APD Avalanche Photodiode Diod tách sóng quang thác lũ APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch tự động ASE Aplifier Spontaneous Emission Nhiễu tự phát được khuếch đại BER Bite Erro
Mạng đường dài
Mạng truyền dẫn đường dài (long-haul network) đóng vai trò là phần lõi của kiến trúc mạng, kết nối nhiều mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network) lại với nhau để mở rộng khả năng truyền tải dữ liệu Ứng dụng chính của mạng này là truyền tải dữ liệu, do đó, yếu tố quan trọng hàng đầu của mạng đường dài chính là băng thông để đảm bảo hiệu suất truyền tải tối ưu.
Mạng truy nhập
Mạng truy nhập (Access network) là phần của mạng nằm ở phía khách hàng và nằm ở biên của mạng đô thị MAN, đóng vai trò kết nối người dùng cuối với mạng chính Nó đặc trưng bởi tính đa dạng về giao thức, kiến trúc mạng linh hoạt và khả năng chịu tải trên nhiều tốc độ truyền dẫn khác nhau, giúp tối ưu hóa trải nghiệm người dùng và mở rộng khả năng cung cấp dịch vụ.
Mạng đô thị
Mạng đô thị MAN đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển tiếp giữa mạng đường dài và mạng truy nhập, đảm bảo quá trình truyền dữ liệu liên tục và hiệu quả Với đặc điểm giống mạng truy nhập như đa dạng giao thức và tốc độ kênh truyền, mạng MAN cần phải đáp ứng nhu cầu tăng băng thông truyền dẫn để hỗ trợ mạng đường dài Đồng thời, nó cũng phải linh hoạt để đáp ứng yêu cầu gia tăng số lượng kết nối và kỹ thuật truy nhập không ngừng phát triển của mạng truy nhập Nhờ vào những thuộc tính này, mạng MAN đảm bảo khả năng mở rộng và nâng cao khả năng truyền tải dữ liệu trong hệ thống mạng đô thị hiện đại.
Hình1.1: Toàn th ể ki ế n trúc m ạ ng
CÁC MẠNG QUANG
Định nghĩa
Mạng là tổ hợp của các node được kết nối bởi các tuyến truyền dẫn (link)
Mạng quang nổi bật với nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại mạng khác, đặc biệt là khả năng cung cấp băng thông lớn và xây dựng kiến trúc hạ tầng chung để phân phối đa dạng dịch vụ Khi phân tích quá trình phát triển của mạng quang, chúng ta có thể chia thành hai thế hệ chính, phản ánh sự tiến bộ và đổi mới trong công nghệ.
Thế hệ mạng thứ nhất chủ yếu tập trung vào truyền dẫn và cung cấp dung lượng, trong đó các chức năng chuyển mạch và mạng thông minh được thực hiện hoàn toàn bằng công nghệ điện tử Một ví dụ điển hình cho mạng thế hệ này là hệ thống SONET/SDH, nhấn mạnh vào khả năng truyền tải dữ liệu hiệu quả và ổn định.
Thế hệ mạng quang thứ hai tập trung vào việc thực hiện tất cả các chức năng chuyển mạch, định tuyến và các chức năng thông minh khác ngay tại lớp quang (optical layer), nâng cao hiệu suất và khả năng mở rộng của mạng Trước khi đi vào phân tích về mạng quang thế hệ mới này, chúng ta cần hiểu rõ các kỹ thuật ghép kênh dùng để cung cấp băng thông, nhằm tối ưu hóa khả năng truyền tải dữ liệu và nâng cao hiệu quả hoạt động của mạng quang.
Sợi quang
Sợi quang là một sợi mảnh dẫn ánh sáng, được cấu tạo từ hai chất điện môi khác nhau như thủy tinh hoặc nhựa, gồm phần lõi để truyền sáng và vỏ bao quanh lõi để bảo vệ Nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần, ánh sáng chỉ có thể truyền dẫn bên trong lõi sợi quang, giúp tín hiệu truyền đi hiệu quả và chính xác Sợi quang đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực truyền dẫn dữ liệu, viễn thông và mạng internet, mang lại tốc độ truyền tải cao và ổn định.
Hiện tượng trên được tạo nên do cấu tạo của sợi quang có chiết suất vỏ nhỏ hơn lõi từ 0,2% đến 0,3%
Sợi quang có đường kính khoảng 0,1 mm, tương đương với đường kính của một sợi tóc người Lõi dẫn sáng của sợi có đường kính nhỏ hơn nhiều lần, chỉ khoảng vài micromet (μm), lớn hơn vài chục lần so với bước sóng truyền tải Đường kính sợi quang được xác định dựa trên yêu cầu truyền dẫn và đặc tính cơ học, mang lại đặc tính nhẹ, nhỏ gọn và truyền dẫn cực kỳ hiệu quả.
Qúa trình đưa ánh sáng vào sợi quang
Ánh sáng phát ra từ nguồn sáng bị khuếch tán do hiện tượng nhiễu xạ, gây giảm tập trung và hiệu quả truyền dẫn trong sợi quang Để đưa ánh sáng vào lõi của sợi quang, cần sử dụng các thấu kính nhằm tập trung tia sáng một cách chính xác Tuy nhiên, không phải tất cả các tia sáng được tập trung đều phù hợp, chỉ những tia có góc tới nằm trong giới hạn góc tới tối đa mới có khả năng xuyên vào lõi sợi quang hiệu quả Các góc tới quan trọng bao gồm θmax, θi, θc và các góc liên quan như 90° − θc, giúp xác định khả năng nhập vào lõi sợi quang của các tia sáng đã tập trung.
Hình 1.2 trình bày phương pháp quang hình, nơi ánh sáng khi vào sợi quang chia thành ba môi trường liên tiếp có chiết suất khác nhau gồm không khí, lõi và vỏ sợi quang với các giá trị lần lượt là n0, n1, n2 Góc mở lớn nhất θmax và góc tới giới hạn θC xác định các điều kiện truyền sáng trong sợi quang Tại các biên giới giữa không khí – lõi và lõi – vỏ, ứng dụng định luật Snell để thiết lập hai phương trình mô tả sự truyền và khúc xạ của tia sáng trong cấu trúc sợi quang.
1 max cos ) 90 sin( sin sin n n n c c c
Thông thường trong thực tế do n1 > n2, góc mở lớn nhất được tính như sau: Δ
Trong đó Δ = (n1-n2)/n1 gọi là độ lệch chiết suất tương đối
Trong lĩnh vực quang học, sinθmax chính là khẩu độ số NA, thể hiện điều kiện tối đa để ánh sáng có thể truyền vào sợi quang hiệu quả Thông số này là yếu tố cơ bản ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất ghép nối giữa nguồn sáng và sợi quang, giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải ánh sáng trong các hệ thống quang học hiện đại.
Ví dụ: với sợi quang có chiết suất khúc xạ tiêu biểu của lõi là n1 = 1,475 và vỏ n2 = 1,46 (khi đó độ lệch chiết suất tương đối Δ = 0,1%) Ta có NA = 0,21
Biết được đường kính lõi và khẩu độ số NA của sợi quang giúp xác định lượng ánh sáng truyền vào lõi một cách chính xác Đường kính lõi lớn hơn và chỉ số NA cao hơn sẽ nâng cao hiệu suất ghép nối của sợi quang Điều này làm tăng khả năng truyền tải tín hiệu, đảm bảo hiệu quả truyền dữ liệu trong các hệ thống quang học.
Các loại sợi quang
Hiểu rõ đặc tính của từng loại sợi quang là yếu tố quan trọng giúp chúng ta xác định được ứng dụng phù hợp của mỗi loại Để vận hành một hệ thống sợi quang chính xác và hiệu quả, việc nắm vững kiến thức về các loại sợi quang, như sợi đa mode và sợi single mode, là điều cần thiết Sợi đa mode thường được sử dụng trong các khoảng cách ngắn do đặc tính truyền sáng của nó, trong khi sợi single mode phù hợp cho các liên kết dài hơn, nhờ vào khả năng truyền dữ liệu với tốc độ cao và khoảng cách xa hơn Hiểu rõ lý do tại sao từng loại sợi quang được chọn giúp tối ưu hóa hệ thống truyền dẫn và nâng cao hiệu quả hoạt động.
Sợi đa mode phù hợp với khoảng cách truyền dẫn ngắn, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng mạng LAN Trong khi đó, sợi đơn mode thích hợp cho các kết nối quang xa, đảm bảo truyền dữ liệu tốc độ cao và chất lượng ổn định trên các khoảng cách dài hơn.
Sợi đơn mode phù hợp với các khoảng cách truyền dẫn xa hơn, vì vậy thường được sử dụng trong các hệ thống truyền hình quảng bá đa kênh (Multi Channel) và hệ thống điện thoại đường dài Để hiểu rõ hơn về từng loại sợi quang, chúng ta sẽ phân tích kỹ các đặc điểm quan trọng của chúng.
"Multi Mode" đề cập đến khả năng truyền nhiều mode hoặc tia sáng cùng lúc trong sợi quang, do các tia sáng với góc nhận khác nhau cùng được ghép và lan truyền bên trong sợi quang Đường kính của sợi đa mode lớn hơn so với sợi đơn mode, giúp sợi đa mode có khả năng truyền nhiều mode hơn và dễ dàng ghép nối hơn so với sợi đơn mode.
Sợi đa mode được chia làm hai loại: sợi đa mode chiết suất nhảy bậc SI
(Multi Mode Step-Index Fiber) và sợi đa mode chiết suất giảm dần GI (Multi Mode
1.2.4.1.1 Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc SI
Hình 1.3 chỉ ra nguyên lý của hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng như thế nào trong sợi đa mode SI
Hình 1.3: Hi ệ n t ượ ng ph ả n x ạ toàn ph ầ n trong s ợ i quang đ a mode chi ế t su ấ t nh ả y b ậ c
Trong sợi quang, do chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của vỏ, tia sáng thứ nhất với góc tới bằng góc tới giới hạn sẽ bị phản xạ tại mặt biên giữa lõi và vỏ, giúp ánh sáng truyền dọc theo lõi liên tục Ngược lại, tia sáng thứ hai có góc tới nhỏ hơn góc tới giới hạn sẽ bị khúc xạ vào lớp vỏ và không truyền tiếp; trong khi đó, tia sáng thứ ba truyền qua trung tâm của lõi, có đường đi ngắn hơn so với tia thứ nhất, gây ra sự chênh lệch thời gian truyền tải Sự khác biệt này chính là nguyên nhân gây ra hiện tượng tán sắc (Dispersion), làm cho phổ của tín hiệu bị giãn rộng tại đầu thu, ảnh hưởng đến chất lượng truyền tín hiệu trong sợi quang.
Tuy nhiên cũng phải thấy rằng, tán xạ là điều không thể tránh khỏi trong sợi đa mode SI nói riêng và sợi quang nói chung
1.2.4.1.2 Sợi quang đa mode chiết suất giảm dần GI
Từ “Graded-Index” mô tả chiết suất khúc xạ bên trong lõi giảm đều từ tâm lõi đến lớp vỏ sợi quang
Hình 1.4: S ợ i quang đ a mode chi ế t su ấ t gi ả m d ầ n
Tốc độ ánh sáng tỉ lệ nghịch với chiết suất khúc xạ của môi trường, dẫn đến việc các tia sáng truyền gần tâm lõi có tốc độ chậm hơn so với các tia sáng khác Nhờ đó, thời gian tới đích của các tia sáng này gần như bằng nhau, giúp giảm hiện tượng tán sắc trong quá trình truyền quang học.
Sợi đơn mode cho phép truyền dữ liệu với dung lượng lớn hơn nhờ khả năng duy trì độ trung thực của từng xung quang trên khoảng cách xa Ngoài ra, sợi đơn mode loại bỏ hiện tượng tán sắc thường gặp trong sợi đa mode, giúp tăng hiệu quả truyền dẫn Bên cạnh đó, sợi đơn mode còn có mức suy hao thấp hơn so với sợi đa mode, từ đó truyền đạt nhiều thông tin hơn trong cùng một khoảng thời gian.
Sợi quang đơn mode ban đầu được xếp chung loại với sợi đa mode SI, nhưng sự chênh lệch chiết suất giữa lõi và vỏ rất nhỏ, phù hợp cho truyền dẫn đơn mode Do đó, sợi quang đa mode SI thường chỉ đề cập đến các sợi đa mode có sự thay đổi rõ ràng về chiết suất giữa lõi và vỏ.
Sợi đơn mode có những bất lợi như khó ghép ánh sáng vào lõi do đường kính nhỏ và yêu cầu độ chính xác cao khi hàn nối, đòi hỏi kỹ thuật khắt khe hơn Trải qua nhiều thập niên phát triển, sợi đơn mode hiện nay gồm ba loại chính được sử dụng phổ biến trong hệ thống truyền thông quang hiện đại Trong đó, loại sợi quang được triển khai rộng rãi và có lịch sử lâu đời nhất là sợi NDSF (Non-Dispersion Shifted Fiber), nổi bật với khả năng truyền dẫn hiệu quả và ổn định.
Shifted Fiber), ban đầu loại sợi này được tập trung sử dụng trong vùng bước sóng
Trong quá khứ, bước sóng 1510 nm ban đầu được sử dụng, sau đó chuyển sang vùng bước sóng 1550 nm để tối ưu hoá hiệu suất truyền dẫn quang học Tuy nhiên, vùng bước sóng này gặp phải vấn đề lớn về tán sắc, khiến việc mở rộng ứng dụng gặp nhiều khó khăn Để khắc phục điều này, các nhà sản xuất đã phát triển loại sợi quang mới gọi là DSF (Dispersion Shifted Fiber), giúp dịch chuyển điểm tán sắc không về phía vùng bước sóng 1550 nm, giảm thiểu tác động của tán sắc Tuy nhiên, sau nhiều năm, các nhà khoa học phát hiện rằng sợi DSF gây ra các vấn đề đáng kể liên quan đến hiện tượng phi tuyến khi có nhiều bước sóng gần nhau trong hệ thống truyền dẫn DWDM Để giải quyết những khó khăn này, sợi NZ-DSF (None-Zero Dispersion Shifted Fiber) ra đời, mang lại giải pháp hiệu quả cho hệ thống truyền dẫn quang công suất cao và ổn định hơn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến truyền dẫn tín hiệu sợi quang
1.2.5.1 Các dạng suy hao Để xác định tốc độ truyền dẫn và khoảng cách trạm lặp của hệ thống thông tin quang sợi, có hai tham số phải nghiên cứu đó là suy hao quang và độ rộng băng truyền dẫn Đo suy hao quang để xác định suy hao công suất ánh sáng lan truyền trong sợi quang Nếu suy hao nhỏ hơn thì sẽ cho phép khoảng cách truyền dẫn tín hiệu lớn hơn
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Hình 1.6: Các nguyên nhân gây ra suy hao quang
1.2.5.1.1 Suy hao do hấp thụ
Giống như một chiếc rèm đen có thể hấp thụ ánh áng rất tốt, ánh sáng lan
Suy hao do việc ghép với linh kiện phát quang
Suy hao do tán xạ Reyleigh
Lực tác động từ bên ngoài
Suy hao do hàn nối
Suy hao do hấp thụ
Suy hao bức xạ do bị bẻ cong
Suy hao do tán xạ tăng lên do cấu trúc không đồng nhất
Suy hao do việc ghép với linh kiện thu quang Phản xạ
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Hấp thụ vật liệu là quá trình hấp thụ các bước sóng dài liên quan đến liên kết nguyên tử trong vật liệu Mặc dù chủ yếu xảy ra ở các bước sóng dài, nhưng khu vực bước sóng khoảng 1500 nm cũng bị ảnh hưởng nhẹ Đây là thông tin quan trọng trong nghiên cứu quang học và các ứng dụng liên quan đến quang phổ của vật liệu.
Trong vùng cực tím, hấp thụ điện tử xảy ra khi các photon kích thích các electron trong nguyên tử chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn, giúp giải thích quá trình hấp thụ ánh sáng này một cách rõ ràng.
1.2.5.1.2 Suy hao tán xạ Rayleigh
Hiện tượng tán xạ Rayleigh là quá trình ánh sáng bị phân tán theo nhiều hướng khác nhau khi gặp phải các vật thể nhỏ có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng so với bước sóng của ánh sáng Tán xạ Rayleigh đóng vai trò quan trọng trong việc giải thích hiện tượng bầu trời xanh và màu sắc của các vì sao trong vũ trụ.
Để sản xuất sợi quang, nguyên liệu ban đầu là một lõi thủy tinh tròn gọi là phôi, có đường kính từ vài mm đến vài chục mm Phôi thủy tinh này được nung nóng đến nhiệt độ khoảng 2000°C, sau đó kéo chảy thành sợi quang Trong quá trình này, sợi quang được làm lạnh đột ngột từ nhiệt độ cao xuống khoảng 20°C, gây ra sự không đồng đều về mật độ vật liệu và hệ số khúc xạ, do vật liệu còn giữ lại quán tính của nhiệt độ cao trong sợi quang.
Sự duy trì không đồng đều của chiết suất khúc xạ là nguyên nhân gây nên tán xạ
1.2.5.1.3 Suy hao tán xạ do cấu trúc sợi quang không đồng nhất gây ra
Thực tế, các sợi quang không có tiết diện mặt cắt ngang tròn lý tưởng và cấu trúc hình trụ đều dọc suốt vỏ và lõi sợi
Tại bề mặt giữa lõi và vỏ sợi quang, có những chỗ gồ ghề gây ra hiện tượng tán xạ ánh sáng và phát xạ ánh sáng ra ngoài, như minh họa trong Hình 1.6 Những vùng không bằng phẳng này làm tăng tổn hao quang do phản xạ bất thường khi ánh sáng truyền qua, gây ra suy hao tán xạ do cấu trúc không đồng nhất của sợi quang.
1.2.5.1.4 Suy hao bức xạ gây nên do bị uốn cong
Các suy hao bức xạ do bị uốn cong xảy ra khi sợi quang bị uốn, làm cho các tia sáng có góc tới vượt quá góc giới hạn và phát xạ ra ngoài vỏ, gây suy hao tín hiệu Trong thiết kế hệ thống thông tin sợi quang, cần phải chú ý giữ bán kính cong lớn hơn giới hạn cho phép để giảm thiểu suy hao do uốn cong Điều này đảm bảo hiệu quả truyền tải tối ưu, nâng cao chất lượng tín hiệu qua hệ thống sợi quang.
Khi sợi quang chịu lực nén không đồng nhất, trục của sợi quang bị uốn cong nhẹ gây tăng suy hao quang Hiện tượng này được gọi là suy hao cong vi lượng, ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tải của sợi quang Trong thiết kế cấu trúc sợi quang, việc chú trọng đến sản xuất cấu trúc nhằm bảo vệ sợi chống lại áp lực bên ngoài là rất quan trọng để đảm bảo độ bền và tối ưu hóa khả năng truyền sáng.
Việc hàn nối sợi quang giống như kết nối các đoạn ống dẫn nước và khí ga trong thành phố nhằm đảm bảo không bị rò rỉ khi truyền dữ liệu hoặc khí Quá trình hàn nối sợi quang yêu cầu các đầu sợi phải được nối chính xác, đảm bảo kết nối trực tuyến và ổn định Đây là bước quan trọng trong thi công lắp đặt hệ thống cáp quang nhằm đảm bảo hiệu suất truyền tải tối ưu và an toàn.
Trong mạng cáp quang, nếu lõi của hai sợi không được gắn kết hoàn toàn và đồng nhất, phần ánh sáng truyền qua sẽ bị phát xạ ra ngoài gây suy hao tín hiệu Nguyên nhân chính gây suy hao là do không giữ đồng trục chính xác giữa hai sợi, tạo ra tổn thất lớn Ngoài ra, khe hở tại chỗ nối cũng góp phần gây suy hao, đặc biệt khi phản xạ tại khe này lớn, được gọi là phản xạ Fesnel Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả truyền dẫn của hệ thống cáp quang.
Suy hao ghép nối sợi quang giữa sợi và các linh kiện thu phát quang là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tải tín hiệu Điều kiện để ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang phụ thuộc vào khẩu độ số NA của hệ thống, giúp đảm bảo khả năng truyền sáng tối ưu và giảm thiểu tổn thất Việc lựa chọn linh kiện phù hợp dựa trên NA là yếu tố then chốt để đảm bảo sự liên kết hiệu quả trong mạng lưới truyền dẫn quang học.
Trong lĩnh vực quang học, các tần số và mode khác nhau cần thời gian truyền khác nhau, hiện tượng này gọi là tán sắc Tán sắc gây ra hiện tượng giãn xung trong truyền dẫn quang, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất truyền dữ liệu Ngoài ra, tán sắc còn làm giảm khoảng cách truyền dẫn quang, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hệ thống truyền thông quang.
Có 2 loại tán sắc chủ yếu liên quan đến sợi quang: tán sắc sắc thể và tán sắc phân cực mode
Tán sắc sắc thể là kết quả của tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng
Hình 1.8 cho thấy, tán sắc sắc thể gần bằng không trong vùng bước sóng
1550 nm Đây là đặc tính của sợi quang dịch tán sắc theo băng thông
Vận tốc nhóm Cg của ánh sáng là hàm của chiết suất vật liệu được tính như sau :
LỰA CHỌN KỸ THUẬT GHÉP KÊNH SDM, TDM, WDM
Ghép kênh phân chia theo không gian SDM là kỹ thuật đơn giản, không yêu cầu công nghệ mới, giúp tăng số lượng sợi quang mà không ảnh hưởng đến tốc độ truyền tải Kỹ thuật này phù hợp để nâng cao băng thông trên tuyến truyền dẫn đã có sẵn sợi quang chưa sử dụng, đặc biệt khi khoảng cách truyền dẫn đủ ngắn để không cần dùng bộ lặp hoặc bộ khuếch đại Tuy nhiên, nếu khoảng cách dài hơn, chi phí sẽ tăng do cần phải lắp thêm các bộ lặp và bộ khuếch đại, làm hệ thống trở nên phức tạp và đắt đỏ hơn.
Ghép kênh phân chia theo thời gian TDM là công nghệ giúp tăng băng thông truyền dẫn trên mỗi sợi quang Tuy nhiên, khi sử dụng phương pháp truyền thống này, cần xem xét hai vấn đề chính: khả năng xử lý của các linh kiện điện tử trước khi chuyển đổi thành tín hiệu quang và tốc độ bit tối đa mà chúng xử lý được Hiện nay, đa số các mạng truyền dẫn đều sử dụng linh kiện điện tử có khả năng đáp ứng tốt với các dòng tín hiệu ở tốc độ 2,5 Gbps hoặc 10 Gbps, nhưng điều này chưa hoàn toàn giải quyết bài toán tăng băng thông Trong phòng thí nghiệm, các linh kiện đã hoạt động ở tốc độ cao hơn, cho thấy tiềm năng mở rộng của công nghệ này.
Để đạt tốc độ truyền dữ liệu cao hơn như 40 Gbps hoặc 80 Gbps, phương pháp tách/ghép kênh trong miền quang (OTDM) đang được tích cực triển khai nhằm nâng cao khả năng truyền tải của TDM Các nghiên cứu phòng thí nghiệm cho thấy OTDM có thể ghép các luồng 10 Gbps thành luồng 250 Gbps, nhưng truyền qua sợi quang sẽ gặp phải các vấn đề nghiêm trọng như tán sắc sắc thể, tán sắc phân cực và phi tuyến tính ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn Vì vậy, TDM không còn là giải pháp tối ưu cho các hệ thống truyền dẫn trong tương lai.
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM cho phép truyền đồng thời nhiều dữ liệu trên một sợi quang bằng cách ghép thêm các bước sóng khác nhau mà không cần nâng cấp tốc độ truyền của từng bước sóng Công nghệ WDM cung cấp giải pháp tối ưu trong điều kiện công nghệ hiện tại, giữ tốc độ xử lý linh kiện điện tử ở mức 10 Gbps, phù hợp với công nghệ sợi quang hiện nay Bằng cách tận dụng các cửa sổ quang trong khoảng bước sóng từ 1260 nm đến 1675 nm, WDM mở rộng băng thông và chia thành nhiều băng tần hoạt động, nâng cao khả năng truyền dữ liệu trên một sợi quang duy nhất.
Băng sóng Mô tả Phạm vi bước sóng(nm)
Original Extended Short Conventional Long Ultra-long
Bảng 1.1: Sự phân chia các bước sóng
Lúc đầu, hệ thống WDM hoạt động ở băng C (do EDFA hoạt động trong khoảng băng sóng này) Về sau, EDFA có khả năng hoạt động ở cả băng C và băng
L nên hệ thống WDM hiện tại dùng EDFA có thể hoạt động ở cả băng C và băng L
Theo tiêu chuẩn ITU-T, khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 GHz nhằm đảm bảo khả năng chống xuyên nhiễu trong điều kiện công nghệ hiện tại Với khoảng cách này, mỗi băng tần sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt động Nếu duy trì tốc độ bit trên mỗi kênh truyền, công nghệ WDM có thể tăng gấp 64 lần băng thông truyền trên một sợi quang.
CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN MẠCH TRONG MẠNG QUANG
Chuyển mạch-mạch quang
Trong mạng quang định tuyến bước sóng, kỹ thuật chuyển mạch-mạch được sử dụng để thiết lập các đường truyền quang (lightpath) giữa hai node mạng, đảm bảo kết nối ổn định và hiệu quả Quá trình thiết lập lightpath bao gồm các bước chính như phân tích tài nguyên và cấu hình mạng, định tuyến và gán bước sóng phù hợp, cũng như quá trình báo hiệu và bảo lưu tài nguyên nhằm duy trì liên kết.
Phân tích tài nguyên và cấu hình mạng là quá trình quan trọng nhằm quản lý việc phân phối và lưu trữ thông tin về trạng thái mạng, bao gồm cấu hình vật lý và trạng thái của các liên kết mạng Trong mạng WDM định tuyến bước sóng, thông tin này còn mở rộng để bao gồm tình trạng rảnh rỗi của các bước sóng trên từng liên kết, giúp tối ưu hóa hoạt động và đảm bảo hiệu suất mạng.
Bài toán tìm đường và gán bước sóng cho lightpath là các vấn đề định tuyến và gán bước sóng trong lĩnh vực quang, phân thành hai loại chính: tĩnh và động Trong bài toán thiết lập đường quang tĩnh (SLE), toàn bộ yêu cầu kết nối đã biết trước và mục tiêu là tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng như số lượng bước sóng hoặc sợi quang để giảm thiểu lãng phí Ngược lại, trong bài toán thiết lập đường động (DLE), yêu cầu kết nối xuất hiện theo thời gian thực, và việc thiết lập, giải phóng đường quang diễn ra động, nhằm giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn và tối đa hóa khả năng kết nối của mạng.
Kết nối định tuyến ở trạng thái tĩnh không phù hợp với lưu lượng dạng khối của mạng internet do lưu lượng thường xuyên biến đổi, gây khó khăn trong việc tận dụng tối đa băng thông truyền dẫn Khi mạng thay đổi liên tục, việc duy trì các đường quang tĩnh để truyền dữ liệu trở nên kém hiệu quả và khó quản lý thông tin trạng thái tạm thời của mạng Do đó, các phương pháp truyền dẫn động được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất mạng, thích nghi tốt hơn với lưu lượng biến đổi liên tục.
Chuyển mạch gói quang
Các mạng quang cung cấp lightpath thực chất là các mạng chuyển mạch-mạch, đang được nghiên cứu để hỗ trợ chuyển mạch gói trong miền quang, từ đó nâng cao khả năng dịch vụ Một mạng loại này có thể cung cấp các dịch vụ mạch ảo, tương tự như trong mạng ATM và IP, với kết nối chuyển mạch-mạch giữa hai nút Tuy nhiên, băng thông của kết nối ảo có thể nhỏ hơn tổng băng thông của tuyến liên kết, đòi hỏi sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia thời gian để tận dụng tối đa tốc độ truyền dữ liệu Trong các mạng truyền thông tốc độ cao, tốc độ truyền bits trên các bước sóng có thể lên đến 100 Gbps, vượt xa khả năng của mạng điện, do đó việc hợp nhất nhiều kết nối thành một đường truyền tốc độ cao trở nên dễ dàng hơn trên miền quang so với miền điện, đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu ngày càng lớn trong tương lai.
Một nút chuyển mạch gói quang (xem Hình 1.19) nhằm cung cấp khả năng chuyển mạch gói với dung lượng cao gấp nhiều lần so với các nút chuyển mạch gói điện tử Nút này nhận gói dữ liệu, xử lý tiêu đề (header) và chuyển gói ra cổng phù hợp, đồng thời có khả năng áp đặt tiêu đề mới cho gói nếu cần thiết Trong quá trình chuyển mạch, nút cũng phải xử lý tranh chấp giữa các gói đến từ các cổng khác nhau nhưng muốn ra cùng một cổng, đòi hỏi một số gói phải được đệm hoặc chuyển hướng ra các cổng khác để đảm bảo chất lượng dịch vụ và hiệu quả hoạt động.
Hình 1.19: M ộ t nút chuy ể n m ạ ch gói quang
Trong thiết kế lý tưởng, mọi chức năng của nút đều hoạt động trên miền quang để tối ưu hóa hiệu suất Tuy nhiên, thực tế các chức năng như xử lý header và điều khiển chuyển mạch vẫn phải được thực hiện bằng điện tử do những giới hạn của miền quang Việc xử lý header bằng điện tử là khả thi vì tốc độ bit của header thấp hơn so với dữ liệu chính, giúp đảm bảo quá trình truyền tải chất lượng và hiệu quả.
Chuyển mạch gói quang cho phép đạt tốc độ vượt quá khả năng của chuyển mạch gói điện tử, nhưng gặp hạn chế về xử lý tín hiệu trong miền quang Thiếu bộ nhớ RAM quang truy xuất ngẫu nhiên là một trong những thách thức chính, vì các bộ đệm quang chỉ sử dụng sợi quang dài và đường trễ đơn giản thay vì bộ nhớ chức năng đầy đủ Hệ thống chuyển mạch gói bao gồm nhiều phần mềm thời gian thực thông minh cùng phần cứng điều khiển mạng, nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) và tối ưu hóa hiệu suất mạng quang.
Chuyển mạch gói quang vẫn còn đang trong giai đoạn thử nghiệm do các chức năng của nó khó thực hiện trong miền quang Các yếu tố phức tạp liên quan đến công nghệ này khiến việc triển khai trở nên khó khăn Tuy nhiên, chuyển mạch gói quang có tiềm năng cải thiện đáng kể hiệu suất mạng trong tương lai gần.
MẠNG QUANG WDM 2.1 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM
Định nghĩa
Ghép kênh theo bước sóng WDM là công nghệ cho phép truyền nhiều bước sóng tín hiệu quang cùng lúc trên một sợi quang, nâng cao dung lượng truyền dẫn Tại đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được kết hợp (ghép kênh) để truyền đi qua một sợi quang duy nhất Ở đầu thu, tín hiệu ghép kênh này được phân tách thành các kênh riêng biệt, giúp khôi phục lại tín hiệu gốc trước khi chuyển đến các thiết bị đầu cuối Công nghệ WDM tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu trong mạng cáp quang, đáp ứng nhu cầu băng thông cao hiện nay.
Mục đích
Công nghệ WDM được sử dụng để tận dụng tối đa băng tần truyền dẫn khổng lồ của sợi quang Bằng cách truyền đồng thời nhiều kênh bước sóng trên cùng một sợi quang, WDM giúp tăng công suất và hiệu quả truyền tải dữ liệu Điều này cho phép mở rộng băng thông và nâng cao khả năng truyền thông mạng quang một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
Tuy nhiên, phải tuân thủ theo chuẩn ITU-T để tránh xuyên nhiễu giữa các kênh.
Hệ thống WDM
Hình 2.1: H ệ th ố ng ghép kênh theo b ướ c sóng đơ n h ướ ng và song h ướ ng
Hệ thống WDM gồm có hai loại chính là hệ thống đơn hướng và hệ thống song hướng, như minh hoạ trong Hình 2.1 Hệ thống WDM đơn hướng chỉ truyền dữ liệu theo một chiều trên sợi quang, do đó để giao tiếp giữa hai điểm cần hai sợi quang Ngược lại, hệ thống WDM song hướng cho phép truyền hai chiều dữ liệu trên cùng một sợi quang, giúp tiết kiệm chi phí và tăng hiệu quả truyền thông.
Cả hai hệ thống có những ưu điểm và nhược điểm riêng phù hợp với các nhu cầu khác nhau Hiện nay, công nghệ chỉ cho phép truyền một bước sóng trên một sợi quang, do đó, việc so sánh hai hệ thống này cần xem xét các hạn chế và lợi ích của từng thiết bị để chọn lựa phù hợp.
Hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng gấp đôi so với hệ thống song hướng, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu Tuy nhiên, nhờ vào khả năng cung cấp dung lượng lớn, hệ thống này yêu cầu sử dụng gấp đôi số sợi quang so với hệ thống song hướng, đồng thời đảm bảo khả năng mở rộng và hiệu quả hoạt động cao hơn.
Khi xảy ra sự cố đứt cáp, hệ thống sóng hướng không cần sử dụng hệ thống chuyển mạch bảo vệ tự động APS, vì cả hai đầu của liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố một cách nhanh chóng và tức thì.
Hệ thống song hướng trong thiết kế mạng quang đòi hỏi sự phức tạp hơn do phải giải quyết các yếu tố như vấn đề nhiễu xuyên, do sử dụng nhiều bước sóng trên mỗi sợi quang, và đảm bảo định tuyến cũng như phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không sử dụng chung một bước sóng, từ đó nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống mạng quang song hướng.
Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn so với hệ thống đơn hướng, nhưng do số bước sóng khuếch đại giảm một nửa theo mỗi chiều trong hệ thống song hướng, nên các bộ khuếch đại này cung cấp công suất quang ngõ ra lớn hơn.
Chức năng của hệ thống WDM
Hình 2.2: S ơ đồ ch ứ c n ă ng h ệ th ố ng WDM
Trên Hình 2.2, để đảm bảo việc truyền nhiều bước sóng trên một sợi quang, hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau:
• Phát tín hiệu: trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là
Laser Hiện tại đã có một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh bước sóng
Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) đòi hỏi nguồn phát laser có độ rộng phổ hẹp để đảm bảo hiệu quả và chính xác trong ứng dụng Các yêu cầu chính bao gồm mức công suất đỉnh ổn định, bước sóng trung tâm chính xác, độ rộng phổ nhỏ, và độ rộng chip nằm trong giới hạn tiêu chuẩn Đặc điểm của laser tunable là khả năng điều chỉnh bước sóng linh hoạt, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Việc kiểm soát các đặc tính của laser như độ rộng phổ và công suất là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu.
Ghép tín hiệu WDM là công nghệ kết hợp nhiều nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền qua sợi quang, giúp tăng dung lượng truyền tải dữ liệu.
Tách tín hiệu WDM là quá trình phân chia tín hiệu ánh sáng tổng hợp thành các tín hiệu riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tách Hiện nay, các bộ tách/ghép tín hiệu WDM sử dụng công nghệ như bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, và bộ lọc Fabry-Perot, giúp tối ưu hiệu suất truyền dẫn quang học Khi lựa chọn các bộ tách ghép kênh WDM, cần xem xét các tham số quan trọng như khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của kênh bước sóng, bước sóng trung tâm, mức xuyên âm và suy hao giữa các kênh, cùng với tính đồng đều của các kênh và các yếu tố suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg để đảm bảo hiệu quả truyền dẫn tối ưu.
Quá trình truyền tín hiệu trong sợi quang chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố quan trọng như suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến và vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi yếu tố này đều phụ thuộc lớn vào đặc điểm của sợi quang, bao gồm loại sợi và chất lượng sợi, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng truyền dẫn của hệ thống quang.
Trong hệ thống truyền dẫn quang, việc khuếch đại tín hiệu đóng vai trò rất quan trọng để duy trì chất lượng truyền dữ liệu Hiện nay, hệ thống chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) với ba chế độ hoạt động chính: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại Khi triển khai bộ khuếch đại EDFA trong hệ thống WDM, cần đảm bảo các yêu cầu về hiệu suất và ổn định để tối ưu hóa hiệu quả truyền tải dữ liệu qua mạng quang.
9 Độ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch không quá 1dB)
9 Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh
Hệ thống có khả năng phát hiện sự chênh lệch công suất đầu vào, từ đó điều chỉnh các hệ số khuếch đại phù hợp Điều này giúp đảm bảo đặc tuyến khuếch đại luôn bằng phẳng trên tất cả các kênh Nhờ vào khả năng này, độ ổn định và hiệu quả của hệ thống được nâng cao, mang lại hiệu suất tối ưu trong quá trình hoạt động.
Trong các hệ thống truyền dẫn WDM, việc thu tín hiệu đòi hỏi sử dụng các bộ tách sóng quang như PIN và APD, tương tự như các hệ thống thông tin quang thông thường để đảm bảo nhận diện và xử lý chính xác các tín hiệu quang đa kênh.
Ưu nhược điểm của công nghệ WDM
Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đã rút ra được những ưu-nhược điểm của công nghệ WDM như sau:
9 Tăng băng thông truyền trên sợi quang với số lần tương ứng với số bước sóng được ghép vào để truyền trên một sợi quang
Công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý giúp hỗ trợ đa dạng các định dạng dữ liệu và thoại như ATM, Gigabit Ethernet, chuyển mạch kênh và IP, mang lại tính trong suốt và linh hoạt trong truyền tải dữ liệu.
Hiện tại, công nghệ WDM là duy nhất đảm nhận vai trò xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN, cho phép truyền tải đa dạng dịch vụ một cách liên tục Công nghệ này giúp quản lý mạng hiệu quả, cung cấp khả năng định tuyến linh hoạt và tối ưu hóa hiệu suất mạng quang Nhờ WDM, các nhà mạng có thể mở rộng băng thông và nâng cao chất lượng dịch vụ, đáp ứng tốt yêu cầu phát triển của các hệ thống truyền dẫn quang hiện đại.
9 Vẫn chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang (chỉ mới tận dụng được băng C và băng L)
9 Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần
Hệ thống sợi quang sử dụng sợi DSF theo tiêu chuẩn G.653 gặp nhiều khó khăn trong quá trình triển khai do hiện tượng trộn 4 bước sóng khá gay gắt Hiện tượng này gây ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất và độ ổn định của hệ thống truyền dẫn quang Để đảm bảo hoạt động ổn định, cần có các giải pháp phù hợp nhằm giảm thiểu tác động của trộn bước sóng, đặc biệt khi áp dụng sợi DSF tiêu chuẩn G.653.
SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG WDM TRONG THỜI GIAN QUA
Sự phát triển của các hệ thống WDM nhìn chung có thể chia làm 3 giai đoạn:
Hình 2.3: S ự phát tri ể n c ủ a h ệ th ố ng WDM
Hệ thống WDM thế hệ 1 là hệ thống WDM điểm-điểm, yêu cầu các trạm xen/rớt trên tuyến sử dụng thiết bị MUX/DEMUX để ghép và tách tất cả các bước sóng Hệ thống này giúp tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu qua các kênh quang, đảm bảo hiệu quả và ổn định trong mạng lưới viễn thông Việc sử dụng thiết bị MUX/DEMUX trong hệ thống WDM thế hệ 1 là giải pháp chủ đạo để phân chia và hợp nhất các dải sóng quang, nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống.
• Hệ thống WDM thế hệ 2: hệ thống WDM điểm-đa điểm với các trạm xen/rớt là các OADM cho phép tách trực tiếp bước sóng cần xen/rớt
• Hệ thống WDM thế hệ 3: mạng quang WDM hoàn toàn với các thiết bị chuyển mạch và định tuyến bước sóng.
MẠNG QUANG THẾ HỆ THỨ HAI
Sợi quang đã trở thành phương tiện truyền dẫn phổ biến và truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng WDM được sử dụng rộng rãi trong các mạng viễn thông Những năm gần đây, người ta nhận ra rằng mạng quang không chỉ đơn thuần truyền dữ liệu điểm nối điểm mà còn có khả năng cung cấp nhiều chức năng mở rộng hơn Việc hợp nhất các chức năng chuyển mạch và định tuyến điện tử vào phần quang của mạng giúp xử lý dữ liệu nhanh hơn, phù hợp với tốc độ cao ngày càng tăng Trong các mạng thế hệ đầu, các thiết bị điện tử tại các nút phải xử lý tất cả dữ liệu đến và đi qua nút đó, gây ra tải trọng lớn Nếu dữ liệu có thể được định tuyến trong miền quang, tải trọng các thiết bị điện tại các nút sẽ giảm đáng kể, đó chính là một trong những nguyên nhân chính tạo ra các mạng quang thế hệ thứ hai.
Các mạng quang dựa trên mô hình này đã được triển khai rộng rãi trong thực tế Kiến trúc của mạng, như thể hiện rõ trong Hình 2.4, được gọi là mạng định tuyến bước sóng, giúp tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu quang học và nâng cao hiệu suất mạng.
Mạng cung cấp các lightpath cho người dùng, gồm các kết nối quang được truyền từ đầu cuối đến đầu cuối qua một bước sóng trên mỗi tuyến trung gian Các lightpath là các kết nối quang, giúp truyền dữ liệu nhanh chóng và ổn định qua các tuyến trung gian trong mạng Tại các nút trung gian, các lightpath được định tuyến và chuyển mạch linh hoạt từ tuyến này sang tuyến khác để duy trì kết nối liên tục Trong một số trường hợp, các lightpath còn có thể được chuyển đổi từ một bước sóng này sang bước sóng khác dọc theo lộ trình, nâng cao khả năng kiểm soát và tối ưu hóa mạng quang.
Hình 2.4: M ạ ng WDM đị nh tuy ế n b ướ c sóng
Trong mạng định tuyến bước sóng, các lightpath có thể sử dụng cùng một bước sóng mà không cần chia sẻ tuyến truyền dẫn vật lý, giúp tối ưu hóa việc sử dụng nguồn tài nguyên trong mạng Tuy nhiên, một ràng buộc quan trọng là các lightpath phải duy trì cùng một bước sóng trên tất cả các kết nối của chúng trong lộ trình, đòi hỏi bài toán định tuyến gán bước sóng (RWA) phải giải quyết hiệu quả để tránh tình trạng không đủ khả năng chuyển đổi bước sóng trong mạng.
Các phần tử mạng chính cho hoạt động của mạng quang gồm có thiết bị đầu cuối quang (OTL), bộ ghép/tách kênh quang (OADM) và bộ kết nối chéo quang (OXC) OTL giúp ghép các bước sóng vào một sợi quang hoặc tách các tập bước sóng trên sợi đơn thành các sợi riêng biệt, thường được sử dụng ở đầu cuối của liên kết WDM điểm-điểm OADM cho phép thu vào nhiều tín hiệu bước sóng và ghép hoặc tách chọn lọc các bước sóng định trước, trong khi các bước sóng còn lại vẫn tiếp tục đi qua OXC có quy mô lớn hơn nhiều so với OADM, với số cổng có thể lên tới hàng nghìn, cho phép chuyển mạch các bước sóng từ một cổng này sang cổng khác Cả OADM và OXC đều có khả năng chuyển đổi bước sóng bên trong, giúp nâng cao hiệu quả và linh hoạt của mạng quang.
Các mạng quang dựa vào kiến trúc được mô tả ở trên đã được triển khai
OTL (Optical Transport Layer) được triển khai rộng rãi trong các ứng dụng điểm nối điểm, giúp tối ưu hóa việc truyền dữ liệu qua các tuyến đường quang OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) thường được sử dụng trong các mạng đường dài và mạng tập trung để nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu Trong khi đó, OXC (Optical Cross-Connect) phù hợp với các mạng yêu cầu dung lượng cao và chứa nhiều điểm chuyển mạch, đảm bảo khả năng mở rộng và vận hành linh hoạt trong hệ thống mạng quang hiện đại.
CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠNG WDM 3.1 BỘ GHÉP/TÁCH TÍN HIỆU
Định nghĩa
Bộ ghép tách tín hiệu (coupler) là thiết bị quang học dùng để kết hợp các tín hiệu truyền đến từ các sợi quang khác nhau, giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải dữ liệu Có hai loại coupler chính: Coupler có hướng (disectional coupler), cho ánh sáng truyền qua theo một chiều duy nhất, và coupler song hướng (bidisectional coupler), cho phép ánh sáng đi theo hai chiều khác nhau Việc lựa chọn loại coupler phù hợp đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền dẫn quang, đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy của truyền tải dữ liệu.
Coupler FBT (Fused Biconical Taper) là loại coupler phổ biến nhất trong các hệ thống quang học Nó được chế tạo bằng cách ghép hai sợi quang cạnh nhau, sau đó nung chảy và kéo dãn vùng ghép để tạo ra sự liên kết chắc chắn Công nghệ này giúp phân chia công suất ánh sáng một cách, trong đó tỷ lệ α (0