Để có thể lợi dụng đươc ưu điểm nổi bật của kỹ thuật gói là nâng cao được hiệu quả tài nguyên mạng (thiết bị truyền dẫn, thiết bị chuyển mạch) do các gói của cùng một đích có thể đi theo các hướng khác nhau tuỳ vào khả năng đáp ứng của tài nguyên theo hướng đó. Đồng thời kết hợp với hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao, băng thông rộng. Người ta đưa ra công nghệ truyền dẫn IP over Optical trong đó các datagram được xử lý hoàn toàn trong miền quang từ nguồn tới đích theo từng đơn vị truyền dẫn. Giai đoạn này chỉ có thể thực hiện khi công nghệ cho phép xử lý gói tại miền quang. Về cơ bản, IP over Optical chỉ cần nâng cấp các thiết bị tại các node của mạng IP over WDM sao cho đáp ứng được năng lực xử lý gói quang.
Trong giai đoạn này, các datagram khác nhau có thể nằm cùng trên một bước sóng khi truyền dẫn nhưng tại các node nó được xử lý riêng rẽ mà không cần thực hiện biến đổi E/O. Để đạt được mục đích này, tại các node mạng sẽ được trang bị các phần tử chuyển mạch gói quang. Công nghệ chuyển mạch gói quang sẽ cố gắng để đạt được hiệu năng nhóm gói tin truyền qua mạng quang tốt nhất. Luồng thông tin tiêu đề hoặc thông tin điều khiển trên một kênh điều khiển riêng sẽ thiết lập đường truyền đơn hướng: không cần có sự hiểu biết về các thiết bị đầu xa. Hình 4.24 là sơ đồ của thiết bị chuyển mạch gói quang.
Mạng WDM cũng giống như mạng ATM về mặt chức năng chuyển mạch. Mạng ATM thực hiện chuyển mạch gói trên cơ sở của mạch ảo trong khi đó tầng kênh quang thực hiện chuyển mạch trên cơ sở bước sóng của tín hiệu (gói tin).
DeMux AR TWC Buffer Switch Filter Mux
Hình 4.24: Sơ đồ khối thiết bị chuyển mạch gói quang.
a, DeMux/Mux: Đây là các bộ tách/ghép kênh quang có cấu tạo đã được trình bày ở
chương 2. Bộ tách kênh quang được sử dụng để tách các tín hiệu quang đầu vào từ luồng sáng tới, phục vụ cho việc xử lý theo từng kênh (bước sóng) ở các bộ phận khác nhau. Và bộ ghép kênh được sử dụng để ghép các kênh tín hiệu quang đầu ra tạo thành luồng sáng truyền trên sợi quang. Nó là bộ phận không thể thiếu trong các thiết bị đặt tại các node của mạng WDM.
b, Asynchronous Regeneration – AR
Mạng lưới truyền dẫn IP trên quang là mạng truyền dẫn số trong đó, tín hiệu được truyền đi dưới dạng các khung chứa các bit nhị phân đã được tiêu chuẩn. Điều này cho phép xử lý tín hiệu nhanh hơn trong miền quang và đảm bảo băng thông tín hiệu lớn. Tuy nhiên, tại các node xử lý yêu cầu có sự đồng bộ theo bit giữa các nguồn khác nhau. Trong đó, khi tín hiệu quang truyền qua mạng phải chịu nhiều ảnh hưởng khác nhau như: tán sắc, jitter…nên có sự khác nhau về thời gian của tín hiệu. Mặt khác, trong các mạng quang thường không có sự đồng bộ hoá tập trung cho tất cả các nguồn tới mức bit nên các đồng hồ nội sẽ hoạt động với các tốc độ khác nhau mà không có sự đồng bộ về pha của tín hiệu đồng hồ của các node khác nhau.
Tín hiệu trên các sợi quang được truyền dẫn dưới dạng các gói. Để dễ dàng thực hiện thì thời gian chia thành các khe thời gian có độ dài cố định và tất cả các node trên mạng đều đồng bộ với nhau ở mức tốc độ khe thời gian. Mỗi khe thời gian được chia thành hai phần như hình 4.25: phần chứa gói tin chiếm gần hết nội dung của khe thời gian và phần bảo vệ giúp phân biệt các gói tin chiếm gần hết nội dung chuyển mạch định tuyến.
Gói tin Khoảng bảo vệ
Khe thời gian
Hình 4.25: Khe thời gian cho truyền dẫn theo gói tin.
Vì khoảng cách giữa hai node có kết nối vật lý với nhau có thể biết được nên điểm bắt đầu của các khe thời gian đầu vào được đồng chỉnh với các nhịp đồng hồ khe thời
gian các node. Điều này có thể thực hiện được nhờ các bộ trễ quang là các dây trễ quang.
Để truyền tín hiệu đồng bộ khe thời gian, có thể sử dụng một bước sóng quang có tốc độ bằng tốc độ khe thời gian và không mang lưu lượng. Tất cả các bit dữ liệu được lập lên “1” để tối thiểu hiện tượng jitter. Khi mạng hoạt động hoàn toàn trong miền quang thì kênh đồng bộ cũng vậy. Vì thế, để nhận các bit “1” trong miền quang thì yêu cầu các bộ đếm photon. Công nghệ chế tạo bộ đếm photon vẫn còn hạn chế.
Nguyên lý hoạt động:
Hình 4.26 biểu diễn quá trình tái sinh các tín hiệu quang của luồng dữ liệu số mã RZ. Cổng Dữ liệu đến Nguồn đồng hồ đồng bộ bit nội bộ Dữ liệu đã được tái sinh Dữ liệu đến (có hiện tượng jitter)
Cửa sổ cổng
Đồng hồ đồng bộ bit Dữ liệu đã được
tái sinh
Hình 4.26: Tái sinh quang luồng dữ liệu mã RZ.
Các bit dữ liệu đến được điều chế với chuỗi xung liên tiếp có độ chính xác cao được tạo ra bởi nguồn đồng bộ nội hạt nên tái sinh được tín hiệu ban đầu. Mỗi bit “1” trong luồng dữ liệu đến sẽ kích cổng chuyển mạch để thực hiện truyền dẫn trong một thời gian nhất định (được gọi là cửa sổ cổng), cho phép một xung đơn từ nguồn nội hạt truyền qua. Bằng cách này giúp cho các bit được tái sinh có dạng xung, phổ biên độ và định thời giống như xung của nguồn nội hạt. Hơn nữa, bộ tái sinh sẽ loại bỏ hiện tượng jitter của các bit dữ liệu tại thời điểm đến, mức độ tuỳ thuộc vào độ rộng của cửa sổ
cổng. Một tính năng cơ bản của các bộ tái sinh là đảm bảo thuộc tính đồng bộ giữa nguồn xung nội hạt và các bit dữ liệu đến. Các bộ tái sinh truyền thống sẽ giải quyết vấn đề này bằng cách bắt buộc các nguồn nội hạt hoạt động đồng bộ theo các luồng bit đến nhờ sử dụng các bộ khôi phục tín hiệu đồng hồ. Tuy nhiên, trong AR các nguồn nội bộ hoạt động độc lập (có tần số gần giống với tốc độ bit) và không sử dụng các bộ khôi phục tín hiệu đồng hồ. Thay cho việc bắt nguồn nội bộ hoạt động đồng bộ với luồng bit đến, trong AR cho phép sự khác nhau về pha giữa luồng dữ liệu đến và nguồn xung nội bộ thay đổi theo thời gian. Sau khi tái sinh, tất cả các gói dữ liệu đều có tần số và pha của nguồn nội bộ độc lập.
Sử dụng AR sẽ cho phép nhận được các tiện ích sau:
+ Tất cả các gói tin đến một node từ các hướng đến khác nhau được đồng bộ với nhau.
+ Nó cho phép các node hoạt động mà không cần có sự đồng bộ ở mức bit trên toàn mạng.
+ Nó còn cho phép các node tự do lựa chọn nguồn tín hiệu quang khác nhau để làm việc như một đồng hồ nội bộ.
+ Tạo các luồng quang đồng bộ bit để phục vụ xử lý tại node.
Nếu luồng tín hiệu được truyền dẫn liên tiếp trên cáp thì không cần có sự bắt pha nhanh chóng gói tin – gói tin và khi này có thể sử dụng các mạng đồng bộ truyền thống.
c, Buffer
Bộ đệm quang là thành phần cơ sở để xây dựng các thiết bị chuyển mạch gói quang. Bộ đệm được sử dụng bởi tại cùng một khe thời gian có thể có các gói tin từ các đầu vào khác nhau nhưng lại yêu cầu cùng một đầu ra. Khi đó, hiện tượng tắc nghẽn xảy ra và nếu không có bộ đệm thì các gói tin sẽ bị mất, xác suất phát lại gói tin cao làm cho trễ truyền dẫn lớn. Kích thước bộ đệm càng lớn thì khả năng tắc nghẽn càng giảm nhưng bù lại là phải chi phí lớn hơn.
Bộ đệm quang cũng sẽ tạo ra khuôn dạng của phần đệm quang tương tự như những thứ được lưu trữ theo tiêu chuẩn đệm trong bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM. Khi đó, một hay nhiều gói tin bị dồn lại và đệm trong bộ đệm quang. Sau đó, gói tin sẽ được truyền qua đường truyền quang đơn đã ấn định cho nó. Vì thế, chuyển mạch gói quang tạo ra tốc độ cho việc ghép kênh thống kê cho phép lợi dụng toàn bộ băng tần trong khoảng thời gian của gói tin.
Bộ đệm quang được tạo thành từ các đường trễ quang sợi. Đây là các sợi quang có độ dài bằng khoảng cách mà ánh sáng truyền được trong khoảng thời gian trễ yêu cầu. Vì yêu cầu tại các điểm node trong suốt về tốc độ trong khi tốc độ ánh sáng truyền trên mạng là rất lớn nên độ dài của các đường dây trễ quang cũng lớn. Tuy nhiên, vẫn chưa có công nghệ đệm nào khác cho tín hiệu quang để có thể lưu trữ dữ liệu dưới dạng ánh sáng nên các bộ đệm quang sợi vẫn có tính khả thi hơn cả.
Có bốn loại bộ đệm cơ bản: bộ đệm đầu vào, bộ đệm đầu ra, bộ đệm dùng chung và bộ đệm phân phối tuần hoàn.
d, TWC – Turnable Wavelength Converter
P1: λ 1 P2: λ 1 P1: λ 1 P2 : λ 1 λ 1 λ 1 λ 1 λ 2 λ 1 λ 2 Không có TWC Có TWC Hình 4.27: Bộ đệm khi có và không có TWC.
Chức năng của bộ này là thực hiện chuyển đổi bước sóng đầu vào λi thành bước sóng đầu ra λj theo yêu cầu. Đây là phần tử chính trong chuyển mạch quang phân chia bước sóng. Mặt khác, các bộ TWC cũng được sử dụng trong các trường chuyển mạch khác nhau. Khi này, nhờ các bộ biến đổi bước sóng mà ta có thể đệm nhiều tín hiệu khác nhau trên cùng một đường dây trễ quang mà vẫn đảm bảo không bị xuyên âm. Để giải thích điều này có thể xem hình 4.27. P1 và P2 là các gói tin khác nhau có cùng bước sóng λi.
e, Switch
Đây là các ma trận chuyển mạch. Thường sử dụng là các ma trận chuyển mạch không gian (các ma trận khác có thể tạo ra từ ma trận này).
f, Filter
Đây là các bộ lọc quang. Có thể sử dụng các loại bộ lọc như: bộ lọc màng mỏng điện môi, bộ lọc khoang cộng hưởng Fabry-Perot, bộ lọc thanh âm…
CHƯƠNG 5:
ỨNG DỤNG IP TRÊN QUANG TRONG NGN CỦA TỔNG CÔNG TY BCVT VIỆT NAM 5.1. Mạng thế hệ sau (NGN) của Tổng công ty
5.1.1. Khái niệm về NGN
Với sự phát triển trong bối cảnh mới của lĩnh vực viễn thông, xuất phát từ môi trường cạnh tranh bình đẳng, mở cửa của các nhà cung cấp dịch vụ, sự bùng nổ của các lưu lượng dữ liệu số, sự gia tăng sử dụng Internet, nhu cầu sử dụng các dịch vụ Multimedia, sự gia tăng từ phía người sử dụng các dịch vụ di động…Từ những năm 90, các tổ chức viễn thông (ITU, IETF, ISC…) và các hãng cung cấp thiết bị (Siemens, Cisco, Alcatel…) đã đưa ra ý tưởng về một mạng thế hệ sau (NGN) nhằm đáp ứng các nhu cầu trên.
Trên cơ sở phát triển của các hãng, mạng thế hệ sau có nhiều tên gọi khác nhau, chẳng hạn như:
- Mạng đa dịch vụ (cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau).
- Mạng hội tụ (hỗ trợ cho cả lưu lượng thoại và dữ liệu, cấu trúc mạng hội tụ). - Mạng phân phối (phân phối tính thông minh cho mọi phần tử trong mạng).
- Mạng nhiều lớp (mạng được phân phối ra nhiều lớp mạng có chức năng độc lập nhưng hỗ trợ nhau thay vì một khối thống nhất như trong mạng TDM).
Theo quan điểm của ITU, khái niệm về NGN như sau:
“Mạng viễn thông thế hệ sau (NGN) là một mạng có hạ tầng thông tin chung dựa trên công nghệ chuyển mạch gói để có thể cung cấp các dịch vụ bao gồm các dịch vụ viễn thông, cung cấp các công nghệ truyền tải băng thông rộng và đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS), trong đó các chức năng liên quan đến dịch vụ độc lập với các công nghệ truyền tải lớp dưới. NGN cung cấp khả năng truy nhập không hạn chế của người sử dụng đến nhiều nhà cung cấp dịch vụ khác nhau. NGN hỗ trợ các dịch vụ di động nói chung, tức là người sử dụng có thể truy nhập ở mọi nơi với bất kỳ phương thức truy nhập nào”.
Theo đó, NGN có những đặc điểm cơ bản sau: + Dựa trên nền tảng công nghệ chuyển mạch gói.
+ Tách biệt lớp dịch vụ và ứng dụng với lớp mạng, cung cấp các giao diện mở (API) nhằm hỗ trợ cho việc tạo ra dịch vụ mới mà không phụ thuộc vào nhà cung cấp thiết bị và nhà khai thác mạng.
+ Hỗ trợ nhiều loại dịch vụ (dịch vụ thời gian thực, phi thời gian thực, đa phương tiện…).
+ Cung cấp các dịch vụ băng thông rộng với sự trong suốt từ đầu đến cuối. + Liên kết với các mạng truyền thông khác (PSTN, ISDN…).
+ Hỗ trợ các dịch vụ và tính năng di động nói chung.
+ Người sử dụng không phải lệ thuộc vào các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau. Các dự án nghiên cứu của ITU và các hãng đang tiếp tục cụ thể hoá cũng như hoàn thiện các chuẩn NGN.
5.1.2. Nguyên tắc tổ chức mạng thế hệ sau (NGN)
Có rất nhiều tài liệu về cấu trúc mạng thế hệ sau được các hãng cung cấp dưới dạng giải pháp mạng hoặc các tổ chức viễn thông nghiên cứu đề xuất. Có thể thấy rằng mạng thế hệ sau được tổ chức theo các nguyên tắc cơ bản sau:
- Đáp ứng nhu cầu cung cấp các loại hình dịch vụ viễn thông phong phú đa dạng, đa dịch vụ, đa phương tiện.
- Mạng có cấu trúc đơn giản.
- Nâng cao hiệu quả sử dụng, chất lượng mạng lưới và giảm thiểu chi phí khai thác và bảo dưỡng.
- Dễ dàng mở rộng dung lượng, phát triển các dịch vụ mới. - Độ linh hoạt và tính sẵn sàng cao, năng lực tồn tại mạnh.
- Tổ chức mạng dựa trên số lượng thuê bao theo vùng địa lý và nhu cầu phát triển dịch vụ.
5.1.3. Mạng thế hệ sau của Tổng công ty
1. Nguyên tắc tổ chức
Những nguyên tắc này xuất phát từ mục tiêu NGN mà ITU và các tổ chức, các hãng và các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã và đang quan tâm. Nguyên tắc tổ chức mạng dựa trên số lượng thuê bao theo vùng địa lý và nhu cầu phát triển dịch vụ, không tổ chức theo địa bàn hành chính như trước mà tổ chức theo vùng lưu lượng.
Theo đó, mạng thế hệ sau của Tổng công ty được phân thành 3 vùng lưu lượng như sau:
Vùng lưu lượng 1: Bao gồm toàn bộ thuê bao của 28 tỉnh phía Bắc từ Hà giang đến Hà tĩnh.
Vùng lưu lượng 2: Toàn bộ thuê bao thuộc 14 tỉnh Miền trung và Tây nguyên từ Quảng Bình đến Đắc lắc.
Vùng lưu lượng 3: Toàn bộ thuê bao của 19 tỉnh thuộc đồng bằng Nam Bộ và đồng bằng sông Cửu Long.
2. Cấu trúc mạng thế hệ sau của Tổng công ty
Bằng việc chuyển đổi cấu trúc mạng lưới viễn thông đường trục từ chuyển mạch kênh sang NGN với công nghệ chuyển mạch gói là cả một sự chuyển đổi mạnh mẽ về bản chất công nghệ để nâng cao năng lực mạng lưới, theo kịp sự phát triển về công nghệ viễn thông trên thế giới. Mạng thế hệ sau của Tổng công ty có cấu trúc như sau:
Hình 5.1: Cấu trúc mạng thế hệ sau của Tổng Công Ty.
NGN là mạng viễn thông thế hệ sau cho phép kết hợp giữa ba hệ thống mạng hiện có là PSTN, truyền số liệu và Internet, cho phép truyền đồng thời cả âm thanh, hình ảnh và số liệu trên một cơ sở truyền thông duy nhất.
Sử dụng giải pháp của Siemens, với hệ thống thiết bị của hãng Juniper, mạng thế hệ sau của Tổng Công Ty được tổ chức thành 4 lớp: lớp điều khiển, lớp truyền tải, lớp truy nhập và lớp quản lý.
Lớp điều khiển: Gồm các hệ thống tổng đài Softswitch, thực chất là các hệ thống điều khiển để điều khiển hoạt động của mạng thế hệ sau (NGN), trong đó có các mạng dịch vụ chính là: mạng PSTN/ISDN, mạng dữ liệu (Internet, X25, Frame Relay, IP VPN, ATM, xDSL…) và mạng di động (GSM, GPRS, CDMA, các mạng 3G trong tương lai).
Lớp truyền tải: Gồm hai hệ thống chuyển mạch cấp trục (core) và cấp biên (Edge).