TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 24, Số 1 (2024)
51
MẠNG METRO GHÉP 128 KÊNH QUANG
VỚI KHẢ NĂNG KHẮC PHỤC LỖI KHI GẶP SỰ CỐ
Hồ Đức Tâm Linh
Khoa Điện, Điện tử và Công nghệ vật liệu,
Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế
Email: hdtlinh@hueuni.edu.vn
Ngày nhận bài: 5/3/2024; ngày hoàn thành phản biện: 19/3/2024; ngày duyệt đăng: 24/6/2024
TÓM TẮT
Mạng quang Metro kết hợp với công nghệ DWDM là giải pháp hiệu quả để giải
quyết sự thiếu hụt băng thông trong kỷ nguyên dữ liệu lớn. Trong bài báo này,
chúng tôi đề xuất một thiết kế mạng quang Metro được áp dụng tại Việt Nam. Dựa
trên phần mềm mô phỏng quang Optisystem kết hợp phần mềm mô phỏng mạng
Packet Tracer, chúng tôi thiết kế và đánh giá hiệu suất ghép kênh mật độ dày và
khả năng tự động định tuyến lại đường đi của gói tin khi có lỗi xảy ra. Kết quả chỉ
ra rằng, 128 kênh quang với tốc độ mỗi kênh 60Gbps được ghép kênh với tỉ lệ lỗi
bit luôn nhỏ hơn BER = 10-11, đồng thời kết quả cũng chỉ ra rằng, tuyến quang có
thể chuyển hướng thành công khi gặp sự cố trên đường truyền.
Từ khoá: DWDM, mạng Metro, Optisystem, Packet Tracer.
1. MỞ ĐẦU
Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ dày (DWDM) là công nghệ giúp
tăng băng thông của hệ thống mạng cáp quang bằng cách ghép các tín hiệu dữ liệu từ
các nguồn khác nhau vào trong cùng một sợi quang [1]. Các tín hiệu dữ liệu này được
điều chế trên các bước sóng khác nhau mà không làm gây nhiễu lẫn nhau. Công nghệ
DWDM cho phép truyền dẫn khoảng cách xa mà chỉ cần các trạm trung gian là trạm
khuếch đại DWDM hoặc thiết bị tái tạo tín hiệu.
Mạng Metro có cấu trúc mạng vòng là một giải pháp hiệu quả để đảm bảo tính
sẵn sàng và độ tin cậy của mạng. Trong cấu trúc này, tín hiệu quang được truyền theo
một mạng vòng, từ trạm này sang trạm khác. Điều này có nghĩa là nếu một trạm bị lỗi,
thiết bị phải được cấu hình thích hợp sao cho chuyển hướng dữ liệu sang hướng khác
để đảm bảo thông tin được duy trì kết nối liên tục.
Mạng Metro ghép 128 kênh quang với khả năng khắc phục lỗi khi gặp sự cố
52
Hiện tại đã có các công trình nghiên cứu liên quan đến việc kết hợp công nghệ
DWDM vào trong mạng Metro để tăng dung lượng của toàn bộ hệ thống [2-4]. Tại Việt
Nam, nhà mạng Viettel đang triển khai mạng Metro với dung lượng 80 kênh [3]. Hiện
tại, lưu lượng ghép kênh này đủ đáp ứng nhu cầu truyền thông tin của Việt nam [4],
Tuy nhiên, trong vòng 10 năm tiếp theo thì khả năng kiến trúc mạng này sẽ không đáp
ứng được cho các nhu cầu tăng nhanh chóng của các dịch vụ 5G, 6G và IoT trong
tương lai [5].
Thực tế, các mạng Metro hiện đại thường sử dụng từ 100 kênh trên một sợi
quang đơn. Ví dụ, mạng Metro của Verizon ở Hoa Kỳ sử dụng công nghệ DWDM
100G để ghép 100 kênh trên một sợi quang đơn [6]. Câu hỏi đặt ra, muốn tăng dung
lượng kênh truyền của hệ thống thì cần có các giải pháp nào? Câu trả lời là có thể áp
dụng một hoặc đồng thời nhiều phương án, như phát triển kỹ thuật điều chế [7], tăng
số lượng sợi quang, hoặc tăng số lượng kênh được ghép trong cùng một sợi quang [5].
Trong hướng giải quyết này, chúng tôi chọn giải pháp tăng số lượng bước sóng trên
cùng một sợi quang, sử dụng công nghệ ghép kênh DWDM. Tuy nhiên, khi tăng số
lượng các bước sóng thì phải vượt qua được các đặc tính kỹ thuật như giảm khoảng
cách giữa các bước sóng, giải quyết hiện tượng tán sắc ánh sáng, hiệu ứng phi tuyến
xảy ra trong sợi quang [8]….
Trong bài báo này, chúng tôi đã tăng số lượng ghép kênh lên đến 128 kênh
bằng cách tính toán công suất phát và bù tán sắc thích hợp để đạt được chất lượng hệ
thống tốt với tỉ lệ lỗi Bit nhỏ nhất BER = 10-11. Bên cạnh đáp ứng công suất quang ở
mức vật lý thì chúng tôi cũng mô phỏng khả năng định tuyến gói tin và khả năng khắc
phục sự cố lỗi của đường truyền để đảm bảo thông tin không bị gián đoạn.
2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠNG METRO KẾT HỢP CÔNG NGHỆ DWDM
2.1. Mạng Metro kết hợp công nghệ DWDM
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 24, Số 1 (2024)
53
Hình 1. Cấu trúc hệ thống mạng truyền tải IP của một khu vực tại Việt Nam.
Cấu trúc hệ thống mạng của các nhà mạng tại Việt Nam được chia thành 3 khu
vực gồm khu vực 1, khu vực 2 và khu vực 3. Mỗi khu vực được chia thành 5 lớp gồm
lớp kết nối quốc tế và các nhà mạng khác, lớp trục, lớp nội tỉnh, lớp huyện và cuối
cùng là lớp xã [9].
Mạng vòng Metro cung cấp kết nối giữa tổng trạm khu vực với các thành
phố/tỉnh, quận/huyện và phường/xã, cung cấp khả năng truyền tải lớn và độ tin cậy
cao. Lớp phân phối Metro bao gồm các phân lớp sau:
Lớp nội tỉnh: Cung cấp kết nối giữa tổng trạm tỉnh với tổng trạm khu vực và
kết nối đến các hệ thống cung cấp dịch vụ tại tỉnh như mạng truyền tải tín hiệu truyền
hình, mạng băng rộng cố định, bao gồm các thiết bị DWDM liên tỉnh và core tỉnh.
Lớp huyện: Cung cấp kết nối giữa quận/huyện với phân lớp nội Tỉnh, bao gồm
các thiết bị DWDM liên huyện và AGG huyện.
Lớp xã: Cung cấp kết nối giữa các trạm di động (BTS, NodeB, eNodeB,
gNodeB), thiết bị đầu cuối đường dây quang (OLT – Optical Line Terminal), (AON –
Active Optical Network) với phân lớp huyện, bao gồm thiết bị Site Router.
Trong cấu trúc mạng mô phỏng này, chúng tôi mô phỏng theo cấu trúc mạng
của mạng Viettel đang triển khai tại Việt Nam, cụ thể ở Lớp Xã là các điện thoại di
động được kết nối với các trạm BTS (mạng 2G), trạm Node B (mạng 3G), trạm eNB
(mạng 4G), trạm gNB (mạng 5G), và các máy tính kết nối đến SWITCH, và SWITCH
được kết nối đến Server nội bộ và Router biên của Lớp Huyện.
Tại Lớp Huyện là 4 vòng tròn RING, mỗi vòng tròn RING là 8 Router, trong đó
là 2 Router đóng vai trò là DWDM Huyện kết nối đến DWDM Lớp Tỉnh. Các Router
DWDM Tỉnh được kết nối chéo đến DWDM Tổng trạm ở Lớp Trục để đảm bảo tính dự
Mạng Metro ghép 128 kênh quang với khả năng khắc phục lỗi khi gặp sự cố
54
phòng khi có sự cố xảy ra. Tại DWDM Lớp Trục sẽ được kết nối đến Router DWDM đi
quốc tế hoặc nối với các nhà mạng khác trong nước (Hình 1). Ở Lớp kết nối quốc tế và
Ngoại mạng, chúng tôi đặt một Server tên là Google và viết chương trình mô phỏng
web trên Server để đánh giá hiệu quả kết nối mạng từ một thiết bị ở Lớp Xã đi ra mạng
quốc tế có thông suốt về đường mạng hay không?
2.2. Thiết lập hệ thống DWDM giữa hai trạm
Lưu lượng dữ liệu từ Lớp Xã và Lớp Huyện chuyển đến các Router ở Lớp Tỉnh
và Lớp Trục là rất lớn, vì vậy, ứng dụng công nghệ DWDM vào mạng Metro tại các
Lớp Tỉnh và Trục là cần thiết. Điều này sẽ khắc phục được tình trạng nghẽn cổ chai lưu
lượng trong thời điểm hiện tại và cả trong tương lại. Việc tính toán và nâng cao số
lượng kênh được ghép DWDM tại Lớp Tỉnh và Lớp Trục đóng vai trò sống còn của
một nhà mạng. Thực tế, các tuyến cáp quang này được lắp đặt ngầm, có chiều dài từ
vài chục đến một vài trăm ki-lô-mét. Các thiết bị DWDM được lắp đặt tại các điểm giao
nhau của các tuyến cáp quang này [12].
Trong bài báo này chúng tôi mô phỏng công nghệ ghép kênh theo bước sóng
DWDM giữa hai trạm DWDM Tỉnh và DWDM Tổng trạm (Hình 2), khoảng cách giữa
hai trạm là 100km, số kênh được ghép lên đến 128 kênh, với bước sóng trung tâm là
1550nm [11], khoảng cách giữa các bước sóng là 0,8nm tương ứng với tần số 100GHz
theo tiêu chuẩn của ITU. Dữ liệu từ các kênh được truyền qua sợi quang đơn mode
(SMF - Single Mode Fiber) và chuyển tiếp đến các trạm khác nhau. Để đảm bảo tín hiệu
duy trì chất lượng qua khoảng cách dài, hệ thống sử dụng bộ khuếch đại quang pha
tạp Erbium (EDFA - Erbium-Doped Fiber Amplifier) để khuếch đại tín hiệu. Ngoài ra,
chúng tôi bù tán sắc tín hiệu bằng sợi bù tán sắc DCF (Dispersion Compensation Fiber)
để giảm sự giãn xung của các tín hiệu khi truyền trong sợi quang SMF. Ở phía nhận,
128 kênh tín hiệu được tách ra từ bộ giải ghép kênh (DEMUX) và chuyển thành tín
hiệu điện thông qua các bộ nhận quang (Optical Receiver). Chất lượng tín hiệu ở các
kênh được đánh giá dựa vào bộ phân tích lỗi (BER Analyser).
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 24, Số 1 (2024)
55
Hình 2. Hệ thống DWDM ghép 128 kênh
Dưới đây là các thông số tương ứng của bộ phát, đường truyền và bộ thu của hệ
thống DWDM được triển khai trong mô phỏng.
Bảng 1. Thiết lập tham số bộ phát
Chức năng
Tham số cấu hình
Frequency (tần số)
1550 nm
Frequency Spacing (khoảng cách tần số)
100 GHz
Power (công suất phát)
-10 dBm
Extinction ratio (tỉ số công suất phát)
20 dB
Line width (độ rộng băng tín hiệu phát)
10 MHz
Modulation type (loại điều chế)
NRZ