Phân tích và thiết kế kiến trúc vật lý tuyến cáp quang có chuyển mạch bảo vệ tự động trên địa bàn tỉnh thừa thiên huế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐINH MINH CHÂU PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ KIẾN TRÚC VẬT LÝ TUYẾN CÁP QUANG CÓ CHUYỂN MẠCH BẢO VỆ TỰ ĐỘNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THỪA THIÊN HUẾ LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐINH MINH CHÂU PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ KIẾN TRÚC VẬT LÝ TUYẾN CÁP QUANG CÓ CHUYỂN MẠCH BẢO VỆ TỰ ĐỘNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THỪA THIÊN HUẾ NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƢỚNG DẪN TS ĐẶNG XUÂN VINH HÀ NỘI - 2015 LỜI CÁM ƠN Trong trình học tập lớp Cao học Điện tử Viễn thơng, Khóa 3, thuộc trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội liên kết với Trƣờng Đại học Khoa Học - Đại học Huế, tơi hồn thành luận văn Trƣớc hết, xin gởi lời cám ơn chân thành tới TS Đặng Xn Vinh, ngƣời thầy ln tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian thực luận văn Và xin đƣợc cám ơn quý thầy, cô Khoa Điện tử Viễn thông - trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Khoa Điện tử Viễn thông - trƣờng Đại học Khoa Học, Đại học Huế tạo điều kiện giúp đỡ, bảo cho lời khuyên vô quý báu Học viên Đinh Minh Châu LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận văn nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn TS Đặng Xuân Vinh Các số liệu kết qủa luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Ngƣời viết Đinh Minh Châu MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC .3 DANH MỤC BẢNG .6 DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM 13 1.1 Giới thiệu: 13 1.2 Công nghệ WDM 15 1.2.1 Kỹ thuật ghép kênh theo bƣớc sóng 15 1.2.2 Mơ hình phân cấp lớp WDM: 15 1.2.3 Các phần tử mạng quang WDM: .17 1.2.4 Phân loại hệ thống WDM: .19 1.2.5 Ƣu nhƣợc điểm công nghệ WDM 20 1.3 Kết luận chƣơng 21 CHƢƠNG – KHẢO SÁT ĐỊA BÀN PHỤC VỤ .22 2.1 Thừa Thiên Huế: 22 2.1.1 Vị trí địa lý: 22 2.1.2 Khí hậu: 23 2.1.3 Giao thông: 23 2.1.4 Hành chính: 23 2.2 Dự báo nhu cầu dung lƣợng tuyến quang nội tỉnh Thừa Thiên Huế: 24 2.3 Đề xuất phƣơng án tăng dung lƣợng cho tƣơng lai 25 2.4 Kết luận chƣơng 25 CHƢƠNG – CƠ CHẾ CHUYỂN MẠCH BẢO VỆ TỰ ĐỘNG .26 TRONG MẠNG QUANG WDM CẤU HÌNH RING 26 3.1 Chuyển mạch quang .26 3.1.1 Khái niệm .26 3.1.2 Phân loại chuyển mạch quang .26 3.1.2.1 Chuyển mạch kênh quang 26 3.1.2.2 Chuyển mạch gói quang .28 3.1.2.3 Chuyển mạch chùm quang 30 3.1.3 Cấu trúc chuyển mạch quang 32 3.2 Cơ chế bảo vệ tự động 34 3.2.1 Cơ chế bảo vệ riêng .36 3.2.2 Cơ chế bảo vệ chia 36 3.3 Kiến trúc vật lý chế bảo vệ cho mạng quang RING WDM: 37 3.3.1 Bảo vệ lớp kênh quang (Och): .38 3.3.1.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình ring (OCh - DPRing): 38 3.3.1.2 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình ring (OCh - SPRing) .39 3.3.2 Bảo vệ lớp đoạn ghép kênh quang (OMS): 40 3.3.2.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình Ring (OMS - DPRing): 40 3.3.2.2 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình vịng ring (OMS – SPRing): 41 3.4 Kết luận chƣơng 44 CHƢƠNG –THIẾT KẾ KIẾN TRÚC VẬT LÝ TUYẾN CÁP QUANG CÓ CHUYỂN MẠCH BẢO VỆ TỰ ĐỘNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THỪA THIÊN HUẾ .46 4.1 Lựa chọn phƣơng án thiết kế: 46 4.2 Kiến trúc vật lý tuyến cáp quang địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế: 47 4.3 Đề xuất mạng quang cấu hình Ring cho nút chính: .48 4.3.1 Cấu hình nguyên lý hoạt động: 48 4.3.2 Các cố xảy cách khắc phục: .51 4.3.2.1 Lỗi đơn hƣớng: 51 4.3.2.2 Lỗi đa hƣớng: 52 4.3.2.3 Lỗi xảy tuyến hoạt động tuyến bảo vệ: 52 4.3.2.4 Sự cố xảy nút: 54 4.4 Kết luận chƣơng 55 CHƢƠNG – SỬ DỤNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM MÔ PHỎNG 56 TUYẾN QUANG THIẾT KẾ .56 5.1 Yêu cầu cụ thể tuyến .56 5.2 Các vấn đề cần ý thiết kế cho tuyến cáp 56 5.3 Các bƣớc thiết kế 57 5.3.1 Chọn tuyến .57 5.3.2 Chọn sợi quang 58 5.3.3 Tính tốn chọn thiết bị 59 5.3.4 Tính toán suy hao tuyến quang thiết kế dựa thiết bị chọn 61 5.3.4.1 Tuyến quang theo chiều CCW: Từ trung tâm chuyển mạch Đà Nẵng trung tâm chuyển mạch Hà Nội 61 5.3.4.2 Tuyến quang theo hƣớng CW từ trung tâm chuyển mạch thành phố Hà Nội vào trung tâm chuyển mạch thành phố Đà Nẵng: 65 5.4 Mô hệ thống thông tin quang phần mềm OptiSystem 69 KẾT LUẬN 76 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO .77 DANH MỤC BẢNG Bảng - Phân bổ bƣớc sóng .46 Bảng - Số bƣớc sóng sử dụng cho tuyến cáp quang tỉnh 48 Bảng - Giá trị suy hao đoạn 61 Bảng - Giá trị suy hao đoạn 62 Bảng - Giá trị suy hao đoạn 63 Bảng - Giá trị suy hao đoạn 63 Bảng - Giá trị suy hao đoạn 65 Bảng - Giá trị suy hao đoạn 1’ 66 Bảng - Giá trị suy hao đoạn 2’ 66 Bảng - Giá trị suy hao đoạn 3’ 67 Bảng - Giá trị suy hao đoạn 4’ 68 Bảng - 10 Giá trị suy hao đoạn 5’ .69 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình - Khả truyền tải loại hình dịch vụ mạng truyền tải quang 13 Hình - Xu hƣớng phát triển cấu trúc mạng truyền tải quang 14 Hình - Nguyên lý kỹ thuật ghép kênh theo bƣớc sóng 15 Hình - Mơ hình phân cấp lớp quang 16 Hình - Kiến trúc mạng truyền tải quang 16 Hình - Sơ đồ chức hệ thống WDM 17 Hình - Mơ tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) 17 Hình - Sơ đồ hệ thống EDFA 18 Hình - Mơ hình ghép kênh xen/rẻ OADM 18 Hình - 11 Hệ thống WDM truyền dẫn song công 19 Hình - 10 Thiết bị nối chéo quang 19 Hình - 12 Hệ thống WDM truyền dẫn đơn cơng 20 Hình - Bản đồ hành địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế 22 Hình - Mạng chuyển mạch kênh .27 Hình - Mơ hình mạng chuyển mạch gói 28 Hình - Kiến trúc chuyển mạch gói quang 29 Hình - Mơ hình mạng chuyển mạch chùm quang 30 Hình - Sơ đồ khái niệm chuyển mạch .32 Hình - Nguyên lý hoạt động chuyển mạch 1x2 32 Hình - Cấu hình sợi quang đầu vào 33 Hình - Sự dịch chuyển sợi quang .33 Hình - Biểu đồ chèn chuyển mạch quang phụ thuộc vào điện đặt lên ống áp điện 34 Hình - 10 Thời gian chuyển mạch mạch điện đầu sử dụng tụ điện với điện dung19.6 nF(Bên trái) 260nF (Bên phải) 34 Hình - 11 Chuyển mạch bảo vệ đơn hƣớng hai hƣớng 35 Hình - 12 Chuyển mạch bảo vệ tuyến, đoạn, vòng 35 Hình - 13 Các chế bảo vệ: hình a + OMS hình b + Och .38 Hình - 14 OCh – DPRing hai sợi đơn hƣớng điều kiện bình thƣờng có cố 39 Hình - 15 OCh–DPRing bốn sợi đơn hƣớng điều kiện bình thƣờng có cố .39 Hình - 16 OCh – SPRing bình thƣờng cố đoạn 40 Hình - 17 OCh – SPRing bình thƣờng cố nút .40 Hình - 18 OMS – DPRing hai sợi điều kiện bình thƣờng có cố 41 Hình - 19 Bảo vệ chia sẻ kênh quang OMS - SPRing 42 Hình - 20 Ring hai sợi hai hƣớng chuyển mạch bảo vệ đoạn ghép kênh 42 Hình - 21 Ring hai sợi hai hƣớng bảo vệ cố đoạn OMS – 2SPRing .43 Hình - 22 Ring hai sợi hai hƣớng bảo vệ cố nút OMS – SPRing .43 Hình - 23 Ring bốn sợi hai hƣớng chuyển mạch bảo vệ đoạn ghép kênh 43 Hình - 24 Ring bốn sợi hai hƣớng cố đoạn OMS – 4SPRing 44 Hình - Kiến trúc vật lý mạng cáp quang nội tỉnh Thừa Thiên Huế 47 Hình - Phổ khuếch đại EDFA 48 Hình - Kiến trúc vật lý mạng quang RING tỉnh Thừa Thiên Huế 49 Hình - Cấu trúc nút Huế trạng thái bình thƣờng 50 Hình - Cấu hình B-OADM AN Huế Phú Vang gặp cố lỗi đơn hƣớng .51 Hình - Cấu hình B-OADM AN Huế Phú Vang gặp cố đa hƣớng 52 Hình - Cấu hình AN Huế Phú Vang tuyến bảo vệ hoạt động xảy cố 52 Hình - Cấu hình AN Huế cố nút xảy AN Hƣơng Trà 54 Hình - Các phần tử tuyến truyền dẫn quang .56 Hình - Sơ đồ tuyến thông tin quang thiết kế 58 Hình - Sự liên hệ BER, SNR Q 60 Hình - Cơ chế bù tán sắc kiểu đối xứng đoạn (đoạn 1’) .64 Hình - Mơ hình hệ thống thơng tin quang đoạn (đoạn 5’) 70 Hình - Mơ hình hệ thống quang đoạn (đoạn 4’) 70 Hình - Mơ hình hệ thống quang đoạn (đoạn 3’) 71 Hình - Mơ hình hệ thống quang đoạn (đoạn 2’) 71 Hình - Mơ hình hệ thống quang đoạn (đoạn 1’) 72 Hình - 10 Mơ hình Tuyến cáp quang từ AN Phú Vang đến AN Huế 72 Hình - 11 Bộ phát sử dụng điều chế 73 Hình - 12 Sơ đồ AN Huế .73 Hình - 13 Bộ tách quang .73 Hình - 14 Hệ số phẩm chất tín hiệu (Q Factor) tỷ số tín hiệu nhiễu (BER) AN Phú Vang .74 Hình - 15 Hệ số phẩm chất tín hiệu (Q Factor) tỷ số tín hiệu nhiễu (BER) AN Huế 75 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: 1.Đỗ Văn Việt Em, Thông tin quang 1, 2, Học viện cơng nghệ Bƣu viễn thơng “Thiết kế mô tuyến thông tin quang”, Báo cáo nghiên cứu khoa học năm 2012, sinh viên Điện tử - Viễn thông K32 K31, trƣờng Đại học khoa học Huế 3.Trung tâm Internet Việt Nam, “Báo cáo tài nguyên Internet Việt Nam 2013”, tháng 12-2013 “Hệ thống thông tin sợi quang”, Phùng Văn Vận, Nhà xuất bƣu điện Hà Nội, năm 2008 “Quy hoạch phát triển mạng viễn thông Việt Nam giai đoạn 2020”, 27/7/2012 Sở thông tin truyền thông tỉnh Thừa Thiên Huế, “Dự báo nhu cầu lƣu lƣợng địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế đến năm 2025” Website : http://genk.vn/net/bao-cao-tinh-hinh-noi-dung-so-viet-nam-2014-nguoi-dung-mangxa-hoi-online-lau-nhat-khu-vuc-20140313153928765.chn Website Sở kế hoạch đầu tƣ Thừa Thiên Huế: http://skhdt.thuathienhue.gov.vn/ Cổng thông tin điện tử tỉnh Thừa Thiên Huế: http://www1.thuathienhue.gov.vn/ Tiếng Anh: 10 Tsong-Ho Winston Way, “A Novel Passive Protected SONET Bi-Directional Self-Healing Ring Architecture”, Bellcore, 331 Newman Spring Rd 11 “Cisco ONS 15454 SDH Reference Manual”, Cisco Systems, Inc., chƣơng 12 12 The ITU – T Recommendation G.872 13 Xiaojun Fang, Rainer Iraschko and Rohit Sharma, “All-Optical Four-Fiber Bidirectional line-switched ring”, vol 17, No 8, August 1999 14 “Forecast and Methodology 2011 – 2016”, Cisco Visual Networking Index, Cisco, May 30, 2012 15 “The Zettabyte Era: Trends and Analysis”, Cisco Visual Networking Index, Cisco, May 29, 2013 16 “WDM Communication Systems”, Optiwave, 2008 17 Guido Maier, Achile Pattavina, “Optical network survivability: Protection techniques in the WDM layer”, Photonic Network Communications, 251-269, 2002 18 “Global Mobile Data Traffic Forecast update 2013-2018”, Cisco Visual Networking Index, Cisco, February 5, 2014 19 We are social, “Global Digital Statistics 2014” 20 Chia-Hsiung Chang, Tsair-Chun Liang, Chien-Yu Huang, “DWDM self-healing access ring network with cost-saving, crosstalk-free and bidirectional OADM in single fiber”, Taiwan, 8/2009 78 21 K Ennser and K Petermann, “Performance of RZ- Versus NRZ- Transmission on Standard Single Mode Fibers”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol 8, pp 443445, 1996 22 M.I Hayee and A.E Willner, “NRZ Versus RZ in 10-40 Gb/s Dispersion – Managed WDM Transmission Systems”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol 11, pp 991-993, 1999 23 “Dense Wavelength Division Multiplexing”, chapter 14 DWDM system 24 Eugen Latch, Wilfried Idler, “Modulation formats for 100G and beyond”, Bell Labs, Germany