ỨNG DỤNG OFDM TRONG MẠNG TRUY NHẬP QUANG THẾ HỆ SAU

Đề tài tốt nghiệp là “Ứng dụng OFDM vào mạng truy nhập quang thế hệ sau”. Nội dung đồ án tốt nghiệp bao gồm 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về mạng truy nhập quang Chương 2: Mạng truy nhập quang thế hệ sau Chương 3: Kỹ thuật OFDM Chương 4: Ứng dụng OFDM trong mạng truy nhập quang thế hệ sau

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG I ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: “ỨNG DỤNG OFDM TRONG MẠNG TRUY NHẬP QUANG THẾ HỆ SAU” Người hướng dẫn : TS. NGUYỄN ĐỨC NHÂN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TIẾN HIỆP Lớp : D08-VT1 Khoá : 2008 - 2013 Hệ : ĐHCQ Hà Nội, tháng 12 /2012. HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG I ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: “ỨNG DỤNG OFDM TRONG MẠNG TRUY NHẬP QUANG THẾ HỆ SAU” Người hướng dẫn : TS. NGUYỄN ĐỨC NHÂN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TIẾN HIỆP Lớp : D08-VT1 Khoá : 2008 - 2013 Hệ : ĐHCQ Hà Nội, tháng 12 /2012. Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu GVHD: TS. Nguyễn Đức Nhân SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp – D08VT1 LỜI NÓI ĐẦU Xã hội ngày càng phát triển với sự lớn mạnh không ngừng của các tổ chức kinh tế như: ngân hàng, công ty, doanh nghiệp, tổ chức,… cùng với sự phát triển nhanh chóng của các khu vực kinh tế như: khu công nghiệp, khu thương mại, các chung cư cao tầng,… đã tạo ra nhu cầu vô cùng lớn trong việc sử dụng các dịch vụ về thoại, dữ liệu và hình ảnh. Ngoài ra, các ứng dụng trên Internet ngày càng phong phú và phát triển với tốc độ nhanh như các dịch vụ thanh toán trực tuyến, game online, các dịch vụ từ xa,… Đặc biệt nhu cầu về các loại dịch vụ tích hợp thoại, hình ảnh và dữ liệu ngày càng gia tăng. Sự phát triển của các loại hình dịch vụ mới đòi hỏi hạ tầng mạng truy nhập phải đáp ứng các yêu cầu về băng thông rộng, tốc độ truy nhập cao. Công nghệ truy nhập với phương tiện là cáp đồng xDSL tuy đã được triển khai rộng rãi nhưng hạn chế về tốc độ và cự ly truyền dẫn không đáp ứng được yêu cầu dịch vụ trong tương lai. Vì vậy, việc nghiên cứu các xu hướng cũng như kỹ thuật về các mạng truy nhập quang trong tương lai là vấn đề cấp thiết hiện nay nhằm đưa ra các tiêu chí xây dựng hạ tầng mạng truy nhập đáp ứng yêu cầu về băng thông và tốc độ cao của các loại hình dịch vụ mới. Đồ án tiếp cận một kỹ thuật ghép kênh theo tần số tiên tiến để điều chế tín hiệu trong miền điện trước khi đưa vào kênh truyền quang để truyền đi. Đó là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. Đây là kỹ thuật ghép kênh cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần số, có thể giải quyết vấn đề tán sắc do kênh truyền quang gây ra. Tán sắc là hiện tượng gây ra giãn xung tín hiệu khi truyền qua kênh truyền quang làm giảm đáng kể chất lượng truyền dẫn tín hiệu quang. Kỹ thuật OFDM với đặc trưng là các sóng mang con trực giao sẽ làm giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc lên kênh truyền. Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu sự kết hợp những ưu điểm của kỹ thuật OFDM và mạng truy nhập quang thế hệ sau. Chính vì thế, em lựa chọn đề tài tốt nghiệp là “Ứng dụng OFDM vào mạng truy nhập quang thế hệ sau”. Nội dung đồ án tốt nghiệp bao gồm 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về mạng truy nhập quang Chương này sẽ đưa ra cái nhìn khái quát về cấu hình, các thành phần của mạng truy nhập và hình dung chung về các kiểu mạng truy nhập FTTx. Chương 2: Mạng truy nhập quang thế hệ sau Chương này sẽ trình bày các yêu cầu về mạng truy nhập quang thế hệ sau và giới thiệu một vài phương pháp kỹ thuật mới sẽ được áp dụng cho các mạng này Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu GVHD: TS. Nguyễn Đức Nhân SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp – D08VT1 Chương 3: Kỹ thuật OFDM Chương này sẽ cung cấp một cách tổng quan về kỹ thuật OFDM cũng như xu hướng ứng dụng của kỹ thuật này vào mạng truy nhập quang Chương 4: Ứng dụng OFDM trong mạng truy nhập quang thế hệ sau Chương này sẽ đưa ra một hệ thống OFDM-PON trong thực tế với sự giúp đỡ của phần mềm mô phỏng optisysem và đánh giá ảnh hưởng của tốc độ bit cũng như khoảng cách truyền dẫn lên hệ thống. Mặc dù đã rất cố gắng để hoàn thành tốt nhưng do vẫn còn hạn chế về kỹ năng, kiến thức chuyên môn cũng như thực tế nên chắc chắn đồ án của em vẫn còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy, cô để đồ án của em được tốt hơn. Sinh viên thực hiện Nguyễn Tiến Hiệp Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời cảm ơn GVHD: TS. Nguyễn Đức Nhân SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp – D08VT1 LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn đầu tiên em xin được gửi đến các thầy cô tại khoa Viễn Thông I cũng như ở trường Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông đã dạy dỗ em trong suốt những năm tháng học tập tại Học Viện, cung cấp những kiến thức nền tảng vô cùng quan trọng. Đặc biệt, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo – TS. Nguyễn Đức Nhân, người đã trực tiếp hướng dẫn, cung cấp các kiến thức và tài liệu cần thiết, giúp đỡ và chỉ dạy tận tình để em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Xin gửi lời cảm ơn tới những người bạn tuyệt vời, những thành viên của nhóm ProTeam – lớp D08VT1 đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình tìm hiểu và hoàn thành đồ án này. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình em, đặc biệt là Mẹ em, vì trong thời gian qua Mẹ đã luôn động viên, tạo mọi điều kiện sinh hoạt tốt nhất giúp con hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp. Sinh viên thực hiện Nguyễn Tiến Hiệp Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục GVHD: TS. Nguyễn Đức Nhân SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp – D08VT1 MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP QUANG 1 1.1. Cấu hình và các thành phần mạng 1 1.1.1. Cấu hình mạng truy nhập quang 1 1.1.2. Các thành phần của mạng truy nhập quang 2 1.2. Các kiểu mạng truy nhập quang 5 1.2.1. FTTH/O 6 1.2.2. FTTB 7 1.2.3. FTTC 8 1.2.4. FTTCab/N 8 1.3. Xu thế phát triển của mạng truy nhập quang 9 1.4. Kết luận 12 CHƯƠNG II: MẠNG TRUY NHẬP QUANG THẾ HỆ SAU 13 2.1. Yêu cầu của mạng truy nhập quang thế hệ sau 13 2.2. Xu hướng phát triển của mạng truy nhập quang giai đoạn sau 14 2.2.1. Giới thiệu chung 14 2.2.2. Mạng toàn quang 15 2.2.3. Mạng truy nhập quang 17 2.3. Một số kỹ thuật mới được áp dụng cho mạng truy nhập 21 2.3.1. TDM-PON 21 2.3.2. WDM-PON 22 2.3.3. CDM 24 2.3.4. OFDM-PON 26 2.4. Kết luận 26 CHƯƠNG III: KỸ THUẬT OFDM 27 3.1. Tổng quan về OFDM 27 3.1.1. Các nguyên lý cơ bản của OFDM 27 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục GVHD: TS. Nguyễn Đức Nhân SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp – D08VT1 3.1.2. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM 29 3.1.3. Các thông số đặc trưng của hệ thống OFDM 31 3.1.4. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM 34 3.1.5. Ưu nhược điểm của OFDM 38 3.2. Xu hướng ứng dụng kỹ thuật OFDM vào trong mạng truy nhập quang 39 3.2.1. OFDM trong hệ thống RoF 39 3.2.2. OFDM trong mạng quang thụ động 42 3.3. Kết luận 43 CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG OFDM TRONG MẠNG TRUY NHẬP QUANG THẾ HỆ SAU 44 4.1. Kiến trúc một mạng truy nhập quang sử dụng OFDM 44 4.1.1. Máy phát 44 4.1.2. Máy thu 44 4.2. Các kỹ thuật được thực hiện tại các phần tử trên mạng 46 4.2.1. Khối điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM 46 4.2.2. Bộ phát quang 52 4.2.3. Bộ thu quang 54 4.2.4. Bộ khuếch đại quang 56 4.3. Mô phỏng và kết quả 57 4.3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng 57 4.3.2. Kết quả mô phỏng 60 4.4. Kết luận 67 KẾT LUẬN CHUNG 68 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng biểu, hình vẽ GVHD: TS. Nguyễn Đức Nhân SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp – D08VT1 DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ Bảng 1.1: So sánh các giải pháp mạng PON 10 Bảng 1.2: So sánh giữa AON và PON 10 Bảng 3.1: Các kỹ thuật điều chế trong OFDM 34 Bảng 3.2: Các vecto ở không gian tín hiệu của QPSK 37 Hình 1.1: Cấu hình tham chiếu của mạng truy nhập quang 1 Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản khối phân phối quang FTTH 4 Hình 1.3: Cấu hình mạng truy nhập quang 5 Hình 1.4: Cấu trúc mạng truy nhập FTTH 6 Hình 1.5: Cấu trúc mạng truy nhập FTTB 7 Hình 2.1: Ví dụ về mạng FTTx 19 Hình 2.2: Kiến trúc mạng TDM-PON 22 Hình 2.3: Kiến trúc mạng WDM-PON 23 Hình 2.4: OCDM-PON với bộ chia công suất đặt tại node điều khiển 25 Hình 2.5: Cấu hình của hệ thống OCDM-PON với bộ chia công suất tại node điều khiển 25 Hình 3.1: So sánh kỹ thuật FDM và OFDM 28 Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 30 Hình 3.3: Cấu trúc tín hiệu OFDM 31 Hình 3.4: Nguyên lý chèn CP 32 Hình 3.5: Biểu đồ tín hiệu QPSK 37 Hình 3.6: Ví dụ một hệ thống RoF 40 Hình 3.7: Ví dụ về việc truyền dẫn ở đường xuống 40 Hình 3.8: Cải thiện vùng phủ sóng WIMAX thông qua việc triển khai các RAU 41 Hình 3.9: Một mạng quang thụ động 42 Hình 4.1: Kiến trúc một mạng truy nhập quang sử dụng OFDM 45 Hình 4.2: Khối điều chế tín hiệu OFDM phía phát 46 Hình 4.3: Khối giải điều chế tín hiệu OFDM phía thu 46 Hình 4.4: Không gian tín hiệu M-QAM với M=4 47 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng biểu, hình vẽ GVHD: TS. Nguyễn Đức Nhân SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp – D08VT1 Hình 4.5: Chùm tín hiệu 16-QAM 48 Hình 4.6: Chùm tín hiệu M-QAM 48 Hình 4.7: Sơ đồ bộ điều chế QAM 49 Hình 4.8: Nguyên lý bộ điều chế 16-QAM 49 Hình 4.9: Sơ đồ bộ giải điều chế QAM 50 Hình 4.10: Bộ IFFT và FFT 50 Hình 4.11: Cấu trúc bộ phát quang 52 Hình 4.12: Cấu trúc bộ điều chế quang Mach-Zenhder 53 Hình 4.13: Cấu trúc bộ thu quang 54 Hình 4.14: Tách sóng coherent homodyne 55 Hình 4.15: Cấu trúc bộ khuếch đại EDFA 57 Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý hệ thống OFDM trong mạng PON 59 Hình 4.17: Bộ Data User 1 60 Hình 4.18: Bộ Subsystem_1 60 Hình 4.19: Bộ Coherent Detection 60 Hình 4.20: Chòm sao tín hiệu phát 61 Hình 4.21: Chòm sao tín hiệu phía thu 61 Hình 4.22: Biểu đồ mắt tín hiệu phía thu 61 Hình 4.23: Chòm sao tín hiệu thu với R b =1Gbps 62 Hình 4.24: Biểu đồ mắt tín hiệu thu với R b =1Gbps 62 Hình 4.25: Chòm sao tín hiệu thu với R b =5Gbps 62 Hình 4.26: Biểu đồ mắt tín hiệu thu với R b =5Gbps 62 Hình 4.27: Chòm sao tín hiệu thu với R b =10Gbps 62 Hình 4.28: Biểu đồ mắt tín hiệu thu với R b =10Gbps 62 Hình 4.29: Dạng tín hiệu phát với R b =1Gbps 63 Hình 4.30: Dạng tín hiệu và nhiễu tại máy thu với R b =1Gbps 63 Hình 4.31: Dạng tín hiệu phát với R b =5Gbps 63 Hình 4.32: Dạng tín hiệu và nhiễu tại máy thu với R b =5Gbps 63 Hình 4.33: Dạng tín hiệu phát với R b =10Gbps 64 Hình 4.34: Dạng tín hiệu và nhiễu tại máy thu với R b =10Gbps 64 Hình 4.35: Chòm sao tín hiệu thu với L=100km 64 Hình 4.36: Biểu đồ mắt tín hiệu thu với L=100km 64 Hình 4.37: Chòm sao tín hiệu thu với L=120km 65 Hình 4.38: Biểu đồ mắt tín hiệu thu với L=120km 65 Hình 4.39: Chòm sao tín hiệu thu với L=150km 65 Hình 4.40: Biểu đồ mắt tại máy thu với L=150km 65 Hình 4.41: Dạng tín hiệu phát với L=100km 66 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng biểu, hình vẽ GVHD: TS. Nguyễn Đức Nhân SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp – D08VT1 Hình 4.42: Dạng tín hiệu và nhiễu tại máy thu với L=100km 66 Hình 4.43: Dạng tín hiệu phát với L=120km 66 Hình 4.44: Dạng tín hiệu và nhiễu tại máy thu với L=120km 66 Hình 4.45: Dạng tín hiệu phát với L=150km 66 Hình 4.46: Dạng tín hiệu và nhiễu tại máy thu với L=150km 66 [...]... quang thụ động PON sẽ trở thành ứng viên sáng giá cho công nghệ trong mạng thế hệ mới NGN SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 12 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II: Mạng truy nhập quang thế hệ sau CHƯƠNG II: MẠNG TRUY NHẬP QUANG THẾ HỆ SAU 2.1 Yêu cầu của mạng truy nhập quang thế hệ sau Để có thể xác định một mạng quang là mạng truy nhập quang thế hệ sau NGOA thì việc đảm bảo chất lượng dịch vụ từ đầu cuối đến... nghệ truy nhập quang chủ động (AON) và công nghệ truy nhập quang thụ động (PON) hoặc phân loại dựa trên vị trí của cáp quang tham gia trong mạng truy nhập thành các mạng truy nhập quang FTTx khác nhau 1.1 Cấu hình và các thành phần mạng 1.1.1 Cấu hình mạng truy nhập quang Hình 1.1: Cấu hình tham chiếu của mạng truy nhập quang Cấu hình tham chiếu của mạng truy nhập quang được thể hiện trong hình 1.1... điểm truy n thống, mạng truy nhập quang là toàn bộ hệ thống thiết bị quang và đường truy n dẫn là sợi quang nằm giữa tổng đài và thiết bị đầu cuối vủa khách hàng, thực hiện chức năng truy n dẫn thiết bị và có kết nối trực tiếp đến người sử dụng Một mạng truy nhập quang có thể sử dụng các công nghệ truy nhập quang khác nhau Ta có thể phân loại công nghệ truy nhập quang thành hai loại là công nghệ truy nhập. .. thể nằm trong ONU, cũng có thể hoàn toàn độc lập 1.2 Các kiểu mạng truy nhập quang Phần quang của truy nhập có thể có cấu trúc điểm – điểm, tích cực hoặc đa điểm thụ động Các phần tử cơ bản của mạng truy nhập quang, như đã giới thiệu trong phần trên, gồm có: khối mạng quang ONU, khối kết cuối mạng quang ONT, đầu cuối đường quang OLT và đầu cuối mạng NT Và dựa vào vị trí của cáp quang có trong mạng ta... quang, trải qua bốn thế hệ SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 15 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II: Mạng truy nhập quang thế hệ sau Thế hệ đầu tiên của hệ thống sợi quang, dựa trên các thành phần GaAs, xuất hiện vào cuối những năm 70 và được sử dụng ở bước sóng 0.85m và là sợi đa mode Dung lượng của hệ thống này bị giới hạn do tán sắc trong sợi quang đa mode Thế hệ thứ hai vào những năm 80 sử dụng bước sóng... các yêu cầu vận hành mạng, như cung cấp, bảo dưỡng, quản lý lỗi Các yêu cầu chính cho một mạng truy nhập quang thế hệ sau được định nghĩa theo OASE, một dự án được phát triển bởi các nước trong khu vực châu Âu về mạng quang thế hệ sau và đặc biệt là FTTH, như sau: Dịch vụ:  Truy nhập đầy đủ dịch vụ với chất lượng cao, khả năng tiếp cận, khả năng giữ lại và bảo mật  Thị trường ứng dụng tiềm năng của... năng chuyển mạch và định tuyến Hơn thế nữa, lớp vật lý của thế hệ mạng quang thứ hai hỗ trợ SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 16 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II: Mạng truy nhập quang thế hệ sau các tuyến WDM và thêm/gỡ bỏ chức năng này Các mạng này có thể đưa ra ba loại dịch vụ đến các lớp mạng cao hơn Dịch vụ đầu tiên là dịch vụ lightpath, có thể ứng dụng trong mạng WDM, trong đó một bước sóng dành riêng... thuê bao với mạng UNI Vì vậy có thể hiểu mạng truy nhập quang là mạng sử dụng chung các giao diện với các mạng khác nhau nhưng hệ thống truy n dẫn truy nhập cáp quang đảm nhiệm một loạt đường liên kết truy nhập và gồm các ONT, ODN, ONU và AF Đấu nối truy n dẫn giữa OLT và ONU có thể theo phương thức điểm – đa điểm, cũng có thể theo phương thức điểm – điểm Về hình thức truy n dẫn, có thể áp dụng ghép kênh... quang (DP): là điểm kết thúc của đoạn cáp gốc Trên thực tế, DP thường là măng xông quang, hoặc các tủ cáp quang phối, ưu tiên dùng măng xông quang  Cáp quang phối (Distribution Optical Cable): xuất phát từ điểm phối quang đến các điểm truy nhập mạng AP hay từ các tủ quang phối tới các tập điểm quang  Điểm truy nhập mạng (NAP): là điểm kết cuối của các đoạn cáp quang phối Trên thực tế, điểm truy nhập. .. Điểm truy nhập mạng NGOA Next Generation Optical Access Truy nhập quang thế hệ sau OCDM Optical Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã quang ODN Optical Distribution Network Mạng phân phối quang OLT Optical Line Terminal Bộ kết cuối đường quang ONT Optical Network Terminal Bộ kết cuối mạng quang ONU Optical Network Unit Bộ đơn vị mạng quang PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động . thuật OFDM vào trong mạng truy nhập quang 39 3.2.1. OFDM trong hệ thống RoF 39 3.2.2. OFDM trong mạng quang thụ động 42 3.3. Kết luận 43 CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG OFDM TRONG MẠNG TRUY NHẬP QUANG. thuật OFDM cũng như xu hướng ứng dụng của kỹ thuật này vào mạng truy nhập quang Chương 4: Ứng dụng OFDM trong mạng truy nhập quang thế hệ sau Chương này sẽ đưa ra một hệ thống OFDM- PON trong. gia trong mạng truy nhập thành các mạng truy nhập quang FTTx khác nhau. 1.1. Cấu hình và các thành phần mạng 1.1.1. Cấu hình mạng truy nhập quang Hình 1.1: Cấu hình tham chiếu của mạng truy