Điều khiển động trong mạng quang wdm,luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật chuyên ngành kỹ thuật điện tử

Toàn bộ nội dung của ñề tài ngoài phần tổng hợp các bảng biểu, hình vẽ, ký hiệu toán học, thuật ngữ viết tắt, tài liệu tham khảo, kết luận và ñề xuất hướng phát triển tiếp theo của ñề tà

DANG MỤC BẢNG VÀ CÔNG THỨC TOÁN HỌC

Bảng 1.1: Phân chia các kênh bước sóng 10

Bảng 1.2: Tần số và bước sóng theo ITU 23

Bảng 1.3: đánh giá mô hình mạng vòng Ring và mạng mắt lưới 34

Bảng 1.4: Bước sóng hệ thống WDM 16 kênh và 8 kênh 37

Bảng 1.5: Tần số trung tâm danh ựịnh trong hệ thống thông tin quang 38

Bảng 2.1: Trung bình ựộ dài tuyến ựường trong mạng vòng 8 nút 90

Công thức toán học Trang Công thức 1.1: Suy hao xen với MUX 24

Công thức 1.2: Suy hao xen với DEMUX 24

Công thức 1.3: Suy hao xuyên kênh 24

Công thức 2.1: Tắnh xác suất ựể chọn liên kết trong ựịnh tuyến ngẫu nhiên 60

Công thức 2.2: Xác ựịnh hàm trọng lượng trong WRLC-FF 84

Công thức 2.3: Xác ựịnh xác suất khóa kết nối 86

Công thức 3.1: Xác ựịnh chi phắ liên kết trong ựồ thị phụ của OSA 96

Công thức 3.2: Tắnh chi phắ ựường dẫn sơ cấp trong QMSP 104

Công thức 3.3: Tắnh chi phắ ựoạn ựường dẫn dự phòng trong QMSP 105

Công thức 3.4: Tắnh ựộ tin cậy ựường dẫn sơ cấp trong DRPP 112

Công thức 3.5: Tắnh ựộ tin cậy ựường dẫn dự phòng trong DRPP 112

Công thức 3.6: Tắnh ựộ tin cậy của kết nối trong DRPP 112

Công thức 3.7: Tắnh ựộ tin cậy ựoạn ựường dẫn sơ cấp trong DRSP 113

Công thức 3.8: Tắnh ựộ tin cậy ựoạn ựường dẫn dự phòng trong DRSP 113

Công thức 3.9: Tắnh ựộ tin cậy tổng hợp của ựoạn ựường dẫn sơ cấp và dự phòng trong DRSP 113

Công thức 3.10: Tắnh ựộ tin cậy của kết nối trong DRSP 113

Công thức 3.11: Tính chi phí liên kết của ñường dẫn sơ cấp trong DRSP 114 Công thức 3.12: Tính chi phí liên kết của ñường dẫn dự phòng trong DRSP 115 Công thức 3.13: Tính hiệu suất sử dụng tài nguyên RU 118

CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC TRONG CÁC GIẢI THUẬT

Aa: ðề nghị lưu lượng của cặp nút a

c : Chi phí ñộng của liên kết j

pwj: Số bước sóng sơ cấp trên liên kết j

fwj: Số bước sóng tự do trên liên kết j

rwj: Số bước sóng dự phòng dự trữ trên liên kết j

crn: Yêu cầu kết nối n

pn: ðường dẫn sơ cấp của yêu cầu kết nối crn

bn: ðường dẫn dự phòng cho yêu cầu kết nối crn

q

p

sp : ðoạn ñường dẫn thứ q của p

j: Liên kết sợi quang bên trong G

costj: Chi phí ñộng của liên kết j

crn: Yêu cầu kết nối n

pn: ðường dẫn sơ cấp cho crn

bn: ðường dẫn dự trữ cho pn

spn: Các segment path ñược yêu cầu bảo vệ trên pn

bsn: ðường dẫn dự trữ cho spn

pwj, fwj, swj: Số bước sóng sơ cấp, tự do và dự trữ trên liên kết j

rj: ðộ tin cậy của liên kết j

r(q) : ðộ tin cậy của ñường dẫn q

r(q1, q2) : ðộ tin cậy tổng hợp của ñường dẫn q1 và q2

r(crn) : ðộ tin cậy của kết nối n

r(u): ðộ tin cậy ñược yêu cầu bởi những người dùng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống WDM băng rộng 11

Hình 1.2: Quá trình phát triển của hệ thống WDM 13

Hình 1.3: Truyền dẫn suy hao thấp trong vùng bước sóng 1,3 µm và 1,55 µm 14

Hình 1.4: Nguyên lý hoạt ñộng OTDM 15

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt ñộng của OFDM 16

Hình 1.6: Nguyên lý hoạt ñộng của WDM 18

Hình 1.7: Hệ thống WDM ñiểm - ñiểm ghép bốn bước sóng 19

Hình 1.8: Hệ thống WDM vòng kín ghép bốn bước sóng 20

Hình 1.9: Hệ thống truyền tải WDM ñơn hướng 20

Hình 1.10: Hệ thống truyền tải WDM song hướng 21

Hình 1.11: Thiết bị tách/ghép hỗn hợp 21

Hình 1.12: Chức năng của WDM MUX và DEMUX 22

Hình 1.13: Xuyên kênh ở bộ tách/ghép kênh và tách/ghép kênh hỗn hợp 24

Hình 1.14: Phân loại các thiết bị ghép bước sóng quang 25

Hình 1.15: Nguyên lý hoạt ñộng của thiết bị WDM vi quang .26

Hình 1.16: ðặc tính phổ của các bộ lọc giao thoa cắt và băng thông .27

Hình 1.17: Cấu trúc của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn trực tiếp vào sợi 28

Hình 1.18: Phương pháp chế tạo bộ ghép WDM cho sợi quang ñơn mode 29

Hình 1.19: Cấu trúc bộ ghép bốn kênh thực hiện ghép hai tầng 30

Hình 1.20: Hệ thống WDM ñiểm ñiểm có xen/rẽ kênh quang 31

Hình 1.21: Cấu hình mạng vòng WDM với trạm tập trung .32

Hình 1.22: Cấu hình mạng mắt lưới Mesh 33

Hình 1.23 Xu hướng chuyển ñổi sang mô hình 2 lớp của mạng truyền tải 41

Hình 1.24 Cell ATM với 2 phần mào ñầu và tải 44

Hình 1.25 Mô hình phân lớp IP/WDM 47

Hình 1.26 Kết cấu hệ thống IP qua WDM 48

Hình 2.1: ðịnh tuyến kênh quang trong mạng liên tục bước sóng 50

Hình 2.2: Mô hình vô hướng 51

Hình 2.3: Mô hình hữu hướng 51

Hình 2.5: Mạng quang WDM ñịnh tuyến theo bước sóng 55

Hình 2.6: Các cách bố trí bộ chuyển ñổi bước sóng trong mạng mắt lưới 57

Hình 2.7: Xác suất nghẽn với số bộ chuyển ñổi khác nhau 58

Hình 2.8: Phân lớp mạng theo bước sóng 59

Hình 2.9: Chuyển từ bài toán gán bước sóng thành bài toán tô màu ñồ thị 68

Hình 2.10: Thuật toán tô màu ñồ thị 69

Hình 2.11: Lưu ñồ giải thuật ñịnh tuyến và gán bước sóng tĩnh 72

Hình 2.12: Tóm lược giải thuật ñịnh tuyến và gán bước sóng ñộng 81

Hình 2.13: Minh họa cách phân ñoạn trong mạng có chuyển ñổi bước sóng 83

Hình 2.14: 8-nút mạng vòng và 25-nút mạng mắt lưới 85

Hình 2.15: Xác suất khoá mạng vòng 8 nút không có chuyển ñổi bước sóng 86

Hình 2.16: Xác suất khoá mạng vòng 8 nút chuyển ñổi bước sóng thưa thớt 87

Hình 2.17: Xác suất khoá mạng vòng 8 nút chuyển ñổi bước sóng ñầy ñủ 87

Hình 2.18: Xác suất khoá mạng mắt lưới không có chuyển ñổi bước sóng 88

Hình 2.19: Xác suất khoá mạng mắt lưới chuyển ñổi bước sóng thưa thớt 88

Hình 2.20 Xác suất khoá trong mạng mắt lưới chuyển ñổi bước sóng ñầy ñủ 89 Hình 3.1 Minh họa phương pháp 2 bước 95

Hình 3.2 Minh họa phương pháp 1 bước 97

Hình 3.3: Mô hình mạng mô phỏng theo [9] 100

Hình 3.4: Xác suất khóa trong giải thuật 1 bước và hai bước .101

Hình 3.5: Xác suất khóa kết nối của giải thuật AO 102

Hình 3.6 Xác suất khóa kết nối của các giải thuật RWA khác nhau .102

Hình 3.7: Lưu ñồ giải thuật QMSP 106

Hình 3.8 Minh họa quá trình QMSP 107

Hình 3.9: Sơ ñồ mạng mắt lưới 15 node 108

Hình 3.10a: Tỉ lệ tiêu thụ tài nguyên của TSA và QMSP 109

Hình 3.10b: Xác suất khóa kết nối của TSA và QMSP 109

Hình 3.11: Minh họa trạng thái bẫy của DRPP 113

Hình 3.12: Giải thuật DRSP 116

Hình 3.13: Mạng mắt lưới 15 nút 118

Hình 3.14a: Hiệu suất sử dụng tài nguyên mạng của DRPP và DRSP 119

Hình 3.14b: Xác suất khóa kết nối của DRPP và DRSP 120

Hình 3.15: Cải tiến tỷ lệ khóa kết nối của DRSP so với DRPP 120

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

ANSI: American National Standards Institution

AO: Adaptive One-step

AOAT: Adaptive One-step plus Adaotive Two-step

APS: Automatic Protection Switching

ASON: Automatic Switched Optical Network

AT: Adaptive Two-step

ATAO: Adaptive Two-step plus Adaptive One-step

ATB: Adaptive Two-step allowing Backtracking

ATM: Asynchronous Tranfer Mode

BF: Best-Fit

BR: Blocking Ratio

CDM: Code Division Multiplexing

DCA: Distinct Channel Assignment

DPR: Dedication Protection Ring

DRSP: Differentiated Reliable Segment Protection

DRPP: Differentiated Reliable Path Protection

D-RWA: Dynamic routing and wavelength assignment

DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing

EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier

ETSI: European Telecommunications Standards Institute

FAR-FF: Fixed Alternate Routing - First-Fit

FF: First-Fit

FOAT: Fixed One-step plus Adaptive Two-step

LCP: Least Congested Path

LF: Largest-First

LLR: Least Loaded Routing

LLR-FF: Least Loaded Routing - First-Fit

MAN: Metropolitan Area Network

MPLS: Multi-Protocol Label Switching

NZ-DSF: Nonzero dispersion-shifted fiber

OADM: Optical Add-Drop Multiplexer

OAMP: Optical Amplifier

OCDM: Optical Code Division Multiplexing

OCL: Optical Confinement Layer

Och: Optical Channel Layer

OFDM: Optical Frequency Division Multiplexing

OLT: Optical Line Terminal

OMS: Optical Multiplex Section

ONE: Optical Network Element

ONU: Optical Network Unit

OPP: Optimal Path Pair

OXC: Optical Cross Connecting

OSA: One Step Approach

OTN: Optical Transport Network

OTDM: Optical Time Division multiplexing

OUT: Optical Transmit Unit

OSA: One-Step approach

OXC: Optical Cross Connect

PON: Passive Optical Network

PoS: Packet over SONET/SDH

QMSP: Quick Method with Shared Protection

QoS: Quality of Service

RF: Random-Fit

RWA: Routing and Wavelength Assignment

RU: Resource Utilization

SDH: Synchronous Digital Hierarchy

SONET: Synchronous Otical Network

SOA: Semiconductor Optical Amplifier

SMF: Single Mode Fiber

SPP: Shortest Path Pair

SPR: Shortest Path Routing

SPR-FF: Shortest Path Routing - First-Fit

S-RWA: Static Routing and Wavelength Assignment

SL: Smallest Last

TASA: Trap Avoidance based on Suurballe’s Algorithm

TCP: Transmission Control Prootcol

TDM : Time Division Multiiplexing

TSA: Two Step Approach

UDP: Universal Datagram Prootcol

WADM: Wavelength Add/Drop Multiplexed

WCC: Wavelenght Continuity Constraint

WCR: Wavelength Convertible Router

WDM: Wavelength Division Multiplexing

WLCR-FF: Weighted Least-Congestion Routing and First-Fit wavelength assignment

WR: Wavelength Routed

WR-OXC: Wavelength Routing OXC

WRN: Wavelength Routing Network

WSXC: Wavelength-Selective Cross-Connect

WT-OXC: Wavelength Translating OXC

WXC: Wavelength Crossconnect

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WDM 1

1.1 CÔNG NGHỆ THÔNG TIN QUANG 1

1.1.1 Mạng truyền tải 1

1.1.2 Mạng truyền tải quang 3

1.1.3 Tính cấp thiết của mạng truyền tải toàn quang 5

1.1.4 Sự ra ñời của công nghệ WDM 7

1.2 CÔNG NGHỆ GHÉP BƯỚC SÓNG QUANG WDM/DWDM 11

1.2.1 Lịch sử phát triển của mạng WDM 11

1.2.2 Các kỹ thuật ghép kênh quang .13

1.2.3 Hệ thống truyền tải WDM 19

1.2.3.1 Hệ thống truyền tải WDM ñơn hướng 20

1.2.3.2 Hệ thống truyền tải WDM song hướng 21

1.2.3.3 Thiết bị tách/ghép WDM 21

1.2.3.4 Các tham số cơ bản của bộ tách/ghép WDM 23

1.2.3.5 Các thiết bị ghép bước sóng quang WDM 25

1.2.3.6 Các mô hình mạng WDM cơ bản 30

1.3 ðÁNH GIÁ CÔNG NGHỆ WDM 34

1.4 CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN HIỆN TẠI VÀ PHƯƠNG ÁN TRIỂN KHAI MẠNG QUANG WDM 39

1.4.1 Các lớp khách hàng của mạng quang WDM 39

1.4.2 Dịch vụ SONET trên WDM .42

1.4.3 Dịch vụ ATM trên WDM 43

1.4.4 Dịch vụ IP qua WDM 45

1.5 KẾT LUẬN 48

CHƯƠNG 2: ðỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG MẠNG WDM 49

2.1 TỔNG QUAN VỀ ðỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TRONG

MẠNG QUANG WDM 49

2.1.1 Sơ lược về ñịnh tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM 49

2.1.2 ðịnh tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM .51

2.1.3 Các thông số ảnh hưởng ñến vấn ñề ñịnh tuyến .61

2.2 ðỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG TĨNH 63

2.2.1 Khái niệm về ñịnh tuyến và gán bước sóng tĩnh 63

2.2.2 Mô tả bài toán ñịnh tuyến và gán bước sóng tĩnh .65

2.2.3 Giải thuật ñịnh tuyến và gán bước sóng tĩnh .65

2.2.3.1 ðịnh tuyến 66

2.2.3.2 Gán bước sóng .68

2.3 ðỊNH TUYẾN VÀ GÁN BƯỚC SÓNG ðỘNG 73

2.3.1 Sơ lược về ñịnh tuyến và gán bước sóng ñộng 73

2.3.2 Giải thuật ñịnh tuyến và gán bước sóng ñộng 75

2.3.2.1 ðịnh tuyến 76

2.3.2.2 Gán bước sóng 78

2.3.3 Giải thuật ñịnh tuyến và gán bước sóng WLCR-FF 81

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ TRONG MẠNG QUANG WDM 92

3.1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ BẢO VỆ TRONG MẠNG QUANG WDM.92 3.2 BẢO VỆ ðƯỜNG DẪN 93

3.2.1 Dẫn giải bài toán bảo vệ ñường dẫn 93

3.2.2 Phương pháp xác ñịnh cặp ñường dẫn tách rời liên kết 94

3.2.3 Các giải thuật ñịnh tuyến và gán bước sóng 98

3.3 CÁC GIẢI THUẬT BẢO VỆ ðOẠN ðƯỜNG DẪN 103

3.3.1 Giải thuật tính toán nhanh với sự bảo vệ chia sẻ (QMSP): 103

3.3.2 Bảo vệ ñoạn ñường dẫn dưới sự ràng buộc ñộ tin cậy (DRSP) 110

3.3.3 Kết luận 121

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ðỀ TÀI 122

Công nghệ WDM ra ñời ñánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong quá trình phát triển của mạng truyền dẫn quang Các mạng truyền dẫn quang ứng dụng công nghệ WDM có thể ñạt ñược dung lượng khổng lồ, cho phép ñáp ứng ñầy ñủ băng thông cho các dịch vụ mới cần nhiều băng thông hiện nay và trong thời gian tới

Khi các mạng truyền dẫn quang WDM ñược triển khai sử dụng, việc quản

lý tài nguyên mạng ñể ñạt ñược hiệu suất cao nhất là vấn ñề quan trọng và mang tính sống còn ñối với các nhà quản lý mạng Một khi giải quyết tốt bài toán quản

lý, cụ thể là ñiều khiển tài nguyên mạng ñể ñáp ứng các yêu cầu kết nối sao cho mạng ñạt hiệu suất cao nhất, sẽ mang lại nhiều lợi ích cho nhà quản lý mạng Với mong muốn tìm hiểu về lĩnh vực truyền dẫn quang, ñặt biệt là công nghệ WDM và vấn ñề quản lý tài nguyên trong mạng truyền dẫn quang WDM nhằm khai thác tối ña tài nguyên mạng sẵn có, tôi ñã lựa chọn thực hiện ñề tài

“ðiều khiển ñộng trong mạng quang WDM” Luận văn tập trung nghiên cứu tổng quan công nghệ WDM, nghiên cứu giải pháp kỹ thuật ñịnh tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM

Toàn bộ nội dung của ñề tài ngoài phần tổng hợp các bảng biểu, hình vẽ,

ký hiệu toán học, thuật ngữ viết tắt, tài liệu tham khảo, kết luận và ñề xuất hướng phát triển tiếp theo của ñề tài, nội dung chủ yếu của luận văn như sau:

Chương 1: Tổng quan công nghệ WDM

Nội dung chương này nghiên cứu về công nghệ thông tin quang với ba thế

hệ của mạng truyền tải, nghiên cứu công nghệ ghép bước sóng quang WDM/DWDM với các kỹ thuật ghép kênh quang (như ghép kênh thời gian OTDM, ghép kênh tần số OFDM, ghép kênh bước sóng WDM), ñánh giá công nghệ WDM, công nghệ truyền dẫn hiện tại và phương án triển khai mạng quang WDM

Chương 2: ðịnh tuyến và gán bước sóng trong mạng WDM

Nội dung chương này nghiên cứu tổng quan về ñịnh tuyến và gán bước sóng trong mạng quang WDM với các bải toán về lưu lượng và các giải thuật ñịnh tuyến ñộng kênh quang cũng như các thông số ảnh hưởng ñến vấn ñề ñịnh tuyến bước sóng ñộng, nghiên cứu về ñịnh tuyến và gán bước sóng tĩnh trong mạng quang WDM với các các phương pháp cũng như những giải thuật ñịnh tuyến và gán bước sóng tĩnh, trong ñó giải thuật Dijkstra là một giải thuật ñể giải bài toán ñường ñi ngắn nhất cho hiệu quả tương ñối tốt và sẽ ñược ứng dụng trong Chương 3

Chương 3: Các phương pháp bảo vệ trong mạng quang WDM

ðây là chương cuối của luận văn, nội dung của chương tập trung nghiên cứu về vấn ñề bảo vệ mạng quang WDM với hai kỹ thuật khắc phục lỗi ñó là

“bảo vệ và khôi phục ñộng”, trong ñó những nghiên cứu trọng tâm ñược thực hiện ñối với giải thuật bảo vệ ñường dẫn và bảo vệ ñoạn ñường dẫn ðồng thời kết hợp với những kết quả nghiên cứu mô phỏng ñã ñược thực hiện bởi [11], [15] nhằm chứng minh cho những kết quả nghiên cứu lý thuyết ñã ñược thực hiện

trong các chương trước, ñó là bảo vệ ñoạn ñường dẫn dưới sự ràng buộc ñộ tin cậy (DRSP) thu ñược kết quả tốt hơn bảo vệ ñường dẫn phân biệt ñộ tin cậy (DRPP) ñối với vấn ñề ñịnh tuyến và gán bước sóng ñộng trong mạng quang WDM

Ngoài ba chương trọng tâm ra, Chương 4 của luận văn ñưa ra những kết luận về những kết quả ñã thực hiện và ñề xuất hướng phát triển tiếp theo của ñề tài

Tóm lại, ghép kênh theo bước sóng là một công nghệ truyền dẫn mới, vấn

ñề quản lý tài nguyên mạng trong các mạng truyền dẫn quang là một vấn ñề phức tạp, ñòi hỏi quá trình nghiên cứu kỹ lưỡng và nghiêm túc Do ñiều kiện nghiên cứu và tài liệu còn hạn chế, trong khuôn khổ luận văn này, tác giả ñã cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu và trình bày các vấn ñề một cách chi tiết, cụ thể, nhưng chắc chắn rằng Luận văn sẽ không tránh khỏi những sai sót, kính mong nhận ñược sự góp ý quý báu của Quí Thầy Cô và các ñồng sự

Xin chân thành cảm ơn !

Phú yên, ngày 1 tháng 11 năm 2007

ñã có thể hỗ trợ cho các nhu cầu băng thông này

Dựa vào công nghệ ñược sử dụng cho lớp vật lý, người ta phân biệt các mạng truyền tải theo ba thế hệ [1]:

Mạng thế hệ thứ nhất: Là các mạng xuất hiện trước khi xuất hiện công nghệ sợi quang, các mạng này dựa vào sợi cáp ñồng hoặc sóng vô tuyến

Mạng truyền tải thế hệ thứ hai: Sử dụng sợi cáp quang theo các kiến trúc truyền thống Sợi quang ñược sử dụng vì có băng thông lớn, tỷ lệ lỗi thấp, ñộ tin cậy cao, có khả năng bảo quản dễ dàng, … Mặc dù hiệu suất hoạt ñộng của thế hệ thứ hai có thể ñược cải thiện với việc triển khai sử dụng sợi quang, nhưng hiệu suất của các mạng này bị giới hạn bởi tốc ñộ tối ña của các thiết bị ñiện tử ñược sử dụng trong các bộ chuyển mạch và các nút mạng (khoảng vài Gigabit/s) Hiện tượng này tạo nên các “thắt nút cổ chai” trong mạng

Mạng truyền tải thế hệ thứ ba: ðể ñáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng tăng của các ứng dụng mới, các giải pháp ñã ñược triển khai ñể khai thác băng thông rộng lớn có sẵn có trong sợi cáp quang (khoảng 30 THz trong vùng

có suy hao thấp của sợi quang ñơn mode ở xung quanh vùng bước sóng 1550nm), các mạng truyền tải thế hệ thứ 3 ra ñời Mạng truyền tải thế hệ thứ 3

ñược thiết kế như một mạng toàn quang ñể tránh hiện tượng “nút thắt cổ chai ñiện” Trong mạng này, thông tin ñược truyền qua mạng trong miền quang mà không phải thực hiện việc chuyển ñổi ñiện - quang Sự ra ñời của các sợi quang ñơn mode, các bộ khuếch ñại quang băng rộng, các bộ ghép nối quang, các laser

và các bộ lọc có khả năng chuyển ñổi và các kết nối chéo quang ñã cho phép chúng ta triển khai mạng truyền tải thế hệ thứ ba

Sợi quang cung cấp băng thông lớn hơn rất nhiều so với sợi cáp ñồng thông thường Một sợi cáp quang có thể cung cấp một băng thông 50THz Hơn nữa, truyền tải quang có ñộ tin cậy cao, tỷ lệ lỗi bít rất thấp (khoản 10-12 so với

10-6 của cáp ñồng), suy hao tín hiệu thấp và ít méo dạng tín hiệu Thêm vào ñó truyền tải quang có tính ñảm bảo an toàn hơn vì ánh sáng không bức xạ ra ngoài sợi quang và hầu như không thể tách nó một cách bí mật mà không bị phát hiện

Vì vậy, sợi quang là môi trường thích hợp cho truyền tải dữ liệu tốc ñộ cao

Sợi quang ñã ñược sử dụng trong hai thế hệ mạng truyền tải quang Trong mạng truyền tải quang thế hệ ñầu tiên, sợi quang sử dụng ñể truyền tải và cung cấp dung lượng vì nó cho phép truyền tải dữ liệu với tốc ñộ lỗi bít thấp hơn và dung lượng lớn hơn so với cáp ñồng Tất cả chức năng chuyển mạch và các chức năng mạng thông minh khác ñều ñược quản lý bởi các thiết bị ñiện tử vì thế băng thông bị giới hạn bởi tốc ñộ của các thiết bị ñiện tử tại các ñầu cuối sợi quang Hiện nay, tốc ñộ truyền tải của các mạng thế hệ thứ nhất bị hạn chế ở mức 10Gbps (OC-192) trong các hệ thống ñã ñược thương mại hóa ðiển hình cho mạng truyền tải thứ nhất là các mạng SONET/SDH Mạng truyền tải quang Bắc - Nam của nước ta thuộc thế hệ mạng này

Trong mạng truyền tải quang thế hệ thứ hai, vấn ñề ñịnh tuyến, chuyển mạch và xử lý thông minh ñều ñược ñiều khiển ở lớp quang Băng thông sợi quang ñược khai thác hiệu quả hơn bằng một kỹ thuật ñược gọi là ghép kênh theo bước sóng (WDM) Với công nghệ WDM, băng thông sợi quang ñược chia thành

số lượng lớn các kênh theo các bước sóng khác nhau Khi khoảng cách giữa các kênh ñủ lớn thì các bước sóng này không gây nhiễu lẫn nhau Bên cạnh việc cung

cấp băng thông rất lớn, các mạng WDM còn có ñặc tính trong suốt với dữ liệu,

do ñó các mạng WDM có thể chấp nhận dữ liệu ở bất kỳ tốc ñộ bít nào và bất kỳ ñịnh dạng giao thức nào trong phạm vi giới hạn ðặc tính trong suốt về dữ liệu có thể hiện thực hóa thông qua truyền tải và chuyển mạch tín hiệu toàn quang Trong một mạng toàn quang, dữ liệu ñược truyền dẫn từ nguồn ñến ñích ở dạng quang mà không phải thực hiện bất kỳ việc chuyển ñổi quang - ñiện nào Việc giữ tín hiệu ở dạng quang giúp loại bỏ ñi các “nút thắt cổ chai ñiện” trong các mạng thông tin chuyển mạch ñiện

Trong những năm gần ñây, việc ứng dụng công nghệ WDM trên sợi quang ñã phát triển mạnh mẽ và bắt ñầu ñược ñưa vào sử dụng rộng rãi, trên thế giới ñã hình thành cao trào nghiên cứu mạng thông tin quang Mỹ (ñại diện cho khu vực Bắc Mỹ), liên minh Châu Âu, Nhật Bản ñều thi nhau triển khai nghiên cứu công nghệ mạng quang Quá trình nghiên cứu trên thế giới cho thấy mạng thông tin quang dựa trên công nghệ WDM ñã ñược chú ý rộng rãi và trở thành công nghệ truyền tải chủ chốt trong các mạng truyền tải quang

1.1.2 Mạng truyền tải quang

Mạng truyền tải quang (OTN) bao gồm các phần tử mạng quang (ONE) kết nối với nhau bằng các liên kết sợi quang, có khả năng thực hiện chức năng truyền dẫn, ghép kênh, ñịnh tuyến, quản lý, giám sát và khôi phục mạng khi xảy

ra sự cố với các kênh quang Một ñặc tính quan trọng của mạng truyền tải quang

là nó có khả năng truyền tải bất kỳ tín hiệu số nào

Phần tử mạng ONE là phần tử có các chức năng xử lý truyền tải tín hiệu ở một hoặc nhiều lớp mạng Quá trình nghiên cứu về OTN với các chức năng mạng quang hoàn chỉnh ñã ñược thực hiện ở nhiều lĩnh vực như: kiến trúc mạng OTN, cấu trúc và cách ghép tín hiệu OTN, ñặc tính chức năng thiết bị OTN, quản lý OTN, ñặc tính lớp vật lý OTN

 Kiến trúc mạng OTN:

Ngày nay, mạng viễn thông không ngừng phát triển Những yếu tố như ứng dụng mới, ñịnh dạng thông tin mới và cách truyền tải thông tin, làm cho

kiến trúc mạng luôn thay ñổi Tuy nhiên, có thể khảo sát một mạng tổng quát dựa trên những yếu tố cơ bản: công nghệ truyền tải, khoảng cách, ứng dụng ITU-T

ñã ñưa ra hai khuyến nghị mô tả về mạng của OTN [6], [8]:

Khuyến nghị G.872 mô tả cấu trúc phân lớp, mối quan hệ giữa lớp chủ

và lớp phục vụ, tô pô mạng, chức năng các lớp mạng (bao gồm truyền tín hiệu, ghép tín hiệu, ñịnh tuyến giám sát, khôi phục mạng khi xảy ra sự cố)

Khuyến nghị G.873 nêu các ứng dụng của mạng OTN, bao gồm các kết nối với mạng khác

Ngoài ra, khuyến nghị G.Ason cũng bắt ñầu ñược nghiên cứu về các vấn

ñề mạng chuyển mạch quang tự ñộng (ASON), mạng này có khả năng thực hiện thiết lập và chuyển mạch tự ñộng các kết nối kênh quang Khuyến nghị G.Optperf nghiên cứu về vấn ñề giám sát lỗi trong mạng OTN, ñưa ra những thông số yêu cầu tương ứng về kiến trúc OTN

Từ góc ñộ vật lý, kiến trúc mạng có thể phân theo 3 loại [8]:

Mạng ñường dài: Mạng truyền tải ñường dài là phần lõi của toàn thể kiến trúc mạng, kết nối nhiều mạng ñô thị với nhau Ứng dụng của mạng này là truyền tải, do vậy vấn ñề cần quan tâm của mạng ñường dài là băng thông

Mạng truy nhập (AN): Mạng truy nhập ñứng về phía khách hàng và nằm ngoài biên của mạng lõi Nó ñược ñặc trưng bởi tính ña dạng về giao thức, kiến trúc mạng và trải rộng trên nhiều tốc ñộ truyền tải khác nhau

Mạng ñô thị (MAN): Mạng ñô thị ñóng vai trò chuyển tiếp giữa mạng ñường dài và mạng truy nhập Mạng MAN có nhiều thuộc tính giống như mạng truy nhập (tính ña dạng về giao thức và tốc ñộ kênh truyền) ðể ñảm bảo ñược chức năng chuyển tiếp, mạng MAN phải có khả năng ñáp ứng nhu cầu tăng băng thông truyền tải của mạng ñường dài Mặt khác, nó cũng phải ñáp ứng nhu cầu gia tăng không ngừng về số lượng kết nối và kỹ thuật truy cập của mạng AN

 Kết cấu tô pô của mạng quang:

Bất kỳ mạng thông tin nào cũng có hai loại kết cấu tô pô ñó là tô pô vật lý

và tô pô logic (còn gọi là tôpô ảo) Trong ñó, tôpô vật lý mô tả kết cấu vật lý của

nút mạng còn tôpô logic mô tả sự phân bố dịch vụ giữa hai nút mạng

Tôpô vật lý: Tôpô vật lý của mạng tức là quan hệ kết nối vật lý giữa các ñiểm nút của mạng Nó là tập hợp của các nút mạng và các sợi quang Trong thời kỳ ñầu, khi kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng mới phát triển, liên kết ñiểm - ñiểm là phương thức ứng dụng duy nhất Cùng với sự phát triển của kỹ thuật ñiểm nút, các bộ phận ghép kênh xen/rẽ quang (OADM) và các bộ kết nối chéo quang (OXC) ñã tạo ñiều kiện ñể thực hiện các loại tôpô vật lý khác nhau Ngoài phương thức kết nối ñơn giản ñiểm - ñiểm, tôpô vật lý còn có các loại kết nối khác như: kết nối hình sao, hình vòng, hình cây và hình mạng lưới

Tôpô logic: Tôpô logic là sự phân bố dịch vụ giữa các ñiểm nút của mạng Nó quan hệ mật thiết với tôpô vật lý, thường có các loại tôpô logic như: tôpô hình sao, tôpô kiểu cân bằng, hình lưới Với sự xuất hiện của các bộ kết nối chéo quang (OXC) trong mạng, tôpô logic ñược xây dựng linh ñộng hơn

1.1.3 Tính cấp thiết của mạng truyền tải toàn quang

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự cạnh tranh lẫn nhau giữa các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông, các loại hình dịch vụ ngày càng phát triển ña dạng và phong phú Băng thông cung cấp cho mỗi kết nối tăng lên, thời gian thiết lập kết nối giảm ñi, thậm chí có thể cho phép thuê riêng một lượng băng thông lớn chỉ trong một khoảng thời gian tương ñối ngắn khi cần thiết thay

vì phải thuê dài hạn như trước

Sự phát triển của các hình thức dịch vụ luôn ñi kèm với sự phát triển về chất lượng dịch vụ ñó Một thông số quyết ñịnh ñến chất lượng dịch vụ là ñộ sẵn sàng của mạng Trong ñiều kiện hiện nay, các nhà cung cấp dịch vụ phải có khả năng cung cấp ñộ sẵn sàng ñến 99.999%, nghĩa là thời gian xảy ra sự cố trong một năm ít hơn 5 phút Yêu cầu này ñòi hỏi mạng phải ñược thiết kế ñể có khả năng khôi phục dịch vụ nhanh khi có sự cố xảy ra (thời gian này khoảng 50ms)

Một yêu cầu nữa ñược ñặt ra với hệ thống mạng hiện tại là khả năng tích hợp tất cả các loại hình dịch vụ, chẳng hạn như các dịch vụ chuyển mạch gói hoặc các dịch vụ chuyển mạch kênh, … vào một cấu trúc mạng duy nhất ñể ñơn

giản hơn trong quản lý, nâng cấp mạng Mạng quang là một giải pháp hiệu quả cho tất cả các vấn ñề ñặt ra ở trên Ngoài khả năng cung cấp dung lượng lớn, mạng quang còn có khả năng cung cấp một kết cấu hạ tầng mạng mà trên ñó có thể chuyển tải nhiều loại hình dịch vụ khác nhau, ñồng thời có thể cung cấp băng thông một cách linh hoạt vào bất kỳ lúc nào và bất cứ nơi ñâu

Các ưu ñiểm mạng quang có ñược, về bản chất, là do cáp quang có khả năng truyền dữ liệu với băng thông lớn hơn nhiều lần so với cáp ñồng, ñồng thời

ít chịu tác ñộng của các nhiễu ñiện từ trường cũng như các tác ñộng không mong muốn khác Kỹ thuật truyền tải quang ñã ñược phát triển liên tục trong nhiều thập niên qua và cung cấp tốc ñộ truyền tải ngày càng cao với cự ly truyền tải dài hơn Hiện nay chúng ta ñang chứng kiến một bước phát triển mới của lĩnh vực quang, ñó là mạng quang thế hệ thứ hai Khi ñó, lớp quang không chỉ dừng lại ở

vị trí là phương tiện truyền dữ liệu thuần túy, mà nó ñã ñược phát triển ñể thực hiện các chức năng thông minh hơn trong mạng, ñó là ñịnh tuyến và chuyển mạch Việc ñịnh tuyến và chuyển mạch trong miền quang khắc phục ñược các nhược ñiểm còn tồn tại ñối với mạng quang thế hệ thứ nhất, ở ñó tín hiệu truyền

ñi dưới dạng quang nhưng lại ñược ñịnh tuyến và chuyển mạch ở dạng ñiện

Có thể minh họa nhược ñiểm này như sau: Giả sử, khối xử lý tín hiệu phải

xử lý các dữ liệu có kích thước 53 bytes Với tốc ñộ luồng dữ liệu là 100 Mbps, thời gian ñể xử lý là 4.24µs Với luồng dữ liệu có tốc ñộ là 10Gbps thì thời gian

xử lý là 42.4ns Các linh kiện ñiện tử không thể ñáp ứng tốc ñộ xử lý cao ñến thế nên gây ra hiện tượng “nghẽn cổ chai” tại các nút chuyển mạch ñiện Ngoài ra, trong mạng quang thế hệ thứ nhất, các tín hiệu ñến các nút chuyển mạch (bất kể

là tín hiệu cho nút ñó hay là tín hiệu chuyển tiếp) ñều ñược xử lý Rõ ràng, nếu các tín hiệu chuyển tiếp ñược nối thông trong miền quang thì vấn ñề xử lý tín hiệu trong miền ñiện ñược giảm ñi ñáng kể

ðến ñây có thể nhận thấy sự ra ñời của mạng quang và gần ñây là mạng quang thế hệ thứ hai (hay còn gọi là mạng toàn quang) là tất yếu Mạng toàn quang không chỉ khắc phục ñược những nhược ñiểm cơ bản trong hệ thống mạng

quang thế hệ thứ nhất ñang tồn tại, mà còn ñáp ứng ñược hầu hết các yêu cầu ñưa

ra cho các loại hình dịch vụ và chất lượng dịch vụ mới

1.1.4 Sự ra ñời của công nghệ WDM

Bước vào thiên niên kỷ mới, chúng ta chứng kiến nhiều sự thay ñổi quan trọng trong nền công nghiệp viễn thông có ảnh hưởng to lớn ñến cuộc sống Có nhiều nguyên nhân gây ra sự thay ñổi này [5]:

Trước hết, ñó là sự gia tăng liên tục về dung lượng mạng Nhân tố chính cho sự gia tăng này là sự phát triển nhanh chóng của Internet và World Wide Web Bên cạnh ñó là các nhà kinh doanh ngày nay dựa vào các mạng tốc

ñộ cao ñể thực hiện việc kinh doanh của mình Các mạng này ñược dùng ñể kết nối các văn phòng trong một công ty, cũng như giữa các công ty phục vụ cho việc giao dịch thương mại Ngoài ra còn có một sự tương quan lớn giữa việc tăng nhu cầu và giá thành băng thông của mạng Các công nghệ tiên tiến ñã thành công trong việc giảm giá thành của băng thông và việc này thúc ñẩy sự phát triển của nhiều ứng dụng mới sử dụng nhiều băng thông và các cấu hình hiệu quả hơn

Bãi bỏ và phá vỡ sự ñộc quyền trong lĩnh vực viễn thông Việc phá bỏ tính ñộc quyền trong lĩnh vực viễn thông ñã kích thích sự cạnh tranh trong thị trường, ñiều này dẫn ñến việc giảm giá thành cho những người sử dụng và triển khai nhanh hơn những kỹ thuật và dịch vụ mới

Sự thay ñổi thể loại lưu lượng chiếm ưu thế trong mạng Ngược lại với lưu lượng thoại truyền thống, nhiều ứng dụng mới dựa trên dữ liệu ngày càng phát triển Tuy nhiên, nhiều mạng truyền tải hiện nay ñã ñược xây dựng chỉ ñể hỗ trợ hiệu quả cho lưu lượng thoại chứ không phải là lưu lượng dữ liệu Do ñó, việc thay ñổi thể loại lưu lượng là nguyên nhân thúc ñẩy những nhà cung cấp dịch vụ kiểm tra lại cách thức xây dựng mạng, kiểu dịch vụ phân phối và trong nhiều trường hợp cần kiểm tra cả mô hình kinh doanh tổng thể của họ

Các nhân tố trên ñã dẫn ñến sự ra ñời và phát triển của mạng quang dung lượng cao Trong thập niên 90, sợi cáp quang ñã ñược các nhà cung cấp lắp ñặt như một mạng xương sống liên kết các mạng con và trở thành nền tảng cho hạ

tầng viễn thông Với việc sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo thời gian (TDM), các nhà cung cấp có thể truyền thông tin với tốc ñộ 2.5 Gbps trên một sợi cáp quang,

và với việc triển khai các thiết bị có số lượng gấp 4 lần, các nhà cung cấp có thể ñạt ñược tốc ñộ 10 Gbps Tuy nhiên, cuộc cách mạng về các ứng dụng băng thông rộng và sự phát triển bùng nổ của Internet ñã tạo ra các nhu cầu băng thông vượt quá giới hạn của TDM ðứng trước việc nhu cầu băng thông ngày càng tăng, các nhà cung cấp có 3 giải pháp khả thi [2]:

 Lắp ñặt sợi cáp quang mới

 ðầu tư vào kỹ thuật TDM mới ñể ñạt ñược các tốc ñộ bit cao hơn

 Ứng dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM)

Giải pháp lắp ñặt sợi cáp quang mới: Phương pháp này ñơn giản và không cần phát triển công nghệ, chỉ ñơn thuần là tăng số lượng sợi quang và thiết

bị, tốc ñộ truyền dẫn vẫn giữ nguyên Ta có thể chọn giải pháp này nếu trên tuyến truyền dẫn cần tăng băng thông ñã có sẵn số lượng sợi quang chưa dùng và khoảng cách tuyến truyền dẫn là ñủ ngắn ñể không cần dùng các bộ lặp, bộ khuếch ñại Nếu khoảng cách truyền dẫn xa, khi ñó chi phí sẽ tăng vọt vì mỗi hệ thống lắp thêm ñều cần một số lượng bộ lặp, bộ khuếch ñại, … như hệ thống cũ Trong nhiều năm qua, các nhà cung cấp ñã mở rộng mạng bằng cách triển khai các thiết bị truyền dẫn và sợi cáp mới Với mỗi sợi cáp ñược lắp ñặt, các nhà cung cấp có thể tăng dung lượng lên 2.5 Gbps Tuy nhiên, việc này thường rất khó khăn và tốn kém Chi phí trung bình ñể lắp ñặt thêm một sợi cáp ñược ước tính khoảng 70.000 USD/dặm Hơn nữa, sợi quang ñơn mode ñang sử dụng có một số giới hạn liên quan ñến chi phí và ñộ trễ Bởi vậy việc lắp ñặt sợi cáp mới

là một giải pháp không thực tế ñối với các nhà cung cấp

Giải pháp ñầu tư vào TDM ñể ñạt tốc ñộ bit cao hơn: Giải pháp này tập trung vào việc tăng tốc ñộ truyền dẫn trên sợi quang Khi tiếp tục sử dụng phương thức truyền dẫn truyền thống này, cần phải xem xét 2 vấn ñề: trước và trong khi truyền tín hiệu trên sợi quang Trước khi chuyển thành tín hiệu quang

ñể truyền ñi, các linh kiện ñiện tử có khả năng xử lý với tốc ñộ bit tối ña là bao

nhiêu ? Thực tế hiện nay cho thấy, ở ña số các mạng truyền dẫn linh kiện ñiện tử

có khả năng ñáp ứng tốt ñối với các dòng tín hiệu ở tốc ñộ 2.5 Gbps hoặc 10 Gbps Như vậy chưa giải quyết trọn vẹn bài toán tăng băng thông Các mô phỏng

ở phòng thí nghiệm ñã cho thấy các linh kiện có thể hoạt ñộng ở tốc ñộ 40 Gbps hoặc 80 Gbps ðể TDM có thể ñạt ñược những tốc ñộ cao hơn, các phương pháp tách/ghép trong miền quang, ñược gọi là ghép kênh theo thời gian trong miền quang (OTDM) ñang ñược tích cực triển khai Các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy OTDM có thể ghép ñược các luồng tín hiệu 10 Gbps thành các luồng tín hiệu 250 Gbps Nhưng khi ñó, việc truyền dẫn trên sợi quang vấp phải một số vấn ñề quan trọng ảnh hưởng ñến chất lượng truyền dẫn như: tán sắc màu, tán sắc phân cực…

STM-64/OC-192 (10 Gbps) ñang trở thành một giải pháp cho các nhà cung cấp muốn có dung lượng cao hơn Tuy nhiên, có một số vấn ñề quan trọng

ñã hạn chế khả năng ứng dụng của giải pháp này Phần lớn các sợi quang ñang sử dụng là sợi quang ñơn mode (SMF) có ñộ tán sắc cao trong vùng bước sóng 1550mm, làm cho việc truyền dẫn STM-64/OC-192 rất khó khăn Thực chất, tán sắc ảnh hưởng ñến các thiết bị STM-64/OC-192 nhiều hơn 16 lần so với ảnh hưởng của nó ñến các thiết bị STM-16/OC-48 Vì vậy, truyền dẫn STM-64 ñòi hỏi hoặc là một loại sợi cáp có thể bù lại sự tán sắc, hoăc là lắp ñặt toàn bộ cáp mới dùng sợi cáp có tán sắc bằng không (NZDSF) ñiều này sẽ tốn kém hơn 50%

so với việc lắp ñặt sợi cáp SMF Công suất truyền lớn trong trường hợp tốc ñộ bit cao tạo nên các hiệu ứng quang phi tuyến làm giảm chất lượng tín hiệu Tóm lại, TDM cũng không thể là giải pháp truyền dẫn cho các mạng tương lai

Giải pháp ứng dụng kỹ thuật WDM: Giải pháp này tập trung ghép thêm nhiều bước sóng ñể có thể cùng truyền nhiều tín hiệu trên một sợi quang

mà không cần tăng tốc ñộ truyền dẫn trên một bước sóng Công nghệ WDM có thể mang ñến giải pháp hoàn thiện nhất trong ñiều kiện công nghệ hiện tại Thứ nhất, nó vẫn giữ tốc ñộ xử lý của các linh kiện ñiện tử ở mức 10 Gbps, ñảm bảo thích hợp với sợi quang hiện tại Thay vào ñó, công nghệ WDM tăng băng thông

bằng cách tận dụng cửa sổ hoạt ñộng của sợi quang trong vùng bước sóng 1260nm ñến 1675nm Vùng bước sóng này ñược chia thành nhiều kênh bước sóng hoạt ñộng như trên Bảng 1.1 [3]

Bảng 1.1: Phân chia các kênh bước sóng Băng sóng Phạm vi bước sóng Băng O 1260 nm ÷ 1360 nm Băng E 1360 nm ÷ 1460 nm Băng S 1460 nm ÷ 1530 nm Băng C 1530 nm ÷ 1565 nm Băng L 1565 nm ÷ 1625 nm Băng U 1625 nm ÷ 1675 nm

Ban ñầu, hệ thống WDM hoạt ñộng ở băng C (vì các bộ khuếch ñại EDFA hoạt ñộng trong dải bước sóng này) Về sau, EDFA có khả năng hoạt ñộng ở cả băng C và băng L nên hệ thống WDM hiện tại có thể hoạt ñộng ở cả băng C và băng L Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100Ghz (khoảng cách này ñảm bảo khả năng chống nhiễu xuyên kênh trong ñiều kiện công nghệ hiện tại), sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt ñộng trên mỗi băng Như vậy, nếu vẫn giữ nguyên tốc ñộ bit trên mỗi kênh truyền dẫn, việc sử dụng công nghệ WDM cũng ñủ làm tăng băng thông truyền dẫn trên một sợi quang lên 64 lần và khi công nghệ DWDM ñược triển khai, băng thông sẽ ñược tăng lên nhiều hơn nữa và có thể ñáp ứng cho các ứng dụng mới trong tương lai

Tóm lại, ñể ñạt ñược băng thông lớn hơn, có nhiều giải pháp Tuy nhiên, nếu sử dụng các thiết bị cũ, thì cần lắp ñặt nhiều sợi cáp quang hơn, việc này rất tốn kém Nếu sử dụng tốc ñộ truyền dẫn cao hơn với các thiết bị mới thì dung lượng của sợi cáp quang sẽ tăng, nhưng các thiết bị này rất ñắt tiền và các ñặc tính của các sợi quang cũng phải xét ñến, tốc ñộ bit càng cao thì khoảng cách giữa các bộ khuếch ñại càng ngắn, do ñó sẽ tốn kém chi phí vì số lượng bộ

khuếch ñại tăng Trong khi ñó, WDM sử dụng băng thông rất lớn của sợi quang bằng cách áp dụng các ưu ñiểm của kỹ thuật quang tiến bộ, cho phép sử dụng và ghép nhiều kênh bước sóng trên một sợi quang, chuyển mạch bước sóng trong miền quang, và ở ñầu thu sẽ tách kênh và nhận từng bước sóng riêng rẽ, vì vậy dung lượng vẫn bằng nhau nhưng tốc ñộ bit của tín hiệu tổng hợp trong WDM thấp hơn trong SDH, ñiều này ñã giải quyết vấn ñề ảnh hưởng tán sắc

1.2 CÔNG NGHỆ GHÉP BƯỚC SÓNG QUANG WDM/DWDM

1.2.1 Lịch sử phát triển của mạng WDM

WDM ñược nghiên cứu vào thập niên 60 thế kỷ trước, nhưng mãi ñến cuối những năm 80, hệ thống WDM ñầu tiên mới ñược triển khai sử dụng 2 bước sóng 1310nm và 1550nm (hoặc 850nm và 1310nm) gọi là WDM băng rộng (như thể hiện trên hình vẽ 1.1) [1]

Hình 1.1: Hệ thống WDM băng rộng Những năm ñầu thập niên 90, hệ thống WDM thế hệ thứ 2 ra ñời, ñược gọi là WDM băng hẹp, hệ thống này sử dụng từ 2 ñến 8 kênh, các kênh này có khoảng cách 400GHz ở vùng bước sóng 1550nm Từ giữa thập niên 90 với sự gia tăng nhanh chóng của lưu lượng mạng, công nghệ WDM cải tiến ñược triển khai trên thế giới, ñó là công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật ñộ cao (DWDM) ðây là công nghệ ghép kênh theo bước sóng mà khoảng cách các kênh tương ñối nhỏ, còn gọi là ghép kênh bước sóng dày ñặc Hiện nay hệ thống này có các kênh

Hệ thống

ñầu cuối

Hệ thống ñầu cuối

Hệ thống

ñầu cuối

Hệ thống ñầu cuối

1310nm÷850nm

1310nm÷850nm Thu

Phát MUX

MUX DEMUX

DEMUX

trong vùng bước sóng 1550nm, ở ñó khoảng cách giữa mỗi kênh là 1.6nm/0.8nm hay thấp hơn nữa (tương ứng với khoảng 200GHz/100GHz), ñồng thời sử dụng

8, 16 hay nhiều hơn số lượng các kênh trong mỗi sợi quang ðến cuối thập niên

90 các hệ thống DWDM ñã có thể ghép từ 64 ñến 160 kênh song song, khoảng cách các kênh khoảng 50GHz/25GHz (tương ñương với dải rộng kênh bước sóng 0,4nm/0,2nm) Ngày nay các bước sóng và khoảng cách kênh trong hệ thống DWDM ñã ñược ITU-T chuẩn hóa và sử dụng các kênh ñều nhau bằng K*0.8nm Hình vẽ 1.2 thể hiện sự phát triển của công nghệ WDM, có thể nhận thấy

sự gia tăng số bước sóng sẽ làm giảm khoảng cách kênh, ñiều này ñồng nghĩa với ảnh hưởng hiệu ứng xuyên kênh càng cao, nhưng mật ñộ kênh càng lớn thì cũng gia tăng dung lượng truyền tải của sợi quang Một ñặc tính cơ bản của sợi quang ñơn mode là băng thông rất lớn (hàng chục Terahertz) với suy hao thấp Tuy nhiên, vì ảnh hưởng của tán sắc và các hạn chế trong công nghệ thiết bị quang, việc truyền tải trên một kênh bị giới hạn chỉ trong một phần dung lượng sợi quang ðể tận dụng triệt ñể ưu ñiểm của sợi quang, sử dụng WDM ñã trở thành lựa chọn ñầy hứa hẹn

Với WDM, nhiều bước sóng khác nhau ñược sử dụng ñể tạo thành các kênh truyền tải quang riêng biệt Một sợi quang có thể truyền ñồng thời nhiều kênh, mỗi kênh theo một bước sóng riêng rẽ Số bước sóng mà mỗi sợi quang có thể truyền tải ñồng thời bị giới hạn bởi ñặc tính vật lý của sợi quang và công nghệ quang sử dụng ñể tích hợp các bước sóng này trên sợi quang hoặc tách chúng ra khỏi sợi quang Với công nghệ hiện nay, khoảng vài chục bước sóng có thể ñược hỗ trợ trong cửa sổ bước sóng 1550 nm có suy hao trên sợi quang thấp, nhưng trong tương lai, số lượng bước sóng sẽ tăng lên rất nhanh Vì thế các liên kết sợi quang sử dụng công nghệ WDM có khả năng ñạt ñược thông lượng tới hàng Terabit/s, ñủ sức ñáp ứng cho các nhu cầu băng thông rộng

Mạng quang WDM gồm các phần tử (thiết bị) quang liên kết với nhau bởi các sợi quang theo một kiến trúc ñược thiết kế ñể khai thác các ñặc ñiểm nổi bật của sợi quang với dung lượng lớn, hỗ trợ nhiều ứng dụng có lưu lượng dữ liệu

lớn và/hoặc các ứng dụng yêu cầu thời gian ñáp ứng nhanh như: Video theo yêu cầu (VoD), hội nghị qua truyền hình (Teleconferencing), Vì thế, mạng quang WDM ñang là ñề tài của nhiều nghiên cứu cả trên lý thuyết lẫn thực nghiệm

Hình 1.2: Quá trình phát triển của hệ thống WDM 1.2.2 Các kỹ thuật ghép kênh quang [2]

Ngày nay, dung lượng của hệ thống thông tin quang ñã có thể vượt 10 Tbps Thực tế, tốc ñộ bít chỉ ñạt tới 40 Gbps do giới hạn của hiệu ứng tán sắc, phi tuyến và tốc ñộ của các thành phần ñiện, vì vậy truyền tải nhiều kênh quang trên cùng một sợi là phương thức ñơn giản ñể mở rộng dung lượng của hệ thống lên hàng Tbps Việc ghép kênh có thể thực hiện trong miền thời gian (ghép kênh thời gian TDM) hoặc tần số (ghép kênh tần số FDM) Trên thực tế, các hệ thống thông tin quang WDM ñã ñược thương mại hóa vào năm 1996 WDM tương ứng với nhiều sóng mang quang ở những bước sóng khác nhau ñược ñiều chế bởi các luồng bít ñiện ñộc lập (có thể bản thân chúng sử dụng kỹ thuật TDM/FDM trong lĩnh vực ñiện) và truyền tải trên cùng một sợi quang Tín hiệu quang ở bộ thu ñược tách thành những kênh riêng biệt nhờ sử dụng kỹ thuật tách sóng quang WDM có tiềm năng to lớn ñể khai thác dải rộng băng của các sợi quang Ví dụ có thể có tới hàng trăm kênh 10 - 20 Gbps truyền tải trên một sợi quang khi khoảng cách kênh nhỏ hơn 1 nm, tương ñương với 100 GHz Hình vẽ 1.3 cho thấy cửa sổ truyền dẫn suy hao thấp của sợi quang ở bước sóng trung tâm 1,3 & 1,55 µm [2]

ðầu thập niên 90

Cuối thập niên

90

1996

Thập niên 80

Hệ thống WDM 64 kênh, khoảng cách kênh 25-50GHz

Hệ thống WDM 16 kênh, khoảng cách kênh 100-200GHz

Hệ thống WDM 2-8 kênh, khoảng cách kênh 200-400GHz

Hệ thống WDM băng rộng (1310nm và 1550nm)

hoặc (850nm và 1310nm)

Có ba kỹ thuật ghép kênh quang cơ bản ñó là ghép kênh bước sóng (WDM), ghép kênh quang thời gian (OTDM) và ghép kênh quang tần số (OFDM) [2]

Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian (OTDM): Hình vẽ 1.4 mô

tả nguyên lý hoạt ñộng của một hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật OTDM Trong OTDM, chuỗi xung quang hẹp phát ra từ nguồn phát thích hợp Các tín hiệu này ñược ñưa vào khuếch ñại ñể nâng mức tín hiệu ñủ lớn nhằm ñáp ứng yêu cầu truyền tải ñi xa Sau ñó chia thành N luồng, mỗi luồng ñưa vào ñiều chế nhờ các bộ ñiều chế ngoài với tín hiệu nhánh tốc ñộ B Gbps ðể thực hiện ghép các tín hiệu quang này với nhau, các tín hiệu nhánh phải ñưa qua các bộ trễ quang Tùy theo vị trí từng kênh theo thời gian trong khung mà các bộ trễ này sẽ thực hiện trễ dịch các khe thời gian quang một cách tương ứng Thời gian trễ là một nửa của tín hiệu ñồng hồ (Clock) Như vậy, tín hiệu sau khi ghép sẽ có tốc

ñộ là N×B Gbps Sau khi truyền tải trên ñường truyền, thiết bị tách kênh ở phía thu sẽ thực hiện tách kênh, khôi phục xung Clock và ñưa ra từng kênh quang riêng tương ứng với các kênh ở ñầu vào bộ ghép phía phát

Hình 1.4: Nguyên lý hoạt ñộng của kỹ thuật ghép kênh thời gian (OTDM) Các hệ thống OTDM thường hoạt ñộng ở vùng bước sóng 1550 nm, tại vùng bước sóng này, như ñã biết, có suy hao sợi quang nhỏ nhất, lại phù hợp với

bộ khuếch ñại quang sợi trong hệ thống Các bộ khuếch ñại quang sợi có chức năng duy trì quỹ công suất của hệ thống nhằm bảo ñảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (S/N) ở phía thu quang Nguyên lý hoạt ñộng này có thể ñáp ứng xây dựng các

hệ thống thông tin có tốc ñộ lên tới 200 Gbps Tuy nhiên, ở tốc ñộ này cần phải xem xét tới vấn ñề bù tán sắc cho hệ thống ðể tránh hiện tượng nhiễu giữa các kênh, các bộ phát cần có khả năng tạo ra các xung cực ngắn ñồng bộ với kênh (khe thời gian) mong muốn và các bộ thu phải có khả năng ñồng bộ hoàn toàn với kênh mong muốn

Kỹ thuật ghép kênh quang theo tần số (OFDM): Như ñã biết, ghép kênh là một biện pháp nhằm tập hợp một số kênh thông tin lại thành một kênh chung mang lượng thông tin lớn hơn Năng lực của các hệ thống thông tin quang

sẽ tăng lên rất nhiều nhờ kỹ thuật ghép kênh quang theo tần số (OFDM) ðể mở rộng năng lực của các tuyến truyền tải quang cũng như ñể thực hiện cấu trúc hệ thống linh hoạt và xây dựng mạng toàn quang thì kỹ thuật này rất phù hợp Các

hệ thống thông tin quang hiện nay chỉ sử dụng một phần rất nhỏ khả năng của các sợi quang ñơn mode Kỹ thuật OFDM có khả năng sử dụng hết năng lực của

sợi quang ñơn mode Do sợi quang có suy hao nhỏ trong dải bước sóng từ 1200

nm ñến 1600 nm, như thể hiện trên hình vẽ 1.5, nên có thể sử dụng một dải tần số rộng khoảng 50 THz Tuy nhiên, dải tần này cũng ñã là rất lớn so với ñộ rộng băng tổng cộng của tất cả các dải tần ñã ñược sử dụng cho viễn thông hiện nay

Laser ñầu phát cần sử dụng loại Laser bán dẫn ñơn mode, các tần số quang ñược sắp xếp sát nhau và giữ ổn ñịnh nhờ mạch hiệu chỉnh tần số Các Laser ñạt ñược ñộ rộng phổ rất hẹp từ 500 kHz tới 60 MHz và công suất ra lớn với lượng công suất ñưa vào sợi quang ñơn mode lớn hơn 1 mW Máy thu có nhiệm vụ chọn lọc các kênh khác nhau và chuyển ñổi tín hiệu quang thành tín hiệu ñiện băng gốc Phương pháp thu phù hợp nhất chính là kỹ thuật thu ñổi tần như ñã phổ biến trong kỹ thuật vô tuyến ñiện Máy thu ñổi tần có ñặc trưng là ñộ

nhạy và ñộ chọn lọc cao nhờ các bộ lọc ñiện trung tần có ñộ chọn lọc cao, ở ñây không cần phải sử dụng các bộ lọc quang Số kênh ñược máy thu chọn lọc phụ thuộc vào khoảng cách tần số của các kênh và dải hiệu chỉnh liên tục của Laser dao ñộng nội Dải liên tục của Laser có thể ñiều chỉnh ñược về ñiện hiện nay ñạt khoảng 8 nm Như vậy, ở bước sóng quang 1550 nm tương ứng với dải tần số khoảng 1 THz và với khoảng cách tần số 10 GHz thì có số kênh tối ña là 100 kênh Khả năng tăng cao số kênh có thể ñạt ñược nhờ tăng khoảng ñiều chỉnh của Laser Nếu sử dụng bộ cộng hưởng ngoài ñiều hưởng bằng cơ học sẽ có thể ñạt giới hạn trên của dải ñiều chỉnh Laser ñến 100 nm Khả năng tăng số kênh theo cách khác ñó là giảm khoảng cách các kênh Khoảng cách nhỏ nhất cần thiết phụ thuộc vào tốc ñộ dữ liệu, vào ñộ rộng băng ñiều biến, vào ñộ rộng vạch phổ của Laser phát, Laser dao ñộng nội và vào trị số trung tần yêu cầu Nếu ñộ rộng vạch phổ rất nhỏ thì khoảng cách kênh tối thiểu là 5 lần tốc ñộ dữ liệu mỗi kênh

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM): Trong các tuyến thông tin quang ñiểm nối ñiểm thông thường, mỗi sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và bộ tách sóng quang ở phía thu Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang xác ñịnh riêng, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Như vậy, muốn tăng dung lượng của hệ thống thì sẽ phải sử dụng thêm sợi quang Nhưng kỹ thuật ghép bước sóng quang sẽ cho phép tăng dung lượng mà không cần tăng tốc ñộ bít ñường truyền và cũng không dùng thêm sợi dẫn quang

Kỹ thuật này ñã thực hiện truyền các luồng ánh sáng có các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi Bởi lẽ, các nguồn phát có ñộ rộng phổ khá hẹp, cho nên các hệ thống thông tin quang thông thường chỉ sử dụng một phần nhỏ băng truyền dẫn của sợi quang Lý tưởng thì có thể truyền tải một lượng khổng lồ các kênh trên một sợi quang từ nhiều nguồn phát quang khác nhau, hoạt ñộng ở các bước sóng khác nhau một cách hợp lý Ở ñầu thu có thể thực hiện thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng khác nhau này

Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép bước sóng quang như thể hiện trên hình vẽ 1.6 Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau

λ1, λ2, λ3, λj, , λn Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau sẽ cùng ghép vào sợi quang ở phía phát nhờ bộ ghép kênh và tín hiệu ghép này sẽ truyền theo chiều dọc sợi quang ñể tới phía thu Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía ñầu thu sẽ nhận lại luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi qua

bộ tách bước sóng

Hình 1.6: Nguyên lý hoạt ñộng của kỹ thuật ghép kênh bước sóng (WDM) Nhìn chung các tín hiệu quang không phát một lượng công suất ñáng kể nào ở ngoài dải rộng phổ kênh ñã xác ñịnh trước của chúng, cho nên vấn ñề xuyên kênh không ñáng lưu ý ở ñầu phát Vấn ñề cần quan tâm ở ñây là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp ñể sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới ñầu ra bộ ghép ít

bị suy hao ðối với bộ tách ghép kênh, vì các bộ tách sóng quang thường rất nhạy cảm trên một vùng rộng các bước sóng, cho nên có thể thu ñược toàn bộ các bước sóng phát ñi Như vậy, ñể ngăn chặn tín hiệu không mong muốn một cách

có hiệu quả, phải có biện pháp cách ly tốt các kênh quang ðể thực hiện ñiều này, cần phải thiết kế các bộ tách kênh thật chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn ñịnh có bước sóng cắt chuẩn xác Thông thường có ba loại thiết bị ghép bước sóng quang ñó là: các bộ ghép (MUX), các bộ tách ghép (DEMUX), các bộ ghép và tách hỗn hợp (MUX-DEMUX) Các bộ MUX, DEMUX thường sử dụng cho các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn bộ MUX-DEMUX sử dụng cho phương án truyền dẫn trên cả hai hướng

Kỹ thuật ghép kênh theo mã: Ngoài ba kỹ thuật ghép kênh quang cơ bản trên, một kỹ thuật mới gần ñây ñược sử dụng ñó là kỹ thuật ghép kênh theo

mã (OCDM), tuy nhiên ñến nay vẫn ñang trong quá trình nghiên cứu hoàn thiện

Ι (λ

DEMUX MUX

Trong kỹ thuật này, mỗi kênh ñược gán một chuỗi mã riêng biệt (chuỗi xung rất ngắn), chuỗi mã này ñược dùng ñể mã hóa chuỗi dữ liệu tốc ñộ thấp Các kênh ñược kết hợp lại và phát ñi trên một sợi quang mà không gây nhiễu lẫn nhau vì chuỗi mã của mỗi kênh ñược chọn sao cho tương quan chéo giữa các chuỗi mã của các kênh nhỏ và phổ của chuỗi mã lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu, vì thế dung lượng mạng có thể ñạt ñến mức giới hạn của các thiết bị ñiện

tử Cũng giống như OTDM, OCDM ñòi hỏi công nghệ xung ngắn và ñồng bộ với một khoảng thời gian rất nhỏ ñể bảo ñảm tách sóng tín hiệu

1.2.3 Hệ thống truyền tải WDM

Ghép kênh bước sóng sử dụng ñể truyền số liệu ñồng thời ở nhiều bước sóng mang thông qua một sợi quang riêng biệt Sự phân chia dải rộng băng các bước sóng có khả năng sử dụng trong một số kênh bước sóng không chỉ ñòi hỏi thiết bị phải tinh vi mà còn tăng khả năng xảy ra giao thoa giữa các kênh Hệ thống truyền dẫn quang WDM ñiểm - ñiểm như thể hiện trên Hình vẽ 1.7 bao gồm bộ ghép kênh xen rẽ bước sóng (WADM) và bộ khuếch ñại bước sóng (WAMP)

Hình 1.7: Hệ thống WDM ñiểm - ñiểm ghép bốn bước sóng

Mạng quang WADM sử dụng các hệ thống truyền dẫn WDM ñiểm - ñiểm

và yêu cầu bộ kết nối chéo lựa chọn bước sóng (WSXC) có khả năng chuyển tín hiệu ñầu vào tới sợi khác xảy ra ở tần số khác, ví dụ mạng WDM vòng kép bốn bước sóng như thể hiện trên Hình vẽ 1.8 Trong mạng quang, WADM, WSXC, WAMP ñược biết ñến như là các bộ ghép kênh xen rẽ quang (OADM), bộ kết nối chéo quang (OXC) và bộ khuếch ñại quang (OAMP) Các thuật ngữ WADM, WSXC, WAMP sử dụng ñể nhấn mạnh các phần tử trong mạng quang WDM

Hình 1.8: Hệ thống WDM vòng kín ghép bốn bước sóng

Có hai phương pháp cơ bản ñể thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật WDM ñó là truyền dẫn ghép bước sóng quang một hướng và truyền dẫn ghép bước sóng quang hai hướng

1.2.3.1 Hệ thống truyền tải WDM ñơn hướng

Hình vẽ 1.9 thể hiện sơ ñồ thiết lập hệ thống truyền dẫn WDM ñơn hướng,

ñó là sự kết hợp của các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi tại một ñầu và thực hiện tách chúng ñể chuyển tới các bộ tách sóng quang ở ñầu kia ðể thực hiện hệ thống WDM ñơn hướng, cần phải có bộ ghép kênh (MUX) ở ñầu phát ñể kết hợp tín hiệu quang từ các nguồn phát quang khác nhau ñưa vào sợi quang Tại ñầu thu, cần phải có bộ tách kênh (DEMUX) ñể thực hiện tách riêng các kênh quang tương ứng

Hình 1.9: Hệ thống truyền tải WDM ñơn hướng

1.2.3.2 Hệ thống truyền tải WDM song hướng

Hình vẽ 1.10 thể hiện sơ ñồ thiết lập hệ thống truyền tải WDM theo hai hướng, phương pháp này không quy ñịnh phát ở một ñầu và thu ở một ñầu, nghĩa

là có thể phát thông tin theo một hướng tại bước sóng λ1 và ñồng thời cũng thu thông tin khác theo hướng ngược lại tại bước sóng λ2

Hình 1.10: Hệ thống truyền tải WDM song hướng 1.2.3.3 Thiết bị tách/ghép WDM

Thiết bị tách/ghép bước sóng quang có ba loại là MUX, DEMUX và DEMUX Bộ MUX và DEMUX thường sử dụng cho hệ thống truyền dẫn ñơn hướng Bộ MUX-DEMUX sử dụng cho phương pháp truyền dẫn song hướng Hình vẽ 1.11 thể hiện sơ ñồ mô tả thiết bị ghép và tách kênh hỗn hợp Việc

MUX-mô tả phân tích chính xác thiết bị tách/ghép kênh phải dựa trên ma trận chuyển ñổi ñối với các phần tử của ma trận Aij(x) Các phần tử này là các hệ số phụ thuộc vào bước sóng, nó biểu thị tín hiệu quang ñi vào cửa thứ i và ra cửa thứ j

Hình 1.11: Thiết bị tách/ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX)

WDM MUX/DEMUX là thiết bị kết hợp hoặc phân chia các bước sóng khác nhau, WDM MUX kết hợp nhiều kênh bước sóng vào một sợi quang, WDM DEMUX thì lại phân chia thành các kênh bước sóng khác nhau WDM MUX/DEMUX là những thành phần chủ yếu của mạng quang sợi Có ba kiểu

WDM MUX và DEMUX cơ bản theo giới hạn khoảng cách bước sóng ñó là [2]:

- WDM băng rộng (BWDM) kết hợp và phân chia các kênh 1310 nm,

Chức năng của WDM MUX/DEMUX như thể hiện trên hình vẽ 1.12

Hình 1.12: Chức năng của WDM MUX và DEMUX Các tham số ñặc trưng của WDM MUX/DEMUX:

Số lượng kênh bước sóng có thể của WDM MUX/DEMUX là 4, 8, 16,

32, 40, 48 và hiện nay ñang trong xu thế phát triển tăng số lượng kênh bước sóng ñối với các hệ thống mạng thông tin quang sợi

Bước sóng trung tâm của kênh ñược ITU phác thảo như trong bảng 1.2

Khoảng cách tối thiểu giữa các kênh WDM MUX/DEMUX có thể xử

lý, khoảng cách kênh chuẩn là 0,4/ 0,8/ 1,6 nm (50 GHz/ 100 GHz/ 200 GHz)

Dải rộng băng (ñộ rộng kênh hay ñộ rộng băng thông) của kênh bước sóng ñặc trưng ở mức suy hao xen 1 dB (hoặc 3 dB, 20 dB) khoảng từ 0,7 nm (với thiết bị 4 kênh) tới 0,3 nm (với thiết bị 32 kênh) Dải rộng băng phụ thuộc vào số lượng kênh bước sóng, hình dạng ñường bao kênh bước sóng

Suy hao xen lớn nhất của WDM MUX/DEMUX có giá trị từ 1,5 dB (với thiết bị 4 kênh) tới 6 dB (với thiết bị 32 kênh)

ðộ cách ly có giá trị tùy thuộc vào chức năng của thiết bị, với DEMUX

ñộ cách ly lớn hơn 30 dB, với MUX ñộ cách ly thấp hơn 18 dB

Bảng 1.2: Tần số và bước sóng theo ITU Tần số (GHz) Bước sóng (nm) Tần số (GHz) Bước sóng (nm) Tần số (GHz)

1.2.3.4 Các tham số cơ bản của bộ tách/ghép WDM

Các tham số cơ bản ñể mô tả ñặc tính của các bộ ghép - tách kênh hỗn hợp

là suy hao xen, xuyên kênh và ñộ rộng kênh ðể ñơn giản, hãy phân biệt thiết bị ñơn hướng (gồm các bộ ghép kênh và tách kênh riêng biệt như thể hiện trên Hình

vẽ 1.9) và thiết bị song hướng (bộ ghép và tách hỗn hợp như thể hiện trên Hình

vẽ 1.10) Các ký hiệu I(λi), O(λk) tương ứng là các tín hiệu ñã ñược ghép ñang có mặt ở ñường chung Ký hiệu Ik(λk) là tín hiệu ñầu vào ñược ghép vào cửa thứ k, tín hiệu này ñược phát từ nguồn thứ k Ký hiệu Oi(λi) là tín hiệu có bước sóng λi

ñã ñược ghép và ñi ra cửa thứ i Sau ñây sẽ xét các tham số: suy hao xen, xuyên kênh, ñộ rộng kênh

Suy hao xen: ñược xác ñịnh là lượng công suất tổn hao sinh ra trong tuyến truyền tải quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép WDM Suy hao này bao gồm suy hao do các ñiểm ghép nối thiết bị WDM với sợi và suy hao bởi bản thân các thiết bị ghép gây ra Vì vậy, trên thực tế thiết kế tuyến phải tính cho vài dB ở mỗi ñầu Suy hao xen ñược diễn giải tương tự như suy hao ñối với các bộ ghép nối chung, nhưng cần lưu ý ở WDM là xét cho một bước sóng ñặc trưng (với Li là suy hao tại bước sóng λi khi thiết bị ñược ghép xen vào tuyến truyền dẫn) [2]:

(((( ))))

i

i i

I

O log 10 L

I

O log 10 L

k

k i k

i

I

U log 10 D

do các kênh khác ñược ghép ñi vào ñường truyền gây ra, ví dụ như I(λk) sinh ra

Ui(λk) “Xuyên kênh ñầu gần” là do các kênh khác ở ñầu vào sinh ra, nó ñược ghép ở bên trong thiết bị ví dụ như Ui(λj)

Hình 1.13: Xuyên kênh ở bộ tách/ghép kênh và ở bộ tách/ghép kênh hỗn hợp

ðộ rộng kênh: là dải bước sóng mà nó ñịnh ra cho từng nguồn phát quang riêng biệt Nếu như nguồn phát quang là các Laser ñi ốt thì các ñộ rộng

kênh yêu cầu vào khoảng vài chục nano mét ñể bảo ñảm không bị nhiễu giữa các kênh do sự bất ổn ñịnh của các nguồn phát gây ra (ví dụ như khi nhiệt ñộ thay ñổi sẽ làm trôi bước sóng ñỉnh) ðối với nguồn phát quang là ñi ốt phát quang LED, yêu cầu ñộ rộng kênh phải lớn hơn 10 ñến 20 lần bởi vì ñộ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng hơn

1.2.3.5 Các thiết bị ghép bước sóng quang WDM

Thiết bị ghép bước sóng quang rất ña dạng, theo sơ ñồ phân loại như thể hiện trên hình vẽ 1.14, trong ñó chú trọng nhiều nhất tới các thiết bị hoạt ñộng theo phương pháp thụ ñộng ðể xem xét các thiết bị WDM, do nguyên lý của các thiết bị WDM có tính thuận nghịch về cấu trúc, nên hoạt ñộng của các bộ ghép kênh cũng ñược giải thích bằng cách ñơn thuần là thay ñổi hướng tín hiệu ñầu vào và ñầu ra Các bộ tách (hoặc các bộ ghép) ñược phân chia thành hai loại chính theo công nghệ chế tạo: (1) thiết bị WDM vi quang; (2) thiết bị WDM ghép sợi Ở loại thiết bị WDM vi quang, việc tách kênh dựa trên cơ sở lắp ráp các thành phần vi quang Các thiết bị này ñược thiết kế chủ yếu sử dụng cho các tuyến thông tin quang dùng sợi ña mode, còn ñối với sợi quang ñơn mode thì chúng ít ñược sử dụng Loại thiết bị WDM ghép sợi dựa vào việc ghép giữa các trường lan truyền trong lõi sợi liền kề nhau Kỹ thuật này phù hợp với các tuyến

sử dụng sợi ñơn mode

Hình 1.14: Phân loại các thiết bị ghép bước sóng quang

Các thiết bị WDM vi quang: Các thiết bị WDM vi quang chế tạo dựa trên hai phương pháp công nghệ khác nhau ñó là: các thiết bị có bộ lọc và các thiết bị phân tán góc Sơ ñồ hoạt ñộng của hai loại này như thể hiện trên hình vẽ 1.15 Thiết bị lọc chỉ hoạt ñộng mở cho một bước sóng (hoặc một nhóm các bước sóng) tại một thời ñiểm, nhằm tách ra một bước sóng trong nhiều bước sóng ðể ñạt ñược thiết bị hoàn chỉnh, thường phải tạo ra cấu trúc lọc nhiều tầng ðối với cấu trúc phân tán góc lại ñồng thời ñưa ra tất cả các bước sóng

Hình 1.15: Nguyên lý hoạt ñộng của thiết bị WDM vi quang

(a) Bộ lọc giao thoa; (b) Các phần tử tán góc

Phần tử cơ bản ñể ñạt ñược thiết bị WDM có lọc là bộ lọc ñiện môi giao thoa, nó có cấu trúc ña lớp gồm các màng mỏng có chỉ số chiết suất cao và thấp ñặt xen kẽ nhau Hầu hết các bộ lọc giao thoa làm việc dựa trên nguyên lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot, gồm hai gương phản xạ thành phần ñặt song song cách nhau bởi một lớp ñiện môi trong suốt Khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa sẽ tạo ra những phản xạ nhiều lần trong hốc Nếu ñộ dày của khoảng cách là một số nguyên lần của nửa bước sóng chùm sáng tới, thì giao thoa sẽ xảy ra và bước sóng ñược truyền dẫn thông suốt Các bộ lọc màng mỏng thường có ñộ dày bằng một phần tư bước sóng truyền dẫn lớn nhất Chúng ñược cấu tạo từ các màng mỏng có chỉ số chiết suất thấp nhất (như MgF2

có n = 1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46) và các màng có chỉ số chiết suất cao (TiO2 có

n = 2,2) ñặt xen kẽ nhau Theo ñặc tính phổ thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành hai họ: (1) các bộ lọc cắt chuẩn ñược ñặc trưng bởi tần số cắt λc và có ñáp ứng phổ thông thấp hoặc thông cao; (2) các bộ lọc băng thông ñược ñặc trưng bởi

bước sóng trung tâm băng λ0 và ñộ rộng băng ∆λ (Hình vẽ 1.16)

∆ λλλλ − < < +

λλλλ

∆∆

∆

Hình 1.16: ðặc tính phổ của các bộ lọc giao thoa cắt (a), (b) và băng thông (c)

Bộ cắt chuẩn ñược sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hai kênh ñể ghép hoặc tách hai bước sóng hoàn toàn phân cách, chẳng hạn bước sóng thuộc dải

850 nm và 1300 nm, hoặc 1300 nm và 1550 nm Các thiết bị này ñược sử dụng khá hiệu quả cho cả các nguồn có phổ rộng như (LED) chẳng hạn Các thiết bị lọc băng sử dụng tốt cho các thiết bị WDM, nó rất phù hợp với các nguồn phát có phổ hẹp như Laser Hơn thế nữa, nó cho phép sử dụng khi có sự dịch bước sóng của nguồn phát do ảnh hưởng của nhiệt ñộ, vì vậy mà ñường cong phổ truyền dẫn của bộ lọc băng thông (Hình vẽ 1.16c) phải có dạng vuông, có vùng xung quanh bước sóng trung tâm phẳng Cạnh của ñường cong phổ truyền dẫn phải càng sắc nét càng tốt ñể ngăn ngừa xuyên kênh từ các kênh lân cận

Một kỹ thuật vi quang khác ñể tách các bước sóng khác nhau tương ñối tin cậy là phương pháp sử dụng các phần tử phân tán góc (như ñã thể hiện trên hình vẽ 1.15b) Chùm tín hiệu quang ñầu vào chuẩn trực sẽ ñập vào thiết bị phân tán, thiết bị phân tán sẽ tách ra các kênh khác nhau tùy theo bước sóng của chúng thành các chùm hướng theo các góc khác nhau Các chùm ñầu ra ñã ñược tách sẽ hội tụ nhờ một hoặc một số các lăng kính và ñược ñưa vào các sợi dẫn quang riêng rẽ Các phần tử phân tán góc ñược sử dụng trong thiết bị WDM hầu hết là cách tử nhiễu xạ Các thiết bị WDM sử dụng các cách tử này có thể ñược thiết kế theo hai kiểu cấu trúc cơ bản là: (1) cách tử tuyến tính kết hợp với phần tử hội tụ; (2) cách tử hội tụ