NGUYÊN cứu MẠNG MAN CHUYỂN MẠCH gói đơn CHẶNG lựa CHỌN bước SÓNG dựa TRÊN AWG CHƯƠNG

Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI: NGUYÊN CỨU MẠNG MAN CHUYỂN MẠCH GÓI ĐƠN CHẶNG LỰA CHỌN BƯỚC SÓNG DỰA TRÊN AWG CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG Mục đích ban đầu mạng viễn thông Internet cung cấp truy nhập thông tin tới nơi đâu vào thời điểm hình thức cần Để đạt mục tiêu công nghệ quang khơng dây đóng vai trị định mạng viễn thông tương lai Các mạng quang khơng dây có tính bổ sung cho Mạng quang cho phép cung cấp băng thông lớn khơng thể xuất chỗ Ngược lại, mạng khơng dây có khả xuất chỗ lại có khả cung cấp kênh truyền dẫn có băng thơng giới hạn tuỳ thuộc vào việc triển khai khác Khác với kênh khơng dây, sợi quang có số ưu điểm đặc tính truyền dẫn suy hao nhỏ, băng thông rộng không chịu ảnh hưởng nhiễu điện từ Các mạng quang môi trường trung gian để cung cấp đủ băng thông số người sử dụng tăng nhanh Có hai hệ mạng quang, hình 1.1a, mạng quang hệ thứ thay dây đồng sợi quang node điện Trong mạng cách chuyển đổi tín hiệu quang - điện - quang (OEO) xảy node Ban đầu, sợi quang mang bước sóng chuẩn FDDI IEEE 802.6 Để giải khả tăng nhanh lưu lượng liệu để tận dụng tối đa băng thông sợi quang EDFA ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) đời đầu năm 90 Nhờ WDM, kết nối mang nhiều bước sóng, bước sóng hoạt động tốc độ khác LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung Hình 1.1 Các mạng quang: a Thế hệ thứ b Thế hệ thứ hai Trong hệ thứ hai mạng quang (hình 1.1b), chuyển đổi OEO xảy node nguồn node đích, tất node trung gian hoàn toàn quang Bằng cách sử dụng node trung gian quang, thắt cổ chai quang điện loại bỏ số lượng card cổng giảm Kết chi phí mạng giảm đáng kể Điều yếu tố quan trọng mạng quang Hơn thế, đường dẫn tồn quang từ đầu cuối đến đầu cuối cung cấp kênh suốt cho người sử dụng Người sử dụng tự chọn tốc độ bít, định dạng khối giao thức Sự suốt cho phép dễ dàng hỗ trợ bảo mật khác dịch vụ tương lai Network ATM SONET/SDH Data link IP Data link Network SONET IP ATM Data link Network Physical a) IP & MPLS WDM & Protection/Restoration b) c) Hình 1.2: Các chồng giao thức: a) IP/ATM/SONET(SDH)/WDM b) Chi tiết cấu trúc lớp IP/ATM/SONET/WDM c) Chồng giao thức đơn giản IP/WDM Trong tương lai lưu lượng mạng quang chủ yếu IP Thường thì, truyền dẫn gói IP mạng quang WDM thực theo kiểu trộn lẫn kiểu ghép Hình 1.2 mơ tả trồng giao thức IP/ATM/SONET (SDH)/WDM mà mạng triển khai để truyền dẫn gói IP Các gói tin IP có kích cỡ khác phân mảnh thành tế bào ATM với kích thước cố định truyền khung SONET/SDH thông qua kết nối WDM quang Trồng giao thức đòi hỏi số thao tác xếp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung giao thức Điều không làm tăng chi phí độ phức tạp mạng mà cịn có xu hướng tạo nghẽn cổ chai tính tốn mạng tốc độ cao Hơn thế, hình 1.2 trồng giao thức khơng hiệu khía cạnh quan tâm mạng tầng kết nối liệu đánh địa giao thức Điều dẫn đến chức thừa sơ đồ kết nối tầng phức tạp Để tránh không hiệu để đơn giản hoạt động mạng, cấu trúc tầng giao thức phức tạp thay chồng giao thức IP/WDM phức tạp nhiều Chức ATM kĩ thuật lưu lượng (QoS) hấp thụ vào tầng IP nhờ sử dụng chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS) Và khả truyền dẫn SONET/SDH (bảo vệ tái cấu hình) hấp thụ tầng WDM quang Nhờ mạng WDM tương lai có trồng giao thức đơn giản IP/WDM mơ tả hình 1.2c Mạng IP WDM quang hứa hẹn lớn cho việc cung cấp hiệu băng thông lớn với độ phức tạp mạng nhỏ công nghệ quang số giới hạn tính ổn định tính hiệu mặt chi phí Tuy nhiên, đáng ý là, tương lai phức tạp chi phí mạng WDM quang giải 1.1 Mục tiêu phương pháp tiếp cận 1.1.1 Mục tiêu Mạng đường trục quang WDM Kết nối đường trục Kết nối đường trục Mạng đô thị Kết nối nội thị Kết nối nội thị Kết nối liên mạng Mạng truy nhập (HFC, FTTx) Truy nhập không dây (eg UMTS,WWLAN) xDSL, cable modem ATM, FR, SDH, IP, GbE ESCON, Kênh sợi Hình 1.3 Mạng phân cấp (được định nghĩa phụ lục B) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung Trong hình 1.3, mơ hình mạng truyền thơng gồm mạng đường trục, mạng nội thị, mạng truy nhập mạng sau thu thập/phân phối liệu từ/đến trạm trung gian khác ví dụ trạm không dây LAN Các LAN gigabit Ethernet với chuẩn 10 GbE IEEE 802.3ae hoàn thiện năm 2002 hi vọng cung cấp đủ băng thơng cho năm tới Các cơng ti điện thoại triển khai số dạng đường dây thuê bao số (DSL) công ti cáp triển khai modem cáp Nghẽn cổ chai bước truy nhập loại bỏ nhờ ứng dụng chuẩn IEE802.3ab Ethernet mà đề cập vào tháng năm 2003 Các công nghệ truy nhập băng rộng với dịch vụ không dây hệ ví dụ UMTS LAN khơng dây (WLAN) giao thức tốc độ cao ATM, FRAME RELAY (FR) IP, ESCON kênh sợi quang địi hỏi băng thơng lớn chất lượng dịch vụ QoS hỗ trợ từ mạng cao Nằm thuê bao tốc độ cao đường dẫn cực lớn mạng đường trục mạng truy nhập mạng nội thị Ban đầu mạng truy nhập hệ thống HFC có phần nguồn ni tổng đài trung tâm node xa mạng quang mạng phân tán node xa thuê bao điện Kết là, mạng truy nhập FTTx nhận ý lớn Các mạng FTTx, nghĩa mạng sợi quang tới đầu cáp FTTC hay sợi quang tới nhà FTTH, mạng hoàn tồn quang nghĩa tín hiệu truyền dẫn thơng qua sợi quang từ tổng đài trung tâm tất đường tới khách hàng Về lí chi phí nên mạng truy nhập tồn quang khơng cấp nguồn hay cịn gọi tương ứng mạng quang thu động (PON) Các PON xem xét cho mạng truy nhập kể từ năm 90 trước nhu cầu băng thông cho Internet bùng nổ Gần đây, PON Ethernet cải tiến trở thành ứng viên đầy hứa hẹn để cung cấp đầy đủ băng thông cho truyền dẫn hiệu lưu lượng liệu Các mạng nội thị chủ yếu mạng vòng SONET/SDH Các mạng có số nhược điểm: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung - Việc giám sát kênh cho mạng SONET/SDH nhiều thời gian thường từ tuần đến tháng Do giám sát dịch vụ nhanh điều - Thiết bị SONET/SDH đắt làm giảm đáng kể vùng phủ thị trường nội thị nhạy cảm với chi phí chi phí chia sẻ lượng khách hàng nhiều so với mạng đường trục Chính chi phí cao ngăn cản công ti tham gia vào thị trường nội thị - Việc nâng cấp mạng vòng SONET/SDH ảnh hưởng tới tất node không node nguồn node đích mong muốn truyền thơng tốc độ liệu cao - Cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động (APS) SONET/SDH (bảo vệ 1+1) không hiệu mặt băng thông đường bảo vệ làm việc mang loại lưu lượng - SONET/SDH thiết kế cho lưu lượng đối xứng Do đó, lưu lượng IP khơng đối xứng truyền dẫn không hiệu - Hoạt động TDM tập trung thoại khơng có khả hỗ trợ hiệu lưu lượng liệu có tính bùng nổ dẫn đến việc lãng phí băng thơng Những nhược điểm đề cập mạng vòng SONET/SDH tạo nghẽn cổ chai băng thông nghiêm trọng mức nội thị Hiện tượng gọi Metrogap, ngăn cản khách hàng tốc độ cao (và ngăn cản nhà cung cấp dịch vụ) việc sử dụng băng thơng cịn lớn mạng đường trục Nghẽn cổ chai trở nên nghiêm trọng thực tế lưu lượng IP tăng lên mang tính cục cách đặt thêm nhiều máy chủ Proxy mạng nội thị để giảm trễ mạng, cân tải máy chủ có độ sẵn sàng cao Sự tăng cường sử dụng điện thoại tổ ong thiết bị cầm tay dịch vụ Internet làm tăng lượng thông tin truy cập nội hạt cần cập nhật thường xuyên đặc biệt ứng dụng nhà, xe hơi, thiết bị điện tử khác bắt đầu tận dụng mạng nội thị [KWSR] Hơn thế, Napster báo trước xung đột chia sẻ thông tin, ứng dụng đồng hàng tương lai đầu cuối người sử dụng hoạt động máy chủ làm tăng đáng kể lưu lượng bên mạng MAN Để vượt qua độ rộng khách hàng tốc độ cao tương lai mạng đường trục kiến trúc giao thức mạng nội thị cần phải triển khai LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung Gần đây, nghiên cứu bắt đầu tập trung vào để hạn chế độ rộng nội thị Sự quan trọng độ rộng nội thị phản ánh qua số lượng lớn hoạt động chuẩn hoá triển khai gần đây, diễn đàn công nghiệp IETF WG IPoRPR, IEEE 802.17 RPRWG, diễn đàn Ethernet nội thị (MEF) liên minh mạng vịng gói mềm dẻo (RPR) bao gồm 70 công ty Bản đồ án tập trung vào mạng WDM chuyển mạng gói gói tin lưu trữ RAM điện tử thay đường dây trễ sợi quang Với kiến trúc giao thức giới thiệu kiểm tra cho phép khách hàng tốc độ cao nhà cung cấp dịch vụ để vượt qua độ rộng nội thị tận dụng tối đa băng thông lớn mạng đường trục theo cách hiệu quả, chi phí thấp có tương lai 1.1.2 Phương pháp tiếp cận Vấn đề tiếp cận để tận dụng lợi tương ứng miền điện miền quang tránh nhược điểm tương ứng chúng: truyền dẫn thực miền quang việc đệm phép logic thực miền điện Do thiếu hụt đệm quang (RAM) mạng quang không dùng đệm xem xét Kiến trúc mạng không chuyển mạch hoàn toàn thụ động xem xét Các mạng thụ động khơng tin cậy mà cịn nâng cấp tới mạng thơng minh rìa cho phép việc giảm chi phí mạng đơn giản hố trì, bảo dưỡng, hoạt động mạng Mạng xem xét lựa chọn bước sóng Trong mạng lựa chọn bước sóng tĩnh, node nguồn có khả tiếp cận nhiều node đích khác cách thay đổi bước sóng truyền dẫn Để làm vậy, mơ hình chuyển mạch gói lưu trữ chuyển tiếp truyền thống phải thay mơ hình chuyển đổi bước sóng theo gói tin biên giới mạng Trong mạng lựa chọn bước sóng bước sóng định tuyến phần nhỏ mạng, phần cịn lại mạng dùng bước sóng Kết việc tái sử dụng bước sóng theo khơng gian khơng giảm trùng lặp mà giữ cho số lượng bước sóng cần dùng hữu hạn Một số lượng nhỏ bước sóng địi hỏi thu nhạy bước sóng truyền qua dải sóng hẹp Điều lại cho phép ứng dụng thu chuyển đổi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung mà có thời gian chuyển đổi nhỏ so với thu với giải chuyển đổi tương đối lớn Mạng xem xét mạng hình Các mạng hình cho thấy lợi mặt cơng suất mạng bus Cả mạng hình mạng bus chịu ảnh hưởng suy hao rẽ nhánh Trong suy hao rẽ nhánh tổng (tính dB) mạng hình bus tăng tuyến tính theo số lượng node mạng suy hao rẽ nhánh tổng (tính dB) mạng hình lại tăng theo hàm logarit Hơn thế, cấu hình mạng vật lí dễ dàng thiết lập, cấu hình, điều khiển, gỡ rối Ở phía tầng vật lí mạng hình mạng đơn chặng xem xét Trong mạng đơn chặng cặp node nguồn đích giao tiếp trực tiếp với mà không thông qua node trung gian Khác với mạng đa chặng, mạng đơn chặng có số lợi thế: Khoảng cách chặng trung bình tối thiểu hố (tính đồng nhất), khơng lãng phí băng thơng việc chuyển tiếp node xảy tiếp cận đích, node phải xử lý gói tin định tuyến tới giảm nhu cầu xử lý node, độ suốt cung cấp, việc nâng cấp cặp nguồn-đích định liên quan tới hai node khác với mạng đa chặng khơng có node trung gian cần phải nâng cấp Các mạng đơn chặng giảm đáng kể độ phức tạp chồng giao thức việc định tuyến chuyển tiếp truyền thông đơn chặng không xảy Kết là, tầng mạng hoàn toàn loại bỏ Thêm vào đó, gói tin truyền thông qua đơn chặng quang thụ động chặng nguồn chặng đích, dẫn đến xác xuất lỗi nhỏ Do đó, phát sửa lỗi tầng liên kết liệu loại bỏ lỗi truyền dẫn cịn lại loại bỏ tầng truyền dẫn 1.2 Các phần tử mạng MAN đơn chặng lựa chọn bước sóng dựa AWG Các linh kiện sau khối để thiết kế mạng WDM Trong phần mô tả tập trung vào linh kiện quan trọng phần lại đồ án 1.2.1 Bộ kết hợp chia quang Coupler thuật ngữ chung tất thiết bị thực kết hợp ánh sáng vào và/hoặc chia ánh sáng sợi quang Các kết hợp thiết bị mà thực kết hợp ánh sáng từ sợi quang khác Các chia quang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung chia ánh sáng vào nhiều sợi quang Cả kết hợp chia quang thiết bị thụ động Bộ chia quang phổ biến chia 1x2 vẽ hình 2.1 a) Tỉ số công suất đầu gọi tỉ số chia quang α điều khiển Phần α công suất đầu vào đưa đầu ra, phần (1-α) lại đưa đầu lại Biểu thị tỉ số chia quang dạng dB cho suy hao chia quang Đối với chia quang hai cổng với tỉ lệ chia quang 50:50 phổ biến, kết suy hao chia quang dB cho cổng Các coupler dùng để tách phần công suất từ luồng ánh sáng để dùng cho mục đích giám sát nguyên nhân khác Các coupler gọi rẽ thiết kế với giá trị α gần với 1, thường từ 0.90 tới 0.95 a) Hình 2.1: a) Bộ chia b) c) b) Bộ ghép c) coupler Khi đổi chiều chia quang sử dụng kết hợp quang, thể hình 2.1 b) Một tín hiệu đầu vào tới kết hợp 2x1 chịu suy hao công suất 3dB, mà đơi cịn gọi suy hao ghép quang Bằng cách dùng kết hợp với chia quang, coupler tạo Hình 2.1 c) mô tả coupler 2x2 bao gồm kết hợp quang 2x1 theo sau chia quang 1x2, có vai trị phân bố tín hiệu từ hai sợi quang đầu vào tới hai sợi quang đầu Để có tỉ lệ chia quang 50:50 cần có coupler 3dB tín hiệu đầu vào chia cho hai đầu Ngồi tỉ lệ chia cơng suất 50:50 xảy coupler, tín hiệu chịu suy hao chèn, suy hao thừa suy hao phản hồi Suy hao chèn phần công suất (thường biểu thị dạng dB) bị cổng vào cổng linh kiện (coupler) Nếu tín hiệu vào coupler, phần nhỏ công suất bị phản hồi theo hướng ngược lại dẫn trở lại tới đầu vào coupler (suy hao phản hồi) Suy hao thừa gây khiếm khuyết sản xuất vùng nhỏ Một coupler sản xuất khơng phụ thuộc bước sóng lựa chọn bước sóng, có nghĩa tính chất coupler phụ thuộc vào bước sóng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung Ưu điểm coupler không cần cung cấp nguồn, hoạt động tin cậy, không đắt, mức suy hao thấp 1.2.2 Coupler hình thụ động (PSC) PSC thiết bị thực kết hợp tín hiệu quang từ cổng đầu vào chia cổng đầu Không giống tách ghép kênh, PSC không chứa phần tử lựa chọn bước sóng Vì chúng khơng có khả tách kênh riêng rẽ Trong trường hợp tổng quát, PSC có số cổng vào (N) số cổng (M) không thiết ký hiệu PSC NxM Một PSC NxN tạo từ coupler 2x2 3dB vẽ hình 2.2 1 2 N x N PSC N N Hình 2.2 Bộ coupler hình thụ độngN x N (PSC) PSC NxN linh kiện N đầu vào N đầu với đặc tính cơng suất cổng đầu vào Pin chia tới tất cổng đầu Do đó, cơng suất quang đầu Pout bằng: Pin N Và tỉ lệ chia quang α = 1/N hay tương ứng với suy hao chia quang 10 log10 N dB Một phương pháp để tạo PSC kết nối số coupler Pout= 3dB Cách cần (N/2 log2N) coupler dB để tạo PSC NxN 2.1.3 Cách tử ống dẫn sóng (AWG) Bộ AWG biết đến dãy pha (PHASAR) hay định tuyến lưới dẫn sóng Một AWG NxN vẽ sơ đồ khối hình 2.3, N≥2, bao gồm dẫn sóng đầu vào đầu N, hai dẫn sóng tập trung (các vùng truyền dẫn tự do) lưới dẫn sóng hàng, chiều dài ống dẫn sóng liền kề sai khác số Tấm dẫn sóng đường đối xứng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung linh kiện loại bỏ phụ thuộc phân cực Do vậy, tạo AWG không phụ thuộc phân cực, suy hao thừa mức 0,4 dB Cả hai dẫn sóng làm việc giống coupler NxM, M>>N, cho tất công suất ánh sáng bị khuyếch tán thu lại Nếu M>>N xuyên âm trung tâm băng thông nhỏ so với M=N Tín hiệu đến từ cổng N cổng vào chia M đầu dẫn sóng tới đầu hàng Mỗi luồng sáng đến khuyếch tán đầu vào, qua dẫn sóng xếp hàng, tập trung lại đầu ra, ghép vào dẫn sóng đầu Ống dẫn sóng vào/ra N cổng vào N cổng Tấm dẫn sóng Ma trận M ống dẫn sóng dẫn sóng trục đối xứng Hình 2.3 Biểu đồ xếp AWG N x N Các dẫn sóng xếp hàng trễ pha không phụ thuộc vào bước sóng tần số với khác pha số nguyên lần 2π gây cộng hưởng dẫn sóng đầu Do vậy, cổng đầu mang tần số vượt qua có tính tuần hồn Độ rộng tần số vượt qua có tính tuần hoàn gọi dải phổ tự (FSR) xấp xỉ bằng: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung FSR = C ng(L + dsinI +dsin0) [Hz] (2.2) 2 [m] (2.3) ngL Trong FSR, AWG NxN chấp nhận số lượng tổng N bước đơn giản [Zir98] FSR = sóng từ cổng vào truyền dẫn bước sóng tới đầu định Mỗi đầu nhận bước sóng N, bước sóng từ cổng vào riêng Ở tồn hoán vị bước sóng vịng lặp dẫn sóng đầu dẫn sóng đầu vào khác sử dụng Trong hình 2.4 kết nối định tuyến AWG 8x8 mô tả Mỗi tần số quang (tương ứng, nói bước sóng) cho ta dẫn định tuyến độc lập với cổng vào Do vậy, thông tin định tuyến fk cổng ra, mà cổng (k-1) nằm cổng vào tương ứng ví dụ f1 vào từ cổng vào cổng từ cổng vào cổng Tương tự vậy, f3 vào cổng cổng 3, f3 vào cổng cổng Nhờ vào đặc tính tuần hồn AWG, tần số quang f9 (ví dụ dải phổ tự lớn f1) vảo cổng cổng giống f17 tần số khác phân tách nhờ số lượng nguyên FSR Nhưng có AWG với phương pháp định tuyến kênh khác, ví dụ kênh fi vào cổng j cổng k k = (8-i+j)mod + với i  N j,k  {1,2,…8} Kiểu định tuyến bước sóng AWG mơ tả thức dựa vào ma trận chuyển đổi bước sóng Nhờ vào hốn vị bước sóng cổng AWG nằm họ định tuyến bước sóng hốn vị Một AWG NxN cung cấp kết nối bên NxN đầy đủ Sử dụng FSR cho phép có đồng thời N kết nối Chú ý PSC NxN cho phép mang đồng thời tối đa N kênh Các đặc tính truyền dẫn sau AWG NxN đóng vai trò quan trọng mạng WDM Các AWG có suy hao chèn thấp vào khoảng từ 3-5 dB Cũng vậy, AWG với suy hao không thay đổi hình thức tất kênh xác định Độ rộng kênh tần số kết hợp kênh cho công thức: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung x  d  f  L f  df (f1… f4…f8) N=1 1  x  m2 n g    [Hz]   L f  ns dc nc   f1 f8 2 f1 f4 INPUT (2.4) 5 6 7 f8 f4 OUTPUT Hình 2.4 Bộ kết hợp nối AWG x Độ rộng kênh thông thường 100 200 GHz Một độ rộng kênh 100 GHz vùng suy hao thấp 1,55m tương ứng với độ rộng kênh 0,8m, dẫn đến ghép kênh phân chia theo bước sóng chặt (DWDM) Một AWG 64x64 với độ rộng kênh 0,4nm (50 GHz) báo cáo [OMS95] Gần đây, AWG độ rộng 25 GHz với 400 kênh báo cáo [JJK+ 01] Tần số đáp ứng AWG quan trọng cho ứng dụng Nó giống tần số đáp ứng lọc thông dải Gauss Độ rộng tối đa nửa đỉnh (FWHM) cho công thức: FWHM  ln 20 f [Hz] x (2.5) Nói chung, FHWM khoảng 30% độ rộng kênh Hình dáng lọc thông dải Gauss đặt giới hạn chặt chẽ cho dung sai bước sóng laser diode địi hỏi điều khiển nhiệt độ xác cho AWG laser diode Sự dao động tần số nguồn quang dẫn tới phải giảm công suất để đạt giá trị BER đầu thu Hơn nữa, độ rộng dải thông AWG thác trở nên nhỏ nhiều so với lọc AWG đơn chặng Gần đây, kết hợp kênh AWG với đáp ứng phổ phẳng công bố [OS96] [TBB+97] [KS01] Băng thơng dB nâng lên tới 124 GHz cho độ rộng kênh 200 GHz xuyên âm liên kênh từ kênh bước sóng cho trước kênh lân cận nhỏ -27 dB Xuyên âm xuất ảnh hưởng tín LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung hiệu khác lên tín hiệu mong muốn Hệ thống WDM có hai dạng xuyên âm: xuyên âm liên kênh xuyên âm đồng kênh Xuyên âm liên kênh xảy tín hiệu xuyên âm bước sóng khác so với bước sóng tín hiệu mong muốn Xuyên âm đồng kênh xảy tín hiệu xun âm có bước sóng với tín hiệu mong muốn Nhưng phải trả giá suy hao chèn cao khoảng dB Các AWG với đáp ứng tần số phẳng rộng giải hạn chế đề cập Nói chung, xuyên âm vào khoảng -30dB Do đó, giải ghép kênh hồn tồn cơng suất không đáng kể, nghĩa xuyên âm đủ nhỏ để không làm tăng đáng kể BER Các thông số truyền dẫn quan trọng AWG giá trị thơng số điển hình tổng kết bảng 2.1 Suy hao xen ~ – dB Suy hao vượt ~ 0.4 dB Xuyên nhiễu khác tần ~ -30dB số Khoảng cách kênh (25, 50, 100, 200) GHz FWHM ~ 30% khoảng cách kênh Số lượng cổng … 400 Bảng 2.1 Đặc tính AWG Bảng 2.2 tổng kết đặc tính AWG so sánh chúng với PSC Chú ý AWG hỗ trợ đa truyền thông băng rộng nguồn quang băng rộng sử dụng ví dụ diode phát quang (LED) Tín hiệu đầu vào bị chia phổ AWG cho phần nhỏ tín hiệu băng rộng đầu vào truyền dẫn tới cổng đầu tương ứng, trình bày phần 1.2.4 Tính bảo mật có nghĩa bước sóng định tuyến tới cổng tương mà chúng cần Điều khác với PSC lựa chọn quảng bá tất đầu nhận tất bước sóng lúc Do vậy, bước sóng đưa vào hai hay nhiều cổng đầu vào PSC đồng thời xung đột kênh xảy tất cổng PSC Nói cách khác, PSC khơng cho phép tái sử dụng phân tập bước sóng cổng ghép kênh đầu vào Ngược lại, AWG định tuyến theo bước sóng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung cho phép tái sử dụng bước sóng theo khơng gian phân tập mà khơng gây xung đột kênh cổng AWG Do đó, PSC NxN cỏ thể hỗ trợ tối đa N truyền dẫn đồng thời, truyền dẫn sử dụng bước sóng khác Trong AWG NxN khơng có u cầu tín hiệu đến hỗ trợ tới N2 truyền dẫn đồng thời mà không gây nên xung đột kênh đầu AWG Quảng bá Phát theo nhóm Định tuyến bước sóng Tái sử dụng bước sóng theo khơng gian Tính chu kỳ Suy hoa chia Tính riêng tư Nghẽn kênh Số lượng truyền dẫn đồng thời PSC AWG yes yes no no no no yes yes no yes no yes N yes no yes no N2 Bảng 2.2 So sánh đặc tính PSC AWG Như AWG có ưu điểm: khoảng cách bước sóng nhỏ, số kênh lớn, băng thơng phẳng phù hợp cho hệ thống WDM tốc độ cao dung lượng lớn 1.2.4 Các máy phát thu Ngoài linh kiện đề cập để xây dựng mạng truyền thông WDM cần phát thu Một phát bao gồm nguồn quang, điều chế, thiết bị điện hỗ trợ Một thu cần lọc quang, photodetector, giải điều chế linh kiện điện hỗ trợ Các nguồn quang băng thông rộng Ánh sáng đầu nguồn quang băng thơng rộng có dải phổ rộng khoảng từ 10-100 nm Các LED phổ biến rẻ Vì sản phẩm khác có băng thơng tương đối nhỏ nên LED ứng dụng chủ yếu nơi mà tốc độ liệu thấp hay khoảng cách truyền dẫn ngắn Công suất LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung đầu phổ biến chúng 10 dBm Tuy nhiên, diode siêu phát quang với công suất sợi đơn mode 18,0 dBm độ rộng băng thơng dB 35 nm có thị trường Ở tốc độ thấp, hệ thống nhạy cảm với bước sóng có độ dự trữ nhỏ, LED cung cấp giải pháp rẻ so với laser đắt Hình 2.5 biểu thị phần dải phổ tín hiệu LED băng rộng qua AWG định tuyến theo bước sóng Tại cổng AWG phần khác tín hiệu băng rộng gốc tách node, phần mang thơng tin Do đó, LED chia sẻ nhiều thu khác Cơng suất Các lát cắt Tín hiệu băng rộng  3x3 AWG Hình 2.5: Lát cắt phổ tín hiệu băng rộng Laser Để nâng cao băng thông cách đáng kể laser thành phẩm khác dùng Thực ra, laser khuyếch đại quang bao gồm khung phản xạ mà tạo ánh sáng dao động thông qua phản hồi dương Các laser có khả tạo cơng suất đầu lớn, thường từ tới 10 dBm Các laser cố định với bước sóng danh nghĩa (mặc dù bước sóng xê dịch nhiệt độ thời gian) chuyển đổi được, laser chuyển đổi chuyển đổi liên tục rời rạc Chỉ có bước sóng phù hợp với chu kỳ chiết suất laser khuyếch đại, laser chuyển đổi cách điều khiển chiều dài khoảng cộng hưởng và/hoặc chiết suất môi trường khuyếch đại Các ví dụ phổ biến học, quang âm, quang điện, laser chuyển đổi tiêm dòng Hầu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung hết laser chuyển đổi học sử dụng buồng Fabry-Perot mà chiều dài điều chỉnh Các laser chuyển đổi học cho dải chuyển đổi rộng lên tới 500nm thời gian chuyển đổi chậm khoảng 1-10ms Trong laser quang âm laser quang điện chiết suất khoảng bên thay đổi nhờ sử dụng cách tương ứng sóng âm dịng điện Một laser quang âm có dải chuyển đổi trung bình, vào khoảng xấp xỉ 100nm với thời gian chuyển đổi trung bình, vào khoảng 10s Các laser quang điện chuyển đổi 10-15nm vài ns Các laser dùng dịng tiêm hình thành họ nguồn quang cho phép lựa chọn bước sóng thơng qua lưới phản xạ, ví dụ laser phản xạ phân bố (DFB) laser phản xạ Bragg phân bố (DBR) Việc chuyển đổi thực cách thay đổi mật độ dịng tiêm thay đổi chiết suất Kiểu laser thường bao gồm nhiều phần phép điều khiển độc lập cơng suất bước sóng đầu laser Gần đây, phát đa phần chuyển đổi nhanh chuyển đổi sang bước sóng liền kề 4ns khoảng rộng khoảng 30nm vòng 15ns báo cáo Đặc biệt, laser SG-DBR hứa hẹn sử dụng cho phát với dải chuyển đổi rộng công suất đầu lớn Các dải chuyển đổi thời gian chuyển đổi loại phát khác tổng kết bảng 2.3 Chú ý thay laser chuyển đổi sử dụng loạt laser cố định hoạt động bước sóng khác laser đa tần số Kiểu phát Giải điều chỉnh Thời gian điều chỉnh Điều chỉnh 500 nm 1-10 ms Quang âm ~ 100 nm ~ 10 s Quang điện 10-15 nm 1-10 ns Dòng bơm ~ 30nm 15 ns Bảng 2.3 Các phát: Giải điều chỉnh thời gian điều chỉnh Các lọc quang Các lọc quang sử dụng để lựa chọn tín hiệu băng rộng bước sóng nằm ngồi dải lược WDM Bước sóng lựa chọn chuyển đổi quang điện nhờ photodetector Các lọc quang cố định chuyển đổi được, lọc chuyển đổi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung liên tục rời rạc Các ví dụ lọc cố định cách tử nhiễu xạ, lọc phim mỏng điện, cách tử Bragg sợi (FBGs) Các lọc quang điều chỉnh bao gồm lọc quang điện, quang âm, nhiệt, lọc Fabry-Perot tinh thể lỏng Các lọc điều chỉnh bao gồm nhiều khoảng hình thành nhờ hai gương song song (các mặt) Bằng cách điều chỉnh khoảng cách gương, bước sóng khác lựa chọn Loại lọc có dải chuyển đổi khoảng 500nm thời gian chuyển đổi khoảng 1-10ms Máy giao thoa Mach Zehnder (MZI) ví dụ cho lọc điều khiển nhiệt Trong MZI, chia quang có nhiệm vụ chia luồng sáng đến thành hai dẫn sóng kết hợp thực kết hợp tín hiệu đầu dẫn sóng Một thiết bị trễ điều chỉnh nhiệt điều khiển chiều dài đường dẫn quang ống dẫn sóng Nhờ vào sai khác pha sóng mong muốn lựa chọn nhờ cộng hưởng Một MZI cớ thể chuyển đổi lớn 10 nm vòng vài ms Trong lọc điều chỉnh quang âm (AOTFs), sóng âm thay đổi tuần hồn chiết suất mơi trường lọc từ cho phép môi trường hoạt động lưới lọc Bằng cách thay đổi tần số sóng âm, bước sóng quang chọn sóng cịn lại bị triệt tiêu Nếu có nhiều sóng âm dùng có nhiều sóng quang lựa chọn Một nhược điểm AOTFs chúng loại bỏ xuyên âm từ kênh lân cận kênh gần nhau, giới hạn số lượng kênh Các AOTFs chuyển đổi dải 100nm vòng 10s Các lọc điều chỉnh quang điện (EOTFs) sử dụng điện cực nằm môi trường lọc Các dòng điện dùng để thay đổi chiết suất môi trường lọc, cho phép bước sóng mong muốn qua bước sóng khác bị triệt tiêu Thời gian điều chỉnh bị giới hạn tốc độ điện Do đó, EOTFs chuyển đổi 1-10ns Tuy nhiên, EOTFs cung cấp dải điều chỉnh tương đối nhỏ, khoảng 15 nm Các lọc Fabry-Perot tinh thể lỏng (LC) lọc rẻ với yêu cầu công suất thấp Thiết kế lọc LC tương tự thiết kế lọc Fabry-Perot, khoang tinh thể lỏng Chiết suất LC điều LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung khiển dòng điện để lấy bước sóng tương ứng Thời gian điều chỉnh 0,5-10µs khoảng điều chỉnh 30-40nm Các dải điều chỉnh thời gian điều chỉnh loại thu khác tổng kết bảng 2.4 Chú ý tương ứng lọc quang chuyển đổi dãy thu cố định hay thu đa bước sóng dùng Kiểu thu Dải điều chỉnh Thời gian điều chỉnh 1-10 ms 1-10 ms Điều chỉnh 500 nm Điều chỉnh > 10 nm nhiệt Quang âm ~ 100 nm ~ 10 s Quang điện 10-15 nm 1-10 ns Tinh thể lỏng 30-40 nm 0.5-10 s Bảng 2.5 Các thu: Dải điều chỉnh thời gian điều chỉnh 1.3 Các suy giảm truyền dẫn Để xây dựng hệ thống truyền thông linh kiện miêu tả kết nối lọc Trong hệ thống vậy, tín hiệu quang truyền từ phát tới thu phải gặp số lỗi như: suy hao, tán sắc, phi tuyến, xuyên âm, nhiễu 1.3.1 Suy hao Ngồi tổn thất cơng suất quang gây linh kiện, lọc làm giảm cơng suất tín hiệu Hình 2.6 suy hao sợi quang theo bước sóng Đỉnh suy hao vùng 1400nm gây không tinh khiết ion hydroxyl (OH-) sợi quang Tuy nhiên, sợi Lucent đỉnh giảm đáng kể Trong hệ thống truyền thông quang ngày có ba dải sử dụng 0,85s, 1,3s, 1,55s dải băng cuối cho suy hao thấp vào khoảng 0,25 dB/km Suy hao (dB/km) 1.2 0.8 0.4 1000 1200 1400 1600 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung Hình 2.6 Suy hao sợi quang 1.3.2 Tán sắc Tán sắc tượng thành phần khác tín hiệu truyền dẫn di chuyển với tốc độ khác sợi quang, dẫn đến thời điểm đến thu khác Kết độ rộng xung tăng lên gây lên nhiễu kí hiệu (ISI) Do vậy, tán sắc giới hạn khoảng cách bit tối thiểu nghĩa tốc độ bit tối đa Tổng tán sắc phụ thuộc vào chiều dài tuyến nối Các loại tán sắc quan trọng tán sắc mode, tán sắc màu (vật liệu), tán sắc ống dẫn sóng tán sắc mode phân cực (PMD) Tán sắc mode Tán sắc mode xuất sợi đa mode mode khác truyền tốc độ khác Rõ ràng là, sợi đơn mode tán sắc mode không xảy Tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc ống dẫn sóng gây truyền bước sóng khác phụ thuộc vào đặc tính bước sóng số hình dạng lõi sợi, vỏ Sau vào sợi đơn mode, thông tin mạng xung ánh sáng phân bố lõi vỏ Phần lớn di chuyển bên lõi, phần lại nằm vỏ Cả hai phần di chuyển với tốc độ khác lõi vỏ có số chiết suất khác Tán sắc màu Tán sắc màu hay tán sắc vật liệu xuất thành phần tần số khác xung (và tín hiệu với bước sóng khác nhau) di chuyển với vận tốc khác số chiết suất sợi quang hàm bước sóng Thơng thường đo đơn vị ps/nm.km, ps biểu thị độ rộng xung theo thời gian, nm độ rộng phổ xung, km tương ứng với chiều dài tuyến Các sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (SMF) có tán sắc màu có giá trị 17ps/nm.km vùng 1550nm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung Gần đây, sợi quang dịch tán sắc (NZ DSF) khác không lắp đặt nhiều Bằng cách điều khiển tán sắc ống dẫn sóng, sợi NZ DSF có tán sắc màu nằm khoảng đến ps/nm.km hay -1 đến -8 ps/nm.km 1550nm Ví dụ sợi quang Alcatel's TeraLight Metro hoạt động khoảng cách 80-200 km mà khơng địi hỏi bù tán sắc Một ví dụ khác sợi Corning MetroCor Tán sắc âm cho phép sử dụng laser DFB điều chế trực tiếp có chi phí thấp Cả hai loại sợi quang lắp đặt cho mạng WDM nội thị để giảm chi phí độ phức tạp mạng Tán sắc mode phân cực PMD xuất lõi sợi không hồn tồn trịn, đặc biệt lắp đặt Do vậy, phân cực khác tín hiệu di chuyển với tốc độ khác PMD chứng minh chướng ngại nghiêm trọng hệ thống tốc độ cao hoạt động tốc độ 10 Gb/s cao 1.3.3 Phi tuyến Khi công suất quang sợi quang nhỏ, sợi quang xem mơi trường tuyến tính nghĩa suy hao số chiết suất sợi độc lập với cơng suất tín hiệu Tuy nhiên, mức cơng suất cao hệ thống đặc tính phi tuyến tạo giới hạn đáng kể hệ thống tốc độ cao hệ thống WDM Các đặc tính phi tuyến phân làm hai loại Loại thứ xảy phụ thuộc số chiết suất vào công suất Loại bao gồm điều chế tự pha (SPM), điều chế chéo pha (CPM hay XPM) hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM) Loại thứ hai hiệu ứng phân bố mơi trường sợi tương tác sóng ánh sáng vơi phono (sự dao động phân tử) môi trường silica Hai hiệu ứng loại phân bố Raman kích thích (SRS) phân bố Brillouin kích thích Điều chế tự pha SPM gây dao động cơng suất tín hiệu quang dẫn đến biến đổi pha tín hiệu SPM dẫn đến việc mở rộng phổ xung Các biến đổi tức thời pha tín hiệu gây thay đổi mật độ tín hiệu dẫn tới biến đổi tức thời tần số quanh tần số trung tâm tín hiệu Đối với xung ngắn, thành phần tần số bổ sung SPM kết hợp với hiệu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung ứng tán sắc vật liệu dẫn tới mở rộng nén xung miền thời gian từ ảnh hưởng tới tốc độ bit tối đa tỉ lệ lỗi bit (BER) Điều chế chéo pha XPM dịch pha tín hiệu gây thay đổi mật độ tín hiệu truyền dẫn bước sóng khác XPM dẫn tới mở rộng phổ không đối xứng, kết hợp với SPM tán sắc ảnh hưởng tới dạng xung miền thời gian Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM xảy hai bước sóng hoạt động tần số f1 f2 trộn với tạo tần số 2f1-f2 2f2-f1 Các tín hiệu gây nhiễu chúng chồng lấn với tần số sử dụng để truyền dẫn liệu Tương tự thế, việc trộn xảy với ba nhiều sóng Phân bố Raman kích thích SRS gây tương tác ánh sáng với dao động phân tử Sự va chạm ánh sáng với phân tử tạo ánh sáng kích thích với bước sóng dài ánh sáng tới Một phần ánh sáng di chuyển với tốc độ tần số bị dịch xuống qua vùng có tần số thấp Ánh sáng tạo tần số thấp gọi sóng Stokes Phần cơng suất chuyển xuống sóng Stokes tăng nhanh cơng suất tín hiệu đến tăng Trong hệ thống đa bước sóng, kênh sóng ngắn phần cơng suất cho kênh sóng dài Để giảm lượng mát, cơng suất kênh sóng phải nhỏ mức định Phân bố Brillouin kích thích SBS tương tự SRS Điểm khác dịch tần bị gây sóng âm thay dao động phân tử Các đặc tính khác SBS sóng Stokes truyền theo hướng ngược lại với sóng tới Mật độ sóng phân bố SBS lớn nhiều so với SRS, dải tần SBS lại thấp nhiều so với SRS Để chống lại ảnh hưởng SBS, người ta phải đảm bảo công suất vào phải nhỏ ngưỡng định Trong hệ thống đa bước sóng, SBS gây xuyên âm kênh Xuyên âm xảy hai sóng truyền đối nghịch LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung khác tần số dịch Brillouin, khoảng 11 GHz bước sóng 1550 nm 1.3.4 Xuyên âm Xuyên âm làm giảm tỉ lệ tín hiệu nhiễu SNR từ dẫn đến tăng BER Có hai loại xuyên âm: + Xuyên âm liên kênh: gây tín hiệu có tần số khác Xuyên âm liên kênh phải ý đến xác định độ rộng kênh Trong số trường hợp, xuyên âm liên kênh loại bỏ nhờ sử dụng lọc băng hẹp thích hợp + Xuyên âm đồng kênh: gây tín hiệu có tần số sợi quang khác, đặc tính truyền dẫn khơng hồn hảo linh kiện ví dụ AWG chẳng hạn Xuyên âm đồng kênh xuất node chuyển mạch/định tuyến tín hiệu có bước sóng thực chuyển mạch/định tuyến từ tín hiệu vào khác tới đầu khác Dạng xuyên âm đáng lo ngại xuyên âm liên kênh khơng thể bị loại bỏ nhờ lọc 1.3.5 Nhiễu SNR định nghĩa thuật ngữ nhiễu khác Đặc biệt phải quan tâm đến phát xạ tự phát khuyếch đại (ASE) khuyếch đại sợi Erbium, nhiễu lượng tử photodetector nhiễu nhiệt khuyếch đại điện Sự phát xạ tự phát khuyếch đại Một EDFA quang khuyếch đại ánh sáng tới nhờ phát kích thích Ngồi phát kích thích, phát tự phát gây hiệu ứng xấu hệ thống Bộ khuyếch đại coi phát xạ tự phát tín hiệu tới khác phát xạ tự phát khuyếch đại với luồng sáng tới Kết ASE trở thành nhiễu đầu EDFA Nhiễu hạt Một photodetector chuyển đổi tín hiệu quang thành dịng quang điện Khó khăn lớn việc tái tạo bit với dịng quang điện cịn có dòng nhiễu hạt Dòng nhiễu hạt xuất phân bố ngẫu nhiên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung electron tạo q trình thu quang dịng quang đến khơng đổi (chú ý dịng nhiễu hạt khơng cộng vào dòng quang mà xuất biến đổi dòng quang điện tạo thành phần riêng rẽ) Nhiễu nhiệt Vì dịng quang điện nhỏ nên khuyếch đại thứ cấp khuyếch đại điện Bộ khuyếch đại điện tạo dòng nhiễu nhiệt bổ sung chuyển động electron mà xuất nhiệt độ thông thường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án tốt ngiệp Đại học Chương Giới thiệu chung LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... mơ hình chuyển mạch gói lưu trữ chuyển tiếp truyền thống phải thay mơ hình chuyển đổi bước sóng theo gói tin biên giới mạng Trong mạng lựa chọn bước sóng bước sóng định tuyến phần nhỏ mạng, phần... phí mạng đơn giản hố trì, bảo dưỡng, hoạt động mạng Mạng xem xét lựa chọn bước sóng Trong mạng lựa chọn bước sóng tĩnh, node nguồn có khả tiếp cận nhiều node đích khác cách thay đổi bước sóng. .. j,k  {1,2,…8} Kiểu định tuyến bước sóng AWG mơ tả thức dựa vào ma trận chuyển đổi bước sóng Nhờ vào hốn vị bước sóng cổng AWG nằm họ định tuyến bước sóng hốn vị Một AWG NxN cung cấp kết nối bên