Phân tích và thiết kế mạng đường trục DWDM cho viettel peru bằng công cụ optiwave

Với ưu thế về công nghệ đặc biệt, ghép kênh theo bước sóng mật đô cao DWDM đã trở thành một phương tiện tối ưu về kỹ thuật và kinh tế để mở rộng dung lượng sợi quang một cách nhanh chóng

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 3

1.1 Hệ thống thông tin quang 3

1.1.1 Các đặc điểm của hệ thống thông tin quang 3

1.1.2 Cấu trúc tổng quát của hệ thông thông tin quang 5

1.2 Các công nghệ cơ sở ghép kênh quang 7

1.2.1 Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) 7

1.2.2 Ghép kênh phân chia theo không gian (FDM) 8

1.2.3 Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) 8

1.3 Giới thiệu về công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM 9

1.3.1 Các dải bang tần hoạt động trong WDM 10

1.3.2 Sơ đồ chức năng: 10

1.3.3 Phân loại hệ thống WDM 10

1.4 Các tham số cơ bản trong thông tin quang 12

1.4.1 Suy hao sợi quang 12

1.4.2 Số kênh bước sóng và khoảng cách giữa các kênh 13

1.4.3 Xác định độ rộng phổ yêu cầu của nguồn phát 14

1.4.4 Quỹ công suất 15

1.4.5 Xuyên âm 16

1.4.6 Tán sắc 16

1.5 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 17

1.5.1 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM 17

1.5.2 Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM 18

1.5.3 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM 19

1.5.4 Hiệu ứng tán xạ do kích thích Raman 20

1.5.5 Hiệu ứng tán xạ do kích thích Brillouin 20

1.6 Các đặc điểm của hệ thống WDM 21

1.7 Kết luận chương 22

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG MẬT ĐỘ CAO DWDM 23

2.1 Ưu điểm của hệ thống DWDM 23

2.2 Mô hình hệ thống và nguyên lý hoạt động 24

2.3 Các bộ phận chức năng 27

2.3.1 Bộ phát đáp quang OUT 27

2.3.2 Bộ ghép kênh quang OMU 32

2.3.2 Bộ tách kênh quang ODU 34

2.3.3 Bộ ghép kênh xen rẽ quang OADM 36

2.3.4 Bộ ghép kênh xen rẽ quang ROADM 39

2.3.5 Bộ khuếch đại OA 42

2.3.6 Bộ kết nối chéo quang OXC 45

2.3.7 Khối bù tán sắc DCM 46

2.3.8 Các loại sợi quang dùng trong công nghệ DWDM 46

2.4 Kiến trúc mạng DWDM 48

2.4.1 Kiến trúc điểm-điểm 48

2.4.2 Kiến trúc mạng vòng Ring: 48

2.4.3 Kiến trúc mạng lưới Mesh 49

2.5 Ứng dụng DWDM tại các lớp mạng 51

2.6 Kết luận chương 51

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VÀ TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM OPTIWAVE 52 3.1 Giới thiệu chung về phần mềm Optiwave 52

3.2 Các ứng dụng của phần mềm 52

3.3 Yêu cầu về phần cứng và phần mềm 52

3.4 Thư viện các phần tử 53

3.4.1 Giao diện người sử dụng (GUI) 53

3.5 Tóm tắt hướng dẫn sử dụng và một số chức năng của Optiwave 55

3.5.1 Mở một dự án có sẵn 55

3.5.2 Tạo một dự án mới 56

3.5.3 Thiết lập các tham số toàn cục (global parameters) của dự án 57

3.5.4 Hiển thị và thay đổi tham số của các phần tử trong dự án 58

3.5.5 Chạy mô phỏng 59

3.5.6 Hiển thị kết quả mô phỏng 60

3.5.7 Thực hiện quét tham số (Parameter Sweep) 60

3.5.8 Hiển thị kết quả mô phỏng quét tham số 64

3.6 Kết luận chương 65

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MẠNG ĐƯỜNG TRỤC DWDM CHO VIETTEL PERU BẰNG CÔNG CỤ HỖ TRỢ OPTIWAVE 66

4.1 Giới thiệu về viễn thông Peru 66

4.2 Thiết kế sơ đồ Ring mạng đường trục DWDM cho Viettel Peru 67

4.3 Thiết kế tuyến điểm-điểm dựa trên tham số OSNR 68

4.3.1 Cách tính tham số OSNR 68

4.3.2 Tính toán thông số của bộ bù tán sắc 70

4.3.3 Tính toán thông số của bộ khuếch đại quang EDFA 70

4.4 Thiết kế mạng đường trục DWDM Viettel Peru với Optisystem 71

4.5 Kết luận chương 76

KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang 5

Hình 1.2: Nguyên lý cơ bản ghép kênh theo bước sóng 8

Hình 1.3: Sơ đồ chức năng của hệ thống WDM 10

Hình 1.4 : Hệ thống WDM đơn hướng 11

Hình 1.5 : Hệ thống WDM song hướng 11

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý DWDM 24

Hình 2.2: Hệ thống DWDM hai hướng 26

Hình 2.3: Giao tiếp giữa DWDM với các dịch vụ khác 27

Hình 2.4 Sơ đồ khối chức năng của OTU không có FEC 29

Hình 2.5 Sơ đồ khối chức năng của OTU có FEC 31

Hình 2.6: Sơ đồ khối chức năng của bộ ghép kênh quang 33

Hình 2.7: Sơ đồ khối chức năng của bộ tách kênh quang 35

Hình 2.8: Sơ đồ khối OADM 37

Hình 2.10: Cấu trúc OADM song song 38

Hình 2.10: Cấu trúc OADM song song theo module 38

Hình 2.11: Cấu trúc OADM nối tiếp 38

Hình 2.12: Cấu trúc xen rớt theo băng sóng 39

Hình 2.13: Vị trí ROADM trong mạng 39

Hình 2.14: Sơ đồ chức năng ROADM 41

Hình 2.15: Cấu trúc EDFA đơn tầng 43

Hình 2.16: Sơ đồ khối chức năng của bộ khuếch đại Raman 44

Hình 2.17: OXC với ma trận chuyển mạch NxN 45

Hình 2.18: Kiến trúc mạng điểm – điểm 48

Hình 2.19: Kiến trúc mạng Ring 49

Hình 2.20: Kiến trúc mạng Mesh 50

Hình 2.21: Kiến trúc mạng kết hợp 50

Hình 3.1 Giao diện người sử dụng 53

Hình 3.2 Thư viện các phần tử 54

Hình 3.3 Project Browser 54

Hình 3.4 Description 55

Hình 3.5 Status bar 55

Hình 3.6 Menu bar 55

Hình 3.7 Pan window 55

Hình 3.8 Cửa số Project layout 56

Hình 3.9 Đặt phần tử vào Main layout 56

Hình 3.10 Kích hoạt kết nối tự động 57

Hình 3.11 Hủy bỏ chế độ kết nối tự động 57

Hình 3.12 Hộp thoại Layout parameters 58

Hình 3.13 Hộp thoại về các tham số của Laser Measured 59

Hình 3.14 File menu 59

Hình 3.15 Hộp thoại Optisystem Calculations 60

Hình 3.16 Kết quả hiển thị trên thiết bị phân tích phổ 60

Hình 3.17 Hộp thoại Total Parameter Iteration 61

Hình 3.18 Truy nhập qua Layout - Set Total Sweep Iterations 61

Hình 3.19 Hộp thoại Current Sweep Iteration 62

Hình 3.20 Set Current Iteration drop-down box 62

Hình 3.21 Sweep mode 63

Hình 3.22 Tham số của phần tử - Tham số ở chế độ Sweep mode 63

Hình 3.23 Các giá trị tham số cần quét của phần tử trên thiết kế 64

Hình 3.24 Hiện thị kết quả mô phỏng quét tham số 65

Hình 4.1: Bản đồ quốc gia Peru 66

Hình 4.2: Sơ đồ thiết kế Ring cho mạng đường trục Viettel Peru 67

Hình 4.3: Tính toán OSRN cho một tuyến điểm điểm 68

Hình 4.4: Khối phát quang 8 bước sóng 72

Hình 4.5: Tuyến truyền dẫn quang 72

Hình 4.6: Khối thu quang 8 bước sóng 73

Hình 4.7: Sơ đồ thiết kế mạng đường trục DWDM Viettel Peru với Optiwave 73

Hình 4.8: Phổ tín hiệu khối phát 74

Hình 4.8: Phổ tín hiệu khối thu 74

Hình 4.10: Đồ thị mắt quang tại một kênh thu tại LAM01 75

Hình 4.11: Tỷ số OSNR trên mỗi bước sóng tuyến TUM01 – PIU01 76

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1: Tính toán OSNR cho các tuyến 69

Bảng 4.2: Tính toán bù tán sắc và độ lợi khuếch đại EDFA cho các tuyến 70

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

động

khuếch đại

Multiplexer

Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao

sợi pha trộn Erbium

sóng

âm quang

quang

Brillouin

âm

Raman

sóng

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự phát triển chưa từng có

về nhu cầu sử dụng băng thông truyền dẫn, chính điều này đã sản sinh ra một lượng thông tin rất lớn truyền tải trên mạng tạo ra nhiều áp lực mới cho mạng hiện tại Băng tần truyền dẫn trở thành tài nguyên quý giá hơn bao giờ hết Để đáp ứng yêu cầu trên, cho đến nay sợi quang vẫn được xem là môi trường lý tưởng cho việc truyền tải lưu lượng cực lớn Đối với hệ thống dung lượng thấp, công nghệ TDM thường được sử dụng để tăng dung lượng truyền dẫn của một kênh cáp đơn lên 10Gbps, thậm chí là 40Gbps Tuy nhiên, việc tăng tốc cao hơn nữa là không dễ dàng vì các hệ thống tốc độ cao đòi hỏi công nghệ điện tử phức tạp và đắt tiền Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbps, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao Để nâng cao tốc

độ truyền dẫn, khắc phục được những hạn chế mà các mạch điện hiện tại chưa khắc phục được, công nghệ ghép kênh quang phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM ra đời DWDM có thể ghép một số lượng lớn bước sóng trong vùng bước sóng 1550nm để nâng dung lượng hệ thống lên hàng trăm Gbps Với ưu thế về công nghệ đặc biệt, ghép kênh theo bước sóng mật đô cao DWDM đã trở thành một phương tiện tối ưu về kỹ thuật và kinh tế để mở rộng dung lượng sợi quang một cách nhanh chóng và quản lý hiệu quả hệ thống DWDM đã đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu phát triển các dịch vụ băng rộng trên mạng và ngày càng được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới

Các nhà mạng đã sử dụng công nghệ DWDM làm nền tảng truyền dẫn để xây dựng hạ tầng viễn thông cho các quốc gia Hiện nay Viettel đã đấu thầu thành công được phép xây dựng và cung cấp mạng viễn thông cho quốc gia Peru Và vấn đề thiết kế xây dựng mạng đường trục DWDM cho Viettel Peru là vấn đề cốt yếu

Chính vì lý do đó nên em đã tiến hành tìm hiểu đề tài: “Phân tích và thiết kế mạng

đường trục DWDM cho Viettel Peru bằng công cụ hỗ trợ Optiwave” Luận văn

được chia làm bốn chương:

Chương I: Tổng quang về hệ thống thông tin quang

Chương II: Công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM Chương III: Giới thiệu và tìm hiểu phần mềm Optiwave

Chương IV: Thiết kế mạng đường trục DWDM cho Viettel Peru bằng công cụ hỗ trợ Optiwave

Em xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy TS Nguyễn Hoàng Hải đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn nghiên cứu để em có thể hoàn thành luận văn này Do

có hạn chế về mặt thời gian và kiến thức, luận văn tốt nghiệp của em còn nhiều thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn

để đề tài của em được hoàn thiện hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2013 Học viên

Văn Tấn Đạt

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Những năm gần đây dịch vụ thông tin tăng trưởng rất nhanh chóng Để thích ứng với sự tăng trưởng đó đã xuất hiện nhiều công nghệ truyền dẫn thông tin khác nhau để truyền tải thông tin đi những khoảng cách lớn Đáp ứng nhu cầu các hệ thống quang đã được nghiên cứu và đang được đưa vào ứng dụng rộng rãi trong các nước trên thế giới và có khả năng hiện đại hoá mạng lưới viễn thông trên toàn thế giới Chương này trình bày khái quát về quá trình phát triển của hệ thống thông tin

quang và các công nghệ cơ sở của hệ thống thông tin quang

1.1 Hệ thống thông tin quang

1.1.1 Các đặc điểm của hệ thống thông tin quang

Băng thông khổng lồ đầy tiềm năng: tần số sóng mang quang trong khoảng

1013 đến 1016 Hz, cung cấp băng thông truyền lớn hơn nhiều so với hệ thống cáp kim loại Hiện tại dung lượng băng thông của hệ thống sợi quang chưa sử dụng hết

Vì thế dung lượng mang thông tin của hệ thống thông tin quang lớn hơn nhiều so với hệ thống cáp đồng tốt nhất Do suy hao lớn ở băng thông rộng, hệ thống cáp đồng trục giới hạn khoảng cách truyền với chỉ một vài km ở băng thông trên 100Mhz

Sợi quang kích thước nhỏ và nhẹ: sợi quang có bán kính rất nhỏ, thường bán kính này không lớn hơn bán kính sợi tóc con người Vì thế, thậm chí khi sợi quang được phủ thêm những lớp bảo vệ thì chúng vẫn nhỏ và nhẹ hơn nhiều so với cáp đồng

Sự cách li về điện: sợi quang được chế tạo từ thuỷ tinh hoặc đôi lúc là chất dẻo, đó là những chất cách điện, vì thế không giống với dây dẫn kim loại, nó không cho thấy những trục trặc cơ bản Hơn nữa, đặc tính này làm cho việc truyền thông tin của sợi quang trở nên phù hợp một cách lí tưởng cho sự thông tin trong những môi trường mạo hiểm về điện

Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu và xuyên âm: sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi phi dẫn nên chúng không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, các xung điện tử, nhiễu tần số vô tuyến

Bảo mật thông tin: ánh sáng từ sợi quang bị bức xạ một cách không đáng kể nên chúng có tính bảo mật tín hiệu cao Đặc tính này thu hút đối với quân đội, ngân hàng và các ứng dụng truyền dữ liệu

Suy hao thấp: sự phát triển của sợi quang qua nhiều năm đã đạt được kết quả trong việc chế tạo ra sợi quang có độ suy hao rất thấp Sợi quang được chế tạo với

độ suy hao 0.2dB/km và đặc tính này trở thành lợi thế chính của thông tin quang Tính linh hoạt: mặc dù các lớp bảo vệ là cần thiết, sợi quang được chế tạo với sức căng cao, bán kính rất nhỏ Với lợi thế về kích thước và trọng lượng, sợi quang nói chung là tốt hơn trong việc lưu trữ, chuyên chở, xử lí và lắp đặt dễ hơn hệ thống cáp đồng

Độ tin cậy của hệ thống và dễ bảo dưỡng: do đặc tính suy hao thấp của sợi quang nên có thể giảm được yêu cầu số bộ lặp trung gian hoặc số bộ khuếch đại trên đường truyền Vì thế, với một vài bộ lặp thì độ tin cậy của hệ thống có thể được nâng cao hơn hẳn hệ thống dẫn điện Hơn nữa, độ tin cậy của các thiết bị quang không còn là vấn đề, các thiết bị quang có tuổi thọ rất cao, khoảng 20-30 năm Giá thành thấp đầy tiềm năng: thủy tinh cung cấp cho thông tin quang được lấy từ cát, không phải là nguồn tài nguyên khan hiếm Vì thế, sợi quang đem lại giá thành thấp

Thông tin quang cũng cho phép truyền đồng thời các tín hiệu có bước sóng khác nhau Đặc tính này cùng với khả năng truyền dẫn băng thông rộng của sợi quang sẵn có làm cho dung lượng truyền dẫn của tuyến trở nên rất lớn

1.1.2 Cấu trúc tổng quát của hệ thông thông tin quang

Mạch điều khiển

Nguồn phát quang

Đầu thu quang

Khôi phục tín hiệu

Thu quang

Phát quang

Mạch điện

Khuếch đại quang

Bộ nối quang

Mối hàn sợi

Bộ chia quang Trạm lặp

Khuếch đại Các thiết bị khác

Hình 1.1 : Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang gồm có những phần chính là:

- Phần phát quang: gồm nguồn phát quang và các mạch điều khiển phát quang

- Phần truyền dẫn: bao gồm sợi quang, các bộ nối, bộ chia, bộ tách hay ghép

và bộ lặp, trong đó sợi quang được bọc cáp bảo vệ là thành phần quan trọng nhất Ngoài việc bảo vệ cho các sợi quang trong quá trình lắp đặt và khai thác, trong ống cáp còn có thể có dây dẫn đồng để cấp nguồn cho các bộ lặp Các bộ lặp làm nhiệm

vụ khôi phục và khuyếch đại tín hiệu truyền dẫn trên tuyến cáp quang có khoảng cách dài

- Phần thu quang: bao gồm bộ tách sóng quang, mạch khuyếch đại điện và mạch khôi phục tín hiệu

Để phát tín hiệu vào sợi quang, nguồn ánh sáng được sử dụng thường phải tương thích với lõi sợi quang về kích thước Nguồn quang có hai loại là điốt laze

LD và điốt phát quang LED LED sử dụng phát xạ tự nhiên bằng cách phun năng lượng bên ngoài dưới dạng dòng điện, còn LD sử dụng phát xạ cưỡng bức Công suất phát xạ của LED nhỏ hơn so với LD nhưng dễ sản xuất với giá thành thấp Tín

hiệu quang phát ra từ LD và LED có tham số biến đổi tương ứng với biến đổi của tín hiệu điện đầu vào Tín hiệu điện đầu vào có thể ở dạng tương tự hoặc số Thiết

bị phát quang sẽ thực hiện việc biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang tương ứng bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang Công suất quang

ra phụ thuộc vào sự biến đổi của cường độ tín hiệu quang Bước sóng ánh sáng của nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát

Tín hiệu quang sau khi được điều chế ở phần phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi quang Trong quá trình truyền dẫn, tín hiệu quang có thể sẽ bị suy hao và méo dạng khi qua các bộ ghép nối, mối hàn sợi và trên sợi do các hiệu ứng tán xạ, hấp thụ và tán sắc Độ dài tuyến truyền dẫn phụ thuộc mức suy hao sợi quang theo bước sóng

Khi khoảng cách truyền dẫn dài (trên 100 Km), tín hiệu quang bị suy giảm nhiều thì cần phải đặt thêm các trạm lặp quang để khuyếch đại tín hiệu và bù lại phần tín hiệu đã bị suy hao Trạm lặp thu tín hiệu quang, biến đổi tín hiệu quang (O) thành tín hiệu điện (E), khuếch đại và tái tạo xung tín hiệu điện, sau đó biến đổi tín hiệu điện (E) thành tín hiệu quang (O) và phát lại quang vào đường truyền tiếp theo Các trạm lặp có thể được thay thế bằng các bộ khuyếch đại quang (OA) để khuếch đại tín hiệu quang trực tiếp Rõ ràng trạm lặp cho ra tín hiệu tốt hơn Nhưng giá thành của trạm lặp cao hơn vì vậy chỉ sử dụng cho những tuyến có cự ly rất xa Các bộ tách sóng quang tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện Bộ tách sóng quang phải đáp ứng được những yêu cầu về đặc tính rất cao do tín hiệu quang thường bị suy giảm và méo dạng khi tới đầu cuối của sợi cáp quang Một trong những yêu cầu hàng đầu là độ nhạy quang Độ nhạy quang là công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc

độ truyền dẫn nào đó ứng với tỷ lệ lỗi BER cho phép Ngoài ra, bộ thu quang phải

có tạp âm tối thiểu đối với hệ thống và có độ rộng băng tần đủ để xử lý tốc độ dữ liệu mong muốn

Bộ tách sóng quang phải không nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ Hai loại tách sóng quang được sử dụng chủ yếu trong các tuyến cáp quang là tách sóng quang bán dẫn loại PIN hoặc APD Cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và tốc độ chuyển đổi nhanh Khi khoảng cách truyền dẫn ngắn, tốc độ thấp thì đầu phát sử dụng LED còn đầu thu sử dụng PIN Khi khoảng cách truyền dẫn lớn, tốc

độ đòi hỏi cao (mạng đường trục) thì phía phát sử dụng LD, phía thu sử dụng APD

Bộ tách sóng quang phải đáp ứng được những yêu cầu về đặc tính rất cao do tín

hiệu quang thường bị suy giảm và méo dạng khi tới đầu cuối của sợi cáp quang

1.2 Các công nghệ cơ sở ghép kênh quang

Hiện nay, mạng thông tin đang được triển khai trên nhiều môi trường truyền dẫn khác nhau như mạng ngoại vi cáp đồng, cáp đồng trục, dây xoắn đôi hoặc môi trường truyền dẫn không dây Tương ứng với chúng là các thiết bị đầu cuối sử dụng dịch vụ của truyền dẫn Giữa các thiết bị đó, mạng truyền dẫn quang được triển khai nhằm mang đi các luồng lưu lượng lớn, đồng thời đảm bảo tính bảo mật, chất lượng cao, chống nhiễu và khoảng vượt lớn Các công nghệ ghép kênh chính được sử dụng trong mạng truyền dẫn cáp quang bao gồm:

1.2.1 Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM)

Trong công nghệ ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), thông tin được truyền qua môi trường tại các thời điểm khác nhau – các khe thời gian Trong TDM, thứ tự truyền giữa các khe thời gian được quy ước cố định từ trước, trong các khe thời gian đó có thể được sử dụng để truyền dòng dữ liệu số Tuy nhiên, một trong những nhược điểm lớn nhất của công nghệ TDM là khả năng sử dụng băng thông kênh truyền thấp Do đặc điểm là thứ tự truyền của các khe thời gian được quy ước

cố định từ trước Một hạn chế khác của công nghệ TDM là khả năng tăng tốc độ của kênh truyền bị giới hạn bởi khả năng của các thành phần điện và quang trong hệ thống ghép kênh làm hệ thống ghép kênh sử dụng công nghệ TDM chỉ có khả năng tạo ra các kênh truyền có tốc độ tối đa 40Gbps

1.2.2 Ghép kênh phân chia theo không gian (FDM)

Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) được thực hiện bằng cách chia dải tần sóng quang thành nhiều bang tần nhỏ f, mỗi băng tần dùng để truyền tín hiệu một kênh quang Các kênh quang tương ứng với các băng tần khác nhau được biến đổi để truyền song song trên cùng một sợi quang Do dải suy hao thấp của sợi quang lớn nên với công nghệ này có thể truyền dẫn số lượng lớn các kênh truyền với băng tần khác nhau Tuy nhiên phải dựa trên các nguồn phát có tần số ổn định cũng như các thiết bị quang thụ động đáp ứng được việc truyền dẫn

1.2.3 Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM)

Ghép kênh WDM là công nghệ ghép kênh cho phép sử dụng nhiểu bước sóng quang khác nhau truyền trên cùng một tuyến cáp Như vậy ghép kênh WDM giúp

sử dụng triệt để hơn băng thông của cáp quang đồng thời giải quyết nhu cầu tăng dung lượng kênh truyền mà vẫn đảm bảo hiệu quả đầu tư

Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh họa như hình vẽ

quang làm việc ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi dẫn quang Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh, bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi ghép sẽ được truyền dọc theo sợi để đến phía thu Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng

Hình 1.2: Nguyên lý cơ bản ghép kênh theo bước sóng

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng thông rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống, đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất

Các công nghệ ghép kênh theo bước sóng đang được sử dụng hiện nay:

- Ghép kênh bước sóng 1310/1550nm: Công nghệ được sử dụng những năm

trước 1970, sử dụng 2 sóng mang có tần số trung tâm là 1310nm và 1550nm

- Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM): DWDM là công nghệ ghép

kênh phân chia theo bước sóng với khoảng cách giữa các sóng mang nhỏ Thông thường các sóng mang được sử dụng trong cửa sổ có bước sóng trung tâm là 1550nm Với công nghệ ghép kênh DWDM, chúng ta có thể sử dụng cùng lúc từ 8 đến 160 bước sóng truyền trên cùng một sợi quang DWDM thường được sử dụng với các tuyến truyền dẫn có khoảng vượt lớn

- Ghép kênh theo bước sóng dạng thô (CWDM): CWDM là công nghệ ghép

kênh phân chia theo bước sóng tương tự như DWDM tuy nhiên trong CWDM, khoảng cách giữa các sóng mang con được sử dụng lớn hơn (thường lớn hơn 20nm) CWDM sử dụng các sóng mang nằm trong cửa sổ từ 1200nm đến 1700nm CWDM thường được sử dụng trong các tuyến truyền dẫn có khoảng vượt nhỏ, dung

lượng thấp như mạng truyền dẫn trong các tòa nhà hay giữa các tòa nhà với nhau

1.3 Công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) là công nghệ mà trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được xử lý và ghép kênh để truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu tín hiệu tổ hợp đó được phân

giải tách kênh và khôi phục lại các tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

1.3.1 Các dải bang tần hoạt động trong WDM

Tách tín hiệu

Thu tín hiệu

Hình 1.3: Sơ đồ chức năng của hệ thống WDM

Như minh họa trên hình 1.3 hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau:

.

λ1, λ2, λ3,…,λN

λ1, λ2, λ3,…,λN

RxN

DE MUX

.

λ1, λ2, λ3,…,λN

λ1, λ2, λ3,…,λN

EDFA

Hình 1.5 : Hệ thống WDM song hướng

Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang Như vậy để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang Ngược lại, hệ thống song hướng truyền theo cả hai hướng trên cùng một sợi quang, vì vậy chỉ cần một sợi quang để trao đổi thông tin giữa hai điểm

Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng Giả sử công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:

- Xét về dung lượng: Hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại số lượng sợi quang cần dùng là gấp đôi so với hệ thống song hướng

- Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch tự động bảo vệ APS vì cả hai đầu của liên kết đều có khả năng nhận biết một cách tức thời

- Đứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu, đảm bảo định tuyến và phân

bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng

- Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, trong hệ thống song hướng, số bước sóng khuếch đại giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuếch đại sẽ cho công suất ngõ ra lớn hơn ở hệ thống đơn hướng

1.4 Các tham số cơ bản trong thông tin quang

Để triển khai một tuyến thông tin quang cần phải lưu ý một số vấn đề sau:

- Suy hao sợi quang

- Số kênh bước sóng được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh

- Quỹ công suất của hệ thống

- Tán sắc

- Xuyên âm

- Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

1.4.1 Suy hao sợi quang

Việc truyền thông tin từ phía phát đến phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ

hao của sợi thì ta có:

α (dB/ km) = (1.2)

Các nguyên nhân chính gây suy hao trong sợi quang là: Suy hao do hấp thụ ánh sáng, trong đó có hấp thụ tử ngoại và hấp thụ hồng ngoại Hấp thụ chủ yếu do hấp thụ điện tử, hấp thụ tạp chất và hấp thụ vật liệu Ngoài ra, còn phải kể đến suy hao do ghép nguồn quang vào sợi quang, suy hao do mối hàn, suy hao do uốn cong sợi và suy hao do tán xạ do tính không đồng nhất quang học của lõi sợi gây ra Có

ba loại suy hao do tán xạ cơ bản của lõi sợi quang là tán xạ Rayleigh, tán xạ Brillouin và tán xạ Raman

1.4.2 Số kênh bước sóng và khoảng cách giữa các kênh

Một trong các yếu tố quan trọng cần phải xem xét là hệ thống sẽ sử dụng bao nhiêu kênh bước sóng và điều cần lưu ý là số kênh bước sóng cực đại có thể sử dụng được phụ thuộc vào:

+ Băng tần của sợi quang

+ Khả năng tách/ghép các kênh bước sóng

Các yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách giữa các kênh bao gồm:

+ Tốc độ truyền dẫn của từng kênh

+ Quỹ công suất quang

+ Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

+ Độ rộng phổ của nguồn phát

+ Khả năng tách/ghép của các thiết bị WDM

Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550 nm có độ rộng khoảng 100

nm, nhưng do dải khuếch đại của các bộ khuếch đại quang chỉ có độ rộng khoảng

35 nm nên trong thực tế, các hệ thống WDM không thể tận dụng hết toàn bộ băng

ứng ta sẽ có:

f = - c. /2

(1.3)

Như vậy, tại bước sóng 1550 nm, với  = 35 nm thì ta sẽ có f =4,37.1012Hz Giả sử tốc độ truyền dẫn của từng kênh bước sóng là 2,5 GHz, và theo tiêu chuẩn Nyquist với phổ cơ sở của tín hiệu là 2x2,5 = 5 GHz, thì số kênh bước sóng cực đại

có quang Đây là số kênh cực đại tính theo lý thuyết, tuy nhiên với mật độ kênh càng lớn đòi hỏi các thành phần quang trên tuyến phải có chất lượng càng cao Để tránh xuyên âm giữa các kênh này đòi hỏi phải có những nguồn phát rất ổn định và các bộ thu có độ chọn lọc bước sóng cao Bất kỳ sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm dãn phổ sang kênh lân cận

Dựa vào khả năng của công nghệ hiện nay, ITU - T đưa ra quy định về khoảng

số chuẩn là 193,1 THz

1.4.3 Xác định độ rộng phổ yêu cầu của nguồn phát

Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát nhằm đảm bảo cho các kênh bước sóng hoạt động một cách độc lập với nhau, hay nói cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phía thu giữa các kênh lân cận Khoảng cách giữa những kênh này phụ thuộc vào đặc tính của các thiết bị WDM như MUX/DEMUX, bộ lọc, độ rộng phổ nguồn phát và độ dung sai cũng như mức độ ổn định của các thiết bị này

Về bản chất, việc ghép các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang là dựa trên nguyên tắc ghép kênh theo tần số Các kênh khác nhau làm việc ở các tần

số quang khác nhau trong cùng băng thông của sợi Theo lý thuyết, băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênh bước sóng ghép được rất lớn Tuy nhiên, trong thực tế các hệ thống WDM thường đi liền với các bộ khuếch đại quang sợi và làm việc chỉ ở vùng cửa sổ 1550 nm Do đó, băng tần của sợi quang bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch đại Như vậy, một vấn đề đặt ra khi ghép là khoảng cách giữa các bước sóng phải thoả mãn được yêu cầu tránh chồng phổ của các kênh lân cận ở phía thu Khoảng cách này phụ thuộc vào độ rộng phổ nguồn phát và cả ảnh hưởng khác nhau trên đường truyền như tán sắc sợi, hiệu ứng phi tuyến…

Một cách lý tưởng có thể xem hệ thống WDM như là sự xếp chồng của các hệ thống truyền dẫn đơn kênh khi mà khoảng cách giữa các kênh bước sóng đủ lớn và công suất phát hợp lý để hạn chế ảnh hưởng phi tuyến Mối quan hệ giữa phổ công

nguồn phát và sợi quang, chúng ta sẽ có biểu thức:

Với:

B là độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn (Mbit/s)

D là độ tán sắc tương ứng với khoảng cách truyền dẫn (ps/nm)

Từ công thức trên ta có thể tính được độ rộng phổ nguồn phát ứng với độ tán sắc D:

RMS = /B.D (1.5) Nếu tính độ rộng phổ tại giá trị -20 dB thì độ rộng phổ sẽ là:

-20dB= 6,07 RMS (1.6)

1.4.4 Quỹ công suất

Trong bất kỳ hệ thống nào thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo được tỷ sổ S/N sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với một mức BER cho phép Trước đây khi chưa có khuếch đại quang, suy hao tín hiệu trên đường truyền (do suy hao sợi quang, suy hao mối hàn, suy hao do các thành phần quang thụ động…) sẽ được

bù lại thông qua việc sử dụng các trạm lặp điện và quá trình thực hiện tương đối phức tạp Tuy nhiên khi khuếch đại quang ra đời việc đảm bảo quỹ công suất cho hệ thống không còn khó khăn nữa, vấn đề quan trọng là thiết kế và bố trí các bộ khuếch đại quang sao cho thích hợp

1.4.5 Xuyên âm

Một trong các yếu tố có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của các hệ thống WDM, đó là xuyên âm giữa các kênh bước sóng Trong hệ thống WDM, xuyên âm

có thể do một số nguyên nhân gây ra nhưng có thể chia ra làm hai loại chính sau:

- Xuyên âm tuyến tính: do đặc tính không lý tưởng của các thiết bị tách sóng được sử dụng cũng như khoảng cách giữa các kênh Thực tế thì khoảng cách giữa các kênh lại được xác định bởi thiết bị tách kênh và mức xuyên âm cho phép

- Xuyên âm phi tuyến: chủ yếu do các hiệu ứng phi tuyến gây nên

1.4.6 Tán sắc

Tương tự như tín hiệu điện, tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng bị biến dạng Hiện tượng này được gọi là tán sắc Sự tán sắc méo dạng tín hiệu tương tự và làm xung bị chồng lấp trong tín hiệu digital Sự tán sắc làm hạn chế dải thông của đường truyền dẫn quang

- Tán sắc phân cực mode:

Tán sắc phân cực mode hay PMD là một thuộc tính cơ bản của sợi quang đơn mode và các thành phần hợp thành trong đó năng lượng tín hiệu ở bất kỳ bước sóng nào cũng được phân tích thành hai mode phân cực trực giao có vận tốc truyền khác nhau Do vận tốc của hai mode chênh nhau đôi chút nên thời gian truyền qua cùng khoảng cách là khác nhau và được gọi là sự trễ nhóm Vì vậy, PMD sẽ làm giãn rộng xung tín hiệu gây nên suy giảm dung lượng truyền dẫn Về phương diện này, ảnh hưởng của tán sắc phân cực mode cũng giống như ảnh hưởng của tán sắc tuy nhiên có một điểm khác biệt lớn đó là tán sắc là một hiện tượng tương đối ổn định,

trong khi đó PMD của sợi đơn mode ở bất cứ bước sóng nào cũng là không ổn định

- Tán sắc thể: bao gồm tán sắc chất liệu và tán sắc dẫn sóng

Tán sắc chất liệu: ánh sáng sử dụng trong thông tin quang không phải là ánh sáng hoàn toàn đơn sắc Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau Chính vì thế, ánh

sáng có phân bố tốc độ lan truyền khác nhau của các thành phần bước sóng ánh sáng khác nhau Hiện tượng này được gọi là tán sắc chất liệu

Tán sắc dẫn sóng: sự phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng Sự phân bố này gây nên tán sắc ống dẫn sóng

1.5 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất tín hiệu trong sợi quang vượt quá một mức nào đó và đối với các hệ thống WDM thì mức công suất này thấp hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh Việc nảy sinh các hiệu ứng phi tuyến sẽ gây ra một số hiện tượng như: xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức công suất tín hiệu của từng kênh dẫn đến suy giảm tỷ số OSNR… Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM chủ yếu gồm: hiệu ứng SPM, XPM, FWM, SBS và SRS Các hiệu ứng này có thể chia thành hai loại:

- Hiệu ứng tán xạ: bao gồm các hiệu ứng SBS và SRS

- Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr: bao gồm hiệu ứng SPM, XPM và FWM

1.5.1 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM

Hiệu ứng SPM thuộc loại hiệu ứng Kerr, tức là hiệu ứng trong đó chiết suất của môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền trong đó:

n = n0 +  nNL = n0 + n2E2

(1.7)

Với:

E là trường quang

Hiện tượng này tạo nên sự dịch pha phi tuyến NL của trường quang khi lan truyền trong sợi quang Giả sử bỏ qua suy hao quang thì sau khoảng cách L, pha của trường quang sẽ là:

thời gian Sự thay đổi theo thời gian này cũng có nghĩa là trong xung tín hiệu sẽ tồn

Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của

cũng có nghĩa là phổ của tín hiệu đã bị dãn trong quá trình truyền Trong hệ thống WDM, đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau, hiện tượng dãn phổ do SPM có thể dẫn đến giao thoa gây nhiễu giữa các kênh

1.5.2 Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM

Đối với hệ thống WDM, hệ số chiết suất tại một bước sóng nào đó không chỉ phụ thuộc vào cường độ của sóng đó mà còn phụ thuộc vào cường độ của các bước sóng khác lan truyền trong sợi Trong trường hợp này chiết suất phi tuyến ứng với bước sóng thứ i sẽ là:

Số hạng thứ nhất trong công thức ứng với hiệu ứng với hiệu ứng SPM số hạng thứ hai tương ứng với hiệu ứng XPM Nếu giả sử công suất của các kênh là như nhau thì ảnh hưởng của hiệu ứng XPM sẽ gấp 2N lần hiệu ứng SPM

1.5.3 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM

Hiện tượng chiết suất phi tuyến còn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn mode, đó là hiệu ứng FWM Trong hiệu ứng này, hai hoặc ba sóng quang với các tần số khác nhau sẽ tương tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới Tương tác này có thể xuất hiện giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống WDM, hoặc giữa bước sóng tín hiệu với tạp âm của các bộ khuếch đại quang

Do việc tạo ra các tần số mới là tổ hợp của các tần số tín hiệu nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM Hơn nữa, nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có thể rơi vào các kênh tín hiệu, gây xuyên âm giữa các kênh, làm suy giảm chất lượng của hệ thống

Sự suy giảm công suất sẽ làm cho dạng hình cắt của tín hiệu ở đầu thu bị thu hẹp lại do đó sẽ làm giảm chất lượng BER của hệ thống Vì các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở cửa sổ bước sóng 1550 nm và do tán sắc của sợi quang đơn mode thông thường (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18 ps/nm.km, còn tán sắc của sợi

trên sợi đơn mode thông thường sẽ ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM làm việc trên sợi tán sắc dịch chuyển

Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM càng nhỏ cũng như khi khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn Vì vậy hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống WDM

1.5.4 Hiệu ứng tán xạ do kích thích Raman

Hiệu ứng tán xạ do kích thích Raman hay gọi là SRS là kết quả của quá trình tán xạ không đàn hồi mà trong đó photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phân tử cấu thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tới (ánh sáng với bước sóng mới này được gọi là ánh sáng Stoke) Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang có cường độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích (được gọi là SRS) mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng bơm (gọi là bơm Raman) làm cho phần lớn năng lượng của tín hiệu được chuyển tới bước sóng Stoke

Như vậy, trong hệ thống WDM hiệu ứng này cũng hạn chế số kênh bước sóng, khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ thống Hơn nữa, nếu như bước sóng mới tạo ra lại trùng với kênh tín hiệu thì hiệu ứng này cũng gây xuyên âm giữa các kênh

1.5.5 Hiệu ứng tán xạ do kích thích Brillouin

Hiệu ứng tán xạ do kích thích Brillouin hay gọi là SBS là hiệu ứng tương tự như hiệu ứng SRS, tức là có sự tạo thành của bước sóng Stoke với bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng tới Điểm khác nhau chính của hai hiệu ứng này là: hiệu ứng SBS liên quan đến các phonon âm học còn hiệu ứng SRS liên quan đến các phonon quang Chính do sự khác biệt này mà hai hiệu ứng có những ảnh hưởng khác nhau đến hệ thống WDM Trong hiệu ứng này, một phần ánh sáng bị tán xạ do các phonon âm học và làm cho phần ánh sáng bị tán xạ này dịch tới bước sóng dài hơn Tuy nhiên chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ là theo chiều ngược trở lại mới có thể truyền đi ở trong sợi quang, vì vậy trong hệ thống WDM khi tất cả các kênh đều cùng truyền theo một hướng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên âm giữa các kênh Như vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng đến mức công suất của từng kênh và khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM Hiệu ứng này không phụ thuộc vào số kênh của hệ thống

Nhìn chung các hiệu ứng đều gây xuyên âm giữa các kênh, làm suy giảm mức công suất của từng kênh dẫn đến suy giảm tỷ số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Hơn nữa, do mức độ ảnh hưởng của các hiệu ứng này đều phụ thuộc vào mức công suất của từng kênh, số kênh và khoảng cách giữa các kênh bước sóng cũng như khoảng cách truyền dẫn, vì vậy để giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng này phải cần lựa chọn các tham số trên sao cho phù hợp

+ Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bước sóng riêng

+ Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang Việc nâng cấp dung lượng đơn giản là cắm thêm card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động

+ Quản lý băng tần và cấu hình mềm dẻo, linh hoạt nhờ việc định tuyến và phân bố bước sóng trong mạng WDM nên có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống

+ Ngoài ra còn ứng dụng để truyền nhiều chương trình truyền hình chất lượng cao, cự ly dài

+ Giảm chi phí đầu tư mới

Bên cạnh những ưu điểm trên, hệ thống WDM còn có những hạn chế:

+ Dung lượng hệ thống còn nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang

+ Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định

1.7 Kết luận chương

Qua chương này, chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang

và cở sở ghép kênh theo bước sóng với những ưu nhược điểm của nó Để giải quyết vấn đề băng thông và phát triển hệ thống đa dịch vụ trên cùng một mạng, công nghệ DWDM đã thực hiện ghép nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang Với việc tăng

số bước sóng ghép trên một sợi quang một cách đáng kể so với công nghệ WDM, điểm nổi bật của DWDM chính là khả năng cho phép truyền trên sợi quang một lưu lượng khổng lồ lên tới hàng Terabits/s Tuy nhiên, để đạt được điều này một cách

có hiệu quả thì hệ thống DWDM có những yêu cầu rất đặc biệt đối với các chức năng quang như: độ linh hoạt cao, kết cấu đấu chéo nhanh, các bộ lọc và nguồn laser phải có khả năng điều hưởng, các bộ thu phải có tạp âm thấp và độ nhạy cao Chương tiếp theo chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG MẬT

ĐỘ CAO DWDM

2.1 Ưu điểm của hệ thống DWDM

Hệ thống DWDM có các ưu điểm sau:

Băng thông truyền dẫn của sợi quang thông thường được sử dụng rất lớn Nhưng tỷ lệ sử dụng của các hệ thống đơn bước sóng vẫn rất thấp Bằng cách sử dụng công nghệ DWDM, dung lượng truyền dẫn trên mỗi sợi quang được tăng lên rất nhiều lần mà không cần tăng tốc độ bit

Các hệ thống DWDM được xây dựng trên cơ sở ghép và tách các tín hiệu quang theo bước sóng và việc ghép tách này độc lập với tốc độ truyền dẫn và phương thức điều chế Các hệ thống này ít bị ảnh hưởng đối với tốc độ dữ liệu và khuôn dạng dữ liệu Vì thế có thể truyền các tín hiệu với các đặc điểm truyền dẫn khác hẳn nhau, có thể tổng hợp và tách các tín hiệu điện khác nhau bao gồm các tín hiệu số và các tín hiệu tương tự, các tín hiệu PDH và các tín hiệu SDH,

Trong quá trình mở rộng và phát triển mạng, có thể mở rộng dung lượng mà không cần xây dựng lại hệ thống cáp quang mà chỉ cần thay thế các bộ thu phát quang Hơn nữa việc tăng thêm dịch vụ mới và dung lượng mới được thực hiện đơn giản bằng cách tăng thêm bước sóng

So với các mạng truyền thống sử dụng phương thức TDM điện, mạng DWDM

có cấu trúc cực kỳ đơn giản và các lớp mạng được phân tách rõ ràng Lớp thấp nhất của mạng là lớp toàn quang tính từ đầu vào bộ ghép tới đầu ra bộ tách kênh bước sóng bao gồm các bộ khuyếch đại, bù tán sắc và các thành phần ở trên đoạn đường truyền Lớp này là được xây dựng cố định với từng mạng và có chi phí rất thấp Lớp

dịch vụ mức cao hơn bao gồm các bộ phát đáp quang Các bộ phát đáp quang làm nhiệm vụ gom các dữ liệu cần truyền và phát đáp tại các bước sóng chuẩn hóa của

hệ thống Việc thay đổi dung lượng, thêm bớt dịch vụ được thực hiện bằng cách thay đổi hoặc thêm bớt các bộ phát đáp Do đó, mạng DWDM đáp ứng tốt về khả năng linh hoạt và tiết kiệm chi phí Do đặc điểm trong suốt với tín hiệu truyền nên

độ tin cậy của mạng cao hơn hẳn so với các mạng TDM

Theo dự đoán việc xử lý như xen rẽ và kết nối của tất cả các dịch vụ viễn thông có thể được thực hiện bằng cách thay đổi và điều chỉnh các bước sóng tín hiệu quang Vì vậy DWDM là công nghệ cơ sở để thực hiện mạng hoàn toàn quang

trong tương lai

2.2 Mô hình hệ thống và nguyên lý hoạt động

Mô hình tổng quát hệ thống DWDM được trình bày trong hình 2.1 Mô hình này biểu diễn một hệ thống DWDM mở, đơn hướng gồm đầu phát, trạm khuếch đại

và bù tán sắc trung gian

LA BA

Sợi quang Kênh 1

Kênh n

.

.

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý DWDM

BA (Boost Amplifier): Bộ khuếch đại tăng cường

PA (Pre-Amplifier): Bộ tiền khuếch đại

LA (Line Amplifier): Bộ khuếch đại đường

DCF (Dispersion Compensate Fiber): Sợi bù tán sắc

OTU (Optical Transponder Unit): Bộ phát đáp quang

ODU (Optical Demultiplexing Unit): Bộ tách kênh quang

OMU (Optical Multiplexing Unit): Bộ ghép kênh quang

OSC (Optical Supervision Channel): Kênh giám sát quang

Tại đầu phát, các luồng tín hiệu đầu vào được đưa đến các bộ phát đáp (OTU) khác nhau, từ OTU1 đến OTUn Giao diện đầu vào OTU là các giao diện dịch vụ truyền dẫn như SDH, PDH, FE, GE, Nhiệm vụ của các bộ phát đáp là nhận và gom tín hiệu cần truyền từ đầu vào và phát lại trên các bước sóng chuẩn hóa của hệ thống DWDM, từ λ1 đến λn Đầu ra từ các OTU được đưa đến bộ ghép kênh theo bước sóng OMU OMU làm nhiệm vụ ghép các tín hiệu tại các bước sóng khác nhau thành một luồng tín hiệu ghép tổng DWDM Tín hiệu ghép này được đưa đến

bộ khuếch đại tăng cường (BA) để khuếch đại tới công xuất thích hợp để phát vào sợi quang

Trên đường truyền có đặt các bộ khuếch đại đường (LA) để đảm bảo về công suất Ngoài ra, trên đường truyền cũng có đặt các sợi bù tán sắc (DCF) để hạn chế tán sắc Bộ bù tán sắc thường được chèn vào giữa các tầng khuếch đại của một bộ khuếch đại hoặc chèn vào giữa hai bộ khuếch đại liên tiếp

Tại đầu thu, vì tín hiệu có công suất rất nhỏ nên được đưa vào bộ tiền khuếch đại (PA) để khuếch đại công suất với tạp âm rất thấp để đảm bảo chất lượng tín hiệu Bộ bù tán sắc (DCF) được chèn vào giữa các tầng khuếch đại để bù tán sắc Tín hiệu sau khi khuếch đại và bù tán sắc được đưa đến bộ tách kênh (ODU) để tách

các bộ phát đáp tương ứng để chuyển đến giao diện đầu ra của hệ thống (SDH, FE, GE, )

Trong hệ thống DWDM, hệ thống quản lý được truyền qua kênh giám sát quang (OSC) Kênh giám sát thường có tốc độ 2Mbit/s Có hai kiểu OSC: OSC trong băng và OSC ngoài băng

Với kiểu OSC trong băng, kênh giám sát quang được ghép vào dữ liệu người dùng và được truyền cùng với tín hiệu người dùng Kênh giám sát được ghép tách tại OTU

Với kiểu OSC ngoài băng, kênh giám sát quang được truyền bằng một kênh bước sóng độc lập với dữ liệu người dùng

Trên thực tế, hệ thống DWDM được xây dựng là hệ thống hai hướng Mô hình tổng quát của hệ thống DWDM hai hướng được trình bày trên hình 2.2 Mỗi thiết bị OTM đều có một bộ ghép và tách kênh OTU giao tiếp về hai phía, mỗi phía đều có đầu thu và đầu phát

PA LA

BA OTU1

quang Kênh 1

Kênh n

.

.

OTU1

OTUn

O D U

Sợi quang Sợi

quang

Kênh 1

Kênh n

O D U

O M U

Hình 2.2: Hệ thống DWDM hai hướng

Hình 2.3 mô tả cách giao tiếp giữa hệ thống DWDM với các dịch vụ khác Với

hệ thống DWDM mở, sử dụng các bộ phát đáp OTU để nhận, gom các luồng thông tin của các dịch vụ khác nhau để phát trên các bước sóng chuẩn hóa của DWDM Như vậy, các dịch vụ ngoài giao tiếp với hệ thống DWDM bằng giao diện quang

mở của hệ thống Với hệ thống DWDM tích hợp, các luồng số liệu cần truyền từ mạng kết hợp đã được chuẩn hóa bước sóng nên có thể kết nối trực tiếp với khối tách ghép kênh Vì thế các lớp dịch vụ ngoài giao tiếp trực tiếp với lớp DWDM

Hệ thống DWDM tích hợp có chi phí thấp hơn do không phải sử dụng OTU

Hệ thống DWDM mở có ưu điểm là khả năng linh hoạt tốt hơn

Hình 2.3: Giao tiếp giữa DWDM với các dịch vụ khác

Các giao diện trực tiếp tới lớp DWDM là các giao diện quang tại bước sóng chuẩn hóa của hệ thống ghép kênh theo bước sóng DWDM Các giao diện từ các dịch vụ khác tới giao diện quang mở là các giao diện điện hoặc giao diện quang tại bước sóng không chuẩn hóa DWDM Khối giao diện quang mở có thể thực hiện một số chức năng bổ sung như ghép kênh miền điện, sửa lỗi, đồng bộ lại, tái tạo

Đặc trưng của OTU là khối phát bước sóng chuẩn DWDM Các yêu cầu đối với khối này như sau:

- Nguồn phát tiêu chuẩn: Băng hẹp, không có mode bên, tần số trung tâm ổn định tuân theo khuyến nghị của ITU-T

- Nguồn phát với khả năng chịu tán sắc cao: nguồn phát phải đảm bảo băng tần đủ hẹp để tín hiệu mức tán sắc khi truyền trong sợi quang đảm bảo yêu cầu của

bộ thu

2.3.1.2 Phân loại:

Phân loại theo chức năng sửa lỗi:

Có hai loại sau:

- OTU không có chức năng sửa lỗi: OTU không có chức năng sửa lỗi, chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ truyền tải, chuyển đổi tín hiệu

- OTU có chức năng sửa lỗi: ngoài chức năng chuyển đổi tín hiệu, OTU còn

có sửa lỗi FEC (Forward Error Correction) nhằm giảm lỗi bit OTU sửa lỗi có 3 loại:

+ OTU có chức năng sửa lỗi bằng FEC thông thường

+ OTU có chức năng sửa lỗi bằng AFEC (Advance FEC – FEC cải tiến)

+ OTU có chức năng sửa lỗi bằng EFEC (Enhance FEC – FEC tăng cường)

Phân loại theo dịch vụ đầu cuối:

Có hai loại phổ biến sau:

- OTU hỗ trợ dịch vụ SDH phía đầu cuối ở các tốc độ STM-1/4/16/64

- OTU hỗ trợ dịch vụ Ethernet, chủ yếu là hỗ trợ dịch vụ 1Giga Ethernet, 10 Giga Ethernet

Phân loại theo vị trí trong hệ thống:

Có hai loại:

- OTU kết cuối: là các OTU chuyển đổi từ chuẩn tín hiệu mạng ngoài và chuẩn tín hiệu trong hệ thống DWDM để kết cuối kênh DWDM OTU kết cuối nằm

ở biên giữa hệ thống DWDM và mạng ngoài phía khách hàng

- OTU tái tạo: là các nằm bên trong hệ thống DWDM, đóng vai trò tái tạo tín hiệu để cải thiện khoảng cách truyền dẫn

Phân loại theo cấu tạo:

2.3.1.3 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động

● OTU kết cuối song hướng không có chức năng sửa lỗi FEC:

- Sơ đồ khối:

Bộ phát đáp OTU bao gồm các khối thu quang, khối phát quang, khối giám sát chất lượng và byte mào đầu, khối điều khiển và truyền thông Về phía khách hàng OTU giao tiếp với thiết bị thuộc mạng ngoài sử dụng dịch vụ DWDM Về phía

mạng OTU kết nối với bộ tách/ghép kênh

Khối thu tín hiệu quang Khối phát quang các bước sóng

chuẩn hóa

Khối giám sát chất lượng và mào đâu

Khối thu tín hiệu quang

Khối phát quang bước sóng không chuẩn hóa

Khối điều khiển và truyền thông

Lưu lượng

Báo hiệu

Network side G.692

Trong bộ phát đáp song hướng không sửa lỗi FEC, chức năng các khối như sau:

Khối thu tín hiệu quang: có chức năng thu tín hiệu quang trên dải rộng

Khối phát tín hiệu quang: có chức năng phát tín hiệu quang, có hai loại khối phát tín hiệu quang là khối phát bước sóng chuẩn hóa và khối phát bước sóng không chuẩn hóa Khối phát tín hiệu quang không chuẩn hóa là khối phát tại giao diện client side, có chức năng phát tín hiệu quang tại bước sóng thích hợp với giao diện mạng ngoài và không theo chuẩn hóa của hệt thông DWDM Khối phát tín hiệu quang bước sóng chuẩn hóa là khối phát tại giao diện network side, có chức năng phát ra tín hiệu quang nằm trong bộ giá trị bước sóng chuẩn hóa DWDM theo khuyến nghị ITU-T G.692, G.694.1 để phù hợp với bộ ghép kênh theo bước sóng Khối giám sát chất lượng và byte mào đầu: có chức năng xử lý các thông số chất lượng dịch vụ và giám sát byte mào đầu thu được Các thông tin sau khi được

xử lý được đẩy tới khối điều khiển và truyền thông

Khối điều khiển và truyền thông: có hai chức năng:

Nhận lệnh từ phần mềm NE và điều khiển các khối chức năng và gửi thông tin phản hồi

Nhận các thông tin từ khối giám sát chất lượng và byte mào đầu, nhận biết tín hiệu báo lỗi từ các khối chức năng trong hệ thống Sau đó, đưa ra cảnh báo về phần mềm NE và từ đó chuyển về hệ thống quản lý mạng

- Nguyên lý hoạt động:

Theo hướng phát, luồng thông tin từ mạng ngoài phía khách hàng cần truyền được đưa vào khối thu tín hiệu quang của giao diện client side để khôi phục luồng thông tin ban đầu Luồng tin thu được tiếp tục được chuyển đến khối phát bước sóng chuẩn hóa để chuyển hóa thành tín hiệu quang có bước sóng chuẩn hóa DWDM phù hợp với bộ ghép kênh bước sóng

Theo hướng thu, tín hiệu quang bước sóng chuẩn hóa từ bộ tách kênh bước sóng quang được đưa đến khối thu tín hiệu quang giao diện network để khôi phục luồng thông tin ban đầu Luồng thông tin thu được tiếp tục được chuyển đến khối phát bước sóng không chuẩn hóa của giao diện client side để chuyển thành tín hiệu quang phù hợp với thiết bị mạng ngoài

Khối giám sát chất lượng và mào đầu đọc và phân tích phần mào đầu của các dòng tín hiệu khôi phục được để nhận biết trạng thái và chất lượng đường truyền

sinh trong quá trình hoạt động của các khối chức năng cũng được thông báo đến khối điều khiển và truyền thông Khối điều khiển và truyền thông có hai chức năng: điều khiển hoạt động của các khối và gửi thông tin về cấu hình, trạng thái, các phản hồi về phần mềm NE định kỳ và theo yêu cầu

● OTU kết cuối song hướng có chức năng sửa lỗi FEC:

- Sơ đồ khối:

Bộ phát đáp OTU sửa lỗi có sơ đồ chức năng được trình bày trên hình 2.5 Chức năng các khối thu quang, các khối phát quang và khối điều khiển truyền thông tương tự như OTU không sửa lỗi Khối sửa lỗi và giám sát có hai chức năng:

- Sửa lỗi FEC

- Giám sát chất lượng và mào đầu

Khối thu tín hiệu quang Khối phát quang các bước sóng

chuẩn hóa

Sửa lỗi và giám sát

Khối thu tín hiệu quang

Khối phát quang bước sóng không chuẩn hóa

Khối điều khiển và truyền thông

Lưu lượng

Báo hiệu

Network side G.692

thông tin ban đầu Luồng tin thu được tiếp tục được chuyển đến khối sửa lỗi và giám sát mào đầu để tính toán bit dư và chèn thêm mã hóa FEC vào luồng tín hiệu Luồng tín hiệu đầu ra được đưa đến khối phát bước sóng chuẩn hóa để chuyển hóa thành tín hiệu quang có bước sóng chuẩn hóa DWDM phù hợp với bộ ghép kênh bước sóng

Theo hướng thu, tín hiệu quang bước sóng chuẩn hóa từ bộ tách kênh bước sóng quang được đưa đến khối thu tín hiệu quang giao diện network để khôi phục luồng thông tin ban đầu Luồng thông tin thu được tiếp tục được chuyển đến khối sửa lỗi và giám sát để sửa lỗi bằng phương thức FEC Luồng tin sau khi được sửa lỗi được đưa đến khối phát bước sóng không chuẩn hóa của giao diện client side để chuyển thành tín hiệu quang phù hợp với thiết bị mạng ngoài

2.3.2 Bộ ghép kênh quang OMU

2.3.2.1 Vai trò và chức năng

OMU nằm ở đầu phát của tuyến DWDM, có vai trò ghép tín hiệu quang để truyền trên cùng một sợi quang Trong mạng DWDM tích hợp, OMU nằm ở biên mạng DWDM Về phía client, OMU giao tiếp trực tiếp với các mạng khác Về phía mạng, OMU kết nối với các bộ khuếch đại hoặc giao tiếp trực tiếp với khối giao tiếp đường truyền Trong mạng DWDM mở, về phía client, OMU kết nối với đầu phát các các OTU, về phía mạng, OMU kết nối với đầu vào bộ khuếch đại hoặc giao tiếp trực tiếp với khối giao tiếp đường truyền Đôi khi, OMU cũng phục vụ cho

mục đích tái tạo tín hiệu hoặc chuyển tiếp tín hiệu

OMU có chức năng ghép các kênh quang phân chia theo bước sóng Ngoài ra, OMU còn có các chức năng phụ trợ như điều chỉnh công suất từng kênh, giám sát công suất, trích một phần tín hiệu ghép tổng cho mục đích đo kiểm, giám sát,

2.2.1.2 Phân loại

Có thể phân loại OMU theo các tiêu chí sau:

- Phân loại theo dung lượng bộ ghép: có hai loại, 40 bước sóng và 80 bước