Vấn đề quan tâm khi thiết kế tuyến DWDM

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

3.1. Vấn đề quan tâm khi thiết kế tuyến DWDM

Công nghệ DWDM thường chủ yếu sử dụng bước sóng 1550 nm. Khoảng cách kênh của DWDM có thể là 200, 100, 50 hoặc 25 GHz với số kênh đạt tới 128 kênh trở lên ở khoảng cách vài nghìn km với khuếch đại và tái tạo dọc theo tuyến.

Số kênh theo bước sóng 3.1.1.

Một trong những vấn đề quan trọng là hệ thống sử dụng bao nhiêu kênh bước sóng và số kênh cực đại hệ thống có thể sử dụng được. Số kênh bước sóng sử dụng phụ thuộc vào:

 Khả năng của công nghệ đối với các thành phần quang như:

o Khả năng băng tần của sợi quang.

o Khả năng tách/ghép các kênh bước sóng.

 Khoảng cách giữa các kênh gồm các yếu tố sau:

o Độ rộng phổ của nguồn phát.

o Khả năng tách/ghép của hệ thống DWDM.

Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550 nm có độ rộng khoảng 100 nm, nhưng do dải khuếch đại của các bộ khuếch đại quang chỉ có độ rộng khoảng 35 nm (theo quy định của ITU - T thì dải khuếch đại này là từ bước sóng 1530 nm đến 1565 nm đối với băng C; hoặc băng L từ 1570 nm đến 1603 nm) nên trong thực tế, các hệ thống DWDM không thể tận dụng hết băng tần của sợi quang.

Gọi là khoảng cách giữa các kênh bước sóng thì tương ứng ta có:

2 .      f c (3.1) Như vậy, tại bước sóng λ = 1550 nm, với = 35 nm thì f = 4,37.1012 Hz. Giả sử tốc độ truyền dẫn của mỗi kênh bước sóng là 2.5Gbps thì theo định nghĩa Nyquist, phổ cơ sở của tín hiệu là 2 x 2,5 = 5Gbps thì số kênh bước sóng cực đại có thể đạt được N = f /5 = 874 kênh trong dải băng tần khuếch đại quang. Đây là số kênh tính theo lý thuyết, tuy nhiên, với mật độ kênh càng lớn thì đòi hỏi các thành phần quang trên tuyến phải có chất lượng càng cao. Để tránh xuyên âm giữa các kênh này cần có bộ phát ổn định và một bộ lọc quang có khả năng chọn lọc bước sóng cao. Bất kỳ sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm dãn phổ sang kênh lân cận.

Dựa vào khả năng công nghệ hiện nay, ITU-T đưa ra quy định về khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 GHz (0,8 nm) hoặc 50 GHz (0,4nm) với chuẩn tần số là 193,1 THz. Với công nghệ hiện nay, DWDM chủ yếu sử dụng dải băng tần C (1530 - 1560)nm và băng L (1560 - 1600)nm.

Băng thông và lọc tín hiệu 3.1.2.

Hình 3.1 cho thấy các yêu cầu băng thông tín hiệu thay đổi như thế nào với tốc độ dữ liệu. Một lượng đáng kể băng thông thường được tiêu thụ bởi tín hiệu quang.

a) Độ rộng băng thông

Hệ thống DWDM sử dụng băng tần rất lớn (tương ứng với băng tần suy hao thấp của sợi quang). Các bộ khuếch đại quang được sử dụng trong hệ thống nhằm mục đích truyền tải tín hiệu đi xa hơn, các bộ khuếch đại này phải đặt ở các vị trí phù hợp. Lúc này, chính băng thông của các bộ khuếch đại quang là yếu tố quyết định băng thông sử dụng của các kênh trong hệ thống DWDM.

Hình 3.1. Băng thông tín hiệu quang

Băng thông của các bộ khuếch đại quang sử dụng sợi pha tạp Erbium (EDFA) thường chính là băng C. Gần đây, người ta đã có thể mở rộng băng thông bộ khuếch đại EDFA sang băng L. Đây cũng chính là lý do tại sao các hệ thống DWDM chủ yếu sử dụng các bước sóng trên hai băng tần quang này.

được tích lũy. Tại một vị trí nào đó trên đường truyền, công suất tại mỗi kênh bước sóng sẽ không còn đồng đều và chất lượng của một số kênh bước sóng sẽ suy giảm và không thể tiếp tục truyền đi xa được nữa. Vì vậy, độ bằng phẳng khuếch đại trong băng thông hoạt động của các bộ khuếch đại sử dụng trong hệ thống DWDM rất quan trọng.

Hình 3.2. Phổ các kênh tín hiệu sau khi đi qua một bộ khuếch đại và sau khi đi qua nhiều bộ khuếch đại

Hình 3.2 mô tả phổ các kênh tín hiệu sau khi đi qua một bộ khuếch đại mà hệ số khuếch đại không đồng đều trên toàn băng thông và sau khi đi qua nhiều bộ khuếch đại có cùng đặc tính như vậy.

Có hai cách để khắc phục vấn đề độ bằng phẳng của bộ khuếch đại: - Sử dụng các bộ lọc kết hợp với bộ khuếch đại một cách hợp lý để san phẳng phổ khuếch đại. Phương pháp này có nhược điểm là độ khuếch đại sử dụng kỹ thuật này sẽ không được cao như các bộ khuếch đại thông thường do một phần công suất quang đã bị lọc bỏ bởi các bộ lọc.

- Sử dụng phương án phát tín hiệu quang không đồng đều về mặt công suất ngay tại các bộ phát quang, nghĩa là các kênh quang nằm ở vùng khuếch đại thấp hơn sẽ được phát đi với công suất lớn hơn. Phương pháp này có nhược điểm là việc thiết kế các bộ phát quang sẽ hoàn toàn phụ thuộc vào đặc tính của các bộ khuếch đại quang.

Độ rộng phổ của nguồn phát 3.1.3.

chồng phổ ở phía thu giữa các kênh lân cận. Khoảng cách giữa những kênh này phụ thuộc vào đặc tính của các thiết bị như MUX/DEMUX, bộ lọc, độ dung sai cũng như mức độ ổn định của các thiết bị này.

Về bản chất, việc ghép các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang là dựa trên nguyên tắc ghép kênh theo tần số. Các kênh khác nhau làm việc ở các kênh tần số khác nhau trong cùng băng thông của sợi quang. Theo lý thuyết, băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênh bước sóng ghép được rất lớn (ở cả 2 cửa sổ truyền dẫn). Tuy nhiên, trong thực tế, các hệ thống DWDM thường đi liền với các bộ khuếch đại quang sợi và làm việc chỉ ở cửa sổ bước sóng 1550 nm. Vì vậy, băng tần của sợi quang bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch đại. Như vậy, một vấn đề đặt ra khi ghép là khoảng cách giữa các bước sóng phải thỏa mãn được yêu cầu tránh cộng phổ của các kênh lân cận ở phía thu. Khoảng cách này phụ thuộc vào đặc tính phổ của nguồn phát và các ảnh hưởng khác nhau trên đường truyền như tán sắc sợi, hiệu ứng phi tuyến…

Một cách lý tưởng, có thể xem hệ thống DWDM như là sự xếp chồng của các hệ thống truyền dẫn đơn kênh khi khoảng cách giữa các kênh bước sóng đủ lớn và công suất phát hợp lý. Mối quan hệ giữa phổ công suất phía thu với phổ công suất nguồn phát được thể hiện bởi tham số đặc trưng cho giãn phổ, kí hiệu , băng tần tín hiệu B và bù tán sắc D. Nếu gọi ε là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát và sợi quang, ta có biểu thức:

ε = B.D.RMS (3.2) - Trong đó: B là độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn.

D là độ tán sắc tương ứng khoảng cách truyền dẫn.

Quỹ công suất 3.1.4.

Trong môi trường truyền dẫn cáp sợi quang, quỹ công suất là một yếu tố rất quan trọng nhằm đảm bảo cho hệ thống hoạt động bình thường. Mục đích của quỹ công suất là bảo đảm công suất đến máy thu đủ lớn để duy trì hoạt động tin cậy trong suốt thời gian sống của hệ thống. Suy hao công suất trên toàn tuyến bao gồm: suy hao trên sợi dẫn quang, trên các bộ nối quang và tại các mối hàn. Tổng suy hao trên toàn tuyến nhận được từ các phân bổ suy hao liên tiếp của từng phần tử trên tuyến. Suy hao của từng phần tử được tính:

2 1 log 10 ) ( P P dB A  (3.3) Trong đó: P1, P2 là các công suất quang đầu vào và đầu ra của phần tử.

Ngoài các suy hao do các phần tử trên tuyến quang gây ra như đã nêu ở trên, ta còn phải có một lượng công suất quang dự phòng cho tuổi thọ của các thành phần, sự thay đổi nhiệt độ và các suy hao tăng lên ở các thành phần. Dự phòng cho tuyến thường thường từ 6 - 8 dB. Chính vì vậy mà quỹ công suất của tuyến có thể xem như là công suất tổng PT nằm giữa nguồn phát quang và bộ tách sóng quang. Suy hao tổng này bao gồm suy hao sợi, suy hao bộ nối

quang, suy hao mối hàn và dự phòng cho hệ thống. Nếu gọi PS là công suất

quang của nguồn phát được đưa vào đầu ghép sợi và PR là độ nhạy của bộ thu quang thì:

PT = PS - PR= 2lC + f.L + dự phòng hệ thống (3.4) Trong đó: lC là suy hao bộ nối quang

αf là suy hao sợi

L là cự ly truyền dẫn

Ở đây, suy hao do mối hàn lSP được gán vào trong suy hao sợi để đơn giản phép tính.

3.2. Đánh giá lỗi đường truyền [19]

Tỉ lệ lỗi bit 3.2.1.

Tỷ lệ lỗi bit (BER) là tỷ lệ của các bit lỗi trên tổng số bit được truyền. Giá trị điển hình là 10-12

BER cho SONET và 10-15 cho thiết bị truyền dẫn đường dài thế hệ tiếp theo. Giá trị 10-15

có nghĩa là một bit lỗi trong 1015 bit, tương đương với một lỗi trong 11,6 ngày đối với tín hiệu 10 Gb/s.

Tại bộ tách sóng quang, tín hiệu quang tử được chuyển đổi thành tín hiệu điện với hiệu quả phụ thuộc vào khả năng đáp ứng. Đáp ứng độ tăng ích về dòng là ReG h/  ,trong đó  là hiệu suất lượng tử của bộ tách sóng quang, e là điện tích của electron và G là độ lợi của bộ tách sóng.

Tuy nhiên, bản thân máy thu thêm tạp âm bao gồm ba thành phần:

 Dòng điện tối Ndark 2ei Bd (3.5)

 Tạp âm Shot 2 dif 2 / shot N  e P B h (3.6)  Tạp âm Johnson NJ 4kTB R/ L (3.7) Trong đó: B là băng thông máy thu

k là Hằng số Boltzmann

T là nhiệt độ môi trường

d

i là dòng điện tối của bộ tách sóng quang

L

R là tải đầu ra qua nơi đo điện áp.

Phương sai của dòng tạp âm trên mỗi bit tại đầu ra của máy thu là

2 2 2

,photon 2( / )

N PR h T

     (3.8)

Trong đó: PR là công suất quang tử tới trên mỗi bit

 Tạp âm phương sai bộ thu

2

4 /

RCVR kTB RL

  (3.9)

 Tạp âm dòng điện tối

2

2

dark ei Bd

  (3.10)

 Tạp âm bộ khuếch đại quang ASE

2 2

4

ampl R PR ASEB

  

(3.11)

 Tạp âm cường độ tương đối

2 2 RIN i nd RINB   (3.12)  Tạp âm bộ lọc 2 2 2 2 4 filter gR ASEB    (3.13) Trong đó: ASE là mật độ quang phổ của bộ khuếch đại quang ASE

g là tỉ số /B,  là băng thông của bộ lọc quang và B là băng thông của bộ thu.

RIN

n là hệ số cường độ tạp âm tương đối.

Khi nhiễu là Gaussian với hai mặt mật độ phổ, mật độ phổ công suất RIN là (Hz):

(RIN/10) 2

0.5 10

RIN Trans

psd   P (3.14) Trong đó: RIN là thông số cường độ tạp âm tương đối của lazer (tính bằng

dB/Hz).

Trans

P là công suất truyền trung bình.

Như vậy, SNR là tỷ lệ của bình phương trung bình giá trị của dòng điện được tạo bởi bộ thu đến tổng phương sai tạp âm trong dòng quang. Trong trường hợp này, mục tiêu SNR dựa trên công suất tối thiểu và số lượng

photon tối thiểu cần thiết để phát hiện một bit “1’’ (trong một khoảng thời gian c) là gần đúng bởi công thức:

2 2 2 2 2

,

( R/ ) / ( R/ d 2 / L) ( R/ ) N ph ( R/ ) c

SNR P h  e P h ei  kT R B e P h    e P h   B (3.15)

Cuối cùng nếu máy thu có một trở kháng xuyên bộ khuếch đại (TIA) thì mật độ phổ công suất của tạp âm đầu vào TIA là:

2

(I / ) / 2 )

TIA n TIA

psd  R n (3.16)

Trong đó: In là dòng tạp âm tham chiếu đầu vào của TIA, yếu tố 2 xuất hiện do mật độ phổ hai mặt

TIA

n là băng thông tạp âm của TIA được xác định

2

nTIA (1/ 2 )  Fo( ) d trong đó tích phân từ 0 đến vô cùng.

Xác suất bị lỗi của các bit nhận 3.2.2.

Bởi vì những ảnh hưởng đã được chỉ ra, các bit 1 và 0 có thể đến tại máy thu bị sai lệch. Một bit lỗi là một quá trình ngẫu nhiên và nó được tính toán dựa trên xác xuất ngẫu nhiên. Trong hệ thống thông tin, xác suất lỗi bit, số bit lỗi ε, trên tổng số bit truyền n, được thể hiện P( ) /n. Thường thì giới hạn trên của P'( ) được đặt ở mức chỉ định γ, ví dụ như  10N trong đó N phụ thuộc vào ứng dụng và nó có thể thay đổi từ 8 đến 15.

Nếu p là xác suất một bit bị lỗi và q là xác suất một bit đúng (trong một đẳng nhị thức thì p+q=1), xác suất khi k bit lỗi sẽ xảy ra trong n bit truyền được thể hiện bởi công thức

( ) {n!/(k!(n-k)!)} k n k

n

P k  p q  (3.17) Tương tự, xác suất N hoặc ít lỗi hơn sẽ xảy ra trong n bit truyền được biểu thị bởi công thức

Với tổng được tính từ k=0 đến N.

Trong trường hợp N lỗi hoặc nhiều hơn

( ) 1 ( ) ( ) {n!/(k!(n-k)!)} k n k n

P N  P N P k  p q   (3.19) Với tổng được tính từ k=N+1 đến n

Các phương trình này được đơn giản hóa nếu lỗi coi là Poisson ngẫu nhiên, trong trường hợp này và cho n rất lớn

( ) / ! k n k k np p q   np k e (3.20) Khi đó   ( ) ( ) / !k np n P k  np k e   (3.21)

Xác suất thực tế mà P(ε) là tốt hơn mức thiết lập γ được biết đến là cấp độ tin cậy CL, được biểu thị bằng phần trăm và định nghĩa là:

  1  !/ !( )! k(1 )n k

CLP  N    n k n k P    (3.22) Với tổng được tính từ k=0 đến N.

Giả sử mức độ tin cậy là 99%, BER ngưỡng được đặt ở 10

10

   , và và tốc độ bit 2,5 Gb / s, thì n cần thiết để phát hiện một lỗi là 10

6.64 10 . Nếu xác suất của một bit bị lỗi trong đơn vị thời gian hoặc trong một block tương đương của bit là q, xác suất xảy ra hai lỗi độc lập trong cùng một block là 2

q , ba lỗi là 3

q ...Bây giờ, lỗi ba khó xảy ra gấp là một triệu lần so với một lỗi bit đơn. Ở tốc độ bit rất thấp, chẳng hạn như Kbps, điều này có thể không bao giờ xảy ra. Tuy nhiên, tại tốc độ bit cực cao (ví dụ 10 hoặc 40 Gb/s) thì điều này là không đúng.

Giám sát tỉ lệ lỗi bit 3.2.3.

Để theo dõi chất lượng tín hiệu, một hoặc nhiều phương pháp có thể được sử dụng, chẳng hạn như hủy bỏ, lấy mẫu, giám sát quang phổ và gián tiếp.

 Chấm dứt bao gồm các mã phát hiện lỗi (EDC) được gắn bởi nguồn trong phần đầu của tín hiệu (IP, SONET, ATM, ...). Tuy nhiên, EDC đã hạn chế khả năng phát hiện và sửa lỗi.

 Lấy mẫu bao gồm một mạch giải ghép kênh, máy dò được tạp âm rất thấp, một mạch lấy mẫu, và thuật toán phân tích tín hiệu rời rạc.

 Giám sát quang phổ đòi hỏi phân tích quang phổ và đo tạp âm .

 Gián tiếp dựa vào hệ thống báo động (mất khung, mất đồng bộ, v.v.)

Sơ đồ mắt, BER và SNR 3.2.4.

Một thước đo nhanh chóng và chất lượng của chất lượng của tín hiệu thu được là sơ đồ mắt, hình sau đây thể hiện điều đó.

Hình 3.3. Sơ đồ mắt cung cấp một thước đo định tính về chất lượng tín hiệu tại máy thu

logic 1(I1,min), và dòng ngưỡng lớn nhất cho logic 0 (I0,max). Độ mở của mắt tính bởi công thức

1,min 0,max

eye

E I I (3.23)

Tạp âm và jitter là ngẫu nhiên, có khả năng là phân phối Gaussian. Nếu độ lệch chuẩn cho logic 1 là 1 và cho logic 0 là 0. Có một thước đo tỉ lệ tín