Thiết kế kiến trúc vật lý mạng quang wdm có kết hợp chuyển mạch bảo vệ tự động tại tỉnh Thừa Thiên Huế

Bài viết này sẽ phân tích và thiết kế cấu trúc vật lý của tuyến cáp quang trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế cùng cơ chế bảo vệ, phục hồi phù hợp (APS) cho mạng truyền tải quang WDM. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết của tài liệu.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế Tập 5, Số (2016) THIẾT KẾ KIẾN TRÚC VẬT LÝ MẠNG QUANG WDM CÓ KẾT HỢP CHUYỂN MẠCH BẢO VỆ TỰ ĐỘNG TẠI TỈNH THỪA THIÊN HUẾ Đặng Xuân Vinh*, Hồ Đức Tâm Linh, Vương Quang Phước, Trần Thị Kiều Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế * Email: daxuvi@gmail.com TÓM TẮT Những năm gần đây, với phát triển nhanh chóng Internet, điện thoại di động với đời nhiều loại hình dịch vụ truyền thơng như: mua sắm trực tuyến, IPTV, truyền hình hội nghị… khiến cho lưu lượng truyền tải mạng đường trục tăng lên nhanh chóng Ở tỉnh Thừa Thiên Huế, mạng lưới truyền tải quang năm qua bước đầu đáp ứng nhu cầu người sử dụng Nhưng với xu hướng phát triển dịch vụ đa phương tiện (yêu cầu băng thơng lớn)[1-3] mạng truyền tải sớm rơi vào tình trạng q tải Chính vậy, cơng nghệ ghép bước sóng quang (WDM) chọn làm giải pháp để giải vấn đề thiếu hụt băng thông Một yêu cầu đặt phải đảm bảo trì hoạt động an tồn mạng Vì báo phân tích thiết kế cấu trúc vật lý tuyến cáp quang địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế chế bảo vệ, phục hồi phù hợp (APS) cho mạng truyền tải quang WDM Từ khóa: WDM, APS GIỚI THIỆU Trước cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM đời, người ta tập trung nỗ lực để nâng cao tốc độ truyền dẫn hệ thống SDH kết thu khơng mang tính đột phá cơng nghệ xử lý tín hiệu điện tốc độ cao dần đến giới hạn Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s thân mạch điện tử khơng thể đảm bảo đáp ứng xung tín hiệu hẹp Thêm vào chi phí cho giải pháp trở nên tốn cấu hoạt động phức tạp, đòi hỏi cơng nghệ cao Trong băng thơng cực lớn sợi quang sử dụng phần nhỏ Ghép kênh theo bước sóng (WDM) cơng nghệ để tạo nên mạng quang Kỹ thuật tận dụng băng tần sợi quang cách truyền nhiều kênh bước sóng quang độc lập riêng rẽ sợi quang 45 Thiết kế kiến trúc vật lý mạng quang WDM có kết hợp chuyển mạch bảo vệ tự động tỉnh TT Huế Hình Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM WDM đời nhằm đáp ứng nhu cầu tăng vọt băng thông phát triển chưa thấy mạng máy tính tồn cầu Internet với đời ứng dụng dịch vụ tảng Internet Mặt khác, việc kết nối thông suốt mạng truyền tải quang thực tế ảnh hưởng yếu tố khách quan độ tin cậy, tuổi thọ thiết bị mà chịu tác động yếu tố mơi trường, khí hậu, thời tiết nhân tố chủ quan người gây Tác động yếu tố gây cố hỏng thiết bị, đứt cáp dẫn đến ngừng hoạt động kênh truyền tải thông tin gây thiệt hại cho người sử dụng nhà cung cấp dịch vụ Vì vấn đề đặt cần phải nghiên cứu vấn đề bảo vệ phục hồi cho mạng CÁC LOẠI CHUYỂN MẠCH QUANG  Chuyển mạch 1x2: Chuyển mạch quang gồm sợi đầu vào sợi đầu ra: sợi quang đầu vào đặt bên ống áp điện, hai sợi đầu đặt cố định [4] Hình Cấu trúc chuyển mạch 1x2 Nguyên lý hoạt động chuyển mạch 1x2 dựa dịch chuyển sợi quang đầu vào đến sợi quang đầu Sợi quang đầu vào chứa ống áp điện hai sợi đầu cố định Ống áp điện lệch có điện áp đặt vào điện cực bề mặt Trong trường hợp này, lệch ống nguyên nhân làm lệch hướng sợi quang đầu vào 46 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế Tập 5, Số (2016) Hình Nguyên lý hoạt động chuyển mạch 1x2 Khi dịch chuyển sợi đầu vào đến sợi đầu phù hợp, việc sợi quang dịch chuyển khơng tránh khỏi bị lệch trục, lệch góc kẻ hở hai sợi, nguyên nhân gây mát tín hiệu, gọi suy hao Fresnel Để giảm suy hao tín hiệu, thiết kế, ta đặt sợi quang đầu vào vào rãnh hình chữ “V” (hình 4) Độ sâu rãnh V 160μm Sau sợi đầu vào cài đặt, có khoảng cách nhỏ khoảng 10μm rãnh v Sự xếp đảm bảo khoảng trống hai sợi đầu Các khơng gian rãnh v trống hoạt động điểm dừng cho sợi đầu vào Một sợi đầu vào nằm rãnh V, lệch bên giảm thiểu Hình Cấu trúc rãnh hình chữ “V” (rãnh V) Để kiểm sốt độ cong sợi quang đầu vào ta gắn kết que than chì mỏng hình Trong đó: Lp chiều dài ống áp điện, Lg chiều dài phần sợi đầu vào mà chì phủ bề mặt Lf chiều dài sợi quang đầu vào trần Hình Sơ đồ thiết lập sợi đầu vào Khi thay đổi điện áp đặt điện cực ống áp điện sợi đầu vào dịch chuyển 47 Thiết kế kiến trúc vật lý mạng quang WDM có kết hợp chuyển mạch bảo vệ tự động tỉnh TT Huế Hình Sự dịch chuyển sợi quang Lp’ Lf’ tương ứng, thể hình 6, đường cong Lp’ có bán kính cong ρr góc θ Các sợi đầu vào trần tạo thành đường cong Lf’, với bán kính cong ρf góc σ Khi góc θ góc σ lệch góc Khi chì kích thích ống áp điện, tạo thành góc ω Tổng kích thước dịch chuyển sợi quang là:  Chuyển mạch 1x4: Để xây dựng cấu trúc chuyển mạch 1x4 ta sử dụng nhiều phương pháp: - Sử dụng chuyển mạch 1x2 để thiết kế chuyển mạch 1x4 cấu hình kết nối hàng loạt - Sử dụng ống kính nhỏ để phản xạ tín hiệu cho đầu - Sử dụng thành phần nhỏ để thiết kế chuyển mạch 1x4 công nghệ MEMS Tuy nhiên, phương pháp có nhược điểm kích thước lớn giá thành cao Để khắc phục ta sử dụng cấu hình fiber-to-fiber để thiết kế chuyển mạch 1x4 [5] Hình Cấu trúc chuyển mạch 1x4 48 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế Tập 5, Số (2016) Chuyển mạch 1x4 có đầu vào đầu Bốn sợi đầu vào đặt đế giữ nhằm cố định chúng Sợi đầu vào đặt ống đệm Để dịch chuyển hướng từ sợi quang đầu vào đến sợi quang đầu phù hợp ta dựa vào nguyên lý rơ-le rơ le Để điều khiển hướng sợi đầu vào ta đặt sợi quang đầu vào ống đệm Ống đệm gắn vào rơ-le Khi rơ-le chuyển động làm cho sợi quang đầu vào thay đổi vị trí Để điều khiển sợi quang đầu phù hợp, sợi quang đầu đặt đế giữ Đế giữ gắn vào rơ-le Khi rơ-le chuyển động làm cho sợi quang đầu thay đổi vị trí Hình Sự chuyển mạch khí chuyển mạch quang 1x4 Cấu tạo chung rơ-le: gồm có ống đệm, truyền, nam châm vĩnh cửu, điểm dừng, chất cách điện, cuộn dây điện bố trí hình Nguyên lý dịch chuyển chung rơ-le sau: cấp nguồn xoay chiều cho hai đầu cuộn dây điện Lúc cuộn dây điện quấn quanh lõi sắt non trở thành nam châm điện, có cực thay đổi liên tục Bố trí hai nam châm vĩnh cữu hình nên nam châm điện có cực trùng với cực nam châm, cực lại bị ngược chiều với cực nam châm vĩnh cửu Như gây đẩy hút nam châm điện hai nam châm vĩnh cữu làm truyền dịch chuyển dẫn đến ống đệm bị thay đổi vị trí, lúc làm sợi quang bị dịch chuyển Hình Cấu tạo rơ-le Với dịch chuyển hai rơ-le ta có hướng truyền cụ thể sau: - Sự dịch chuyển rơ-le 1: k1 – k4, k2 – k3 - Sự dịch chuyển rơ-le 2: k1 – k2, k3 – k4 49 Thiết kế kiến trúc vật lý mạng quang WDM có kết hợp chuyển mạch bảo vệ tự động tỉnh TT Huế Hình 10 Hướng dịch chuyển chuyển mạch quang 1x4 ĐỀ XUẤT CẤU HÌNH MẠNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Một kiến trúc vật lý mạng truy nhập hình RING có chế bảo vệ tự phục hồi đề xuất cho tuyến cáp quang tỉnh Thừa Thiên Huế, thiết kế hình 11 Hình 11 Đề xuất kiến trúc vật lý mạng cáp quang Tỉnh Thừa Thiên Huế Cấu trúc vật lý mạng quang gồm vòng Ring trung tâm bốn vòng Ring nhỏ có nút chung với vòng Ring trung tâm Đối với vòng Ring trung tâm, kênh hoạt động kênh dự phòng định tuyến khác (sợi hoạt động sợi dự phòng nằm hai sợi cáp khác nhau) Đối với bốn vòng Ring lại, kênh hoạt động kênh dự phòng định tuyến giống (sợi hoạt động sợi dự phòng nằm sợi cáp khu vực chủ yếu đồi núi nên tiết kiện chi phí cho việc thi cơng), bổ sung thêm kênh dự phòng nối từ vòng ring đồng cấp liền kề Các sợi quang đơn mode (SMF: Single-Mode Fiber) sử dụng theo tiêu chuẩn 50 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế Tập 5, Số (2016) G.655 có chiều dài khác nối từ HUB Đà Nẵng đến điểm truy cập (AN) Phú Lộc, Hương Trà P Vĩnh Ninh (Tp Huế) đến HUB Hà Nội, từ HUB Hà Nội đến điểm truy cập P Vĩnh Ninh, Hương THủy Phú Lộc đến HUB Đà Nẵng Xuất phát từ HUB Đà Nẵng luồng tín hiệu chứa bước sóng lẻ 1 , 3 , 5 , 7 , 9 truyền đến điểm truy cập theo hướng ngược chiều kim đồng hồ (CCW) xuất phát từ HUB Hà Nội luồng tín hiệu mang bước sóng chẵn 2 , 4 , 6 , 8 , 10 truyền theo hướng ngược chiều kim đồng hồ (CCW), đến điểm truy cập tỉnh Thừa Thiên Huế CÁC SỰ CỐ CÓ THỂ XẢY RA VÀ CÁCH KHẮC PHỤC Khi có cố xảy ra, chuyển mạch tương ứng thay đổi trạng thái để chuyển lưu lượng hoạt động sang tuyến dự phòng để thiết lập vòng Ring kín, đảm bảo trì hoạt động mạng Sau vài trường hợp lỗi xảy trình chuyển mạch bảo vệ thiết kế ♦ Trường hợp cố xảy tuyến nối từ nút Phường Vĩnh Ninh đến nút Hương Trà: Đối với vòng Ring trung tâm tuyến hoạt động tuyến bảo vệ định tuyến khác nên cố xảy tuyến hoạt động tuyến bảo vệ khơng bị ảnh hưởng Do đó, trường hợp này, chuyển mạch bảo vệ thay đổi trạng thái để chuyển lưu lượng tuyến hoạt động sang tuyến bảo vệ hình 12, đảm bảo trì hoạt động hệ thống Nếu cố xảy tuyến khác vòng Ring trung tâm, chế bảo vệ hồn tồn tương tự Hình 12 Xử lý cố xảy tuyến vòng Ring trung tâm a) Trạng thái chuyển mạch hướng truyền tín hiệu khơng có cố b) Trạng thái chuyển mạch hướng truyền tín hiệu có cố tuyến ♦ Trường hợp cố xảy tuyến vòng Ring Thành Phố Huế: Giả sử cố xảy tuyến vòng Ring R1 Đối với vòng Ring R1 tuyến hoạt động tuyến bảo vệ vòng Ring R1 định tuyến giống nên gặp cố tuyến tuyến hoạt động tuyến bảo vệ gặp cố đồng thời Do đó, gặp cố tuyến 51 Thiết kế kiến trúc vật lý mạng quang WDM có kết hợp chuyển mạch bảo vệ tự động tỉnh TT Huế vòng Ring R1, chuyển mạch tương ứng thay đổi trạng thái hình 13b để đưa lưu lượng tuyến gặp cố vòng qua nút lân cận vòng Ring đến nút đích Trường hợp cố xảy đoạn khác, vòng Ring R2, R3, R4, chế bảo vệ hồn tồn tương tự Hình 13 Sự cố xảy tuyến vòng Ring R1 a) Trạng thái chuyển mạch hướng truyền tín hiệu khơng có cố b) Trạng thái chuyển mạch hướng truyền tín hiệu có cố tuyến ♦ Trường hợp cố xảy nút Phường Vĩnh Ninh - Huế: Giả sử cố xảy nút Phường Vĩnh Ninh, nút nút chung vòng Ring trung tâm với vòng Ring R1 đồng thời nút Tỉnh nhận tín hiệu từ HUB Hà Nội nên có cố xảy nút Phường Vĩnh Ninh ảnh hưởng trực tiếp đến vòng Ring trung tâm, vòng Ring R1 nút Hương Thủy Do đó, có cố xảy nút tuyến bảo vệ từ Hà Nội đến Hương Trà, tuyến bảo vệ cho vòng Ring trung tâm vòng Ring R1 tham gia bảo vệ cho mạng Khi đó, chuyển mạch tương ứng thay đổi trạng thái để bảo vệ cho tuyến Hà Nội – Huế, vòng Ring trung tâm vòng Ring R1 Cụ thể là: Tín hiệu từ Hà Nội truyền theo tuyến bảo vệ đến nút Hương Trà, vòng qua nút Phú Lộc để đến nút Hương Thủy, sau đó, trở nút Phú Lộc đến Đà Nẵng hình 14a Các nút khơng gặp cố vòng Ring R1 nhận tín hiệu từ nút Hương Thủy, vòng qua nút Phú Bài đến nút Phường An Cựu, Trường An, Tây Lộc hình 14b Hình 14 Xử lý cố nút Phường Vĩnh Ninh a) Trạng thái chuyển mạch hướng truyền tín hiệu vòng Ring trung tâm b) Trạng thái chuyển mạch hướng truyền tín hiệu vòng Ring R1 52 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế Tập 5, Số (2016) ♦ Trường hợp cố xảy nút Hương Trà: Giả sử cố xảy nút Hương Trà, nút nút chung vòng Ring trung tâm vòng Ring R2 nên ảnh hưởng trực tiếp đến hai tuyến Do đó, xảy cố nút Hương Trà chuyển mạch thay đổi trạng thái để chuyển tín hiệu lên tuyến dự phòng vòng Ring trung tâm, chuyển tín hiệu từ vòng Ring R3 lên nút lại vòng Ring R2 Cụ thể là: Tín hiệu từ Đà Nẵng đến Phú Lộc, vòng qua nút Hương Thủy, đến nút Phường Vĩnh Ninh hình 15 Các nút khơng gặp cố vòng Ring R2 nhận tín hiệu từ nút Phú Lộc, vòng qua nút Phú Vang đến nút Quảng Điền, Phong Điền (tương tự vòng Ring R1 trường hợp xảy cố Phường Vĩnh Ninh) Hình 15 Trạng thái chuyển mạch hướng truyền tín hiệu vòng Ring trung tâm xảy cố nút Hương Trà ♦ Trường hợp cố xảy nút vòng Ring R1 Giả sử cố xảy nút Phường Trường An Khi đó, chuyển mạch tương ứng thay đổi trạng thái để chuyển tín hiệu nút Phường Tây Lộc vào tuyến dự phòng, vòng qua nút Phường Vĩnh Ninh, đến nút Phường An Cựu hình 16 Hình 16 Trạng thái chuyển mạch hướng truyền tín hiệu vòng Ring R1 xảy cố nút Phường Trường An KẾT LUẬN Bài báo nghiên cứu chuyển mạch quang, cụ thể chuyển mạch 1x2 1x4 Bài 53 Thiết kế kiến trúc vật lý mạng quang WDM có kết hợp chuyển mạch bảo vệ tự động tỉnh TT Huế báo khảo sát địa bàn phục vụ tự đề xuất thiết kế tuyến cáp quang địa bàn Tỉnh Thừa Thiên Huế Đồng thời phân tích rõ hoạt động chuyển mạch quang cách định tuyến tín hiệu xảy cố đứt tuyến hỏng nút, nhằm đảm bảo thông tin thông suốt mạng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cisco Visual Networking Index (2015) The Zettabyte Era—Trends and Analysis 2014 – 2019, Cisco [2] Cisco Visual Networking Index (2015) Global Mobile Data Traffic Forecast Update 2014 – 2019 White Paper, Cisco [3] Cisco Visual Networking Index (2015) Forecast and Methodology 2014–2019 [4] M Leung, J Yue, K A Razak, M Hodgson, E Haemmerle, W Gao (2007) Development of a 1x2 Piezoelectric Optical Fiber Switch, 2007MEMS/MOEMS Technologies and Applications III [5] Wu-Lang Lin, Kuang-Chao Fan, Li-Hung Chiang, Yao-Joe Yang,Wen-Cheng Kuo and Tien-Tung Chung (2006) A novel micro /nano 1x4 mechanical optical switch, Received November 2005, in final form 19 April 2006, published June 2006, journal of micromechanics and microengineering THE PHYSICAL STRUCTURE DESIGN OF WDM OPTICAL NETWORK COMBINES WITH THE AUTOMATIC PROTECTION SWITCHING IN THUA THIEN HUE PROVINCE Dang Xuan Vinh*, Ho Duc Tam Linh, Vuong Quang Phuoc, Tran Thi Kieu Department of Electronics - Telecommunications, Hue University College of Sciences * Email: daxuvi@gmail.com ABSTRACT In recent years, with the rapid development of Internet, mobile phone, along with the birth of various types of new media services such as online shopping, IPTV, conference television that has rapidly increased throughput in backbone networks Moreover, the optical transmission network has initially met the needs of clients in Thua Thien Hue province However, in the development trend of, multimedia services (large bandwidth requirements), [1-3]it will be overloaded Therefore, the optical wavelength multiplexing technology (WDM) is considered as the best solution to solve the problem of shortage of bandwidth And maintaining the network safety has to be assured Thus, this article will analyze and design the physical structure and automatic protection switching (APS) of WDM optical network in the province of Thua Thien Hue Keywords: WDM, APS 54 ... Phường Trường An KẾT LUẬN Bài báo nghiên cứu chuyển mạch quang, cụ thể chuyển mạch 1x2 1x4 Bài 53 Thiết kế kiến trúc vật lý mạng quang WDM có kết hợp chuyển mạch bảo vệ tự động tỉnh TT Huế báo khảo... k3 - Sự dịch chuyển rơ-le 2: k1 – k2, k3 – k4 49 Thiết kế kiến trúc vật lý mạng quang WDM có kết hợp chuyển mạch bảo vệ tự động tỉnh TT Huế Hình 10 Hướng dịch chuyển chuyển mạch quang 1x4 ĐỀ.. .Thiết kế kiến trúc vật lý mạng quang WDM có kết hợp chuyển mạch bảo vệ tự động tỉnh TT Huế Hình Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM WDM đời nhằm đáp ứng nhu cầu