Nghiên cứu giải pháp tăng hiệu năng truyền dữ liệu trên mạng thông tin quang

MAI XUÂN CHINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THÔNG VIỄN THÔNG TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TĂNG HIỆU NĂNG TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU TRÊN MẠNG THÔNG TIN QUANG TÁC GIẢ LUẬN VĂN: MAI XUÂN CHINH 2016 - 2018 HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TĂNG HIỆU NĂNG TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU TRÊN MẠNG THÔNG TIN QUANG TÁC GIẢ LUẬN VĂN: MAI XUÂN CHINH CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 852.0208 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM NGỌC NAM HÀ NỘI - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan viết luận văn tham khảo, tìm tịi, học hỏi thân hướng dẫn tận tình PGS.TS Phạm Ngọc Nam Mọi kết nghiên cứu ý tưởng tác giả khác (nếu có) trích dẫn cụ thể Đề tài luận văn chưa bảo vệ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ chưa công bố phương tiện Tôi xin chịu trách nhiệm lời cam đoan trên! Hà nội, ngày 08 tháng 01 năm 2019 Người cam đoan Mai Xuân Chinh LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, trước tiên tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến PGS.TS Phạm Ngọc Nam tận tình giúp đỡ tơi suốt trình nghiên cứu thực đề tài luận văn Tôi chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa, Thầy Cô giáo Khoa Đào tạo sau Đại học Viện Đại học Mở Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn tất người thân quan tâm động viên giúp đỡ hoàn thành luận văn Với khả nghiên cứu thân cịn nhiều thiếu sót, tơi xin kính mong dẫn đóng góp chuyên gia, Thầy Cô bạn đồng nghiệp để đề tài hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH VIỆT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Lịch sử phát triển tổng quan hệ thống 1.2 Thành phần hệ thống truyền dẫn 1.3 Nguyên lý hoạt động 1.3.1 Môi trường sợi quang 1.3.2 1.3.3 Bộ phát quang Bộ thu quang 1.4 Kết luận chương CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TĂNG HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN DỮ LIỆU 2.1 Phương pháp ghép kênh theo thời gian PDH 2.1.1 Khái niệm công nghệ PDH (Plesiochronous Digital Hierachry) 2.1.2 2.1.3 Các tiêu chuẩn phân cấp số cận đồng Ghép kênh PDH 10 2.1.4 Tách kênh PDH 10 2.1.5 Các nhược điểm PDH 12 2.2 Phương pháp ghép kênh theo thời gian SDH 13 2.2.1 Khái niệm SDH 13 2.2.2 Các cấp độ truyền dẫn SDH 15 2.2.3 Các tiêu chuẩn ghép kênh SDH 15 2.2.4 Ưu nhược điểm SDH .15 2.3 Phương pháp ghép kênh theo thời gian SDH hệ (NG - SDH) 16 2.3.1 Khái niệm NG – SDH .16 2.3.2 Các công nghệ sử dụng NG – SDH 17 2.3.3 Ưu nhược điểm công nghệ NG - SDH .22 2.4 Phương pháp ghép kênh quang theo bước sóng WDM 23 2.4.1 Tổng quan ghép kênh theo bước sóng WDM 23 2.4.2 Đặc điểm hệ thống WDM 27 2.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM 27 2.5 Phương pháp ghép kênh quang theo bước sóng ghép với mật độ cao DWDM 28 2.5.1 Kỹ thuật ghép bước sóng quang mật độ cao DWDM 28 2.5.2 Nguyên lý ghép bước sóng quang 28 2.5.3 Các tham số DWDM 34 2.5.3.1 2.5.3.2 Suy hao sợi quang 34 Số kênh bước sóng .35 2.5.3.3 2.5.3.4 2.5.3.5 Độ rộng phổ nguồn phát 36 Quỹ công suất 37 Tán sắc 38 2.5.3.6 Vấn đề ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến 41 2.5.3.7 Dải bước sóng làm việc DWDM 48 2.5.4 Các ưu nhược điểm hệ thống DWDM 49 2.6 Phương pháp ghép kênh quang theo bước sóng ghép với mật độ cao kết hợp với điều chế phase bước sóng .49 2.6.1 Khái niệm 49 2.6.2 Các dạng điều chế 50 2.6.3 Ưu điểm hạn chế 53 2.7 Kết luận chương 53 CHƯƠNG ỨNG DỤNG TĂNG HIỆU NĂNG TRUYỀN DỮ LIỆU TRÊN ĐƯỜNG TRỤC TP HỒ CHÍ MINH – VŨNG TÀU 55 3.1 Lựa chọn công nghệ tăng hiệu truyền liệu 55 3.2 Tăng hiệu phương pháp sử dụng sợi bù tán sắc DCF cho hệ thống DWDM 55 3.3 Mơ tuyến quang từ TP Hồ Chí Minh Vũng Tàu 58 3.3.1 Cơ sở thiết kế kỹ thuật 58 3.3.1.1 Yêu cầu tuyến truyền dẫn TP Hồ Chí Minh - Vũng Tàu 58 3.3.1.2 Thiết kế thông số DWDM áp dụng sợi bù tán sắc DCF 59 3.3.1.3 Tính tốn thơng số khuếch đại EDFA 59 3.3.2 Phần mềm mô Optisystem 59 3.3.2.1 Thiết lập thông số cho hệ thống 60 3.3.2.2 Tiến hành mô kết mô 66 3.4 Kết luận chương 76 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH VIỆT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ APD Avalanche Photo Diode Diode quang thác APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tựđộng ASE Amplifier Spontaneous Emission Nhiễu tự phát đượckhuếch đại BER Bit Error Ratio Tỷ số lỗi bit DCF Dispersion Compensated Fiber Sợi bù tán sắc DCM Dispersion Compensator Module Module bù tán sắc DEMUX Demultiplexer Thiết bị tách kênh DSF Dispersion Division Multiplexer Sợi dịch chuyển tán sắc DWDM Dense Wavelength Division Ghép kênh theo bước Multiplexer sóng mật độ cao Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang EDFA sợi pha trộn Erbium FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng IP Internet Protocol Giao thức Internet LED Light Emitting Diode Diode phát quang LD Laser diode Diode laser MUX Multiplexer Thiết bị ghép kênh NE Network Element Phần tử mạng OADM Optical Add/Drop Mutplexer Bộ xen/rẽ bước sóng quang OBA Optical Booster Amplifier Bộ khuếch đại công suất OLT Optical Line Terminator Bộ kết cuối đường quang OLA Optical Line Amplifier Bộ khuếch đại đường dây OPA Optical Pre-Amplifier Bộ tiền khuếch đại OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang OTU Optical Transponder Unit Khối thu phát quang OSC Optical Supervisor Channel Kênh giám sát quang OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm quang OXC Optical Cross Connect Khối kết nối chéo quang PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực TFFs Thin Film Filters Bộ lọc màng mỏng SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thíchBrillouin SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm SONET Synchronous Optical Networrk Mạng quang đồng SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman SSMF Standard Single Mode Fiber Sợi đơn mode chuẩn XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo WDM Wavelength Division Multiplexer Ghép kênh theo bước sóng DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng so sánh GE FC 17 Bảng 2.2 So sánh hiệu sử dụng dịch vụ có không dùng VCAT 18 Bảng 2.3 So sánh GFP-F GFP-T 20 Bảng 2.4 Độ rộng phổ kênh 34 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu hình hệ thống truyền dẫn Hình 1.2 Sơ đồ phát quang Hình 1.3 Sơ đồ thu quang Hình 2.1 Cấu trúc ghép PDH 4*2,048Mbit/s Hình 2.2 Ghép 4*2,048Mbit/s thành luồng số 8,448Mbit/s Hình 2.3 Cấu trúc khung tiêu chuẩn Nhật Bản Hình 2.4 Ghép kênh PDH 10 Hình 2.5 Sơ đồ ghép tách luồng PDH 11 Hình 2.6 Sơ đồ xen rẽ luồng 11 Hình 2.7 Các tốc độ PDH sử dụng cho truy cập vào luồng SDH 14 Hình 2.8 Các cấp truyền dẫn STM-N 15 Hình 2.9 Cấu trúc khung GFP 19 Hình 2.10 Sơ đồ chức hệ thống WDM 24 Hình 2.11 Hệ thống WDM đơn hướng song hướng 26 Hình 2.12 Mơ tả tuyến thơng tin quang có ghép bước sóng 29 Hình 2.13 Sơ đồ truyền dẫn chiều hai sợi quang 30 Hình 2.14 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều sợi quang 31 Hình 2.15 Phân loại ghép bước sóng quang 31 Hình 2.16 Sự phân chia dải bước sóng làm việc cửa sổ 1550 nm 48 Hình 2.17 Phổ cơng suất tín hiệu ASK 50 Hình 2.18 Các kiểu điều chế FSK 51 Hình 2.19 Phổ cơng suất tín hiệu điều chế MSK 52 Hình 2.20 Phổ tín hiệu PSK 52 Hình 3.1 Phổ tán sắc sợi DCF 57 Hình 3.2 Mơ hình tuyến quang sử dụng khuếch đại EDFA .58 Hình 3.3 Phần mềm Optisystem 60 Hình 3.4 Thơng số Bộ phát quang ghép kênh MUX 60 Hình 3.5 Thông số Bộ phát quang 32 kênh 61 Hình 3.6 Thơng số Bộ giải điều chế DMUX 32 kênh 61 Hình 3.7 Thơng số Sợi quang G655 63 Hình 3.8 Thơng số sợi bù tán sắc DCF 65 Hình 3.8 Thơng số sợi bù tán sắc DCF 65 - Bộ khuếch đại EDFA (thông số thiết lập Hình 3.9): Hình 3.9 Thơng số Khuếch đại EDFA 3.3.2.2 Tiến hành mô kết mơ Thực chạy mơ mơ hình xây dựng với thông số đầu vào trên, sau đưa kết so sánh mơ hình hệ thống DWDM khơng sử dụng sợi quang DCF mơ hình hệ thống DWDM có sử dụng sợi DCF 66 Hệ thống DWDM không sử dụng sợi DCF: - Sơ đồ hệ thống Hình 3.10 Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống DWDM không sử dụng sợi bù tán sắc DCF - Kết mô phỏng: Quang phổ tín hiệu trước sau truyền dẫn Hình 3.11 a Phổ tín hiệu trước truyền dẫn 67 b Phổ tín hiệu sau truyền dẫn Hình 3.11 Quang phổ tín hiệu trước sau truyền dẫn Công suất bước tróng trước sau truyền dẫn: a Cơng suất trước truyền dẫn 68 b Cơng suất sau truyền dẫn Hình 3.12 Cơng suất bước tróng trước sau truyền dẫn Tỷ số lỗi bit BER, S/N tần số đầu (tương ứng 1, 16, 24, 32) hệ thống Hình 3.13: a Tỷ lệ lỗi bit BER out 69 b Tỷ lệ lỗi bit BER out 16 c Tỷ lệ lỗi bit BER out 24 70 d Tỷ lệ lỗi bit BER out 32 Hình 3.13 Tỷ số lỗi bit BER, S/N tần số đầu 1,16,24,32 Đánh giá: Đối với hệ thống DWDM không sử dụng sợi bù tán sác DCF kết mơ thu quang phổ tín hiệu 32 tần số cao nhiễu, công suất trước sau truyền dẫn đảm bảo hệ thống phân biệt tín hiệu để giải mã Tuy nhiên, đầu thu tỷ lệ lỗi bit đầu 1,16,24,32 là: 5.62205e-28, 0.00822, 0.01651, 0.00717 Trên phân tích BER, Biểu đồ mắt Eye Diagram có tần số thứ độ mở mẫu mắt đạt yêu cầu, chất lượng tín hiệu tốt; tần số sau chất lượng tín hiệu kém, tỷ lệ lỗi bit cao, dộ mở mẫu mắt thấp, khơi phục tín hiệu Điều xảy tượng tán sắc nên xung giãn lớn chu kỳ bit dẫn đến chồng lấn bit kế cận dẫn đến đầu thu không nhận diện bit bit 1, hệ số tỷ lệ lỗi bit BER tăng 71 Hệ thống DWDM sử dụng sợi bù tán sác DCF: - Sơ đồ hệ thống Hình 3.13 Hình 3.13 Sơ đồ hệ thống DWDM sử dụng sợi bù tán sác DCF - Kết mơ phỏng: Quang phổ tín hiệu trước sau truyền dẫn (Hình 3.14) a Phổ tín hiệu trước truyền dẫn 72 b Phổ tín hiệu sau truyền dẫn Hình 3.14 Quang phổ tín hiệu trước sau truyền dẫn Cơng suất bước tróng trước sau truyền dẫn Hình 3.15 a Cơng suất trước truyền dẫn 73 b Cơng suất sau truyền dẫn Hình 3.15 Cơng suất bước tróng trước sau truyền dẫn Tỷ số lỗi bit BER, S/N tần số đầu (tương ứng 1,16,24,32) hệ thống (Hình 3.16): a Tỷ lệ lỗi bit BER out 74 b Tỷ lệ lỗi bit BER out 16 c Tỷ lệ lỗi bit BER out 24 75 d Tỷ lệ lỗi bit BER out 32 Hình 3.16 Tỷ số lỗi bit BER, S/N tần số đầu 1,16,24,32 Đánh giá: Đối với hệ thống DWDM sử dụng sợi bù tán sắc, theo kết mô quang phổ thu sau truyền dẫn tín hiệu 32 tần số cao nhiễu, công suất trước sau truyền dẫn đảm bảo hệ thống phân biệt tín hiệu để giải mã Trên phân tích tỷ lệ lỗi bit BER, biểu đồ mắt Eye Dyagram, sau sử dụng sợi bù tán sác DCF nhận thấy tỷ lệ lỗi bit tần số 1,16,24,32 7.611e-50,1.411e-33, 4.419e-37, 9.18e-55; độ mở mẫu mắt cao đảm bảo khả khôi phục tín hiệu đầu thu Do việc sử dụng sợi bù tán sắc DCF đảm bảo khắc phục tượng bù tán sắc truyền dẫn hệ thống DWDM với khoảng cách xa 3.4 Kết luận chương Chương thể rõ khả tăng hiệu truyền liệu phương pháp sử dụng sợi bù tán sắc DCF sử dụng công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng ghép mật độ cao DWDM tuyến cáp quang đầu tư sẵn có 76 Chương đưa so sánh hệ thống DWDM có sợi bù tán sắc DCF so với hệ thống DWDM không sử dụng sợi bù tán sắc DCF Từ đó, đánh giá thay đổi rõ rệt dung lượng tốc độ truyền tải liệu, kết hệ thống thông tin truyền liệu hai điểm đầu cuối đạt yêu cầu kỹ thuật phục vụ có hiệu công tác 77 KẾT LUẬN Qua luận văn giúp có nhìn sâu sắc khả ứng dụng thực tế cá phương pháp tăng hiệu truyền liệu hệ thống thông tin quang Để từ đó, có phương pháp kế hoạch triển khai thực tế đạt hiệu cao phù hợp với sở hạ tầng có, phù hợp kinh tế Có thể nói, so với thực trạng hệ thống thơng tin quang sử dụng cơng nghệ ghép quang theo bước sóng DWDM cơng nghệ tiên tiến nhất, có khả đáp ứng biến động nhu cầu Theo thông báo hãng cung cấp thiết bị, hệ thống tuân theo tiêu chuẩn, khuyến nghị ITU SDH, quang/WDM , IEEE IETF dịch vụ liệu Ethernet Ngoài ra, hãng lớn tham gia tổ chức, diễn đàn chuẩn hoá quang UNI OIF; GMPLS IETF; hay ASON/ASTN ITU sản phẩm có tính sản phẩm quang hệ sau theo thảo chuẩn này, Pre-ASTN Các chủng loại thiết bị chủ yếu triển khai họ FLX Fujitsu, SMA Siement, TN Nortel Các sản phẩm tuân thủ khuyến nghị tiêu chuẩn ngành SDH trước Chất lượng độ khả dụng kênh cao, cung cấp kênh điểm - điểm suốt với chất lượng cao Với khả bảo vệ dự phịng 1+1/1:1 nay, cho phép mạng có khả bảo vệ trước cố cao, thoả mãn nhu cầu chất lượng Do đó, 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 khôi 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 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V V San, Kỹ thuật thông tin quang, Hà Nội: Nxb Khoa học Kỹ thuật, 2007 [2] V V San, Hệ thống thông tin quang, Hà Nội: Nxb Bưu Điện, 2003 [3] D Đ Tuệ, Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng, Hà Nội: Nxb Bưu điện, 2001 [4] T Đ Hân, Cơ sở kỹ thuật LaserNguyễn Minh Hiền, Hà Nội: Nxb Giáo Dục, 2001 [5] N C Hùng, Bài giảng mơn Cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng, Hà Nội: Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2003 [6] C Phán, Cơ sở kỹ thuật thông tin quang, Hà Nội: Học viện Công nghệ - Bưu viễn thơng, 2000 [7] G Agrawal, Fiber Optical Communication System, Willey-Intersience, 2002 [8] J.-P Laude, Wavelength Division Multiplexing, Artech House optoelectronics library, 1993 [9] J.-P Laude, DWDM Fundamentals, Components, and Application, Artech House optoelectronics library, 2000 79