Bảo vệ, phục hồi và phân bổ lại tài nguyên trong mạng truyền tải quang WDM luận văn tốt nghiệp đại học

Bảng 2.1 So sánh một số tham số của bốn kiến trúc mạng tham khảo...51THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AOTN All Optical Transport Network Mạng truyền tải toàn quang APS Automatic Protection Switching C

b¶o vÖ, phôc håi vµ ph©n bæ l¹i tµi nguyªn

trong m¹ng truyÒn t¶i quang wdm

Gi¶ng viªn híng dÉn : ThS Ph¹m M¹nh Toµn Sinh viªn thùc hiÖn : Th¸i do n tiÕn·n tiÕn

Líp : 47k - ®tvt

Vinh, 5/2011

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM 3

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang. 3

1.2 Giới thiệu về công nghệ WDM 4

1.3 Các công nghệ dùng trong mạng thông tin quang. 5

1.3.1 TDM (Time Division Multiplexing). 6

1.3.2 SONET/SDH. 6

1.3.3 Gigabit Ethernet. 8

1.4 Hệ thống thông tin quang nhiều kênh. 8

1.5 Tiến trình phát triển mạng truyền tải 9

1.6 Công nghệ WDM 11

1.6.1 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM 13

1.6.3 Cấu trúc mạng WDM 14

1.6.3.1 Mô hình phân lớp 15

1.6.3.2 Các phần tử trong mạng quang WDM 18

Chương 2 BẢO VỆ TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG WDM .26 2.1 Sự cần thiết phải bảo vệ ở tầng quang 27

2.2 Các khái niệm cơ bản 29

2.2.1 Bảo vệ riêng 30

2.2.2 Bảo vệ chia sẻ 31

2.2.3 Bảo vệ đoạn ghép kênh quang 31

2.3 Các phương thức bảo vệ theo cấu hình mạng 31

2.3.1 Bảo vệ ở lớp kênh quang 31

2.3.1.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình điểm - điểm 31

2.3.1.2 Bảo vệ riêng cho cấu hình ring (OCh - DPRing) 33

2.3.1.3 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình điểm - điểm 35

2.3.1.4 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình ring (OCh - SPRing) 36

2.3.1.5 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình Mesh 38

2.3.2 Bảo vệ ở lớp đoạn ghép kênh quang 42

2.3.2.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình điểm - điểm 42

2.3.2.2 Bảo vệ riêng cho cấu hình vòng ring (OMS - DPRing) 43

2.3.2.3 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình vòng ring (OMS - SPRing) 44

2.4 Các phương pháp bảo vệ trong kiến trúc liên kết giữa các lớp quang 49

2.4.1 Lựa chọn các kiến trúc mạng tham chiếu 49

2.4.2 Liên kết giữa các mạng con và vấn đề bảo vệ 53

2.4.2.1 Bảo vệ với kiến trúc ring ảo(VRA) 53

2.4.2.2 Các kiến trúc ring ảo cải tiến 55

Chương 3 PHỤC HỒI MẠNG VÀ PHÂN BỔ LẠI TÀI NGUYÊN 60

3.1 Các khái niệm 60

3.1.1 Phục hồi 60

3.1.1.1 Phục hồi đầu cuối - tới - đầu cuối 61

3.1.1.2 Phục hồi tại nút kế cận sự cố 62

3.1.1.3 Phục hồi tại nút trung gian 63

3.1.2 Cấp phát tài nguyên 64

3.1.3 Các phương thức thực thi cấp phát tài nguyên 65

3.1.4 Cấp phát tài nguyên trong các kỹ thuật bảo vệ mạng 66

3.1.4.1 Bảo vệ trên chính bước sóng của thực thể được bảo vệ (khi chỉ có các nút WR) 66

3.1.4.2 Bảo vệ trên các bước sóng khác nhau (trường hợp có sẵn các nút WC) 67

3.1.4.3 Bảo vệ trên các tuyến đa bước sóng (trường hợp các nút WR khả dụng) 67

3.2 Phân bổ lưu lượng trong quá trình hồi phục mạng 67

3.2.1 Định tuyến lưu lượng và cấp phát tài nguyên cho các mạng quang WDM với lưu lượng tĩnh 67

3.2.2 Định tuyến lưu lượng và cấp phát tài nguyên cho các mạng quang

WDM với lưu lượng tải động 69

3.2.3 Phương pháp định tuyến trong mạngWDM cấu trúc Ring 72

3.2.3.1 Định tuyến trong mạng ring đơn 74

3.2.3.2 Định tuyến trong mạng đa ring 80

3.2.4 Phương pháp định tuyến trong mạng quang WDM cấu trúc Mesh 83

3.2.4.1 Định tuyến cố định 83

3.2.4.2 Định tuyến luân phiên cố định 84

3.2.4.3 Định tuyến thích nghi 84

3.2.4.4 Định tuyến bảo vệ 85

3.3 Kết luận 87

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Băng tần truyền dẫn sợi quang 5

Hình 1.2: Ghép kênh theo thời gian 6

Hình 1.3: Nguyên tắc ghép kênh trong mạng SONET 7

Hình 1.4 Xu hướng phát triển kiến trúc mạng 11

Hình 1.5 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang 13

Hình 1.6 Các lớp con trong lớp quang của mạng WDM 16

Hình 1.7 Vị trí của hệ thống WDM trong mạng truyền 17

Hình 1.8 Xu hướng mạng truyền tải quang trong tương lai 18

Hình 1.9 Cấu trúc của một hệ thống WDM đơn giản 18

Hình 1.10 Cấu trúc bộ ghếp kênh xen rẽ 20

Hình 1.11 Các chức năng của OADM theo mô hình phân lớp 21

Hình 1.12 Thiết bị nối chéo 22

Hình 1.13 Chức năng của OXC theo mô hình phân lớp 22

Hình 1.14 Cấu trúc bộ ghép kênh quang 23

Hình 2.1 Hệ thống WDM cấu hình đường thẳng chuyển mạch bảo vệ 1+1 31

Hình 2.2 Hệ thống WDM cấu hình đường thẳng chuyển mạch bảo vệ 1:1 32

Hình 2.3 OCh - DPRing hai sợi đơn hướng ở điều kiện bình thường và khi có sự cố 33

Hình 2.4 OCh - DPRing bốn sợi đơn hướng ở điều kiện bình thường và khi có sự cố 34

Hình 2.5 Mô hình chức năng của một nút OCh - DPRing 35

Hình 2.6 Mạng lưới WDM bảo vệ chia sẻ 1:N 35

Hình 2.7 OCh - SPRing khi bình thường và khi sự cố đoạn 36

Hình 2.8 OCh - SPRing khi bình thường và khi sự cố nút 37

Hình 2.9 Mô hình chức năng của một nút OCh - SPRing kế cận với sự cố 38

Hình 2.10 Bảo vệ đường trong cấu hình Mesh 39

Hình 2.11 OMS - DPRing hai sợi ở điều kiện bình thường và khi có sự cố 43

Hình 2.12 Mô hình chức năng của một nút OMS - DPRing hai sợi 43

Hình 2.13 Bảo vệ chia sẻ các kênh quang trong OMS - SPRing 44

Hình 2.15 Ring hai sợi hai hướng chuyển mạch bảo vệ đoạn ghép kênh 45

Hình 2.16 Ring hai sợi hai hướng bảo vệ sự cố đoạn OMS - 2SPRing 45

Hình 2.17 Ring hai sợi hai hướng bảo vệ sự cố nút OMS - 2 SPRing 46

Hình 2.18 Mô hình chức năng của một nút OMS - SPRing hai sợi kế cận với sự cố 46

Hình 2.19 Cấu hình của một nút sử dụng chuyển mạch quang22 (cross - bar) .47

Hình 2.20 Cấu hình của một nút sử dụng chuyển mạch quang 21 47

Hình 2.21 Ring bốn sợi hai hướng chuyển mạch bảo vệ đoạn ghép kênh 48

Hình 2.22 Ring bốn sợi hai hướng sự cố đoạn OMS - 4SPRing 48

Hình 2.23 Kiến trúc CS - Ring/CS - Ring 49

Hình 2.24 Kiến trúc OMS - SPRing hai mức 50

Hình 2.25 Kiến trúc lưới quang/OMS - SPRing 50

Hình 2.26 Kiến trúc OMS - SPRing/lưới quang 51

Hình 2.27 Liên kết dual - homing dựa trên kiến trúc ring ảo, (a)áp dụng cho OC- DPRing, (b) áp dụng cho OMS - SPRing 53

Hình 2.28 Kiến trúc ring ảo cải tiến, (a) OC- DPRing, (b) OMS - SPRing55 Hình 3.1 Mô tả phục hồi đầu cuối-tới-đầu cuối đối với sự cố đoạn liên kết 60

Hình 3.2 Mô tả phục hồi đầu cuối-tới-đầu cuối đối với sự cố nút 61

Hình 3.3 Mô tả phục hồi tại nút kế cận 61

Hình 3.4 Mô tả phục hồi tại nút trung gian đối với sự cố đoạn 62

Hình 3.4 Lưu đồ giải bài toán tối ưu 76

Hình 3.5 Mạng cấu trúc theo đa ring 80

Hình 3.6 Đường ngắn nhất cố định 83

Hình 3.7 Định tuyến luân phiên cố định 83

Hình 3.8 Định tuyến thích nghi từ nút 0 đến nút 2 85

Bảng 2.1 So sánh một số tham số của bốn kiến trúc mạng tham khảo 51

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AOTN All Optical Transport Network Mạng truyền tải toàn quang

APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động

Emission

Phát xạ tự phát được khuyếch đại

CTP Connection Termination Point Điểm đầu cuối kết nối

Establishment

Thiết lập tuyến quang động

Telecommunications Union

Liên minh viễn thông quốc tế

MPLS MultiProtocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức

MP  S MultiProtocol Labda Switching Chuyển mạch bước sóng đa giao

thức

M-WSHR Multiple WDM Self Healing

OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ quang OBPSR Optical Bi-directional Protection

Switching Ring

Ring chuyển mạch bảo vệ tuyến hai hướng

OC-DPRing Optical Carrier-Dedicated

Protection Ring

Ring bảo vệ dành riêng ở truyền tải quang

OCh-DPRing

Optical Channel-Dedicated Protection Ring

Ring bảo vệ dành riêng ở kênh quang

OCh-SPRing Optical Channel Shared

Protection Ring

Ring bảo vệ chia sẻ kênh quang

O-E-O Optical-Enectronical-Optical Biến đổi quang-điện-quang

OSNCP Optical Subnet Connection

Protection

Bảo vệ kết nối mạng con quang

PDH Plesiochronous Digital Hierachy Phân cấp số cận đồng bộ

PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc bán dẫn P-N có lớp tự

dẫn bên trong

SDH Synchronous Digital Hierachy Phân cấp số đồng bộ

SNCP SubNet Connection Protection Bảo vệ kết nối mạng con

SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời

gian

TWP Tuneable Wavelength Path Tuyến bước sóng đường hầm

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng

LỜI NÓI ĐẦU

Xã hội phát triển kéo theo nhiều ngành khác phát triển mạnh mẽ, trong

đó có viễn thông và công nghệ thông tin nhằm đáp ứng những nhu cầu ngàycàng nhiều và càng cao của con người Khách hàng ngày càng được cung cấpnhiều dịch vụ mới với chất lượng và tốc độ được cải tiến Điều đó đồng nghĩavới việc các nhà cung cấp phải cải thiện các công nghệ cũ và nghiên cứu cáccông nghệ mới để đảm bảo cung cấp cho khách hàng các dịch vụ: đảm bảochất lượng mà giá thành thấp Một trong các giải pháp được đưa ra là côngnghệ ghép kênh theo bước sóng (công nghệ ghép kênh quang WDM) Kháiniệm ghép kênh quang đã xuất hiện từ năm 1958, nhưng mãi đến năm 1997Tomlinson và Aumiller mới đưa vào ứng dụng đầu tiên trong thực tế Ghépbước sóng quang hay còn gọi là ghép kênh quang theo tần số là một phươngthức truyền dẫn mang lại nhiều lợi ích về kinh tế và vấn đề quản lý mạng.Chính vì vậy mà phạm vi ứng dụng của nó đã mở rộng một cách nhanhchóng Các nhà tổ chức thế vận hội Olympic mùa đông 1992 đã sử dụngtuyến cáp quang ghép bước sóng để truyền các chương trình giữa các địađiểm thi đấu đến thành phố Alberville Hiện ghép bước sóng quang đã đượcứng dụng rộng rãi trên các mạng truyền dẫn như hệ thống truyền hình cáp,trong mạng nội hạt, trong mạng truy nhập thuê bao và chủ yếu là trong các hệthống cáp quang biển

Ở Việt Nam, mạng lưới truyền tải quang trong những năm qua đã đápứng được nhu cầu của người sử dụng Nhưng với xu hướng phát triển các dịch

vụ đa phương tiện (yêu cầu băng thông lớn) thì mạng truyền tải đó sẽ sớm rơivào tình trạng quá tải Chính vì vậy, công nghệ ghép bước sóng quang(WDM) được chọn làm giải pháp để giải quyết vấn đề đó Tháng 4 năm 1998,Việt Nam bắt đầu triển khai xây dựng trạm cập bờ tuyến cáp quang biển SEA

- ME - WE 3 nối 33 quốc gia khác nhau của Châu Á và Tây Âu có tốc độ bit

vào cuối năm 1999 lên tới 40 Gbit/s Đây là tuyến thông tin quang ứng dụngcông nghệ ghép bước sóng quang đầu tiên tại Việt Nam.

Băng tần truyền dẫn của sợi đơn mode rất rộng Vì vậy giải pháp ghépkênh theo bước (WDM) sóng sẽ làm tăng dung lượng và giá thành lại thấp.Hơn nữa ghép kênh theo bước sóng còn được áp dụng trong định tuyến vàchuyển mạch quang

Để triển khai một hệ thống truyền dẫn WDM cần phải giải quyết rấtnhiều các vấn đề đặt ra như là định cấu hình mạng, thiết kế tuyến, bảo vệmạng, định tuyến và phân bổ bước sóng… Để duy trì hoạt động an toàn mạngthì một trong những vấn đề đặt ra đó là cần phải nghiên cứu vấn đề bảo vệ vàphục hồi cho mạng Vì vậy trong đồ án này em sẽ tìm hiểu những giải phápbảo vệ, phục hồi phù hợp cho mạng truyền tải quang WDM Để đạt được mụctiêu đó trong đồ án của em đi vào tìm hiểu những vấn đề chính:

Tổng quan về công nghệ WDM

Bảo vệ trong mạng truyền tải quang WDM

Phục hồi mạng và phân bổ lại tài nguyên

Mặc dù đã hết sức cố gắng, nhưng chắc hẳn các vấn đề nêu ra trongphạm vi đồ án này chưa thể hoàn chỉnh về một vấn đề hết sức quan trọng nhưvậy Nội dung của đồ án vẫn còn có các vấn đề cần phải xem xét thêm vàkhông thể tránh khỏi những khiếm khuyết Rất mong được các Thầy Cô giáochỉ bảo, các bạn sinh viên và các bạn đọc quan tâm tới vấn đề này góp ý, chỉdẫn thêm

Em xin được cảm ơn sâu sắc Thầy giáo ThS Phạm Mạnh Toàn, nguời

Thầy đã hết sức tạo điều kiện giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo, giúp em hoànthành đồ án này

Vinh, tháng5 năm2011

Sinh viên

Thái Doãn Tiến

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang

Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang Điềunày có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sángđược truyền qua sợi quang Tại nơi thu nó lại được biến đổi thánh thông tinban đầu

1.1.1 Sự phát triển của thông tin quang

Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người vềchuyển động hình dáng và màu sắc thông qua đôi mắt Tiếp đó một hệ thốngthông tin điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng làmcác đèn tín hiệu Kế tiếp là sự ra đời của một máy điện báo quang.Thiết bị này

sử dụng khí quyển như một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởngcủa thời tiết để giải quyết vấn đề này người ta đã chế tạo ra máy điện báo vôtuyến dùng để liên lạc giữa 2 người ở cách xa nhau

Năm 1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đếnnăm 1966 đã chế tạo ra sợi quang có độ tổn hao thấp (1000dB/Km) Bốn nămsau Karpon đã chế tạo ra cáp sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫnkhoảng 20dB/Km Từ thành công rực rỡ này các nhà nghiên cứu trên thế giới

đã tiến hành nghiên cứu và phát triển Kết quả đạt được là công nghệ mới vềgiảm suy hao truyền dẫn, về tăng giải thông, về các laze bán dẫn đã đựoc pháttriển thành công vào những năm 70 Sau đó giảm độ tổn hao xuống còn0,18dB/Km còn laze bán dẫn có khả năng thực hiện giao động liên tục ở nhiệt

độ khai thác đã được chế tạo, tuổi thọ kéo dài hơn 100 năm

Dựa trên công nghệ sợi quang và laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một khốilượng lớn các tin hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ xa hàng trăm Kmbằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc,không cần cần các bộ tái tạo

1.2 Giới thiệu về công nghệ WDM

Những năm gần đây, trong điều kiện các dịch vụ truyền số liệu ngày càngtăng nhanh đặc biệt là Internet, truyền hình số, vệ tinh… và khi mà IP nổi lênnhư là nền tảng cho các dịch vụ ứng dụng trong tương lai, các nhà quản lícung cấp dịch vụ truyền dẫn lúc này sẽ phải suy nghĩ lại về hệ thống truyềndẫn truyền thống TDM (Time Division Multiplexing), hệ thống vốn tối ưucho truyền thoại nhưng lại kém hiệu quả trong sử dụng băng thông Để thíchứng với sự tăng trưởng không ngừng đó và thoả mãn yêu cầu tính linh hoạtcủa mạng, các công nghệ truyền dẫn khác nhau đã được nghiên cứu, triểnkhai thử nghiệm và đưa vào ứng dụng, trong số đó phải kể đến công nghệWDM, OTDM, Soliton

Với công nghệ TDM, dung lượng hệ thống có thể đạt tới 5 Gbps, tuynhiên đây cũng là giới hạn dung lượng của công nghệ này Với những gìkhông đạt được của hệ thống TDM về mặt dung lượng thì hệ thống thông tinquang dựa trên công nghệ WDM lại đáp ứng được

Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM - WavelengthDivision Multiplexing) là công nghệ truyền đồng thời nhiều bước sóng khácnhau trên một sợi quang, với dung lượng trên mỗi bước sóng quang điển hình

là 2,5 Gbps Số lượng ghép thường là (2 - 16) bước sóng (trong tuơng lai, con

số này còn lớn hơn) Ở đầu vào, các bước sóng quang mang thông tin (cáckênh quang) được ghép trên cùng một sợi quang và được truyền dẫn tới đầuthu Tại đầu thu, các bước sóng ghép đó được tách ra bằng các bộ tách kênhquang Dọc theo tuyến truyền dẫn có thể có các bộ khuếch đại quang để bù lạisuy hao truyền dẫn Công nghệ này thực sự cho hiệu quả truyền dẫn rất cao

Sử dụng cho tốc độ truyền tin cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phầnrất nhỏ trong băng tần truyền dẫn này Rõ ràng, có thể thấy dung lượng yêucầu cỡ hàng trăm Gbps là hoàn toàn nằm trong khả năng của hệ thống WDM.Thêm vào đó, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử như bộ tách ghépquang, bộ nối chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiệnlựa chọn kênh động hoặc tĩnh…

Các công nghệ khác như OTDM, truyền dẫn Soliton thì dung lượng đượcđáp ứng rất tốt nhưng lại quá phức tạp, bởi thế mà giá thành hệ thống lại trởthành vấn đề đáng quan tâm

Công nghệ WDM với sự nâng cấp mở rộng dung lượng phát triển dịch vụbăng rộng, khai thác đầy đủ tiềm năng băng rộng của sợi quang, thực hiệntruyền dẫn thông tin siêu tốc, có ý nghĩa rất quan trọng trong truyền dẫn cápsợi quang nói riêng, trong công nghiệp viễn thông nói chung Thực sự, nó làcông nghệ đáng được quan tâm, nghiên cứu và triển khai ứng dụng rộng rãi

1.3 Các công nghệ dùng trong mạng thông tin quang.

Kỹ thuật truyền dẫn sợi quang đã tiến hóa qua vài thập niên qua, từ hệthống WDM điểm nối điểm tới các hệ thống WDM điểm nối đa điểm và tiếntới mạng WDM toàn quang với các thiết bị chuyển mạch và định tuyến bướcsóng Qua đó ngày càng cung cấp tốc độ bit cao, số lượng kênh cũng lớn hơn

và khoảng cách truyền dẫn dài hơn

Pha của một nguồn quang

1.3.1 TDM (Time Division Multiplexing).

TDM là phương pháp ghép kênh phân chia theo thời gian Đây là phươngpháp giúp tăng số lượng tín hiệu được gửi trên đường truyền vật lý TDM làmtăng dung lượng đường truyền dẫn bằng cách chia thời gian thành những khenhỏ hơn, do đó các bit từ nhiều nguồn khác nhau có thể được mang đi trênmột tuyến, làm tăng hiệu quả số các bit được truyền trên giây

TDM or OTDM mux

không có dữ liệu để gửi, do vậy hiệu quả kém Vấn đề này được giảm bớtbằng cách ghép kênh thống kê sử dụng trong mode truyền dẫn không đồng bộ(ATM) Mặc dù ATM tận dụng băng thông tốt hơn, nhưng lại có những hạnchế thực tế đối với tốc độ có thể đạt được vì những xử lý điện tử yêu cầu choviệc phân tách và tập hợp lại các tế bào ATM mang dữ liệu

1.3.2 SONET/SDH

SONET (Sychronous Optical Network: Mạng không đồng bộ) là mộtchuẩn của American National Standards Institute để truyền dữ liệu đồng bộtrên môi trường truyền là cáp sợi quang Tương đương với SONET về mặtquốc tế là SDH Cùng nhau, chúng đảm bảo các chuẩn sao cho các mạng số

có thể nối với nhau trên bình diện quốc tế và các hệ thống truyền quy ướcđang tồn tại có thể nắm được lợi thế của môi trường cáp sợi quang

SONET/SDH lấy các luồng n bit, ghép chúng lại, điều chế quang tín hiệu

và sử dụng thiết bị phát quang để gửi nó ra ngoài với một tốc độ bit tươngđương với: (tốc độ bit vào) * n Vì vậy lưu lượng đi đến bộ ghép kênh

1 2

SONET từ bốn đầu vào với tốc độ 2,5Gbps sẽ đi ra như một luồng đơn ở tốc

độ 4*2,5 Gbps = 10 Gbps Nguyên tắc này được minh họa trong hình 1.3SONET cung cấp các chuẩn cho một số lượng lớn các tốc độ truyền (tốc

độ truyền thực tế vào khoảng 20 Gbps) SONET định nghĩa một tốc độ cơ sở

là 51,84 Mbps và một tập tốc độ cơ sở được biết dưới tên Ocx (Optical Carrierlevels)

Hình 1.3: Nguyên tắc ghép kênh trong mạng SONET

Trong đó OC-192 là một tốc độ của SONET nối liền với một tốc độ tải(payload rate) bằng 9,584640 Gbps, chủ yếu được sử dụng trong môi trườngWAN

SONET có một số hạn chế giống như với hệ thống TDM Thứ nhất, kháiniệm về độ ưu tiên và tắc nghẽn không tồn tại trong SONET Thứ hai, việcghép kênh phân cấp khá cứng nhắc ở SONET Ví dụ như nấc tiếp theo củaSTS-192 (10 Gbps) là STS 768 (40 Gbps) Vì hệ phân cấp số được tối ưu cholưu lượng tiếng nói, nên sẽ không hiệu quả khi mang dữ liệu trong các khungSONET

1.3.3 Gigabit Ethernet

2.5 Gbps

10 Gbps

Khởi nguồn từ hơn 25 năm qua, Ethernet đã đáp ứng được nhu cầu ngàycàng tăng cho các mạng chuyển mạch gói Do chi phí thấp, độ tin cậy đã đượcthử thách trong nhiều năm, việc cài đặt và bảo trì tương đối đơn giản, nên hiệnnay Ethernet là nghi thức được dùng cho mạng nội bộ phổ biến nhất trên thếgiới hiện nay Ethernet có tốc độ lên đến 100 Mbps, mang lại hiệu quả về mặtkinh tế cho các kết nối máy chủ và xương sống.

Công nghệ Ethernet 10 Gigabit được xây dựng trên nghi thức Ethernet,nhưng có tốc độ nhanh gấp 10 lần Ethernet (1000 Mbps) Ethernet Gigabitđược triển khai như một công nghệ xương sống cho các mạng đô thị Đối vớimạng diện rộng WAN, Ethernet 10 Gigabit cho phép các ISP (Internet ServiceProvider) và NSP (Network Service Provider) tạo ra các liên kết tốc độ rất caovới giá thành thấp từ các bộ chuyển mạch và các bộ định tuyến trong phạm vicông ty cho đến thiết bị quang gán trực tiếp vào SONET/SDH Công nghệEthernet Gigabit hỗ trợ cả cáp sợi quang đơn mode và đa mode Tuy vậy, Cáckhoảng cách được hỗ trợ tùy vào các kiểu cáp sợi quang và bước sóng đượcthực thi trong ứng dụng

Tuy vậy, Ethernet Gigabit không mang lại sự đảm bảo về chất lượng dịch

vụ hay khả năng chịu lỗi

1.4 Hệ thống thông tin quang nhiều kênh

Để đáp ứng được các đòi hỏi của dịch vụ mạng, trong vài năm trở lại đây,công nghệ thông tin đã đạt được những tiến bộ đáng chú ý, trong đó nổi bật là

sự xuất hiện của các hệ thống sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang Trong các hệthống này, tín hiệu có thể truyền đồng thời nhiều luồng trong một sợi quangnhằm tăng dung lượng của tuyến truyền dẫn Các hệ thống này được gọi là hệthống thông tin quang nhiều kênh

Trên thực tế, sự ra đời của các hệ thống đa kênh đã giải quyết đượcnhững hạn chế của hệ thống đơn kênh, đồng thời cũng tận dụng được nhữngcông nghệ hiện có để phát triển mạnh mẽ Cụ thể là:

Thứ nhất, đối với hệ thống đơn kênh, thì tốc độ đạt tới mức khoảng vàitrục Gbit/s thì khoảng cách tuyến truyền dẫn sẽ bị rút ngắn lại, các thiết bịđiện tử sẽ đạt đến giới hạn của nó và không đáp ứng được các xung tín hiệucực kỳ hẹp; thêm vào đó chi phí dành cho các giải pháp trên tuyến truyền dẫntrở nên tốn kém vì cấu trúc, thuật toán phức tạp và đòi hỏi các thiết bị có côngnghệ cao Do đó, các hệ thống quang đa kênh có thể khắc phục được nhữngnhược điểm đó Các phần tử quang sẽ thay thế hoạt động của các thiết bị điện

tử, do đó sẽ xử lý tín hiệu nhanh hơn

Thứ hai, kỹ thuật ghép kênh quang được sử dụng sẽ tận dụng được phổcủa laser, tận dụng được băng tần rất lớn của sợi quang Để tận dụng đượcbăng tần rất lớn của sợi quang hiện tại hệ thống quang đa kênh chủ yếu sửdụng hai công nghệ:

- Hệ thống ghép kênh quang phân chia theo thời gian (OTDM)

- Hệ thống ghép kênh quang phân chia theo bước sóng (WDM)

Các hệ thống thông tin quang WDM đã được thương mại hóa và hoạtđộng có hiệu quả từ năm 1996 Trong tương lai, ghép kênh theo bước sóng sẽđược ưa chuộng hơn vì chi phí kỹ thuật và các thiết bị để lắp đặt hệ thốngTDM tương đốicao

1.5 Tiến trình phát triển mạng truyền tải

Để thấy rõ được xu hướng phát triển mạng trong tương lai, trước hết nhìnlại lịch sử phát triển của công nghệ mạng truyền tải Công nghệ mạng đã trảiqua các giai đoạn chuyển đổi từ tương tự sang số, từ phân cấp số cận đồngbộ(PDH) sang phân cáp số đồng bộ (SDH) và gần đây là từ SDH sang WDM(ghép kênh phân chia theo bước sóng) Để hỗ trợ và tương thích hoàn toàn vớicông nghệ cũ thì công nghệ chuyển mạch mới phải thích hợp với công nghệtruyền dẫn trước Chẳng hạn công nghệ PCM có chuyển mạch ở mức 64Kbit/s

và truyền dẫn ở mức 2Mbit/s; khi chuyển lên PDH thì nối chéo ở mức 2Mbit/s

và truyền dẫn ở mức 140Mbit/s; và khi lên đến SDH thì nối chéo ở mức155Mbit/s và truyền dẫn ở mức 10Mbit/s Còn với công nghệ WDM thì chưa

được xác định rõ nhưng theo dự đoán thì tốc độ chuyển mạch cơ sở cỡ300Gbit/s tương ứng với dung lượng truyền dẫn 10Tbit/s Dựa theo lịch sửphát triển và nhu cầu hiện tại thì công nghệ WDM ít nhất cũng đáp ứng đượctrong một thập kỷ Trong tương lai, sớm hay muộn thì cũng cần có công nghệWDM phát triển hơn và có lẽ được kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệuquang như ghép kênh theo thời gian quang(OTDM) và chuyển mạch góiquang cùng với các trạm lặp quang 3R để mở rộng độ trong suốt của mạng.Trong tương lai xu hướng tiến tới mạng toàn quang (photonic).

Để xây dựng nên một mạng truyền tải photonic khả thi và có lợi về kinh

tế thì ngoài thách thức ban đầu về các công nghệ đường truyền quang chấtlượng cao, các bộ nối chéo, và các nút chuyển mạch quang thì còn cần phảivượt qua thách thức về cấu trúc mạng Yêu cầu quan trọng nhất của một mạngtruyền tải đó là nó cần có cấu trúc tốt Yêu cầu này cũng được thực hiện tương

tự như của các mạng SDH hiện nay Các thành phần cấu trúc sơ bản đó là cáctopo Ring và Mesh và có thể tổ hợp theo vài cách như kết hợp Ring/Mesh,phân cấp đa Ring… Hình 1.4 chỉ ra xu hướng phát triển có thể của mạngtruyền tải photonic tương ứng với sự phát triển công nghệ các khối cơ bản.Khi xây dựng mạng thì cũng cần có sự giám sát xem cái gì sẽ xảy ratrong mạng Trong khi khai thác chắc chắn sẽ gặp phải các sự kiện được dựliệu trước và các sự kiện không xác định trước và đôi khi không mong muốn

Do đó cần có hệ thống báo hiệu và giám sát cho mạng So với mạng SDH, thì

có rất nhiều vấn đề cần phải được đề cập trong mạng WDM Ví dụ giám sát tỷ

lệ lỗi bít quang rõ ràng làm dễ dàng hơn cho hoạt động của mạng WDM Cần

có các tiêu chuẩn về mào đầu và báo hiệu để phát triển các thiết bị mạngWDM

Rào cản quan trọng tiếp theo cần vượt đó là phát triển một mô hình thôngtin hiệu quả để trích và xử lý tất cả các trừơng thông tin nhận từ mạng Cácthử nghiệm đã chỉ ra rằng áp dụng thẳng cách tiếp cận mô hình phân lớp đượcphát triển cho mạng SDH đã nảy ra một số vấn đề đối với mạng WDM Khi

phát triển các hệ thống quản lý các mạng WDM có bản chất tương tự vớinhiều hiệu ứng vẫn chưa được xác định rõ đã nảy ra các thách thức mới chonghiên cứu.

1.6 Công nghệ WDM

1.6.1 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấynhững ưu điểm nổi trội:

 Dung lượng lớn truyền dẫn lớn

Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứngvới tốc độ bit nào đó (TDM) Do đó hệ thống WDM có dung lượng truyền

Ring WDM kết nối đầy đủ

Ring WDM kết nối tập trung

OADM OADM

Truyền dẫn WDM điểm-điểm Truyền dẫn WDM chuỗi có OADM

OADM OADM

OADM OADM

OADM

OADM OADM

OADM OADM

OADM

oxc

oxc

oxc oxc oxc

Topo Mesh và kết nối các Ring

dẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM Hiện nay hệ thống WDM 80bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng

hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử nghiệm thành công Trong khi đó thửnghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s)

 Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệthống TDM đơn kênh tốc độ cao

Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyềndẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bướcsóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp Điều này làmgiảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do

đó tránh được sự phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao

 Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay

cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động

Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có màkhông phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang) Bên cạnh đó nó cũng

mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoàiviệc thuê sợi hoặc cáp Việc nâng cấp chỉ đơn giản là cắm thêm các Card mớitrong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-in-play)

 Quản lý băng tần hiệu quả và tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt

Nhờ việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM nên nó

có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụmạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần đi lại cáp hoặc thiết kếlại mạng hiện tại

 Giảm chi phí đầu tư mới

Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chếnằm ở ngay bản thân công nghệ Đây cũng chính là những thách thức chocông nghệ này

 Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang

Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dunglượng nhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang.Cho dù công nghệ còn phát triển nhưng dung lượng WDM cũng sẽ đạt đếngiá trị tới hạn

 Chi phí cho khai thác và bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùnghoạt động hơn

1.6.2 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng

Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ cơ bản để tạo nênmạng quang Kỹ thuật này tận dụng băng tần của sợi quang bằng cách truyềnnhiều kênh bước sóng quang độc lập và riêng rẽ trên cùng một sợi quang Mỗibước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi, ta có thể hiểu là mỗi mộtmàu sắc khác nhau là một kênh thông tin quang khác nhau Và như vậy tínhiệu truyền trên hệ thống WDM sẽ giống như một chiếc “cầu vồng” Mặc dùbước sóng ứng dụng trong thông tin là những bước sóng không nhìn thấy,song đây là một cách thức rất trực quan để mô tả nguyên lý này

Trên một sợi quang hoặc một hệ thống thông tin quang ta có thể ghépbước sóng quang theo một hướng đi hoặc cả hai hướng đi và hướng về Theo thời gian, khái niệm WDM được thay bằng khái niệm DWDM Vềnguyên lý không có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm này, DWDM nói đếnkhoảng cách gần giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số lượng kênh

Hình 1.5 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM

.

n

.

.

12 n

12 n

MUX

DEMUX

riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống Những kênh quang trong hệ thốngDWDM thường nằm trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu là 1550 nm vì môitrường ứng dụng hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài vàdung lượng truyền dẫn lớn Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạo phần tử

và hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách kênh rất nhỏ (xấp xỉ 0,5 nm)

Để thuận tiện chúng ta dùng thuật ngữ WDM để chỉ chung cho cả hai kháiniệm WDM và DWDM

Nhìn bên ngoài, một hệ thống truyền dẫn WDM và một hệ thống truyềndẫn quang SDH có rất nhiều điểm tương tự Cả hai hệ thống đều có:

 Các thiết bị ghép tách kênh đầu cuối (MUX, DEMUX)

 Các thiết bị khuếch đại đường truyền hoặc lặp (Line Amplifier,Regenerator)

 Các thiết bị xen/rẽ kênh (ADM)

 Các thiết bị đấu chéo (Cross-Connect Equipment)

 Sợi quang

Tuy nhiên khác biệt quan trọng giữa chúng là ở chỗ: Hệ thống truyềndẫn SDH chỉ dùng một bước sóng quang cho mỗi hướng phát, còn hệ thốngWDM thì dùng nhiều bước sóng (từ hai bước sóng trở lên); đối tượng làmviệc của hệ thống SDH là các luồng tín hiệu số PDH/SDH, còn của hệ thốngWDM là các bước sóng và các bước sóng này không nhất thiết chuyển tải tínhiệu số Mỗi bước sóng có chức năng như một sợi quang cung cấp môi trườngtruyền tín hiệu cho hệ thống khác và vì vậy gọi là sợi “quang ảo”

WDM ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tăng vọt về băng thông do sự pháttriển chưa từng thấy của mạng máy tính toàn cầu Internet, sự ra đời của cácứng dụng và dịch vụ mới trên nền tảng Internet Trước WDM, người ta tậptrung mọi nỗ lực để nâng cao tốc độ truyền dẫn của các hệ thống SDH nhưngkết quả thu được không mang tính đột phá vì công nghệ xử lý tín hiệu điện tạitốc độ cao đã dần đến giới hạn Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s bản thâncác mạch điện tử không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kì hẹp

Thêm vào đó chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt độngkhá phức tạp, đòi hỏi công nghệ rất cao Trong khi đó băng thông cực lớn củasợi quang mới được sử dụng một phần nhỏ Tuy nguyên lý ghép kênh theobước sóng WDM rất gần với nguyên lý ghép kênh theo tần số FDM, nhưngcác hệ thống WDM chỉ được thương mại hoá khi một số công nghệ xử lý tínhiệu quang trở nên chín muồi, trong đó phải kể đến thành công trong chế tạocác laser phổ hẹp, các bộ lọc quang, và đặc biệt là các bộ khuếch đại đườngtruyền quang dải rộng (khuếch đại quang sợi EDFA, khuếch đại Raman).

Các laser phổ hẹp có tác dụng giảm tối đa ảnh hưởng lẫn nhau của cácbước sóng khi lan truyền trên cùng một sợi quang Các bộ lọc quang dùng đểtách một bước sóng ra khỏi các bước sóng khác Các bộ khuếch đại đườngtruyền dải rộng cần để tăng cự ly truyền của tín hiệu quang tổng gồm nhiềubước sóng, nếu không có các bộ khuếch đại này thì các điểm cần tăng côngsuất tín hiệu người ta phải tách các bước sóng ra từ tín hiệu tổng, sau đó hoặc

là khuếch đại riêng rẽ từng bước sóng rồi ghép chúng trở lại, hoặc là phải thựchiện các bước chuyển đổi quang- điện-quang trên từng bước sóng rồi mớighép, và như vậy thì tốn kém và làm cho hệ thống trở nên kém tin cậy

OCh - Lớp kênh quangOMS - Lớp đoạn ghép kênh quangOTS - Lớp đoạn truyền dẫn quang

 Lớp kênh quang, còn gọi là lớp tuyến quang (OCh - Optical Channel).Lớp này có chức năng định tuyến từ đầu đến cuối các tuyến quang Mối OCh

đi qua một số đoạn khuếch đại trong mạng và mỗi đoạn khuếch đại mangnhiều bước sóng

 Lớp đoạn ghép kênh quang(OMS - Optical Multiplex Section) được

sử dụng để mô tả một chặng điểm nối điểm dọc tuyến quang Mỗi OMS baogồm một số đoạn lặp nằm giữa hai bộ khuếch đại

 Lớp đoạn truyền dẫn quang, hay còn gọi là lớp khuếch đạiquang(OTS - Optical Transmission Section) Điều đó cho ta thấy mỗi đoạnghép kênh quang thuộc về lớp khuếch đại quang

Trong mô hình phân lớp giao thức ở mạng truyền tải dưới đây thì quan hệlớp ATM; SDH với lớp WDM là quan hệ giữa lớp client và lớp server Các tínhiệu SDH và ATM dại diên cho dịch vụ ở lớp client mà được mang trên hệthống WDM Nếu xét đến khái niệm phân lớp mạng thì hệ thống WDM đượcxem như phương tiện vật lý, cùng với sợi quang tạo thành lớp “kênh quang” Dưới góc độ phát triển hệ thống thì WDM cùng với thiết bị xen/rẽkênh quang (OADM) và bộ nối chéo quang (OXC) sẽ tạo thành một lớpmạng quang Sự phát triển này tiến tới một mạng truyền dẫn sử dụng kênhbước sóng hay nói ngắn gọn là lớp mạng quang ở dưới lớp client, tức là sẽtách mạng truyền dẫn về topo thành hai lớp quang và điện trong đó hệ

thống WDM là hạt nhân của “lớp mạng quang”

Nút WDM

Với sự phát triển mạnh của các thiết bị chuyển mạch quang và chuyểnđổi bước sóng thì xu hường tiến tới mạng toàn quang là không xa.

DXC và ADM

WDM/OTN

Voice, IP

ATM

Hình 1.8 Xu hướng mạng truyền tải quang trong tương lai

Hình 1.9 Cấu trúc của một hệ thống WDM đơn giản

mạch quang và các bộ lọc, Ngoài ra, còn có thêm các hệ thống kênh tínhiệu điều khiển giám sát và hệ thống quản lý

laser như sử dụng trong các hệ thống khoảng cách lớn thông thường Tuynhiên, chúng phải đáp ứng được các yêu cầu nghiêm ngặt hơn

và phải hoàn toàn tương thích với bộ phát cả về bước sóng và các đặc tínhđiều chế Có 2 loại bộ thu thường được sử dụng cho các hệ thống WDM làdiode PIN và photodiode thác APD PIN hoạt động với nguồn công suất thấphơn (5V) nhưng lại có độ nhạy thấp và băng tần hẹp hơn APD APD phù hợpcho các ứng dụng cự ly lớn Các tham số cơ bản để đánh giá 1 bộ thu gồm:đáp ứng phổ, độ nhạy, băng tần phổ và điện, dải động và nhiễu

đơn mode chuẩn (G.652) có bước sóng tán sắc bằng 0 tại 1310nm và giá trịtán sắc lớn tại 1550nm (18ps/nm.km) hiện nay vẫn được sử dụng làm môitrường truyền dẫn cho các hệ thống WDM Mặc dù có đặc tính không tươngthích với cửa sổ EDFA tại 1550nm này nhưng các phép đánh giá gần đây đãcho thấy rằng loại sợi này có thể dùng cho các hệ thống WDM tốc độ trungbình mà không làm suy giảm chất lượng tín hiệu qua các khoảng cách đáng kểnếu hệ thống có sử dụng sợi bù tán sắc hoặc các thiết bị bù tán sắc khác Sợitán sắc dịch chuyển, DSF, (G.653) tuy có tán sắc bằng 0 tại bước sóng1550nm nhưng không được khuyến nghị dùng cho các hệ thống WDM dohiệu ứng FWM Sợi tán sắc dịch chuyển khác 0, NZ-DSF, (G.655) có giá trịtán sắc nhỏ ở vùng cửa sổ 1550nm, do vậy hạn chế được các ảnh hưởng phituyến đặc biệt là hiệu ứng trộn 4 bước sóng (FWM) đối với hệ thống là loạisợi được thiết kế cho các hệ thống WDM Loại sợi này có lượng tán sắc nhỏtrong vùng bước sóng từ 1530nm đến 1565nm (từ hơn 3ps/nm.km tại 1530nm

và xuống còn nhỏ hơn 0,7 tại 1560nm) Giá trị này đủ để loại bỏ được hiệu

ứng FWM mà vẫn cho phép truyền được các kênh có tốc độ ít nhất 2,5Gbit/squa khoảng cách 1000km

của WDM đã dẫn đến sự ra đời của các bộ khuếch đại quang pha erbium(EDFA) Thiết bị này sử dụng năng lượng từ 1 laser bơm để khuếch đại tất cảcác bước sóng tín hiệu có mặt tại lối vào của chúng 1 EDFA gồm 1 chiều dàisợi quang đã được pha tạp với erbium , do vậy chúng có thể biến đổi nănglượng từ phát xạ bơm riêng biệt thành các bước sóng đến, tức là đã khuếchđại các tín hiệu Với 1 thiết kế EDFA đơn giản nhất thì sự khuếch đại xảy raqua 1 vùng bước sóng tương đối hẹp từ 1525nm đến 1565nm Dải 40nm cũng

đủ để xử lý 1 số lượng lớn các kênh quang EDFA “trong suốt” với giao thức,dạng, tốc độ bit của tín hiệu, và trong giới hạn nào đó cả với bước sóng tínhiệu quang Do đó, các kênh quang có thể được xen hoặc rẽ trên tuyến tại bất

cứ thời điểm nào Việc sử dụng EDFA đã cho phép thiết lập được các hệthống truyền dẫn cự ly lớn với ít các thành phần điện tử hơn, tuy nhiên cũnglàm xuất hiện 1 số vấn đề mới Đó là vấn đề về độ khuếch đại phổ khôngđồng đều và nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại (ASE) Các nghiên cứu mới vềnguyên lý bơm EDFA công suất lớn đã tập trung vào việc mở rộng vùngkhuếch đại của các EDFA từ 1570 đến 1630nm- tức là băng L

Bộ OADM có các giao diện quang hai hướng Đông và Tây, cũng nhưcác cổng Xen và Rẽ cho hai hướng Đông và Tây của OADM Các luồngquang Đông - Tây và Tây - Đông bao gồm tín hiệu quang ghép kênh theo

bước sóng bao gồm N sóng mang Bộ OADM cho phép tách và chèn mộtsóng mang (tại bước sóng j) trong các luồng quang Đông - Tây và Tây -Đông Các bước sóng còn lại của luồng ghép kênh sẽ được cho qua bộOADM mà không bị tác động gì Các cổng Xen và Rẽ có thể cần tới bộ phátđáp để chuyển đổi bước sóng hoặc giao diện thích nghi quang của các hệthống không theo khuyến nghị G.691.

Các chức năng khác của OADM là:

Bù tán sắc

Điều chỉnh mức công suất (khuếch đại/suy hao)

Chèn, tách và xử lý các thông tin mào đầu của ghép kênh phân đoạnquang (nếu cần tới giao diện thích nghi quang, ví dụ G.957 tớiG.mcs)

Chèn, tách và xử lý các thông tin mào đầu của ghép kênh phânđoạn quang

Tách, chèn, và xử lý các thông tin mào đầu của truyền dẫn phânđoạn quang

Hỗ trợ kênh giám sát và các kênh thông tin người sử dụng

Kiểm soát tín hiệu quang

Lớp OTSLớp OMS

Hình 1.11 Các chức năng của OADM theo mô hình phân

lớp

 Thiết bị nối chéo quang:

Thiết bị nối chéo qang (OXC) có M sợi đầu vào, M sợi đầu ra và cáccổng xen rẽ Mỗi sợi đầu vào và đầu ra mang một tín hiệu ghép kênh N bướcsóng Các cổng xen và rẽ cho phép chèn và tách một số bước sóng

OXC thực hiện các chức năng sau đây: ghép và tách kênh, ghép kênh xen

rẽ, chuyển mạch không gian, và có thể là cả chuyển đổi bước sóng Điều này

1 N

1 N

M sợi đầu

vào

M sợi đầu ra

Lớp OCh

Lớp OTS

Hình 1.13 Chức năng của OXC theo mô hình phân lớp

OChOCh

OChOCh

cho phép thực hiện nối xuyên các tín hiệu quang giữa các sợi đầu vào và đầu

ra (và có thể nối xuyên giữa bước sóng vào và bước sóng ra)

Các chức năng khác của OXC là:

Bù tán sắc

Điều chỉnh mức công suất (khuếch đại/suy hao)

Chèn, tách và xử lý các thông tin mào đầu của ghép kênh phânđoạn quang (nếu cần tới giao diện thích nghi quang, ví dụ G.957tới G.mcs)

Chèn, tách và xử lý các thông tin mào đầu của ghép kênh phânđoạn quang

Tách, chèn, và xử lý các thông tin mào đầu của truyền dẫn phânđoạn quang

Kiểm soát tín hiệu quang

quang (OTM) được biểu diễn như hình 1.14

Ch N

Ch 2

Ch 1

Ch N

OTM là một phần tử mạng hai chiều Trong hướng truyền đi, nó có khảnăng tiếp nhận N kênh quang, mỗi kênh có một mức công suất tín hiệu quang

và tỷ số SNR theo chỉ tiêu kỹ thuật đã xác định OTM xác định bước sóng chotừng kênh quang tại đầu vào theo các bước sóng đã được định nghĩa từ trước,

và đầu ra thiết bị này chứa tín hiệu ghép kênh bao gồm N bước sóng (sóngmang) Tín hiệu đầu ra đặc trưng bởi băng tần quang tổng, công suất quangtổng, công suất mang trên mỗi sóng mang và tỷ số SNR của mỗi sóng mang.Trong hướng thu, bộ OTM nhận tín hiệu ghép kênh theo bước sóng, táchtín hiệu đó thành các sóng mang như ở đầu vào bộ ghép kênh, và đưa N kênhquang đó tới các đầu ra riêng biệt

Bước sóng của từng kênh quang có thể thay đổi so với khi nó được chènvào hay tách ra từ các bộ ghép/tách kênh Vì thế, trong OTM có thể cần đếnmột bộ chuyển đổi bước sóng Điều này đặc biệt có ý nghĩa nếu có một số hệthống SDH cùng tồn tại (giao diện quang G.957) được ghép kênh cùng vớinhau, trong trường hợp đó, các bước sóng của một vài hệ thống sẽ phải thayđổi cho phù hợp để đưa vào các kênh của OTM Hiện tại với công nghệ này,việc thay đổi bước sóng được thực hiện chủ yếu nhờ bộ chuyển đổi O/E/O.Các bộ chuyển đổi bước sóng photonic ít được sử dụng hơn Thay đổi bướcsóng có thể được thực hiện nhờ bộ phát đáp đứng độc lập, tách biệt với bộghép kênh của nó

Các chức năng khác có thể có của OTM là:

Bù tán sắc

Điều chỉnh mức công suất (khuếch đại/ suy giảm)

Chèn, tách, và xử lý các thông tin mào đầu của lớp kênh quang(nếu cần đến giao diện thích nghi quang, ví dụ: G.957 hoặcG.mcs)

Tách, chèn và xử lý các thông tin mào đầu của đoạn truyền dẫnquang

Hỗ trợ các kênh giám sát và kênh thông tin người sử dụng

Kiểm soát tín hiệu quang.

Có hai cấu hình cơ bản truyền dẫn dùng cho hệ thống WDM:

này, các kênh quang ở cả hai hướng truyền dẫn (đi và về) được ghép chungchỉ trên một sợi quang Cấu hình này còn được gọi là cấu hình hệ thốngtruyền dẫn song công

theo mỗi hướng truyền dẫn, các kênh quang được ghép trên một sợi quangriêng biệt và mỗi sợi quang đó đảm nhiệm truyền dẫn chỉ theo một hướng(đi hoặc về) Đôi khi, cấu hình này được gọi là cấu hình hệ thống truyền dẫnđơn công

Về mặt phát triển và ứng dụng, hệ thống WDM đơn công được sử dụngtương đối rộng rãi, còn hệ thống WDM song công thì có những yêu cầu caohơn, đó là vì trong thiết kế và ứng dụng hệ thống WDM song công cần phảixem xét đến các yếu tố then chốt của hệ thống như để hạn chế can nhiễu nhiềukênh (MPI), cần chú ý đến các vấn đề ảnh hưởng của phản xạ quang, cách lygiữa các kênh hai chiều, trị số và loại hình của xuyên âm, công suất tín hiệuquang truyền dẫn trên hai chiều , đồng thời phải sử dụng bộ khuếch đạiquang hai chiều Nhưng so với hệ thống WDM đơn công, hệ thống WDM haichiều giảm được số lượng bộ khuếch đại quang và đường dây

Chương 2 BẢO VỆ TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG WDM

2.1 Sự cần thiết phải bảo vệ ở tầng quang

Họat động bình thường của một mạng truyền tải quang trong thực tếkhông những ảnh hưởng bởi những yếu tố khách quan như độ tin cậy, tuổi thọcủa thiết bị mà còn chịu tác động của các yếu tố môi trường, khí hậu, thời tiết,các nhân tố chủ quan do con người gây ra Tác động của các yếu tố trên gây

ra sự cố hỏng thiết bị, đứt cáp dẫn đến sự ngừng hoạt động của các kênhtruyền tải thông tin gây thiệt hại cho cả người sử dụng và người cung cấp dịch

vụ Vấn đề đặt ra là cần phải thiết lập chức năng duy trì hoạt động của mạngtrước các sự cố bằng cách áp dụng các kỹ thuật bảo vệ hoặc phục hồi mạng.Đối với mạng truyền tải quang sử dụng công nghệ SDH, các giải pháp kỹthuật bảo vệ và phục hồi đã được áp dụng tương đối hiệu quả theo các đề xuất

và khuyến nghị của ITU-T [dB]6] Nhưng thời gian hồi phục lại lâu, vào khoảng

từ 60 tới 100ms Trong khi đó thì các kỹ thuật bảo vệ ở tầng quang WDM cókhả năng hồi phục mạng chỉ mất tối đa 50ms Tuy nhiên, trong hiện tai vàtương lai, nhu cầu lưu lượng lớn đòi hỏi cần phải cung cấp một môi trườngtruyền dẫn dung lượng lớn, mà công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM làmột trong những giải pháp được lựa chọn Do vậy, việc xây dựng chức năngphục hồi mạng WDM ở tầng quang là vấn đề sống còn cần phải giải quyết khixây dựng mạng WDM nhằm duy trì hoạt động liên tục của mạng

Theo G.872 ITU-T, lớp quang được chia thành 3 lớp con: lớp kênh quang(OCh-Optical Channel), lớp đoạn ghép kênh quang (OMS - Optical MultiplexSection) và lớp đoạn truyền dẫn quang (OTS - Optical Tranmission Section).Bảo vệ có thể được thực hiện tại lớp OMS hoặc lớp OCh hoặc phối hợp trên

cả hai lớp

Bảo vệ OMS và bảo vệ OCh có thể theo phương thức riêng hoặc chung.Trong bảo vệ riêng, mỗi kênh làm việc được truyền trên hai tuyến khác nhau

và kênh có chất lượng tốt nhất sẽ được lựa chọn tại đầu thu, do vậy một nửacủa dung lượng truyền dẫn trong mạng sẽ luôn được ấn định là dung lượng dựphòng dành cho bảo vệ (tức là dung lượng bảo vệ bằng 100% dung lượng làmviệc) Trái lại, trong bảo vệ chung, tài nguyên bảo vệ có thể được sử dụng đểphục hồi nhiều kênh làm việc khác nhau, tuỳ thuộc vào sự cố Bảo vệ chungcho phép sử dụng dung lượng mạng tốt hơn bảo vệ riêng (lượng dung lượng

dự phòng yêu cầu phụ thuộc nhiều vào topo mạng và vào sự phân bổ lưulượng giữa các node)

Hiện nay, bảo vệ riêng OMS chủ yếu được triển khai trong các hệ thốngthông tin quang WDM điểm - điểm, còn bảo vệ OCh được sử dụng cả trongcác hệ thống điểm - điểm và các ring OADM (Optical Add Drop Multiplexer).Trong tương lai gần, các ring bảo vệ chung OMS sẽ có thể được triển khai.Bảo vệ OCh có thể được triển khai với hai cách: bảo vệ kết nối mạng con(SNCP) hoặc bảo vệ luồng Sự khác nhau cơ bản là trong bảo vệ luồng OChkết cuối của luồng OCh cũng được bảo vệ vì số lượng card transponder đượcnhân đôi Giải pháp này cải thiện độ sẵn sàng của kênh quang, nhưng lại làmtăng chi phí đầu tư thiết bị

2.2 Các khái niệm cơ bản

Bảo vệ là một phương thức hồi phục mạng sử dụng các tài nguyên bảo vệđược cấp phát trước để truyền lưu lượng tải hoạt động trên kênh bị ảnh hưởngbởi sự cố nhằm đảm bảo khả năng duy trì của mạng

Bảo vệ - Có nhiều tiêu chuẩn để phân loại các kỹ thuật bảo vệ mạngnhưng thường dựa trên các tiêu chuẩn phổ biến sau:

 Dựa vào số lượng hệ thống làm việc và dự phòng

- Bảo vệ 1+1: là bảo vệ mà trong đó dành riêng một hệ thống dự phòngbảo vệ cho mỗi hệ thống hoạt động Bình thường cả hai hệ thống cùng được

sử dụng nhưng chỉ lấy kết quả của tuyến hoạt động, khi xảy ra sự cố thìchuyển sang hệ thống dự phòng

- Bảo vệ M:N: là bảo vệ mà ta chia sẻ M hệ thống dự phòng để bảo vệcho N hệ thống hoạt động cùng chủng loại Khi xảy ra sự cố trên bất kỳ hệthống hoạt động nào thì chuyển mạch bảo vệ sang một hệ thống dự phòng khảdụng Để tiết kiệm tài nguyên ta có thể sử dụng M hệ thống dự phòng này chocác mục đích khác như: hoạt động thử nghiệm dịch vụ mới hoặc xử lý cáccông việc phụ có mức yêu tiên thấp.

 Dựa vào cấu trúc hệ thống bảo vệ ta có chuyển mạch bảo vệ đơnhướng hay cả hai hướng, loại trở về hay không trở về; chuyển mạch bảo vệtuyến (PPS) hay bảo vệ đoạn (LPS)

- Chuyển mạch bảo vệ đơn hướng: chỉ lưu lượng trên hướng truyền dẫnnào có sự cố thì mới chuyển mạch bảo vệ sang kênh dự phòng, còn các tuyếnkhác không có sự cố thì giữ nguyên

- Chuyển mạch bảo vệ hai hướng: nếu có bất kỳ một hướng hoạt độngnào bị sự cố thì cả hai hướng cùng chuyển mạch bảo vệ sang kênh dự phòng(kênh bảo vệ)

- Bảo vệ có trở về: sau khi chuyển mạch bảo vệ sang kênh dự phòng màkhôi phục lại đường truyền sự cố thì lưu lượng tự động chuyển từ kênh bảo vệ

về kênh hoạt động đã được khôi phục Phương pháp bảo vệ này thường ápdụng cho bảo vệ chia sẻ N:M Đặc biệt là 1:N

- Bảo vệ kiểu không trở về: sau khi chuyển mạch bảo vệ sang kênh dựphòng mà khôi phục lại được đường truyền sự cố thì vẫn truyền lưu lượngtrên kênh dự phòng Phương pháp bảo vệ này thường áp dụng cho bảo vệriêng 1+1

- Bảo vệ tuyến: chỉ thực hiện chuyển mạch bảo vệ tại điểm kết cuối củatuyến có sự cố

- Bảo vệ đoạn: thực hiện chuyển mạch bảo vệ tại hai nút kế cận với đoạn

bị sự cố, trường hợp sự cố nút thì đoạn bị sự cố là hai đoạn liền nhau chứa nútđó

2.2.1 Bảo vệ riêng

Bảo vệ riêng là hình thức bảo vệ mà trong đó mỗi kênh làm việc đượctruyền trên hai tuyến khác nhau và kênh có chất lượng tốt nhất sẽ được lựachọn tại đầu thu, do vậy một nửa của dung lượng truyền dẫn trong mạng sẽluôn được ấn định là dung lượng dự phòng dành cho bảo vệ (tức là dunglượng bảo vệ bằng 100% dung lượng làm việc)

Trong bảo vệ 1+1, nút nguồn phát tín hiệu đồng thời trên cả hai tuyếnhoạt động và bảo vệ Nút đích giám sát tín hiệu của cả hai tuyến này và lựachon tín hiệu có chất lượng tốt nhất (ví dụ dựa chên tham số SNR) Nếu pháthiện suy giảm tín hiệu trên tuyến hoạt động thì nút đích tự động chuyển mạchsang tuyến bảo vệ Trong bảo vệ 1:1 nút nguồn chỉ phát tín hiệu lên tuyếnhoạt động, còn tuyến bảo vệ có thể được dùng để truyền lưu lượng có mức ưutiên thấp Khi xảy ra sự cố trên tuyến hoạt động thì cả nút nguồn và nút đíchchuyển mạch lên tuyến bảo vệ

Ví dụ trong một mạng vòng bảo vệ 1+1 sử dụng các kênh quang kép, tínhiệu được phát đi trên hai kênh: một kênh truyền theo hướng thuận chiều kimđồng hồ, còn kênh kia truyền theo hướng ngược chiều kim đồng hồ; máy thu

sẽ lựa chọn tín hiệu tốt nhất Nếu hoạt động này được thực hiện ở lớp kênhquang thì ta gọi là OC-DPRing (áp dụng cho ring 2 sợi 2 hướng), nếu thựchiện ở lớp ghép kênh quang thì ta gọi là OMS -DPRing (áp dụng cho ring 4sợi 2 hướng)

Trong các mạng lưới xây dựng các liên kết điểm - điểm truyền tải haihướng muốn cung cấp bảo vệ riêng thì phải sử dụng hai cặp sợi tách biệt nhau

về mặt vật lý, một cặp cấp cho các kênh hoạt động còn cặp kia cấp cho cáckênh bảo vệ, khi xảy ra sự cố trên sợi hoạt động thì chuyển các kênh lưulượng lên sợi bảo vệ

2.2.2 Bảo vệ chia sẻ

Bảo vệ chia sẻ là hình thức bảo vệ mà trong đó nhiều hệ thống hoạt độngcùng sử dụng chung một hệ thống dự phòng để bảo vệ Chẳng hạn là dung

lượng dự phòng hoặc bước sóng dự phòng Ở điều kiện bình thường mọi yêucầu được định tuyến lên các kênh hoạt động, và dung lượng bảo vệ có thểđược dùng để truyền lưu lượng có mức ưu tiên thấp Khi xảy ra sự cố lưulượng tải của từng tuyến truyền dẫn bị sự cố được chuyển mạch lên các bướcsóng bảo vệ Hoạt động này yêu cầu hỗ trợ báo hiệu để thông báo cho các nútmạng về các tuyến đường truyền dẫn bị sự cố thì mới đảm bảo chắc chắn cácbước sóng bảo vệ trên các sợi khác nhau kết nối chính xác tới các tuyếnquang yêu cầu bảo vệ Trong thời gian tài nguyên dự phòng được dùng để bảo

vệ một tuyến hoạt động bị sự cố thì nó không còn khả dụng để bảo vệ cho cáctuyến quang hoạt động khác cho tới khi tuyến hoạt động ban đầu này đượckhôi phục lại

Đối với các vòng ring quang bảo vệ chia sẻ, dung lượng của các sợi dànhcho các kênh hoạt động và bảo vệ là riêng biệt Do đó một ring 2 sợi bảo vệchia sẻ là ring 2 hướng, một sợi truyền lưu lượng theo hướng thuận chiều kimđồng hồ, còn sợi kia truyền lưu lượng theo hướng ngược chiều kim đồng hồ.Tương tự với các mạng lưới quang bảo vệ chia sẻ (trong các liên kếtđiểm - điểm): trong mỗi cặp sợi, mỗi sợi sử dụng một nửa số kênh cho làmviệc, và dành một nửa số kênh còn lại để bảo vệ cho lưu lượng làm việc trênsợi kia Nếu một sợi bị sự cố thì các kênh hoạt động sẽ được truyền trên cáckênh bảo vệ của sợi kia

Bảo vệ chia sẻ là một cách để giảm dung lượng thừa dành cho dự phòng

và giảm số lượng các tuyến quang cần phải quản lý

Hiện nay mới chỉ áp dụng bảo vệ riêng OMS cho các hệ thống WDMđiểm - điểm, trong khi đó bảo vệ OCh được sử dụng cho cả hệ thống điểm -điểm và các ring OADM, sắp tới có thể sẽ cung cấp thêm các ring bảo vệ chia

sẻ OMS

2.2.3 Bảo vệ đoạn ghép kênh quang

Hình thức bảo vệ này được thực hiện ở lớp ghép kênh quang (OMS), vàhay được áp dụng bảo vệ trong các mạng cung cấp một số lượng lớn các kênh

quang Tất cả các bước sóng (kênh WDM) truyền trên sợi quang bị sự cốcùng được định tuyến lại lên một tuyến sợi quang tạm thời rỗi (đã được xácđịnh trước) Thực hiện chuyển mạch bảo vệ không gian tại bộ ghép kênhWDM (chuyển mạch sợi quang).

2.2.4 Bảo vệ kênh quang

Hình thức bảo vệ này được thực thi ở lớp kênh quang Mỗi kênh quangđược bảo vệ độc lập sử dụng một chuyển mạch riêng, dẫn đến tổng số cácchuyển mạch quang lớn nhưng cho phép lựa chọn các kênh để bảo vệ trong

bộ ghép kênh và có thể tích hợp bảo vệ của các bộ phát đáp vào trong kiếntrúc này

2.3 Các phương thức bảo vệ theo cấu hình mạng

2.3.1 Bảo vệ ở lớp kênh quang

2.3.1.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình điểm - điểm

Với cấu hình này có thể áp dụng trực tiếp các kỹ thuật bảo vệ tuyếnriêng/chia sẻ nên không cần phân tích nhiều Mặc dù cấu hình này đơn giảnnhưng nó thường hay xảy ra sự cố như đứt cả tuyến cáp hay sự cố hỏng thiết

bị nên nó chỉ được sử dụng ở giai đoạn đầu thử nghiệm chưa phát triển dunglượng mà không mấy khi được sử dụng trong các mạng quy mô lớn Trongtrường hợp sử dụng kiểu bảo vệ này thì cách đề phòng hiệu quả nhất là chọntuyến đường đi cáp thuận lợi hạn chế tối thiểu khả năng bị xâm phạm, cóchính sách bảo dưỡng thường xuyên, và áp dụng kỹ thuật bảo vệ 1+1 hay 1:1

Bảo vệ quang 1+1 tương tự như phương thức bảo vệ 1+1 SDH Phíaphát sử dụng bộ chia sẻ để chia công suất quang và phát trên cả hai tuyến hoạtđộng và dự phòng; ở phía thu sử dụng một chuyển mạch quang có chức năng