THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠNG WDM-PON TRUYÈN HAI HƯỚNG

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ -o0o -  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠNG WDM-PON TRUYỀN HAI HƯỚNG Người hướng dẫn: TS NGUYỄN HỮU KHÁNH NHÂN Người thực hiện: VŨ OANH Lớp: 10040002 Khố: 14ĐH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2015 i LỜI CẢM ƠN Lời xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Hữu Khánh Nhân tồn thể thầy mơn điện tử viễn thông - khoa điện điện tử - trường đại học Tôn Đức Thắng Đặc biệt xin cảm ơn Thầy Nguyễn Hữu Khánh Nhân người tận tình trực tiếp hướng dẫn, động viên em suốt q trình hồn thành luận văn tốt nghiệp Xin gửi lòng biết ơn đến Cha Mẹ động viên con, nuôi nấng dạy dỗ cho ăn học để có ngày hơm Công lao Cha, Mẹ nguồn động lực để thân không ngừng phấn đấu, vượt qua khó khăn sống Bện cạnh em không quên cảm ơn tất bạn sinh viên chia sẻ giúp đỡ em suốt trình thực luận văn Được sống học tập trường đại học Tôn Đức Thắng suốt thời gian qua niềm tự hào thân em Đó động lực để em tiếp tục phấn đấu học tập hồn thành cơng việc học tập Xin chúc sức khỏe đến tất quý Thầy, Cô Chúc cho nhà trường ngày thành công lớn mạnh để đào tạo người có ích cho xã hội! Em xin chân thành cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 Sinh viên thực Vũ Oanh ii CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG Em xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng em hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Hữu Khánh Nhân Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa công bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngoài ra, luận văn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trường đại học Tôn Đức Thắng không liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền em gây trình thực (nếu có) TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm Sinh viên thực Vũ Oanh iii iv v LỜI NĨI ĐẦU Trong q trình thực tập tốt nghiệp vừa qua, em may mắn tiếp xúc với môi trường làm việc chuyên nghiệp ngành điện tử viễn thông Học hỏi nhiều kiến thức mới, tiếp xúc với thiết bị Đặc biệt hệ thống thông tin quang thực tế Từ em định lấy đề tài thiết kế hệ thống thông tin quang WDM-PON để tìm hiểu kỹ nguyên lý, cách thức thiết kế hệ thống thực tế Trong thời đại phát triển công nghệ thông tin nay, khái niệm truyền liệu khơng cịn xa lạ với tất Việc truyền nhận liệu ngày trở nên quan trọng, thực tế ngày đòi hỏi cần phải nâng cao chất lượng, tốc độ, tính an tồn đặc biệt giá phải đảm bảo cạnh tranh Hiện nay, có nhiều kỹ thuật truyền dẫn quang từ tốc độ thấp đến tốc độ cao tùy thuộc vào nhu cầu người phụ thuộc thích ứng mơi trường truyền dẫn ví dụ kỹ thuật truyền dẫn ta có kỹ thuật truyền dẫn tốc độ cao PDH, SDH, WDM, DWDM Về kỹ thuật truyền dẫn thông tin quang, Việt Nam cáp quang sử dụng nhiều tuyến thông tin quan trọng quốc gia Và điều đặc biệt tuyến thông tin quang trọng điểm hệ thống ghép kênh quang tốc độ cao Công nghệ WDM-PON ứng dụng quan trọng thiếu hệ thống thông tin quang Đề tài em tập trung vào trình phân tích thiết kế cho hệ thống thông tin quang WDM-PON lớp truyền dẫn quang vi MỤC LỤC CHƢƠNG TỔNG QUAN VÀ XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG THÔNG TIN QUANG .1 1.1 Tổng quan thông tin quang viễn thông 1.2 Tầm quan trọng hệ thống thông tin quang ngành viễn thông 1.3 Hệ thống thông tin quang .3 1.3.1 Cấu trúc 1.3.2 Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang .4 1.4 Xu hướng phát triển hệ thống viễn thông CHƢƠNG 2.1 MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON VÀ CÁC ỨNG DỤNG Mạng truy cập quang ứng dụng công nghệ PON 2.1.1 Gới thiệu công nghệ PON .8 2.1.2 Cấu trúc mạng PON 2.1.3 Các chuẩn PON 10 2.1.4 Ưu nhược điểm công nghệ PON 12 2.2 Mạng truyền dẫn quang TDM – PON 13 2.2.1 Cấu trúc mạng quang TDM – PON 13 2.2.2 Nguyên lý hoạt động mạng truyền tải TDM – PON 14 2.2.3 Ưu nhược điểm mạng truyền tải quang TDM – PON 15 2.3 Mạng truyền dẫn quang WDM – PON .16 2.3.1 Cấu trúc mạng quang WDM – PON 16 2.3.2 Nguyên lý hoạt động mang truyền tải quang WDM – PON 18 2.3.3 Ưu nhược điểm mạng quang WDM – PON .19 2.4 Tìm hiểu thiết bị AWG .19 2.4.1 Cấu tạo .19 2.4.2 Nguyên lý hoạt động 20 2.5 Tìm hiểu thiết bị SOA 23 2.5.1 Giới thiệu chung 23 vii 2.5.2 Nguyên tắc SOA .23 CHƢƠNG PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG WDM – PON TRUYỀN HAI HƢỚNG 26 3.1 Cấu trúc hệ thống WDM – PON truyền hai hướng .26 3.1.1 Cấu trúc 26 3.1.2 Các thành phần chức tương ứng 27 3.1.3 Ưu nhược điểm cấu trúc hệ thống 29 3.2 Tiêu chuẩn IUT-T thiết kế hệ thống thông tin quang 31 3.2.1 Khuyến nghị G.652 31 3.2.2 Khuyến nghị G.655 32 3.2.3 Khuyến nghị G.694.1 33 3.2.4 Khuyến nghị G.957 34 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng hệ thống .36 3.3.1 Suy hao .36 3.3.2 Tán sắc .39 3.3.3 Hiệu ứng tán xạ Raman (SRS) 40 3.3.4 Hiệu ứng tán xạ Brillouin (SBS) 42 3.3.5 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng 43 3.3.6 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM 44 3.3.7 Hiệu ứng điều chế xuyên pha .45 3.4 Bài toán thiết kế hệ thống WDM – PON truyền hai hướng 46 3.4.1 Thành phần thiết bị: 46 3.4.2 Tính tốn thơng số cụ thể cho đường truyền .46 CHƢƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 7.0 56 4.1 Giới thiệu phần mềm Optisystem 7.0 56 4.1.1 Giới thiệu chung 56 4.1.2 Các ứng dụng Optisystem 57 4.1.3 Các công cụ sử dụng 57 4.1.4 Khả kết hợp với phần mềm khác .58 viii 4.1.5 Mô phân cấp hệ thống .58 4.1.6 Thiết kế hệ thống nhiều lớp 58 4.1.7 Quét tham số tối ưu hóa 58 4.2 Thiết kế hệ thống DWDM-PON hai hướng 63 4.2.1 Thiết kế phần cứng thiết bị 63 4.2.2 Các thông số cụ thể cho thiết bị .67 4.3 Mô đánh giá hệ thống 69 4.3.1 Mô phân tích hệ thống 69 4.3.2 Tín hiệu thu từ đường truyền lên .79 4.3.3 Đánh giá chất lượng hệ thống 81 CHƢƠNG BẢO DƢỠNG KHẮC PHỤC SỰ CỐ HỆ THỐNG 83 5.1 Giám sát thông số chất lượng hệ thống .83 5.2 Bảo vệ cho hệ thống thông tin quang 84 5.3 Khắc phục cố cáp quang cố thiết bị 86 5.3.1 Sự cố thiết bị .86 5.3.2 Sự cố đường truyền 87 CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .91 6.1 Đánh giá ứng dụng đề tài .91 6.2 Định hướng phát triển đề tài .92 TÀI LIỆU THAM KHẢO .93 ix DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống quang Hình 2.1: Cấu trúc mạng PON Hình 2.2: Các loại kiến trúc mạng PON Hình 2.3: Cấu trúc mạng TDM - PON 13 Hình 2.4: Cấu trúc mạng quang WDM –PON 17 Hình 2.5: Cấu tạo AWG[2] .20 Hình 2.6: Chức kết nối chéo AWG[2] 20 Hình 2.7: Cấu tạo lọc Mach - Zehnder 21 Hình 2.8: Cấu trúc khuếch đại quang bán dẫn [1] .24 Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc mạng WDM – PON song hướng sợi quang 26 Hình 3.2: Cấu trúc mạng WDM – PON song hướng hai sợi quang .27 Hình 3.3: Các thành phần khối OLT .28 Hình 3.10: Mơ tượng tán sắc .40 Hình 3.11: Hiệu ứng tán xạ Raman (SRS) .41 Hình 3.12: Liên hệ khoảng cách truyền tốc độ bit [1] .52 Hình 3.13: Sơ đồ tổng qt tồn mạng 56 Hình 4.1: Cửa sổ làm việc Optisystem 57 Hình 4.2: Thư viện sử dụng thiết kế .58 Hình 4.3: Mối liên quan giữ tín hiệu nhận hàm phân bố xác suất .60 Hình 4.4: Mối quan hệ hệ số phẩm chất Q tỉ lệ lỗi bit BER 62 Hình 4.5: Hệ số Q tính theo biên độ .63 Hình 4.6: Khối Tx-OLT 65 Hình 4.7: khối Rx-OLT 66 Hình 4.8: Khối Rx-ONU .66 x Trang 80/93 Hình 4.24: Biểu đồ phân tích BER kênh hƣớng lên Từ sơ đồ ta có tỉ số lỗi bit BERmin = 5.82*10-33 Hệ số Q = 11.901, chiều cao mắt đạt 12.011µA Tỉ số điều chế = (0.6 - -0.6)/2 = 0.6 tỉ số điều chế kênh đạt 60% c Biểu đồ mắt cho kênh (hướng lên) Hình 4.25: Biểu đồ phân tích BER kênh hƣớng lên Từ biểu đồ ta có tỉ số lỗi bit BERmin = 1.070*10-45, hệ số Q = 14.140 GVHD: TS Nguyễn Hữu Khánh Nhân SVTH: Vũ Oanh – 41000081 Trang 81/93 Chiều cao mắt đạt 16.595µA Tỉ số điều chế = (0.75 - -0.75)/2 = 0.75 d tỉ số điều chế kênh 75% Biểu đồ mắt cho kênh (hướng lên) Hình 4.26: Biểu đồ phân tích BER kênh hƣớng lên Từ biểu đồ trên, tỉ số lỗi bit BERmin = 7.431*10-28, hệ số Q = 10.876 Chiều cao mắt đạt 11.381µA Hiêu suất điều chế = (0.6 - -0.6)/2=0.6 hiệu suất điều chế kênh đạt 60% 4.3.3 Đánh giá chất lượng hệ thống Từ kết tỉ số lỗi bit xấu thu 5.266*10-43 hướng xuống 7.431*10-28 hướng lên Đây kết thu tốt so với tiêu chuẩn 1*10-12 Đối với hệ thống WDM, truyền với khoảng cách xa dung lượng lớn Ta cần phân tích tính toán kỹ lưỡng ảnh hưởng suy hao, tán sắc hiệu ứng phi tuyến khác Trở lại kết tính tốn mơ phỏng, ta thấy sai khác q trình tính tốn mơ khơng có sai khác lớn bảng 4.10 so sánh hai kết tính tốn mơ Bảng 4.8: So sánh số liệu thiết kế số liệu mô cho đƣờng xuống GVHD: TS Nguyễn Hữu Khánh Nhân SVTH: Vũ Oanh – 41000081 Trang 82/93 Công suất phát Công suất thu Độ sai lệch (dBm) (dBm) (dB) Thiết kế Mô 4.64 -24.00 4.00 -24.78 Thiết kế 4.64 -24.00 Mô 4.00 -24.64 Thiết kế 4.64 -24.00 Mô 4.00 -24.78 Thiết kế 4.64 -24.00 Mô 4.00 -24.71 Thông số Kênh số 0.78 0.64 0.78 0.71 Bảng 4.9: So sánh số liệu thiết kế số liệu mô cho đƣờng lên Công suất phát Công suất thu Độ sai lệch (dBm) (dBm) (dB) Thiết kế Mô 4.64 -24.00 4.00 -24.79 Thiết kế 4.64 -24.00 Mô 4.00 -25.87 Thiết kế 4.64 -24.00 Mô 4.00 -24.79 Thiết kế 4.64 -24.00 Mô 4.00 -25.94 Thông số Kênh số 0.79 1.87 0.79 1.94 Từ số liệu hai bảng trên, ta thấy thông số hướng lên đường truyền có chất lượng so với đường xuống GVHD: TS Nguyễn Hữu Khánh Nhân SVTH: Vũ Oanh – 41000081 Trang 83/93 CHƢƠNG BẢO DƢỠNG KHẮC PHỤC SỰ CỐ HỆ THỐNG 5.1 Giám sát thông số chất lƣợng hệ thống Đối với hệ thống thơng tin viễn thơng nói chung hệ thống thơng tin quang nói riêng Các thơng số quan trọng mà hệ thống cần tần số hoạt động, công suất tỉ số lỗi bít đặc trung cho hệ thống riêng Riêng hệ thống thông tin quang, tần số hoạt động cao lên đến THz nên hệ thống có băng thông lớn Hệ thống thông tin quang hoạt động băng tần sau: Bảng 5.1: Băng tần hoạt động hệ thống thông tin quang[2] Băng tần Mô tả Bước sóng(nm) Băng O Original 1260 dến 1360 Băng E Extended 1360 đến 1460 Băng S Short 1460 đến 1530 Băng C Conventional 1530 đến 1565 Băng L Long 1565 đến 1625 Băng U Ultra-Long 1625 đến 1675 Các hệ thống thông tin quang chủ yếu hoạt động băng C, số hệ thống ghép kênh quang mật độ cao DWDM sử dụng băng L khuếch đại quang EDFA hoạt động băng C L Như việc giám sát tần số hoạt động hệ thống quang trọng Tuy nhiên, thiết bị sản suất thị trường hầu hết sản suất theo tiêu chuẩn chung ITU-T nên ta không cần quan tâm nhiều tới tần số hệ thống Vấn đề việc giám sát công suất truyền nhận hệ thống Sau thời gian sử dụng, việc giảm sút chất lượng đường truyền và thiết bị GVHD: TS Nguyễn Hữu Khánh Nhân SVTH: Vũ Oanh – 41000081 Trang 84/93 điều đương nhiên Chính ta phải thường xun kiểm tra cơng suất thu phát thiết bị Đề xuất phương án xử lý chất lượng đường truyền giảm để đảm bảo q trình truyền nhận thơng suốt đảm bảo tỉ lệ lỗi bit BER theo quy định Vấn đề giám sát tổng suy hao đường truyền Nếu xuống cấp thiết bị làm tổng suy hao đường truyền tăng suy hao đường truyền yếu tố định khả hoạt động hệ thống Bởi đường truyền xa có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến suy hao cáp mối nối quang xấu theo thời gian, lão hóa chất lượng cáp làm tăng độ suy hao, cố đường truyền đứt cáp, cháy cáp, gập cáp…sẽ thường xuyên xảy làm tổng suy hao đường truyền tăng nhanh Chính việc điều chỉnh cơng suất phát điều chỉnh độ khuếch đại thiết bị khuếch đại cách để khắc phục suy hao đường truyền Vấn đề cuối giám sát độ tán sắc đường truyền Cũng tương tự trình suy hao Các mối nối quang xấu hay cáp quang lão hóa tăng độ tán sắc hệ thống, việc giám sát tán sắc cần thiết để hệ thống làm việc ổn định lâu dài 5.2 Bảo vệ cho hệ thống thông tin quang Mục đích: Bảo vệ cho hệ thống thơng tin quang nhằm mục đích đảm bảo tín hiệu thơng suốt cho khách hàng có cố hệ thống sảy Cấu hình bảo vệ quang: Bảo vệ 1+1 OMS (Optical Mutiplex Section), 1:1 OMS, 1:n OCh (Optical Chanal), 1+1 OCh số cấu hình bảo vệ khác bảo vệ vòng (ring), bảo vệ lưới Bảo vệ 1+1 OMS: Đây phương thức bảo vệ lớp quang đơn giản Tín hiệu tổng WDM bắc cầu qua hai đường riêng biệt, sử dụng spliter quang để chia tín hiệu làm hai đường Ở đầu thu, chuyển mạch quang nối với hai đường tín hiệu tách trước thực chuyển mạch dựa vào q trình so sánh cơng suất hai đường Việc so sánh GVHD: TS Nguyễn Hữu Khánh Nhân SVTH: Vũ Oanh – 41000081 Trang 85/93 chủ yếu dựa vào việc dị có hay tín hiệu Khơng thể chuyển mạch có xảy phía lớp khách hàng Hình 5.1: Sơ đồ bảo vệ 1+1 OMS[2] Bảo vệ 1+1 OCh: Cấu trúc bảo vệ sử dụng nhiều Spliter để chia công suất ta làm hai đường phía trước ghép kênh Sau tín hiệu chia làm hai nhánh cho kênh Sau nhánh thực việc ghép kênh Phía thu sử dụng DEMUXcho đường riêng sau hai tín hiệu giống bị chia trước ghộp chung vào thiết bị kết nối Thiết bị so sánh công suất hai đường chọn đường tốt Hình 5.2: Cấu trúc bảo vệ 1+1 Och [2] Bảo vệ 1:1 OMS: Sơ đồ bảo vệ gần tương tự cấu trúc 1+1 OMS, có cấu trúc giống với sơ đồ SONET/SDH 1:1 có lợi ích hỗ trợ lưu lượng có độ ưu tiên thấp có khả chia sẻ tuyến bảo vệ cho n tuyến làm việc Khác với 1+1 OMS, sơ đồ sử dụng chuyển mạch đầu máy phát, kết tổng suy hao đường truyền giảm xuống so với sử dụng Spliter 1+1 OMS GVHD: TS Nguyễn Hữu Khánh Nhân SVTH: Vũ Oanh – 41000081 Trang 86/93 Hình 5.3: Cấu trúc bảo vệ 1:1 OMS [7] Hình 5.4: Cấu trúc bảo vệ 1:n [7] 5.3 Khắc phục cố cáp quang cố thiết bị 5.3.1 Sự cố thiết bị Các cố liên quan tới thiết bị thường cố điện, hư hỏng card mạng, hư hỏng thiết bị, modules quang…đối với cố điện, trường hợp thường xuyên xảy đốn trước được, để đối phó với tình này, nhà trạm, tổng đài cần có nguồn dự phịng Acquy, máy phát điện để đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục Đối với cố hư hỏng thiết bị Các phương thức bảo vệ lớp kênh quang thường khơng có khả phát bảo vệ trường hợp thiết bị hư hỏng phía phần khách hàng Chính vậy, việc thay thủ công tránh khỏi Liên tục theo dõi thông số chất lượng hệ thống Công suất làm việc thiết bị, nhiệt độ làm việc thiết bị Đối với thiết bị thụ động nhạy với nhiệu độ AWG, EDFA thiết bị Spliter, Coupler…khi hoạt động cần tránh nhiệt độ mơi trường q cao Chính trạm lặp hay GVHD: TS Nguyễn Hữu Khánh Nhân SVTH: Vũ Oanh – 41000081 Trang 87/93 tổng đài, việc giữ nhiệt độ ổn định khoảng 260C yêu cầu quan trọng 5.3.2 Sự cố đường truyền Đối với mạng truyền dẫn đường dài, đặc biệt cáp treo trụ điện lực Việc đứt cáp, cháy cáp cố thường xuyên làm liên lạc hồn tồn hệ thống khơng có đường truyền dự phịng Chính số làm gián đoạn thông tin làm tổng suy hao đường truyền tăng thêm Một vấn đề liên quan tới suy hao đường truyền uốn cong sợi cáp Suy hao uốn cong ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng tới chất lượng đường truyền Khi bán kính uốn cong sợi quang đơn mode < 30mm suy hao lúc tăng cao coi đường truyền hồn tồn bị dán đoạn [1] Chính vậy, q trình thi cơng, cần áp dụng quy trình kỹ thuật để tránh tượng sợi quang bị uốn cong vượt mức cho phép Đối với cố cháy cáp, đứt cáp, cần thay vị trí đứt sợi cáp sử dụng máy hàn quang để hàn mối nối quang Các mối nối phải đảm bảo chất lượng, suy hao thấp