duy trì trong mạng quang WDM 1

Chương I. Tổng quan về công nghệ WDM Đồ án tốt nghiệp đại
học
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM
1.1.Giới thiệu
Những năm gần đây, các dịch vụ thông tin tăng trưởng ngày càng nhanh
chóng, yêu cầu về dung lượng truyền dẫn ngày càng lớn, đồng thời yêu cầu về
chất lượng truyền dẫn cũng ngày càng khắt khe hơn.
Để thích ứng với sự tăng trưởng không ngừng đó và thoả mãn yêu cầu tính
linh hoạt của mạng, các công nghệ truyền dẫn khác nhau đã được nghiên cứu,
triển khai thử nghiệm và đưa vào ứng dụng, trong số đó phải kể đến công nghệ
TDM, WDM, OTDM, Soliton.
Với công nghệ TDM, dung lượng hệ thống có thể đạt tới 5 Gbps, tuy nhiên
đây cũng là giới hạn dung lượng của công nghệ này. Với những gì không đạt
được của hệ thống TDM về mặt dung lượng thì hệ thống thông tin quang dựa
trên công nghệ WDM lại đáp ứng được.
Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM - Wavelength Division
Multiplexing) là công nghệ truyền đồng thời nhiều bước sóng khác nhau trên
một sợi quang, với dung lượng trên mỗi bước sóng quang điển hình là 2,5 Gbps.
Số lượng ghép thường là (2 – 16) bước sóng (trong tuơng lai, con số này còn lớn
hơn). Ở đầu vào, các bước sóng quang mang thông tin (các kênh quang) được
ghép trên cùng một sợi quang và được truyền dẫn tới đầu thu. Tại đầu thu, các
bước sóng ghép đó được tách ra bằng các bộ tách kênh quang. Dọc theo tuyến
truyền dẫn có thể có các bộ khuếch đại quang để bù lại suy hao truyền dẫn. Công
nghệ này thực sự cho hiệu quả truyền dẫn rất cao mà không quá phức tạp.
Dưới đây là một tính toán cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM
Băng tần truyền dẫn của sợi quang là rất lớn; Chỉ với riêng cửa sổ quang
1550 nm thì dải bước sóng có thể sử dụng là 1500 nm – 1600 nm, tương ứng với
dải tần rộng cỡ 12,5 THz.
Nguyễn Trọng Cường, D01VT
3

Chương I. Tổng quan về công nghệ WDM Đồ án tốt nghiệp đại
học
Sử dụng cho tốc độ truyền tin cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phần rất
nhỏ trong băng tần truyền dẫn này. Rõ ràng, có thể thấy dung lượng yêu cầu cỡ
hàng trăm Gbps là hoàn toàn nằm trong khả năng của hệ thống WDM. Thêm vào
đó, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử như bộ tách ghép quang, bộ nối
chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiện lựa chọn kênh động
hoặc tĩnh…
Các công nghệ khác như OTDM, truyền dẫn Soliton thì dung lượng được
đáp ứng rất tốt nhưng lại quá phức tạp, bởi thế mà giá thành hệ thống lại trở
thành vấn đề đáng quan tâm.
Công nghệ WDM với sự nâng cấp mở rộng dung lượng phát triển dịch vụ
băng rộng, khai thác đầy đủ tiềm năng băng rộng của sợi quang, thực hiện truyền
dẫn thông tin siêu tốc, có ý nghĩa rất quan trọng trong truyền dẫn cáp sợi quang
nói riêng, trong công nghiệp viễn thông nói chung. Thực sự, nó là công nghệ
đáng được quan tâm, nghiên cứu và triển khai ứng dụng rộng rãi.
1.2.Tiến trình phát triển mạng truyền tải
Để thấy rõ được xu hướng phát triển mạng trong tương lai, trước hết nhìn
lại lịch sử phát triển của công nghệ mạng truyền tải. Công nghệ mạng đã trải qua
các giai đoạn chuyển đổi từ tương tự sang số, từ phân cấp số cận đồng bộ(PDH)
sang phân cáp số đồng bộ (SDH) và gần đây là từ SDH sang WDM (ghép kênh
phân chia theo bước sóng). Để hỗ trợ và tương thích hoàn toàn với công nghệ cũ
thì công nghệ chuyển mạch mới phải thích hợp với công nghệ truyền dẫn trước.
Chẳng hạn công nghệ PCM có chuyển mạch ở mức 64Kbit/s và truyền dẫn ở
mức 2Mbit/s; khi chuyển lên PDH thì nối chéo ở mức 2Mbit/s và truyền dẫn ở
mức 140Mbit/s; và khi lên đến SDH thì nối chéo ở mức 155Mbit/s và truyền dẫn
Nguyễn Trọng Cường, D01VT
Pha của một
nguồn quang
α [dB]

Băng tần cửa sổ 1550 nm
Hình 1.1 Băng tần truyền dẫn sợi quang.
λ [µm]
0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
1,5 1,6
4
Chương I. Tổng quan về công nghệ WDM Đồ án tốt nghiệp đại
học
ở mức 10Mbit/s. Còn với công nghệ WDM thì chưa được xác định rõ nhưng
theo dự đoán thì tốc độ chuyển mạch cơ sở cỡ 300Gbit/s tương ứng với dung
lượng truyền dẫn 10Tbit/s. Dựa theo lịch sử phát triển và nhu cầu hiện tại thì
công nghệ WDM ít nhất cũng đáp ứng được trong một thập kỷ. Trong tương lai,
sớm hay muộn thì cũng cần có công nghệ WDM phát triển hơn và có lẽ được kết
hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu quang như ghép kênh theo thời gian
quang(OTDM) và chuyển mạch gói quang cùng với các trạm lặp quang 3R để
mở rộng độ trong suốt của mạng. Trong tương lai xu hướng tiến tới mạng toàn
quang (photonic).
Để xây dựng nên một mạng truyền tải photonic khả thi và có lợi về kinh tế
thì ngoài thách thức ban đầu về các công nghệ đường truyền quang chất lượng
cao, các bộ nối chéo, và các nút chuyển mạch quang thì còn cần phải vượt qua
thách thức về cấu trúc mạng. Yêu cầu quan trọng nhất của một mạng truyền tải
đó là nó cần có cấu trúc tốt. Yêu cầu này cũng được thực hiện tương tự như của
các mạng SDH hiện nay. Các thành phần cấu trúc sơ bản đó là các topo Ring và
Mesh và có thể tổ hợp theo vài cách như kết hợp Ring/Mesh, phân cấp đa
Ring…. Hình 1.2 chỉ ra xu hướng phát triển có thể của mạng truyền tải photonic
tương ứng với sự phát triển công nghệ các khối cơ bản.
Khi xây dựng mạng thì cũng cần có sự giám sát xem cái gì sẽ xảy ra trong
mạng. Trong khi khai thác chắc chắn sẽ gặp phải các sự kiện được dự liệu trước
và các sự kiện không xác định trước và đôi khi không mong muốn. Do đó cần có
hệ thống báo hiệu và giám sát cho mạng. So với mạng SDH, thì có rất nhiều vấn

đề cần phải được đề cập trong mạng WDM. Ví dụ giám sát tỷ lệ lỗi bít quang rõ
ràng làm dễ dàng hơn cho hoạt động của mạng WDM. Cần có các tiêu chuẩn về
mào đầu và báo hiệu để phát triển các thiết bị mạng WDM.
Nguyễn Trọng Cường, D01VT
5
Chương I. Tổng quan về công nghệ WDM Đồ án tốt nghiệp đại
học
Rào cản quan trọng tiếp theo cần vượt đó là phát triển một mô hình thông
tin hiệu quả để trích và xử lý tất cả các trừơng thông tin nhận từ mạng. Các thử
nghiệm đã chỉ ra rằng áp dụng thẳng cách tiếp cận mô hình phân lớp được phát
triển cho mạng SDH đã nảy ra một số vấn đề đối với mạng WDM. Khi phát triển
các hệ thống quản lý các mạng WDM có bản chất tương tự với nhiều hiệu ứng
vẫn chưa được xác định rõ đã nảy ra các thách thức mới cho nghiên cứu.
1.3.Công nghệ WDM
1.3.1 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM
So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy
những ưu điểm nổi trội:
Dung lượng lớn truyền dẫn lớn
Nguyễn Trọng Cường, D01VT
6
Ring WDM kết nối đầy đủ
Ring WDM kết nối tập trung
OADMOADM
Truyền dẫn WDM điểm-điểm
Truyền dẫn WDM chuỗi có OADM
OADM
OADM
OADMOADM
OADM
OADM

OADM
OADMOADM
OADM
oxc
oxc
oxc
oxc
oxc
Topo Mesh và kết nối các Ring
Xu hướng phát triển công nghệ
1996
1998 2000 2002
Hình 1.2 Xu hướng phát triển kiến trúc mạng
Chương I. Tổng quan về công nghệ WDM Đồ án tốt nghiệp đại
học
Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứng với
tốc độ bit nào đó (TDM). Do đó hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn
hơn nhiều so với các hệ thống TDM. Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với
mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là
200Gbit/s đã được thử nghiệm thành công. Trong khi đó thử nghiệm hệ thống
TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s).
•Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống
TDM đơn kênh tốc độ cao.
Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn
tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bước sóng riêng
(kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp. Điều này làm giảm đáng kể
tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do đó tránh được sự
phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao.
•Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả
khi hệ thống vẫn đang hoạt động

Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có mà
không phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang). Bên cạnh đó nó cũng
mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài
việc thuê sợi hoặc cáp. Việc nâng cấp chỉ đơn giản là cắm thêm các Card mới
trong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-in-play).
•Quản lý băng tần hiệu quả và tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt
Nhờ việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM nên nó có
khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng
trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần đi lại cáp hoặc thiết kế lại mạng
hiện tại.
•Giảm chi phí đầu tư mới
Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm
ở ngay bản thân công nghệ. Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ
này
•Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang
Nguyễn Trọng Cường, D01VT
7
Chương I. Tổng quan về công nghệ WDM Đồ án tốt nghiệp đại
học
Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng
nhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang. Cho dù
công nghệ còn phát triển nhưng dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới
hạn.
•Chi phí cho khai thác và bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt
động hơn.
1.3.2 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng
Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ cơ bản để tạo nên mạng
quang. Kỹ thuật này tận dụng băng tần của sợi quang bằng cách truyền nhiều
kênh bước sóng quang độc lập và riêng rẽ trên cùng một sợi quang. Mỗi bước
sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi, ta có thể hiểu là mỗi một màu sắc

khác nhau là một kênh thông tin quang khác nhau. Và như vậy tín hiệu truyền
trên hệ thống WDM sẽ giống như một chiếc “cầu vồng”. Mặc dù bước sóng ứng
dụng trong thông tin là những bước sóng không nhìn thấy, song đây là một cách
thức rất trực quan để mô tả nguyên lý này.

Trên một sợi quang hoặc một hệ thống thông tin quang ta có thể ghép bước
sóng quang theo một hướng đi hoặc cả hai hướng đi và hướng về.
Theo thời gian, khái niệm WDM được thay bằng khái niệm DWDM. Về
nguyên lý không có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm này, DWDM nói đến
khoảng cách gần 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 trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu là 1550 nm vì môi trường ứng
dụng hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và dung lượng
Nguyễn Trọng Cường, D01VT
8
Hình 1.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM
.
.
.
λn
.
.
.
.
.
.
λ1λ2... λnλ1λ2... λn
M
U
X

D
E
M
U
X
λ1
λn
λ2
.... ....
λ1
λ2
Chương I. Tổng quan về công nghệ WDM Đồ án tốt nghiệp đại
học
truyền dẫn lớn. Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạo phần tử và hệ thống
DWDM 80 kênh với khoảng cách kênh rất nhỏ (xấp xỉ 0,5 nm). Để thuận tiện
chúng ta dùng thuật ngữ WDM để chỉ chung cho cả hai khái niệm WDM và
DWDM.
Nhìn bên ngoài, một hệ thống truyền dẫn WDM và một hệ thống truyền
dẫn quang SDH có rất nhiều điểm tương tự. Cả hai hệ thống đều có:
•Các thiết bị ghép tách kênh đầu cuối (MUX, DEMUX).
•Các thiết bị khuếch đại đường truyền hoặc lặp (Line Amplifier,
Regenerator).
•Các thiết bị xen/rẽ kênh (ADM).
•Các thiết bị đấu chéo (Cross-Connect Equipment).
•Sợi quang.
Tuy nhiên khác biệt quan trọng giữa chúng là ở chỗ: Hệ thống truyền dẫn
SDH chỉ dùng một bước sóng quang cho mỗi hướng phát, còn hệ thống WDM
thì dùng nhiều bước sóng (từ hai bước sóng trở lên); đối tượng làm việc của hệ
thống SDH là các luồng tín hiệu số PDH/SDH, còn của hệ thống WDM là các
bước sóng và các bước sóng này không nhất thiết chuyển tải tín hiệu số. Mỗi

bước sóng có chức năng như một sợi quang cung cấp môi trường truyền tín hiệu
cho hệ thống khác và vì vậy gọi là sợi “quang ảo”.
WDM ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tăng vọt về băng thông do sự phát
triển chưa từng thấy của mạng máy tính toàn cầu Internet, sự ra đời của các ứng
dụng và dịch vụ mới trên nền tảng Internet. Trước WDM, người ta tập trung mọi
nỗ lực để nâng cao tốc độ truyền dẫn của các hệ thống SDH nhưng kết quả thu
được không mang tính đột phá vì công nghệ xử lý tín hiệu điện tại tốc độ cao đã
dần đến giới hạn. Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s bản thân các mạch điện tử
không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kì hẹp. Thêm vào đó chi phí
cho các giải pháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt động khá phức tạp, đòi hỏi
công nghệ rất cao. Trong khi đó băng thông cực lớn của sợi quang mới được sử
dụng một phần nhỏ. Tuy nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM rất gần với
nguyên lý ghép kênh theo tần số FDM, nhưng các hệ thống WDM chỉ được
thương mại hoá khi một số công nghệ xử lý tín hiệu quang trở nên chín muồi,
trong đó phải kể đến thành công trong chế tạo các laser phổ hẹp, các bộ lọc
Nguyễn Trọng Cường, D01VT
9