Kỹ thuật thông tin quang 2

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) Lưu hành nội HÀ NỘI - 2007 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Biên soạn: THS ĐỖ VĂN VIỆT EM LỜI GIỚI THIỆU Thế kỷ 21 kỷ công nghệ thông tin Sự bùng nổ loại hình dịch vụ thơng tin, đặc biệt phát triển nhanh chóng Internet World Wide Web làm gia tăng không ngừng nhu cầu dung lượng mạng Ðiều đòi hỏi phải xây dựng phát triển mạng quang dung lượng cao Cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (DWDM) giải pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hữu hiệu băng thông rộng lớn sợi quang, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn đồng thời hạ giá thành sản phẩm Sự phát triển hệ thống WDM với công nghệ chuyển mạch quang tạo nên mạng thông tin hệ mới-mạng thông tin toàn quang Trong mạng toàn quang này, giao thức IP- giao thức chuẩn cho mạng viễn thông hệ sau (NGN) tích hợp với WDM Sự tích hợp tạo kết cấu mạng trực tiếp nhất, đơn giản nhất, kinh tế thích hợp sử dụng cho mạng đường trục mạng đô thị Cấu trúc Bài giảngbao gồm bốn chương: ƒ Chương I: Hệ thống thông tin quang WDM Chương trình bày nguyên lý DWDM, khảo sát chi tiết tượng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM, linh kiện sử dụng cho hệ thống WDM ƒ Chương II: Khuếch đại quang Chương tìm hiểu nguyên lý hoạt động loại khuếch đại quang, tính ứng dụng chúng mạng truyền dẫn quang ƒ Chương III: Truyền tải IP/WDM Chương nghiên cứu xu hướng tích hợp IP WDM, đặc biệt quan tâm đến vấn đề định tuyến gán bước sóng mạng WDM ƒ Chương IV: Hệ thống thơng tin quang Coherent Chương tìm hiểu ngun lý hệ thống coherent, ưu điểm so với hệ thống IM/DD triển vọng công nghệ tương lai Bài giảng biên soạn nhằm phục vụ cho lớp thuộc hệ Đại học từ xa Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Ngồi Bài giảng sử dụng để làm tài liệu tham khảo cho sinh viên kỹ sư chuyên ngành viễn thông Do khn khổ giới hạn tính ứng dụng thực tế tài liệu, mơ hình tốn học trình bày Bài giảng đơi kết qủa cuối giải thích, minh họa ý nghĩa vật lý cụ thể Ðể hiểu thêm việc dẫn xuất chứng minh kết này, bạn đọc đọc thêm tài liệu tham khảo Do tính chất phức tạp phát triển nhanh chóng cơng nghệ, Bài giảng “Hệ thống thông tin quang II” tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi xin chân thành cám ơn tất ý kiến đóng góp bạn đọc để hoàn thiện Bài giảng HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG i Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM CHƯƠNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM GIỚI THIỆU Bước vào thiên niên kỷ mới, chứng kiến nhiều thay đổi quan trọng cơng nghiệp viễn thơng có ảnh hưởng to lớn đến sống Có nhiều nguyên nhân gây thay đổi này: ƒ Trước hết gia tăng liên tục dung lượng mạng Nhân tố cho gia tăng phát triển nhanh chóng Internet World Wide Web Bên cạnh việc nhà kinh doanh ngày dựa vào mạng tốc độ cao để thực việc kinh doanh Những mạng dùng để kết nối văn phòng công ty công ty cho việc giao dịch thương mại Ngồi cịn có tương quan lớn việc gia tăng nhu cầu giá thành băng thông mạng Các công nghệ tiên tiến thành công việc giảm liên tục giá thành băng thông Việc giảm giá thành băng thông lại làm thúc đẩy phát triển nhiều ứng dụng sử dụng nhiều băng thơng mơ hình sử dụng hiệu Chu kỳ hồi tiếp dương cho thấy khơng có dấu hiệu giảm bớt tương lai gần ƒ Bãi bỏ phá vỡ độc quyền lĩnh vực viễn thông Sự bãi bỏ độc quyền kích thích cạnh tranh thị trường, điều dẫn đến kết giảm giá thành cho người sử dụng triển khai nhanh kỹ thuật dịch vụ ƒ Sự thay đổi quan trọng thể loại lưu lượng chiếm ưu mạng Ngược lại với lưu lượng thoại truyền thống, nhiều nhu cầu dựa liệu ngày phát triển Tuy nhiên nhiều mạng xây dựng để hỗ trợ hiệu cho lưu lượng thoại, liệu Việc thay đổi nguyên nhân thúc đẩy nhà cung cấp dịch vụ kiểm tra lại cách thức mà họ xây dựng nên mạng, kiểu dịch vụ phân phối nhiều trường hợp mơ hình kinh doanh tồn thể họ Những nhân tố dẫn đến phát triển mạng quang dung lượng cao Công nghệ để đáp ứng việc xây dựng mạng quang dung lượng cao công nghệ ghép kênh theo bước sóng DWDM Trong chương tìm hiểu hệ thống thông tin quang WDM, cụ thể nghiên cứu: - Nguyên lý ghép kênh phân chia theo bước sóng quang (WDM) - Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM lan truyền tín hiệu WDM sợi quang, tập trung vào việc tìm hiểu ứng phi tuyến - Các linh kiện, phần tử mạng WDM - Mơ hình mạng WDM bao gồm phần tử mạng, tôpô vật lý, tôpô logic, kỹ thuật chuyển mạch bảo vệ Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM 1.1 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG QUANG (WDM) 1.1.1 Giới thiệu chung Sự phát triển nhanh chóng mơ hình truyền số liệu, đặc biệt Internet làm bùng nổ nhu cầu tăng băng thơng (xem hình 1.1) Trong bối cảnh IP (Internet Protocol) lên tảng chung loại hình dịch vụ tương lai, nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt buộc phải xem xét lại phương thức truyền dẫn TDM truyền thống, vốn tối ưu cho truyền thoại lại hiệu việc tận dụng băng thơng Lưu lượng Dữ liệu 250 200 150 100 Thoaïi 50 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Năm Hình 1.1 Tương quan nhu cầu truyền thoại truyền số liệu Tóm lại, ta phải giải tốn tăng băng thơng cho viễn thơng tương lai Các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt đầu xét đến ba phương thức truyền dẫn sau: ƒ Truyền dẫn ghép phân không gian SDM (Space Devision Multiplexing): đơn giản không cần phát triển công nghệ, đơn tăng số lượng sợi quang, tốc độ truyền dẫn giữ nguyên Ta chọn SDM tuyến truyền dẫn cần tăng băng thơng có sẵn số lượng sợi quang chưa dùng khoảng cách tuyến truyền dẫn đủ ngắn để không cần dùng lặp, khuếch đại Nếu khoảng cách xa, chi phí tăng hệ thống lắp thêm cần số lượng lặp, khuyếch đại hệ thống cũ ƒ Truyền dẫn ghép phân thời gian TDM (Time Devision Multiplexing): tăng tốc độ truyền dẫn lên sợi quang Khi tiếp tục dùng phương thức truyền thống này, ta phải xem xét đến hai vấn đề: trước truyền sợi quang Trước chuyển thành tín hiệu quang để truyền đi, linh kiện điện tử có khả xử lí với tốc độ bit tối đa bao nhiêu? Thực tế cho thấy, đa số mạng truyền dẫn, linh kiện điện tử có khả đáp ứng tốt dịng tín hiệu tốc độ 2.5 Gbps 10 Gbps Như chưa giải trọn vẹn tốn tăng băng thơng Trong phịng thí nghiệm cho linh kiện hoạt động tốc độ 40 Gbps 80 Gbps Ðể TDM đạt tốc độ cao hơn, phương pháp thực tách/ghép kênh miền quang, gọi phân kênh thời gian miền quang (Optical time Division Multiplexing - OTDM) tích cực triển khai Các kết qủa nghiên cứu phịng thí nghiệm cho thấy Chương 1: Hệ thống thơng tin quang WDM OTDM ghép luồng 10Gbit/s thành luồng 250Gbit/s Nhưng đó, truyền sợi quang vấp phải vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn: tán sắc sắc thể, tán sắc phân cực, phi tuyến tính ƒ Truyền dẫn ghép phân bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing): ghép thêm nhiều bước sóng để truyền sợi quang, không cần tăng tốc độ truyền dẫn bước sóng Cơng nghệ WDM mang đến giải pháp hoàn thiện điều kiện cơng nghệ Thứ giữ tốc độ xử lý linh kiện điện tử mức 10 Gbps, bảo đảm thích hợp với sợi quang Thay vào đó, cơng nghệ WDM tăng băng thông cách tận dụng cửa sổ làm việc sợi quang khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm Khoảng bước sóng chia làm nhiều băng sóng hoạt động minh hoạ bảng 1.1 Thoạt tiên, hệ thống WDM hoạt động băng C (do EDFA hoạt động khoảng băng sóng này) Về sau, EDFA có khả hoạt động băng C băng L nên hệ thống WDM dùng EDFA hoạt động băng C băng L Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng cách kênh bước sóng 100 Ghz (đảm bảo khả chống xuyên nhiễu kênh điều kiện công nghệ tại), có 32 kênh bước sóng hoạt động băng Như vậy, giữ nguyên tốc độ bit kênh truyền, dùng công nghệ WDM đủ làm tăng băng thông truyền sợi quang lên 64 lần ! Bảng 1.1 Sự phân chia băng sóng 1.1.2 Băng sóng Mơ tả Phạm vi bước sóng (nm) Băng O Băng E Băng S Băng C Băng L Băng U Original Extended Short Conventional Long Ultra-long 1260 đến 1360 1360 đến 1460 1460 đến 1530 1530 đến 1565 1565 đến 1625 1625 đến 1675 Sơ đồ khối tổng quát a) Ðịnh nghĩa Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) cơng nghệ “trong sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp phân giải (tách kênh), khơi phục lại tín hiệu gốc đưa vào đầu cuối khác b) Sơ đồ chức Như minh hoạ hình 1.2, để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng sợi quang, hệ thống WDM phải thực chức sau: ƒ Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang dùng laser Hiện có số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu nguồn phát laser phải có độ Chương 1: Hệ thống thơng tin quang WDM rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức cơng suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm giới hạn cho phép Tx1 Rx1 Tx2 MUX EDFA Truyền tín hiệu sợi quang Khuếch đại tín hiệu TxN Phát tín hiệu Ghép tín hiệu Hình 1.2 DE MUX EDFA Khuếch đại tín hiệu Tách tín hiệu Rx2 RxN Thu tín hieäu Sơ đồ chức hệ thống WDM ƒ Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM kết hợp số nguồn sáng khác thành luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM phân chia luồng ánh sáng tổng hợp thành tín hiệu ánh sáng riêng rẽ cổng đầu tách Hiện có tách/ghép tín hiệu WDM như: lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, lọc Fabry-Perot Khi xét đến tách/ghép WDM, ta phải xét tham số như: khoảng cách kênh, độ rộng băng tần kênh bước sóng, bước sóng trung tâm kênh, mức xuyên âm kênh, tính đồng kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa ƒ Truyền dẫn tín hiệu: Q trình truyền dẫn tín hiệu sợi quang chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể phụ thuộc nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi ) mà ta xét cụ thể phần 1.2 ƒ Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên khuếch đại Raman sử dụng thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường tiền khuếch đại Khi dùng khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo yêu cầu sau: ƒ - Ðộ lợi khuếch đại đồng tất kênh bước sóng (mức chênh lệch không dB) - Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc khơng gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu kênh - Có khả phát chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại phẳng tất kênh Thu tín hiệu: Thu tín hiệu hệ thống WDM sử dụng tách sóng quang hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM c) Phân loại hệ thống WDM λ1, λ 2, λ3, , λN Tx1 Rx1 Tx2 Rx2 MUX EDFA TxN λ1, λ 2, λ3, , λN EDFA DE MUX Hệ thống WDM đơn hướng Tx1 RxN Rx1 λ1, λ 2, λ3, , λi Tx2 Rx2 λ (i + 1), λ (i + 2), , λN MUX EDFA TxN EDFA DE MUX Hệ thống WDM song hướng RxN Hình 1.3 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng song hướng Hệ thống WDM chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng song hướng minh hoạ hình 1.3 Hệ thống đơn hướng truyền theo chiều sợi quang Do vậy, để truyền thông tin hai điểm cần hai sợi quang Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều sợi quang nên cần sợi quang để trao đổi thơng tin điểm Cả hai hệ thống có ưu nhược điểm riêng Giả sử công nghệ cho phép truyền N bước sóng sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy: ƒ Xét dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng ƒ Khi cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) hai đầu liên kết có khả nhận biết cố cách tức thời ƒ Ðứng khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế cịn phải xét thêm yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu có nhiều bước sóng sợi quang, đảm bảo định tuyến phân bố bước sóng cho hai chiều sợi quang khơng dùng chung bước sóng ƒ Các khuếch đại hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, số bước sóng khuếch đại hệ thống song hướng giảm ½ theo chiều nên hệ thống song hướng, khuyếch đại cho công suất quang ngõ lớn so với hệ thống đơn hướng 1.1.3 Đặc điểm hệ thống WDM Thực tế nghiên cứu triển khai WDM rút ưu nhược điểm công nghệ WDM sau: Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM ƒ Ưu điểm công nghệ WDM: - Tăng băng thông truyền sợi quang số lần tương ứng số bước sóng ghép vào để truyền sợi quang - Tính suốt: Do cơng nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên hỗ trợ định dạng số liệu thoại như: ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, chuyển mạch kênh, IP - Khả mở rộng: Những tiến công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thông truyền sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng nhiều cấp độ khác - Hiện tại, có cơng nghệ WDM cho phép xây dựng mơ hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải suốt nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động ƒ 1.1.4 Nhược điểm công nghệ WDM: - Vẫn chưa khai thác hết băng tần hoạt động sợi quang (chỉ tận dụng băng C băng L) - Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp gấp nhiều lần - Nếu hệ thống sợi quang sử dụng sợi DSF theo chuẩn G.653 khó triển khai WDM xuất hiện tượng trộn bốn bước sóng gay gắt Lưới ITU Việc chuẩn hố bước sóng dùng cho mạng WDM cần thiết bảo đảm cho thiết bị nhà cung cấp khác sản xuất theo tiêu chuẩn, làm việc tương thích với Khi chuẩn hố bước sóng, vấn đề cần phải xem xét là khoảng cách kênh phải dựa theo tần số hay bước sóng Khoảng cách tần số làm cho khoảng cách bước sóng khác Khơng có tiêu chuẩn kỹ thuật ưu tiên để lựa chọn trường hợp Trong khuyến cáo ITU-G.692 kênh cách khoảng 50 GHz (tương đương với khoảng cách bước sóng 0.4nm) với tần số trung tâm danh định 193.1THz (1552.52 nm) Tần số ỡ dải thông sợi quang 1.55μm khuếch đại quang sợi EDFA (xem hình 1.4) Khoảng cách phù hợp với khả phân giải MUX/DEMUX nay, độ ổn định tần số laser, MUX/DEMUX, Khi cơng nghệ hồn thiện khoảng cách phải giảm Một vấn đề khác, khó khăn chọn lựa bước sóng tiêu chuẩn bảo đảm cho hệ thống cho 4, 8, 16, 32 bước sóng hoạt động tương thích với nhà sản xuất có cấu hình kênh tối ưu riêng kế hoạch nâng cấp hệ thống từ kênh lên nhiều kênh khác ITU chuẩn hoá (ITU G.959) 16 bước sóng tần số 192.1 THz, rộng 200GHz bên cho giao diện đa kênh thiết bị WDM Cuối phải lưu ý không bảo bảo đảm tần số trung tâm mà phải bảo đảm độ lệch tần số tối đa cho phép Đối với Δf ≥ 200 GHz, ITU quy định độ lệch tần số không vượt Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM ±Δf /5 GHz Với Δf =50 GHz Δf =100 GHz đến thới điểm ITU chưa chuẩn hố Hình 1.4 Lưới bước sóng theo ITU 1.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG WDM Có yếu tố sợi quang ảnh hưởng đến khả hệ thống thông tin quang, bao gồm: - Suy hao - Tán sắc - Hiện tượng phi tuyến xảy sợi quang Tuy nhiên, hệ thống khác mức độ ảnh hưởng yếu tố khác Ví dụ: ƒ Ðối với hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp yếu tố chủ yếu cần quan tâm suy hao ƒ Ðối với hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn yếu tố chủ yếu cần quan tâm suy hao tán sắc ƒ Ðối với hệ thống cự ly dài dung lượng lớn yếu tố cần phải xem xét đến hiệu ứng phi tuyến Hiện tượng suy hao tán sắc trình bày chi tiết giảng “ Hệ thống thông tin quang 1”.Trong phần tập trung trình bày tương phi tuyến 1.2.1 Tổng quan hiệu ứng phi tuyến a) Định nghĩa Hiệu ứng quang gọi phi tuyến tham số phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất) Các tượng phi tuyến bỏ qua hệ thống thông tin quang hoạt động mức công suất vừa phải (vài mW) với tốc độ bit lên đến 2.5 Gbps Tuy nhiên, tốc độ bit cao 10 Gbps cao và/hay mức công suất truyền dẫn lớn, việc xét ... tách sóng quang hệ thống thơng tin quang thông thường: PIN, APD Chương 1: Hệ thống thông tin quang WDM c) Phân loại hệ thống WDM λ1, λ 2, λ3, , λN Tx1 Rx1 Tx2 Rx2 MUX EDFA TxN λ1, λ 2, λ3, , λN... NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Biên soạn: THS ĐỖ VĂN VIỆT EM LỜI GIỚI THIỆU Thế kỷ 21 kỷ công nghệ thông tin Sự bùng nổ loại hình dịch vụ thơng tin, đặc biệt phát triển nhanh... theo chiều sợi quang Do vậy, để truyền thông tin hai điểm cần hai sợi quang Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều sợi quang nên cần sợi quang để trao đổi thơng tin điểm Cả hai