Việc thiết kế hệ thống truyền dẫn quang phải luôn đảm bảo hệ thống hoạt động được thoả mãn yêu cầu về chất lượng tín hiệu. Thông số quan trọng của hệ thống DWDM là tỉ lệ lỗi bit BER, thường yêu cầu trong khoảng 10-9 - 10-12. Việc tính toán BER thường qua hệ số Q và OSNR.
57
BER với hệ số Q có mối quan hệ theo công thức hàm lỗi như sau:
BER = 1
Q√2π exp(−Q
2
2 ) (2.17)
Hệ số Q đặc trưng cho chất lượng của tín hiệu, nó là một hàm của tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR theo công thức:
Q(dB) = OSNR(dB) + 10𝐵0
𝐵𝑐 (2.18)
Trong đó B0 là băng thông quang ở bộ thu và Bc là băng thông điện của bộ lọc thu. Trong thực tế, khi thiết kế hệ thống cần OSNR(dB) > Q(dB) ít nhất 1 – 2 dB. Khi thiết kế hệ thống tốc độ cao, dự phòng tại bộ thu là khoảng 2 dB tức là Q phải nhỏ hơn OSNR 2 dB.
OSNR là tham số đánh giá chất lượng kênh bước sóng. Mỗi kênh hay bước sóng sẽ có 1 giá trị OSNR khác nhau, được xác định bằng tỉ số tín hiệu/nhiễu tại điểm thu. Nguồn nhiễu trong hệ thống DWDM chủ yếu là nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE của các bộ khuếch đại được tích luỹ dần dọc đường truyền. Do đó sử dụng càng nhiều bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn thì OSNR của tín hiệu càng nhỏ. Giá trị OSNR tối thiểu cho hệ thống tốc độ 10 Gbps là 17 dB. Khi tín hiệu có OSNR nhỏ hơn giá trị tối thiểu hoặc tán sắc vượt quá giới hạn thì phải sử dụng các bộ tái tạo 3R, là các thiết bị chuyển đổi OEO rất đắt tiền. Việc thiết kế tối ưu hệ thống DWDM sẽ đảm bảo hệ thống sử dụng ít nhất các bộ tái tạo, giúp cho chi phí đầu tư là nhỏ nhất, mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về chất lượng tín hiệu và nhu cầu lưu lượng.
Xét tuyến truyền dẫn đường dài DWDM như hình 2.18 [2].
58
Các bộ khuếch đại được đặt theo một khoảng cách đều nhau, khi đó mỗi tầng khuếch đại sẽ tích thêm nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE và làm suy giảm OSNR. Khi thiết kế hệ thống theo OSNR ta phải đảm bảo giá trị OSNR tại tầng cuối cùng phải phù hợp các yêu cầu của hệ thống.
Giá trị OSNR ở mỗi tầng là:
OSNRi = Pin
NFstage .h.υ.∆f (2.19)
Trong đó: NFstage là hệ số nhiễu của 1 tầng, h là hằng số Plank = 6.626x10-34, υ là tần số quang = 193 THz và Δf là băng thông để đo NF, thường là 12,5 GHz.
Giá trị OSNR tổng là : 1
OSNRfinal = ∑ 1
OSNRi (2.20)
Giá trị OSNR tại mỗi tầng có thể được viết lại theo hệ số khuếch đại G như sau:
OSNR = Pin
PASE = Pin
2nsp(G−1).h.υ.∆f (2.21)
Trong đó: G là hệ số khuếch đại của mỗi bộ khuếch đại, nsp là tham số mật độ đảo có công thức như sau:
nsp = 0,5 x 10NF10 (2.22)
Với hệ thống có N tầng khuếch đại, mỗi bộ khuếch đại sẽ bù suy hao của đoạn đường truyền trước đó với suy hao là L (dB). Khi đó công thức OSNR tổng là:
OSNR = Pin (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
NF.h.υ.∆f.L.N (2.23)
Giả thiết Δf = 0,1 nm (12,5 GHz), NF của mỗi bộ khuếch đại là như nhau, suy hao L trên từng đoạn như nhau, thì giá trị OSNR là :
59
Trong hệ thống DWDM, khi thiết kế thì cần xem xét OSNR của kênh bước sóng có chất lượng kém nhất. Kênh kém nhất thường là kênh đầu tiên hoặc cuối cùng của phổ.
Trong công thức 2.24, ta thấy độ lợi của EDFA không ảnh hưởng đến OSNR. Các bộ EDFA bù công suất tín hiệu suy giảm do suy hao đường truyền nhưng do tính nối tầng mà OSNR liên tục bị giảm theo chiều dài và nhiễu ASE tích luỹ. Ta có thể cải thiện OSNR bằng cách sử dụng khuếch đại Raman phân bố (DRA). Xét hệ thống DWDM với khuếch đại Raman bơm ngược như hình 2.19 [2].
Hình 2.19: Hệ thống DWDM đa tầng khuếch đại Raman
Trong đó giá trị OSNR của mỗi tầng là: OSNRi = PiniGRA (i)
NFihυ∆f (2.25)
Giá trị OSNR tại tầng cuối cùng là: 1
OSNRN = ∑ 1
OSNRi + ∑ 1
OSNRRA (2.26)
Ta thấy hệ số khếch đại GRA của bộ khuếch đại Raman sẽ cải thiện OSNR của hệ thống. Việc sử dụng khuếch đại Raman kết hợp với EDFA là giải pháp tối ưu giúp tăng khoảng cách truyền dẫn, hạn chế sử dụng nhiều bộ khuếch đại và bộ tái tạo. Ngoài ra, các thuật toán định tuyến bước sóng như tìm đường ngắn nhất hoặc định tuyến theo hệ số NF cũng góp phần giảm việc sử dụng bộ tái tạo, do đó sẽ tối ưu được về chi phí đầu tư.
Khuếch đại Raman phân bố sử dụng sợi quang để khuếch đại tín hiệu quang nên tốc độ suy giảm OSNR ít hơn so với EDFA. Điều này minh hoạ trong hình 2.20,
60
trong đó mức OSNR là một hàm của khoảng cách truyền dẫn cho DRA và EDFA [6]. Mức OSNR chấp nhận được tại bộ thu phụ thuộc vào độ nhạy thu và dự trữ hệ thống mong muốn. Với mức OSNR mong muốn tại bộ thu và với khoảng cách các bộ khuếch đại cho trước, DRA có khoảng cách truyền dẫn xa hơn so với khuếch đại EDFA. OSNR giảm chậm hơn khi khoảng cách các bộ khuếch đại gần nhau hơn. Thông thường khoảng cách giữa các bộ khuếch đại là 80 km, một số mạng có khoảng cách tới 100 km.
Hình 2.20: OSNR với khuếch đại Raman phân bố và EDFA
Thực tế, tín hiệu có thể phải đi qua nhiều nút mạng trung gian để đến được nút cuối, mỗi nút ROADM cũng ảnh hưởng đến OSNR, đặc biệt khi tăng số lượng ROADM, các yếu tố gây suy giảm OSNR như: suy hao xen, nhiễu xuyên kênh, dải thông bị thu hẹp và méo, độ ổn định công suất, tán sắc sắc thể, tán sắc phân cực mode PMD và suy hao phụ thuộc phân cực PDL. Tán sắc sắc thể gây ra bởi ROADM rất nhỏ, không đáng kể so với sợi quang, có thể bù bằng DCM hoặc các công nghệ điện tử khác. Sự dao động công suất do chuyển mạch không ổn định và PDL có thể bù tại mỗi nút bằng cách sử dụng bộ giám sát công suất quang để cân bằng công suất. PMD thường rất nhỏ nhưng nếu số lượng ROADM lớn thì cũng có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thu được khi tốc độ tín hiệu là 40 Gbps.
61
Nguyên nhân chủ yếu gây nên suy giảm OSNR chính dải thông bị hẹp, méo và nhiễu xuyên kênh khi tín hiệu đi qua nhiều bộ ROADM. Vì bộ lọc trong ROADM không lý tưởng, phần đỉnh của bộ lọc không hoàn toàn bằng phẳng, tín hiệu bị méo khi đi qua nó. Hơn nữa, băng thông của tín hiệu sẽ bị thu hẹp lại khi đi qua nhiều tầng ROADM. Độ chính xác bước sóng trung tâm, sự trôi nhiệt độ và hình dạng đặc biệt của dải thông là những nguyên nhân gây nên hẹp băng thông. Các bộ lọc cũng không thể lọc hoàn toàn được một bước sóng, nên có thể tạo ra 1 lượng nhỏ nhiễu xuyên kênh giữa các bước sóng liền kề. Ví dụ, thí nghiệm một tuyến quang với khoảng cách kênh 50 GHz có băng thông khoảng 45 GHz (tại 3 dB) tại ROADM đầu tiên. Băng thông giảm 19% khi đi qua ROADM thứ 5 và giảm thêm 6% khi đi qua ROADM thứ 10. Tới ROADM thứ 20 thì băng thông giảm đến 31 GHz. Vậy với một mạng nối tầng 20 ROADM, có thể xảy ra hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI khi tốc độ ký tự của tín hiệu PM-QPSK 100 Gbps là khoảng 28-32 Gbaud [15]. Một thí nghiệm khác mô phỏng với một mạng có 16 bộ ROADM được nối tầng, tốc độ dữ liệu là 10 Gbps. Tính toán sự suy giảm OSNR tại BER = 5x10-5, kết quả là OSNR bị suy giảm ~1,5 - 2,5 dB với ROADM PLC. Với ROADM sử dụng WSS 5x1, ảnh hưởng của dải thông làm OSNR suy giảm khoảng 0,5 dB sau khi đi qua 16 bộ ROADM [15].
Tuy nhiên, các công nghệ quang hiện nay đã cải thiện hiệu năng của các thành phần mạng lên đáng kể. Nhiều hệ thống thương mại có thể truyền dẫn tín hiệu qua 10 hoặc 20 nút mạng trước khi cần tái tạo. Với khả năng này, số lượng nút mạng có thể không là yếu tố chính gây nên suy giảm tín hiệu để tái tạo, đặc biệt trong mạng đường trục khi khoảng cách giữa các nút là rất dài.
62
CHƯƠNG 3 –THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠNG DWDM SỬ DỤNG ROADM