Phân tích và thiết kế kiến trúc vật lý tuyến cáp quang có chuyển mạch bảo vệ tự động trên địa bàn tỉnh thừa thiên huế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐINH MINH CHÂU

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ KIẾN TRÚC VẬT LÝ
TUYẾN CÁP QUANG CÓ CHUYỂN MẠCH BẢO VỆ TỰ ĐỘNG
TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THỪA THIÊN HUẾ

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐINH MINH CHÂU

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ KIẾN TRÚC VẬT LÝ
TUYẾN CÁP QUANG CÓ CHUYỂN MẠCH BẢO VỆ TỰ ĐỘNG
TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THỪA THIÊN HUẾ

NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
TS. ĐẶNG XUÂN VINH

HÀ NỘI - 2015


1
LỜI CÁM ƠN
Trong quá trình học tập tại lớp Cao học Điện tử Viễn thông, Khóa 3, thuộc
trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội liên kết với Trƣờng Đại học
Khoa Học - Đại học Huế, tôi đã hoàn thành bản luận văn này.
Trƣớc hết, tôi xin gởi lời cám ơn chân thành tới TS. Đặng Xuân Vinh, ngƣời
thầy đã luôn tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt
thời gian tôi thực hiện luận văn.
Và xin đƣợc cám ơn quý thầy, cô trong Khoa Điện tử Viễn thông - trƣờng Đại
học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội và Khoa Điện tử Viễn thông - trƣờng Đại
học Khoa Học, Đại học Huế đã tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo và cho tôi những lời
khuyên vô cùng quý báu.
Học viên

Đinh Minh Châu


2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn là do tôi nghiên cứu dƣới
sự hƣớng dẫn của TS. Đặng Xuân Vinh. Các số liệu kết qủa trong luận văn là trung
thực và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2015
Ngƣời viết

Đinh Minh Châu


3
MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ..................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................2
MỤC LỤC .......................................................................................................................3
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................6
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................7
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM ..............................................13
1.1 Giới thiệu: ............................................................................................................13
1.2 Công nghệ WDM .................................................................................................15
1.2.1 Kỹ thuật ghép kênh theo bƣớc sóng ..............................................................15
1.2.2 Mô hình phân cấp lớp WDM: ........................................................................15
1.2.3 Các phần tử cơ bản trong mạng quang WDM: .............................................17
1.2.4 Phân loại hệ thống WDM: .............................................................................19
1.2.5 Ƣu nhƣợc điểm của công nghệ WDM ...........................................................20
1.3 Kết luận chƣơng 1 ................................................................................................21
CHƢƠNG 2 – KHẢO SÁT ĐỊA BÀN PHỤC VỤ.......................................................22
2.1 Thừa Thiên Huế: ..................................................................................................22
2.1.1 Vị trí địa lý: ....................................................................................................22
2.1.2 Khí hậu:..........................................................................................................23
2.1.3 Giao thông: ....................................................................................................23
2.1.4 Hành chính: ....................................................................................................23
2.2 Dự báo về nhu cầu về dung lƣợng tuyến quang nội tỉnh Thừa Thiên Huế: .........24
2.3 Đề xuất phƣơng án tăng dung lƣợng cho tƣơng lai..............................................25
2.4 Kết luận chƣơng ...................................................................................................25

CHƢƠNG 3 – CƠ CHẾ CHUYỂN MẠCH BẢO VỆ TỰ ĐỘNG...............................26
TRONG MẠNG QUANG WDM CẤU HÌNH RING ..................................................26
3.1 Chuyển mạch quang .............................................................................................26
3.1.1 Khái niệm .......................................................................................................26
3.1.2 Phân loại chuyển mạch quang .......................................................................26
3.1.2.1 Chuyển mạch kênh quang ...........................................................................26


4
3.1.2.2 Chuyển mạch gói quang .............................................................................28
3.1.2.3 Chuyển mạch chùm quang..........................................................................30
3.1.3 Cấu trúc bộ chuyển mạch quang ....................................................................32
3.2 Cơ chế bảo vệ tự động..........................................................................................34
3.2.1 Cơ chế bảo vệ riêng .......................................................................................36
3.2.2 Cơ chế bảo vệ chia sẽ ....................................................................................36
3.3 Kiến trúc vật lý và các cơ chế bảo vệ cho mạng quang RING WDM: ................37
3.3.1 Bảo vệ lớp kênh quang (Och): .......................................................................38
3.3.1.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình ring (OCh - DPRing): ......................................38
3.3.1.2 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình ring (OCh - SPRing) .....................................39
3.3.2 Bảo vệ lớp đoạn ghép kênh quang (OMS): ...................................................40
3.3.2.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình Ring (OMS - DPRing): ....................................40
3.3.2.2 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình vòng ring (OMS – SPRing): .........................41
3.4 Kết luận chƣơng 3 ................................................................................................44
CHƢƠNG 4 –THIẾT KẾ KIẾN TRÚC VẬT LÝ TUYẾN CÁP QUANG CÓ
CHUYỂN MẠCH BẢO VỆ TỰ ĐỘNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THỪA THIÊN HUẾ
.......................................................................................................................................46
4.1 Lựa chọn phƣơng án thiết kế: ..............................................................................46
4.2 Kiến trúc vật lý tuyến cáp quang trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế: ..................47
4.3 Đề xuất mạng quang cấu hình Ring cho các nút chính: .......................................48
4.3.1 Cấu hình và nguyên lý hoạt động: .................................................................48

4.3.2 Các sự cố xảy ra và cách khắc phục: .............................................................51
4.3.2.1 Lỗi đơn hƣớng: ...........................................................................................51
4.3.2.2 Lỗi đa hƣớng: ..............................................................................................52
4.3.2.3 Lỗi xảy ra cả trên tuyến hoạt động và tuyến bảo vệ: ..................................52
4.3.2.4 Sự cố xảy ra tại nút: ....................................................................................54
4.4 Kết luận chƣơng 4 ................................................................................................55
CHƢƠNG 5 – SỬ DỤNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM MÔ PHỎNG ......................56
TUYẾN QUANG THIẾT KẾ .......................................................................................56
5.1 Yêu cầu cụ thể của tuyến .....................................................................................56
5.2 Các vấn đề cần chú ý khi thiết kế cho các tuyến cáp ...........................................56
5.3 Các bƣớc thiết kế..................................................................................................57


5
5.3.1 Chọn tuyến .....................................................................................................57
5.3.2 Chọn sợi quang ..............................................................................................58
5.3.3 Tính toán và chọn thiết bị ..............................................................................59
5.3.4 Tính toán suy hao của tuyến quang thiết kế dựa trên thiết bị đã chọn ..........61
5.3.4.1 Tuyến quang theo chiều CCW: Từ trung tâm chuyển mạch Đà Nẵng ra
trung tâm chuyển mạch Hà Nội ..............................................................................61
5.3.4.2 Tuyến quang theo hƣớng CW từ trung tâm chuyển mạch thành phố Hà Nội
vào trung tâm chuyển mạch thành phố Đà Nẵng: ..................................................65
5.4 Mô phỏng hệ thống thông tin quang bằng phần mềm OptiSystem......................69
KẾT LUẬN ...................................................................................................................76
HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN .................................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................77


6
DANH MỤC BẢNG

Bảng 4 - 1 Phân bổ bƣớc sóng .......................................................................................46
Bảng 4 - 2 Số bƣớc sóng sử dụng cho tuyến cáp quang tỉnh ........................................48
Bảng 5 - 1 Giá trị suy hao trên đoạn 1 ...........................................................................61
Bảng 5 - 2 Giá trị suy hao trên đoạn 2 ...........................................................................62
Bảng 5 - 3 Giá trị suy hao trên đoạn 3 ...........................................................................63
Bảng 5 - 4 Giá trị suy hao trên đoạn 4 ...........................................................................63
Bảng 5 - 5 Giá trị suy hao trên đoạn 5 ...........................................................................65
Bảng 5 - 6 Giá trị suy hao trên đoạn 1’ .........................................................................66
Bảng 5 - 7 Giá trị suy hao trên đoạn 2’ .........................................................................66
Bảng 5 - 8 Giá trị suy hao trên đoạn 3’ .........................................................................67
Bảng 5 - 9 Giá trị suy hao trên đoạn 4’ .........................................................................68
Bảng 5 - 10 Giá trị suy hao trên đoạn 5’ .......................................................................69


7
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1 - 1 Khả năng truyền tải các loại hình dịch vụ của mạng truyền tải quang. .......13
Hình 1 - 2 Xu hƣớng phát triển trong cấu trúc mạng truyền tải quang. ........................14
Hình 1 - 3 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép kênh theo bƣớc sóng..........................15
Hình 1 - 4 Mô hình phân cấp lớp quang ........................................................................16
Hình 1 - 5 Kiến trúc mạng truyền tải quang ..................................................................16
Hình 1 - 6 Sơ đồ chức năng của hệ thống WDM ..........................................................17
Hình 1 - 7 Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) ...........................17
Hình 1 - 8 Sơ đồ hệ thống EDFA .................................................................................18
Hình 1 - 9 Mô hình bộ ghép kênh xen/rẻ OADM .........................................................18
Hình 1 - 11 Hệ thống WDM truyền dẫn song công. .....................................................19
Hình 1 - 10 Thiết bị nối chéo quang ..............................................................................19
Hình 1 - 12 Hệ thống WDM truyền dẫn đơn công. .......................................................20
Hình 2 - 1 Bản đồ hành chính địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế. .......................................22
Hình 3 - 1 Mạng chuyển mạch kênh .............................................................................27

Hình 3 - 2 Mô hình mạng chuyển mạch gói ..................................................................28
Hình 3 - 3 Kiến trúc chuyển mạch gói quang. ...............................................................29
Hình 3 - 4 Mô hình mạng chuyển mạch chùm quang ...................................................30
Hình 3 - 5 Sơ đồ khái niệm chuyển mạch .....................................................................32
Hình 3 - 6 Nguyên lý hoạt động của chuyển mạch 1x2 ................................................32
Hình 3 - 7 Cấu hình sợi quang đầu vào. ........................................................................33
Hình 3 - 8 Sự dịch chuyển sợi quang. ...........................................................................33
Hình 3 - 9 Biểu đồ mất do chèn của chuyển mạch quang phụ thuộc vào điện thế đặt lên
ống áp điện.....................................................................................................................34
Hình 3 - 10 Thời gian chuyển mạch khi mạch điện đầu ra sử dụng tụ điện với điện
dung19.6 nF(Bên trái) và 260nF (Bên phải) .................................................................34
Hình 3 - 11 Chuyển mạch bảo vệ đơn hƣớng và hai hƣớng ..........................................35
Hình 3 - 12 Chuyển mạch bảo vệ tuyến, đoạn, và vòng................................................35
Hình 3 - 13 Các cơ chế bảo vệ: hình a. 1 + 1 OMS và hình b. 1 + 1 Och .....................38
Hình 3 - 14 OCh – DPRing hai sợi đơn hƣớng ở điều kiện bình thƣờng và khi có sự cố.
.......................................................................................................................................39
Hình 3 - 15 OCh–DPRing bốn sợi đơn hƣớng ở điều kiện bình thƣờng và khi có sự cố. ...........39
Hình 3 - 16 OCh – SPRing khi bình thƣờng và khi sự cố đoạn ....................................40
Hình 3 - 17 OCh – SPRing khi bình thƣờng và khi sự cố nút .......................................40
Hình 3 - 18 OMS – DPRing hai sợi ở điều kiện bình thƣờng và khi có sự cố ..............41
Hình 3 - 19 Bảo vệ chia sẻ các kênh quang trong OMS - SPRing ................................42
Hình 3 - 20 Ring hai sợi hai hƣớng chuyển mạch bảo vệ đoạn ghép kênh ...................42
Hình 3 - 21 Ring hai sợi hai hƣớng bảo vệ sự cố đoạn OMS – 2SPRing .....................43
Hình 3 - 22 Ring hai sợi hai hƣớng bảo vệ sự cố nút OMS – 2 SPRing .......................43
Hình 3 - 23 Ring bốn sợi hai hƣớng chuyển mạch bảo vệ đoạn ghép kênh ..................43
Hình 3 - 24 Ring bốn sợi hai hƣớng sự cố đoạn OMS – 4SPRing ................................44


8
Hình 4 - 1 Kiến trúc vật lý của mạng cáp quang nội tỉnh Thừa Thiên Huế ..................47

Hình 4 - 2 Phổ khuếch đại của bộ EDFA ......................................................................48
Hình 4 - 3 Kiến trúc vật lý của mạng quang RING tỉnh Thừa Thiên Huế ...................49
Hình 4 - 4 Cấu trúc tại nút Huế ở trạng thái bình thƣờng ............................................50
Hình 4 - 5 Cấu hình B-OADM tại AN Huế và Phú Vang khi gặp sự cố lỗi đơn hƣớng.......51
Hình 4 - 6 Cấu hình B-OADM tại AN Huế và Phú Vang khi gặp sự cố đa hƣớng ......52
Hình 4 - 7 Cấu hình tại AN Huế và Phú Vang khi tuyến bảo vệ và hoạt động cùng xảy
ra sự cố...........................................................................................................................52
Hình 4 - 8 Cấu hình tại AN Huế khi sự cố nút xảy ra tại AN Hƣơng Trà ....................54
Hình 5 - 1 Các phần tử cơ bản của một tuyến truyền dẫn quang. .................................56
Hình 5 - 2 Sơ đồ tuyến thông tin quang thiết kế ...........................................................58
Hình 5 - 3 Sự liên hệ giữa BER, SNR và Q ..................................................................60
Hình 5 - 4 Cơ chế bù tán sắc kiểu đối xứng trên đoạn 5 (đoạn 1’) ...............................64
Hình 5 - 5 Mô hình hệ thống thông tin quang đoạn 1 (đoạn 5’) ...................................70
Hình 5 - 6 Mô hình hệ thống quang đoạn 2 (đoạn 4’) ...................................................70
Hình 5 - 7 Mô hình hệ thống quang đoạn 3 (đoạn 3’) ...................................................71
Hình 5 - 8 Mô hình hệ thống quang đoạn 4 (đoạn 2’) ...................................................71
Hình 5 - 9 Mô hình hệ thống quang đoạn 5 (đoạn 1’) ...................................................72
Hình 5 - 10 Mô hình Tuyến cáp quang từ AN Phú Vang đến AN Huế ........................72
Hình 5 - 11 Bộ phát sử dụng điều chế ngoài .................................................................73
Hình 5 - 12 Sơ đồ tại AN Huế .......................................................................................73
Hình 5 - 13 Bộ tách quang .............................................................................................73
Hình 5 - 14 Hệ số phẩm chất tín hiệu (Q Factor) và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (BER) tại
AN Phú Vang.................................................................................................................74
Hình 5 - 15 Hệ số phẩm chất tín hiệu (Q Factor) và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (BER) tại
AN Huế ..........................................................................................................................75


77
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:

1.Đỗ Văn Việt Em, Thông tin quang 1, 2, Học viện công nghệ Bƣu chính viễn thông.
2. “Thiết kế và mô phỏng tuyến thông tin quang”, Báo cáo nghiên cứu khoa học năm
2012, sinh viên Điện tử - Viễn thông K32 và K31, trƣờng Đại học khoa học Huế.
3.Trung tâm Internet Việt Nam, “Báo cáo tài nguyên Internet Việt Nam 2013”, tháng
12-2013.
4. “Hệ thống thông tin sợi quang”, Phùng Văn Vận, Nhà xuất bản bƣu điện Hà Nội,
năm 2008.
5. “Quy hoạch phát triển mạng viễn thông Việt Nam giai đoạn 2020”, 27/7/2012.
6. Sở thông tin và truyền thông tỉnh Thừa Thiên Huế, “Dự báo nhu cầu lƣu lƣợng trên
địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế đến năm 2025”.
Website :
7. />8. Website của Sở kế hoạch và đầu tƣ Thừa Thiên Huế:
/>9. Cổng thông tin điện tử tỉnh Thừa Thiên Huế: />Tiếng Anh:
10. Tsong-Ho và Winston Way, “A Novel Passive Protected SONET Bi-Directional
Self-Healing Ring Architecture”, Bellcore, 331 Newman Spring Rd.
11. “Cisco ONS 15454 SDH Reference Manual”, Cisco Systems, Inc., chƣơng 12.
12. The ITU – T Recommendation G.872.
13. Xiaojun Fang, Rainer Iraschko and Rohit Sharma, “All-Optical Four-Fiber
Bidirectional line-switched ring”, vol. 17, No. 8, August 1999.
14. “Forecast and Methodology 2011 – 2016”, Cisco Visual Networking Index, Cisco,
May 30, 2012.
15. “The Zettabyte Era: Trends and Analysis”, Cisco Visual Networking Index, Cisco,
May 29, 2013.
16. “WDM Communication Systems”, Optiwave, 2008.
17. Guido Maier, Achile Pattavina, “Optical network survivability: Protection
techniques in the WDM layer”, Photonic Network Communications, 251-269, 2002.
18. “Global Mobile Data Traffic Forecast update 2013-2018”, Cisco Visual
Networking Index, Cisco, February 5, 2014.
19. We are social, “Global Digital Statistics 2014”.
20. Chia-Hsiung Chang, Tsair-Chun Liang, Chien-Yu Huang, “DWDM self-healing

access ring network with cost-saving, crosstalk-free and bidirectional OADM in single
fiber”, Taiwan, 8/2009.


78
21. K. Ennser and K. Petermann, “Performance of RZ- Versus NRZ- Transmission on
Standard Single Mode Fibers”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 8, pp. 443445, 1996.
22. M.I. Hayee and A.E. Willner, “NRZ Versus RZ in 10-40 Gb/s Dispersion –
Managed WDM Transmission Systems”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 11,
pp. 991-993, 1999.
23. “Dense Wavelength Division Multiplexing”, chapter 14 DWDM system.
24. Eugen Latch, Wilfried Idler, “Modulation formats for 100G and beyond”, Bell
Labs, Germany.