TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM.doc

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM

1.1.Giới thiệu

Những năm gần đây, các dịch vụ thông tin tăng trưởng ngày càng nhanh chóng, yêu cầu về dung lượng truyền dẫn ngày càng lớn, đồng thời yêu cầu về chất lượng truyền dẫn cũng ngày càng khắt khe hơn

Để thích ứng với sự tăng trưởng không ngừng đó và thoả mãn yêu cầu tính linh hoạt của mạng, các công nghệ truyền dẫn khác nhau đã được nghiên cứu, triển khai thử nghiệm và đưa vào ứng dụng, trong số đó phải kể đến công nghệ TDM, WDM, OTDM, Soliton.

Với công nghệ TDM, dung lượng hệ thống có thể đạt tới 5 Gbps, tuy nhiên đây cũng là giới hạn dung lượng của công nghệ này Với những gì không đạt được của hệ thống TDM về mặt dung lượng thì hệ thống thông tin quang dựa trên công nghệ WDM lại đáp ứng được.

Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM - Wavelength Division Multiplexing) là công nghệ truyền đồng thời nhiều bước sóng khác nhau trên một sợi quang, với dung lượng trên mỗi bước sóng quang điển hình là 2,5 Gbps Số lượng ghép thường là (2 – 16) bước sóng (trong tuơng lai, con số này còn lớn hơn) Ở đầu vào, các bước sóng quang mang thông tin (các kênh quang) được ghép trên cùng một sợi quang và được truyền dẫn tới đầu thu Tại đầu thu, các bước sóng ghép đó được tách ra bằng các bộ tách kênh quang Dọc theo tuyến truyền dẫn có thể có các bộ khuếch đại quang để bù lại suy hao truyền dẫn Công nghệ này thực sự cho hiệu quả truyền dẫn rất cao mà không quá phức tạp

Dưới đây là một tính toán cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM

Băng tần truyền dẫn của sợi quang là rất lớn; Chỉ với riêng cửa sổ quang 1550 nm thì dải bước sóng có thể sử dụng là 1500 nm – 1600 nm, tương ứng với

Sử dụng cho tốc độ truyền tin cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phần rất nhỏ trong băng tần truyền dẫn này Rõ ràng, có thể thấy dung lượng yêu cầu cỡ hàng trăm Gbps là hoàn toàn nằm trong khả năng của hệ thống WDM Thêm vào đó, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử như bộ tách ghép quang, bộ nối chéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiện lựa chọn kênh động hoặc tĩnh…

Các công nghệ khác như OTDM, truyền dẫn Soliton thì dung lượng được đáp ứng rất tốt nhưng lại quá phức tạp, bởi thế mà giá thành hệ thống lại trở thành vấn đề đáng quan tâm.

Công nghệ WDM với sự nâng cấp mở rộng dung lượng phát triển dịch vụ băng rộng, khai thác đầy đủ tiềm năng băng rộng của sợi quang, thực hiện truyền dẫn thông tin siêu tốc, có ý nghĩa rất quan trọng trong truyền dẫn cáp sợi quang nói riêng, trong công nghiệp viễn thông nói chung Thực sự, nó là công nghệ đáng được quan tâm, nghiên cứu và triển khai ứng dụng rộng rãi.

1.2.Tiến trình phát triển mạng truyền tải

Để thấy rõ được xu hướng phát triển mạng trong tương lai, trước hết nhìn lại lịch sử phát triển của công nghệ mạng truyền tải Công nghệ mạng đã trải qua các giai đoạn chuyển đổi từ tương tự sang số, từ phân cấp số cận đồng bộ(PDH) sang phân cáp số đồng bộ (SDH) và gần đây là từ SDH sang WDM (ghép kênh phân chia theo bước sóng) Để hỗ trợ và tương thích hoàn toàn với công nghệ cũ thì công nghệ chuyển mạch mới phải thích hợp với công nghệ truyền dẫn trước Chẳng hạn công nghệ PCM có chuyển mạch ở mức 64Kbit/s và truyền dẫn ở mức 2Mbit/s; khi chuyển lên PDH thì nối chéo ở mức 2Mbit/s và truyền dẫn ở mức 140Mbit/s; và khi lên đến SDH thì nối chéo ở mức 155Mbit/s và truyền dẫn

ở mức 10Mbit/s Còn với công nghệ WDM thì chưa được xác định rõ nhưng theo dự đoán thì tốc độ chuyển mạch cơ sở cỡ 300Gbit/s tương ứng với dung lượng truyền dẫn 10Tbit/s Dựa theo lịch sử phát triển và nhu cầu hiện tại thì công nghệ WDM ít nhất cũng đáp ứng được trong một thập kỷ Trong tương lai, sớm hay muộn thì cũng cần có công nghệ WDM phát triển hơn và có lẽ được kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu quang như ghép kênh theo thời gian quang(OTDM) và chuyển mạch gói quang cùng với các trạm lặp quang 3R để mở rộng độ trong suốt của mạng Trong tương lai xu hướng tiến tới mạng toàn quang (photonic).

Để xây dựng nên một mạng truyền tải photonic khả thi và có lợi về kinh tế thì ngoài thách thức ban đầu về các công nghệ đường truyền quang chất lượng cao, các bộ nối chéo, và các nút chuyển mạch quang thì còn cần phải vượt qua thách thức về cấu trúc mạng Yêu cầu quan trọng nhất của một mạng truyền tải đó là nó cần có cấu trúc tốt Yêu cầu này cũng được thực hiện tương tự như của các mạng SDH hiện nay Các thành phần cấu trúc sơ bản đó là các topo Ring và Mesh và có thể tổ hợp theo vài cách như kết hợp Ring/Mesh, phân cấp đa Ring… Hình 1.2 chỉ ra xu hướng phát triển có thể của mạng truyền tải photonic tương ứng với sự phát triển công nghệ các khối cơ bản.

Khi xây dựng mạng thì cũng cần có sự giám sát xem cái gì sẽ xảy ra trong mạng Trong khi khai thác chắc chắn sẽ gặp phải các sự kiện được dự liệu trước và các sự kiện không xác định trước và đôi khi không mong muốn Do đó cần có hệ thống báo hiệu và giám sát cho mạng So với mạng SDH, thì có rất nhiều vấn đề cần phải được đề cập trong mạng WDM Ví dụ giám sát tỷ lệ lỗi bít quang rõ ràng làm dễ dàng hơn cho hoạt động của mạng WDM Cần có các tiêu chuẩn về mào đầu và báo hiệu để phát triển các thiết bị mạng WDM.

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 5

Rào cản quan trọng tiếp theo cần vượt đó là phát triển một mô hình thông tin hiệu quả để trích và xử lý tất cả các trừơng thông tin nhận từ mạng Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng áp dụng thẳng cách tiếp cận mô hình phân lớp được phát triển cho mạng SDH đã nảy ra một số vấn đề đối với mạng WDM Khi phát triển các hệ thống quản lý các mạng WDM có bản chất tương tự với nhiều hiệu ứng vẫn chưa được xác định rõ đã nảy ra các thách thức mới cho nghiên cứu.

1.3.Công nghệ WDM

1.3.1 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ưu điểm nổi trội:

 Dung lượng lớn truyền dẫn lớn

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 6

Ring WDM kết nối đầy đủ

Ring WDM kết nối tập trung

Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứng với tốc độ bit nào đó (TDM) Do đó hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử nghiệm thành công Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s).

• 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 một bước sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp Điều này làm giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do đó tránh được sự phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao.

• Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động

Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có mà không phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang) Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc thuê sợi hoặc cáp Việc nâng cấp chỉ đơn giản là cắm thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-in-play).

• Quản lý băng tần hiệu quả và tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt

Nhờ việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM nên nó 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 mà không cần đi lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại.

• Giảm chi phí đầu tư mới

Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở ngay bản thân công nghệ Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ này

• Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 7

Công nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng nhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang Cho dù công nghệ còn phát triển nhưng dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn

• Chi phí cho khai thác và bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động hơn.

1.3.2 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng

Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ cơ bản để tạo nên mạng quang Kỹ thuật này tận dụng băng tần của sợi quang bằng cách truyền nhiều kênh bước sóng quang độc lập và riêng rẽ trên cùng một sợi quang Mỗi bước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi, ta có thể hiểu là mỗi một màu sắc khác nhau là một kênh thông tin quang khác nhau Và như vậy tín hiệu truyền trên hệ thống WDM sẽ giống như một chiếc “cầu vồng” Mặc dù bước sóng ứng dụng trong thông tin là những bước sóng không nhìn thấy, song đây là một cách thức rất trực quan để mô tả nguyên lý này.

Trên một sợi quang hoặc một hệ thống thông tin quang ta có thể ghép bước sóng quang theo một hướng đi hoặc cả hai hướng đi và hướng về

Theo thời gian, khái niệm WDM được thay bằng khái niệm DWDM Về nguyên lý không có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm này, DWDM nói đến khoảng cách gần giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số lượng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường nằm trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu là 1550 nm vì môi trường ứng dụng hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và dung lượng

truyền dẫn lớn Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách kênh rất nhỏ (xấp xỉ 0,5 nm) Để thuận tiện chúng ta dùng thuật ngữ WDM để chỉ chung cho cả hai khái niệm WDM và DWDM.

Nhìn bên ngoài, một hệ thống truyền dẫn WDM và một hệ thống truyền dẫn quang SDH có rất nhiều điểm tương tự Cả hai hệ thống đều có:

• Các thiết bị ghép tách kênh đầu cuối (MUX, DEMUX).

• Các thiết bị khuếch đại đường truyền hoặc lặp (Line Amplifier, Regenerator).

• Các thiết bị xen/rẽ kênh (ADM).

• Các thiết bị đấu chéo (Cross-Connect Equipment) • Sợi quang.

Tuy nhiên khác biệt quan trọng giữa chúng là ở chỗ: Hệ thống truyền dẫn SDH chỉ dùng một bước sóng quang cho mỗi hướng phát, còn hệ thống WDM thì dùng nhiều bước sóng (từ hai bước sóng trở lên); đối tượng làm việc của hệ thống SDH là các luồng tín hiệu số PDH/SDH, còn của hệ thống WDM là các bước sóng và các bước sóng này không nhất thiết chuyển tải tín hiệu số Mỗi bước sóng có chức năng như một sợi quang cung cấp môi trường truyền tín hiệu cho hệ thống khác và vì vậy gọi là sợi “quang ảo”.

WDM ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tăng vọt về băng thông do sự phát triển chưa từng thấy của mạng máy tính toàn cầu Internet, sự ra đời của các ứng dụng và dịch vụ mới trên nền tảng Internet Trước WDM, người ta tập trung mọi nỗ lực để nâng cao tốc độ truyền dẫn của các hệ thống SDH nhưng kết quả thu được không mang tính đột phá vì công nghệ xử lý tín hiệu điện tại tốc độ cao đã dần đến giới hạn Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s bản thân các mạch điện tử không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kì hẹp Thêm vào đó chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt động khá phức tạp, đòi hỏi công nghệ rất cao Trong khi đó băng thông cực lớn của sợi quang mới được sử dụng một phần nhỏ Tuy nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM rất gần với nguyên lý ghép kênh theo tần số FDM, nhưng các hệ thống WDM chỉ được thương mại hoá khi một số công nghệ xử lý tín hiệu quang trở nên chín muồi, trong đó phải kể đến thành công trong chế tạo các laser phổ hẹp, các bộ lọc

quang, và đặc biệt là các bộ khuếch đại đường truyền quang dải rộng (khuếch đại quang sợi EDFA, khuếch đại Raman).

Các laser phổ hẹp có tác dụng giảm tối đa ảnh hưởng lẫn nhau của các bước sóng khi lan truyền trên cùng một sợi quang Các bộ lọc quang dùng để tách một bước sóng ra khỏi các bước sóng khác Các bộ khuếch đại đường truyền dải rộng cần để tăng cự ly truyền của tín hiệu quang tổng gồm nhiều bước sóng, nếu không có các bộ khuếch đại này thì các điểm cần tăng công suất tín hiệu người ta phải tách các bước sóng ra từ tín hiệu tổng, sau đó hoặc là khuếch đại riêng rẽ từng bước sóng rồi ghép chúng trở lại, hoặc là phải thực hiện các bước chuyển đổi quang- điện-quang trên từng bước sóng rồi mới ghép, và như vậy thì tốn kém và làm cho hệ thống trở nên kém tin cậy.

1.3.3 Cấu trúc mạng WDM

1.3.3.1 Mô hình phân lớp

Trong dự thảo khuyến nghị G.otn của ITU-T thì mạng quang sẽ được phân chia thành ba lớp, nằm dưới lớp đoạn lặp trong mô hình SDH

• Lớp kênh quang, còn gọi là lớp tuyến quang (OCh – Optical Channel) Lớp này có chức năng định tuyến từ đầu đến cuối các tuyến quang Mối OCh đi qua một số đoạn khuếch đại trong mạng và mỗi đoạn khuếch đại mang nhiều bước sóng.

• Lớp đoạn ghép kênh quang(OMS – Optical Multiplex Section) được sử dụng để mô tả một chặng điểm nối điểm dọc tuyến quang Mỗi OMS bao gồm một số đoạn lặp nằm giữa hai bộ khuếch đại.

• Lớp đoạn truyền dẫn quang, hay còn gọi là lớp khuếch đại quang(OTS – Optical Transmission Section) Điều đó cho ta thấy mỗi đoạn ghép kênh quang thuộc về lớp khuếch đại quang.

OCh - Lớp kênh quang

OMS - Lớp đoạn ghép kênh quang OTS - Lớp đoạn truyền dẫn quang

Trong mô hình phân lớp giao thức ở mạng truyền tải dưới đây thì quan hệ lớp ATM; SDH với lớp WDM là quan hệ giữa lớp client và lớp server Các tín hiệu SDH và ATM dại diên cho dịch vụ ở lớp client mà được mang trên hệ thống WDM Nếu xét đến khái niệm phân lớp mạng thì hệ thống WDM được xem như phương tiện vật lý, cùng với sợi quang tạo thành lớp “kênh quang”

Dưới góc độ phát triển hệ thống thì WDM cùng với thiết bị xen/rẽ kênh quang (OADM) và bộ nối chéo quang (OXC) sẽ tạo thành một lớp mạng quang Sự phát triển này tiến tới một mạng truyền dẫn sử dụng kênh bước sóng hay nói ngắn gọn là lớp mạng quang ở dưới lớp client, tức là sẽ tách mạng truyền dẫn về topo thành hai lớp quang và điện trong đó hệ thống WDM là hạt nhân của “lớp

Mạng quang hiện tại

Bộ khuyếch đại quang

Với sự phát triển mạnh của các thiết bị chuyển mạch quang và chuyển đổi bước sóng thì xu hường tiến tới mạng toàn quang là không xa.

Mạng quang tương lai Mạng quang hiện tại

Hình 1.6 Xu hướng mạng truyền tải quang trong tương lai

1.3.3.2 Các phần tử trong mạng quang WDM

Cấu trúc chung và các thành phần chính của hệ thống thông tin quang WDM được thể hiện trong hình 1.7.

Nói chung, hệ thống WDM bao gồm nguồn quang, bộ ghép/tách kênh quang (MUX/DEMUX), sợi quang, các bộ khuếch đại quang (EDFA), các bộ nối chéo quang (OXC), các bộ tách kênh xen rẽ quang (OADM), chuyển mạch quang và các bộ lọc, Ngoài ra, còn có thêm các hệ thống kênh tín hiệu điều khiển giám sát và hệ thống quản lý

• Nguồn phát: Nguồn phát sử dụng trong các hệ thống WDM thường là

laser như sử dụng trong các hệ thống khoảng cách lớn thông thường Tuy nhiên, chúng phải đáp ứng được các yêu cầu nghiêm ngặt hơn

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 13

OADM

Hình 1.7 Cấu trúc của một hệ thống WDM đơn giản

• Bộ thu: Bộ thu có chức năng biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện

và phải hoàn toàn tương thích với bộ phát cả về bước sóng và các đặc tính điều chế Có 2 loại bộ thu thường được sử dụng cho các hệ thống WDM là diode PIN và photodiode thác APD PIN hoạt động với nguồn công suất thấp hơn (5V) nhưng lại có độ nhạy thấp và băng tần hẹp hơn APD APD phù hợp cho các ứng dụng cự ly lớn Các tham số cơ bản để đánh giá 1 bộ thu gồm: đáp ứng phổ, độ nhạy, băng tần phổ và điện, dải động và nhiễu

• Sợi quang: Sợi quang là thành phần cơ bản của một mạng quang Sợi

đơn mode chuẩn (G.652) có bước sóng tán sắc bằng 0 tại 1310nm và giá trị tán sắc lớn tại 1550nm (18ps/nm.km) hiện nay vẫn được sử dụng làm môi trường truyền dẫn cho các hệ thống WDM Mặc dù có đặc tính không tương thích với cửa sổ EDFA tại 1550nm này nhưng các phép đánh giá gần đây đã cho thấy rằng loại sợi này có thể dùng cho các hệ thống WDM tốc độ trung bình mà không làm suy giảm chất lượng tín hiệu qua các khoảng cách đáng kể nếu hệ thống có sử dụng sợi bù tán sắc hoặc các thiết bị bù tán sắc khác Sợi tán sắc dịch chuyển, DSF, (G.653) tuy có tán sắc bằng 0 tại bước sóng 1550nm nhưng không được khuyến nghị dùng cho các hệ thống WDM do hiệu ứng FWM Sợi tán sắc dịch chuyển khác 0, NZ-DSF, (G.655) có giá trị tán sắc nhỏ ở vùng cửa sổ 1550nm, do vậy hạn chế được các ảnh hưởng phi tuyến đặc biệt là hiệu ứng trộn 4 bước sóng (FWM) đối với hệ thống là loại sợi được thiết kế cho các hệ thống WDM Loại sợi này có lượng tán sắc nhỏ trong vùng bước sóng từ 1530nm đến 1565nm (từ hơn 3ps/nm.km tại 1530nm và xuống còn nhỏ hơn 0,7 tại 1560nm) Giá trị này đủ để loại bỏ được hiệu ứng FWM mà vẫn cho phép truyền được các kênh có tốc độ ít nhất 2,5Gbit/s qua khoảng cách 1000km

• Bộ khuếch đại quang: Một trong những yếu tố tạo nên sự thành công của

WDM đã dẫn đến sự ra đời của các bộ khuếch đại quang pha erbium (EDFA) Thiết bị này sử dụng năng lượng từ 1 laser bơm để khuếch đại tất cả các bước sóng tín hiệu có mặt tại lối vào của chúng 1 EDFA gồm 1 chiều dài sợi quang đã được pha tạp với erbium , do vậy chúng có thể biến đổi năng lượng từ phát xạ bơm riêng biệt thành các bước sóng đến, tức là đã khuếch đại các tín hiệu Với 1 thiết kế EDFA đơn giản nhất thì sự khuếch đại xảy ra qua 1 vùng bước sóng tương đối hẹp từ 1525nm đến 1565nm Dải 40nm cũng đủ để xử lý 1 số lượng lớn các kênh quang EDFA “trong suốt” với giao thức, dạng, tốc độ bit của tín

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 14

OADM