Cấu trúc chung và các thành phần chính của hệ thống thông tin quang WDM được thể hiện trong hình 1.9.
WDM/OTN Voice, IP... ATM SDH Voice, IP... MPLS
Giao diện quang mở
SDH ATM IP ...
WDM/OTN
Mạng quang tương lai Mạng quang hiện tại
Hình 1.8 Xu hướng mạng truyền tải quang trong tương lai
Nói chung, hệ thống WDM bao gồm nguồn quang, bộ ghép/tách kênh quang (MUX/DEMUX), sợi quang, các bộ khuếch đại quang (EDFA), các bộ nối chéo quang (OXC), các bộ tách kênh xen rẽ quang (OADM), chuyển mạch quang và các bộ lọc,.... Ngoài ra, còn có thêm các hệ thống kênh tín hiệu điều khiển giám sát và hệ thống quản lý.
• 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. Tuy nhiên, 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 điều chế. Có 2 loại bộ thu thường được sử dụng cho các hệ thống WDM là diode PIN và photodiode thác APD. PIN hoạt động với nguồn công suất thấp hơn (5V) nhưng lại có độ nhạy thấp và băng tần hẹp hơn APD. APD phù hợp cho các ứng dụng cự ly lớn. Các tham số cơ bản để đánh giá 1 bộ thu gồm: đáp ứng phổ, độ nhạy, 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 tán sắc lớn tại 1550nm (18ps/nm.km) hiện nay vẫn được sử dụng làm môi trường truyền dẫn cho các hệ thống WDM. Mặc dù có đặc tính không tương thích với cửa sổ EDFA tại 1550nm này nhưng các phép đánh giá gần đây đã cho thấy rằng loại sợi này có thể dùng cho các hệ thống WDM tốc độ trung bình mà không làm suy giảm chất lượng tín hiệu qua các khoảng cách đáng kể nếu hệ thống có sử dụng sợi bù tán sắc hoặc các thiết bị bù tán sắc khác. Sợi tán sắc dịch chuyển, DSF, (G.653) tuy có tán sắc bằng 0 tại bước sóng 1550nm nhưng không được khuyến nghị dùng cho các hệ thống WDM do hiệu ứng FWM. Sợi tán sắc dịch chuyển khác 0, NZ-DSF, (G.655) có giá trị tán sắc nhỏ ở vùng cửa sổ 1550nm, do vậy hạn chế được các ảnh hưởng phi tuyến đặc biệt là hiệu ứng trộn 4 bước sóng (FWM) đối với hệ thống là loại sợi được thiết kế cho các hệ thống WDM. Loại sợi này có lượng tán sắc nhỏ
trong vùng bước sóng từ 1530nm đến 1565nm (từ hơn 3ps/nm.km tại 1530nm và xuống còn nhỏ hơn 0,7 tại 1560nm). Giá trị này đủ để loại bỏ được hiệu ứng FWM mà vẫn cho phép truyền 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 cả các bước sóng tín hiệu có mặt tại lối vào của chúng. 1 EDFA gồm 1 chiều dài sợi quang đã được pha tạp với erbium , do vậy chúng có thể biến đổi năng lượng từ phát xạ bơm riêng biệt thành các bước sóng đến, tức là đã khuếch đại các tín hiệu. Với 1 thiết kế EDFA đơn giản nhất thì sự khuếch đại xảy ra qua 1 vùng bước sóng tương đối hẹp từ 1525nm đến 1565nm. Dải 40nm cũng đủ để xử lý 1 số lượng lớn các kênh quang. EDFA “trong suốt” với giao thức, dạng, tốc độ bit của 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 ly lớn với ít các thành phần điện tử hơn, tuy nhiên cũng làm xuất hiện 1 số vấn đề mới. Đó là vấn đề về độ khuếch đại phổ không đồng đều và nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại (ASE). Các nghiên cứu mới về nguyên lý bơm EDFA công suất lớn đã tập trung vào việc mở rộng vùng khuếch đại của các EDFA từ 1570 đến 1630nm- tức là băng L.
• Các bộ ghép kênh xen rẽ quang:
λj λj λ1... λN λ1... λN λ1... λN λ1... λN OADM Tây Đông
Hình 1.10 Cấu trúc bộ ghếp kênh xen rẽ quang
Bộ OADM có các giao diện quang hai hướng Đông và Tây, cũng như các cổng Xen và Rẽ cho hai hướng Đông và Tây của OADM. Các luồng quang Đông - Tây và Tây - Đông bao gồm tín hiệu quang ghép kênh theo bước sóng bao gồm N sóng mang. Bộ OADM cho phép tách và chèn một sóng mang (tại bước sóng λj) trong các luồng quang Đông - Tây và Tây -Đông. Các bước sóng còn lại của luồng ghép kênh sẽ được cho qua bộ OADM mà không bị tác động gì. Các cổng Xen và Rẽ có thể cần tới bộ phát đáp để chuyển đổi bước sóng hoặc giao diện thích nghi quang của các hệ thống không theo khuyến nghị G.691.
Các chức năng khác của OADM là:
Bù tán sắc.
Điều chỉnh mức công suất (khuếch đại/suy hao).
Chèn, tách và xử lý các thông tin mào đầu của ghép kênh phân đoạn quang (nếu cần tới giao diện thích nghi quang, ví dụ G.957 tới G.mcs).
Chèn, tách và xử lý các thông tin mào đầu của ghép kênh phân đoạn quang. Lớp OTS Lớp OMS OTS OMS OTS OMS OTS OMS OTS OMS
Tách, chèn, và xử lý các thông tin mào đầu của truyền dẫn phân đoạn quang.
Hỗ trợ kênh giám sát và các kênh thông tin người sử dụng.
Kiểm soát tín hiệu quang.
• Thiết bị nối chéo quang:
Thiết bị nối chéo qang (OXC) có M sợi đầu vào, M sợi đầu ra và các cổng xen rẽ. Mỗi sợi đầu vào và đầu ra mang một tín hiệu ghép kênh N bước sóng. Các cổng xen và rẽ cho phép chèn và tách một số bước sóng.
λ1... λN λ1... λN
Hình 1.12 Thiết bị nối chéo quang.
λj...k λj...k λ1... λN λ1... λN . . . λ1... λN λ1... λN . . . M sợi đầu vào M sợi đầu ra Lớp OCh Lớp OTS
Lớp OMS OMS OMS OMS OMS
Hình 1.13 Chức năng của OXC theo mô hình phân lớp
OTS OTS OTS OTS
OCh OCh
OCh OCh
OXC thực hiện các chức năng sau đây: ghép và tách kênh, ghép kênh xen rẽ, chuyển mạch không gian, và có thể là cả chuyển đổi bước sóng. Điều này cho phép thực hiện nối xuyên các tín hiệu quang giữa các sợi đầu vào và đầu ra (và có thể nối xuyên giữa bước sóng vào và bước sóng ra).
Các chức năng khác của OXC là:
Bù tán sắc.
Điều chỉnh mức công suất (khuếch đại/suy hao).
Chèn, tách và xử lý các thông tin mào đầu của ghép kênh phân đoạn quang (nếu cần tới giao diện thích nghi quang, ví dụ G.957 tới G.mcs).
Chèn, tách và xử lý các thông tin mào đầu của ghép kênh phân đoạn quang.
Tách, chèn, và xử lý các thông tin mào đầu của truyền dẫn phân đoạn quang.
Kiểm soát tín hiệu quang.
• Các bộ đầu cuối ghép kênh quang: Một bộ đầu cuối ghép kênh quang
(OTM) được biểu diễn như hình 1.14.
Ch N . . . Ch 2 Ch 1 Ch N . . . Ch 2 Ch 1 λ1...N λ1...N
OTM là một phần tử mạng hai chiều. Trong hướng truyền đi, nó có khả năng tiếp nhận N kênh quang, mỗi kênh có một mức công suất tín hiệu quang và tỷ số SNR theo chỉ tiêu kỹ thuật đã xác định. OTM xác định bước sóng cho từng kênh quang tại đầu vào theo các bước sóng đã được định nghĩa từ trước, và đầu ra thiết bị này chứa tín hiệu ghép kênh bao gồm N bước sóng (sóng mang). Tín hiệu đầu ra đặc trưng bởi băng tần quang tổng, công suất quang tổng, công suất mang trên mỗi sóng mang và tỷ số SNR của mỗi sóng mang.
Trong hướng thu, bộ OTM nhận tín hiệu ghép kênh theo bước sóng, tách tín hiệu đó thành các sóng mang như ở đầu vào bộ ghép kênh, và đưa N kênh quang đó tới các đầu ra riêng biệt.
Bước sóng của từng kênh quang có thể thay đổi so với khi nó được chèn vào hay tách ra từ các bộ ghép/tách kênh. Vì thế, trong OTM có thể cần đến một bộ chuyển đổi bước sóng. Điều này đặc biệt có ý nghĩa nếu có một số hệ thống SDH cùng tồn tại (giao diện quang G.957) được ghép kênh cùng với nhau, trong trường hợp đó, các bước sóng của một vài hệ thống sẽ phải thay đổi cho phù hợp để đưa vào các kênh của OTM. Hiện tại với công nghệ này, việc thay đổi bước sóng được thực hiện chủ yếu nhờ bộ chuyển đổi O/E/O. Các bộ chuyển đổi bước sóng photonic ít được sử dụng hơn. Thay đổi bước sóng có thể được thực hiện nhờ bộ phát đáp đứng độc lập, tách biệt với bộ ghép kênh của nó.
Các chức năng khác có thể có của OTM là:
Bù tán sắc.
Điều chỉnh mức công suất (khuếch đại/ suy giảm).
Chèn, tách, và xử lý các thông tin mào đầu của lớp kênh quang (nếu cần đến giao diện thích nghi quang, ví dụ: G.957 hoặc G.mcs).
Tách, chèn và xử lý các thông tin mào đầu của đoạn truyền dẫn quang.
Hỗ trợ các kênh giám sát và kênh thông tin người sử dụng.
Kiểm soát tín hiệu quang.
Có hai cấu hình cơ bản truyền dẫn dùng cho hệ thống WDM:
• Cấu hình truyền dẫn hai hướng trên cùng một sợi quang: Ở cấu hình
này, các kênh quang ở cả hai hướng truyền dẫn (đi và về) được ghép chung chỉ trên một sợi quang. Cấu hình này còn được gọi là cấu hình hệ thống truyền dẫn song công.
• Cấu hình truyền dẫn hai hướng trên hai sợi quang: Ở cấu hình này,
theo mỗi hướng truyền dẫn, các kênh quang được ghép trên một sợi quang riêng biệt và mỗi sợi quang đó đảm nhiệm truyền dẫn chỉ theo một hướng (đi hoặc về). Đôi khi, cấu hình này được gọi là cấu hình hệ thống truyền dẫn đơn công
Về mặt phát triển và ứng dụng, hệ thống WDM đơn công được sử dụng tương đối rộng rãi, còn hệ thống WDM song công thì có những yêu cầu cao hơn, đó là vì trong thiết kế và ứng dụng hệ thống WDM song công cần phải xem xét đến các yếu tố then chốt của hệ thống như để hạn chế can nhiễu nhiều kênh (MPI), cần chú ý đến các vấn đề ảnh hưởng của phản xạ quang, cách ly giữa các kênh hai chiều, trị số và loại hình của xuyên âm, công suất tín hiệu quang truyền dẫn trên hai chiều..., đồng thời phải sử dụng bộ khuếch đại quang hai chiều. Nhưng so với hệ thống WDM đơn công, hệ thống WDM hai chiều giảm được số lượng bộ khuếch đại quang và đường dây.
Chương 2
BẢO VỆ TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG WDM
2.1 Sự cần thiết phải bảo vệ ở tầng quang
Họat động bình thường của một mạng truyền tải quang trong thực tế không những ảnh hưởng bởi những yếu tố khách quan như độ tin cậy, tuổi thọ của thiết bị mà còn chịu tác động của các yếu tố môi trường, khí hậu, thời tiết, các nhân tố chủ quan do con người gây ra. Tác động của các yếu tố trên gây ra sự cố hỏng thiết bị, đứt cáp dẫn đến sự ngừng hoạt động của các kênh truyền tải thông tin gây thiệt hại cho cả người sử dụng và người cung cấp dịch vụ. Vấn đề đặt ra là cần phải thiết lập chức năng duy trì hoạt động của mạng trước các sự cố bằng cách áp dụng các kỹ thuật bảo vệ hoặc phục hồi mạng. Đối với mạng truyền tải quang sử dụng công nghệ SDH, các giải pháp kỹ thuật bảo vệ và phục hồi đã được áp dụng tương đối hiệu quả theo các đề xuất và khuyến nghị của ITU-T [6]. Nhưng thời gian hồi phục lại lâu, vào khoảng từ 60 tới 100ms. Trong khi đó thì các kỹ thuật bảo vệ ở tầng quang WDM có khả năng hồi phục mạng chỉ mất tối đa 50ms. Tuy nhiên, trong hiện tai và tương lai, nhu cầu lưu lượng lớn đòi hỏi cần phải cung cấp một môi trường truyền dẫn dung lượng lớn, mà công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM là một trong những giải pháp được lựa chọn. Do vậy, việc xây dựng chức năng phục hồi mạng WDM ở tầng quang là vấn đề sống còn cần phải giải quyết khi xây dựng mạng WDM nhằm duy trì hoạt động liên tục của mạng.
Theo G.872 ITU-T, lớp quang được chia thành 3 lớp con: lớp kênh quang (OCh-Optical Channel), lớp đoạn ghép kênh quang (OMS - Optical Multiplex Section) và lớp đoạn truyền dẫn quang (OTS - Optical Tranmission Section). Bảo vệ có thể được thực hiện tại lớp OMS hoặc lớp OCh hoặc phối hợp trên cả hai lớp.
Bảo vệ OMS và bảo vệ OCh có thể theo phương thức riêng hoặc chung. Trong bảo vệ riêng, mỗi kênh làm việc được truyền trên hai tuyến khác nhau
và kênh có chất lượng tốt nhất sẽ được lựa chọn tại đầu thu, do vậy một nửa của dung lượng truyền dẫn trong mạng sẽ luôn được ấn định là dung lượng dự phòng dành cho bảo vệ (tức là dung lượng bảo vệ bằng 100% dung lượng làm việc). Trái lại, trong bảo vệ chung, tài nguyên bảo vệ có thể được sử dụng để phục hồi nhiều kênh làm việc khác nhau, tuỳ thuộc vào sự cố. Bảo vệ chung cho phép sử dụng dung lượng mạng tốt hơn bảo vệ riêng (lượng dung lượng dự phòng yêu cầu phụ thuộc nhiều vào topo mạng và vào sự phân bổ lưu lượng giữa các node).
Hiện nay, bảo vệ riêng OMS chủ yếu được triển khai trong các hệ thống thông tin quang WDM điểm - điểm, còn bảo vệ OCh được sử dụng cả trong các hệ thống điểm - điểm và các ring OADM (Optical Add Drop Multiplexer). Trong tương lai gần, các ring bảo vệ chung OMS sẽ có thể được triển khai.
Bảo vệ OCh có thể được triển khai với hai cách: bảo vệ kết nối mạng con (SNCP) hoặc bảo vệ luồng. Sự khác nhau cơ bản là trong bảo vệ luồng OCh kết cuối của luồng OCh cũng được bảo vệ vì số lượng card transponder được nhân đôi. Giải pháp này cải thiện độ sẵn sàng của kênh quang, nhưng lại làm tăng chi phí đầu tư thiết bị.