Trong chƣơng 2 chúng ta đã tìm hiểu các vấn đề liên quan đến điều chế, đặc biệt là kỹ thuật điều chế DP-QPSK. Phần đầu chƣơng 2 giới thiệu tổng quan về điều chế trong thông tin quang, bao gồm khái niệm về điều chế, điều chế trực tiếp và điều chế ngoài. Kỹ thuật điều chế On-Off Keying và những hạn chế của nó cũng đã đƣợc trình bày trong phần này. Phần nội dung tiếp theo của chƣơng 2 tìm hiểu về điều chế trong thơng tin quang Coherent, từ những kỹ thuật điều chế đƣợc nghiên cứu trong những năm 1980 cho đến những kỹ thuật điều chế tiên tiến đang thu hút nhiều sự quan tâm hiện nay. Một số so sánh giữa các dạng điều chế cũng đem lại cho chúng ta một cái nhìn tổng quát hơn về xu hƣớng phát triển của thông tin quang Coherent trong giai đoạn hiện nay.
Trong số các định dạng điều chế tiên tiến đó, DP-QPSK đã đƣợc OIF lựa chọn làm định dạng điều chế chuẩn cho công nghệ 100 Gb/s DWDM. Với những ƣu điểm nhƣ hiệu suất phổ cao, dạng phổ hẹp, khả năng miễn nhiễm đối với tán sắc và phi tuyến cao, DP-QPSK đƣợc nhiều nhà sản xuất thiết bị lựa chọn cho giải pháp 100 Gb/s Long-haul và Metro. Phần cuối chƣơng 2 trình bày lý thuyết về kỹ thuật điều chế DP- QPSK, máy phát và máy thu DP-QPSK, cùng với kỹ thuật xử lý tín hiệu số và kỹ thuật mã hóa sửa lỗi. Đó là những cơng nghệ chính quyết định đến sự thành cơng của việc ứng dụng công nghệ 100 Gb/s vào thực tế. Chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về lý thuyết điều chế DP-QPSK, phần nội dung chƣơng 3 sẽ trình bày về ứng dụng của kỹ thuật điều chế này trong công nghệ 100 Gb/s Long-haul và thực tế ở mạng đƣờng trục của tập đồn VNPT (do cơng ty VTN quản lý).
CHƢƠNG III. GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT
Phần nội dung chƣơng 2 đã trình bày về một số dạng điều chế đƣợc nghiên cứu trong thông tin quang Coherent, dựa vào những so sánh trong các bảng từ 2.1 đến 2.4, chúng ta thấy rằng: điều chế DP-QPSK là dạng điều chế phù hợp nhất cho tốc độ 100 Gb/s. DP-QPSK có tính miễn nhiễm cao đối với CD và PMD cũng nhƣ đối với hiệu ứng phi tuyến, có hiệu suất phổ cao và yêu cầu OSNR thấp. Trên thực tế có nhiều cơng nghệ điều chế khác phức tạp hơn có thể ứng dụng cho công nghệ 100 Gb/s nhƣ DP- 8PSK, M-QAM, Co-OFDM, những công nghệ này cho phép truyền tải ở cả những tốc độ bit cao hơn 100 Gb/s (200 Gb/s, 400 Gb/s…). Tuy nhiên, công nghệ DP-QPSK đạt đƣợc một sự cân bằng tối ƣu về độ phức tạp của công nghệ cũng nhƣ giá thành của sản phẩm cho ứng dụng 100 Gb/s.
Trong phần đầu chƣơng 3 sẽ giới thiệu chung về mạng truyền tải 100 Gb/s, những dự báo về thị trƣờng và tình hình thƣơng mại hóa các sản phẩm cho ứng dụng 100 Gb/s. Tiếp theo xin trình bày giải pháp mạng quang 100 Gb/s DP-QPSK của hãng Ciena và ứng dụng thực tế vào hệ thống mạng Ciena 240G tại Việt Nam. Phần cuối cùng trình bày về mơ hình mơ phỏng hệ thống DP-QPSK bằng phần mềm Optisystem.
3.1 Tình hình thƣơng mại hóa các sản phẩm cho ứng dụng 100 Gb/s
Theo các số liệu điều tra vào đầu những năm 2000, tăng trƣởng lƣu lƣợng của internet ở mức từ 70-150% một năm [22]; kể từ năm 2006, tỉ lệ này nằm ở mức 40- 50% [23]. Rõ ràng với mức độ tăng trƣởng đó thì hệ thống mạng sử dụng tốc độ 10 Gb/s sẽ không đáp ứng đƣợc. Nhiều nhà khai thác mạng lớn đã lập kế hoạch mở rộng một cách đáng kể năng lực mạng lƣới để đáp ứng nhu cầu tăng trƣởng của lƣu lƣợng IP. Theo số liệu của hãng nghiên cứu thị trƣờng Dell’ Oro thì các sản phẩm truyền dẫn có tốc độ 100 Gb/s sẽ phát triển mạnh từ sau năm 2012 với tổng giá trị sản phẩm khoảng 30 triệu USD và sẽ đạt khoảng 500 triệu USD vào năm 2014 [24]. Cịn hãng nghiên cứu thị trƣờng Heavy Reading thì dự báo thị phần các ứng dụng có tốc độ kênh từ 40 Gb/s đến 100 Gb/s sẽ chiếm hơn phân nửa (55%) vào năm 2013, trong đó ứng dụng 40 Gb/s chiếm 26% và 100 Gb/s là 29%; gần phân nửa thị trƣờng còn lại (45%) là của các ứng dụng 10 Gb/s [24]. Hình 3.1 thể hiện xu hƣớng phát triển về tốc độ truyền dẫn trên các hệ thống mạng DWDM [25].
Vào ngày 14/12/2009, Verizon tuyên bố trở thành nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đầu tiên thành công trong việc đƣa vào thƣơng mại hóa hệ thống 100 Gb/s. Hệ thống này đƣợc triển khai trên mạng lõi châu Âu, nối giữa Paris và Frankfurt (893 km), là sự hợp tác giữa Nortel và Verizon [26]. Lần lƣợt Nortel (bây giờ là Ciena), Alcatel-Lucent, Huawei, Fujitsu, ZTE đã thành công trong việc cung cấp giải pháp thƣơng mại sẵn có cho công nghệ 100 Gb/s. Việc triển
khai thành công công nghệ 100 Gb/s trên cơ sở hạ tầng mạng quang sử dụng cho công nghệ 10 Gb/s, đã đánh dấu một bƣớc phát triển mới trong mạng DWDM Coherent. Ngoài việc nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống, công nghệ 100 Gb/s sẽ làm đơn giản hóa hệ thống mạng, cho phép truyền trực tiếp 100 GbE (IEEE P802.3ba) giữa các bộ định tuyến tốc độ cao (ví dụ nhƣ T1600 của Juniper) qua mạng lõi DWDM mà không cần Transponder [27].
1T 500G 100G 40G 10G 2,5G 1995 2000 2005 2010 2015 C o h er en t S u p er C h a n n el s Tách sóng trực tiếp Tách sóng Coherent
Hình 3.1 Xu hướng phát triển tốc độ bit trên một kênh DWDM
Tuy nhiên việc đƣa vào thƣơng mại rộng rãi công nghệ 100 Gb/s vẫn cịn gặp nhiều khó khăn, do mức độ phức tạp của công nghệ cũng nhƣ giá thành của sản phẩm. Chúng ta đã từng đƣợc chứng kiến khoảng thời gian kéo dài hơn 7 năm kể từ khi ra mắt sản phẩm 40 Gb/s đầu tiên cho tới khi chúng đƣợc thƣơng mại hóa rộng rãi trên thế giới. Có ba nguyên nhân dẫn đến thời gian đƣa sản phẩm ra thị trƣờng kéo dài:
Thứ nhất, do những dự báo về sự bùng nổ dung lƣợng internet thiếu chính xác. Ví dụ: vào cuối năm 2005, John Chambers (giám đốc điều hành của Cisco) cho rằng mức tăng trƣởng lƣu lƣợng truy cập internet đã tăng khoảng 100% mỗi năm và có thể hƣớng tới 300-500% mỗi năm [23]. Nhƣng trên thực tế mức tăng chỉ ở khoảng 40-50% mỗi năm.
Thứ hai, công nghệ 40 Gb/s phức tạp hơn nhiều so với công nghệ 10 Gb/s và khơng dễ để có sự hịa hợp giữa hai cơng nghệ này.
Thứ ba, sự thiếu hụt của các tiêu chuẩn để chuẩn hóa cơng nghệ 40 Gb/s dẫn đến việc có q nhiều cơng nghệ 40 Gb/s trong khi lại thiếu nguồn tài chính cho các cơng nghệ này.
Chúng ta đã có bài học với công nghệ 40 Gb/s và do đó khơng thể để lặp lại những lỗi nhƣ trên khi triển khai các công nghệ 100 Gb/s. Các tiêu chuẩn về công nghệ 100 Gb/s đã đƣợc thực hiện bởi ba tổ chức tiêu chuẩn chính là IEEE, ITU và OIF
trong nửa đầu năm 2010 và đây là tiền đề cho việc triển khai rộng khắp các ứng dụng 100 Gb/s. Thêm vào đó, 100 Gb/s có thể kế thừa các đặc tính của cơng nghệ 40 Gb/s. Một số nhà khai thác mạng thậm chí đã khơng ngần ngại bỏ qua 40 Gb/s, đi thẳng lên xây dựng các mạng 100 Gb/s để nhanh chóng đƣa các tiêu chuẩn và cơng nghệ 100 Gb/s vào thực tiễn.
Mặc dù vậy, cần phải xem xét kỹ hơn sự chín muồi của 100 Gb/s về mặt tiêu chuẩn, công nghệ và hiệu quả chi phí. Các tiêu chuẩn công nghệ cho 100 GbE (100 Gb/s Ethernet) đã đƣợc hoàn thiện vào giữa năm 2010, tuy nhiên các tiêu chuẩn cho các module 100 Gb/s quang và 100 Gb/s DWDM vẫn cần thêm thời gian để hồn thiện. Bên cạnh đó, về mặt cơng nghệ, tồn bộ ngành cơng nghiệp 100 Gb/s là hoàn toàn mới. Do vậy sau khi các tiêu chuẩn đƣợc phê duyệt thì ngành cơng nghiệp bao gồm sản xuất chip, sản xuất các module hệ thống, các thành phần khác cho công nghệ này vẫn cần thêm một khoảng thời gian nữa để ổn định và trƣởng thành. Chúng ta cần phải cẩn thận để khơng lặp lại các thiếu sót đã mắc phải khi triển khai công nghệ 40 Gb/s dẫn tới một chuỗi các giá trị 40 Gb/s còn đang dang giở nhƣ hiện nay.
Thêm vào đó, xét một cách lâu dài thì 100 Gb/s là khá đắt. Các nhân tố này đang kết hợp tạo ảnh hƣởng tới kế hoạch thƣơng mại hóa 100 Gb/s. Mặc dù thời điểm đƣa các công nghệ 100 Gb/s ra thị trƣờng đƣợc cho là sẽ ngắn hơn nhiều so với 40 Gb/s, song một quá trình xử lý dài của phát triển thị trƣờng và cơng nghệ vẫn là cần thiết trƣớc khi chính thức tung ra thị trƣờng. Điều đó có nghĩa là 100 Gb/s sẽ cùng tồn tại với 40 Gb/s trong một khoảng thời gian tƣơng đối dài. Xét một cách tổng quan các nhân tố thì thời điểm đầu năm 2013 sẽ là thích hợp cho thƣơng mại hóa 100 Gb/s rộng rãi. Các nhà khai thác mạng cần tính tốn và cân nhắc kỹ về hiệu quả chi phí và mức tăng trƣởng dung lƣợng trên mạng lƣới trƣớc khi triển khai công nghệ 100 Gb/s.
Về mặt công nghệ cho truyền tải 100 Gb/s đƣờng dài, chủ yếu là kỹ thuật điều chế và giải điều chế, kỹ thuật mã sửa lỗi trƣớc FEC (Forward Error Correction), kỹ thuật xử lý tín hiệu số và các cơng nghệ truyền tải đƣờng dài. Công nghệ điều chế tiên tiến là cần thiết cho việc thực hiện truyền tải DWDM dung lƣợng cao và khoảng cách xa. Một số hãng lớn trên thế giới đã nghiên cứu các vấn đề này, ví dụ Huawei đã phát triển các kỹ thuật điều chế tiên tiến nhƣ sDQPSK, oPDM-DQPSK và ePDM-QPSK. Điều chế sDQPSK sử dụng cơng nghệ kiểm sốt phân cực để giảm tác động phi tuyến trong hệ thống DWDM tốc độ cao, cho phép hệ thống truyền tín hiệu trên khoảng cách 1200 km [28]. Bằng việc thực thi phần cứng kết hợp với các thuật tốn tiên tiến, cơng nghệ oPDM-DQPSK tạo điều kiện theo dõi một cách nhanh chóng phân cực quang và giúp truyền tải tới 80 bƣớc sóng tín hiệu tại 100 Gb/s. Các đặc tính tiên tiến của cơng nghệ ePDM-QPSK có thể kể đến nhƣ kỹ thuật tách sóng Coherent, bộ chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự – số tốc độ cao, bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao. Do tính miễn nhiễm với tán sắc và phi tuyến cao nên công nghệ ePDM-QPSK có thể truyền tải lên tới 80 bƣớc sóng của tín hiệu tại 100 Gb/s qua khoảng cách 1500 km [28].
3.2 Giải pháp 100 Gb/s DP-QPSK của hãng Ciena 3.2.1 Giới thiệu chung về mạng quang Ciena 3.2.1 Giới thiệu chung về mạng quang Ciena
Ciena® Corporation (Hoa Kỳ), là một công ty chuyên về mạng, cung cấp các giải pháp cơ sở hạ tầng mạng hàng đầu thế giới. Khách hàng của Ciena bao gồm cả những nhà khai thác mạng lớn nhƣ: AT&T, Verizon, Bell Canada, CenturyLink, CANARIE, Internet2, JANET, SURFnet, VERNet… Các giải pháp mạng quang học của Ciena đƣợc ứng dụng rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới, bao gồm mạng siêu đƣờng dài (Ultra-Long-haul), mạng đƣờng dài (Long-haul), mạng vùng (Regional) và mạng đô thị (Metro). Ƣu điểm của các giải pháp mạng Ciena là kiến trúc mạng đơn giản, linh hoạt và dễ dàng nâng cấp khi cần. Hình 3.2 minh họa kiến trúc mạng quang Ciena, với các thiết bị quan trọng 6500, 5410, 5430 (hình 3.3). Trong đó thiết bị chủ lực 6500 là một thiết bị biên hỗ trợ đa dịch vụ, đa giao thức; kết hợp TDM/WDM/Ethernet/OTN trên một mạng hội tụ duy nhất. Ngồi ra 6500 cịn hỗ trợ giao diện 40 Gb/s và 100 Gb/s, cho phép nâng cấp dễ dàng lên 40 Gb/s và 100 Gb/s. 5410 và 5430 là những thiết bị chuyển mạch gói quang có khả năng cấu hình lại đƣợc, thực hiện thu gom lƣu lƣợng trên các mạng IP đƣa về mạng lõi qua thiết bị 6500.
6500 5430 5410 5430 5410 Ciena 6500 6500 6500 6500 6500 6500 Quản lý mạng Thống nhất Mạng dƣới biển Mạng Metro & Long Haul Mạng Metro
& Long Haul
Hình 3.2 Kiến trúc mạng quang của Ciena
Về công nghệ mạng quang Coherent tốc độ cao, Ciena là hãng cung cấp thiết bị đầu tiên trên thế giới đƣa sản phẩm cho ứng dụng 40 Gb/s và 100 Gb/s vào thƣơng mại hóa. Tính đến ngày 06/09/2012, đã có hơn 100 khách hàng sử dụng công nghệ 40/100 Gb/s của Ciena, với hơn 15 triệu km đã đƣợc triển khai trên toàn cầu [29]. Giải pháp 40/100 Gb/s của Ciena dựa trên bộ vi xử lý quang Coherent WaveLogic TM (mới nhất là WaveLogic 3), cho phép nâng cấp mạng lƣới 10 Gb/s đang sử dụng lên 40 Gb/s và
100 Gb/s và tƣơng lai lên đến 400 Gb/s, một cách đơn giản và hiệu quả về chi phí. Những lợi ích của cơng nghệ WaveLogic bao gồm:
- Tăng lƣu lƣợng truyền tải của mạng 10 Gb/s hiện tại lên 4 lần hoặc 10 lần bằng cách đơn giản là lắp đặt module 40/100 Gb/s vào thiết bị OME 6500.
- Nhanh chóng kích hoạt các dịch vụ mới trên mạng, bao gồm cả Ethernet tốc độ cao và các dịch vụ OTN.
- Giảm chi phí đầu tƣ thơng qua việc cắt giảm hoặc loại bỏ một số loại thiết bị mạng nhƣ bộ khuếch đại Raman, bộ tái tạo tín hiệu (Regenerator), bộ bù tán sắc…
- Không cần phải đầu tƣ lắp đặt thêm các tuyến cáp quang mới.
4200 6500 7-slot 6500 14-slot 6500 32-slot 5410 5430
Nền tảng dịch
vụ tiên tiến Nền tảng gói quang
Hệ thống chuyển mạch cấu hình
lại đƣợc
Truyền tải gói quang Chuyển mạch gói quang
Hình 3.3 Một số thiết bị quan trọng trong mạng Ciena
3.2.2 Giải pháp mạng đƣờng dài 100 Gb/s
Giải pháp mạng quang đƣờng dài của Ciena thƣờng đƣợc ứng dụng vào mạng đƣờng trục quốc gia. Ƣu điểm của nó là ở tính đơn giản, linh hoạt; xây dựng hệ thống mạng theo kiến trúc module cho phép thay đổi, nâng cấp và quản lý dễ dàng. Đặc biệt giải pháp 100 Gb/s của Ciena cho phép tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng mạng đã đƣợc xây dựng cho hệ thống 10 Gb/s, đồng thời giảm bớt một số khối thiết bị nhƣ bộ khuếch đại Raman, bộ bù tán sắc trên đƣờng truyền, bộ tái tạo tín hiệu. Một số đặc điểm của giải pháp 100 Gb/s [30]:
Hỗ trợ 88 kênh bƣớc sóng 100 Gb/s (khoảng cách kênh 50 GHz).
Có thể ghép hỗn hợp với kênh 10 Gb/s và 40 Gb/s trên cùng một sợi quang.
Phù hợp với lƣới ITU 50 GHz và 100 GHz.
Sử dụng hai sóng mang con với khoảng cách 20 GHz, làm cho tốc độ xử lý giảm đƣợc một nữa (xuống còn 14 Gsymbol/s).
Hỗ trợ khoảng cách hơn 1000 km (không cần Regenerator).
Sử dụng bù tán sắc động điện tử và có thể bù ±32000 ps/nm.
Tính miễn nhiễm với PMD cao hơn so với hệ thống 10 Gb/s.
Có thể đi qua 10 ROADM (50 GHz).
6500 OTN Network IP IP IEEE ITU-T ITU-T IEEE OIF OIF 6500
Hình 3.4 Kiến trúc mạng đường dài 100 Gb/s
Hình 3.4 mơ tả kiến trúc mạng đƣờng dài 100 Gb/s của hãng Ciena, trong đó cơ bản có thể chia làm ba phần: phần mạng phía khách hàng (theo chuẩn IEEE), phần mạng lõi (theo chuẩn ITU-T) và phần thu/phát xử lý tín hiệu (theo chuẩn OIF). Sau đây chúng ta cùng tìm hiểu về ba thành phần này.
a. IEEE
Chuẩn Ethernet tốc độ 40/100 Gb/s (IEEE P802.3ba) đƣợc thông qua vào ngày 17/06/2010, mở đƣờng cho một làn sóng kết nối máy chủ Ethernet tốc độ cao và hệ thống chuyển mạch lõi. Thiết bị OME 6500 của Ciena cũng đã cung cấp giao diện