Phân tích và đánh giá hiệu năng EON sử dụng kỹ thuật chuyển mạch thô

Đồ án tốt nghiệp Đại học

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Điểm: ........ (bằng chữ ………………..)
Ngày…... tháng…… năm 2016.
Giáo viên hướng dẫn

TS. Lê Hải Châu

Phạm Quốc Huy – D12VT1

Đồ án tốt nghiệp Đại học

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Điểm: ........ (bằng chữ ………………..)
Ngày…... tháng…… năm 2016.
Giáo viên phản biện

Phạm Quốc Huy – D12VT1


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến tất cả các thầy cô tại HỌC
VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG trong suốt thời gian 4,5 năm qua,
thầy cô đã cùng với tri thức và sự tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý
báu cho chúng em. Đó là những kiến thức quý giá, là nền tảng cơ bản cho em bước
vào cuộc sống trong tương lai.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy TS. Lê Hải Châu thầy đã tận tâm hướng dẫn em
trong suốt quá trình làm đồ án của mình. Nhờ vậy mà chúng em đã hoàn thành đồ án
một cách tốt nhất. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn Thầy.
Do thời gian có hạn và kiến thức chuyên môn cũng như thực tế của bản thân còn
nhiều hạn chế nên bản đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận
được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô và các bạn để đồ án này được hoàn thiện hơn.
Chúng em rất mong được sự góp ý từ quý Thầy Cô để kiến thức của chúng em trong
lĩnh vực này được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Phạm Quốc Huy – D12VT1

3


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục bảng

MỤC LỤC

Phạm Quốc Huy – D12VT1

4


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục bảng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Phạm Quốc Huy – D12VT1

5


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục bảng

DANH MỤC BẢNG

Phạm Quốc Huy – D12VT1

6


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục thuật ngữ viết tắt

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật Ngữ Tiếng Anh

Tiếng Việt

DWDM

Dense Wavelength Division Multiplexer

Ghép kênh phân chia theo
bước sóng mật độ cao

EON

Elasic Optical Network

Mạng quang lưới bước sóng
linh hoạt

WDM

Wavelength Division Multiplexer

Ghép kênh quang theo bước
sóng

BVT

Bandwidth-Variable Transponder

Bộ thu phát băng thông khả
biến

BV-WSS

Bandwidth -Variable Wavelength
Selective Switch

Chuyển mạch chọn lựa bước
sóng băng thông khả biến

BV-WXC

Bandwidth - Variable Cross-Connect

Chuyển mạch băng thông
khả biến

SBVT

Sliceable Bandwidth-Variable
Transponder

Bộ thu phát khả biến có khả
năng chia nhỏ

WSS

Wavelength Selective Switch

Chuyển mạch lựa chọn bước
sóng

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu
phương

QPSK

Quadrature Phase-shift Keying

Điều chế pha vuông góc

BPSK

Binary Phase-Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

OXC

Optical Cross-Connect

Bộ nối chéo quang

BV-OXC

Bandwidth-Variable Cross-Connect

Nối chéo quang băng thông
khả biến

GRE

Grouped Routing Entity

Thực thể định tuyến theo
nhóm

RSA

Routing and Spectrum Assignment

Định tuyến và gán phổ

RWA

Routing and Wavelength Assignment

Định tuyến và gán bước
sóng

RMLSA

Routing, Modulation Level and Spectrum Định tuyến điều chế theo
Allocation

mức và phân bổ phổ

NP

Non-Deterministic Polynomial Time

Thuật toán bất định trong
thời gian đa thức

CF

Center Frequency

Tần số trung tâm

OFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo

Phạm Quốc Huy – D12VT1

7


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục thuật ngữ viết tắt

Multiplexing

tần số trực giao

FR

Fixed Routing

Định tuyến cố định

FAR

Fixed Alternate Routing

Định tuyến thay thế cố định

LCR

Least Congested Routing

Định tuyến theo tải ít nhất

AR

Adaptive Routing

Định tuyến thích ứng

OFDM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao

OADM

Optical Add/Drop Multiplexer

Bộ xen/tách quang

ROADM

Reconfigurable OADM

Bộ xen/tách quang có thể
thay đổi cấu hình

Phạm Quốc Huy – D12VT1

8


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Lời mở đầu

LỜI MỞ ĐẦU
Dưới áp lực dịch chuyển loại hình dịch vụ viễn thông với yêu cầu ngày càng cao

về băng thông và chất lượng dịch vụ cùng sự phát triển mạnh mẽ của truy nhập băng
rộng tốc độ cao, các mạng truyền thông đang dần được quang hóa đến gần thuê bao
hơn để đáp ứng nhu cầu lưu lượng Internet đang tăng nhanh. Mạng quang WDM hiện
tại có lưới bước sóng theo tiêu chuẩn của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) chia
dải phổ tần thành các khe phổ tần cố định 50 GHz và đối với những nhu cầu tốc bộ bit
lớn thì mạng lưới quang này sẽ thì lưới này không còn phù hợp để truyền dữ liệu. Giải
pháp để thay thế tiêu chuẩn 10 năm này là đưa ra một mô hình lưới linh hoạt hơn để
đáp ứng được nhu cầu băng thông trong tương lai.
Mạng quang lưới bước sóng linh hoạt (EON) có thể cải thiện một cách đáng kể
điều này bằng việc tối đa hóa hiệu quả việc cấp phát phổ tần do có khả năng thích nghi
với các điều kiện thực tế của mạng và tốc độ dữ liệu cho từng yêu cầu lưu lượng. Bên
cạnh những ưu điểm của mạng quang lưới linh hoạt, yêu cầu đổi mới kiến trúc nút
phức tạp hơn đồng nghĩa với giá thành đắt đỏ và không thể tái sử dụng phần cứng
trong kiến trúc nút WDM. Để giải quyết vấn đề nảy sinh này, ta đưa ra một mạng mới
bán linh hoạt. Công nghệ mạng này được sự kết hợp giữa mạng quang lưới linh hoạt
và mạng WDM hiện nay sử dụng kiến trúc nút chuyển mạch thô. Mạng quang này có
thể tái sử dụng các nút chuyển mạch trong kiến trúc mạng WDM, giảm giá thành phần
cứng nhưng vẫn đảm bảo độ linh hoạt đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn băng thông
tốc độ cao hướng đến trong tương lai.
Nội dung đồ án gồm 3 chương:
Chương 1- Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng linh hoạt và chuyển mạch thô:
trình bày tổng quan xu hướng mạng quang, giới thiệu về mạng quang lưới bước sóng
linh hoạt và kỹ thuật chuyển mạch thô trong mạng quang lưới bước sóng linh hoạt.
Chương 2- Định tuyến và gán phổ tần trong mạng quang lưới bước sóng linh hoạt sử
dụng kỹ thuật chuyển mạch thô: trình bày về kỹ định tuyến và gán phổ trong mạng
quang lưới bước sóng linh hoạt sử dụng kỹ thuật chuyển mạch thô, kỹ thuật điều chế
mức thích ứng và kỹ thuật nhóm ghép lưu lượng.
Chương 3- Phân tích và đánh giá hiệu năng EON sử dụng kỹ thuật chuyển mạch thô:
trình bày về mô hình phân tích mạng quang lưới bước sóng linh hoạt, thông qua đó
phân tích hiệu quả sử dụng phổ tần trong mạng quang lưới bước sóng linh hoạt và hiệu

quả sử dụng phổ tần trong mạng quang lưới bước sóng linh hoạt sử dụng kỹ thuật
chuyểnmạchthô.

Phạm Quốc Huy – D12VT1

9


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG LƯỚI BƯỚC SÓNG
LINH HOẠT VÀ CHUYỂN MẠCH THÔ
1.1

Giới thiệu chung
Internet ngày càng bùng nổ một cách nhanh chóng, dưới áp lực dịch chuyển loại

hình dịch vụ viễn thông từ các dịch vụ hướng dữ liệu sang các dịch vụ hướng video
tương tác thời gian thực với yêu cầu ngày càng cao về băng thông và chất lượng dịch
vụ cùng sự phát triển mạnh mẽ của truy nhập băng rộng tốc độ bit cao. Hiện nay, các
dịch vụ cung cấp đã được cài đặt ở tốc độ bit cao từ 40Gb/s đến 100Gb/s. Lưới bước
sóng 50GHz theo tiêu chuẩn của liên minh viễn thông Quốc tế (ITU) chia dải phổ tần
1530-1565nm (còn gọi là băng C) thành các khe phổ tần số cố định (50GHz,
100GHz…). Lưới bước sóng này tương thích với hệ thống truyền tải 100Gb/s nên hiện
nay ta chưa cần thiết thay đổi lưới. Tuy nhiên, trong tương lai gần với sự bùng nổ của
Internet sẽ cần có một hệ thống truyền tải có tốc độ lớn hơn nữa, có thể lên đến
400Gb/s hay 1Tb/s mà lưới ITU hiện có không thể nào đáp ứng được.
Để giải quyết vấn đề này, có một giải pháp là tăng khoảng cách của lưới ITU lớn

hơn để có thể truyền tải hệ thống 400Gb/s và hơn nữa. Tuy nhiên, một vấn khác nảy
sinh là: Không phải nhu cầu nào cũng cần đến tốc độ 400Gb/s, có những nhu cầu chỉ
cần một lượng lưu lượng rất nhỏ so với khả năng mà lưới cung cấp do đó khi một nhu
cầu nhỏ chiếm một băng thông cực lớn sẽ gây lãng phí và thiếu hiệu quả về kinh tế.
Với hệ thống truyền tải mạng hiện nay sử dụng lưới ITU 50GHz, các nhu cầu có lưu
lượng (dưới 100Gb/s) đã gây ra việc lãng phí phổ tần khá lớn trong khi lại không đáp
ứng được những nhu cầu tốc độ cao như 400Gb/s và hơn nữa. Nếu ta giải quyết các
nhu cầu lưu lượng lớn bằng cách mở rộng lưới ITU, điều này có thể gây ra sự lãng phí
phổ tần nhiều hơn nữa đối với các nhu cầu lưu lượng nhỏ chiếm đại đa số nhu cầu
trong mạng. Do vậy, cần phải có một mạng lưới mới vừa có thể đáp ứng với những
nhu cầu nhỏ và hơn nữa có thể đáp ứng được những nhu cầu lớn hơn về băng thông,
“thích nghi” được với nhu cầu thực tế trong mạng.
Như ta có thể thấy trong hình 1.1, với lưới cố định ITU 50 GHz hiện nay thì
không thể hỗ trợ cho tốc độ bit 400 Gb/s và 1 Tb/s do độ rộng phổ tần bị chiếm bởi hai
tốc độ này là quá lớn so với lưới và trùng ít nhất là một ranh giới lưới 50 GHz.
Phạm Quốc Huy – D12VT1

10


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

Hình 1.1: Độ rộng phổ với các tốc độ bit khác nhau trên lưới ITU
Mạng quang lưới bước sóng linh hoạt, công nghệ mạng có khả năng truyền tải
quang linh hoạt và sử dụng phổ tần hiệu quả, hiện đang được rất quan tâm đầu tư
nghiên cứu phát triển nhằm cho phép truyền tải lưu lượng đa tốc độ, siêu bước sóng và
cả lưu lượng tốc độ thấp theo cách hiệu quả cao về mặt phổ tần cho các nhu cầu dịch
vụ truyền thông tương lai gần. Khả năng biến đổi băng tần linh động của tuyến quang

trong mạng quang lưới bước sóng linh hoạt hứa hẹn cung cấp cho các nhà vận hành
mạng nhiều cơ hội kinh doanh mới bằng việc đưa ra nhiều dịch vụ kết nối với độ khả
dụng cao và chi phí vừa phải thông qua việc chia sẻ băng tần phụ thuộc thời gian, điều
hành mạng hiệu quả về năng lượng cũng như khả năng phục hồi mạng cao nhờ việc
nén băng thông.
1.2

1.2.1

Công nghệ mạng quang lưới bước sóng linh hoạt
Mạng quang lưới bước sóng linh hoạt

Các mạng truyền thông quang WDM truyền thống thường phân chia phổ tần
thành các kênh bước sóng theo tiêu chuẩn lưới tần số ITU-T quy định về khoảng cách
giữa các kênh bước sóng là 50 GHz hoặc 100 GHz, khoảng cách giữa hai kênh tương
đối lớn. Nếu kênh chỉ mang băng thấp và không có lưu lượng được truyền trong độ
rộng còn lại của phổ, điều đó sẽ gây ra sự lãng phí về mặt phổ tần.
Phạm Quốc Huy – D12VT1

11


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

Hình 1.2: Phân bổ phổ tần trong mạng WDM thông thường
Các mạng WDM truyền tải lưu lượng theo yêu cầu thông thường dựa vào các yếu
tố: băng tần, bước sóng trung tâm cũng như phổ và tốc độ bít của các tuyến quang cố
định theo lưới tần số, dẫn đến những hạn chế nhất định. Phổ của lưu lượng yêu cầu có

thể chiếm ít hơn phổ của một bước sóng đầy đủ hoặc phổ của lưu lượng yêu cầu lớn
hơn rất nhiều phổ của một bước sóng đầy hình 1.2. Để khắc phục những hạn chế còn
tồn đọng của mạng quang thông thường, một công nghệ mới hiện đang thu hút được
sự quan tâm đầu tư nghiên cứu đó là công nghệ mạng quang lưới bước sóng linh hoạt.
Mục đích của mạng quang lưới bước sóng linh hoạt là nhằm giải quyết vấn đề của
mạng chuyển mạch bước sóng quang WDM bằng cách cung cấp cơ chế truyền tải mới
với khả năng mở rộng băng thông linh hoạt và cấp phát phổ tần hiệu quả để có thể hỗ
trợ cùng lúc nhiều loại hình dịch vụ tốc độ cao và siêu cao (100 Gbps và hơn thế) trên
cùng một cơ sở hạ tầng mạng nhờ sử dụng lưới tần số linh hoạt và kĩ thuật nhóm ghép
đa tốc độ trong miền tần số quang. Băng tần của tuyến quang trong mạng quang lưới
bước sóng linh hoạt có khả năng mở rộng hay rút gọn lại nếu cần, tùy theo dung lượng
và yêu cầu của người dùng.
Hình 1.3 thể hiện khả năng thích ứng của mạng EON với băng thông linh hoạt và
khoảng cách kênh khả biến trái ngược với mạng quang WDM thông thường với băng
thông và khoảng cách giữa các kênh cố định theo lưới tần số ITU-T.

Hình 1.3: Khái niệm mạng quang lưới bước sóng linh hoạt

Phạm Quốc Huy – D12VT1

12


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

Hình 1.4 trình bày cấu trúc của một mạng EON điển hình gồm các bộ kết nối
chéo quang khả biến và bộ thu phát băng thông khả biến dựa trên sự linh hoạt về tốc
độ cũng như khuôn dạng điều chế của các bộ thu phát.

Hình 1.4: Cấu trúc của mạng EON
Trong mạng WDM thông thường, không có sự phân biệt và phân bổ phổ giữa các
kênh quang trong một tuyến quang xác định, nó chỉ quan tâm đến tần số trung tâm của
kênh khi thiết lập một kết nối đầu cuối. Ngược lại, tần số trung tâm và bề rộng phổ là
các thông số có khả năng thay đổi tùy chỉnh trong mạng EON, được minh họa như
trong hình 1.3b.

Hình 1.5: Minh họa sử dụng phổ tần a) Lưới tần số cố định giữ đúng các khoảng bảo
vệ giữa các tuyến quang truyền tải tốc độ 300 Gbps theo yêu câu, b) Các lưu lượng
yêu cầu có thể được nhóm thành một siêu kênh và truyền tải như một kênh, c) 5 lưu
lượng yêu cầu và phổ tương ứng với băng tần 100 GHz theo lưới tần số cố định, giả
sử ở đây sử dụng điều chế pha vuông góc (QPSK), d) Các lưu lượng yêu cầu của hình
c, với điều chế thích ứng tối ưu hóa cho tốc độ và phạm vi yêu cầu, e) Các lưu lượng
yêu cầu giống hình d nhưng bổ sung khả năng gán phổ tần linh của mạng EON.
Phạm Quốc Huy – D12VT1

13


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

Mạng EON cho phép nhiều chọn lựa khi truyền tải lưu lượng theo yêu cầu:
− Nếu lưu lượng yêu cầu quá lớn để có thể truyền tải trên một kênh quang duy nhất, khi
đó một “siêu kênh” sẽ được hình thành từ nhiều kênh liền kề, những kênh này được
truyền tải qua mạng như một kênh duy nhất, nhưng lại có thể được phân kênh tại nơi
nhận. Hình 1.5b minh họa cho mạng EON hỗ trợ truyền tải siêu kênh được nhóm ghép
từ nhiều kênh (so với trường hợp mạng WDM theo lưới tần số cố định như hình 1.5a.

− Một lưu lượng theo yêu cầu đã cho có thể được chỉ định khuôn dạng điều chế thích
ứng để đạt được khoảng cách truyền dẫn cần thiết, độ rộng phổ có thể mở rộng hoặc
giảm khi truyền trong các tuyến quang để đảm bảo chất lượng tín hiệu cũng như
khoảng cách truyền dẫn (quan sát các lưu lượng yêu cầu B, D và E trong hình 1.5d,
với lưu lượng B phổ sẽ mở rộng ra, lưu lượng D và E với khoảng cách ngắn sử dung
điều chế bậc cao hơn, độ rộng phổ hay băng tần yêu cầu sẽ nhỏ đi).
− Với những băng tần nhỏ lẻ tốc độ thấp được yêu cầu, mạng quang lưới bước sóng linh
hoạt có thể cấp phát băng tần quang chỉ vừa đủ để truyền tải lưu lượng yêu cầu.
− EON cho phép các phổ sẽ được ghép sát vào nhau theo cơ chế ghép liền kề, các băng
tần được phân bổ lần lượt kế tiếp nhau như hình 1.5e, hạn chế được các khoảng bảo vệ
không cần thiết đồng thời tiết kiệm phổ tần.
1.2.2
A.

Những đặc tính của công nghệ mạng quang lưới bước sóng linh hoạt
Phân bổ phổ tần linh hoạt
Để thực hiện mạng quang lưới bước sóng linh hoạt, các tài nguyên phổ tần phải

được phân bổ một cách thích ứng trên tuyến quang. Lưới tần số hiện tại quy định theo
chuẩn ITU-T G.694.1 với tần số trung tâm 193.1 THz và hỗ trợ các khoảng cách kênh
khác nhau 100 GHz, 50 GHz, 25 GHz và 12.5 GHz. Gọi khoảng cách giữa các kênh là
thì tấn số được biểu diễn theo công thức , trong đó là tần số thứ ( nguyên). Khoảng
cách giữa các kênh trong WDM là cố định điều này làm hạn chế sự linh hoạt về băng
thông, yêu cầu các tiêu chuẩn mới về lưới tần số. Các tiêu chuẩn mới sắp xếp hệ thống
phổ đem lại hiệu quả hỗ trợ các bước sóng con, siêu bước sóng và các lưu lượng đa tốc
độ. Phổ phải độc lập với các dạng tín hiệu và đáp ứng dữ liệu đa tốc độ trong tương lai
và hệ thống phải trực quan cho các nhà cung cấp dịch vụ khai thác mạng. Điểm nổi bật
công nghệ mạng quang lưới bước sóng linh hoạt EON là khe tần số linh hoạt thay thế
lưới tần số cố định hiện tại. Trong phương pháp này, phổ trong tuyến quang sẽ được
phân bổ bằng cách gán các khe tần số liền kề cần thiết và quan tâm đến độ rộng phổ

Phạm Quốc Huy – D12VT1

14


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

của tín hiệu cũng như hiệu quả lọc băng thông toàn tuyến. Sau đây là 2 cách chỉ rõ hệ
thống sắp xếp tài nguyên phổ tần linh hoạt:
− Phương pháp tiếp cận theo lưới tần số dựa trên các khe đơn: Đây là phương pháp xác
định tần số theo lưới tần số ITU-T với tần số trung tâm 193.1 THz và hỗ trợ các
khoảng cách kênh 12.5 GHz, gọi khoảng cách giữa các kênh là và số tần số n thì tần
số (THZ) ) trong đó nguyên. Tần số theo lưới tần số ITU-T tương ứng với khe tần số
thứ . Phổ được phân bổ bằng cách sắp xếp một số lượng các khe liền kề như hình 1.6.
Các phân đoạn tần số với độ rộng khác nhau được xác định bằng thông số độ rộng của
khe , nó tương đương với khoảng cách giữa các kênh hay khoản cách giữa khe tần số
thấp nhất và tần số cao nhất . Tần số trung tấm và bề rộng của một đoạn phổ được
biểu diễn như sau:
và Phương pháp tiếp cận theo lưới tần số dựa trên các khe đơn là một phương
pháp trực quan, nhưng không thể biểu diễn các đoạn tần số đã chỉ định có bề rộng lớn
hơn khoảng cách giữa các kênh tần số được qui định, vì tần số trung tâm của các phân
đoạn tần số theo phương pháp này lệch so với bề rộng phổ của kênh theo lưới tần số
một khoảng .
− Phương pháp chia đôi khe tần số hai bên: Phương pháp này chỉ rõ tần số theo lưới tần
số ITU-T sử dụng một kênh có khoảng cách và số tần số n biểu diễn hai khe tần số ở
cả hai bên của tần số f, khi đó độ rộng của mỗi . Khe được đánh số từ khe liền kề với
tần số trung tâm ITU-T hướng theo chiều dương hoặc theo chiều âm. Các phân đoạn

tần số khác nhau có thể được biểu diễn trên cùng một lưới tần số như phương pháp
tiếp cận theo lưới tần số dựa trên các khe đơn. Phương pháp chia đôi khe tần số hai
bên đưa ra một hệ thống đánh số các khe tần số mới, cho phép thể hiện cho các phân
đoạn tần số chỉ định rộng hơn khoảng cách giữa các kênh tần số, tương thích linh hoạt
hơn so với lưới tần số cố định của WDM, do nó chỉ sử dụng một nửa độ rộng của khe.

Phạm Quốc Huy – D12VT1

15


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

Hình 1.6: Hệ thống phân bổ phổ tần
Như vậy có thể thấy với EON, các tài nguyên phổ tần trong tuyến quang có thể
được phân bổ bằng cách gán các khe tần số cần thiết theo cơ chế ghép liền kề linh
động tạo ra các phổ tần có kích thước phù hợp, linh hoạt và hiệu quả theo dung lượng
yêu cầu người dùng.
B.

Hỗ trợ truyền tải tín hiệu tốc độ thấp

Mạng chuyển mạch tuyến quang, hay còn gọi là mạng chuyển mạch bước sóng
quang, hiện tại đòi hỏi việc phân bổ đầy đủ dung lượng bước sóng theo quy định lưới
tần số ITU-T được áp dụng cho tuyến quang giữa cặp nút mạng đầu cuối. Trong khi
đó, mạng quang lưới bước sóng linh hoạt cung cấp một cơ chế mới hiệu quả hơn về
giá thành cho các dịch vụ kết nối tốc độ thấp (hay nói cách khác là các dải tần nhỏ lẻ).
Khi công nghệ 100 Gbps Ethernet được chuẩn hóa và trở nên phổ biến, khách hàng sẽ

có thể sử dụng mạng truyền tải quang với các giao diện 100 GbE khoảng cách truyền
dẫn ngắn với giá cả phải chăng. Tuy nhiên nếu chỉ một vài băng tần nhỏ lẻ được yêu
cầu, mạng EON có thể cấp phát băng tần quang chỉ vừa đủ để truyền tải lưu lượng
người dùng, như trong hình 1.7 luồng băng thông có tốc độ 100 Gbps được tách thành
3 kênh con có tốc độ thấp hơn là 50 Gbps, 30 Gbps và 20 Gbps. Tại cùng một thời
điểm, mỗi nút mạng trên tuyến đường của tuyến quang cấp phát một kết nối với băng
tần phổ tương xứng để tạo ra một tuyến quang đầu cuối đến đầu cuối kích thước tương
ứng với yêu cầu người dùng. Hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng sẽ cho phép cung cấp
các dịch vụ băng tần nhỏ lẻ một cách hiệu quả về giá thành.

Phạm Quốc Huy – D12VT1

16


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

Hình 1.7: Cơ chế cấp phát phổ tần trong mạng EON
C.

Hỗ trợ truyền tải tín hiệu siêu bước sóng ( 400Gb/s, 1Tb/s, và hơn nữa)

Việc nhóm ghép liên kết là công nghệ mạng gói đã được chuẩn hóa trong IEEE
802.3 trong đó thực hiện kết hợp nhiều liên kết/cổng vật lý trong thiết bị chuyển mạch/
bộ định tuyến thành một liên kết/cổng đơn để cho phép tăng tốc độ liên kết khi nhu
cầu lưu lượng tăng lên vượt quá các giới hạn của bất kỳ một cổng/liên kết đơn nào.
Tương tự như vậy, mạng quang lưới bước sóng linh hoạt cho phép hình thành và hỗ
trợ truyền tải các tuyến quang siêu bước sóng bằng cách kết hợp liền kề trong miền

quang, vì thế đảm bảo mức độ sử dụng cao của các tài nguyên phổ. Tính năng độc đáo
này cũng được mô tả trong hình 1.9, ba băng thông 40Gb/s được ghép vào với nhau để
tạo thành một kênh với băng thông lớn hơn 120Gb/s.
D.

Thích ứng nhiều tốc độ tín hiệu theo khoảng cách và khuôn dạng điều chế
khác nhau

Trong các mạng chuyển mạch tuyến quang WDM hiện tại, việc sử dụng lưới tần
số cố định ITU-T có thể dẫn đến hiện tượng ngắt quãng dải tần quang do các khoảng
cách tần số quang dư thừa bị lãng phí nằm giữa các tín hiệu tốc độ thấp. Mạng quang
lưới bước sóng linh hoạt cho phép hạn chế dải tần bị lãng phí giữa các tín hiệu và sắp
xếp trực tiếp một cách hiệu quả phổ tần của nhiều tốc độ dữ liệu kết hợp trong miền
quang nhờ phương thức gán phổ tần linh hoạt. Mạng quang lưới bước sóng linh hoạt
có khả năng hỗ trợ thích ứng tốc độ đường truyền cũng như việc mở rộng và rút gọn
của các tuyến băng thông bằng cách thay đổi số lượng sóng mang con và các khuôn
Phạm Quốc Huy – D12VT1

17


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

dạng điều chế. EON sử dụng kĩ thuật OFDM, điều này giúp mạng EON linh hoạt hơn
trong việc chọn lựa số bít điều chế trên mỗi tín hiệu cho mỗi sóng mang con dựa vào
khoảng cách truyền dẫn. Trong đó, mỗi sóng mang con OFDM có thể được điều chế
riêng theo các khuôn dạng điều chế khác nhau, ví dụ như một bít trên một kí hiệu với
điều chế pha nhị phân (BPSK), 2 bít trên một kí hiệu với điều chế điều chế pha vuông

góc (QPSK) hay điều chế 16-QAM chuyển đổi 4 bít thành một kí hiệu dựa trên mức
độ suy giảm của tín hiệu theo khoảng cách truyền dẫn. Điều này cho phép các lưu
lượng yêu cầu với tốc độ giống nhau sẽ được phân bổ số lượng phổ khác nhau tùy
thuộc vào chất lượng đường truyền. Ngược lại, trong các mạng WDM truyền thống,
việc thay đổi các mức hay khuôn dạng điều chế đòi hỏi phải sử dụng một bộ thu phát
khác gây tốn kém về mặt chi phí cũng như hiệu quả phổ tần. Ví dụ như hình 1.8 với
mạng EON thực hiện bằng cách điều chỉnh số sóng mang con và mức điều chế. Bốn
luồng tốc độ 100 Gbps sẽ được nhóm ghép thành một luồng siêu bước sóng tốc độ 400
Gbps và sử dụng điều chế QPSK (2 bit/symbol, 4 sóng mang con) cho các tuyến có
khoảng cách dài. Đối với những tuyến có khoảng cách ngắn mức điều chế sẽ tăng
trong khi số sóng mang con giảm, ví dụ sử dụng điều chế 16-QAM (4 bit/symbol, 2
sóng mang con) sử dụng cho các tuyến truyền tải với khoảng cách ngắn. Phương pháp
này cho phép giảm số lượng phổ yêu cầu dựa trên điều chế thích ứng, phổ tần sẽ hẹp
lại đồng thời cho phép giảm các khoảng bảo vệ không cần thiết so với các mạng WDM
thông thường định tuyến theo bước sóng dựa trên lưới tần số cố định ITU-T.

Hình 1.8: Phân bổ phổ thích ứng

Phạm Quốc Huy – D12VT1

18


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

Bảng 1.1: So sánh cải thiện hiệu quả phổ tần giữa WDM với EON trên liên kết
điểm-điểm
Tốc độ

bít yêu
cầu
(Gb/s)

Định dạng
điều chế

40

DP- QPSK

100

DP- QPSK

100

Băng thông
kênh (GHz)

Giải pháp lưới cố định

Tăng hiệu quả cho EON

25

1 kênh 50 GHz
1 kênh 50 GHz

35 GHz với 50 = 43%

47.5 GHz với 50 = 5%

DP-16
QAM

25

1 kênh 50 GHz

35 GHz với 50 = 43%

400

DP- QPSK

75

85 GHz với 200 = 135%

400

DP- 16
QAM

75

1000

DP- QPSK

190

1000

DP-16
QAM

190

4 kênh 100 Gb/s trên
5 kênh 50 GHz
2 kênh 200 Gb/s trên
2 kênh 50 GHz
10 kênh 100 Gb/s trên
10 kênh 50 GHz
5 kênh 200 Gb/s trên
5 kênh 50 GHz

35 GHz với 1000 = 17%
200 GHz với 500 = 150%
200 GHz với 250 = 25%

Bảng 1.1 so sánh hiệu năng truyền tải giữa lưới mạng WDM truyền thống và
EON với khoảng cách 300 km của một liên kết điểm-điểm, giả sử mạng WDM có
khoảng cách giữa các kênh là 50 GHz và khoảng bảo vệ là 10 GHz. Ta thấy những lợi
ích mà mạng EON mang lại so với mạng WDM thông thường là rất đáng kể, thậm chí
hiệu năng tăng 150 % khi tốc độ đạt 1 Tbps.
E.

Tiết kiệm năng lượng

Mạng quang lưới bước sóng linh hoạt hỗ trợ vận hành tiết kiệm năng lượng để
tiết kiệm năng lương tiệu thụ bằng cách tắt một số sóng mang con OFDM khi lưu
lượng truyền thấp.
F.

Ảo hóa mạng

Mạng lưới bước sóng linh hoạt cho phép ảo hóa mạng quang với các liên kết ảo nhớ
các bước sóng mang con OFDM.

Phạm Quốc Huy – D12VT1

19


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

Hình 1.9: Cơ chế cấp phát phổ tần trong mạng quang linh hoạt
1.2.3 Kỹ thuật nền tảng của mạng quang lưới bước sóng linh hoạt
A.

Bộ thu phát khả biến

Bộ thu phát khả biến (BVT) được sử dụng để thay đổi băng thông bằng cách điều
chỉnh tốc độ truyền bit hoặc định dạng điều chế. BVT hỗ trợ truyền tải tốc độ cao nhớ
sử dụng định dạng điều chế hiệu quả, ví dụ như điều chế biên độ vuông góc 16 trạng
thái 16-QAM, và điều chế 64-QAM sử dụng cho đường truyền ngắn. Những đường

truyền có khoảng cách lớn thì được hỗ trợ những định dạng điều chế mạnh hơn nhưng
kém hiệu quả hơn như QPSK hoặc BPSK. Vì thế, BVT đem lại hiệu quả kinh tế về
phổ tần so với tầm với truyền dẫn quang.

Hình 1.10: Mô hình BVT và SBVT
Tuy nhiên, khi một BVT tốc độ cao hoạt động ở mức thấp hơn tốc độ tối đa của
nó do khoảng cách truyền dẫn yêu cầu hoặc do suy hao trong đường truyền, một phần
Phạm Quốc Huy – D12VT1

20


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

dung lượng của BVT bị lãng phí. Để giải quyết vấn đề này, thiết bị thu phát khả biến
có khả năng chia nhỏ (SBVT) đã được đưa ra để cải thiện tính linh hoạt. Thiết bị
SBVT có khả năng phân chia dung lượng của nó thành một hay nhiều luồng tín hiệu
truyền đến một hoặc nhiều đích. Do đó, khi một SBVT được sử dụng để thiết lập một
kênh truyền tốc độ thấp, phần dung lượng không được dùng của SBVT sẽ được khai
thác cho một tuyến truyền dẫn khác. Một SBVT tạo ra nhiều luồng tín hiệu có thể kết
hợp linh hoạt với lưu lượng đến từ lớp trên theo yêu cầu. Do đó, luồng tín hiệu có thể
được tổng hợp hoặc chia nhỏ tùy thuộc vào nhu cầu lưu lượng.
Kiến trúc SBVT được đưa ra để hỗ trợ khả năng chia nhỏ, đa tốc độ bít, đa định
dạng điều chế, và tỉ lệ mã thích ứng. Hình 1.11 cho thấy kiến trúc của một SBVT, chủ
yếu bao gồm một nguồn N sóng mang con có khoảng cách bằng nhau, một modun xử
lý điện, một chuyển mạch điện, một bộ gồm N mạch tích hợp quang tử (PIC), và một
bộ ghép sóng. Trong kiến trúc này, N sóng mang được tạo ra bởi một nguồn đa bước
sóng duy nhất. Tuy nhiên, nguồn này có thể được thay thế bởi N laser, mỗi nguồn có

một sóng mang con. Mỗi người dùng được xử lý trong miền điện và sau đó được định
tuyến bởi ma trận chuyển mạch đến PIC tương ứng. Sóng mang được tạo ra có khoảng
cách bằng nhau theo như yêu cầu phổ và công nghệ truyền tải. Sóng mang con được
lựa chọn trong nguồn đa bước sóng, và được định tuyến đến PIC thích hợp. Mỗi PIC
sử dụng như bộ thu phát đơn sóng mang tạo ra nhiều tín hiệu điều chế khác nhau, như
16-QAM hay QPSK, để hỗ trợ đa định dạng điều chế. Cuối cùng, sóng mang được gộp
lại bởi bộ ghép sóng để tạo thành siêu kênh quang. Thỉnh thoảng sóng mang có thể
được chia nhỏ và hướng đến một cổng ra cụ thể theo yêu cầu lưu lượng.

Hình 1.11: Kiến trúc của SBVT
•

Ưu, nhược điểm của SBVT so với BVT

Phạm Quốc Huy – D12VT1

21


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

Ưu điểm:
− Hỗ trợ khả năng chia nhỏ: Các máy thu phát có thể tạo các sóng mang con có khả
năng chia nhỏ, từ đó chúng có thể tập hợp thành một siêu kênh quang (bằng cách tạo
kết nối giữa các kênh cùng truyền trên một tuyến hoặc các sóng mang con liền kề)
hoặc tách ra và chuyển trực tiếp đến các đầu ra khác nhau.
− Khả năng tạo sóng mang con có khoảng cách kênh được cài đặt: Máy thu phát có thể
tạo ra các sóng mang con có khoảng cách kênh tùy chọn phụ thuộc vào tốc độ bit cũng

như định dạng điều chế của nó.
− Hỗ trợ đa tốc độ bit: Máy thu phát có thể được hỗ trợ một vài giá trị tốc độ bit bằng
cách thay đổi số lượng sóng mang con sử dụng hoặc thay đổi tốc độ bit trên mỗi sóng
mang con.
− Thích ứng với khoảng cách truyền dẫn: Đây là giải pháp tuyệt vời để cân bằng giữa
tầm với quang và hiệu quả sử dụng phổ tần. SBVT hỗ trợ đa định dạng điều chế hoặc
mã hóa thích ứng. Máy thu phát hỗ trợ đa định dạng điều chế, ví dụ mỗi sóng mang
con có thể được truyền đi với định dạng 16-QAM hoặc QPSK tùy thuộc vào khoảng
cách truyền dẫn.
Nhược điểm:
− Độ phức tạp cao.
− Giá thành lớn hơn so với BVT.
B. Chuyển mạch băng thông khả biến
Khác với hệ thống chuyển mạch tuyến quang trong mạng WDM thông thường,
nút chuyển mạch của mạng quang lưới bước sóng linh hoạt là các bộ nối chéo quang
băng thông khả biến (BV-OXC) chuyển mạch băng thông khả biến (BV-WXC) được
sử dụng để cấp phát kết nối chéo có kích thước phù hợp với băng thông phổ tương ứng
cung cấp cho một tuyến quang lưới bước sóng linh hoạt và có thể điều chỉnh được theo
yêu cầu lưu lượng. Chuyển mạch quang khả biến trong mạng EON có khả năng cấu
hình linh hoạt băng thông của cửa sổ tự định tuyến theo độ rộng phổ của tín hiệu
quang đầu vào. Các thiết bị này thực hiện quá trình tự định tuyến các tín hiệu quang
đầu vào đến các sợi quang đầu ra tương ứng dựa trên bước sóng tín hiệu.

Phạm Quốc Huy – D12VT1

22


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

Hình 1.12: Nguyên lý chuyển mạch chọn lựa bước sóng khả biến
Một trong các công nghệ chuyển mạch có khả năng hiện thực hóa nút chuyển
mạch quang khả biến theo yêu cầu của mạng quang lưới bước sóng linh hoạt là công
nghệ chuyển mạch quang chọn lựa bước sóng (WSS). Công nghệ chuyển mạch chọn
lựa bước sóng hiện nay là công nghệ chuyển mạch quang đã chín muồi và được thiết
kế cho các tuyến quang phân bố theo lưới tần số cố định được đặc tả trong các khuyến
nghị của ITU-T. Tuy nhiên, với cơ chế chuyển mạch đặc trưng là phát quảng bá và
chọn lựa bước sóng theo tần số, một thế hệ mới các hệ thống chuyển mạch chọn lựa
bước sóng băng thông khả biến với khả năng cho phép và chuyển mạch các băng
thông tùy biến đang được phát triển. Hình 1.12 minh họa nguyên lý của bộ chuyển
mạch chọn lựa bước sóng băng thông khả biến (BV-WSS). Chuyển mạch chọn lựa
bước sóng băng thông khả biến sử dụng cơ chế phát quảng bá tín hiệu quang đầu vào
và chọn lựa bước sóng theo tần số để cho phép các tín hiệu quang đầu vào với độ rộng
phổ và tần số trung tâm khác nhau có thể được định tuyến đến bất kì sợi quang đầu ra
nào.

Hình 1.13: Chuyển mạch băng thông khả biến
Kiến trúc trường chuyển mạch chọn lựa bước sóng quang được thể hiện trên hình
1.13. Trong kiến trúc này, các chuyển mạch chọn lựa bước sóng băng thông khả biến
Phạm Quốc Huy – D12VT1

23


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

BV-WSS được sử dụng để cung cấp chức năng tách và ghép các tín hiệu cũng như
chức năng ghép nhóm và định tuyến đối với các tín hiệu trung chuyển. Ánh sáng từ sợi
quang đầu vào được chia thành các phần quang phổ bằng cách phân tán chúng. Các
phổ được tạo ra cách đều nhau và được tập trung vào một mảng một chiều và điều
hướng đến các sợi đầu ra mong muốn. Các dung dịch bán dẫn trên Silicon (LCoS)
hoặc các hệ vi điện cơ (MEMS) dựa trên cơ sở của các bộ BV-WSS được sử dụng như
là phần tử chuyển mạch để thực hiện kết nối chéo quang với băng thông linh hoạt và
tần số trung tâm khác nhau. Khi LCoS được triển khai theo từng trạng thái sắp xếp
chùm sáng đi theo hướng điều khiển, trong đó sử dụng một số lượng lớn các phần tử,
LCoS dựa trên BV-WSS có thể dễ dàng cung cấp chức năng băng thông quang khả
biến.
1.3

1.3.1

Kỹ thuật chuyển mạch thô trong mạng quang lưới bước sóng linh hoạt
Giới thiệu chung

Sự phát triển của EON sẽ yêu cầu đổi mới ở cả phần cứng và phần mềm. Các
thành phần mới cần phải được phát triển, và chúng thường phức tạp hơn so với bản
sao của chúng trong lưới cố định. Để giải quyết vấn đề phức tạp phần cứng ta có hai
yếu tố chính: hệ thống đường dẫn và kiến trúc nút mạng. Hệ thống đường dẫn có độ
dài ngắn không giống nhau, có những tuyến lên đến hàng trăm km nhưng cũng có
những tuyến cỡ chỉ vài km, nếu ta phức tạp hóa hệ thống đường dẫn để làm giảm độ
phức tạp của nút mạng sẽ đưa đến chi phí đắt đỏ hơn rất nhiều so với phức tạp hóa nút
mạng có số lượng ít hơn nhiều so với đường truyền. Tuy nhiên, việc phức tạp hóa nút
mạng cũng không phải là điều dễ dàng. Dưới đây là minh họa về kiến trúc nút mạng
hiện có.

Phạm Quốc Huy – D12VT1

24


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương I: Tổng quan về mạng quang lưới bước sóng.....

Hình 1.14: Ba yêu cầu tốc độ bit 40 Gb/s, 1 Tb/s và 400 Gb/s ứng với kết nối nút A
với B, C và D.
Nhu cầu tốc độ bit khác nhau kết nối của nút A với nút B, C và D được thể hiện
trong hình 1.14. Thành phần chuyển mạch các kênh đến nút B đi về hướng C và D
được gọi là bộ tách ghép quang tái cấu trúc ROADM. Nếu thiết bị này phù hợp với
lưới ITU, ROADM sẽ không có khả năng chuyển mạch cho kênh có phổ tần rộng hơn,
như hình 1.14 cho ta thấy phổ tần bị trùng với một ranh giới của lưới ITU (đánh dấu
bằng màu đen) sẽ không được truyền qua ROADM. Vì vậy, để xây dựng một mạng
lưới linh hoạt, ta cần một loại ROADM mới cho phép phổ tần mềm dẻo có thể được
chuyển mạch từ đầu vào đến các cổng ra. Bên cạnh những ưu điểm của mạng quang
lưới linh hoạt, yêu cầu đổi mới kiến trúc nút phức tạp hơn đồng nghĩa với giá thành đắt
đỏ và không thể tái sử dụng phần cứng trong kiến trúc nút WDM. Hơn nữa, công nghệ
chuyển mạch hiện nay cũng không đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu hiệu năng phổ tần
mong muốn đối với những mạng quang đòi hỏi độ linh hoạt cao (thu hẹp khoảng cách
chia các khe phổ tần cấp phát, mức chia ở thời điểm hiện tại là 12.5 Ghz). Để giải
quyết vấn đề nảy sinh này, đưa ra công nghệ mạng có sự kết hợp giữa mạng quang
lưới linh hoạt và mạng WDM hiện nay sử dụng kiến trúc nút chuyển mạch thô. Mạng
quang được đưa ra này có thể tái sử dụng các nút chuyển mạch trong kiến trúc mạng
cũ, giảm giá thành phần cứng nhưng vẫn đảm bảo độ linh hoạt đáp ứng được nhu cầu
truyền dẫn băng thông tốc độ cao hướng đến trong tương lai.
Mặt khác sự gia tăng lưu lượng liên tục đòi hỏi phải phát triển các giải pháp công
nghệ để mở rộng dung lượng. Mạng quang lưới bước sóng linh hoạt có thể cải thiện

một cách đáng kể việc sử dụng tần số bằng việc cho phép phân bổ tần số kênh mịn,
nhưng do bộ lọc quang trong ROADM không hoàn hảo nên ta cần phải chèn các băng
bảo vệ giữa các kênh để ngăn chặn việc đóng gói dày đặc của các đường dẫn quang
trong miền tần số. Để thực hiện mạng quang lưới bước sóng linh hoạt, ta cần có một
bộ kết nối phù hợp. Khác với bộ kết nối chéo quang OXC của WDM dựa trên chuyển
Phạm Quốc Huy – D12VT1

25