Báo cáo hệ thống viễn thông đề tài xây dựng phương án thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang dwdm

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ ��&�� BÁO CÁO HỆ THỐNG VIỄN THÔNG Đề tài Xây dựng phương án thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang DWDM Sinh viên thực hiện Cao Tuấn Dũng 20198120 M[.]

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ - š › & š › - BÁO CÁO: HỆ THỐNG VIỄN THÔNG Đề tài: Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Sinh viên thực hiện: Cao Tuấn Dũng 20198120 Đỗ Văn Duy 20198122 Mã lớp: 135073 Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Hoàng Hải Hà nội, ngày tháng 12 năm 2022 LỜI NÓI ĐẦU Đi đôi với phát triển vượt bậc kinh tế tri thức nhu cầu trao đổi thông tin ngày tăng Địi hỏi mạng truyền thơng cần phải có khả linh hoạt cao, tốc dộ truyền dẫn lớn, băng thông rộng… Để đáp ứng nhu cầu sợi quang xem môi trường lý tưởng cho việc truyền tải lưu lượng cực lớn Đối với hệ thống dung lượng thấp, công nghệ TDM thường sử dụng để tăng dung lượng truyền dẫn kênh cáp đơn lên 10Gbps, chí 40Gbps Tuy nhiên, việc tăng tốc cao khơng dễ dàng hệ thống tốc độ cao địi hỏi cơng nghệ điện tử phức tạp đắt tiền Khi tốc độ hàng trăm Gbps, thân mạch điện tử đáp ứng xung tín hiệu hẹp, thêm vào chi phí cho giải pháp trở nên tốn cấu hoạt động phức tạp địi cơng nghệ cao Để nâng cao tốc độ truyền dẫn khắc phục hạn chế mà mạch chưa khắc phục, công nghệ ghép quang phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM đời DWDM ghép số lượng lớn bước sóng vung 1550nm để nâng dung lượng hệ thống lên hàng trăm Gbps Do đó, việc sử dụng OptiSystem nhiệm vụ cần thiết cho kỹ sư thiết kế hệ thống thông tin quang Để bắt kịp xu đó, tập “Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM” giúp nhóm có hiểu biết phần mềm OptiSystem, hệ thống DWDM, kỹ thiết kế hệ thống Bài tập hoàn thành hướng dẫn thầy Nguyễn Hoàng Hải, chúng em xin chân thành cảm ơn hỗ trợ thầy Tuy nhiên, lượng kiến thức thời gian hoàn thành đề tài cịn hạn hẹp, khơng thể tránh khỏi sai sót Nhóm chúng em mong nhận đóng góp, phê bình, chia sẻ thầy để sản phẩm nhóm hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC PHẦN Tổng quan 1.1 Giới thiệu DWDM 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Chức DWDM 1.2 EDFA 1.3 Phần mềm Optisystem 1.3.1 Giới thiệu chung 1.3.2 Ứng dụng phần mềm Optisystem 1.3.3 Các công cụ hiển thị 1.3.4 Mô phân cấp với hệ thống 1.3.5 Quét tham số tối ưu hóa PHẦN Thiết kế 2.1 Xác định yêu cầu 2.2 Các thông số thiết kế 2.3 Mô theo phương án thiết kế 2.3.1 Tuyến phát quang Phần Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO PHẦN Tổng quan 1.1 Giới thiệu DWDM 1.1.1 Giới thiệu chung Một hệ thống truyền dẫn thông tin quang mà nhiều kênh bước sóng ghép lại truyền chung nột đường truyền quang gọi hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM – Wavelenght Division Multiplexing) Trong điều kiện dịch vụ truyền số liệu ngày tăng nhanh đặc biệt Internet, truyền hình số, vệ tinh… mà IP lên tảng cho dịch vụ ứng dụng tương lai, nhà quản lý cung cấp dịch vụ truyền dẫn lúc phải suy nghĩ lại hệ thống truyền dẫn truyền thống TDM (time division multiplexing), hệ thống vốn tối ưu cho truyền thoại lại hiệu sử dụng băng thơng Hình 1- sơ đồ tổng quan WDM Hình 1- Phổ tín hiệu ghép WDM 1.1.2 Chức DWDM DWDM công nghệ ghép kênh theo bước sóng với số bước sóng lớn băng tần hạn chế Ghép kênh quang theo bước sóng DWDM (Dense Wavelength Devision Multiplexing) cơng nghệ “trong sợi quang 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 tín hiệu gốc đưa vào đầu cuối khác Để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng sợi quang, hệ thống WDM phải thực chức năng: Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang dùng laser Hiện có số loại nguồn phát laser điều chỉnh bước sóng (Tunable Laser), laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser)… Yêu cầu nguồn phát laser phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ phải nằm giới hạn cho phép 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 lẻ cổng đầu tách Hiện có ghép/tách tín hiệu WDM 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 phải xét đến tham số 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… Truyền dẫn tín hiệu: Q trình truyền dẫn tín hiệu sợi quang chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố nhu 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… Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên khuếch đại Ranma sử dụng nhiều thực tế Có chế độ khuếch đại: khuếch đại cơng suất, khuếch đại đường tiền khuếch đại Khi dùng khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo yêu cầu sau: Hệ số tăng ích đồng với tất kênh bước sóng (mức chênh lệch không 1dB) Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc khơng gây ảnh hưởng đến mức cơng suất đầu kênh Có khả phát chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại hệ số tăng ích nhằm đảm bảo đặc tính khuếch đại đồng với tất kênh Thu tín hiệu: Thu tín hiệu hệ thống WDM sử dụng tách sóng quang hệ thống thơng tin quang thông thường PIN, APD 1.2 EDFA EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier) thiết bị khuếch đại cáp quang EDFA hoạt động nguyên tắc kích thích phát xạ photon Với EDFA, sợi quang erbi pha tạp lõi bơm với ánh sáng từ diode laser Bộ khuếch đại sử dụng thường xuyên cửa sổ quang suy hao thấp sợi dựa silica Hình 1- Tín hiệu quang qua khuếch đại EDFA - Lợi ích:  Thay lặp đắt tiền hệ thống bị giới hạn suy hao  Tăng độ nhạy máy thu  Nâng cao mức công suất phát  Độc lập tốc độ định dạng tín hiệu, khuếch đại tín hiệu đa kênh WDM đồng thời  Nâng cấp, bảo trì đơn giản - Đặc tính số khuếch đại lý tưởng:  Hệ số khuếch đại mức công suất đầu cao với hiệu suất chuyển đổi cao  Độ rộng băng tần khuếch đại lớn với hệ số khuếch đại không đổi  Không nhạy cảm với phân cực  Nhiễu thấp  Không gây nhiễu xuyên kênh tín hiệu WDM  Suy hao ghép nối với sợi quang thấp 1.3 Phần mềm Optisystem 1.3.1 Giới thiệu chung Optisystem phần mềm mô hệ thống thông tin quang tạo bới công ty Optiware nhắm đáp ứng nhu cầu nhà thiết kế, kỹ sư thông tin quang dễ dàng mơ hoạt động thơng qua phần mềm Phần mềm tích hợp tính thiết kế, thử nghiệm tối ưu hóa tất loại chức vật lý, thông số thiết bị Bao gồm sở liệu khổng lồ linh kiện thụ động, chủ dộng, nguồn điện thông số liên quan khác Các thông số cho phép người dùng qt tối ưu hóa thơng số kỹ thuật cụ thể Hệ thống tối ưu có mơi trường mơ mạnh mẽ Mơ hình hệ thống thông tin liên lạc sợi quan dựa mức hệ thống thực tế 1.3.2 Ứng dụng phần mềm Optisystem Phần mềm OptiSystem cho phép thiết kế tự động hầu hết loại tuyến thông tin quang lớp vật lý, từ hệ thống đường trục mạng LAN, MAN quang Các ứng dụng cụ thể bao gồm: - Thiết kế hệ thống thông tin quang từ mức phần tử đến mức hệ thống lớp vật lý - Thiết kế mạng TDM/WDM CATV - Thiết kế mạng FTTx dựa mạng quang thụ động (PON) - Thiết kế hệ thống ROF (radio over fiber) - Thiết kế thu, phát, khuếch đại quang - Thiết kế sơ đồ tán sắc - Đánh giá BER penalty hệ thơng với mơ hình thu khác - Tính tốn BER quỹ cơng suất tuyến hệ thống có sử dụng khuếch đại quang 1.3.3 Các cơng cụ hiển thị Optisystem có đầy đủ thiết bị đo quang, đo điện Cho phép hiển thị tham số, dạng, chất lượng tín hiệu điểm hệ thống ➢ Thiết bị đo quang: - Phân tích phổ (Spectrum Analyzer) - Thiết bị đo công suất (Optical Power Meter) - Thiết bị đo miền thời gian quang (Optical Time Domain Visualizer) - Thiết bị phân tích WDM (WDM Analyzer) - Thiết bị phân tích phân cực (Polarization Analyzer) - Thiết bị đo phân cực (Polarization Meter) ➢ Thiết bị đo điện: - Oscilloscope - Thiết bị phân tích phổ RF (RF Spectrum Analyzer) - Thiết bị phân tích biểu đồ hình mắt (Eye Diagram Analyzer) - Thiết bị phân tích lỗi bit (BER Analyzer) - Thiết bị đo công suất (Electrical Power Meter) - Thiết bị phân tích sóng mang điện (Electrical Carrier Analyzer) 1.3.4 Mô phân cấp với hệ thống Để việc mô phân cấp với hệ thống (SubSystem) thực cách linh hoạt hiệu quả, Optisystem cung cấp mơ hình mơ mức khác nhau, bao gồm mức hệ thống, mức hệ thống mức phần tử 1.3.5 Quét tham số tối ưu hóa Q trình mơ thực lặp lại cách tự động với giá trị khác tham số để đưa phương án khác thiết kế Người sử dụng sử dụng phần tối uu hóa Optisystem để thay đổi giá trị tham số để đạt kết tốt nhất, xấu nhât giá mục tiêu thiết kế PHẦN Thiết kế 2.1 Xác định yêu cầu Xây dựng hệ thống thông tin quang DWDM sử dụng phần mềm mô Optisystem Thiết kế mơ rõ ràng, đầy đủ u cầu, xác thông số cho, đưa kết BER xấp xỉ 10-12 Hệ thống thông tin quang DWDM bao gồm ba phần chính: phần phát, phần thu, đường truyền dẫn Một tạo xung NRZ có tác dụng điều chỉnh băng thơng đặc tính tạo tín hiệu trả bit Bộ tạo chuỗi bit giả ngẫu nhiên (PRBS-Pseudo random bit sequence) sử dụng để xáo trộn tín hiệu liệu tốc độ bit Bộ điều chế Mach Zehnder có hai đầu vào tín hiệu quang tín hiệu điện, có đầu tín hiệu quang Sau tín hiệu điều chế laser bán dẫn CW Laser Array 16 cổng 2.2 Các thông số thiết kế - Đề với yêu cầu thiết kế sau: + Tốc độ bit: 40Gbit/s + Cự ly truyền dẫn: 217km + Số lượng kênh bước sóng: 16 kênh + Loại sợi: G655 + Connector loss: 0,35dB + Fiber loss/km: 0,32dB + Fiber loss margin: 5dB for each span + OSNR margin: 3dB for end to end channel, apply for all channels - Một số gợi ý thiết kế: + Loại sợi: Sợi quang đơn mode chuẩn(G.652/17ps/nm/km G.655/gps/nm/km + Nguồn phát: Loại nguồn: Laser Phương thức điều chế: Điều chế + Bộ thu: Sử dụng PIN kết hợp với lọc thông thấp Bessel 2.3 Mô theo phương án thiết kế 2.3.1 Tuyến phát quang Tuyến phát quang gồm 16 kênh quang tích hợp thơng quang ghép kênh quang MUX -Thiết lập thơng số tồn cục + Tốc độ bít 40GBps + Chiều dài chuỗi: 128bits + Số mẫu bít: 64 Số mẫu =Chiều dài chuỗi×Số mẫu trong bit=128×64=8192 Hình 2- Thiết lập tham số tồn cục Hình 2- Hệ thống gồm PRBS, tạo xung RZ điều chế MachZehnder Hình 2- Tuyến truyền dẫn quang -Sợi quang sử dụng G.655 có tham số: cửa sổ truyền 1550nm thì: + Suy hao sợi: 0.32dB/km + Độ tán sắc: ps/nmkm + Độ dốc tán sắc (≤0.092ps/nm^2/k): 0.075ps/nm^2/k Do khoảng cách đường truyền lớn để thuận tiện cho việc mơ sử dụng loop đóng vai trò nhân vòng lặp.Chọn chiều dài sợi G.655 36.16666667km, số lặp là: 217km÷36.16666667km=6 - Do sợi quang có suy hao tán sắc nên tuyến truyền dẫn sử dụng bù tán sắc DCF Thông số bù tán sắc: Giả sử sợi G655 có chiều dài L1=30km +Độ tán sắc : D1= ps/nm.km +Độ dốc tán sắc : 0.075ps/nm^4.km +Chiều dài sợi bù tán sắc ( DCF) L2=36.16666667km-30km=6.16666667 km =>Thì độ bù tán sắc D2= -D1×L1/L2= -29.18918917341 ps/nm.km Khuếch đại quang EDFA: Do suy hao sợi quang nên cần sử dụng khuếch đại EDFA để bù suy hao sợi + L1=30km suy hao sợi là: 30×0.32=9.6dB Độ lợi khuếch đại EDFA 9.6dB + L2=6.16666667 km suy hao sợi là: 6.16666667 ×0.32=1.973333334dB Độ lợi khuếch đại EDFA 1.973333334dB  Quang phổ tín hiệu phát Hình 2- quang phổ tín hiệu phát Quang phổ tín hiệu thu Hình 2- Quang phổ tín hiệu thu Tỉ lệ lỗi bít BER Hình 2- Tỉ lệ lỗi bit BER Nhận xét: Tỷ lệ lỗi bit BER hệ thống xấp xỉ 0.063 lớn Ngoài hệ thống bị nhiễu phi tuyến gây nên số kênh cho BER=1 Phần Kết luận DWDM với ưu mặt công nghệ trở thành phương tiện tối ưu kỹ thuật kinh tế để mở rộng dung lượng sợi quang cách nhanh chóng quản lý hiệu hệ thống DWDM đáp ứng hoàn toàn dịch vụ băng rộng mạng tiền đề để xây dựng mạng toàn quang tương lai Các chế bảo vệ khôi phục liệu hệ thống DWDM chủ yếu dựa tảng WDM Nhưng thực tế thiết bị hệ thống DWDM giống hoàn toàn với thiết bị hệ thống WDM, ta phải ý trình xây dựng chế bảo vệ khôi phục liệu hệ thống WDM Khi áp dụng chế bảo vệ khôi phục liệu cho tuyến quang trục dựa tảng hệ thống DWDM ta phải ý đến đặc điểm tuyến quang trục truyền với cự ly xa khả xảy cố cố đứt cáp hỏng hồn tồn nút đó, xây dựng chế bảo vệ khơi phục tín hiệu tuyến phải ý tới hiệu kinh tế khả phục hồi trường hợp cố chi phí đầu tư lớn độ tin cậy hệ thống Hy vọng tương lai gần xây dựng chế bảo vệ khơi phục liệu có độ tin cậy cao đồng thời chi phí đầu tư thiết bị mức hợp lý Sau thực xong đề tài chúng em tiếp thu kinh nghiệm làm việc theo nhóm, với kiến thức vơ bổ ích hệ thống thông tin quang cách thức mô hệ thống băng phần mềm optisystem Tuy cố gắng kiến thức hiểu biết hạn hẹp nên nhiều vấn đề chưa giải số lỗi Chúng em mong nhận trợ giúp thầy để giúp hồn thiện kiến thức Một lần chúng em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình thầy Chúng em xin chân cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO https://www.researchgate.net/publication/ 346751428_Analysis_of_Video_Signal_Transmission_Through_DW DM_Network_Based_on_a_Quality_Check_Algorithm/figures? lo=1&utm_source=bing&utm_medium=organic 16 Channel WDM System Design (optiwave.com) ... cần thiết cho kỹ sư thiết kế hệ thống thông tin quang Để bắt kịp xu đó, tập ? ?Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM? ?? giúp nhóm có hiểu biết phần mềm OptiSystem, hệ thống DWDM, ... bao gồm: - Thiết kế hệ thống thông tin quang từ mức phần tử đến mức hệ thống lớp vật lý - Thiết kế mạng TDM/WDM CATV - Thiết kế mạng FTTx dựa mạng quang thụ động (PON) - Thiết kế hệ thống ROF... dựng hệ thống thông tin quang DWDM sử dụng phần mềm mô Optisystem Thiết kế mô rõ ràng, đầy đủ u cầu, xác thơng số cho, đưa kết BER xấp xỉ 10-12 Hệ thống thơng tin quang DWDM bao gồm ba phần