Tổng quan về hệ thống WDM

MỤC LỤC Lời nói đầu .2 Lời cảm ơn .3 Lời đầu tiên cho phép em được cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ - Trường Đại học Vinh trong suốt thời gian em học tập ở trường đã tận tình giảng giạy để em có kiến thức thực hiện đồ án này .3 .3 Chương I: Tổng quan về hệ thống WDM .4 Chương II: Các thành phần trong hệ thống WDM .15 Chương IV: Ứng dụng của hệ thống WDM 63 4.1 Ứng dụng của WDM trong mạng truyền dẫn .63 1 Lời nói đầu Thời gian gần đây, nhu cầu lưu lượng tăng mạnh do sự phát triển bùng nổ của các loại hình dịch vụ Internet và các dịch vụ băng rộng đã tác động không nhỏ tới việc xây dựng cấu trúc mạng viễn thông. Việc xây dựng mạng thế hệ sau NGN đang được quan tâm như là một giải pháp hữu hiệu nhằm thoả mãn nhu cầu của mạng lưới trong thời gian tới. Trong cấu trúc NGN, mạng truyền tải lưu lượng là khâu quan trọng nhất có nhiệm vụ truyền thông suốt lưu lượng lớn trên mạng, trong đó mạng truyền dẫn được xem là huyết mạch chính. Để thoả mãn việc thông suốt lưu lượng với băng tần lớn, các hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM được xem là ứng cử quan trọng nhất cho đường truyền dẫn. Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho mạng lưới khả năng truyền dẫn cao trên băng tần lớn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng thời trên một sợi, trong đó mỗi kênh tương đương một hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ nhiều Gbps. Với nhận thức ấy, đồ án tốt nghiệp của em báo cáo tổng quan về công nghệ WDM. Bố cục của đồ án gồm 4 chương: Chương I: Trình bày tổng quan về hệ thống WDM, trong chương này em sẽ trình bày một số vấn đề khái quát về hệ thống, nguyên lí hoạt động của hệ thống tách /ghép kênh quang cũng như đặc điểm và các tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM. Chương II: Giới thiệu về các thành phần trong hệ thống WDM gồm Bộ phát quang, Bộ tách và ghép quang, Bộ khuyếch đại quang, Bộ thu quang và sợi quang. Qua đây chúng ta cũng sẽ tìm hiểu rõ hơn về chức năng và nguyên lí hoạt động của các thành phần trong hệ thống. Chương III: Một số vấn đề công nghệ then chốt sẽ được nêu ra trong chương này. Như là sự ổn định bước sóng của nguồn quang, ảnh hưởng của tán sắc sợi quang, của hiệu ứng phi tuyến đối với truyền dẫn . Các vấn đề về chuẩn hóa các thành phần trong hệ thống, các tham số của thiết bị, sự tác động qua lại giữa các thành phần trong hệ thống cũng sẽ được nghiên cứu trong chương này. Chương IV: Nêu lên một số ứng dụng của hệ thống WDM trong thực tế như trong mạng truyền dẫn, mạng đa truy nhập, mạng chuyển mạch quang . 2 Lời cảm ơn Lời đầu tiên cho phép em được cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ - Trường Đại học Vinh trong suốt thời gian em học tập ở trường đã tận tình giảng giạy để em có kiến thức thực hiện đồ án này. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến cô giáo, TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa - người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ nhiệt tình trong thời gian qua. Qua đây em cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất và có những ý kiến đóng góp bổ ích trong quá trình em thực hiện đồ án này. Mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn rằng nội dung đồ án vẫn còn những vấn đề còn phải xem xét thêm và không thể tránh khỏi những khiếm khuyết. Rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo, sự đóng góp ý kiến của các bạn sinh viên và nhũng bạn đọc quan tâm đến đề tài này. Xin chân thành cảm ơn! Vinh . / 05 / 2010 Trần Đình Lợi 3 Chương I: Tổng quan về hệ thống WDM 1.1 Giới thiệu chung Trong những năm gần đây, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại mà đặc biệt là Internet cũng như một số dịch vụ khác đã tạo ra một sự bùng nổ nhu cầu về dung lượng. Điều này đặt lên vai những nhà cung cấp dịch vụ đường trục những khó khăn và thách thức mới. Kĩ thuật ghép kênh theo miền thời gian TDM đã giải quyết phần nào các yêu cầu trên nhưng vẫn còn rất hạn chế. Trong thực tế, tốc độ của tín hiệu TDM thường nhỏ hơn hoặc bằng 10Gb/s. Do ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc, hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang và tốc độ của các thành phần điện tử nên khi tăng tốc độ bit của một kênh TDM lên quá giới hạn này, chất lượng hệ thống không đảm bảo. 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 WDM, OTDM, Soliton… Phương pháp ghép kênh theo bước sóng WDM(Wavelength Division Multiplexing) đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode. Ghép kênh theo bước sóng WDM nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bước sóng. Do đó, WDM chính là giải pháp tiên tiến trong kĩ thuật thông tin quang, đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn và cả những yêu cầu về chất lượng truyền dẫn của hệ thống. 1.1.1 Khái quát về WDM Trong hệ thống WDM, tín hiệu điện của từng kênh quang được điều chế với các sóng mang quang khác nhau. Sau đó, chúng được ghép lại và truyền trên cùng một sợi quang đến đầu thu. Phía thu thực hiện quá trình tách tín hiệu quang thành các kênh quang riêng biệt có bước sóng khác nhau. Mỗi kênh này được đưa đến một máy thu riêng. Công nghệ WDM cho phép khai thác được tiềm năng băng thông to lớn của sợi quang. Ví dụ, hàng trăm kênh 10Gb/s có thể truyền trên cùng một sợi quang. Khoảng cách giữa các kênh khoảng 50GHz. Dưới đây là một tính toán cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM: Hình 1.1 chỉ ra hai cửa sổ truyền dẫn 1,3 và 1,5 cửa sợi quang. Mỗi cửa sổ có băng thông truyền dẫn(suy hao thấp) 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 dải tần rộng cỡ 12,5 THz !. 4 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… Khái niệm về WDM đã được biết đến từ những năm 1980, khi mà hệ thống quang đã được bắt đầu thương mại hóa. Dạng đơn giản nhất của WDM là truyền hai kênh tín hiệu trên hai cửa sổ khác nhau. Ví dụ, truyền trên hai bước sóng 1,3µm và 1,55µm. Khi đó, khoảng cách giữa các kênh là 250nm. Sau đó, khoảng cách giữa các kênh giảm dần đi. Năm 1990, khoảng cách giữa các kênh chỉ còn nhỏ hơn 0,1nm. Trong suốt thập kỉ 90, hệ thống WDM đã được nhiều nước trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Hiện nay, kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới. Ở nước ta, Tổng công ty bưu chính viễn thông Việt Nam quyết định nâng cấp tuyến truyền dẫn Bắc Nam bằng giải pháp ghép kênh theo bước sóng. 1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống tách/ghép kênh quang Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống truyền dẫn quang đơn hướng ghép kênh theo bước sóng được mô tả như hình 1.2. 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,5 1,6 Hình 1.1. Băng tần truyền dẫn của sợi quang là rất lớn! α [dB] Băng tần cửa sổ 1550 nm λ [µm] Phổ của một nguồn quang 5 Tx Tx OMUX ODMUX Rx Rx 1 2 , , . n λ λ λ Sợi quang 1 λ n λ 1 λ n λ 1 1 n n Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống WDM đơn hướng Tại mỗi bộ phát, tín hiệu điện của mỗi kênh quang được điều chế với sóng mang quang có độ rộng phổ rất hẹp. Tín hiệu quang tại đầu ra của mỗi bộ phát có bước sóng khác nhau là n λλλ ., 21 . Các kênh quang này được ghép với nhau nhờ bộ ghép kênh quang OMUX và truyền trên một sợi quang duy nhất đến đầu thu. Yêu cầu của bộ ghép kênh là phải có độ suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu tới đầu ra của bộ ghép ít bị suy hao, giữa các kênh có khoảng bảo vệ nhất định để tránh gây nhiễu sang nhau. Tại phía thu, bộ ODMUX thực hiện quá trình tách tín hiệu thu được thành các kênh khác nhau. Mỗi kênh này tương ứng với một bước sóng. Mỗi kênh được đưa đến một đầu thu riêng. Để tránh xuyên nhiễu giữa các kênh, yêu cầu thiết kế bộ giải ghép thật chính xác. Phần trên trình bày phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang một hướng, tức là tín hiệu được ghép tại một đầu và tách tại đầu kia, tín hiệu truyền trên sợi quang theo một hướng. Ngoài ra người ta có thể thực hiện truyền dẫn ghép bước sóng quang hai hướng trên cùng một sợi quang như hình 1.3. Trong hệ thống truyền dẫn hai hướng, n kênh quang có bước sóng λ 1 …λ n được ghép lại và truyền đi theo một hướng, n kênh quang khác có bước sóng λ n+1 …λ 2n được ghép lại và truyền đi theo hướng ngược lại trên cùng sợi quang. Phương pháp này yêu cầu rất nghiêm ngặt về độ rộng phổ của từng kênh và chất lượng của bộ tách kênh. Trong hệ thống mà các bước sóng của các kênh quang cách xa nhau, thường thuộc các cửa sổ khác nhau, được gọi là ghép thưa SWDM (Sparse Wavelength Division Multiplexing). Hệ thống có khoảng cách giữa các kênh quang rất nhỏ, các kênh quang có bước sóng gần nhau được gọi là hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM 6 Tx Tx Rx Rx MUX/ DMUX MUX/ DMUX Rx Rx Tx Tx 1 n 1 1 1 n n n n λλλ . 21 nn 21 λλ + 1 λ n λ n2 λ 1+n λ 1 λ n λ 1+n λ n2 λ Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM hai hướng (Dense Wavelength Division Multiplexing). Khi đó vấn đề trở nên phức tạp hơn nhiều và yêu cầu về chất lượng các thành phần trong hệ thống quang rất cao. 1.1.3 Đặc điểm của hệ thống WDM 1.1.3.1 Tận dụng tài nguyên Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng thông truyền dẫn to lớn của sợi quang, làm cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần tới hàng trăm lần, từ đó tăng dung lượng của sợi quang, hạ giá thành hệ thống. Hiện nay, dải tần truyền dẫn có suy hao thấp của sợi quang mới chỉ được sử dụng một phần rất nhỏ. Nếu ứng dụng công nghệ WDM thì hiệu quả tận dụng băng tần sợi quang trong vấn đề truyền dẫn quả là hết sức to lớn. Dùng công nghệ WDM có thể ghép N bước sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn mode và có thể truyền dẫn hoàn toàn song công. Do vậy, khi truyền dẫn thông tin đường dài với dung lượng lớn, có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang. Thêm vào đó là khả năng mở rộng dung lượng cho hệ thống quang đã xây dựng. Chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công suất tương đối lớn thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ. 1.1.3.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau, do đó có thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và phân chia các dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn tín hiệu đa phương tiện (thoại, số liệu, đồ hoạ, ảnh động…). 1.1.3.3 Nhiều ứng dụng Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng như trong mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ nhiều đường, nhiều địa chỉ…, bởi thế nó rất quan trọng trong các ứng dụng mạng. 1.1.3.4 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng do vậy mà tốc độ xử lí tương ứng của nhiều linh kiện quang điện tăng lên theo nhưng không đáp ứng được đủ. Sủ dụng công nghệ WDM có thể giảm yêu cầu quá cao về tốc độ đối với linh kiện mà vẫn có thể đáp ứng dung lượng lớn. 7 1.1.3.5 Kênh truyền dẫn IP Ghép kênh bước sóng đối với khuôn dạng số liệu là trong suốt, tức là không hề có quan hệ gì với tốc độ của tín hiệu và phương thức điều chế tín hiệu xét trên phương diện điện. Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lí tưởng, là cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng mới (ví dụ như IP…). Chỉ cần dùng thêm một bước sóng là có thể tăng thêm một dịch vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn . 1.2 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM Hệ thống WDM có một số tham số chính, đó là khoảng cách kênh, số kênh ghép, suy hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh. Trong đó, ba tham số suy hao xen, suy hao xuyên kênh, độ rộng kênh là ba tham số mô tả đặc tính của bộ ghép/tách kênh. 1.2.1 Suy hao xen Suy hao xen được xác định là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị tách/ghép kênh quang. Suy hao này bao gồm suy hao do các điểm nối ghép thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân thiết bị ghép gây ra. Vì vậy, trong thực tế người thiết kế tuyến phải tính cho vài dB ở mỗi đầu. Suy hao xen được diễn giải tương tự như suy hao đối với các bộ tách/ghép hỗn hợp (MUX/DMUX) nhưng cần lưu ý trong WDM là xét cho một bước sóng đặc trưng. Suy hao xen được xác định như sau: - Đối với OMUX: )( )( lg10 ii i i I O L λ λ −= (dB) (1-1) - Đối với ODMUX )( )( lg10 i ii i I O L λ λ −= (dB) (1-2) Trong đó: I(λ i ) và O(λ i ) tương ứng là công suất các tín hiệu quang tại đầu vào và đầu ra bộ ODMUX và bộ OMUX. I i (λ i ) là công suất tín hiệu tại đầu vào thứ i củabộ ghép O i (λ i ) là công suất tín hiệu tại đầu ra thứ i của bộ tách Tham số suy hao xen luôn được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị. 8 1.2.2 Suy hao xuyên kênh Khi thực hiện ghép các kênh quang có bước sóng khác nhau để truyền trên cùng một sợi quang thì một phần tín hiệu của kênh này ghép sang vùng phổ của kênh khác. Do đó khi tách kênh sẽ có sự rò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng thứ i có bước sóng λ i sang các kênh có bước sóng khác với λ i .Ngày cả trong trường hợp ghép kênh hoàn hảo,ở các bộ tách ghép thực tế luôn có hiện tượng rò công suất tín hiệu từ một kênh sang kênh khác.Hiện tượng này gọi là xuyên kênh . Hình 1.4 Xuyên kênh trong hệ thống Trong thực tế luôn tồn tại hiện tượng xuyên kênh và làm giảm chất lượng truyền dẫn. Người ta đưa ra tham số suy hao xuyên kênh để đặc trưng cho khả năng tách các kênh khác nhau và được tính bằng dB như sau: - Đối với bộ tách kênh: 1, ( ) ( ) 10log ( ) n i k k k i i i U D I λ λ λ = ≠       = −       ∑ (dB) (1_3) Trong trường hợp lý tưởng, tại cửa ra thứ i chỉ có bước sóng λ i , nhưng do có hiện tượng xuyên kênh, tại cửa ra thứ i có tín hiệu rò từ các kênh khác. U i (λ k ) và P i ( λ j ) là công suất tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λ k và λ j tại cửa ra thứ i. Trong thiết bị ghép/tách kênh hỗn hợp, việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng như bộ tách kênh. ở trường hợp này phải xem xét cả hai loại xuyên kênh, xuyên kênh đầu gần và xuyên kênh đầu xa (hình 1.4). “Xuyên kênh đầu xa” là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra. Ví dụ, U i (λ k ) là xuyên nhiễu do kênh quang có bước 9 sóng λ k tại đầu ra thứ i. “Xuyên kênh đầu gần” là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra. Ví dụ, P i ( λ j ) là xuyên nhiễu do kênh I j ( λ j ) gây ra trên kênh ra thứ i. Khi đưa ra sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đỗi với từng kênh của thiết bị. 1.2.3 Độ rộng kênh và khoảng cách kênh Độ rộng kênh (∆λ i ) là dải bước sóng được định ra cho từng kênh quang. Độ rộng kênh bằng tổng độ rộng phổ của nguồn và khoảng phòng vệ của kênh. Bước sóng trung tâm của nguồn quang phải nằm giữa dải bước sóng này. Khoảng cách kênh là khoảng cách giữa hai bước sóng trung tâm của hai kênh quang kề nhau. Nếu độ rộng kênh của các kênh quang bằng nhau thì độ rộng kênh chính bằng khoảng cách kênh. Khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bị giới hạn bởi xuyên nhiễu giữa các kênh. Khoảng cách giữa các kênh thường lớn hơn bốn lần tốc độ bit. Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì các độ rộng kênh yêu cầu khoảng nm để đảm bảo không bị xuyên nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn của các nguồn phát gây ra. Đối với nguồn phát quang là các diode phát quang LED, yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần, vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn. 1.2.4 Số lượng kênh Trong hệ thống WDM, mỗi bước sóng được coi tương ứng với một kênh quang. Số lượng kênh bằng số lượng các bước sóng được ghép lại để truyền trên cùng một sợi quang đến đầu thu. Tham số này phụ thuộc vào độ rộng băng tần truyền dẫn của sợi quang mà hệ thống sử dụng và độ rộng kênh. Giả sử các kênh quang cần truyền trong hệ thống có độ rộng phổ bằng nhau và bằng ∆’λ i (nm) tính ở mức 3 dB. Như trên đã nói, để tránh hiện tượng xuyên kênh cần có 10 Hình 1.5 Khoảng cách kênh và độ rộng kênh Khoảng cách kênh Độ rộng kênh P λ 1 λ 2 λ 3 λ . tốt nghiệp của em báo cáo tổng quan về công nghệ WDM. Bố cục của đồ án gồm 4 chương: Chương I: Trình bày tổng quan về hệ thống WDM, trong chương này em. .3 Chương I: Tổng quan về hệ thống WDM. 4 Chương II: Các thành phần trong hệ thống WDM. 15