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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.