Tổng quan về hệ thống DWDM và thiết kế tuyến DWDM cho đường trục tại EVNTelecom

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

Tổng quan về hệ thống dwdm và thiết kế
tuyến dwdm cho đờng trục tại
evntelecom

ngành : kỹ thuật điện tử

Nguyễn tuấn tú

Ngời hớng dẫn khoa học : TS. Phạm văn bình


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................IV
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................... XII
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................. - 1 PHẦN I.............................................................................................................................. - 3 TỔNG QUAN VÀ CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG DWDM .............. - 3 CHƯƠNG 1:.....................................................................................................................- 3 CƠ SỞ KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG......................- 3 1.1

Kỹ thuật ghép bước sóng quang..................................................................... - 4 -

1.2

Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang................................................ - 4 -

CHƯƠNG 2:...................................................................................................................- 12 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DWDM .................................................................- 12 2.1

Tổng quan về DWDM .................................................................................. - 12 -

2.2

Dải bước sóng làm việc của DWDM ........................................................... - 13 -

2.3

Cấu hình mạng DWDM ............................................................................... - 14 -

2.4

Những ưu điểm của DWDM......................................................................... - 17 -

CHƯƠNG 3:...................................................................................................................- 19 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG DWDM ......................................- 19 3.1. Bộ chuyển đổi bước sóng OTU .................................................................... - 19 3.1.1.

Nguyên lý hoạt động........................................................................... - 20 -

3.1.2.

Phân loại và ứng dụng ........................................................................ - 20 -

3.2. Ghép kênh quang OMUX và tách kênh quang ODMUX ............................. - 21 3.2.1.

Phương pháp ghép kênh sử dụng các bộ lọc ...................................... - 22 -

3.2.2.

Phương pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ ............................ - 28 -

3.2.3.

Phương pháp ghép sợi ........................................................................ - 34 -

3.2.4.

Các bộ tách ghép trên cơ sở mạch tổ hợp quang điện OEI................ - 37 -

3.3. Các bộ khuếch đại quang............................................................................. - 40 3.3.1.

Công nghệ EDFA ............................................................................... - 41 -

3.3.2.

Khuếch đại Raman.............................................................................. - 50 -

3.4. Bộ xen/rẽ kênh quang OADM ...................................................................... - 51 -

i


3.5. Các module bù tán sắc DCM ....................................................................... - 54 3.6. Truyền dẫn sợi quang................................................................................... - 56 3.6.1.

Phân loại sợi........................................................................................ - 56 -

3.6.2.

Sợi quang dịch chuyển vị trí tán sắc khác không NZ- DSF................ - 57 -

3.6.3.

Sợi quang bù tán sắc DCF .................................................................. - 59 -

3.6.4.

Sợi quang tán sắc bằng phẳng DFF..................................................... - 61 -

CHƯƠNG 4:...................................................................................................................- 63 CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CƠ BẢN VÀ THAM SỐ CHÍNH ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ
THỐNG DWDM.........................................................................................................- 63 4.1

Suy hao của sợi quang và băng thông ......................................................... - 63 -

4.2

Số kênh bước sóng ....................................................................................... - 64 -

4.3

Độ rộng phổ của nguồn phát ....................................................................... - 65 -

4.4

Quỹ công suất............................................................................................... - 66 -

4.5

Nhiễu xuyên kênh ......................................................................................... - 67 -

4.6

Tán sắc ......................................................................................................... - 68 -

4.7

Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến .............................................................. - 71 -

4.7.1.

Khuếch tán tích lũy Raman SRS......................................................... - 72 -

4.7.2.

Hiệu ứng tán xạ Brillouin SBS ........................................................... - 73 -

4.7.3.

Hiệu ứng tự điều chế pha SPM ........................................................... - 75 -

4.7.4.

Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM ...................................................... - 76 -

4.7.5.

Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM................................................... - 76 -

PHẦN II .......................................................................................................................... - 79 THIẾT KẾ TUYẾN DWDM THỰC TẾ TẠI EVNTELECOM....................................... - 79 CHƯƠNG 5:...................................................................................................................- 80 THIẾT KẾ TUYẾN DWDM TRÊN ĐƯỜNG TRỤC CỦA EVNTELECOM............- 80 5.1

Hiện trạng hệ thống viễn thông điện lực...................................................... - 80 -

5.1.1

Hệ thống cáp quang đường trục Bắc Nam.......................................... - 80 -

5.1.2

Hệ thống thiết bị truyền dẫn đường trục Bắc Nam. ............................ - 81 -

5.2

Giải pháp kỹ thuật........................................................................................ - 83 -

5.2.1

Yêu cầu đối với hệ thống truyền dẫn đường trục ............................... - 83 -

5.2.2

Lựa chọn phương án tổ chức mạng: ................................................... - 85 -

5.2.3

Cấu trúc mạng..................................................................................... - 86 -

ii


5.2.4

Cấu trúc bảo vệ đối với hệ thống DWDM.......................................... - 89 -

5.3

Tính toán các thông số cho hệ thống DWDM và SDH/STM-64 .................. - 91 -

5.4

Thiết bị của hệ thống.................................................................................. - 105 -

5.5

Cấu hình thiết bị DWDM: .......................................................................... - 111 -

KẾT LUẬN................................................................................................................... - 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................

iii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

A
API

Application Program Interface

APS

Automatic Protection Switching

ARP

Address Resolution Protocol

ARQ

Automatic Repeat Request

AS

Autonomous System

ASBR

AS Boundary Router

ASN

Abstract Syntax Notation

ASON

Automatic Switched Optical Network

AWHG

Average Weighted Hop-distance Gain

B
BER

Bit Error Rate (ratio)

BFR

Best-Fit Rate routing

BGMP

Border Gateway Multicast Protocol

BGP

Border Gateway Protocol

BLSR

Bi-directional Line Switched Ring

BPSR

Bi-directional Path Switched Ring

C
CBR

Constant Bit Rate

CIDR

Classless Interdomain Routing

CLNP

Connectionless Network Protocol

CMIP

Common Management Information Protocol

CORBA

Common Object Request Broker Architecture

CPE

Customer Premises Equipment
iv


CR-LDP

Constraint-based Routing Label Distribution Protocol

CSPF

Constraint-based Shortest Path First routing

CTP

Connection Termination Point

CWDM

Coarse Wavelength Division Multiplexing

D
DCC

Data Communication Channel

DCN

Data Communication Network

DD OSPF

Database Description message

DHCP

Dynamic Host Configuration Protocol

DWDM

Defense Wavelength Division Multiplexing

DCX

Digital Cross Connect

E
EBGP

Exterior Border Gateway Protocol

ECMP

Equal Cost Multiple Path

EDFA

Erbium-Doped Fibre Amplifier

EGP

Exterior Gateway Protocol

F
FEC

Forward Error Correction, Forwarding Equivalence Class

FIB

Forwarding Information Base

FIN

Finish Flag (TCP header)

FQ

Fair Queuing

FTTH

Fibre to the Home

FTTN

Fibre to the Neighbourhood

FWM

Four Wave Mixing

v


G
GMPLS

Generalised Multiprotocol Label Switching

GSMP

General Switch Control Protocol

I
IAB

Internet Architecture Board

IANA

Internet Assigned Numbers Authority

IBGP

Interior Border Gateway Protocol

ICMP

Internet Control Message Protocol

ID

Identifier

IDMR

Inter-Domain Multicast Routing

IDRP

Inter-Domain Routing Protocol

IGMP

Internet Group Management Protocol

IGP

Interior Gateway Protocol

INNI

Internal Network-to-Network Interface

IPng

IP next generation

IPSec

IP Security

ISDN

Integrated Service Digital Network

IS-IS

Intermediate System to Intermediate System routing protocol

J
JIT

Just In Time

L
LBS

Label-Based Switching

LC

Link Connection

LDAP

Lightweight Directory Access Protocol

LDP

Label Distribution Protocol

vi


LIB

Label Information Base

LinkTP

Link Termination Point

LLR

Least Loaded Routing

LMP

Link Management Protocol

LOF

Loss of Frame

LOS

Loss of Signal

LSA

Link State Advertisement

LSP

Label Switched Path

LSR

Label Switch Router, Link State Request

LSU

Link State Update

LTE

Line Terminating Equipment

M
MAC

Media Access Control

MAN

Metropolitan Area Network

MIB

Management Information Base

MONET

Multiwavelength Optical Networking Consortium

MOSPF

Multicast Open Path Shortest First

MPlS

Multiprotocol Lambda Switching

MPLS

Multiprotocol Label Switching

N
NAT

Network Address Translation

NBMA

NonBroadcast Multiple Access

NC&M

Network Control and Management

NDP

Neighbour Discovery Protocol

NE

Network Element

NFS

Network File System

vii

NGI

Next Generation Internet

NHRP

Next Hop Resolution Protocol

NIC

Network Interface Card

NSAP

Network Service Access Point

O
OADM

Optical Add/Drop Multiplexer

OAM

Operations and Maintenance

OAM&P

Operations, Administration, Maintenance, and Provisioning

OBS

Optical Burst Switching

OLS

Optical Label Switching

OLSR

Optical Label Switching Router

OMS

Optical Multiplex Section

OPR

Optical Packet Router

OSCP

Optical Switch Control Protocol

OSPF

Open Shortest Path First protocol

OSPF-OMP OSPF Optimised Multi Path
OTS

Optical Transmission Section

OVPN

Optical Virtual Private Network

OXC

Optical Cross Connect

P
PDU

Protocol Data Unit

PE

Provider Edge

PHB

Per Hop Behaviour

PHY

Physical layer

PNNI

Private Network-to-Network Interface

PON

Passive Optical Network

viii


PPP

Point to Point Protocol

PSTN

Public Switched Telephone Network

PTE

Path Terminating Equipment

PVC

Permanent Virtual Circuit

Q
QA

Q-Adaptor

QoS

Quality of Service

R
RARP

Reverse Address Resolution Protocol

RIP

Routing Information Protocol

RMP

Reliable Multicast Protocol

RMTP

Reliable multicast Transfer Protocol

RPC

Remote Procedure Call

RPF

Reverse Path Forwarding

RSpec

Resource Specification

RSVP

Resource Reservation Protocol

RTCP

Real-Time Transport Control Protocol

RTP

Real-Time Transport Protocol

RTT

Round Trip Time

S
SAN

Storage Area Network

SAP

Service Access Point

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

SDU

Service Data Unit

SLA

Service Level Agreement

ix


SLIP

Serial Line Internet Protocol

SML

Service Management Layer

SMTP

Simple Mail Transfer Protocol

SNC

SubNetwork Connection

SNMP

Simple Network Management Protocol

SNR

Signal-to-Noise Ratio

SPF

Shortest Path First

SRLG

Shared Risk Link Group

SS7

Signalling System Number 7

SSL

Secure Socket Layer

SVC

Switched Virtual Circuit

T
TCP

Transmission Control Protocol

TE

Terminal Equipment, Traffic Engineering

TECP

Traffic Engineering to Control Protocol

TED

Traffic Engineering Database

TIA

Telecommunications Industry Association

TMN

Telecommunications Management Network

TOS

Type of Service

TReq

Trail Request message

TResp

Trail Response message

TSpec

Traffic Specification

TTL

Time To Live

TTP

Trail Termination Point

U
UBR

Unspecified Bit Rate

x


UDP

User Datagram Protocol

ULSR

Unidirectional Line Switched Ring

UNI

User to Network Interface

UNI-C

User Network Interface - Client side (signaling functionality)

UNI-N

User Network Interface - Network side (signaling functionality)

UPSR

Unidirectional Path Switched Ring

UTP

Unshielded Twisted Pair

V
VBR

Variable Bit Rate

VC

Virtual Channel

VCC

Virtual Channel Connection

VCI

Virtual Channel Identifier

VLAN

Virtual Local Area Network

VPC

Virtual Path Connection

VPI

Virtual Path Identifier

VPN

Virtual Private Network

VoIP

Voice over IP

VT

Virtual Tributary

W
WADM

Wavelength Add/Drop Multiplexer

WAMP

Wavelength Amplifier

WAN

Wide Area Network

WDM

Wavelength Division Multiplexing

WFQ

Weighted Fair Queuing

WSXC

Wavelength Selective Cross Connect

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Chương 1:
Hình 1. 1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng............................................. - 1 Hình 1. 2 :Hệ thống ghép bước sóng cùng hướng ............................................................ - 1 Hình 1. 3: Hệ thống ghép bước sóng song hướng ............................................................ - 1 Hình 1. 4 : Mô tả thiết bị ghép- giải ghép hỗn hợp(MUX-DEMUX)............................... - 1 Hình 1. 5: Phân loại các bộ ghép bước sóng..................................................................... - 8 Hình 1. 6: Xuyên kênh ở bộ giải ghép kênh ................................................................... - 10 Hình 1. 7: Xuyên kênh ở bộ ghép - giải ghép kênh hỗn hợp (MULDEX) ..................... - 10 Chương 2:
Hình 2. 1:Phổ truyền dẫn của sợi quang ........................................................................ - 14 Hình 2. 2: Topology dạng điểm - điểm........................................................................... - 15 Hình 2. 3: Topology dạng chuỗi ..................................................................................... - 15 Hình 2. 4: Topology dạng vòng ...................................................................................... - 16 Hình 2. 5: Topology dạng mesh...................................................................................... - 17 Chương 3:
Hình 3. 1: Sơ đồ khối hệ thống DWDM ........................................................................ - 19 Hình 3. 2: Nguyên lý hoạt động của OTU..................................................................... - 20 Hình 3. 3: Ứng dụng của OTU....................................................................................... - 21 Hình 3. 4: Nguyên lý ghép/tách bước sóng................................................................... - 23 Hình 3. 5: Cấu trúc của bộ lọc điện môi giao thoa ........................................................ - 24 Hình 3. 6: Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa .................................... - 25 Hình 3. 7: Cấu trúc cơ bản của một bộ tách nhiều bước sóng ...................................... - 25 Hình 3. 8: Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế ............................................................ - 26 Hình 3. 9: Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn trực tiếp
vào sợi............................................................................................................................. - 26 Hình 3. 10: Thiết bị OMUX – ODMUX 4 bước sóng................................................... - 27 Hình 3. 11: Thiết bị MUX-DEMUX 3 bước sóng......................................................... - 28 Hình 3. 12: Nguyên lý hoạt động của phương pháp sử dụng cách tử phản xạ. ............ - 29 Hình 3. 13: Nguyên lý hoạt động của phương pháp sử dụng cách tử truyền xạ........... - 29 Hình 3. 14: Tìm công thức cách tử................................................................................. - 30 -

xii


Hình 3. 15: Cách tử pha ................................................................................................. - 31 Hình 3. 16 :Sơ đồ bộ ghép kênh sử dụng cách tử của Finke......................................... - 32 Hình 3. 17: Bộ tách Littrow............................................................................................ - 32 Hình 3. 18: Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar và gương lòng chảo .................. - 33 Hình 3. 19: Cách tử lòng chảo........................................................................................ - 33 Hình 3. 20: Sơ đồ cấu trúc thiết bị tách kênh quang sử dụng cách tử lòng chảo.......... - 34 Hình 3. 21: Phương pháp nóng chảy .............................................................................. - 35 Hình 3. 22: Phương pháp mài ghép................................................................................ - 36 Hình 3. 23: Bộ ghép kênh 4 bước sóng bằng phương pháp nóng chảy nối tiếp các sợi đơn
mode ............................................................................................................................... - 37 Hình 3. 24: Nguyên lý hoạt động của AWG .................................................................. - 38 Hình 3. 25: Giản đồ năng lượng của Erbium.................................................................. - 42 Hình 3. 26: Cấu trúc cơ sở của bộ khuếch đại EDFA..................................................... - 43 Hình 3. 27: Phổ khuếch đại của EDFA........................................................................... - 43 Hình 3. 28: Khuếch đại EDFA một tầng ........................................................................ - 46 Hình 3. 29: Khuếch đại EDFA với băng tần C sử dụng bộ lọc..................................... - 47 Hình 3. 30: Khuếch đại EDFA hai tầng ......................................................................... - 48 Hình 3. 31: Cấu trúc chung của một bộ OADM............................................................ - 52 Hình 3. 32: OADM cố định............................................................................................ - 53 Hình 3. 33: OADM có thể cấu hình lại........................................................................... - 53 Hình 3. 34: Nguyên lý bù tán sắc của cách tử Bragg ................................................... - 55 Hình 3. 35: Tán sắc bằng phẳng của sợi quang ................................................................ - 1 Chương 5:
Hình 5. 1: Hệ thống đường trục ........................................................................................ - 1 Hình 5. 2: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đường trục ........................................................ - 1 Hình 5. 3: Cơ chế bảo vệ OMSP..................................................................................... - 90 Hình 5. 4: Cơ chế bảo vệ OSNCP................................................................................... - 91 Hình 5. 5: Card Transponder OTU-2V........................................................................... - 93 Hình 5. 6: Card MUX/DEMUX F04MDU-1.................................................................. - 93 Hình 5. 7: Card LALIC................................................................................................... - 93 Hình 5. 8: Sơ đồ tuyến Hà Nội - Hà Tĩnh....................................................................... - 99 -

xiii


-1-

LỜI NÓI ĐẦU
Thời gian gần đây, các hệ thống thông tin quang đã chiếm lĩnh hầu hết
các tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông và được coi là
phương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên
lục địa. Để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do bùng nổ thông tin trong xã hội,
đặc biệt là sự phát triển của các dịch vụ băng thông rộng, mạng truyền dẫn đòi
hỏi phải có sự phát triển mạnh cả về quy mô và trình độ công nghệ nhằm tạo
ra các cấu trúc mạng bao gồm các hệ thống truyền dẫn quang hiện đại. Các hệ
thống thông tin quang trong thời gian tới phải đảm bảo có tốc độ cao, cự ly
xa, có cấu trúc hệ thống linh hoạt, độ tin cậy cao…

Trong các hệ thống thông tin trước đây, một sợi quang chỉ truyền dẫn
một bước sóng với một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng
quang ở phía thu. Với một hệ thống như vậy, dải phổ của tín hiệu quang
truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi quang có thể truyền
dẫn. Nếu muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải thêm sợi quang. Thực
tế cho thấy, khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức nào đó sẽ xuất hiện các
hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ cũng như kéo dài cự ly
truyền dẫn. Khi tốc độ đạt tới hàng trục Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ
không thể đảm bảo đáp ứng được các xung điện cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi
phí cho các giải pháp trên tuyến truyền dẫn trở nên khá tốn kém. Do đó, các
kỹ thuật ghép kênh quang như OTDM, OFDM, SCM, WDM đã ra đời nhằm
khắc phục được các hạn chế trên. Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược
điểm riêng. Trong đó nổi trội hơn cả là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo
bước sóng - WDM, và WDM đã mở ra hướng phát triển mới cho mạng viễn
thông.
Với những lý do trên tôi đã chọn đề tài “Tổng quan về hệ thống DWDM
và thiết kế tuyến DWDM cho đường trục tại EVNTelecom” nhằm mục đích

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009

Nguyễn Tuấn Tú


-2tìm hiểu, nghiên cứu về kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng mật độ cao và đưa
ra được tuyến thông tin quang đường trục ứng dụng công nghệ này. Luận văn
được trình bày gồm 02 phần và các chương với nội dung như sau:
Phần I: Tổng quan và các thành phần cơ bản của hệ thống DWDM
Chương 1 : Cơ sở kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng
Chương 2 : Tổng quan về công nghệ DWDM
Chương 3 :Các thành phần cơ bản của hệ thống DWDM

Chương 4 : Các vấn đề kỹ thuật cơ bản và tham số chính ảnh hưởng đến
hệ thống DWDM
Phần II: Thiết kế tuyến DWDM thực tế tại EVNTelecom
Chương 5: Thiết kế tuyến DWDM trên đường trục của EVNTelecom
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. Phạm Văn Bình đã tận tình
hướng dẫn tôi nghiên cứu, tìm hiểu và tạo mọi điều kiện để tôi có thể hoàn
thành luận văn tốt nghiệp.
Do hạn chế về thời gian và kiến thức, luận văn tốt nghiệp của tôi còn có
nhiều thiếu sót. Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và
các bạn để đề tài của tôi được hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn.
Hà nội, ngày 05 tháng 11 năm 2009
Học viên

Nguyễn Tuấn Tú

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009

Nguyễn Tuấn Tú


-3-

PHẦN I
TỔNG QUAN VÀ CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN
CỦA HỆ THỐNG DWDM

Chương 1:
CƠ SỞ KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG
Trong kỹ thuật truyền dẫn số, chúng ta đã quen với ghép kênh tín hiệu

điện, các luồng tín hiệu ở cấp thấp sẽ được ghép lại với nhau tạo nên các
luồng tín hiệu cấp cao hơn. Những năm gần đây, công nghệ thông tin quang
đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể trong đó phải kể đến đến kỹ thuật ghép
kênh quang, nó thực hiện ghép các tín hiệu ánh sáng để truyền trên sợi dẫn
quang với mục đích:
- Tăng dung lượng kênh truyền dẫn.
- Xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao.
Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức nào đó người ta đã thấy các
hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn. Khi tốc độ
đạt tới hàng chục Gbit/s, bản thân các mạch điện sẽ không thể đảm bảo đáp
ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở
nên tốn kém vì cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao. Do
đó kỹ thuật ghép kênh quang đã ra đời, khắc phục được những hạn chế trên.
Các phần tử quang trong thiết bị sẽ đóng vai trò chủ đạo trong việc thay thế
hoạt động của các phần tử điện ở các vị trí xung yếu đòi hỏi kỹ thuật xử lý tín
hiệu nhanh. Kỹ thuật ghép kênh quang còn tận dụng được phổ hẹp của laser,
lợi dụng được các bước sóng khác nhau để thực hiện truyền đồng thời nhiều
luồng ánh sáng mang tín hiệu trên một sợi dẫn quang.

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009

Nguyễn Tuấn Tú


-4-

1.1 Kỹ thuật ghép bước sóng quang
Với các hệ thống thông tin sợi quang thông thường, mỗi sợi quang chỉ có
thể truyền tín hiệu quang từ một nguồn phát tới một bộ tách quang tại đầu thu
vì vậy các tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau đòi hỏi các sợi xác định

riêng biệt. Tuy nhiên từ thực tế thấy rằng nguồn quang có độ rộng phổ tương
đối hẹp vì vậy phương pháp này chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần vốn
có rất lớn của sợi quang, không tận dụng được hiệu suất của đường truyền.
Về lý thuyết ta có thể làm tăng đáng kể dung lượng truyền dẫn của hệ
thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu
các nguồn phát có phổ cách nhau một cách hợp lý và ở đầu thu có thể thu
được các tín hiệu quang riêng biệt nếu phần thu có các bộ tách bước sóng, đây
chính là cơ sở của kỹ thuật ghép bước sóng.

1.2 Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang
Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh hoạ như ở hình
1.1. Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng λ1, λ2,... , λn.
Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng
một sợi dẫn quang. Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía
phát nhờ bộ ghép kênh; bộ ghép bước sóng phải bảo đảm có suy hao nhỏ và
tín hiệu sau khi ghép sẽ được truyền dọc theo sợi để tới phía thu. Các bộ tách
sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các
bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng.
I(λ1)
I(λn)

O(λ1)

Sợi quang
O(λ1...λn)
I(λ1...λn)
MUX

DEMUX

O(λn)

Hình 1. 1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang - WDM
là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp
của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống,
đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất. Ở đây việc
thực hiện ghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào.

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009

Nguyễn Tuấn Tú


-5Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để
mang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền
đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau. Mỗi
bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang. Công nghệ WDM
phát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một
phần rất nhỏ của 1 nm hay 10-9 m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh
theo bước sóng mật độ cao - DWDM. Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có
khả năng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc
độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET).
Các nhà cung cấp WDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc
truyền nhiều hơn các kênh quang. Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây
đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng
trăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn. Có hai hình
thức cấu thành hệ thống WDM đó là: hệ thống ghép bước sóng cùng hướng
và hệ thống ghép bước sóng song hướng.

Ở hình 1.2 là hệ thống ghép bước sóng cùng hướng. Trong hệ thống này
thiết bị ghép bước sóng được dùng để kết hợp các bước sóng khác nhau sau
đó truyền trên cùng một sợi và tách chúng ở đầu kia thành các tia riêng rẽ
trước khi đưa vào bộ thu quang tương ứng.

Mét sîi dÉn quang

Nguån λ
1

Thu

λ1

Ghép
kênh
Nguån λ
2

Khuếch
đại

Tách
kênh

Thu

λ2

λ1,λ2, λ3 ... λ

Hình 1. 2 :Hệ thống ghép bước nsóng cùng hướng

Hệ thống ghép bước sóng song hướng được trình bày ở hình 1.3. Ở
hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng λ1, λ2, ..., λn qua bộ
Nguån λ

Thu

ghép/tách kênh nđược tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi. Cũngλsợi
n
quang đó, ở hướng về các bước sóng λn+1, λn+2,..., λ2n được truyền dẫn theo
chiều ngược lại

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009

Nguyễn Tuấn Tú


-6-

Mét sîi dÉn quang

Nguån λ
1

Thu

λ

1

Tách

Ghép /

λ1,λbước
λn song hướng
2, λ3 ...
Hình 1. 3: Hệ thống ghép
sóng

/ Tách

Ghép

Để thực hiện một hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng cùng
hướng thì cần phải có bộ ghép kênh ở đầu phát để kết hợp các tín hiệu quang
λn
từ các nguồn phát quang khác nhau đưa vào một sợi dẫn quang
Thuchung. Tại
đầu thu, cần phải có bộ tách kênh để tách các kênh quang tương ứng. Nhìn
chung,
các tín hiệu quang không phát một lượng công suất đáng kể nào ở
Nguån
λ phổ kênh đã định trước của chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh
ngoài độ rộng
Nguån
n

Khuếch

là không đáng lưu tâm ở đầu phát. Mà vấn đề đáng lưu tâm là bộ ghép kênh
đại
λ n+1
cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép
kênh ít bị suy hao. Đối với bộ tách kênh, vì các bộ tách sóng quang thường
nhạy cảm trên cả một vùng rộng các bước sóng cho nên nó có thể thu được
toàn bộ các bước sóng được phát đi, như vậy để ngăn chặn các tín hiệu không
mong muốn một cách có hiệu quả thì phải có biện pháp cách lyNguån
tốt các kênh
quang. Để thực hiện tốt điều này, cần thiết kế các bộ giải ghép thật chính xác
λ
hoặc sử
định có bước sóng cắt chính xác. Do đó
Thudụngn+1các bộ lọc quang rấtλnổn
+1,λn+2 ... λ2n
hệ thống WDM cùng hướng được ứng dụng và phát triển tương đối rộng rãi.
Hệ thống WDM song hướng thì yêu cầu phát triển và ứng dụng caoλ 2n
hơn,
có cơ cấu phức tạp hơn đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt. Có rất
nhiều vấn đề cần lưu ý như là phản xạ quang, xuyên âm giữa các kênh, mức
điện của công suất truyền dẫn. Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy
hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghép kênh. Ở phía thu, các bộ
tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng quang. Khi thực
hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác
bằng cách thiết kế các bộ tách kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009

Nguyễn Tuấn Tú

-7sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải làm việc ổn định. Do sử dụng bộ
khuếch đại quang hai chiều nên hệ thống song hướng giảm được số lượng bộ
khuếch đại và tiết kiệm được sợi quang.
Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép bước sóng nào cũng có thể được dùng
làm bộ giải ghép bước sóng. Như vậy, hiểu đơn giản từ “bộ ghépMultiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để
tương thích cho cả bộ ghép và bộ giải ghép, trừ trường hợp cần thiết phải
phân biệt hai thiết bị này.
Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành ba loại: các bộ
ghép (MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ ghép và giải ghép hỗn
hợp (MUX-DEMUX). Các bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương
án truyền dẫn cùng hướng, còn loại hỗn hợp được sử dụng cho phương án
truyền dẫn song hướng.
C¸c tÝn hiÖu
®−îc ghÐp
I (λ )
k

k

O(

λk)

C¸c tÝn hiÖu
®−îc gi¶i ghÐp
Hình 1. 4 : Mô tả thiết bị ghép- giải ghép hỗn hợp(MUX-DEMUX)
Ι bước sóng được phân loại
Các bộ ghép bước sóng trong kỹ thuật ghép

(

như hình 1.5.

i

λ

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009

λ

)

Nguyễn Tuấn Tú


-8-

C¸c bé ghÐp b−íc sãng

Thô ®éng

TÝch cùc

C¸c bé ph¸t
thu nhiÒu b−íc

vËt liÖu

sãng

GhÐp

Tæ hîp

Vi
Hình
sîi 1. 5: Phân loại các bộ ghép bước sóng

Cácquang
bộ ghép bước sóng thụ động được sử dụng hiện nay thường là các bộ
vi quang học (microoptic) và bộ ghép sợi kiểu dẫn sóng (guided wave fibre
coupler). Mỗi loại đều có ưu nhược điểm của mình.
Các bộ vi quang học thường đòi hỏi hệ thống ghép nối các thấu kính để
ghép vào sợi quang. Các khó khăn trong việc định vị và ghép nối làm hạn chế
các đặc tính kỹ thuật đặc biệt là đối với các sợi đơn mode. Tuy nhiên việc sử
dụng các bộ vi quang học cho phép lựa chọn đặc tính của bộ lọc rộng rãi hơn.
Các bộ ghép sợi ít chịu ảnh hưởng của các khó khăn nêu trên nhưng lại bị
hạn chế T¸n
trong việc lựa chọn các đặc tính cần có của bộ lọc, chẳng hạn như
mức độ bằng phẳng của băng thông.
Bé bản để xác định đặc tính của các bộ ghép bước sóng là:
Có 3 tiêu chuẩn cơ
s¾c - Suy hao xen

- Xuyên âm
- Độläcrộng phổ của kênh

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009

Quang tæ

Phi

Giao

Nguyễn Tuấn Tú
Ph©n


-9a) Suy hao xen:
Suy hao xen ở đây được xác định như lượng tổn hao công suất trên tuyến
truyền dẫn quang do việc thêm vào các bộ ghép bước sóng. Khác với các
coupler thông thường, ở đây suy hao xen được xem xét đối với từng bước
sóng:
Lk= -10log O(λk)/Ik(λk)

MUX

(1.1)

Li= -10log Oi(λi)/I(λi)

DEMUX

(1.2)

Trong đó:
I(λi), O(λk) là công suất tín hiệu được ghép ở trên đường chung
Ik(λk) là công suất tín hiệu bước sóng λk đi vào cửa thứ k của bộ ghép, tín

hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k.
Oi(λi) là công suất tín hiệu bước sóng λi đi khỏi cổng thứ i của bộ tách.
Suy hao này bao gồm suy hao sinh ra tại các điểm ghép nối của các bộ
ghép bước sóng mà nguyên nhân chủ yếu là do hấp thụ hoặc phản xạ. Mức độ
ảnh hưởng tương đối của hai nguồn suy hao trên đến hệ thống còn tùy thuộc
vào loại công nghệ được lựa chọn để chế tạo bộ ghép bước sóng.
b) Xuyên âm:
Xuyên âm là sự rò tín hiệu từ kênh này sang kênh kia. Nó làm tăng nền
nhiễu và do vậy làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Hiện tượng này được
sinh ra do các yếu tố sau:
- Do các đặc tính của bộ lọc không hoàn thiện.
- Do phản xạ hay hội tụ không hoàn toàn làm các tia sáng bị tản mát.
- Do phổ của các nguồn phát lấn lên nhau.
- Do các hiệu ứng phi tuyến xảy ra khi đưa công suất cao vào sợi quang
Trong một bộ giải ghép kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tín
hiệu từ kênh thứ i có bước sóng λi sang các kênh khác có bước sóng khác với
λi. Nhưng trong thực tế luôn luôn tồn tại một mức xuyên âm nào đó, và làm
giảm chất lượng truyền dẫn của thiết bị. Khả năng để tách các kênh khác nhau
dược diễn giải bằng suy hao xuyên âm và được tính bằng dB như sau:
Di(λk) = -10log Ui(λk)/I(λk)

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009

(1.3)

Nguyễn Tuấn Tú


- 10 Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ giải ghép kênh ở hình 1.6 thì Ui(λk) là
lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λk do có sự dò tín hiệu ở cửa

thứ i sang, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng λi.

Sîi quang
I( λ 1) I(λ 2) ... I(λn)

DEMUX

1
2
i

Oi ( λi) + Ui ( λk )

n

Hình 1. 6: Xuyên kênh ở bộ giải ghép kênh
λ1

I ( λ 1)

λ1

λ2

O2(λ2 ) + U 2(λ1 )+ U 1( λ1)
Xuyªn kªnh
®Çu xa

λ2
MULDEX

MULDEX

λ2

λ1

λ1

Sîi quang

λ2
I ( λ 2)

Xuyªn kªnh
®Çu gÇn

Hình 1. 7: Xuyên kênh ở bộ ghép - giải ghép kênh hỗn hợp (MULDEX)

Trong thiết bị ghép-giải hỗn hợp như hình 1.7, việc xác định suy hao xuyên
kênh cũng được áp dụng như bộ giải ghép. Ở trường hợp này phải xem xét cả
2 loại xuyên kênh, xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác được ghép đi vào
đường truyền gây ra, ví dụ như I(λk) sinh ra Ui(λk). Xuyên kênh đầu gần là do
các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị như Ui(λi).
Khi cho các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối
với từng thiết bị.
c) Độ rộng phổ của kênh:
Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho mỗi một kênh. Độ rộng này
phải đảm bảo để tránh nhiễu giữa các kênh, do đó được xác định tuỳ theo
từng loại nguồn phát. Đối với các nguồn phát sử dụng laser độ rộng phổ của

nguồn chỉ vài nm, đặc biệt đối với laser đơn mode độ rộng phổ chỉ 0,1nm, thì

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009

Nguyễn Tuấn Tú


- 11 yêu cầu độ rộng của kênh chỉ cần nhỏ. Còn đối với các nguồn phát sử dụng
led thì độ rộng phổ của nguồn cỡ vài chục nm, do đó yêu cầu độ rộng kênh
lớn.

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009

Nguyễn Tuấn Tú