Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem tại quận Ngũ Hành Sơn - Đà Nẵng

ĐỒ ÁN MÔN HỌCTHÔNG TIN QUANG Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Vũ Anh Quang Nhóm sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Bình Mai Đăng Trung Lớp : CCVT03ALỜI MỞ ĐẦUVới sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ thuật viễn thông nói riêng. Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp lực ngày càng cao đối với tăng dung lượng thông tin. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng đạt được những thành tựu to lớn, đặc biệt là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang. Tương lai cáp sợi quang được sử dụng rộng rãi trên mạng viễn thông và được coi như là một môi trường truyền dẫn lý tưởng mà không có một môi trường truyền dẫn nào có thể thay thế được. Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự ly xa, không ảnh hưởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao,phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa đường trục và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.Chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Nguyễn Vũ Anh Quang, đã hướng dẫn, giúp đỡ nhóm em trong thời gian qua. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng do trình độ còn hạn chế nên sẽ không tránh khỏi những thiếu xót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy, các bạn để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn.Thiet ke va mo phong he thong thong tin quang WDM su dung phan mem Optisystem tai quan Ngu Hanh Son - Da Nang kem file mo phong va silde

THÔNG TIN QUANG GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT HÀN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ỨNG DỤNG = = = o0o = = = ĐỒ ÁN MÔN HỌC THÔNG TIN QUANG Link tải file pptx và file osd nằm ở cuối trang Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Vũ Anh Quang Nhóm sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Bình Mai Đăng Trung Lớp : CCVT03A ĐÀ NẴNG 06 – 2012 SVTH: NGUYỄN VĂN BÌNH - MAI ĐĂNG TRUNG Trang 1 THÔNG TIN QUANG GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG LỜI MỞ ĐẦU Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ thuật viễn thông nói riêng. Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp lực ngày càng cao đối với tăng dung lượng thông tin. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng đạt được những thành tựu to lớn, đặc biệt là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang. Tương lai cáp sợi quang được sử dụng rộng rãi trên mạng viễn thông và được coi như là một môi trường truyền dẫn lý tưởng mà không có một môi trường truyền dẫn nào có thể thay thế được. Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự ly xa, không ảnh hưởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao,phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa đường trục và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Nguyễn Vũ Anh Quang, đã hướng dẫn, giúp đỡ nhóm em trong thời gian qua. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng do trình độ còn hạn chế nên sẽ không tránh khỏi những thiếu xót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy, các bạn để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. SVTH: NGUYỄN VĂN BÌNH - MAI ĐĂNG TRUNG Trang 2 THÔNG TIN QUANG GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG DANH MỤC VIẾT TẮT APD Avalanche Photodiode Diod tách sóng quang thác lũ AS Autonomous System Hệ thống độc lập ATM Asynchronous Transfer Mode Kiểu truyền bất động BGP Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã DVA Distance Vector Algorithm Thuật toán Vector khoảng cách DWDM Dense WDM WDM mật độ cao EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi có pha tạp Erbium EIGRP Enhanced IGRP Giao thức IGRP nâng cấp IGRP Interior Gateway Routing protocol Giao thức định tuyến bên trong ISDN Itegrated Servise Digital Network Mạng số tích hợp dịch vụ LD Diod Laser LED Light Emitting Diode Diod phát quang LD Lightpath Đường đi ánh sáng LSA Link State Algorithm Thuật toán trạng thái liên kết OADM Optical Add/Drop Multipler Bộ ghép kênh xen/rớt quang OLT Optical Line Terminator Thiết bị đầu cuối OXC Optical Cross Connect Bộ kết nối chéo quang PIN Positive Intrinsic Negative RIP Routing Information Protocol Giao thức thông tin định tuyến RWA Routing & Wavelength Assignment Định tuyến và gán bước sóng SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng OTN Optical Transmission Network Mạng truyền dẫn quang MUX Multiplexer Ghép kênh DEMUX Demutiplexer Tách kênh SBS Supplementary and Bearer Service Kiểu dịch vụ mang và bổ sung CMP Continuous Presence Multipoint Đa điểm liên tục DCF Dispersion Compensation Fibers Sợi bù tán sắc SVTH: NGUYỄN VĂN BÌNH - MAI ĐĂNG TRUNG Trang 3 THÔNG TIN QUANG GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM SVTH: NGUYỄN VĂN BÌNH - MAI ĐĂNG TRUNG Trang 4 THÔNG TIN QUANG GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG I. Giới thiệu chung 1.1 Khái niệm WDM ( Wavelength Division Multiplexing) ghép kênh theo bước sóng là kỹ thuật dùng trong hệ thống đa kênh của miền quang. Cho phép truyền nhiều bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang. 1.2 Đặc điểm  Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang  Có khả năng truyền dẫn nhiều tín hiệu  Giảm nhu cầu xử lý tốc độ cao cho một số kinh kiện quang – điện  Kênh truyền dẫn IP  Có khả năng truyền hai chiều trên cùng một sợi quang  Cấu hình có tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao 1.2.1 Ưu điểm  Tăng băng thông truyền trên sợi quang.  Tăng tính trong suốt  Khả năng mở rộng  Công nghệ WDM cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN( Optical Transport Network) giúp truyền tải trong suốt nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động… 1.2.2 Nhược điểm  Vẫn chưa khai thac hết băng tần có thể của sợi quang  Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn nhiều  Xuất hiện hiện tượng phi tuyến FWM 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống WDM Hình 1: Sơ đồ khối của hệ thống WDM Chức năng của các khối:  Phát tín hiệu: Nguồn phát quang được dùng là laser. Hiện tại đã có một số nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng( Multiwavelength Laser),…Yêu cầu đối với nguồn phát là laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép.  Ghép/ tách tín hiệu: • Ghép tín hiệu là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn sợi quang. SVTH: NGUYỄN VĂN BÌNH - MAI ĐĂNG TRUNG Trang 5 Tx1 Tx2 TxN M U X Rx2 Rx1 RxN D E M U X Truyền t/h trên sợi quang EDFA EDFA Khuếch đại tín hiệu Khuếch đại tín hiệu Ghép tín hiệu Tách tín hiệu Phát tín hiệu Thu tín hiệu THÔNG TIN QUANG GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG • Tách tín hiệu là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tách. Hiện nay đã có các bộ ghép/ tách tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG….Khi xét đến các bộ ghép/ tách WDM ta phải xét đến các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều, suy hao xen, xuyên âm đầu gần đầu xa…  Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn chịu sự ánh hưởng của nhiều yếu tố như: suy hao sợi quang, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, các vấn đề liên quang đến khuếch đại tín hiệu.  Khuếch đại tín hiệu: Hiện tại hệ thống WDM chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA. Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman cũng đã được sử dụng. Có 3 chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại. Khi dùng bộ khuếch đại EDFA phải đảm bảo các yêu cầu sau: . Độ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng( mức chênh lệch không quá 1dB) . Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh . Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại bằng phằng đối với tất cảc các kênh  Thu tín hiệu: sử dụng bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN. APD. Nguyên lí cơ bản của ghép kênh theo bước sóng là ghép tất cả các bước sóng khác nhau của nguồn phát quang vào cùng một sợi dẫn quang nhờ bộ ghép kênh MUX và truyền dẫn các bước sóng này trên cùng một sợi quang. Khi đến đầu thu bộ tách quang sẽ phân tách để thu nhận lại các bước sóng đó. Có hai loại truyền dẫn trong WDM: 1.3.1 Hệ thống WDM đơn hướng Tất cả các kênh cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều. 1.3.2 Hệ thống WDM song hướng Là các kênh quang trên một sợi quang sử dụng cho cả hai hướng truyền dẫn. Hệ thống này giảm được số lượng bộ khuếch đại và đường dây. Tuy nhiên, thường bị nhiễu kênh, ảnh hưởng phản xạ quang, trị số và loại hình xuyên âm…đồng thời phải sử dụng bộ khuếch đại quang hai chiều. Hình 2: Hệ thống ghép kênh đơn-song hướng Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy: SVTH: NGUYỄN VĂN BÌNH - MAI ĐĂNG TRUNG Trang 6 THÔNG TIN QUANG GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG − Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng. − Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời. − Đứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống đơn hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng. Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng. II. Nguyên lý hoạt động Hình 3. Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng là ghép tất cả các bước sóng khác nhau của một nguồn phát quang vào cùng một sợi dẫn quang nhờ bộ ghép kênh MUX và truyền dẫn các bước sóng này trên cùng sợi quang. Khi đến đầu thu, bộ tách kênh quang sẽ phân tách để nhậ lại các bước sóng đó. III. Các thiết bị trong hệ thống WDM 3.1Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler) Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler) là thiết bị quang dùng để kết hợp các tín hiệu truyền đến từ các sợi quang khác nhau. Nếu Coupler chỉ cho phép ánh sáng truyền qua nó theo một chiều, ta gọi là Coupler có hướng (directional coupler). Nếu nó cho phép ánh sáng đi theo 2 chiều, ta gọi là coupler song hướng (bidirectional coupler). Coupler là linh kiện quang linh hoạt và có thể cho nhiều ứng dụng khác nhau: Bộ Coupler với tỉ số ghép α ≈ 1 được dùng để trích một phần nhỏ tín hiệu quang, phục vụ cho mục đích giám sát. Coupler còn là bộ phận cơ bản để tạo nên các thành phần quang khác, chẳng hạn như: Các bộ chuyển mạch tĩnh, các bộ điều chế, bộ giao thoa Mach-Zehnder MZI… MZI có thể được chế tạo hoạt động như bộ lọc, MUX/DEMUX, chuyển mạch và bộ chuyển đổi bước sóng. Thực hiện ghép/tách bước sóng trên sợi quang. Nhờ điều chỉnh chiều dài ghép thích hợp khi chế tạo, coupler 2 x 2 ghép 50:50 phân bố công suất ánh sáng từ một đầu vào ra làm hai phần bằng nhau ở hai ngõ ra. Coupler này còn được gọi là coupler 3dB, ứng dụng phổ biến nhất. Từ coupler 3dB, có thể tạo nên bộ coupler n x n tín hiệu khác nhau vào một sợi quang. 3.2Bộ isolator/circulator Isolator là thiết bị không thuận ngược. Nó chỉ truyền ánh sáng qua nó theo một chiều và ngăn không cho truyền theo chiều ngược lại. Nó được dùng tại đầu ra của các thiết bị quang (bộ SVTH: NGUYỄN VĂN BÌNH - MAI ĐĂNG TRUNG Trang 7 THÔNG TIN QUANG GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG khuếch đại, nguồn phát laser) để ngăn quá trình phản xạ ngược trở lại các thiết bị đó, gây nhiễu và hư hại thiết bị. Circulator cũng thực hiện chức năng tương tự như bộ Isolator nhưng nó thường có nhiều cổng thường là 3 hoặc 4 cửa. Bộ Isolator thường đứng trước đầu ra bộ khuếch đại quang hoặc nguồn phát laser để ngăn ánh sáng phản xạ ngược trở lại thiết bị gây nhiễu và có thể làm hư thiết bị. 3.3Bộ lọc quang Bộ lọc là thiết bị chỉ cho phép một kênh bước sóng đi qua, khóa đối với tất cả các kênh bước sóng khác. Nguyên lý cơ bản nhất của bộ lọc là sự giao thoa giữa các tín hiệu, bước sóng hoạt động của bộ lọc sẽ được cộng pha nhiều lần khi đi qua nó, các kênh bước sóng khác, ngược lại sẽ bị triệt tiêu về pha. Tùy thuộc vào khả năng điều chỉnh kênh bước sóng hoạt động, người ta chia bộ lọc làm hai loại: bộ lọc cố định và bộ lọc điều chỉnh được. 3.4Bộ ghép/tách kênh bước sóng Nguyên lý hoạt động của bộ MUX/DEMUX cũng tương tự như bộ Coupler. Tuy nhiên, bộ coupler/splitter thực hiện ghép tách tín hiệu có cùng bước sóng, còn bộ MUX/DEMUX thực hiện ghép tách tín hiệu ở các bước sóng khác nhau. 3.5Bộ chuyển mạch quang Theo chức năng, bộ chuyển mạch đơn sẽ cho phép/hoặc không cho phép tín hiệu ánh sáng đi qua. Chuyển mạch chuyển tiếp 1x2 hướng tín hiệu ánh sáng từ sợi quang thứ nhất sang sợi quang thứ hai hoặc sang sợi quang thứ ba. Bộ chuyển mạch chuyển tiếp 2x2 có thể kết nối hai sợi quang này với hai sợi quang khác. 3.6Bộ chuyển đổi bước sóng Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng này ở đầu vào ra thành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu ra. Có bốn phương pháp chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng: phương pháp quang-điện, phương pháp cửa quang, phương pháp giao thoa và phương pháp trộn bước sóng. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM CHO 16.470 HỘ GIA ĐÌNH TẠI QUẬN NGŨ HÀNH SƠN ĐÀ NẴNG I. Sơ đồ khối của hệ thống SVTH: NGUYỄN VĂN BÌNH - MAI ĐĂNG TRUNG Trang 8 THÔNG TIN QUANG GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG Hình 4. Sơ đồ khối hệ thống Hình 5. Sơ đồ quận Ngũ Hành Sơn I.1 Mô hình thiết kế hệ thống truyền dẫn quang - Chiều dài tuyến là 25Km - Với số lượng 16.470 hộ gia đình chia đều trên hai tuyến đường: Đường Trường Sa với số lượng ít hộ gia đình nên ta đặt một bộ chia 1:100 cho cả tuyến đường. SVTH: NGUYỄN VĂN BÌNH - MAI ĐĂNG TRUNG Trang 9 THÔNG TIN QUANG GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG Đường Lê Văn Hiến kéo dài đến Trần Đại Nghĩa và chia ra hai đoạn nhỏ là đường Mai Đăng Chơn và Nguyễn Duy Trinh nên ta đặt ba bộ chia 1 :100 cho cả tuyến. I.2 Tính toán suy hao trên tuyến  Suy hao trên sợi. - Xét thuê bao xa nhất trên tuyến với chiều dài là 25km. Chọn bước sóng là 1550nm có tổn hao sợi là 0.3dB/km. - Công thức tính suy hao sợi quang: P Sợi = 0,3xL (dB/km) => Suy hao trên sợi là: P sợi = 0,3*25 = 7,5(dB/Km)  Suy hao bộ nối. - Công thức tính số bộ nối: K = (k-1)x2 Trong đó: k=4 là bộ chia Vậy K = (4-1)x2 = 6 (bộ) => Suy hao do bộ nối là: P bộ nối = 0,5*6 = 3 dB  Suy hao mối hàn. - Suy hao mối hàn là P mối hàn = 0,3 dB/ mối Công thức tính suy hao mối hàn P mối hàn = 0,3 x n - n: Là số mối hàn được tính là n =( L:3)-1 - L: Là chiều dài sợi quang. Từ đó ta có suy hao tương ứng với từng phân đoạn - Suy hao phân đoạn từ đầu Quận Ngũ Hành Sơn đến bộ chia 1:100 đường Trường Sa với khoảng cách là 25 km n 1 = (25:3) -1 ≈ 7 (mối) • P mối hàn1 = 0,3 x 7= 2,1 (dB/mối) - Suy hao phân đoạn từ Quận Ngũ Hành Sơn đến bộ chia 1:100 với khoảng cách là 18 km n 2 = (18:3) – 1 = 5 (mối) • P mối hàn2 = 0,3 x 5= 1,5 (dB/mối) - Suy hao mối hàn từ bộ chia 1:100 đến bộ chia 1:100 đường Mai Đăng Chơn với khoảng cách là 5 km n 3 = (5:3) -1 ≈ 1 (mối) • P mối hàn3 = 0,3 x 1= 0,3 (dB/mối) - suy hao mối hàn từ bộ chia 1:100 đến bộ chia 1:100 đường Nguyễn Duy Trinh với khoảng cách là 7 km. n 4 = (7:3) -1 ≈ 1 (mối) • P mối hàn4 = 0,3 x 1= 0,3 (dB/mối) => Tổng suy hao mối hàn trên tuyến là. P mối hàn = P mối hàn1 + P mối hàn2 + P mối hàn3 + P mối hàn4 = 2,1+1,5+0,3+0,3= 4.2 (dB)  Suy hao bộ chia. - Sử dụng các bộ chia là 1:100, 1:100, 1:100, 1:100 => Suy hao do bộ chia là: P bộ chia = 10log100 + 10log100 + 10log100 + 10log100 = 80dB SVTH: NGUYỄN VĂN BÌNH - MAI ĐĂNG TRUNG Trang 10 . BÌNH - MAI ĐĂNG TRUNG Trang 2 THÔNG TIN QUANG GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG DANH MỤC VIẾT TẮT APD Avalanche Photodiode Diod tách sóng quang thác lũ AS Autonomous. BÌNH - MAI ĐĂNG TRUNG Trang 3 THÔNG TIN QUANG GVHD: NGUYỄN VŨ ANH QUANG DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH