Định tuyến và cấp phát băng thông trong mạng quang lưới bước sóng linh hoạt

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.89 MB, 25 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

TRAN NGỌC DUY

ĐỊNH TUYẾN VA CAP PHÁT BANG THONG

TRONG MẠNG QUANG LƯỚI BƯỚC SÓNG LINH HOAT

<small>Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thơng</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<small>Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. BANG THE NGỌC</small>

<small>Phản biện 1: PGS.TS. Đỗ Quốc Trinh</small>

<small>Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn thạc sĩtại Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng</small>

<small>Vào lúc: 08 giờ 30 ngày 27 tháng 02 năm 2016</small>

<small>- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thơng</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

-]-Lời nói đầu

Do nhu cầu dịch vụ ngày càng đa dạng nên yêu cầu mạng

truyền dẫn cũng cần phải đáp ứng được tính đa dạng này, mạng truyền dẫn phải có khả năng truyền tải với nhiều tốc độ khác nhau từ nhỏ đến lớn trên cùng một kênh quang. Cùng với sự phát triển của dịch vụ streaming, điện toán đám mây, lưu trữ trực tuyến ... yeu cầu

về truyền dẫn tốc độ siêu cao sẽ dần xuất hiện trong tương lai gần, tốc độ yêu cầu có thể lên đến hàng trăm Gbit/s thậm chí Tbit/s trên

<small>một kênh quang. Mạng quang hiện tại đang sử dụng công nghệ</small>

WDM với lưới tần số cô định, theo khuyến nghị của liên minh viễn

thông thế giới (ITU-T) khoảng cách phổ biến giữa các kênh quang

WDM là 50 GHz hoặc 100 GHz, do vay dan dén han ché vé giới han

tốc độ truyền dan trên một kênh quang. Chúng ta không thé tạo ra các

kênh quang siêu tốc độ lên đến hàng chục Tbit/s với lưới tần số cố

định đó. Một hạn chế nữa của mạng quang hiện tại là sử dụng chưa

hiệu quả băng tần, do khoảng cách giữa các tần số trung tâm của mỗi

kênh quang là cơ định vì vậy mặc dù chỉ cần truyền một tốc độ thấp thì vẫn phải chiếm cả băng thơng cấp cho kênh đó, dẫn đến hiệu suất

sử dụng băng tần chưa cao.

Từ những yếu tố trên, việc nghiên cứu một công nghệ mang quang mới là rất cần thiết để đáp ứng yêu cầu về truyền dẫn dịch vụ trong tương lai trong điều kiện tai nguyên pho quang là giới hạn.

Công nghệ mạng quang lưới bước sóng linh hoạt đang nổi lên là một

cơng nghệ mới hứa hẹn đáp ứng được các yêu cầu trên. Xuất phát từ

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

-2-định hướng đó, tôi đã quyết -2-định lựa chon hướng nghiên cứu về

mạng quang lưới bước sóng linh hoạt cho nội dung luận văn tốt

nghiệp. Trong công nghệ mạng mới này vấn đề kỹ thuật hóc búa nhất là định tuyến và cấp phát bước sóng, và đây là nội dung quan trọng

được nghiên cứu trong luận văn này với tên đề tài là: “Định tuyến và

cấp phát băng thông trong mạng quang lưới bước sóng linh hoạt”.

<small>Dựa theo các nội dung định hướng đã nêu bên trên, luận văntrình bày các nội dung chính trong 3 chương như sau:</small>

- _ Chương 1: điểm lại nội dung của mang WDM qua đó nhận ra các hạn chế của mạng WDM và các hướng phát triển của mạng quang trong tương lai.

- _ Chương 2: giới thiệu về mạng quang lưới bước sóng

linh hoạt từ khái niệm, đặc điểm, công nghệ áp dụng

- _ Chương 3: đi sâu trình bày về van đề định tuyến, cấp

<small>phát bước sóng và so sánh hiệu quả mạng quang mới</small>

này so với mạng WDM hiện tại trong một số kịch

bản cụ thể, qua đó chứng minh ưu việt của mạng

<small>quang mới này so với mạng WDM hiện tại.</small>

<small>Đây là công nghệ mạng mới, cũng chỉ được nghiên cứu từ</small>

khoảng năm 2009 trở lại đây và rất mới mẻ tại Việt nam, do vậy trong q trình thực hiện nghiên cứu tơi đã gặp nhiều khó khăn. Tuy vậy, dưới sự hướng dan của giáo viên hướng dẫn cùng sự trao đổi

đóng góp nhiệt tình của các thầy/cơ trong Học viện đã giúp tơi hồn

<small>thành luận văn này.</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Chương 1: Tổng quan mạng WDM và xu hướng

phát triển

<small>1.1 Giới thiệu chương</small>

Ngay từ khi ra đời công nghệ WDM đã thể hiện được tính ưu việt trong truyền dẫn quang và được ứng dụng rộng rãi trong mạng truyền dẫn quang. Ngày nay, mạng truyền dẫn đường trục tốc độ cao

tại các quốc gia hầu hết đều đang dùng công nghệ WDM. Tuy nhiên, sự bùng nỗ nhu cầu truyền tải lưu lượng IP tốc độ cao đang đây công

nghệ WDM gần đến giới hạn của nó. Do vậy, việc nghiên cứu các công nghệ truyền tải quang nhằm thay thế WDM đang được đây mạnh dé có thé đáp ứng được nhu cau về truyền dẫn trong tương lai.

Để có cái nhìn tổng quan về xu hướng phát triển và công

nghệ tiềm năng của mạng truyền tải quang trong tương lai, Chương 1 sẽ trình bày các nội dung chính như sau: giới thiệu tóm tắt cơng nghệ và hệ thơng mang WDM, phân tích về những khó khăn sẽ gặp phải

và những hạn chế về kỹ thuật của mạng quang hiện tại khi đối mặt với yêu cầu truyền dẫn trong tương lai cũng như một số biện pháp

khắc phục.

1.2 Tổng quan về hệ thống WDM

<small>1.2.1 Nguyên lý ghép kênh WDM</small>

1.2.2 Mơ hình hệ thong WDM

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

-4-1.2.3 Các phan tử hệ thong WDM 1.2.3.1 Bộ đầu cuối đường quang

Bộ đầu cuối đường quang là thiết bị thực hiện ghép tín hiệu ở

đầu phát và truyền đi trên sợi quang và giải ghép ở đầu thu trước khi chuyên các tín hiệu thành phần đến phía đầu cuối khách hàng.

1.2.3.2 Bộ khuếch đại đường quang

Là thiết bị khuếch đại tín hiệu truyền dẫn trong sợi quang và

ngay tại miền quang (khơng cần chun về tín hiệu điện).

<small>1.2.3.3 Bộ xen rẽ quang</small>

Chức năng của bộ ghép xen/rẽ quang là tách/ghép một số

<small>kênh bước sóng, các kênh bước sóng cịn lại được cho đi xuyên qua.</small>

1.2.3.4 Bộ kết nối chéo quang OXC

Đối với các mơ hình mạng đơn giản như mơ hình mạng tuyến tính hoặc mơ hình mạng vịng, OADM là sự lựa chọn tối ưu xét về khía cạnh kinh tế, công nghệ chế tạo và khả năng đáp ứng yêu cầu

của mạng. Tuy nhiên, trong tương lai khi yêu cầu về khả năng linh

động trong việc cung ứng dịch vụ, đồng thời các dịch vụ đa phương tiện địi hỏi phải đáp ứng được sự tăng băng thơng đột biến thì các mơ hình mạng hiện tại khơng đáp ứng được. Khi đó, cần phải triển khai mạng với phan tử trung tâm là các bộ kết nối chéo quang OXC.

1.2.4 Các tham số cơ bản của hệ thong WOM

= Suy hao xen: là lượng công suất tổn hao trong tuyến truyền

dẫn quang do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và

suy hao do bản thân các thiết bị ghép gây ra.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<small>_5-= Nhiéu xuyên kênh: là sự có mặt của một kênh này trong</small>

kênh kế cận làm tăng nền nhiễu và giảm tỷ số tín hiệu trên

<small>nhiễu của kênh đang xét.</small>

nguôn phát quang. Nếu nguồn phát quang là các diode laser

thì độ rộng kênh yêu cầu khoảng vài chục nm. Đối với nguồn

<small>phát quang là diode phát quang (LED) độ rộng kênh phải lớn</small>

hơn từ 10-20 lần Laser.

= _ Các hiệu ứng phi tuyến

Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi cơng suất tín hiệu trong sợi quang vượt q một giới hạn

của hệ thống WDM và mức công suất này thấp hơn nhiều so với các

hệ thống đơn kênh. Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM có thể chia thành hai loại là hiệu ứng tán

1.3 Hạn chế của mạng WDM hiện tại

Để đáp ứng các yêu cầu dung lượng kênh lớn, cho phép

truyền các tốc độ cao hơn qua nhiều kết nối WDM và kết nối chéo

quang OXC mà không cần tái tạo lại Quang - Điện — Quang (O-E-O) tín hiệu thì giải pháp hiệu quả cho mạng truyền tải là các bước sóng truyền dẫn cần được định tuyến trong suốt trong mạng. Tuy nhiên mạng WDM hiện tại chưa có khả năng đáp ứng các yêu cầu này.

Mạng quang hiện tại dang sử dung lưới tần số cố định, theo khuyến nghị của ITU-T khoảng cách phổ biến giữa các kênh quang là

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

-6-50 GHz hoặc 100 GHz, điều này về lý thuyết sẽ dẫn đến han chế trong giới hạn tốc độ truyền dẫn trên một kênh quang. Chúng ta

không thé tao ra các kênh quang siêu tốc độ lên đến hàng chục Tbit/s

với lưới tần số cô định đó.

Hiện tại, các mạng định tuyến bước sóng yêu cầu cấp phát tồn bộ băng thơng của một bước sóng cho kết nối, thậm chí khi lưu

lượng giữa các node khơng chiếm đầy dung lượng của bước sóng thì

kết nối này vẫn chiếm tồn bộ băng thơng cấp cho kênh đó. Điều nay

dẫn đến hiệu suất sử dụng băng tần chưa cao, gây lãng phí băng

<small>thơng, đặc biệt trong các mạng WDM dung lượng lớn hơn.</small>

1.4 Xu hướng phát triển mạng truyền dẫn quang

1.4.1 Các giới han vật lý trong truyền dẫn quang

Yếu tố giới han đầu tiên đối mặt trong mạng quang hiện tại là công suất đầu vào sợi quang.

Yếu tố giới hạn thứ hai là sự thăng giáng tín hiệu do hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang.

Yếu tô thứ ba là hiệu quả sử dụng phổ (SE)

Yếu tổ thứ tư là băng thông khuếch đại cho các bộ lặp.

1.4.2 Xu hướng công nghệ mới trong truyền dẫn quang

<small>= Soi quang mới</small>

Sợi đa lõi trong đó mật độ công suất mỗi lõi được điều khiển

dé tăng tông cơng suất/dung lượng và một sợi đa mode với tín hiệu

được mang trong mode riêng rẽ trong đường kính lõi rộng dé mở

<small>rộng dung lượng (hình 1.14) cũng đang được tập chung nghiên cứu.</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<small>-7-" Ky thuật ghép kênh mới</small>

<small>Kỹ thuật ghép kênh mới như ghép kênh phân chia theo</small>

<small>không gian (SDM) và ghép kênh phân chia theo mode (MDM) trong</small>

<small>các sợi quang mới. cũng đang được nghiên cứu." Mang quang lưới bước sóng linh hoạt.</small>

Điểm cốt yếu của mạng quang lưới bước sóng linh hoạt là

cấp phát băng thông linh hoạt cho mỗi tuyến quang. Lợi ích của

mạng loại nay là tiết kiệm phổ thông qua khai thác tài nguyên phổ

chưa được sử dụng một cách hiệu quả. Kết quả là sẽ làm tăng dung

<small>lượng truyén dẫn của mạng.</small>

1.5 Kết luận chương

Trong chương này, luận văn đã trình bày tóm tắt các điểm cơ

bản của mạng WDM, đưa ra một số hạn chế của mạng WDM cũng

như mạng quang nói chung hiện tại. Đây là những hạn chế mang tính kỹ thuật và chính là động lực thúc day các nghiên cứu trong tương lai

dé cải tiến mạng quang hiện tại. Phần cuối của chương đã nêu ra một

số điểm quan trọng cần tập chung nghiên cứu để giúp mạng quang hiện tại vượt qua được các giới hạn về công nghệ. Trong các hướng

<small>nghiên cứu đó, kỹ thuật mạng quang lưới bước sóng linh hoạt được</small>

xem là tiềm năng và có khả năng triển khai tốt nhờ tính kế thừa hạ tang mang WDM hiện tại. Các nội dung nay sẽ được trình bảy chi tiết

<small>trong chương 2 theo của luận văn.</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Chương 2: Mạng quang lưới bước sóng linh hoạt

<small>2.1 Giới thiệu chương</small>

Như đã trình bay trong phần cuối chương 1, mạng quang lưới

bước sóng linh hoạt hứa hẹn là cơng nghệ mạng tiềm năng dé thay

thế mạng WDM hiện tại. Công nghệ này sẽ giúp mạng truyền tải

quang đáp ứng tốt hơn các nhu cầu về truyền tải đữ liệu trong tương

lai. Nội dung chính về mạng quang mới này sẽ được trình bày trong

chương 2 của luận văn bao gồm: khái niệm, đặc điểm kỹ thuật, yêu

cầu công nghệ và lợi ích của mạng quang lưới bước sóng linh hoạt.

Các nội dung này sẽ được lần lượt trình bày chỉ tiết tại các phần bên

<small>dưới của chương.</small>

2.2 Động lực phát triển mạng quang mới

ITU-T đã chuẩn hóa lưới tần số trong dai bước sóng

1530-1565 nm với các khe tần số cô định như 50 GHz hay 100 GHz..., tuy nhiên, với các tốc độ lớn hơn 100 Gb/s thì sự phân chia này là khơng

đủ. Thậm chí nếu phơ tần là có sẵn thì tín hiệu tốc độ dit liệu cao

cũng rất khó dé truyền qua một khoảng cách xa với hiệu quả phô cao. Một động lực khác đó là sự đa dạng về tốc độ trong nhu cầu

truyền dẫn. Đã làm xuất hiện nhiều tốc độ khác nhau, các tốc độ này

trải rộng từ vai Mb/s đến hang Gb/s và trong tương lai có thé tiễn đến

hàng trăm Gb/s. Việc cứng nhắc trong cấp phát băng thơng cho mỗi

nhu cầu truyền dẫn là khơng cịn phù hợp và làm giảm hiệu quả khai

thác mạng truyền dẫn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<small>-9-2.3 Công nghệ mang quang lưới bước sóng linh hoạt</small>

Mạng quang lưới bước sóng linh hoạt sẽ cấp phát tài nguyên

phổ thích ứng theo các yêu cầu sử dung trong mạng tại các thời điểm

khác nhau ngay trong miền quang. Lợi ích của mạng loại này là tiết

kiệm phổ đạt được thông qua khai thác tài nguyên phổ chưa được sử

<small>dụng một cách hiệu quả, giúp tăng dung lượng mạng. Trong mạng</small>

quang mới này, kích thước đúng của băng thông sẽ được cấp phát

tương ứng từ đầu cuối đến đầu cuối của tuyến trong mạng. Việc này được thực hiện băng việc chia nhỏ tài nguyên phô từ toàn bộ độ rộng phố sợi quang hiệu dụng hiện tại dé cap phát cho mỗi yêu.

Trong mạng quang truyền thống không gian kênh là cố định, do vậy nhà vận hành mạng không cần phân biệt kênh quang và tài nguyên phô được cấp phát cho tuyến, chỉ quan tâm đến tần số trung tâm của kênh quang khi thiết lập kết nối đầu cuối đến đầu cuối. Ngược lại tần số trung tâm và độ rộng phổ được cấp cho tuyến là

tham số biến đồi trong mạng quang lưới bước sóng linh hoạt, nhà vận

hành mạng cần ý thức được tài nguyên phổ gan cho luồng quang, theo lý thuyết nó là tập hợp của tần số trung tâm và độ rộng hoặc tần

số trên và tần số đưới của luồng quang.

<small>“.. Mục tiêu chính của mạng quang lưới bước sóng linh hoạt:</small>

- _ Hỗ trợ tốc độ 400Gb/s, 1Tb/s và các tốc độ yêu cầu cao hơn.

- Dap ứng nhu cầu băng thông hỗn tạp

<small>- Khong gian kênh chặt hon,</small>

<small>- Can đôi khoảng cách và hiệu năng phô.</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

-10-- Mang động: lớp quang có thể phúc đáp trực tiếp về nhu cầu băng thông biến đổi từ lớp người dùng.

2.4 Đặc điểm công nghệ mạng quang lưới bước sóng linh hoạt

2.4.1 Cấp phát băng thông linh hoạt

Trong các mạng WDM truyền thống, đại đa số là thực thi các

yêu cầu dịch vụ một chiều, tốc độ bit trên mỗi bước sóng là cơ định,

giới hạn quang là cố định, và phổ tần cô định. Mạng quang lưới bước

<small>sóng linh hoạt (EON) cho phép lựa chọn băng thông khi thực hiện</small>

một yêu cầu truyền dẫn. Một yêu cầu sẽ được gắn một khuôn dang

điều chế sao cho hiệu quả nhất so với khoảng cách cần truyền, trong

khi băng thông yêu cầu là nhỏ nhất.

2.4.2 Bộ thu phát băng thông khả biễn

Khái niệm BVT (Bộ thu phát băng thông khả biến) là một bộ thu phát trong đó sẽ bao gồm một loạt các bộ thu phát ảo ứng với các tuyến quang linh hoạt (EOP) riêng biệt. Ví dụ, bộ thu phát 400Gb/s

2.4.3 Quan ly phé tan

Do các khe phố tần trong mang EON là rất nhiều, chúng sẽ

có hiện tượng phân mảnh phổ qua thời gian, giống như phân mảnh

trong ơ đĩa máy tính. Điều này sẽ dẫn đến khó khăn trong việc tạo ra

các siêu kênh vốn cần cấp phat một số lượng lớn các khe phổ tần liên

tiếp nhau. Dé giải quyết vấn đề này sẽ cần yêu cầu tái phân bồ lại

băng tần theo chu kỳ thời gian thực.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

-1ll1-2.4.4 Quan lý kết nối theo yêu cau

Trong mạng WDM có định, mỗi bước sóng phải được quản lý riêng biệt, chuyển mạch riêng lẻ các bước sóng quanh ROADM,

các bước sóng chiếm một độ rộng phổ giống nhau bat ké đó là một phần của nhu cầu lớn hay nhỏ va xuất hiện như là một thực thê riêng

biệt trong các hệ thông quản lý. Nếu nhiều bước sóng được sử dụng

cho một yêu cầu dung lượng lớn, lúc này sẽ tạo thành các nhóm

(bước sóng) xuất hiện tại lớp người dùng nhưng không ảnh hưởng

đến mạng, khi đó hau hết các yêu cầu là phân bé 1:1 (hình 2.6 a).

Trong khi đó với mạng EON, nếu nhu cầu truyền dẫn là nhỏ hơn một BVT, các EOP trong BVT sẽ mang chúng độc lập, nếu yêu cầu là lớn hơn một BVT thì nhiều kênh BVT sẽ được bó thành một siêu kênh và thực hiện yêu cầu (hình 2.6 b). Theo cách này, yêu cầu

sẽ được chuyền mạch như một phần tử tại ROADM và quản lý như thực thé độc lập trong hệ thống quản ly.

<small>2.5 Các kỹ thuật trong mạng quang lưới bước sóng linh hoạt</small>

<small>2.5.1 Bộ thu phát quang lĩnh hoạt</small>

bước sóng Coherent (CoWDM), ghép kênh phân chia theo tần số trực

<small>giao Coherent (CO-OFDM), Nyquist-WDM, hay cách tử quang tao</small>

bước sóng tùy biến (OAWG) đã được dé xuất là các bộ thu phát khả dụng trong EON. Các giải pháp này dựa trên việc kết hợp nhiều sóng mang con tốc độ thấp để hình thành dạng sóng dữ liệu băng rộng

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

-12-trong khi van sử dung các điều chế tốc độ thấp. Trong khi CO-OFDM CoWDM, và Nyquist-WDM yêu cầu chuẩn hóa khoảng cách

giữa các tần số sóng mang con quang và cơ định theo tốc độ symbol

thì OWAG có thể có định và thích ứng với nhiều khoảng cách tần số

2.5.2 ROADM/WXC băng thơng khả biến

Chun mạch lựa chọn bước sóng băng thơng khả biến (WSS) là chìa khóa cho mạng quang linh hoạt. WSS kết hợp với ưu việt của điều chế nhiều mức và điều chế đa sóng mang khoảng cách

nhỏ dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao hay

Nyquist-WDM, chúng ta có thể lựa chọn tổ hợp ba tham số tối ưu cho tín hiệu

quang để truyền đi: tốc độ ký hiệu, số bit trên mỗi ký hiệu và số sóng

mang con. Khi đó dung lượng truyền sẽ là lớn nhất trong khi tài

nguyên phô cấp phát là nhỏ nhất.

<small>2.6 Lợi ích của mạng quang lưới bước sóng linh hoạt</small>