Bài Tập Lớn Tìm Hiểu Và Thiết Kế Hệ Thống Thông Tin Quang Wdm.pdf

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG *** *** BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC Thông tin quang Đề tài “Tìm hiểu và thiết kế hệ thống thông tin quang WDM” Giảng viê[.]

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

***

***

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC:

Thông tin quang

Đề tài: “Tìm hiểu và thiết kế hệ thống thông tin quang WDM”

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hoàng Hải

Nhóm Sinh Viên Thực Hiện:

1 Nguyễn Xuân Phúc 20093567 ĐT 02 – K54

2 Nguyễn Việt Nam 20091845 ĐT 03 – K54

3 Lưu Huy Hoàn 20091128 ĐT 07 – K54

4 Phạm Phương Long 20091663 ĐT 03 – K54

5 Nguyễn Thành Đô 20090748 ĐT 04 – K54

Hà Nội: 27/04/ 2013

MỤC LỤC

Phần 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WDM

1.1 Lịch sử phát triển

• Năm 1977: Bắt đầu nghiên cứu về các hệ thống thông tin ghép bước sóng sợi quang

• Đầu thập kỷ 80: Bắt đầu thương mại hóa các hệ thống ghép bước sóng sợi quang, ghép bước sóng ở hai vùng cửa số khác nhau Đây là dạng đơn giản nhất của công nghệ ghép bước sóng quang, với việc truyền đi 2 kênh ở 2 vùng cửa sổ khác nhau cùng một lúc

• Những năm 1990: Hệ thống ghép bước sóng quang đa kênh ra đời, với khoảng cách kênh nhỏ hơn 1nm Kỹ thuật ghép kênh WDM đã ghép được nhiều bước sóng trong cùng 1 vùng cửa sổ, tiêu biểu là ở 1550nm

• Năm 1996: các hệ thống WDM hoạt động với tổng dung lượng 40 Gb/s được thương mại hóa

• Năm 2001: triển khai nhiều hệ thống vượt biển tốc độ cao, tốc độ lên tới 100 Gb/s

• Hiện này, với những phát triển vượt bậc về công nghệ hệ thống WDM ngày càng được nâng cao về tốc độ, dung lượng và khoảng cách truyền dẫn…

1.2 Giới thiệu chung

a) Khái niệm

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 tổhợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

b) Đặc điểm

Truyền dẫn ghép phân bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing): ghép thêm 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 1260nm đến 1675nm Khoảng bước sóng này được chia làm nhiều băng sóng hoạt động Đầu tiên, 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 Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 Ghz (đảm bảo khả năng chống xuyên nhiễu kênh trong điều kiện công nghệ hiện tại), sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt động trên mỗi băng Như vậy, nếu vẫn giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh truyền, dùng công nghệ WDM cũng đủ làm tăng băng thông truyền trên một sợi quang lên 64 lần

Ưu điểm của công nghệ WDM:

• Tăng băng thông truyền trên sợi quang số lần tương ứng số bước sóng được ghép vào để truyền trên một sợi quang

• Tính trong suốt: Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên

nó có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như: ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, chuyển mạch kênh, IP

• Khả năng mở rộng: Những tiến bộ trong công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thông truyền trên sợi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng ởnhiều cấp độ khác nhau

• Hiện tại, chỉcó duy nhất công nghệ WDM là cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải trong suốt nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động

Nhược điểm của công nghệ WDM:

• Vẫn chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang (chỉ mới tận dụng được băng C và băng L)

• Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần so với các hệ thống khác

• Nếu hệ thống sợi quang đang sửdụng là sợi DSF theo chuẩn G.653 thì rất khó triển khai WDM vì xuất hiện hiện tượng trộn bốn bước sóng khá gay gắt

c) Sơ đồ khối hệ thống

Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống WDM Chức năng các khối:

• 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 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 đểtruyền 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, bộlọc 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 tốsợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi )

mà ta sẽ xem xét ở phần sau

• 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 cảcác 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

d) Phân loại hệ thống WDM

Phân loại theo hướng truyền dẫn:

Theo cách phân loại này hệ thống WDM được chia làm hai loại: hệ thống đơn

hướng và song hướng được minh họa trên hình 2 và hình 3 Hệ thống WDM đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang Do vậy, để truyền thống tin giữa hai điểm cần hai sợi quang Hệ thống WDM song hướng truyền hai chiều trên

cùng một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để trao đổi thông tin giữa hai điểm

Hình 2: Hệ thống WDM ghép đơn hướng

Hình 3: Hệ thống WDM ghép kênh song hướng

Cả hai hệ thống đơn hướng và song hướng 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 một cách tức thời

• Đứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống đơn 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 khuếch đại

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

Phân loại theo phương pháp ghép kênh:

Theo cách phân chia này ta chia hệ thống WDM thành hai loại: hệ thống DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) và hệ thống CWDM (Coarse

Wavelength Division Multiplexing)

• Hệ thống DWDM: Là hệ thống ghép kênh theo bước sóng với mật độ dày đặc Khoảng cách giữa 2 bước sóng kề nhau trong một hệ thống DWDM điển hình là 0,8 nm hay tương đương với 100 GHz (ngoài ra cũng có các hệ thống DWDM khác với khoảng cách giữa 2 bước sóng kề nhau là 12,5 GHz,

25 Ghz và 50 GHz) Dải bước sóng hoạt động của hệ thống DWDM là băng

C (1530 nm – 1565 nm) và băng L (1565 nm – 1625 nm) Với khoảng cách kênh là 0,8 nm thì số kênh tối đa có thể được ghép theo lý thuyết là 119 kênh Tốc độ điển hành của 1 kênh trong hệ thống DWDM là 2,5 – 10 Gbps Như vậy dung lượng của 1 hệ thống WDM là rất lớn, có thể lên đến cỡ

Tbps Công nghệ WDM hiện nay đó đạt được dung lượng 5,12 Tbps với 32 kênh bước sóng, mỗi kênh có tốc độ 160 Gbps Tuy nhiên đó chỉ là hệ thống được tạo ra trong phòng thí nghiệm Trên thực tế hệ thống DWDM được sử dụng rộng rãi hiện nay thường là mạng đường trục quốc gia và các tuyến cáp quang biển xuyên quốc gia có thể đạt dung lượng cỡ hàng trăm Gbps Hiện tại ở nước ta công ty Truyền dẫn Viettel đang sử dụng hệ thống DWDM cho mạng mạng đường trục Bắc - Nam với dung lượng 40 Gbps (4 kênh bước sóng, tốc độ mỗi kênh 10 Gbps) và có thể nâng cấp lên 400 Gbps (ghép 40 bước sóng)

• Hệ thống CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing): Là hệ thống ghép kênh theo bước sóng với mật độ thưa Khoảng cách giữa 2 bước sóng

kề nhau trong một hệ thống CWDM điển hỡnh là 20 nm Dải bước sóng hoạt động của hệ thống CWDM là băng O (1260 nm – 1360 nm), băng E (1360nm – 1460 nm), băng S (1460 nm – 1530 nm), băng C (1530 nm –

1565 nm) và băng L (1565 nm – 1625 nm) Như vậy một hệ thống CWDM điển hỡnh chỉ cú thể ghộp tối đa 18 kênh bước sóng, ít hơn rất nhiều so với

hệ thống DWDM Mặt khác tốc độ của 1 kênh đơn được sử dụng cũng khá thấp (chỉ từ 50 Mbps – 2,5 Gbps) do vậy dung lượng của hệ thống CWDM

là rất nhỏ so với hệ thống DWDM Tuy nhiên hệ thống CWDM lại có ưu điểm hơn hệ thống DWDM ở chỗ sử dụng các thiết bị đơn giản hơn, công suất tiêu thụ thấp hơn, chi phí triển khai, vận hành và mở rộng ít hơn Do vậy hệ thống CWDM mang lại hiệu quả kinh tế cao đối với những yêu cầu

về dung lượng không quá lớn

1.3 Nguyên lí hoạt động

Hình 4: Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng là ghép tất cả các bước sóng khác nhau của một nguồn phát quang vào cùng một sợi dẫn quang nhờ bộ ghép kênh MUX và truyền dẫn các bước sóng này trên cùng sợi quang Khi đến đầu thu,

bộ tách kênh quang sẽ phân tách để nhận lại các bước sóng đó

1.4 Các thiết bị trong hệ thống WDM

a) Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler)

Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler) là thiết bị quang dùng để kết hợp các tín hiệu truyền đến từ các sợi quang khác nhau Nếu Coupler chỉ cho phép ánh sáng truyền qua nó theo một chiều, ta gọi là Coupler có hướng (directional coupler) Nếu nó cho phép ánh sáng đi theo 2 chiều, ta gọi là coupler song hướng (bidirectional coupler)

Coupler là linh kiện quang linh hoạt và có thể cho nhiều ứng dụng khác nhau:

Bộ Coupler với tỉ số ghép α ≈ 1 được dùng để trích một phần nhỏ tín hiệu quang, phục vụ cho mục đích giám sát

Coupler còn là bộ phận cơ bản để tạo nên các thành phần quang khác, chẳng hạn như: Các bộ chuyển mạch tĩnh, các bộ điều chế, bộ giao thoa Mach-Zehnder MZI… MZI có thể được chế tạo hoạt động như bộ lọc, MUX/DEMUX, chuyển mạch và bộ chuyển đổi bước sóng

Thực hiện ghép/tách bước sóng trên sợi quang Nhờ điều chỉnh chiều dài ghép thích hợp khi chế tạo, coupler 2 x 2 ghép 50:50 phân bố công suất ánh sáng từ một đầu vào ra làm hai phần bằng nhau ở hai ngõ ra Coupler này còn được gọi là

coupler 3dB, ứng dụng phổ biến nhất Từ coupler 3dB, có thể tạo nên bộ coupler n

x n tín hiệu khác nhau vào một sợi quang

b) Bộ lọc quang

Bộ lọc là thiết bị chỉ cho phép một kênh bước sóng đi qua, khóa đối với tất cả các kênh bước sóng khác Nguyên lý cơ bản nhất của bộ lọc là sự giao thoa giữa các tín hiệu, bước sóng hoạt động của bộ lọc sẽ được cộng pha nhiều lần khi đi qua

nó, các kênh bước sóng khác, ngược lại sẽ bị triệt tiêu về pha Tùy thuộc vào khả năng điều chỉnh kênh bước sóng hoạt động, người ta chia bộ lọc làm hai loại: bộ lọc cố định và bộ lọc điều chỉnh được

c) Bộ định tuyến bước sóng

Thiết bị này kết hợp chức năng của bộ ghép kênh hình sao với các quá trình ghép kênh và tách kênh Tín hiệu WDM vào từ mỗi cổng đầu vào được chia ra thành N phần hướng về phía cổng đẩu ra bộ định tuyến Định tuyến thụ động vì cần phải có năng lượng điện

Bộ ghép kênh NxN có thể được sử dụng như một bộ định tuyến bước sóng Dùng 2 bộ ghép hình sao NxM sao cho M cổng đầu ra của bộ ghép hình sao này được nối với M cổng đầu vào của bộ ghép hình sao khác thông qua mảng M ống dẫn sóng như một cách tử dẫn sóng Thiết bị này gọi là bộ định tuyến cách tử dẫn sóng WGR Bộ ghép hình sao NxM sẽ phân chia đều công suất N kênh vào cho M cổng ra Cách tử tạo từ M ống dẫn sóng sẽ tách kênh khác nhau theo bước sóng Bộ ghép hình sao NxM thứ hai sẽ phân phối các tín hiệu được tách cho các cổng đầu

ra Kết quả các tín hiệu WDM đầu đến từ N nút mạng khác nhau sẽ được định tuyến tới một tập hợp khác của N nút mạng khác

Cách tử dẫn sóng là bộ phận quang trong nhât của WGR vì nó thực hiện tách kênh WGR WGR có thể coi là N bộ giải ghép kênh làm việc song song với đặc tính sau đây Nếu tín hiệu WDM từ cổng đầu vào đầu tiên được phân phối cho N cổng đầu ra theo thứ tự 1,2,3 ,N thì tín hiệu từ cổng thứ ha i được phân phối cho N cổng đầu ra theo thứ tự N,1,2,3 ,N-1

WGR được chế tạo bằng hai công nghệ silica-silicon và InGaAsP/InP, tạo được các thiết bị tích hợp

Thực tế, các mạng thông tin quang sử dụng tín hiệu quang cho việc truyền tải thông tin giữa các nút mạng, định tuyến bằng điện, chuyển mạch bằng điện Tốn thời gian, chi phí cho các biến đổi điện quang Trong tương lai, thì đinh tuyến

quang là điều cần thiết Các thành phần cơ bản của mạng toàn quang là các khối xen/rẽ các bộ đấu chéo quang dùng cho chuyển mạch quang nhằm thống nhất về giao thức và tốc độ bit

Chuyển mạch và định tuyến hiện tại bị hạn chế bởi tốc độ xử lý của các phần tử điện tử Đang phát triển một thế hệ thiết bị định tuyến sử dụng các kỹ thuật xử lý song song nhằm mở rộng dung lượng xử lý các bộ định tuyến điện tử

d) Bộ ghép hình sao quảng bá

Vai trò là kết hợp các tín hiệu quang vào từ các cổng đầu vào và chia đều nó giữa các cổng đầu ra Không có khả năng tách kênh riêng rẽ vì không chứa các phần tử chọn bước sóng Số lượng đầu ra và đầu vào không cần giống nhau Bộ ghép hình sao thụ động như vậy là bộ ghép hình sao quảng bá Nx N, N là số cổng vào và cổng ra Tiết kiệm sợi quang khi quảng bá ở vùng địa lý rộng lớn

Loại đầu tiên là sử dụng bộ ghép sợi 3dB Ghép hai tín hiệu đầu vào và chia đều trên hai cổng đầu ra, tương tự bộ ghép hình sao 2x2 Các hình sao bậc cao hơn NxN có thể tạo ra bằng một số bộ ghép 2x2 với nhau

Loại thứ hai là sử dụng bộ ghép biconical-taper nóng chảy tạo bộ ghép hình sao Gồm hình sao truyền dẫn và hình sao phản xạ (hình 7.29) Làm nóng chảy số lượng lớn các sợi vào với nhau và kéo dài phần nóng chảy thành cấu trúc thắt làm

2 phần

Phương thức thường dùng tạo bộ ghép hình sao là kỹ thuật silica-on-silicon trong đó hai mảng ông dẫn sóng SiO2 planar, tách ra từ vùng trung tâm, được tạo trên nền silicon

e) Bộ ghép và lọc xen rẽ

Các bộ ghép xen/rẽ rất cần thiết cho mạng WDM trong đó, một hay nhiều kênh cần được tách ra hoặc xen vào trong khi vẫn phải bảo toàn tính nguyên vẹn của kênh khác Có thể coi là một bộ ghép kênh, tách kênh hỗn hợp

Nếu như một kênh nào đó có nhu cầu tách ra và không đòi hỏi sự điều khiển riêng rẽ, người ta có thể dùng thiết bị nhiều cổng để gửi kênh này tới một cộng trong khi toàn bộ các kênh được chuyển tới cổng khác, thiết bị này gọi là bộ lọc xen rẽ

Các cách tử Bragg cũng có thể làm bộ lọc xen rẽ Thiết bị được coi là một bộ ghép hướng hỗ trợ cách tử (gratting-assisted) hay cách tử gấp khúc (gratting

folder) cách tử Bragg được đặt ở giữa bộ ghép hướng