CÔNG NGHỆ MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG: TÌM HIỂU VỀ CÁC CHƯƠNG TỬ TRONG MẠNG QUANG WDM

Các tính chất của tín hiệu ngẫu nhiên liên tục theo thời gian nói ở phần trên có thể áp dụng cho các tín hiệu ngẫu nhiên rời rạc theo thời gian.. Giống như trong trường hợp của các quá t

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG I

-

TIỂU LUẬN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG

TÌM HIỂU VỀ CÁC CHƯƠNG TỬ TRONG MẠNG QUANG WDM

Giảng viên hướng dẫn: Cao Hồng Sơn Sinh viên thực hiện:

Trần Xuân Hiếu B18DCVT163

HÀ NỘI - 2021

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 2

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: QUÁ TRÌNH NGẪU NHIÊN 4

1.1 Định lý lấy mẫu giới cho quá trình ngẫu nhiên có băng tần hạn chế 4

1.2 Tín hiệu ngẫu nhiên rời rạc theo thời gian 5

1.3 Các quá trình dừng vòng (Cyclostationary) 7

CHƯƠNG II: CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠNG QUANG WDM 9

2.1 Mở đầu 9

2.2 Thiết bị kết cuối tuyến quang (OLT) 12

2.3 Bộ khuếch đại đường quang (OLA) 13

KẾT LUẬN 14

TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi pha

Erbium FEC Forward Error Correction Sửa lỗi chuyển tiếp

ITU International Telecommunication Liên minh Viễn thông Quốc

OADM Optical Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rẽ quang

OSC Optical Supervision Channel Kênh giám sát quang

SDH Synchronous Digital Hierachy Phân cấp số đồng bộ

SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

LỜI MỞ ĐẦU

Với sự phát triển nhanh chóng của các mô hình truyền số liệu, đặc biệt là Internet đã làm bùng nổ nhu cầu tăng băng thông Trong bối cảnh IP (Internet Protocol) đang nổi lên như là nền tảng chung của mọi loại hình dịch vụ trong tương lai, các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn bắt buộc phải xem xét lại phương thức truyền dẫn TDM truyền thống, vốn tối ưu cho truyền thoại nhưng lại kém hiệu quả trong việc tận dụng băng thông

Truyền dẫn ghép phân chia bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing): ghép nhiều bước sóng để có thể truyền trên một sợi quang, không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng Công nghệ WDM có thể mang đến giải pháp hoàn thiện nhất trong điều kiện công nghệ hiện tại Thứ nhất nó vẫn giữ tốc độ xử lý của các linh kiện điện tử ở mức 10 Gbps, bảo đảm thích hợp với sợi quang hiện tại Thay vào đó, công nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm

Bài báo cáo với chủ đề “Tìm hiểu về các Chương tử trong mạng quang WDM” với

hai nội dung:

Chương 1: Quá trình ngẫu nhiên

Chương 2: Các phần tử trong mạng quang WDM

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Cao Hồng Sơn đã hướng dẫn và giúp đỡ nhóm

em trong quá trình tìm hiểu và thực hiện bài báo cáo này Do kiến thức chuyên môn còn hạn chế cho nên trong phần nội dung bài tiểu luận nhóm chúng em trình bày dưới đây sẽ không tránh khỏi những sai sót, kính mong thầy góp ý sửa lỗi để chúng em tiếp thu và cải thiện hơn trong quá trình tìm hiểu kiến thức môn học

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy!

CHƯƠNG I: QUÁ TRÌNH NGẪU NHIÊN

1.1 Định lý lấy mẫu giới cho quá trình ngẫu nhiên có băng tần hạn chế

Nhắc lại rằng một tín hiệu xác định s(t) có biến đổi Furiê S(f) được gọi là có băng tần hạn chế nếu S(f) = 0 với | f | > W , ở đây W là tần số cao nhất của tín hiệu s(t) Một tín hiệu như thế được biểu diễn một cách duy nhất bởi những mẫu của s(t) lấy với tần

số f s ≥ 2W Tốc độ tối thiểu ứng với tần số tối thiểu F N = 2W được gọi là tốc độ Nyquist Nếu tốc độ lấy mẫu thấp hơn tốc độ Nyquist thì tín hiệu sẽ bị nhập nhằng,

không chính xác (frequency aliasing) ở miền tần số

Tín hiệu có băng tần hạn chế được lấy mẫu theo tốc độ Nyquist có thể được khôi phục lại từ các mẫu của nó theo công thức nội quy sau:

2W) sin(2πW(t−

n 2W )) 2πW(t−2Wn )

∞

n=−∞

(1)

Ở đây {s(n /2W)} là các mẫu của s(t) lấy tại t = n/2W, n = 0, ±1, ±2, ±3, Tương đương, có thể khôi phục lại s(t) bằng cách cho các mẫu tín hiệu qua một mạch lọc thông thấp lý tưởng với đáp ứng xung h(t) = (sin2𝜋𝑊𝑡)/2𝜋Wt Hình 1.1 minh họa

quá trình khôi phục lại tín hiệu dựa trên phép nội suy

Một quá trình ngẫu nhiên dừng X(t) được gọi là có băng tần hạn chế nếu phổ mật độ công suất của nó Φ(f) = 0 với mọi | f | > W Do Φ(f) là biến đổi Furiê của hàm tự

tương quan Φ(τ), nên Φ(τ) có thể được biểu diễn thành:

2W) sin(2πW(τ−

n 2W )) 2πW(τ−2Wn)

∞

n=−∞

(2)

trong đó {Φ ( n

2W)} là các mẫu của Φ(τ) lấy tại thời điểm t = n/2W, n = 0, ±1, ±2,

±3,

Hình 1.1 Khôi phục tín hiệu dựa trên phép nội suy

Bây giờ nếu X(t) là một quá trình ngẫu nhiên dừng có băng tần hạn chế thi X(t) có thể

được biểu diễn như sau:

2W) sin(2πW(t−

n 2W )) 2πW(t−2Wn)

∞

n=−∞

(3)

trong đó { X( n

2W)} là các mẫu của X(t) lấy tại t = n/2W, n = 0, ±1, ±2, ±3,

Đây là cách biểu diễn một qui trình ngẫu nhiên dừng theo các mẫu rời rạc của nó Các mẫu là các biến gia nhiên được mô tả thống kế bởi hàm mật độ xác suất đồng thời tương ứng Để chứng minh được rằng:

E{|X(t) − ∑ X ( n

2W) sin(2πW(t−

n 2W )) 2πW(t−2Wn)

∞

n=−∞

|2} = 0 (4)

Như vậy sự biểu diễn quá trình ngẫu nhiên bởi các mẫu của nó tương đương theo nghĩa trung bình bình phương sai số bằng không

1.2 Tín hiệu ngẫu nhiên rời rạc theo thời gian

Các tính chất của tín hiệu ngẫu nhiên liên tục theo thời gian nói ở phần trên có thể áp dụng cho các tín hiệu ngẫu nhiên rời rạc theo thời gian Các tín hiệu ngẫu nhiên rời rạc theo thời gian thông thường thu được bằng cách lấy mẫu đều các tín hiệu ngẫu nhiên liên tục theo thời gian

Một quá trình ngẫu nhiên rời rạc theo thời gian X(n) gồm tập hợp các dãy mẫu {x(n)} Các tính chất thống kê của X(n) tương tự với X(t) với n là một biến nguyên (biến thời gian) Vì vậy mômen bậc m của X(n) được định nghĩa như sau:

𝐸[𝑋𝑛𝑚] = ∫ 𝑋𝑛𝑚

∞

−∞

𝑃(𝑋𝑛)𝑑𝑋𝑛 (1)

và dãy tự tương quan là:

∅(𝑛, 𝑘) = 1

2𝐸(𝑋𝑛𝑋𝑘

∗) = ∫ ∫ 𝑋𝑛𝑋𝑘∗𝑝(𝑋𝑛, 𝑋𝑘)𝑑𝑋𝑛𝑑𝑋𝑘

∞

−∞

∞

−∞

(2) Tương tự, dãy tự hiệp biến là:

𝜇(𝑛, 𝑘) = ∅(𝑛, 𝑘) − 𝐸(𝑋𝑛)𝐸(𝑋𝑘∗) (3)

Với một quá trình dừng, chúng ta có ∅(𝑛, 𝑘)=∅(𝑛 − 𝑘) và 𝜇(𝑛, 𝑘)=𝜇(𝑛 − 𝑘) và: 𝜇(𝑛 − 𝑘)=∅(𝑛 − 𝑘)-|𝑚𝑥|2 (4)

Với 𝑚𝑥 = 𝐸(𝑋𝑛) là giá trị trung bình

Giống như trong trường hợp của các quá trình ngẫu nhiên liên tục theo thời gian, một quá trình dừng rời rạc có năng lượng vô hạn nhưng công suất trung bình hữu hạn cho bởi:

E(|𝑚𝑥|2)=∅(0) Phổ mật độ công suất của quá trình rời rạc theo thời gian thu được bằng biến đổi Furiê

của ∅(n) Do ∅(n) là một dãy rời rạc theo thời gian, biến đổi Furiê của nó được định

nghĩa là:

∅(𝑓) = ∑ ∅

∞

𝐧=−∞

(𝒏)𝒆−𝒋𝟐𝝅𝒇𝒏 (𝟓)

và biến đổi Furiê ngược tương ứng là:

∅(𝑛) = ∫ ∅(𝑓)

1/2

−1/2

𝑒𝑗2𝜋𝑓𝑛𝑑𝑓 (6)

Chúng ta nhận xét rằng phố mật độ công suất ∅(𝑓) là tuần hoàn với chu kỳ 𝑓𝑝 = 1, Nói cách khác, ∅(𝑓 + 𝑘) = ∅(𝑓) với k= ±1, ±2, Đây là một đặc trưng của biến đổi Furiê của bất kỳ một chuỗi rời rạc thời gian giống như ∅(𝑛)

Cuối cùng ta quan tâm tới đáp ứng của một hệ thống tuyến tính bất biến rời rạc theo thời gian với một tín hiệu đầu vào là tín hiệu ngẫu nhiên dừng Hệ thống được mô tả

trong miện thời gian bởi đáp ứng xung đơn vị h(n) và trong miền tần số bởi đáp ứng tần số H(f):

𝐻(𝑓) = ∑ ℎ

∞

𝑛=−∞

(𝒏)𝒆−𝒋𝟐𝝅𝒇𝒏 (𝟕)

Đáp ứng của hệ thống với tín hiệu đầu vào ngẫu nhiên dừng X(n) là tổng chập:

𝑦(𝑛) = ∑ ℎ(𝑘)𝑥(𝑛 − 𝑘) (8)

∞

𝑘=−∞

Giá trị trị trung bình của tín hiệu ra là:

𝑚𝑦 = 𝐸[𝑦(𝑛)] = ∑ ℎ(𝑘)𝐸[𝑥(𝑛 − 𝑘)]

∞

𝑘=−∞

(9)

𝑚𝑦 = 𝑚𝑥 ∑ ℎ(𝑘) = 𝑚𝑥𝐻(0) (10)

∞

𝑘=−∞

trong đó H(0) là đáp ứng với thành phần một chiều của hệ thống

Dãy tự tương quan của quá trình đầu ra là:

∅𝑦𝑦(𝑘) = 1

2𝐸[𝑦

∗(𝑛)𝑦(𝑛 − 𝑘)] =1

2 ∑ ∑ ℎ∗(𝑖)ℎ(𝑗)𝐸[𝑥∗(𝑛 − 𝑖)𝑥(𝑛 + 𝑘 − 𝑗)]

∞

𝑗=−∞

∞

𝑖=−∞

∞

𝑗=−∞

(𝑖)ℎ(𝑗)∅𝑥𝑥(𝑘 − 𝑗 + 𝑖) (11)

∞

𝑖=−∞

Bằng phép lấy biến đổi Furiê ∅𝑦𝑦(𝑘) và thay vào (11) ta thu được quan hệ ở miền tần số:

∅𝑦𝑦(𝑓) = ∅𝑥𝑥(𝑓)|𝐻(𝑓)|2 (12) Quan hệ này giống quan hệ (2–2–27), chỉ khác ở chỗ trong (12) phổ mật độ công suất

∅𝑦𝑦(𝑓) và ∅𝑥𝑥(𝑓) và đáp ứng tần số H(f) là các hàm tuần hoàn theo tần số với chu

kỳ 𝑓𝑝 = 1

1.3 Các quá trình dừng vòng (Cyclostationary)

Trong các tín hiệu mang thông tin số chúng ta hay gặp các quá trình ngẫu nhiên có các giá trị trung bình thống kê là tuần hoàn Cụ thể, tà xét một quá trình ngẫu nhiên

có dạng:

X(t) = ∑∞ an

n=−∞ g(t − nT)

Ở đây {an}là dãy các biến ngẫu nhiên rời rạc theo thời gian với trị trung bình ma = E(an), với mọi n và dãy tự tương quan Φaa(k) = 1

2E(an∗an+k) Tín hiệu g(t) là tín hiệu xác định Quá trình ngẫu nhiên X(t) biểu diễn tín hiệu của một số hệ thống điều chế tuyến tỉnh sẽ được khảo sát ở chương 6, Chuỗi {an} biểu diễn chuỗi thông tin số (các

ký hiệu) được truyền qua kênh truyền thông và 1/T biểu thị tốc độ truyền các ký hiệu mang thông tin

Bây giờ ta xác định trị trung bình và hàm tự tương quan của X(t) Trước hết, giá trị trị trung bình là:

E[X(t)] = ∑∞n=−∞E(an)g(t − nT) = ma∑∞

n=−∞ g(t − nT)

Ta thấy rằng trị trung bình thay đổi theo thời gian với chu kỳ T Hàm tương quan của X(t) là:

ΦXX(t + τ, t) = 1

2 E[X(t + τ) X∗(t)]

= 1

2∑∞n= −∞∑∞m= −∞E(a∗nam) g∗(t − nT) g(t + τ − mT) = ∑ ∑∞ Φaa(m − n)

m= −∞

∞

Nhận xét rằng:

ΦXX(t + τ + kT, t + kT) = ΦXX(t + τ, t)

Với mọi k =±1, ±2 Vì vậy, hàm tự tương quan của X(t) cũng tuần hoàn với chu kỳ

T

Một quá trình ngẫu nhiên như thế được gọi là dừng vòng hay dừng tuần hoàn (Cyclostationary) Do hàm tự tương quan phụ thuộc vào hại biến t và τ nên để biểu

diễn trong miền tần số cần sử dụng phép biến đổi Furiê hai chiều

Thường người ta muốn mô tả các tín dừng vòng bởi phổ mật độ công suất, bằng cách

tính hàm tự thương quan trung bình theo thời gian trong một chu kỳ, được định nghĩa

như sau:

ΦXX

̅̅̅̅̅(τ) = 1

T ∫ ΦXX(t + τ, t)

T 2

Như vậy để tránh sự phụ thuộc theo thời gian của hàm tự tương quan, người ta sử dụng hàm tự tương quan trung bình Cuối cùng, biến đổi Furiê của Φ̅̅̅̅̅(τ) cho ta XX

phổ mật độ công suất trung bình của quá trình ngẫu nhiên dừng vòng Phương pháp

này giúp chúng ta đơn giản hóa việc biểu diễn quá trình ngu nhiên dừng vòng trong miền tần số Phổ mật độ công suất là biến đổi Furiê của hàm tự tương quan trung bình theo thời gian:

ΦXX(f) = ∫− ∞∞ Φ̅̅̅̅̅(τ)XX e−j2πfτ dτ

CHƯƠNG II: CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠNG QUANG WDM

2.1 Mở đầu

Các mạng WDM cung cấp các kênh quang end-to-end chuyển mạch kênh, hoặc các đường truyền quang, giữa các nút mạng với người dùng hoặc máy khách của họ Đường truyền quang bao gồm một kênh quang, hoặc bước sóng, giữa hai nút mạng được định tuyến qua nhiều nút trung gian Các nút trung gian có thể chuyển đổi và chuyển đổi bước sóng Do đó, các mạng này có thể được coi là mạng định tuyến theo bước sóng Các đường truyền quang được thiết lập và gỡ xuống theo sự chỉ định của người dùng mạng

Trong chương này, chúng ta sẽ khám phá các khía cạnh kiến trúc của các phần tử mạng là một phần của mạng này Kiến trúc của một mạng như vậy được thể hiện trong Hình 2.1 Mạng bao gồm các thiết bị đầu cuối đường quang (OLT), bộ ghép kênh cộng / giảm quang (OADM) và kết nối chéo quang (OXC) được kết nối với nhau thông qua các liên kết fiber Không được hiển thị trong hình là bộ khuếch đại đường truyền quang, được triển khai dọc theo liên kết fiber tại các vị trí tuần hoàn để khuếch đại tín hiệu quang Ngoài ra, bản thân các OLT, OADM và OXC có thể kết hợp bộ khuếch đại quang học để bù đắp tổn thất Theo văn bản này, các OLT được triển khai rộng rãi và các OADM được triển khai ở mức độ thấp hơn OXC chỉ mới bắt đầu được triển khai

Hình 2.1 Một mạng lưới định tuyến theo bước sóng hiển thị các thiết bị đầu cuối

đường truyền quang (OLT), bộ ghép kênh cộng/giảm quang (OADM) và kết nối chéo quang (OXC) Mạng cung cấp các đường truyền quang cho người dùng, chẳng hạn như hộp SONET và bộ định tuyến IP Một đường quang được thực hiện trên một bước sóng giữa nguồn và đích của nó nhưng có thể được chuyển đổi từ bước sóng này sang bước sóng khác trên đường đi

Kiến trúc hỗ trợ nhiều loại cấu trúc liên kết, bao gồm cấu trúc liên kết vòng và lưới OLT ghép nhiều bước sóng thành một bến duy nhất và cũng phân kênh tín hiệu WDM tổng hợp thành các bước sóng riêng lẻ Các OLT được sử dụng ở một trong hai đầu của liên kết điểm-điểm OADM được sử dụng tại các vị trí mà một số bước sóng cần được kết thúc cục bộ và các bước sóng khác cần được định tuyến đến các điểm đến khác Chúng thường được triển khai trong cấu trúc liên kết tuyến tính hoặc vòng OXC thực hiện một chức năng tương tự nhưng ở quy mô lớn hơn nhiều về số lượng cổng và độ dài sóng liên quan, và được triển khai trong cấu trúc liên kết lưới hoặc để kết nối nhiều vòng với nhau Người dùng (hoặc khách hàng) của mạng này được kết nối với OLT, OADM hoặc OXC Mạng hỗ trợ nhiều loại máy khách khác nhau, chẳng hạn như bộ định tuyến IP, bộ chuyển mạch Ethernet, thiết bị đầu cuối SONET và ADM

Mỗi liên kết có thể hỗ trợ một số bước sóng nhất định Số lượng độ dài sóng có thể được hỗ trợ phụ thuộc vào các giới hạn do thành phần và đường truyền áp đặt Tiếp theo, mô tả một số đặc điểm đáng chú ý của kiến trúc này:

Tái sử dụng bước sóng Quan sát từ Hình 2.1 rằng nhiều đường quang trong mạng

có thể sử dụng cùng một bước sóng, miễn là chúng không trùng lặp trên bất kỳ liên kết nào Khả năng tái sử dụng tiết kiệm này cho phép mạng hỗ trợ một số lượng lớn các đường truyền quang bằng cách sử dụng một số bước sóng giới hạn

Chuyển đổi bước sóng Các đường quang có thể trải qua quá trình chuyển đổi bước

sóng dọc theo tuyến đường của chúng Hình 2.1 cho thấy một đường đi quang như vậy sử dụng bước sóng λ2 trên liên kết E X, được chuyển đổi thành λ1 tại nút X và sử dụng bước sóng đó trên liên kết X F Chuyển đổi bước sóng có thể cải thiện việc sử dụng các bước sóng bên trong mạng Việc chuyển đổi bước sóng cũng cần thiết tại các ranh giới của mạng để điều chỉnh các tín hiệu từ bên ngoài mạng thành một bước sóng thích hợp để sử dụng bên trong mạng

Tính minh bạch Tính minh bạch đề cập đến thực tế là các đường truyền quang có

thể mang dữ liệu ở nhiều tốc độ bit, giao thức, v.v và trên thực tế, có thể khiến giao thức trở nên vô cảm Điều này cho phép lớp quang học hỗ trợ đồng thời nhiều lớp

cao hơn Ví dụ, Hình 2.1 cho thấy các đường quang giữa các cặp thiết bị đầu cuối SONET, cũng như giữa các cặp bộ định tuyến IP Các đường truyền quang này có thể mang dữ liệu ở các tốc độ bit và giao thức khác nhau

Chuyển mạch Các đường truyền quang được cung cấp bởi lớp quang học có thể

được thiết lập và gỡ xuống theo yêu cầu Những điều này tương tự với việc thiết lập

và gỡ bỏ các mạch trong mạng chuyển mạch kênh, ngoại trừ tốc độ mà các hành động thiết lập và gỡ xuống xảy ra có thể chậm hơn nhiều so với tốc độ đối với mạng điện thoại có mạch thoại Trên thực tế, ngày nay những đường truyền quang này, sau khi được thiết lập, vẫn tồn tại trong mạng trong nhiều tháng đến nhiều năm Với sự ra đời của các dịch vụ và khả năng mới được cung cấp bởi thiết bị mạng ngày nay, chúng ta

có thể thấy một tình huống trong đó quá trình này năng động hơn, cả về số lượt yêu cầu đường truyền quang và thời lượng của đường truyền quang

Khả năng sống sót Mạng có thể được thiết kế sao cho trong trường hợp có sự cố,

các đường truyền quang có thể được định tuyến lại tự động qua các đường truyền thay thế Điều này mang lại khả năng phục hồi cao trong mạng

Cấu trúc liên kết đường quang Cấu trúc liên kết đường quang là biểu đồ bao gồm

các nút mạng, với một cạnh giữa hai nút nếu có một đường truyền quang giữa chúng

Do đó, cấu trúc liên kết đường truyền quang đề cập đến cấu trúc liên kết được nhìn thấy bởi các lớp cao hơn bằng cách sử dụng lớp quang học Đối với mạng IP nằm trên lớp quang, các đường truyền quang trông giống như các liên kết giữa các bộ định tuyến IP Bộ đường truyền quang có thể được điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu của các lớp cao hơn

Hình 2.2 Sơ đồ khối của một thiết bị đầu cuối đường quang OLT có các bộ ghép

kênh và phân kênh theo bước sóng và các thiết bị thích ứng được gọi là bộ phát đáp Các bộ phát đáp chuyển đổi tín hiệu đến từ máy khách thành tín hiệu thích hợp để truyền qua liên kết WDM và tín hiệu đến từ liên kết WDM thành tín hiệu phù hợp tới