Tìm hiểu công nghệ WDM và DWDM

Đề tài: Tìm hiểu công nghệ WDM và DWDM


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................... 2
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................4
MỞ ĐẦU................................................................................................. 6
CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ WDM......................................................7
1.1. Tổng quan....................................................................................................7
1.2. Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM.............................................10
1.3. Các tham số của hệ thống WDM[2]............................................................14

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ DWDM.................................................20
2.1. Tổng quan..................................................................................................20
2.2. Thành phần mạng DWDM[4]....................................................................22

TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................26
LỜI CẢM ƠN....................................................................................... 26
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................... 2
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................4
MỞ ĐẦU................................................................................................. 6
CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ WDM......................................................7
1.1. Tổng quan....................................................................................................7
1.1.1. Khái niệm[1]..........................................................................................7
Hình 1.1. Sơ đồ chức năng của WDM...........................................................7
1.1.2. Quá trình phát triển WDM[5].................................................................8
Hình 1.2. Sự phát triển của WDM.................................................................9
1.1.3. Các chế độ truyền dẫn WDM..................................................................9
Hình 1.3. Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng............................................9
Hình 1.4. Hệ thống ghép bước sóng song hướng........................................10

1.1.4. Ưu, nhược điểm của WDM...................................................................10
1.2. Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM.............................................10
1.2.1. Bộ đầu cuối đường quang (OLT: Optical Line Terminal).....................11
Hình 1.5. Sơ đồ khối của một bộ đầu cuối đường quang (OLT)..................11
1.2.2. Bộ lọc quang........................................................................................12
Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ lọc.........................................................................12
1.2.3. Bộ nối chéo quang OXC......................................................................12
Hình 1.7. Bộ OXC.......................................................................................12
1.2.4. Bộ xen rẽ quang OADM......................................................................12
Hình 1.8. Cấu hình mạng WDM tuyến tính.................................................13
Hình 1.9. OADM dựa trên FBG và Circulator............................................14
1.3. Các tham số của hệ thống WDM[2]............................................................14
1.3.1. Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang.......................................15
1.3.2.1. Hiệu ứng tán xạ Brillouin kích thích..............................................15
1.3.2.2. Hiệu ứng tán xạ Raman kích thích..................................................16
Hình 1.10. Ảnh hưởng của SRS..................................................................16
Hình 1.11. Hệ số độ lợi SRS là hàm của khoảng cách kênh........................17
1.3.2.3. Hiệu ứng trộn 4 bước sóng.............................................................17
Hình 1.12. Hiệu ứng trộn bốn bước sóng....................................................17
1.3.2. Số kênh bước sóng[3]...........................................................................17
1.3.3. Độ rộng phổ nguồn phát.......................................................................19

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ DWDM.................................................20
2.1. Tổng quan..................................................................................................20
2.1.1. Khái niệm............................................................................................20
3

Hình 2.1. Khái niệm DWDM[6]..................................................................21
2.1.2. Chức năng hệ thống.............................................................................21
2.1.3. Ưu, nhược điểm của DWDM...............................................................22
2.2. Thành phần mạng DWDM[4]....................................................................22
Hình 2.2. Mô hình DWDM.........................................................................23

TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................26
LỜI CẢM ƠN....................................................................................... 26

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ADM

Add/Drop Multiplexer

Bộ ghép kênh xen/rẽ

APD

Avalanche Photo Diode

Diode quang thác

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền bất đồng bộ

DWDM

Dense

EDFA

Wavelength

Division Ghép kênh theo bước sóng mật độ

Multiplexer

cao

Erbium Doped Fiber Amplifier

Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn
Erbium

FBG

Fiber Bragg Grating

Sợi quang cách tử Bragg

FWM

Four Wave Mixing

Hiệu ứng trộn bốn bước sóng

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

ITU-T

International

Telecommunication Tổ chức Viễn thông quốc tế

Union

Telecommunication

-

Standardization Sector
4


MUX/DEMUX Multiplexer /Demultiplexer
OADM

Optical Add/Drop Mutplexer

Thiết bị ghép kênh /Thiết bị tách
kênh
Bộ xen/rẽ bước sóng quang

OLT

Optical Line Terminator

Bộ kết cuối đường quang

OSC

Optical Supervisor Channel

Kênh giám sát quang

OTN

Optical Transport Network

Mạng truyền tải quang

OXC

Optical Cross Connect

Khối kết nối chéo quang

SBS

Stimulated Brillouin Scattering

Tán xạ do kích thích Brillouin

SONET/SDH

Synchronous Optical Networrk

Mạng quang đồng bộ

SRS

Stimulated Raman Scattering

Tán xạ do kích thích Raman

WDM

Wavelength Division Multiplexer

Ghép kênh theo bước sóng

5


MỞ ĐẦU
Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM/ DWDM (Wavelength
Division Multiplexing) đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong

cửa sổ truyền sóng (tại đó suy hao của tín hiệu truyền trong sợi là nhỏ nhất) của sợi
quang đơn mode, nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống. Việc thực hiện
ghép kênh không có một quá trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của ghép kênh
quang là nhằm tăng dung lượng và tốc độ truyền dẫn lên rất lớn. Đề tài này sẽ tập
trung vào việc tìm hiểu về kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM/
DWDM, các công nghệ và thiết bị, các kỹ thuật cần quan tâm trong hệ thống ghép
kênh quang theo bước sóng.

6


CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ WDM
1.1. Tổng quan
1.1.1. Khái niệm[1]
Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing): là công nghệ
“trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”. Ở đầu phát,
nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi
trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi
phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau.

Hình 1.1. Sơ đồ chức năng của WDM
Để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trên một sợi quang, hệ thống WDM phải
thực hiện các chức năng sau:
Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn quang được dùng là laser. Yêu cầu đối với
nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, độ rộng phổ nằm
trong giứi hạn cho phép.
Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một
luồng ánh sáng tổng hợp để truyền qua sợi quang. Tách tín hiệu là sự phân chia luồng ánh
sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách. Có các
7

bộ tách ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử
nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG,…Khi xét đến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét
các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng,
bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, suy hao xen,…
Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sử ảnh hưởng của
nhiều yếu tố: suy hao, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại…
Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi
EDFA, khuếch đại Raman. Khi dùng bộ khuếch đại EDFA phải đảm bảo các yêu cầu: Độ
lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng; Sự thay đổi số lượng kênh
bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh;
Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại hệ số
khuếch đại.
Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ thu quang như
trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD.
1.1.2.

Quá trình phát triển WDM[5]
-

WDM bắt đầu vào cuối những năm 1980 sử dụng hai cửa sổ bước sóng 1310 nm

và 1550 nm (hoặc 850 nm và 1310 nm)
-

Đầu những năm 1990 - thế hệ thứ hai của WDM, trong đó đã sử dụng từ hai đến

tám kênh. Các kênh này được đặt cách nhau khoảng 400 GHz trong cửa sổ 1550nm.
-

Vào giữa những năm 1990, các hệ thống WDM (DWDM) mật độ cao xuất hiện

với 16 đến 40 kênh và khoảng cách giữa các kênh từ 100 đến 200 GHz.
-

Vào cuối năm 1990, các hệ thống DWDM đã phát triển đến mức có thể có 64

đến 160 kênh song song, mật độ kênh khoảng 50 GHz hoặc thậm chí 25 GHz.

8


Hình 1.2. Sự phát triển của WDM

1.1.3.

Các chế độ truyền dẫn WDM
Dựa trên hướng truyền dẫn, người ta chia thành hai chế độ truyền dẫn trong

WDM.
Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng:
Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy để truyền
thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang.

Hình 1.3. Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng
Hệ thống ghép bước sóng song hướng:
Hệ thống ghép bước sóng song hướng sử dụng một sợi quang cho hai hướng truyền
dẫn:
9

Hình 1.4. Hệ thống ghép bước sóng song hướng

1.1.4.

Ưu, nhược điểm của WDM

Ưu điểm:
- Tăng băng thông truyền trên sợi quang số lần tương ứng số bước sóng được ghép
vào để truyền trên một sợi quang.
- Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có
thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như: ATM, Gigabit Ethernet, chuyển
mạch kênh, IP ...
- Khả năng mở rộng: Những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng
thông truyền trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng ở
nhiều cấp độ khác nhau.
- Hiện tại, chỉ có duy nhất công nghệ WDM là cho phép xây dựng mô hình mạng
truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải trong suốt
nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động ...
Nhược điểm:

1.2.

-

Vẫn chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang (chỉ mới tận dụng

-

được băng C (1530÷1565nm) và băng L (1565÷1625nm)).
Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần.
Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM

10


Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM: Bộ phát quang, Bộ thu quang, Bộ đầu cuối
đường quang, Sợi quang, Bộ khuếch đại quang, Bộ nối chéo quang OXC, Bộ xen rẽ
quang OADM, Bộ lọc.
1.2.1. Bộ đầu cuối đường quang (OLT: Optical Line Terminal)
Bộ đầu cuối đường quang là thiết bị khá đơn giản trong mạng truyền dẫn WDM.
OLT có trong các mô hình mạng điểm-điểm, thực hiện ghép tín hiệu ở đầu phát và truyền
đi trên sợi quang, giải ghép ở đầu thu và chuyển các tín hiệu thành phần đến phía đầu
cuối khách hàng. Như minh họa trên hình, OLT gồm có ba khối chức năng chính: chuyển
đổi tín hiệu (Transponder), ghép bước sóng (Wavelength Multiplexer) và khuếch đại
quang (Optical Amplifier).

IP router

Non ITU λ

O/E/O
Non ITU λ

SONET

Transponder

E/O/E

ITU λ1
ITU λ2
ITU λ3

SONET

MUX/DEMUX

λ1
MMUX/D
λ2 λ3
EMUX
λ OSC
Laser

OLT

Receiver

λ OSC

Hình 1.5. Sơ đồ khối của một bộ đầu cuối đường quang (OLT)
Bộ chuyển đổi tín hiệu chuyển đổi tín hiệu đến từ người sử dụng thành tín hiệu
phù hợp cho việc truyền dẫn trên các tuyến WDM và ngược lại. Các bộ chuyển tiếp sẽ
không cần thiết nếu thiết bị khách hàng có thể truyền và nhận trực tiếp các tín hiệu tương
thích với tuyến WDM. OLT cũng có khả năng kết cuối một kênh giám sát quang riêng lẻ
(OSC) dùng trên tuyến quang. Bộ chuyển đổi tín hiệu thực hiện chuyển tín hiệu đến từ
mạng khách hàng với những tốc độ, bước sóng và giao thức khác nhau sang thành tín
hiệu thuộc bước sóng chuẩn theo qui định của ITU-T. Với những tín hiệu khách hàng

khác nhau, bộ chuyển đổi cung cấp các giao tiếp khác nhau. Giao tiếp này gọi là giao tiếp
khách hàng. Bộ ghép bước sóng ghép các tín hiệu đã qua bộ chuyển đổi để hình thành tín
hiệu WDM, truyền trên mạng WDM. Mạng WDM có thể sử dụng các bộ khuếch đại
quang để khuếch đại tín hiệu cho phép truyền đi xa hơn.
11


1.2.2. Bộ lọc quang
Bộ lọc là thiết bị chỉ cho phép một kênh bước sóng đi qua, khóa đối với tất cả các
kênh bước sóng khác.

a. Bộ lọc cố định bước sóng

b. Bộ lọc có thể điều chỉnh bước sóng được trong khoảng
Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ lọc

1.2.3. Bộ nối chéo quang OXC
Chức năng chuyển đổi các kênh bước sóng giữa các cổng đầu vào và các kênh đầu
ra tín hiệu đa kênh khác nhau. OXC cho phép sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên bước
sóng có trên mạng.

Hình 1.7. Bộ OXC
1.2.4. Bộ xen rẽ quang OADM
Chức năng của bộ xen rẽ quang là nó được cấu hình để thêm/bớt một số kênh
bước sóng, các kênh bước sóng còn lại được cấu hình cho đi xuyên qua (pass
through).

12

Ta xét một mạng gồm có ba trạm nối chuỗi với nhau, thường được gọi là cấu
hình tuyến tính. Giả sử các liên kết và kết nối đều là song công, các nút mạng được
nối với nhau bởi hai sợi quang, mỗi sợi truyền theo một chiều. Giả sử kết nối A và B
dùng một bước sóng cho chiều truyền đi và về, kết nối B và C dùng một bước sóng,
kết nối A và C dùng 3 bước sóng. Như vậy, liên kết A-B và B-C đều dùng 4 bước
sóng. Nếu mạng chỉ dùng bộ OLT, khi đó cần phải dùng 4 OLT với số bộ chuyển đổi
bước sóng là 16. Trong khi đó nếu triển khai dùng OADM tại node B với cấu hình
thích hợp cho bớt kênh bước sóng thuộc kết nối A và B, cho thêm kênh bước sóng
thuộc kết nối B và C, cho đi xuyên qua kênh bước sóng thuộc kết nối A và C, ta có
thể tiết kiệm số nút mạng sử dụng chỉ còn là 3 (2 OLT+1 OADM) và số bộ chuyển
đổi tín hiệu dùng bây giờ chỉ còn là 8. Hai cấu hình ứng với trường hợp (a) và (b)
trong hình 1.8. Trên thực tế, số bước sóng cần thêm/bớt tại nút mạng thường rất nhỏ
so với số lượng bước sóng được truyền trên sợi quang nên hiệu quả ứng dụng OADM
vào mạng sẽ là rất lớn. Tuy nhiên, ta cũng thấy rằng nếu khoảng cách từ trạm A đến
trạm C đủ nhỏ, ta có thể nối trực tiếp kết nối giữa A và C mà không cần qua trung
gian là trạm B. Khi đó, hiệu quả của ứng dụng OADM không còn lớn nữa. Trong
trường hợp các trạm có khoảng cách tương đối nhỏ (mạng đô thị) thì cấu hình mạng
Mesh dùng OXC làm phần tử cơ bản là cấu hình tối ưu nhất.

Hình 1.8. Cấu hình mạng WDM tuyến tính
Ví dụ: Cấu hình OADM sử dụng FBG và Circulator
Cấu hình này tương tự như các cấu hình 4 cổng, trong đó các bộ ghép (Coupler) được
thay thế bằng các bộ truyền thông tin (Circulator) quang. Về lý thuyết, cấu hình này sử
13


dụng các thiết bị không giao thoa là lý tưởng. Các tính chất phổ theo nguyên lý phụ thuộc
vào hoạt động và tính chất của FBG và có thể được thiết kế như một bộ lọc trực giao lý
tưởng sử dụng kĩ thuật tán sắc ngược, sự mất tín hiệu và xuyên âm chủ yếu phụ thuộc vào
hoạt động của các bộ truyền thông tin quang.

Hình 1.9. OADM dựa trên FBG và Circulator

Nguyên lý hoạt động của OADM dạng này như sau: ánh sáng được đưa vào cổng
In 1 và được định hướng tới FBG có bước sóng phản xạ là λ G, ánh sáng có bước sóng này
được cách tử phản xạ trở lại bộ truyền thông tin và được tách ra ở cổng Drop 4, các phần
ánh sáng còn lại sẽ chuyển qua cách tử và đưa tới bộ truyền thông tin 2. Ở bộ truyền
thông tin 2, một tín hiệu khác có bước sóng λG được đưa vào cổng Add 3, tín hiệu này
được cách tử phản xạ trở lại và đi ra cổng Out 2.
1.3.

Các tham số của hệ thống WDM[2]
Có các tham số cơ bản của các hệ thống WDM, bao gồm:
-

Suy hao

-

Tán sắc

-

Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang

-

Số kênh bước sóng

-

Độ rộng phổ của nguồn phát
Tuy nhiên, đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố

này cũng khác nhau. Ví dụ:
-

Ðối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan
tâm là suy hao.
14


-

Ðối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ yếu cần quan
tâm là suy hao và tán sắc.

-

Ðối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 yếu tố trên cần
phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến.

1.3.1. Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang
Hiệu ứng quang được gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào
cường độ ánh sáng (công suất).
Các hiệu ứng phi tuyến có thể chia ra làm 2 loại. Loại thứ nhất phát sinh do tác
động qua lại giữa các sóng ánh sáng với các phonon (rung động phân tử) trong môi
trường silica- một trong nhiều loại hiệu ứng tán xạ mà chúng ta đã xem xét là tán xạ
Rayleigh. Hai hiệu ứng chính trong loại này là tán xạ do kích thích Brillouin (SBS) và
tán xạ do kích thích Raman (SRS).

Loại thứ hai sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ điện trường hoạt
động, tỉ lệ với bình phương biên độ điện trường. Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng
trong loại này là hiệu ứng tự điều pha (SPM - Self-Phase Modulation), hiệu ứng điều
chế xuyên pha (CPM - Cross-Phase Modulation) và hiệu ứng trộn 4 bước sóng (FWM Four-Wave Mixing).
1.3.2.1. Hiệu ứng tán xạ Brillouin kích thích
Trong trường hợp SBS, các phonon liên quan đến sự tác động tán xạ là các
phonon âm học và sự tương tác này xảy ra trên dải tần hẹp Δf = 20 MHz ở bước sóng
1550 nm. Sóng bơm và sóng Stokes truyền theo hai hướng ngược nhau. Do đó, SBS
không gây ra bất kỳ tác động qua lại nào giữa các bước sóng khác nhau khi mà khoảng
cách bước sóng lớn hơn 20 MHz (là trường hợp đặc trưng cho WDM). Tuy nhiên, SBS
cũng có thể tạo nên sự méo khá quan trọng trong một kênh đơn lẻ. SBS tạo ra độ lợi
theo hướng ngược lại với hướng lan truyền tín hiệu, nói cách khác là hướng về phía
nguồn. Vì vậy, nó làm suy giảm tín hiệu được truyền cũng như tạo ra một tín hiệu có
cường độ mạnh về hướng phát, nên phải dùng một bộ cách ly để bảo vệ.

15


1.3.2.2. Hiệu ứng tán xạ Raman kích thích
Nếu đưa vào trong sợi quang hai hay nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau thì
SRS gây ra sự chuyển năng lượng từ các kênh có bước sóng thấp sang các kênh có
bước sóng cao hơn (xem hình 1.10). Sự chuyển năng lượng từ kênh tín hiệu có bước
sóng thấp sang kênh tín hiệu có bước sóng cao là một hiệu ứng cơ bản làm cơ sở cho
khuếch đại quang và laser. Năng lượng của photon ở bước sóng λ là hc/λ với h là hằng
số Planck (6.63x10-34 Js). Do đó, photon của bứơc sóng thấp có năng lượng cao hơn.
Sự chuyển năng lượng từ tín hiệu bước sóng thấp sang tín hiệu bước sóng cao tương
ứng với sự sinh ra các photon năng lượng thấp từ các photon năng lượng cao hơn.

Hình 1.10. Ảnh hưởng của SRS
Không giống như SBS, SRS là một hiệu ứng băng rộng. Hình 1.11 cho thấy độ

lợi là một hàm của khoảng cách bước sóng. Giá trị đỉnh của hệ số độ lợi gR xấp xỉ 6x1014 m/W ở bước sóng 1550 nm nhỏ hơn nhiều so với độ lợi của SBS. Tuy nhiên, các
kênh cách nhau đến 15 THz (125 nm) sẽ bị tác động của SRS. SRS gây ảnh hưởng trên
cả hướng truyền và hướng ngược lại.

16


Hình 1.11. Hệ số độ lợi SRS là hàm của khoảng cách kênh
1.3.2.3. Hiệu ứng trộn 4 bước sóng
Trong hệ thống WDM sử dụng các tần số góc ω 1….ωn, sự phụ thuộc của chiết suất
vào cường độ (công suất) không chỉ gây ra sự dịch pha trong mỗi kênh mà còn sinh ra
tần số mới như là 2ωi-ωj và ωi+ωj-ωk. Hiện tượng này gọi là hiện tượng trộn bốn
bước sóng (FWM_Four-wave Mixing)

Hình 1.12. Hiệu ứng trộn bốn bước sóng
1.3.2.

Số kênh bước sóng[3]

17


Một trong những vấn đề quan trọng là hệ thống sử dụng bao nhiêu kênh bước
sóng và số kênh cực đại hệ thống có thể sử dụng được. Số kênh bước sóng sử dụng
phụ thuộc vào:
• Khả năng của công nghệ đối với các thành phần quang như:
 Khả năng băng tần của sợi quang.
 Khả năng tách/ghép các kênh bước sóng.
• Khoảng cách giữa các kênh gồm các yếu tố sau:
 Tốc độ truyền dẫn của từng kênh.

 Quỹ công suất quang.
 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến.
 Độ rộng phổ của nguồn phát.
 Khả năng tách/ghép của hệ thống WDM.
Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550 nm có độ rộng khoảng
100 nm, nhưng do dải khuếch đại của các bộ khuếch đại quang chỉ có độ rộng khoảng
35 nm (theo quy định của ITU - T thì dải khuếch đại này là từ bước sóng 1530 nm đến
1565 nm đối với băng C; hoặc băng L từ 1570 nm đến 1603 nm) nên trong thực tế, các
hệ thống DWDM không thể tận dụng hết băng tần của sợi quang.
Gọi ∆λ là khoảng cách giữa các kênh bước sóng thì tương ứng ta có:
∆f= −c.∆λ / λ2
12

Như vậy, tại bước sóng λ = 1550 nm, với ∆λ = 35 nm thì ∆f = 4,37.10

Hz. Giả

sử tốc độ truyền dẫn của mỗi kênh bước sóng là 2.5Gbps thì theo định nghĩa
Nyquist, phổ cơ sở của tín hiệu là 2 x 2,5 = 5Gbps thì số kênh bước sóng cực đại có
thể đạt được N = ∆f /5 = 874 kênh trong dải băng tần khuếch đại quang. Đây là số
kênh tính theo lý thuyết, tuy nhiên, với mật độ kênh càng lớn thì đòi hỏi các thành
phần quang trên tuyến phải có chất lượng càng cao. Để tránh xuyên âm giữa các kênh
này cần có bộ phát ổn định và một bộ lọc quang có khả năng chọn lọc bước sóng cao.
Bất kỳ sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm dãn phổ sang kênh lân cận.
Dựa vào khả năng công nghệ hiện nay, ITU - T đưa ra quy định về khoảng
cách giữa các kênh bước sóng là 100 GHz (0,8 nm) hoặc 50 GHz (0,4 nm) với chuẩn tần
số là 193,1 THz.
18

1.3.3.

Độ rộng phổ nguồn phát
Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát nhằm đảm bảo cho các kênh bước

sóng hoạt động một cách độc lập nhau, nói khác đi là tránh hiện tượng chồng phổ ở
phía thu giữa các kênh lân cận. Khoảng cách giữa những kênh này phụ thuộc vào đặc
tính của các thiết bị như MUX/DEMUX, bộ lọc, độ dung sai cũng như mức độ ổn định
của các thiết bị này.
Về bản chất, việc ghép các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang là
dựa trên nguyên tắc ghép kênh theo tần số. Các kênh khác nhau làm việc ở các kênh tần
số khác nhau trong cùng băng thông của sợi quang. Theo lý thuyết, băng thông của
sợi quang rất rộng nên số lượng kênh bước sóng ghép được rất lớn (ở cả 2 cửa sổ
truyền dẫn). Tuy nhiên, trong thực tế, các hệ thống WDM thường đi liền với các bộ
khuếch đại quang sợi và làm việc chỉ ở cửa sổ bước sóng 1550 nm. Vì vậy, băng tần
của sợi quang bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch đại. Như vậy, một vấn đề đặt ra
khi ghép là khoảng cách giữa các bước sóng phải thỏa mãn được yêu cầu tránh cộng
phổ của các kênh lân cận ở phía thu. Khoảng cách này phụ thuộc vào đặc tính phổ
của nguồn phát và các ảnh hưởng khác nhau trên đường truyền như tán sắc sợi, hiệu
ứng phi tuyến…
Một cách lý tưởng, có thể xem hệ thống DWDM như là sự xếp chồng của các
hệ thống truyền dẫn đơn kênh khi khoảng cách giữa các kênh bước sóng đủ lớn và
công suất phát hợp lý. Mối quan hệ giữa phổ công suất phía thu với phổ công suất
nguồn phát được thể hiện bởi tham số đặc trưng cho giãn phổ, kí hiệu ∆, băng tần tín
hiệu B và bù tán sắc D. Nếu gọi ε là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát
và sợi quang, ta có biểu thức:
ε = B.D.∆RMS
Trong đó: B là độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn.
D là độ tán sắc tương ứng khoảng cách truyền dẫn
∆RMS là độ giãn rộng phổ.

Như vậy: Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng là một giải pháp rất hiệu quả trong
việc tăng dung lượng truyền dẫn. Kỹ thuật này là biện pháp rất khả thi khi triển khai
mạng thuê bao quang đối với mạng nội hạt. Việc sử dụng các bộ ghép kênh quang theo
19


bước sóng trên mạng đường trục cho phép rẽ nhánh các tuyến đang khai thác ở những
điểm khó khăn về mặt cấp nguồn vì bộ ghép bước sóng không cần đến nguồn điện, nâng
cấp dung lượng tuyến đang khai thác hoặc thiết kế mới. Nhưng ở kỹ thuật này còn có
những hạn chế cần khắc phục như: suy hao, xuyên kênh, hiệu ứng phi tuyến tán sắc.

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ DWDM
2.1. Tổng quan
Qua quá trình phát triển của công nghệ, khái niệm WDM được thay thế bằng khái
niệm DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing). Về nguyên lý không có sự
khác biệt nào giữa hai khái niệm nói trên. DWDM nói đến khoảng cách giữa các kênh và
chỉ ra một cách định tính số lượng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống. Những
kênh quang trong hệ thống DWDM thường nằm ở trong một cửa sổ bước sóng chủ yếu là
1550nm vì môi trường ứng dụng hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài
và dung lượng lớn. Công nghệ này cho phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM 80
kênh với khoảng cách rất nhỏ 0,5nm.
2.1.1. Khái niệm
20


DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex) công nghệ ghép kênh theo bước
song mật độ cao. Công nghệ DWDM là một trong những công nghệ quan trọng nhất
trong sự phát triển công nghệ truyền tín hiệu sợi quang. DWDM thực hiện ghép kênh
theo bước sóng với mật độ rất cao, có khi lên tới hàng nghìn kênh, với cung cấp dung
lượng rất lớn. Khi mà các dịch vụ về truyền dữ liệu, tải phim ảnh, âm nhạc, trò chơi ngày

càng phát triển, thì việc triển khai DWDM nói chung là rất cần thiết để đảm bảo việc
cung cấp dải thông cũng như tốc độ cho việc truyền dẫn này. DWDM hiên nay thường
được dùng cho mạng back bone như hệ thống cáp quang biển hay hệ thống xuyên lục địa,
tuy nhiên, cũng có thể cung cấp trong phạm vi một nước hay một khu vực do chi phí
trong việc triển khai rất cao. Khoảng cách không dùng bộ lặp hay bộ khuếch đại lên đến
vài nghìn km.

Hình 2.1. Khái niệm DWDM[6]

2.1.2. Chức năng hệ thống
Chức năng của hệ thống DWDM bao gồm 1 số các chức năng lớp vật lý.
Hệ thống gồm các chức năng chính sau:
• Tạo tín hiệu:
Nguồn tín hiệu, laser rắn, phát sáng ổn định, băng hẹp mang tín hiệu số được điều
chế dạng tín hiệu tương tự.
• Ghép kênh tín hiệu:
Hệ thống DWDM triển khai ghép kênh để tổng hợp tín hiệu. Có nhiễu sảy ra ở các
quá trình tách và ghép kênh, nhiễu này phụ thuộc vào số kênh được truyền nhưng có thể
được tối thiểu bằng các bộ lọc quang - sẽ cải thiện tất cả các tín hiệu quang mà không cần
chuyển sang tín hiệu điện.
21


• Truyền tín hiệu
Dưới tác động nhiễu xuyên và suy hao tín hiệu quang gây suy hao, tổn thất do
truyền tín hiệu trong sợi quang. Giảm các suy hao này bằng điều khiển các thông số như
khoảng cách tần số, dung sai bước sóng, công suất phát laser. Các tín hiệu quang cần
được khuếch đại để tăng khoảng cách truyền cũng như giảm nhiễu.
• Phân kênh tín hiệu:
Tách các kênh ghép trở lại các kênh như ban đầu, đây là nhiệm vụ khó khăn do

phải bù trừ nhiều đưa về dạng tín hiệu đúng như ban đầu
• Thu tín hiệu:
Tín hiệu được phân kênh được nhận bởi thiết bị thu quang như photodetector
Thêm nữa, 1 hệ thống DWDM cần được trang bị giao diện phí người sử dụng để
nhận tín hiệu đầu vào. Chức năng này được thực hiện bởi các transponder. Về mặt
DWDM sẽ là các giao diện quang liên kết với hệ thống DWDM.
2.1.3. Ưu, nhược điểm của DWDM
Ưu điểm:
-

Tốc độ truyền cao, DWDM cho phép dung lượng sợi tín hiệu quang lên đến
400Gb/s, suy hao thấp khoảng cách truyền xa, thường được sử dụng làm mạng
backbone

-

Đa giao thức: giao thức DWDM không phụ thuộc đến tốc độ truyền dữ liệu, vì
thế các giao thức IP, ATM, SONET/SDH có thể truyền với tốc độ từ 100Mbps
đến 2.5Gbps

-

DWDM có thể truyền nhiều dạng tín hiệu khác nhau trên cùng một kênh.

Nhược điểm:
-

Giá thành đắt, chi phí lắp đặt triển khai đắt hơn so với mạng WDM cũ.

2.2. Thành phần mạng DWDM[4]

22


Hình 2.2. Mô hình DWDM
 Bộ ghép kênh đầu cuối DWDM:
Bộ ghép kênh chứa các bộ transponder (bộ tách sóng) chuyển đổi bước sóng cho
từng bước sóng mang tín hiệu. Các transponder này nhận tín hiệu quang đầu vào (ví dụ
như từ lớp client SONET/SDH hoặc các tín hiệu khác…) , chuyển chúng thành các tín
hiệu điện, và truyền lại bằng laser ở dải băng 1550nm. (1990s hệ thống DWDM chỉ có
khoảng 4 hoặc 8 transponder, nhưng từ những năm 2000 trở về đây, các hệ thống DWDM
thương mại có thể có đến 128 bộ chuyển đổi tín hiệu).
Các bộ ghép kênh đầu cuối này còn có cả bộ ghép kênh tín hiệu quang (bộ dồn
kênh tín hiệu quang), bộ này sẽ ghép các tín hiệu trong băng 1550nm vào 1 sợ cáp (SMF
-28 fiber). Bộ ghép kênh đầu cuối có thể hoặc không hỗ trợ bộ EDFA nội bộ đối với tín
hiệu quang đa bước sóng.
 Các bộ lặp quang tức thời:
Mỗi khoảng 80-100km lại đặt 1 bộ để giảm suy hao công suất quang khi truyền
trên đường đây. Tín hiệu sẽ được khuếch đại bởi EDFA.
 Đầu cuối quang tức thời (bộ ADM):
Là phần địa điểm độ khếch đại từ xa mà khuếch đại các tín hiệu đa bước sóng đã
truyền lên đến 140 km hoặc hơn thế trước khi tới trạm remote sites. Phân tích và đo đạc
tín hiệu quang được thực hiện tại các site, để cho phép định vị (xác định) bất cứ sự đứt
gãy hoặc suy giảm tín hiệu nào. Trong các hệ thống phức tạp các tín hiệu vượt ra ngoài
tín hiệu đa bước sóng có thể được loại bỏ ở từng phần.
 Thiết bị đầu cuối phân kênh DWDM:
23


Chuyển tín hiệu đa bước sóng trở về tín hiệu đơn như trước đó, đưa trả về các sợi

khác nhau hệ thống client-layer (như SONET/SDH). Cơ bản phần phân kênh này được
thực hiện hoàn toàn thụ động ngoại trừ 1 vài phép đo, hầu hết các hệ thống SONET đều
có thể nhận các tín hiệu bước sóng 1550nm. Tuy nhiên để chuyển đến hệ thống client –
layer dùng (để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu số) các tín hiệu được phân kênh này
thông thường sẽ được gửi sang các transponder đầu ra O/E/O trước khi chuyển đến hệ
thống client-layer. Thông thường chức năng của output transponder được tích hợp luôn
vào input transponder, nên ở các hệ thống thương mại các transponder là giao diện 2
chiều ở 1550nm ở cả trong lần ngoài. Ở 1 số hệ thống transponder hỗ trợ 40 GHz, và cả
sửa sai hướng tới (FEC) theo công nghệ digital wrapper như mô tả trong chuẩn ITU-T
G.709 standard.
 Optical Supervisory Channel (OSC): Kênh giám sát quang
Kênh dùng các bước sóng ngoài dải khuếch đại của EDFA ở (1510nm, 1620nm,
1310nm …). Kênh sẽ truyền các thông tin về tín hiệu quang đa bước sóng cũng như điều
kiện điều khiển tại các điểm đầu cuối, cũng như EDFA. Cũng sử dụng để nâng cao phần
mềm từ xa và quản lý thông tin mạng người dùng. Đây là tín hiệu tương tự đa bước sóng
sang kênh giám sát DCC của SONET. Theo chuẩn ITU để nghị OSC cần tối ưu (tận
dụng) tín hiệu cấu trúc OC-3, như 1 vài nhà cung cấp chọn 100M ethernet, hay các dạng
tín hiệu khác không giống như các bước sóng mang tín hiệu client ở băng 1550nm, OSC
luôn kết thúc tại các bộ khuếch đại tức thời- nơi nhận tín hiệu cục bộ trước khi truyền
lại.
 Giao diện DWDM
Phần lớn các hệ thống DWDM hỗ trợ chuẩn giao tiếp với SONET/SDH. Ngày
nay các hệ thống DWDM khoảng cách xa, thường dùng chuẩn giao diện OC-48c/STM16c hoạt động ở bước sóng 1310nm. Ngoài ra còn các giao diện quan trọng ở ở các vùng
đô thị, truy cập mạng thường hỗ trợ: Ethernet (Fast and Gigabit Ethernet), ESCON,
Sysplex Timer, Sysplex Coupling Links, và kênh sợi quang.
Về phía client có thể có đầu cuối SONET/SDH hoặc ADM, chuyển mạch ATM,
hoặc các router. Bằng cách chuyển các tín hiệu quang đến sang các bước sóng chinh xác
được ghép kênh của chuẩn ITU, transponder sẽ giúp hệ thống DWDM có tính mở rất lớn.
24

Bên trong hệ thống DWDM, transponder chuyển tín quang của clien từ tín hiệu
điện gửi trả theo 3 chức năng trên. Những tín hiệu điện này được sử dụng cho đầu vào
của laser. Môi xtranssponder trong hệ thống sẽ chuyển tín hiệu của client của nó thành 1
bước sóng khác nhau. Các bước sóng khác nhau của tất cả các client qua transpoindr sẽ
được ghép kênh quang lại. Và ở bên phí đầu thu của hệ thống DWDM sẽ diển ra quá
trình hoàn toàn ngược lại. Các bước sóng đơn lẻ sẽ được tách ra từ bộ tách sóng, chuyển
đển từng transponder tương ứng, mà tại đó tín hiệu sẽ được chuyển lại thành các tín hiệu
điện và giao diện chuẩn trả về cho client.
Như giới hiệu trong lưới tần số ITU-T G.684.1 năm 2002, đã giúp tích hợp các hệ
thống WDM vào các hệ thống cũ theo chuẩn SONET/SDH. Các bước sóng WDM được
đặt vào lưới tần số ở chính xác 100GHz (0.8nm) khoảng ở tần số quang, với tần số tham
khảo cố định ở 193.10 THz (1552,52 nm). Lưới chính được đặt vào băng khuếch đại
quang, nhưng cũng có thể mở rộng với các băng rộng hơn. Ngày nay các hệ thống
DWDM sử dụng băng 50GHz hoặc thập chí 35 GHz với số kênh lên đến 160 kênh.
Hệ thống DWDM có thể duy trì tần số hoặc bước sóng ổn định, hơn CWDM do
khoảng cách giữa các bước sóng. Độ chính xác của điều khiển nhiệt độ laser yêu cầu của
hệ thống DWDM nhằm ngăn cản độ lệch cửa sổ rất hẹp của các hệ thống cũ khoảng vài
GHz. Hơn nữa, khi DWDM cung cấp dung lượng lớn hơn nhằm sử dụng truyền thông
cấp cao hơn CWDM, vd như trong mạng back bone của internet và vì thế có tốc độ
modul cao hơn, vì thế tạo ra thị trường nhỏ hơn cho các thiết bị DWDM với mức hiệu
năng cao hơn. Những yếu tố khối lượng nhỏ hơn, hiệu năng cao hơn trọng hệ thống
DWDM khiến chúng đắt hơn so với CWDM.

25