Nghiên cứu, đề xuất công nghệ và giải pháp xây dựng hệ thống cáp quang biển việt nam

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................ 1
LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................................... 4
TÓM TẮT LUẬN VĂN ....................................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................... 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................. 8
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ......................................................................................... 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN CÁP QUANG BIỂN ........................... 12
1.1.LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN CÁP QUANG
BIỂN...... .......................................................................................................................... 12
1.2.ĐẶC ĐIỂM THÔNG TIN CÁP QUANG BIỂN ........................................................ 15
1.2.1.Đặc điểm chung .................................................................................................. 15
1.2.2.Phân loại hệ thống .............................................................................................. 16
1.3.LƯU LƯỢNG THÔNG TIN QUA CÁC HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN ............ 17
CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHỐT PHỤC VỤ CHO TRUYỀN DẪN
CÁP QUANG BIỂN........................................................................................................... 19
2.1.CÔNG NGHỆ CÁP .................................................................................................... 20
2.1.1.Cáp OS/OFS ....................................................................................................... 20
2.1.2.Cáp HF ............................................................................................................... 25
2.2.CÔNG NGHỆ KHUẾCH ĐẠI QUANG .................................................................... 27
2.2.1.Nguyên lý của bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA ...................... 27
2.2.2.Đặc tính tạp âm................................................................................................... 29
2.2.3.Đặc trưng khuếch đại ......................................................................................... 31
2.2.4.Ứng dụng của EDFA .......................................................................................... 33
2.3.CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN WDM ....................................................................... 35
2.3.1.Nguyên lý truyền dẫn WDM................................................................................ 35
2.3.2.Ứng dụng khuếch đại quang trong truyền dẫn WDM......................................... 37
2.3.3.Hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division
Multiplexing) ................................................................................................................ 39
2.3.3.1.Khái niệm ..................................................................................................... 39
2.3.3.2.Các thành phần chính trong hệ thống DWDM ............................................ 40

2.3.3.3.Ưu điểm của hệ thống DWDM .................................................................... 43
2.3.3.4.Ứng dụng của DWDM trong hệ thống mạng thực tế .................................. 44
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................................ 50
3.1.LỰA CHỌN CẤU HÌNH MẠNG .............................................................................. 50
3.1.1.Mạng vòng (ring network) .................................................................................. 50
3.1.2.Mạng kiểu đường trục - rẽ nhánh (trunk - and - branch) ................................... 51
3.1.3.Mạng lặp (festoon) .............................................................................................. 52
3.1.4.Mạng lưới (mesh network) .................................................................................. 53
3.2.THIẾT KẾ ĐƯỜNG TRUYỀN ................................................................................. 53
3.2.1.Tham số Q ........................................................................................................... 54
3.2.2.Các nguyên nhân gây suy giảm chất lượng đường truyền ................................. 55
1


3.2.3.Khắc phục hiện tượng suy giảm chất lượng đường truyền ................................. 55
3.2.4.Quỹ dự trữ công suất .......................................................................................... 57
3.3.THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN VIỆT NAM ....................................... 58
3.3.1.Các yêu cầu trong thiết kế hệ thống cáp quang biển Việt Nam .......................... 58
3.3.1.1.Nhu cầu dung lượng của Việt Nam ............................................................. 58
3.3.1.2.Lựa chọn địa điểm xây dựng trạm cập bờ ................................................... 58
3.3.1.3.Lựa chọn công nghệ truyền dẫn ................................................................... 58
3.3.1.4.Lựa chọn cấu hình hệ thống ......................................................................... 59
3.3.1.5.Các yêu cầu kỹ thuật trong hệ thống cáp quang biển Việt Nam .................. 59
3.4.MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SỬ DỤNG CÔNG CỤ OPTISYSTEM ........................... 74
3.4.1.Giới thiệu công cụ mô phỏng hệ thống thông tin quang OptiSystem ................. 74
3.4.2.Mô phỏng hệ thống ............................................................................................. 78
3.4.2.1.Tính toán thiết kế hệ thống .......................................................................... 78
3.4.2.2.Thông số thiết kế.......................................................................................... 81
3.4.2.3.Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 82
CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN ................................... 85

4.1.THIẾT LẬP TUYẾN ................................................................................................. 85
4.1.1.Nghiên cứu sơ bộ ................................................................................................ 85
4.1.2.Khảo sát tuyến .................................................................................................... 88
4.2.RẢI CÁP .................................................................................................................... 91
4.2.1.Độ chùng của cáp (Slack) ................................................................................... 91
4.2.2.Cấu trúc cáp trong quá trình rải cáp.................................................................. 92
4.2.3.Hằng số thuỷ lực ................................................................................................. 93
4.2.4.Quản lý độ chùng của cáp .................................................................................. 94
4.2.5.Rải cáp tự động ................................................................................................... 99
4.2.6.Mô phỏng quá trình rải cáp .............................................................................. 100
4.2.7.Lắp đặt khối rẽ nhánh ....................................................................................... 101
4.3.QUÁ TRÌNH CẬP BỜ ............................................................................................. 102
4.3.1.Cập bờ nhiều cáp (Multi - cable Landing) ....................................................... 102
4.3.2.Phương pháp cập bờ bằng ống dẫn .................................................................. 102
CHƯƠNG 5: BẢO VỆ VÀ SỬA CHỮA ....................................................................... 104
5.1.CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY RA SỰ CỐ CHO HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN
.......................................................................................................................... 104
5.1.1.Hoạt động đánh bắt cá...................................................................................... 104
5.1.2.Hoạt động neo đậu ............................................................................................ 105
5.1.3.Cáp hư hỏng do quá trình rải không chính xác ................................................ 105
5.1.4.Cáp hư hỏng do các hiện tượng tự nhiên.......................................................... 106
5.1.5.Sự cố của các mạch lặp hay sợi quang ............................................................. 106
5.2.BẢO VỆ CÁP .......................................................................................................... 106
5.2.1.Chôn cáp ........................................................................................................... 106
5.2.1.1.Độ sâu chôn cáp ......................................................................................... 106
5.2.1.2.Các hệ thống chôn cáp ............................................................................... 107
5.2.2.Các công nghệ bảo vệ cáp khác........................................................................ 110
5.2.3.Thiết bị ngầm tự động AUV (Autonomous Underwater Vehicle) tuần tra cáp. 110
5.3.SỬA CHỮA CÁP .................................................................................................... 111
5.3.1.Phân loại và xác định vị trí xảy ra sự cố .......................................................... 112

5.3.1.1.Shunt fault (dò dòng cấp nguồn)............................................................... 112
5.3.1.2.Short fault .................................................................................................. 113
2


5.3.1.3.Open fault .................................................................................................. 114
5.3.1.4.Sự cố gãy sợi quang (fiber break fault) ..................................................... 114
5.3.2.Quy trình sửa chữa cáp..................................................................................... 114
5.3.2.1.Xác định vị trí sự cố tại khu vực sửa chữa................................................. 115
5.3.2.2.Quá trình cắt và giữ cáp ............................................................................. 115
5.3.2.3.Giữ cáp và đưa một đầu cáp lên tàu ........................................................... 115
5.3.2.4.Gắn một phao vào đầu cáp ......................................................................... 116
5.3.2.5.Giữ và đưa lên tàu đầu cáp còn lại ............................................................. 117
5.3.2.6.Loại bỏ đoạn có sự cố và thực hiện mối nối thứ nhất ................................ 118
5.3.2.7.Rải đoạn cáp thay thế đến vị trí phao......................................................... 119
5.3.2.8.Lấy phao và đầu cáp lên tàu....................................................................... 120
5.3.2.9.Thực hiện nối giữa cáp thay thế và đầu cáp còn lại (mối nối cuối cùng) . 120
5.3.2.10.Thả mối nối .............................................................................................. 120
5.3.2.11.Các quá trình khác ................................................................................... 122
5.3.3.Trao đổi thông tin trong quá trình sửa chữa .................................................... 122
5.3.4.Cải tiến quá trình sửa chữa cáp ....................................................................... 122
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 124

3


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay thông tin quang là một trong những ngành mũi nhọn trong lĩnh vực viễn
thông. Hệ thống mạng đường trục nội địa quốc gia hiện tại về cơ bản đã phục vụ

được nhu cầu truyền dẫn trong nước. Tuy nhiên, để hướng đến nhu cầu về dung
lượng ngày càng tăng trong tương lai thì Việt Nam cần đầu tư xây dựng một hệ
thống cáp quang biển của riêng mình, hệ thống cáp quang biển này có khả năng kết
nối với các trung tâm viễn thông lớn trong nước, kết nối với hệ thống cáp quang
biển quốc tế và có khả năng dự phòng trong trường hợp hệ thống mạng đường trục
nội địa phải nâng cấp sửa chữa.
Nội dung luận văn gồm 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về thông tin cáp quang biển
Chương 2: Các công nghệ then chốt phục vụ cho truyền dẫn cáp quang biển
Chương 3: Thiết kế hệ thống
Chương 4: Triển khai hệ thống cáp quang biển
Chương 5: Bảo vệ và sửa chữa
Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS. Nguyễn Hoàng Hải - Giảng viên
hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.

Hà Nội, ngày 15 tháng 03 năm 2015
Học viên thực hiện
Trần Ngọc Tú

4


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài “Nghiên cứu, đề xuất công nghệ và giải pháp xây dựng hệ thống cáp quang
biển Việt Nam” giới thiệu tổng quan về các hệ thống cáp quang biển trên thế giới,
các công nghệ phục vụ cho truyền dẫn cáp quang biển với chủ đạo là công nghệ
ghép kênh bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division
Multiplexing), từ đó tính toán phân tích thiết kế hệ thống cáp quang biển Việt Nam,
mô phỏng hệ thống sử dụng công cụ Optisystem, cuối cùng là thực hiện triển khai
hệ thống trên thực tế và đưa ra các phương pháp bảo vệ sửa chữa hệ thống.

ABSTRACT
The project “Study technology and solution proposal to design Vietnam submarine
system” introduced about submrine systems over the world, technologies are used
for submarine transmission. DWDM is a popular technology for this system. Then
calculates and analyzes to design Vietnam submarine system. This submarine
system is simulated by Optisystem (Optisystem is a tool which is uesd to simulate
optical systems). Finally, perform to deploy cable of submarine system in the
moment and take some methods to protect and repair submarine system.

5


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các hệ thống cáp quang biển ............................................................................... 13
Hình 1.2: Chia vùng các hệ thống cáp quang biển .............................................................. 13
Hình 1.3: Vị trí của hệ thống truyền dẫn cáp quang biển trong mạng viễn thông .............. 14
Hình 1.4: (a) Sơ đồ của một tuyến cáp quang biển cơ bản, (b) Mô tả chi tiết một tuyến cáp
quang biển trong thực tế ...................................................................................................... 15
Hình 1.5: Sự tăng trưởng của lưu lượng thông tin quốc tế qua cáp quang biển .................. 17
Hình 1.6: Lưu lượng thông tin các tuyến quốc tế tăng ........................................................ 17
Hình 2.1: Cáp LW ................................................................................................................ 22
Hình 2.2: Cáp SAM ............................................................................................................. 23
Hình 2.3: Cáp HF ................................................................................................................. 26
Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của một bộ khuếch đại quang pha tạp Erbium .......................... 27
Hình 2.5: Sơ đồ mức năng lượng ion Erbium và các quá trình dịch chuyển ....................... 28
Hình 2.6: Mô hình Laser 3 mức ........................................................................................... 29
Hình 2.7: Đặc tính tạp âm bộ khuếch đại ........................................................................... 30
Hình 2.8: Độ khếch đại chưa bão hoà theo bước sóng ....................................................... 32
Hình 2.9: Độ khuếch đại chưa bão hoà theo chiều dài EDF ................................................ 32

Hình 2.10: Sự phụ thuộc của độ khuếch đại vào công suất tín hiệu đầu vào ...................... 33
Hình 2.11: Quản lý tán xạ .................................................................................................... 35
Hình 2.12: Nguyên lý của truyền dẫn WDM ....................................................................... 36
Hình 2.13: Khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM ..................................................... 37
Hình 2.14: Ứng dụng khuếch đại quang trong truyền dẫn WDM ....................................... 38
Hình 2.15: Sơ đồ hệ thống DWDM ..................................................................................... 40
Hình 2.16: Hệ thống quản lý mạng DWDM ........................................................................ 41
Hình 2.17: Hệ thống mạng DWDM của Viettel .................................................................. 46
Hình 2.18: Hệ thống cáp quang biển SMW-3 ..................................................................... 47
Hình 2.19: Hệ thống cáp quang biển quốc tế EASSy .......................................................... 48
Hình 3.1: Cấu hình mạng kiểu ring...................................................................................... 51
Hình 3.2: Cấu hình kiểu đường trục - rẽ nhánh ................................................................... 51
Hình 3.3: Cấu hình kiểu Festoon ......................................................................................... 52
Hình 3.4: Cấu hình kiểu Mesh ............................................................................................. 53
Hình 3.5: Chuỗi sợi quang bù tán xạ ................................................................................... 56
Hình 3.6: Cấu hình mạng cáp quang biển Việt Nam ........................................................... 59
Hình 3.7: Sơ đồ hệ thống cáp quang biển ............................................................................ 60
Hình 3.8: Cáp quang biển trong thực tế ............................................................................... 61
Hình 3.9: Khối cung cấp nguồn trong hệ thống cáp quang biển ......................................... 63
Hình 3.10: Hệ thống cấp nguồn kiểu điểm - điểm ............................................................... 64
Hình 3.11: Hệ thống cấp nguồn kiểu đường trục - rẽ nhánh ............................................... 64
Hình 3.12: Khối thiết bị quang ............................................................................................ 65
Hình 3.13: Bộ lặp trong thực tế ........................................................................................... 66
Hình 3.14: Bộ rẽ nhánh trong thực tế .................................................................................. 67
Hình 3.15: Bộ rẽ nhánh thụ động ......................................................................................... 68
Hình 3.16: Bộ rẽ nhánh chuyển mạch điện .......................................................................... 69
Hình 3.17: Bộ rẽ nhánh xen/ rẽ quang chuyển mạch điện ................................................... 70
Hình 3.18: Bộ rẽ nhánh chuyển mạch không điện ............................................................... 71
Hình 3.19: Bộ cân bằng độ lợi trong thực tế........................................................................ 71
Hình 3.20: Sơ đồ kết nối trạm cập bờ với mạng đất liền ..................................................... 73

6


Hình 3.21: Sơ đồ kết nối các trạm cập bờ với nhau ............................................................. 74
Hình 3.22: Giao diện khởi động OptiSystem....................................................................... 74
Hình 3.23: Giao diện sử dụng của OptiSystem ................................................................... 75
Hình 3.24: Quá trình tính toán trên OptiSystem .................................................................. 76
Hình 3.25: Phổ tín hiệu ........................................................................................................ 76
Hình 3.26: Đồ thị mắt .......................................................................................................... 77
Hình 3.27: Sơ đồ thiết kế hệ thống cáp quang biển Việt Nam ............................................ 78
Hình 3.28: Phổ tín hiệu sau tách kênh ................................................................................. 83
Hình 3.29: Đồ thị mắt .......................................................................................................... 83
Hình 4.1: Hệ thống khảo sát đáy biển .................................................................................. 90
Hình 4.2: Các ngoại lực tác dụng khi rải cáp ....................................................................... 92
Hình 4.3: Độ chùng khi bắt đầu rải cáp ............................................................................... 95
Hình 4.4: Độ chùng cáp khi giữ cáp .................................................................................... 96
Hình 4.5: Độ chùng cáp thay đổi do gặp phải dốc ............................................................... 97
Hình 4.6: Độ chùng cáp với dốc xuống ............................................................................... 98
Hình 4.7: Kết quả mô phỏng quá trình bắt đầu rải cáp ...................................................... 101
Hình 4.8: Thiết bị sử dụng trong phương pháp HDD ........................................................ 102
Hình 4.9: Ứng dụng HDD.................................................................................................. 103
Hình 5.1: Cable plough ...................................................................................................... 108
Hình 5.2: ROV ................................................................................................................... 108
Hình 5.3: Tractor................................................................................................................ 109
Hình 5.4: AUV ................................................................................................................... 111
Hình 5.5: Cắt cáp ............................................................................................................... 115
Hình 5.6: Giữ cáp ............................................................................................................... 116
Hình 5.7: Đưa đầu cáp lên bong ........................................................................................ 117
Hình 5.8: Gắn phao ............................................................................................................ 117

Hình 5.9: Giữ đầu cáp còn lại ............................................................................................ 118
Hình 5.10: Loại bỏ cáp hỏng và thực hiện mối nối thứ nhất ............................................. 119
Hình 5.11: Rải cáp thay thế ............................................................................................... 119
Hình 5.12: Lấy phao và đầu cáp lên bong, thực hiện mối nối cuối cùng .......................... 120
Hình 5.13: Thả dây buộc.................................................................................................... 121
Hình 5.14: Hoàn thành quá trình sửa chữa ........................................................................ 121

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các loại cáp OS/OFS chính ................................................................................. 21
Bảng 2.2: Sức căng của cáp OS/OFS (Đơn vị KN) ............................................................. 24
Bảng 3.1: Bảng thông số đầu vào ........................................................................................ 81
Bảng 3.2: Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 82
Bảng 4.1: Thiết bị khảo sát ngầm ........................................................................................ 89

8


CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ASP

Application Service Provider

ATM

Asynchronous Transfer Mode

ASE

Amplified Spontaneus Emission

AUV

Autonomous Underwater Vehicle

BER

Bit Error to Ratio

Nhà cung cấp dịch vụ ứng
dụng
Phương thức truyền không
đồng bộ
Nhiễu phát xạ tự phát được
khuếch đại
Phương tiện tự động dưới
nước
Tỷ lệ lỗi bit

CS

Cable Station

Trạm cáp

COTDR
DSF

Correlated Optical Time Domain
Reflectometer
Dispersion Shift Fiber

DA

Double Armored

Máy đo phản xạ miền thời
gian quang
Sợi quang tán sắc dịch
chuyển
Cáp quang biển bọc thép kép

DCM

Dispersion Compensating Module

Mô đun bù tán sắc

DCF

Dispersion Compensating Fiber

Sợi bù tán sắc

DEMUX

Demultiplexing

Bộ tách kênh

DWDM

Dense Wavelength Division Multiplexing

DPS

Dynamic Positioning System

Công nghệ ghép kênh theo
bước sóng mật độ cao
Hệ thống định vị động

EMS

Element Management System

Hệ thống quản lý phần tử

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier

EDF

Erbium Doped Fiber

Bộ khuếch đại sợi quang pha
tạp Erbium

Sợi pha tạp Erbium

EOL

End of Life

Thời gian sống

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

9


ITU-T

Tổ chức viễn thông quốc tế

IP

International Telecommunication Union
Telecommunication Standardization
Internet Protocol

ICMS

Intergrated Cable Management Systerm

LCF

Large Core Fiber

Hệ thống quản lý cáp tích
hợp
Sợi quang lõi to

LWA

Light-Wire Armored

LME

Line Monitoring Equipment

LW

Light Weight

MPLS

Multiple Protocol Label Switching

NRZ

Non Return to Zero

Cáp quang biển trọng lượng

nhẹ
Chuyển mạch nhãn đa giao
thức
Mã NRZ

NME

Network Management Equipment

Thiết bị quản lý mạng

NOC

Network Operation Centre

Trung tâm vận hành mạng

NMS

Network Management System

Hệ thống quản lý mạng

PSBU

Power Switched Branching Unit

PFE

Power Feed Equipment

Bộ rẽ nhánh chuyển mạch
nguồn
Thiết bị cung cấp nguồn

ROV

Remotely Operated Vehicle

RZ

Return to Zero

Phương tiện được vận hành
từ xa
Mã RZ

SPM

Self Phase Modulation

Hiện tượng tự điều pha

SNR

Signal Noise to Ratio

Tỷ lệ tín hiệu/nhiễu

SA

Single Armored

Cáp quang biển bọc thép đơn

SPA

Special Application

SLTE

Submarine Line Termination Equipment

Cáp quang biển cho ứng
dụng đặc biệt
Thiết bị đầu cuối tuyến cáp
quang biển

Giao thức Internet

Cáp quang biển bọc thép
trọng lượng nhẹ
Thiết bị giám sát đường dây

10


SDH

Synchronous Digital Hierarchy

SIE

SDH Interconnection Equipment

Truyền dẫn phân cấp số
đồng bộ
Thiết bị kết nối mạng SDH

SMF

Single Mode Fiber

Sợi quang đơn mode

TRPDR

Transponder

Bộ phát đáp

TLA

Terminal Line Amplifier

WTE

Wavelength Termination Equipment

Bộ khuếch đại đầu cuối

đường truyền
Thiết bị đầu cuối bước sóng

WDM

Wavelength Division Multiplexing

XSP

Exchange Service Provider

Công nghệ ghép kênh phân
chia theo bước sóng
Nhà cung cấp dịch vụ

11


CHƯƠNG

1
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN CÁP
QUANG BIỂN
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG
TRUYỀN DẪN CÁP QUANG BIỂN
Lịch sử phát triển của truyền dẫn cáp quang biển được bắt đầu từ cuối thập niên 80
của thế kỷ trước. Ban đầu việc ứng dụng phương pháp truyền dẫn này gặp không ít
khó khăn do những hạn chế về công nghệ, đặc biệt là những công nghệ sử dụng ở
điều kiện khắc nghiệt dưới đáy đại dương. Từ hệ thống FS-400M là hệ thống cáp
quang biển truyền dẫn tốc độ 400 Mbit/s đầu tiên được đưa vào phục vụ thương mại

vào năm 1986, rồi đến TPC-3 là hệ thống cáp quang biển đầu tiên tại Thái Bình
Dương, được đưa vào khai thác ở tốc độ 280 Mbit/s đầu năm 1989, sau đó là rất
nhiều các hệ thống cáp quang biển được quy hoạch và xây dựng. Sự phát triển của
công nghệ khuếch đại quang trên cơ sở khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium đã có
những tác động mạnh mẽ đến các hệ thống truyền dẫn cáp quang biển, đặc biệt là
các hệ thống truyền dẫn đường dài.
Một trong những ưu điểm lớn nhất của công nghệ này là các mạch lặp đơn giản
hơn so với các bộ khuếch đại tái tạo truyền thống vốn yêu cầu một số lượng lớn các
thành phần như: Laser, các Diode phát/thu quang và các mạch điện tốc độ cao. Đặc
tính không phụ thuộc vào tốc độ bit của các bộ khuếch đại EDFA (Erbium Doped
Fiber Amplifier) mở ra một khả năng lớn trong việc tăng dung lượng hệ thống.
Thực tế là hệ thống cáp quang biển FSA-10G, ứng dụng công nghệ khuếch đại
quang đã được đưa vào khai thác đầu năm 1995, rồi các hệ thống truyền dẫn vượt
đại dương như: TPC-5, TAT-12/13 và APCN lần lượt được đưa vào khai thác trong
những năm 1995/1996.

12


Hình 1.1: Các hệ thống cáp quang biển
Ngày nay truyền dẫn cáp quang biển đã trở thành phương tiện truyền dẫn hàng
đầu phục vụ cho truyền thông khoảng cách lớn và trung bình như thấy trên hình 1.1.
Các hệ thống cáp quang biển được chia thành các vùng như trên hình 1.2.

Hình 1.2: Chia vùng các hệ thống cáp quang biển

13


1a

1b
2
3a
3b
4
5a
5b
6

Anh và biển Bắc
Baltic và Skagerrak
Địa Trung Hải và biển Đỏ
Đại Tây Dương
Vùng Caribbean
Đông Thái Bình Dương
Tây Thái Bình Dương, Viễn Đông và đông Ấn
Độ Dương
Vùng Australia
Vịnh Ả-rập, biển Ả-rập và tây Ấn Độ Dương

Công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM là một phương
pháp hiệu quả để tăng tổng dung lượng hệ thống. Các hệ thống truyền dẫn dưới biển
ứng dụng công nghệ WDM đầu tiên như: SEA-ME-WE-3 và China-US, tốc độ
kênh 2,5 Gbit/s và có thể đạt được dung lượng tổng 20→40 Gbit/s. Để tăng hơn nữa
về dung lượng truyền dẫn cần phải tăng cả tốc độ bit trên một kênh và tăng số kênh
WDM trên một sợi quang. Tuy nhiên trong các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao, hiệu
ứng phi tuyến sợi quang sẽ tác động rất nhiều đến hiệu quả truyền dẫn tín hiệu.
Ngày nay các nỗ lực nghiên cứu chủ yếu tập trung vào giải quyết các vấn đề
này từ hai phương diện thiết kế hệ thống và cải tiến các thành phần thiết bị của hệ
thống. Các công nghệ DWDM cùng với các cải tiến về sợi quang truyền dẫn và cải

tiến về công nghệ khuếch đại quang cho phép chúng ta tăng dung lượng truyền dẫn
lên hàng Tbit/s nhằm thoả mãn nhu cầu về dung lượng đang bùng nổ.

Mạng truyền thông
đất liền

Mạng truyền thông
đất liền
Hệ thống truyền dẫn cáp
quang biển

Mạng truyền thông
đất liền

Hình 1.3: Vị trí của hệ thống truyền dẫn cáp quang biển trong mạng viễn thông

14


1.2. ĐẶC ĐIỂM THÔNG TIN CÁP QUANG BIỂN
1.2.1. Đặc điểm chung
Hệ thống cáp quang biển là một hệ thống truyền dẫn gồm các tuyến cáp quang được
rải dưới đáy biển để truyền lưu lượng thông tin giữa các vùng, các quốc gia hay
giữa các lục địa khác nhau. Nó đóng vai trò là cầu nối giữa các mạng truyền dẫn
trên đất liền. Hình 1.3 cho thấy vị trí của hệ thống truyền dẫn cáp quang biển trong
mạng viễn thông. Hệ thống cáp quang biển cơ bản gồm các thành phần được trình
bày trên hình 1.4.
Trạm cập bờ

Trạm cập bờ

Bộ lặp

Cáp quang biển

(a)

(b)
Hình 1.4: (a) Sơ đồ của một tuyến cáp quang biển cơ bản, (b) Mô tả chi tiết một
tuyến cáp quang biển trong thực tế

15


Cáp quang là môi trường truyền dẫn tín hiệu. Trạm cập bờ gồm nhiều thiết bị
thực hiện nhiệm vụ kết cuối tuyến cáp quang biển, trao đổi lưu lượng với các mạng
khác đồng thời thực hiện điều khiển, giám sát và duy trì sự hoạt động của hệ thống.
Trong hình 1.4 (b), các bộ lặp có nhiệm vụ khôi phục mức tín hiệu bị suy hao trong
quá trình lan truyền nhằm cải thiện khoảng cách truyền dẫn. Ngoài ra, hệ thống còn
có các thành phần khác như các khối rẽ nhánh, các hộp nối cáp…

1.2.2. Phân loại hệ thống
Có thể phân loại hệ thống theo phương diện có hay không sử dụng bộ lặp:
 Hệ thống có lặp
Hệ thống trong đó có sử dụng các bộ lặp để khuếch đại hay tái tạo tín hiệu
quang ở các khoảng cách nhất định. Thường là hệ thống truyền dẫn với khoảng
cách trung bình và đường dài.
 Hệ thống không lặp
Hệ thống trong đó không sử dụng các bộ lặp độc lập. Thay vì sử dụng các bộ lặp
các hệ thống này ứng dụng các công nghệ khuếch đại tín hiệu phát (post

amplifier), khuếch đại trước thu (pre-amplifier) và các công nghệ khuếch đại
như: khuếch đại quang sợi pha tạp và khuếch đại Raman từ trạm cập bờ. Khoảng
cách truyền dẫn của các hệ thống này thường là nhỏ hơn hệ thống có lặp.
Dựa vào công nghệ sử dụng cho bộ lặp có thể chia ra:
 Hệ thống lặp tái tạo
Là các hệ thống truyền dẫn cáp quang biển truyền thống sử dụng các bộ lặp, tái
tạo tín hiệu thông qua quá trình chuyển đổi về tín hiệu điện. Các hệ thống này
đang ngày càng bộc lộ nhiều hạn chế và dần được thay thế bởi các hệ thống lặp
khuếch đại quang.
 Hệ thống lặp khuếch đại quang
Là các hệ thống ứng dụng các công nghệ khuếch đại quang vào các bộ lặp, thực
hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần phải chuyển đổi về tín
hiệu điện. Hệ thống này có nhiều ưu điểm như: cấu tạo bộ lặp sẽ đơn giản hơn,
không phụ thuộc vào tốc độ bit tín hiệu, tiềm năng về băng thông lớn.

16


100.00

Terabits/s/cable

10.00

1.00
Data( tăng 100%)

0.10

0.01

voice( tăng 8%)
0.001
2000

2005

2010

Năm

Hình 1.5: Sự tăng trưởng của lưu lượng thông tin quốc tế qua cáp quang biển
Dung lượng sợi quang (bit/s)

Công nghệ DWDM

100G
10G
Vượt ĐT.dương

1G

Vượt TB.dương
EU-Asia
Đông-tây Asia

100M
1990

1995

2000

Năm

Hình 1.6: Lưu lượng thông tin các tuyến quốc tế tăng

1.3. LƯU LƯỢNG THÔNG TIN QUA CÁC HỆ THỐNG CÁP
QUANG BIỂN
Nhu cầu hiện nay đang dịch chuyển một cách nhanh chóng từ các dịch vụ thoại
truyền thống sang các dịch vụ số liệu, video thời gian thực, đặc biệt là các dịch vụ
số liệu dựa trên giao thức IP (Internet Protocol). Trên phương diện toàn cầu, nhu
cầu về các dịch vụ số liệu tăng nhanh là một điều tất yếu, đặc biệt là giữa các thành
phố trên thế giới như: Tokyo, New York, Los Angeles, London, Singapore và
Hong Kong. Lưu lượng thông tin quốc tế đang tăng ở tốc độ 200% mỗi năm. Điều
đó đồng nghĩa với việc dung lượng phục vụ cho thông tin quốc tế mà mỗi hệ thống
cáp quang biển phải đảm nhận sẽ phải lớn hơn 10 Tbit/s trong những năm tới nhằm

17


thoả mãn nhu cầu này. Hình 1.5 thể hiện mức tăng lưu lượng thông tin quốc tế trên
một cáp truyền dẫn theo dự đoán đến năm 2020, trong đó có phân định dịch vụ
thoại truyền thống và dịch vụ số liệu.
Nhu cầu về lưu lượng thông tin tăng cũng đã dẫn đến sự mở rộng về loại khách
hàng và nhà cung cấp. Những khách hàng mới bao gồm: các nhà cung cấp dịch vụ
truy nhập Internet (ISP - Internet Service Provider), các nhà cung cấp dịch vụ kết
nối Internet (XSP - Exchange Service Provider) và các nhà cung cấp dịch vụ ứng
dụng (ASP - Application Service Provider) cho các dịch vụ ứng dụng Internet.
Trong đó bao gồm cả thương mại điện tử. Cơ sở hạ tầng truyền dẫn cung cấp bởi
các hệ thống cáp quang biển có thể được ứng dụng cho nhiều dịch vụ số liệu đang

sử dụng các công nghệ mạng tiên tiến như: ATM và IP-MPLS kết nối hướng IP.
Chưa từng bao giờ các hệ thống cáp quang biển giành được nhiều sự quan tâm như
hiện nay.

18


CHƯƠNG

2
CÁC CÔNG NGHỆ THEN CHỐT
PHỤC VỤ CHO TRUYỀN DẪN CÁP
QUANG BIỂN
Các hệ thống cáp quang biển là những thành phần có ý nghĩa rất quan trọng đối với
truyền thông quốc gia cũng như quốc tế. Một trong những đặc trưng của các hệ
thống cáp quang biển là khoảng cách truyền dẫn rất lớn, có thể lên tới hàng vạn km.
Với khoảng cách truyền dẫn lớn như vậy, sự suy hao gây ra lỗi tín hiệu là điều
không thể tránh khỏi. Để khắc phục điều này cần phải khôi phục mức tín hiệu bằng
cách đặt các bộ lặp ở các khoảng cách thích hợp (với hệ thống có lặp) hoặc áp dụng
các công nghệ khuếch đại quang (với hệ thống không lặp). Trong một bộ lặp truyền
thống dùng cho cáp quang biển, tín hiệu quang nhận được trước hết được biến đổi
thành tín hiệu điện. Tiếp đó, nó được khôi phục trong một mạch điện có chức năng
gọi là 3R (Reshaping, Retiming và Reproducing). Các bộ lặp dùng cho cáp quang
biển phải có độ tin cậy cao để giảm thiểu khả năng gián đoạn thông tin của toàn bộ
tuyến truyền dẫn. Đồng thời các thiết bị thành phần trong bộ lặp cũng phải có độ tin
cậy cao. Điều đó làm cho giá thành của bộ lặp tăng lên đáng kể. Hơn nữa, số lượng
mạch lặp gắn trong một bộ lặp bị hạn chế bởi kích thước nhỏ của vỏ bọc cáp
(repeater housing). Đây chính là điều ngăn cản khả năng tăng dung lượng truyền
dẫn.
Những cải tiến hiện nay trong công nghệ khuếch đại quang đã giải quyết các

vấn đề trên cho cả hệ thống có và không dùng bộ lặp. Một trong những cải tiến
quan trọng đó là sử dụng bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium, hiệu quả của nó
đã được chứng minh trong các hệ thống truyền dẫn đường dài và tốc độ cao.

19


Công nghệ truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng WDM hay DWDM mở ra
một tiềm năng rất lớn về dung lượng truyền dẫn và sự linh hoạt trong cấu trúc mạng
cho hệ thống truyền dẫn cáp quang biển.
Trong chương này sẽ trình bày các công nghệ và các ứng dụng của chúng trong
truyền dẫn cáp quang biển, tuy nhiên trước hết ta cần tìm hiểu về các công nghệ liên
quan đến việc chế tạo cáp quang biển.

2.1. CÔNG NGHỆ CÁP
Là một môi trường truyền dẫn nên sợi quang có rất nhiều đặc tính ưu việt như suy
hao thấp, băng thông rộng… Bên cạnh đó sợi quang cũng rất dễ bị hư hại do uốn
cong và do các lực tác dụng bên ngoài. Vì thế, khác với cáp đồng trục truyền thống
và cáp quang dùng trên đất liền, cáp quang biển cần có thiết kế riêng, đặc biệt phù
hợp với những điều kiện dưới đáy biển. Dưới đây trình bày về hai họ cáp phổ biến
là cáp OS/OFS dùng trong hệ thống có lặp và cáp HF dành cho hệ thống không lặp.

2.1.1. Cáp OS/OFS
KDD, NTT và NEC đã hợp tác trong việc thiết kế loại cáp cho các hệ thống có lặp,
gọi là OS/OFS. Cáp OS/OFS được thiết kế để bảo vệ sợi quang khỏi các lực tác
dụng và áp suất nước trong quá trình vận chuyển, rải cáp, chôn cáp và sửa chữa
cũng như đảm bảo hoạt động ổn định trong suốt thời gian sử dụng hơn 20 năm của
hệ thống. Cáp OS/OFS cung cấp các đặc tính cơ khí, điện và quang rất ổn định để
chống lại sự biến động về nhiệt độ và các tác động bên ngoài như: ngoại lực, áp suất
nước, sự uốn cong… Cáp OS/OFS không chỉ được sử dụng trong các hệ thống cáp

quang biển quốc tế như: TPC-3, TPC-4, TPC-5, APCN, FLAG, SEA-ME-WE 3,
CUCN và JUCN mà nó còn được sử dụng trong các hệ thống quốc gia như:
Hamada-Fukuoka, Niigata-Sapporo, Kagoshima-Naha và JIH. Hiệu quả và sự ổn
định của cáp OS/OFS đã được thực tế chứng nhận.
Cáp quang biển dùng trong các hệ thống có lặp chủ yếu gồm các đường dẫn
quang bằng sợi thuỷ tinh Silica và đường cấp nguồn bằng kim loại đồng để cung
cấp năng lượng điện cho các thiết bị ngầm dưới đáy biển. Cáp OS có thể mang tối
đa 4 đôi sợi quang (8 sợi), còn cáp OFS có thể mang 6 đôi sợi quang (12 sợi). Cáp
OS/OFS có nhiều loại áp dụng cho từng vùng nước sâu và điều kiện dưới đáy biển
như được liệt kê trong bảng 2.1.
20


Bảng 2.1: Các loại cáp OS/OFS chính
STT
Tên cáp
1
Light Weight Cable
2
Light Weight Screened Cable

Viết tắt
LW
LWS

Độ sâu ứng dụng
Có thể lên tới 8000 m
Lên tới 8000 m với rải cáp
7000 m với phục hồi

3
4
5
6

Single Armored (light) Cable
Single Armored (medium) Cable
Single Armored (heavy) Cable
Cable
Double Armored Cable

SAL
SAM
SAH
DA

Tối đa 1500 m
Tối đa 1000 m
Tối đa 500 m
Tối đa 400 m

Cấu trúc khối sợi quang được sử dụng đồng nhất cho tất cả các loại cáp quang
ở trên. Các sợi quang được sắp xếp quanh một sợi dây thép bọc đồng và được nhồi
đầy nhựa thông lưu hoá UV để tạo thành khối hình trụ. Nước thấm vào cáp được
ngăn cản bởi nhựa thông này. Các loại cáp OS/OFS chỉ khác nhau ở phần bảo vệ
bên ngoài để thích hợp với từng điều kiện đáy biển. Ví dụ như trong hai loại cáp cơ
bản LW và SA được trình bày dưới đây.
Cáp LW
Các đặc tính cơ khí và cấu trúc của cáp LW được cho trên hình 2.1. Khối sợi quang
trình bày ở trên được đặt tại trục trung tâm của cáp. Ba mảnh thép có dạng hình

quạt chéo đối diện được bao bọc quanh khối sợi quang để tạo thành ống thép chịu
áp 3 mảnh (3-divided steel pipe). Khoảng trống giữa khối sợi quang và thành trong
của ống tiếp tục được điền đầy hợp chất Uranthane để chống hiện tượng thấm nước
theo chiều dọc trong trường hợp hỏng cáp.

21


Khối sợi quang

Hợp chất chống thấm

Vòng thép 3 mảnh

Sợi thép

Ống đồng
Bảo vệ

Vỏ

Đối tượng
Đường kính cáp
Trọng lượng trên bờ
Trọng lượng dưới nước
Tải trọng đứt cáp
Bán kính cong nhỏ nhất

Giá trị
22,5 mm

8,88 kN/km
4,8 kN/km
98 kN
900 mm

Hình 2.1: Cáp LW
Bộ phận chịu lực căng gồm 14 sợi thép căng bao quanh ống chịu áp. Ống đồng
bao quanh các sợi thép chịu lực được sử dụng làm đường dẫn điện. Hợp chất
Uranthane được điền đầy vào phần chịu lực căng để chống hiện tượng thấm nước
theo chiều dọc trong trường hợp hỏng cáp. Chất dẻo tổng hợp Polyethylene độ đậm
đặc thấp được phủ quanh ống đồng để cách điện. Bao quanh lớp chất dẻo độ đậm
đặc thấp là lớp chất dẻo độ đậm đặc cao tạo thành lớp bảo vệ chống mài mòn.

22


Cáp SAM
Cấu trúc và các đặc tính của cáp SAM được cho trên hình 2.2. Một cấu trúc tương
tự cáp LW được đặt ở trung tâm và có thêm một cấu trúc bên ngoài nhằm tăng
cường khả năng bảo vệ. Loại cáp này được ứng dụng ở vùng nước sâu tối đa
1000 m, với các đặc tính kỹ thuật như trên hình 2.2.
Thành trong tạo bởi sợi Polyme quấn ngược chiều nhau. Bao quanh gồm 18 sợi
thép mạ kẽm đường kính 5 mm. Bao quanh những sợi này là hợp chất chống thấm.
Thành ngoài cũng gồm hai lớp sợi Polyme quấn quanh các sợi dây thép. Cuối cùng
là một lớp bảo vệ.

Tương tự LW
Thành trong
Thành ngoài Ф = 42 mm

m

Dây bao quanh Ф = 5 mm x 18

Đối tượng
Đường kính
Trọng lượng trên bờ
Trọng lượng dưới nước
Tải trọng đứt cáp
Bán kính cong tối thiểu

Giá trị
42 mm
41 kN/km
29,3 kN/km
295 kN
900 mm

Hình 2.2: Cáp SAM

23


Tóm tắt các đặc tính của cáp OS/OFS:
1) Đặc tính cơ khí
Sức căng
Áp suất nước chịu được
Độ thấm nước

Theo bảng thống kê

> 78 Mpa
< 250 m/14 ngày ở độ sâu 1000 m
< 1000 m/14 ngày ở độ sâu 5500 m

2) Đặc tính điện
Điện trở bảo vệ

> 2x1011 Ohm-km, chịu điện áp
0,5 kVDC giữa ống đồng và đất
khoảng 5 phút hoặc lâu hơn
< 0,7 Ohm/km
Chịu được điện thế 30 kVDC giữa
ống đồng và đất sau 5 phút
170 nF/km

Điện trở một chiều
Điện trở với điện thế cao
Điện dung danh định

Bảng 2.2: Sức căng của cáp OS/OFS (Đơn vị KN)
Loại

NTPS

NOTS

NTTS

FBL

CBL

LW

23

63

80

98

98

LWS

23

63

80

98

98

SAL

90

140

185

250

250

SAM

112

147

186

295

295

SAH

143

212

247

379

379

DA

245

323

421

736

736

cáp

24


NPTS: Sức căng cố định trên danh định, cáp và các sợi quang có thể chịu được theo
thiết kế trong suốt thời gian sử dụng.
NOTS: Sức căng vận hành theo danh định, áp dụng cho cáp trong thời gian cần thiết
để tàu dải cáp thực hiện ba kết nối đầy đủ, khi khôi phục cáp mà không làm
giảm đáng kể NPTS.
NTTS: Sức căng tạm thời theo danh định, được áp dụng cho cáp trong thời gian
khoảng 1 giờ mà không làm giảm đáng kể NTPS/NOTS. Điều kiện này
thường gặp phải khi vận hành khôi phục.
PBL: Tải trọng đứt sợi quan, khi áp dụng cho trường hợp dẫn đến đứt sợi quang đột
ngột
CBL: Tải trọng đứt cáp. Khi áp dụng cho trường hợp dẫn đến đứt cáp đột ngột

2.1.2. Cáp HF
NTT thiết kế cáp dành cho hệ thống không lặp gọi là cáp HF. Nó có thể bảo vệ sợi
quang chống lại các ngoại lực và áp suất ngược trong suốt quá trình vận chuyển, rải
cáp, chôn cáp và thu hồi cũng như duy trì hoạt động trong suốt thời gian 20 năm.
Cáp HF được sử dụng trong các liên kết giữa các vùng trong một quốc gia với khả
năng mang một số lượng lớn sợi quang bên trong lõi. Hiệu suất và độ ổn định cao
của cáp HF dành cho truyền dẫn không lặp đã được đánh giá qua nhiều hệ thống
triển khai thực tế.
Đặc trưng nổi bật của cáp HF là sử dụng các băng sợi quang và cấu trúc “lõi
không khí”. Mặt cắt ngang được thể hiện trên hình 2.3. Các băng sợi quang được
xếp chặt vào các khe được đặt xoáy chôn ốc trong một lõi bằng nhựa tổng hợp và
được bao quanh bằng các sợi thép chịu lực đặt trong một ống đồng kín, 20 sợi thép
gia cường đóng vai trò là thành phần chịu lực căng và giữ cho cáp luôn căng. Các
sợi chịu lực và ống đồng kết hợp tạo thành ống chịu áp suất. Băng thấm nước được
quấn quanh các khe để ngăn cản nước xâm nhập vào sợi quang trong trường hợp
gãy cáp. Một lực căng vừa phải được cố ý tạo ra cho sợi quang trong quá trình xử
lý. Các cáp HF có thể chứa tối đa 35 dải 4 sợi quang (100 sợi). Cấu trúc tối đa này
có thể ứng dụng ở độ sâu khoảng 3000 m. Nông hơn so với trường hợp cáp có lặp,
tuy nhiên độ sâu như vậy là đủ đảm bảo vì cáp HF được thiết kế chỉ cho các ứng
dụng hệ thống không lặp.

25