Hình 2.9 : Cấu trúc của bộ xen rẽ quang OADM.
OADM là một linh kiện quan trọng trong việc tổ chức mạng truyền dẫn. Chức năng chính của OADM là xen, rẽ và chuyển tiếp tín hiệu quang (các kênh bước sóng) tại các node mạng quang. Chức năng này tương tự như chức năng của bộ xen/rẽ kênh ADM trong mạng SDH nhưng đối tượng thao tác trực tiếp là tín hiệu quang. Nhờ năng lực này của OADM nên nó trở thành phần tử cơ bản nhất trong các mạng hình vòng dựa trên công nghệ WDM. Mạng hình vòng WDM giữ lại đặc tính tự khôi phục của kiến trúc hình vòng, đồng thời có thể nâng cấp dung lượng đều đặn trong trường hợp không biến đổi kiến trúc của hệ thống.
Các thiết bị OADM được chia làm hai loại : OADM tĩnh và OADM động. Trong OADM tĩnh, sử dụng tín hiệu kênh quang có bước sóng vào ra cố định. Vì vậy, trong kết cấu phần tử tách nhập chủ yếu dùng linh kiện thụ động như : bộ
tách ghép kênh, bộ lọc cố định. Như vậy, định tuyến của điểm node là cố định, thiếu linh hoạt nhưng không có trễ.
Trong OADM động, có thể căn cứ vào nhu cầu để chọn tín hiệu kênh quang có bước sóng vào/ra khác nhau. Vì vậy, trong kết cấu phần tử tách nhập thường dùng linh kiện khoá quang, bộ lọc có điều khiển. Như vậy, có thể phân phối tài nguyên bước sóng của mạng một cách hợp lý. Tuy nhiên, phức tạp và có trễ.
2.2.3.7 Hệ thống chuyển mạch quang
Hệ thống chuyển mạch quang là một hệ thống cho phép các tín hiệu bên trong các sợi cáp quang hay các mạch tích hợp quang (IOC) được chuyển mạch có lựa chọn từ một cáp (mạch) này tới một cáp (mạch) khác.
Mục đích xây dựng các hệ thống truyền dẫn toàn quang nhằm lợi dụng được các ưu điểm của truyền dẫn quang, nên ngoài phần truyền dẫn là các sợi quang, các thiết bị chuyển mạch cũng phải làm việc ở miền quang. Các ma trận chuyển mạch được sử dụng để cấu tạo nên các thiết bị chuyển mạch quang. Ngoài ra, các ma trận chuyển mạch quang cũng là một trong các thành phần lõi của các thiết bị điểm node trong mạng WDM.
Có 4 loại chuyển mạch quang :
1. Chuyển mạch phân chia theo không gian 2. Chuyển mạch phân chia theo thời gian 3. Chuyển mạch phân chia theo bước sóng 4. Chuyển mạch phân chia theo mã.
Trong hệ thống WDM chỉ dùng hai loại chuyển mạch là : chuyển mạch phân chia theo không gian và chuyển mạch phân chia theo bước sóng. Còn chuyển mạch quang phân chia theo thời gian và chuyển mạch quang phân chia theo mã đã được ứng dụng vào chuyển mạch gói quang ATM.
2.2.3.8 Bộ khuếch đại quang sợi
Hiện nay, công nghệ khuếch đại quang sợi cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng. Việc sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi giúp dễ dàng mở rộng dung lượng đường dây thông tin (do xử lý hoàn toàn ở miền quang mà không cần phải chuyển đổi O/E/O), tăng khoảng cách trạm lặp và hạ giá thành cho hệ thống. Mặt khác, các
bộ khuếch đại này còn có vai trò quan trọng trong các hệ thống WDM, khi mà có nhiều bước sóng cùng truyền dẫn trên một sợi quang thì công suất phát của mỗi bước sóng sẽ bị giới hạn và nhỏ hơn nhiều so với hệ thống truyền dẫn bước sóng đơn nhằm tránh các hiệu ứng phi tuyến. Trong khi đó, suy hao và tán sắc là những nhược điểm cố hữu của truyền dẫn trên sợi quang. Vì vậy, công nghệ quang sợi phát triển sẽ thúc đẩy sự phát triển và thương mại hoá của hệ thống WDM.
Khuếch đại quang sợi chính là một đoạn sợi quang nhưng khi chế tạo có pha thêm nguyên tố vi lượng Erbium (EDF) với một tỷ trọng nhỏ (0.1). Các ion Erbium (Er3+) hấp thụ ánh sáng từ một nguồn bơm để nhảy lên mức năng lượng cao hơn phía trên (các bộ khuếch đại quang sợi đạt hiệu suất cao khi làm việc ở các bước sóng bơm 980 nm hay 1480 nm). Sự dịch chuyển của ion từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn sẽ bức xạ ra một photon.
Hình 2.10 : Giản đồ năng lượng của ion Er3+ trong sợi quang Silica.
Bảng 2.1 Các bước sóng bơm quang
Bước sóng bơm quang (nm) Mức năng lượng chuyển tiếp
1480 4I15/2 → 4I13/2
980 4I15/2 → 4I11/2
807 4I15/2 → 4I9/2
EDFA có 3 ứng dụng chính bao gồm :
▪ Khuếch đại công suất BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn, được sử dụng ngay sau Tx để tăng công suất tín hiệu phát.
▪ Khuếch đại đường truyền LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp, được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp. Đối với hệ thống có sử dụng LA đòi hỏi phải có một kênh thông tin riêng (OSC) để thực hiện việc cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA. Kênh OSC này không được quá gần với bước sóng bơm cũng như kênh tín hiệu để tránh ảnh hưởng lẫn nhau. Sử dụng các LA liên tiếp có thể làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng hệ thống do các hiện tượng như : tích luỹ tạp âm, ảnh hưởng của tán sắc, phân cực và các hiệu ứng phi tuyến, đặc biệt là hình thành đỉnh khuếch đại xung quanh một bước sóng nào đó dẫn đến việc thu hẹp dải phổ khuếch đại của LA. Vì thế, sau một số LA cần có các trạm lặp.
▪ Tiền khuếch đại PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp nhờ sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp có thêm chức năng điều chỉnh bước sóng trung tâm theo bước sóng của nguồn phát. Được sử dụng ngay trước Rx để tăng độ nhạy thu.
2.2.3.9 Các chủng loại sợi quang
Hiện nay, có nhiều loại chuẩn sợi quang : G.652, G.653, G.654, G.655. Mỗi loại sợi này có các yêu nhược điểm khác nhau. Trên cơ sở phân tích từng ưu nhược của chúng, kết hợp với đặc điểm của công nghệ WDM, nhằm xác định sử dụng sợi quang nào thích hợp nhất cho hệ thống WDM là một vấn đề rất quan trọng bởi vì nó phải truyền một lúc nhiều sóng mang trên cùng một sợi quang. Do vậy, ngoài việc đáp ứng các yêu cầu như đối với sợi quang một bước sóng, nó còn phải đáp ứng nhiều yêu cầu phức tạp khác như : giảm xuyên nhiễu giữa các kênh; duy trì được sự phân bố đồng đều hệ số khúc xạ, suy hao, tán sắc cho các sóng mang…Ngoài ra, một vấn đề cũng được đặt ra là khả năng sử dụng các sợi một bước sóng đã tồn tại trên mạng cho hệ thống WDM như thế nào, các giải pháp kỹ thuật để sử dụng chúng cho hệ thống WDM.
+ Sợi quang G.652
Đây là loại sợi quang đơn mode được sử dụng phổ biến trên mạng lưới viễn thông của nhiều nước hiện nay. Loại sợi này có thể làm việc ở hai cửa sổ truyền dẫn
1310 nm và 1550 nm. Khi làm việc ở cửa sổ 1310 nm, G.652 có tán sắc nhỏ (xấp xỉ 0 ps/nm.km) và suy hao tương đối lớn. Ngược lại, khi làm việc ở cửa sổ 1550 nm, G.652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắc tương đối lớn.
+ Sợi quang G.653 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Để xây dựng các tuyến thông tin quang tốc độ cao, cự ly dài thì cần phải sử dụng loại sợi có cả suy hao và tán sắc tối ưu tại một bước sóng. Hiện nay, bằng cách thay đổi mặt cắt chiết suất có thể chế tạo được sợi tán sắc dịch chuyển, loại sợi này gọi là sợi DSF hay sợi G.653.
Hệ số suy hao của sợi DSF thường nhỏ hơn 0.5 dB/km ở cửa sổ 1310 nm và nhỏ hơn 0.3 dB/km ở cửa sổ 1550 nm. Hệ số tán sắc ở vùng bước sóng 1310 nm khoảng 20 ps/nm.km, còn ở vùng bước sóng 1550 nm thì nhỏ hơn 3.5 ps/nm.km. Bước sóng cắt thường nhỏ hơn 1270 nm.
Xét về mặt kỹ thuật, sợi G.653 cho phép xây dựng các hệ thống thông tin quang với suy hao chỉ bằng khoảng một nửa suy hao của hệ thống bình thường khi làm việc ở bước sóng 1310 nm. Còn đối với các tuyến hoạt động ở bước sóng 1550 nm thì do sợi G.653 có tán sắc rất nhỏ, nên nếu chỉ xét về tán sắc thì gần như không có sự giới hạn về tốc độ truyền tín hiệu trong các hệ thống này. Do tính chất ưu việt của sợi quang G.653 (DSF) ở bước sóng 1550 nm mà nó trở thành sợi quang được chú ý nhất. Nhưng nghiên cứu kỹ người ta đã phát hiện ra rằng khi dùng G.653 trong hệ thống WDM thì ở khu vực bước sóng có tán sắc bằng 0 sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi hiệu ứng phi tuyến. Đây là nhược điểm chính của DSF.
+ Sợi quang G.654
G.654 là sợi quang đơn mode tới hạn thay đổi vị trí bước sóng cắt. Loại sợi này có đặc điểm : suy hao ở bước sóng 1550 nm giảm nhưng tán sắc vẫn tương đối cao, điểm tán sắc bằng 0 vẫn ở bước sóng 1310 nm. G.654 chủ yếu được sử dụng cho các tuyến cáp quang biển.
+ Sợi quang G.655
Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác 0 (NZ-DSF), còn gọi là sợi quang đơn mode G.655. Đối với loại sợi này, điểm tán sắc bằng 0 của nó không nằm ở 1550 nm mà dịch tới 1570 nm hoặc gần 1510 - 1520 nm. Giá trị tán sắc trong phạm vi
1548 – 1565 nm là ở 1 ÷ 4 ps/nm.km đủ để đảm bảo tán sắc khác 0, trong khi vẫn duy trì tán sắc tương đối nhỏ.
NZ-DSF có ưu điểm của cả hai loại sợi quang G.652 và G.653, đồng thời khắc phục được nhược điểm cố hữu của sợi G.652 (bị hạn chế bởi tán sắc) và sợi G.653 (bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng phi tuyến “trộn 4 bước sóng” nên khó thực hiện trong hệ thống WDM). Lý thuyết đã chứng minh rằng tốc độ truyền dẫn của sợi quang NZ-DSF có thể đạt ít nhất là 80 Gbps. Vì vậy, sợi NZ-DSF là sự lựa chọn lý tưởng để thiết kế tuyến truyền dẫn tốc độ cao, cự ly dài.
+ Sợi quang có tiết diện hiệu dụng lớn
Loại sợi này thích hợp cho ứng dụng trong hệ thống WDM có dung lượng và cự ly truyền dẫn lớn. Tiết diện hiệu dụng là 72 μm2, điểm tán sắc bằng 0 là 1510 nm, chịu được công suất tương đối lớn.
Một vấn đề lớn đặt ra khi sử dụng các sợi quang hiện nay trong hệ thống WDM là tán sắc. Để khắc phục được ảnh hưởng của tán sắc người ta sử dụng sợi quang bù tán sắc. Tức trong đường dây truyền dẫn sợi quang đã lắp đặt, cứ mỗi khoảng cách nhất định lại lắp vào sợi quang đã điều chỉnh tốt để bù tán sắc, làm cho toàn bộ chiều dài đường truyền dẫn có tổng tán sắc giảm xuống xấp xỉ bằng không.
Việc tận dụng các sợi quang hiện có chỉ là biện pháp tạm thời cho hệ thống WDM, bởi vì nó làm cho hệ thống trở nên phức tạp cũng như giảm khả năng truyền dẫn. Hướng phát triển trong tương lai là sử dụng các loại sợi quang mới dành riêng cho hệ thống WDM.
+ Các yêu cầu của sợi quang mới
- Dải tần truyền dẫn lớn.
- Sợi có diện tích hiệu dụng lớn hơn cho phép công suất quang cao hơn trong sợi mà không bị ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến.
- Giảm hiệu ứng trộn 4 sóng.
- Giảm ảnh hưởng PMD cho các tuyến truyền dẫn tốc độ cực cao. - Có suy hao và tán sắc thấp ở bước sóng 1550 nm.
- Có tán sắc bằng phẳng trong vùng bước sóng truyền dẫn. - Ví dụ một số loại sợi quang mới : sợi SMF-28e, sợi LEAF.
2.3 Các giải pháp truyền tải IP trên quang.
2.3.1 Các giải pháp truyền tải IP trên quang
Nghiên cứu và phân tích những giải pháp khả thi (khái niệm khả thi ở đây được xét trên cả khía cạnh đã có sản phẩm thương mại hay nói cách khác là đã hiện diện trên mạng và phù hợp với xu thế phát triển) chúng ta cùng thống kê lại những giải pháp đã đang được nghiên cứu hoặc được ứng dụng trên mạng của nhà khai thác trong những năm qua trên thế giới.
Các nhà cung cấp dịch vụ và tổ chức tiêu chuẩn viễn thông đã đề xuất nhiều giải pháp mới cho khai thác IP trên một kiến trúc mạng đơn giản, lớp WDM là nơi cung cấp băng tần truyền dẫn. Từng giải pháp có những ưu nhược điểm riêng, song đó đều là các cơ sở tốt để tiến tới hiện thực hoá mạng IP trực tiếp trên sợi quang.
Hình 2.11 Các giải pháp IP trên quang qua từng giai đoạn phát triển.
Trong các giải pháp trên, mỗi giải pháp có những ưu và nhược điểm khác nhau. Một số giải pháp đã được thực tế hoá trên mạng viễn thông (IP/PDH/SDH/WDM, IP/ATM/SDH/WDM, IP/ATM/WDM, IP/SDH/WDM, IP/NG-SDH/WDM), các giải pháp mới đang được tập trung nghiên cứu (IP/MPLS/WDM, IP/WDM).
Qua nghiên cứu cho thấy hai xu hướng thực thi, một là khai thác lợi điểm của các công nghệ hiện có trên mạng, thêm tính năng để thích ứng với việc mạng lưu lượng IP với kích thước gói thay đổi. Xu hướng hướng kia là nghiên cứu ra các giao thức mới phù hợp với đặc tính lưu lượng IP. Chương 2 được coi là cơ sở cho
Chương 3, trên cơ sở phân tích các lợi thế của các giải pháp từ đó đề xuất ra cấu hình triển khai, cơ chế báo hiệu và kỹ thuật lưu lượng.
2.3.2 Các giải pháp tích hợp IP trên quang
2.3.2.1 Thích ứng IP trên lớp mạng quang (WDM)
Hình 2.12 Mô hình phân lớp thích ứng IP trên quang của 3 giai đoạn phát triển. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong mô hình trên lớp thích ứng cần quan tâm chính là tầng mạng truyền tải quang OTN(Och, OMS và OTS), còn các lớp khác thuộc kiến thức cơ bản :
• Lớp kênh quang(Och): định nghĩa một kết nối quang(đường tia sáng) giữa hai thực thể client quang. Lớp kênh quang là sự truyền dẫn trong suốt các tin tức dịch vụ từ đầu cuối đến đầu cuối(Mỗi kênh quang Och tương đương với một bước sóng trong DWDM). Och thực hiện các chức năng: định tuyến tin tức của thuê bao khách hàng, phân phối bước sóng, sắp xếp kênh tín hiệu quang để mạng kết nối linh hoạt, xử lý các thông tin phụ của kênh tín hiệu quang, đo kiểm lớp kênh tín hiệu quang và thực hiện chức năng quản lý. Khi phát sinh sự cố, thông qua việc định tuyến lại hoặc cắt chuyển dịch vụ công tác sang tuyến bảo vệ cho trước để thực hiện đấu chuyển bảo vệ và khôi phục mạng.
• Lớp đoạn ghép kênh quang(OMS): định nghĩa việc kết nối và xử lý trong nội bộ ghép kênh hay một nhóm các kết nối quang ở mức kênh quang Och(OMS
còn được gọi là một nhóm bước sóng truyền trên cáp sợi quang giữa hai bộ ghép kênh DWDM). OMS đảm bảo truyền dẫn tín hiệu quang ghép kênh nhiều bước sóng giữa hai thiết bị truyền dẫn ghép kênh bước sóng lân cận, cung cấp chức năng mạng cho tín hiệu nhiều bước sóng. OMS có các tính năng: cấu hình lại đoạn ghép kênh quang để đảm bảo mạng định tuyến nhiều bước sóng linh hoạt, đảm bảo xử lý hoàn chỉnh tin tức phối hợp của đoạn ghép kênh quang nhiều bước sóng và thông tin phụ của đoạn ghép kênh quang, cung cấp chức năng đo kiểm và quản lý của đoạn ghép kênh quang để vận hành và bảo dưỡng mạng.
• Lớp đoạn truyền dẫn quang(OTS): định nghĩa cách truyền tín hiệu quang trên các phương tiện quang đồng thời thực hiện tính năng đo kiểm và điều khiển đối với bộ khuếch đại quang và bộ lặp. Lớp này thực hiện các chức năng: cân bằng công suất, điều khiển tăng ích của EDFA, tích luỹ và bù tán sắc.
• Lớp sợi quang: là tầng vật lý ở dưới cùng, gồm các sợi quang khác nhau như: G.652, G.653, G.655... Các sợi này sẽ được trình bày cụ thể trong chương 3.
Tầng phân cấp số đồng bộ SDH
Tầng SDH có tốc độ thấp so với tốc độ của tầng WDM, các mạch đường dây TDM(ví dụ luồng 2 Mbps, 34 Mbps) nối với các thiết bị client(như chuyển mạch ATM), sắp xếp chúng vào khuôn dạng của các khung đồng bộ để truyền tải qua