Thiết kế mạng DWDM và các giải pháp công nghệ

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. Vì thế, DWDM ngày càng được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam. 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 là tiền đề để xây dựng và phát triển mạng toàn quang trong tương lai.

LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, chứng kiến phát triển chưa có nhu cầu sử dụng băng thông truyền dẫn, điều sản sinh lượng thông tin lớn truyền tải mạng tạo nhiều áp lực cho mạng Băng tần truyền dẫn trở thành tài nguyên quý giá hết Để đáp ứng yêu cầu trên, sợi quang xem môi trường lý tưởng cho việc truyền tải lưu lượng cực lớn Đối với hệ thống dung lượng thấp, công nghệ TDM thường sử dụng để tăng dung lượng truyền dẫn kênh cáp đơn lên 10Gbps, chí 40Gbps Tuy nhiên, việc tăng tốc cao không dễ dàng hệ thống tốc độ cao đòi hỏi công nghệ điện tử phức tạp đắt tiền Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbps, thân mạch điện tử đáp ứng xung tín hiệu hẹp, thêm vào chi phí cho giải pháp trở nên tốn cấu hoạt động phức tạp đòi hỏi công nghệ cao Để nâng cao tốc độ truyền dẫn, khắc phục hạn chế mà mạch điện chưa khắc phục được, công nghệ ghép kênh quang phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM đời DWDM ghép số lượng lớn bước sóng vùng bước sóng 1550nm để nâng dung lượng hệ thống lên hàng trăm Gbps Vì thế, DWDM ngày ứng dụng rộng rãi nhiều nước giới Việt Nam Với ưu công nghệ đặc biệt, ghép kênh theo bước sóng mật đô cao DWDM trở thành phương tiện tối ưu kỹ thuật kinh tế để mở rộng dung lượng sợi quang cách nhanh chóng quản lý hiệu hệ thống DWDM đáp ứng hoàn toàn yêu cầu phát triển dịch vụ băng rộng mạng tiền đề để xây dựng phát triển mạng toàn quang tương lai Khi thiết kế hệ thống DWDM, người thiết kế phải đối mặt với số vấn đề như: bước sóng ghép sợi tốc độ nào? Các bước sóng giám sát quản lý nào? Có loại lưu lượng khác mà khách hàng yêu cầu? Các thuật toán giao thức hiệu gì? Độ dài chặng mà không cần trạm lặp bao xa? Bộ khuếch đại sử dụng để thỏa mãn yêu cầu hệ số khuếch đại tạp âm? Và để trả lời câu hỏi đòi hỏi người thiết kế phải nắm vững nguyên lý, cấu trúc thường xuyên cập nhật kỹ thuật để đưa giải pháp tốt cho hệ thống xây dựng Chính lý nên em tiến hành tìm hiểu đề tài: “Thiết kế mạng DWDM giải pháp công nghệ” Chương TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DWDM VÀ CƠ SỞ KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG Để thấy vai trò quan trọng công nghệ viêc phát triển hệ thống mạng, chương xem xét nét chung công nghệ DWDM so với công nghệ truyền dẫn khác Để giải vấn đề băng thông phát triển hệ thống đa dịch vụ mạng, công nghệ DWDM thực ghép nhiều bước sóng sợi quang Với việc tăng số bước sóng ghép sợi quang cách đáng kể so với công nghệ WDM trước đây, điểm bật DWDM khả cho phép truyền sợi quang lưu lượng khổng lồ lên tới hàng Terabits/s Tuy nhiên, để đạt điều cách có hiệu hệ thống DWDM có yêu cầu đặc biệt chức quang như: độ linh hoạt cao, kết cấu đấu chéo nhanh, lọc nguồn laser phải có khả điều hưởng, thu phải có tạp âm thấp độ nhạy cao Các hệ thống DWDM làm việc kênh bước sóng theo khuyến nghị ITU-T dành cho DWDM Nhiều bước sóng ghép sợi quang mang lại linh hoạt mềm dẻo cho dịch vụ băng thông Mỗi kênh bước sóng truyền tải loại lưu lượng khác SONET/SDH kênh, ATM kênh khác, tín hiệu thoại TDM hay Internet kênh khác 1.1 KỸ THUẬT GHÉP BƯỚC SÓNG QUANG Trong hệ thống đơn kênh, tốc độ đường truyền đạt đến mức độ đó, người ta thấy hạn chế mạch điện tử việc nâng cao tốc độ kéo dài cự ly truyền dẫn Thêm vào đó, chi phí cho giải pháp tuyến truyền dẫn tốn cấu trúc hệ thống phức tạp Do đó, kỹ thuật ghép kênh quang đời nhằm khắc phục hạn chế Các phần tử quang hệ thống thiết bị đóng vai trò chủ đạo việc thay hoạt động phần tử điện vị trí xung yếu đòi hỏi kỹ thuật xử lý tín hiệu nhanh Về lý thuyết, ta làm tăng đáng kể dung lượng truyền dẫn hệ thống cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang sợi nguồn phát có phổ cách cách hợp lý đầu thu thu tín hiệu quang riêng biệt phần thu có tách bước sóng, Đây sở kỹ thuật ghép bước sóng 1.2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA GHÉP BƯỚC SÓNG QUANG Nguyên lý ghép bước sóng quang minh họa hình 1.1 Giả sử có nguồn phát quang làm việc bước sóng λ 1,λ2,…,λn Các tín hiệu quang làm việc bước sóng khác ghép vào sợi dẫn quang Các tín hiệu có bước sóng khác ghép lại phía phát nhờ ghép kênh, ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ tín hiệu sau ghép truyền dọc theo sợi để đến phía thu Các tách sóng quang khác phía đầu thu nhận lại luồng tín hiệu với bước sóng riêng rẽ sau chúng qua giải ghép bước sóng Sợi quang I1( 1 ) In( n ) O1( 1 ) MUX DEMUX O( 1 …  n ) I( 1 …  n ) On( n ) Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng Đặc điểm bật hệ thống ghép kênh theo bước sóng tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng thông rộng khu vực tổn hao thấp sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn hệ thống, đồng thời hạ giá thành kênh dịch vụ xuống mức thấp Hệ thống WDM dựa sở tiềm băng tần sợi quang để truyền nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu lúc việc truyền đồng thời nhiều bước sóng lúc không gây nhiễu lẫn Mỗi bước sóng đại diện cho kênh quang sợi quang Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà riêng rẽ bước sóng kênh phần nhỏ 1nm hay 10-9 m, điều dẫn đến hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM Các thành phần thiết bị trước có khả xử lý từ - 16 kênh, kênh hỗ trợ luồng liệu đồng tốc độ 2.5Gbps cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng (SDH/SONET) Các nhà cung cấp WDM sớm phát triển thiết bị nhằm cho việc truyền nhiều kênh quang Các hệ thống với hàng trăm kênh sẵn sàng đưa vào sử dụng, cung cấp tốc độ liệu kết hợp hàng trăm Gbps tiến tới đạt tốc độ Tbps truyền sợi đơn Có hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang WDM  Truyền dẫn chiều hai sợi WDM chiều tất kênh quang sợi quang truyền dẫn theo chiều, đầu phát mang tín hiệu có bước sóng khác điều chế λ 1,λ2,…,λn thông qua ghép kênh tổ hợp lại với truyền dẫn chiều sợi quang Vì tín hiệu mang thông qua bước sóng khác nhau, không lẫn lộn Ở đầu thu, tách kênh quang tách tín hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang, hướng ngược lại truyền dẫn qua sợi quang khác, nguyên lý giống Máy phát quang 1 Máy phát quang n n Máy thu quang Máy thu quang n Bộ ghép kênh O Bộ khuếch đại sợi quang O Bộ tách kênh 1, 2 n Bộ tách kênh Bộ O khuếch đại sợi quang O 1 Bộ ghép kênh n Máy thu quang Máy thu quang n Máy phát quang Máy phát quang n 1, 2 n Hình 1.2: Sơ đồ truyền dẫn chiều hai sợi quang  Truyền dẫn hai chiều sợi WDM hai chiều kênh quang sợi truyền dẫn theo hai chiều khác nhau, dùng bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (song công) Hệ thống WDM song hướng yêu cầu phát triển ứng dụng cao hơn, có cấu phức tạp đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt Có nhiều vấn đề cần lưu ý phản xạ quang, xuyên âm kênh, mức điện công suất truyền dẫn Ở phía phát, thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ nguồn quang tới đầu ghép kênh Ở phía thu, tách sóng quang phải nhạy với dải rộng bước sóng quang Khi thực tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với bước sóng khác cách thiết kế tách kênh thật xác, dải làm việc ổn định Do sử dụng khuếch đại quang hai chiều nên hệ thống song hướng giảm số lượng khuếch đại tiết kiệm sợi quang 1 nn Máy phát 1 quang Máy phát n quang Máy thu quang 1, 2 n Bộ ghép/tách kênh Máy thu quang Bộ khuếch đại sợi quang n+1, Máy thu quang O Máy thu quang Bộ ghép/tách kênh n+2 2n n+1 Máy phát quang 2n Máy phát quang O 1 n n Hình 1.3: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều sợi quang Về nguyên lý, ghép bước sóng dùng làm giải ghép bước sóng Như vậy, điều đơn giản “Multiplexer” trường hợp thường sử dụng dạng chung để tương thích cho ghép giải ghép, trừ trường hợp cần thiết để phân biệt hai thiết bị Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành ba loại: Các ghép (MUX), giải ghép (DEMUX) ghép giải ghép hỗn hợp (MUX - DEMUX) Các MUX DEMUX dùng cho phương án truyền dẫn song hướng Phân loại ghép bước sóng kỹ thuật ghép bước sóng: Các ghép bước sóng Thụ động Tích cực Các thu Vi quang Ghép sợi Tán sắc Bộ lọc Tán xạ vật liệu Cách tử phát nhiều Quang tổ hợp Các thiết bị khác Phi tuyến Giao thoa bước sóng Phân cực Hình 1.4: Phân loại ghép bước sóng quang Các ghép bước sóng thụ động sử dụng thường vi quang học (micro-optic) ghép sợi kiểu dẫn sóng (guided wave fibre coupler) Mỗi loại có ưu nhược điểm Các vi quang học thường đòi hỏi hệ thống ghép nối thấu kính để ghép vào sợi quang Các khó khăn việc định vị ghép nối làm hạn chế đặc tính kỹ thuật, đặc biệt sợi đơn mode Tuy nhiên, việc sử dụng vi quang học cho phép lựa chọn đặc tính lọc rộng rãi Các ghép sợi chịu ảnh hưởng khó khăn nêu lại bị hạn chế việc lựa chọn đặc tính cần có lọc, chẳng hạn mức độ phẳng băng thông Có tiêu chuẩn để xác định đặc tính ghép bước sóng:  Suy hao xen  Xuyên âm  Độ rộng phổ kênh  Suy hao xen Suy hao xen xác định lượng tổn hao công suất tuyến truyền dẫn quang việc thêm vào ghép bước sóng Khác với coupler thông thường, suy hao xen xem xét bước sóng: Lk = -10log O(λk)/Ik(λk) Li = -10log Oi(λi)/I(λi) MUX DEMUX Trong đó: I(λi), O(λk) công suất tín hiệu ghép đường chung I k(λk) công suất tín hiệu bước sóng λk vào cửa thứ k ghép, tín hiệu phát từ nguồn phát quang thứ k Oi(λi) công suất tín hiệu bước sóng λk khỏi cổng thứ i tách Suy hao bao gồm suy hao sinh điểm ghép nối ghép bước sóng mà nguyên nhân chủ yếu hấp thụ phản xạ Mức độ ảnh hưởng tương đối hai nguồn suy hao hệ thống tùy thuộc vào loại công nghệ lựa chọn để chế tạo ghép bước sóng  Xuyên âm Xuyên âm dò tín hiệu từ kênh sang kênh Nó làm tăng nhiễu, làm giảm tỷ số tín hiệu nhiễu SNR Hiện tượng sinh yếu tố sau:  Do đặc tính lọc không hoàn thiện  Do phản xạ hay hội tụ không hoàn toàn làm tia sáng bị tản mát  Do phổ nguồn phát chồng lấn lên  Do hiệu ứng phi tuyến xảy đưa công suất cao vào sợi quang Trong giải ghép kênh lý tưởng, dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng λ i sang kênh khác có bước sóng khác với λ i Nhưng thực tế tồn mức xuyên âm làm giảm chất lượng truyền dẫn thiết bị Khả để tách kênh khác diễn giải suy hao xen tính dB sau: Di(λi) = -10log Ui(λk)/I(λk) Trong đó: Ui(λk) lượng tín hiệu không mong muốn bước sóng λ k có dò tín hiệu cửa thứ i sang, mà có tín hiệu bước sóng λi Trong thiết bị ghép - giải hỗn hợp, việc xác định suy hao xen kênh áp dụng giải ghép Ở trường hợp phải xem xét hai loại xuyên kênh Xuyên kênh đầu xa kênh khác ghép vào đường truyền gây ra, ví dụ I(λk) sinh Ui(λk) Xuyên kênh đầu gần kênh khác đầu vào sinh ra, ghép bên thiết bị U i(λi) Khi cho sản phẩm, nhà chế tạo phải cho biết suy hao kênh thiết bị  Độ rộng phổ kênh: Độ rộng phổ kênh dải bước sóng dành cho kênh Độ rộng phải đảm bảo để tránh nhiễu kênh Độ rộng phổ kênh tùy thuộc vào nguồn phát Ứng với tốc độ truyền dẫn khác có độ rộng phổ kênh khác độ xác khác Độ rộng kênh Độ dịch tần 25 GHz 5 GHz 50 GHz 10 GHz 100 GHz 20 GHz 200 GHz 50 GHz Bảng 1.1: Độ rộng phổ kênh 1.3 CÁC THAM SỐ CHÍNH TRONG DWDM DWDM thực ghép số lượng lớn bước sóng quang điều chế sợi quang Những kênh quang hệ thống DWDM thường nằm cửa sổ bước sóng, chủ yếu 1550 nm môi trường ứng dụng hệ thống thường mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài có dung lượng truyền dẫn lớn Giống công nghệ nào, DWDM tồn giới hạn vấn đề kỹ thuật Trong chương này, xem xét số tham số như: suy hao, nhiễu xuyên kênh, số kênh bước sóng, bề rộng phổ nguồn phát, quỹ công suất, tán sắc ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến 1.3.1 Suy hao sợi quang Suy hao sợi quang đóng vai trò quan trọng việc thiết kế hệ thống Suy hao sợi tính tỷ số công suất cuối sợi quang P2 sợi dẫn quang dài L(km) với công suất đưa vào sợi quang P Nếu gọi là hệ số suy hao sợi thì: 5.5 CÁC KIỂU NÚT MẠNG TRONG HỆ THỐNG DWDM Ta có sơ đồ tổng quan cho hệ thống DWDM: Hình 5.17: Các kiểu nút mạng hệ thống DWDM Optix Metro 6100 DWDM cấu hình theo kiểu nút mạng: • Ghép kênh quang đầu cuối (Optical terminal multiplexer: OTM) • Ghép/tách quang (Optical add/drop multiplexer: OADM) • Khuếch đại đường dây quang (Optical line amplifier: OLA) 5.5.1 Nút mạng ghép kênh quang đầu cuối OTM 5.5.1.1 Nguyên lý kỹ thuật DWDM OTM sử dụng trạm đầu cuối chia tín hiệu thành hướng: hướng phát hướng nhận  Trong hướng phát: thông qua OTU, OTM hội tụ /biến đổi tín hiệu truy nhập thành tín hiệu theo khuyến cáo ITU-T G694.1 thành bước sóng DWDM Sau đó, tín hiệu ghép lại ghép quang thành đường quang khuếch đại ghép với tín hiệu giám sát kênh quang Cuối cùng, tín hiệu gửi lên đường quang phát  Trong hướng nhận: tín hiệu giám sát kênh quang tín hiệu quang tách Tín hiệu giám sát gửi tới khối xử lý kênh giám sát quang Sau đó, tín hiệu quang cho qua khối tách quang thành tín hiệu có bước sóng khác Cuối đưa tới thiết bị đầu cuối khách hàng phù hợp sau khối OTU chia định dạng chấn tử 5.5.1.2 Các kiểu nút mạng OTM Optix Metro 6100 DWDM OTM node có kiểu: • OTM với board M40/D40 • OTM với board OADM  OTM với board M40/D40 Kiểu OTM sử dụng trạm với nhiều bước sóng kích hoạt (thường nhiều 16 bước sóng) Cấu trúc khối OTM thể hình vẽ sau: Hình 5.18: Cấu trúc DWDM OTM node sử dụng board M40/D40 OTU: Khối phát đáp quang SC1: Khối giám sát kênh hướng FIU: Khối giao diện sợi quang M40: Khối ghép quang D40: Khối tách quang OA: Khối khuếch đại  OTM sử dụng OADM Kiểu OTM thường sử dụng vị trí mà có bước sóng đo (thường 16 bước sóng) Hình 5.19: Cấu trúc DWDM OTM node sử dụng board OADM OTU: Khối phát đáp quang SC1: Khối giám sát kênh quang FIU: Khối giao diện sợi quang OA: Khối khuếch đại quang OADM Unit: Khối đa tách ghép quang 5.5.2 Nút mạng xen/rẽ quang OADM 5.5.2.1 Nguyên lý kỹ thuật Các nút mạng DWDM OADM phù hợp cho quang trình truyền tín hiệu theo nhiều hướng Nó chia tín hiệu giám sát quang từ tín hiệu quang gửi tới khối xử lý kênh quang giám sát Khối tín hiệu lại khuếch đại gửi tới khối OADM Tại đây, bước sóng tách đưa tới khối OTU kết nối với phía thiết bị kết nối khách hàng Các bước sóng truyền qua ghép với bước sóng thêm vào với kênh giám sát kênh quang, sau qua khuếch đại quang truyền lên đường truyền 5.5.2.2 Các nút mạng OADM Khối xen/rẽ quang Optix Metro 6100 DWDM có loại: • OADM với broad M40/D40 • OADM với board OADM  Nút mạng OADM với board M40/D40 Khối OADM kiểu sử dụng vị trí trung tâm Nó thường bao gồm thêm OTM back – to – back Cấu trúc loại OADM thể hình vẽ sau: OTU:Hình 5.20: C Khối phát đápấu tr quangúc khối OADM sử dụng board M40/D40 SC2: Khối giám sát kênh quang chiều FIU: Khối giao diện sợi quang M40: Khối ghép quang D40: Khối tách kênh quang OA: Khối khuếch đại quang  Nút mạng xen/rẽ sử dụng board OADM Nút mạng OADM sử dụng vị trí biên Ưu điểm kiểu OADM suy hao nhỏ giá trị đầu tư thấp Cấu trúc khối OADM thể hình vẽ sau: Hình 5.21: Cấu trúc khối OADM sử dụng board OADM OTU: Khối phát đáp quang SC2: Khối giám sát kênh quang hai chiều FIU: Khối giao diện sợi quang OA: Khối khuếch đại quang OADM Unit: Khối xen/rẽ kênh quang 5.5.3 Nút mạng khuếch đại đường dây OLA Các nút mạng OLA DWDM sử dụng để khuếch đại tín hiệu quang từ hướng tín hiệu Nó chia tín hiệu giám sát quang từ tín hiệu đường quang trước tiên, gửi tín hiệu giám sát kênh quang tới khối xử lý giám sát kênh quang, tín hiệu quang khuếch đại sau lại ghép với tín hiệu giám sát kênh quang mà xử lý gửi lên đường quang để truyền OA West lineside ODF SC2 FIU FIU OA Hình 5.22: Cấu trúc DWDM node OLA East lineside ODF 5.6 BẢO VỆ MẠNG 5.6.1 Bảo vệ kênh quang 5.6.1.1 Bảo vệ kênh quang kiểu 1+1 Hình 5.23: Sơ đồ ring sử dụng bảo vệ kênh quang  Intra - OTU 1+1 bảo vệ kênh quang: Một số card OUT LWM, LWX, LDG, LQS, LGS, AP4 EC8 có số chức gọi là: “lựa chọn tín hiệu từ hai đầu vào” mà nhận kênh quang bảo vệ Working channel Protection channel OUT (dual-fed signal selection) Client-side equipment Hình 5.24: Bảo vệ kênh quang kiểu Intra-OUT 1+1 Tại phía khách hàng (client), tín hiệu truy nhập thông qua card OTU sau đó, tín hiệu quang thực chế độ 3R - định dạng, lặp, chỉnh (Reshaped, Regenerated, Retimed) gửi tới kênh working kênh protection nhờ chia (splitter) Tại phía nhận, OTU nhận dạng tín hiệu quang từ hướng working protection, tín hiệu tốt chọn gửi tới khách hàng 5.6.1.2 Bảo vệ 1:N (N