Nghiên cứu nâng cao dung lượng thông tin quang nội tỉnh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ VĂN KHÁNH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO DUNG LƯỢNG THÔNG TIN QUANG NỘI TỈNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN TẤN HƯNG Đà Nẵng - Năm 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu nâng cao dung lượng thông tin quang nội tỉnh” tơi tự tìm hiểu nghiên cứu hoàn thành hướng dẫn TS NGUYỄN TẤN HƯNG Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm lời cam đoan Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019 Học viên Võ Văn Khánh ii TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU NÂNG CAO DUNG LƯỢNG THÔNG TIN QUANG NỘI TỈNH Học viên:Võ Văn Khánh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: ………Khóa:K35 -Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Triển khai mạng truyền dẫn Metro nhà mạng triển khai rộng rãi, nhờ vào ưu điểm dễ dàng quản lý mở rộng Tuy nhiên, với nhu cầu ngày tăng người dùng tích hợp dịch vụ việc nâng cao dung lượng mạng truyền dẫn Metro vấn đề cấp thiết Nghiên cứu đề xuất nhằm mở rộng dung lượng mạng dựa phát triển cơng nghệ ghép kênh, điều chế tín hiệu thu tín hiệu Bài báo khái quát tiến mặt công nghệ việc thu phát, truyền tải tín hiệu quang, mơ hình truyền dẫn truyền thống giới thiệu báo Tác giả tóm tắt kết đạt đưa hướng phát triển Từ khóa – mạng thị, thơng tin quang, nâng cao dung lượng truyền dẫn quang, mạng metro, mạng cáp quang Research method increase bandwidth in Metropolitan Area Networks Abstract - Metro transmission network has been widely deployed by operators, with the advantages of easy management and expansion However, with the increasing demand of customers and the integration of new services, increasing the capacity of Metro transmission networks is an urgent issue The objective of this research is to expand the bandwidth of the network based on the development of multiplexing, modulation and signal receiver technology This article presents an overview of the technological advances in optical transceiver, transmission, and traditional transmission models are also presented The achieved results are summarized and perspective of the work is provided Key words - Metropolitan Area Networks, Metro Ethernet, optical network, transmission networks iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Diễn giải Dịch nghĩa Internet Protocol Giao thức Internet DP-QPSK Dual-polarization quadrature phase shift keying Điều chế khóa dịch pha cầu phương, phân cực kép MAN Metropolitan Area Networks Mạng vùng đô thị MEN Metro Ethernet Network Mạng Ethernet đô thị Dense Wavelength Division Multiplexer Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao APD Avalanche Photo Diode Diode quang thác APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động ASE Amplifier Spontaneous Emission Nhiễu phát xạ tự phát BER Bit Error Ratio Tỷ số lỗi bit DCF Dispersion Compensated Fiber Sợi bù tán sắc DCM Dispersion Compensator Module Module bù tán sắc Demultiplexer Thiết bị tách kênh DSF Dispersion Division Multiplexer Sợi dịch chuyển tán sắc ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng LD Laser diode Diode laser MUX Multiplexer Thiết bị ghép kênh Optical Add/Drop Mutplexer Bộ xen/rẽ bước sóng quang OBA Optical Booster Amplifier Bộ khuếch đại công suất OLT Optical Line Terminator Bộ kết cuối đường quang IP DWDM DEMUX OADM iv OLA Optical Line Amplifier Bộ khuếch đại đường dây OPA Optical Pre-Amplifier Bộ tiền khuếch đại OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang OTU Optical Transponder Unit Khối thu phát quang OSC Optical Supervisor Channel Kênh giám sát quang OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm quang OXC Optical Cross Connect Khối kết nối chéo quang PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm SOA Semiconductor Optical Amplifier Khuếch đại quang bán dẫn SONET Synchronous Optical Networrk Mạng quang đồng SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo WDM Wavelength Division Multiplexer Ghép kênh theo bước sóng v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I TÓM TẮT LUẬN VĂN II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT III DANH MỤC HÌNH VẼ VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU X MỞ ĐẦU 1 Giới thiệu .1 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN DẪN METRO VÀ CÁC MƠ HÌNH THỰC TẾ .3 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Mơ hình mạng truyền dẫn nội tỉnh truyền thống 1.3 Khái niệm Metro Ethernet Network .3 1.3.2.1 Động lực thúc đẩy 1.3.2.2 Xu hướng phát triển .7 1.4 Các công nghệ Metro 1.4.1 Ethernet over SONET/SDH 1.4.2 Truyền tải Ethernet( Ethernet Transport) 12 1.5 Các mơ hình mạng Metro nhà mạng Việt Nam triển khai 12 1.5.1 Mơ hình Metro Cisco 12 1.5.2 Mơ hình Metro Nokia Siemens 13 1.6 Kết luận chương 14 CHƯƠNG II BỘ THU COHERENCE VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 15 2.1 Giới thiệu chương 15 2.2 Coherence tách sóng trực tiếp 15 2.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin quang Coherence .16 2.4 Kỹ thuật điều chế DP-QPSK 19 2.4.1 Điều chế tín hiệu DP-QPSK 19 vi 2.4.2 Giải điều chế tín hiệu DP-QPSK 21 2.4.3 Bộ phát thu DP-QPSK 21 2.5 Kết luận chương 22 CHƯƠNG III CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG MẬT ĐỘ CAO DWDM 23 3.1 Giới thiệu chương .23 3.2 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng .23 3.3 Các thành phần hệ thống thông tin quang DWDM 29 3.3.1 Máy phát/thu quang 29 3.3.2 Bộ ghép/tách kênh (Mux/Demux) 30 3.3.3 Bộ xen/rớt quang (Add/Drop) 31 3.3.4 Bộ khuếch đại tín hiệu quang (Optical Amplifier) 31 3.3.5 Bộ thu phát tín hiệu quang (Transponder) .32 3.4 Mô tả hoạt động hệ thống DWDM thực tế 33 3.5 Kết luận chương 34 CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO DUNG LƯỢNG THÔNG TIN QUANG NỘI TỈNH 35 4.1 Giới thiệu chương .35 4.2 Thiết kế hệ thống 35 4.2.1 Tham số khởi tạo 39 4.2.2 Tham số sợi quang 39 4.2.3 Máy phát tín hiệu điều chế DP-QPSK .40 4.2.4 Máy thu tín hiệu .40 4.2.5 Bộ điều chế tín hiệu số DSP 41 4.2.6 Bộ drop tín hiệu WDM 41 4.3 Kết khảo sát hệ thống truyền dẫn thông tin quan nội tỉnh sử dụng bước sóng điều chế DP-QPSK 42 4.3.1 Mơ hình 1: Thay đổi công suất 42 4.3.1.1 Truyền tải 100Gbps/kênh 42 4.3.1.2 Truyền tải 400Gbps/kênh 45 4.3.2 Mơ hình 2: Thay đổi cự ly truyền dẫn 46 vii 4.3.2.1 Truyền tải 100Gbps/kênh 46 4.3.2.2 Truyền tải 400Gbps/kênh 50 4.3.3 Mơ hình 3: Thay đổi độ dài span (độ dài chặng) .52 4.4 Kết luận chương 55 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 Tên hình Trang Mơ hình mạng truyền dẫn nội tỉnh truyền thống tỉnh Bình Định Các thành phần cấu thành mạng metro Mạng metro với cơng nghệ TDM Mơ hình TDM Ethernet Kiến trúc phân lớp mạng Metro Ring sonet phân kênh cố định Sonet dạng mắt lưới Ethernet Over Sonet/SDH Chức EOS ADM Chức EOS chuyển mạch Chức EOS chuyển mạch ADM Mơ hình metro CISCO Mơ hình kết nối vật lý nokia SIEMENS Mơ hình dịch vụ NOKIA Bộ tách Coherence Mơ hình hệ thống truyền dẫn Coherence Sơ đồ điều chế tín hiệu DP-QPSK Sơ đồ khối thu DP-QPSK Coherence Sơ đồ chòm DP-QPSK Mô tả tuyến thông tin quang ghép bước sóng Sơ đồ truyền dẫn chiều hai sợi quang Sơ đồ truyền dẫn hai chiều sợi quang Phân loại ghép bước sóng quang Mơ hình máy phát thu quang tín hiệu ánh sáng truyền sợi quang Với tượng phản xạ toàn phần Ghép tách kênh hệ thống DWDM đơn hướng Ghép tách kênh hệ thống DWDM thực tế Mô tả hoạt động xen/rớt quang – OADM Mô tả hoạt động xen/rớt quang – OADM Mô tả hoạt động khuếch đại quang Mô tả hoạt động thu phát tín hiệu quang Mơ hình hệ thống dwdm cấu hình ring Mơ hình hoạt động hệ thống DWDM cấu hình mesh Sơ đồ hệ thống khảo sát thay đổi công suất phát Sơ đồ hệ thống khảo sát thay đổi chiều dài toàn tuyến Sơ đồ hệ thống khảo sát thay đổi chiều dài span Biểu đồ phổ tín hiệu với ghép bước sóng Biểu đồ phổ tín hiệu với ghép 10 bước sóng Tham số khởi tạo Tham số hoạt động cáp quang 6 9 10 11 11 11 12 13 13 16 16 19 21 21 24 25 26 26 29 30 30 31 31 31 31 33 33 34 35 36 36 37 38 39 39 ix 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.15 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25 4.26 4.27 Tham số hoạt động máy phát tín hiệu điều chế DP-QPSK Tham số hoạt động máy thu Coherence Tham số hoạt động điều chế tín hiệu số DSP Tham số wdm drop Biểu đồ khảo sát q-factor theo công suất phát Biểu đồ chịm tín hiệu bước sóng 100gbps điều chế DPQPSK với công suất -6dbm Biểu đồ chịm tín hiệu bước sóng 100gbps điều chế DPQPSK với cơng suất 0dbm Biểu đồ chịm tín hiệu bước sóng 100gbps điều chế DPQPSK với cơng suất 3dbm Biểu đồ chịm tín hiệu bước sóng 400gbps điều chế DPQPSK với cơng suất -6dbm Biểu đồ chịm tín hiệu bước sóng 400gbps điều chế DPQPSK với cơng suất 0dbm Biểu độ q-factor theo chiều dài truyền dẫn Biểu đồ chịm tín hiệu bước sóng 100gbps điều chế DPQPSK với chiều dài 50km Biểu đồ chòm tín hiệu bước sóng 100gbps điều chế DPQPSK với chiều dài 100km Biểu đồ chịm tín hiệu bước sóng 100gbps điều chế DPQPSK với chiều dài 200km Biểu đồ chịm tín hiệu bước sóng 400gbps điều chế DPQPSK với chiều dài 50km Biểu đồ chịm tín hiệu bước sóng 400gbps điều chế DPQPSK với chiều dài 100km Biểu đồ chịm tín hiệu bước sóng 400gbps điều chế DPQPSK với chiều dài 200km Khảo sát q-factor theo độ dài chặng Biểu đồ chịm tín hiệu bước sóng 400gbps điều chế DPQPSK với chiều dài span 20km Biểu đồ chịm tín hiệu bước sóng 400gbps điều chế DPQPSK với chiều dài span 50km 40 40 41 41 42 42 43 44 45 46 47 47 48 49 50 51 52 53 53 54 53 Hình 4.25: Khảo sát Q-factor theo độ dài span Kênh Kênh Kênh 10 Hình 4.26: Biểu đồ chịm tín hiệu bước sóng 400Gbps điều chế DP-QPSK với chiều dài span 20km 54 Kênh Kênh Kênh 10 Hình 4.27: Biểu đồ chịm tín hiệu bước sóng 400Gbps điều chế DP-QPSK với chiều dài span 50km Qua khảo sát ta thấy với chiều dài chặng 20km với điều chế DP-QPSK, tốc độ kênh 400Gbps tín hiệu thu đầu thu tốt, chòm thể rõ ràng Nhưng chiều dài chặng 50km với vịng loop tín hiệu thu xấu, không đảm bảo 55 4.4 Kết luận chương Kết thúc chương 4, khảo sát hệ thống truyền dẫn thơng tin quang với mơ hình triển khai nội tỉnh, với tốc độ cao lên đến Tbps Tbps Trong trình thiết kế, sử dụng ghép kênh theo bước sóng, điều chế tín hiệu DP-QPSK với thu Coherence để khảo sát đánh gía tồn hệ thống trường hợp cụ thể sát với thực tế Mơ hình Metro với khoảng cách ngắn, nhiều điểm drop tín hiệu, việc tăng dung lượng hệ thông lên đến 4Tbps với việc áp dụng thu kỹ thuật số Coherence phương pháp điều chế DP-QPSK tín hiệu thu tốt thỏa mãn yêu cầu nghiêm ngặt hệ thống truyền dẫn quang Tuy nhiên nhiều điểm drop chiều dài điểm drop ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền dẫn hệ thống cần khảo sát thận trọng thiết kế tuyến 56 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Luận văn cung cấp cho người đọc khái niệm mạng MEN, mơ hình tiêu biểu, dịch vụ triển khai mạng MEN, đồng thời giới thiệu công nghệ tiên tiến truyền tải tín hiệu nhằm nâng cao dung lượng truyền dẫn sợi quang, cụ thể thu coherence, phương pháp điều chế tiên tiến DP-QPSK Tôi tiến hành mơ mơ hình truyền dẫn thơng tin quang với dung lượng lớn 100 Gbps 400 Gbps với mơ hình truyền dẫn thay đổi khác để khảo sát ảnh hưởng mơ hình tồn hệ thống từ đưa thơng số tối ưu cho hệ thống Với kết thu việc khảo sát nâng cao dung lượng truyền dẫn nội tỉnh mở rộng áp dụng với mơ hình truyền dẫn backhaul tuyến truyền dẫn Bắc Nam, hướng truyền dẫn liên tỉnh mà nhà mạng triển khai 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Nguyễn Văn Tuấn, “Thông tin sợi quang”, 2010 [2] Vũ Long Anh, “Các giải pháp mạng đô thị MAN”, đại học quốc gia Hà Nội, 2006 [3] Bản thiết kế Metro Tỉnh Miền Trung [2018] Low Level Design ver 1.0 Tài liệu tiếng Anh [4] Rajiv Ramaswami, Kumar N Sivarajan, Galen H Sasaki, “Optical networks”, A Practical Perspective, Third Edition [5] Gerd E.Keiser, “A Review Of WDM Technology And Applications”, 21-1998 [6] OpticSystem, Tutorials – Volume 1, Optical Communication System Design Software [7] Cisco System Inc, “HNPT MPLS Metro Ethernet Proposal v2”, 2006 [8] Alcatel – Luccent 7705, Service Aggregation Router OS, Release 7.0.R4, 2015 [9] Cisco System Inc, “Introduction to DWDM For Metropolitan Networks”, 2000 [10] Rene Schmogrow, Bernd Nebendahl, Marcus Winter, Arne Josten, David Hillerkuss, Swen Koenig, Joachim Meyer, Michael Dreschmann, Michael Huebner, Christian Koos, Juergen Becker, Wolfgang Freude Juerg Leuthold, “Error Vector Magnitude As A Performance Measure For Advaced Modulation Formats” HAI HOC DA NANG TRUtiNG DAI HOC BACH KHOA LONG HOA XA- HQI CHU NGH1A VItT NAM WO 14p - Ti - H4nh phtic &040 /QD-DHBK Ve viec giao a Da Niing, ngcly.26 thang//6 nom 2618 QUYET DINH tai va trach nhi?In cua nguiri htro'ng dan luiin van th#c si HItU TRIXONG TRVONG D31 HQC BACH Is.H0A Can cir Nghi dinh s6 32/CP 04/4/1994 cua Chinh phd ve viec thank 1ap Dqi h9c Da Nang; Can cir Thong to s6 08/2014/TT-BGDDT 20/3/2014 dn BO truang BO Gido clue va Dao tap ye viec ban hanh Quy the to chirc va hog dOng cua dai hoc vung va cac ca so giao due dai hoc vien; Quyet dinh so 6950/QD-DHDN 01/12/2014 oh Giamdoc Dai hoc Da Nang ve viec ban hanh Quy dinh nhiem vu, quyen han dm Dai hoc Da Nang, the ca so gido duc dai hoc vien va cac dan vi trgc thu0c; Can cu Th6ng to s6 15/2014/TT-BGDDT 15/5/2014 oh BO truong BO Giao chjc va Dao tao v6' viec ban hanh Quy the Dao tap trinh dO tha si; Quyet dinh so 598/QD-DHBK 27/12/2016 dm Hieu twang Tru6ng Dai hoc Bach khoa NT"' viec ban hanh Quy dinh dao tao trinh dO thac si; Can cir Quy6't dinh s6 1891/DHBK-DT 12/09/2017 oh Hieu tru6ng Trubng D4i hoc Bach Khoa ve viec ding nhan hoc vien cao hoc trimg tuyen; Can cir T6 trinh s6 07/DTVT 17/10/2018 dia khoa Dien tit - Vin thong va viec Quy6t dinh giao de tai va nguai huang an Juan van thac si cho hoc vien cao hoc chuyen nganh icy thuat dien tix, khOa 35; Xet de nghi cua Truong Phong Dao tax), QUYET DINH: Dieu Giao cho hoc vien cao hoc Vo Van Khanh, lop K35.KDT, chuye'n nganh K.P thuat clien ter, thirc hien de tai Juan van "Nghien cau cao aung luting thong tin quang not tinh", clued huang dan dm TS Nguyen Tan Tan Thing, TrtrOng Dai h2c Bach Khoa -13Vi hoc Da Nang , Dieu Hoc vien cao hoc va ngu6i twang an co ten Dieu1 cluac huang cac quyen lqi va thvc hien nhiem vu theo dung quy che dao tao thac si hien hanh cita BO Gido cltic va Dao tao, quy dinh dao tap thac si cua TruOng DO hoc Bach khoa Dieu Cac Ong/Ba Truang Ph6ng Dao tao, Truang ph6ng 10, hoach — Tai chinh, Truang khoa Dien tir - Vin thong, nguOi huang an Juan van va hoc vien có ten o DiL can cir Quyet dinh thi hanh./ KT HItIJ I WONG HIEU TRVONG o ~~C VA o Noi nh(in: - Nhu di&I 3; - Luu: VT, Ph6ng DT CTRUONG '2' WO H9C * kit KB TS Phan Minh Dim ... dung lượng hệ thống thông tin quang nội tỉnh 2 - Áp dụng mô nâng cao dung lượng cho hệ thống thông tin quang sử dụng thông số mạng quang thực tế Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu. .. băng thông vô lớn đến mạng truyền dẫn cáp quang, đặc biệt mạng thông tin quang nội tỉnh (Metropolitan optical network) Vì vậy, việc nghiên cứu giải pháp để giúp nâng cao dung lượng thông tin quang. ..i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn ? ?Nghiên cứu nâng cao dung lượng thông tin quang nội tỉnh? ?? tơi tự tìm hiểu nghiên cứu hoàn thành hướng dẫn TS NGUYỄN TẤN HƯNG Tơi xin chịu