..
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 : kü tht ®iƯn tư
Ngun tn tó
Ng−êi h−íng dÉn 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 NĨI 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 SĨNG......................- 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 thơng ......................................................... - 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 tốn các thơng 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: Mơ tả tuyến thơng 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: Xun 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 vịng ...................................................................................... - 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 cơng 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 lịng 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 NĨI ĐẦU
Thời gian gần đây, các hệ thống thơng 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 thơng rộng, mạng truyền dẫn địi
hỏi phải có sự phát triển mạnh cả về quy mơ 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 thơng 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 thơng 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
Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới TS. Phạm Văn Bình đã tận tình
hướng dẫn tơi nghiên cứu, tìm hiểu và tạo mọi điều kiện để tơi có thể hồn
thành luận văn tốt nghiệp.
Do hạn chế về thời gian và kiến thức, luận văn tốt nghiệp của tơi cịn 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 thơng 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 khơng 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 địi hỏi cơng 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 trị chủ đạo trong việc thay thế
hoạt động của các phần tử điện ở các vị trí xung yếu địi 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, khơng 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: Mơ tả tuyến thơng 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 q 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 khơng 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 sỵi dÉn quang
Ngn λ
1
Thu
λ1
Ghép
kênh
Ngn 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 sỵi dÉn quang
Ngn 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 khơng 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
tồn bộ các bước sóng được phát đi, như vậy để ngăn chặn các tín hiệu khơng
mong muốn một cách có hiệu quả thì phải có biện pháp cách lyNgn
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 cơng 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 phng ỏn
truyn dn song hng.
Các tín hiệu
đợc ghép
I ( )
k
k
O(
k)
Các tín hiệu
đợc giải ghép
Hỡnh 1. 4 : Mụ t thit 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-
Các bộ ghép bớc sóng
Thụ động
Tích cực
Các bộ phát
thu nhiều b−íc
vËt liƯu
sãng
GhÐp
Tỉ hỵp
Vi
Hình
sỵi 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 thơng.
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 tỉ
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 cơng suất tín hiệu được ghép ở trên đường chung
Ik(λk) là cơng 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 cơng 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 cịn tùy thuộc
vào loại cơng nghệ được lựa chọn để chế tạo bộ ghép bước sóng.
b) Xuyên âm:
Xuyên âm là sự rị 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 khơng hồn thiện.
- Do phản xạ hay hội tụ khơng hồn tồn 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 khơng có sự dị cơng 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 khơng mong muốn ở bước sóng λk do có sự dị tín hiệu ở cửa
thứ i sang, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng λi.
Sỵi 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( 1)
Xuyên kênh
đầu xa
2
MULDEX
MULDEX
2
1
1
Sợi quang
2
I ( 2)
Xuyên kênh
đầu gần
Hỡnh 1. 7: Xuyờn kờnh b ghộp - 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. Cịn 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