Nghiên cứu phương pháp cải thiện hiệu năng trong hệ thống WDM-PON sử dụng RSOA

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG *****************************#%

DO VĂN KIÊN

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN

HIỆU NANG TRONG HE THONG WDM-PON SỬ

DUNG RSOA

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã ngành: 60.52.02.08

HÀ NỘI - 2015

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:

TS NGUYÊN ĐỨC NHÂN

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn thạc sĩ tại:

Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông,

vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thê tìm hiệu luận án tại:

- Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, nhu cầu về thông tin phát triển rất mạnh trên toàn cầu cũng như trong ở phạm vi các quốc gia Dé đáp ứng được yêu cầu đòi hỏi

thông tin ngày càng cao và đa dạng của khách hàng thì vấn đề về mặt băng thông là vô cùng quan trọng, phải tạo một đường truyền băng thông rộng, tốc độ cao và

hạn chế để xảy ra tắc nghẽn Đề tạo băng thông đủ lớn, một giải pháp đã được đưa ra là sử dụng truy nhập quang vì chỉ có sợi quang mới đảm bảo tốc độ vài chục Mbps

tới vài Gbps Trên thế giới đã sử dụng khá phổ biến mạng truy nhập quang, còn ở

Việt Nam thi đã bắt đầu phát triển.

Việc sử dụng WDM được xem là công nghệ quan trọng và hiệu quả nhất cho đường truyền dẫn Với công nghệ WDM, nhiều kênh quang, thậm chí tới hàng ngàn kênh quang, truyền đồng thời trên một sợi, trong đó mỗi kênh quang tương ứng một hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ nhiều Gbps Trong tất cả các mạng quang thụ động trên thì WDM-PON sé là công nghệ hứa hẹn nhất cho các mạng truy nhập vì nó cung cấp băng thông rất lớn Giải pháp WDM PON đang trong quá trình nghiên cứu để hình thành chuẩn, và bước đầu được áp dụng thử nghiệm Hứa hẹn công nghệ này rất phát triển trong tương lai,và các nhà phát triển công nghệ đang tập trung vào làm thé nào dé giảm được giá WDM-PON va nâng cao hiệu qua sử dụng băng tần sợi quang Vì vậy em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu phương pháp cải thiện hiệu năng trong hệ thống WDM-PON

sử dụng RSOA” làm nội dung nghiên cứu luận văn cao học của mình.

Đề tài: “Nghiên cứu phương pháp cải thiện hiệu năng trong hệ thống WDM-PON sử dụng RSOA” được trình bày với bố cục như sau :

* ChươngL : Tổng quan về hệ thống WDM-PON

s* Chương II : Kĩ thuật tái điều chế sóng mang sử dụng RSOA

s* Chương III : Phương pháp cải thiện hiệu năng trong WDM-PON

CHƯƠNG I: TONG QUAN VE CÁC HỆ THONG

Dé đáp ứng được sự phát triển rat nhanh của lưu lượng internet cùng với nhu cau cho các dịch vụ ngày càng da dạng, như HDTV, game, hội nghị truyền hình Một kiến trúc mới là rat can thiết, phải dam bảo băng thông đủ lớn thì mới có thé đáp ứng

được WDM-PON có thể khắc phục được những hạn chế của các mạng PON khác vì

nó đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của nhà cung cấp dich vụ cũng như về phía khách hàng Chỉ tiết về công nghệ này được trình bày dưới đây.

1.1 Giới thiệu về PON

Mạng quang thụ động PON (Passive Optical Netwwork) là một công nghệ truy nhập giúp mở rộng kết nối giữa các nút mạng truy nhập của nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng PON đã có một lịch sử khá phong phú Trong những năm 1990 công

nghệ PON lần đầu tiên được biết tới là TPON (Telephony PON) Những năm sau đó mạng APON và BPON được chuẩn hóa dựa trên nền ATM Năm 2003 và 2004 đánh dấu một bước tiến mới, đó là sự ra đời của của công nghệ PON dựa trên nên Ethernet (EPON) và Gigabit PON (GPON) Với sự ra đời của hai công nghệ này, có thể xem bắt đầu từ đây các nhà cung cấp dịch vụ đã có những cơ hội mới đề giải quyết các vấn đề truy nhập băng thông rộng tới người sử dụng Kế thừa những tính năng vượt trội của hai công nghệ này, GEPON ra đời Những năm sau này PON được phát triển lên một tầm cao mới với sự ra đời của WDMPON WDMPON là một giải pháp hứa hẹn cho khả năng nâng cao hiệu năng hệ thống như tăng cường độ bảo mật, băng thông

cao hơn, suy hao công suất nhỏ hơn [1]

APON là su kết hop giữa phương thức truyền tải không đồng bộ ATM với

mạng truy nhập quang thụ động PON.

Mạng APON sử dụng công nghệ ATM là giao thức truyền tin Công nghệ ATM cung cấp sự mềm dẻo theo khái niệm độ trong suốt dịch vụ và phân bổ băng tan, ngoài ra còn có những tính năng rất hữu ích cho hoạt động khai thác và bảo đưỡng các kết nói từ đầu cuối đến đầu cuối nhờ đó giảm được chi phí hoạt động của mạng.

1.2.1 Kiến trúc phân lớp APON

Mô hình phân lớp mạng ATM gồm có lớp môi trường truyền dẫn và lớp

đường, lớp môi trường truyền dẫn phân chia thành lớp môi trường vật lý và lớp hội tụ

truyền dẫn

Trong mạng ATM-PON lớp đường tương ứng với lớp đường ảo của lớp ATM

Lớp dưới cùng là lớp phương tiện vật lý thực hiện giao tiếp với phần quang của mạng (hay chính là mang phân phối quang ODN) Lớp này thực hiện các chức năng: chuyền đổi điện-quang, nhận/truyền các tín hiệu đến/đi ở phương tiện vật lý tại một trong ba bước sóng quang (1310, 1490, 1550nm), kết nối với sợi quang của ODN Cấu trúc của lớp tuân theo tập các tham số quang điện đã được chuẩn hóa.

1.3B-PON

1.3.1 Tổng quan hệ thông B-PON

Lược đồ hệ thống B-PON chúng bao gồm OLT, PON và ONT OLT có chức

năng (1) hỗ trợ các giao diện B-PON, (2) tương thích lưu lượng giao diện user cho

truyền tải thông qua B-PON.

Hinh 1.4 Hé thong B-PON chung.

1.3.2 Thiết bị đầu cuỗi đường quang

OLT là Hub của mạng PON, và là phần quan trọng nhất của mạng Hầu hết OLT đều dựa trên ghép kênh ATM trung tâm hoặc thiết kế Switch, trong đó, switch kết hợp với tất cả các PON được hỗ trợ theo một giao diện kết nối mạng core, như hình 1.5 Việc thiết kế này làm giảm số giao diện switch cần thiết và cho phép ghép kênh thống kê các dòng lưu lượng người dùng Trong trường hợp sau, mỗi switch theo bảo vệ 1+1, đó chính là lý do vì sao có hai switch và mỗi switch đều có kết nối độc

lập tới mỗi giao diện đường dây.

1.3.3 Mạng quang thụ động (PON)

Mạng quang thụ động bao gồm chuẩn cáp quang đơn mode (ITU-T G.652), bộ chia quang theo bước sóng, bộ lọc WDM, và các thiết bị khác của bộ kết nối và bộ

Hình 1.6 Thiết kế mạng PON thực tế

1.3.4 Đầu cuỗi mạng quang

ONT là gateway khách hàng tới mạng quang, và chịu trách nhiệm dé tạo tat cả các dịch vụ mà khách hàng yêu cầu Do đó, nó hướng tới các thiết bị khá phức tạp mà có thể bao gồm một số lượng lớn các giao diện và giao thức Mặt khác, ONT được thiết kế cho một số thuê bao nhỏ hơn rất nhiều lần Nó yêu cầu ONT không quá dat dé dễ dàng bảo trì Sự xung đột giữa hiệu năng và giá thành ONT là yếu tố quan trọng nhất của sự phát trién PON, và vẫn là điểm mau chốt của hệ thống PON ngày nay.

1.4.1 Kiến trúc EPON

Kiến trúc IEEE 802 cho rang tất cả mọi trạm truyền thông trong từng phan của một mạng LAN đều được kết nói tới một thiết bị dùng chung Trong một thiết bị dùng

chung, tất cả các trạm đều được coi như thuộc về một phạm vi truy nhập đơn, ở đây phần lớn các trạm có thé phát tín hiệu ở một thời gian và tất cả các trạm khác có thể

nhận tín hiệu trong toàn bộ khoảng thời gian đó.

Những vùng đa truy nhập có thé được nối liền với nhau bằng một thiết bị được gọi là bridge Những bridge lựa chọn chuyền tiếp những gói tin dé tạo ra một cấu trúc của mạng LAN bao gồm toàn bộ các vùng truy nhập Việc lựa chọn chuyền tiếp sẽ ngăn chặn việc truyền dẫn một gói tin trong những vùng mà không chứa bất cứ một trạm đích của gói tin này Cầu nối của nhiều LAN được sử dụng mở rộng dé cung cấp khả năng quản lý độc lập của những vùng truy nhập, dé tăng số trạm hoặc phạm vi vật lý của một mạng xa hơn giới hạn của những phần LAN riêng biệt và đề cải thiện số

lượng đầu vào.

Trong EPON có những cấu hình như sau :

e_ Mô hình cấu hình điểm điểm (P2PE).

e Mô hình chia sẻ phương tiện (SME)

© Mô hình kết hợp P2PE va SME e Giải pháp cuối cùng

1.4.2 Mô hình ngăn xếp EPON

Ngăn xếp của EPON đã có một sự thay đổi lớn so với Ethernet 802.3 ban đầu bởi vì những những chuẩn cấu hình của các PON Ở lần xuất bản trước của chuẩn 802.3 đã sử dụng cấu hình điểm - điểm (P2P) mà ở đây các mạng PON yêu cau cấu hình điểm - đa điểm (P2MP) Ngăn xếp EPON mới với một sự thích ứng cho P2MP Ở đây có bé sung lớp điều khiển MAC đa điểm.

1.4.3 Giao thức EPON

Dé xử lý các yêu cầu về lưu lượng trong luồng lên, EPON sử dụng giao thức điều khiển đa điểm MPCP Đây là giao thức dựa trên việc truyền các khung, dựa trên việc truyền các bản tin điều khiển lớp MAC 64 byte Các bản tin này kết hợp với lưu

lượng đường xuống dé cung cấp việc truyền dẫn tùy ý cho các khung Ethernet 802.3.

Các chức năng của MPCP là :

e Yêu cầu và phân bồ băng tan e Thỏa thuận các tham số

© Quản lý và định thời luồng xuống từ các ONU dé tránh đụng độ

e_ Sắp xếp và tôi ưu hóa các khe thời gian luồng xuống dé giám sát độ trễ

e Tu động khôi phục va đăng ky các ONU

1.5 GPON

1.5.1 Kién tric GPON

ITU-T G.984.1 đưa ra cái nhìn tổng quan về lớp cao của các linh kiện G-PON và kiến trúc tham khảo Lớp G-PON PMD hay các yêu cầu truyền nhận đều thuộc chuẩn ITU-T Giống như APON, G-PON cũng định nghĩa cáp đơn, và cáp đôi PMD.

Tốc độ bit được định nghĩa trong G.984 là:

e Dòng xuống 1244.16 Mbps/ 2488.32 Mbps

e Dòng lên: 155.52 Mbps/ 622.08 Mbps/ 1244.16 Mbps/ 2488.32 Mbps.

1.5.2 Lớp hội tu truyền dẫn G-PON

Chức năng chính của lớp hội tụ truyền dẫn G-PON (GTC) là cung cấp ghép kênh giữa OLT và ONU Các chức năng khác cung cấp bởi GTC gồm:

e Thích nghi các giao thức tín hiệu tai client.e Chức nang OAM lớp vật lý (PLOAM).

e Giao diện cấp phát băng tần động (DBA)

e Su đăng ký và định khoảng cách ONU.

e Hiệu chỉnh lỗi trước (Tùy chọn)

e© Mã hóa dữ liệu dòng xuống (Tùy chon) e Kênh truyền thông cho OMCI

1.6 CÔNG NGHỆ WDM_PON

1.6.1 Xu hướng công nghệ PON thé hệ mới

1.6.1.1 Khái niệm

Ghép kênh phân chia theo không gian SDM (Space Devision Multiplexing):

đơn giản và không cần sự phát triển công nghệ, chỉ đơn thuần là tăng số lượng sợi quang, tốc độ truyền dẫn vẫn giữ nguyên Khi khoảng cách truyền lớn, chi phí sẽ vụt

tăng do mỗi hệ thống lắp thêm đều cần một số lượng bộ lặp, bộ khuyếch đại như hệ

thống cũ.

Ghép kênh phân chia theo thời gian TDM (Time Devision Multiplexing):

tăng tốc độ truyền dẫn (bit) lên trên sợi quang Các kết quả nghiên cứu cho thấy TDM có thể ghép được các luồng 10Gbps thành luồng 250Gbps Nhưng khi đó,

truyền trên sợi quang sẽ vấp phải các van đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn như tán sắc & phi tuyến.

Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Devision

Multiplexing): ghép thêm nhiều bước sóng để có thể truyền trên một sợi quang,

không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng.

1.6.2 WDM-PON

1.6.2.1 Giới thiệu

Một mạng quang thụ động được xem xét như là một công nghệ truy nhập băng

rộng hap dẫn dé giải quyết van đề tắc nghẽn mạng Một PON, nói chung, sử dụng truyền dẫn quang thụ động điểm tới điểm gồm bộ phận mạng : feeder và phân phối.

Gitta đoạn feeder và đoạn phân phối, sử dụng một nút đầu xa (RN), thường là một bộ

ghép hình sao thụ động, dé cài đặt bộ chia công suất tại truyền dẫn đường xuống và

phối hợp các luông dữ liệu quang đường lên từ các người sử dụng Đầu khác của đoạn feeder, thường là cáp quang dai, được nối tới thiết bi đầu cuối đường dây quang (OLT) đặt tại cơ quan trung tâm (CO), trung tâm này cung cấp liên kết giữa PON và mạng đường trục chính OLT phân phối các dịch vụ qua feeder quang dài và đoạn

phân phối cau hình hình sao thụ động tới nhiều đơn vị mạng quang (ONU), được đặt ở phía cuối người dùng hoặc đường.

1.6.2.2 Ưu điểm và nhược điểm của WDM PON

WDM PON mang lại những ưu thế quan trọng : e Bang thông đảm bảo lớn.

e Tốc độ bít độc lập.

e Tính trong suốt giao thức e Nâng cấp dé dàng.

e Chất lượng dịch vụ cao.

e Tính riêng tư và bao mật cao nhờ sử dụng kết nối điểm tới điểm.

Tuy nhiên một vấn đề quan trọng là giá cả của WDM PON còn cao nên việc triển khai trong thực tế gặp khó khăn Trong tương lai khi mà nhu cầu sử dụng các dịch vụ chất lượng cao ngày càng tăng thi WDM PON là giải pháp không thé không xem xét đến.

1.6.2.3 Hướng phát triển 1.7 Kết luận chương 1

Chương này giới thiệu tổng quan về các công nghệ PON: về đặc điểm kĩ thuật, lịch sử phát triển, về tình hình chuẩn hóa của các mạng quang thụ động ,trinh bày chỉ tiết

về các kiến trúc và các giải pháp mạng của WDM-PON đã được đề xuất bởi các công

ty viễn thông qua nhiều năm Trong các kiến trúc này, đã tận dụng chức năng của

thiết bị để tạo nên một WDM-PON hợp lí hơn trong đường truyền hướng lên cũng

như hướng xuống Từ đó, chương đã đưa ra các giải pháp nhằm làm giảm chỉ phí về

phía khách hàng.

CHUONG II: KỸ THUẬT TAI DIEU CHE SÓNG MANG

SU DUNG RSOA

Trong chương này ta sé di tim hiểu về bộ khuếch đại quang bán dẫn phản xa RSOA, kĩ thuật tái điều chế sóng mang ở ONU sử dụng RSOA và một số van dé gặp

phải khi sử dụng kĩ thuật này.

2.1 Bộ khuếch đại quang phản xạ bán dẫn (RSOA) 2.1.1 Giới thiệu về RSOA

Sơ đồ khối một bộ khuếch đại quang bán dẫn được minh họa trong hình 2.1 RSOA được điều khiển bởi dòng điện, vùng tích cực trong RSOA khuếch đại ánh sáng đầu vào nhờ quá trình phát xạ kích thích Tín hiệu đầu ra bao gồm cả nhiễu tự phát được khuếch đại (ASE) do quá trình khuếch đại gây ra.

Các biên với Dòng tiêm Dãy dẫn dòng

2.1.2 Nguyên tắc cơ bản của RSOA

Dé thực hiện các mô hình phù hợp dé phân tích tĩnh một số giả định đã được thực hiện và đơn giản hóa đã được giới thiệu Vì, như một bộ điều biến, các RSOA

chủ yếu được chiếu sáng bởi một nguồn quang CW, các vật chất được cho là thay

đôi tuyến tính với mật độ hạt tải nhưng không phụ thuộc bước sóng Khi dòng

dién duoc diéu ché trong một RSOA, mật độ hạt tải và mật độ photon được thay đổi theo thời gian và vị trí Điều này là do sự truyền sóng quang học và sự tương tác hạt tải/photon Sự thay đổi mật độ hạt tải được giới thiệu trong các mô hình bang cách chia tổng chiều dài thiết bị thành các phần nhỏ hơn Đối với mỗi phần mật độ hạt tải được giả định là không thay đổi theo hướng dọc Hình 2.3 là mô hình thuộc về phần sơ bộ Nó bao gồm các công đại diện cho các đầu vào và đầu ra mật độ photon (phía trước và phía sau), đầu vào và đầu ra khuếch đại phát xạ tự phát (về phía trước và phía sau), mật độ hạt tải dòng điện đầu vào.

Hình 2.3 RSOA đại diện sơ bộ cho mô hình số

2.2 Kỹ thuật tái điều chế sóng mang ở ONU sử dụng RSOA 2.2.1 Nguyên lý tái điều chế sử dụng RSOA

Các RSOA có thể được sử dụng như một bộ khuếch đại Điều này cho phép

tăng thêm khả năng dé tránh việc sử dụng một sợi pha tap Erbium Amplifier (EDFA) trong hệ thống Nó không phải là như được biết đến, tuy nhiên, do tính chất của nó cho phép nó tăng cao hơn so với SOA và phi tuyến tăng của nó cũng cho chuyên đổi bước sóng Bộ khuếch đại bán dẫn quang học phản chiếu cung cấp

hiệu suất tối ưu hóa cao cho các ứng dụng WDM PON Nó có khả năng cung cấp 20 dB đạt được, các bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) có thể được điều chế ở tốc độ lên đến 1,5 GB / s cung cấp thiết bị truyền dit liệu quang học bước sóng nhanh nhẹn cho các khách hàng trong (FTTH / FTTP) kiến trúc truy cập mạng mà

không có sự chi phí của một nguôn bước sóng.

Các RSOA là một chi phí hiệu quả kế từ khi nó thực hiện các chức năng của không chỉ điều biến (không cần nguồn laser địa phương), mà còn khuếch đại Nó xem xét các khả năng cảm nhận sự khác biệt về điện áp sản xuất tại các điện cực phân cực một chiều của các đơn phần SOA Giá trị của bơm hiện tại trong RSOA được coi là một tín hiệu đầu vào cho phép điều chế của các tín hiệu quang học của

SOA [8]

2.2.2 Các cấu trúc mang PON sử dung kỹ thuật tái điều chế

* Điều chế trực tiếp RSOA

Các thiết kế được đơn giản hóa hình thức CO và ONU kết nối thông qua một

sợi quang 100km Các bộ lọc quang hoc mô hình hiệu ứng lọc cua AWG trong một

mạng PON thực tế Tại CO, máy phát hướng xuống tạo ra tín hiệu 1550nm, tín hiệu

2.5Gbps Manchester Tuyến đường ONU tín hiệu hướng xuống dé cả bộ thu và RSOA dựa phát hướng lên Một mã hóa 2.5Gbps Manchester điều chỉnh các RSOA, hiệu quả, ghi đè lên các tín hiệu hướng xuống Máy phát sau đó gửi tín hiệu ngược dòng qua 100km cùng của sợi để nhận của CO Optisystem mô phỏng toàn bộ thiết kế hai chiều , đầu tiên truyền hướng xuống và sau đó truyền hướng lên Hiệu quả phụ thuộc vào khả năng của RSOA để tái điều chế tín hiệu hướng xuống với các tín hiệu ngược dòng mới Hướng tới kết thúc này lọc qua cao của RSOA, mà là rõ rệt hơn ở đầu vào , giúp ngăn chặn các tín hiệu hướng xuống Khi