Bài tập lớn môn mạng máy tính: HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM

Bài tập lớn môn mạng máy tính: HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDMTỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM, Đặc điểm ưu và nhược.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDMTHIẾT KẾ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM

GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG THÔNG TIN QUANG LỜI NÓI ĐẦU Thời gian gần đây, nhu cầu lưu lượng tăng mạnh phát triển bùng nổ loại hình dịch vụ Internet dịch vụ băng rộng tác động không nhỏ tới việc xây dựng cấu trúc mạng viễn thông Việc xây dựng mạng hệ sau NGN quan tâm giải pháp hữu hiệu nhằm thoả mãn nhu cầu mạng lưới thời gian tới Trong cấu trúc NGN, mạng truyền tải lưu lượng khâu quan trọng có nhiệm vụ truyền thông suốt lưu lượng lớn mạng, mạng truyền dẫn xem huyết mạch Để thoả mãn việc thông suốt lưu lượng với băng tần lớn, hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM xem ứng cử quan trọng cho đường truyền dẫn Công nghệ WDM cung cấp cho mạng lưới khả truyền dẫn cao băng tần lớn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng thời sợi, kênh tương đương hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ nhiều Gbps SVTH: Lê Văn Sáng Trang GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG THÔNG TIN QUANG MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 21 SVTH: Lê Văn Sáng Trang GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG THÔNG TIN QUANG DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT WDM O-band S-band E-band C-band L-band U-band TDM SRS SBS SPM XPM FWM EDFA DCF BER SVTH: Lê Văn Sáng Wavelength Division Multiplexing Original band Short Wavelength band Extended band Conventional band Long Wavelength band Ultra-Long Wavelength band Time Division Multiplexing Stimulated Raman Scrattering Stimulated Brillouin Scrattering Self Phase Modulation Cross Phase Modulation Four Wave Mixing Erbium Doped Fiber Amplifier Dispersion Compensation Fiber Bit Error Rate Trang GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM Giới thiệu chung 1.1 Khái niệm WDM ( Wavelength Division Multiplexing) ghép kênh theo bước sóng ky thuật dùng hệ thống đa kênh miền quang Cho phép truyền nhiều bước sóng khác sợi quang 1.2 Đặc điểm  Tận dụng tài nguyên dải tần rộng sợi quang  Có khả truyền dẫn nhiều tín hiệu  Giảm nhu cầu xử lý tốc độ cao cho số kinh kiện quang – điện  Kênh truyền dẫn IP  Có khả truyền hai chiều sợi quang  Cấu hình có tính linh hoạt, tính kinh tế độ tin cậy cao 1.2.1 Ưu điểm  Tăng băng thông truyền sợi quang  Tăng tính suốt  Khả mở rộng  Công nghệ WDM cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN( Optical Transport Network) giúp truyền tải suốt nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động… 1.2.2 Nhược điểm  Vẫn chưa khai thac hết băng tần sợi quang  Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp nhiều  Xuất hiện tượng phi tuyến FWM 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống WDM EDFA EDFA DE MUX MUX Tx1 Rx2 Tx2 TxN Phát tín hiệu Rx1 Ghép tín hiệu Khuếch đại tín hiệu Truyền t/h sợi quang Khuếch đại tín hiệu RxN Tách tín hiệu Thu tín hiệu Chức của các khối: - Phát tín hiệu: Nguồn phát quang dùng laser Hiện có số nguồn phát như: Laser điều chỉnh bước sóng (Tunable Laser), SVTH: Lê Văn Sáng Trang GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG THÔNG TIN QUANG Laser đa bước sóng( Multiwavelength Laser),…Yêu cầu nguồn phát laser phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm giới hạn cho phép - Ghép/ tách tín hiệu: ⋅ Ghép tín hiệu kết hợp số nguồn sáng khác thành luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn sợi quang ⋅ Tách tín hiệu phân chia luồng ánh sáng tổng hợp thành tín hiệu ánh sáng riêng rẽ cổng đầu tách Hiện có ghép/ tách tín hiệu WDM như: lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG….Khi xét đến ghép/ tách WDM ta phải xét đến tham số như: khoảng cách kênh, độ rộng băng tần kênh bước sóng, bước sóng trung tâm kênh, mức xuyên âm kênh, tính đồng đều, suy hao xen, xuyên âm đầu gần đầu xa… - Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn chịu ánh hưởng nhiều yếu tố như: suy hao sợi quang, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quang đến khuếch đại tín hiệu - Khuếch đại tín hiệu: Hiện hệ thống WDM chủ yếu sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên khuếch đại Raman cũng sử dụng Có chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường tiền khuếch đại Khi dùng khuếch đại EDFA phải đảm bảo yêu cầu sau: Độ lợi khuếch đại đồng tất kênh bước sóng( mức chênh lệch không 1dB) Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không ảnh hưởng đến mức công suất đầu kênh Có khả phát chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại phằng tất cảc kênh - Thu tín hiệu: sử dụng tách sóng quang hệ thống thông tin quang thông thường: PIN APD Nguyên lí ghép kênh theo bước sóng ghép tất bước sóng khác nguồn phát quang vào sợi dẫn quang nhờ ghép kênh MUX truyền dẫn bước sóng sợi quang Khi đến đầu thu tách quang sẽ phân tách để thu nhận lại bước sóng Có hai loại truyền dẫn WDM: 1.3.1 Hệ thống WDM đơn hướng Tất kênh sợi quang truyền dẫn theo chiều 1.3.2 Hệ thống WDM song hướng Là kênh quang sợi quang sử dụng cho hai hướng truyền dẫn Hệ thống giảm số lượng khuếch đại đường dây Tuy nhiên, thường bị nhiễu kênh, ảnh hưởng phản xạ quang, trị số loại hình xuyên âm… đồng thời phải sử dụng khuếch đại quang hai chiều SVTH: Lê Văn Sáng Trang GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG THÔNG TIN QUANG Cả hai hệ thống có ưu nhược điểm riêng Giả sử công nghệ chỉ cho phép truyền N bước sóng sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy: − Xét dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng − Khi cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) hai đầu liên kết có khả nhận biết cố cách tức thời − Đứng khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống đơn hướng khó thiết kế phải xét thêm yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu có nhiều bước sóng sợi quang, đảm bảo định tuyến phân bố bước sóng cho hai chiều sợi quang không dùng chung bước sóng Các khuếch đại hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, số bước sóng khuếch đại hệ thống song hướng giảm ½ theo chiều nên ở hệ thống song hướng, khuếch đại sẽ cho công suất quang ngõ lớn so với ở hệ thống đơn hướng Nguyên lý hoạt động Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng ghép tất bước sóng khác nguồn phát quang vào sợi dẫn quang nhờ ghép kênh MUX truyền dẫn bước sóng sợi quang Khi đến đầu thu, tách kênh quang sẽ phân tách để nhậ lại bước sóng Các thiết bị hệ thống WDM 3.1Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler) Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler) thiết bị quang dùng để kết hợp tín hiệu truyền đến từ sợi quang khác Nếu Coupler chỉ cho phép ánh sáng truyền qua theo chiều, ta gọi Coupler có hướng (directional coupler) SVTH: Lê Văn Sáng Trang GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG THÔNG TIN QUANG Nếu cho phép ánh sáng theo chiều, ta gọi coupler song hướng (bidirectional coupler) Coupler linh kiện quang linh hoạt cho nhiều ứng dụng khác nhau: Bộ Coupler với tỉ số ghép α ≈ dùng để trích phần nhỏ tín hiệu quang, phục vụ cho mục đích giám sát Coupler phận để tạo nên thành phần quang khác, chẳng hạn như: Các chuyển mạch tĩnh, điều chế, giao thoa Mach-Zehnder MZI… MZI chế tạo hoạt động lọc, MUX/DEMUX, chuyển mạch chuyển đổi bước sóng Thực ghép/tách bước sóng sợi quang Nhờ điều chỉnh chiều dài ghép thích hợp chế tạo, coupler x ghép 50:50 phân bố công suất ánh sáng từ đầu vào làm hai phần ở hai ngõ Coupler gọi coupler 3dB, ứng dụng phổ biến Từ coupler 3dB, tạo nên coupler n x n tín hiệu khác vào sợi quang 3.2Bộ isolator/circulator Isolator thiết bị không thuận ngược Nó chỉ truyền ánh sáng qua theo chiều ngăn không cho truyền theo chiều ngược lại Nó dùng đầu thiết bị quang (bộ khuếch đại, nguồn phát laser) để ngăn trình phản xạ ngược trở lại thiết bị đó, gây nhiễu hư hại thiết bị Circulator cũng thực chức tương tự Isolator thường có nhiều cổng thường hoặc cửa Bộ Isolator thường đứng trước đầu khuếch đại quang hoặc nguồn phát laser để ngăn ánh sáng phản xạ ngược trở lại thiết bị gây nhiễu làm hư thiết bị 3.3Bộ lọc quang Bộ lọc thiết bị chỉ cho phép kênh bước sóng qua, khóa tất kênh bước sóng khác Nguyên lý lọc giao thoa tín hiệu, bước sóng hoạt động lọc sẽ cộng pha nhiều lần qua nó, kênh bước sóng khác, ngược lại sẽ bị triệt tiêu pha Tùy thuộc vào khả điều chỉnh kênh bước sóng hoạt động, người ta chia lọc làm hai loại: lọc cố định lọc điều chỉnh 3.4Bộ ghép/tách kênh bước sóng Nguyên lý hoạt động MUX/DEMUX cũng tương tự Coupler Tuy nhiên, coupler/splitter thực ghép tách tín hiệu có bước sóng, MUX/DEMUX thực ghép tách tín hiệu ở bước sóng khác 3.5Bộ chuyển mạch quang Theo chức năng, chuyển mạch đơn sẽ cho phép/hoặc không cho phép tín hiệu ánh sáng qua Chuyển mạch chuyển tiếp 1x2 hướng tín hiệu ánh sáng từ sợi quang thứ sang sợi quang thứ hai hoặc sang sợi quang thứ ba Bộ chuyển mạch chuyển tiếp 2x2 kết nối hai sợi quang với hai sợi quang khác SVTH: Lê Văn Sáng Trang GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG THÔNG TIN QUANG 3.6Bộ chuyển đổi bước sóng Bộ chuyển đổi bước sóng thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng ở đầu vào thành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu Có bốn phương pháp chế tạo chuyển đổi bước sóng: phương pháp quangđiện, phương pháp cửa quang, phương pháp giao thoa phương pháp trộn bước sóng SVTH: Lê Văn Sáng Trang GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM Xuyên nhiễu Xuyên nhiễu kênh sợi quang ảnh hưởng tới độ nhạy máy thu Vì sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ thống WDM Có thể chia làm loại xuyên nhiễu chính: 1.1Xuyên nhiễu tuyến tính Do đặc tính không lý tưởng thiết bị tách kênh, mức xuyên nhiễu chủ yếu phụ thuộc vào kiểu thiết bị tách kênh sử dụng cũng khoảng cách kênh 1.2Xuyên nhiễu phi tuyến Chủ yếu hiệu ứng phi tuyến sợi quang gây nên Suy hao 1.3Suy hao xen Suy hao xen lượng công suất tổn hao thiết bị ghép bước sóng quang WDM Suy hao bao gồm suy hao điểm ghép nối thiết bị WDM với sợi suy hao than thiết bị ghép gây Vì vậy, thực tế người thiết kế tuyến phải tính vài dB ở đầu Suy hao xen diễn giải tương tự suy hao ghép chung Suy hao xen tín hiệu qua ghép MUX Sợi quang I1(λ1) Ii(λi) Ik(λk) Li = −10 log MUX O (λ i ) I i ( λi ) O(λ1)…O(λi) … O(λk) Công suất quang vào kênh ghép MUX 2.2 Suy hao xuyên kênh Là tượng tín hiệu kênh khác tác động lẫn gây suy hao Nguyên nhân: sóng mang quang kênh khác điều chế số vạch phổ kênh nằm băng thông kênh khác SVTH: Lê Văn Sáng Trang GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG Oi(λi)…Ui(λk) Sợi quang THÔNG TIN QUANG Di (λ k ) = −10 log U i (λ k ) I (λ k ) DEMUX Ii(λi)… Ik(λk) Suy hao xuyên kênh giải ghép kênh Ij(λj) D(λki )=−10log λj I1(λ1)… Ik(λk) Oi(λi)+Ui(λk) + Ui(λj) Suy hao xuyên kênh ghép- giải ghép kênh hỗn hợp U (λki )+U (λkj ) I(λki ) Ui(λk): công suất tín hiệu không mong muốn I(λk): công suất tín hiệu kênh I khảo sát EDFA và số vấn đề sử dụng EDFA mạng WDM Trong hệ thống WDM có đường truyền dài, để bù công suất suy hao đường truyền gây ra, người ta sử dụng EDFA mắc chuỗi để khuếch đại công suất Tuy nhiên, sử dụng EDFA mắc chuỗi hệ thống WDM bị ảnh hưởng bởi nhiễu ASE tích lũy hệ thống tượng làm nhọn hệ số khuếch đại chuỗi 3.1Nhiễu ASE tích lũy Sơ đồ hệ sử dụng EDFA mắc chuỗi Do khuếch đại xạ tự phát, ngõ khuếch đại có thành nhiễu ASE ảnh hưởng đến hệ thống Xét EDFA thứ i công suất nhiễu ngõ sau: PASEi= mtnSpihvv(Gi- 1) B0i Trong đó: mt, nSpi, Gi, B0i số mode đường truyền trình phân cực, hệ số phát xạ tự phát, hệ số khuếch đại EDFA thứ i băng thông lọc quang thứ i SVTH: Lê Văn Sáng Trang 10 GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 3: NHIỄU TRONG HỆ THỐNG WDM VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG Nhiễu hệ thống WDM 1.1 Xuyên nhiễu tuyến tính Xuyên nhiễu tuyến tính: đặc tính không lý tưởng thiết bị tách kênh, mức xuyên nhiễu phụ thuộc vào kiểu thiết bị tách kênh sử dụng cũng khoảng cách kênh  Xuyên kênh gây lọc Hệ thống có sử dụng lọc quang có điều chỉnh để chọn kênh N kênh tới Nếu lọc quang cho qua kênh thứ m, công suất quang tới tách sóng viết sau: N P = Pm + ∑ Tmn Pn n≠ m (3.1) Với Pm công suất kênh thứ m Tnm hệ số truyền dẫn lọc cho kênh n kênh m chọn Xuyên kênh xảy Tnm ≠ n≠ m Xuyên kênh xuyên kênh băng thuộc tín hiệu nằm ở dải phổ mà kênh tách chiếm giữ Tính không kết hợp cũng thể biểu thức (3.1) chỉ phụ thuộc vào công suất tín hiệu kênh lân cận Để đánh giá tác động xuyên kênh lên chức hệ thống, ta nên xét đề bù công suất xác định tăng thêm công suất thu để hạn chế ảnh hưởng xuyên kênh Dòng photo phát tương ứng với công suất quang tới xác định bằng: N I = Rm Pm + ∑ RnTnm Pn = I ch + I x n≠ m (3.2) Rm=ηme/hvm đáp ứng tách sóng quang cho kênh thứ m tần số quang v m ηm hiệu suất lượng tử mà khác kênh khác Ix biểu thị xuyên kênh thêm vào dòng I thu Giá trị phụ thuộc vào dạng bit đạt cực đại tất kênh mang bit “1” Đây trường hợp xấu Phương pháp đơn giản để tính mức thiệt thòi công suất xuyên kênh dựa vào độ khép hình mắt Độ khép lớn hình mắt xảy trường hợp xấu với Ix cực đại Thực tế, I ch tăng lên để trì chất lượng hệ thống Nếu Ich tăng lên theo hệ số δx, đỉnh dòng tương ứng với đính hình mắt I1=δx Ich+Ix Dòng ngưỡng định thiết lập ID=I1/2 Độ mở hình mắt từ ID tới mức đỉnh nên giữ nguyên giá trị ban đầu I ch/2 như: 1 (δ x I ch + I x ) − I x − (δ x I ch + I x ) = I ch (3.3) 2 Hoặc δx = 1+ SVTH: Lê Văn Sáng Ix I ch (3.4) Trang 16 GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG THÔNG TIN QUANG δx mát công suất kênh thứ m Sử dụng I x Ich từ biểu thức (3.2) δx tính theo dB sau: δ x = 10 log10 ∑ (1 + N n≠ m Rn Tmn Pn Rm Pm ) (3.5) Các công suất tương ứng với giá trị trạng thái mở chúng Nếu giả sử công suất đỉnh tất kênh nhau, thiệt thòi công suất xuyên kênh trở thành không phụ thuộc công suất Hơn nữa, đáp ứng tách sóng tất kênh nhau( Rm≈ Rn), δx xấp xỉ bằng: δ x = 10 log10 (1 + X ) (3.6) N Với X = ∑n≠ m Tnm lượng xuyên kênh băng biểu thị phần công suất bị rò vào kênh từ kênh khác Giá trị X phụ thuộc vào đặc tính truyền dẫn lọc quang xác định Các phân tích mát xuyên kênh dựa vào độ khép kín hình mắt tỉ số BER Người ta viết biểu thức cho BER I x biến ngẫu nhiên biểu thức (3.2) Đền bù công suất xuyên âm δx tính cách xác định giá trị tăng lên Ich cần thiết để giữ nguyên giá trị BER xác định 1.2 Xuyên kênh phi tuyến Chủ yếu hiệu ứng phi tuyến sợi quang gây nên 1.2.1 Tán xạ Raman kích thích Đối với hệ thống WDM, sợi quang hoạt động khuếch đại Raman cho kênh bước sóng dài khuếch đại bởi kênh bước sóng ngắn với sai khác bước sóng nằm dải thông độ khuếch đại Raman Kênh bước sóng ngắn sẽ bị suy nhiễu nhiều nhất, bơm nhiều kênh lúc Sự chuyển đổi lượng kênh gây hại cho chất lượng hệ thống Sự khuếch đại phụ thuộc tín hiệu sẽ làm tăng mức độ thăng giáng công suất sẽ làm tăng nhiễu ở thu làm xuống cấp thu Có thể tránh xuyên kênh Raman công suất kênh nhỏ cho khuếch đại Raman không đáng kể chiều dài sợi quang Hệ số khuếch đại kênh G i=exp(giLeff) với Leff=[1-exp(-αL)]/ α độ dài tương tác hiệu dụng, gi=gR(Ωi)Pch, Aeff độ khuếch đại Raman Ωi =ϖ0 -ϖI Pch công suất kênh Khi giLeff