TIỂU LUẬN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI QUANG TÊN TIỂU LUẬN TÌM HIỂU VỀ THIẾT KẾ MẠNG QUANG WDM

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG TIỂU LUẬN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI QUANG TÊN TIỂU LUẬN TÌM HIỂU VỀ THIẾT KẾ MẠNG QUANG WDM Giảng viên: Cao Hồng Sơn Nhóm sinh viên thực hiện: Lương Văn Thảo – B18DCVT406 Tạ Thị Hảo – B18DCVT131 Nguyễn Văn Sơn –B18DCVT350 HÀ NỘI - 2021 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: Cấu trúc thu tối ưu cho kênh có nhiễu cộng gaussian Chương 2: Thiết kế mạng Quang WDM 2.1: Mở đầu đánh đổi chi phí 2.1.1 Mở đầu 2.1.2 Đánh đổi chi phí 2.2 Thiết bị kết cuối tuyến quang (OLT) 15 2.2.1 Khái niệm tính OLT 15 2.2.2 Các chức OLT 16 2.2.3 Vai trò OLT Mạng GPON 18 KẾT LUẬN 19 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ATM ODN OLT ONU PON OADM SOTNET RWA PWDM Asynchronous Tranfer Mode Optical Distribute Network Optical Line Terminal Optical Network Unit Passive Optical Network Optical Add/Drop Multiplexers Phương thức truyền dị Mạng truy cập quang Đầu cuối đường quang Đơn vị mạng quang Mạng quang thụ động Bộ ghép kênh thả thêm quang optical Mạng quang đồng Synchronous networking Routing and wavelength Định tuyến gán bước assignment sóng point-to-point WDM Ghép kênh phân chia bước sóng điểm với điểm DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1.1: Ba cấu trúc liên kết đường ánh sáng khác triển khai cấu trúc liên kết vòng sợi quang Hình 2.1.2: Một kiến trúc vịng PWDM Các đường ánh sáng ấn định bước sóng chúng thể hình trường hợp t=3 Hình 2.1.3: Một kiến trúc vịng WDM có hubbed Các đường ánh sáng gán bước sóng chúng thể hình trường hợp [t] = Hình 2.1.4: Cấu hình mạng bốn nút toàn quang Các đường ánh sáng ấn định bước sóng chúng thể hình trường hợp t = Hình 2.1.5: Số lượng cổng định tuyến IP cần thiết cho thiết kế khác Ví dụ 2–4, cho vịng có N = nút Giới hạn [t] hiển thị Hình 2.1.6: Số bước sóng cần thiết cho thiết kế khác Ví dụ 2–4, vịng có N = nút Hình 2.2 Các khối chức OLT LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, nhu cầu thơng tin phát triển mạnh tồn cầu phạm vi quốc gia Để đáp ứng u cầu địi hỏi thơng tin ngày cao đa dạng khách hàng vấn đề mặt băng thông vô quan trọng, phải tạo đường truyền băng thông rộng, tốc độ cao hạn chế xảy tắc nghẽn Tương lai cáp sợi quang sử dụng rộng rãi mạng viễn thông coi môi trường truyền dẫn lý tưởng mà khơng có mơi trường truyền dẫn thay Ta thấy mạng thơng tin quang cịn số hạn chế chất lượng truyền dẫn băng thơng cịn hẹp, khoảng cách truyền dẫn ngắn, yêu cầu đặt phải tăng chất lượng cự ly đường truyển cho chế độ thông tin quang Giải pháp đưa công nghệ thiết kế mạng quang WDM, cho phép ghép nhiều bước sóng sợi quang tăng dung lượng đường truyền mà khơng cần tăng then sợi quang Với tốn: ―Tìm hiểu Thiết kế mạng quang WDM‖, nhóm em xin trình bày Bố cục tiểu luận sau Chương 1: Cấu trúc thu tối ưu cho kênh có nhiễu cọng Gausian Chương 2: Thiết kế mạng quang WDM Bằng cố gắng nỗ lực, nhóm em hồn thành xong tiểu luận Do có hạn chế mặt thời gian mức độ hiểu biết thân nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót q trình nghiên cứu Vì thế, nhóm em mong nhận lời góp ý bảo them Thầy giáo để nhóm em có them kiến thức phục vụ cho học tập công việc sau Chương 1: Cấu trúc thu tối ưu cho kênh có nhiễu cộng gaussian Xét thiết bị truyền tin số M mức (M đơn vị tín hiệu dải hẹp sm(t),m = 1, M), đơn vị tín hiệu truyền thời gian T ≤ t ≤ T Tín hiệu truyền qua kênh bị nhiễu Tín hiệu nhận là: r(t) = sm(t) + n(t), ≤ t ≤ T n(t) nhiễu sinh kênh Giả thiết có nhiễu cộng Gaussian, mật độ công suất/tần số Mục tiêu : Thiết kế thu tối ưu, xác định tín hiệu M tín hiệu ban đầu gửi đi, với xác suất sai nhầm nhỏ Nguyên tắc: chia thiết bị thu làm thành phần: Giải điều chế: khai triển tín hiệu khơng gian giống khơng gian tín hiệu ban đầu r1r2 rN Xác định tín hiệu tập số thực tọa độ tín hiệu nhận khơng gian đơn vị tín hiệu Bộ tương quan tuyến tính(Correlation Demudulator), lọc phối hợp tuyến tính (Matched Filter Demodulator) Bộ định: tọa độ thu không luôn trùng với đơn vị tín hiệu định nghĩa Bộ định cần phải xác định tín hiệu gửi cách gần đúng, cho sai số trung bình nhỏ nhất: Bộ định tối ưu, xác định cực đại khả Khai triển tín hiệu thành tín hiệu trực giao sở tín hiệu truyền (xem lại thuật toán khai triển) Đảm bảo sai số nhỏ theo lượng tín hiệu Tín hiệu đầu tương quan tuyến tính [ ] Có thể viết thành : rk = smk + nk với Tín hiệu truyền biểu diễn xác tín hiệu trực giao smk Tín hiệu thu biểu diễn thành phần rk (là giá trị vô hướng) với sai số n0(t) thỏa mãn n0(t) thành phần nhiễu không khai triển khơng gian tín hiệu Vậy bỏ qua n0(t) q trình xác định tín hiệu Các thành phần cịn lại nhiễu có phân bố chuẩn Gaussian Giá trị trung bình [ ] Hàm tương quan chéo [ , Vậy thành phần nhiễu không tương quan, sai phương chung biến ngẫu nhiên độc lập thống kê Các tín hiệu đầu thu biến ngẫu nhiên gaussian độc lập thống kê, với giá trị trung bình smk, sai phương 21N0 Mật độ phân bố xác suất tín hiệu đầu ∏ [ ∑ √ ] , Hay [ ∑ (√ ] ) Có thể kiểm chứng lại khẳng định n0(t) không liên quan đến rk E(n0(t),rk) = E(n0(t),smk) + E(n0(t)nk) = E(n0(t)nk) {[ ] [ } ( ] ) Xét trường hợp đơn giản, có M tín hiệu tương ứng với M xung tín hiệu với M mức khác (PAM băng tần sở m mức) Mỗi tín hiệu có độ dài T, biên độ a a, ≤ t ≤ T; g(t) = 0, t < 0,t > T Khai triển trực giao tín hiệu đầu vào Năng lượng tín hiệu  Chí có hàm ca sỏ {√ √ Đầu giải điều chế √ √ [ ] Giá trị trung bình nhiễu 0, giá trị trung bình tín hiệu đầu Phương sai tín hiệu đầu phương sai nhiễu N Hàm mật độ phân bố xác suất có điều kiện √ * + Chương 2: Thiết kế mạng Quang WDM 2.1: Mở đầu đánh đổi chi phí 2.1.1: Mở đầu Trong chương trước, tìm hiểu kết nối chuyển mạch kênh, hay cịn gọi đường dẫn ánh sáng, cặp thiết bị lớp cao - mà lớp quang học cung cấp tốc độ cao SONET / SDH muxes, định tuyến IP chuyển mạch Ethernet Lớp quang nhận đường dẫn ánh sáng qua sợi quang vật lý cách sử dụng phần tử thiết bị đầu cuối đường truyền quang (OLT), ghép kênh bổ sung / thả quang (OADM) kết nối chéo quang (OXC) Chúng gọi mạng sử dụng đường ánh sáng mạng định tuyến theo bước sóng Trong chương này, mục tiêu nghiên cứu cách thiết kế mạng định tuyến theo bước sóng Điều liên quan đến việc nghiên cứu không cách thiết kế lớp quang mà cách thiết kế mạng SONET IP lớp cao thiết kế hai lớp kết hợp chặt chẽ với 2.1.2: Đánh đổi chi phí Trong phần này, nghiên cứu cân chi phí việc thiết kế mạng theo cách khác để đáp ứng nhu cầu lưu lượng cách thay đổi cấu trúc liên kết đường ánh sáng Chúng xem xét cân chi phí thiết bị lớp cao thiết bị lớp quang Chúng đo lường chi phí thiết bị lớp cao số lượng cổng định tuyến IP (hoặc thiết bị đầu cuối dòng SONET) Số lượng cổng định tuyến IP cần thiết hai lần số đường dẫn ánh sáng cần thiết lập đường dẫn ánh sáng kết nối cặp cổng định tuyến IP Một thành phần quan trọng chi phí lớp quang số lượng phát đáp yêu cầu OLT OADM Vì đường dẫn ánh sáng yêu cầu cặp phát đáp, chúng tơi tính chi phí phát đáp với chi phí thiết bị lớp cao Điều đề cập đến trường hợp phát đáp diện thiết bị lớp cao Chúng tơi đo phần cịn lại chi phí thiết bị lớp quang số bước sóng sử dụng liên kết Các cấu trúc liên kết mạng thường thiết kế để có kết nối, nghĩa có hai tuyến đường rời rạc nút cặp nút mạng Mặc dù cấu trúc liên kết lưới sợi tùy ý, kết nối 2, tiết kiệm chi phí cho mạng lớn cấu trúc liên kết vòng sợi quang, cấu trúc liên kết sau triển khai rộng rãi tốt cho mạng khơng có phạm vi địa lý rộng Vì lý này, chúng tơi xem xét cấu trúc liên kết vịng sợi phần Có triển khai rộng rãi vịng phần vịng kết nối N nút có số lượng liên kết tối thiểu (chỉ N) mạng kết nối có xu hướng có chi phí triển khai cáp quang thấp Chúng ta xem xét ma trận lưu lượng t đơn vị lưu lượng định tuyến từ định tuyến IP đến tất định tuyến IP khác mạng Chúng biểu thị số lượng nút mạng N giả sử lưu lượng truy cập đồng nhất; nghĩa là, t / (N - 1) đơn vị lưu lượng phải định tuyến cặp định tuyến IP Đối với mục đích chuẩn hóa, dung lượng bước sóng giả định đơn vị Như cấu trúc liên kết tuyến tính ba nút trên, chia toán thiết kế mạng thành hai: tốn LTD RWA Chúng tơi xem xét ba cấu trúc liên kết lightpath khác nhau, tất có khả đáp ứng yêu cầu lưu lượng Dạng tổng quát cấu trúc liên kết thể Hình 2.1.1 Hình 2.1.1: Ba cấu trúc liên kết đường ánh sáng khác triển khai cấu trúc liên kết vòng sợi quang (a) Vịng WDM điểm-điểm định tuyến liền kề vòng kết nối nhiều đường dẫn ánh sáng (b) Cấu trúc liên kết trung tâm tất định tuyến kết nối với định tuyến trung tâm (trung tâm) đường dẫn ánh sáng (c) Một lưới đầy đủ định tuyến kết nối với định tuyến khác đường dẫn ánh sáng Cấu trúc liên kết đường ánh sáng đầu tiên, thể Hình 2.1.1(a), vòng, gọi vòng WDM điểm-điểm (PWDM) Trong trường hợp này, cấu trúc liên kết đường ánh sáng vòng, giống cấu trúc liên kết sợi, ngoại trừ việc có nhiều đường dẫn ánh sáng nút liền kề vòng, để cung cấp dung lượng cần thiết định tuyến IP Cấu trúc liên kết lightpath thứ hai, hiển thị Hình 2.1.1 (b), thiết kế trung tâm Tất định tuyến kết nối với định tuyến trung tâm (hub) nhiều đường dẫn ánh sáng Vì vậy, tất gói qua hai đường dẫn ánh sáng: từ định tuyến nguồn đến trung tâm từ trung tâm đến định tuyến đích Cấu trúc liên kết đường ánh sáng thứ ba, cuối cùng, thể Hình 2.1.1 (c), thiết kế toàn quang học Trong trường hợp này, thiết lập đường dẫn ánh sáng trực tiếp tất cặp định tuyến Do đó, gói qua lightpath để từ định tuyến nguồn đến định tuyến đích Tiếp theo, chúng tơi xem xét làm để nhận cấu trúc liên kết ánh sáng mạng cáp quang; nghĩa là, giải vấn đề RWA cho ba thiết kế Vấn đề RWA tìm lộ trình cho đường ánh sáng gán cho bước sóng liên kết đường Chúng giả định đường ánh sáng phải gán bước sóng tất liên kết mà qua; nghĩa lớp quang khơng cung cấp khả chuyển đổi bước sóng Ngồi ra, khơng có hai đường ánh sáng qua liên kết gán bước sóng Hình 2.1.2: Một kiến trúc vòng PWDM Các đường ánh sáng ấn định bước sóng chúng thể hình trường hợp t = Ví dụ Đầu tiên xem xét vịng PWDM Mạng thể Hình 2.1.2 vòng PWDM Tại nút, tất bước sóng nhận gửi đến định tuyến IP Đối với mạng này, tất lightpath lightpath "một bước" nút liền kề vịng Nếu W biểu thị số bước sóng liên kết, thiết lập W đường ánh sáng cặp nút liền kề Số lượng cổng định tuyến IP cần thiết phụ thuộc vào thuật toán sử dụng để định tuyến lưu lượng Giả sử định tuyến luồng lưu lượng dọc theo đường ngắn nguồn đích nó, N số nút mạng Giả sử N số chẵn, tính tốn tải lưu lượng (theo đơn vị đường dẫn ánh sáng) liên kết là: Trong trường hợp này, tất đường dẫn ánh sáng đường dẫn ánh sáng bước nhảy, nên số bước sóng cần thiết để hỗ trợ lưu lượng truy cập đơn giản [ ] Vì tất bước sóng nhận truyền lại nút, nên số lượng cổng định tuyến yêu cầu nút, Q, là: Q=2W (3) Ví dụ minh họa tập hợp tham số thiết kế sau cần xem xét xác định chi phí mạng: Router ports Rõ ràng, muốn sử dụng số lượng cổng định tuyến IP tối thiểu để hỗ trợ lưu lượng cho Lưu ý đường dẫn ánh sáng thiết lập hai cổng định tuyến, việc giảm thiểu số lượng cổng giống giảm thiểu số lượng đường dẫn ánh sáng phải thiết lập để hỗ trợ lưu lượng truy cập Wavelengths Đồng thời, chúng tơi muốn sử dụng số bước sóng tối thiểu sử dụng nhiều bước sóng phát sinh thêm chi phí thiết bị lớp quang học 10 Hops Tham số đề cập đến số bước nhảy tối đa thực đường ánh sáng Đối với vòng PWDM, đường ánh sáng chiếm bước Thông số trở nên quan trọng việc thiết kế hệ thống truyền dẫn trở nên khó khăn số lượng bước nhảy tăng lên (xem Chương 5), điều lại làm tăng chi phí thiết bị lớp quang Nhìn chung, thấy có cân thơng số khác Ví dụ, thấy vòng PWDM sử dụng số lượng lớn cổng định tuyến, số bước sóng nhỏ Trong ví dụ thiết kế trung tâm toàn quang tiếp theo, chúng tơi sử dụng cổng định tuyến với chi phí u cầu nhiều bước sóng Ví dụ Ở đây, xem xét kiến trúc mạng hubbed thể Hình 2.1.3 Một định tuyến trung tâm bổ sung thêm vào vịng Tại định tuyến trung tâm, gói tất bước sóng nhận định tuyến cách thích hợp Nút giống với nút vịng PWDM N nút khác nút đơn giản hơn, chứa đủ cổng định tuyến để tạo nguồn làm chìm lưu lượng truy cập nút (Để giữ cho ví dụ đơn giản, giả định thân định tuyến trung tâm khơng tạo nguồn đánh chìm lưu lượng Tất nhiên, điều không thực tế Trên thực tế, nút trung tâm đóng vai trò nút cổng đến phần lại mạng.) Các đường dẫn ánh sáng thiết lập nút nút trung tâm h Lưu lượng truy cập từ nút nonhub i đến nút nonhub khác j định tuyến hai đường dẫn ánh sáng — từ i đến h từ h đến j Để hỗ trợ lưu lượng này, thiết lập [t] lightpath từ nút đến nút trung tâm Do đó, số lượng cổng định tuyến cần thiết cho nút cho cấu hình Q=2[t] (4) Chúng giả định đường dẫn ánh sáng định tuyến gán bước sóng sau: Hai nút liền kề sử dụng đường khác dọc theo vòng sử dụng lại bước sóng, Hình 2.1.3 Đối với thuật tốn RWA này, số bước sóng cần thiết tính tốn 11 Hình 2.1.3: Một kiến trúc vịng WDM có hubbed Các đường ánh sáng gán bước sóng chúng thể hình trường hợp [t] = [ ] Độ dài bước nhảy trường hợp xấu Ví dụ Ví dụ cuối thiết kế tồn quang thể Hình 2.1.4, liệu truyền đường dẫn ánh sáng nguồn đích khơng gửi qua định tuyến trung gian đường Trong trường hợp này, phải thiết lập t / (N - 1) đường dẫn ánh sáng cặp nút để xử lý đơn vị t / (N - 1) lưu lượng cặp nút Do đó, số lượng cổng định tuyến nút [ ] Số lượng bước sóng phụ thuộc vào cách đường ánh sáng định tuyến bước sóng ấn định (xem Bài tốn 5) Có thể có ấn định định tuyến bước sóng phù hợp cho (đối với N chẵn) [ ]( ) 12 Hình 2.1.4: Cấu hình mạng bốn nút tồn quang Các đường ánh sáng ấn định bước sóng chúng thể hình trường hợp t = Để hiểu chất lượng thiết kế tạo ba ví dụ trước, so sánh chúng với số giới hạn đơn giản thấp số lượng cổng định tuyến bước sóng cần thiết cho thiết kế Rõ ràng, thiết kế yêu cầu Q ≥ [t] Tiếp theo, suy giới hạn thấp số bước sóng cần thiết sau Gọi hij khoảng cách tối thiểu nút i j mạng đo số bước nhảy Xác định số bước nhảy trung bình tối thiểu nút Đối với mạng vịng, suy phương trình sau Hmin (N chẵn): Lưu ý tải lưu lượng truy cập tối đa liên kết lớn tải lưu lượng trung bình, cho phương trình ( ) Rõ ràng, cần có số bước sóng W ≥ L 13 Hình 2.1.5: Số lượng cổng định tuyến IP cần thiết cho thiết kế khác Ví dụ 2–4, cho vịng có N = nút Giới hạn [t] hiển thị Hình 2.1.5 vẽ biểu đồ số lượng cổng định tuyến cần thiết cho ba thiết kế khác nhau, giới hạn dưới, cho mạng có tám nút Quan sát thấy lượng lưu lượng nhỏ, mạng hubbed yêu cầu số lượng cổng định tuyến nhỏ Thiết kế PWDM yêu cầu số lượng cổng định tuyến lớn Điều chứng tỏ rõ ràng giá trị tín hiệu định tuyến lớp quang học, trái ngược với việc có liên kết WDM điểm-điểm Thật không may, việc giảm cổng định tuyến đạt với chi phí u cầu số lượng bước sóng lớn để hỗ trợ tải lưu lượng Hình 2.1.6: Số bước sóng cần thiết cho thiết kế khác Ví dụ 2–4, vịng có N = nút Giới hạn từ hiển thị 14 Hình 2.1.6 vẽ biểu đồ số bước sóng cần thiết cho ba thiết kế khác nhau, với giới hạn suy trước Vịng PWDM sử dụng số bước sóng nhỏ — đạt giới hạn thiết kế tốt theo quan điểm Kiến trúc hubbed sử dụng số lượng tương đối lớn bước sóng để hỗ trợ tải lưu lượng Thiết kế toàn quang thiết kế tốt, với điều kiện t nhỏ N chút (hoặc số bội số N - 1) Điều do, trường hợp này, cần có số lượng tích phân đường ánh sáng cặp nút, điều thực tốt cách có đường dẫn ánh sáng dành riêng cặp nút mà không kết thúc lưu lượng nút trung gian Điều đưa điểm quan trọng: biểu thị lưu lượng cặp nút m + t, m số ngun khơng âm ≤ t