Đề cương môn công nghệ truyền tải quang

MỤC LỤC - CN TRUYỀN TẢI QUANG Phần 1- Hệ thống WDM Phân loại hệ thống WDM theo khoảng cách kênh bước sóng sử dụng hệ thống - Hệ thống WDM băng tần rộng (BWDM – Broad passband WDM) + Ra đời sớm lịch sử phát triển WDM + Thực truyền dẫn kênh bước sóng, kênh bước sóng thuộc cửa sổ truyền dẫn (vùng 850 nm, 1310 nm vùng 1550 nm), khoảng cách kênh hệ thống cỡ vài trăm nm + Chi phí hệ thống thấp, nhiên dung lượng khoảng cách truyền dẫn bị giới hạn Hệ thống WDM ghép mật độ thấp (CWDM Coarse WDM) + Ra đời năm 1990, cho phép ghép nhiều bước sóng hệ thống + Các khuyến nghị ITU-T G.694.2 G.695 + 18 bước sóng từ băng O đến băng L + Sử dụng cho ứng dụng mạng truy nhập/LAN/MAN + Khoảng cách bước sóng rộng: 20 nm + Dung sai độ dịch phổ nguồn quang rộng hơn: ± nm - Hệ thống WDM ghép mật độ cao (DWDM - Dense WDM) + Là hệ thống WDM khai thác giới + Khuyến nghị ITU-T G.694.1 + Cho phép ghép nhiều bước sóng hệ thống + Sử dụng cho dịch vụ tốc độ cao MAN/WAN + Khoảng cách kênh (bước sóng) hẹp: 200 Ghz, 100Ghz, 50 Ghz, 25 Ghz + Các nguồn quang đòi hỏi nghiêm ngặt ổn định nhiệt độ bước sóng + Dung sai độ dịch phổ nguồn quang: ± 0.02 nm (cho khoảng cách kênh 25 GHz) + Chuẩn G.692 quy định khoảng cách kênh, bước sóng trung tâm hệ thống DWDM sau: o Khoảng cách kênh: 100 GHz o Bước sóng trung tâm: 1552.52 nm o Vùng bước sóng hoạt động: Băng S, C, L, U Sơ đồ khối trình bày nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM đơn hướng/ song hướng a Hệ thống đơn hướng Sơ đồ khối Nguyên lý hoạt động: tất kênh quang sợi quang ghép lại thành luồng tín hiệu truyền theo hướng Ở hướng đi, kênh quang tương ứng với bước sóng λ1, λ2,…, λN qua ghép kênh ghép lại với thành luồng tín hiệu truyền dẫn theo chiều sợi quang đến đầu thu Ở đầu thu, giải ghép bước sóng quang tách tín hiệu có bước sóng khác luồng tín hiệu thu để đến đầu thu riêng rẽ Ở hướng về, nguyên lý truyền giống với nguyên lý truyền hướng truyền sợi quang riêng biệt khác b Hệ thống song hướng Sơ đồ khối Nguyên lý hoạt động: Ở hướng đi, kênh quang tương ứng với bước sóng λ1, λ2,…, λi qua ghép/ tách kênh ghép lại với thành luồng tín hiệu truyền dẫn theo chiều sợi Cũng sợi quang đó, hướng bước sóng λi+1, λi+2,…,λN truyền dẫn theo chiều ngược lại Phương pháp cần sử dụng sợi quang thiết lập hệ thống truyền dẫn cho chiều chiều Phần 2- Khuếch đại quang OA Nêu tham số khuếch đại quang a Hệ số khuếch đại: G = Pout / Pin G (dB) = 10 log (Pout / Pin) Pin Pout công suất đầu vào đầu khuếch đại quang [mW] - Hệ số khuếch đại đặc trưng cho khả khuếch đại công suất ánh sáng khuếch đại - Bị giới hạn chế bão hòa khuếch đại Điều làm giới hạn công suất quang cực đại khuếch đại b Độ rộng băng tần khuếch đại (B0) - Hệ số khuếch đại khuếch đại quang hàm số tần số quang [G(f)] Tức là, đo hệ số khuếch đại G tín hiệu quang tần số khác khác Độ rộng băng tần khuếch đại khuếch đại quang Bo xác định điểm 3dB so với hệ số khuếch đại đỉnh khuếch đại - Giá trị Bo xác định băng thông tín hiệu truyền khuếch đại quang Do đó, ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống thông tin quang sử dụng chúng c Công suất bão hòa - Khi hoạt động chế độ tín hiệu nhỏ, công suất quang đầu tăng tuyến tính với công suất quang đầu vào theo hệ số khuếch đại G: Pout = G.Pin - Tuy nhiên, công suất đầu vào Pin tăng đến mức đó, hệ số khuếch đại G không tăng tuyến tính với tính hiệu đầu vào mà không đổi chí bắt đầu giảm tiếp tục tăng công suất đầu vào Khi đó, khuếch đại quang đạt trạng thái bão hòa - Công suất đầu điểm G giảm dB gọi công suất bão hòa Psat, out - Công suất bão hòa Psat, out khuếch đại quang cho biết công suất đầu lớn mà khuếch đại quang hoạt động - Một khuếch đại quang có hệ số khuếch đại cao có công suất bão hòa cao d Nhiễu KĐ - Hệ số nhiễu NF - Các khuếch đại quang tạo nhiễu, gây phát xạ tự phát, pha photon phát xạ tự phát ngẫu nhiên - Năng lượng phát xạ tự phát tạo khuếch đại chúng truyền qua khuếch đại phía đầu - Tại đầu khuếch đại công suất quang thu Pout bao gồm công suất tín hiệu khuếch đại - G.Pin công suất nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại (ASE) - PASE Pout = G.Pin + PASE - Ảnh hưởng nhiễu khuếch đại quang biểu diễn hệ số nhiễu (NF) - SNRin, SNRout tỷ số tín hiệu nhiễu đầu vào đầu khuếch đại [mW] - Hệ số nhiễu NF khuếch đại nhỏ tốt Giá trị nhỏ NF đạt 3dB Những khuếch đại thỏa mã hệ số nhiễu tối thiểu gọi hoạt động giới hạn lượng tử Ưu khuyết điểm khuếch đại quang bán dẫn / EDFA/ Raman SOA EDFA Raman Ưu: Ưu: Ưu: + Hệ số KĐ cao (25+Nguồn laser bơm+ Tạp âm nhiễu thấp – 30dB) bán dẫn + Cấu trúc đơn giản, + Kích thước nhỏ, cócó độ tin cậykhông cần sợi đặc thể tích hợp với cáccao, gọn côngbiệt linh kiện quang bánsuất cao + Dễ chọn băng tần dẫn khác +Cấu hình đơn+ Có thể đạt + Dải thông lớn, cógiản, hạ giá băng thông rộng nhờ thể lên tới thành hệkết hợp vài laser bơm thống 100nm + Có thể thực hiện+Cấu trúc nhỏ KĐ tín hiệu 2gọn: lắp đặt Nhược: Nhược: Nhược: +Công suất bão+Phổ KĐ của+Xuyên âm hòa thấp (5mW), hạnEDFA ko bằngcác kênh tín hiệu chế khả củaphẳng tán xạ Raman kích SOA làm KĐ+Băng tần hiệnthích SRS công suất bị giới hạn+Hệ số KĐ thấp + Hệ số nhiễu caotrong băng C L + Hiệu suất KĐ thấp (5-7dB), ảnh +Nhiễu tíchhơn so với EDFA: Vẽ sơ đồ cấu trúc khuếch đại EDFA theo chế độ bơm thuận/ ngược/ chiều, nêu chức khối nguyên tắc hoạt động a Bơm thuận: - Bơm thuận với bước sóng bơm 980nm Ion erbium sợi quang EDFA liên tục chuyển tiếp từ vùng lượng 4I15/2 thấp lên vùng lượng cao 4I11/2, sau ion phân rã xuống vùng 4I13/2 không phát xạ - Từ vùng này, có tín hiệu ánh sáng kích thích ion phát xạ bước sóng mong muốn (từ 1550 đến 1600 nm) chuyển từ vùng lượng 4I13/2 xuống vùng 4I15/2 Đây hệ thống ba mức Thời gian sống ion erbium mức 4I11/2 khoảng 1μs 4I13/2 tới 10ms Với thời gian sống dài, vùng 4I15/2 gọi vùng ổn định - Các ion bơm lên mức cao, sau nhanh chóng xuống vùng 4I13/2 tồn khoảng thời gian tương đối dài tạo nên nghịch đảo nồng độ b Bơm ngược - Bơm bước sóng 1480nm - Các ion erbium hoạt động hai vùng lượng 4I13/2 4I15/2 Đây hệ thống mức - Các ion erbium liên tục chuyển từ vùng lượng 4I15/2 lên vùng lượng kích thích 4I13/2 nhờ lượng bơm 10 Trình bày phương pháp điều khiển mạng quang Có phương pháp điều khiển mạng quang: Phương pháp điều khiển tĩnh: Áp dụng cho giai đoạn đầu tổ chức truyền tải IP/ WDM việc điều khiển IP WDM thực theo phương thức cấp phát cố định Phương pháp điều khiển động: Áp dụng cho giai đoạn thứ hai, mạng WDM chuyển đổi từ cấu trúc vòng ring hay điểm-điểm sang cấu trúc mesh với hệ thống DWDM Trong giai đoạn này, điều khiển WDM thông qua việc cấp phát bước sóng thực liệu điều khiển nhằm đảm bảo tận dụng mạng cách hiệu Phương pháp điều khiển tích hợp: Giải pháp điều khiển tích hợp sử dụng mô hình giải pháp mạng ngang hàng Trong đó, mặt phẳng điều khiển dùng mạng WDM IP, đồng thời kết nối quang dẫn hướng định tuyến IP 27 Phần 7- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng truyền tải Nêu khái niệm ASK, FSK, PSK, vẽ dạng sóng tín hiệu đầu vào đầu điều biến thông tin quang Coherent, với tín hiệu đầu vào điều biến tín hiệu số ứng với dãy bit 110100101, sóng mang quang đơn sắc E= E0sin(2f0t+ π /2)  Điều chế ASK (Amplitude Shift Keying) Điều chế khóa dịch biên độ ASK (Ampitude Shift Keying): Sóng điều biên tạo cách thay đổi biên độ sóng mang theo biên độ băng gốc tín hiệu Phương pháp với bít làm thay đổi biên độ tín hiệu sóng mang, tốc độ truyền tín hiệu ASK bị giới hạn đặc tính môi trường Giả sử điện trường tín hiệu quang có dạng sau: Khi điều chế ASK, pha tần số giữ nguyên, có thành phần biên độ thay đổi, bít 1, =0 bít  Điều chế PSK( Phase Shift Keying) Điều chế dịch pha PSK (Phase Shift Keying) dạng điều chế thường thấy hệ thống thông tin quang coherent Trong điều chế PSK, chuỗi bít quang tạo thành cách điều chế , biên độ As tần số w0 28 giữ nguyên Tín hiệu điều chế PSK nhị phân biểu diễn sau: (1.2) Với b(t)=1 bít b(t)=0 bít tương ứng trường hợp pha tín hiệu  Điều chế FSK (Frequency Shift Keying) Điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying) kỹ thuật điều chế mà thông tin mã hóa cách dịch tần số sóng mang Với tín hiệu nhị phân, tần số góc 0+ phụ thuộc vào bít truyền hay Độ dịch tần số gọi độ lệch tần số Như độ dịch tần số bít Tín hiệu điều chế FSK biểu diễn sau: (1.3)  Vẽ dạng sóng tín hiệu đầu vào đầu điều biến thông tin quang Coherent, với tín hiệu đầu vào điều biến tín hiệu số ứng với dãy bit 110100101, sóng mang quang đơn sắc E= E0sin(2f0t+ π /2) (Đầu vào: tự vẽ đầu ) 29 Trình bày kỹ thuật chuyển mạch burst quang chuyển mạch gói quang  Chuyển mạch burst quang Trong chuyển mạch burst quang, gói tin lớp tập hợp lại thành burst để truyền tải mạng Các burst có độ dài không cố định gồm có hai phần: gói tin điều khiển (control packet) hay 30 gọi gói tiêu đề burst (Burst Header Packer - BHP) phần thông tin liệu (data burst) OBS thực việc truyền độc lập gói tin điều khiển burst liệu kênh bước sóng khác Thông tin gói tin điều khiển gồm có chiều dài burst, thời điểm phát burst, thông tin định tuyến Gói tin điều khiển truyền trước burst liệu khoảng thời gian offset time để cấu hình chuyển mạch suốt đường từ nguồn đến đích Offset time trễ xử lý tổng cộng gói tin điều khiển tất nút trung gian Offset time OBS Nút biên mạng OBS thực giao diện với mạng khác mạng IP, SONET/SDH hay Ethernet Nút biên có khả giao tiếp miền điện miền quang có khả biến đổi điện quang chuyển đổi bước sóng để tương thích với tín hiệu truyền liên kết quang WDM Nút biên sở truyền tải burst phân thành nút biên đầu vào nút biên 31 đầu Nút đầu vào phía phát vào thực tổ hợp gói tin từ đầu cuối thành burst tạo gói tin điều khiển, định tuyến xếp bước sóng để truyền burst liệu vào mạng OBS Nút đầu phía thu thực giải tổ hợp burst thành gói tin gửi tới mạng đích Nếu nút biên thực thông tin hai chiều đóng vai trò vừa nút đầu vào vừa nút đầu Nút lõi có nhiệm vụ chuyển tiếp burst từ cổng đầu vào tới cổng đầu tương ứng, dự trữ kênh bước sóng cho burst liệu dựa thông tin gói tin điều khiển giải tranh chấp Hình vẽ sau mô tả thành phần mạng OBS với chức khác 32 Sơ đồ khối chức mạng OBS Chuyển mạch gói quang OPS Mạng chuyển mạch gói quang OPS bao gồm OXC nối với liên kết WDM cấu hình lưới (mesh) tùy ý Mạng chuyển mạch gói quang bao gồm phần lõi có khả truyền tải tốc độ cao phần biên giao diện với phần tử mạng IP, SONET/SDH, Ethernet Các gói tin truyền mạng chuyển mạch gói quang có phần tiêu đề phần tải tin Tiêu đề có chứa thông tin định tuyến thông tin điều khiển  33 truyền băng với tải tin Khi gói tin truyền tới OXC, tiêu đề tách xử lý miền điện (sau biến đổi quang-điện-quang) tải tin chuyển mạch miền quang Vì phần tiêu đề cầng thời gian để xử lý nên phần tải tin làm trễ cách lưu đệm đường dây trễ quang Về nguyên lý, chuyển mạch gói quang mong muốn truyền thông tin xử lý thông tin hoàn toàn miền quang Nhưng hạn chế mặt công nghệ nên phần thông tin điều khiển xử lý miền điện Trong chuyển mạch gói quang, tiêu đề so sánh với bảng định tuyến, tải tin chuyển cổng đầu tương ứng sợi quang bước sóng Nếu bước sóng khả dụng, gói tin bị hủy phải bị trễ để chờ bước sóng khả dụng Thành phần nút OXC cấu chuyển mạch quang khối điều khiển chuyển mạch Khối điều khiển chuyển mạch trì thông tin topo mạng, trì bảng định tuyến, xử lý tiêu đề gói tin, điều khiển việc lưu đệm, lập lịch chuyển tiếp gói tin, điều khiển cấu chuyển mạch, chuyển mạch gói tin thời gian định, phát phân giải tranh chấp xày gói tin Cơ cấu chuyển mạch thực tạo kết nối từ cổng đầu vào đến cổng tương ứng theo yêu cầu khối điều khiển chuyển mạch 34 Kiến trúc node mạng OPS Bài tập 1:Hệ thống WDM (không sử dụng KĐ đường truyền) đơn hướng, điểm-điểm Sử dụng bước sóng băng C Mỗi bước sóng hoạt động tốc độ 2,5 Gb/s, khoảng cách bước sóng 50 Ghz Khoảng cách truyền tin hai điểm 76 Km Hệ thống sử dụng sợi quang đơn mode có hệ số suy hao 0,25 dB/km băng C.a Vẽ sơ đồ khối hệ thống WDM, chức khối? b Tổng dung lượng hệt hống? Tổng băng thông hệ thống? c λ = 1548,52 nm Tính bước sóng lại ( λ 4> λ 3> λ 2> λ 1)? d = 1dBm Tính theo đơn vị mW (bỏ qua suy hao tách, ghép, hàn nối) Giải: a 35 Chức khối: 36 Bộ tách có tác dụng tách luồng tín hiệu quang tổng thành luồng tín hiệu quang có bước sóng khác để đưa tới thu Bộ ghép có tác dụng ghép tín hiệu quang từ đầu cuối khác thành luồng tín hiệu quang tổng để truyền  b.- Tổng dung lượng hệ thống: 4*2,5Gb/s=10Gb/s Tổng băng thông hệ thống Băng thông kênh là: Tổng băng thông sử dụng là: B=4*= c.Ta có λ 1=1548,52 nm  λ 2= λ 1+ λ 3= λ 2+ λ 4= λ 3+ d = 1dBm Vì bỏ qua suy hao tách ghép hàn nối  Trong L hệ số suy hao đường truyền L=α*d=0,25(dB/Km)*76Km=19dB  37 Bài tập 2:Hệ thống WDM đơnhướng điểm-điểm gồm kênh ( λ - λ ) băng C Mỗi kênh ( λ i) có tốc độ 10 Gb/s với khoảng cách kênh 100 GHz Chiều dài điểm: 100 Km Hệ thống sử dụng EDFA bơm ngược, bước sóng bơm 980 nm Bộ khuếch đại EDFA đặt cách nguồn phát 50 Km.Hệ số suy hao 0,25 dB/Km? a.Vẽ sơ đồ khối hệ thống WDM, chức khối? b Công suất phát dBm, KĐ có = 15 dB, Tính công suất thu ? Giải: a 38 EDFAA D1 D2 G 39 Chức khối: Bộ tách có tác dụng tách luồng tín hiệu quang tổng thành luồng tín hiệu quang có bước sóng khác để đưa tới thu Bộ ghép có tác dụng ghép tín hiệu quang từ đầu cuối khác thành luồng tín hiệu quang tổng để truyền Sợi quang pha ion đất Eribium(EDF): nơi xảy trình KĐ(vùng tích cực) EDFA Trong vùng lõi trung tâm EDF pha trộn ion Er3+ nơi có cường độ sóng bơm tín hiệu cao Việc pha ion Er3+ vùng nhằm tạo chồng lấn lượng bơm tín hiệu với ion erbium lớn dẫn đến khả khuếch đại tốt Lớp bọc có chiết suất thấp bao quanh vùng lõi Lớp vỏ bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi quang tổng 250 µm Lớp vỏ có chiết suất lớn so với lớp bọc dùng để loại bỏ ánh sáng không mong muốn lan truyền sợi quang Laser bơm: Cung cấp lượng ánh sáng để tạo trạng thái nghịch đạo nồng độ vùng tích cực Laser bơm phát ánh sáng có bước sóng 980nm 1480nm WDM Couupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại ánh sáng từ laser bơm vào sợi quang Loại coupler sử dụng WDM coupler cho phép ghép tín hiệu có bước sóng 980/1550nm 1480/1550nm 40 Bộ cách ly quang: Ngăn không cho tín hiệu quang phản xạ ngược phía đầu phát tín hiệu quang đường truyền phản xạ ngược EDFA b Công suất thu Trong đó: L1 suy hao chặng D1 L2 suy hao chặng D2 G hệ số khuếch đại khuếch đại EDFA L1=L2= α*D1= α*D2=0,25*50=12,5dB  41