b) Các ứng dụng của bộ lọc phản xạ Bragg
3.5 Tích luỹ tạp âm khi dùng bộ khuyếch đại quang EDFA nhiều tầng
Về lí luận, hệ số tạp âm của bộ khuếch đại EDFA có thể đạt tới 3 dB (Thờng thì trong thực tế là cỡ 4 – 6 dB). Điều nàycó nghĩa là qua khuếch đại EDFA, SNR xấu đi ít nhất 1 tới 2 lần. Mức độ xấu đi của SNR có quan hệ tới số lợng bộ khuếch đại EDFA nhiều tầng và khoảng cách đoạn sợi quang giữa các bộ khuếch đại với nhau. Khoảng cách của đoạn sợi quang giữa các bộ khuếch đại càng lớn thì sự xấu đi của SNR càng nghiêm trọng. Do đó khi xác định tổng cự li truyền dẫn không có bộ chuyển tiếp thì cần làm cho độ dài của chặng nhỏ hơn 120 km (tơng đơng với suy hao 33 dB) nhằm đảm bảo tính năng truyền dẫn về mức SNR.
Chơng iv
ứng dụng của hệ thống wdm 4.1 ứng dụng wdm trong mạng truyền dẫn
4.1.1 Tuyến truyền dẫn điểm - điểm dung lợng cao
Trong tuyến thông tin điểm-điểm đờng dài, tốc độ của một kênh thờng nhỏ hơn 10Gb/s. WDM có vai trò tăng dung lợng tuyến truyền dẫn. Hình 4.1 chỉ ra sơ đồ khối một tuyến thông tin WDM. Mỗi kênh tín hiệu điện đợc điều chế với một sóng mang riêng. Sau đó chúng đợc ghép lại và truyền đến đầu thu. Giả sử có N kênh với tốc độ B1 ,B2,...,BNđợc truyền đồng thời qua sợi quang có chiều dài L. Tích tổng số tốc độ và khoảng cách BL đựoc xác đinh nh sau:
BL= (B1 +B2+...+BN)L (4-1) Sợi quang 1 x x x x x x 2 n 1 2 n M UX UX DM 65
Khi tốc độ của các kênh bằng nhau, dung lợng của hệ thống tăng lên N lần. Năm 1985, BL đạt đến 1,37Tb/s-km ở bớc sóng 1500nm bằng cách ghép 10 kênh 2Gb/s, chiều dài tuyến 68,3 km, khoảng cách kênh 1,35nm. Do tán sắc, giá trị BL của một hệ thống đơn kênh chỉ nhỏ hơn 1Tb/s-km.
Dung lợng của một tuyến WDM phụ thuộc vào khoảng cách giữa các kênh trong miền bớc sóng. Khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bị giới hạn bởi xuyên nhiễu giữa các kênh. Khoảng cách giữa các kênh thờng lớn hơn bốn lần tốc độ bít. ở của sổ 1500nm, vùng suy hao thấp của sợi quang khoảng 120nm (hình 1.1). Ví dụ, đối với các kênh có tốc độ 2,5Gb/s, khoảng cách tối thiểu giữa các kênh là 10GHz hoặc 0,1nm, ta có thể ghép 1200 kênh trên băng thông 120nm. Do đó, tổng dung lợng lên tới 3Tb/s. Nếu một tuyến thông tin không sử dụng trạm lặp điện hoặc bộ khuếch đại quang thì khoảng cách truyền dẫn là 80km, BL hiệu dụng là 240Tb/s-km. Trong đó một hệ thống quang đơn kênh có khả năng truyền tốc độ bit 2,5 Gb/s, chiều dài tuyến là 80 km thì BL là 0,2 Tb/s-km.
Trong thực tế, có rất nhiều yếu tố hạn chế việc sử dụng toàn bộ cửa sổ suy hao thấp của sợi quang. Ví dụ, bộ khuếch đại quang có dải khuyếch đại đòng đều thấp, điều này giới hạn số lợng kênh truyền trên sợi quang. Băng thông của EDFA thờng từ 30 đến 35 nm, ngay cả khi sử dung công nghệ làm phẳng hệ số khuyếch đại. Một số yếu tố khác cũng làm hạn chế số lợng kênh là độ ổn định và khả năng điều chỉnh của laser phân bố hồi tiếp, sự suy giảm tín hiệu trong quá trình truyền dẫn gây ra bởi hiệu ứng phi tuyến, nhiễu xuyên kênh trong quá trình ghép kênh.
Hiện nay có rất nhiều ứng dụng của hệ thống thông tin quang WDM điểm- điểm dung lợng cao ở cấp độ thực nghiệm. Dựa vào khoảng cách truyền, có thể chia hệ thống WDM thực nghiệm thành hai loại, loại có khoảng cách truyền cỡ 100 km và loại trên 1000 km.
Năm 1985 đã tồn tại hệ thống tin quang WDM thực nghiệm gồm 10 kênh 2Gb/s và khoảng cách truyền không dùng trạm lặp là 68,3 km. Năm 1995 hệ thống thông tin quang WDM dung lợng 340 Gb/s ra đời bằng cách ghép 17 kênh tốc độ 20 Gb/s và khoảng cách truyền 150 km. Nhng ngay trong năm này đã có ba hệ thống WDM thực nghiệm khác ra đời với dung lợng trên 1 Tb/s. Thứ nhất là hệ thống WDM 55 kênh, khoảng cách giữa các kênh 0,8 nm, tốc độ mỗi kênh 20 Gb/s và khoảng cách truyền 150 km, sử dụng 2 bộ khuyếch đại. Do đó, dung lợng hệ thống là 1,1 Tb/s và BL bằng 165 Tb/s-km. Thứ hai là hệ thống 50 kênh, mỗi kênh có tốc độ 20 Gb/s, khoảng cách truyền là 55 km. Thứ ba là hệ thống ghép 10 kênh 100Gb/s với khoảng cách truyền 55 km. Hệ thống này sử dung kĩ thuật WDM kết hợp với TDM (mỗi kênh 100 Gb/s đợc tạo thành bằng cách ghép 10 kênh 10Gb/s theo kĩ thuật TDM). Đến cuối năm 1996 đã xuất hiện hệ thống có dung lợng 2,64 Tb/s bằng cách ghép 132 kênh, khoảng cách kênh 0.27 nm. Bảng 4.1 liệt kê một số hệ thống WDM thực nghiệm trớc năm 1995.
Bảng 4.1 Một số hệ thống WDM thực nghiệm Số kênh N Tốc độ bit B(Gb/s) Dung ợng N.B(Gb/s) Khoảng cách L (km) NBL (Tb/s-km) 10 100 1000 40 40 16 10 160 531 85 32 10 320 640 205 32 5 160 9300 1488 50 20 1000 55 55 55 20 1100 150 165 132 20 2640 120 317
Nhóm thứ hai trong hệ thống WDM thực nghiệm có khoảng cách truyền trên 1000km. Nhóm này đợc chia làm hai loại, mạng đờng thẳng và mạng vòng. Năm 1994 tuyến quang đờng thẳng 40 Gb/s với khoảng cách truyền 1420 km đã ra đời. Hệ thống này đợc tạo thành từ việc ghép 16 kênh 2,5 Gb/s và có khoảng cách giữa hai bộ khuyếch đại là 100km. Tiếp theo đó là hàng loạt các hệ thống
mới ra đời có dung lợng và khoảng cách truyền tăng lên. Trong một thí nghiêm đã tạo ra hệ thống 20 Gb/s (ghép 8 kênh 2,5 Gb/s), khoảng cách truyền 6000 km, khoảng cách giữa hai bộ khuyếch đại là 75 km. Một thí nghiệm khác cũng tạo ra hệ thống 40 Gb/s (ghép 8 kênh 5 Gb/s), khoảng cách truyền 4500 km và sử dụng mã RZ để cải thiện tỉ số tín hiệu trên tạp âm. Năm 1996 đã cho ra đời hệ thống WDM thực nghiệm dung lợng 320 Gb/s (ghép 16 kênh 20 Gb/s) độ dài tuyến 531 km. Đối với loại loop vòng sợi quang đã tồn tại hệ thống 100 Gb/s (ghép 20 kênh 5 Gb/s) truyền vợt đại dơng với khoảng cách 9100 km. Hệ thống này có sử dụng thêm kĩ thuật ngẫu nhiên hoá phân cực và sửa lỗi trớc.
Nh vậy với sự ra đời của hệ thống WDM, dung lợng của hệ thống thông tin quang tăng lên rất nhiều. Một số hệ thống WDM đã đợc triển khai trong thực tế. Năm 1995, hệ thống WDM 4 kênh, mỗi kênh có tốc độ 2,5 Gb/s đã đợc thơng mại hoá. Đến năm 1996, hệ thống WDM dung lợng 40 Gb/s (ghép 16 kênh 2,5 Gb/s) bắt đầu đợc thơng mại hoá. Hệ thống này sử dụng dải băng tần 12nm ở bớc sóng 1550 nm và khoảng cách giữa các kênh 0,8 nm. Đến năm 1997 đã tồn tại tuyến thông tin quang 80 Gb/s tiếp đó là hệ thống 160 Gb/s (ghép 16 kênh 10 Gb/s). Kĩ thuật WDM đã tạo ra một cuộc cách mạng trong hệ thống thông tin quang.
4.1.2 Mạng quảng bá
Trong mạng quảng bá, nhiều kênh tín hiệu đợc ghép lại và truyền tới một nhóm thuê bao. Tại mỗi thuê bao, bộ thu thực hiện chức năng lựa chọn một kênh thích hợp thông qua việc tách kênh. Mạng truyền hình cáp CATV là một ví dụ của mạng quảng bá. Nhiều kênh truyền hình đợc ghép lại và đa tới một bus quang chung, sau đó phân phối tới từng thuê bao riêng biệt. Hình 4.2 là sơ đồ của mạng WDM quảng bá sử dụng sao quảng bá. Mỗi kênh tín hiệu đợc điều chế với một b- ớc sóng riêng. Các kênh này đợc ghép với nhau nhờ một coupler quang thụ động và đợc phân phối đồng đều tới tất cả các bộ thu. Mỗi thuê bao nhận đợc toàn bộ dung lơng của hệ thống và lựa chọn một kênh thích hợp. Mạng này còn đơc gọi là mạng phát quảng bá và thu lựa chọn. Nếu hệ thống thông tin quang sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent thì phía thu có thể lựa chọn kênh bằng cách thay đổi băng thông bộ lọc trung tần hoặc điều chỉnh tần số dao động nội. Nếu hệ thống sử dụng kĩ thuật tách sóng trực tiếp thì ta dùng các bộ lọc quang để lựa chọn bớc sóng cần thiết.
Hiện nay tồn tại rất nhiều ứng dụng của mạng quảng bá ở cấp độ thí nghiệm. Gần đây có một thí nghiệm về sao quảng bá 8x8 để phân phối 7 kênh tín hiệu, khoảng cách các kênh 15 nm. Mỗi bộ thu có một bộ lọc khả chỉnh băng thông 10 nm và dải điều chỉnh 400 nm. Ngoài ra còn một số thí nghiệm khác sử dụng kĩ thuật tách sóng coherent, thực hiện ghép 10 kênh quang 70Gb/s, và khoảng cách kênh 6GHz. Thí nghiệm này sử dụng sao quảng bá 128 x128 để đa tín hiệu tới nhiều thuê bao khác nhau.
Trong mạng quảng bá, có hai vấn đề cần đợc quan tâm là suy hao phân bố và suy hao xen. Suy hao phân bố là do tín hiệu trên đờng truyền đợc chia đều tới tất cả các thuê bao. Mỗi thuê bao nhận một phần công suất của tín hiệu tổng. Suy hao phân bố tăng khi N tăng, do đó nó giới hạn N nhỏ hơn 100 nếu không sử dụng các bộ khuếch đại quang để bù suy hao. Đối với sao quảng bá Nx N, suy hao phân bố giảm và công suất tín hiệu mà mỗi thuê bao nhận đợc là:
PR =(PT /N) (1- δ) log
2N (1-CL) (4-2) Trong đó: PT là công suất truyền trung bình của tín hiệu
δ là suy hao xen của mỗi coupler cấu tạo nên sao quảng bá CLlà các loại suy hao khác nh suy hao sợi quang, suy hao connector
1 2 N λ1,λ2 Bộ phát Bộ thu khả chỉnh Saoquảng bá Hình 4.2 Mạng WDM quảng bá hình sao 69
Công suất nhận đợc PRphải lớn hơn độ nhạy máy thu Prec .Precđợc xác định nh sau:
Prec= NP hν B (4-3)
Trong đó: NP là số lợng photon trung bình trên một bit tại mức công suất vào bằng độ nhạy máy thu.
B là tốc độ bit của mỗi kênh tín hiệu.
Từ công thức (4-2),(4-3) và giả thiết PR = Prec ta có:
(1 )log2 (1 ) L N P T C h N P BN − − = δ ν (4-4)
Từ công thức (4-4) ta có thể dự báo dung lợng của mạng quảng bá. Trong máy thu coherent NP = 1000, công suất truyền lớn nhất PT = 1mW, ở bớc sóng 1550 nm năng lợng photon hν = 0,8 eV. Giả sử suy hao coupler và các suy hao khác đều bằng không. Khi đó, B.N = 78 Tb/s. Trong trờng hợp tách sóng trực tiếp NP
=100 thì B.N = 7,8 Tb/s. Trong thức tế, giá trị B.N thờng nhỏ hơn vì luôn tồn tại suy hao coupler, một số suy hao khác và công suất phát quang cũng nhỏ hơn.
Nguyễn Tnành Chung D2001VT–
Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của BN vào số lượng kênh N
Hình 4.3 chỉ ra sự phụ thuộc của B.N vào số lợng kênh N của hai phơng pháp tách sóng coherent và tách sóng trực tiếp. B.N = 10 Tb/s trong trờng hợp lí tởng không có suy hao của coupler quang (đờng 1). Khi lấy δ = 0.05 (suy hao của coupler bằng 0,2dB) ta đợc đờng 2. Hai đờng cong 3 và 4 biểu diễn B.N trong tr- ờng hợp thực tế. Các đờng đứt nét biểu diễn B.N với các tốc độ bit cố định. Từ đồ thị ta có, khi B =622Mb/s và tách sóng trực tiếp thì B.N= 1Tb/s, N =1600. Khi tách sóng coherent thì B.N = 3 Tb/s và N =4800.
Ta có thể khắc phục các ảnh hởng của suy hao phân bố bằng cách sử dụng các bộ khuyếch đại quang. Năm 1990 có một thí nghiệm sử dụng hai bộ khuyếch đại quang EDFA trong mạng quảng bá, mạng này có dung lợng khoảng 39,5 triệu thuê bao. Bộ khuyếch đại có chức năng bù phần năng lợng bị suy hao do phân bố, đảm bảo công suất tín hiệu tại mỗi thuê bao là đủ lớn. Ngoài ra, còn một hệ thống thí nghiệm nữa có số thuê bao là 43,8 triệu, dung lợng của hệ thống 39,81Gb/s và khoảng cách truyền dẫn là 507km.
4.2 ứng dụng của WDM trong mạng đa truy nhập
4.2.1 Mở đầu
Trong thực tế có rất nhiều kiểu đa truy nhập khác nhau nh TDMA, CDMA, FDMA, WDMA. Các kĩ thuật này dựa vào tài nguyên thời gian, không gian, tần số và bớc sóng để phân phối tín hiệu từ trạm thu tới trạm phát. Mạng WDM đa truy nhập còn gọi là mạng quang đa truy nhập theo bớc sóng (WDMA). Điểm khác biệt lớn nhất giữa mạng quang đa truy nhập và mạng quảng bá là mạng đa truy nhập có khả năng đáp ứng truy nhập song hớng của một thuê bao bất kì. Mỗi thuê bao có thể thu/phát tín hiệu từ/tới bất kì một thuê bao khác.
Trong mạng WDMA, băng thông rộng của sợi quang đợc chia thành các khoảng nhỏ, mỗi khoảng này mang một kênh quang riêng biệt. Các kênh này đợc truyền đồng thời trên cùng một sợi quang. Khoảng cách tối thiểu giữa hai bớc sóng cỡ 0,4 đến 0,8 nm. Mỗi bớc sóng này có thể mang một kênh tín hiệu có tốc độ lên tới Gb/s. Hình 4.4 mô tả sơ đồ khối của một mạng truyền dẫn quang đa truy nhập phân chia theo bớc sóng.
Các kênh quang từ các nút khác nhau đợc ghép với nhau nhờ một coupler quang N xN. Bộ ghép trộn tất cả các tín hiệu đến và chia đều công suất tới các bộ thu. Kết quả là, tín hiệu từ tất cả các cổng vào có thể đợc thu từ các cổng ra bất kì. Hệ thống có sự chia sẻ bớc sóng, từ một nút bất kì có thể thu đợc kênh chung trong môi trờng chia sẻ.
Tất cả các kênh đợc phát vào môi trờng chia sẻ (coupler sao) và mỗi nút thu tín hiệu của tất cả các nút còn lại trên mạng. Môi trờng chia sẻ có cấu trúc mạng sao, bus hoặc mạng ring, kết nối tất cả các nút với nhau. Mỗi nút thu tín hiệu mong muốn bằng phơng pháp tách sóng trực tiếp hoặc coherent. Mỗi nút thu/phát tần số cố định hoặc thay đổi. Do đó, việc triển khai mạng WDMA đòi hỏi các thành phần quang có khả năng điều chỉnh bớc sóng nh laser phát khả chỉnh, bộ lọc quang khả chỉnh. Các thành phần này xây dựng nên các bộ thu phát quang có khả năng điều chỉnh bớc sóng ở mỗi nút mạng.
Mạng WDMA có hai vấn đề cần đợc quan tâm. Đó là tốc độ điều chỉnh bớc sóng và giao thức mạng. Tốc độ điều chỉnh bớc sóng phải nhanh để đáp ứng yêu cầu của mạng, đặc biệt trong mạng chuyển mạch gói. Ngoài ra, giao thức đợc triển khai trong mạng phải đảm bảo kết nối ngang hàng các kênh tín hiệu khác
Nguyễn Tnành Chung D2001VT–
Hình 4.4 Sơ đồ khối mạng truyền dẫn quang đa truy nhập phân chia theo bước sóng
N ode 1 N ode 3 N ode 2 N ode N Co upler NxN 72
nhau. Mạng WDMA có hai cấu hình cơ bản là WDMA đơn chặng (single hop) và WDMA đa chặng (multi hop).
4.2.2 Mạng WDMA đơn chặng
Trong mạng WDMA đơn chặng mỗi nút đều có khả năng kết nối trực tiếp đến tất cả các nút khác. Dữ liệu đợc phát đi dới dạng ánh sáng và đợc truyền trực tiếp đến nút đích mà không phải chuyển về dạng tín hiệu điện. Để một gói dữ liệu đợc truyền, trớc hết nó đợc phát vào mạng nhờ một laser phát. Tại nút đích bộ thu quang phải điều chỉnh bớc sóng sao cho trùng với bớc sóng phát. Khi đó, gói tin đợc truyền qua mạng tới nút đích. Mạng WDMA đơn chặng có thể chia làm hai loại, phát quảng bá thu lựa chọn và mạng WDMA định tuyến theo bớc sóng.
Trong mạng WDMA đơn chặng phát quảng bá thu lựa chọn, dữ liệu tại các nút phát ra đợc ghép lại và phát quảng bá tới tất các nút khác trong mạng. Phía thu lựa chọn kênh tín hiệu mong muốn dựa vào bớc sóng. Có bốn loại mạng WDMA phát quảng bá thu lựa chọn, phát thay đổi thu cố định (TT-FR), phát cố định thu