Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng sử dụng ROADM

Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng DWDM sử dụng ROADM MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH SÁCH BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ .7 CHƯƠNG – GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG DWDM 11 1.1 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng 11 1.2 Đặc điểm công nghệ DWDM 14 1.3 Các thành phần hệ thống DWDM 15 1.3.1 Tổng quan hệ thống DWDM 15 1.3.2 Bộ phát đáp quang (OTU) 18 1.3.3 Bộ ghép/tách kênh quang (OMU/ODU) 19 1.3.4 Bộ khuếch đại quang 20 1.3.4.1 Bộ khuếch đại EDFA 21 1.3.4.2 Bộ khuếch đại Raman 23 1.3.5 Bộ ghép kênh xen/rẽ quang tái cấu hình (ROADM) 24 CHƯƠNG – CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT KHI THIẾT KẾ MẠNG DWDM SỬ DỤNG ROADM 27 2.1 Mạng quang DWDM sử dụng ROADM 27 2.2 Cấu trúc công nghệ ROADM 30 2.2.1 Bộ khoá bước sóng WB (Wavelength Blocker) 30 2.2.2 Mạch tích hợp quang học PLC (Planar Lightwave Circuit) 31 2.2.3 Chuyển mạch chọn lọc bước sóng (Wavelength Selective Switch) 32 2.2.4 Nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect) 35 2.3 Kiến trúc ROADM sử dụng WSS 36 2.3.1 Kiến trúc quảng bá chọn lọc (Broadcast and select) 36 2.3.2 Kiến trúc định tuyến chọn lọc (Route and select) 38 2.3.3 Kiến trúc chọn lựa bước sóng (Wavelength selective) 38 Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng DWDM sử dụng ROADM 2.3.4 Kiến trúc ROADM CDC 40 2.4 Suy hao quỹ công suất 45 2.5 Tán sắc bù tán sắc 48 2.6 Hiệu ứng quang phi tuyến 52 2.7 Thiết kế dựa OSNR 56 CHƯƠNG –THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠNG DWDM 62 3.1 Tổng quan hệ thống DWDM Campuchia 62 3.2 Thiết bị thành phần mạng DWDM 63 3.3 Thiết kế mạng DWDM 64 3.4 Gán bước sóng 64 3.5 Mô mạng DWDM sử dụng ROADM 66 3.5.1 Giới thiệu phần mềm mô Optisystem 66 3.5.2 Thực mô 67 3.5.2.1 Bài toán mô 67 3.5.2.2 Thiết kế thành phần DWDM 68 3.5.2.4 Cấu hình tham số hệ thống 73 3.5.2.5 Tính toán suy hao độ lợi khuếch đại 73 3.5.3 Kết đánh giá 75 KẾT LUẬN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng DWDM sử dụng ROADM DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát khuếch đại AWG Arrayed Waveguide Gratings Cách tử ống dẫn sóng mảng BA Booster Amplifier Khuếch đại công suất BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bit DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi quang bù tán sắc DCM Dispersion Compensating Module Khối bù tán sắc DEMUX Demultiplexer Bộ tách kênh DFA Dopped Fiber Amplifier Khuếch đại sợi quang pha tạp DRA Distributed Raman Amplifier Khuếch đại Raman phân bố DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc DWDM Dense Wavelength Division Ghép kênh phân chia bước sóng mật độ Multiplexing lớn EDFA Erbium Dopped Fiber Amplifier Khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium EMS Element Management System Hệ thống quản lý phần tử FBG Fiber Bragg Gratings Cách tử Bragg sợi quang FEC Forward Error Correction Sửa lỗi chuyển tiếp FOADM Fixed Wavelength Division Ghép kênh phân chia bước sóng cố định Multiplexing FWM Trộn bốn sóng Four Wave Mixing Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng DWDM sử dụng ROADM GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm ISI Intersymbol Interference Giao thoa liên ký tự ITU Iternational Telecommunication Liên minh viễn thông quốc tế Union LA Line Amplifier Khuếch đại đường dây LRA Lumped Raman Amplifier Khuếch đại Raman rời rạc LCoS Liquid Crystal on silicon Tinh thể lỏng silicon MEMS Micro electro-mechanical Systems Hệ thống điện siêu vi MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MZI Mach Zehnder Interferometer Bộ giao thoa Mach Zehnder NF Noise Figure Hệ số nhiễu NMS Network Management System Hệ thống quản lý mạng NZ DSF Non-zero Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc khác không O-E-O Optical–Electronic–Optical Biến đổi quang-điện-quang OADM Optical Add-Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen-rẽ quang OCM Optical Channel Monitor Bộ giám sát kênh quang ODU Optical Demultiplexing Unit Bộ ghép kênh quang OLA Optical Line Amplifier Bộ khuếch đại đường truyền OMU Optical Multiplexing Unit Bộ ghép kênh quang OSC Optical Supervisory Channel Kênh giám sát quang Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng DWDM sử dụng ROADM OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu/nhiễu quang OTM Optical Terminal Multiplexer Bộ ghép kênh kết cuối quang OTU Optical Transponder Unit Bộ phát đáp quang OXC Optical Cross-Connect Nối chéo quang PA Pre-Amplifier Bộ tiền khuếch đại PDL Polarization Dependent Loss Suy hao phụ thuộc phân cực PLC Planar Lightwave Circuit Mạch tích hợp quang học PMD Polarization-Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực ROADM Reconfigurable Optical Add-Drop Bộ ghép kênh xen-rẽ quang tái cấu hình Multiplexer SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SPM Self–Phase Modulation Tự điều biến pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman bị kích thích TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian VOA Variable Optical Attenuator Bộ điều chỉnh suy hao quang WB Wavelength Blocker Bộ khoá bước sóng WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia bước sóng WSS Wavelength Selective Switch Chuyển mạch chọn lọc bước sóng XPM Cross Phase Modulation Điều biến chéo pha Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng DWDM sử dụng ROADM DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tần số trung tâm danh định 14 Bảng 2.1: Tỉ lệ bậc nút trung bình mạng điển hình Mỹ 28 Bảng 2.2: Suy hao xen thiết bị bước sóng 1550 nm 46 Bảng 2.3: Cự ly truyền dẫn bị hạn chế tán sắc 51 Bảng 3.1: Các thông số module DCM 69 Bảng 3.2: Bảng thống kê suy hao độ lợi khuếch đại 75 Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng DWDM sử dụng ROADM DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc tuyến DWDM N kênh bước sóng 11 Hình 1.2: Phổ tín hiệu DWDM 12 Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống DWDM đơn hướng 16 Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống DWDM hướng 17 Hình 1.5: Sơ đồ khối phát đáp quang 19 Hình 1.6: Sơ đồ khối ghép kênh quang 19 Hình 1.7: Sơ đồ khối tách kênh quang 20 Hình 1.8: Cấu trúc khuếch đại EDFA 22 Hình 1.9: Sơ đồ khuếch đại Raman điển hình 23 Hình 1.10: Cấu trúc OADM 25 Hình 1.11: Kiến trúc ROADM song song cho hệ thống WDM kênh 26 Hình 1.12: Kiến trúc ROADM nối tiếp 26 Hình 2.1: ROADM bậc 29 Hình 2.2: ROADM bậc triển khai điểm giao vòng 29 Hình 2.3: Cấu trúc ROADM WB 30 Hình 2.4: Cấu trúc ROADM PLC 31 Hình 2.5: WSS định tuyến bước sóng 33 Hình 2.6: Cấu trúc ROADM WSS bậc 33 Hình 2.7: Cấu trúc ROADM WSS bậc với port xen/rẽ kênh colored 34 Hình 2.8: Cấu trúc ROADM WSS bậc với port xen/rẽ colorless 35 Hình 2.9: Kiến trúc ROADM OXC cho nút bậc với 40 bước sóng 36 Hình 2.10: Kiến trúc ROADM quảng bá chọn lọc 37 Hình 2.11: Kiến trúc ROADM định tuyến chọn lọc 38 Hình 2.12: Kiến trúc chọn lựa bước sóng 39 Hình 2.13: ROADM với kết nối mạng có port xen/rẽ 42 Hình 2.14: Kiến trúc ROADM CDC 43 Hình 2.15: Các bước sóng lưới 50 GHz 44 Hình 2.16 : Đặc tính suy hao c sợi quang theo bước sóng 45 Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng DWDM sử dụng ROADM Hình 2.17: Tán sắc sắc thể tổng tán sắc vật liệu tán sắc dẫn sóng 50 Hình 2.18: Hệ thống DWDM điểm – điểm đa tầng khuếch đại 57 Hình 2.19: Hệ thống DWDM đa tầng khuếch đại Raman 59 Hình 2.20: OSNR với khuếch đại Raman phân bố EDFA 60 Hình 3.1 : Sơ đồ kết nối logic hệ thống mạng đường trục Campuchia 62 Hình 3.2: Mạng vòng ZONE4&5 64 Hình 3.3: Mạng vòng ZONE2 64 Hình 3.4: Bước sóng nút PNP_VP05_02 PNP_VP06_02 65 Hình 3.5: Bước sóng gán cho nút vòng ZONE2 65 Hình 3.6: Bước sóng nút PNP_VP05_01 PNP_VP06_01 66 Hình 3.7: Sơ đồ bước sóng ZONE4&5 66 Hình 3.8: Cấu trúc OTU2S 68 Hình 3.9: Cấu trúc OTU2F 68 Hình 3.10: Cấu trúc chuyển mạch bước sóng 70 Hình 3.11 : Bộ khuếch đại Raman bơm ngược 71 Hình 3.12 : Cấu hình trạm ROADM bậc, có bước sóng xen/rẽ tái tạo 71 Hình 3.13 : Cấu hình ROADM bậc 72 Hình 3.14 : Sơ đồ thiết kế mạng vòng ZONE2 72 Hình 3.15 : Sơ đồ thiết kế mạng vòng ZONE4&5 73 Hình 3.16 : Phổ tín hiệu DWDM sau ghép kênh 76 Hình 3.17: Phổ tín hiệu sau khuếch đại công suất 76 Hình 3.18: Thông số tín hiệu DWDM 77 Hình 3.19: Phổ tín hiệu sau khuếch đại công suất 77 Hình 3.20: Thông số tín hiệu DWDM 78 Hình 3.21: Mô hình mắt kênh 192,1 THz 78 Hình 3.22: Mô hình mắt kênh 192,5 THz 79 Hình 3.23: Mô hình mắt kênh 195,4 THz 79 Hình 3.24: Mô hình mắt kênh 192,3 THz 80 Hình 3.25: Mô hình mắt kênh 195,3 THz 80 Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng DWDM sử dụng ROADM LỜI MỞ ĐẦU Cùng hòa nhịp với phát triển mạng viễn thông, hệ thống thông tin quang ngày phát triển mạnh mẽ có nhiều ưu điểm, phù hợp với yêu cầu mạng viễn thông dung lượng lớn, độ méo tín hiệu nhỏ, cự ly thông tin dài, đa dạng tín hiệu…Tuy nhiên, để thỏa mãn nhu cầu ngày tăng mật độ thuê bao tăng có dịch vụ viễn thông ngày phát triển, người ta phải thực nâng cấp cải tiến mạng lưới hệ thống nhằm tăng dung lượng truyền dẫn Xét kỹ thuật, chủ yếu sử dụng hai phương thức sau để tăng dung lượng tuyến thông tin là: ghép kênh theo thời gian quang (TDM - Time Division Multiplex) ghép kênh theo bước sóng quang (WDM - Wavelength Division Multiplex) Công nghệ TDM lợi dụng khả truyền dẫn với tốc độ lớn sợi quang để tăng dung lượng Phương pháp sử dụng từ lâu tỏ có nhiều nhược điểm tốc độ tín hiệu lớn 10 Gbps Trong công nghệ WDM lại thể nhiều ưu mạng quang lợi dụng băng thông lớn sợi quang để ghép nhiều bước sóng giúp tăng dung lượng truyền dẫn Khi công nghệ quang điện tử ngày phát triển, mật độ lớn bước sóng ghép vào sợi quang, thuật ngữ DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex ) sử dụng Hiện tại, hệ thống thương mại có 16, 40, 80 128 bước sóng sợi quang công bố Nếu hệ thống DWDM 40 kênh với tốc độ 10 Gbps kênh, truyền qua sợi quang với băng thông tổng lên tới 400 Gbps Các bước sóng xen/rẽ vào/từ sợi quang mạng DWDM nút OADM (Optical Add Drop Multiplexer) Những OADM thời kỳ đầu không cấu hình giới hạn thích ứng mạng với thay đổi mô hình lưu lượng Ngày nay, hầu hết OADM cấu hình lại được, bước sóng xen/rẽ nút việc chọn lọc bước sóng để xen/rẽ thay đổi dễ dàng Các OADM gọi ROADM (Reconfigurable OADM) Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng DWDM sử dụng ROADM Tính linh hoạt mạng DWDM sử dụng ROADM đem lại nhiều thuận lợi cho việc vận hành mạng đơn giản hoá kế hoạch triển khai mạng, cài đặt tối ưu Chính vậy, hầu hết mạng quang DWDM có tích hợp thiết bị Tuy nhiên việc thiết kế tối ưu tham số mạng DWDM sử dụng ROADM cho hệ thống hoạt động với hiệu tốt vấn đề cần phải tính toán cẩn thận Trên sở đó, định chọn đề tài “Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng sử dụng ROADM” làm luận văn thạc sỹ Luận văn gồm có chương với nội dung sau Chương giới thiệu hệ thống DWDM gồm nguyên lý, đặc điểm thiết bị DWDM đặc trưng sử dụng Chương trình bày công nghệ, kiến trúc ROADM phân tích thông số kỹ thuật ảnh hưởng thiết kế mạng quang DWDM sử dụng ROADM Chương cuối tập trung vào việc phân tích thiết kế mạng quang DWDM với ROADM sử dụng tối đa 40 bước sóng, theo dự án thiết kế mạng truyền dẫn quang đường trục Campuchia Sau thiết kế mô lại phần mềm Optisystem để đánh giá hiệu hệ thống Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải, thầy tận tình hướng dẫn, bảo gửi tài liệu tham khảo quý báu để hoàn thành luận văn cách tốt Tôi mong nhận ý kiến đóng góp thầy cô bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện tốt 10 Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng DWDM sử dụng ROADM Hình 3.10: Cấu trúc chuyển mạch bước sóng - Bộ khuếch đại EDFA Các khuếch đại HOA (BA), PA, OA sử dụng phần tử Optical Amplifier thư viện Amplifier Library/Optical/EDFA Phần tử có tính cân độ lợi Giá trị NF BA 6, PA OA (nhiễu thấp để đảm bảo chất lượng tín hiệu phía thu) Độ lợi tuỳ thuộc vào nút mạng - Bộ khuếch đại Raman Bộ RAU sử dụng phần từ Raman Amplifier – Avenger Power Model thư viện Amplifier Library/Optical/Raman hình 3.11 Bộ khuếch đại sử dụng đa bơm với cấu hình bơm ngược với laser bơm có công suất tần số bơm tối ưu hoá để đảm bảo độ lợi làm phẳng (