CÁC PHƯƠNG THỨC TÍCH HỢP IP TRÊN QUANG VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGN CỦA TỔNG CÔNG TY BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM chương 1 doc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI: CÁC PHƯƠNG THỨC TÍCH HỢP IP TRÊN QUANG VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGN CỦA TỔNG CƠNG TY BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM CHƯƠNG CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SĨNG Do hệ thống truyền dẫn thơng tin quang có nhiều ưu điểm trội hẳn hình thức thông tin khác như: băng thông rộng, tốc độ cao, khơng chịu ảnh hưởng sóng điện từ…nên thơng tin quang giữ vai trị việc truyền tín hiệu tuyến đường trục tuyến xuyên lục địa, vượt đại dương…Công nghệ tạo đà cho thông tin quang phát triển theo xu hướng đại kinh tế mạng viễn thơng Vì vậy, hệ thống truyền dẫn thơng tin quang dần thay hệ thống thông tin theo phương pháp truyền thống Ngày nay, với xuất hệ thống truyền dẫn thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM) dung lượng, tốc độ, băng thông…của hệ thống ngày nâng cao DWDM (ghép kênh theo bước sóng mật độ cao) bước phát triển WDM Nguyên lý tương tự WDM khác khoảng cách kênh bước sóng gần hơn, tức số kênh ghép nhiều Thông thường khoảng cách kênh ghép 0.4 nm (50GHz) Hiện người ta dùng WDM với nghĩa rộng bao hàm DWDM Trong chương trình bày cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng 2.1 Nguyên lý kỹ thuật WDM Hiện nay, kỹ thuật thông tin quang ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên, thời gian gần với phát triển Internet máy tính cá nhân phổ cập, xuất dịch vụ đa phương tiện cách mạng thông tin di động, thông tin cá nhân…dẫn đến bùng nổ thông tin Với hệ thống cáp quang lắp đặt từ trước nguồn tài nguyên dường cạn kiệt Yêu cầu đặt phải có giải pháp để khắc phục tượng Nếu phải lắp thêm đường cáp quang chi phí cao Mặt khác, đời loại nguồn quang laser bán dẫn có phổ hẹp cho phép phổ tia sáng nhỏ so với băng thơng sợi quang Về mặt lý thuyết, làm tăng dung lượng truyền dẫn hệ thống cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang sợi nguồn phát có phổ cách hợp lý đầu thu thu tín hiệu quang riêng biệt sử dụng tách bước sóng Và sở kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM Nguyên lý kỹ thuật WDM tín hiệu quang có bước sóng khác đầu phát ghép kênh truyền sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu gồm nhiều bước sóng đến từ sợi quang tách kênh để thực xử lý theo yêu cầu bước sóng Như vậy, WDM có nghĩa độ rộng băng quang liên kết tách thành vùng phổ cố định, không chồng lấn Mỗi vùng tương ứng với kênh có bước sóng λi Các kênh khác độc lập với truyền với tốc độ xác định Điều cho phép WDM xem hệ thống truyền dẫn mà tín hiệu truyền suốt dạng mã tốc độ bit 1 1 N N 1, 2 , ,N 1 1 N N 1, 2 , ,N 1 1 1, 2 , ,N N N ' 1 ' 1 ' 1 , '2 , , 'N  'N  'N Hình 2.1: a, Hệ thống WDM hướng b, Hệ thống WDM hai hướng Hình 2.1 mơ tả hai loại hệ thống WDM: hệ thống ghép kênh bước sóng hai hướng hai sợi khác (hệ thống WDM hướng) hệ thống ghép kênh bước sóng hai hướng khác sợi (hệ thống WDM hai hướng) Trong hệ thống WDM hướng, đầu phát thiết bị ghép bước sóng dùng để kết hợp bước sóng khác sau truyền sợi quang Tại đầu thu, thiết bị tách bước sóng tách bước sóng trước đưa tới thu quang Để truyền dẫn thơng tin hai hướng cần lắp đặt hai hệ thống WDM hướng ngược chiều Trong hệ thống WDM hai hướng, tín hiệu truyền theo hướng ' bước sóng  , 2 , ,  N hướng ngược lại bước sóng 1 , '2 , ,'N sợi quang Chúng thường thuộc hai vùng phổ khác gọi băng đỏ băng xanh Hệ thống WDM hướng phát triển ứng dụng tương đối rộng rãi Hệ thống WDM hai hướng yêu cầu công nghệ phát triển cao thiết kế gặp phải nhiều vấn đề can nhiễu nhiều kênh (MPI), ảnh hưởng phản xạ quang, cách ly kênh hai chiều, xuyên âm…Nhưng so với hệ thống WDM hướng, hệ thống WDM hai hướng giảm số lượng khuếch đại sợi quang 2.2 Các đặc điểm công nghệ WDM Cơng nghệ WDM có đặc điểm sau: ▪ Tận dụng tài nguyên dải tần rộng sợi quang Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng thông truyền dẫn to lớn sợi quang, làm cho dung lượng truyền dẫn sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần tới hàng trăm lần Do đó, giảm chi phí đầu tư Dùng cơng nghệ WDM ghép N bước sóng truyền dẫn sợi quang đơn mode truyền dẫn hồn tồn song cơng Do vậy, truyền dẫn thông tin đường dài với dung lượng lớn tiết kiệm số lượng lớn sợi quang Thêm vào khả mở rộng dung lượng cho hệ thống quang xây dựng Chỉ cần hệ thống cũ có độ dư cơng suất tương đối lớn tăng thêm dung lượng mà khơng cần thay đổi nhiều hệ thống cũ ▪ Có khả đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu Vì cơng nghệ WDM sử dụng bước sóng độc lập với nên truyền dẫn nhiều tín hiệu có đặc tính hồn tồn khác nhau, thực việc tổng hợp phân chia dịch vụ viễn thơng, bao gồm tín hiệu số tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phương tiện (thoại, số liệu, đồ hoạ, ảnh động…) ▪ Có nhiều ứng dụng Căn vào nhu cầu, cơng nghệ WDM có nhiều ứng dụng mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục nhiều đường, nhiều địa chỉ…Bởi thế, quan trọng ứng dụng mạng ▪ Giảm yêu cầu xử lý tốc độ cao cho số linh liện quang điện Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng nên tốc độ xử lý tương ứng nhiều linh kiện quang điện tăng lên theo không đáp ứng đủ Sử dụng cơng nghệ WDM giảm u cầu q cao tốc độ linh kiện mà đáp ứng dung lượng lớn ▪ Có khả truyền dẫn IP Sử dụng cơng nghệ WDM thiết lập kênh truyền dẫn số liệu (IP) Ghép kênh bước sóng khn dạng số liệu (IP) suốt, tức khơng có quan hệ với tốc độ tín hiệu phương thức điều chế tín hiệu xét phương diện điện Ghép kênh bước sóng biện pháp mở rộng phát triển mạng lý tưởng, cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng Chỉ cần dùng thêm bước sóng tăng thêm dịch vụ dung lượng mong muốn ▪ Có khả truyền dẫn hai chiều sợi quang ▪ Cấu hình mạng có tính linh hoạt, tính kinh tế độ tin cậy cao 2.3 Một số công nghệ then chốt 2.3.1 Nguồn quang Các phát quang thực chất laser diode Laser diode có khoang cộng hưởng Fabry – Perot tạo nhiều mode dọc không mong muốn Trái lại, laser đơn mode tạo mode dọc chính, cịn mode bên bị loại bỏ nên sử dụng để làm nguồn quang cho hệ thống WDM Các loại laser đơn mode phổ biến laser phản hồi phân bố (DFB), laser phản xạ Bragg phân bố (DBR) Bộ phát quang DFB DBR Cấu tạo khoang phát quang DFB, DBR khác với phát quang FP Nguyên lý chúng dựa nguyên lý phản xạ Bragg a) Nguyên lý phản xạ Bragg Khi chiếu ánh sáng lên mặt tiếp giáp hai mơi trường có phản xạ mang tính chu kỳ xuất phản xạ chu kỳ, phản xạ gọi phản xạ Bragg Mặt tiếp giáp hình sin khơng sin (chữ nhật, hình vng, hình tam giác…) Hình 2.2 thể ngun lý phản xạ Bragg Nếu sai pha tia phản xạ l, l’ l” bội số nguyên lần  u , tức là: A + B = m u (2.1) xảy tượng giao thoa Từ hình 2.2 ta thấy B = Asinθ nên (2.1) trở thành: A(1+ sinθ) = m u (2.2) Trong đó: + m: số ngun, thơng thường m = + λn: bước sóng mơi trường vật liệu, λn = λB/n + n: chiết suất vật liệu + λB: bước sóng khơng gian tự do, cịn gọi bước sóng Bragg + A: chu kỳ cách tử Công thức (2.1) điều kiện phản xạ Bragg Ý nghĩa vật lý là: Đối với A θ định, có λn thoả mãn (2.1) sóng quang có bước sóng λn giao thoa với sóng quang phản xạ 1” 1’  B B  A A Hình 2.2: Nguyên lý phản xạ Bragg b) Bộ phát quang DFB DFB gồm cách tử (còn gọi lưới nhiễu xạ) có cấu trúc chu kỳ đặt cạnh lớp hoạt tính gây phản xạ ánh sáng suốt chiều dài khoang cộng hưởng để loại bỏ mode khơng mong muốn Hình 2.3 thể mặt cắt dọc loại laser Khi có dịng điện vào phát quang, điện tử lỗ trống lớp hoạt tính tái hợp, xạ photon ánh sáng Các photon phản xạ cách tử, giống hình 2.2, khác θ = π/2 Lúc này, tia tới tia phản xạ ngược chiều công thức (2.2) trở thành: A = mλn/2 (2.3) Tín hiệu điện Màng AR Lớp kim loại Cách tử Lớp kim loại tiếp xúc toả nhiệt Đầu quang Lớp N-InP Lớp hoạt tính Hình 2.3: Mặt cắt dọc laser DFB Những tín hiệu có bước sóng thoả mãn cơng thức phản xạ mạnh Công thức (2.3) gọi điều kiện phân bố phản hồi So với phát quang F-P, DFB có hai ưu điểm sau: + Dao động đơn mode dọc dải hẹp: chu kỳ cách tử A phát quang DFB nhỏ nên hình thành khoang cộng hưởng kiểu nhỏ, làm tăng hệ số tăng ích mode mode biên, từ dải phổ hẹp so với phát quang FP + Bước sóng có tính ổn định cao: lưới quang DFB giúp cho việc chốt bước sóng cho trước, trơi nhiệt cỡ 0.8Ǻ/oC, tốt nhiều so với F-P c) Bộ phát quang DBR Laser DBR có cấu trúc tương tự laser DFB, khác DBR có cấu trúc nhiễu xạ bên khoang cộng hưởng Với cấu trúc vậy, khoang laser khoang phản xạ Bragg hoàn tồn độc lập Hình 2.4 thể mặt cắt laser loại Tín hiệu điện Lớp kim loại tiếp xúc toả nhiệt Đầu quang Bộ phản xạ Bragg Lớp hoạt tính Hình 2.4: Mặt cắt dọc laser DBR Bộ phát quang DBR hoạt động dựa nguyên lý phản xạ Bragg có đặc điểm tương tự phát quang DFB, có số điểm khác biệt nhỏ cần lưu ý: (i) Vật liệu chế tạo DBR khó khăn DFB khơng thiết địi hỏi ghép cơng suất vùng thụ động vùng tích cực (ii) Đặc tính phụ thuộc nhiệt độ khác nhau, nhiệt độ tăng DBR có chuyển đổi từ mode qua mode khác cịn DFB thể tính ổn định nhiệt độ dải rộng 2.3.2 Bộ tách ghép bước sóng quang Về mặt ngun lý, cấu trúc tách ghép có tính thuận nghịch, ghép bước sóng dùng làm tách bước sóng cách đơn thay đổi hướng tín hiệu đầu vào Vì vậy, lấy ghép bước sóng để phân tích Có nhiều cách để phân loại thiết bị ghép bước sóng Theo cơng nghệ chế tạo chúng chia làm hai loại chính: thiết bị vi quang thiết bị WDM ghép sợi Thiết bị vi quang Các thiết bị vi quang chế tạo theo hai cơng nghệ khác nhau: thiết bị có lọc thiết bị phân tán góc Các thiết bị có lọc hoạt động mở cho bước sóng (hoặc nhóm bước sóng) thời điểm, nhằm để tách bước sóng nhiều bước sóng Để thực thiết bị hồn chỉnh sử dụng cho nhiều kênh phải tạo cấu trúc lọc theo tầng Các loại lọc trình bày phần 2.3.3 Cấu trúc sử dụng phần tử phân tán cho phép đồng thời đưa tất bước sóng Chùm tín hiệu quang đầu vào chuẩn trực đập vào thiết bị phân tán, thiết bị phân tán tách kênh khác tuỳ theo bước sóng chúng tạo thành chùm theo góc khác Các chùm đầu tách hội tụ nhờ lăng kính đưa vào sợi dẫn quang riêng rẽ Các phần tử phân tán góc sử dụng cách tử, lăng kính Hình 2.5 mơ tả tách hai bước sóng quang: Tín hiệu WDM gồm hai bước sóng tới lăng kính trực chuẩn, sau tách cách tử chúng hội tụ để vào hai ống dẫn sóng riêng Các thiết bị vi quang sử dụng phù hợp với hệ thống truyền dẫn đa mode, chúng cho phép tách ghép đồng thời nhiều bước sóng khác Nhưng chúng lại khó sử dụng cho sợi đơn mode ánh sáng phải qua giai đoạn phản xạ, hội tụ…từ dẫn tới quang sai, trễ tạo suy hao tín hiệu thiết bị Thấu kính Cách tử 1 1, 2 2 Hình 2.5: Thiết bị phân tán góc Thiết bị ghép sợi Các thiết bị ghép sợi có cấu trúc dựa việc ghép hai trường ánh sáng phía ngồi lõi Chúng cịn gọi coupler quang Phía phát kết hợp tín hiệu quang vào từ tuyến khác thành tín hiệu quang đầu truyền sợi Phía thu, tách cơng suất quang sợi vào để phân phối cho hai nhiều sợi Vì thế, để tách bước sóng khác sau sợi phải có lọc bước sóng trình bày mục 2.3.3 Hình 2.6: Thiết bị ghép sợi Chùm ánh sáng đầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố: khoảng cách lõi sợi, số chiết suất vật liệu giữa, đường kính lõi sợi, độ dài tương tác bước sóng ánh sáng Khi số lượng kênh ghép tăng lên phải xử lý cấu hình rẽ nhánh tách (ghép) liên tiếp Các thiết bị ghép sợi phù hợp với hệ thống truyền dẫn đơn mode Hình 2.6 ghép bốn bước sóng sử dụng thiết bị ghép sợi 2.3.3 Bộ lọc quang Bộ lọc màng mỏng điện môi nhiều lớp Bộ lọc quang sử dụng thiết bị WDM thường lọc màng mỏng điện môi, làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu dải phổ cho phần dải phổ cịn lại qua, thuộc loại lọc bước sóng cố định Cấu trúc lọc gồm khoang cộng hưởng điện môi suốt, hai đầu khoang có gương phản xạ thực nhờ nhiều lớp màng mỏng điện mơi có chiết suất cao thấp xen kẽ Vì vậy, chiết suất lớp điện môi suốt (n3) thấp chiết suất lớp màng mỏng điện môi (n1 = 2.2 (TiO2), n2 = 1.35 (MgF2) 1.46 (SiO2)) Thiết bị lọc băng hẹp, cho qua bước sóng riêng phản xạ bước sóng khác Bước sóng lọt qua lọc xác định chiều dài khoang cộng hưởng Chiều dài khoang bội số ngun lần nửa bước sóng cơng suất bước sóng đạt cực đại đầu lọc Để lọc bước sóng cách xác, loại bỏ đa số bước sóng xung quanh sử dụng lọc nhiều khoang cộng hưởng Bộ lọc gồm hai nhiều khoang tách biệt lớp màng mỏng điện môi phản xạ Số khoang nhiều đỉnh hàm truyền đạt phẳng sườn dốc Cả hai đặc tính lọc cần thiết Cấu trúc lọc màng mỏng điện mơi nhiều khoang cộng hưởng thể hình 2.7 n1 Khoang n2 n3 Khoang Khoang … Bộ phản xạ điện môi Lớp điện môi suốt Hình 2.7: Bộ lọc màng mỏng điện mơi có nhiều khoang cộng hưởng Bộ lọc Fabry – Perot Các lọc bước sóng điều chỉnh thường ngoại suy từ cấu trúc laser điều chỉnh (điều hưởng) Bộ lọc khoang cộng hưởng Fabry – Perot tạo thành hai gương phản xạ đặt song song với hình 2.8 Đây loại lọc điều chỉnh Tia sáng vào qua gương thứ nhất, đầu mặt gương thứ hai Do thiết bị thường chế tạo từ chất bán dẫn để đạt kích thước nhỏ Khi này, gương tạo thành nhờ chênh lệch chiết suất lớp bán dẫn.Việc điều chỉnh chọn lựa bước sóng thực cách: điều chỉnh chiều dài khoang cộng hưởng (khoảng cách hai gương), chiết suất môi trường điện môi khoang cộng hưởng nhờ điện áp ngồi Hình 2.8: Bộ lọc Fabry - Perot 2.3.4 Bộ đấu nối chéo quang OXC ● Chức OXC Chức OXC tương tự chức DXC mạng SDH, khác thực miền quang, không cần chuyển đổi O/E/O xử lý tín hiệu điện OXC phải hồn thành hai chức sau: + Chức nối chéo kênh quang: thực chức kết nối N cổng đầu vào tới N cổng đầu + Chức xen/rẽ đường chỗ: chức làm cho kênh quang tách để vào mạng địa phương sau trực tiếp vào DXC SDH thông qua biến đổi O/E Có thể phân biệt chức đấu nối chéo với chức chuyển mạch là: đấu nối chéo kết nối bán cố định điều khiển nhà khai thác thường thực mức tín hiệu ghép kênh theo thời gian VC-n; chuyển mạch kết nối tạm thời điều khiển người sử dụng ● Kết cấu điểm node OXC Cấu tạo OXC có thành phần chính: ♦ Bộ tách kênh chia bước sóng quang đầu vào: thực tách kênh quang theo bước sóng khác từ sợi quang vào khác ♦ Ma trận chuyển mạch: thực đấu nối chéo từ kênh quang đầu vào tới kênh quang đầu Trường chuyển mạch chuyển mạch chia thời gian chuyển mạch chia bước sóng trình bày mục sau ♦ Bộ ghép kênh chia bước sóng quang đầu ra: thực ghép kênh quang từ đầu tương ứng trường chuyển mạch để truyền dẫn sợi quang Ngồi thành phần OXC cịn trang bị lọc bước sóng để loại bỏ thành phần xuyên nhiễu xuất q trình truyền tín hiệu Biến đổi bước sóng cơng nghệ then chốt cấu tạo OXC Nhờ cơng nghệ thực kết nối định tuyến ảo, giảm nghẽn mạng, tận dụng tối đa tài nguyên sợi quang bước sóng… Tách kênh N Bộ chuyển mạch quang λ1, λ2,…, λM λ2 λ1, λ2,…, λM λ1, λ2,…, λM λ1 λ1, λ2,…, λM Ghép kênh λM Added λ1, λ2,…, λM λ1, λ2,…, λM N Dropped Hình 2.9: Sơ đồ mạch OXC Tuỳ theo OXC có cung cấp chức biến đổi bước sóng hay khơng mà chia kênh quang thành kênh bước sóng (WP) hay kênh bước sóng ảo (VWP) WP nghĩa kênh quang liên kết có bước sóng giống tồn đường tuyền dẫn từ đầu cuối đến đầu cuối Vì vậy, để có kết nối u cầu phải có bước sóng rỗi chung cho tất liên kết Nếu không thoả mãn điều kiện dù liên kết khơng tạo kênh u cầu VWP cho phép đoạn ghép kênh bước sóng khác chiếm bước sóng khác nhờ vào chức biến đổi bước sóng OXC Từ đó, lợi dụng bước sóng rỗi đoạn ghép để tạo thành kênh quang Ưu điểm VWP so với WP: + Xác suất thiết lập kênh quang cao + Nâng cao hiệu suất sử dụng bước sóng + Khả định tuyến cao + Thực điều khiển đơn giản việc phân phối bước sóng thực bước điểm node Tuy nhiên, cấu trúc mạng phức tạp, có nhiều tuyến liên kết hai node Vì vậy, phải có thuật tốn chọn đường phân phối bước sóng hữu hiệu vào topo mạng trạng thái hành ● Phân loại Điểm node OXC chia thành: điểm node OXC tĩnh điểm node OXC động Trong điểm node OXC tĩnh, trạng thái nối vật lý tín hiệu kênh quang khác cố định Như vậy, dễ thực mặt công nghệ mạng không linh hoạt Trong điểm node OXC động, trạng thái nối vật lý tín hiệu kênh quang thay đổi tuỳ theo yêu cầu tức thời Nó thực gần giống với chức chuyển mạch yêu cầu lại nhà cung cấp Tuy khó khăn mặt cơng nghệ tiền đề tất yếu để thực nhiều chức then chốt mạng thông tin quang WDM như: định tuyến động, khôi phục tái tạo cấu hình theo thời gian thực, mạng tự khôi phục… ... N N ? ?1, 2 , ,N ? ?1 ? ?1 N N ? ?1, 2 , ,N ? ?1 ? ?1 ? ?1, 2 , ,N N N '' ? ?1 '' ? ?1 '' ? ?1 , ''2 , , ''N  ''N  ''N Hình 2 .1: a, Hệ thống WDM hướng b, Hệ thống WDM hai hướng Hình 2 .1 mơ tả hai loại hệ... nghẽn mạng, tận dụng tối đa tài nguyên sợi quang bước sóng… Tách kênh N Bộ chuyển mạch quang ? ?1, λ2,…, λM λ2 ? ?1, λ2,…, λM ? ?1, λ2,…, λM ? ?1 ? ?1, λ2,…, λM Ghép kênh λM Added ? ?1, λ2,…, λM ? ?1, λ2,…, λM... + A: chu kỳ cách tử Công thức (2 .1) điều kiện phản xạ Bragg Ý nghĩa vật lý là: Đối với A θ định, có λn thoả mãn (2 .1) sóng quang có bước sóng λn giao thoa với sóng quang phản xạ 1? ?? 1? ??  B B 