PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG WDM 8 bước sóng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC  BÁO CÁO MÔN PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG THÔNG TIN Đề tài Đánh giá hiệu năng hệ thống WDM 8 bước sóng GVHD PGS.

KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC



BÁO CÁO MÔN PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG

THÔNG TIN

Đề tài: Đánh giá hiệu năng hệ thống WDM 8 bước sóng

GVHD: PGS.TS Lê Hải Châu

Học Viên: Nguyễn Văn Công

Hoàng Văn Đăng

Lưu Bích Hạnh

Bouasone Khambouavong

Lớp: M20CQTE02-B

Hà Nội, 07/2021

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Sơ đồ khối tổng quát 2

1.3 Phân loại hệ thống WDM 3

1.4 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ WDM 4

1.4.1 Ưu điểm 4

1.4.2 Nhược điểm 5

1.5 Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM 5

1.5.1 Nguồn quang 5

1.5.2 Phần tử tách ghép bước sóng 6

1.5.3 Sợi quang 6

1.5.5 Khuếch đại quang 7

1.5.6 Bộ xen/ rẽ bước sóng OADM 8

1.5.7 Bộ nối chéo quang OXC 8

CHƯƠNG II: MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM 8 BƯỚC SÓNG BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 8

2.1 Giới thiệu phần mềm Optisystem 8

2.2 Yêu cầu thiết kế 9

2.2.1 Bài toán 9

2.2.2 Yêu cầu 9

2.3 Mô phỏng theo phương án thiết kế 9

2.4 Kết quả mô phỏng 13

2.5 Kết luận 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM

1.1 Giới thiệu chung

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công

nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ở

đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để

truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh),

khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

1.2 Sơ đồ khối tổng quát

Hình 1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

- 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 được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa

bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ

rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung

tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép

- Ghép/tách tín hiệu:

Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng

tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM là sự

phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi

cổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng

mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG,

bộ lọc Fabry-Perot Khi xét đến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số

như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước

sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy

hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa

- Truyền dẫn tín hiệu:

Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu

tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch

đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại

sợi quang, chất lượng sợi )

- Khuếch đại tín hiệu

Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA

(Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng đã được sử

dụng trên thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường

và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo

các yêu cầu sau:

➢ Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức

chênh lệch không quá 1 dB)

➢ Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh

hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh

➢ Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều

chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cả các kênh

- Thu tín hiệu:

Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như

trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

1.3 Phân loại hệ thống WDM

Hệ thống WDM về cơ bản chia làm 2 loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như

minh hoạ trên hình 2 Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang

Do vậy, để truyền thông tin giữa 2 điểm cần 2 sợi quang Hệ thống WDM song hướng,

ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để có thể trao

đổi thông tin giữa 2 điểm Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng Giả sử

rằng công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh

hai hệ thống ta thấy:

- Xét về dung lượng: hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao

gấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi

so với hệ thống song hướng

- Khi sự cố đứt cáp xảy ra: hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển

mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection Switching) vì cả hai đầu của

liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố ngay lập tức

- Về khía cạnh thiết kế mạng: hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải

xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên

một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều

trên sợi quang không dùng chung một bước sóng…

- Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn

trong hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ

thống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ

khuyếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn

hướng

Hình 2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng

1.4 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ WDM

1.4.1 Ưu điểm

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ưu điểm

nổi trội:

- Dung lượng truyền dẫn lớn: Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh quang, mỗi

kênh quang ứng với tốc độ bit nào đó (TDM) Do đó hệ thống WDM có dung

lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM Hiện nay hệ thống

WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung

lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử nghiệm thành công Trong khi đó thử

nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s)

- Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thống TDM

đơn kênh tốc độ cao: Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu

lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một

bước sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp Điều này làm

giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn như tán sắc… Do đó

tránh được sự phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao

- Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, thậm chí ngay cả khi hệ

thống vẫn đang hoạt động: Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của các

mạng hiện có mà không phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang) Bên

cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang (hay bước sóng

quang) ngoài việc thuê sợi hoặc cáp Việc nâng cấp chỉ đơn giản là gắn thêm các

Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-n-play)

- Quản lý băng tần hiệu quả và thiết lập lại cấu hình một cách mềm dẻo và linh

hoạt: Việc định tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM cho phép quản lý

hiệu quả băng tần truyền dẫn và thiết lập lại cấu hình dịch vụ mạng trong chu kỳ

sống của hệ thống mà không cần thi công lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại

- Giảm chi phí đầu tư mới

1.4.2 Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm ở ngay bản

thân công nghệ Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ này:

- Dung lượng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang: Công nghệ

WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung lượng nhưng nó cũng chưa

khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang Cho dù công nghệ còn phát

triển những dung lượng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn

- Chi phí cho khai thác tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động hơn Tuy nhiên,

chi phí cho bảo dưỡng hệ thống WDM vẫn nhỏ hơn rất nhiều nếu so sánh với hệ

thống TDM có dung lượng tương đương

1.5 Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM

1.5.1 Nguồn quang

Các nguồn quang cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin cáp sợi quang có thể là Diode

Laser (LD) hoặc Diode phát quang (LED):

- Laser “Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation” Khuếch đại ánh

sáng nhờ bức xạ kích thích Hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng chính

là: Hiện tượng bức xạ kích thích và hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng

khi lan truyền trong Laser

- Tín hiệu quang phát ra từ LD hoặc LED có các tham số biến đổi tương ứng với

biến đổi của tín hiệu điện vào Tín hiệu điện vào có thể phát ở dạng số hoặc tương

tự Thiết bị phát quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu

quang tương ứng bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang Bước

sóng ánh sáng của nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần

tử phát Ví dụ GaalAs phát ra bức xạ vùng bước sóng 800 nm đến 900 nm,

InGaAsP phát ra bức xạ ở vùng 1100 nm đến 1600 nm

Yêu cầu đối với nguồn phát:

- Độ rộng phổ hẹp và phổ vạch: Nhìn chung, hệ thống WDM cũng sử dụng các

nguồn phát giống như đối với hệ thống truyền dẫn đơn kênh cự ly dài Tuy nhiên

trong trường hợp này chúng ta sử dụng loại Laser DFB hoặc DBR có duy nhất

một vạch phổ trong dải phổ của nó Độ rộng phổ tuỳ thuộc vào số lượng kênh

trong hệ thống và dung sai của các phần tử

- Độ ổn định bước sóng phát: Trong hệ thống WDM cần giảm thiểu sự thay đổi

bước sóng nguồn phát trong suốt thời gian hoạt động để tránh được những ảnh

hưởng không mong muốn đến chỉ tiêu hệ thống

- Khả chỉnh: Laser khả chỉnh có nghĩa rất lớn trong mạng quang tương lai, đặc biệt

trong mạng quảng bá Khả năng điều chỉnh của bộ phát lẫn bộ thu ảnh hưởng đến

chỉ tiêu của toàn bộ hệ thống

- Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của nguồn

quang sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu giữa

các kênh

- Nhiễu thấp: Có rất nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh mode, nhiễu

pha, Nhiễu thấp rất quan trọng để đạt được mức BER thấp trong truyền thông

số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt

1.5.2 Phần tử tách ghép bước sóng

Bộ ghép/ tách kênh bước sóng, cùng với vộ kết nối chéo quang, là thiết bị quan

trọng nhất cấu thành nên hệ thống WDM Khi dùng kết hợp với bộ kết nối chéo quang

OXC sẽ hình thành nên mạng truyền tải quang, có khả năng truyền tải đồng thời và trong

suốt mọi loại hình dịch vụ, mà công nghệ hiện nay đang hướng tới.Bộ tách/ ghép kênh

thực hiện ghép tách tín hiệu ở các bước sóng khác nhau

Bộ ghép/ tách bước sóng thường được mô tả theo những thông số sau:

- Suy hao xen

- Số lượng kênh xử lý

- Bước sóng trung tâm

- Băng thông

- Giá trị lớn nhất của suy hao xen

- Độ suy hao chen giữa các kênh

1.5.3 Sợi quang

Sử dụng loại sợi SMF cho phép đạt tới cự ly xấp xỉ 1000 km tại tốc độ STM-16 mà

không cần sử dụng các bộ bù tán sắc Tuy nhiên với tốc độ STM-64 nếu sử dụng loại

sợi này thì chỉ đạt được khoảng cách khoảng 60 km nếu không sử dụng bù tán sắc Cũng

vì tán sắc lớn tại vùng bước sóng 1550 nm nên hiệu ứng FWM không xảy ra trong sợi

SMF

Loại sợi này đặc biệt phù hợp với các hệ thống đơn kênh, cự ly dài, dung lượng lớn

Tuy nhiên loại sợi này được khuyến nghị là không sử dụng cho các hệ thống WDM

Trong trường hợp tuyến đang sử dụng loại sợi này, muốn nâng cấp tăng dung lượng

bằng kỹ thuật WDM thì phải chọn vùng bước sóng có tán sắc đủ lớn để tránh hiệu ứng

FWM Điều này làm hạn chế khả năng tăng dung lượng của hệ thống

Tán sắc của loại sợi này đủ nhỏ để cho phép truyền với tốc độ 10 Gb/s trên khoảng

cách 300 - 400 km mà không cần bù tán sắc nhưng cũng đủ lớn để giảm ảnh hưởng của

FWM trong dải băng của EDFA (từ 1530 - 1565 nm) Vì vậy loại sợi này đặc biệt thích

hợp với các hệ thống WDM tốc độ cao, cự ly truyền dẫn lớn

1.5.4 Đầu thu (bộ tách sóng quang)

Hiệu suất lượng tử (QE): là tỷ lệ giữa số electron thu được tại vùng chuyển tiếp và số

photon tới Hiệu suất lượng tử tuyệt đối là 1 nếu có 1 photon tới thì giải phóng 1 electron

QE phụ thuộc vào bước sóng hoạt động

Độ đáp ứng: Độ đáp ứng quan tâm đến năng lượng photon Nó được đo bằng dòng photo

đầu ra của thiết bị (đơn vị là A) chia cho công suất quang đầu vào (đơn vị là W) Đối

với một photodiode silic thì độ đáp ứng điển hình ở bước sóng 900nm là 0,44

Dạng cơ bản của một APD là một photodiode PIN có thế hiệu ngược rất lớn (thường

khoảng 50V)

Các tham số quan trọng của APD:

- Độ nhạy

- Tốc độ hoạt động

- Tích độ tăng ích và băng tần

- Nhiễu

1.5.5 Khuếch đại quang

Khuếch đại quang được sử dụng trọng các hệ thống truyền dẫn để tăng khoảng

cách trạm lặp hay tăng cự ly truyền dẫn Khuếch đại trong các hệ thống WDM đóng vai

trò đặc biệt quan trọng Do có nhiều kênh quang cùng hoạt động nên các yêu cầu về đặc

tính khuếch đại của hệ thống WDM nghiêm ngặt hơn nhiều so với hệ thống đơn kênh

Có nhiều kiểu khuếch đại nhưng cho đến nay người ta chủ yếu tập trung vào hai loại

sau: khuếch đại quang bán dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi (AFA) Tuy nhiên, các

phẩm chất của SOA trong cửa sổ sóng 1550 nm kém hơn AFA ở nhiều khía cạnh như:

độ khuếch đại, công suất bão hoà và mức độ phụ thuộc phân cực nên trong các ứng dụng

ngày nay khuếch đại quang sợi đã trở thành độc tôn Công nghệ khuếch đại quang sợi

đã gặt hái được rất nhiều thành công và đến nay nó được đánh giá là công nghệ trụ cột

trong tương lai của mạng quang

1.5.6 Bộ xen/ rẽ bước sóng OADM

OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) thường được dùng trong các mạng

quang đô thị và các mạng quang đường dài vì nó cho hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt đối

với cấu hình mạng tuyến tính, cấu hình mạng vòng

OADM được cấu hình để xen/ rớt một số kênh bước sóng, các kênh bước sóng còn lại

được cấu hình cho đi xuyên qua

1.5.7 Bộ nối chéo quang OXC

OXC là thiết bị đáp ứng yêu cầu về khả năng linh động trong việc cung ứng dịch

vụ, hay đáp ứng khả năng đáp ứng được sự tăng băng thông đột biến của các dịch vụ đa

phương tiện

Các yêu cầu đối với OXC:

- Cung cấp dịch vụ

- Bảo vệ

- Trong suốt đối với tốc độ truyền dẫn bit

- Giám sát chất lượng truyền dẫn

- Chuyển đổi bước sóng

- Ghép và nhóm tín hiệu

CHƯƠNG II: MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM 8 BƯỚC SÓNG

BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM

2.1 Giới thiệu phần mềm Optisystem

OptiSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang Phần mềm này có khả

năng thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa rất nhiều loại tuyến thông tin quang,

dựa trên khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế Bên cạnh đó,

phần mềm này cũng có thể dễ dàng mở rộng do người sử dụng có thể đưa thêm các

phần tử tự định nghĩa vào Đáp ứng nhu cầu của các nhà khoa học nghiên cứu, kỹ sư

viễn thông quang học, tích hợp hệ thống, sinh viên và một loạt các người dùng khác,

OptiSystem đáp ứng các nhu cầu của thị trường lượng tử ánh sáng phát triển mạnh mẽ

nhưng vẫn dễ sử dụng công cụ thiết kế hệ thống quang học

OptiSystem cho phép người dùng lập kế hoạch, kiểm tra, và mô phỏng:

- Thiết kế mạng WDM / TDM hoặc CATV

- Thiết kế mạng vòng SONET / SDH

- Thiết kế bộ phát, kênh, bộ khuếch đại, và bộ thu thiết kế bản đồ phân tán

- Đánh giá BER và penalty của hệ thông với các mô hình bộ thu khác nhau

- Tính toán BER và quĩ công suất tuyến của các hệ thống có sửng dụng khuếch đại

quang

- Thay đổi hệ thống tham số BER và tính toán khả năng liên kết

2.2 Yêu cầu thiết kế

2.2.1 Bài toán

Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch

đại quang EDFA với các yêu cầu thiết kế như sau:

- Số lượng kênh bước sóng: 8 kênh

- Loại sợi: Sợi quang đơn mode chuẩn (G.652)

- Nguồn phát: CW Laser

- Phương thức điều chế: điều chế ngoài

- Bộ thu: Sử dụng PIN kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel

2.2.2 Yêu cầu

Sử dụng phần mềm Optisystem xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống thông tin

quang WDM theo phương án đã thiết kế

Đưa các thiết bị đo vào mô hình mô phỏng Các thiết bị đo trên tuyến được đặt tại

các vị trí phù hợp để xác định được chất lượng và dạng tín hiệu tại các điểm cần thiết

trên tuyến Các thiết bị đo cơ bản:

- Thiết bị đo công suất quang

- Thiết bị phân tích phổ quang

- Thiết bị đo BER

Thay đổi các tham số của các phần tử trên tuyến, từ đó đánh giá hiệu năng hệ thống

2.3 Mô phỏng theo phương án thiết kế

Mỗi kênh quang bao gồm nguồn phát quang lazer CW lazer, bộ phát xung NRZ pulse

genarator, bộ phát bit điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator, bộ điều chế Mach-

zehnder

Tuyến phát quang gồm 4 kênh quang được tích hợp thông quang bộ ghép kênh quang

MUX

Thiết lập tham số toàn cục Tốc độ bít: 10GBps, Chiều dài chuỗi: 128bits, Số mẫu trong

một bít: 64

Số mẫu = Chiều dài chuỗi×Số mẫu trong một trong một bit=128×64=8192