Nghiên Ứu Tiết Kiệm Năng Lượng Ho Á Mạng Thế Hệ Mới..pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐOÀN ĐỨC SINH

NGHIÊN CỨU TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG
CHO CÁC MẠNG THẾ HỆ MỚI

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


PGS.TS. NGUYỄN HỮU THANH

Hà Nội - Năm 2015

170849411651278dc4e65-c3be-4891-96e8-d91baba819f3
1708494116512506405fa-3cfd-4a6c-b950-cb93f5f9000a
1708494116512d3b122e3-6588-4bcd-b098-cc4a91a77d79


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................8
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 10
1. Lý do ch tài .............................................................................................. 10

2. M cu ........................................................................................ 11
ng và phm vi nghiên cu .................................................................... 11
4. Kt cu lun  ...............................................................................................11
5.  cu ..................................................................................12
CHƢƠNG I - MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON ..............................................13
1.1. Gii thiu  .......................................................................................... 13
1.2. Mng PON .....................................................................................................14
1.3. Mng PON ghép kênh phân chia theo thi gian ............................................21
1.4. Các tiêu chun cho mng TDM-PON ............................................................ 25
1.4.1. B-PON ................................................................................................ 25
1.4.2. E-PON ................................................................................................ 26
1.4.3. G-PON ............................................................................................... 28
1.5. Kt lun  ............................................................................................. 30
CHƢƠNG II - CƠ CHẾ PHÂN BỔ BĂNG THƠNG ĐỘNG............................. 32
2.1. Gii thiu .......................................................................................................32
2.2. Thut tốn cng [2] ...................................................... 32
nh dng bu khin [2] ................................................................... 37
2.4. Lp lch cho bn tin Grant/Request ...............................................................39
Đoàn Đức Sinh

1


a mng [2] ..................................................................43
2.6. Các dch v s dng thut toán DBA ............................................................46
2.7. Chng QoS ............................................................................................. 48
2.8. Kt lu ............................................................................................. 50
CHƢƠNG III - PHÂN BỔ BĂNG THÔNG ĐỘNG TIẾT KIỆM NĂNG
LƢỢNG VỚI CÁC ONU Ở CHẾ ĐỘ NGỦ .........................................................51
3.1. Gii thiu ....................................................................................................... 51

u khin lp MAC tit king [5] ........................55
  lp phép [5] .......................................... 60
3.4. Xây dng bài toán to chu trình cp phép tit king [5] .............61
3.5. Thut toán quy hong ct king [5] . 65
3.6. Kt lu ............................................................................................. 67
CHƢƠNG IV - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG PON ...... 68
4.1. Gii thiu ....................................................................................................... 68
4.2. Mô hình h thng ........................................................................................... 69
 ................................................69
 ...................................................................... 70
 thut tốn mô phng ............................................................................ 71
 ...................................... 71
 ......................73
ng ................................................................................. 74
 ..................................................... 74
 ............................................................ 76
4.5. Kt qu mô phng ..........................................................................................78
 ....... 78
 .................................................................. 80
4.5.2.1. Thi gian chu k .......................................................................... 80
i ..................................................................... 85

Đoàn Đức Sinh

2


4.5.2.3. Thi gian tr ca gói tin ...............................................................90
4.6. Nhn xét .........................................................................................................95
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..............................................97

1. Kt lun .............................................................................................................. 97
ng nghiên cu tip theo ..............................................................................97
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 98
PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN CHƢƠNG TRÌNH ....................................................100
ng mng .......................................................100
ng hing ca PON .......................................101

Đoàn Đức Sinh

3


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam oan ây là cơng trình nghiên cu ca riêng tôi.
Các sliu, kt qu nêu trong lun vn là trung thc và cha tng c ai cơng
btrong bt kcơng trình nào khác.

Tác giả luận văn

Đồn Đức Sinh

Đoàn Đức Sinh

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tên đầy đủ

Nghĩa tiếng Việt

ADAEE

Adaptive Delay Aware Energy
Efficient

Gii pháp tit ki ng nhn
bit tr 

AON

Active Optical Network

Mng quang tích cc

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Ch  truyn không ng b

CO

Central Office

Trm trung tâm

DBA

Dynamic Bandwidth
Assignment

 thông 

DCS

Downstream Centric Scheme



EMM

Energy Management
Mechanism



FSAN

Full Service Access Network

Mng truy nhy  dch v

FTTH

Fiber To The Home

n tn nhà

GEM

GPON Encapsulation Method

c  gói GPON

IPACT

Interleaved Polling with
Adaptive Cycle Time

Vịng xen k vi chu k ng

JIT

Just-In-Time

i gian

LLID

Link Logic ID

 kênh logic

MAC

Medium Access Control

u khin truy cp môi ng

MPCP

Multipoint Control Protocol

Giao thu khin  m

NGN

Next Generation Network

Mng th h mi

NID

Node Identification

Nhn din node

OLT

Đoàn Đức Sinh

Optical Line Terminal

Thit b u cui ng dây

5


ONT

Optical Network Terminal

 

ONU

Optical Network Unit

 

PLOAM

Physical Layer Operation,
Administration and
Maintenance

Qun lý vn hành bo ng lp vt
lý

PMD

Physical Media Dependent

Ph thuc môi ng vt lý

PON

Physical Media Dependent

Mng quang th ng

PS

Passive Splitter

B chia quang th ng

QoS

Quality of Service

Chng dch v

RTT

Round Trip Time

Thi gian t lúc gn lúc nhn

SDBA

Sleep Aware Dynamic
Bandwidth Allocation

Phân b  nhn

bit gic ng

SLA

Service Level Agreement

Tha thun mc dch v

SNI

Service Network Interface

Giao din mng dch v

SRD

Short Range Dependent

Ph thuc thi gian ngn

TDMA

Time Division Multiple Access

Truy c chia theo thi gian

TE

Terminal Equipment

Thit b u cui

UCS

Upstream Centric Scheme

 truyng lên

UNI

User Network Interface

Giao din mng i dùng

VPN

Virtual Private Network

Mng riêng o

WDM

Wavelength Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia

WS

Window Size

Đồn Đức Sinh

 sóng


6


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 – Bảng so sánh các chuẩn công nghệ TDM-PON .....................................29
Bảng 2.1 - Cơ chế cấp phát cửa sổ truyền của một số dịch vụ ................................. 46
Bảng 3.1 - Định nghĩa các ký hiệu ............................................................................ 57
Bảng 4.1 - Thông số mô phỏng lưu lượng đi trong mạng ......................................... 70
Bảng 4.2 - Thông số mô phỏng hiệu năng mạng PON ............................................. 71
Bảng 4.3 - Kết quả mô phỏng lưu lượng đi trong mạng ........................................... 80
Bảng 4.4 - Số liệu mơ phỏng thời gian trung bình của 1 chu kỳ của các dịch vụ ....82
Bảng 4.5 - Số liệu mô phỏng thời gian lớn nhất của 1 chu kỳ của các dịch vụ ........ 84
Bảng 4.6 - Số liệu mơ phỏng kích thước hàng đợi trung bình của các dịch vụ ........ 87
Bảng 4.7 - Số liệu mô phỏng kích thước hàng đợi lớn nhất của các dịch vụ ........... 89
Bảng 4.8 - Số liệu mô phỏng thời gian trễ trung bình của gói tin của các dịch vụ .. 92
Bảng 4.9 - Số liệu mô phỏng thời gian trễ lớn nhất của gói tin của các dịch vụ .....94

Đoàn Đức Sinh

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 - Mạng PON với bộ chia quang thụ động Passive Splitter ........................14

Hình 1.2 - Mạng PON ...............................................................................................15
Hình 1.3 - Bước sóng truyền trong mạng PON ........................................................16
Hình 1.4 – Cấu trúc tổng quan của một giải pháp PON ..........................................19
Hình 1.5 - Kiến trúc tổng quan của mạng PON........................................................ 20
Hình 1.6 - Nguyên lý truyền dữ liệu hướng xuống theo phương thức quảng bá ......22
Hình 1.7 - Nguyên lý truyền dữ liệu hướng lên theo cơ chế ghép kênh phân chia
theo thời gian (TDM) ................................................................................................ 22
Hình 1.8 - Cấu trúc chung của OLT ......................................................................... 23
Hình 1.9 - Cấu trúc chung của ONU ........................................................................ 24
Hình 1.10 - ONU & OLT gửi bản tin yêu cầu cấp phát băng thơng ........................ 27
Hình 2.1a – OLT gửi bản tin điều khiển đến ONU 1 ................................................ 33
Hình 2.1b – ONU 1 gửi dữ liệu lên cửa sổ được cấp ............................................... 34
Hình 2.1c – OLT update thơng tin vào bảng polling ................................................ 35
Hình 2.1d – Các bước của thuật tốn DBA .............................................................. 36
Hình 2.2 - Vị trí lồng bản tin điều khiển vào khung Ethernet ...................................38
Hình 2.3 - Lập lịch cho bản tin Request ...................................................................40
Hình 2.4 - Lập lịch bản tin Grant cho ONU thứ i, i+1, i+2 với i-1 bị ngắt ............. 42
Hình 2.5 - Các thành phần của thời gian trễ của gói tin .......................................... 45
Hình 3.1 - Sơ đồ chuyển trạng thái của ONU ........................................................... 56
Hình 3.2 - Minh họa phương pháp điều khiển lớp MAC tiết kiệm năng lượng ........ 57
Hình 3.3 - Minh họa cơ chế tạo chu trình cấp phép tiết kiệm năng lượng ...............63
Hình 4.1 - Giao diện mơi trường làm việc của phần mềm Matlab R2014a.............. 68
Hình 4.2 - Kích thước trung bình của gói tin phụ thuộc vào tải & thời gian đến
trung bình của gói tin ................................................................................................ 69
Hình 4.3 - Sơ đồ thuật tốn mơ phỏng lưu lượng mạng ...........................................72
Hình 4.4 - Sơ đồ thuật tốn mơ phỏng hiệu năng của mạng PON ........................... 73

Đoàn Đức Sinh

8

Hình 4.5 - Giao diện chương trình khởi động ......................................................... 75
Hình 4.6 - Giao diện chương trình chính ..................................................................76
Hình 4.7 - Biểu đồ lượng dữ liệu đến ONU trong thời gian 1s ................................ 78
Hình 4.8 - Biểu đồ lượng dữ liệu đến ONU trong thời gian 10 ms .......................... 79
Hình 4.9 - Biểu đồ lượng dữ liệu đến ONU trong thời gian 1000 µs ....................... 79
Hình 4.10 - Đồ thị biểu diễn thời gian trung bình của 1 chu kỳ của từng dịch vụ ... 81
Hình 4.11 - So sánh thời gian trung bình của 1 chu kỳ của các loại dịch vụ ........... 83
Hình 4.12 - So sánh thời gian lớn nhất của 1 chu kỳ của các loại dịch vụ ..............85
Hình 4.13 - Đồ thị biểu thị kích thước hàng đợi trung bình của từng dịch vụ .........86
Hình 4.14 - So sánh kích thước hàng đợi trung bình của các loại dịch vụ............... 88
Hình 4.15 - So sánh kích thước hàng đợi lớn nhất của các loại dịch vụ ..................90
Hình 4.16 - Đồ thị biểu diễn thời gian trễ trung bình của gói tin của từng dịch vụ .91
Hình 4.17 - So sánh thời gian trễ trung bình của gói tin của các loại dịch vụ......... 93
Hình 4.18 - So sánh thời gian trễ lớn nhất của gói tin của các loại dịch vụ ............ 95

Đoàn Đức Sinh

9


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong nhng  gn  nhu cu v  thông i vi các dch v vin
thông  gia  mt cách  k. Theo các chuyên gia thì s gia  nhanh
ca các mng xy ra, s dn n nhng thách thc mi i vi ngành công nghip
vin thông  là s phi i mt vi mt s tiêu th  ng gia  ca các
mng.
Hin nay, mng vi  c phát tri  ng s    n

toàn b ng b vi mu này làm cho vic tìm ki
gii quyt truy nh  ng có giá thành thp, ch     nên cp
thit.
Cùng vi s phát trin ca xã hi thông tin, nhu cu s dng dch v vin thông
 thon truyn s liu, hình c bit là nhu
cu v Internet. Vic tích hp tt c các dch v vào cùng mt mng (c th là mt
ng kt ni cho tt c -  nên cp thit và là v nóng bng
ca mng vin thơng ti các quc gia trên th gii.
  chú
ý   so  trong quá  vì  nguyên nhân khách quan. Theo
 kê   ra thì     30% trong    
 tiêu  trên   trong    thông   dùng  
 2.5%  
tiêu  trên   Và trong   thông thì riêng  truy  
 trên 50%   tiêu  [12].  con  này   báo là 
  các
 thông.
  truy     quan tâm vì nó bao     
  mà các   này làm tiêu      
Đoàn Đức Sinh

10


 thông. Chúng  
 trung tâm  nhà cung    (CO)  các    
t
 các 
này  
Chính vì   nghiên  các       là  

    phát  các   thông trên   nói chung và  
Nam nói riêng.
Lun  này  nghiên cu tìm hiu , lp lch phân b  
tit king trong mng truy nhp quang th h mi, c th  ng
quang th ng - PON.
2. Mục đích nghiên cứu
- 

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- 

-    
giá  

4. Kết cấu luận văn
Ngoài      và tài  tham       4

-  -  
-  2 - 

Đoàn Đức Sinh

11


- - P 

-  - 
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
-  pháp nghiên  xuyên  là   nghiên  lý  và mơ

   trình Matlab.

Đồn Đức Sinh

12


CHƢƠNG I - MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON
1.1. Giới thiệu chƣơng
Hin nay, mng vi  c phát tri  ng s    n
toàn b ng b vi mu này làm cho vic tìm ki
gii quyt truy nh  ng có giá thành thp, ch     nên cp
thit.
Cùng vi s phát trin ca xã hi thông tin, nhu cu s dng dch v vin thông
 thon truyn s liu, hình c bit là nhu
cu v Internet. Vic tích hp tt c các dch v vào cùng mt mng (c th là mt
ng kt ni cho tt c -  nên cp thit và là v nóng bng
ca mng vin thông ti các quc gia trên th gii.

 
  
    -to-           
             

       

Trong 
               
                 




  các   ghép
kênh      và  lên, khái quát   trúc chung 
Đoàn Đức Sinh

13


các    trong PON  là  OLT và ONT/ONU. Sau cùng 
 PON.

1.2. Mạng PON
          chính
  lõi,  metro   vùng và  truy   truy 
  cho phân   cùng    nó liên   trung tâm 
 là
 
 thành hai
 chính:   và vơ  Trong các  pháp     
    truy  là công  FTTx (cáp quang  ). Công
 FTTx   cáp quang      thơng  các ranh  
khơng gian. FTTx có    trên các công  khác nhau  trong 
 
 khác      quang   (AON) và  quang 
 (PON) là   PON      chia quang   passive
 khách
hàng không        switch quang không dùng ). Do
  1.1.



thu ONT và các

 
Hình 1.1 - Mạng PON với bộ chia quang thụ động Passive Splitter
Đoàn Đức Sinh

14


 ta  nay u  a trên các 
              
  
   cung 
 cho   thành   là   lý, các chíp   
PON,   các thành       CO và    
                 
c phân tích ng a các  sóng quang 
 các    trên    thay  các  
m chi  khơng cịn 
n 
PON là  cơng    nghiên  trên 20  PON  là 
công   và  quan      truy  yêu   thông
 nhà
cung     thơng và    hình. Có   công  PON
khác nhau:

BPON (Broadband 

WPON (Wavelength Division PON)

Các nhà cung    và các nhà máy  cho ra  các   
công  này. 
làm môi    Môi     công  PON  
cáp quang.  
 
   Control).
 1.2.

Đoàn Đức Sinh

15


Hình 1.2 - Mạng PON



-E.
               

             
-
            
Network - ODN).
ONU (Optica






Đoàn Đức Sinh

16


 thu 
 và  OLT.
Cáp  quang   OLT   dài và     ONT/ONU. Các
 
thông    OLT, trong  các  sóng 1310 nm    theo
      /ONU [1]        
                 
  OLT và ONT/ONU.

Hình 1.3 - Bước sóng truyền trong mạng PON

C-   thông
 lên cho các ONT/ONU mà không quan tâm có bao nhiêu    
   pháp  phân   thông cho các ONT là   giao 
phân   thông  DBA (Dynamic Bandwidth Allocation). DBA là giao
 cho phép các ONT/ONU  yêu    thông  OLT   
   thông  lên. Các thông tin yêu  có  là các  
hàng 
ONT/ONU và gán  thông cho     lên     theo. OLT
 có             
   thơng.
Đồn Đức Sinh

17

Thông      
lên trong cùng   quang. Trên    dù các     cho
phép   cùng   sóng cho  2  tuy nhiên   các 
     cao      thì thông   
riêng.
             
 
 tính
 phát.
  PON  bao  các thành    trong   
 
 là các       nói  trên).  này có  là chúng không
 
các  quang   (AON).   các thành    không 
    và có  gian trung bình  các sai  (MTBF_mean
time between failures) cao.
 hai,  trúc  PON  trong Hình 1.4)   lý   các 
 
 
 
           tín  quang thành tín   và
  Khi   truy  có    các  dùng  thì 
  
 phát.
 pháp PON  làm     thu phát   vào  trúc 
trong Hình 1.4 sau:

Đồn Đức Sinh

18


Hình 1.4 - Cấu trúc tổng quan của một giải pháp PON
                
  các
 N+1.
             
dùng khác nhau, do  các chi phí liên quan   chia ra.  này làm cho
 
    vi   các   bao  triple-play (các   
 
5 sau:

Đoàn Đức Sinh

19