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




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



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


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

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


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

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

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


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.


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

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

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

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



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

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

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.....



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