báo cáo nghiên cứu khoa học ' tính toán, thiết kế hệ thống thông tin sợi quang đến các hộ gia đình ftth (fiber to the home) ở thành phố đà nẵng'

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

166
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG
ĐẾN CÁC HỘ GIA ĐÌNH FTTH (FIBER TO THE HOME)
Ở THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG
CALCULATING AND DESIGNING THE FTTH SYSTEM IN DANANG CITY

Lê Anh Khoa, Nguyễn Văn Tuấn
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT
Bài báo xây dựng mô hình truyền dẫn quang đến các hộ gia đình (FTTH) có dạng hình
sao và sao mở rộng gồm các bộ khuếch đại quang sợi EDFA mắc chuỗi. Trên cơ sở đó tính
toán công suất tín hiệu, công suất nhiễu phát xạ tự phát tích luỹ (ASE) và tỉ số tín hiệu trên
nhiễu (eSNR) tại đầu máy thu đặt tại vị trí bất kỳ trong hệ thống; lập lưu đồ thuật toán, tính toán
thiết kế hệ thố
ng thông tin sợi quang FTTH cho 50.000 thuê bao trong phạm vi thành phố Đà
Nẵng với các tốc độ bít khác nhau: 155Mb/s, 625Mb/s và 2,5Gb/s. Sau đó, sử dụng phần mềm
chuyên dụng (OptiSystem) để kiểm chứng và đánh giá chất lượng tín hiệu trong hệ thống. Sự
phù hợp giữa kết quả tính toán lý thuyết và kết quả mô phỏng đã chứng tỏ độ tin cậy của mô
hình truyền dẫn, các biểu thức tính toán và lưu đồ thuật toán đã được xây dựng.

ABSTRACT
In this paper, we built a model of the star and expanded-star Fiber To The Home
system (FTTH) including cascaded Erbium Doped Fiber Amplifiers (EDFA). We calculated the
signal Power, Accumulated Spontaneous Emission (ASE) noise power and Electrical Signal-to-
Noise Ratio at the receiver located at any place in this system and then built an algorithm chart,
calculated and designed the Fiber Optic Communication System of 50,000 subscribers in
Danang City with different Bit Rates of 155Mb/s, 625Mb/s and 2.5Gb/s. A comprehensive
software (OptiSystem) was then used to check and evaluate the signal quality in this system.

Approximate results of theory calculation and simulation demonstrated the reliability of the
calculating model, algorithm chart and calculating expressions that had been built.

1. Mô hình tính toán hệ thống truyền dẫn quang FTTH
Mô hình tính toán của một nhánh tiêu biểu trong hệ thống truyền dẫn tín hiệu
với các EDFA mắc chuỗi được mô tả trên hình 1. Cấu hình này gồm có máy phát có
công suất
TX
P , k bộ khuếch đại quang EDFA có các hệ số khuếch đại
k
GGG , ,
21
khác
nhau. Trước mỗi EDFA có một bộ lọc quang nhằm hạn chế nhiễu quang ASE với băng
thông quang lần lượt là
okoo
BBB , ,
21
. Tổn hao công suất từ máy phát đến EDFA1 là
0
α
, tổn hao trên k phân đoạn tiếp theo là
k
α
α
α
, ,
21
và tổn hao công suất từ đầu ra bộ
EDFA thứ k đến máy thu cuối cùng là

máythuk−
α
. Tổn hao công suất từ cuối phân đoạn
thứ k đến máy thu cuối cùng là
s
α
.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

167
2. Xác định tỉ số tín hiệu trên nhiễu (eSNR) của máy thu trong hệ thống phân phối
tín hiệu với các EDFA mắc chuỗi
Công suất nhiễu ASE tổng tại đầu vào máy thu do các EDFA tạo ra như sau [1]:

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+==
∑
∏
∑
−
=
−
=
+−
=

Σ
1
1
1
1
1
)(
k
j
k
ji
AsekiiAsejmaythuk
k
j
j
AseAse
PGPPP
αα
(1)
Trong đó:
j
Ase
P với (j=1,2,…k) là công suất nhiễu ASE tại đầu vào máy thu do
EDFA thứ j gây ra.
ojjspjtAsej
BGhnmP )1(
−
=
ν
: công suất nhiễu quang do bức xạ tự

phát ASE tại đầu ra của bộ EDFA thứ j , trong đó m
t
, n
spj
, G
j
, B
oj
: lần lượt là số
mode lan truyền của quá trình phân cực, hệ số phát xạ tự phát, hệ số khuếch đại của
EDFA thứ j và băng thông quang của bộ lọc quang thứ j.
Mặt khác, ở đây các thông số thiết kế hệ thống được xét trong miền điện của bộ
thu quang. Trong miền này hệ thống chịu tác động của nhiều loại nhiễu khác nhau làm
ảnh hưởng đến
độ nhạy và tỉ lệ lỗi bit BER tại đầu thu:
+ Nhiễu lượng tử: )(2
2
sptsesh
ImIeB +=
σ
(2)
+ Nhiễu phách tín hiệu-tự phát:
sps
o
e
sps
II
B
B
4

2
=
−
σ
(3)
+ Nhiễu phách tự phát-tự phát:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−=
−
2
2
2
2
2
e
osp
o
e
spsp
B
BI
B
B
σ
(4)

+ Nhiễu nhiệt:
L
eB
T
R
TBk4
2
=
σ
(5)
Hình 1. Mô hình tính toán của hệ thống truyền dẫn tín hiệu FTTH [1]
Máy
p
hát
n
n
Máy
thu 1
Máy
thu n
Máy
thu n
Máy
thu 1
n máy
n máy
n n
Máy
thu 1
Máy

thu n
Máy
thu n
Máy
thu 1
n máy
n máy
Trạm trung
gian
Trạm trung
gian
h
1
1
h h
k
2
1
F

1
G

1
1
1
α

1
−

k
α
0
α

ma
y
thu
k
−
α

k
G
2
G
2
F
k
F
s
α

k
α

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

168
Từ các biểu thức trên ta tìm ra được tỉ số tín hiệu trên nhiễu điện cho bộ thu

quang:

2
2
2
2
.
4
)
2
(24
RR
TBkB
BP
B
B
mPP
B
B
P
eSNR
L
eBe
oAse
o
e
tAses
o
e
s

+−+
=
∑
(6)
Với
oe
BB , lần lượt là băng tần điện và băng tần quang của hệ thống,
B
k là hằng số
Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối,
L
R là điện trở tải của bộ thu.
Mặt khác hệ thống thiết kế phải đảm bảo về quỹ công suất và quỹ thời gian lên
theo biểu thức:
Quỹ công suất :
duphòngsenlossphát
PPPP
+
+
≥ (7)
Quỹ thời gian lên:
BW
TTTTT
hethongtachsongfibernguontinhtoan
7,0
1,11,1
222
=<++= (8)
3. Tính toán thiết kế hệ thống FTTH cho
50.000 thuê bao tại thành phố Đà Nẵng

Nhằm nâng cao khoảng cách truyền
dẫn và số thuê bao, đáp ứng nhu cầu sử dụng
thuê bao rất lớn trong thành phố, đồng thời dựa
vào kết quả khảo sát và tính toán cho hệ thống
phân phối có các bộ EDFA mắc chuỗi ở trên,
bài báo tiến hành một số giải pháp dưới đây:
+ Trên mỗi phân đoạn của từng nhánh
đặt một bộ EDFA có hệ số khuếch đại G đúng
bằ
ng công suất
α
trên phân đoạn đó. Nghĩa là
1=G
α
(lần). Chọn G = 15dB. Việc chọn như
vậy nhằm hạn chế các thành phần nhiễu liên
quan đến phát xạ tự phát tại các máy thu [1].
Ngoài ra, tổn hao công suất 15dB chính là độ
lệch công suất giữa hai máy thu đặt ở đầu đầu
và đầu cuối mỗi phân đoạn bất kỳ. Việc chọn
độ lệch tương đối nhỏ này nhằm tránh yêu cầu
khắt khe về dải động cho các máy thu. Đồng
thời khi chọn 1=G
α
thì công suất tín hiệu đến
các máy thu ở các vị trí tương ứng nhau trên
từng phân đoạn là bằng nhau, bất kể phân đoạn
đó ở gần hay xa đài phát. Đây là điểm mấu
chốt cho phép tăng cao số lượng thuê bao trong
thành phố.

Xuất tổ hợp
thỏa
mãn
Đún
g

Tgian lên
sysr
TT < ?
Đúng
Sai
End
BER=
12
10
−
. Tính
Tính
Ps
, gán số
k:=k+1
Tính
∑∑ TLoss
PP ,

Begin
Nhập các thông số của hệ
thống: S hao, CS phát, tán sắc,
băng thông…
S

Đúng
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

169
+ Khác với các thành phố lớn ở các nước phát triển, mật độ dân cư ở các thành
phố lớn của nước ta như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Hải Phòng… đều tập
trung rất cao ở trung tâm thành phố nên trong thiết kế này bài báo chọn khoảng cách
giữa 2 trạm trung gian là 200m. Từ mỗi trạm trung gian sẽ có bộ chia quang hình sao
100 nhánh cung cấp trực tiếp cho 100 thuê bao lân cận. Chiều dài tuyến là khoảng
20km.
+ Từ các cơ sở phân tích ở trên, bài báo ch
ọn số thuê bao bước đầu là khoảng
50.000 với tốc độ bit trên đường truyền là 155Mb/s (chuẩn STM-1). Tỉ lệ lỗi bit BER
cho phép ở máy thu các thuê bao là
12
10
−
. Sau đó, tính toán tương tự với các tốc độ bít
cao hơn: 625Mb/s(STM-4) và 2,5Gb/s(STM-16).
+ Thuật toán:
4. Sơ đồ khối thiết kế mạng FTTH và các kết quả thu được từ việc mô phỏng
Sau khi tính toán, thiết kế, tiến hành thực hiện mô phỏng bằng phần mềm
chuyên dụng để kiểm tra tính đúng đắn của các thông số, đồng thời xây dựng được các
biểu đồ thể hiện mối liên quan giữa các thông số để đưa ra các đề xuất cho việc tính
toán thiết kế tuyến.
Từ hình 4 và hình 5 ta thấy muốn tăng hệ số phẩm chất của hệ thống (tức là
Hình 2. Sơ đồ khối thiết kế mạng FTTH tại Thành phố Đà Nẵng
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

170

giảm tỉ lệ lỗi bit BER) ta có thể tăng công suất phát hoặc tăng độ khuếch đại của các
EDFA. Việc tăng độ khuếch đại lên 1 giá trị rất nhỏ cũng có thể làm chất lượng hệ
thống tăng lên rất nhiều lần. Đồng thời, ứng với cùng một công suất phát, hệ thống có
Hình 4. Sự thay đổi của Q theo công suất phát và các biểu đồ mắt tại máy thu tương ứng với
3 tốc độ bit khác nhau và các công suất phát khác nhau.
Hình 5. Sự thay đổi của Q theo độ khuếch đại của các EDFA
trong hệ thống có tốc độ bit 155Mb/s
Hình 3. Sơ đồ khối thiết kế của mỗi phân đoạn

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

171
tốc độ bít càng cao thì có hệ số phẩm chất càng nhỏ (tức là tỉ lệ lỗi bit BER tăng). Điều
này là do các hệ thống tốc độ cao chịu nhiều ảnh hưởng của tán sắc và khi tốc độ bít
càng cao thì băng thông yêu cầu phải càng rộng làm cho các loại nhiễu đều tăng lên.
Mặt khác, ở hệ thống 155Mb/s ta có thể thấy ở những giá trị nhỏ, Q tăng chậm, nhưng
tại nh
ững giá trị lớn của công suất phát và độ khuếch đại thì hệ số phẩm chất tăng rất
nhanh. Trong khi đó, ở các hệ thống tốc độ bit cao hơn (đặc biệt là ở tốc độ bit 2.5Gb/s)
thì việc tăng công suất phát không làm Q thay đổi nhiều và rõ rệt như ở hệ thống
155Mb/s. Tuy nhiên, nếu tăng công suất phát hoặc độ khuếch đại lên quá cao sẽ gây ra
các hiệu ứng phi tuyến và dải độ
ng của máy thu sẽ không đáp ứng được. Vì vậy, tùy
thuộc vào giá trị BER cho phép mà ta sẽ chọn các thông số thích hợp
Hình 6 biểu diễn quan hệ giữa tỉ lệ lỗi bit BER và công suất tại đầu vào máy thu
của hệ thống tương ứng với các tốc độ bit là 155Mb/s(STM-1), 625Mb/s(STM-4) và
2,5Gb/s(STM-16). Ta thấy để đạt được cùng một tỉ lệ lỗi bit BER thì công suất tại đầu
vào máy thu cuối tuyến tương ứng với tốc độ
bit cao hơn phải lớn hơn. Dựa vào đồ thị
ta có thể tìm ra được độ nhạy của máy thu quang tùy vào BER cho phép của hệ thống.

Trong hệ thống FTTH được thiết kế, tỉ lệ lỗi bít BER cho phép là 10
12−
, vì vậy ta có thể
dễ dàng tìm được độ nhạy của máy thu thông qua đồ thị tương ứng với các tốc độ bít
155Mb/s, 625Mb/s và 2,5Gb/s lần lượt là khoảng -29,6dBm, -26,5dBm và -22dBm
(tương ứng với 3 biểu đồ mắt trên hình vẽ).

5. Kết luận
Bài báo đã thiết kế và tính toán một hệ thống FTTH phù hợp cho 50.000 thuê
bao tại thành phố Đà Nẵng. Vì các điều kiện phục vụ cho việc đo đạc, kiểm tra trong
thực tế còn rất hạn hẹp nên việc mô phỏng bước đầu (được so sánh với các kết quả tính
toán) cho ra các kết quả khả quan đã cho thấy bài báo mang tính thực tiễn cao và có thể
áp dụng được vào thực tế. Mặt khác bài toán có thể mở r
ộng nhiều nhánh để tăng lên
hàng trăm ngàn thuê bao, đáp ứng với nhu cầu thông tin liên lạc của nhân dân ở các
thành phố lớn.
Hình 6. Quan hệ giữa
BER và công suất tại
máy thu ứng với 3 tốc
độ bit khác nhau và
các biểu đồ mắt tại
máy thu trong 3 trường
hợp tại các độ nhạy
máy thu khác nhau.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

172

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Văn Tuấn, “ Nâng cao độ nhạy trong hệ thống thông tin sợi quang
Coherence tốc độ cao”, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội , 2002.

[2] David Gutierrez, Kyeong Soo Kim, Salvatore Rotolo, Fu-Tai An, Leonid
G.Kazovsky, “FTTH Standards, Deployments and Research Issues”, Photonics and
Networking Research Laboratory, Standford University; Advanced System
Technology, STMicroelectronics, 2005.
[3]
Vũ Văn San, “Nâng cao độ nhạy thu quang để giải phóng băng tần trong các hệ
thống thông tin quang”. Học viện công nghệ bưu chính viễn thông, Luận án tiến sỹ
kỹ thuật, mã số 2.07.14, Hà Nội-2000.
[4]
Chinlon Lin, “Broadband Optical Acess Networks and Fiber to the Home”, Center
for Advanced Research in Photonics, Chinese University of Hong Kong, 2006.