Luận văn thạc sĩ VNU UET tính toán thiết kế tuyến cáp quang đường trục bắc nam ứng dụng công nghệ DWDM và EDFA

Phân loại hệ thống truyền dẫn sử dụng công nghệ W

TruyÒn dÉn ghÐp b-íc sãng quang mét h-íng

Hình vẽ 1.3 thể hiện sơ đồ thiết lập hệ thống truyền dẫn WDM một h-ớng, đó là sự kết hợp của các tín hiệu có các b-ớc sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia Để thực hiện hệ thống WDM một h-ớng, cần phải có bộ ghép kênh ở đầu phát để kết hợp tín hiệu quang từ các nguồn phát quang khác nhau đ-a vào sợi quang Tại đầu thu, cần phải có bộ tách kênh để thực hiện tách riêng các kênh quang t-ơng ứng Đối với bộ tách kênh, vì các bộ tách sóng quang th-ờng nhạy cảm trên một vùng rộng các b-ớc sóng, nên nó có thể thu đ-ợc toàn bộ các b-ớc sóng phát đi Nh- vậy, để ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có biện pháp cách ly tốt các kênh quang Để thực hiện điều này, cần thiết kế các bộ tách ghép kênh thật chuẩn xác

Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow

TruyÒn dÉn ghÐp b-íc sãng quang hai h-íng

Hình vẽ 1.4 thể hiện sơ đồ thiết lập hệ thống truyền dẫn WDM theo hai h-ớng Ph-ơng pháp này không quy định phát ở một đầu và thu ở một đầu, nghĩa là có thể phát thông tin theo một h-ớng tại b-ớc sóng  1 và đồng thời cũng thu thông tin theo h-ớng ng-ợc lại tại b-ớc sóng  2

Hình 1.3 : Hệ thống truyền dẫn ghép b-ớc sóng quang một h-ớng

Cả hai hệ thống đều có những -u nh-ợc điểm riêng Giả sử công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền n b-ớc sóng trên 1 sợi quang, so sánh hai hệ thống ta sẽ nhận thÊy:

 Xét về dung l-ợng, hệ thống ghép b-ớc sóng quang hai h-ớng có khả năng truyền tải dung l-ợng lớn gấp đôi so với hệ thống ghép b-ớc sóng quang một h-íng

 Khi có sự cố về đứt cáp quang xảy ra, hệ thống ghép b-ớc sóng quang hai h-ớng không cần tới cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS vì cả hai đầu liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố tức thì

 Về mặt thiết kế mạng, hệ thống ghép b-ớc sóng quang hai h-ớng khó thiết kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố: xuyên nhiễu do có nhiều b-ớc sóng trên một sợi quang, bảo đảm định tuyến và phân bố b-ớc sóng sao cho 2 chiều trên sợi quang không dùng chung 1 b-ớc sóng

 Các bộ khuyếch đại sử dụng trong hệ thống ghép b-ớc sóng quang hai h-ớng có cấu trúc phức tạp hơn so với hệ thống ghép b-ớc sóng quang một h-ớng, tuy nhiên công suất quang ở ngõ ra của bộ khuyếch đại là lớn hơn vì số l-ợng b-ớc sóng trong hệ thống chỉ bằng 1/2 ở mỗi h-ớng so với hệ thống ghép b-ớc sóng quang mét h-íng.

các cấu trúc cơ bản cho mạng WDM

CÊu tróc ®iÓm- ®iÓm

Cấu trúc điểm- điểm có thể thiết lập để kết nối hai điểm đầu cuối với nhau

Cấu trúc này có thể sử dụng cùng với các bộ xen rẽ quang OADM Khi sử dụng OADM cho phép xen rẽ một phần l-u l-ợng tại một thời điểm bất kỳ trên tuyến

Cấu trúc này dùng để truyền tải với tốc độ cao từ 10 Gbps đến 40Gbps

Cấu trúc điểm- điểm chủ yếu dùng đối với các trạm phát- nhận ở khoảng cách xa cỡ vài trăm km, yêu cầu tốc độ truyền dẫn cao, tính nguyên vẹn của tín hiệu và độ tin cậy cao, đặc biệt khả năng phục hồi đ-ờng truyền nhanh khi gặp sự cố và số l-ợng bộ khuyếch đại sử dụng ở giữa hai đầu cuối khá ít (t c ta có  c đ-ợc tính nh- sau:

Trong đó  c là độ dịch phổ do hiện t-ợng chirp gây ra, t c là chu kỳ chirp

Mô hình trên quá đơn giản, vì đã không xét đến dạng của xung tại đầu thu Để tính  c chính xác hơn có thể sử dụng công thức sau:

Với giả thiết là bộ thu sử dụng PIN photodiode Trong tr-ờng hợp bộ thu sử dụng APD thì độ thiệt thòi sẽ lớn hơn tuỳ thuộc vào hệ số tạp âm của APD Trên hình 3.3 d-ới đây biểu diễn sự phụ thuộc của độ thiệt thòi công suất  c vào (BLD

 c ) với các tham số Bt c khác nhau (Bt c là số đo thể hiện phần của chu kỳ bit mà trên đó xảy ra hiện t-ợng chirp)

Hình 3.3:Quan hệ giữa độ thiệt thòi về công suất và BLD  c do hiện t-ợng chirp gây ra

Formatted: Font color: Black Formatted: Font color: Black Formatted: Font color: Black Formatted: Font color: Black Formatted: Font color: Black Formatted: Line spacing: Multiple 1,3 li

Formatted: Line spacing: Multiple 1,3 li

Formatted: Left, Space Before: 0 pt, Line spacing: single, Tab stops: 1,2", Left

Formatted: Font color: Black Formatted: Centered

Với  c là độ dịch b-ớc sóng do hiện t-ợng chirp và t c là thời gian chirp

Từ hình vẽ 3.3 ta có thể thấy rằng,  c tăng cùng với  c và t c Độ thiệt thòi về công suất có thể nhỏ hơn 1dB nếu nh- hệ thống đ-ợc thiết kế sao cho BLD  c <

0,1 và Bt c < 0,2 Nh-ợc điểm của mô hình này là  c và t c xuất hiện nh- các tham số ngẫu nhiên và phải đ-ợc xác định cho từng laser bằng các phép đo thực nghiệm

Trong thực tế  c phụ thuộc vào tốc độ bit B và tăng khi tốc độ bit tăng

Với các hệ thống làm việc ở tốc độ cao (> 2Gb/s), chu kỳ bit nhìn chung ngắn hơn chu kỳ tổng 2t c (là thời gian mà chirp giả thiết là xuất hiện trong mô hình trên) Chirp tần số trong tr-ờng hợp này tăng gần nh- tuyến tính trên toàn bộ độ rộng của xung Tình hình xảy ra t-ơng tự thậm chí khi tốc độ bit của hệ thống không cao nh-ng các s-ờn của xung quang có thời gian tăng và thời gian giảm lớn (tức là xung có dạng giống Gauss hơn dạng chữ nhật) Với dạng xung Gauss và chirp tuyến tính ta có thể xác định độ thiệt thòi công suất  c theo công thức sau:

Trên hình 3.4 d-ới đây thể hiện sự phụ thuộc của độ thiệt thòi công suất  c theo  2 B 2 L với các tham số chirp C khác nhau Với hệ thống làm việc tại b-ớc sóng

1550 nm,  2 < 0, C = 0 t-ơng ứng với tr-ờng hợp xung không bị chirp Trong tr-ờng hợp lý t-ởng này, độ thiệt thòi công suất có thể bỏ qua (tức là  c < 0,1) trong tr-ờng hợp  2 B 2 L < 0,05 Nh-ng với C = -6 thì độ thiệt thòi về công suất có thể lên tới 5 dB Để độ thiệt thòi về công suất < 0,1 dB, hệ thống phải đ-ợc thiết kế với  2 B 2 L <

0,002 Điều này có nghĩa là  2  = 20 ps 2 /km, B 2 L bị giới hạn ở 100 (Gb/s) 2 -km

Cũng cần l-u ý rằng nếu giá trị C > 0 chất l-ợng của hệ thống sẽ đ-ợc cải thiện vì lúc đầu xung quang sẽ đ-ợc nén lại Tuy nhiên các laser bán dẫn đều có tham số chirp C ©m

Hình 3.4 Quan hệ giữa thiệt thòi về công suất vàtham số tán sắc 2B 2 L do hiện t-ợng chirp gây ra

ph-ơng pháp thiết kế chung cho tuyến quang DWDM

Các b-ớc thiết kế hệ thống

Hiện nay ch-a có các b-ớc thiết kế hệ thống DWDM mang tính tiêu chuẩn nào do các yêu cầu thiết kế trên thực tế rất đa dạng với những loại thiết bị và công nghệ thiết bị khác nhau, do yêu cầu bảo mật của mỗi nhà cung cấp thiết bị… Trong

Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single

Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single

Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single Formatted: Line spacing: single

Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow luận văn này xin đ-a ra một số b-ớc chung nhất cho việc triển khai công việc thiết kÕ, cô thÓ nh- sau:

 Xác định các thông số thiết kế : Độ dài đoạn truyền dẫn, độ dài khoảng lặp khuếch đại quang, dung l-ợng kênh, số l-ợng kênh, khoảng cách kênh Những yêu cầu này thông th-ờng đều do phía khách hàng đ-a ra Đối với Việt Nam, tuyến truyền dẫn quang DWDM đ-ợc xây dựng đảm bảo thoả mãn các khoảng cách giữa các nhà trạm hiện có, giảm thiểu việc xây dựng thêm các nhà trạm mới, sử dụng tuyến cáp và số l-ợng sợi cáp hiện có…

 Xây dựng sơ đồ hệ thống dựa trên những thông số thực tế của mạng hiện tại

 Đ-a ra một số cấu hình khác nhau, từ đó so sánh các cấu hình và tìm ra cấu trúc hợp lý nhất về chất l-ợng, hiệu quả khai thác và kinh tế

 Phân tích các tham số nh-: tỷ số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR, tỷ lệ lỗi bit BER, tán sắc tối đa cho phép, suy hao…sau đó tối -u hoá hệ thống

 Lựa chọn thiết bị với những công nghệ -u việt nhất, thoả mãn những yêu cầu trên.

Nguyên tắc thiết kế

Hệ thống đ-ợc thiết kế dựa trên các thông số xác định ở đầu vào Hệ thống DWDM gồm nhiều b-ớc sóng đ-ợc ghép lại với nhau, cho nên về mặt nguyên tắc mỗi b-ớc sóng có thể hoạt động ở những tốc độ khác nhau

Với cách tiếp cận quỹ thời gian, chúng ta kiểm soát đ-ợc thời gian lên của các phần tử trong hệ thống, mà liên quan đến nó là vấn đề tán sắc của hệ thống Nh- vậy với cách này chúng ta kiểm soát đ-ợc tốc độ có thể trên từng kênh của hệ thống

Tuy nhiên cách tiếp cận này ch-a kiểm soát đ-ợc mức tín hiệu đến đầu máy thu, cũng nh- các hiệu ứng phi tuyến khác có thể xảy ra trên sợi

Theo cách tiếp cận về quỹ công suất: Trong ph-ơng pháp này, tăng công suất đến đầu thu có thể cải thiện đ-ợc đặc tính của hệ thống Sự suy giảm chất l-ợng của mỗi phần tử trên đ-ờng truyền có thể biểu diễn bằng độ thiệt thòi công suất Do đó công suất phát đi có thể đ-ợc xác định vào việc phân bổ độ thiệt thòi công suất trên mỗi thiết bị để đạt đ-ợc OSNR mong muốn Ph-ơng pháp này không hoàn toàn hoàn hảo khi thiết kế các hệ thống quang hiện đại do việc tăng công suất phát không thể khắc phục đ-ợc các cơ chế suy giảm chất l-ợng của hệ thống nh- tán sắc, phi tuyÕn

Formatted: Space Before: 6 pt, After: 0 pt Formatted: Line spacing: Multiple 1,3 li

Với hai cách tiếp cập thiết kế hệ thống nêu trên, mỗi cách cho ta kiểm soát đ-ợc hệ thống ở một góc độ nhất định Để hệ thống có thể hoạt động đ-ợc thì kết quả xem xét từ góc độ nào cũng phải đạt yêu cầu đề ra Tuy nhiên bên cạnh đó vấn đề xem xét ảnh h-ởng của các hiệu ứng phi tuyến đến đặc tính hệ thống là rất quan trọng Hệ thống đ-ợc thiết kế với các thông số phải đảm bảo tránh hoặc giảm thiểu các ảnh h-ởng không tốt của các hiệu ứng phi tuyến Tóm lại, nguyên tắc thiết kế hệ thống ở đây là sự kết hợp giữa cách tiếp cận về quỹ thời gian, quỹ công suất và việc khống chế những ảnh h-ởng của các hiệu ứng phi tuyến trên sợi quang.

Thiết kế dựa trên quĩ công suất

Mục đích của quĩ công suất là đảm bảo tín hiệu tới bộ thu với công suất đủ lớn để đảm bảo chất l-ợng của tuyến trong suốt thời gian làm việc Nh- đã đề cập trong ch-ơng tr-ớc, công suất trung bình yêu cầu tối thiểu tại bộ thu đ-ợc gọi là độ nhạy thu P R Với công suất trung bình tại đầu phát là P T ta có quĩ công suất (tính theo dB) của từng kênh b-ớc sóng đ-ợc xác định nh- sau (trong tr-ờng hợp ch-a có khuyếch đại quang):

Trong đó: C L là tổng suy hao

G (dB) là khuyếch đại của các bộ khuyếch đại quang trên tuyến

M S là công suất dự phòng của hệ thống

Với  là hệ số suy hao của sợi (dB/km), L là cự ly truyền dẫn (km), P C là suy hao xen của các thành phần thụ động trên tuyến (ví dụ nh- suy hao mối hàn, connnector, suy hao xen của các bộ bù tán sắc, các bộ xen/rẽ b-ớc sóng trên đ-ờng truyền ) M S là l-ợng công suất d- ra dành cho sự thiệt thòi về công suất phát sinh trong quá trình làm việc của hệ thống (ví dụ nh- do sự suy giảm của các thành phần trên tuyến, hoặc do các yếu tố không thể xác định đ-ợc tr-ớc) Từ hai công thức trên có thể xác định đ-ợc cự ly truyền dẫn cực đại có thể đạt đ-ợc khi ta đã xác định

Thiết kế dựa trên quĩ thời gian lên (rise-tim budget)

Formatted: Space Before: 6 pt, After: 0 pt

Mục đích của quĩ thời gian lên là đảm bảo cho hệ thống có thể làm việc chính xác tại một tốc độ bit nào đó Thậm chí ngay cả khi băng tần của từng phần tử trên tuyến lớn hơn tốc độ bit, hệ thống vẫn có thể làm việc không chính xác tại thiết bị đó Khái niệm thời gian lên đ-ợc dùng để phân bổ băng tần giữa các thành phần khác nhau trên tuyến Thời gian lên T r của một hệ thống tuyến tính đ-ợc định nghĩa là thời gian mà đáp ứng tăng từ 10% lên đến 90% giá trị đầu ra cuối cùng của hệ thống đó khi đầu vào của hệ thống thay đổi một cách tức thời Trên hình 3.6 d-ới đây minh hoạ khái niệm này:

Hình 3.6: Ph-ơng pháp xác định thời gian lên của hệ thống

Giữa băng tần f và thời gian lên T r của hệ thống tuyến tính có quan hệ tỷ lệ nghịch với nhau nh- sau:[4] f

Nh- vậy, với dạng tín hiệu RZ, f= B, ta có B.T r = 0,35 Còn với dạng tín hiệu NRZ, f  B/2 nên ta có B.T r = 0,7 Nh- vậy khi thiết kế tuyến thông tin quang nói chung và WDM nói riêng phải đảm bảo T r nh- sau:

Xét tr-ờng hợp đơn giản, hệ thống có ba thành phần: nguồn phát, sợi quang và bộ thu Mỗi thành phần này có thời gian lên riêng của mình và thời gian lên của hệ thống đ-ợc tính nh- sau:

0 t đối với tín hiệu RZ đối với tín hiệu NRZ

Trong đó T tr , T fiber , T rec t-ơng ứng là thời gian lên của nguồn phát, sợi quang và bộ thu Thời gian lên của nguồn phát đ-ợc xác định chủ yếu bởi các thành phần điện tử trong mạch điều khiển và các thành phần điện ký sinh của nguồn quang (LED, LD) Thời gian lên của bộ thu xác định chủ yếu bởi băng tần điện 3 dB của phần tử thu, và có thể dùng công thức (3.27) để xác định Thời gian lên của sợi quang đ-ợc xác định từ tán sắc mode và tán sắc vận tốc nhóm theo công thức sau:

T   (3.30) Đối với sợi đơn mode, T modal = 0 do vậy T fiber = T GVD

T GVD đ-ợc tính gần đúng theo công thức sau:

Trong đó  là độ rộng phổ của nguồn, D và D PMD t-ơng ứng là tán sắc và tán sắc mode phân cực của sợi quang, L là khoảng cách truyền dẫn.

Thiết kế dựa trên thông số BER và OSNR

ở đây chúng ta quan tâm đến công suất phát trên từng kênh, công suất tổng, độ dự trữ, OSNR, BER,

Chúng ta có thể hình thành các b-ớc tính toán nh- sau:

+ BER đ-ợc tính theo Q của hệ thống theo công thức sau:[4]

Các giá trị điển hình của BER liên quan đến chỉ số Q nh sau:

+ Với BER yêu cầu 10 -15 cần có Q ít nhất 18 dB

+ Với BER yêu cầu 10 -10 cần có Q ít nhất 16,1 dB

(Giá trị BER và Q tơng ứng không sử dụng mã sửa lỗi trớc FEC)

Với BER yêu cầu của hệ thống, thông qua ph-ơng trình trên ta xác định đ-ợc chỉ số Q t-ơng ứng của hệ thống

Formatted: Font: VnTimeH Formatted: Line spacing: Multiple 1,3 li

Formatted: Space After: 0 pt, Line spacing:

Formatted: Indent: First line: 0,5", Space

Before: 6 pt, Line spacing: Multiple 1,3 li

Formatted: Font: 13 pt Formatted: Space After: 0 pt, Line spacing:

+ Q có thể tính toán theo OSNR nh- sau:[2]

Từ công thức này ta thấy với Q yêu cầu sẽ tính đ-ợc giá trị OSNR nhỏ nhất, khi biết độ rộng băng điện B e và độ rộng băng quang B o của kênh

OSNR là một trong các tham số quan trọng cần xem xét đến khi thiết kế các hệ thống có sử dụng khuyếch đại quang

Giả sử xem xét một tuyến truyền dẫn từ A đến B với N bộ khuyếch đại quang trên đ-ờng truyền nh- hình 3.7 d-ới đây:

Hình 3.7: Sơ đồ của tuyến truyền dẫn WDM có sử dụng khuyếch đại quang

Giá trị OSNR tại mỗi chặng đ-ợc tính theo công thức sau:[4] f h NF

Trong đó: NF stage là hệ số tạp âm của từng chặng

 là tần số quang (3 THz)

f là băng tần đo NF (th-ờng băng 0,1 nm) Giá trị OSNR của cả hệ thống đ-ợc tính nh- sau:

Formatted: Space After: 0 pt, Line spacing:

Formatted: Space Before: 6 pt, Line spacing:

Trong tr-ờng hợp mỗi bộ khuyếch đại quang đều bù đ-ợc suy hao L (dB) của chặng tr-ớc đó, ta có giá trị OSNR của cả hệ thống đ-ợc tính nh- sau:

(với N là số chặng truyền dẫn)

Lấy logarit 2 vế của ph-ơng trình trên ta có ph-ơng trình sau:

P OSNR dB 158,93 in   10log 10log (3.357)

Vì f = 0,1 nm (hay 12,5 GHz), thay vào ph-ơng trình trên ta có:

Công thức trên cho phép tính toán OSNR của toàn hệ thống Trong công thức này sử dụng rất ít phép xấp xỉ nên đạt đ-ợc độ chính xác cao

Trong ph-ơng pháp này, tăng công suất đến đầu thu có thể cải thiện đ-ợc đặc tính của hệ thống Sự suy giảm chất l-ợng của mỗi phần tử trên đ-ờng truyền có thể biểu diễn bằng độ thiệt thòi công suất Do đó công suất phát đi có thể đ-ợc xác định vào việc phân bổ độ thiệt thòi công suất trên mỗi thiết bị để đạt đ-ợc OSNR mong muốn Ph-ơng pháp này không hoàn toàn hoàn hảo khi thiết kế các hệ thống quang hiện đại do việc tăng công suất phát không thể khắc phục đ-ợc các cơ chế suy giảm chất l-ợng của hệ thống nh- tán sắc, phi tuyến

Thiết kế với sự trợ giúp của các công cụ mô phỏng

Từ các xem xét trên có thể thấy rằng, quá trình các tuyến WDM liên quan đến việc tối -u các tham số liên quan đến phần phát, phần thu, sợi quang, khuyếch đại quang, các bộ MUX/DEMUX Ph-ơng pháp thiết kế truyền thống quá đơn giản để có thể đ-a ra giá trị tối -u của các tham số trong hệ thống Việc thiết kế dựa trên quĩ công suất, quĩ thời gian lên, OSNR sẽ cho ta những dự đoán rất dè dặt về khoảng cách và tốc độ truyền dẫn của các hệ thống WDM Độ dự phòng của hệ thống, bên cạnh việc sử dụng cho sự suy giảm chất l-ợng của các phần tử trên tuyến, cho nhu cầu nâng cấp mở rộng tuyến trong t-ơng lai (nếu có) sẽ đ-ợc sử dụng để bù lại

Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow những thiệt thòi về công suất do các phần tử trên tuyến gây ra mà ta không thể xác định chính xác đ-ợc Do đó, để an toàn cho hệ thống, thiết kế theo ph-ơng pháp này th-ờng phải để một l-ợng công suất dự phòng t-ơng đối lớn (overdesign) Bên cạnh đó ph-ơng pháp này vẫn ch-a xét đ-ợc ảnh h-ởng của tính phi tuyến của sợi quang đối với tín hiệu mà điều này thì đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống WDM tốc độ cao, chính vì vậy, đối với các hệ thống thông tin quang tốc độ cao, đặc biệt là hệ thống WDM ng-ời ta sử dụng các phần mềm mô phỏng để mô hình hoá lại các hệ thống trong thực tế Quá trình mô phỏng này đ-ợc thực hiện qua các b-ớc sau:

- Mô phỏng quá trình tạo ra chuỗi tín hiệu quang ở phía phát

- Mô phỏng quá trình ghép các kênh b-ớc sóng tại thiết bị MUX

- Mô phỏng quá trình lan truyền các kênh b-ớc sóng trong sợi quang

- Mô phỏng quá trình khuyếch đại quang tại các thiết bị EDFA

- Mô phỏng quá trình xen rẽ kênh tại các thiết bị OADM trên đ-ờng truyền

- Mô phỏng quá trình tách các kênh b-ớc sóng tại thiết bị DEMUX

- Mô phỏng các quá trình tại thiết bị thu

Nh- vậy, tín hiệu sau khi tạo ra tại thiết bị phát sẽ đ-ợc đi qua tất cả các phần tử trên tuyến Tại mỗi phần tử này, tín hiệu sẽ bị tác động bởi các yếu tố đặc tr-ng cho từng phần tử đó, ví dụ khi đi qua sợi quang tín hiệu sẽ bị tác động đồng thời bởi suy hao, tán sắc, phi tuyến, PMD, khi đi qua bộ khuyếch đại quang, một mặt tín hiệu đ-ợc khuyếch đại, mặt khác sẽ bị ảnh h-ởng của nhiễu, của đặc tính phổ không bằng phẳng của bộ khuyếch đại Tác động của các yếu tố này đ-ợc thể hiện trong các ph-ơng trình toán học mô tả từng phần tử trên tuyến WDM

Với các mô hình nh- vậy sẽ cho phép thể hiện đ-ợc ảnh h-ởng của tất cả các yếu tố trên tuyến tác động đến chất l-ợng của tín hiệu, và cuối cùng sẽ tác động đến tham số BER của tuyến

3.3 tính toán thiết kế tuyến thông tin quang DWDM 20Gbit/s

Thiết lập l-u đồ thiết kế tuyến thông tin quang DWDM

Ph-ơng pháp tính toán thiết kế để nâng cao dung l-ợng đ-ờng truyền tuyến trục Băc-Nam là ph-ơng pháp giá trị xấu nhất, nghĩa là các giá trị tham số hệ thống

Formatted: Indent: Left: 0,5", Line spacing:

Multiple 1,3 li, Bulleted + Level: 1 + Aligned at: 0,25" + Tab after: 0,5" + Indent at: 0,5", Tab stops: Not at 0,5"

Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow truyền dẫn quang đ-ợc tính trong tr-ờng hợp giá trị xấu nhất có thể Nh- vậy, dựa vào suy hao của tuyến cáp và độ nhạy thu yêu cầu (với BER -10 ) để tìm giá trị công suất cần thiết ở phía phát Tán sắc của hệ thống đ-ợc kiểm tra theo giá trị tán sắc chấp nhận của thiết bị sau khi đã chọn theo thông số thiết kế

Vấn đề tính toán thiết kế hệ thống phải đảm bảo kết hợp hài hoà hai yếu tố kỹ thuật và kinh tế Do đó công việc tính toán cần phải có tính tổng quát cao, nghĩa là các thông số tính toán sẽ chi tiết đến từng thiết bị nếu có thể Mặt khác, yêu cầu tính toán thiết kế phải tuân theo các tiêu chuẩn của ITU-T và không dựa trên hệ thống thiết bị chỉ của một hãng

Giả thiết giữa hai trạm đầu cuối có cấu hình nh- hình vẽ 3.8

Hình 3.8: Cấu hình tham chiếu của hệ thống WDM Yêu cầu thiết kế hệ thống với lỗi bit BER10 -10 tại điểm chuẩn R n phía thu

Với giả thiết về cấu hình nh- trên, tín hiệu truyền trong hệ thống có thể đ-ợc đơn giản hoá nh- sau: Tín hiệu từ đầu phát Tx đi tới thiết bị ghép b-ớc sóng quang OM

Sau khi ghép, tín hiệu sẽ đ-ợc đ-a vào sợi quang truyền đến phía thu Các bộ khuyếch đại quang làm nhiệm vụ khuyếch đại mức công suất của tín hiệu bù cho suy hao đ-ờng truyền Thiết bị tách b-ớc sóng quang ODM sẽ thực hiện tách các b-ớc sóng tới đ-a đến các đầu thu khác nhau R n

Nh- vậy đối với hệ thống sử dụng khuyếch đại quang, quá trình truyền tín hiệu từ đầu phát Tx tới đầu thu Rx đ-ợc xét trên hai yếu tố:

 Suy hao: suy hao sợi quang và suy hao của các bộ tách/ghép b-ớc sóng quang

 Các ảnh h-ởng khác nhau trên đ-ờng truyền, bao gồm 4 nguyên nhân chính:

 ảnh h-ởng do tán sắc sợi và phổ nguồn phát

 ảnh h-ởng của các hiệu ứng phi tuyến

 ảnh h-ởng liên quan đến các bộ khuyếch đại: tích luỹ nhiễu, ảnh h-ởng sự tự lọc, công suất quang lớn

 ảnh h-ởng của các hiện t-ợng phân cực: tán sắc mode phân cùc, suy hao phô thuéc ph©n cùc

Suy hao liên quan trực tiếp đến công suất của tín hiệu

 Suy hao sợi đ-ợc xác định bằng phép đo suy hao hoặc tính toán theo giả thiết (giá trị suy hao trung bình 0,22 dB/km)

 Qua nghiên cứu lý thuyết và tham khảo giá trị thực tế của các thiết bị th-ơng mại một số hãng, suy hao của các bộ tách/ghép b-ớc sóng quang (suy hao xen) có giá trị trong khoảng 4dB đến 5 dB

 Các ảnh h-ởng khác có liên quan gián tiếp đến công suất tín hiệu là những ảnh h-ởng tuyến tính và phi tuyến, ảnh h-ởng của nhiễu làm méo dạng trên đ-ờng truyền Sự méo dạng tín hiệu này sẽ giảm độ nhạy thu ở đầu thu Trong thiết kế hiện t-ợng này đ-ợc đặc tr-ng bằng tham số độ thiệt thòi luồng quang hay còn gọi là Penalty Trong các khuyến nghị của ITU-T, giá trị penalty của hệ thống đơn kênh quang là 1 dB đối với hệ thống ít chịu ảnh h-ởng của tán sắc, là 2 dB đối với hệ thống tán sắc lớn Việc xác định giá trị penalty trong hệ thống WDM là rất phức tạp do có nhiều kênh quang cùng hoạt động trong một sợi quang nên việc t-ơng tác giữa các kênh cũng nh- hiệu ứng phi tuyến dễ dàng xảy ra Qua nghiên cứu và kết hợp với tài liệu thu thập đ-ợc của một số hãng lớn nh- Nortel, Luccent thì giá trị penalty cho thiết kế là 3 dB Giá trị này bao gồm tất cả các nguyên nhân gây méo tín hiệu trên đ-ờng truyền tr-ớc đầu thu kể cả sự méo tín hiệu khi đi qua thiết bị tách/ghép b-ớc sóng Tuy nhiên, giá trị penalty 3 dB cũng sẽ thay đổi khi sử dụng các b-ớc sóng truyền dẫn có tốc độ cao ( 10 Gbit/s) Nguyên nhân là do ảnh h-ởng lên chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống trong tr-ờng hợp này có thể đạt tới 1 dB Nh- vậy, nếu hệ thống sử dụng b-ớc sóng có tốc độ bit cao thì giá trị penalty cho thiết kế tăng thêm 1 dB, hay penalty của hệ thống sẽ là 4 dB

 Độ dự phòng về quỹ công suất cho hệ thống là 4 dB Giá trị này đ-ợc chọn dựa trên cơ sở thiết bị, cáp, ph-ơng án nâng cấp

0,25", Line spacing: Multiple 1,3 li, Bulleted + Level: 3 + Aligned at: 1,25" + Tab after: 1,47" + Indent at: 1,47", Tab stops: Not at 1,47"

 Độ nhạy thu của từng kênh trong hệ thống đa kênh tại điểm chuẩn R n phải thoả mãn G.957 (sử dụng cho hệ thống đơn kênh không dùng các bộ khuyếch đại quang) hoặc G.691 (sử dụng cho các hệ thống dùng khuyếch đại quang sợi)

Nh- vậy có hai cấu hình để tính toán thiết kế tuyến, đó là:

 Cấu hình không sử dụng khuyếch đại đ-ờng truyền, và

 Cấu hình sử dụng khuyếch đại đ-ờng truyền (LA) Với những giả thiết và lý luận ở trên, ta có các công thức tính toán cho hai cÊu h×nh sau:

Cấu hình không sử dụng khuyếch đại quang đ-ờng truyền:

- Tại điểm chuẩn R n + Độ nhạy thu yêu cầu: -25 dBm + Mức quá tải: -9 dBm

- Tại điểm chuẩn R Công suất toàn phần lớn nhất = Công suất trên một kênh + 10lg(N),

N là tổng số kênh Giá trị này là một giải công suất quan hệ trực tiếp với giải công suất tại điểm chuẩn R n sau khi trừ đi suy hao thiết bị thụ động (ODM)

- T³i điểm chuẩn S’: Gi² trị này đ-ợc chọn theo các mức công suất phát của các bộ khuyếch đại quang (BA) phía phát (10 dBm, 13 dBm, 14 dBm, 15 dBm,

17 dBm) thoả mãn với yêu cầu tính toán của quỹ công suất quang yêu cầu

- Tại điểm chuẩn S n : Giá trị đ-ợc chọn bảo đảm cho thoả mãn mức công suất đầu vào của bộ khuyếch đại quang BA sau khi bị suy hao tại bộ ghép kênh

Cấu hình sử dụng khuyếch đại quang đ-ờng truyền:

- Tại điểm chuẩn R n : + Độ nhạy thu yêu cầu: - 25 dBm + Mức quá tải: - 9 dBm

- Tại điểm chuẩn R Công suất toàn phần lớn nhất=công suất trên một kênh + 10lg(N)

N là tổng số kênh Giá trị này là một giải công suất quan hệ trực tiếp với giải công suất tại điểm chuẩn R n sau khi trừ đi suy hao thiết bị thụ động (ODM)

- T³i điểm chuẩn S’: Nếu giữa hai điểm kết cuối sử dụng n bộ khuyếch đại quang đ-ờng truyền thì sẽ có n+1 chặng (span) với suy hao lần l-ợt là  1 ,  2 , ,

 n+1 Do đó, suy hao toàn tuyến là n+1 i 1 i

T-ơng tự, hệ số khuyếch đại của n bộ khuyếch đại quang sẽ là: n   1

Công suất thu đ-ợc tại phía thu:

Trong đó G (i) - hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại thứ i

G - hệ số khuyếch đại của n bộ khuyếch đại  i - suy hao chặng thứ i

- Tại điểm chuẩn S n : Giá trị đ-ợc chọn đảm bảo cho thoả mãn mức công suất đầu vào của bộ khuyếch đại quang BA sau khi bị suy hao tại bộ ghép kênh

Việc tính toán ở trên nhằm tìm ra các giá trị tham số vừa thoả mãn yêu cầu kỹ thuật lại vừa có tính kinh tế cao Tuy nhiên việc lựa chọn các tham số này phải đảm bảo chỉ tiêu chất l-ợng của hệ thống, đặc tr-ng là giá trị BER Trong tr-ờng hợp này, BER= 10 -10 Mối quan hệ giữa các tham số hệ thống với BER thể hiện qua tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) của hệ thống SNR là một hàm của rất nhiều tham số nh- công suất phát, hệ thống khuyếch đại, nhiễu bức xạ tự phát (ASE) của bộ khuyếch đại, băng tần tín hiệu, suy hao cho nên việc tính toán rất phức tạp Tuy nhiên để đánh giá chỉ tiêu lỗi bit sau khi đã lựa chọn hệ thống thì có thể sử dụng

Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow những biểu thức tính SNR đơn giản hơn Một trong số đó là biểu thức tính toán gần đúng SNR đơn giản đ-ợc phòng thí nghiệm Bellcore của Mỹ đ-a ra:

OSNR= P total - 10lg(N)- L s - NF - 10lg(N s ) + C (3.420)

P tot : công suất phát toàn phần (dBm) N: số kênh quang

L s : suy hao chặng (dB) NF: hệ số tạp âm của bộ khuyếch đại (dB)

KÕt luËn

Nh- vậy trong ch-ơng này đã trình bày những vấn đề cần quan tâm khi thiết kế tuyến truyền dẫn quang DWDM nh-: Vấn đề khoảng cách kênh b-ớc sóng, ảnh h-ởng của tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến…gây ra cho hệ thống, làm suy giảm chất l-ợng hệ thống Từ những xem xét đó, chúng ta đã cùng đi đến một ph-ơng pháp chung tiến hành thiết kế hệ thống theo hai cách tiếp cận quỹ thời gian lên và quỹ công suất Kết quả cuối cùng là đã đ-a ra công thức tổng quát (3.40) và l-u đồ tính toán tại hình 3.9 Bằng những cơ sở đó, đã áp dụng tính toán cho hệ thống thông tin quang Bắc- Nam 20Gbit/s với những thông số đầu vào xác định

Bên cạnh đó luận văn cũng đ-a ra những nghiên cứu khả năng để nâng cấp tuyến trục Bắc- Nam lên những dung l-ợng cao hơn nh- 40Gbit/s và 80Gbit/s để đáp ứng nhu cầu ngày càng phát triển của các loại hình dịch vụ Viễn thông tại Việt Nam hiện nay

Việc phát triển mạng truyền dẫn quang theo h-ớng công nghệ DWDM và EDFA trên mạng Viễn thông n-ớc ta là một nhu cầu tất yếu Mạng truyền dẫn quang sử dụng công nghệ DWDM có những -u điểm nổi bật về: băng tần truyền dẫn rộng, có khả năng định tuyến cao, nâng cấp mạng dễ dàng Đặc biệt công nghệ DWDM đ-ợc phát triển và ứng dụng rộng rãi nh- ngày hôm nay, một phần cũng là nhờ sự phát triển công nghệ của các bộ khuếch đại quang, mà điển hình là EDFA

Chính nhờ công nghệ này đã bù lại những mất mát do những hiệu ứng phi tuyến, suy hao, tán sắc gây ra trên tuyến truyền dẫn Dựa trên những cơ sở công nghệ này,

Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow chúng ta đã xây dựng nên hệ thống mạng truyền dẫn hiện đại, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các loại hình dịch vụ Viễn thông trong hiện tại và cả t-ơng lai

 Giới thiệu tổng quan về công nghệ DWDM và EDFA Đ-a ra những cấu trúc cơ bản của mạng truyền dẫn WDM Đ-a ra cấu hình bơm tối -u nhất của công nghệ EDFA

 Phân tích các phần tử thiết bị của mạng DWDM Trong đó đặc biệt quan tâm đến các phần tử quan trọng nh-: Các bộ ghép kênh xen rẽ OADM, thiết bị nối chéo quang, sợi quang…và đặc biệt là bộ khuếch đại quang pha tạp Erbium (EDFA) Trong mạng DWDM, bộ khuếch đại EDFA đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong việc tăng công suất truyền tải, giảm thiểu các mất mát trên đ-ờng truyền và tăng cự ly truyền dẫn

 Phân tích những ảnh h-ởng của các hiệu ứng phi tuyến, suy hao, tán sắc và những mất mát trong nội tại các phần tử mạng Từ đó đ-a ra ph-ơng pháp tính toán để thiết kế tuyến truyền dẫn quang đ-ờng trục Bắc- Nam dựa trên quỹ công suất và quỹ thời gian lên, đồng thời có tính toán đến suy hao hệ thống Thông qua những tính toán thực tế đã thiết kế những đoạn tuyến cơ bản trên tuyến truyền dẫn quang Bắc- Nam của VNPT

 Phần cuối của luận văn đã đ-a ra những sở cứ để khẳng định việc nâng cấp dung l-ợng tuyến cáp quang Bắc- Nam lên tốc độ 40Gbit/s và 80Gbit/s là hoàn toàn khả thi về mặt kỹ thuật, chất l-ợng và rất kinh tế

Trên đây là những nghiên cứu đã và đang đ-ợc ứng dụng thực tế trên mạng cáp quang đ-ờng trục Bắc- Nam do VNPT quản lý Theo h-ớng công nghệ này, mạng cáp quang của VNPT sẽ tiếp tục phát triển, mở rộng không chỉ trên tuyến trục Bắc- Nam mà ngay tại những mạng nội vùng Điều đó đã mở ra những h-ớng nghiên cứu mới cho công nghệ truyền dẫn DWDM và EDFA trong t-ơng lai

Hni-amp-001 hth-amp-001 Hyn-amp-001

N®h-amp-001 nrn-amp-001 tha-amp-001 tha-amp-002 r13-amp-001 r11-amp-001 qnm-amp-001 hue-amp-001 r9-amp-001 r7-amp-001 ktm-amp-001 gli-amp-001 Pnn-amp-001 ®lk-amp-001 ake-amp-001 ®kg-amp-001 gli-amp-002 bdg-amp-001 ake-amp-002 ®ni-amp-001 pyn-amp-001 lkn-amp-001 bpc-amp-001 vih-amp-001 ®ng-amp-001 B®h-amp-001 Hcm-amp-001

DX NE 20001 - Vinh DX NE 20002 - Danang DX NE 20003 - Quy Nhon DX NE 20004 - HCM

G18 G19 G20 G21 G22 G23 RPT - NE 10006 AMP-NE 10004/G51B AMP-NE 10005/G52B

Hình 3.112 : Các b-ớc sóng sử dụng trong mạng đ-ờng trục 20 Gbit/s của VTN

DXC : Thiết bị nối chéo số

RPT : Thiết bị chuyển đổi b-ớc sóng

AMP : Thiết bị khuếch đại

Trong cấu hình này, mỗi tín hiệu quang 2,5 Gbit/s sẽ đ-ợc ấn định vào một b-ớc sóng t-ơng ứng trong dải b-ớc sóng thiết kế Các b-ớc sóng sử dụng trong hệ thống DWDM Hà nội – TP Hồ Chí Minh của VTN tuân thủ theo các tiêu chí sau:

- Tuân thủ l-ới b-ớc sóng G.652/G.653 của ITU: Khoảng cách kênh là 100

GHz, phù hợp với hệ thống 8 kênh hoặc nhiều hơn tuyến DWDM của

VTN hiện đang sử dụng các b-ớc sóng trong băng C, gồm hai dải sau :

- Có căn cứ theo đ-ờng đặc tuyến của bộ khuyếch đại quang EDFA:

Các b-ớc sóng đều nằm ở cửa sổ thứ 3, có hệ số khuyếch đại lớn và t-ơng đối bằng phẳng

Hệ thống DWDM DWDM Hà nội – TP Hồ Chí Minh là hệ thống thông tin

Bottom: 0,79", Width: 11,69", Height: 8,27" kênh nghiệp vụ có b-ớc sóng là 1510 nm (OSC 1), còn chiều ng-ợc lại kênh nghiệp vụ có b-ớc sóng là 1615 nm ( OSC 2) Các thiết bị đ-ợc phân bố trên 05 Ring trên cơ sở tận dụng nhà trạm có sẵn xây dựng cho tuyến SDH 2,5Gbps Hà nội – TP Hồ Chí Minh đã hoạt động từ năm 1996 và sử dụng tuyến cáp Marconi G652 cũ nên tối thiểu về mặt kinh tế khi triển khai lắp đặt hệ thống và quản lý, bảo d-ỡng sau này Hệ thống DWDM Hà nội – TP Hồ Chí Minh đ-ợc chia thành 04 RING nh- sau:

 Ring1 : Hà Nội- Vinh: 317 km trên QL1A HNI-NBH-THA-VIH, và 398 km trên

QL1A HNI-NBH-THA-VIH: Sử dụng 02 bộ khuyếch đại Line Amplifier EDFA tại Trạm Ninh Bình và Trạm Thanh Hoá

QL1A HNI-HYN-NDH-THA-VIH: Sử dụng 03 bộ khuyếch đại Line Amplifier

EDFA tại H-ng Yên, Nam Định, Thanh Hoá

Tại Vinh thiết lập xen/rẽ 01 b-ớc sóng ( B-ớc sóng 4) Các b-ớc sóng

500KV: Thiết kế 04 bộ khuyếch đại Line Amplifier tại HTH, ĐHA, R7, : R11

Hiện tại xen/rẽ b-ớc sóng 1 tại Đà Nẵng

 Ring 3: Đà Nẵng – Quy Nhơn: 267 km trên QL1A: 460km trên 500KV:

QL1A: Thiết kế 03 bộ khuyếch đại Line Amplifier tại TKY, QNI, LKN

500KV : Thiết kế 04 bộ khuyếch đại Line Amplifier tại PSN, KTM, PLU, AKE

 Ring 4: Quy Nhơn-Hồ Chí Minh : 724 km h-ớng QL1A:THA-NTG-PRG-NMT- h-ớng trên 500KV: AKE-PLU-PNN-BMT-DNG-BPC-BDG

 Ring 5: Hồ Chí Minh-Cần Thơ : Khoảng 375km Thiết kế 02 bộ khuyếch đại Line Amplifier tại MTO, 01 OADM tại CLH và 01 OADM tại CTO

QL1A: Thiết kế 04 bộ khuyếch đại Line Amplifier tại THA-NMT-PTT-XLC, 01

OADM tại NTG, 01 repeater tại PRG

500KV: Thiết kế 05 bộ khuyếch đại Line Amplifier tại AKE, PLU, PNN, DNG,

BPC, BDG; 01 repeater tại BMT, 01 OADM tại BDG

3.3.2.2 Một vài ví dụ cụ thể tính toán thiết kế tuyến

Tính công suất lối vào của bộ thu

Hệ thống có làm việc đ-ợc không nếu độ nhạy thu của bộ thu tối thiểu là -25dB

Hệ thống có làm việc đ-ợc không nếu công suất lối vào là 10dB

Theo công thức (3.32) ta có: f h NF

Chặng 1: NF= 5dB, chuyển sang đơn vị tuyến tính = 3.166 h = 6,6260E-34 = 1.9350E+ 14 f = 12,5 KHz

P in = -25dB Thay vào ta tính đ-ợc: OSNR stage1 = 28dB Công suất lối ra của bộ khuếch đại: -25 + 22= -3dB

Chặng 2: t-ơng tự ta có: OSNR = 23dB

Công suất lối ra của bộ khuếch đại: -31 + 22= -9dB Vậy công suất của bộ thu là: -9-25= -34dB

Nh- vậy với độ nhạy thu của bộ thu là -25dB thì hệ thống không hoạt động đ-ợc Giải pháp để khắc phục hiện t-ợng này là tăng hệ số khuếch đại cảu các bộ khuếch đại, hoặc tăng công suất tín hiệu phát

Nếu tăng công suất tín hiệu phát lên 10dB, t-ơng tự ta tính đ-ợc:

Công suất tại bộ thu là -24dB Vậy hệ thống hoạt động tốt

Tr-ờng hợp 2: Thiết kế tuyến thông tin Hà Nội- Vinh trên quốc lộ 1A với các thông số cho tr-ớc nh- sau:

Công suất tổng đầu vào là 21dB (của hãng Nortel)

Tổng chiều dài tuyến là 317 km

Sử dụng sợi quang theo tiêu chuẩn G652 (SMF) có hệ số suy hao là

Theo công thức (3.40) ta có: SNR=C + P tot - 10lg(N) - L s - NF - 10lg(N s )

Theo yêu cầu ta cần tìm số chặng N

Ta có: Suy hao toàn tuyến là: 398km x 0,2dB= 80dB

Suy hao trên mỗi chặng là 80/N Lấy C= 58, ta dễ dàng tính đ-ợc: N= 3 Vậy thiết kế tuyến cáp Hà Nội- Vinh với 3 chặng sẽ thoả mãn các yêu cầu trên Thực tế cũng đáp ứng đúng nh- vậy với các trạm Hà Nội-

Ninh Binh- Thanh Hoá- Vinh

Định dạng
Số trang	185
Dung lượng	2,39 MB