Nghiên cứu công nghệ ghép bước sóng quang wdm, đặc điểm và khả năng ứng dụng trên mạng viễn thông

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - - BÀI TIỂU LUẬN MÔN THÔNG TIN QUANG NÂNG CAO ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GHÉP BƯỚC SÓNG QUANG WDM, ĐẶC ĐIỂM VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRÊN MẠNG VIỄN THÔNG Giảng viên : TS VŨ TUẤN LÂM Học viên thực hiện : TS HOÀNG VĂN VÕ Lớp : NGUYỄN VĂN NHÂN : LƯU CẨM TÚ : ĐOÀN THỊ LINH CHI : M23CQTE01-B Hà Nội, Tháng 11/2023 BÀI TIỂU LUẬN CUỐI KỲ Lời mở đầu LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng về thông tin viễn thông, hệ thống truyền dẫn thông tin quang – truyền tín hiệu trên sợi quang đã và đang phát triển ở nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam Thông tin quang chiếm giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại dương Các công nghệ của hệ thống thông tin quang cũng được phát triển liên tục để đáp ứng nhu cầu của người dùng Thông tin quang sợi là một trong những thành tựu nổi bật nhất của con người trong thế kỷ trước, cung cấp giải pháp hữu hiệu cho vấn đề truyền tải thông tin Sự ra đời của mạng Internet mang lại một lợi ích to lớn cho tri thức, nhu cầu trao đổi, lưu trữ và xử lý thông tin của con người Với sự bùng nổ của các dịch vụ số liệu trên nền Internet, nhu cầu băng thông phát triển với tốc độ rất nhanh Để đáp ứng được nhu cầu này, công nghệ truyền dẫn theo phương thức ghép kênh phân chia theo bước sóng quang –WDM (wavelength division multiplexing) có khả năng ghép nhiều bước sóng trên một sợi quang đã đáp ứng nhu cầu phát triển nhanh của các dịch vụ tryền số liệu các dịch vụ video, các dịch vụ cáp sợi quang đến hộ gia đình – FTTH (fiber to the home) hay các mạng truy nhập quang thụ động PON (passive optical network) khác Hơn nữa, với sự phát triển của các bộ khuếch đại quang đã tạo ra những hệ thống thông tin có cự ly truyền dẫn rất xa cho các mạng quốc gia hay kết nối liên châu lục Môn Thông tin quang nâng cao đã cung cấp cho em những kiến thức nền tảng cơ bản khái quát nhất về hệ thống thông tin quang cùng với các công nghệ liên quan Em xin chân thành cảm ơn TS Vũ Tuấn Lâm và TS Hoàng Văn Võ đã tận tình chỉ dạy và hướng dẫn cho em trong quá trình học môn Thông tin quang nâng cao, giúp cho em có những hiểu biết nhất định về thông tin quang Đề tài “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GHÉP BƯỚC SÓNG QUANG WDM, ĐẶC ĐIỂM VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRÊN MẠNG VIỄN THÔNG” tập trung vào việc nghiên cứu tìm hiểu công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang, thiết bị được sử dụng CHUYÊN ĐỀ 3 1 để ghép bước sóng quang và ứng dụng của công nghệ vào mạng viễn thông Đề tài được trình bày với các nội dung sau:  Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ WDM  Chương 2: Các thiết bị quang thụ động trong WDM  Chương 3: WDM sử dụng trong mạng viễn thông Trong quá trình làm bài tiểu luận không tránh khỏi những thiếu sót về nội dung, cách diễn giải vấn đề cũng như các lỗi về trình bày Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy Em xin chân thành cảm ơn! BÀI TIỂU LUẬN CUỐI KỲ Mục lục MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 MỤC LỤC 3 DANH MỤC HÌNH VẼ 4 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM 5 1.1 Lịch sử phát triển WDM .6 1.2 Mô hình hệ thống WDM 8 1.3 Nguyên lý ghép bước sóng quang 9 1.4 Các tham số cơ bản của WDM 12 1.5 Phân loại hệ thống WDM 12 1.6 Ưu nhược điểm và ứng dụng của hệ thống WDM .13 CHƯƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG WDM 15 2.1 Một số phần tử cơ bản của bộ ghép tách sóng quang 16 2.2 Ghép kênh bước sóng quang 17 2.3 Tách kênh bước sóng quang 19 2.4 Công nghệ EDFA trong WDM 20 CHƯƠNG 3: WDM SỬ DỤNG TRONG MẠNG VIỄN THÔNG 24 3.1 Mạng truyền tải quang WDM .24 3.2 Mạng truy nhập quang .28 KẾT LUẬN 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO .32 CHUYÊN ĐỀ 3 3 BÀI TIỂU LUẬN CUỐI KỲ Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc của mạng viễn thông 5 Hình 1.2: Mô hình hệ thống WDM 9 Hình 1.3: Một số kỹ thuật truyền song hướng WDM (a) Sử dụng bộ chia tách băng tần (b) Sử dụng bộ lọc xen kẽ bước sóng (c) Sử dụng bộ xoay vòng một chiều - circulator 11 Hình 1.4: Băng thông hệ thống WDM 12 Hình 1.5: Dải băng tần quang 13 Hình 2.1: Truyền 6 tín hiệu qua 1 sợi quang 15 Hình 2.2: Coupler 16 Hình 2.3: Isolator 16 Hình 2.4: Circulator 17 Hình 2.5: Nguyên lý bộ ghép sử dụng tán xạ cách tử phẳng kết hợp thấu kính (a) và kết hợp môi trường chiết suất biến đổi đều 18 Hình 2.6: Bộ ghép kênh sử dụng các giao thoa kế MZ 19 Hình 2.7: Tách kênh bước sóng sử dụng bộ chia công suất và các bộ lọc 19 Hình 2.8: Tách kênh bước sóng sử dụng các bộ tách đơn kênh nối tiếp 20 Hình 2.9: Tách kênh sử dụng mảng cách tử ống dẫn sóng .20 Hình 2.10: Cấu tạo của một EDFA .20 Hình 2.11: Giản đồ năng lượng Erbium 22 Hình 3.1: Mạng định tuyến bước sóng 24 Hình 3.2: Mô hình thiết bị đầu cuối đường quang 25 Hình 3.3: Thiết bị OADM .26 Hình 3.4: Thiết bị kết nối chéo quang OXC 27 Hình 3.5: Mô hình tham chiếu của mạng truy nhập quang 28 Hình 3.6: Khối OLT 29 Hình 3.7: Kiến trúc mạng truy cập quang FTTH 30 CHUYÊN ĐỀ 3 4 BÀI TIỂU LUẬN CUỐI KỲ Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ WDM CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM Mạng viễn thông là tập hợp thiết bị viễn thông (thiết bị đầu cuối, thiết bị mạng: router, switch, hub, repeater…) được liên kết với nhau bằng đường truyền dẫn để cung cấp dịch vụ viễn thông và ứng dụng viễn thông Hình 1.1 mô tả cấu trúc của mạng viễn thông bao gồm ba thành phần mạng chính: Mạng cung cấp dịch vụ mạng (ISP), mạng lõi (CN), mạng truy nhập (AN) AN CN ISP Hình 1.1: Cấu trúc của mạng viễn thông Mạng cung cấp dịch vụ mạng là mạng chuyên cung cấp các giải pháp kết nối mạng toàn cầu (Internet) cho các đơn vị tổ chức hay các cá nhân người dùng Mạng này do các nhà cung cấp dịch vụ mạng (ISP-Internet Service Provider) cung cấp, khai thác và phát triển Các ISP lớn ở Việt Nam như: Viettel, VNPT, FPT, CMC… Mạng lõi (Core Network) là mạng bao gồm chức năng chuyển mạch gói (PS), chuyển mạch kênh (CS), chức năng báo hiệu điều khiển và kết nối Mạng lõi bao gồm các thiết bị chuyển mạch nội hạt, thiết bị chuyển mạch cổng Mạng truy nhập là nút cuối cùng trong cấu trúc mạng viễn thông, là thành phần giao tiếp với con người trong quá trình truyền thông dịch vụ đến con người Mạng viễn thông có kẽ kết hợp của hệ thống vô tuyến và quang, tùy theo chức năng nhiệm vụ của mạng và yêu cầu của người dùng CHUYÊN ĐỀ 3 5 Trong cả mạng truy cập hay mạng lõi thì hiện nay vấn đề tốc độ và tối ưu hóa tài nguyên là quan trọng hàng đầu Vì vậy truyền thông quang được phát triển và ứng dụng rộng khắp vào cả mạng lõi và mạng truy cập Với sự bùng nổ của các dịch vụ số liệu trên nền Internet, nhu cầu băng thông phát triển với tốc độ rất nhanh Để đáp ứng được nhu cầu này, công nghệ truyền dẫn theo phương thức ghép kênh phân chia theo bước sóng quang –WDM (wavelength division multiplexing) có khả năng ghép nhiều bước sóng trên một sợi quang đã đáp ứng nhu cầu phát triển nhanh của các dịch vụ tryền số liệu các dịch vụ video, các dịch vụ cáp sợi quang đến hộ gia đình –FTTH (fiber to the home) hay các mạng truy nhập quang thụ động PON (passive optical network) khác Hơn nữa, với sự phát triển của các bộ khuếch đại quang đã tạo ra những hệ thống thông tin có cự ly truyền dẫn rất xa cho các mạng quốc gia hay kết nối liên châu lục Điều này được sử dụng nhiều trong mạng lõi, mạng đường trục 1.1 Lịch sử phát triển WDM Với khởi đầu là sự phát triển thành công công nghệ laser và được tiếp nối bằng những tiến bộ trong công nghệ vật liệu và xử lý quang học, truyền tải quang trong mạng viễn thông đã sớm trở thành hiện thực từ những năm 1980 Trong hơn ba mươi năm vừa qua, công nghệ truyền tải quang đã được phát triển nhanh chóng, dung lượng truyền tải tăng lên hơn 10 ngàn lần Quá trình phát triển của công nghệ truyền tải quang được chia thành ba thời kỳ (thế hệ) tương ứng với ba xu hướng tiến bộ công nghệ chính bao gồm: Thế hệ thứ nhất - Công nghệ ghép kênh theo thời gian TDM: được dựa trên kỹ thuật ghép kênh trong miền điện Thế hệ thứ hai - Công nghệ khuếch đại quang kết hợp với công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM: đang được ứng dụng rộng khắp trong các mạng truyền tải quang Thế hệ thứ ba - Công nghệ coherent số: là công nghệ hiện mới trong quá trình nghiên cứu phát triển Thế hệ truyền dẫn quang thứ nhất bắt đầu từ năm 1980 đến những năm đầu của thập kỷ 90 Trong giai đoạn này, ghép kênh theo thời gian TDM là công nghệ truyền tải chính trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang Các hệ thống này, các thiết bị điện và quang tốc độ cao cũng như các bộ khuếch đại quang là chìa khóa để hiện thực các hệ thống truyền dẫn quang đường trục tốc độ cao Các hệ thống này thực hiện ghép kênh TDM lên một bước sóng quang và có khả năng hỗ trợ truyền tải với dung lượng 10 Gbps Từ cuối những năm 1990 đến nay, những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ truyền dẫn quang như công nghệ laser, công nghệ khuyếch đại quang và đặc biệt là công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM đã góp phần tạo ra sự đột phá trong quá trình phát triển dung lượng của hệ thống truyền tải quang Tương tự với kỹ thuật ghép kênh theo tần số trong miền tín hiệu điện, nguyên lý cơ bản của công nghệ WDM là thực hiện truyền đồng thời các tín hiệu quang thuộc nhiều bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang Do đó, công nghệ WDM cho phép xây dựng những hệ thống truyền tải thông tin quang có dung lượng lớn hơn nhiều so với hệ thống thông tin quang đơn bước sóng Không những thế, công nghệ WDM hiện nay còn có khả năng cho phép mỗi sợi quang mang đồng thời hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn bước sóng (sử dụng DWDM hay ultra- DWDM) và mỗi bước sóng lại có thể truyền dẫn với tốc độ rất cao Hệ thống truyền dẫn WDM mới nhất với 40 bước sóng ở tốc độ 40 Gbps/bước sóng đã bắt đầu được triển khai trong một số mạng lõi, và dung lượng truyền dẫn tổng đạt đến 1.6 Tbps Công nghệ truyền dẫn WDM hiện đang là và trong tương lai gần vẫn sẽ là công nghệ truyền dẫn nền tảng cho mạng toàn quang Tuy nhiên, để bắt kịp với sự phát triển nhanh chóng của lưu lượng truyền tải trong tương lai, các công nghệ mới hỗ trợ các hệ thống truyền tải quang 10 Tbit/s dựa trên tốc độ 100 Gbps/kênh đang được hướng đến Một trong các công nghệ ứng cử viên hấp dẫn cho các hệ thống WDM tốc độ truyền dẫn nối tiếp 100 Gbps là truyền dẫn coherent số quang trong đó kết hợp tách quang coherent và xử lý tín hiệu số quang Hai vấn đề chính cần được xác định để tăng tốc độ dữ liệu lên 100 Gb/s trên mỗi bước sóng là: mở rộng băng thông và nâng cao hiệu quả phổ Tuy nhiên phương pháp ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) đã và đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng tần truyền dẫn rất lớn của sợi quang, làm cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn đơn bước sóng tăng từ vài lần đến hàng trăm lần Khi cần tăng dung lượng của hệ thống chỉ cần thay đổi thiết bị đầu cuối mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và không cần thêm sợi quang, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế mạng, do đó có thể giảm chi phí đầu tư, làm cơ sở cho việc phát triển nhiều loại hình dịch vụ viễn thông trong tương lai Các giải pháp thực tế đối với các vấn đề giới hạn ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực, hiệu ứng phi tuyến, sẽ làm tăng cả số lượng kênh và tốc độ bít của hệ thống WDM Số lượng các kênh tăng đòi hỏi yêu cầu khắt khe hơn đối với độ ổn định của laser, độ chính xác của bộ lọc và vấn đề liên quan đến quản lý tán sắc, hiệu ứng phi tuyến Mạng tiến dần tới mô hình toàn quang, do đó sẽ xuất hiện các hệ thống thiết bị quang mới có khả năng thực hiện các chức năng mà các thiết bị điện tử đang đảm nhận Việc loại bỏ các yêu cầu khôi phục và tái tạo lưu lượng qua thiết bị điện tử làm giảm đáng kể tính phức tạp phần cứng của mạng, nhưng sẽ làm tăng các hiệu ứng quang khác Mặc dù trên khía cạnh nào đó các kỹ thuật WDM mật độ cao sẽ đạt tới giới hạn của nó Sự truyền dẫn của vài trăm kênh trên một sợi quang cũng đã được kiểm chứng Nhờ có sự phát triển của công nghệ WDM, trong tương lai không xa sẽ xuất hiện các dịch vụ thông tin quang giá thành thấp tốc độ cao 1.2 Mô hình hệ thống WDM Mô hình hệ thống thông tin quang WDM được minh họa như hình 1.2 Giả sử hệ thống có N nguồn làm việc ở các bước sóng 1, 2… N Các tín hiệu quang được phát ra ở các bước sóng khác nhau này sau đó sẽ được ghép vào cùng một sợi quang nhờ bộ ghép kênh theo bước sóng Tín hiệu quang sau khi được truyền qua sợi quang đến phía thu sẽ được tách ra thành các kênh bước sóng riêng biệt nhờ bộ tách kênh theo bước sóng, và từng kênh bước sóng này sẽ được đưa đến các bộ thu quang để khôi phục lại dạng tín hiệu điện ban đầu