kỹ thuật ghép kênh WDM và ứng dụng trong mạng quang định tuyến theo bước sóng

Lời cảm ơn
Được sự phân công của nhà trường cùng sự đồng ý của giảng viên hướng
dẫn TS. Phạm Việt Hưng tôi làm bài viết này với đề tài “ kỹ thuật ghép kênh
WDM và ứng dụng trong mạng quang định tuyến theo bước sóng”.
Để hoàn thành bài viết tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã tận tình
hướng dẫn trong quá trình học tập và nghiên cưu tại trường đại học Hàng Hải
Việt Nam.
Xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn là giảng viên Phạm Việt Hưng đã
tận tình hướng dẫn tôi trong bài viết này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức hoàn thành bài viết một cách tốt nhất nhưng
vì lần đầu làm quen với việc nghiên cứu khoa học cũng như vì kiến thức có hạn
không thể tránh khỏi những sai sót nhất định mà bản thân chưa thể tự nhận ra
được, rất mong được sự góp ý của các thầy cô cùng các bạn để bài viết được
hoàn chỉnh hơn.

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là bài viết của tôi được sự hướng dẫn của giảng viên
hướng dẫn TS. Phạm Việt Hưng .Các nội dung nghiên cứu được tôi trình bày
bao gồm nhiều nguồn được tôi tổng hợp và trích dẫn .các bảng biểu và nội dung
trích dẫn được ghi rõ trong bài ngoài ra còn một số nhận xét đánh giá của các tác
giả khác đều được ghi rõ nguồn gốc trong bài

11


Nếu phát hiện có sự gian lần nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội
dung luận văn của mình. Trường đại học Hàng Hải không liên quan gì tới những
hành vi vi phạm tác quyền của mình trong quá trình làm bài (nếu có).

MỤC LỤC

22


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hìn
h
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2.1
2.2
2.3
2.4
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9

Tên hình vẽ
Sơ đồ khối hệ thống một hướng
Sơ đồ khối hệ thống hai hướng
Biểu điễn vị trí các cửa sổ trên phổ ánh sáng
cấp mạng quang theo lớp

trúc mạng truyền tải quang
Mạng định tuyến theo bước sóng
OXC chuyển mạch sợi
OXC 3x3với 2 bước sóng trên 1 sợi quang
Các kiểu biến đổi bước sóng
Phân loại các phương thức bảo vệ đảm bảo duy trì mạng
Bảo vệ OCh-DPRing
OMS-SPRing 4 sợi trong tình trạng hoạt động a) và bị sự cố
Bảo vệ tuyến trong mạng hình lưới a) 1:1 và b) 1:3
Các cấu hình mạng khác nhau khi xảy ra sự cố đối với w1 và w2
Bảo vệ theo tuyến trong mạng hình luới
Kỹ thuật bảo vệ double-cycle-cover
Bảo vệ p-cycle
Bảo vệ generalized loopbackM

Tran
g
2
2
4
5
6
21
24
25
27
38
39
40
41

42
43
45
46
46

DANH MỤC BẢNG
Bản
g
1.1
1.2
1.3

Tên bảng

Trang

SMF và các tham số chính
sợi DSF và các tham số chính
Các tham số của sợi NZ-DSF

10
11
12

33


MỞ ĐẦU
Với công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM(Wavelength Division

Multiplexing) ta có thể có được dung lượng lớn hơn bằng cách ghép các bước
sóng với nhau trên cùng một sợi cáp, như vậy dung lượng sẽ tăng nên dựa trên
số bước sóng ghép trên liên kết đó.
Tuy nhiên như thế vẫn là chưa đủ, việc tổn thất lưu lượng do sự cố xảy ra
trong các thành phần của mạng có mức độ nghiêm trọng không giống nhau tùy
thuộc vào quy mô của mạng WDM. Để giải quyết vấn đề người ta nghiên cứu
nhiều giải pháp khác nhau trong dó có phương thước khôi phục và phương thức
bảo vệ.
-

Phương thức bảo vệ:giúp cho mạng hồi phục nhanh nhờ chuyển lưu lượng
trên luồng quang đang bị gián đoạn sang các luồng quang được chuẩn bị từ
trước khi sự cố xảy ra các luồng này được gọi là luồng quang dự phòng
,với phương pháp này việc khôi phục sự cổ đảm bảo 100% với điều kiện

-

không xảy ra sự cố đồng thời trên cả 2 luồng
Phương pháp khôi phục: khác với phương pháp bảo vệ ở chỗ việc xác định
đường đi và bước sóng của tuyến dự phòng được thực hiện sau khi sự cố
xảy ra như thế có thể giản được việc thiếu bước sóng cho tuyến dự phòng
tuy nhiện lại tiêu tốn nhiều thời gian hơn vì mất thêm khoảng thời gian xác
định tuyến dự phòng
Việc thiết kế cấu trúc mạng logic (bảo vệ / khôi phục) đều tập chung vào

việc vừa giảm thiểu tài nguyên của tuyến dự phòng mà lại giảm được xác xuất
mà yêu cầu thiết lập tuyến quang bị từ chối (từ chối do thiếu tài nguyên mạng),
như vậy nhiều nghiên cứu đã được triển khai từ đó đưa ra khái niệm của khả
năng phục hồi lỗi là chất lượng dịch vụ QoS.

44


Hiện nay số lượng sử dụng của mạng ngày một tăng cao thì việc xây dựng
một hệ thống sử dụng bước sóng thật hiệu quả đảm bảo thời gian khôi phục sau
sự cố. Với chất lượng tin cậy QoR là đơn vị định lượng QoS mới để dựa theo đó
xây dựng các tuyến quang có đọ tin cậy cao ,theo đó việc xây dựng mạng có độ
tin cậy cao quan trọng hơn rất nhiều so với việc quản lý hiệu quả tài nguyên
mạng.
Bài viết gồm 3 chương như sau:
-

-

Chương I: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng
Trong đó gồm nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM và các vấn đề
trong công nghệ này
Chương II: Mạng quang định tuyến theo bước sóng
Trong đó trình bày sơ lược về mạng quang định tuyến theo bước sóng đồng
thời đề cập tới các phần tử cấu thành cũng như vấn đề định tuyến và gán

-

bước sóng trong mạng (WDM)
Chương III: Các phương thức bảo vệ trong mạng WDM

Giới thiệu về các cơ chế bảo vệ của mạng toàn quang cũng như nâng cao độ an
toàn của mạng.

55

Chương I : NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG
WDM
1.1. Nguyên lý ghép bước sóng
a. Khái niệm
WDM (wavelength division multiplexing) ghép kênh phân chia theo bước
sóng là một biện pháp kỹ thuật không thể thiếu trong mạng toàn quang kỹ thuật
này mang lại nhiều kênh quang riêng rẽ, độc lập trên cùng một sợi quang.
Điểm nổi bật của hệ thống WDM là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên
trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode làm tăng dung lượng truyền
dẫn của hệ thống đồng thời giảm giá thành xuống mức thấp nhất. Ở đây việc
ghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào chính vì thế WDM khắc phục
được hoàn toàn các nhược điểm của hệ thống điện khi mà tốc độ truyền dẫn cao
cũng như cự ly xa.
Trong suốt quá trình hoạt động phát triển công nghệ WDM ghép kênh theo
bước sóng mật độ thấp được thay thế bằng khái niệm DWDM ghép kênh theo
mật độ cao. Công nghệ càng phát triển thì khoảng cách giữa các kênh ngày một
thu hẹp, hiện nay DWDM cho phép 80 kênh riêng biệt với khoảng cách giữa các
kênh chỉ có 0.5 nm . Hệ thống thiết bị này đã được thương mại hóa
Khi nói đến WDM không thể không nói tới DWDM vì những sản phẩm
công nghệ loại này hiện diện khắp nơi .Do đó để thuận tiện chúng ta dùng thuật
ngữ WDM để nói chung cho 2 khái niệm này trong trường hợp cần phân biệt
giữa 2 khái niệm chúng ta sẽ có chú thích kèm theo.
b. Hệ thống WDM và các phần tử cấu thành.
Có thể nói hệ thống WDM như một hệ thống TDM truyền thống cả hai đều
gồm các bộ phát ,thu ở 2 phía còn ở giữa là sợi quang ,các bộ lặp.
Sự khác biệt của hai hệ thống ở chỗ với TDM trên 1 sợi chỉ có một kênh
duy nhất còn với hệ thống WDM cũng với một sợi đó ta có thể có được rất nhiều

6


kênh khác nhau cùng hoạt động nói cách khác WDM là một hệ thống TDM hoạt
động song song dùng chung 1 thiết bị và sợi quang.
Mỗi hệ thống là những thiết bị tương tác qua lại mỗi đầu sẽ thực hiện cả
việc phát tín hiệu đi và thu nhận tín hiệu về trong WDM tính tương tác sẽ được
thực hiện trên môi trường sợi quang. Từ đo người ta phân WDM thành hai loại:
- Hệ thống ghép bước sóng một hướng: với kiểu này mỗi hướng truyền dẫn
sẽ sử dụng một sợi quang riêng biệt nghĩa là mỗi hệ thống sẽ chỉ phát tín hiệu đi
trên một sợi cáp và nhận tín hiệu về trên một sợi cáp khác. Nhu vậy tuyến truyền
sẽ cần tới 2 sợi cáp riêng biệt.

Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống một hướng
-

Hệ thống ghép bước sóng hai hướng: khác với hệ thống một hướng ở kiểu
này tín hiệu phát đi và nhận về được truyền qua cùng một sợi cáp.

Hình 1.2.Sơ đồ khối hệ thống hai hướng
c. Công nghệ WDM và ưu nhược điểm
WDM cho thấy những ưu điểm vượt trội của mình so với hệ thống truyền
dẫn đơn kênh quang.
Ưu:
- Với chỉ một đường truyền dẫn ta có được rất nhiều kênh quang mỗi kênh
sẽ có một tốc độ bit nào đó (TDM). Do đó WDM có dung lượng truyền đẫn lớn
hơn nhiều

7

“Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu
TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử nghiệm
thành công. Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới
STM-256 (40Gbit/s).”
- Khắc phục được nhiều bất lợi trong việc truyền dẫn tốc độ cao về các
tham số như tán sắc… vì TDM là hệ thống truyền dẫn đơn kênh nên để tăng tốc
độ ta buộc phải tăng tốc độ số liệu nên rất nhiều trong khi đó với WDM tốc độ
trong mỗi kênh tăng nên không nhiều vì có nhiều kênh khác nhau.
- WDM là hệ thông rất linh hoạt, người ta có thể thay đổi dung lượng hệ
thông ngay cả khi đang hoạt động. Kỹ thuật này cho phép tăng thêm lượng lớn
dung lượng của mạng mà không cần lắp đặt thêm đường truyền dẫn mới. Việc
nâng cấp lại vô cung đơn giản.
- Việc sử dụng công nghệ WDM khiến cho khả năng quản lý băng tần vô
cùng hiệu quả khả năng thiết lập lại cấu hính một cách vô cùng nhanh chóng
- Cũng nhờ sự mềm dẻo nên công nghệ này giúp giảm được rất nhiều chi
phí đầu tư mới.
Những ưu điểm là vô cùng rõ ràng tuy nhiên ghép kênh theo bước sóng
cũng có 1 số mặt hạn chế. Những hạn chế này cũng chính là vấn đề nhức nhối
cần phải giải quyết trong tương lai.
- So với băng tần của sợi quang thì dung lượng hệ thống còn quá nhỏ .Hiện
nay việc nâng cao dung lượng của hệ thống đã khá hiệu quả tuy nhiên vẫn chưa
phải là giải pháp tối ưu để có thể tận dụng được hết băng tần của sợi quang.
1.2. Sự phát triển của truyền dẫn quang
Từ thế kỷ XIX người ta bắt đầu sử dụng truyền dẫn bằng sợi quang.
Truyền dẫn quang đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng cao của con người với
cá ưu điểm nổi bật như dung lượng truyền tải lớn tốc độ cao chất lượng tín hiệu
tốt nhờ tránh được một số vấn đề lỗi đường truyền như nhiễu điện từ. Đến này
mạng toàn quang ngày càng được phát triển một cách rộng rãi.

8


Trong mạng quang dẫn người ta sử dụng những bước sóng trong một phổ
nhất định , theo đó với bước sóng trong phổ này người ta tính toán được suy hao
là nhỏ nhất. Những vùng nằm giửa các khu vực có độ hấp thụ ánh sáng cao được
gọi là “cửa sổ”
Đầu tiên người ta sử dụng các bước sóng xấp xỉ 0.850 μm được gọi là cửa
sổ thứ nhất sau đó với sự tiến bộ cũng như nhiều nghiên cứu người ta nhận ra
rằng khu vực bước sóng 1.310 μm có hệ số suy hao thấp hơn đó là cửa sổ thứ 2
(băng S) rồi đến cửa sổ thứ 3 với bước sóng 1.550 μm (băng C) . Cho đến nay
một cửa sổ mới vẫn đang được nghiên cứu để sử dụng đó là cửa sổ thứ tư với
bước sóng vào khoảng 1.625 μm

Hình 1.3. Biểu điễn vị trí các cửa sổ trên phổ ánh sáng
Công nghệ ghép kênh theo bước sóng được sử dụng lần đầu vào những
năm 80 khi đó người ta sử dụng hai bước sóng cách nhau khá xa là 1.310 μm và
1.550 μm (hoặc 0.850 μm hoặc 1.310 μm ) và được gọi là WDM băng rộng .
Đến những năm 90 công nghệ ghép kênh theo bước sóng thế hệ thứ 2 bắt đầu
xuất hiện còn gọi là WDM băng hẹp sử dụng từ 2 đến 8 kênh. Các kênh này
được lấy trên cửa sổ thứ ba với bước sóng 1.55 μm và mỗi kênh cách nhau
400GHz. Sau đó các hệ thông ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM)
được phát triển với từ 16 đến 40 kênh với các kệnh trên cùng cửa sổ và cách
nhau khoản 100 đến 200 GHz . Sau đó công nghệ tiếp tục được phát triển đến
9


cuối những năm 90 công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao đã đạt 64
đến 160 kênh với khoảng cách cách kênh ngày càng thu hẹp , thậm chí chỉ có 25
GHz

1.2.1

Lớp quang

Trong hệ thống phân cấp mạng theo lớp, lớp quang có chức năng cung cấp
dịch vụ cho các lớp mạng cao hơn như SONET/SDH, IP, ATM... Có thể coi các
lớp này là các lớp khách hàng (client) còn lớp quang là lớp phục vụ (server).
“Lớp quang được chia nhỏ thành các lớp con. Một định nghĩa về lớp con đã
được đề xuất tại khuyến nghị G.872, theo đó, lớp quang được chia thành 3 lớp
con: lớp kênh quang OCH, lớp đoạn ghép kênh quang OMS và lớp đoạn truyền
dẫn quang OTS như được chỉ ra trên hình vẽ”.

Hình 1.4 :Phân cấp mạng quang theo lớp

10


Hình 1.5. Kiến trúc mạng truyền tải quang
Lớp kênh quang xử lý toàn trình mạng và vận chuyển một cách trong suốt
các tín hiệu khách hàng dưới nhiều khuôn dạng khác nhau (SDH, ATM, IP....)
Lớp này có các chức năng sau:
- Sắp xếp lại các kết nối kênh quang để việc định tuyến trong mạng mềm dẻo.
- Giám sát kênh quang để cho phép thực hiện các hoạt động khai thác và quản
lý ở mức mạng, chẳng hạn cung cấp kết nối, chất lượng dịch vụ QoS....
Lớp đoạn ghép kênh quang tương ứng với một liên kết điểm-điểm trên
tuyến của một kênh quang (bước sóng) và có các chức năng sau:
-

Xử lý phần mào đầu đoạn để đảm bảo tính toàn vẹn của các thông tin đoạn

-

ghép kênh quang.
Giám sát đoạn ghép kênh quang để cho phép thực hiện các hoạt động khai
thác và quản lý ở mức đoạn, chẳng hạn nâng cao an toàn đoạn ghép kênh.
Lớp đoạn truyền dẫn quang OTS tương ứng với chức năng truyền dẫn các

tín hiệu quang khác nhau trên phương tiện truyền dẫn quang.
1.2.2. Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM
1.2.2.1. Nguồn phát
a. Yêu cầu đối với nguồn phát

11


- Độ rộng phổ vạch và phổ hẹp : Về nguồn phát WDM cũng sử dụng các
nguồn tương tự một hệ thống truyền dẫn đơn kênh cự ly dài , nhưng trong WDM
người ta sử dụng loại laser DFB hoặc DBR có vạch phổ duy nhất trong dải phổ
của nó. Độ rộng tùy thuộc vào dung sai của các phần tử trong hệ thống và số
lướng của các kênh.
- Độ ổn định của bước sóng phát: Độ ổn định của bước sóng khi phát là rất
cần thiết trong WDM. Trong quá trình phát bước sóng phát cần giảm thiểu sự
thay đổi tránh những ảnh hưởng không tốt đến các chỉ tiêu khác trong hệ thống
“Nguyên nhân của hiện tượng này là do mức năng lượng cao trong hốc
cộng hưởng của Laser và trên bề mặt phản xạ sẽ sinh ra sự thăng giáng vật liệu
trong suốt thời gian hoạt động và gây nên sự trôi bước sóng phát”.
- Khả chỉnh: là khả năng điều chỉnh của cả bộ phát lẫn bộ thu . Nó có ảnh
hưởng rất lớn đến toàn bộ hệ thống .trong thông tin quảng bá hiện nay thì laser
khả chỉnh có ý nghĩa rất lớn.
- Laser đa bước sóng:

Trong tương lai mạng quang cần có khả năng đáp ứng nhanh đối với các
nguồn khả chỉnh .để thực hiện được điều này có thể tích hợp nhiều laser có bước
sóng khác nhau trên cùng 1 nền .kiểu này có thể điều chỉnh rất nhanh do chỉ cần
lựa chọn bước sóng phát phù hợp như vậy hệ thống có thể cho phep hoạt động
với nhiều bước sóng.
b. Một số loại nguồn phát thông dụng
Các nguồn được sử dụng phổ biến hiện nay là diode phát quang hoặc laser
bán dẫn
1.2.2.2. Phần tử tách ghép bước sóng
Các tham số cơ bản của các phần tử:
- Bước sóng trung tâm: là bước sóng ở trung tâm của băng phản xạ đối với
cách tử và là bước sóng ở giữa hai cạnh của băng đối với các bộ lọc
- Băng tần: là dải bước sóng giữa cạnh của các bộ lọc còn đối với các cách
tử thì băng tần đặc trưng cho dải bước sóng phản xạ.
12


- Đỉnh phản xạ: là tham số định nghĩa cho cách tử, nó tương ứng với năng
lượng phản xạ tại bước sóng trung tâm.
- Bước sóng danh định: là tham số do nhà sản suất đưa ra .Trong thực tế
bước sóng danh định thường khác bước sóng trung tâm
- Suy hao xen: nó xảy ra do sự tổn hao trên các đường truyền do sự xuất
hiện của các bọ ghép bước sóng trên các tuyến truyền đó .suy hao xen gồm hai
loại.
+ Suy hao do đặc tính của các bộ ghép không thể đạt được mức lý tưởng
+ Tổn hao sinh ra tại các điểm ghép nối trên đường truyền, chủ yếu là
điểm ghép nối giữa các bộ ghép bước sóng với nhau và giữa các bộ
ghép với các phần tử của đường truyền dẫn quang.
-

Xuyên kênh: là sự xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau, tín hiệu của

kênh này lai xuất hiện trong kênh khác lân cận với nó dẫn đến giảm tỷ số (S/N)
Nguyên nhân dẫn đến nhiễu:
+ Phổ một kênh lại bị lọt vào băng thông một kênh khác.
+ Do đặc tính của thiết bị, chủ yếu là do sự không hoàn hảo của các bộ
cách ly cũng như các bộ chọn lọc
+ Do quá trình sử lý tín hiệu quang không hoàn hảo, các hiện tượng như
phản xạ, khúc xạ hay hội tụ diễn ra một cách không hoàn toàn dẫn đến việc
các tia bị mất mát hoặc biến đổi
+ Do khi đưa công suất cao vào đường truyền thường dẫn tới các hiệu
ứng phi tuyến như: SBS, FWM, XPM, SRS
- Độ rộng của phổ kênh: là vùng bước sóng được sử dụng cho một kênh
.độ rộng của phổ kênh càng nhỏ thì sự xen nhiễu càng dễ xảy ra nhưng quá lớn
dẫn đến tồn tài nguyên vì thế với mỗi loại nguồn quang khác nhau nó sẽ được
xác định sao cho phù hợp nhất.

13


1.2.2.3. Các loại sợi quang
a. Sợi SMF “theo ITU G.652”
Bảng 1.1. SMF và các tham số chính
Các Tham số
Đường kính trường mode tại 1310nm
Đường kính vỏ phản xạ
Độ đồng tâm của trường mode tại bước

Giá trị
(9÷10μm) ± 10%

125 ± 3 μm
≤ 1 μm

sóng 1550nm
Độ không tròn đều của trường mode

Rất nhỏ không ảnh hưởng tới lan

Độ không tròn đều của vỏ phản xạ
Suy hao uốn cong ở bước sóng 1550nm

truyền và đấu nối tín hiệu
≤2%
≤ 1dB khi uốn cong 100 vòng với bán

Hệ số suy hao

kính uốn cong 37.5 mm
≤ 0.5 ở vùng bước sóng 1310nm

Hệ số tán sắc

≤ 0.3 ở vùng bước sóng 1550 nm
≤ 3.5 (1285-1330 nm)
≤6

(1270-1340 nm)

≤ 20 (1550 nm)
Thường có dạng mặt cắt chiết suất

Dạng mặt cắt chiết suất

phân bậc
Loại sợi: SMF cho cự ly tới ≈ 1000 kilomet, tốc độ STM-16 mà không
cần sử dụng tới các bộ bù tán sắc. nhưngtới tốc độ STM-64 thì chỉ cho cự ly
khoảng ≈ 60 kilomet nếu không dùng thêm các bộ bù tán sắc do vùng bước sóng
1.550 μm có độ tán sắc lớn nên hiệu ứng FWM không diễn ra trong sợi SMF.

b. Sợi DSF “theo ITU G.653”
Bảng 1.2. Sợi DSF và các tham số chính
Các Tham số

Giá trị
14


Đường kính trường mode tại 1550 nm
Đường kính vỏ phản xạ
Độ đồng tâm của trường mode tại bước

(7.0÷8.3μm) ± 10%
125 ± 2.4% ( ± 3 μm)
≤ 1 μm

sóng 1550nm
Độ không tròn đều của trường mode

Rất nhỏ không ảnh hưởng tới lan

Độ không tròn đều của vỏ phản xạ
Suy hao uốn cong ở bước sóng 1550nm

truyền và đấu nối tín hiệu
≤2%
≤ 0.5 dB khi uốn cong 100 vòng với

Hệ số suy hao

bán kính uốn cong 37.5 mm
≤ 0.5 dB/km ở vùng 1310nm

Hệ số tán sắc

≤ 0.35 dB/km ở vùng 1550 nm
≤ 3.5 ps/nm.km trong vùng 15251575nm

Tán sắc mode phân cực
Là loại sợi rất tốt cho các hệ thống cự ly dài và dung lượng lớn, nhưng với
đặc điểm cần phải chọn vùng bước sóng đủ lớn để tránh hiệu ứng FWM làm hạn
chế khả năng tăng dung lượng nên DSF không phù hợp với các hệ thống sử
dụng WDM.

b. Sợi NZ-DSF “ theo ITU G.655 ”
Bảng 1.3. Các tham số của sợi NZ-DSF
Các Tham số
Giá trị
Đường kính trường mode tại 1550 nm (8÷11μm) ± 10%
Đường kính vỏ phản xạ
125 ± 2 μm)

Độ đồng tâm của trường mode tại
≤ 1 μm
bước sóng 1550nm
15


Độ không tròn đều của trường mode

Rất nhỏ không ảnh hưởng tới lan truyền

Độ không tròn đều của vỏ phản xạ
Suy hao uốn cong ở bước sóng

và đấu nối tín hiệu
≤2%
≤ 0.5 dB khi uốn cong 100 vòng với bán

1550nm
Hệ số suy hao
Hệ số tán sắc

kính uốn cong 37.5 mm
≤ 0.35 dB/km ở vùng 1550 nm
0.1 ps/nm. ≤ Dmin ≤ D max ≤
6.0ps/nm.km và 1530nm ≤ λmin ≤ λmax

Tán sắc mode phân cực

≤ 1560nm
< 0.5 ps/km

Là sợi đặc biệt phù hợp với công nghệ WDM tốc độ cao cự ly xa vì tán sắc
của sợi này đủ nhỏ để cho phép truyền với tốc dộ 10 Gb/s trên khoảng cách ≈
350 kilomet mà không cần dùng đến các bộ bù tán sắc đồng thời cũng đủ lớn để
hạn chế ảnh hưởng của hiệu ứng FWM trong dải băng (1.53 -1.565 μm).
1.2.2.4.Đầu thu “bộ tách sóng quang”
a. PIN
- Hiệu suất lượng tử QE: là tỷ số giữa các electron nhận được tại vùng
chuyển tiếp và số các proton tới. Hiệu suất lượng tử tuyệt đối là một nếu một
proton tới sẽ giải phóng một electron. QE phụ thuộc vào bước sóng đang hoạt
động.
- Độ đáp ứng: là tỷ lệ dòng proton đầu ra của thiết bị có đơn vị là A và
công suất đầu vào đơn vị là W. Đối với một photo diode silic thì độ đáp ứng ≈
900 nm là 0.44.
b, Photo diode thác APD
APD là một diode cơ bản của dạng diode PIN có hiệu điện thế ngược khá
lớn, nó vào khoảng 50 v.
Tham số chính của APD:
-

Tốc độ hoạt động

-

Độ nhậy

-

Nhiễu
16

-

Tích độ tăng ích và băng tần
1.2.2.5. Khuếch đại quang

Khuếch đại là điều vô cùng quang trọng trong truyền dẫn cự ly xa, nhờ có
khuếch đại mà tăng được khoảng cách truyền dẫn xa hơn như vậy mật độ của
các trạm lặp sẽ giảm đi rất nhiều từ đó tiết kiệm được chi phí. Trong công nghệ
WDM khuếch đại càng quan trọng hơn vì với nhiều kênh quang cùng lúc hoạt
động nên yêu cầu về khuếch đại sẽ nghiêm ngặt hơn yêu cầu đối với các mạng
đơn kênh.
EDFA và các yêu cầu khi sử dụng cho WDM:
- Đặc tính khuếch đại của EDFA: Là yếu tố có tính phi tuyến, trong các
băng tần khuếch đại thì đặc tính của nó không đồng nhất.Việc này dẫn tới hiện
tượng một số kênh có hệ số khuếch đại cao trong khi một số khác lại có hệ số
thấp hơn, sử dụng nhiều bộ khuếch đại này sẽ dẫn tới các ảnh hưởng đến chất
lượng đường truyền của hệ thống. Do đó đường đặc tính khuếch đại của EDFA
phải càng phẳng càng tốt.
- Nhiễu của bộ khuếch đại: chủ yếu sinh ra do hiện tượng khuếch đại tự
phát, tín hiệu khuếch đại kèm theo đó nhiễu cũng được khuếch đại theo, với các
tuyến có số lượng các bộ khuếch đại không lớn thì vấn đề này không ảnh hưởng
nhiều nhưng với tuyến có nhiều bộ khuếch đại thì ASE sẽ trực tiếp tác động đến
giá trị của OSNR
- Ảnh hưởng phân cực: đối với cá hệ thống cự lý thấp thì ảnh hưởng của sụ
phân cực là rất nhỏ và có thể bỏ qua nhưng với những hệ thống có cự ly xa khi
qua nhiều tằng khuếch đại hiện tượng này sẽ được tích lũy và ảnh hưởng trực
tiếp tới chỉ tiêu của hệ thống OSNR.
1.3. Xuyên nhiễu

Xuyên nhiễu giữa các kênh ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của một
hệ thông WDM. Với một hệ thống xuyên nhiễu có thể do nhiều nguyên nhân ở
đây ta có thể chia ra làm hai loại:

17


-

Xuyên nhiễu tuyến tính: Là sự xuyên nhiễu do đặc tính của thiết bị tách
kênh không lý tưởng. Mức độ nhiễu xuyên âm phu thuộc chủ yếu vào
khoảng cách giữa các kênh và kiểu thiết bị tách sóng .trong thực tế người ta
dựa vào thiết bị tách kênh và mức xuyên âm cho phép để xác đinh khoảng
cách giữa các kênh.

- Xuyên nhiễu phi tuyến: gây ra chủ yến bởi các hiệu ứng phi tuyến
1.3.1. Suy hao
Trong mọi đường truyền đều có suy hao với cáp quang cũng vậy .Trong
cáp quang năng lượng của ánh sáng bị suy hai theo cấp số mũ và có thể được
biêu diễn dưới dạng công thức toán học như sau với đơn vị là logarit:
(1.1)
Trong đó
PdBm (L) là công suất tín hiệu quang sau khoảng cách L (dBm)
PdBm (0) là công suất tín hiệu quang tại đầu phát (dBm)
L là chiều dài sợi cáp (km)
αdB/km là suy hao của sợi cáp, tính bằng (dB/km)
Sự hấp thụ cùng với tán sắc là nguyên nhân chính dẫn đến suy hao trong
cáp quang. Nguyên nhân chủ yếu của hấp thụ và tán sắc là do sự không lý tưởng
của sợi cáp ví dụ như sự tròn không đều của sợi cáp hay chiết xuất thay đổi theo
khoảng cách dẫn đến tán sắc còn vật liệu làm nên cáp quang cũng không thể nào

thật sự tinh khiết dẫn đến tín hiệu trên đường truyền bị hấp thụ.
Bước sóng càng ngắn thì hiện tượng hấp thụ càng mạnh hơn các bước
sóng dài chính vì vậy càng trải qua quá trình phát triển người ta càng nghiên cứu
sử dụng các bước sóng dài hơn ban đầu là 800 nm giờ đây đã nên tới 1550 nm
và cao hơn.
Công thức tính suy hao (đơn vị tuyến tính) :
(1.2)
1.3.2. Sự tán sắc
18


Tín hiệu ánh sáng truyền trong cáp quang, các thành phần khác nhau (mode
khác nhau hoặc tần số khác nhau) sẽ truyền với vận tốc không đồng nhất khi đó
xảy ra hiện tượng tán sắc kết quả là cá bit lân cận bị chồng lấn còn xung bị trải
rộng . Hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng giao thoa (ký hiệu ISI).
1.3.2.1. tán sắc vận tốc nhóm GVD
Có 2 kiểu tán sắc là tán sắc do vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng
(waveguide). Khai triển hằng số truyền sóng () tại tần số0 ta được :
(1.3)
trong đó :n() là chiết suất hiệu dụng của sợi cáp quang.
C là vận tốc ánh sáng trong chân không.
với k=0, 1, 2, 3.
Hệ sốβk, k = 0,1,2,3 được diễn dịch như sau:
-

β0 thể hiện độ lệch pha trong quá trình truyền sóng.
β1 xác định tốc độ của năng lượng lan truyền trong sợi cáp và là nghịch

-

đảo của vận tốc nhóm vg .
β2 biểu diễn sự phụ thuộc vào tần số của β1.. Nó xác định sự giãn rộng

-

của xung. Hiệu ứng này được gọi là tán sắc màu hoặc tán sắc vận tốc
-

nhóm.
β3 là độ dốc của GVD hay còn gọi là GVD bậc 2. Nó thể hiện sự phụ
thuộc vào tần số của GVD và bởi vậy thể hiện các đặc tuyến giãn rộng
khác nhau của các tín hiệu truyền ở các tần số khác nhau.

Người ta không hay xác định sự phụ thuộc của nghịch đảo vận tốc nhóm
theo tần số mà việc này được xác định theo bước sóng .với tham số tán sắc D và
độ dốc theo bước sóng S :
(1.4)
D được tính bằng ps.nm.km. Nó thể hiện độ giãn rộng ∆T của xung có độ rộng
∆λ sau quãng đường z hoặc tương đương với dộ lệch thời gian của hai xung sau
khoảng cách z :
(1.5)
19


1.3.2.2. Tán sắc màu
Mỗi sợi cáp đều có đặc trưng tán sắc màu khác nhau. Một sợi quang đơn
chế tạo từ silic không xảy ra tán sắc màu tại cửa sổ thứ 2 là 1310 nm nhưng lại
xảy ra tán sắc đáng kể khi sử dụng trên cửa sổ thứ 3 là 1550 nm .Tuy nhiên tán
sắc màu là hiện tược có thể bù được. Trong công nghệ hiện này loại sợi dịch tán
sắc DSF đang được nghiên cứu để sử dụng.

DSF rất phùi hợp đối với cá hệ thông tốc độ cao công nghệ cũ nhưng với
WDM thì không thích hợp vì độ rộng của cá kênh trong sợi này cần phải lớn để
tránh ảnh hưởng không tố của hiện tượng FWM và một số hiệu ứng phi tuyến
khác.
1.3.2.3. Tán sắc mode phân cực PMD
Ở sợi quang đơn mode thì tán săc phân cực là đặc trưng cơ bản ,như trên đã
nói hiện tượng tán sắc do lõi quang không tròn một cách lý tưởng ,việc này
khiến cho cá phân cực khác nhau của một tín hiệu sẽ truyền lan với các vận tốc
khác nhau .PMD làm giãn rộng xung tín hiệu và về phương diện này ảnh hưởng
của PMD cũng không khác tán sắc nói chungngoại trừ tán sắc là hiện tượng
tương đối ổn định trong khi PMD của sợi đơn mốtở bất cứ bước sóng nào đều
không ổn định.
1.3.3. Các hiệu ứng phi tuyến
Phi tuyến bao gồm hai loại ,đó là các hiệu ứng tán xạ kích thích brillouin và
Raman còn loại thứ 2 là cac hiệu ứng liên quan tới hiệu ứng Kerr sự khác biệt
giữa hai loại là ở các hiệu ứng tán xạ kích thích có một ngưỡng mà tại ngưỡng
đó các hiệu ứng phi tuyến mới bắt đầu thể hiện rõ ràng thì đối với hiệu ứng Kerr
không có ngưỡng như thế .
1.3.3.1. Hiệu ứng Kerr:
Thể hiện mỗi quan hệ giữa chiết suất của sợi quang và cường độ điện
trường được truyền lan trong sợi quang
(1.6)
20


trong đó

n0 là chiết suất tuyến tính
n2 là hệ số chiết suất phi tuyến

Chiết xuất n2 là rất nhỏ nhưng đó là khi so sánh với các môi trường khác
còn trong thông tin quang sẽ có sự tích tụ của các hiệu ứng phi tuyến khiến cho
hệ thống bị hạn chế đi rất nhiều
Kerr bao gồm một số hiệu ứng phi tuyến thông thường như : XPM, SPM,
FWM

a. SPM và XPM “Self-Phase Modulation và Cross-Phase Modulation”
Khi một tín hiệu có cường độ I(t) với pha ban đầu là Φ0 được phát ở các
tần số mang khác nhau trên sợi quang ,việc điều chế của tín hiệu ở kênh m sẽ
phụ thuộc vào việc phân bố công xuất của tất cả các kênh như sau:
(1.7)
trong đó

-Φm(t,z) là điều chế pha của kênh m
- Φ0, m là pha ban đầu của kênh m.
- n0, m là chiết suất tuyến tính của kênh m.
- n2 là chiết suất phi tuyến.
- k là chỉ số ký hiệu cho các kênh lân cận của kênh m.

là sự dịch pha tuyến tính được tích tụ lại trong cả quá trình truyền dẫn tín
hiệu
là sự dịch pha phi tuyến do quá trình điều pha của SPM tích tụ trong quá
trình truyền dẫn . hiện tượng này khiến cho phổ tín hiệu bị co giãn và nó tỷ lệ
với cường độ điện trường
là đặc trưng cho hiệu ứng chéo pha XPM , nó là độ dịch pha gây ra bởi sự
biến đổi của cường độ kênh lân cận (kênh k)
b. FWM

21

FWM hay là sự tương tác của các sóng mang tạo ra các tần số mới. Hiệu
ứng xảy ra khi hai tần số ω1và ω2 bị hấp thụ để tạo ra tần số ω3và ω4khi đó:
ω1 + ω2 = ω3 + ω4

(1.8)

Trong cáp quang có tồn tại của tán sắc nên điều kiện FWM rất khó xảy ra
nhưng với khoảng cách truyền dẫn lớn và khoảng cách các kênh không đủ lớn
thì điều kiện này có thể nói là gần đạt được.
Việc tạo ra các tần số mới là sự tổ hợp của các tần số tín hiệu nên công suất
của hệ thống sẽ bị FWM làm cho giảm đi đáng kể hơn nữa nó còn có thể gây
xuyên nhiễu giữa các kênh dẫn đến chất lượng của hệ thống bị suy giảm rất
nhiều.
FWM gây ảnh hưởng càng lớn nên hệ thống khi các kênh có khoảng cách
càng nhỏ và công suất càng lớn.
Do ảnh hưởng của FWM nên hệ thống WDM là không nhỏ nên một số
phương pháp được áp dụng như:
-

Phân chia các kênh phải lựa chọn tần số thật kỹ và khoảng cách các
kênh là không đồng đều như thế các phần nhiễu sẽ không đè nên phần

-

tín hiệu
Tăng khoảng cách giữa các kênh rộng hơn tuy nhiên điều này cũng kèm
theo là bằng thông của hệ thống sẽ lớn hơn dẫn đến yêu cầu về các bộ

-

khuếch đại cũng cao hơn.
Sử dụng sợi có các thông số phù hợp ví dụ sợi DSP giúp hạn chế ảnh
hưởng của FWM nên đường truyền dẫn

- Giảm khoảng cách giữa các bộ khuếch đại và công suất
1.3.3.2. Tán xạ kích thích SRS “Stimulated Raman Scattering”
Raman xảy ra khi một phần năng lượng của sóng bị hấp thụ bởi môi trường
truyền dẫn chuyển thành các dao động cơ học còn phần còn lại được phát xạ ra
ngoài với bước sóng lớn hơn bước sóng ban đầu .Trong sợi quang có cường độ
lớn quá trình này được gọi là quá trình kích thích SRS

22


Cũng như các hiệu ứng khác SRS cũng khiến cho việc tăng số kênh gặp
khó khăn hơn nữa nếu bước sóng tạo ra trùng với bước sóng của kênh khác thì
nó cũng gây xuyên nhiễu giữa các kênh.
1.3.3.3. Tán xạ kích thích Brillouin SBS
“Sóng âm học và sóng quang học trong sợi quang có thể tương tác với nhau
để tạo nên tán xạ kích thích Brillouin. Chùm laser tới sẽ tán xạ theo sự thay đổi
chiết suất sợi quang cùng với sóng âm, ánh sáng tán xạ tuỳ thuộc hướng truyền
của sóng âm mà bị dịch tần theo sóng âm. Tiến trình được gọi là kích thích vì sự
giao thoa giữa sóng tới và sóng tán xạ làm cho sóng âm được khuếch đại và có
xu hướng bơm thêm năng lượng cho sóng tán xạ. Tiến trình hồi tiếp dương này
có thể tạo nên sự bùng nổ theo hàm mũ ở sóng tán xạ SBS.
Tán xạ SBS làm suy yếu tín hiệu phát vì tạo ra sự tăng ích theo hướng
ngược với phương truyền sóng ánh sáng, nghĩa là hướng ngược về phía
nguồn phát. Ngưỡng SBS được định nghĩa tỷ lệ với:
(1.9)

trong đó

gB là hệ số tăng ích Brillouin
∆vS là độ rộng phổ tín hiệu
∆vB là độ rộng băng tần tăng ích Brillouin.

Như vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng để mức công suất của từng kênh và
khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM mà không phụ thuộc vào số
kênh của hệ thống.”

23


CHƯƠNG 2. MẠNG QUANG ĐỊNH TUYẾN THEO BƯỚC SÓNG
2.1. Định nghĩa
Mạng định tuyến theo bước sóng WRN là mạng toàn quang, trong đó việc
định tuyến các nút mạng dựa trên bước sóng tín hiệu. Thiết lập cấu hình mạng
quang định tuyến theo bước sóng chủ yếu liên quan đến việc lựa chọn đường đi
và gán bước sóng cho tuyến.
Mạng định tuyến theo bước sóng bao gồm 2 kiểu nút mạng: Nút đấu chéo
quang (cross - connect) OXC kết nối các sợi quang trong mạng và các nút biên
(edge) cung cấp giao diện giữa các hệ thống đầu cuối phi quang (chẳng hạn
router IP, chuyển mạch ATM...) với mạng lõi quang. Các nút truy cập cung cấp
điểm kết cuối (nguồn và đích) cho các tín hiệu quang. Các tuyến thông tin có thể
tiếp tục ra khỏi phần mạng quang, nhưng ở dưới dạng điện.

Hình 2.1. Mạng định tuyến theo bước sóng
24

Mạng định tuyến bước sóng cung cấp dịch vụ cho các hệ thống cuối thông
qua các kết nối logic, thường được gọi là quang tuyến (lightpath). Quang tuyến,
hay còn được gọi là λ-channel, là các tuyến truyền dẫn quang giữa các nút biên,
như được chỉ ra trên hình vẽ 2.1. Thông tin truyền trên quang tuyến không cần
phải biến đổi sang dạng điện trong phạm vi mạng quang, và bởi vậy, kiến trúc
các nút mạng quang có thể sẽ rất đơn giản vì không cần phải xử lý tín hiệu. Hơn
nữa, dung lượng truyền tải trên sợi quang là không hạn chế.
2.1.1 Các phần tử trong mạng
2.1.1.1. OADM
Theo nhu cầu thực tế của việc cần tách / ghéo một số kênh nào đó vào
luồng tín hiệu thì OADM là thiết bị để thực hiện điều đó OADM có thể thêm
vào và tách ra một kênh trực tiếp từ tín hiệu mà không gây nhiễu ở những kênh
thuộc sợi khác. OADM liên tục được nghiên cứu và phát triển khiến cho chứng
năng của nó ngày một hoàn thiện là linh hoạt hơn
2.1.1.2. OXC
OXC hay còn gọi là thiết bị đấu chéo quang nó cho phép chuyển mạch một
cách linh hoạt.
OXC được coi như nền móng của lớp quang, nó khiến cho các cấu hình
mạng trở nên vô cùng linh hoạt với độ tin cậy cao. Chủ yếu được sử dụng trong
các mạng được trục nhưng nó được kỳ vọng rất nhiều trong tương lai, rào cản
hiện thời vẫn chỉ là giá thành mà thôi.
Các chức năng của OXC:
-

-

Giúp quản lý băng tần hiệu quả và cung cấp kết nối cho các thuê bao
riêng rẽ
Tận dụng tối đa cơ sở vật chất hiện có của tuyến
Giảm bớt chi phí cho mạng

Thực hiện bảo vệ mạng
Định tuyến và liên kết

OXC có thể chia ra làm 2 loại:
25