Hệ Thống Điều Khiển Tải 100 Gbps: Kỹ Thuật và Ứng Dụng

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Luận văn công nghệ truyền tải bước sóng 100 gbps, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A
• Trường học: Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Hệ Thống Điều Khiển Tải 100 Gbps: Kỹ Thuật và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: ÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI BƯỚC SÓNG 100 GBPS
• 1.1. Tại sao sử dụng ông nghệ truyền tải bước sóng 100 Gbps?
• 1.2. Diễn tiến của ông nghệ truyền dẫn
• 1.3. Tiêu chuẩn cho ông nghệ truyền tải bước sóng 100 Gbps
• 2. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ SỬA LỖI TRONG TRUYỀN TẢI BƯỚC SÓNG 100 GBPS
• 2.1. Kỹ thuật điều chế trong truyền tải bước sóng 100 Gbps
• 2.2. Phương pháp điều chế khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying)
• 2.3. Kỹ thuật sửa lỗi (FE – Forward Error Correction)
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA KHÔẢNG ĐƯỜNG TRUYỀN LÊN ÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI BƯỚC SÓNG 100 GBPS
• 3.1. Tổng quan về phần mềm Optisystem 14
• 3.2. Mô phỏng và đánh giá hệ thống 10/100 Gbps DP-QPSK không có bộ xử lý số tốc độ cao DSP
• 3.3. Mô phỏng hệ thống 100 Gbps DP-QPSK với bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao DSP
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Hệ Thống Điều Khiển Tải 100Gbps Giới Thiệu

Trong bối cảnh các dịch vụ băng rộng ngày càng phát triển mạnh mẽ, nhu cầu về băng thông Internet tăng trưởng vượt bậc. Các thế hệ điện thoại thông minh 3G/4G, các trang video chuyên sâu, và dịch vụ cung cấp data là những động lực chính. Để đáp ứng sự tăng trưởng này, công nghệ truyền dẫn mới liên tục được nghiên cứu và triển khai. Công nghệ thông tin quang SDH ra đời, mở ra giai đoạn phát triển mới cho ngành truyền tải dữ liệu viễn thông. Tuy nhiên, với tốc độ SDH là 10 Gbps, nó không đáp ứng được nhu cầu tăng trưởng nhanh chóng của các dịch vụ viễn thông. Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) đã ra đời và đóng vai trò quan trọng trong mạng thông tin quang. Các hệ thống truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng đã và đang được triển khai trên toàn cầu như là một công nghệ truyền dẫn chính cho mạng đường trục và mạng vùng.

1.1. Tại Sao Cần Hệ Thống Điều Khiển Tải 100Gbps

Nhu cầu băng thông Internet tăng cao do sự phát triển của các dịch vụ dữ liệu kinh doanh, điện thoại thông minh 3G/4G, và các trang web video chuyên sâu. Điều này dẫn đến sự xuất hiện của các mạng truyền tải lớn. 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, và 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 100Gbps ra đời nhằm giải quyết bài toán về suy giảm chất lượng truyền dẫn. Suy giảm chất lượng truyền dẫn công nghệ 100Gbps ra đời giúp giảm giá thành/bit.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Công Nghệ Truyền Dẫn 100Gbps

Theo các số liệu điều tra vào đầu những năm 2000, tăng trưởng lưu lượng của Internet ở mức từ 70-150% một năm. Kể từ năm 2009, tỉ lệ này nằm ở mức 40-50%. Rõ ràng với mức độ tăng trưởng đó thì hệ thống mạng sử dụng tốc độ 10Gb/s 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.

II. Các Tiêu Chuẩn Quan Trọng Của Hệ Thống 100Gbps

Các tiêu chuẩn của công nghệ 100Gbps được hình thành bởi nhiều tổ chức chuyên về phát triển và cải tiến các tiêu chuẩn thông tin quang quan trọng trong các lĩnh vực như Ethernet, module quang và mạng truyền tải OTN. Các tiêu chuẩn này đảm bảo tính tương thích và khả năng hoạt động liên tục của các hệ thống khác nhau.

2.1. Tiêu Chuẩn IEEE Cho Ethernet 100Gbps

IEEE chịu trách nhiệm cho các tiêu chuẩn liên quan đến giao diện phía client cũng như việc mapping Ethernet. IEEE đã phát triển IEEE 802.3ba như chuẩn cho giao diện Ethernet 100 Gbps. IEEE 802.3ba 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 100Gb/s trên mạng lõi có thể chia thành 10 x 10 GbE client, 10 x 10 Gb/s multi-rate client hoặc 100 GbE client. Với giao diện 100 GbE, cho phép truyền tín hiệu 100 GbE từ thiết bị truyền dẫn đến các Router lõi.

2.2. Vai Trò Của Tổ Chức OIF Trong Hệ Thống 100Gbps

OIF đảm trách việc thiết lập ra các định chuẩn cho các module quang hệ thống đường line DWDM 100Gbps. Các định chuẩn này bao gồm các module thu phát (transceiver), công nghệ chỉnh lỗi phía thu (FEC – Forward Error Correction), cũng như các đặc tính điện và cơ khí của các module. Khác với 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.

2.3. Tiêu Chuẩn ITU T Cho Mạng Truyền Tải Quang 100Gbps

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.798 cho mạng truyền tải quang (OTN). 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 40Gb/s và 100Gb/s. 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.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.

III. Kỹ Thuật Điều Chế DP QPSK Trong Hệ Thống 100Gbps

Trong hệ thống 100Gbps, kỹ thuật điều chế đóng vai trò then chốt. DP-QPSK (Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying) là một ứng cử viên sáng giá cho tốc độ 100Gbps. Kỹ thuật này cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ cao hơn và hiệu quả hơn so với các kỹ thuật điều chế truyền thống.

3.1. Ưu Điểm Của Điều Chế DP QPSK Trong Mạng 100Gbps

DP-QPSK sử dụng cả hai phân cực của ánh sáng để truyền tải dữ liệu, tăng gấp đôi hiệu suất sử dụng băng thông. Kỹ thuật này cũng giảm thiểu ảnh hưởng của tán sắc phân cực (PMD), một vấn đề quan trọng trong truyền dẫn đường dài. DP-QPSK là một lựa chọn hiệu quả về chi phí và hiệu suất cho các hệ thống 100Gbps.

3.2. So Sánh DP QPSK Với Các Kỹ Thuật Điều Chế Khác

So với các kỹ thuật điều chế khác như BPSK hay QPSK, DP-QPSK có hiệu suất sử dụng băng thông cao hơn đáng kể. Mặc dù có độ phức tạp cao hơn, nhưng DP-QPSK mang lại hiệu suất vượt trội trong các hệ thống 100Gbps. Các kỹ thuật điều chế tiên tiến khác như sDQPSK, OPDM-DQPSK, và ePDM-QPSK cũng đang được nghiên cứu và phát triển.

IV. Kỹ Thuật Sửa Lỗi SD FEC Cho Hệ Thống 100Gbps

Kỹ thuật sửa lỗi FEC (Forward Error Correction) là một phần không thể thiếu trong hệ thống 100Gbps. SD-FEC (Soft-Decision FEC) là một kỹ thuật sửa lỗi tiên tiến, giúp cải thiện độ tin cậy của truyền dẫn và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu.

4.1. Tầm Quan Trọng Của FEC Trong Truyền Dẫn 100Gbps

FEC giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và suy hao tín hiệu trong quá trình truyền dẫn. Trong hệ thống 100Gbps, FEC là yếu tố then chốt để đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống. Các hệ thống 100Gbps yêu cầu FEC cao hơn các hệ thống truyền tải hiện nay.

4.2. So Sánh SD FEC Với HD FEC Trong Mạng 100Gbps

SD-FEC (Soft-Decision FEC) và HD-FEC (Hard-Decision FEC) là hai kỹ thuật sửa lỗi chính. SD-FEC có hiệu suất sửa lỗi tốt hơn HD-FEC, nhưng cũng phức tạp hơn về mặt tính toán. SD-FEC là lựa chọn ưu tiên cho các hệ thống 100Gbps yêu cầu độ tin cậy cao.

V. Ảnh Hưởng Khoảng Cách Truyền Dẫn Đến Hệ Thống 100Gbps

Khoảng cách truyền dẫn là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống 100Gbps. Suy hao tín hiệu và tán sắc là những vấn đề cần được giải quyết để đảm bảo truyền dẫn ổn định trên khoảng cách xa.

5.1. Mô Phỏng Hệ Thống 10Gbps Và 100Gbps Với Optisystem

Phần mềm Optisystem được sử dụng để mô phỏng và đánh giá hiệu suất của hệ thống 10Gbps và 100Gbps với các khoảng cách khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy ảnh hưởng của khoảng cách đến chất lượng tín hiệu và hiệu suất của hệ thống.

5.2. Xử Lý Tín Hiệu Số DSP Trong Hệ Thống 100Gbps

Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) đóng vai trò quan trọng trong việc bù tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống 100Gbps. DSP giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và tăng khoảng cách truyền dẫn. Các thuật toán tiên tiến trong DSP có thể theo dõi sự phân cực, khôi phục đồng hồ, pha và thông tin dữ liệu, thực hiện bù tán sắc và bù tán sắc phân cực (PMD).

VI. Ứng Dụng Thực Tế Và Tương Lai Của Hệ Thống 100Gbps

Hệ thống 100Gbps đang được triển khai rộng rãi trong các trung tâm dữ liệu, mạng đường trục và mạng vùng. Trong tương lai, công nghệ này sẽ tiếp tục phát triển và đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng tăng.

6.1. Triển Khai Hệ Thống 100Gbps Tại Việt Nam

Tại Việt Nam, do nhu cầu dịch vụ băng rộng tăng cao, các hệ thống truyền dẫn bước sóng 100 Gbps đang được triển khai rộng rãi bởi các nhà mạng lớn như VNPT, Viettel, Mobifone,… Trong đó có những hệ thống triển khai mới hoàn toàn hoặc nâng cấp lên từ hệ thống truyền dẫn bước sóng 10 Gbps, 40 Gbps. Việc triển khai hệ thống 100 Gbps không chỉ với mạng đường trục mà ngay cả với mạng vùng.

6.2. Xu Hướng Phát Triển Của Công Nghệ 100Gbps

Công nghệ 100Gbps đang tiến tới các giải pháp tích hợp cao hơn, tiêu thụ điện năng thấp hơn và chi phí thấp hơn. Các nghiên cứu về công nghệ 400Gbps và Terabit Ethernet cũng đang được tiến hành, mở ra những triển vọng mới cho tương lai của truyền dẫn quang.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của các dịch vụ truyền thông băng rộng, điện thoại thông minh, điện toán đám mây và truyền phát video chất lượng cao đã thúc đẩy lưu lượng dữ liệu Internet toàn cầu tăng trưởng mạnh mẽ với tốc độ khoảng 40% đến 50% mỗi năm. Trước áp lực đó, hạ tầng mạng truyền dẫn sử dụng chuẩn SDH tốc độ 10 Gbps và 40 Gbps bộc lộ rõ giới hạn về dung lượng và hiệu suất sử dụng phổ tần trong các băng tần C và L của sợi quang. Theo các báo cáo thị trường từ Dell'Oro, quy mô thiết bị truyền dẫn quang 100 Gbps đã tăng trưởng nhanh chóng từ mức 30 triệu USD lên tới hơn 500 triệu USD, chiếm hơn phân nửa thị phần thiết bị truyền dẫn đường trục.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là làm thế nào để truyền tải bước sóng 100 Gbps trên cự ly dài mà vẫn kiểm soát được các hiện tượng suy hao, tán sắc sắc tố (CD), tán sắc mode phân cực (PMD) và nhiễu phi tuyến mà không cần thay thế sợi cáp quang hiện hữu. Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu toàn diện các giải pháp kỹ thuật then chốt cho hệ thống truyền dẫn 100 Gbps, tập trung vào kỹ thuật điều chế pha trực giao ghép phân cực (DP-QPSK), cơ chế thu tách sóng kết hợp (Coherent Detection) và thuật toán xử lý tín hiệu số (DSP) tốc độ cao kết hợp sửa lỗi trước (SD-FEC). Luận văn được triển khai trong phạm vi mạng đường trục và mạng đô thị viễn thông, thực hiện mô phỏng kiểm chứng trên môi trường OptiSystem. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện ở việc chứng minh khả năng giảm chi phí đầu tư trên mỗi bit dữ liệu từ 10% đến 30%, đồng thời tối ưu hóa hạ tầng sẵn có cho các nhà mạng viễn thông lớn như VNPT, Viettel và MobiFone.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết chính trong kỹ thuật thông tin quang hiện đại:

Thứ nhất là lý thuyết tách sóng quang kết hợp (Coherent Optical Detection) với hai cấu hình Homodyne và Heterodyne. Khác với phương pháp tách sóng trực tiếp truyền thống (IM/DD) chỉ ghi nhận cường độ photon, tách sóng kết hợp trộn tín hiệu quang thu được với nguồn laser dao động nội (Local Oscillator - LO) thông qua bộ ghép lai quang 90 độ (90-degree Optical Hybrid) và cặp Photodiode cân bằng (Balanced Photodiode). Giải pháp này cho phép khôi phục toàn bộ biên độ, pha và trạng thái phân cực của sóng mang quang, giúp tăng độ nhạy máy thu lên từ 10 dB đến 20 dB so với tách sóng trực tiếp, đạt tỷ lệ lỗi bit BER là 10^-9 ngay cả khi mức năng lượng tín hiệu chỉ đạt khoảng 10 đến 20 photon trên mỗi bit.

Thứ hai là lý thuyết điều chế số đa mức kết hợp phân cực DP-QPSK (Dual Polarization - Quadrature Phase Shift Keying). Kỹ thuật này ánh xạ 4 bit dữ liệu trên một ký hiệu quang (2 bit trên phân cực X và 2 bit trên phân cực Y), cho phép hệ thống truyền dữ liệu 100 Gbps nhưng chỉ cần tốc độ ký hiệu là 28 Gbaud, hoạt động tương thích hoàn toàn trên lưới bước sóng tiêu chuẩn DWDM 50 GHz với hiệu suất phổ đạt 2 bit/s/Hz.

Thứ ba là khung tiêu chuẩn mạng truyền tải quang OTN theo khuyến nghị ITU-T G.709 với đơn vị khung OTU4 có tốc độ danh định 111,81 Gbps (dung lượng tải ODU4 đạt 104,79 Gbps), tích hợp kỹ thuật mã hóa sửa lỗi trước quyết định mềm (SD-FEC) giúp bù trừ suy giảm chất lượng truyền dẫn.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng OptiSystem 14:

• Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu mô phỏng: Dữ liệu đầu vào sử dụng chuỗi bit giả ngẫu nhiên PRBS với độ dài chuẩn 2^15 - 1 bit. Cỡ mẫu đánh giá bao gồm 15 kịch bản cự ly truyền dẫn trải dài từ 100 km đến 1.500 km, thực hiện đo kiểm trên 2 mức tốc độ chuẩn là 10 Gbps và 100 Gbps.
• Phương pháp chọn mẫu: Chọn mẫu phân tầng có chủ đích dựa trên các cự ly truyền dẫn thực tế của mạng truyền dẫn đường trục và liên tỉnh, khảo sát độc lập trên hai trạng thái phân cực trực giao X và Y ở công suất nguồn phát laser dao động nội từ -18 dBm đến 0 dBm.
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: OptiSystem là công cụ mô phỏng chuẩn công nghiệp viễn thông, cho phép giải chính xác phương trình phi tuyến Schrodinger phi tuyến (NLSE) mô tả quá trình lan truyền ánh sáng trong sợi quang đơn mode (SSMF). Phương pháp này giúp phân tích chính xác tác động của tán sắc sắc tố, tán sắc mode phân cực và tỷ số tín hiệu trên nhiễu quang (OSNR) thông qua biểu đồ chòm sao (Constellation Diagram) và đường cong tỷ lệ lỗi bit (BER).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích định lượng trên hệ thống truyền tải bước sóng 100 Gbps đã mang lại các phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Hệ thống 100 Gbps DP-QPSK khi không có bộ xử lý tín hiệu số DSP bị suy giảm chất lượng nghiêm trọng theo khoảng cách. Ở cự ly 100 km, biểu đồ chòm sao vẫn duy trì được 4 điểm hội tụ rõ ràng trên mỗi phân cực. Tuy nhiên, khi nâng cự ly lên 500 km và 1.000 km, tán sắc sắc tố và phân cực làm cho các điểm tín hiệu bị xoay pha và phân tán hoàn toàn, khiến tỷ lệ lỗi bit BER tăng vọt vượt ngưỡng sửa lỗi 10^-3, không thể khôi phục được dòng dữ liệu ban đầu.

Việc tích hợp khối xử lý số DSP tốc độ cao tại đầu thu giúp bù hoàn toàn tán sắc sắc tố và tán sắc phân cực trong miền số. Kết quả cho thấy tại khoảng cách truyền dẫn lên đến 1.500 km, khối DSP với các thuật toán cân bằng thích nghi (CMA/LMS) và phục hồi pha sóng mang đã gom cụm các điểm chòm sao về 4 vùng rõ rệt trên cả hai phân cực X và Y.

Hệ thống kết hợp bộ xử lý tín hiệu số DSP và thuật toán mã sửa lỗi trước SD-FEC giúp hạ thấp tỷ lệ lỗi bit xuống dưới ngưỡng 10^-9 tại cự ly 1.500 km, mang lại độ lợi mã hóa (Coding Gain) vượt trội hơn khoảng 2 dB đến 3 dB so với các chuẩn HD-FEC truyền thống.

Kỹ thuật ghép phân cực DP-QPSK giúp nâng cao hiệu suất sử dụng băng thông lên gấp 4 lần so với điều chế nhị phân thông thường, cho phép truyền tải đồng thời 80 kênh bước sóng 100 Gbps trên dải băng C/L của sợi quang đơn mode tiêu chuẩn.

Thảo luận kết quả

Các dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị biến thiên BER theo cự ly và bảng đối sánh biểu đồ chòm sao không gian I/Q. Trên đồ thị BER, đường cong hiệu năng của hệ thống có DSP duy trì độ dốc ổn định, trong khi hệ thống không có DSP gãy khúc đột ngột ngay sau cự ly 300 km. Biểu đồ chòm sao minh chứng rõ nét khả năng triệt tiêu méo phi tuyến: từ dạng đám mây nhiễu phân tán đồng tâm, thuật toán DSP đã tái tạo thành các điểm thu gom chuẩn xác tương ứng với 4 trạng thái pha 0, π/2, π và 3π/2.

Nguyên nhân chính giúp hệ thống 100 Gbps đạt cự ly 1.500 km mà không cần sử dụng sợi bù tán sắc (DCF) quang học nằm ở việc xử lý trong miền điện sau bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC). So với các nghiên cứu cùng thời kỳ của Huawei và Ciena (với các định dạng như sDQPSK hay ePDM-QPSK), giải pháp DP-QPSK kết hợp DSP thuần thục đạt được sự cân bằng tối ưu giữa độ phức tạp phần cứng, quỹ công suất tiêu thụ và chi phí sản xuất linh kiện thương mại.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu toàn diện, luận văn đưa ra 4 nhóm khuyến nghị hành động cụ thể cho các nhà khai thác và nghiên cứu viễn thông:

Thứ nhất, triển khai nâng cấp hạ tầng mạng lõi DWDM hiện hữu bằng việc thay thế trực tiếp các card phát/thu 10G/40G sang card quang 100G DP-QPSK tích hợp SD-FEC. Doanh nghiệp viễn thông (Viettel, VNPT, MobiFone) cần đặt mục tiêu hoàn thành lộ trình chuyển đổi trong vòng 12 đến 24 tháng, giúp tăng dung lượng mạng trục lên 400% mà không phải thay đổi hạ tầng cáp quang chôn ngầm.

Thứ hai, tối ưu hóa thông số công suất laser dao động nội LO và công suất quang phát vào sợi. Đội ngũ kỹ sư vận hành mạng cần thiết lập công suất đầu vào sợi quang trong ngưỡng an toàn từ -18 dBm đến 0 dBm và công suất nguồn LO ở mức từ 10 dBm đến 13 dBm nhằm hạn chế méo hài tổng cộng dưới 5%, thực hiện kiểm chuẩn trong quý đầu tiên của dự án.

Thứ ba, chuẩn hóa cấu trúc đóng gói khung truyền dẫn theo chuẩn OTU4 thuộc khuyến nghị ITU-T G.709. Đơn vị quản lý kỹ thuật cần cấu hình ánh xạ trực tiếp các luồng dữ liệu 100GbE từ router biên vào khung tải ODU4 với tốc độ 111,81 Gbps, đảm bảo tính trong suốt toàn miền quang và tối ưu hóa chuyển mạch gói quang tự động (ASON).

Thứ tư, thúc đẩy hợp tác nghiên cứu phát triển các thế hệ vi mạch xử lý tín hiệu số DSP thế hệ kế tiếp. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành điện tử - viễn thông cần định hướng nghiên cứu các định dạng điều chế bậc cao hơn như 16-QAM và 64-QAM trong vòng 3 đến 5 năm tới nhằm chuẩn bị cho việc nâng cấp mạng lên tốc độ 400 Gbps và 1 Tbps.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt phù hợp với 4 nhóm đối tượng sau:

1. Kỹ sư thiết kế và tối ưu hóa mạng truyền dẫn quang: Nắm vững các công thức toán học về tách sóng kết hợp, tính toán quỹ công suất hệ thống, cấu hình tham số máy phát/thu quang và xử lý các hiện tượng tán sắc PMD, CD trên tuyến cáp thực tế.
2. Cán bộ quản lý kỹ thuật và hoạch định chiến lược tại các ISP: Sử dụng các số liệu so sánh kinh tế - kỹ thuật để xây dựng kế hoạch đầu tư, nâng cấp dung lượng mạng đường trục từ 10G/40G lên 100G với chi phí tiết kiệm từ 10% đến 30%.
3. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Tiếp cận tài liệu tham khảo chuẩn mực về điều chế pha kết hợp, nguyên lý hoạt động của vòng khóa pha Costas, cấu trúc khung OTN G.709 và quy trình mô phỏng chuyên sâu trên OptiSystem.
4. Chuyên gia tư vấn và cung cấp thiết bị viễn thông quang: Hiểu sâu sắc các tiêu chuẩn công nghiệp từ IEEE 802.3ba, OIF và ITU-T SG15 để lựa chọn các module quang tích hợp PIC và DSP tương thích cho khách hàng doanh nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao kỹ thuật điều chế DP-QPSK lại được lựa chọn làm tiêu chuẩn cho truyền tải 100 Gbps?
Kỹ thuật DP-QPSK kết hợp ghép phân cực trực giao và điều chế pha 4 mức, cho phép truyền 4 bit thông tin trên một ký hiệu quang. Nhờ đó, tốc độ baud giảm từ 112 Gbaud xuống chỉ còn 28 Gbaud, vừa vặn trong dải thông 50 GHz tiêu chuẩn của hệ thống DWDM hiện hữu, giúp tối ưu hóa hiệu suất phổ và giảm yêu cầu khắt khe về băng thông linh kiện điện - quang.

Khối xử lý tín hiệu số DSP trong máy thu kết hợp đảm nhận nhiệm vụ gì?
Khối DSP tốc độ cao thực hiện số hóa tín hiệu sau các bộ ADC, sau đó áp dụng các thuật toán số để bù trừ tán sắc sắc tố (CD), tách hai trạng thái phân cực tự động, bù tán sắc mode phân cực (PMD) và khôi phục pha sóng mang. Nhờ DSP, hệ thống có thể truyền dẫn 1.500 km mà không cần các linh kiện bù tán sắc quang học đắt tiền.

Khung OTU4 trong tiêu chuẩn ITU-T G.709 có tốc độ bao nhiêu và cấu trúc như thế nào?
Khung OTU4 có tốc độ danh định đạt 111,809973 Gbps, bao gồm 4 hàng và 4.080 cột. Cấu trúc khung chia thành 3 phần: vùng mào đầu điều khiển (Overhead), vùng tải dữ liệu khách hàng ODU4 với tốc độ 104,794446 Gbps (chứa dữ liệu 100GbE, STM, IP) và vùng mã kiểm tra sửa lỗi trước FEC chiếm 256 cột cuối.

Tách sóng quang kết hợp mang lại ưu thế gì vượt trội so với tách sóng trực tiếp?
Tách sóng kết hợp trộn tín hiệu quang với sóng laser dao động nội tại máy thu, giúp chuyển đổi trực tiếp thông tin pha và tần số sang miền điện. Kỹ thuật này nâng cao độ nhạy máy thu thêm 10 dB đến 20 dB, cho phép giải mã chính xác tín hiệu ở mức năng lượng chỉ từ 10 đến 20 photon/bit và hỗ trợ xử lý tín hiệu số nâng cao.

Quá trình nâng cấp lên bước sóng 100 Gbps có bắt buộc phải thay thế sợi quang sẵn có không?
Không cần thay thế sợi cáp quang đã chôn ngầm. Nhờ sự hỗ trợ của điều chế DP-QPSK và bộ xử lý số DSP bù tán sắc trong miền điện, hệ thống 100 Gbps hoàn toàn tương thích và tái sử dụng trực tiếp sợi quang đơn mode tiêu chuẩn G.652 trên lưới phân kênh DWDM 50 GHz sẵn có của mạng 10G/40G.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích sâu sắc xu hướng phát triển tất yếu của công nghệ truyền tải bước sóng 100 Gbps nhằm đáp ứng tốc độ tăng trưởng lưu lượng Internet từ 40% đến 50% mỗi năm.
• Xác lập cơ sở lý thuyết vững chắc về tách sóng quang kết hợp (Homodyne/Heterodyne) và kỹ thuật điều chế ghép phân cực DP-QPSK với tốc độ ký hiệu 28 Gbaud trên lưới phổ DWDM 50 GHz.
• Chuẩn hóa kiến trúc truyền tải theo khung OTN G.709 (OTU4 tốc độ 111,81 Gbps) kết hợp thuật toán sửa lỗi trước SD-FEC giúp nâng cao độ nhạy hệ thống từ 10 dB đến 20 dB.
• Chứng minh qua mô phỏng OptiSystem rằng khối xử lý số DSP triệt tiêu hiệu quả tán sắc CD và PMD, duy trì tỷ lệ BER dưới 10^-9 trên cự ly truyền dẫn đường trục lên đến 1.500 km.
• Cung cấp giải pháp kinh tế - kỹ thuật tối ưu giúp các nhà mạng tiết kiệm từ 10% đến 30% chi phí đầu tư trên mỗi bit dữ liệu thông qua việc tái sử dụng hạ tầng cáp quang hiện tại.

Đóng góp cốt lõi của luận văn là xây dựng hoàn chỉnh mô hình tính toán, mô phỏng và bộ khuyến nghị kỹ thuật cho việc triển khai công nghệ 100 Gbps DP-QPSK tại Việt Nam. Trong giai đoạn 3 đến 5 năm tới, các hướng phát triển tiếp theo cần tập trung nghiên cứu công nghệ điều chế bậc cao 16-QAM/64-QAM và thuật toán DSP thích nghi cho bước sóng 400 Gbps và 1 Tbps. Quý độc giả, kỹ sư viễn thông và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác toàn bộ mô hình mô phỏng và các thông số thiết kế chi tiết trong luận văn để ứng dụng trực tiếp vào các dự án nâng cấp mạng truyền tải quang thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU chúng †a có thê thấy các dịch vụ thông tin săng rộng ngày càng lăng lrojởng nhanh chóng: Đó là các thế hệ điện th0ại thông minh với dịch vụ 3G/ 4G; các lrang vide0 chuyên sâu; các dịch vụ cung cấp dala,. Dé có thê đáp ứng đojợc sự lăng Irojong không ngừng đó, các công nghệ truyền dẫn mới liên lục đojợc nghiên cứu, triển khai và đoja và0 ứng dụng. Đầu liên, công nghệ thông lin quang SDh ra đời, mở ra giai đ0ạn phát triển mới ch0 ngành truyền lải dữ liệu lr0ng viễn thông. Tuy nhiên với lốc độ SDh là 10 Gsps thì không đáp ứng đơjợc nhu cầu lăng lrolởng ngày càng nhanh chóng của các dịch vụ viễn thông.

chính vì vậy hệ thống thông lin quang ghép kênh the0 sojớc sóng (WDM) đã ra đời và đóng vai lrò quan trọng lr0ng mạng thông lin quang. các hệ thống truyền dẫn ghép kênh †he0 soJớc sóng đã và đang đojọc triển khai trên l0àn cầu nho là một gnghệ truyền dẫn chính ch0 mạng đojờng lrục và mạng vòng. bên cạnh rất nhiều ouđiểm, công nghệ WDM sị hạn chế sởi hiệu suất sử dụng lần số đó là chỉ sử dụng đojợc các lần số lr0ng băng c và băng L. chính vì vậy không thể lăng số Boyde sóng ghép trên mội sợi quang.

Điều đó dẫn đến phải nghiên cứu các công nghệ nhằm lăng dung lojong cua mội bơjớc sóng. công nghệ truyền tai sojớc sóng 100 Gsps đã doc các nhà sản xuất và cung cấp thiết sị lớn lrên thế giới nghiên cứu và triển khai thành công. Điều đó mở ra triển vọng ch0 việc nâng cấp các hệ thống 10 Gbps và 40 Gsps đang sử dụng lên 100 Gsps. Tr0ng đó kỹ thuật kết hợp đóng vai trò chủ chốt ch0 lốc dé 100 Gaps dé sử dụng lại hạ lầng mạng biện đang dòng ch0 các lốc độ 10G Gsps và 40 Gsps.

hệ thống thông lin quang kết hợp có các kỹ thuật điều chế rất ph0ng phú và đa dạng lừ đơn giản nhơi điều chế ASK, FSK, PSK ch0 đến các kiểu điều chế phức lạp nhơi Db- PSK, DQPSK, IZ- DQPSK, DP-QPSK. Tr0ng đó DP-QPSK là ứng cử viên sáng giá nhất ch0 lốc độ 100 Gsps. Tại Việt Iam, d0 nhu cầu dịch vụ săng rộng lăng ca0, các hệ thống truyền dẫn sơjớc sóng 100 Gsps đang đojợc lriển khai rộng rãi Boi các nhà mạng lớn nho| VTIPT, VieHel, M0sif0ne,. Tr0ng đó có những hệ thống triển khai mới h0àn 10àn hOặc nâng cấp lên từ hệ thống truyền dẫn sojớc sóng 10 Gsps, 40 Gsps.

Việc triển khai hệ thống 100 Gsps không chỉ với mạng đojờng lrục mà ngay cả với mạng vùng. chính vì vậy mà cần có một nghiên cứu sâu sắc về công nghệ lruyền lải olớc sóng 100 Gbps xem các đặc điểm chính của công nghệ là gì, ảnh hơiởng của đơjờng truyền lên công nghệ vàgiải pháp khắc phục. chính vì vậy lôi đã lựa chọn đề lài: “công nghệ truyền lái sojớc sóng 100 Gsps”. Hội dung đề lài đơjợc chia làm sa choJơng: -12- chd|ƠING 1.

cÔIIG IGhỆ TTUVÊI TAI bG|Gc SOG 100 Geps. - Lý d0 ra đời công nghệ truyền lải solớc sóng 100 Gkps. -13- - Dién tién cua cong nghé truyén dan. - các liêu chuẩn của công nghệ lruyền lải Bo}oc srg 100 Geps.

- hệ thống thông lin quang kết hợp (kỹ thuật lách sóng kết hợp). KỸ ThUẬT IIGhỆ DIEU chẾ VÀ SỬA LỖI TT0IIG TTUVÈIN TAI bG|Gc SOG 100 Gaps - Ky thuat diéu ché DP-QPSK tr0ng truyén ti pose sóng 100 Gsps - Ky thuat stra lỗi SD-FEc tr0ng truyền fai sojớc sóng 100 Gbps chd|ƠIG 3. ĐÁIh GIÁ ẢIIh hG|ỞIIG cỦA Kh0ẢIIG cAch DG|ONG TTUVÊII LÊN cÔIIG IIGhỆ TTUVÊN TẢI bG|Óc SóIIG 100 Gkps - Mô phỏng hệ thống 10 Gsps và 100 Gsps không có sộ xử lý số với các kh0ảng cách khác nhau và s0 sánh. - Mô phỏng hệ thống 100 Gbps có sộ xử lý số ở kh0ảng cách lớn và kiểm lra lỗi sau bộ xử lý số.

D0 kiến thức và thời gian tìm hiểu còn hạn chế nên đồ án không thê tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất m0ng nhận đojợc những góp ý, số sung của thầy cô cũng nhoIsạn đọc để đồ án này đơjợc h0àn thiện hơn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Iguyễn Ilam h0àng, ngojời đã lận tình chỉ sả0, hojớng dẫn tr0ng suốt thời gian qua. Đồng thời, lôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô lr0ng Kh0a Điện Tử - Viễn Thông, Trojờng Đại học công Nghệ - Đại học Quốc Gia hà Tội đã trang sị kiến thức và giúp đỡ lôi h0àn thành đồ án này.

ha Idi, ngày. năm 2016 Sinh viên Trần IIgọc h0àng -14- chG] ONG 1 CONG NGhE TFUYÈN TẢI b0]Ớc SóIIG 100 Gkps Tz0ng chgơng này, chúng la sẽ di tìm hiểu xem lại sa0 lại ea đời đông nghệ tuyên tải sgớc sóng 100 Geps, diễn tiễn qia đông nghệ lsuyễn lải lên thế giới. Đông thời, chgøơng này đĩng chỉ ea: + @ícliêu chuẩn để làm œơ sở leiễn khai cong nghé teuyén lải sqớc sóng 100 Gops. + Kỹ thuậi lách sóng đqợc sử dụng le0ng tzuyễn tai 100 Gops.1 Tại sa0 sử dụng công nghệ truyền lái bơjớc sóng 100 Gbps? Tr0ng kh0ảng 5-10 năm qua đã ch0 thấy mội sự gia lăng rất lớn tr0ng yêu cầu băng thong internet.

Điều đó là d0 các dịch vụ đữ liệu kinh dOanh lãng ca0, các điện th0ại thông minh với dịch vụ 3G/4G, các trang wep videO chuyên sâu phô siến nhơi V0uluse, [eflix, hulu,.ngày càng phát triển. Điều này dẫn tới kết quả tất yếu là làm xuất hiện các mạng truyền tải cực lớn. ` traffic Residential broadband Video Traffic Data Center hình 1. các dịch vụ băng rộng Vấn đề hiệu suất sử dụng phổ lần số tr0ng thông tin quang cũng là một Ir0ng những lý d0 ra đời công nghệ 100 Gsps.

ITU chia dải lần các sojớc sóng thành Grid; Grid đơjợc chia thành các bands. TrOng d6 band L vac dajgc str dung chO DWDM. các băng tần the0 chuẩn ITU-T công nghệ 100Gbps ra đời nhằm giải quyết sài l0án về suy giảm chất lolợng truyền dẫn. Do là các vấn đề về suy ha0 (suy giảm †he0 chiều dài luyến cáp, giới hạn kh0ảng cách truyền); tán sắc (dãn rộng/biễn dạng xung ánh sáng khi lan truyền, giới hạn kh0ảng cách truyền); 0SIIT ( số lín hiệu lrên nhiễu gây ra bởi nhiễu lrên đojờng truyền).

Loss (dB/km) za[N s00 ĐO 1U IHƠU 1200 13900 1400 1600 1080 Wavelength (nm) ——]Time stoel ___ 2.8Gbis Ả i atti MA : 10Gbis liIllll Fiber i đ —. Suy giảm chất lơjgng truyền dẫn công nghệ 100Gbps ra đời giúp giảm giá lhành/bil. TheO ojéc tinh thi công nghệ 100Gbps ra đời sẽ giảm giá thành lừ 10-30% s0 với công nghệ 40Gbps, lừ đó lăng cơ hội liết kiệm chỉ phí ch0 mạng DWDM, IP.2 Diễn lến của công nghệ truyền dẫn The0 các số liệu điều tra và0 đầu những năm 2000, lăng lrojởng lơiu lojợng da Internet ở mức fir 70-150% một năm [6]; kế từ năm 2009, tỉ lệ này nằm ở mức 40-50% [19]. Tõ ràng với mức độ lăng trojởng đó thì hệ thống mạng sử dụng lốc độ 10G/s sẽ không đáp ứng đojợc.

IIhiều nhà khai thác mạng lớn đã lập kế h0ạch mở rộng một cách đáng kế năng lực mạng loiới để đáp ứng nhu cầu lăng lrojởng của loiu loiợng IP. The0 điệu của hãng nghiên cứu thị trojong Dell’Or0 thì các sản phẩm truyền dẫn có lốc độ 100 Gsps sẽ phát triển mạnh tir sau nim 2012 với tổng giá trị sản phẩm kh0ảng 30 triệu USD va sé dat khOang 500 triệu USD và0 năm 2014. còn hãng nghiên cứu thị trojong heavy Teading thi dy sá0 thị phần các ứng dụng có lốc độ kênh lừ 40 Gsps đến 100 Gsps sẽ chiếm hơn phân nửa (55%) và0 năm 2013, lr0ng đó ứng dụng 40 Gps chiếm 26% và 100 Gsps là 29%; gần phân nửa thi trojong con lại (45%) là của các ứng dụng 10 Gsps [15].4 thể hiện xu hojong phat triển về lốc độ truyền dẫn trên các hệ thống mang DWDM. Truyền dẫn quang đã và đang liến triển từ 10/40 Gsps lên 100 Gsps và thậm chí còn ca0 hơn (lên đến Tsps).

Đối với công nghệ sojớc sóng 400 Gbps trở lên †hì mỗi quan hệ giữa SE (hiệu suất phổ) và cự ly truyền dẫn trở thành pat siến. 10G 2 xl rr Ậ Transmission Spectral Distance ) — Efficiency Sh 4, lee SE(Bit/s/Hz) 99uE)SIQ hình 1. Diễn Hiến của công nghệ truyền dẫn quang hiện nay, công nghệ truyền lải sojớc sóng 100 Gbps đang đojợc trién khai rộng rãi trên 10àn thế giới. Về mặt công nghệ, truyền lải 100 Gsps chủ yếu là vấn đề điều chế mã 100 Gsps, kỹ lhuậi mã sửa lỗi lroiớc FEc (f0rward err0r c0rrecHOn) và các công nghệ truyền lải đơiờng.

Kỹ thuật điều chế mã liên liến là cần lhiết ch0 việc thực hiện truyền lải WDM dung lojợng ca0 và truyền đojờng dài. Một số hãng trên lớn trên thé giới đïnghiên cứu các vấn đề nay, vi du who, huawei đã phái triển các kỹ thuật điều -17- chế mã liên liến nhoi sDQPSK, 0PDM-DQPSK, và ePDM-QPSK. Kỹ thuật sDQPSK sử dụng -18- ky thuat kiém s04t phan cuc dé giam tac dong phi tuyén trOng hệ thống DWDM lốc độ ca0, ch0 phép hệ thống truyền tin hiéu trén khOang cdch 1,200 km. bang viéc thực thi phần cứng kết hợp với các thuật l0án Hiém Hén, ky thudt OPDM-DQPSK ta0 điều kiện the0 đõi một cách nhanh chóng phân cực quang và giúp truyền lải lới 80 bo|ớc sóng fn hiệu lại 100 Gbps.

các đặc lính cách lân của công nghệ ePDM-QPSK có thé kê đến nhọ sộ chuyên đổi tín hiệu lojơng tự — số lốc độ ca0 (ADc), sộ xử lý số lốc độ œ0(DSP). Dựa trên các thuật 10án liên liến, DSP có thê †he0 dõi sự phân cực, khôi phục đồng hồ, pha và thông lin dữ liệu, thực hiện sò lán sắc và sù lán sắc phân cực (PMD). công nghệ ePDM-QPSK có thê truyền lải lên lới 80 sojớc sóng của lín hiệu lại 100 Gbps lrên khOảng cách 1500 km. Kỹ thuậi FEc là mot dac tinh quan trong khác ch0 truyền tai dojong dai.

Dé l0ại trừ ảnh hojởng của nhiễu làm suy giảm các tin hiệu quang, một hệ thống 100 Gsps yêu cầu FEc ca0 hơn các hệ thống truyền tai hiện nay [4].3 các Hêu chuẩn ch0 công nghệ truyền tải bơiớc sóng 100 Gps các liêu chuân của công nghệ 100Gbps đojợc hình thành sởi nhiều lô chức chuyên về phát triển và cải tiến các chuẩn thông lin quang lr0ng các lĩnh vực nhơi Ethernet, mOdule quang va mang truyền tải 0TH. Network System Transcelver Component IEEE 802.3 Operators Suppliers Suppliers Suppliers (40/100GE Interface) + ® ® ® ITU-T SG15 l E EE — + 0IF ISTEENETHOBIING (100G OTN Mapping/Framing). roam ® + OIF PLL (100G LH Transmission - components/DSP) hình 1. các liêu chuẩn của công nghệ 100Gbps 1.1 IEEE IEEE chịu trách nhiệm ch0 các chuẩn liên quan đến gia0 diện phía client cing nho viéc mapping Ethernet.

IEEE da phat trién IEEE 802.