Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương LỜI MỞ ĐẦU Với phát triển dịch vụ đa phương tiện dựa IP đặc biệt dịch vụ video, lưu lượng mạng tiếp tục gia tăng cách nhanh Điều dẫn tới kết tất yếu làm xuất mạng truyền tải cực lớn 40G hay 100G Các công nghệ lên công nghệ có khả hỗ trợ gia tăng băng thông mạng Đề tài “Mạng truyền tải quang OTN 100G” tìm hiểu tổng quan truyền tải quang OTN giải pháp để xây dựng mạng truyền tải quang OTN 100G Em xin cảm ơn thầy giáo Nguyễn Đức Nhân giúp đỡ chúng em trang bị kiến thức hoàn thành đề tài Hà Nội, tháng 5/2016 Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương MỤC LỤC Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G I Chương MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG OTN G.709 1.1 Chuẩn hóa mạng truyền tải quang OTN Để đáp ứng lại việc gia tăng nhanh lưu lượng Internet (trên sở IP), hệ thống DWDM (Dense WDM) – triển khai mạng thời Trong hệ thống DWDM, vài chục bước sóng ghép vào đường cáp quang (mỗi bước sóng truyền tốc độ 2,5Gbit/s, 10Gbit/s, cao hơn) Do có hệ thống DWDM, nâng cao dung lượng liên kết điểm – điểm, xử lý tín hiệu điện với chế độ chuyển mạch tốc độ thấp việc định tuyến gói tin IP tuyến SDH với yêu cầu thấp cần thiết nút, nơi có lượng tải tin lớn, bao gồm nhiều luồng từ nút nguồn đích khác nhau, tập hợp lại vào dạng tín hiệu có tốc độ 2,5Gbit/s, 10Gbit/s vvv… Cấu hình tự nhiên điểm – điểm hệ thống DWDM dẫn tới việc khó đạt chi phí linh hoạt việc truyền tải lưu lượng sở IP hai điểm cách xa thông qua nhiều điểm trung gian, lưu lượng cỡ gigabit cung cấp chúng (gigiabit-class) Một mạng OTN với mục đích tạo kết nối đầu cuối (end to end) với tốc độ bit cao tin cậy Kết nối có hướng biểu “OCh” (Optical Channel) Một OCh phù hợp với bước sóng định tuyến OXC (Optical Cross Connects) OADM (Optical Add/Drop Multiplexers) doc theo kênh truyền để kết nối hai điểm xa minh họa hình 2.1 đây: Hình 1: Kết nối quang đường dài Không có chế độ chuyển mạch tốc độ thấp nút trung gian, nơi cần thiết có chuyển mạch điện thiết bị đầu cuối để giải vấn đề lưu lượng Điều giúp làm giảm đáng kể mức cần thiết thiết bị điện nút Kiến trúc OTN chuẩn hóa khuyến nghị G.872 Khuyến nghị mô tả kiến trúc chức lớp OTN, việc quản lý dung lượng lớp OTN, kỹ thuật giám sát kết nối, mô hình bảo vệ, nguyên lý liên mạng, vấn đề tương tự Lưu ý rằng, từ điểm nhìn chức riêng, OTN chia làm lớp bao gồm Och cung cấp dung lượng mạng từ điểm đầu tới điểm cuối Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương Có số điểm mở rộng khái niệm OTN mà cụ thể dung lượng Och hệ thống sử dụng G.872 Việc quản lý dung lượng mức OCh khuyến nghị G.872 đảm bảo việc tăng cấu trúc khung số Khuyến nghị G.709 mô tả cấu trúc tín hiệu lớp OTN bao gồm cấu trúc khung cho OCh Ba lớp dựa tốc độ bit cho khung mô tả khoảng 2,5, 10, 40Gbit/s, cho phép vạch tín hiệu số thiết bị khách hang STM-N (với N=16,64,256), ATM-VP, gói GFP (Generic Framing Procedure), tín hiệu CBR (constant bit rate) – dòng bit có tốc độ không đổi với tốc độ bit mô tả Để tìm hiểu mô hình cấu trúc chuẩn hóa mạng quang, chương tìm hiểu khuyến nghị ITU-T G.709 Khuyến nghị G.709 đưa nhìn tổng quan mạng quang, đồng thời định nghĩa cấu trúc khung 1.2 Giới thiệu khuyến nghị G.709 - Là giao diện cho mạng truyền tải quang OTN - Các khái niệm tương tự mạng chuẩn SONET/SDH: + Cấu trúc lớp + Kiểm tra trình vận hành + Bảo vệ + Các chức quản lý khác - Các chức thêm vào + Quản lý kênh phạm vi mạng quang + Phát lỗi sớm (FEC – Forward error correction) cho phép nâng cao chất lượng hệ thống uy tín mạng quang - Cung cấp phương pháp chuẩn hóa cho việc quản lý bước sóng (kênh) quang từ điểm đầu tới điểm cuối I.3 Lớp truyền tải mạng quang Hệ thống truyền tải phân cấp quang (OTH) công nghệ truyền tải cho mạng truyền tải quang phát triển ITU Nó dựa kiến trúc mạng định nghĩa khuyến nghị khác (ví dụ, G.872 kiến trúc, G.709 khung định dạng G.798 chức qui trình) OTH kết hợp ghép kênh điện quang khung làm việc chung Phần điện cấu trúc theo thứ bậc giống SONET/SDH, phần quang dựa công nghệ ghép kênh DWDM, với giao diện phương thức chuẩn để quản lí mạng Khuyến nghị ITU-T G.872, kiến trúc mạng truyền tải quang (OTN), định nghĩa lớp giao diện OTN (xem hình 2.2 giao diện laDI IrDl.) lrDI (inter-domain interface) giao diện liên miền OTN: giao diện kết nối mạng hai nhà khai thác, mạng hay nhiều nhà cung lĩnh vực khai thác Giao diện IrDl định nghĩa theo 3R (reshape định hình, regenerate tái tạo retime định thời) … Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương laDl (intra-domain interface) giao diện miền OTN: giao diên kết nối mạng bên khu vực vận hành khai thác Hình 2: Giao diện laDl lrDl \ Theo khuyến nghị ITU G.872 định nghĩa kiến trúc mạng quang dựa kênh quang (OCh) với bước sóng cụ thể Điều khác với hệ thống DWDM, cấu trúc tín hiệu chuẩn hóa Kiến trúc OTN bao gồm lớp kênh quang OCh, phân đoạn ghép kênh quang OMS, phân đoạn truyền dẫn quang OTS, hình 2.3 thể “điềm cuối lớp truyền tải cấu trúc truyền tải tín hiệu” OCh (Optical Channel) Kênh quang– thể cho điểm kết cuối mạng quang với đóng gói tín hiệu khách hàng cấu trúc khung G.709 Lớp kênh quang truyền dẫn suốt tin tức dịch vụ từ đầu cuối đến đầu cuối (Kênh quang OCh tương đương với bước sóng DWDM) Nó thực chức sau: định tuyến tin tức thuê bao khách hàng, phân phối bước sóng, xếp kênh tín hiệu quang để mạng kết nối linh hoạt, xử lý thông tin phụ kênh tín hiệu quang, đo kiểm lớp kênh tín hiệu quang thực chức quản lý Khi phát sinh cố, thông qua việc định tuyến lại cắt chuyển dịch vụ công tác sang tuyến bảo vệ cho trước để thực đấu chuyển bảo vệ khôi phục mạng OMS phân đoạn ghép kênh quang– phân đoạn ghép kênh quang tách kênh quang OMS định nghĩa việc kết nối xử lý nội ghép kênh hay nhóm kết nối quang mức kênh quang Och (OMS gọi nhóm bước sóng truyền cáp sợi quang hai ghép kênh DWDM) Nó đảm bảo truyền dẫn tín hiệu quang ghép kênh nhiều bước sóng hai thiết bị truyền dẫn ghép kênh bước sóng lân cận, cung cấp chức mạng cho tín hiệu nhiều bước sóng OMS có tính như: cấu hình lại đoạn ghép kênh quang để đảm bảo mạng định tuyến nhiều bước sóng linh hoạt, đảm bảo xử lý hoàn chỉnh tin tức phối hợp đoạn ghép kênh quang nhiều bước sóng thông tin phụ đoạn ghép kênh quang, cung cấp chức đo kiểm quản lý đoạn ghép kênh quang để vận hành bảo dưỡng mạng OTS phân đoạn truyền dẫn quang – phân đoạn phần tử mạng OTN, bao gồm khuếch đại OTS định nghĩa cách truyền tín hiệu quang phương tiện quang đồng thời thực tính đo kiểm điều khiển đối Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương với khuếch đại quang lặp Lớp thực vấn đề sau: cân công suất, điều khiển tăng ích EDFA, tích luỹ bù tán sắc Hình 3: Điểm cuối lớp truyền tải quang Tải trọng kênh quang OCh bao gồm phần điện, khối kênh quang truyền tải lớn ghép kênh Lớp lớp số hay gọi đóng gói số (digital wrapper) Phần cung cấp hầu hết cho việc quản lý chức số OTN OTU thêm phần sửa lỗi FEC, điều cho phép nhà khai thác hạn chế sử dụng số lượng lặp mạng đồng thời giảm chi phí OTU (Optical Transponder Unit) nơi sử dụng để thực sửa dạng tín hiệu Nó chuyển đổi tín hiệu kênh quang đầu vào phía client side thành tín hiệu quang chuẩn để truyền hệ thống DWDM Hình 2.4 thể truyền tải tín hiệu mạng OTN, bắt đầu với tín hiều từ khách hàng (SONET/SDH, ATM, GFP, vvv…) chuyển vào khối tải trọng kênh quang (OPU), tín hiệu điều chỉnh đến tốc độ OPU Phần mào đầu OPU có chứa thông tin để hỗ trợ cho trình thích ứng tín hiệu Sau điều chỉnh, OPU ghép vào khối liệu kênh quang (ODU) phần mào đầu ODU để chắn giám sát đầu cuối giám sát kết nối Cuối cùng, ODU ghép vào thành OTU , với OTU OH FEC Các khung liệu OTU có thứ bậc tương tự thứ bậc SDH, từ 2,5 Gbit/s (STM-16) 40 Gbit/s (STM-256); có thêm hai loại khung hỗ trợ cho Gigabit Ethernet • OTU0: truyền dẫn Gbit/s Ethernet, GbE • OTU1: truyền dẫn 2,5 Gbit/s, STM-16 • OTU2: truyền dẫn 10 Gbit/s, STM-64 • OTU3: truyền dẫn 40 Gbit/s, STM-256 • OTU4: truyền dẫn 100 Gbit/s Ethernet, 100 GbE Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương Quá trình vận chuyển tín hiệu người dùng (client signal) OTN phác thảo đây: Hình 4: Cấu trúc truyền tải OTN - Trong đó: Trường OH thêm tín hiệu người sử dụng để định dạng đơn vị tải tín hiệu kênh quang (OPU – Optical channel Payload Unit) - Trường OH sau thêm vào OPU để định dạng đơn vị liệu kênh quang (ODU – Optical channel Data Unit) - OH FEC thêm vào để định dạng đơn vị giao vận kênh quang (OTU – Optical channel Transport Unit) Các khung OTUk (k=1,2,3) truyền tải sử dụng kênh quang (OCh) gán bước sóng cụ thể Kênh quang tiếp tục ghép vào OMS sau truyền tải thông qua lớp OTS Các lớp OCh, OMS OTS có phần mào đầu riêng với mục đích quản lí mức quang Phần mào đầu truyền vào kênh giám sát kênh quang (OSC) Kênh giám sát thường có tốc độ 2Mbit/s Có hai kiểu OSC: OSC băng OSC băng Với kiểu OSC băng, kênh giám sát quang ghép vào liệu người dùng truyền với tín hiệu người dùng Kênh giám sát ghép tách OTU Với kiểu OSC băng, kênh giám sát quang truyền bước sóng độc lập với liệu người dùng Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương Ngoài ra, OSC cung cấp tín hiệu bảo trì quản lí liệu lớp OTN khác 1.4 Các Giao diện tốc độ G.709 Khuyến nghị ITU-T G.709 định nghĩa giao diện tốc độ chuẩn dựa tốc độ SONET/SDH Khi xét thêm thông tin phần mào đầu FEC, với G709 kết tốc độ giao diện lớn gần 7% so với tốc độ SONET/SDH tương ứng Bảng 2.1- G.709 liệt kê tốc độ giao diện G.709 so sánh chúng với giao diện SONET/SDH - OTU (255/238 x 2.488320 Gb/s ≈ 2.666057143 Gbit/s) (mức 1) - OTU (255/237 x 9.953280 Gb/s ≈ 10.70922531 Gbit/s) (mức 2) - OTU (255/236 x 39.813120 Gb/s ≈ 43.01841355 Gbit/s) (mức 3) Bảng 1: Bảng so sánh tốc độ giao diện G.709 SONET/SDH Giao diện G.709 Tốc độ So sánh tốc độ SONET/SDH Tốc độ OTU1 2.666 Gbit/s OC48/STM-16 2.488 Gbit/s OTU2 10.709 Gbit/s OC192/STM-64 9.953 Gbit/s OTU3 43.018 Gbit/s OC768/STM-256 39.813 Gbit/s - Tốc độ khung cố định: + 20,420 kHz (48,971 ms) cho mức + 82,027 kHz (12,191 ms) cho mức + 329,489 kHz (3,035 ms) cho mức 1.5 Cấu trúc khung OTU Cấu trúc khung theo chuẩn G.709 cho hình vẽ đây, gồm ba phần phần mào đầu, phần tải trọng, phần sửa lỗi FEC Kích thước khung bao gồm 4080 byte x dòng = 16320 byte , với phần mào đầu gồm cột từ cột đến cột 16, phần tải trọng gồm cột từ cột 17 đến cột 3824, cuối phần FEC gồm cột từ cột 3825 đến 4080 Dữ liệu truyền nối tiếp từ bit dòng đến dòng theo thứ tự Ngoài phần tải trọng, khung G.709 có thêm mào đầu làm nhiệm vụ vận hành quản lý (OAM overhead) Phần mào đầu OAM chia thành ba Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương phần: phần mào đầu khối tải trọng quang OPU OH, phần mào đầu khối liệu quang ODU OH, phần mào đầu khối truyền tải quang OTU OH OAM đòi hỏi phải tao cấu trúc khung đóng gói (encapsulate) tải trọng, thường gọi đóng gói số G.709 Khung OTN tương tự khung SONET cấu trúc định dạng Các byte mào đầu cung cấp đường dẫn giám sát hiệu suất phân đoạn, báo động, truyền thông, chuyển mạch bảo vệ Một tính bổ sung chức sửa lỗi FEC FEC cải thiện tỷ số tín hiệu nhiễu quang OSNR từ đến dB, kết tín hiệu truyền xa hơn, từ cần khuếch đại đồng nghĩa với việc chi phí giảm xuống 15 14 F AS 16 17 3824 3825 4080 OT U OPU Client FEC ODU Hình 5: Cấu trúc khung OTN Trong đó: + FAS (Frame Alignment signal): Thông tin xếp khung Thông thường trường FAS đặt với trường mào đầu OTU + OTU (Optical Transport Unit): Đơn vị truyền tải quang + ODU (Optical Data Unit): Đơn vị liệu quang + OPU (Optical Payload Unit): Đơn vị tải trọng quang + Client: Phần thông tin + FEC (Forward Error Correction): Trường sửa lỗi trước 1.6 Mã sửa sai FEC Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương Mã sửa lỗi trước FEC nằm vị trí khung hình vẽ sau đây: FAS OTU OH O PU ODU OH Client FEC O H Hình 1.6 : Vị trí trường sửa lỗi FEC FEC (Forward Error Correction) kỹ thuật sữa lỗi trước, lỗi xảy sữa FEC liệu đến đầu nhận Khả sữa lỗi FEC tùy thuộc vào mã sử dụng để mã hoá Forward áp dụng mã FEC vào đầu nhận có khả sữa lỗi nên không cần Auto Retransmit reQuest (ARQ), mà liệu gửi đến cách liên lục FEC tính mạng OTN Nó sử dụng thuật toán mã RS (Reed-Solomon) (255.239) để tạo thông tin dự phòng kết nối với tín hiệu truyền sử dụng giao diện nhận để giúp xác định sửa chữa lỗi truyền Các thuật toán FEC chứng minh có hiệu hệ thống truyền dẫn có giới hạn tín hiệu nhiễu quang (OSNR) tán sắc Tuy nhiên, FEC hiệu chống lại tín hiệu bị biến dạng tán sắc mode phân cực Có 16 khối FEC 16 byte cho dòng 64 byte khung Sử dụng 16 byte chèn mã FEC có khả sửa ký tự bị lỗi (trong chế độ sửa lỗi) phát 16 ký tự lỗi (trong chế độ phát lỗi) SDH sử dụng FEC Nó sử dụng byte SOH chưa định nghĩa (undefined) để vận chuyển thông tin kiểm tra FEC Nó cho phép số lượng hạn chế thông tin kiểm tra FEC, nên hạn chế hiệu hoạt động FEC Việc đạt mã hóa cung cấp FEC sử dụng để: Tăng chiều dài truyền tối đa kéo dài đường truyền, dẫn đến mạng truyền tải rộng (Lưu ý: điều giả định tán sắc phân tán chế độ phân cực không trở thành hạn chế đường truyền) Tăng số lượng kênh DWDM hệ thống DWDM Với môt hệ thống DWDM giới hạn công suất đầu cách giảm giảm công suất cho kênh tăng số lượng kênh FEC tạo khả cho mạng quang minh bạch suốt phần tử mạng quang học OADMs PXC 10 Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương Điều cho phép phát triển từ ngày hôm liên kết điểm – điểm minh bạch, mạng mesh quang với chức đầy đủ 1.6.1 Lý thuyết mô tả G.709 FEC sử dụng mã Reed-Solomon RS (255.239) Một mã ReedSolomon quy định RS (n, k) n tổng số ký hiệu cho từ mã, k số ký hiệu thông tin, s kích thước ký hiệu Từ mã bao gồm liệu tính chẵn lẻ, biết đến ký hiệu kiểm tra, thêm vào liệu Các biểu tượng kiểm tra byte thêm dự phòng sử dụng để phát sửa chữa sai tín hiệu để liệu ban đầu phục hồi Với chuẩn G.709 thì: s = Kích thước ký hiệu = bit n = Ký hiệu cho từ mã = 255 byte k = Thông tin ký hiệu tượng cho từ mã = 239 byte Một hệ thống điển hình thể hình 2.22 Hình 1.7: Biểu đồ mô tả lý thuyết FEC Điều có nghĩa mã hóa ký hiệu thông tin k, cho biết thêm kiểm tra ký hiệu để làm cho từ mã n-biểu tượng Có n-k ký hiệu kiểm tra bit, giải mã Reed-Solomon sửa chữa để ký hiệu t có chứa lỗi từ mã, 2t = n-k Hình sau cho thấy từ mã Reed-Solomon: Hình 1.8 : Từ mã Reed - Solomon 11 Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương Đối với tiêu chuẩn ITU mã RS (255.239) với: 2t = n-k = 255 -239 = 16 t=8 Do đó, giải mã sửa chữa biểu tượng từ mã Reed-Solomon Một kí hiệu có chứa tất bit lỗi dễ dàng để phát sửa chữa biểu tượng có chứa lỗi bit đơn Đó lý mã ReedSolomon đặc biệt thích hợp để sửa chữa lỗi burst (nơi loạt bit từ mã nhận lỗi giải mã) Với kích thước biểu tượng tượng s, chiều dài tối đa từ mã (n) cho mã Reed-Solomon n = 2s–1 = 255 Việc đan xen liệu từ từ mã (codeword) khác cải thiện hiệu mã Reed-Solomon Việc đan xen, tác động đến kí hiệu khác nhau, đến từ nhiều từ mã Có thể số từ mã sửa chữa số không sửa chữa lỗi mức Đan xen giúp tích hợp quyền hạn sửa lỗi tất từ mã bao gồm nhóm xen kẽ Điều cho phép tỷ lệ cao mã hiệu kênh bảo vệ chống lại lỗi dài thường xuyên 1.6.2 Ưu điểm hoạt động FEC Hình 2.24 sơ đồ BER Eb/No, so sánh hiệu hệ thống truyền tải có FEC (G.709) Hình 2.24 cho thấy hệ thống truyền tải có FEC truyền tín hiệu tỷ lệ lỗi bit định (BER) với điện ( khoảng dB) so với FEC 12 Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương Hình 1.9: sơ đồ BER Eb/No Trong truyền tải theo qui định thuật toán RS (255,239), khung liệu OTU tách thành bốn hàng hàng chia thành 16 cột, điều thể hình 2.25 Hình 1.10: Khung từ hàng OTU Hình 2.26 minh họa chế FEC trình giao thức FEC chèn byte phần mào đầu 238 byte liệu để tính toán 16 byte chẵn lẻ để tạo khối 255 byte Những lợi việc chèn thông tin giảm tỷ lệ mã hóa đường truyền … Và làm giảm độ nhạy cảm (ảnh hưởng) lỗi cụm Việc chèn, kết hợp điều chỉnh thuật toán RS (255.239), cho phép sửa chữa cụm truyền dẫn lên đến 128 byte lỗi liên tiếp Hình 1.11: Cơ chế hoạt động FEC Mã hóa FEC sử dụng để tăng chiều dài khoảng cách tối đa, dẫn đến tiếp cận mở rộng thông quang việc đạt mức công suất Nó giúp tăng số lượng kênh DWDM cho phép từ 2,5 Gbit/s lên 10 13 Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương Gbit/s truyền tải Điều việc tăng số lượng phần tử mạng quang, khuếch đại trước truyền đường truyền Cuối cùng, công nghệ OTN cho phép truyền điểm- điểm để trở thành mạng quang rõ ràng hiệu 1.7 G.709 giải vấn đề truyền tải quản lý mạng Các giao tiếp chuẩn G.709 xếp liệu cần truyền tải, tức liệu khách (client data), vào khung, gọi "bộ đóng gói số” (digital wrapper), khái niệm khung SDH Trong khung, đứng trước phần tải trọng mang liệu khách thông tin quản lý (vì “đứng trước” nên thông tin gọi mào mào đầu), đứng sau mã sửa sai FEC Sử dụng thông tin mào đầu, hệ thống quản trị mạng thiết lập nhanh kênh quang mạng mesh, dễ dàng thực giám sát chất lượng kênh, chất lượng mạng dịch vụ, bảo dưỡng thiết bị hệ thống Kết hợp với chuẩn mạng truyền tải chuyển mạch tự động (Automatic Switched Transport Network), việc bảo vệ phục hồi đường truyền lớp DWDM thực theo cấu hình mesh 1.7.1 Vấn đề lực truyền tải Cấu trúc khung liệu G.709, với dung lượng khung xây dựng sở tốc độ truyền dẫn bậc cao hệ thống truyền dẫn SDH Các khung liệu G.709 có thứ bậc tương tự thứ bậc SDH, từ 2,5 Gbit/s (STM-16) 40 Gbit/s (STM-256); có thêm hai loại khung hỗ trợ cho Gigabit Ethernet, giải vấn đề cung cấp đường ống truyền tải với dung lượng lớn: • • • • • OTU0: Gbit/s Ethernet, GbE OTU1: 2,5 Gbit/s, STM-16 OTU2: 10 Gbit/s, STM-64 OTU3: 40 Gbit/s, STM-256 OTU4: 100 Gbit/s Ethernet, 100 GbE Mặc dù khung G.709 thiết kế dựa thứ bậc tốc độ truyền SDH, phần tải trọng khung lại không phụ thuộc vào giao thức tín hiệu Vì tín hiệu khác nhau, ví dụ IP/MPLS, ATM, xGbE, SDH đóng gói vào phần tải trọng Chính tính ưu việt khiến cho chuẩn G.709 trở thành lựa chọn tốt cho mạng truyền tải quang giúp truyền tải suốt nhiều loại liệu từ thoại, số liệu video với cấu trúc khung, đảm bảo tham số chất lượng, quản lý giám sát đặc trưng cho loại tín hiệu dịch vụ 1.7.2 Vấn đề lực quản lý Ngoài phần tải trọng, khung G.709 có thêm mào đầu vận hành quản lý (OAM overhead), mã sửa sai FEC Phần mào đầu OAM chia thành ba phần mào OTU, ODU, OPU Ngoài có lớp quang OCh, OMS 14 Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương OTS với mào tương ứng cung cấp liệu cho kênh giám sát quang OSC Quá trình nạp liệu khách vào khung chèn mào tương ứng thể Hình 2.31 thể phân khúc mạng truyền tải quang tương ứng với mào quản lý: Mào chuyển tải quang (OTU, Optical Transport Unit): tính toán BIP, Trail Trace ID, • Mào liệu quang (ODU, Optical Data Unit): chứa thông tin ghép kênh, chuyển mạch bảo vệ, giám sát đầu-cuối đường truyền, giám sát kết nối nối tiếp, BIP giám sát chất lượng tín hiệu, tín hiệu bảo dưỡng, kênh liệu nghiệp vụ, • Mào tải trọng kênh quang (OPU, Optical Payload Unit): chứa thông tin ánh xạ (mapping) kết nối (concatenation) liệu khách • Hình 1.12: Các phân khúc mạng truyền tải quang Cấu trúc quản lý linh hoạt G.709 mang lại nhiều lợi ích Đầu tiên giúp quản lý (tức cung cấp tính giám sát, quản lý điều khiển) đến bước sóng mạng DWDM, điều làm với SDH Thứ hai, việc vận hành, quản trị bảo dưỡng (OAM) thực đến tận đầu cuối khung, G.709 cho phép quản lý mạng lưới gồm thiết bị nhiều nhà cung cấp Thứ ba mã sửa sai FEC cho phép tăng thêm khoảng cách truyền, giảm thiểu số lượng thiết bị cần thiết cho mạng truyền dẫn đường dài Khi mạng truyền tải chuyển sang tốc độ cao hơn, FEC trở nên ngày quan trọng Cơ chế mã giải mã tín hiệu cho phép phát sửa lỗi trình truyền liệu mạng Những lỗi xảy suy yếu tín hiệu, nhiễu xuyên kênh, tán sắc (CD) tán phân cực (PMD), điều kiện bất thường khác Ngoài việc sửa lỗi, FEC có khả cảnh báo sớm xuống cấp tín hiệu Khả quan trọng cho phép chủ động thực biện pháp đề phòng trước đường truyền bị sập hoàn toàn 15 Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G II Chương MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG OTN 100G DP-QPSK dạng điều chế phù hợp cho tốc độ 100 Gb/s DP-QPSK có tính miễn nhiễm cao CD PMD nhƣ hiệu ứng phi tuyến, có hiệu suất phổ cao yêu cầu OSNR thấp Trên thực tế có nhiều công nghệ điều chế khác phức tạp ứng dụng cho công nghệ 100 Gb/s DP- 8PSK, MQAM, Co-OFDM, công nghệ cho phép truyền tải tốc độ bit cao 100 Gb/s (200 Gb/s, 400 Gb/s…) Tuy nhiên, công nghệ DP-QPSK đạt đƣợc cân tối ưu độ phức tạp công nghệ nhƣ giá thành sản phẩm cho ứng dụng 100 Gb/s Về mặt công nghệ cho truyền tải 100 Gb/s đường dài, chủ yếu kỹ thuật điều chế giải điều chế, kỹ thuật mã sửa lỗi trước FEC (Forward Error Correction), kỹ thuật xử lý tín hiệu số công nghệ truyền tải đường dài Công nghệ điều chế tiên tiến cần thiết cho việc thực truyền tải DWDM dung lượng cao khoảng cách xa Một số hãng lớn giới nghiên cứu vấn đề này, ví dụ Huawei phát triển kỹ thuật điều chế tiên tiến sDQPSK, oPDM-DQPSK ePDMQPSK Điều chế sDQPSK sử dụng công nghệ kiểm soát phân cực để giảm tác động phi tuyến hệ thống DWDM tốc độ cao, cho phép hệ thống truyền tín hiệu khoảng cách 1200 km [28] Bằng việc thực thi phần cứng kết hợp với thuật toán tiên tiến, công nghệ oPDM-DQPSK tạo điều kiện theo dõi cách nhanh chóng phân cực quang giúp truyền tải tới 80 bƣớc sóng tín hiệu 100 Gb/s Các đặc tính tiên tiến công nghệ ePDM-QPSK kể đến nhƣ kỹ thuật tách sóng Coherent, chuyển đổi tín hiệu tương tự – số tốc độ cao, xử lý tín hiệu số tốc độ cao Do tính miễn nhiễm với tán sắc phi tuyến cao nên công nghệ ePDM-QPSK truyền tải lên tới 80 bước sóng tín hiệu 100 Gb/s qua khoảng cách 1500 km 2.1 Giải pháp 100 Gb/s DP-QPSK hãng Ciena 2.1.1 Giới thiệu chung mạng quang Ciena Ciena® Corporation (Hoa Kỳ), công ty chuyên mạng, cung cấp giải pháp sở hạ tầng mạng hàng đầu giới Khách hàng Ciena bao gồm nhà khai thác mạng lớn như: AT&T, Verizon, Bell Canada, CenturyLink, CANARIE, Internet2, JANET, SURFnet, VERNet… Các giải pháp mạng quang học Ciena ứng dụng rộng rãi nhiều nước giới, bao gồm mạng siêu đường dài (Ultra-Long-haul), mạng đường dài (Long-haul), mạng vùng (Regional) mạng đô thị (Metro) Ưu điểm giải pháp mạng Ciena kiến trúc mạng đơn giản, linh hoạt dễ dàng nâng cấp cần Hình 2.1 minh họa kiến trúc mạng quang Ciena, với thiết bị quan trọng 6500, 5410, 5430 (hình 2.2) Trong thiết bị chủ lực 6500 thiết bị biên hỗ trợ đa dịch vụ, đa giao thức; kết hợp 16 Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương TDM/WDM/Ethernet/OTN mạng hội tụ Ngoài 6500 hỗ trợ giao diện 40 Gb/s 100 Gb/s, cho phép nâng cấp dễ dàng lên 40 Gb/s 100 Gb/s 5410 5430 thiết bị chuyển mạch gói quang có khả cấu hình lại được, thực thu gom lưu lượng mạng IP đưa mạng lõi qua thiết bị 6500 Quản lý mạng Thống Mạng Metro & Long Haul 650 Hình Mạng Metro & Long Haul C i e n a Mạng 650 biển0 3.2 Kiến trúc mạng quang Ciena 0 Về công nghệ mạng quang Coherent tốc độ cao, Ciena hãng cung cấp thiết bị giới đưa sản phẩm cho ứng dụng 40 Gb/s 100 Gb/s vào thương mại hóa Tính đến ngày 06/09/2012, có 100 khách hàng sử dụng công nghệ 40/100 Gb/s Ciena, với 15 triệu km triển khai toàn cầu Giải pháp TM 40/100 Gb/s Ciena dựa vi xử lý quang Coherent WaveLogic (mới WaveLogic 3), cho phép nâng cấp mạng lƣới 10 Gb/s sử dụng lên 40 Gb/s 100 Gb/s tương lai lên đến 400 Gb/s, cách đơn giản hiệu chi phí Những lợi ích công nghệ WaveLogic bao gồm: - Tăng lưu lượng truyền tải mạng 10 Gb/s lên lần 10 lần cách đơn giản lắp đặt module 40/100 Gb/s vào thiết bị OME 6500 - Nhanh chóng kích hoạt dịch vụ mạng, bao gồm Ethernet tốc độ cao dịch vụ OTN - Giảm chi phí đầu tƣ thông qua việc cắt giảm loại bỏ số loại thiết bị mạng nhƣ khuếch đại Raman, tái tạo tín hiệu (Regenerator), bù tán sắc… - Không cần phải đầu tƣ lắp đặt thêm tuyến cáp quang 17 Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương Truyền tải gói quang Nền tảng dịch vụ tiên tiến 4200 Chuyển mạch gói quang Hệ thống chuyển mạch cấu hình lại đƣợc Nền tảng gói quang 6500 7-slot6500 14-slot 6500 32-slot 5410 5430 Hình 2.2 Một số thiết bị quan trọng mạng Ciena 2.1.2 Giải pháp mạng đường dài 100 Gb/s Giải pháp mạng quang đường dài Ciena thường ứng dụng vào mạng đƣờng trục quốc gia Ưu điểm tính đơn giản, linh hoạt; xây dựng hệ thống mạng theo kiến trúc module cho phép thay đổi, nâng cấp quản lý dễ dàng Đặc biệt giải pháp 100 Gb/s Ciena cho phép tận dụng tối đa sở hạ tầng mạng xây dựng cho hệ thống 10 Gb/s, đồng thời giảm bớt số khối thiết bị khuếch đại Raman, bù tán sắc đƣờng truyền, tái tạo tín hiệu Một số đặc điểm giải pháp 100 Gb/s [30]: • • • • • • • • • Hỗ trợ 88 kênh bước sóng 100 Gb/s (khoảng cách kênh 50 GHz) Có thể ghép hỗn hợp với kênh 10 Gb/s 40 Gb/s sợi quang Phù hợp với lưới ITU 50 GHz 100 GHz Sử dụng hai sóng mang với khoảng cách 20 GHz, làm cho tốc độ xử lý giảm (xuống 14 Gsymbol/s) Hỗ trợ khoảng cách 1000 km (không cần Regenerator) Sử dụng bù tán sắc động điện tử bù ±32000 ps/nm Cho phép lƣợng tán sắc phân cực mode khoảng 10 ps Tính miễn nhiễm với PMD cao so với hệ thống 10 Gb/s Có thể qua 10 ROADM (50 GHz) 18 Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương ITU-T ITU-T IEEE IEEE OTN Network IP OIF IP OIF Hình 2.3 Kiến trúc mạng đường dài 100 Gb/s Hình 2.3 mô tả kiến trúc mạng đường dài 100 Gb/s hãng Ciena, chia làm ba phần: phần mạng phía khách hàng (theo chuẩn IEEE), phần mạng lõi (theo chuẩn ITU-T) phần thu/phát xử lý tín hiệu (theo chuẩn OIF) Sau tìm hiểu ba thành phần a IEEE Chuẩn Ethernet tốc độ 40/100 Gb/s (IEEE P802.3ba) thông qua vào ngày 17/06/2010, mở đường cho sóng kết nối máy chủ Ethernet tốc độ cao hệ thống chuyển mạch lõi Thiết bị OME 6500 Ciena cung cấp giao diện khách hàng 100 GbE, thuận tiện cho kết nối mạng DWDM mạng Metro mạng vùng Như tín hiệu 100 Gb/s mạng lõi qua thiết bị OME 6500 chia thành 10 x 10 GbE client, 10 x 10 Gb/s multi-rate client 100 GbE client Với giao diện 100 GbE, cho phép truyền tín hiệu 100 GbE từ thiết bị OME 6500 đến Router lõi Chuẩn IEEE P802.3ba trình bày bảng đây: Bảng 2.1 Chuẩn IEEE P802.3ba 100 GbE Tốc độ 40 GbE 103,125 Gb/s 41,25 Gb/s 1m backplane 10m cáp đồng 40GBASE-KR4 100GBASE-CR10 40GBASE-CR4 100m MMF 100GBASE-SR10 (10 x 10Gb/s – 10 sợi/hƣớng) 40GBASE-SR4 10km SMF 100GBASE-LR4 (4 x 25Gb/s CWDM-800GHz) 40GBASE-LR4 40km SMF 100GBASE-ER4 (4 x 25Gb/s CWDM-800GHz) b ITU-T Bao gồm khuyến nghị G.872, G.709, G.798 cho mạng truyền tải quang (OTN) Những ƣu điểm OTN: tính suốt toàn miền quang, tối ưu hóa cho chuyển gói mạng quang, tích hợp FEC để tăng khoảng cách truyền dẫn 19 Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương chuyển đổi dễ dàng lên tốc độ 40 Gb/s 100 Gb/s Đặc biệt với giao diện G.709 cho phép đơn giản hóa chế ghép kênh hỗ trợ đa giao thức (IP, Ethernet, SONET/SDH ) mạng OTN Chuẩn ITU-T G.709 cho phép tín hiệu khách hàng (client signal) đƣợc đóng gói xếp (mapping) vào khung, tƣơng tự nhƣ khung SONET/SDH Cấu trúc khung G.709 minh họa hình 3.5, đó: • Payload: liệu khách hàng, bao gồm SONET/SDH, ATM, GbE… • OPU: Optical channel Payload Unit: khối tải trọng kênh quang • ODU: Optical channel Data Unit: khối liệu kênh quang • OTU: Optical channel Transport Unit: khối truyền tải kênh quang • FEC: Forward Error Correction: mã sửa lỗi trƣớc Hình 2.4 Cấu trúc khung liệu G.709 20 Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G Chương Bảng 2.2 Tải trọng khung liệu ITU-T G.709 ODU Tốc độ làm tròn Gb/s Tốc độ ODU Gb/s Tín hiệu khách hàng 1,25 1,244160 GbE 1 2,5 2,666057 2,498775 STM-16/OC-48 2 10 10,709225 10,037274 STM-64/OC-192 3 40 43,018414 40,319219 STM-256/OC-768 4 100 111,809973 104,794446 100 GbE 2e 2e 10 11,095730 10,399525 10 GbE 3e1 3e1 40 44,570975 41,774364 x ODU2e 3e2 3e2 40 44,583356 41,785969 x ODU2e OTU Tốc độ OTU Gb/s Các khung liệu ghép chéo hình 2.5, tín hiệu cuối truyền OTU1 – OTU4, tốc độ khung xem bảng 2.2 Nhƣ mạng truyền tải 100 Gb/s, tín hiệu khách hàng 100 GbE, mapping vào ODU4 (ODU4 + FEC = OTU4) Nếu tín hiệu khác mapping vào ODU bậc thấp hơn, sau thực ghép theo hệ số hình 2.5 để tín hiệu ODU4 Hình 2.5 Sơ đồ khối ghép tín hiệu ITU-T G.709 Chú thích: 21 Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G - STM: Synchronous Transport Module: khối truyền tải đồng (SDH) - OC: Optical Carrier: khối vận tải quang (SONET) - L: Lower Order ODU: ODU bậc thấp - H: Higher Order ODU: ODU bậc cao - ODUflex: hỗ trợ liệu với tốc độ khác - Chương FEC sử dụng ITU-T G.709 mã Reed Solomon (255,239) b OIF Khác với IEEE thường không quan tâm đến kỹ thuật điều chế tín hiệu, OIF tập trung vào nghiên cứu kỹ thuật điều chế cho 100 Gb/s đường dài lựa chọn DP-QPSK làm định dạng điều chế chuẩn cho tốc độ 100 Gb/s, bao gồm: - 100G Ultra Long Haul DWDM Framework Document - Implementation Agreement for Integrated Polarization Multiplexed Quadrature Modulated Transmitters - Implementation Agreement for Intradyne Coherent Receivers - 100G Forward Error Correction White Paper - Multisource Agreement for 100G Long-Haul DWDM Transmission Module – Electromechanical Sau chọn DP-QPSK làm định dạng điều chế cho công nghệ 100 Gb/s, Ciena cho mắt xử lý quang WaveLogic 3, sở cho việc nâng cấp mạng lên 100 Gb/s Những phân tích nêu tập trung vào mạng truyền tải đường dài 100 Gb/s, nhiên thời điểm thời gian dài nữa, công nghệ 100 Gb/s tồn song song với công nghệ 10 Gb/s 40 Gb/s Nghĩa giao tiếp với mạng khách hàng giữ nguyên lúc chưa nâng cấp, thêm vào giao tiếp 100 GbE 10 x 10 GbE 22 Nhóm Mạng truyền tải quang OTN 100G KẾT LUẬN Đề tài trình bày vấn đề mạng truyền tải quang OTN G.709 cấu trúc khung, mã sửa sai FEC, giao diện tốc độ theo khuyến nghị ITU G.709 giải pháp xây dựng mạng truyền tải quang 100G Ciena TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mạng truyền tải quang OTN G.709 - Phạm Anh Tú – Đồ án tốt nghiệp Đại học -HVCNBCVT [2] Điều chế DP- QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT – Nguyễn Văn Cường – Đồ án tốt nghiệp Đại học - HVCNBCVT Mạng truyền tải quang OTN 100G