CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI QUANG 100 Gbps. Nội dung của chương trình bày khái quát quá trình ra đời và phát triển của công nghệ truyền tải quang 100 Gbps, các chuẩn trong công nghệ truyền tải 100 Gbps và thực trạng triển khai công nghệ truyền tải quang 100 Gbps. Cuối cùng là phần tổng kết chương.1 Ra đời của Công nghệ truyền tải quang 100 Gbps Trong khoảng 5-10 năm qua đã cho thấy một sự gia tăng rất lớn trong yêu cầu băng thông internet. Điều đó là do các dịch vụ dữ liệu kinh doanh tăng cao, các điện thoại thông minh với dịch vụ 3G/4G, các trang web video chuyên sâu phổ biến như Youtube, Netflix, Hulu,.ngày càng phát triển.
Điều này dẫn tới kết quả tất yếu là làm xuất hiện các mạng truyền tải cực lớn. Các dịch vụ băng rộng Vấn đề hiệu suất sử dụng phổ tần số trong thông tin quang cũng là một trong những lý do ra đời công nghệ 100 Gbps. ITU chia dải tần các bước sóng thành Grid; Grid được chia thành các Bands. Trong đó Band L và C được sử dụng cho DWDM.
Các băng tần theo chuẩn ITU-T Công nghệ 100 Gbps ra đời nhằm giải quyết bài toán về suy giảm chất lượng truyền dẫn. Đó là các vấn đề về suy hao (suy giảm theo chiều dài tuyến cáp, giới hạn khoảng cách truyền); tán sắc (dãn rộng/biến dạng xung ánh sáng khi lan truyền, giới hạn khoảng cách truyền); OSNR (tỉ số tín hiệu trên nhiễu gây ra bởi nhiễu trên đường truyền). Suy giảm chất lượng truyền dẫn Công nghệ 100Gbps ra đời giúp giảm giá thành/bit. Theo ước tính thì công nghệ 100 Gbps ra đời sẽ giảm giá thành từ 10-30% so với công nghệ 40 Gbps, từ đó tăng cơ hội tiết kiệm chi phí cho mạng DWDM, IP.2 Quá trình phát triển của công nghệ truyền dẫn quang 100 Gbps Theo các số liệu điều tra vào đầu những năm 2000, tăng trưởng lưu lượng của Internet ở mức từ 70-150% một năm [6]; kể từ năm 2009, tỉ lệ này nằm ở mức 40-50%[19]; Rõ ràng với mức độ tăng trưởng đó thì hệ thống mạng sử dụng tốc độ 10 Gbps sẽ không đáp ứng được.
Nhiều nhà khai thác mạng lớn đã lập kế hoạch mở rộng một cách đáng kể năng lực mạng lưới để đáp ứng nhu cầu tăng trưởng của lưu lượng IP. Theo số liệu của hãng nghiên cứu thị trường Dell’Oro thì các sản phẩm truyền dẫn có tốc độ 100 Gbps sẽ phát triển mạnh từ sau năm 2012 với tổng giá trị sản phẩm khoảng 30 triệu USD và sẽ đạt khoảng 500 triệu USD vào năm 2014. Còn hãng nghiên cứu thị trường Heavy Reading thì dự báo thị phần các ứng dụng có tốc độ kênh từ 40 Gbps đến 100 Gbps sẽ chiếm hơn phân nửa (55%) vào năm 2013, trong đó ứng dụng 40 Gbps chiếm 26% và 100 Gbps là 29%; gần phân nửa thị trường còn lại (45%) là của các ứng dụng 10 Gbps [15].4 thể hiện xu hướng phát triển về tốc độ truyền dẫn trên các hệ thống mạng DWDM. Truyền dẫn quang đã và đang tiến triển từ 10/40 Gbps lên 100 Gbps và thậm chí còn cao hơn (lên đến Tbps).
Đối với công nghệ truyền tải quang 400 Gbps trở lên thì mối quan hệ giữa SE (hiệu suất phổ) và cự ly truyền dẫn trở thành bất biến. Quá trình phát triển của công nghệ truyền dẫn quang. Truyền dẫn quang đã thống trị thị trường vào năm 2021 do có nhiều ưu điểm và khả năng vượt trội. Sợi quang hỗ trợ băng thông và tốc độ cực cao với số lượng dữ liệu lớn được truyền trên đơn vị quang.
Sự phát triển của các công nghệ điều chế như DP-QPSK, OFDM… và các công nghệ ghép kênh WDM, DWDM, SDM nâng cao hiệu quả truyền dẫn trên sợi quang và tốc độ truyền dẫn quang. 6 Tháng 10 năm 2021, NEC đã giành được hợp đồng xây dựng tuyến cáp quang biển xuyên Đại Tây Dương kết nối Hoa Kỳ và Châu Âu. Việc sử dung dữ liệu quốc tế trên khắp Đại Tây Dương dự kiến tăng 20 lần từ năm 2021 đến 2035. Với các tốc độ lớn hơn 100 Gbps sẽ có sự tăng trưởng đột biến trong giai đoạn 2022-2029 do nhu cầu phát triển dịch vụ 5G trên toàn thế giới.3 Các tiêu chuẩn cho công nghệ truyền tải quang 100 Gbps Các tiêu chuẩn của công nghệ 100 Gbps được hình thành bởi nhiều tổ chức chuyên về phát triển và cải tiến các chuẩn thông tin quang trong các lĩnh vực như Ethernet, module quang và mạng truyền tải OTN.
Các tiêu chuẩn của công nghệ 100 Gbps[15] 1.1 IEEE IEEE chịu trách nhiệm cho các chuẩn liên quan đến giao diện phía khách hàng cũng như việc chuyển tải Ethernet. IEEE đã phát triển IEEE 802.3ba như chuẩn cho giao diện Ethernet 100 Gbps. Chuẩn Ethernet tốc độ 40/100 Gbps (IEEE P802.3ba) được thông qua vào ngày 17/06/2010, mở đường cho một làn sóng kết nối máy chủ Ethernet tốc độ cao và hệ thống chuyển mạch lõi. Thiết bị OME 6500 của Ciena cũng đã cung cấp giao diện khách hàng 100 GbE, thuận tiện cho kết nối giữa mạng WDM và mạng Metro hoặc mạng vùng.
Như vậy tín hiệu 100Gbps trên mạng lõi có thể chia thành 10 x khách hàng 10 GbE , 10 x 10 khách hàng đa tốc độ Gbps hoặc khách hàng 100 GbE. Với giao diện 100 GbE, cho phép truyền tín hiệu 100 GbE từ thiết bị truyền dẫn đến các Router lõi.3 được trình bày trong bảng 1.2 OIF OIF đảm trách việc thiết lập ra các định chuẩn cho các module quang hệ thống đường line DWDM 100 Gbps. Các định chuẩn này bao gồm các module thu phát (transceiver), công nghệ sửa lỗi phía thu (FEC – Forward Error Correction), cũng như các đặc tính điện và cơ khí của các module. Khác với 8 IEEE thường không quan tâm đến kỹ thuật điều chế tín hiệu, OIF đã tập trung vào nghiên cứu các kỹ thuật điều chế cho 100 Gbps đường dài và đã lựa chọn DP-QPSK làm định dạng điều chế chuẩn cho tốc độ 100 Gbps [17].3 ITU-T ITU-T đảm trách việc thiết lập các chuẩn cho các mạng của các nhà khai thác, đưa ra các định nghĩa ODU4/OTU4, việc ánh xạ và đóng khung 100G OTN, bao gồm các khuyến nghị G.798 cho mạng truyền tải quang (OTN).
[3] Những ưu điểm của OTN: tính trong suốt trong toàn miền quang, tối ưu hóa cho chuyển gói trên mạng quang, tích hợp FEC để tăng khoảng cách truyền dẫn, chuyển đổi dễ dàng lên tốc độ 40 Gbps và 100 Gbps. Đặc biệt với giao diện G.709 cho phép đơn giản hóa cơ chế ghép kênh và hỗ trợ đa giao thức (IP, Ethernet, SONET/SDH…) trong mạng OTN.709 cho phép tín hiệu khách hàng (client signal) được đóng gói và sắp xếp (mapping) vào các khung, tương tự như các khung trong SONET/SDH. Cấu trúc khung trong G.709 được minh họa như trên hình 1. Cấu trúc khung OTN 9 Payload: là dữ 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 dữ liệu kênh quang. OTU: Optical channel Transport Unit: khối truyền tải kênh quang. FEC: Forward Error Correction: mã sửa lỗi trước.
Tốc độ truyền ở các kênh quang trong OTN OTU ODU Tốc độ làm Tốc độ OUT Tốc độ ODU Tín hiệu khách tròn Gbps Gbps Gbps hàng 0 1,25 1,244160 1GbE 1 1 2,5 2,666057 2,498775 STM-16/OC-48 2 2 10 10,709225 10,037274 STM-64/OC-192 3 3 40 43,018414 40,319219 STM-256/OC-768 4 4 100 111,809973 104,794446 100GbE 2e 2e 10 11,095730 10,399525 10GbE 3e1 3e1 40 44,570975 41,774364 4 x ODU2e 3e2 3e2 100 44,583356 41,785969 4 x ODU2e Các khung dữ liệu sẽ được ghép chéo như trên hình 1.7 và tín hiệu cuối cùng được truyền đi là OTU1 – OTU4, tốc độ các khung như trên bảng 1. Như vậy đối với mạng truyền tải 100 Gbps, nếu tín hiệu khách hàng là 100 GbE, thì sẽ được sắp xếp vào ODU4 (ODU4 + FEC = OTU4). Nếu là các tín hiệu khác sẽ được sắp xếp vào các ODU bậc thấp hơn, sau đó thực hiện ghép theo các hệ số như hình dưới để được tín hiệu ODU4. Ghép khung OTN[7].
STM: Synchronous Transport Module: khối truyền tải đồng bộ (SDH) OC: Optical Carrier: khối vận tải quang (SONET). L: Lower Order ODU: ODU bậc thấp hơn. H: Higher Order ODU: ODU bậc cao hơn. ODUflex: hỗ trợ các dữ liệu với tốc độ khác nhau.
FEC sử dụng trong ITU-T G.709 là mã Reed Solomon (255,239). Thực trạng triển khai công nghệ truyền tải quang 100 Gbps. Hiện nay, công nghệ truyền tải 100 Gbps đang được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới. Về mặt công nghệ, truyền tải 100 Gbps chủ yếu là vấn đề điều chế cho tốc độ dữ liệu 100 Gbps, kỹ thuật mã sửa lỗi trước FEC (forward error correction) và các công nghệ truyền tải đường.
Kỹ thuật điều chế tiên tiến là cần thiết cho việc thực hiện truyền tải WDM dung lượng cao và truyền đường dài. Một số hãng trên lớn trên thế giới đã nghiên cứu các vấn đề này, ví dụ như Huawei đã phát triển các kỹ thuật điều chế tiên tiến như sDQPSK, oPDM-DQPSK, và ePDM-QPSK. Kỹ thuật 10 sDQPSK sử dụng kỹ thuật kiểm soát phân cực để giảm tác động phi tuyến trong hệ thống DWDM tốc độ cao, cho phép hệ thống truyền tín hiệu trên khoảng cách đến 1200 km. Bằng việc thực thi phần cứng kết hợp với các thuật toán tiên tiến, kỹ thuật oPDM-DQPSK tạo điều kiện theo dõi một cách nhanh chóng phân cực quang và giúp truyền tải tới 80 bước sóng tín hiệu tại 100 Gbps.
Các đặc tính cách tân của công nghệ ePDM-QPSK có thể kể đến như bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự – số tốc độ cao (ADC), bộ xử lý số tốc độ cao (DSP). Dựa trên các thuật toán tiên tiến, DSP có thể theo dõi phân cực, khôi phục đồng hồ, pha và thông tin dữ liệu, thực hiện bù tán sắc và bù tán sắc phân cực (PMD). Công nghệ ePDM-QPSK có thể truyền tải lên tới 80 bước sóng tín hiệu tại 100 Gbps trên khoảng cách 1500 km. Kỹ thuật FEC là một đặc tính quan trọng khác cho truyền tải đường dài.
Để loại trừ ảnh hưởng của nhiễu làm suy giảm các tín hiệu quang, một hệ thống 100 Gbps yêu cầu FEC cao hơn các hệ thống truyền tải trước đó. Ngày nay, nhờ các kỹ thuật điều chế tiên tiến mà có thể giúp làm tăng dung lượng truyền tải trên mỗi bước sóng từ 10 Gbps, 40 Gbps, 100 Gbps và đã được thương mại hóa. Gần đây một số hãng sản xuất thiết bị đã thử nghiệm thành công kỹ thuật điều chế mới và tạo ra dung lượng truyền tải 400 Gbps trên mỗi bước sóng và đang được đưa vào thương mại hóa.