Tìm hiểu về công nghệ WDM và ứng dụng luận văn tốt nghiệp đại học

Trêng §¹i häc vinh Khoa §IÖN Tö VIÔN TH¤NG =====  ===== §å ¸N tèt nghiÖp §¹I HäC §Ò tµi: t×m hiÓu vÒ c«ng nghÖ wdm vµ øng dông Gi¶ng viªn híng dÉn : ThS lª ®×nh c«ng Sinh viªn thùc hiÖn : nguyÔn träng léc Líp : 47k - ®tvt Vinh, 2011 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1 Hệ thống thông tin quang 3 1.1 Khái niệm chung về hệ thống thông tin quang 3 1.1.1 Sự phát triển của thông tin quang 4 1.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang .5 1.1.3 Ưu nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang 5 1.2 Phân loại hệ thống thông tin quang 6 1.2.1 Phân loại theo dang tín hiệu .6 1.2.2 Phân loại theo phương pháp …………………………………………6 1.2.3 Phân loại theo tốc độ và cự ly truyền dẫn 7 1.3 Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang 7 1.3.1 Sợi quang 7 1.3.2 Thiết bị phát quang 15 1.3.3 Thiết bị thu quang .16 1.3.4 Các trạm lặp 18 1.3.5 Các trạm xen/rẽ kênh 19 1.4 Các tham số của hệ thống thông tin quang 19 1.5 Kết luận 21 Chương 2 Tổng quan về hệ thống WDM 22 2.1 Cơ sở kỹ thuật WDM 22 2.1.1 Giới thiệu chung 22 2.1.2 Các công nghệ dùng trong mạng thông tin quang 23 2.1.3 Hệ thống thông tin quang nhiều kênh .26 2.1.4 Nguyên lý cơ bản của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM 27 2.1.5 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM .31 2.2 Một số tham số kỹ thuật trong WDM 32 2.2.1 Suy hao xen 32 2.2.2 Suy hao xuyên kênh 33 2.2.3 Độ rộng kênh và khoảng cách giữa các kênh 34 2.3 Các thiết bị quang thụ động trong WDM .39 2.3.1 Các thiết bị WDM vi quang .41 2.3.2.Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc 46 2.4 Kết luận chương 57 Chương 3 Một số vấn đề công nghệ then chốt trong WDM 58 3.1 Ổn định bước sóng của nguồn quang 58 3.2 Ảnh hưởng của tán sắc sợi quang đối với truyền dẫn 59 3.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến .62 3.3.1 Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering) 62 3.3.2 Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering) 64 3.3.3 Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) 65 3.3.4 Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation) 66 3.3.5 Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) 67 3.3.6 Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 68 3.4 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA và một 69 3.4.1 Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA 69 3.4.2 Tăng ích bằng phẳng của EDFA .71 3.4.3 Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA 72 3.5 Kết luận chương 73 Chương 4 Ứng dụng của hệ thống WDM .74 4.1 Ứng dụng WDM trong mạng truyền dẫn…………… 74 4.1.1 Tuyến truyền dẫn điểm - điểm dung lương cao 74 4.1.2 Mạng quảng bá 77 4.2 Ứng dụng của WDM trong mạng đa truy nhập 80 4.2.1 Mở đầu 80 4.2.2 Mạng WDMA đơn chặng 82 4.2.3 Mạng WDM đa chặng 84 4.3 Ứng dụng của wdm trong mạng chuyển mạch quang 87 4.4 Kết luận chương 88 KẾT LUẬN 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu hình của hệ thống thông tin quang 4 Hinh 1.2 Cấu trúc sợi quang 7 Hình 1.3 Hiện tương phản xạ toàn phần trong sợi quang 8 Hình 1.4 Truyền ánh sáng trong sợi SI 9 Hình 1.5 Quan hệ P(λ)/P phụ thuộc vào λ 12 Hình 1.6 Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suy hao .14 Hình 1.7 Sơ đồ khối của máy phát quang 15 Hình 1.8 Sơ đồ khối thiết bị thu quang 17 Hình 1.9 Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang 18 Hình 1.10 Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp điện quang 19 Hình 2.1 Băng tần truyền dẫn sợi quang 23 Hình 2.2 Ghép kênh theo thời gian 24 Hình 2.3 Nguyên tắc ghép kênh trong mạng SONET .25 Hình 2.4 Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang 29 Hình 2.5 Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên cùng một sợi quang .29 Hình 2.6 Mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp MUX-DEMUX 31 Hình 2.7.Xuyên kênh ở bộ tách kênh (a) và bộ ghép tách hỗn hợp (b) 33 Hinh 2.8 Phân loại các thiết bị WDM 40 Hình 2.9 Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng .41 Hinh 2.10 Cấu trúc của bộ lọc điện môi 41 Hình 2.11 Phân bố công suất ở đầu ra của bộ lọc 42 Hình 2.12 Các đặc tính phổ truyền dẫn của các loại bộ lọc giao 42 Hình 2.13 Cấu trúc bộ tách 2 kênh sử dụng bộ lọc giao thoa 43 Hình 2.14 Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều bước sóng 44 Hình 2.15 Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế 44 Hình 2.16 Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh 45 Hình 2.17 Thiết bị MUX-DEMUX 4 bước sóng .45 Hinh 2.18 Tán sắc dùng lăng kính .46 Hình 2.19 Sử dụng cách tử để tách bước sóng 47 Hình 2.20 Cách tử nhiễu xạ phẳng .48 Hình 2.21 Phân bổ phổ năng lượng nhiễu xạ bặc một .50 Hình 2.22 Cách tử lòng chảo .50 Hình 2.23 Sơ đồ cấu trúc bộ tách sử dụng cách tử lòng chảo 51 Hình 2.24 Nguyên lý cách tử Bragg bù tán sắc 52 Hinh 2.25 Hai phương pháp tạo ra các bộ ghép sợi cho thiết bị WDM .55 Hình 2.26 Đáp ứng của bộ tách kênh 1300/1500nm với 56 Hình 2.27 Bộ ghép kênh 4 bước sóng bằng ghép .56 Hình 4.1 Tuyến thông tin quang WDM điểm- điểm 74 Hình 4.2 Mạng WDM quảng bá hình sao 78 Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của BN vào số lượng kênh N 80 Hình 4.4 Sơ đồ khối mạng truyền dẫn quang đa 81 Hình 4.5 Sơ đồ khối của mạng vòng quang thụ động nội hạt 84 Hình 4.6 Một mạng đa chặng 8 nút 85 Hình 4.7 Sơ đồ khối chức năng của một nút trong mạng Teranet .86 CÁC BẢNG TRONG ĐỒ ÁN Bảng 2.1 Tần số trung tâm danh định 36 Bảng 2.2 Tần số trung tâm của hệ thống WDM có 16 kênh và 8 kênh .39 Bảng 2.3 So sáng độ suy hao giữa các thiết bị bù tán sắc 53 Bảng 3.1 Cự ly hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp 60 Bảng 4.1 Một số hệ thống WDM thực nghiệm 76 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ATM Asynchronous Tranfer Mode Phương thức truyền không đồng bộ CDMA WDM Code Division Multiplexing Access mã Wavelength Division Ghép kênh quang theo bước Multiplexing CMOS ISDN Đa truy nhập phân chia theo Complementary Metal Oxitde sóng Công nghệ dùng để chế tạo Semiconductỏ vi mạch tích hợp Integrated Servicer Digital Công nghệ mạng băng hẹp Network IM/DD Intensity Modulation with Hệ thống truyền dẫn thông Direct Delectinon tin quang điều chế cường độ LAN Local Area Network Mạng vùng cục bộ LED Light Emitting Diode Diode phát quang OADM Optical Add/Drop Bộ ghép kênh xen/ rẽ Multiplexer TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian SONET Sychronous Optical Network Mạng không đồng bộ SDH Sychronous Digital Hierarchy Hệ thống phân cấp số đồng bộ WAN Wide Area Network Mạng diện rộng ISP Internet Service Provider Cung cấp các giải pháp kết nối OTDM Optical Time Division Ghép kênh quang phân chia Multiplexing theo thời gian DCF Dispersion Compensater fiber PMD Polarization Mode Dispersion Điều chế tự dịch pha DGD Differential Group Delay SRS Stimulated Raman Scattering Hiệu ứng SRS SBS Stilmulated Brillouin Scattering Hiệu ứng SBS SPM Self Phase Modulation Hiệu ứng SPM XPM Cross Phase Modulation Hiệu ứng XPM FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng FWM EDFA Ebrium Doped Fiber Bộ khuếch đại quang có TDMA CDMA FDMA Amplifier Ebrium pha trộn nguyên tố đất hiếm Time Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo Access thời gian Code Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo Access mã Frequence Division Đa truy nhập phân chia theo Multiplexing Access WDMA Wavelength Division Multiplexing Access tần số Đa truy nhập phân chia theo bước sóng LỜI NÓI ĐẦU Dưới sự lãnh đạo của Đảng và nhà nước, toàn dân ta đang phấn đấu thi đua thực hiện công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước Bằng việc đi tắt đón đầu những công nghệ mới, tiên tiến trên thế giới, công nghệ thông tin, điện tử viễn thông là những hướng phát triển tiên phong góp phần đưa đất nước ta hướng tới một xã hội thông tin Nghĩa vụ và trách nhiệm của một sinh viên sắp ra trường thật không nhỏ, vì đối với họ vận hội và thách thức đang mở ra ở phía trước Với nhận thức ấy, bản đồ án tốt nghiệp này là báo cáo tổng kết một phần kiến thức Khoa học Công nghệ về chuyên ngành Điện tử Viễn thông mà em được đào tạo sau gần 5 năm học tập tại trường Đại học Vinh Đồ án trình bày về công nghệ mới: công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM (Wavelength Division Multiplexing) và các ứng dụng của nó trong việc phát triển mạng thông tin quang nhằm tăng dung lượng truyền dẫn của mạng, đáp ứng được nhu cầu phát triển của các dịch vụ trong tương lai Bố cục của đồ án gồm 4 chương: Chương 1: Hệ thống thông tin quang Chương 2: Tổng quan về hệ thống WDM Chương 3: Một số vấn đề công nghệ then chốt trong WDM Chương 4: Ứng dụng của hệ thống WDM Chuẩn bị trở thành một kỹ sư, với những kiến thức bổ ích, sâu rộng về chuyên ngành điện tử - viễn thông như ngày hôm nay, đó là do em đã được sự dìu dắt, giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông trường Đai Học Vinh Dưới sự hướng dẫn của thầy giáo ThS Lê Đình Công Như vậy sự ra đời của hệ thống WDM, dung lượng của hệ thống thông tin quang tăng lên rất nhiều Một số hệ thống WDM đã được triển khai trong thực tế Năm 1995, hệ thống WDM 4 kênh, mỗi kênh có tốc độ 2,5Gb/s đã được thương mại hoá Đến năm 1996 hệ thống WDM có dung lượng 40Gb/s (ghép 16 kênh 2.5Gb/s) bắt đầu được thương mại hoá Hệ thống này sử dụng dải băng tần 12nm ở bước sóng 1550 nm và khoảng cách giữa các kênh là 0,8nm Đến năm 1997 đã tồn tại tuyến thông tin quang 80Gb/s tiếp đó là hệ thống 160Gb/s Kỹ thuật WDM đã tạo ra một cuộc cách mạng trong hệ thống thông tin quang 4.1.2 Mạng quảng bá Trong mạng quảng bá, nhiều kênh tín hiệu được ghép lại và truyền tới một nhóm thuê bao Tại mỗi thuê bao, bộ thu thực hiện một chức năng lựa chọn một kênh thích hợp thông qua việc tách kênh Mạng truyền hình cáp CATV là một ví dụ của mạng quảng bá Nhiều kênh truyền hình được ghép lại và được đưa tới một bus quang chung, sau đó phân phối tới từng thuê bao riêng biệt Hình 4.2 là sơ đồ của mạng WDM quảng bá sử dụng sao quảng bá Mỗi kên h tín hiệu được điều chế với một bước sóng riêng Các kênh này được ghép với nhau nhờ nhờ một coupler quang thụ động và được phân phối đồng đều tới tất cả các bộ thu Mỗi thuê bao nhận được toàn bộ dung lượng của hệ thống và lựa chọn một kênh thích hợp Mạng này còn được gọi là mạng phát quảng bá và thu lựa chọn Nếu hệ thống thông tin quang sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent thì phía thu có thể lựa chọn kênh bằng cách thay đổi băng thông bộ lọc trung tần hoặc điều chỉnh tần số giao động nội Nếu hệ thống sử dụng kỹ thuật tách sóng trực tiếp thì ta dùng các bộ lọc quang để lựa chọn bước sóng cần thiết Hiện nay tồn tại rất nhiều ứng dụng của mạng quảng bá ở cấp độ thí nghiệm Gần đây có một thí nghiệm về sao quảng bá 8x8 để phân phối 7 kênh tín hiệu, khoảng cách kênh là 15nm Mỗi bộ thu có một bộ lọc khả chỉnh băng thông 10nm và dải điều chỉnh 400nm Ngoài ra còn một bộ thí nghiệm khác sử dụng kỹ thuật tách sóng coherent, thực hiện ghép 10 kênh quang 70Gb/s, và khoảng cách các kênh 6GHz Thí nghiệm này sử dụng sao quảng bá 128x128 để đưa tín hiệu tới nhiều thuê bao khác nhau Hình 4.2 Mạng WDM quảng bá hình sao Trong mạng quảng bá có hai vấn đề được quan tâm là suy hao phân bố và suy hao xen Suy hao phân bố là do tín hiệu trên đường truyền được chia đều tới tất cả các thuê bao Mỗi thuê bao nhận một phần công suất của tín hiệu tổng Suy hao phân bố tăng khi N tăng, do đó nó giới hạn N nhỏ hơn 100 nếu không sử dụng các bộ khuếch đại quang để bù suy hao Đối với suy hao quang bá NxN, suy hao phân bố giảm và công suất tín hiệu mỗi thuê bao nhận được là: P =(P /N)(1-δ)(1- C ) (4.2) Trong đó: P là công suất truyền trung bình của tín hiệu δ là suy hao xen của mỗi coupler cấu tạo nên sao quảng bá C là các loại suy hao khác như suy hao sợi quang, suy hao connector Công suất nhận được P phải lớn hơn độ nhạy máy thu P P được xác định như sau: P = NhVB (4.3) Trong đó: N là số lượng photon trung bình trên một bit tại mức công suất vào bằng độ nhạy máy thu B là tốc độ bit của mỗi kênh tín hiệu Từ công thức (4.2),(4.3)và giả thiết P =P ta có: BN= ( )(1-δ)(1- C ) (4.4) Từ công thức 4.4 ta có thể dự báo dung lượng của mạng quảng bá Trong máy thu coherent N =1000, công suất truyền lớn nhất P =1mV, ở bước sóng 1550 nm năng lượng photon hV= 0,8eV Giả sử suy hao coupler và các suy hao khác đều bằng không Khi đó, B.N=7,8Tb/s Trong thực tế, giá trị B.N thường nhỏ hơn vì luôn tồn tại suy hao coupler, một số suy hao khác và công suất phát quang cũng nhỏ hơn Hình 4.3 chỉ ra sự phụ thuộc của B.n vào số lượng kênh N của 2 phương pháp tách sóng coherent và tách sóng trực tiếp B.N=10Tb/s trong trường hợp lý tưởng không có suy hao của coupler quang (đường 1) Khi lấy δ=0.05 (suy hao của coupler bằng 0,2dB) ta được đường 2 Hai đường cong 3 và 4 biểu diễn B.N trong trường hợp thực tế Các đường đứt nét biểu diễn B.N với các tốc độ bít cố định Từ đồ thị ta có, khi B=622Mb/s và tách sóng trực tiếp thì B.N= 1Tb/s, N=1600 Khi tách sóng coherent thì B.N=3Tb/s và N=4800 Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của BN vào số lượng kênh N Ta có thê khắc phục ảnh hưởng của suy hao phân bố bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại quang Năm 1990 có một thí nghiệm sử dụng hai bộ khuếch đại quang EDFA trong mạng quảng bá,mạng này có dung lượng bị suy hao do phân bố, đảm bảo công suất tín hiệu tại mỗi thuê bao là đủ lớn 4.2.Ứng dụng của WDM trong mạng đa truy nhập 4.2.1 Mở đầu Trong thực tế có rất nhiều kiểu đa truy nhập khác nhau như TDMA, CDMA,FDMA, WDMA Các kỹ thuật này dựa vào tài nguyên thời gian, không gian, tần số và bước sóng để phân phối tín hiệu từ trạm thu tới trạm phát Mạng WDM đa truy nhập còn gọi là mạng quang đa truy nhập theo bước sóng WDMA Điểm khác biệt lớn nhất giữa mạng quang đa truy nhập và mạng quảng bá là mạng đa truy nhập có khả năng truy nhập song hướng của một thuê bao bất kì Mỗi thuê bao có thể thu/ phát tín hiệu đi/ tới bất kì một thuê bao khác Trong mạng WDMA, băng thông rộng của sợi quang được chia thành các khoảng nhỏ, mỗi khoảng này mang một kênh quang riêng biệt Các kênh này được truyền đồng thời trên cùng một sợi quang Khoảng cách tối thiểu giữa hai bước sóng cỡ 0.4 đến 0.8 nm Mỗi bước sóng này có thể mang một kênh tín hiệu có tốc độ lên tới Gb/s Hình 4.4 mô tả sơ đồ khối của một mạng truyền dẫn quang đa truy nhập phân chia theo bước sóng N N COUPLER N N Hình 4.4 Sơ đồ khối mạng truyền dẫn quang đa truy nhập phân chia theo bươc sóng Các kênh quang từ các nút khác nhau được ghép với nhau nhờ một coupler quang NxN Bộ ghép trộn tất cả các tín hiệu đến và chia đều công suất tới các bộ thu Kết quả là, tín hiệu từ tất cả các cổng vào có thể được thu từ các cổng ra bất kì Hệ thống có sự chia sẻ bước sóng, từ một nút bất kì có thể thu được kênh chung trong môi trường chia sẻ kênh Tất cả các kênh được phát vào môi trường chia sẻ (coupler sao) và mỗi nút thu tín hiệu của tất cả các nút còn lại trên mạng Môi trường chia sẻ có cấu trúc mạng sao, bú hoặc mạng ring, kết nối tất cả các nút với nhau Mỗi nút thu tín hiệu mong muốn bằng phương pháp tách sóng trực tiếp hoặc coherent Mỗi nút thu/phát tần h cố định hoặc thay đổi Do đó việc triển khai mạng WDMA đòi hỏi các thành phần quang có khả năng điều chỉnh bước sóng như laser phát khả chỉnh, bộ lọc quang khả chỉnh Các thành phần này xây dựng nên các bộ thu phát quang có khả năng điều chỉnh bước sóng ở mỗi nút mạng Mạng WDMA có hai vấn đề cần được quan tâm Đó là tốc độ điều chỉnh bước sóng và giao thức mạng Tốc độ điều chỉnh bước sóng phải nhanh để đáp ứng yêu cầu của mạng, đặc biệt trong mạng chuyển mạch gói Ngoài ra, giao thức được triển khai trong mạng phải được đảm bảo kết nối ngang hàng các kênh tín hiệu khác nhau Mạng WDMA có hai cấu hình cơ bản là WDMA đơn chặng (single hop) và WDMA đa chặng (multi hop) 4.2.2 Mạng WDMA đơn chặng Trong mạng WDMA đơn chặng mỗi nút đều có khả năng kết nối trực tiếp đến tất cả các nút khác Dữ liệu được phát đi dưới dạng ánh sáng và được truyền trực tiếp đến nút đích mà không phải chuyển về dạng tín hiệu điện Để một gói dữ liệu được truyền, trước hết nó được phát vào mạng nhờ một laser phát Tại nút đích bộ thu quang phải điều chỉnh bước sóng sao cho trùng với bước sóng phát Khi đó, gói tin được truyền qua mạng tới nút đích Mạng WDMA đơn chặng có thể phân chia làm 2 loại, phát quảng bá thu lựa chọn và mạng WDMA định tuyến theo bước sóng Trong mạng WDMA đơn chặng phát quảng bá thu lựa chọn, dữ liệu tại các nút phát ra được ghép lại và phát quảng bá tới tất cả các nút khác trong mạng Phía thu lựa chọn kênh tín hiệu mong muốn dựa vào bước sóng Có bốn loại mạng WDMA phát quảng bá thu lựa chọn, phát thay đổi thu cố định (TT-TR) và cả phát và thu cố định (FT-FR) Mạng WDMA đơn chặng sử dụng các bộ định tuyến theo bước sóng hoặc ma trận chuyển mạch không gian bước sóng Trong thực tế, có rất nhiều ứng dụng của mạng WDMA đơn chặng ở cấp độ thực nghiệm hoặc thực tế Một số ứng dụng của mạng WDMA là mạng quang thụ động PON(telephone PON và Broad PON), mạng Lambdanet, mạng quang thụ động PPL, mạng Rainbow Mạng Lambdanet là mạng quang đầu tiên được triển khai cấp độ thí nghiệm Mạng Lambdanet là mạng phát quảng bá thu lựa chọn hình sao FT-FR Trong mạng này sử dụng một coupler hình sao NxN để phân phối tín hiệu tới tất cả các nút Mỗi nút có một bộ phát riêng ở bước sóng xác định và N bộ thu hoạt động ở N bước sóng khác nhau (N là số người sử dụng hay số nút), mỗi nút nhận toàn bộ lưu lượng của mạng Do đó, mạng này không bi tắc nghẽn mà truyền tín hiệu trong suốt không phụ thuộc vào tốc độ bít và phương pháp điều chế Những người sử dụng khác nhau có thể truyền tín hiệu có tốc độ bit khác nhau và dạng điều chế khác nhau, có thể truyền tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự Vì vậy mạng Lambdanet rất linh hoạt và thích hợp cho nhiều laọi ứng dụng khác nhau Ta có thể truyền tín hiêu thoại trong cùng một cơ quan Năm 1987 đã có một thí nghiệm về mạng 18 kênh tốc độ bit mỗi kênh là 1,5Gb/s, dung lượng của hệ thống là 27Gb/s Mỗi kênh có thể truyền ở khoảng cách 57,8km Nhược điểm của mạng Lambdanet là số lược người sử dụng bị giới hạn bởi số lượng bước sóng Ngoài ra, mỗi nút cần có rất nhiều bộ thu( bằng số lượng ngưới sử dụng) Do đó rất tốn kém khi đầu tư phần cứng cho hệ thống Hình 4.5 chỉ ra sơ đồ khối của mạng vòng quang thụ động, bước sóng quang được dùng để định tuyến tín hiệu trên mạng vòng nội hạt Trạm trung tâm có N bộ phát ở các bước sóng λ,λ ,…,λ và N bộ thu hoạt động ở các bước sóng λ, λ,……,λ( N là số thuê bao) Tại mỗi thuê bao thu và phát ở các bước sóng riêng Trạm xa ghép tín hiệu từ các thuê bao và gửi tới trạm trung tâm Trạm xa là thiết bị thụ động nên tốn ít chi phí bảo dưỡng Bộ chuyển mạch ở trạm xa định tuyến tín hiệu dựa vào bước sóng Năm 1996, mạng vòng nội hạt được thiết kế như là một mạng quang thụ động PON Mục đích của việc này là cung cấp khả năng truy nhập băng thông rông của mỗi khách hàng và phân phát tín hiệu hình ảnh video, dữ liệu theo yêu cầu mà vẫn đảm bảo giá thành thấp Ngoài ra người ta còn sử dụng công nghệ cắt phổ LED để tạo ra các bước sóng cho hệ thống WDM Thuª bao 1 λ1 N Bé ph¸t λN+1 S W I T C H MUX/ DMUX MUX/ DMUX Sîi quang N Bé thu λ2 Thuª bao 2 λN+ 2 Tr¹m xa λ2N λN Thuª bao N Tr¹m trung t©m Hình 4.5 Sơ đồ khối của mạngvòng quang thụ động nội hạt 4.2.3 Mạng WDM đa chặng Trong mạng đa chặng, một kênh quang được chuyển đi từ một nút phải được chuyển qua một số nút trung gian Mỗi nút thu/phát quang của mạng WDMA đa chặng có một số bộ thu phát quang có thể thu phát một vài bước sóng nhất định Kết nối trực tiếp xảy ra khi bước sóng được định trước tại nút đích trùng với một trong những bước sóng được định trước ở nút phát Kết nối giữa 2 nút bất kì được định tuyến qua các nút trung gian Tại mỗi nút trung gian dữ liệu được chuyển thành tín hiệu điện Địa chỉ đích của gói được giải mã và xử lí dưới dạng điệnín Sau đó gói tin lại được chuyển thành tín hiệu quang có bước sóng thích hợp chuyển tới nút đích hay nút trung gian kế tiếp Quá trình được lặp lại cho tới đích Do vậy, gói tin được chuyển qua nhiều chặng, gói tin phải qua một số nút trung gian trước khi tới nút đích cuối cùng Số lượng nút trung gian phụ thuộc vào thiết kế và quy mô mạng Hình 4.6 chỉ ra một ví dụ của mạng đa chặng có 8 nút Giả sử gói tin được truyền từ nút 1 tới nút 3 Ta không thể thiết lập được kết nối trực tiếp giữa 2 nút này Do đó, gói tin phải qua một số nút trung gian Giả sử nút 1 phát đi gói tin ở bước sóng λ, gói tin được chuyển đến nút 6 Tại nút 6 có quá trình biến đổi quang điện, sử dụng bước sóng λ để truyền tới nút 3 Hướng đi này gồm 2 chặng Ngoài ra, gói tin có thể đi theo các hướng khác với số chặng lớn hơn hoặc bằng Một ưu điểm cơ bản của mạng đa chặng so với mạng đơn chặng là không nhất thiết phải có thiết bị điều khiển kênh vì mỗi nút mạng hoạt động như một trạm lặp và có nhiệm vụ quyết định nhận gói tin hay chuyển gói tin đi tiếp tới các nút khác trong mạng Kết nối trong mạng đa chặng được thực hiện linh hoạt bằng cách khác nhau, bằng những con đường khác nhau Chính vì vậy, mang đa chặng giảm được hiện tượng tắc nghẽn đường truyền so với mạng đường chặng Hình 4.6 Một mạng đa chặng 8 nút Hiện nay có một số cấu trúc của mạng WDMA đa chặng Ví dụ, mạng đa chặng có cấu trúc hình đa diện Cấu truc này thường được sử dụng để ghép nhiều bộ xử lý của bộ máy tính lớn Trong mạng đa chặng 8 nút thi 8 nút này nằm ở 8 góc của hình lập phương Trong mạng N nút (N=2) thì mỗi nút được đặt tại một đỉnh của hình đa diện Mỗi nút được nối trực tiếp tới m nút khác Khi truyền tín hiệu từ một chặng tới một chặng khác qua nhiều nhất m chặng Số lượng chặng trung bình phải qua là m/2 Mỗi nút cần có m bộ thu Ta có thể sử dụng một số kĩ thuật khác để giảm số bộ thu Nhưng khi đó số chặng trung bình lại tặng lên Một số mạng WDMA đa chặng được triển khai ở cấp độ thực nghiệm như mạng Teranet hoặc Starnet Mạng Teranet là mạng thực nghiệm được triển khai ở trường đại học Columbia dưới dạng truyền mạch tế bào ATM 1Gb/s hoặc chuyển mạch kênh 1Gb/s Hình 4.7 mô tả sơ đồ khối chức năng của một nút trong mạng Teranet Hình 4.7 Sơ đồ khối chức năng của một nút trong mạng Teranet Thiết bị thu quang của một nút gồm bộ lọc quang khả chỉnh đặt trước một photodiode và một bộ lọc trung tần có tấn số cố định.Thiết bị thu quang là laser DFB có bước sóng định trước Thiết bị chyển mạch là ma trận chuyển mạch điện 3x3, tốc độ vào ra là 1Gb/s Ma trận chuyển mạch định tuyến gói tin tới một cổng ra thích hợp tuỳ thuộc vào địa chỉ đích của gói tin Mạng Starnet là mạng LAN WDMA Coherent được xây dựng ở trường đại học Standford hệ thống này hỗ trợ cả mạng WDMA đơn chặng chuyển mạch kênh và đa chặng chuyển mạch gói 100Mb/s Mỗi nút có một bộ phát và hai bộ thu Hệ thống hoạt động ở bước sóng trung tâm 1319nm, sợi quang đơn mode, khoảng cách truyền 2km, công suất dữ trữ 10dB, tỉ lệ lỗi bít 10 4.3 Ứng dụng của WDM trong mạng chuyển mạch quang Hiện nay, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại mà đặc biệt là Internet cũng như một số dịch vụ băng rộng khác đã tạo ra sự bùng nổ nhu cầu về dung lượng Kỹ thuật WDM ra đời đã giải quyết được vấn đề trên Như phần trên đã đề cập, kỹ thuật WDM đã được ứng dụng trong mạng truyền dẫn và mạng truy nhập Người ta đã sử dụng tài nguyên băng thông to lớn của sợi quang để truyền nhiều kênh quang trên cùng sợi quang Một sợi quang có thể truyền dẫn thông tin số tới hàng chục GB/s Sự tăng trưởng với tốc độ nhanh chóng của dung lượng của hệ thống truyền dẫn là sức ép và động lực mạnh cho sự phát triển của hệ thống chuyển mạch Hệ thống chuyển mạch trong mạng thông tin có quy mô yêu cầu ngày càng lớn và tốc độ ngày càng phải cao Hầu hết các mạng hiện nay đều sử dụng các trường chuyển mạch điện và chỉ sử dụng sợi quang như phương tiện truyền dẫn Chuyển mạch được thực hiện thông qua quá trình biến đổi tín hiệu quang thành nạg tín hiệu điện ban đầu và sau đó biến đổi ngược lại Chuyển mạch điện có nhược điểm là các linh kiện điện không cho phép kết nối dải băng rộng của sợi quang và tạo thêm trễ do có biến đổi quang điện tại các nút trung gian Để giải quyết các vấn đê này, các nhà nghiên cứu bắt đầu đưa kỹ thuật quang tử vào hệ thống chuyển mạch, thực hiện chuyển mạch quang Chuyển mạch quang có khả năng chuyển mạch các luồng dữ liệu quang mà không cần biến đổi quang điện Do đó, nó không bị các linh kiện chuyển mạch điện tử hạn chế tốc độ Ngoài ra, chuyển mạch quang không phụ thuộc vào tốc độ vào tốc độ và phương thức điều chế của tín hiệu, có công suất tiêu thụ thấp Song kỹ thuật chuyển mạch quang còn tồn tại rất nhiều khó khăn trong việc đưa vào ứng dụng thực tế Phần kết nối thiết bị chuyển mạch với sợi ra và sợi vào rất phức tạp thiết bị phải thoả mãn phân cực nghiêm ngặt Do tác dụng của linh kiện logic quang còn rất đơn giản, không thể hoàn thành chức năng xử lí logic phức tạp của bộ phận điều khiển, nên bộ chuyển mạch quang điện hiện nay vẫn còn phải điều khiển bằng tín hiệu điện Có ba loại chuyển mạch quang là chuyển mạch quang theo không gian, chuyển mạch quang theo thời gian và chuyển mạch quang theo bước sóng Đặc điểm của ba phương pháp ngày khác nhau, mức độ khó dễ khi thực hiện chuyển mạch cũng khac nhau Nếu tín hiệu quang cùng lúc sử dụng 2 trong 3 phương pháp chuyển mạch trên thì ta có chuyển mạch hỗn hợp Trong đó, phương pháp chuyển mạch không gian bước sóng là phổ biến nhất 4.4 Kết luận chương Hiện nay công nghệ WDM đã và đang là chìa khoá để giải quyết bài toán về truyền tải lưu lượng tốc độ cao, dung lượng lớn Với những ưu điểm nổi trội, nó đã và đang được ứng dụng rất nhiều nơi, trong nhiều mạng và phục vụ rất nhiều loại hình dịch vụ Ở chương này chúng ta đã tìm hiểu một số ứng dụng của hệ thống WDM trong truyền dẫn, mạng đa truy nhập, mạng chuyển mạch quang KẾT LUẬN Truyền dẫn dung lượng cao theo hướng sử dụng công nghệ WDM đang có một sức hút mạnh đối với các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông hàng đầu thế giới Đã có hàng loạt tuyến truyền dẫn đang vận hành và khai thác theo công nghệ này, bởi vì chi phí đầu tư và tính ổn định của nó có nhiều điểm hơn hẳn so với ghép kênh truyền thống TDM, nhất là khi mà nhu cầu về dung lượng ngày càng cao như hiện nay Khi nâng cấp một hệ thống thông tin quang theo công nghệ WDM, có rất nhiều vấn đề cần phải xem xét, như nhu cầu về dung lượng, cấu hình hợp lý và cấu hình tối ưu Mỗi một mục nhỏ trong bản đồ án này đều là một bài toán kỹ thuật, đòi hỏi phải có một giải pháp tối ưu và toàn diện Vấn đề về mật độ ghép bước sóng, mặc dù ITU-T đã ban hành chuẩn về tần số và khoảng cách ghép giữa các kênh, nhưng nó đã trở nên lạc hậu so với các công nghệ tách/ghép bước sóng hiện nay, khi mà khoảng cách ghép giữa các bước sóng trong hệ thống WDM đã giảm xuống chỉ còn 25 GHz Công nghệ khuếch đại quang sợi ra đời, đã mở ra một chặng mới cho thông tin quang nói chung và cho thông tin WDM nói riêng, giải quyết được vấn đề về suy hao, quỹ công suất mà không cần các bộ lặp 3R cồng kềnh, chi phí lớn và chỉ đáp ứng được tốc độ thông tin thấp Thêm vào đó, các module bù tán sắc DCM được “nhúng” vào các thiết bị WDM, đã làm cho hệ thống WDM càng có thêm nhiều hứa hẹn Khi đó mỗi kênh bước sóng có thể đạt đến tốc độ 10 Gbit/s hoặc hơn nữa, nhờ vậy có thể đạt được tốc độ Tbit/s trên một sợi đơn mode SSMF thông thường Với thời gian nghiên cứu và tìm hiểu thực tế mạng lưới, cũng như tìm hiểu công nghệ mới WDM còn hạn chế, những gì được đề cập trong bản đồ án này thực sự rất nhỏ bé, mới chỉ mang tính chất tìm hiểu, tập dượt Công nghệ truyền dẫn WDM thực tế chưa được triển khai ở nước ta, lại là một công nghệ còn mới, đang ở thời kỳ mà có thể có nhiều đột biến về các giải pháp, công nghệ cho từng thiết bị Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa, đã tạo điều kiện tốt nhất để em có thể hoàn thành đồ án Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn ThS Lê Đình Công đã giúp đỡ em trong suốt thời gian làm đồ án Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn! Vinh, tháng 5 năm 2011 Sinh viên Nguyễn Trọng Lộc TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa, Bài giảng thông tin quang, Khoa Điện Tử Viễn Thông - ĐHV [2] WWW.EBOOK.EDU.VN, Tổng quan về hệ thống thông tin quang [3] Vũ Văn San (1997), Kỹ thuật thông tin quang, Nxb Khoa học và Kỹ thuật [4] Dương Đức Tuệ (2001), Hệ thống ghép kênh theo bước sóng, Nxb Bưu điện [5] Cao Phán (1998), Ghép kênh quang và khuếch đại quang, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông [6] Cao Phán (2000), Cơ sở kỹ thuật thông tin quang, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông [7] Trần Thủy Bình, Phạm Hồng Nhung (1999), Nghiên cứu các loại sợi dẫn quang mới và khả năng sử dụng vào các hệ thống truyền dẫn trên mạng viễn thông Việt Nam, Viện KHKT Bưu điện [8] Nguyễn Minh Dân (1995), Mạng cáp quang nội hạt và thuê bao quang, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp ngành, Hà Nội [9] DENIS J G MESTDAGH, Fundamentals of Multiaccess Optical Fiber Network, Artech House Boston - London [10] T OKOSHI AND K KIKUCHI, Optical University of Tokyo, Tokyo Fiber Communication, ... án tốt nghiệp báo cáo tổng kết phần kiến thức Khoa học Công nghệ chuyên ngành Điện tử Viễn thông mà em đào tạo sau gần năm học tập trường Đại học Vinh Đồ án trình bày công nghệ mới: công nghệ. .. bá 77 4.2 Ứng dụng WDM mạng đa truy nhập 80 4.2.1 Mở đầu 80 4.2.2 Mạng WDMA đơn chặng 82 4.2.3 Mạng WDM đa chặng 84 4.3 Ứng dụng wdm mạng chuyển mạch... thích ứng với tăng trưởng khơng ngừng thỏa mãn u cầu tính linh hoạt mạng, cơng nghệ truyền dẫn khác nghiên cứu, triển khai thí nghiệm đưa vào ứng dụng, số phải kể đến công nghê TDM ,WDM, … Với công