Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng wdm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN T Ố T NG H I Ệ P Đ Ạ I HỌ C Đề tài: TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM Người hướng dẫn: ThS LÊ ĐÌNH CƠNG SV thực hiện: ĐẶNG HỒNG MINH Lớp: 48K - ĐTVT Mã số: 0751080431 NGHỆ AN - 01/2012 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN Error! Bookmark not defined CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ CÁC BẢNG CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM Giới thiệu hệ thống thông tin quang 11 1.1 Giới thiệu chung hệ thống thông tin quang sợi 11 1.2 Phân loại hệ thống thông tin quang 13 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM 14 2.1 Các phương pháp ghép kênh quang 14 2.2 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng 17 2.3 Ưu nhược điểm công nghệ WDM 21 CHƯƠNG II CÁC THIẾT BỊ QUANG TRONG WDM 23 Các phần tử tích cực 23 1.1 Sợi quang 23 1.2 Thiết bị phát quang 31 1.3 Thiết bị thu quang 33 1.4 Các trạm lặp 34 1.5 Các trạm xen/rẽ kênh 35 Các thiết bị WDM vi quang 36 2.1 Các lọc thiết bị WDM 36 2.2 Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc 43 Các thiết bị WDM ghép sợi 53 Một số kỹ thuật khác sử dụng ghép WDM 57 4.1.Bộ ghép bước sóng dùng cơng nghệ phân phối 57 4.2 AWG nét công nghệ thiết bị WDM 62 CHƯƠNG III CÁC KỸ THUẬT CHÍNH TRONG THƠNG TIN QUANG 67 1 Ổn định bước sóng nguồn quang 67 Ảnh hưởng tán sắc sợi quang truyền dẫn 67 Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến 70 3.1 Hiệu ứng SRS 70 3.2 Hiệu ứng SBS 72 3.4 Hiệu ứng XPM 74 3.5 Hiệu ứng FWM 75 3.6 Phương hướng giải ảnh hưởng hiệu ứng 76 Bộ khuếch đại EDFA số vấn đề sử dụng EDFA 77 4.1 Độ phẳng tăng ích EDFA 77 4.2 Tích luỹ tạp âm dùng khuếch đại EDFA 78 CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG WDM 80 Ứng dụng WDM mạng truyền dẫn 80 1.1 Tuyến truyền dẫn điểm - điểm dung lượng cao 80 1.2 Mạng quảng bá 83 Ứng dụng WDM mạng đa truy nhập 86 2.1 Mở đầu 86 2.2 Mạng WDMA đơn chặng 87 2.3 Mạng WDMA đa chặng 90 3.Ứng dụng WDM mạng chuyển mạch quang 93 KẾT LUẬN 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 LỜI NÓI ĐẦU Bằng việc tắt đón đầu cơng nghệ mới, tiên tiến giới, công nghệ thông tin, điện tử viễn thông hướng phát triển tiên phong góp phần đưa đất nước ta hướng tới xã hội thông tin Nghĩa vụ trách nhiệm sinh viên trường thật khơng nhỏ, họ vận hội, thách thức mở phía trước Với nhận thức ấy, đồ án tốt nghiệp báo cáo tổng kết phần kiến thức khoa học công nghệ chuyên ngành Điện tử Viễn Thông mà em đào tạo sau gần năm rưỡi học tập trường Đại Học Đồ án trình bày về: cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM (Wavelength Division Multiplexing) ứng dụng việc phát triển mạng thơng tin quang nhằm tăng dung lượng truyền dẫn mạng, đáp ứng nhu cầu phát triển dịch vụ tương lai Chuẩn bị trở thành kỹ sư, với kiến thức bổ ích, sâu rộng chuyên ngành điện tử - viễn thơng ngày hơm nay, em dìu dắt, giúp đỡ thầy cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thông, thầy cô giáo Đại Học Vinh, công lao hướng dẫn thầy giáo ThS Lê Đình Cơng Em xin chân thành cảm ơn thầy cô bạn bè giúp đỡ em nhiều qúa trình hồn thành đồ án Em mong sẽ nhận nhiều đóng góp thầy cô bạn bè cho đồ án, để nghiên cứu sâu sau đạt kết tốt nữa.Và em mong tiếp tục nhận dìu dắt giúp đỡ quý báu q trình cơng tác học tập sau tốt nghiệp Sinh viên Đặng Hoàng Minh Cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM có ưu điểm hẳn so với ghép kênh TDM việc phát triển mạng thông tin quang nhằm tăng dung lượng truyền dẫn mạng.Trong đồ án em tìm hiểu cơng nghệ ghép kênh quang WDM Nội dung đồ án trình bày chương: Chương I : Tổng quang hệ thống thông tin quang công nghệ ghép kênh quang WDM Chương giới thiệu hệ thống thông tin quang, phương pháp ghép kênh quang nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM Chương II : Các thiết bị quang WDM Trình bày phần tử tích cực, thiết bị WDM vi quang, thiết bị WDM ghép sợi số kỹ thuật khác sử dụng WDM Chương III : Các kỹ thuật thông tin quang Trình bày ổn định bước sóng nguồn quang, ảnh hưởng sắc sợi quang tới truyền dẫn, ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến, khuếch đại sử dung EDFA số vấn đề sử dụng EDFA WDM Chương IV : Ứng dụng hệ thống WDM Trình bày ứng dụng WDM truyền dẫn, ứng dụng WDM mảng đa truy nhập, ứng dụng WDM chuyển mạch quang DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các thành phần tuyến truyền dẫn sợi quang 12 Hình 1.2: Ví dụ hệ thống WDM sử dụng sợi đa mode 15 Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh quang OFDM 16 Hình 1.4: Sơ đồ tuyến thơng tin quang dùng kỹ thuật OTDM ghép kênh 17 Hình 1.5: Sơ đồ chức hệ thống WDM 17 Hình 1.6: Nguyên lý ghép kênh phân chia theo bước sóng 19 Hình 1.7: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều hai sợi quang 20 Hình 1.8: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều sợi quang 20 Hình 2.1: Phân loại thiết bị WDM 23 Hình 2.2: Cấu trúc sợi quang 24 Hình 2.3: Hiện tượng phản xạ tồn phần sợi quang 24 Hình 2.4: Truyền sóng ánh sáng sợi SI 26 Hình 2.5: Quan hệ P(  )/Pmax phụ thuộc vào  28 Hình 2.6: Đặc tính suy hao theo bước sóng dạng suy hao 31 Hình 2.7: Các thành phần máy phát quang 32 Hình 2.8: Sơ đồ khối thiết bị thu quang 33 Hình 2.9: Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang 35 Hình 2.10: Sơ đồ khối chức trạm lặp loại điện quang 35 Hình 2.11: Bộ tách bước sóng dùng thiết bị màng mỏng 36 Hình 2.12: Cấu trúc lọc điện môi 37 Hình 2.13: Phân bố công suất đầu lọc 37 Hình 2.14: Các đặc tính phổ truyền dẫn lọc giao thoa cắt (a) (b) băng thông (c) 38 Hình 2.15: Cấu trúc tách hai kênh sử dụng lọc giao thoa 39 Hình 2.16: Cấu trúc tách nhiều bước sóng 40 Hình 2.17: Một tách vi quang kênh thực tế 40 Hình 2.18: Cấu trúc tách nhiều kênh sử dụng lọc giao thoa gắn trục tiếp vào sợi 41 Hình 2.19: Mô tả thiết bị ghép/tách hỗn hợp (MUX-DEMUX) 41 Hình 2.20: Thiết bị MUX-DEMUX bước sóng 42 Hình 2.21: Thiết bị MUX-DEMUX bước sóng 43 Hình 2.22: Tán sắc dùng lăng kính 44 Hình 2.23: Sử dụng cách tử để tách bước sóng 45 Hình 2.24: Cách tử nhiễu xạ phẳng 45 Hình 2.25: Phân bố phổ lượng nhiễu xạ bậc 47 Hình 2.26: Sơ đồ ghép kênh Grating Finke 48 Hình 2.27: Bộ tách Littrow 49 Hình 2.28: Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar gương lòng chảo 50 Hình 2.29: Cách tử hình lịng chảo 50 Hình 2.30: Sơ đồ cấu trúc tách sử dụng cách tử lịng chảo 51 Hình 2.31: Ngun lý cách tử Bragg bù tán sắc 52 Hình 2.32: Hai phương pháp tạo ghép sợi cho thiết bị WDM 55 Hình 2.33: Đáp ứng tách kênh 1300/1550nm với kỹ thuật ghép nóng chảy sợi 56 Hình 2.34: Bộ ghép kênh bước sóng ghép nóng chảy nối tiếp sợi đơn mode 56 Hình 2.35: Bộ tách SOFT bước sóng (P = 21) 58 Hình 2.36: Bộ ghép kênh nhiều sợi dùng cách tử theo phương pháp SOFT 58 Hình 2.37: Ma trận rõ mối liên hệ sợi đầu vào bước sóng sợi đầu 59 Hình 2.38: Ma trận xác định mối liên hệ sợi vào sợi P=9,n=2 60 Hình 2.39: Kết tính cho P = 9, n = 61 Hình 2.40: Ma trận tính cho P = 8, n = 61 Hình 2.41: Kết tính cho P = 8, n = 62 Hình 2.42: Các bước chế tạo AWG 63 Hình 2.43: Cấu tạo waveguide đế silic 64 Hình 2.44: Các phần tử AWG 65 Hình 2.45: Cấu tạo hoạt động AWG 65 Hình 4.1: Tuyến thơng tin quang WDM điểm -điểm 80 Hình 4.2: Mạng WDM quảng bá hình 83 Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc BN 85 Hình 4.4: Sơ đồ khối mạng truyền dẫn quang đa truy nhập phân chia theo bước sóng 86 Hình 4.5: Cấu trúc mạng Lambdanet 89 Hình 4.6: Sơ đồ khối mạng vòng quang thụ động nội hạt 90 Hình 4.7: Một mạng đa chặng nút 91 Hình 4.8: Sơ đồ khối chức nút mạng Terane 92 CÁC CHỮ VIẾT TẮT A ADM APD ASE ATM AWG Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ Avalanche Phôt Diode Điốt quang thác APD Amplifier Spontancuons Emission Bức xạ tự phát đọc khuếch đại Asnynchronous Traner Mode Kiểu truyền dẫn không đồng Aray Wave Grating Cách tử AWG B BA Booser Amplifier BER Bit Error Ratio Bộ khuếch đại công suốt đầu phát Tỉ lệ lỗi D DCF DCG DCM DGD DSF Dispersion Compensated Firber Dispersion Compensated Grating Dispersion Compensated Module Differential Group Delay Dispersion Shifted Firber DWDM Density Wavelengh Division Multiplexer Digital Cross Connect DXC Sợi bù tán sắc Cách tử bù tán sắc Module bù tán sắc Trễ nhóm Sợi tán sắc dịch chuyển Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao Bộ đấu nối chéo E EDFA Bộ khuếch đại sợi quang Erbium Doped Fiber Amplifier F FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng I IP ISDN Intemet Protocol Intergrated Service Digital Network Giao thức IP Mạng số đa dịch vụ L LA Line Amplifier LAN LWPF Local Area Network Long Wavelengh Pass Filter Khuếch đại quang đường truyền Mạng đồng Lọc thơng bước sóng dài N NF NL Noise Figure Non Lincar Hệ số tạp âm Phi Tuyến O OA OADM Optical Amplifier Optical Add/Drop Multiplexer OC ODM Optical channel Optical Demultiplexer OMO Optical Multiplexer Bộ khuếch đại quang Bộ xen/rẽ bước sóng quang Kênh quang Bộ tách bước sóng quang Bộ ghép bước sóng quang 2,64 Tb/s cách ghép 132 kênh, khoảng cách kênh 0.27 nm Bảng 4.1 liệt kê số hệ thống WDM thực nghiệm trước năm 1995 Bảng 4.1: Một số hệ thống WDM thực nghiệm Số kênh N Tốc độ bit B (Gb/s) Dung ượng N.B (Gb/s) Khoảng cách L (km) NBL (Tb/s-km) 10 16 32 32 50 55 132 100 10 10 20 20 20 1000 160 320 160 1000 1100 2640 40 531 640 9300 55 150 120 40 85 205 1488 55 165 317 Nhóm thứ hai hệ thống WDM thực nghiệm có khoảng cách truyền 1000km Nhóm chia làm hai loại, mạng đường thẳng mạng vòng Năm 1994 tuyến quang đường thẳng 40 Gb/s với khoảng cách truyền 1420 km đời Hệ thống tạo thành từ việc ghép 16 kênh 2,5 Gb/s có khoảng cách hai khuyếch đại 100km Tiếp theo hàng loạt hệ thống đời có dung lượng khoảng cách truyền tăng lên Như với đời hệ thống WDM, dung lượng hệ thống thông tin quang tăng lên nhiều Một số hệ thống WDM triển khai thực tế Năm 1995, hệ thống WDM kênh, kênh có tốc độ 2,5 Gb/s thương mại hoá Đến năm 1996, hệ thống WDM dung lượng 40 Gb/s (ghép 16 kênh 2,5 Gb/s) bắt đầu thương mại hoá Hệ thống sử dụng dải băng tần 12nm bước sóng 1550 nm khoảng cách kênh 0,8 nm Đến năm 1997 tồn tuyến thơng tin quang 80 Gb/s tiếp hệ thống 160 Gb/s (ghép 16 kênh 10 Gb/s) Kĩ thuật WDM tạo cách mạng hệ thống thông tin quang 82 1.2 Mạng quảng bá Trong mạng quảng bá, nhiều kênh tín hiệu ghép lại truyền tới nhóm thuê bao Tại thuê bao, thu thực chức lựa chọn kênh thích hợp thơng qua việc tách kênh Mạng truyền hình cáp CATV ví dụ mạng quảng bá Nhiều kênh truyền hình ghép lại đưa tới bus quang chung, sau phân phối tới thuê bao riêng biệt Hình 4.2 sơ đồ mạng WDM quảng bá sử dụng quảng bá Mỗi kênh tín hiệu điều chế với bước sóng riêng Các kênh ghép với nhờ coupler quang thụ động phân phối đồng tới tất thu Mỗi thuê bao nhận toàn dung lương hệ thống lựa chọn kênh thích hợp Mạng đươc gọi mạng phát quảng bá thu lựa chọn Nếu hệ thống thông tin quang sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent phía thu lựa chọn kênh cách thay đổi băng thông lọc trung tần điều chỉnh tần số dao động nội Nếu hệ thống sử dụng kĩ thuật tách sóng trực tiếp ta dùng lọc quang để lựa chọn bước sóng cần thiết 1,2, N 1 2 N N Bộ phát Sao quảng bá Bộ thu khả chỉnh Hình 4.2: Mạng WDM quảng bá hình 83 Trong mạng quảng bá, có hai vấn đề cần quan tâm suy hao phân bố suy hao xen Suy hao phân bố tín hiệu đường truyền chia tới tất thuê bao Mỗi thuê bao nhận phần cơng suất tín hiệu tổng Suy hao phân bố tăng N tăng, giới hạn N nhỏ 100 không sử dụng khuếch đại quang để bù suy hao Đối với quảng bá Nx N, suy hao phân bố giảm cơng suất tín hiệu mà th bao nhận là: PR =(PT /N) (1- ) log2N (1-CL) (4-2) Trong đó: PT cơng suất truyền trung bình tín hiệu  suy hao xen coupler cấu tạo nên quảng bá CL loại suy hao khác suy hao sợi quang, suy hao connector Công suất nhận PR phải lớn độ nhạy máy thu Prec.Prec xác định sau: Prec= NP h B (4-3) Trong đó: NP số lượng photon trung bình bit mức cơng suất vào độ nhạy máy thu B tốc độ bit kênh tín hiệu Từ cơng thức (4-2),(4-3) giả thiết PR = Prec ta có:  P BN   T  N P h  1   log2 N (1  C L )  (4-4) Từ cơng thức (4-4) ta dự báo dung lượng mạng quảng bá Trong máy thu coherent NP = 1000, công suất truyền lớn PT = 1mW, bước sóng 1550 nm lượng photon h = 0,8 eV Giả sử suy hao coupler suy hao khác khơng Khi đó, B.N = 78 Tb/s Trong trường hợp tách sóng trực tiếp NP =100 B.N = 7,8 Tb/s Trong thức tế, giá trị B.N thường nhỏ ln tồn suy hao coupler, số suy hao khác công suất pát quang nhỏ 84 Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc BN vào số lượng kênh N Hình 4.3 phụ thuộc B.N vào số lượng kênh N hai phương pháp tách sóng coherent tách sóng trực tiếp B.N = 10 Tb/s trường hợp lí tưởng khơng có suy hao coupler quang (đường 1) Khi lấy  = 0.05 (suy hao coupler 0,2dB) ta đường Hai đường cong biểu diễn B.N trường hợp thực tế Các đường đứt nét biểu diễn B.N với tốc độ bit cố định Từ đồ thị ta có, B =622Mb/s tách sóng trực tiếp B.N= 1Tb/s, N =1600 Khi tách sóng coherent B.N = Tb/s N =4800 Ta khắc phục ảnh hưởng suy hao phân bố cách sử dụng khuyếch đại quang Năm 1990 có thí nghiệm sử dụng hai khuyếch đại quang EDFA mạng quảng bá, mạng có dung lượng khoảng 39,5 triệu thuê bao Bộ khuyếch đại có chức bù phần lượng bị suy hao phân bố, đảm bảo cơng suất tín hiệu thuê bao đủ lớn 85 Ngoài ra, cịn hệ thống thí nghiệm có số th bao 43,8 triệu, dung lượng hệ thống 39,81Gb/s khoảng cách truyền dẫn 507km Ứng dụng WDM mạng đa truy nhập 2.1 Mở đầu Trong thực tế có nhiều kiểu đa truy nhập khác TDMA, CDMA, FDMA, WDMA Mạng WDM đa truy nhập gọi mạng quang đa truy nhập theo bước sóng (WDMA) Điểm khác biệt lớn mạng quang đa truy nhập mạng quảng bá mạng đa truy nhập có khả đáp ứng truy nhập song hướng thuê bao Mỗi th bao thu/phát tín hiệu từ/tới thuê bao khác Trong mạng WDMA, băng thông rộng sợi quang chia thành khoảng nhỏ, khoảng mang kênh quang riêng biệt Các kênh truyền đồng thời sợi quang Khoảng cách tối thiểu hai bước sóng cỡ 0,4 đến 0,8 nm Mỗi bước sóng mang kênh tín hiệu có tốc độ lên tới Gb/s Hình 4.4 mơ tả sơ đồ khối mạng truyền dẫn quang đa truy nhập phân chia theo bước sóng Node Node Coupler NxN Node N Node Hình 4.4: Sơ đồ khối mạng truyền dẫn quang đa truy nhập phân chia theo bước sóng 86 Các kênh quang từ nút khác ghép với nhờ coupler quang N xN Bộ ghép trộn tất tín hiệu đến chia cơng suất tới thu Kết là, tín hiệu từ tất cổng vào thu từ cổng Hệ thống có chia sẻ bước sóng, từ nút thu kênh chung môi trường chia sẻ Tất kênh phát vào môi trường chia sẻ (coupler sao) nút thu tín hiệu tất nút cịn lại mạng Mơi trường chia sẻ có cấu trúc mạng sao, bus mạng ring, kết nối tất nút với Mỗi nút thu tín hiệu mong muốn phương pháp tách sóng trực tiếp coherent Mỗi nút thu/phát tần số cố định thay đổi Do đó, việc triển khai mạng WDMA địi hỏi thành phần quang có khả điều chỉnh bước sóng laser phát khả chỉnh, lọc quang khả chỉnh Các thành phần xây dựng nên thu phát quang có khả điều chỉnh bước sóng nút mạng Mạng WDMA có hai vấn đề cần quan tâm Đó tốc độ điều chỉnh bước sóng giao thức mạng Tốc độ điều chỉnh bước sóng phải nhanh để đáp ứng yêu cầu mạng, đặc biệt mạng chuyển mạch gói Ngồi ra, giao thức triển khai mạng phải đảm bảo kết nối ngang hàng kênh tín hiệu khác Mạng WDMA có hai cấu hình WDMA đơn chặng (single hop) WDMA đa chặng (multi hop) 2.2 Mạng WDMA đơn chặng Trong mạng WDMA đơn chặng nút có khả kết nối trực tiếp đến tất nút khác Dữ liệu phát dạng ánh sáng truyền trực tiếp đến nút đích mà khơng phải chuyển dạng tín hiệu điện Để gói liệu truyền, trước hết phát vào mạng nhờ laser phát Tại nút đích thu quang phải điều chỉnh bước sóng cho trùng với bước sóng phát Khi đó, gói tin truyền qua mạng tới nút đích Mạng WDMA đơn chặng chia làm hai loại, phát quảng bá thu lựa chọn mạng WDMA định tuyến theo bước sóng 87 Trong mạng WDMA đơn chặng phát quảng bá thu lựa chọn, liệu nút phát ghép lại phát quảng bá tới tất nút khác mạng Phía thu lựa chọn kênh tín hiệu mong muốn dựa vào bước sóng Có bốn loại mạng WDMA phát quảng bá thu lựa chọn, phát thay đổi thu cố định (TT-FR), phát cố định thu thay đổi (FT-TR), phát thu thay đổi (TT-TR) phát thu cố dịnh (FT-FR) Mạng WDMA đơn chặng sử dụng định tuyến theo bước sóng ma trận chuyển mạch khơng gian bước sóng Trong thực tế, có nhiều ứng dụng mạng WDMA đơn chặng cấp độ thực nghiệm thực tế Một số ứng dụng mạng WDMA mạng quang thụ động PON (telephone PON Broad PON), mạng Lambdanet, mạng quang thụ động PPL, mạng Rainbow Mạng Lambdanet mạng phát quảng bá thu lựa chọn hình FTFR Trong mạng sử dụng coupler hình N xN để phân phối tín hiệu tới tất nút Mỗi nút có phát riêng bước sóng xác định N thu hoạt động N bước sóng khác (N số người sử dụng hay số nút), nút nhận toàn lưu lượng mạng Do đó, mạng khơng bị tắc nghẽn mà truyền tín hiệu suốt khơng phụ thuộc vào tốc độ bit phương pháp điều chế Những người sử dụng khác truyền tín hiệu có tốc độ bit khác dạng điều chế khác nhau, truyền tín hiệu số tín hiệu tương tự Vì mạng Lambdanet linh hoạt thích hợp cho nhiều loại ứng dụng khác Ta truyền tín hiệu thoại quan Năm 1987 có thí nghiệm mạng 18 kênh tốc độ bit kênh 1,5 Gb/s, dung lượng hệ thống 27 Gb/s Mỗi kênh truyền khoảng cách 57,8 km Nhược điểm mạng Lambdanet số lượng người sử dụng bị giới hạn số lượng bước sóng Ngồi ra, nút cần có nhiều thu (bằng số lượng người sử dụng) Do tốn đầu tư phần cứng cho hệ thống 88 Nút N Nút Giao diện điện Laser Tx 1 Bộ thu WDM DEMUX Coupler Sao NxN Giao diện điện Laser Tx 2 Nút Bộ thu WDM DEMUX Nút Nút Hình 4.5: Cấu trúc mạng Lambdanet Khi sử dụng thu khả chỉnh vào mạng Lambdanet làm giảm giá thành độ phức tạp hệ thống Mạng gọi mạng Rainbow Mạng có khả kết nối 32 nút, kênh có tốc độ 1Gb/s khoảng cách truyền từ 10 đến 20 km Mạng sử dụng coupler thụ động để kết nối nhiều máy tính Bộ lọc quang khả chỉnh lọc bước sóng thích hợp cho nút Hạn chế mạng Rainbow tốc độ điều chỉnh thu chậm., đáp ứng cho mạng chuyển mạch gói Các mạng WDM sử dụng coupler thụ động gọi mạng quang thụ động (PON) Mỗi nút thu toàn lưu lượng PON mang tín hiệu quang tới tận nhà Hình 4.6 sơ đồ khối mạng vòng quang thụ động, bước sóng quang dùng để định tuyến tín hiệu mạng vịng nội hạt Trạm trung tâm có N phát bước sóng 1,, 2 N N thu hoạt động bước sóng N+1,, N+2 2N (N số thuê bao) Tại thuê bao thu phát bước sóng riêng Trạm xa ghép tín hiệu từ th bao gửi tới trạm trung tâm Trạm xa thiết bị thụ động nên tốn chi phí bảo dưỡng Bộ chuyển mạch trạm xa định tuyến tín hiệu dựa vào bước sóng 89 Năm 1996, mạng vịng nội hạt thiết kế mạng quang thụ động PON Mục đích việc cung cấp khả truy nhập băng thông rộng khách hàng phân phát tín hiệu hình ảnh video, liệu theo yêu cầu mà đảm bảo giá thành thấp Ngồi người ta cịn sử dụng cơng nghệ cắt phổ LED để tạo bước sang cho hệ thống WDM 1 N Bộ phát S W I T C H Thuê bao N+1 MUX/ DMUX MUX/ DMUX Sợi quang N Bộ thu Trạm xa 2 Thuê bao N+2 2N N Thuê bao N Trạm trung tâm Hình 4.6: Sơ đồ khối mạng vịng quang thụ động nội hạt 2.3 Mạng WDMA đa chặng Trong mạng đa chặng, kênh quang chuyển từ nút phải chuyển qua số nút trung gian Mỗi nút thu/phát quang mạng WDMA đa chặng có số thu phát quang thu phát vài bước sóng định Kết nối trực tiếp xảy bước sóng định trước nút đích trùng với bước sóng định trước nút phát Kết nối hai nút định tuyến qua nút trung gian Tại nút trung gian, liệu chuyển thành tín hiệu điện Địa đích gói giải mã xử lí dạng điện Sau đó, gói tin lại chuyển thành tín hiệu quang có bước sóng thích hợp chuyển tới nút đích hay nút trung gian Quá trình lặp lại đích Do vậy, gói tin chuyển qua nhiều 90 chặng, gói tin phải qua số nút trung gian trước tới nút đích cuối Số lượng nút trung gian phụ thuộc vào thiết kế qui mơ mạng Hình 4.6 ví dụ mạng đa chặng có nút Giả sử gói tin truyền từ nút tới nút Ta thiết lập kết nối trực tiếp hai nút Do đó, gói tin phải qua số nút trung gian Giả sử nút phát gói tin bước sóng 2, gói tin chuyển tới nút Tại nút có q trình biến đổi quang điện, sử dụng bước sóng 11 để truyền tới nút Hướng gồm hai chặng Ngoài ra, gói tin theo hướng khác với số chặng lớn Một ưu điểm mạng đa chặng so với mạng đơn chặng khơng thiết phải có thiết bị điều khiển kênh nút mạng hoạt động trạm lặp có nhiệm vụ định nhận gói tin hay chuyển gói tin tiếp tới nút khác mạng Kết nối mạng đa chặng thực linh hoạt nhiều cách khác nhau, đường khác Chính vậy, mạng đa chặng giảm tượng tắc nghẽn đường truyền so với mạng đơn chặng Nút T R Nút T T Nút R 8, 4 1, 2 9, 13 15, 16 2 5, 6 Coupler NxN 11 3, 7 R 11, 15 7, 6 2, 6 Nút T R 11, 10 T R 10, 14 13, 14 T 3, 4 Nút Nút23 9,10 1,5 R 12, 16 T R T R Nút Hình 4.7: Một mạng đa chặng nút 91 Nút Hiện có số cấu trúc mạng WDMA đa chặng Ví dụ, mạng đa chặng có cấu trúc hình đa diện Cấu trúc thường sử dụng để ghép nhiều xử lý máy tính lớn Trong mạng đa chặng nút nút nằm góc hình lập phương Trong mạng N nút (N =2 m) nút đặt đỉnh hình đa diện Mỗi nút nối trực tiếp với m nút khác Khi truyền tín hiệu từ chặng tới chặng khác qua nhiều m chặng Số lượng chặng trung bình phải qua m/2 Mỗi nút cần có m thu Ta sử dụng số kĩ thuật khác để giảm số thu Nhưng số chặng trung bình lại tăng lên Một số mạng WDMA đa chặng triển khai cấp độ thực nghiêm mạng Teranet Starnet Mạng Teranet mạng thực nghiệm triển khai trường đại học Columbia dạng truyền mạch tế bào ATM 1Gb/s chuyển mạch kênh 1Gb/s Hình 4.8 mô tả sơ đồ khối chức nút mạng Teranet Từ đầu nút khác 1, 2, N 1, 2, N 1  2  1 Đến đầu vào nút khác Chuyển mạch ATM 3x3 1 , 2 , N 1 , 2 , N 1 , 2 , N 1 , 2 , N 1 , 2 , N Bộ điều chế RF khả chỉnh 3 1 , 2 , N 1 , 2 , N 1 , 2 , N 4 1 , 2 , N  1 , 2 , N 1 , 2 , N 1 , 2 , N Laser DBF Hình 4.8: Sơ đồ khối chức nút mạng Terane Thiết bị thu quang nút gồm lọc quang khả chỉnh đặt trước photodiode lọc trung tần có tần số cố định Thiết bị thu quang 92 laser DFB có bước sóng định trước Thiết bị chuyển mạch ma trận chuyển mạch điện x3, tốc độ cổng vào Gb/s Ma trận chuyển mạch định tuyến gói tin tới cổng thích hợp tuỳ thuộc vào địa đích gói tin Mạng Starnet mạng LAN WDMA Coherent xây dựng trường đại học Standford hệ thống hỗ trợ mạng WDMA đơn chặng chuyển mạch kênh đa chặng chuyển mạch gói 100Mb/s Mỗi nút có phát hai thu Hệ thống hoạt động bước sóng trung tâm 1319nm, sợi quang đơn mode, khoảng cách truyền 2km, công suất dự trữ 10dB, tỉ lệ lỗi bit 10 -9 Ứng dụng WDM mạng chuyển mạch quang Như phần đề cập, kỹ thuật WDM ứng dụng mạng truyền dẫn mạng truy nhập Người ta sử dụng tài nguyên băng thông to lớn sợi quang để truyền nhiều kênh quang sợi quang Một sợi quang truyền dẫn thông tin số tới hàng chục Gb/s Sự tăng trưởng với tốc độ nhanh chóng dung lượng hệ thống truyền dẫn sức ép động lực mạnh cho phát triển hệ thống chuyển mạch Hệ thống chuyển mạch mạng thơng tin có qui mơ yêu cầu ngày lớn tốc độ ngày phải cao Hầu hết mạng sử dụng trường chuyển mạch điện sử dụng sợi quang phương tiện truyền dẫn Chuyển mạch thực thơng qua q trình biến đổi tín hiệu quang thành dạng tín hiệu điện ban đầu sau lại biến đổi ngược lại Chuyển mạch điện có nhược điểm linh kiện điện không cho phép kết nối dải băng rộng sợi quang tạo thêm trễ có biến đổi quang điện nút trung gian Để giải vấn đề này, nhà nghiên cứu bắt đầu đưa kỹ thuật quang tử vào hệ thống chuyển mạch, thực chuyển mạch quang Chuyển mạch quang có khả chuyển mạch luồng liệu quang mà không cần biến đổi quang điện Do đó, khơng bị linh kiện chuyển mạch điện tử hạn chế tốc độ Ngoài ra, chuyển mạch quang không phụ thuộc vào tốc độ phương thức điếu chế tín hiệu, có cơng suất tiêu thụ thấp Song kỹ thuật chuyển mạch quang tồn nhiều khó khăn việc 93 đưa vào ứng dụng thực tế Phần kết nối thiết bị chuyển mạch với sợi sợi vào phức tạp Thiết bị phải thoả mãn điều kiện phân cực nghiêm ngặt Do tác dụng linh kiện logic quang đơn giản, khơng thể hồn thành chức xử lí logic phức tạp phận điều khiển, nên chuyển mạch quang điện phải điều khiển tín hiệu điện Có ba loại chuyển mạch quang chuyển mạch quang theo không gian, chuyển mạch quang theo thời gian chuyển mạch quang theo bước sóng Đặc điểm ba phương pháp khác nhau, mức độ khó dễ thực chuyển mạch khác Nếu tín hiệu quang lúc sử dụng hai ba phương pháp chuyển mạch ta có chuyển mạch hỗn hợp Trong đó, phương pháp chuyển mạch khơng gian bước sóng phổ biến 94 KẾT LUẬN Truyền dẫn dung lượng cao theo hướng sử dụng cơng nghệ WDM có sức hút mạnh nhà cung cấp dịch vụ viễn thơng hàng đầu giới Đã có hàng loạt tuyến truyền dẫn vận hành khai thác theo công nghệ này, chi phí đầu tư tính ổn định có nhiều điểm hẳn so với ghép kênh truyền thống TDM Khi nâng cấp hệ thống thơng tin quang theo cơng nghệ WDM, có nhiều vấn đề cần phải xem xét, nhu cầu dung lượng, cấu hình hợp lý cấu hình tối ưu Mỗi mục nhỏ đồ án toán kỹ thuật, địi hỏi phải có giải pháp tối ưu tồn diện Với thời gian nghiên cứu tìm hiểu thực tế mạng lưới, tìm hiểu cơng nghệ WDM cịn hạn chế, đề cập đồ án thực nhỏ bế, mang tính chất tìm hiểu, tập dượt Cơng nghệ truyền dẫn WDM cơng nghệ cịn mới, thời kỳ mà có nhiều đột biến giải pháp, công nghệ cho thiết bị Em mong sẽ có hội để tiếp tục nghiên cứu sâu vấn đề để sau đóng góp phần cơng sức nhỏ bé xây dựng đất nước 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] VŨ VĂN SAN, Kỹ thuật thông tin quan, Nhà xuất khoa học kỹ thuật , 1997 [2] DƯƠNG ĐỨC TUỆ, Hệ thống ghép kênh theo bước sóng, Nhà suất bưu điện , 2001 [3] CAO PHÁN, Ghép kênh quang khuếch đại quang, Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng , 1998 [4] CAO PHÁN, Cơ sở kỹ thuật thông tin quang, Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng , 2000 [5] TRẦN THUỶ BÌNH, PHẠM HỒNG NHUNG, Nghiên cứu loại sợi dẫn quang khả sử dụng vào hệ thống truyền dẫn mạng viễn thông Việt Nam, Viện KHKT Bưu điện , 1999 [6] NGUYỄN MINH DÂN, Mạng cáp quang nội hạt thuê bao quang , Đề tài nghiên cứu khoa học cấp ngành Hà Nội , 1995 [7] JEAN-PIERRE LAUDE, Wavelength Division Multiplexing, Paris, 1993 [8] TÀI LIỆU TRÊN INTERNET http//www.diendan.vienthonga.com, truy cập ngày cuối 21/12/2011 96 ... bản ghép kênh quang theo bước sóng 2.2.1 Định nghĩa ghép kênh theo bước sóng WDM a) Định Nghĩa: Ghép kênh theo bước sóng WDM làcơng nghệ “trong sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng. .. Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM 2.1 Các phương pháp ghép kênh quang 2.1.1 Ghép kênh quang theo bước sóng Kỹ thuật sử dụng sợi quang (linh kiện quang) để mang nhiều kênh quang độc... quang 13 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM 14 2.1 Các phương pháp ghép kênh quang 14 2.2 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng 17 2.3 Ưu nhược điểm công nghệ WDM