và thu tín hiệu quang riêng biệt và một switch 2x2 được đặt trước dây

“feeder fiber”, mạch điện điều khiển đặt tại OLT để điều khiển trạng thái của switch

33 Trong hai mô hình trên ta thấy mỗi mô hình có một lợi thế khác nhau nhƣng đặc điểm chung của hai mô hình này là khắc phục đƣợc một lỗi xẩy ra tại một thời điểm và khi nhiều hơn một lỗi xuất hiện thì sơ đồ trên tỏ ra không hiệu quả

Hình 2.16 Mô hình bảo vệ tại OLT

 Tiếp theo ta xét hệ thống bảo vệ 1:N nhƣ hình 2.17

Trong mô hình trong hình 2.17, ta xem xét hệ thống có 8 ONU, với 8 bước sóng đƣợc truyền từ OLT xuống, tại RN sẽ kết hợp 3 bộ AWG 1:8 kết nối tới ONU thông qua dây “distribution fiber” nếu không tính đến mất mát tổng quát, 8 ONU đƣợc thiết kế với mô hình bảo vệ 1:2 nhƣ thiết kế hình trên OLT và RN kết nối thông qua 3 dây “feeder fiber” trong đó “feeder fiber” (FF1) và (FF2) là dùng cho truyền tín hiệu và (FF3) dùng cho bảo vệ trong hoạt động thông thường của hệ thống Bước sóng hoạt động trong mô hình trên cũng được thiết kế bảo vệ 1:2 trong

34 đó 8 bước sóng hoạt động ở chế độ thông thường và 4 bước sóng hoạt động trong chế độ bảo vệ

Tại OLT và ONU, người ta sử dụng phổ biến các bộ chuyển mạch quang tự động chuyển đổi cùng các bộ màn hình quang giám sát tín hiệu quang Bảng 2.1 tổng hợp thông tin về bảng phân chia bước sóng, cung cấp cho 8 ONU.

Bảng 2.1 Bảng phân bổ bước sóng cho ONU

Trong chương 2 đã nêu ra mô hình và phương pháp triển khai bảo vệ cho hệ thống mạng WDM-PON và mô hình truyền peer-to-peer Chi tiết cũng như phương thức hoạt động của từng mô hình củ thể đã đƣợc tổng hợp từ những bài báo, tạp chí liên quan cho ta cái nhìn tổng thể về những nghiên cứu triển khai hệ thống thực tế tới thời điểm hiện tại

Mỗi mô hình đưa ra phù hợp với từng yêu cầu thực tế, vì thế người thiết kế hệ thống phải có cái nhìn toàn diện để thiết kế mô hình phù hợp Ngày nay khi giá thành thiết bị truyền dẫn quang đã giảm xuống sự phụ thuộc vào thiết bị không quá lớn nên việc thiết kế mô hình bảo vệ cũng nhƣ truyền peer-to-peer trên mạng WDM-PON cũng linh hoạt hơn

Phân tích mô hình, nguyên lý hoạt động giúp đánh giá ưu/nhược điểm của các mô hình thiết kế, từ đó lựa chọn hoặc đề xuất mô hình tối ưu hơn Kiến thức từ chương 2 đóng vai trò nền tảng cho việc thiết kế và triển khai mô hình mạng đề xuất trong chương 3.

Thiết kế mô hình bảo vệ cho mạng WDM-PON kết hợp truyền P2P

Giới thiệu

Như các chương trước đã đề cập thì mạng PON không hỗ trợ truyền peer-to- peer, nhƣng để đa dạng hóa dịch vụ trên mạng PON việc nghiên cứu mô hình truyền peer-to-peer trên mạng PON là vấn đề đang đƣợc quan tâm và có nhiều nghiên cứu đã đƣợc đƣa ra [9,10] Tuy nhiên trong những?” mô hình mạng đã đƣa ra này [9] còn có nhiều bất cập nhƣ mô hình mạng chƣa thực sự chính xác, còn có nhiều điểm bất cập trên sơ đồ, mô hình chƣa tối ƣu khi thiết kế có suy hao công suất quang lớn, mô hình đƣa ra nếu triển khai thực tế sẽ bị nhiễu đồng kênh do truyền nhiều tín hiệu có chung bước sóng trên một kênh truyền.

Hoạt động của mạng WDM-PON

Trong trạng thái hoạt động thông thường của mạng WDM-PON, khi không có lỗi xẩy ra và khi không có yêu cầu truyền peer-to-peer hoạt động của mạng WDM-PON đƣợc mô tả nhƣ trong sơ đồ tổng quát thể hiện trên hình 3.1

Hình 3.1 Mô hình Mạng WDM-PON

52 Xét tại chiều xuống DS bước sóng quang được phát tại khối CO bởi nguồn phát quang CW Laser, sau khi đi qua bộ điều chế MZM sẽ truyền tới bộ dồn kênh MUX N:1 để tổng hợp các bước sóng λ 1 …λ N sau khi đã điều chế để truyền trên sợi quang

Hai Switch SW1 và SW2 có chức năng chuyển mạch bảo vệ 1:1 để lực chọn đường truyền hoạt động và đường bảo vệ, trong hoạt động hai Switch SW1 và SW2 được thiết lập trạng thái „0‟ kết nối tới đường truyền quang hoạt động để truyền tín hiệu tới RN Đường truyền hoạt động trong trường hợp này được thiết kế với chiều dài 20 km kết nối từ CO tới RN Xét tại RN tín hiệu đƣợc chia ra thành N kênh với các bước sóng λ 1 …λ N bởi bộ DEMUX 1:N sau khi các bước sóng được chia ra tại RN sẽ đƣợc truyền tới các ONU thông qua các sợi quang “ Distribution fiber” chiều dài 5 km Tương tự như phần trên tại đây tín hiệu quang cũng được bảo vệ 1:1 bởi các Switch 2x2, trong hoạt động thông thường các Switch 2x2 được thiết lập ở trạng thái “Bar” kết nối tới sợi quang hoạt động và sợi bảo vệ từ RN tới các ONU Xét tại ONU tín hiệu quang với bước sóng λ N tương ứng với ONU N truyền tới bộ chia công suất 1:2 từ đây một phần công suất đƣợc đƣa tới bộ thu Rx của ONU, phần còn lại đƣợc truyền tới bộ điều chế tại ONU Tín hiệu quang sau khi truyền trên quang đường dài 20 km và truyền qua các thiết bị trên hệ thống bị suy giảm công suất sẽ đƣợc khuếch đại bởi bộ SOA sau đó đƣợc điều chế ngƣợc để truyền ngƣợc lên CO Ở chiều lên US cũng tương tự như chiều xuống tín hiệu được truyền tới RN sau đó truyền qua sợi quang với quãng đường dài và tới bộ thu Rx tại CO Như vậy tín hiệu quang giữa đầu thu và phát truyền thông thành công cho nhau

3.2.1 Khối trung tâm điều khiển mạng CO

Chức năng chính của khối CO là cung cấp bước sóng cho các ONU, làm trung tâm điều khiển trong mạng WDM-PON Sơ đồ cấu tạo tổng quan của khối CO trong mô hình bài toán dƣa ra đƣợc thế hiệu nhƣ hình 3.2

53 Hình 3.2 Sơ đồ thu phát tại trung tâm mạng CO

Nguyên lý hoạt động của khối CO nhƣ sau:

Nguồn phát quang Tx là các Laser Diode phát ra bước sóng λ DS tương ứng cho mỗi ONU phía người dùng, các bước sóng được tạo ra với mức công suất tương ứng đƣợc điều chế bởi bộ MZM và truyền tới bộ ghép kênh quang MUX N:1 để truyền trên sợi quang “feeder fiber” Chiều ngược lại cũng tương tự, tín hiệu đã được điều chế tại ONU với bước sóng λ US được truyền đến bộ thu Rx tương ứng nhƣ vậy quá trình thu phát quang đƣợc hoàn thành Sơ đồ củ thể cấu tạo thiết bị trong khối CO đƣợc thể hiện nhƣ hình 3.3

Hình 3.3 Cấu tạo bộ thu và phát tín hiệu quang tại CO

 Hoạt động của bộ thu, phát quang tại CO nhƣ sau:

Xét tại chiều xuống DS, nguồn quang đƣợc tạo ra bởi CW Laser đƣợc đƣa vào bộ điều chế MZM để điều chế tín hiệu quang Bộ MZM có 3 cổng 2 ngõ vào và một ngõ ra, một ngõ vào quang đƣợc nối tới CW Laser thu tín hiệu sóng mang quang phát ra từ CW Laser, ngõ vào còn lại là ngõ vào điện, dữ liệu cần điều chế đƣợc truyền tới ngõ này sau khi gắn lên tín hiệu sóng mang quang đƣợc truyền qua bộ phân cực sau đó truyền tới bộ tách ghép quang Circulator và truyền tới bộ MUX

Tại chiều lên US tín hiệu truyền tới Circulator đƣợc rẽ nhánh qua bộ thu Rx

3.2.2 Khối thiết bị người dùng ONU

Khối thiết bị người dùng ONU được cấp cho từng user, mỗi ONU N sử dụng một bước sóng λ N riêng biệt, sơ đồ cấu tạo khối ONU được thế hiện như trong hình 3.4

Hình 3.4 Sơ đồ cấu tạo khối ONU

 Các thành phần trong Sơ đồ cấu tạo khối ONU:

PS - Bộ chia công suất 1:2 chia tín hiệu DS tới đầu thu Rx và bộ điều chế EM

EDFA - Bộ khuếch đại tín hiệu DS trước khi điều chế ngược

Data - Dữ liệu ngõ vào của bộ điều chế EM

EM - Bộ điều chế (Electroabsorption modulator) điều chế tín hiệu US

Rx - Bộ thu tín hiệu DS và US

 Nguyên lý hoạt động của khối ONU nhƣ sau:

Tín hiệu đường xuống DS sau khi đi qua bộ Circulator được truyền tới bộ chia công suất 1:2, một phần công suất sẽ đƣợc truyền tới bộ thu Rx phần còn lại truyền qua bộ khuếch đại SOA trước khi đi vào bộ điều chế EM Sau khi tín hiệu đƣợc điều chế tại EM tín hiệu US đƣợc truyền ngƣợc lại tới Circulator để ghép tín hiệu vào sợi quang “Distribution fiber” truyền ngƣợc lên CO

Bộ khuếch đại SOA trong trường hộp này là bắt buộc vì thực tế khi tín hiệu quang truyền từ CO sau khi đi qua quãng đường truyền trên sợi quang “feeder fiber” và nhiều thiết bị khác trên hệ thống bị suy giảm công suất rất nhiều so với công suất phát ban đầu Nếu không khuếch đại tín hiệu trong trường hợp này mà điều chế tín hiệu US thì sẽ không đủ công suất phát tín hiệu quang từ ONU tới CO Bộ điều chế EM cũng tương tự như bộ điều chế MZM có chức năng điều chế tín hiệu đường lên US truyền về CO

3.2.3 Khối truy nhập mạng RN

Khối truy nhập mạng RN có chức năng cung cấp kênh quang với bước sóng tương ứng cho từng ONU và bước sóng λ P2P trong truyền Peer-to-peer Cấu tạo của khối truy nhập mạng RN thường là các bộ MUX/DEMUX hay bộ AWG, hình 3.5 mô tả hoạt động của khối truy nhập mạng RN

56 Hình 3.5 Khối truy nhập mạng RN

Các bước sóng truyền trong sợi quang “feeder fiber” trong chiều xuống DS được chia thành những bước sóng riêng lẻ truyền tới mỗi ONU tương ứng, chiều lên US khối truy nhập mạng RN có vai trò như bộ dồn kênh ghép các bước sóng truyền lên từ các ONU để truyền lên CO thông qua đường truyền quang “feeder fiber”.

Mô hình và hoạt động bảo vệ trong mạng WDM-PON

Nhƣ đã biết việc thiết kế mô hình bảo vệ duy trì hoạt động của mạng WDM- PON là rất quan trong và trong thực tế bất kỳ mạng quang nào cũng phải thiết kế mô hình bảo vệ cho trường hợp lỗi xẩy ra Các mô hình bảo vệ đã được đề cập trong [4], tuy nhiên những phương pháp này làm suy giảm công suất tín hiệu lớn do tín hiệu đi qua nhiều thiết bị trên sơ đồ mạng Với yêu cầu thiết kế sơ đồ bảo vệ ít thiết bị, suy hao thấp, chi phí giảm thì những thiết kế trên chƣa thực sự tối ƣu

Thiết kế mô hình bảo vệ mạng tối ưu đòi hỏi sự phức tạp và tùy thuộc vào các yêu cầu bảo vệ mạng cụ thể Vì vậy, việc tùy chỉnh mô hình để phù hợp với từng trường hợp là điều cần thiết để đảm bảo hiệu quả bảo vệ tối ưu.

Mô hình đề xuất trong luận văn đưa ra nhằm bảo vệ cho đường truyền quang khi đứt bất kỳ đường truyền quang nào trên mạng cũng bảo vệ được và có thể bảo vệ đƣợc tổng cộng 2 lỗi cùng lúc với mô hình mạng WDM-PON truyền cho ba thuê bao Với bài toán đặt ra việc sử dụng bảo vệ 1:1 có nhiều ƣu điểm hơn so với những phương pháp bảo vệ [5] Trong bảo vệ 1:1 đường truyền bảo vệ không tham gia vào

Tuy nhiên trong thực tế, đường truyền bảo vệ có thể được sử dụng để truyền tín hiệu mức ưu tiên thấp hoặc trong truyền tín hiệu ngang hàng (peer-to-peer), ngoài chức năng truyền tín hiệu trong hoạt động thông thường.

Hoạt động của hệ thống WDM-PON trong trạng thái bảo vệ đƣợc thể hiện như hình 3.6, với hai trường hợp bảo vệ là bảo vệ đường truyền chung “Feeder fiber” từ CO tới RN, và bảo vệ đường truyền riêng “Distribution fiber” tới từng ONU

Hình 3.6 Mô hình mạng WDM-PON trong trạng thái hoạt động bảo vệ

Trong hình 3.6 sợi quang màu đen là sợi quang hoạt động và sợi màu đỏ là sợi bảo vệ, các switch SW1 và SW2 là các switch chuyển mạch bảo vệ khi phát hiện ra lỗi trên đường truyền

3.3.1 Bảo vệ đường truyền chung Feeder fiber

Mô hình bảo vệ đường truyền quang chung “feeder fiber” từ CO tới RN được thể hiện trên hình 3.7, đường truyền chung “feeder fiber” là dây dẫn quang kết nối từ trung tâm CO tới các điểm truy nhập mạng RN truyền tín hiệu DS tới các

58 ONU phía người dùng Đường truyền chung thường là sợi quang đa mode truyền N bước sóng λ 1 …λ N tới N ONU, trường hợp mạng bị sự cố do đứt tuyến cáp quang chung hay bị suy hao quá lớn tất cả các ONU phía người dùng sẽ bị mất kết nối tới trung tâm mạng CO Lúc này chức năng bảo vệ sẽ đƣợc kích hoạt, sự phát hiện mất tín hiệu trên sợi quang hoạt động và điều khiển chuyển mạch của Switch đƣợc thực hiện bởi khối giám sát công suất trên sợi quang “Feeder fiber” và khối điều khiển chuyển mạch của switch Khi khối giám sát công suất quang trên sợi quang “Feeder fiber” phát hiện sự giảm công suất quang tới mức ngƣỡng thiết lập sẽ phát ra tín hiệu chuyển mạch tới các switch bảo vệ, lúc này hai switch bảo vệ cho đường truyền “Feeder fiber” đồng loạt chuyển mạch sang trạng thái bảo vệ “1” nhƣ vậy toàn bộ lưu lượng được chuyển qua đường truyền bảo vệ Sau khi chuyển mạch tại switch hoàn thành bộ thu Rx phía người dùng ONU thu được tín hiệu DS trở lại, việc điều chế ngƣợc lên CO cũng thực hiện thành công

Hình 3.7 Mô hình bảo vệ đường truyền quang “feeder fiber”

Hình 3.7 là thiết kế mô hình bảo vệ 1:1 với một sợi hoạt động “Working fiber” và sợi bảo vệ “Protection fiber” hai switch 1x2 có tác dụng chuyển mạch giữa hai đường truyền khi có lỗi xẩy ra tuy nhiên sau khi sự cố trên đường truyền hoạt động “Working fiber” đƣợc khắc phục thì switch sẽ tự động chuyển mạch trở lại trạng thái ban đầu “0” đường truyền “Working fiber” kết nối trở lại

3.3.2 Mô hình bảo vệ cho đường truyền “Distribution fiber”

Mô hình bảo vệ cho đường truyền “Distribution fiber” được thể hiện như trên hình 3.8 Không giống như trong trường hợp lỗi trên đường truyền “Feeder fiber”, khi có lỗi trên đường truyền “Distribution fiber” chỉ ảnh hưởng trực tiếp tới ONU tương ứng những ONU khác vẫn hoạt động bình thường Tương tự như trường hợp bảo vệ cho “Feeder fiber” hai switch 2x2 làm nhiệm vụ chuyển mạch cho sợi “working fiber” và “protection fiber” Khi phát hiện ra sự suy giảm công suất tới mức ngƣỡng trên sợi quang hoạt động “working fiber”, khối giám sát công suất gửi tín hiệu chuyển mạch tới hai switch bảo vệ chuyển luồng dữ liệu từ sợi sợi

“working fiber” sang sợi “protection fiber”

Hình 3.8 Mô hình bảo vệ cho sợi quang “Distribution fiber”

Trong mô hình 3.8 sử dụng phương pháp bảo vệ 1:1 với một sợi quang hoạt động “working fiber” và sợi bảo vệ “protection fiber” trong đó sợi quang hoạt động

60 được thiết lập mức ưu tiên cao hơn, sợi bảo vệ trong hoạt động thông thường không truyền tín hiệu đường xuống DS mà được sử dụng cho truyền peer-to-peer

3.3.3 Kết quả mô phỏng trong bảo vệ mạng WDM-PON

Kết quả mô phỏng cho trường hợp lỗi xẩy ra đồng thời trên sợi quang hoạt động “Feeder fiber” và “Distribution fiber” đƣợc thể hiện nhƣ hình 3.9

Hình 3.9 (a) BER trước khi chuyển mạch bảo vệ (b) BER sau khi chuyển mạch bảo vệ

Kết quả mô phỏng biểu đồ BER cho thấy ở công suất phát 5dB, chiều dài sợi quang feeder fiber = 20 km và chiều dài sợi distribution fiber = 5 km, với cùng độ suy hao 0,2 dB/km, BER đạt 10-49 Sau khi chuyển mạch bảo vệ, chất lượng tín hiệu thu được tương đương với ban đầu Tuy nhiên, do thời gian trễ chuyển mạch và trễ đường truyền, tín hiệu có thể bị gián đoạn trong thời gian ngắn trong quá trình chuyển mạch.

3.3.4 Thời gian trễ chuyển mạch trong mô hình bảo vệ mạng WDM-PON

Thời gian trễ chuyển mạch là khoảng thời gian từ lúc bộ thu Rx của phía người dùng ONU không thu được tín hiệu đường xuống DS truyền từ CO cho tới khi thu đƣợc tín hiệu DS trở lại Thời gian trễ trong chuyển mạch bảo vệ phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ độ trễ chuyển mạch của switch, số lƣợng thiết bị tính từ vị trí chuyển mạch tới bộ thu Rx phía ONU, quãng đường tín hiệu truyền trên sợi quang dài hay ngắn tính từ vị trí chuyển mạch tới bộ thu Rx Ngoài ra nếu xét trên hệ thống truyền tín hiệu liên tục và không mất mát thông tin thì phải tính thêm thời gian truyền lại tín hiệu trong khoảng thời gian mất tín hiệu do trễ chuyển mạch Tuy nhiên trong trường hợp này ta chỉ xét thời gian trễ từ lúc bộ thu Rx của ONU không thu đƣợc tín hiệu DS cho tới lúc thu tín hiệu DS trở lại Tổng thời gian trễ đƣợc biểu diễn bởi công thức 3.1

T Delay = T switch + TTrễ đường truyền + TTrễ thiết bị + TPhát hiện lỗi + T Truyền lại (3.1) So sánh mô hình đề xuất với phương pháp [18]

Thời gian trễ thiết bị đƣợc tổng hợp trong bảng 3.1 nhƣ sau: T

Bảng 3.1 Thống kê thời gian trễ thiết bị

Tên thiết bị Số lƣợng Thời gian trễ

Thời gian phát hiện lỗi 1 0.1 ms

Thời gian truyền lại 1 2 ms

Thời gian trễ tổng cộng 7.55 ms

Nguồn giá trị tham khảo tại: http://www.thorlabs.com/navigation.cfm?guide_id=1

Theo công thức 3.1 và giá trị trong bảng 3.1 tổng suy hao chuyển mạch hệ thống là:

62 T Delay = T switch + TTrễ đường truyền + TTrễ thiết bị + TPhát hiện lỗi T Truyền lại = 7.55 ms

So sánh với phương pháp [5] với cùng phương pháp bảo vệ 1:1 ta thấy thời gian chuyển mạch bảo vệ trong [5] là 9 ms so sánh với thời gian chuyển mạch của mô hình đề xuất thì mô hình đề xuất có thời gian chuyển mạch nhanh hơn Với khoảng thời gian chuyển mạch nhƣ trên ta thấy mô hình đƣa ra có thời gian chuyển mạch thấp ít ảnh hưởng tới quá trình truyền dữ liệu trong thời gian chuyển mạch.

Truyền peer-to-peer trên mạng WDM-PON

Nhƣ đã biết trong mạng PON không hỗ trợ truyền peer-to-peer, nên việc thiết kế mô hình truyền peer-to-peer trên mạng PON có ý nghĩa quan trọng trong việc đa dạng hóa dịch vụ và tối ƣu hóa hiệu suất sử dụng Những dịch vụ peer-to-peer trên mạng PON ngày nay đang triển khai rộng rãi hứa hẹn mang lại cho người dùng những dịch vụ tiện ích, giải trí với đường truyền tốc độ cao như dịch vụ chia sẻ dữ liệu, dịch vụ truyền video tốc độ cao…Việc kết hợp truyền peer-to-peer với mô hình bảo vệ sẽ tận dụng đƣợc tài nguyên mạng vì thế hiệu suất sử dụng tăng Mô hình truyền peer-to-peer đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.10

Hình 3.10 Mô hình truyền peer-to-peer trên mạng WDM-PON

63 Xét mô hình củ thể trên hình 3.10, nguyên lý hoạt động của hệ thống nhƣ sau:

Bước sóng λ-P2P phát ra từ CO được phân phối đến từng ONU thông qua bộ chia công suất 1:N Trong hệ thống với 3 ONU, bộ chia công suất 1:3 được sử dụng Sau khi đi qua bộ chia công suất, bước sóng λ-P2P được đưa vào 3 circulator tương ứng với từng ONU, sau đó được truyền đến các OS-switch tương ứng.

Các switch OS-1, OS-2, OS-3, là các switch lực chọn giữa chế độ truyền thông thường và truyền peer-to-peer Các OS- switch thiết lập mức „0‟ cho truyền tín hiệu thông thường mức „1‟ cho truyền peer-to-peer

Khi ONU 1 và ONU 2 cần truyền dữ liệu trực tiếp (peer-to-peer), các switch OS-1 và OS-2 sẽ thiết lập bước sóng λ-P2P Sau khi truyền tín hiệu DS (Downstream) qua các switch, tín hiệu sẽ được truyền đi trên sợi quang Các switch 2x2 (WS-1, WS-2, WS-3, WS-1', WS-2', WS-3') đều ở trạng thái "Bar" để bảo vệ đường truyền Nếu cần bảo vệ thêm, các switch này sẽ chuyển sang trạng thái "Cross".

“working fiber” để truyền tới ONU 1 và ONU 2

Tại ONU1 và ONU 2 bộ thu Rx không thu tín hiệu DS vì tín hiệu này chƣa đƣợc điều chế, tín hiệu DS sau khi qua bộ chia công suất 1:2 đƣợc truyền tới bộ điều chế ngƣợc EM, tín hiệu peer-to-peer sau khi điều chế tại bộ EM đƣợc ghép vào circulator trong ONU truyền ngƣợc lại các OS switch tới circulator ban đầu Tín hiệu điều chế tại ONU 1 đƣợc truyền tới bộ chuyển mạch chéo OXC, tín hiệu ngõ ra sau bộ OXC đƣợc truyền trên sợi quang bảo vệ kết nối tới bộ thu Rx của ONU 2

Tín hiệu US “màu đỏ” truyền từ ONU1 đƣợc nối tới bộ thu của ONU 2, tương tự tín hiệu λ-US truyền từ ONU 2 được nối tới bộ thu của ONU 1 như vậy quá trình truyền peer-to-peer giữa ONU 1 và ONU 2 thành công

Quy trình cũng tương tự khi ONU 1 và ONU 3 hay ONU 2 và ONU 3 truyền peer-to-peer, các switch OS-1, OS-2 và OS-3 quyết định giữa truyền peer-to-peer hay truyền tín hiệu WDM-PON thông thường

3.4.1 Cấu tạo ONU trong trường hợp truyền peer-to-peer

Trong trường hợp truyền peer-to-peer cấu trúc của ONU thay đổi so với trường hợp truyền tín hiệu WDM-PON thông thường, trong cấu trúc truyền tín hiệu WDM-PON thông thường tín hiệu DS sau khi truyền tới ONU được chia công suất 1:2 một phần chuyển tới bộ thu Rx, tuy nhiên trong truyền peer-to-peer tín hiệu truyền xuống DS là tín hiệu chƣa điều chế nên bộ thu Rx tại ONU sẽ không thu tín hiệu này Cấu trúc của ONU trong truyền peer-to-peer đƣợc thế hiện nhƣ hình 3.11

Hình 3.11 Cấu trúc ONU trong truyền peer-to-peer

Trong hoạt động thông thường truyền tín hiệu WDM-PON switch SW-1 thiết lập trạng thái „0‟ lúc này quá trình thu và phát tín hiệu tại ONU không thay đổi

Trong truyền peer-to-peer switch WS-1 đƣợc thiết lập trạng thái „1‟ lúc này khi tín hiệu xuống λ-DS truyền tới ONU 1 sẽ không thu vì tín hiệu peer-to-peer lúc này là do phía trung tâm mạng CO cấp xuống chƣa đƣợc điều chế Tín hiệu λ-US là tín hiệu đã đƣợc điều chế bởi bộ điều chế EM đƣợc chuyển tới bộ chuyển mạch chéo OXC và nối tới bộ thu của ONU 2 Tương tự tín hiệu λ-US từ ONU 2 cũng được truyền tới bộ thu của ONU 1 và switch SW-1 chuyển mạch mức „1‟ để thu tín hiệu peer-to-peer từ ONU 1 truyền qua

3.4.2 Bộ chuyển mạch chéo OXC

 Bộ chuyển mạch OXC thực hiện các chức năng nhƣ:

Bằng cách thực hiện nối xuyên các tín hiệu quang giữa các sợi đầu vào và đầu ra Trong mạng chuyển mạch hoàn toàn quang thì, OXC thực hiện kết nối chéo bất cứ một sợi quang của N sợi đầu vào với bất cứ một sợi quang nào của N sợi đầu ra trong hệ thống WDM-PON Hình 3.12 là mô hình thiết kế bộ chuyển mạch với N ngõ vào kết nối với N ngõ ra đƣợc tham khảo trong [19] đây là mô hình chuyển mạch không tắc nghẽn và sắp xếp lại

Hình 3.12 mô hình chuyển mạch NxN

Trong hình 3.12 nhiệm vụ đấu nối chéo giữa đầu vào và đầu ra đƣợc thực hiện bởi các switch 2x2, một điểm phía đầu vào có thể kết nối tới bất kỳ điểm đầu ra nào của bộ chuyển mạch nhờ chuyển mạch trong ma trận switch Xét bộ OXC có N đầu vào, N đầu ra (NxN), Mô hình chuyển mạch đƣa ra là mô hình chuyển mạch không tắc nghẽn với ngõ vào và ngõ ra cũng nhƣ khối chuyển mạch trung tâm đƣợc thiết kế là những switch 2x2 Mô hình thiết kế chi tiết bộ chuyển mạch 16x16 đƣợc thể hiện trên hình 3.13

66 Hình 3.13 Mô hình bộ chuyển mạch 16x16 dùng Switch 2x2

Việc điều kiển kết nối từ ngõ vào và ngõ ra cũng nhƣ các giải thuật chống loop không đề cập trong luận văn này có thể tham khảo trong [20] Mô hình chuyển mạch nêu trên đƣợc thiết kế với 3 tầng trong đó tầng trung gian là những mô hình chuyển mạch (N/2 x N/2) và đƣợc thực hiện bởi các switch 2x2 Mô hình trên đƣợc áp dụng khi N > 4, khi số ngõ vào và ngõ ra N = 4, mỗi một khối trong khối chuyển mạch trung tâm (N/2 x N/2) đƣợc thay thế bằng một switch 2x2 riêng lẻ đƣợc thể hiện nhƣ hình 3.14

Hình 3.14 Mô hình chuyển mạch 4x4

Xét mô hình trên hình 3.12, tổng cộng chuyển mạch với số lƣợng đầu vào và đầu ra N là:

Với mô hình chuyển mạch sử dụng switch 2x2 có 2 log 2 N -1 trạng thái chuyển mạch trong khối (N/2) với số lƣợng chuyển mạch tổng cộng cần thực hiện là:

Suy hao tổng cộng trong hệ thống chuyển mạch đƣợc thể hiện qua công thức:

A oxc : Tổng suy hao Ƣu điểm của mô hình đề xuất:

- Số lƣợng Switch chuyển mạch giảm đi đáng kể so với mô hình chuyển mạch ma trận vuông NxN

- Suy hao của một kết nối thông qua bộ chuyển mạch thấp vì số lƣợng chuyển mạch giảm so với mô hình NxN

- Đáp ứng đƣợc vấn đề suy hao công suất khi mở rộng mạng cho nhiều user

- Khi một kết nối mới hình thành qua bộ chuyển mạch thì có thể kết nối cũ bị ngắt vì các kết nối bị sắp xếp lại Có thể mất mát dữ liệu trong quá trình sắp xếp lại của kết nối hiện tại trong bộ chuyển mạch khi có kết nối mới, mô hình NxN không bị mất dữ liệu

- Yêu cầu giải thuật truyền lại ở lớp trên hay có thể xẩy ra tình trạng mất gói tạm thời

Lý do chọn mô hình trên:

- Mô hình đề xuất đáp ứng đƣợc yêu cầu mở rộng số lƣợng user (tối đa 64 user)

68 - Mô hình NxN chỉ đáp ứng đƣợc yêu cầu công suất với hệ thống tối đa khoảng 16 user

- Sử dụng Switch loại “High-Speed Optical Shutter/Switch” có thời gian chuyển mạch là 1ns thì tổng thời gian mất mát dữ liệu và thời gian truyền lại là:

(2log 2 N -1)x1(ns) + thời gian truyền lại Với N là số ngõ vào và ra tương ứng của bộ chuyển mạch

3.4.3 Khối tách ghép kênh trong truyền peer-to-peer

Trong thiết kế mô hình bảo vệ cho mạng WDM-PON và mô hình truyền peer-to-peer những vấn đề cần quan tâm là thời gian chuyển mạch, tối ƣu hóa mô hình, số lƣợng thiết bị tối ƣu, độ chính xác trong hoạt động và khả năng mở rộng mạng và dự phòng cao

Chương 3 giới thiệu mô hình bảo vệ cho mạng WDM-PON kết hợp truyền peer-to-peer, qua phân tích mô hình đưa ra và so sánh với những phương pháp trước đó cho kết quả chính xác và khả quan hơn Những phân tích trong mở rộng mạng peer-to-peer cho ta cái nhìn tổng quan về thiết kế mạng, độ suy hao tương ứng với số lƣợng user và số lƣợng user giới hạn của hệ thống

Thiết kế bộ chuyển mạch OXC với số lƣợng linh kiện và suy hao thấp đem lại hiệu quả chi phí triển khai mạng Kết hợp truyền peer-to-peer là mô hình đề xuất mới qua phân tích cho thấy hiệu quả kinh tế cao hơn so với mô hình tương đương

Tùy vào yêu cầu thiết kế, điều kiện cơ sở vật chất và chi phí triển khai mà áp dụng từng mô hình cho phù hợp Trong mô hình đề xuất của luận văn là bảo vệ cho sợi quang hoạt động, tuy nhiên nếu thêm yêu cầu bảo vệ cho thiết bị thì mô hình bảo vệ 1:1 sẽ được áp dụng trong trường hợp này Với mô hình đề xuất cho ta sự lựa chọn linh hoạt trong thiết kế, triển khai mô hình mạng WDM-PON trong thực tế.