Tổng quan về hệ thống wdm

MỤC LỤC Lời nói đầu Lời cảm ơn Chương I: Tổng quan hệ thống WDM 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Khái quát WDM 1.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống tách/ghép kênh quang 1.1.3 Đặc điểm hệ thống WDM 1.2 Một số tham số kỹ thuật hệ thống WDM .9 1.2.1 Suy hao xen 1.2.2 Suy hao xuyên kênh 10 1.2.3 Độ rộng kênh khoảng cách kênh .11 1.2.4 Số lượng kênh .11 1.3 Ứng dụng WDM 13 Chương II: Các thành phần hệ thống WDM 16 Giới thiệu chung 16 2.1 Bộ phát quang 16 2.1.1 Yêu cầu nguồn quang WDM 16 2.1.2 Nguyên lí Bragg 18 2.1.3 LASER hồi tiếp phân bố (DFB) 18 2.1.4 LASER phân bố phản xạ Bragg (DBR) 20 2.2 Bộ tách quang ghép quang 20 2.2.1 Bộ lọc Mach-Zender .21 2.2.2Bộ lọc Fabry-Perot 29 2.2.3 Bộ tách kênh miền không gian 38 2.3 Bộ khuếch đại quang 49 2.3.1 Sự cần thiết sử dụng khuếch đại quang .49 2.3.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA 49 2.4 Bộ thu quang 52 2.5 Sợi quang .53 3.1 Ổn định bước sóng nguồn quang 54 3.2 Ảnh hưởng tán sắc sợi quang truyền dẫn 55 3.2.1 Phương pháp bù tán sắc điều chế tự dịch pha(SPM) 55 3.2.3 Phương pháp bù tán sắc PDC .57 3.2.4 Phương pháp bù tán sắc Pre-chirp (dịch tần trước) .58 3.3 Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến đến truyền dẫn 59 3.3.1 Các hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM .59 3.3.2 Giải pháp khắc phục hiệu ứng phi tuyến sợi quang 62 3.4 Độ phẳng tăng ích khuyếch đại quang sợi 63 3.5 Tích luỹ tạp âm dùng khuyếch đại quang EDFA nhiều tầng 63 Chương IV: Ứng dụng hệ thống WDM 64 4.1 Ứng dụng WDM mạng truyền dẫn 64 4.1.1 Tuyến truyền dẫn điểm - điểm dung lượng cao 64 4.1.2 Mạng quảng bá .67 4.2 Ứng dụng WDM mạng đa truy nhập 70 4.2.1 Mở đầu 70 4.2.2 Mạng WDMA đơn chặng .71 4.2.3 Mạng WDMA đa chặng .74 4.3 Ứng dụng WDM mạng chuyển mạch quang .76 Lời nói đầu Thời gian gần đây, nhu cầu lưu lượng tăng mạnh phát triển bùng nổ loại hình dịch vụ Internet dịch vụ băng rộng tác động không nhỏ tới việc xây dựng cấu trúc mạng viễn thông Việc xây dựng mạng hệ sau NGN quan tâm giải pháp hữu hiệu nhằm thoả mãn nhu cầu mạng lưới thời gian tới Trong cấu trúc NGN, mạng truyền tải lưu lượng khâu quan trọng có nhiệm vụ truyền thơng suốt lưu lượng lớn mạng, mạng truyền dẫn xem huyết mạch Để thoả mãn việc thơng suốt lưu lượng với băng tần lớn, hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM xem ứng cử quan trọng cho đường truyền dẫn Công nghệ WDM cung cấp cho mạng lưới khả truyền dẫn cao băng tần lớn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng thời sợi, kênh tương đương hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ nhiều Gbps Với nhận thức ấy, đồ án tốt nghiệp em báo cáo tổng quan công nghệ WDM Bố cục đồ án gồm chương: Chương I: Trình bày tổng quan hệ thống WDM, chương em trình bày số vấn đề khái quát hệ thống, nguyên lí hoạt động hệ thống tách /ghép kênh quang đặc điểm tham số kỹ thuật hệ thống WDM Chương II: Giới thiệu thành phần hệ thống WDM gồm Bộ phát quang, Bộ tách ghép quang, Bộ khuyếch đại quang, Bộ thu quang sợi quang Qua tìm hiểu rõ chức ngun lí hoạt động thành phần hệ thống Chương III: Một số vấn đề công nghệ then chốt nêu chương Như ổn định bước sóng nguồn quang, ảnh hưởng tán sắc sợi quang, hiệu ứng phi tuyến truyền dẫn Các vấn đề chuẩn hóa thành phần hệ thống, tham số thiết bị, tác động qua lại thành phần hệ thống nghiên cứu chương Chương IV: Nêu lên số ứng dụng hệ thống WDM thực tế mạng truyền dẫn, mạng đa truy nhập, mạng chuyển mạch quang Lời cảm ơn Lời cho phép em cảm ơn thầy cô giáo khoa Công nghệ - Trường Đại học Vinh suốt thời gian em học tập trường tận tình giảng giạy để em có kiến thức thực đồ án Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo, TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa - người trực tiếp hướng dẫn, bảo giúp đỡ nhiệt tình thời gian qua Qua em xin cảm ơn gia đình, bạn bè tạo điều kiện thuận lợi có ý kiến đóng góp bổ ích q trình em thực đồ án Mặc dù cố gắng chắn nội dung đồ án vấn đề phải xem xét thêm tránh khỏi khiếm khuyết Rất mong bảo thầy giáo, đóng góp ý kiến bạn sinh viên nhũng bạn đọc quan tâm đến đề tài Xin chân thành cảm ơn! Vinh / 05 / 2010 Trần Đình Lợi Chương I: Tổng quan hệ thống WDM 1.1 Giới thiệu chung Trong năm gần đây, phát triển dịch vụ thoại phi thoại mà đặc biệt Internet số dịch vụ khác tạo bùng nổ nhu cầu dung lượng Điều đặt lên vai nhà cung cấp dịch vụ đường trục khó khăn thách thức Kĩ thuật ghép kênh theo miền thời gian TDM giải phần yêu cầu hạn chế Trong thực tế, tốc độ tín hiệu TDM thường nhỏ 10Gb/s Do ảnh hưởng tượng tán sắc, hiệu ứng phi tuyến sợi quang tốc độ thành phần điện tử nên tăng tốc độ bit kênh TDM lên giới hạn này, chất lượng hệ thống không đảm bảo Để thích ứng với tăng trưởng khơng ngừng thoả mãn yêu cầu tính linh hoạt mạng, công nghệ truyền dẫn khác nghiên cứu, triển khai thử nghiệm đưa vào ứng dụng, số phải kể đến cơng nghệ WDM, OTDM, Soliton… Phương pháp ghép kênh theo bước sóng WDM(Wavelength Division Multiplexing) tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng khu vực tổn hao thấp sợi quang đơn mode Ghép kênh theo bước sóng WDM nâng cao dung lượng truyền dẫn hệ thống mà không cần phải tăng tốc độ kênh bước sóng Do đó, WDM giải pháp tiên tiến kĩ thuật thông tin quang, đáp ứng nhu cầu truyền dẫn yêu cầu chất lượng truyền dẫn hệ thống 1.1.1 Khái quát WDM Trong hệ thống WDM, tín hiệu điện kênh quang điều chế với sóng mang quang khác Sau đó, chúng ghép lại truyền sợi quang đến đầu thu Phía thu thực q trình tách tín hiệu quang thành kênh quang riêng biệt có bước sóng khác Mỗi kênh đưa đến máy thu riêng Công nghệ WDM cho phép khai thác tiềm băng thơng to lớn sợi quang Ví dụ, hàng trăm kênh 10Gb/s truyền sợi quang Khoảng cách kênh khoảng 50GHz Dưới tính tốn cho thấy hấp dẫn cơng nghệ WDM: Hình 1.1 hai cửa sổ truyền dẫn 1,3 1,5 cửa sợi quang Mỗi cửa sổ có băng thơng truyền dẫn(suy hao thấp) sợi quang lớn; Chỉ với riêng cửa sổ quang 1550 nm dải bước sóng sử dụng 1500 nm – 1600 nm, tương ứng với dải tần rộng cỡ 12,5 THz !  [dB] Băng tần cửa sổ 1550 nm Phổ nguồn quang 1,5 1,6  [m] 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Hình 1.1 Băng tần truyền dẫn sợi quang lớn! Sử dụng cho tốc độ truyền tin cỡ 10 Gbps cần sử dụng phần nhỏ băng tần truyền dẫn Rõ ràng, thấy dung lượng yêu cầu cỡ hàng trăm Gbps hoàn toàn nằm khả hệ thống WDM Thêm vào đó, hệ thống cịn mềm dẻo có phần tử tách ghép quang, nối chéo quang, chuyển mạch quang, lọc quang thực lựa chọn kênh động tĩnh… Khái niệm WDM biết đến từ năm 1980, mà hệ thống quang bắt đầu thương mại hóa Dạng đơn giản WDM truyền hai kênh tín hiệu hai cửa sổ khác Ví dụ, truyền hai bước sóng 1,3m 1,55m Khi đó, khoảng cách kênh 250nm Sau đó, khoảng cách kênh giảm dần Năm 1990, khoảng cách kênh nhỏ 0,1nm Trong suốt thập kỉ 90, hệ thống WDM nhiều nước giới quan tâm nghiên cứu Hiện nay, kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng ứng dụng nhiều nước giới Ở nước ta, Tổng công ty bưu viễn thơng Việt Nam định nâng cấp tuyến truyền dẫn Bắc Nam giải pháp ghép kênh theo bước sóng 1.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống tách/ghép kênh quang Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền dẫn quang đơn hướng ghép kênh theo bước sóng mơ tả hình 1.2 Tx 1 , 2 , n 1 OMUX n Tx n 1 Rx ODMUX Sợi quang n Rx n Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống WDM đơn hướng Tại phát, tín hiệu điện kênh quang điều chế với sóng mang quang có độ rộng phổ hẹp Tín hiệu quang đầu phát có bước sóng khác 1 ,   n Các kênh quang ghép với nhờ ghép kênh quang OMUX truyền sợi quang đến đầu thu Yêu cầu ghép kênh phải có độ suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu tới đầu ghép bị suy hao, kênh có khoảng bảo vệ định để tránh gây nhiễu sang Tại phía thu, ODMUX thực q trình tách tín hiệu thu thành kênh khác Mỗi kênh tương ứng với bước sóng Mỗi kênh đưa đến đầu thu riêng Để tránh xuyên nhiễu kênh, yêu cầu thiết kế giải ghép thật xác n Tx Tx 1 1 . n n  n 1 Rx n Rx 2 n 1 MUX/ DMUX MUX/ DMUX  n 1  n n Rx Rx n Tx Tx n  n 1 2 n Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM hai hướng Phần trình bày phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang hướng, tức tín hiệu ghép đầu tách đầu kia, tín hiệu truyền sợi quang theo hướng Ngồi người ta thực truyền dẫn ghép bước sóng quang hai hướng sợi quang hình 1.3 Trong hệ thống truyền dẫn hai hướng, n kênh quang có bước sóng 1…n ghép lại truyền theo hướng, n kênh quang khác có bước sóng n+1…2n ghép lại truyền theo hướng ngược lại sợi quang Phương pháp yêu cầu nghiêm ngặt độ rộng phổ kênh chất lượng tách kênh Trong hệ thống mà bước sóng kênh quang cách xa nhau, thường thuộc cửa sổ khác nhau, gọi ghép thưa SWDM (Sparse Wavelength Division Multiplexing) Hệ thống có khoảng cách kênh quang nhỏ, kênh quang có bước sóng gần gọi hệ thống ghép kênh mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Khi vấn đề trở nên phức tạp nhiều yêu cầu chất lượng thành phần hệ thống quang cao 1.1.3 Đặc điểm hệ thống WDM 1.1.3.1 Tận dụng tài nguyên Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng thông truyền dẫn to lớn sợi quang, làm cho dung lượng truyền dẫn sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần tới hàng trăm lần, từ tăng dung lượng sợi quang, hạ giá thành hệ thống Hiện nay, dải tần truyền dẫn có suy hao thấp sợi quang sử dụng phần nhỏ Nếu ứng dụng cơng nghệ WDM hiệu tận dụng băng tần sợi quang vấn đề truyền dẫn to lớn Dùng cơng nghệ WDM ghép N bước sóng truyền dẫn sợi quang đơn mode truyền dẫn hồn tồn song công Do vậy, truyền dẫn thông tin đường dài với dung lượng lớn, tiết kiệm số lượng lớn sợi quang Thêm vào khả mở rộng dung lượng cho hệ thống quang xây dựng Chỉ cần hệ thống cũ có độ dư cơng suất tương đối lớn tăng thêm dung lượng mà không cần thay đổi nhiều hệ thống cũ 1.1.3.2 Đồng thời truyền dẫn nhiều tín hiệu Vì cơng nghệ WDM sử dụng bước sóng độc lập với nhau, truyền dẫn tín hiệu có đặc tính hồn tồn khác nhau, thực việc tổng hợp phân chia dịch vụ viễn thơng, bao gồm tín hiệu số tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH 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 vào nhu cầu, cơng nghệ WDM có nhiều ứng dụng mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục nhiều đường, nhiều địa chỉ…, quan trọng ứng dụng mạng 1.1.3.4 Giảm yêu cầu siêu cao tốc linh kiện Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng mà tốc độ xử lí tương ứng nhiều linh kiện quang điện tăng lên theo không đáp ứng đủ Sủ dụng công nghệ WDM giảm yêu cầu cao tốc độ linh kiện mà đáp ứng dung lượng lớn 1.1.3.5 Kênh truyền dẫn IP Ghép kênh bước sóng khn dạng số liệu suốt, tức khơng có quan hệ với tốc độ tín hiệu phương thức điều chế tín hiệu xét phương diện điện Ghép kênh bước sóng biện pháp mở rộng phát triển mạng lí tưởng, cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng (ví dụ IP…) Chỉ cần dùng thêm bước sóng tăng thêm dịch vụ dung lượng mong muốn 1.2 Một số tham số kỹ thuật hệ thống WDM Hệ thống WDM có số tham số chính, 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 ba tham số mơ tả đặc tính ghép/tách kênh 1.2.1 Suy hao xen Suy hao xen xác định lượng công suất tổn hao sinh tuyến truyền dẫn quang tuyến có thêm thiết bị tách/ghép kênh quang Suy hao bao gồm suy hao điểm nối ghép thiết bị WDM với sợi suy hao thân thiết bị ghép gây Vì vậy, thực tế người thiết kế tuyến phải tính cho vài dB đầu Suy hao xen diễn giải tương tự suy hao tách/ghép hỗn hợp (MUX/DMUX) cần lưu ý WDM xét cho bước sóng đặc trưng Suy hao xen xác định sau: - Đối với OMUX: Li  10 lg O ( i ) (dB) I i ( i ) (1-1) Li  10 lg Oi (i ) (dB) I ( i ) (1-2) - Đối với ODMUX Trong đó: I(i) O(i) tương ứng cơng suất tín hiệu quang đầu vào đầu ODMUX OMUX Ii(i) cơng suất tín hiệu đầu vào thứ i củabộ ghép Oi(i) cơng suất tín hiệu đầu thứ i tách Tham số suy hao xen nhà chế tạo cho biết kênh quang thiết bị 1.2.2 Suy hao xuyên kênh Khi thực ghép kênh quang có bước sóng khác để truyền sợi quang phần tín hiệu kênh ghép sang vùng phổ kênh khác Do tách kênh có rị cơng suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng thứ i có bước sóng i sang kênh có bước sóng khác với i.Ngày trường hợp ghép kênh hoàn hảo,ở tách ghép thực tế ln có tượng rị cơng suất tín hiệu từ kênh sang kênh khác.Hiện tượng gọi xuyên kênh 1 M U X N 1 O2()2U2()1 Oi()i Ui()k I()1 I()2 DEM UX 1 MUL DEX 2 MUL DEX O1()1U1()2 2 Hình 1.4 Xuyên kênh hệ thống Trong thực tế tồn tượng xuyên kênh làm giảm chất lượng truyền dẫn Người ta đưa tham số suy hao xuyên kênh để đặc trưng cho khả tách kênh khác tính dB sau: - Đối với tách kênh:  n    U i (k )   (dB) D(i )  10log  k 1,k i  I (i )      (1_3) Trong trường hợp lý tưởng, cửa thứ i có bước sóng i, có tượng xuyên kênh, cửa thứ i có tín hiệu rị từ kênh khác Ui(k) Pi (  j ) công suất tín hiệu khơng mong muốn bước sóng k j cửa thứ i Trong thiết bị ghép/tách kênh hỗn hợp, việc xác định suy hao xuyên kênh áp dụng tách kênh trường hợp phải xem xét hai loại xuyên kênh, xuyên kênh 10 6ps/nm.km),thuận lợi cho việc truyền tín hiệu tốc độ 10 Gbit/s.Phương án làm tảng cho công nghệ DWDM b)phương án tạo khoảng cánh kênh tín hiệu khơng nhau: Phương án làm cho thànhphần tần số sinh hiệu ứng FWM phần lớn bên ngồi băng thơng lọc.Từ giảm nhiều ảnh hưởng hiệu ứng FWM,nâng cao công suất quang tối đa kênh c)Phương án tạo phần khoảng cánh kênh tín hiệu Khuyết điểm phương án b chiếm dụng băng tần lớn,gấp 1,8lần so với phương án c.Vì băng tần hệ thống thực tế có hạn,do phương án b khơng thích hợp với hệ thống WDM có số kênh bước sóng tương đối nhiều.Từ người ta nghĩ phương án tạo phần khoảng cánh kênh tín hiệu nhau.Phương án chiếm băng tần hệ thống 58% phương án b,vì số lượng bước sóng ghép tăng lên nhiều 3.4 Độ phẳng tăng ích khuyếch đại quang sợi EDFA sử dụng hệ thống WDM có u cầu đặc biệt,đó tăng ích phẳng.Như biết EDFA có tăng ích khơng đồng ,do bước sóng khác tăng ích với hệ số khác Qua nhiều tầng khuyếch đại ,sai lệch tăng ích tích luỹ lại Điều làm giảm cấp nghiêm trọng SNR tín hiệu có bước sóng vùng hệ số tăng ích thấp.Mặt khác cũnh làm tăng hiệu ứng phi tuyến tín hiệu có bước sóng vùng có hệ số tăng ích cao.Tóm lại làm giảm chất lượng hệ thống Do mục tiêu đặt cần chế tạo EDFA có hệ số tăng ích phải tương đối phẳng,đảm bảo chênh lệch tăng ích kênh nằm phạm vi cho phép 3.5 Tích luỹ tạp âm dùng khuyếch đại quang EDFA nhiều tầng Về lí luận, hệ số tạp âm khuếch đại EDFA đạt tới dB (Thường thực tế cỡ – dB) Điều nàycó nghĩa qua khuếch đại EDFA, SNR xấu tới lần Mức độ xấu SNR có quan hệ tới số lượng khuếch đại EDFA nhiều tầng khoảng cách đoạn sợi quang khuếch đại với Khoảng cách đoạn sợi quang khuếch đại lớn xấu SNR nghiêm trọng Do xác định tổng cự li truyền dẫn khơng có chuyển tiếp cần làm cho độ dài chặng nhỏ 120 km (tương đương với suy hao 33 dB) nhằm đảm bảo tính truyền dẫn mức SNR 63 Chương IV: Ứng dụng hệ thống WDM 4.1 Ứng dụng WDM mạng truyền dẫn 4.1.1 Tuyến truyền dẫn điểm - điểm dung lượng cao Trong tuyến thông tin điểm-điểm đường dài, tốc độ kênh thường nhỏ 10Gb/s WDM có vai trị tăng dung lượng tuyến truyền dẫn Hình 4.1 sơ đồ khối tuyến thông tin WDM Mỗi kênh tín hiệu điện điều chế với sóng mang riêng Sau chúng ghép lại truyền đến đầu thu Giả sử có N kênh với tốc độ B1 ,B2, ,BN truyền đồng thời qua sợi quang có chiều dài L Tích tổng số tốc độ khoảng cách BL đựoc xác đinh sau: BL= (B1 +B2+ +BN)L 1 Tx (4-1) 1 1 2 Tx 2 2 MUX Tx 2 Rx Rx DMUX Sợi quang n 1 n n n Rx Hình 4.1 Tuyến thơng tin quang WDM điểm -điểm đơn hướng dung lượng cao Khi tốc độ kênh nhau, dung lượng hệ thống tăng lên N lần Năm 1985, BL đạt đến 1,37Tb/s-km bước sóng 1500nm cách ghép 10 kênh 2Gb/s, chiều dài tuyến 68,3 km, khoảng cách kênh 1,35nm Do tán sắc, giá trị BL hệ thống đơn kênh nhỏ 1Tb/s-km Dung lượng tuyến WDM phụ thuộc vào khoảng cách kênh miền bước sóng Khoảng cách tối thiểu kênh bị giới hạn xuyên nhiễu kênh Khoảng cách kênh thường lớn bốn lần tốc độ bít sổ 1500nm, vùng suy hao thấp sợi quang khoảng 120nm (hình 1.1) Ví dụ, kênh có tốc độ 2,5Gb/s, khoảng cách tối thiểu kênh 10GHz 64 0,1nm, ta ghép 1200 kênh băng thơng 120nm Do đó, tổng dung lượng lên tới 3Tb/s Nếu tuyến thông tin không sử dụng trạm lặp điện khuếch đại quang khoảng cách truyền dẫn 80km, BL hiệu dụng 240Tb/s-km Trong hệ thống quang đơn kênh có khả truyền tốc độ bit 2,5 Gb/s, chiều dài tuyến 80 km BL 0,2 Tb/s-km Trong thực tế, có nhiều yếu tố hạn chế việc sử dụng toàn cửa sổ suy hao thấp sợi quang Ví dụ, khuếch đại quang có dải khuyếch đại địng thấp, điều giới hạn số lượng kênh truyền sợi quang Băng thông EDFA thường từ 30 đến 35 nm, sử dung công nghệ làm phẳng hệ số khuyếch đại Một số yếu tố khác làm hạn chế số lượng kênh độ ổn định khả điều chỉnh laser phân bố hồi tiếp, suy giảm tín hiệu q trình truyền dẫn gây hiệu ứng phi tuyến, nhiễu xun kênh q trình ghép kênh Hiện có nhiều ứng dụng hệ thống thông tin quang WDM điểmđiểm dung lượng cao cấp độ thực nghiệm Dựa vào khoảng cách truyền, chia hệ thống WDM thực nghiệm thành hai loại, loại có khoảng cách truyền cỡ 100 km loại 1000 km Năm 1985 tồn hệ thống tin quang WDM thực nghiệm gồm 10 kênh 2Gb/s khoảng cách truyền không dùng trạm lặp 68,3 km Năm 1995 hệ thống thông tin quang WDM dung lượng 340 Gb/s đời cách ghép 17 kênh tốc độ 20 Gb/s khoảng cách truyền 150 km Nhưng năm có ba hệ thống WDM thực nghiệm khác đời với dung lượng Tb/s Thứ hệ thống WDM 55 kênh, khoảng cách kênh 0,8 nm, tốc độ kênh 20 Gb/s khoảng cách truyền 150 km, sử dụng khuyếch đại Do đó, dung lượng hệ thống 1,1 Tb/s BL 165 Tb/s-km Thứ hai hệ thống 50 kênh, kênh có tốc độ 20 Gb/s, khoảng cách truyền 55 km Thứ ba hệ thống ghép 10 kênh 100Gb/s với khoảng cách truyền 55 km Hệ thống sử dung kĩ thuật WDM kết hợp với TDM (mỗi kênh 100 Gb/s tạo thành cách ghép 10 kênh 10Gb/s theo kĩ thuật TDM) Đến cuối năm 1996 xuất hệ thống có dung lượng 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 65 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) 10 100 1000 40 40 16 10 160 531 85 32 10 320 640 205 32 160 9300 1488 50 20 1000 55 55 55 20 1100 150 165 132 20 2640 120 317 NBL (Tb/s-km) 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 Trong thí nghiêm tạo hệ thống 20 Gb/s (ghép kênh 2,5 Gb/s), khoảng cách truyền 6000 km, khoảng cách hai khuyếch đại 75 km Một thí nghiệm khác tạo hệ thống 40 Gb/s (ghép kênh Gb/s), khoảng cách truyền 4500 km sử dụng mã RZ để cải thiện tỉ số tín hiệu tạp âm Năm 1996 cho đời hệ thống WDM thực nghiệm dung lượng 320 Gb/s (ghép 16 kênh 20 Gb/s) độ dài tuyến 531 km Đối với loại loop vòng sợi quang tồn hệ thống 100 Gb/s (ghép 20 kênh Gb/s) truyền vượt đại dương với khoảng cách 9100 km Hệ thống có sử dụng thêm kĩ thuật ngẫu nhiên hố phân cực sửa lỗi trước 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 66 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 thông 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 4.1.2 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 cịn đươc gọi mạng phát quảng bá thu lựa chọn Nếu hệ thống thơng 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 2 N N Bộ phát Saoquảng bá Bộ thu khả chỉnh Hình 4.2 Mạng WDM quảng bá hình 67 Hiện tồn nhiều ứng dụng mạng quảng bá cấp độ thí nghiệm Gần có thí nghiệm quảng bá 8x8 để phân phối kênh tín hiệu, khoảng cách kênh 15 nm Mỗi thu có lọc khả chỉnh băng thơng 10 nm dải điều chỉnh 400 nm Ngồi cịn số thí nghiệm khác sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent, thực ghép 10 kênh quang 70Gb/s, khoảng cách kênh 6GHz Thí nghiệm sử dụng quảng bá 128 x128 để đưa tín hiệu tới nhiều thuê bao khác 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 công 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  log N BN   T 1    (1  C L )  N P h  (4-4) Từ công 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 không Khi đó, B.N = 78 Tb/s Trong trường hợp tách sóng trực tiếp NP =100 68 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 phát quang nhỏ Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn 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 th bao đủ lớn Ngồi ra, cịn hệ thống thí 69 nghiệm có số thuê bao 43,8 triệu, dung lượng hệ thống 39,81Gb/s khoảng cách truyền dẫn 507km 4.2 Ứng dụng WDM mạng đa truy nhập 4.2.1 Mở đầu Trong thực tế có nhiều kiểu đa truy nhập khác TDMA, CDMA, FDMA, WDMA Các kĩ thuật dựa vào tài nguyên thời gian, khơng gian, tần số bước sóng để phân phối tín hiệu từ trạm thu tới trạm phát 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 Các kênh quang từ nút khác ghép với nhờ coupler quang N xN Bộ ghép trộn tất tín hiệu đến chia công suất tới thu Kết là, tín hiệu từ tất cổng vào thu từ cổng Hệ thống có 70 chia sẻ bước sóng, từ nút thu kênh chung mơi 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 đòi 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) 4.2.2 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 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 71 động PON (telephone PON Broad PON), mạng Lambdanet, mạng quang thụ động PPL, mạng Rainbow Mạng Lambdanet mạng quang triển khai cấp độ thí nghiệm Cấu trúc mạng cho hình 4.5 Giao diện điện LaserTx 1 Bộ thu Nút N Nút WDM DEMUX Coupler Sao NxN Giao diện điện Laser Tx 2 Bộ thu Nút Nút WDM DEMUX Nút Hình 4.5 Cấu trúc mạng Lambdanet Mạng Lambdanet mạng phát quảng bá thu lựa chọn hình FT-FR 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 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 72 kết nối 32 nút, kênh có tốc độ 1Gb/s khoảng cách truyền từ 10 đến 20 km Mạng sử dụng coupler thụ động (hình 4.5) 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 tồn lưu lượng PON mang tín hiệu quang tới tận nhà Hình 4.6 sơ đồ khối mạng vịng 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 thuê 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 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 u cầu mà đảm bảo giá thành thấp Ngoài người ta cịn sử dụng cơng nghệ cắt phổ LED để tạo bước sang cho hệ thống WDM Thuê bao N Bộ phát 1 S W I T C H MUX/ DMUX MUX/ DMUX N Bộ thu Sợi quang N+ N+1 2 Thuê bao N+ Trạm xa 2N N Thuê bao N Trạm trung tâm Hình 4.6 Sơ đồ khối mạng vịng quang thụ động nội hạt 73 4.2.3 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 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 4.7 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 74 Nút T R Nút T T 8, 4 R 1, 2 9, 13 3, 4 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 Nút 9,10 1,5 12, 16 R T R T Nút R Nút Hình 4.7 Một mạng đa chặng 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 =2m) 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 mơ tả sơ đồ khối chức nút mạng Teranet 75 Đến đầu vào nút khác Từ đầu nút khác Chuyển mạch ATM 3x3 1, 2, N  1 1 1 , 2 , N 1 , 2 , N 1 , 2 , N 1 , 2 , N 1 , 2 , N 1 , 2 , N 1 , 2 , N Bộ điều chế RF khả chỉnh 1 , 2 , N 4 1, 2, N  3 1 , 2 , N 1 , 2 , N 1 , 2 , N 1 , 2 , N Laser DBF Hình 4.8 Sơ đồ khối chức nút mạng Teranet 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 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 4.3 Ứng dụng WDM mạng chuyển mạch quang Hiện nay, phát triển dịch vụ thoại phi thoại mà đặc biệt Internet số dịch vụ băng rộng khác tạo bùng nổ nhu cầu dung lượng Kỹ thuật WDM đời giải vấn đề Như phần đề cập, kỹ thuật WDM ứng dụng mạng truyền dẫn mạng truy nhập Người ta 76 sử dụng tài nguyên băng thông to lớn sợi quang để truyền nhiều kênh quang sợi quang Một sợi quang truyền dẫn thơng 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 u 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 thông qua 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 khơng cần biến đổi quang điện Do đó, khơng bị linh kiện chuyển mạch điện tử hạn chế tốc độ Ngồi ra, chuyển mạch quang khơng phụ thuộc vào tốc độ phương thức điếu chế tín hiệu, có cơng suất tiêu thụ thấp Song kỹ thuật chuyển mạch quang cịn tồn nhiều khó khăn việc 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 cịn đơn giản, khơng thể hồn thành chức xử lí logic phức tạp phận điều khiển, nên chuyển mạch quang điện cịn 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 77 ... khái quát hệ thống, nguyên lí hoạt động hệ thống tách /ghép kênh quang đặc điểm tham số kỹ thuật hệ thống WDM Chương II: Giới thiệu thành phần hệ thống WDM gồm Bộ phát quang, Bộ tách ghép quang,... đương hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ nhiều Gbps Với nhận thức ấy, đồ án tốt nghiệp em báo cáo tổng quan công nghệ WDM Bố cục đồ án gồm chương: Chương I: Trình bày tổng quan hệ thống WDM, chương... khả hệ thống WDM Thêm vào đó, hệ thống cịn mềm dẻo có phần tử tách ghép quang, nối chéo quang, chuyển mạch quang, lọc quang thực lựa chọn kênh động tĩnh… Khái niệm WDM biết đến từ năm 1980, mà hệ