Nghiên cứu tính toán giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến trong các hệ thống truyền dẫn quang công nghệ 100g bước sóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ ĐỨC TRUNG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG PHI TUYẾN TRONG CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG CƠNG NGHỆ 100G/BƯỚC SĨNG Chun ngành : Kỹ Thuật Viễn Thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ Thuật Viễn Thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN HOÀNG HẢI Hà Nội – Năm 2017 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Học viên: Lê Đức Trung MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Hệ thống thông tin quang 1.1.1 Các đặc điểm hệ thống thông tin quang 1.1.2 Cấu trúc tổng quát hệ thông thông tin quang 1.2 Các công nghệ sở ghép kênh quang 1.2.1 Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) .7 1.2.2 Ghép kênh phân chia theo không gian (FDM) 1.2.3 Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) 1.3 Giới thiệu công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM 1.3.1 Các dải bang tần hoạt động WDM 10 1.3.2 Sơ đồ chức năng: 10 1.3.3 Phân loại hệ thống WDM 10 1.4 Các tham số thông tin quang .12 1.4.1 Suy hao sợi quang 12 1.4.2 Số kênh bước sóng khoảng cách kênh 13 1.4.3 Xác định độ rộng phổ yêu cầu nguồn phát 14 1.4.4 Quỹ công suất 15 1.4.5 Xuyên âm 16 1.4.6 Tán sắc .16 1.5 Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến 17 1.5.1 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM 17 1.5.2 Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM 18 1.5.3 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM 19 1.5.4 Hiệu ứng tán xạ kích thích Raman .20 1.5.5 Hiệu ứng tán xạ kích thích Brillouin 20 1.6 Các đặc điểm hệ thống WDM 21 i Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Học viên: Lê Đức Trung 1.7 Kết luận chương 22 CHƯƠNG II: CƠNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SĨNG MẬT ĐỘ CAO DWDM 23 2.1 Ưu điểm hệ thống DWDM 23 2.2 Mơ hình hệ thống ngun lý hoạt động 24 2.3 Các phận chức .27 2.3.1 Bộ phát đáp quang OTU 27 2.3.2 Bộ ghép kênh quang OMU 33 2.3.2 Bộ tách kênh quang ODU 35 2.3.3 Bộ ghép kênh xen rẽ quang OADM 37 2.3.4 Bộ ghép kênh xen rẽ quang ROADM .40 2.3.5 Bộ khuếch đại OA .43 2.3.6 Bộ kết nối chéo quang OXC 46 2.3.7 Khối bù tán sắc DCM 46 2.3.8 Các loại sợi quang dùng công nghệ DWDM 47 2.4 Kiến trúc mạng DWDM .48 2.4.1 Kiến trúc điểm-điểm 48 2.4.2 Kiến trúc mạng vòng Ring: .49 2.4.3 Kiến trúc mạng lưới Mesh 50 2.5 Ứng dụng DWDM lớp mạng 52 2.6 Kết luận chương .52 CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VÀ TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM OPTIWAVE 53 3.1 Giới thiệu chung phần mềm Optiwave 53 3.2 Các ứng dụng phần mềm 53 3.3 Yêu cầu phần cứng phần mềm 53 3.4 Thư viện phần tử 54 3.4.1 3.5 Giao diện người sử dụng (GUI) 54 Tóm tắt hướng dẫn sử dụng số chức Optiwave 57 3.5.1 Mở dự án có sẵn .57 3.5.2 Tạo dự án 57 ii Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Học viên: Lê Đức Trung 3.5.3 Thiết lập tham số toàn cục (global parameters) dự án .58 3.5.4 Hiển thị thay đổi tham số phần tử dự án 59 3.5.5 Chạy mô .60 3.5.6 Hiển thị kết mô 61 3.5.7 Thực quét tham số (Parameter Sweep) 61 3.5.8 Hiển thị kết mô quét tham số 65 3.6 Kết luận chương 66 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MẠNG ĐƯỜNG TRỤC DWDM CHO VIETTEL PERU BẰNG CÔNG CỤ HỖ TRỢ OPTIWAVE .67 4.1 Giới thiệu viễn thông Peru .67 4.2 Thiết kế sơ đồ Ring mạng đường trục DWDM cho Viettel Peru 68 4.3 Thiết kế tuyến điểm-điểm dựa tham số OSNR 69 4.3.1 Cách tính tham số OSNR 69 4.3.2 Tính tốn thơng số bù tán sắc 71 4.3.3 Tính tốn thơng số khuếch đại quang EDFA .71 4.4 Thiết kế mạng đường trục DWDM Viettel Peru với Optisystem 72 4.5 Kết luận chương .77 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 iii Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Học viên: Lê Đức Trung DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 : Các thành phần hệ thống thông tin quang Hình 1.2: Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng Hình 1.3: Sơ đồ chức hệ thống WDM 10 Hình 1.4 : Hệ thống WDM đơn hướng 11 Hình 1.5 : Hệ thống WDM song hướng 11 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý DWDM 24 Hình 2.2: Hệ thống DWDM hai hướng 26 Hình 2.3: Giao tiếp DWDM với dịch vụ khác 27 Hình 2.4 Sơ đồ khối chức OTU khơng có FEC 29 Hình 2.5 Sơ đồ khối chức OTU có FEC 31 Hình 2.6: Sơ đồ khối chức ghép kênh quang 33 Hình 2.7: Sơ đồ khối chức tách kênh quang 35 Hình 2.8: Sơ đồ khối OADM 37 Hình 2.10: Cấu trúc OADM song song 38 Hình 2.10: Cấu trúc OADM song song theo module 38 Hình 2.11: Cấu trúc OADM nối tiếp 38 Hình 2.12: Cấu trúc xen rớt theo băng sóng 39 Hình 2.13: Vị trí ROADM mạng 39 Hình 2.14: Sơ đồ chức ROADM 41 Hình 2.15: Cấu trúc EDFA đơn tầng 43 Hình 2.16: Sơ đồ khối chức khuếch đại Raman 44 Hình 2.17: OXC với ma trận chuyển mạch NxN 45 iv Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Học viên: Lê Đức Trung Hình 2.18: Kiến trúc mạng điểm – điểm 48 Hình 2.19: Kiến trúc mạng Ring 49 Hình 2.20: Kiến trúc mạng Mesh 50 Hình 2.21: Kiến trúc mạng kết hợp 50 Hình 3.1 Giao diện người sử dụng 53 Hình 3.2 Thư viện phần tử 54 Hình 3.3 Project Browser 54 Hình 3.4 Description 55 Hình 3.5 Status bar 55 Hình 3.6 Menu bar 55 Hình 3.7 Pan window 55 Hình 3.8 Cửa số Project layout 56 Hình 3.9 Đặt phần tử vào Main layout 56 Hình 3.10 Kích hoạt kết nối tự động 57 Hình 3.11 Hủy bỏ chế độ kết nối tự động 57 Hình 3.12 Hộp thoại Layout parameters 58 Hình 3.13 Hộp thoại tham số Laser Measured 59 Hình 3.14 File menu 59 Hình 3.15 Hộp thoại Optisystem Calculations 60 Hình 3.16 Kết hiển thị thiết bị phân tích phổ 60 Hình 3.17 Hộp thoại Total Parameter Iteration 61 Hình 3.18 Truy nhập qua Layout - Set Total Sweep Iterations 61 Hình 3.19 Hộp thoại Current Sweep Iteration 62 Hình 3.20 Set Current Iteration drop-down box 62 Hình 3.21 Sweep mode 63 v Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Học viên: Lê Đức Trung Hình 3.22 Tham số phần tử - Tham số chế độ Sweep mode 63 Hình 3.23 Các giá trị tham số cần quét phần tử thiết kế 64 Hình 3.24 Hiện thị kết mô quét tham số 65 Hình 4.1: Bản đồ quốc gia Peru 66 Hình 4.2: Sơ đồ thiết kế Ring cho mạng đường trục Viettel Peru 67 Hình 4.3: Tính tốn OSRN cho tuyến điểm điểm 68 Hình 4.4: Khối phát quang bước sóng 72 Hình 4.5: Tuyến truyền dẫn quang 72 Hình 4.6: Khối thu quang bước sóng 73 Hình 4.7: Sơ đồ thiết kế mạng đường trục DWDM Viettel Peru với Optiwave 73 Hình 4.8: Phổ tín hiệu khối phát 74 Hình 4.8: Phổ tín hiệu khối thu 74 Hình 4.10: Đồ thị mắt quang kênh thu LAM01 75 Hình 4.11: Tỷ số OSNR bước sóng tuyến TUM01 – PIU01 76 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1: Tính tốn OSNR cho tuyến 69 Bảng 4.2: Tính tốn bù tán sắc độ lợi khuếch đại EDFA cho tuyến 70 vi Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Học viên: Lê Đức Trung DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ APD Avalanche Photo Diode Diode quang thác APS Automatic Protection Switching ASE Amplifier Spontaneous Emission BER Bit Error Ratio Tỷ số lỗi bit DCF Dispersion Compensated Fiber Sợi bù tán sắc DCM Dispersion Compensator Module Module bù tán sắc DEMUX Demultiplexer Thiết bị tách kênh DSF Dispersion Division Multiplexer Sợi dịch chuyển tán sắc DWDM Dense Wavelength Division Multiplexer Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước Song IP Internet Protocol Giao thức Internet LED Light Emitting Diode Diode phát quang LD Laser diode Diode laser MUX Multiplexer Thiết bị ghép kênh NE Network Element Phần tử mạng OADM Optical Add/Drop Mutplexer Bộ xen/rẽ bước song vii Chuyển mạch bảo vệ tự động Nhiễu tự phát khuếch đại Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Học viên: Lê Đức Trung Quang OBA Optical Booster Amplifier Bộ khuếch đại công suất OLT Optical Line Terminator Bộ kết cuối đường Quang 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 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 TFFs Thin Film Filters Bộ lọc màng mỏng 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 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 Song viii Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Học viên: Lê Đức Trung LỜI MỞ ĐẦU Ngày hệ thống quang phát huy ưu điểm vượt trội khắc phục điểm yếu để tạo hệ thống thông tin quang đại đáp ứng nhu cầu thông tin băng rộng 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 địi hỏi cơng nghệ điện tử phức tạp đắt tiền Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbps, thân mạch điện tử khơng thể đáp ứng xung tín hiệu hẹp, thêm vào chi phí cho giải pháp trở nên tốn cấu hoạt động q phức tạp địi hỏi cơng nghệ cao Để nâng cao tốc độ truyền dẫn, khắc phục hạn chế mà mạch điện chưa khắc phục được, có ảnh hưởng phi tuyến, 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 Với ưu công nghệ đặc biệt, ghép kênh theo bước sóng mật 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 ngày ứng dụng rộng rãi nhiều nước giới Và thực tế nhà mạng sử dụng công nghệ DWDM làm tảng truyền dẫn để xây dựng hạ tầng viễn thông cho quốc gia Hiện Viettel đấu thầu thành công phép xây dựng cung cấp mạng viễn thông cho quốc gia Peru Và vấn đề thiết kế xây dựng mạng đường trục DWDM cho Viettel Peru vấn đề cốt yếu Từ u cầu trên, tốn nghiên cứu, phân tích thiết kế để làm giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến cần thiết có ý nghĩa quan trọng Chính lý nên em tiến hành tìm hiểu đề tài: “Nghiên cứu tính tốn giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến hệ thống truyền dẫn quang cơng nghệ 100G/bước sóng” Luận văn chia làm bốn chương: Chương I: Tổng quang hệ thống thông tin quang Chương II: Công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM Chương III: Giới thiệu tìm hiểu phần mềm Optiwave Chương IV: Thiết kế & mô mạng đường trục DWDM công cụ hỗ trợ Optiwave cho Viettel Peru ... hưởng phi tuyến hệ thống truyền dẫn quang cơng nghệ 100G/ bước sóng? ?? Luận văn chia làm bốn chương: Chương I: Tổng quang hệ thống thông tin quang Chương II: Công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật... trên, toán nghiên cứu, phân tích thiết kế để làm giảm thiểu ảnh hưởng phi tuyến cần thiết có ý nghĩa quan trọng Chính lý nên em tiến hành tìm hiểu đề tài: ? ?Nghiên cứu tính tốn giảm thiểu ảnh hưởng. .. VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Hệ thống thông tin quang 1.1.1 Các đặc điểm hệ thống thông tin quang 1.1.2 Cấu trúc tổng quát hệ thông thông tin quang 1.2 Các công nghệ sở