Cỏc thành phần cơ bản trong hệ thống WDM

2. Ngày hoàn thành đồ ỏn: / /20

1.5.4. Cỏc thành phần cơ bản trong hệ thống WDM

Hỡnh 1.12: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM [1]

1.5.4.1. Nguồn phỏt tớn hiệu:

Yờu cầu đối với nguồn phỏt hệ thống WDM sử dụng nguồn tớn hiệu Laser: - Độ rộng phổ hẹp và phổ vạch: Nhỡn chung, hệ thống WDM cũng sử dụng cỏc nguồn phỏt giống như đối với hệ thống truyền dẫn đơn kờnh cự ly dài. Tuy nhiờn trong trường hợp này chỳng ta sử dụng loại Laser DFB hoặc DBR cú duy nhất một vạch phổ trong dải phổ của nú. Độ rộng phổ tuỳ thuộc vào số lượng kờnh trong hệ thống và dung sai của cỏc phần tử.

- Độ ổn định bước súng phỏt: Trong hệ thống WDM cần giảm thiểu sự thay đổi bước súng nguồn phỏt trong suốt thời gian hoạt động để trỏnh được những ảnh hưởng khụng mong muốn đến chỉ tiờu hệ thống.

- Khả chỉnh: Laser khả chỉnh cú nghĩa rất lớn trong mạng quang tương lai, đặc biệt trong mạng quảng bỏ. Khả năng điều chỉnh của bộ phỏt lẫn bộ thu ảnh hưởng đến chỉ tiờu của toàn bộ hệ thống.

Nguồn phỏt quang thường được sử dụng hiện nay là điode phỏt quang (LED) hoặc Laser bỏn dẫn (LD).

1.5.4.2. Bộ ghộp/Tỏch tớn hiệu

Ghộp tớn hiệu là kết hợp một số bước súng ỏnh sang khỏc nhau thành một tớn hiệu tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tỏch tớn hiệu là phõn tỏch luồng tớn hiệu tổng hợp đú thành cỏc bước súng tớn hiệu riờng rẽ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tỏch.

Nờ́u bộ ghộp/tỏch chỉ cho ánh sáng truyờ̀n qua nó theo mụ̣t chiờ̀u thì được gọi là bộ ghộp tỏch đơn hướng, nờ́u bộ ghộp/tỏch cho phép ánh sáng đi qua nó theo hai chiờ̀u thì được gọi là Coupler song hướng. Khi núi đến cỏc bộ tỏch/ghộp tớn hiệu, ta phải xột đến cỏc tham số như khoảng cỏch giữa cỏc kờnh, độ rộng băng tần của cỏc kờnh bước súng, bước súng trung tõm của kờnh, mức xuyờn õm của cỏc kờnh, suy hao…

1.5.4.3. Sợi quang

-Sợi SMF (theo ITU G.652)

Là loại sợi quang đơn mode, sử dụng loại sợi SMF cho phộp đạt tới cự ly xấp xỉ 1000 km tại tốc độ STM-16 mà khụng cần sử dụng cỏc bộ bự tỏn sắc. Tuy nhiờn với tốc độ STM-64 nếu sử dụng loại sợi này thỡ chỉ đạt được khoảng cỏch khoảng 60 km nếu khụng sử dụng bự tỏn sắc. Cũng vỡ tỏn sắc lớn tại vựng bước súng 1550 nm nờn hiệu ứng FWM khụng xảy ra trong sợi SMF.

-Sợi DSF (theo ITU G.653)

Loại sợi này đặc biệt phự hợp với cỏc hệ thống đơn kờnh, cự ly dài, dung lượng lớn. Tuy nhiờn loại sợi này được khuyến nghị là khụng sử dụng cho cỏc hệ thống WDM. Trong trường hợp tuyến đang sử dụng loại sợi này, muốn nõng cấp tăng dung lượng bằng kỹ thuật WDM thỡ phải chọn vựng bước súng cú tỏn sắc đủ lớn để trỏnh hiệu ứng FWM. Điều này làm hạn chế khả năng tăng dung lượng của hệ thống.

-Sợi quang G.654

G.654 là sợi quang đơn mode tới hạn thay đổi vị trớ bước súng cắt. Loại sợi này cú đặc điểm: suy hao ở bước súng 1550 nm giảm nhưng tỏn sắc vẫn tương đối cao, điểm tỏn sắc bằng 0 vẫn ở bước súng 1310 nm. G.654 chủ yếu được sử dụng cho cỏc tuyến cỏp quang biển.

-Sợi NZ-DSF (theo ITU G.655)

Tỏn sắc của loại sợi này đủ nhỏ để cho phộp truyền với tốc độ 10 Gb/s trờn khoảng cỏch 300 - 400 km mà khụng cần bự tỏn sắc nhưng cũng đủ lớn để giảm ảnh hưởng của FWM trong dải băng của EDFA (từ 1530 - 1565 nm). Vỡ vậy loại sợi này đặc biệt thớch hợp với cỏc hệ thống WDM tốc độ cao, cự ly truyền dẫn lớn.

1.5.4.4. Bộ khuếch đại quang

Trong các tuyờ́n truyờ̀n dõ̃n quang thì khi cự ly truyờ̀n dõ̃n xa đờ́n mụ̣t mức nào đó, suy hao tín hiợ̀u trờn đường truyờ̀n cũng như suy hao tín hiợ̀u do các thiờ́t bị sẽ làm cho tín hiợ̀u tại đõ̀u thu sẽ khó hoặc khụng thờ̉ khụi phục được. Khi đó, phải sử dụng các bụ̣ khuờ́ch đại đờ̉ khuờ́ch đại tín hiợ̀u trờn đường truyờ̀n. Trước khi các bụ̣ khuờ́ch đại quang ra đời, thì lựa chọn duy nhṍt cho các tuyờ́n truyờ̀n dõ̃n là sử dụng bụ̣ lặp tái sinh đờ̉ tái tạo lại tín hiợ̀u, tức là bụ̣ lặp nhọ̃n tín hiợ̀u quang, chuyờ̉n tín hiợ̀u quang thành tín hiợ̀u điợ̀n, khụi phục nó, sau đó, lại chuyờ̉n tín hiợ̀u điợ̀n đã

được khụi phục thành tín hiợ̀u quang đờ̉ phát đi. Điờ̀u này làm hạn chờ́ tính trong suụ́t và tăng chi phí bảo trì hợ̀ thụ́ng.

Kỹ thuật khuếch đại quang chiếm ưu thế hơn nhiều cỏc bộ lặp. Bộ khuếch đại quang khụng phụ thuộc vào tốc độ bit và cỏc định dạng tớn hiệu. Một hệ thống sử dụng khuếch đại quang cú thể dễ nõng cấp hơn nhiều, Hơn nữa, cỏc bộ khuếch đại quang cú băng thụng lớn nờn cú thể được dựng để khuếch đại đồng thời nhiều tớn hiệu WDM. Nếu khụng, với mỗi bước súng phải sử dụng một bộ lặp. Kỹ thuọ̃t khuờ́ch đại quang khắc phục được nhiờ̀u hạn chờ́ của các trạm lặp như băng tõ̀n, cṍu trúc phức tạp, tính phụ thuụ̣c vào dạng tín hiợ̀u, cṍp nguụ̀n hay các ảnh hưởng của nhiờ̃u điợ̀n.

Tuy nhiờn, bụ̣ khuờ́ch đại quang được sử dụng rụ̣ng rãi trong hợ̀ thụ́ng WDM là bụ̣ khuờ́ch đại quang sợi pha tạp EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier).

Bụ̣ khuờ́ch đại EDFA sử dụng sợi quang có pha tạp có khả năng khuờ́ch đại được tín hiợ̀u ánh sáng, chúng có thờ̉ thay đụ̉i được các đặc tính vọ̃t lý của sợi theo nhiợ̀t đụ̣, áp suṍt và có tính chṍt bức xạ ánh sáng. Đặc điờ̉m của sợi này là chúng có khả năng tự khuờ́ch đại hoặc tái tạo tín hiợ̀u khi có kích thích phù hợp.

EDFA cho hệ số khuếch đại lớn, cụng suất ra lớn và nhiễu thấp, nú làm việc ở vựng bước súng 1550nm. Trong cỏc hệ thống thụng tin quang, để cho cỏc EDFA hoạt động thỡ cần cú nguồn bơm. Cỏc nguồn bơm thực tế là cỏc laser diode bỏn dẫn cụng suất cao dựng để cung cấp nguồn ỏnh sỏng cho EDFA.

EDFA cú cỏc đặc điểm sau:

- Mụ̣t là khụng cú mạch tỏi tạo thời gian, mạch phục hồi (bộ chuyển đổi O/E và E/O). Do đú, mạch sẽ trở nờn linh hoạt hơn.

- Hai là cụng suất nguồn nuụi nhỏ, nờn khi ỏp dụng cho cỏc tuyến thụng tin vượt biển, cỏp sẽ cú cấu trỳc nhỏ và nhẹ hơn cỏp thường.

- Ba là giỏ thành của hệ thống thấp do cấu trỳc của EDFA đơn giản, trọng lượng nhỏ, khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn được nõng cao.

Ngoài ra, do EDFA cú khả năng khuếch đại nhiều bước súng trong cựng một sợi, nờn nú cú khả năng tăng dung lượng tốc độ lờn đến 20Gbps, hoặc cao hơn khi sử dụng kỹ thuật WDM.

Bụ̣ lọc quang là thiờ́t bị chỉ cho phép mụ̣t kờnh bước sóng đi qua, còn tṍt cả các kờnh bước sóng khác đờ̀u bị chặn. Nguyờn lý cơ bản nhṍt của bụ̣ lọc là sự giao thoa giữa các tín hiợ̀u, bước sóng hoạt đụ̣ng của bụ̣ lọc sẽ được cụ̣ng pha nhiờ̀u lõ̀n khi đi qua nó, các kờnh bước sóng khác thì sẽ bị triợ̀t tiờu vờ̀ pha. Dựa vào khả năng điờ̀u chỉnh kờnh bước sóng hoạt đụ̣ng mà bụ̣ lọc được chia làm hai loại: bụ̣ lọc chọn bước sóng và bụ̣ lọc điờ̀u chỉnh được.

-Bộ lọc màng mỏng điện mụi nhiều lớp

Bụ̣ lọc màng mỏng có khoang cụ̣ng hưởng thuụ̣c loại bụ̣ lọc có bước sóng cụ́ định. Cṍu trúc gụ̀m bụ̣ giao thoa Fabry-Perot, trong đó, các gương tại hai phía khoang được thực hiợ̀n nhờ nhiờ̀u lớp màng mỏng điợ̀n mụi phản xạ. Thiờ́t bị này hoạt đụ̣ng như mụ̣t bụ̣ lọc thụng dải, cho qua mụ̣t bước sóng riờng và phản xạ các bước sóng khác. Bước sóng tại đõ̀u ra của bụ̣ lọc được xác định bởi chiờ̀u dài và chiờ́t suṍt của khoang cụ̣ng hưởng. Bụ̣ lọc màng mỏng nhiờ̀u khoang cụ̣ng hưởng gụ̀m hai hoặc nhiờ̀u khoang cách biợ̀t với nhau bởi các màng mỏng điợ̀n mụi phản xạ như trong Hình 1.13.

Hỡnh 1.13: Bộ lọc màng mỏng điện mụi cú nhiều khoang cộng hưởng [5]

-Bộ lọc Bộ lọc Fabry – Perot

Cỏc bộ lọc bước súng điều chỉnh được thường được ngoại suy từ cấu trỳc laser điều chỉnh được (điều hưởng). Bộ lọc khoang cộng hưởng Fabry – Perot được tạo thành bởi hai gương phản xạ đặt song song với nhau như hỡnh 1.14:

Khoang 1 Khoang 2 Khoang 3 n1 n 2 n 3

Hỡnh 1.14: Bộ lọc Fabry – Perot [19]

Đõy là loại bộ lọc điều chỉnh được. Tia sỏng đi vào qua gương thứ nhất, đầu ra ở mặt gương thứ hai.Khi này, cỏc gương được tạo thành nhờ sự chờnh lệch chiết suất giữa cỏc lớp bỏn dẫn.Việc điều chỉnh chọn lựa bước súng cú thể thực hiện bằng cỏch: điều chỉnh chiều dài khoang cộng hưởng (khoảng cỏch giữa hai gương), chiết suất của mụi trường điện mụi của khoang cộng hưởng nhờ điện ỏp ngoài.

1.5.4.6. Bộ Xen/Rẽ quang OADM

Thiết bị xen/rẽ kờnh quang (OADM) thực hiện chức năng rẽ tớn hiệu quang từ thiết bị truyền dẫn về mạng tại chỗ, đồng thời xen tớn hiệu quang của thuờ bao để phỏt đến một điểm nỳt khỏc mà khụng ảnh hưởng đến việc truyền dẫn cỏc tớn hiệu kờnh bước súng khỏc. Nhờ chức năng này của OADM nờn nú trở thành phần tử cơ bản nhất trong cỏc mạng hỡnh vũng dựa trờn cụng nghệ WDM Theo thời gian chức năng xen/rẽ kờnh quang của OADM đó dần hoàn thiện và linh hoạt hơn.

- Cấu trỳc của OADM

Kết cấu của OADM bao gồm phần tử tỏch kờnh, phần tử điều khiển tỏch nhập và phần tử ghộp kờnh. Hỡnh1.15 trỡnh bày kết cấu tớnh năng của OADM.

Hỡnh 1.15: Kết cấu tớnh năng của OADM

Thụng thường điểm nỳt OADM được dựng để tỏch ra bước súng cần thiết của luồng đến (λd), đồng thời ghộp lờn sợi quang truyền dẫn bước súng truy nhập (λa) thụng qua bộ ghộp kờnh.

- Phõn loại

Cỏc thiết bị OADM được chia làm hai loại: OADM tĩnh và OADM động. + OADM tĩnh sử dụng tớn hiệu kờnh quang cú bước súng vào/ra cố định. Vỡ vậy trong kết cấu, phần tử điều khiển tỏch nhập chủ yếu dựng linh kiện thụ động như: bộ tỏch ghộp kờnh, bộ lọc cố định. Như vậy, định tuyến của điểm node là cố định, thiếu linh hoạt nhưng khụng cú trễ.

+ OADM động cú thể căn cứ vào nhu cầu để chọn tớn hiệu kờnh quang cú bước súng vào/ra khỏc nhau. Vỡ vậy trong kết cấu, phần tử điều khiển tỏch nhập thường dựng linh kiện khoỏ quang, bộ lọc cú điều khiển. Như vậy, cú thể phõn phối tài nguyờn bước súng của mạng một cỏch hợp lý. Tuy nhiờn, phức tạp và cú trễ.

1.5.4.7. Bộ đấu nối chộo quang OXC

Bụ̣ xen/rẽ quang OADM được sử dụng hiợ̀u quả khi điờ̀u khiờ̉n các cṍu trúc mạng đơn giản, như các cṍu trúc tuyờ́n tính hoặc cṍu trúc vòng Ring với sụ́ lượng bước sóng vừa phải. Nhưng đụ́i với các cṍu trúc mắt lưới cùng với sụ́ lượng các bước sóng cõ̀n xử lý lớn hơn, đặc biợ̀t, tại các trung tõm điờ̀u khiờ̉n có lưu lượng cao, thì cõ̀n mụ̣t phõ̀n tử

khác gọi là bụ̣ đṍu nụ́i chéo OXC, bụ̣ OXC cho phép cṍu hình lại mạng quang. Ở đó, các đường truyờ̀n có thờ̉ được thiờ́t lọ̃p và kờ́t thúc khi cõ̀n thiờ́t. Nó được cṍu trúc với mạch tích hợp rṍt lớn và khả năng nụ́i kờ́t hàng ngàn đõ̀u vào/ra.

-Chức năng của bụ̣ đṍu nụ́i chéo OXC

OXC cung cṍp các chức năng sau:

+ Thứ nhṍt là cung cṍp dịch vụ: OXC có thờ̉ được dùng đờ̉ cung cṍp mụ̣t cách tự đụ̣ng các đường truyờ̀n trong mụ̣t mạng lớn mụ̣t cách tự đụ̣ng mà khụng cõ̀n phải thao tác bằng tay. Khả năng này rṍt quan trọng khi sụ́ bước sóng cõ̀n giải quyờ́t lớn trong mụ̣t nút hay nhiờ̀u nút trong mạng, nhṍt là khi các đường truyờ̀n trong mạng cõ̀n cṍu hình lại đờ̉ đáp ứng với sự thay đụ̉i lưu lượng của mạng.

+ Thứ hai là chuyờ̉n đụ̉i bước sóng: ngoài khả năng chuyờ̉n mạch tín hiợ̀u từ cụ̉ng này đờ́n cụ̉ng khác thì OXC còn có khả năng chuyờ̉n đụ̉i bước sóng.

+Thứ ba là khả năng giám sát, phát hiợ̀n truy nhọ̃p và định vị lụ̃i: OXC cho thṍy tham sụ́ của mụ̣t tín hiợ̀u ở các nút trung gian. OXC cho phép kiờ̉m tra thiờ́t bị và giám sát các tín hiợ̀u đi qua nó mà khụng làm ảnh hưởng đờ́n tín hiợ̀u.

+ Thứ tư là bảo vợ̀: OXC bảo vợ̀ các đường truyờ̀n quang khụng bị đứt và tránh các sự cụ́ của các thiờ́t bị trong mạng. Bụ̣ đṍu nụ́i chéo có thờ̉ phát hiợ̀n được sự cụ́ trong mạng và định tuyờ́n lại cho các đường truyờ̀n mụ̣t cách nhanh chóng.

+ Cuụ́i cùng là tách/ghép kờnh: OXC có thờ̉ điờ̀u khiờ̉n các tín hiợ̀u ngõ vào/ra ở tụ́c đụ̣ đường quang. Tuy nhiờn, nó còn có khả năng tách/ghép kờnh đờ̉ chuyờ̉n mạch lưu lượng nụ̣i tại.

Mụ̣t OXC được phõn chia thành hai phõ̀n theo chức năng của nó là: mụ̣t trung tõm chuyờ̉n mạch và mụ̣t tụ̉ hợp các cụ̉ng giao diợ̀n. Trung tõm chuyờ̉n mạch chứa bụ̣ chuyờ̉n mạch thực hiợ̀n chức năng đṍu nụ́i chéo. Tụ̉ hợp các cụ̉ng giao diợ̀n thực hiợ̀n viợ̀c giao tiờ́p với các thiờ́t bị khác thụng qua card giao tiờ́p. Các cụ̉ng giao tiờ́p có thờ̉ có hoặc khụng có các bụ̣ biờ́n đụ̉i quang-điợ̀n hoặc biờ́n đụ̉i điợ̀n-quang.

-Cṍu trúc của bụ̣ đṍu nụ́i chéo OXC

Cú hai cách đờ̉ thiờ́t kờ́ mụ̣t bụ̣ đṍu nụ́i chéo quang:

Thứ nhṍt: Thiờ́t bị đṍu nụ́i quang NìN sử dụng chuyờ̉n mạch phõn chia theo khụng gian: bao gụ̀m N cụ̉ng đõ̀u vào, N đõ̀u ra, mụ̃i mụ̣t cụ̉ng thu mụ̣t tín hiợ̀u WDM có M bước sóng. Bụ̣ giải ghép kờnh sẽ tách tín hiợ̀u thành các bước sóng

riờng rẽ và phõn phụ́i bước sóng cho M bụ̣ chuyờ̉n mạch, mụ̃i bụ̣ chuyờ̉n mạch thu N tín hiợ̀u đõ̀u vào tại cùng mụ̣t bước sóng. Cụ̉ng đõ̀u vào và đõ̀u ra phụ được thờm vào chuyờ̉n mạch cho phép tách ra hoặc xen vào mụ̣t kờnh xác định. Các bụ̣ chuyờ̉n mạch đưa đõ̀u ra của chúng tới N bụ̣ ghép kờnh, các bụ̣ ghép kờnh này sẽ kờ́t hợp với M đõ̀u vào của chúng, đờ̉ tạo thành tín hiợ̀u WDM. Bụ̣ chuyờ̉n mạch được sử dụng là bụ̣ chuyờ̉n mạch phõn chia theo khụng gian như trong Hình 1.16.

Hình 1.16: Cṍu trúc OXC sử dụng chuyờ̉n mạch phõn chia theo khụng gian.

Thứ hai: Sử dụng bụ̣ khuờ́ch đại Laser bán dõ̃n SLA (Semiconductor Laser Amplifier) như mụ̣t chuyờ̉n mạch cụ̉ng. Hình 2.24 mụ tả chuyờ̉n mạch 4ì4. Mụ̃i đõ̀u vào được chia thành mụ̣t sụ́ nhánh bằng các bụ̣ chia 3 dB, mụ̃i nhánh đi qua mụ̣t SLA, LSA này có thờ̉ chặn nó lại bằng cách hṍp thụ hoặc cho nó đi qua thụng qua quá trình khuờ́ch đại tín hiợ̀u.

1.5.4.8. Kỹ thuật chuyển mạch quang

Hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống chuyển mạch cho phộp cỏc tớn hiệu bờn trong cỏc sợi cỏp quang hay cỏc mạch quang tớch hợp được chuyển mạch cú lựa chọn từ một mạch này tới một mạch khỏc.

Tuỳ thuộc vào kỹ thuật chuyển mạch mà cỏc thụng tin được trao đổi dưới dạng thời gian thực (chuyển mạch kờnh) hoặc dưới dạng ghộp kờnh thụng kờ (chuyển mạch gúi). Chuyển mạch kờnh là một phương phỏp thụng tin sử dụng để thiết lập cho thụng tin giữa 2 điểm. Số liệu được truyền trờn cựng một tuyến và thụng tin truyền đi trong thời gian thực.

Khỏc với chuyển mạch kờnh, chuyển mạch gúi thực hiện truyền cỏc gúi số liệu độc lập. Mỗi gúi đi từ một cổng tới một cổng khỏc theo một đường nào đú. Mỗi nỳt

1 2 N Space Switches λ 1 λ2 λ N 1 2 N DEMUX MUX Added Droped λ1,…,λM λ1,…,λM λ1,…,λM λ1,…,λM λ1,…,λM λ 1,…,λ M

cần cú cỏc bộ đệm để tạm thời lưu cỏc gúi. Mỗi nỳt trong chuyển mạch gúi yờu cầu một hệ thống quản lý để thụng bỏo điều kiện truyền thụng tin tới nỳt lõn cận trong trường hợp số liệu truyền bị lỗi.

Cú ba kỹ thuật chuyển mạch quang chớnh được nghiờn cứu trong cỏc tài liệu về vận chuyển lưu lượng IP trong cỏc mạng WDM. Cỏc kỹ thuật này bao gồm:

-Định tuyến bước súng

Trong cỏc mạng định tuyến bước súng, một tuyến toàn quang được thiết lập