Nghiên cứu kỹ thuật FTTH và tính toán thiết kế một số tuyến FTTH tại thành phố đà nẵng

-1- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VŨ ANH QUANG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT FTTH VÀ TÍNH TỐN THIẾT KẾ MỘT SỐ TUYẾN FTTH TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số : 605270 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG - 2011 -2- Cơng trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN TUẤN Phản biện 1: ………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………… Luận văn ñược bảo vệ Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày tháng …… năm 2011 * Có thể tìm hiểu Luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng -3MỞ ĐẦU 1.Lý chọn ñề tài Hiện nay, phát triển công nghệ thơng tin truyền thơng mang lại nhiều tiện ích cho người sử dụng, hệ thống thông tin liên lạc có mặt khắp nơi tồn giới Lượng thơng tin trao đổi hệ thống thông tin ngày tăng lên nhanh Bên cạnh gia tăng số lượng, dạng lưu lượng truyền thông mạng thay ñổi Dạng liệu chủ yếu lưu lượng Internet Ngoài ra, năm gần ñây, mạng ñường trục ñã có phát triển vượt bậc mạng truy cập có thay ñổi Sự bùng nổ lưu lượng Internet làm trầm trọng thêm khả ñáp ứng chưa ñạt u cầu mạng truy cập Đó vấn ñề “nút cổ chai” mạng truy nhập mạng ñường trục Hiện nay, công nghệ FTTH (Fiber-To-The-Home) mạng viễn thơng băng thơng rộng cáp quang nối ñến tận nhà ñể cung cấp dịch vụ tốc ñộ cao ñiện thoại, Internet tốc ñộ cao IPTV ñang ñược triển khai mạnh mẽ giới Thiết kế mạng truy cập vấn ñề phức tạp, mạng truy cập ngày phát triển rộng lớn, dịch vụ gia tăng nhanh, dịch vụ ngày nhiều, số người sử dụng tăng ñột biến, kèm theo vấn ñề lưu lượng tăng vọt biến ñổi ñộng Hiện việc thi cơng lắp đặt dựa vào kinh nghiệm, giá trị thiết bị EDFA, công suất phát Laser dựa vào kinh nghiệm khuyến nghị nhà sản xuất chưa dựa vào biểu thức tính tốn cụ thể Chính lẽ trên, việc xây dựng mơ hình tính tốn thiết kế mạng quang FTTH trở thành chủ ñề cần nghiên cứu Mục đích nghiên cứu Luận văn tiến hành tìm hiểu cấu hình, ngun lý hoạt động mạng quang FTTH nói chung phân tích, so sánh cấu hình mạng truy -4nhập quang PON, AON ; phân tích so sánh phương pháp thiết kế mạng truy cập quang FTTH Từ đề xuất phương pháp thiết kế hợp lý, sử dụng phần mềm chuyên dụng Optiwave ñể kiểm chứng đánh giá chất lượng tín hiệu hệ thống đồng thời đối chiếu kết tính tốn mơ để chứng tỏ tính tin cậy mơ hình biểu thức tính tốn xây dựng Đối tượng phạm vi nghiên cứu • Tìm hiểu mạng thơng tin quang FTTH • Nghiên cứu mạng truy cập quang thụ động PON • Nghiên cứu phương pháp thiết kế mạng quang FTTH, so sánh, đánh giá phương pháp thiết kế • Đề xuất mơ hình tính tốn thiết kế mạng FTTH áp dụng mơ hình thiết kế vào số tuyến quang thành phố Đà Nẵng từ đối chiếu kết tính tốn mơ qua phần mềm Optiwave Phương pháp nghiên cứu • Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phần mềm chuyên dụng để kiểm chứng lý thuyết tính tốn • Thu thập, phân tích tài liệu thơng tin liên quan đến đề tài • Xây dựng mơ hình tính tốn, thiết kế tiến hành mô kiểm tra kết phần mềm Optiwave Ý nghĩa khoa học thực tiễn ñề tài Mạng truy cập quang FTTH ñã ñang ñược triển khai mạng truy cập cơng ty viễn thơng tính ưu việt Trong điều kiện bùng nổ lưu lượng ñể thiết kế ñược hệ thống nhằm thỏa mãn nhu cầu truyền dẫn thông tin khoảng cách lớn, tốc độ bít cao cho th bao đồng thời đảm bảo tính kinh kế hệ thống có ý nghĩa quan trọng tình hình Các kết -5của đề tài đề án chi tiết sát với thực tế có tính thực tiễn cao, góp phần hồn thiện việc xây dựng vận hành hệ thống mạng viễn thơng nói chung thành phố Đà Nẵng nói riêng Cấu trúc luận văn Luận văn dự kiến gồm chương:
CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG FTTH
CHƯƠNG : MẠNG TRUY CẬP QUANG THỤ ĐỘNG PON
CHƯƠNG : XÂY DỰNG CẤU HÌNH MẠNG FTTH
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MỘT SỐ TUYẾN QUANG FTTH TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG FTTH 1.1 Giới thiệu chương Trong chương trình bày: • Xu hướng phát triển mạng ngoại vi xu hướng cung cấp dịch vụ viễn thông mạng truy cập • Cơng nghệ băng rộng FTTH xu hướng phát triển dịch vụ • Kiến trúc mạng quang FTTH • Mạng quang tích cực AON mạng quang thụ động PON • Xu hướng triển khai mạng quang ñến tận nhà FTTH Việt Nam 1.2 Nhu cầu phát triển mạng thông tin quang 1.3 Công nghệ băng rộng FTTH xu hướng phát triển 1.4 Kiến trúc mạng quang FTTH 1.4.1 Sơ ñồ tổng quát mạng quang FTTH Trong hệ thống FTTH, thiết bị kết cuối ñường truyền quang OLT ñặt tổng ñài trung tâm CO ñược thiết kế ñể giao tiếp với nhà cung cấp dịch vụ, chẳng hạn giao tiếp với mạng chuyển mạch điện thoại cơng cộng, với chuyển mạch ATM, router IP, giao tiếp với mạng -6lõi video qua thiết bị ñầu cuối cáp TV từ vệ tinh chảo Về mặt truyền dẫn, OLT cho phép hỗ trợ loại giao diện khác lớp liên kết liệu như: SONET, ATM, Gigabit Ethernet… Bộ chia Hình 1.1 Sơ đồ tổng qt mạng quang FTTH 1.4.2 Các cấu hình cho kiến trúc quang FTTH 1.4.3 Bước sóng sử dụng mạng FTTH 1.5.Mạng quang tích cực AON mạng quang thụ ñộng PON 1.5.1 Mạng AON Mạng quang tích cực sử dụng số thiết bị quang tích cực để phân chia tín hiệu là: chuyển mạch, ñịnh tuyến ghép 1.5.2 Mạng PON PON kiểu mạng ñiểm – ña ñiểm khách hàng ñược kết nối tới mạng quang thơng qua chia quang thụ động 1.6.Xu hướng triển khai mạng quang ñến tận nhà FTTH VN 1.7 Kết luận chương Cấu hình điểm-điểm P2P cung cấp ñường kết nối dùng riêng tới nhà khai thác cho th bao ưu điểm mạng P2P so với mạng PON Cấu hình điểm - đa điểm P2MP cho phép tiết kiệm lượng lớn sợi quang cổng OLT, giá thành hệ thống thấp cấu hình điểm-điểm Tuy nhiên băng thơng cung cấp -7bởi tổng ñài CO ñược chia sẻ (dùng chung) cho nhiều thuê bao nên băng thơng cực đại cung cấp cho th bao thơng qua cấu hình điểm - đa điểm so với cấu hình điểm - ñiểm CHƯƠNG 2: MẠNG TRUY CẬP QUANG THỤ ĐỘNG-PON 2.1 Giới thiệu chương FTTH ñược xem giải pháp hồn hảo thay mạng cáp đồng nhằm cung cấp dịch vụ “triple play” bao gồm thoại, hình ảnh, truy nhập liệu tốc độ cao các ứng dụng địi hỏi nhiều băng thơng 2.2 Tổng quan mạng thụ động PON PON mạng ñiểm tới ña ñiểm, kiến trúc PON bao gồm thiết bị ñầu cuối kênh quang ñược ñặt trạm trung tâm nhà khai thác dịch vụ kết cuối mạng cáp quang ONU ñặt gần nhà thuê bao Giữa chúng hệ thống phân phối mạng quang ODN bao gồm cáp quang, thiết bị tách ghép thụ ñộng Hình 2.1 Cấu trúc mạng quang thụ động PON 2.3.Thành phần mạng quang thụ ñộng PON 2.3.1 Bộ chia -8Thành phần chủ yếu mạng PON chia Bộ chia thiết bị thụ động, cơng dụng để chia cơng suất quang từ sợi nhiều sợi khác Từ OLT ñến ONU sử dụng nhiều dạng chia có tỉ chia 1:2; 1:4; 1:8; 1:16; 1:32; 1:64; 1:128 Hình 2.2 Các loại chia (a) Sử dụng chia có tỉ lệ chia 1:32 hay 1:64 (b) Sử dụng chia có tỉ lệ chia 1:2 hai chia có tỉ lệ chia 1:4 2.3.2 Thiết bị kết cuối ñường truyền quang 2.3.3 Thiết bị kết cuối mạng quang ONU 2.3.4 Khối mạng phân phối quang ODN 2.3.5 Hệ thống quản lý EMS 2.4 Ưu ñiểm PON Việc thay trạm chuyển mạch từ xa thành chia tiết kiệm nhiều chi phí chia hoạt động mà không cần cấp nguồn Mạng PON tối ưu thu phát quang, trạm trung tâm trình triển khai sợi quang Bởi lợi ích vừa tiết kiệm chi phí vừa dễ triển khai nên mạng PON phát triển nhanh chóng mạng truy nhập 2.5 Các chuẩn PON 2.5.1 APON/BPON 2.5.1.1 Mô tả hệ thống APON/BPON -92.5.1.2 Bước sóng APON/BPON 2.5.2.GPON 2.5.3 E-PON 2.5.4 WDM-PON 2.5.5.CDMA-PON 2.6.Kết luận Cơng nghệ PON đời mở tiềm lớn cho triển khai dịch vụ băng rộng thay dần hệ thống mạng truy nhập cáp đồng băng thơng hẹp chất lượng thấp Có nhiều chuẩn PON khác nhau: A-PON, B-PON, E-PON, G-PON, WDM-PON Tuy nhiên hệ thống dựa kỹ thuật TDM-PON cụ thể A-PON E-PONcó số hạn chế số thuê bao bị giới hạn suy hao chia, thu phát phía CO ONU phải làm việc với tốc ñộ luồng tổng Một chuẩn khác họ với E-PON chuẩn Gbit/s Ethernet PON (IEEE 802.3av – Gbit/s PON) Chuẩn phát triển E-PON tốc ñộ 10Gbit/s ñược ứng dụng chủ yếu mạng quảng bá video số Mạng truy nhập quang thụ động ghép kênh theo bước sóng WDM-PON giải pháp thay tương lai cho TDM-PON WDMPON ñược xem giải pháp ñầy hứa hẹn cho mạng quang FTTH tương lai gần CDMA PON cho phép truyền tải lưu lượng cao có tính bảo mật trội so chuẩn PON khác Tuy nhiên thu tín hiệu CDMA-PON phức tạp giá thành tương ñối cao -10CHƯƠNG XÂY DỰNG CẤU HÌNH MẠNG FTTH 3.1 Đặt vấn ñề Chúng ta biết thông số ñể ñánh giá chất lượng tín hiệu cuối tuyến ONU khơng phải cơng suất đầu vào máy thu (cơng suất đầu vào máy thu lớn ñộ nhạy thu) mà tỉ số tín hiệu nhiễu S/N (hoặc Q) chúng liên quan đến BER Do nhằm mở rộng mơ hình chuẩn ITU-T để thỏa mãn nhu cầu truyền dẫn thơng tin lớn với tốc độ bit cao cho thuê bao, luận án ñã tiến hành lựa chọn hệ thống quang IMDD phân phối tín hiệu số với EDFA mắc chuỗi từ xác định tỉ số tín hiệu nhiễu máy thu sở biểu thức tổng qt tính tổng cơng suất nhiễu quang ASE ñầu vào máy thu hệ thống 3.2 Các mơ hình PON 3.2.1.Topo hình 3.2.2.Topo dạng bus 3.2.3.Topo dạng vịng 3.2.4.Topo hình kết hợp topo dạng vịng đường tải phụ 3.3 Mơ hình thiết kế tuyến FTTH Về mặt kĩ thuật, FTTH có loại thiết kế mạng quang chủ ñộng thiết kế mạng quang thụ ñộng 3.4.Xác định tỉ số tín hiệu nhiễu máy thu hệ thống IM-DD phân phối tín hiệu với EDFA mắc chuỗi Cơng suất nhiễu ASE đầu vào máy thu EDFA tạo sau: PAse = PAse1 (α1G2 ).(α 2G3 ) (α k − 2Gk −1 ).(α k −1Gk ).α k − maythu (3.2) Tổng cơng suất nhiễu ASE đầu vào máy thu cuối k EDFA mắc chuỗi mạng tạo sau: k −1 k  k −1  j PAseΣ = ∑ PAse = α k −maythu (∑ PAsej ∏ α i Gi +1 ) + PAsek  j =1 i= j  j =1  (3.4) -12- Ps eSN R = Be B B k BT Be Ps PA se ∑ + m t e2 PA se ( B o − e ) + Bo Bo R L R k B số Boltzman, T nhiệt ñộ tuyệt ñối, RL ñiện trở tải Be băng tần ñiện thu 3.5 Giới thiệu cấu hình mạng Chọn G = 15dB, khoảng cách trạm trung gian 200m Từ trạm trung gian có chia quang hình 100 nhánh cung cấp trực tiếp cho 100 thuê bao lân cận Số thuê bao bước ñầu khoảng 80.000 với tốc ñộ bit đường truyền 155Mb/s Hình 3.10 Sơ đồ khối nhánh hình tia mạng phân phối 3.6 Kết luận chương Chương đưa cấu hình PON chuẩn từ tiến hành khảo xác hệ thống IM-DD phân phối tín hiệu số với EDFA mắc chuỗi khả ứng dụng vào mạng FTTH Mặt khác, việc sử dụng -13khuếch ñại quang sợi ñể bù suy hao ñường truyền thay cho trạm lặp trước ñây ñã làm cho hệ thống trở nên tinh gọn hơn, bớt cồng kềnh, băng thơng tăng lên đáng kể CHƯƠNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MỘT SỐ TUYẾN QUANG FTTH TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG 4.1 Giới thiệu chương Trong chương luận văn xây dựng mơ hình tính tốn, từ tính tốn thiết kế số tuyến quang FTTH khoảng 80.000 thuê bao phạm vi thành phố Đà Nẵng dùng phần tử quang thụ ñộng ñường truyền dẫn hệ thống IM-DD có EDFA mắc chuỗi Đồng thời sử dụng phần mềm mô chuyên dụng Optiwave để kiểm chứng đánh giá chất lượng tín hiệu hệ thống 4.2 Đặt vấn đề 4.3 Tính toán thiết kế số tuyến quang FTTH khoảng 80.000 thuê bao thành phố Đà Nẵng 4.3.1.Quỹ công suất Tổng công suất phát - Tổng công suất suy hao= Độ nhạy máy thu + 5dB Tổng công suất tổn hao hệ thống mạng truyền dẫn bao gồm: 1/ Tổn hao ñầu ghép nối từ nguồn phát vào sợi quang, từ sợi quang ñến máy thu, chia quang: 2/ Tổn hao chia quang: α coupler α connect 3/ Tổn hao sợi quang: α fiber Khoảng cách trạm trung gian 200m Suy số trạm trung gian nhánh hình tia: M = 20km : 0.2 = 100 trạm Ta chọn α connect = 0.2dB , α coupler = 0.7 dB , Plaser = 6dbm -14Với ñộ rộng phổ nguồn phát ∆f = 12500 MHz , G EDFA =15dB, NF(hệ số nhiễu EDFA) = 4dB, n sp = 1.26 R(hệ số chuyển ñổi quang ñiện photodiode) = 0.92A/W Tán sắc sợi T fiber = 17 ps / km.nm , Số mode phân cực mt = Điện trở photodiode RL = 50Ω Sử dụng mã ñường NRZ ñể truyền cách ñiều chế tín hiệu sử dụng ñiều chế Mach-Zehnder Suy hao qua ñiều chế MachZehnder vào khoảng 3.2dB Hệ thống mà luận án thiết kế có tốc độ bit 155Mb/s(STM-1), qua ta chọn băng tần ñiện vào khoảng Be = 0.75 * Bit _ rate = 116.25Mhz Ta chọn băng thông quang Bo = * Be = 232.5Mhz Gọi m số phân đoạn đường truyền Cơng suất tổn hao tổng ñường truyền trước vào máy thu cuối tuyến Ploss ∑ = (2M + 2m + 2).αconnect + M αcoupler + ∆P8 + ∆P100 + L.α fiber = (2.100 + 2.m + 2).0, + 100.0, + 9.03 + 20 + 20.0, 24 = 40 + 0, 4m + 0, + 70 + 9.03 + 20 + 4,8 = 144, 23 + 0, 4m (4.1) Cơng suất phát đầu điều chế: P ' = Pphát − 3.189 = − 3.189 = 2.811dbm Cơng suất tín hiệu sau qua chia 8: P '' = P ' − ∆P8 = 2.811 − 9.03 = −6.22dbm Tổng công suất phát nhánh: PS ∑ = 15m − 6.22(dbm) eSNR=4Q Hệ thống yêu cầu BER= 10 −12 (4.2) (4.5) với tốc ñộ bit 155Mb/s Với phương pháp ñiều chế ASK => ứng với BER, suy eSNR = 4.72 = 196 Thay tham số vào biểu thức (3.17) ta tìm được: Ps ≈ −24dBm Ta có phương trình cân quỹ công suất: 15m − 6.22 − 144, 23 − 0, 4m = Ps + 5dB = −19dBm 14, 6m = 131.45 ⇒ m ≈ -15Như ta chọn m=9 phân ñoạn Vậy tuyến với ñộ dài 20 Km ta dùng EDFA phân ñoạn với chiều dài phân ñoạn: l = 20km : ≈ 2.2km 4.3.2 Kiểm tra kết thiết kế theo quỹ thời gian lên Thời gian lên Tr tính tốn ( có thêm hệ số dự trữ 1,1 ) phải nhỏ thời gian lên hệ thống Tsys : (4.7) Tsys = 0, = BW Ta có 1,1Tr < Tsys 0, 0, = = 6021 ps 0, 75.Bit _ rate 0, 75.155.106 1,1Tr = 1,1 100 + 34 + 300 = 349,8 ps