duy trì trong mạng quang WDM 1

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông duy trì trong mạng quang WDM

Để thích ứng với sự tăng trưởng không ngừng đó và thoả mãn yêu cầu tínhlinh 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 nghệTDM, WDM, OTDM, Soliton.

Với công nghệ TDM, dung lượng hệ thống có thể đạt tới 5 Gbps, tuy nhiênđây cũng là giới hạn dung lượng của công nghệ này Với những gì không đạtđược của hệ thống TDM về mặt dung lượng thì hệ thống thông tin quang dựatrên công nghệ WDM lại đáp ứng được.

Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM - Wavelength DivisionMultiplexing) là công nghệ truyền đồng thời nhiều bước sóng khác nhau trênmột sợi quang, với dung lượng trên mỗi bước sóng quang điển hình là 2,5 Gbps.Số lượng ghép thường là (2 – 16) bước sóng (trong tuơng lai, con số này còn lớnhơn) Ở đầu vào, các bước sóng quang mang thông tin (các kênh quang) đượcghép trên cùng một sợi quang và được truyền dẫn tới đầu thu Tại đầu thu, cácbước sóng ghép đó được tách ra bằng các bộ tách kênh quang Dọc theo tuyếntruyền dẫn có thể có các bộ khuếch đại quang để bù lại suy hao truyền dẫn Côngnghệ này thực sự cho hiệu quả truyền dẫn rất cao mà không quá phức tạp

Dưới đây là một tính toán cho thấy sự hấp dẫn của công nghệ WDM

Băng tần truyền dẫn của sợi quang là rất lớn; Chỉ với riêng cửa sổ quang1550 nm thì dải bước sóng có thể sử dụng là 1500 nm – 1600 nm, tương ứng vớidải tần rộng cỡ 12,5 THz

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 3

Sử dụng cho tốc độ truyền tin cỡ 10 Gbps thì chỉ cần sử dụng một phần rấtnhỏ trong băng tần truyền dẫn này Rõ ràng, có thể thấy dung lượng yêu cầu cỡhàng trăm Gbps là hoàn toàn nằm trong khả năng của hệ thống WDM Thêm vàođó, hệ thống còn rất mềm dẻo khi có các phần tử như bộ tách ghép quang, bộ nốichéo quang, chuyển mạch quang, các bộ lọc quang thực hiện lựa chọn kênh độnghoặc tĩnh…

Các công nghệ khác như OTDM, truyền dẫn Soliton thì dung lượng đượcđáp ứng rất tốt nhưng lại quá phức tạp, bởi thế mà giá thành hệ thống lại trởthành vấn đề đáng quan tâm.

Công nghệ WDM với sự nâng cấp mở rộng dung lượng phát triển dịch vụbăng rộng, khai thác đầy đủ tiềm năng băng rộng của sợi quang, thực hiện truyềndẫn thông tin siêu tốc, có ý nghĩa rất quan trọng trong truyền dẫn cáp sợi quangnói riêng, trong công nghiệp viễn thông nói chung Thực sự, nó là công nghệđáng được quan tâm, nghiên cứu và triển khai ứng dụng rộng rãi.

1.2.Tiến trình phát triển mạng truyền tải

Để thấy rõ được xu hướng phát triển mạng trong tương lai, trước hết nhìnlại lịch sử phát triển của công nghệ mạng truyền tải Công nghệ mạng đã trải quacác giai đoạn chuyển đổi từ tương tự sang số, từ phân cấp số cận đồng bộ(PDH)sang phân cáp số đồng bộ (SDH) và gần đây là từ SDH sang WDM (ghép kênhphân chia theo bước sóng) Để hỗ trợ và tương thích hoàn toàn với công nghệ cũthì công nghệ chuyển mạch mới phải thích hợp với công nghệ truyền dẫn trước.Chẳng hạn công nghệ PCM có chuyển mạch ở mức 64Kbit/s và truyền dẫn ởmức 2Mbit/s; khi chuyển lên PDH thì nối chéo ở mức 2Mbit/s và truyền dẫn ởmức 140Mbit/s; và khi lên đến SDH thì nối chéo ở mức 155Mbit/s và truyền dẫn

Nguyễn Trọng Cường, D01VT

Pha của một nguồn quang

Hình 1.1 Băng tần truyền dẫn sợi quang.

 [dB]m]0,7 0,8 0,91,0 1,1 1,2 1,31,4 1,5 1,6

1,5 1,6

4

ở mức 10Mbit/s Còn với công nghệ WDM thì chưa được xác định rõ nhưngtheo dự đoán thì tốc độ chuyển mạch cơ sở cỡ 300Gbit/s tương ứng với dunglượng truyền dẫn 10Tbit/s Dựa theo lịch sử phát triển và nhu cầu hiện tại thìcông nghệ WDM ít nhất cũng đáp ứng được trong một thập kỷ Trong tương lai,sớm hay muộn thì cũng cần có công nghệ WDM phát triển hơn và có lẽ được kếthợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu quang như ghép kênh theo thời gianquang(OTDM) và chuyển mạch gói quang cùng với các trạm lặp quang 3R đểmở rộng độ trong suốt của mạng Trong tương lai xu hướng tiến tới mạng toànquang (photonic).

Để xây dựng nên một mạng truyền tải photonic khả thi và có lợi về kinh tếthì ngoài thách thức ban đầu về các công nghệ đường truyền quang chất lượngcao, các bộ nối chéo, và các nút chuyển mạch quang thì còn cần phải vượt quathách thức về cấu trúc mạng Yêu cầu quan trọng nhất của một mạng truyền tảiđó là nó cần có cấu trúc tốt Yêu cầu này cũng được thực hiện tương tự như củacác mạng SDH hiện nay Các thành phần cấu trúc sơ bản đó là các topo Ring vàMesh và có thể tổ hợp theo vài cách như kết hợp Ring/Mesh, phân cấp đaRing… Hình 1.2 chỉ ra xu hướng phát triển có thể của mạng truyền tải photonictương ứng với sự phát triển công nghệ các khối cơ bản.

Khi xây dựng mạng thì cũng cần có sự giám sát xem cái gì sẽ xảy ra trongmạng Trong khi khai thác chắc chắn sẽ gặp phải các sự kiện được dự liệu trướcvà các sự kiện không xác định trước và đôi khi không mong muốn Do đó cần cóhệ thống báo hiệu và giám sát cho mạng So với mạng SDH, thì có rất nhiều vấnđề cần phải được đề cập trong mạng WDM Ví dụ giám sát tỷ lệ lỗi bít quang rõràng làm dễ dàng hơn cho hoạt động của mạng WDM Cần có các tiêu chuẩn vềmào đầu và báo hiệu để phát triển các thiết bị mạng WDM.

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 5

Rào cản quan trọng tiếp theo cần vượt đó là phát triển một mô hình thôngtin hiệu quả để trích và xử lý tất cả các trừơng thông tin nhận từ mạng Các thửnghiệm đã chỉ ra rằng áp dụng thẳng cách tiếp cận mô hình phân lớp được pháttriển cho mạng SDH đã nảy ra một số vấn đề đối với mạng WDM Khi phát triểncác hệ thống quản lý các mạng WDM có bản chất tương tự với nhiều hiệu ứngvẫn chưa được xác định rõ đã nảy ra các thách thức mới cho nghiên cứu.

1.3.Công nghệ WDM

1.3.1 Ưu nhược điểm của công nghệ WDM

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấynhững ưu điểm nổi trội:

Dung lượng lớn truyền dẫn lớn

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 6

Ring WDM kết nối đầy đủ

Ring WDM kết nối tập trung

Truyền dẫn WDM điểm-điểmTruyền dẫn WDM chuỗi có OADM

Topo Mesh và kết nối các Ring

Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi kênh quang ứng vớitốc độ bit nào đó (TDM) Do đó hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớnhơn nhiều so với các hệ thống TDM Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng vớimỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là200Gbit/s đã được thử nghiệm thành công Trong khi đó thử nghiệm hệ thốngTDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s).

 Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệthống TDM đơn kênh tốc độ cao.

Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫntăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một bước sóng riêng(kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp Điều này làm giảm đáng kểtác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do đó tránh được sựphức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao.

 Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cảkhi hệ thống vẫn đang hoạt động

Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có màkhông phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang) Bên cạnh đó nó cũngmở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoàiviệc thuê sợi hoặc cáp Việc nâng cấp chỉ đơn giản là cắm thêm các Card mớitrong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-in-play).

 Quản lý băng tần hiệu quả và tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt

Nhờ việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM nên nó cókhả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạngtrong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần đi lại cáp hoặc thiết kế lại mạnghiện tại.

 Giảm chi phí đầu tư mới

Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằmở ngay bản thân công nghệ Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệnày

 Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quangCông nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượngnhưng nó cũng chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang Cho dù

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 7

công nghệ còn phát triển nhưng dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tớihạn

 Chi phí cho khai thác và bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạtđộng hơn.

1.3.2 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng

Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ cơ bản để tạo nên mạngquang Kỹ thuật này tận dụng băng tần của sợi quang bằng cách truyền nhiềukênh bước sóng quang độc lập và riêng rẽ trên cùng một sợi quang Mỗi bướcsóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi, ta có thể hiểu là mỗi một màu sắckhác nhau là một kênh thông tin quang khác nhau Và như vậy tín hiệu truyềntrên hệ thống WDM sẽ giống như một chiếc “cầu vồng” Mặc dù bước sóng ứngdụng trong thông tin là những bước sóng không nhìn thấy, song đây là một cáchthức rất trực quan để mô tả nguyên lý này.

Trên một sợi quang hoặc một hệ thống thông tin quang ta có thể ghép bướcsóng quang theo một hướng đi hoặc cả hai hướng đi và hướng về

Theo thời gian, khái niệm WDM được thay bằng khái niệm DWDM Vềnguyên lý không có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm này, DWDM nói đếnkhoảng cách gần giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số lượng kênh riêngrẽ (mật độ kênh) trong hệ thống Những kênh quang trong hệ thống DWDMthường nằm trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu là 1550 nm vì môi trường ứngdụng hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và dung lượngtruyền dẫn lớn Công nghệ hiện nay đã cho phép chế tạo phần tử và hệ thốngDWDM 80 kênh với khoảng cách kênh rất nhỏ (xấp xỉ 0,5 nm) Để thuận tiện

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 8

Hình 1.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM

12 n12 n

12

chúng ta dùng thuật ngữ WDM để chỉ chung cho cả hai khái niệm WDM vàDWDM.

Nhìn bên ngoài, một hệ thống truyền dẫn WDM và một hệ thống truyềndẫn quang SDH có rất nhiều điểm tương tự Cả hai hệ thống đều có:

 Các thiết bị ghép tách kênh đầu cuối (MUX, DEMUX).

 Các thiết bị khuếch đại đường truyền hoặc lặp (Line Amplifier,Regenerator).

 Các thiết bị xen/rẽ kênh (ADM).

 Các thiết bị đấu chéo (Cross-Connect Equipment). Sợi quang.

Tuy nhiên khác biệt quan trọng giữa chúng là ở chỗ: Hệ thống truyền dẫnSDH chỉ dùng một bước sóng quang cho mỗi hướng phát, còn hệ thống WDMthì dùng nhiều bước sóng (từ hai bước sóng trở lên); đối tượng làm việc của hệthống SDH là các luồng tín hiệu số PDH/SDH, còn của hệ thống WDM là cácbước sóng và các bước sóng này không nhất thiết chuyển tải tín hiệu số Mỗibước sóng có chức năng như một sợi quang cung cấp môi trường truyền tín hiệucho hệ thống khác và vì vậy gọi là sợi “quang ảo”.

WDM ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tăng vọt về băng thông do sự pháttriển chưa từng thấy của mạng máy tính toàn cầu Internet, sự ra đời của các ứngdụng và dịch vụ mới trên nền tảng Internet Trước WDM, người ta tập trung mọinỗ lực để nâng cao tốc độ truyền dẫn của các hệ thống SDH nhưng kết quả thuđược không mang tính đột phá vì công nghệ xử lý tín hiệu điện tại tốc độ cao đãdần đến giới hạn Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s bản thân các mạch điện tửkhông thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kì hẹp Thêm vào đó chi phícho các giải pháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt động khá phức tạp, đòi hỏicông nghệ rất cao Trong khi đó băng thông cực lớn của sợi quang mới được sửdụng một phần nhỏ Tuy nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM rất gần vớinguyên lý ghép kênh theo tần số FDM, nhưng các hệ thống WDM chỉ đượcthương mại hoá khi một số công nghệ xử lý tín hiệu quang trở nên chín muồi,trong đó phải kể đến thành công trong chế tạo các laser phổ hẹp, các bộ lọcquang, và đặc biệt là các bộ khuếch đại đường truyền quang dải rộng (khuếchđại quang sợi EDFA, khuếch đại Raman).

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 9

Các laser phổ hẹp có tác dụng giảm tối đa ảnh hưởng lẫn nhau của cácbước sóng khi lan truyền trên cùng một sợi quang Các bộ lọc quang dùng đểtách một bước sóng ra khỏi các bước sóng khác Các bộ khuếch đại đườngtruyền dải rộng cần để tăng cự ly truyền của tín hiệu quang tổng gồm nhiều bướcsóng, nếu không có các bộ khuếch đại này thì các điểm cần tăng công suất tínhiệu người ta phải tách các bước sóng ra từ tín hiệu tổng, sau đó hoặc là khuếchđại riêng rẽ từng bước sóng rồi ghép chúng trở lại, hoặc là phải thực hiện cácbước chuyển đổi quang- điện-quang trên từng bước sóng rồi mới ghép, và nhưvậy thì tốn kém và làm cho hệ thống trở nên kém tin cậy.

 Lớp đoạn ghép kênh quang(OMS – Optical Multiplex Section) được sửdụng để mô tả một chặng điểm nối điểm dọc tuyến quang Mỗi OMS bao gồmmột số đoạn lặp nằm giữa hai bộ khuếch đại.

 Lớp đoạn truyền dẫn quang, hay còn gọi là lớp khuếch đại quang(OTS –Optical Transmission Section) Điều đó cho ta thấy mỗi đoạn ghép kênh quangthuộc về lớp khuếch đại quang.

Nguyễn Trọng Cường, D01VT

Electronic Layer (Lớp điện) W

D M

OCh - Lớp kênh quang

OMS - Lớp đoạn ghép kênh quang OTS - Lớp đoạn truyền dẫn quang

Đoạn

khuếch đạiĐoạn ghép Kênh

Đoạn

khuếch đạiĐoạn ghép

Đoạn

khuếch đại

Nút WDM

Hình 1.4 Các lớp con trong lớp quang của mạng WDM

Nút WDM

Nút WDM

Trong mô hình phân lớp giao thức ở mạng truyền tải dưới đây thì quan hệlớp ATM; SDH với lớp WDM là quan hệ giữa lớp client và lớp server Các tínhiệu SDH và ATM dại diên cho dịch vụ ở lớp client mà được mang trên hệthống WDM Nếu xét đến khái niệm phân lớp mạng thì hệ thống WDM đượcxem như phương tiện vật lý, cùng với sợi quang tạo thành lớp “kênh quang”

Dưới góc độ phát triển hệ thống thì WDM cùng với thiết bị xen/rẽ kênhquang (OADM) và bộ nối chéo quang (OXC) sẽ tạo thành một lớp mạng quang.Sự phát triển này tiến tới một mạng truyền dẫn sử dụng kênh bước sóng hay nóingắn gọn là lớp mạng quang ở dưới lớp client, tức là sẽ tách mạng truyền dẫn vềtopo thành hai lớp quang và điện trong đó hệ thống WDM là hạt nhân của “lớpmạng quang”.

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 11

Lớp mạch điện(như ATM, IP )

Lớp kênh SDH

Lớp kênhquang WDM

Hình 1.5 Vị trí của hệ thống WDM trong mạng truyền tải

OXC và OADM

Bộ định tuyến và chuyển mạch ATM

DXC và ADM

Với sự phát triển mạnh của các thiết bị chuyển mạch quang và chuyển đổibước sóng thì xu hường tiến tới mạng toàn quang là không xa.

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 12

Voice, IP

ATM

 Nguồn phát: Nguồn phát sử dụng trong các hệ thống WDM thường là

laser như sử dụng trong các hệ thống khoảng cách lớn thông thường Tuynhiên, chúng phải đáp ứng được các yêu cầu nghiêm ngặt hơn

 Bộ thu: Bộ thu có chức năng biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện

và phải hoàn toàn tương thích với bộ phát cả về bước sóng và các đặc tính điềuchế Có 2 loại bộ thu thường được sử dụng cho các hệ thống WDM là diode PINvà photodiode thác APD PIN hoạt động với nguồn công suất thấp hơn (5V)

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 13

Hình 1.7 Cấu trúc của một hệ thống WDM đơn giản

nhưng lại có độ nhạy thấp và băng tần hẹp hơn APD APD phù hợp cho các ứngdụng cự ly lớn Các tham số cơ bản để đánh giá 1 bộ thu gồm: đáp ứng phổ, độnhạy, băng tần phổ và điện, dải động và nhiễu

 Sợi quang: Sợi quang là thành phần cơ bản của một mạng quang Sợi

đơn mode chuẩn (G.652) có bước sóng tán sắc bằng 0 tại 1310nm và giá trị tánsắc lớn tại 1550nm (18ps/nm.km) hiện nay vẫn được sử dụng làm môi trườngtruyền dẫn cho các hệ thống WDM Mặc dù có đặc tính không tương thích vớicửa sổ EDFA tại 1550nm này nhưng các phép đánh giá gần đây đã cho thấyrằng loại sợi này có thể dùng cho các hệ thống WDM tốc độ trung bình màkhông làm suy giảm chất lượng tín hiệu qua các khoảng cách đáng kể nếu hệthống có sử dụng sợi bù tán sắc hoặc các thiết bị bù tán sắc khác Sợi tán sắcdịch chuyển, DSF, (G.653) tuy có tán sắc bằng 0 tại bước sóng 1550nm nhưngkhông được khuyến nghị dùng cho các hệ thống WDM do hiệu ứng FWM Sợitán sắc dịch chuyển khác 0, NZ-DSF, (G.655) có giá trị tán sắc nhỏ ở vùng cửasổ 1550nm, do vậy hạn chế được các ảnh hưởng phi tuyến đặc biệt là hiệu ứngtrộn 4 bước sóng (FWM) đối với hệ thống là loại sợi được thiết kế cho các hệthống WDM Loại sợi này có lượng tán sắc nhỏ trong vùng bước sóng từ1530nm đến 1565nm (từ hơn 3ps/nm.km tại 1530nm và xuống còn nhỏ hơn 0,7tại 1560nm) Giá trị này đủ để loại bỏ được hiệu ứng FWM mà vẫn cho phéptruyền được các kênh có tốc độ ít nhất 2,5Gbit/s qua khoảng cách 1000km

 Bộ khuếch đại quang: Một trong những yếu tố tạo nên sự thành công

của WDM đã dẫn đến sự ra đời của các bộ khuếch đại quang pha erbium(EDFA) Thiết bị này sử dụng năng lượng từ 1 laser bơm để khuếch đại tất cảcác bước sóng tín hiệu có mặt tại lối vào của chúng 1 EDFA gồm 1 chiều dàisợi quang đã được pha tạp với erbium , do vậy chúng có thể biến đổi năng lượngtừ phát xạ bơm riêng biệt thành các bước sóng đến, tức là đã khuếch đại các tínhiệu Với 1 thiết kế EDFA đơn giản nhất thì sự khuếch đại xảy ra qua 1 vùngbước sóng tương đối hẹp từ 1525nm đến 1565nm Dải 40nm cũng đủ để xử lý 1số lượng lớn các kênh quang EDFA “trong suốt” với giao thức, dạng, tốc độ bitcủa tín hiệu, và trong giới hạn nào đó cả với bước sóng tín hiệu quang Do đó,các kênh quang có thể được xen hoặc rẽ trên tuyến tại bất cứ thời điểm nào.Việc sử dụng EDFA đã cho phép thiết lập được các hệ thống truyền dẫn cự lylớn với ít các thành phần điện tử hơn, tuy nhiên cũng làm xuất hiện 1 số vấn đề

Nguyễn Trọng Cường, D01VT 14