kỹ thuật ghép kênh WDM và ứng dụng trong mạng quang định tuyến theo bước sóng

MỞ ĐẦUVới công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDMWavelength DivisionMultiplexing ta có thể có được dung lượng lớn hơn bằng cách ghép các bướcsóng với nhau trên cùng một sợi cáp, như vậy d

Lời cảm ơn

Được sự phân công của nhà trường cùng sự đồng ý của giảng viên hướngdẫn TS Phạm Việt Hưng tôi làm bài viết này với đề tài “ kỹ thuật ghép kênhWDM và ứng dụng trong mạng quang định tuyến theo bước sóng”

Để hoàn thành bài viết tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã tận tìnhhướng dẫn trong quá trình học tập và nghiên cưu tại trường đại học Hàng HảiViệt Nam

Xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn là giảng viên Phạm Việt Hưng đãtận tình hướng dẫn tôi trong bài viết này

Mặc dù đã cố gắng hết sức hoàn thành bài viết một cách tốt nhất nhưng

vì lần đầu làm quen với việc nghiên cứu khoa học cũng như vì kiến thức có hạnkhông thể tránh khỏi những sai sót nhất định mà bản thân chưa thể tự nhận rađược, rất mong được sự góp ý của các thầy cô cùng các bạn để bài viết đượchoàn chỉnh hơn

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là bài viết của tôi được sự hướng dẫn của giảng viênhướng dẫn TS Phạm Việt Hưng Các nội dung nghiên cứu được tôi trình bàybao gồm nhiều nguồn được tôi tổng hợp và trích dẫn các bảng biểu và nội dungtrích dẫn được ghi rõ trong bài ngoài ra còn một số nhận xét đánh giá của các tácgiả khác đều được ghi rõ nguồn gốc trong bài

Nếu phát hiện có sự gian lần nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nộidung luận văn của mình Trường đại học Hàng Hải không liên quan gì tới nhữnghành vi vi phạm tác quyền của mình trong quá trình làm bài (nếu có).

MỤC LỤC

1.3 Biểu điễn vị trí các cửa sổ trên phổ ánh sáng 4

2.3 OXC 3x3với 2 bước sóng trên 1 sợi quang 25

3.1 Phân loại các phương thức bảo vệ đảm bảo duy trì mạng 38

3.3 OMS-SPRing 4 sợi trong tình trạng hoạt động a) và bị sự cố 403.4 Bảo vệ tuyến trong mạng hình lưới a) 1:1 và b) 1:3 413.5 Các cấu hình mạng khác nhau khi xảy ra sự cố đối với w1 và w2 423.6 Bảo vệ theo tuyến trong mạng hình luới 43

MỞ ĐẦU

Với công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM(Wavelength DivisionMultiplexing) ta có thể có được dung lượng lớn hơn bằng cách ghép các bướcsóng với nhau trên cùng một sợi cáp, như vậy dung lượng sẽ tăng nên dựa trên

số bước sóng ghép trên liên kết đó

Tuy nhiên như thế vẫn là chưa đủ, việc tổn thất lưu lượng do sự cố xảy ratrong các thành phần của mạng có mức độ nghiêm trọng không giống nhau tùythuộc vào quy mô của mạng WDM Để giải quyết vấn đề người ta nghiên cứunhiều giải pháp khác nhau trong dó có phương thước khôi phục và phương thứcbảo vệ

- Phương thức bảo vệ:giúp cho mạng hồi phục nhanh nhờ chuyển lưu lượngtrên luồng quang đang bị gián đoạn sang các luồng quang được chuẩn bị từtrước khi sự cố xảy ra các luồng này được gọi là luồng quang dự phòng,với phương pháp này việc khôi phục sự cổ đảm bảo 100% với điều kiệnkhông xảy ra sự cố đồng thời trên cả 2 luồng

- Phương pháp khôi phục: khác với phương pháp bảo vệ ở chỗ việc xác địnhđường đi và bước sóng của tuyến dự phòng được thực hiện sau khi sự cốxảy ra như thế có thể giản được việc thiếu bước sóng cho tuyến dự phòngtuy nhiện lại tiêu tốn nhiều thời gian hơn vì mất thêm khoảng thời gian xácđịnh tuyến dự phòng

Việc thiết kế cấu trúc mạng logic (bảo vệ / khôi phục) đều tập chung vàoviệc vừa giảm thiểu tài nguyên của tuyến dự phòng mà lại giảm được xác xuất

mà yêu cầu thiết lập tuyến quang bị từ chối (từ chối do thiếu tài nguyên mạng),như vậy nhiều nghiên cứu đã được triển khai từ đó đưa ra khái niệm của khảnăng phục hồi lỗi là chất lượng dịch vụ QoS

Hiện nay số lượng sử dụng của mạng ngày một tăng cao thì việc xây dựngmột hệ thống sử dụng bước sóng thật hiệu quả đảm bảo thời gian khôi phục sau

sự cố Với chất lượng tin cậy QoR là đơn vị định lượng QoS mới để dựa theo đóxây dựng các tuyến quang có đọ tin cậy cao ,theo đó việc xây dựng mạng có độtin cậy cao quan trọng hơn rất nhiều so với việc quản lý hiệu quả tài nguyênmạng

Bài viết gồm 3 chương như sau:

- Chương I: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng

Trong đó gồm nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM và các vấn đềtrong công nghệ này

- Chương II: Mạng quang định tuyến theo bước sóng

Trong đó trình bày sơ lược về mạng quang định tuyến theo bước sóng đồngthời đề cập tới các phần tử cấu thành cũng như vấn đề định tuyến và gánbước sóng trong mạng (WDM)

- Chương III: Các phương thức bảo vệ trong mạng WDM

Giới thiệu về các cơ chế bảo vệ của mạng toàn quang cũng như nâng cao độ an toàn của mạng

Chương I : NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG

Điểm nổi bật của hệ thống WDM là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyêntrong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode làm tăng dung lượng truyềndẫn của hệ thống đồng thời giảm giá thành xuống mức thấp nhất Ở đây việcghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào chính vì thế WDM khắc phụcđược hoàn toàn các nhược điểm của hệ thống điện khi mà tốc độ truyền dẫn caocũng như cự ly xa

Trong suốt quá trình hoạt động phát triển công nghệ WDM ghép kênh theobước sóng mật độ thấp được thay thế bằng khái niệm DWDM ghép kênh theomật độ cao Công nghệ càng phát triển thì khoảng cách giữa các kênh ngày mộtthu hẹp, hiện nay DWDM cho phép 80 kênh riêng biệt với khoảng cách giữa cáckênh chỉ có 0.5 nm Hệ thống thiết bị này đã được thương mại hóa

Khi nói đến WDM không thể không nói tới DWDM vì những sản phẩmcông nghệ loại này hiện diện khắp nơi Do đó để thuận tiện chúng ta dùng thuậtngữ WDM để nói chung cho 2 khái niệm này trong trường hợp cần phân biệtgiữa 2 khái niệm chúng ta sẽ có chú thích kèm theo

kênh khác nhau cùng hoạt động nói cách khác WDM là một hệ thống TDM hoạtđộng song song dùng chung 1 thiết bị và sợi quang.

Mỗi hệ thống là những thiết bị tương tác qua lại mỗi đầu sẽ thực hiện cảviệc phát tín hiệu đi và thu nhận tín hiệu về trong WDM tính tương tác sẽ đượcthực hiện trên môi trường sợi quang Từ đo người ta phân WDM thành hai loại:

- Hệ thống ghép bước sóng một hướng: với kiểu này mỗi hướng truyền dẫn

sẽ sử dụng một sợi quang riêng biệt nghĩa là mỗi hệ thống sẽ chỉ phát tín hiệu đitrên một sợi cáp và nhận tín hiệu về trên một sợi cáp khác Nhu vậy tuyến truyền

sẽ cần tới 2 sợi cáp riêng biệt

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống một hướng

- Hệ thống ghép bước sóng hai hướng: khác với hệ thống một hướng ở kiểunày tín hiệu phát đi và nhận về được truyền qua cùng một sợi cáp

Hình 1.2.Sơ đồ khối hệ thống hai hướng

c Công nghệ WDM và ưu nhược điểm

WDM cho thấy những ưu điểm vượt trội của mình so với hệ thống truyềndẫn đơn kênh quang

Ưu:

- Với chỉ một đường truyền dẫn ta có được rất nhiều kênh quang mỗi kênh

sẽ có một tốc độ bit nào đó (TDM) Do đó WDM có dung lượng truyền đẫn lớnhơn nhiều

“Hiện nay hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệuTDM 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã được thử nghiệmthành công Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tớiSTM-256 (40Gbit/s).”

- Khắc phục được nhiều bất lợi trong việc truyền dẫn tốc độ cao về cáctham số như tán sắc… vì TDM là hệ thống truyền dẫn đơn kênh nên để tăng tốc

độ ta buộc phải tăng tốc độ số liệu nên rất nhiều trong khi đó với WDM tốc độtrong mỗi kênh tăng nên không nhiều vì có nhiều kênh khác nhau

- WDM là hệ thông rất linh hoạt, người ta có thể thay đổi dung lượng hệthông ngay cả khi đang hoạt động Kỹ thuật này cho phép tăng thêm lượng lớndung lượng của mạng mà không cần lắp đặt thêm đường truyền dẫn mới Việcnâng cấp lại vô cung đơn giản

- Việc sử dụng công nghệ WDM khiến cho khả năng quản lý băng tần vôcùng hiệu quả khả năng thiết lập lại cấu hính một cách vô cùng nhanh chóng

- Cũng nhờ sự mềm dẻo nên công nghệ này giúp giảm được rất nhiều chiphí đầu tư mới

Những ưu điểm là vô cùng rõ ràng tuy nhiên ghép kênh theo bước sóngcũng có 1 số mặt hạn chế Những hạn chế này cũng chính là vấn đề nhức nhốicần phải giải quyết trong tương lai

- So với băng tần của sợi quang thì dung lượng hệ thống còn quá nhỏ Hiệnnay việc nâng cao dung lượng của hệ thống đã khá hiệu quả tuy nhiên vẫn chưaphải là giải pháp tối ưu để có thể tận dụng được hết băng tần của sợi quang

1.2 Sự phát triển của truyền dẫn quang

Từ thế kỷ XIX người ta bắt đầu sử dụng truyền dẫn bằng sợi quang.Truyền dẫn quang đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng cao của con người với

cá ưu điểm nổi bật như dung lượng truyền tải lớn tốc độ cao chất lượng tín hiệutốt nhờ tránh được một số vấn đề lỗi đường truyền như nhiễu điện từ Đến nàymạng toàn quang ngày càng được phát triển một cách rộng rãi

Trong mạng quang dẫn người ta sử dụng những bước sóng trong một phổnhất định , theo đó với bước sóng trong phổ này người ta tính toán được suy hao

là nhỏ nhất Những vùng nằm giửa các khu vực có độ hấp thụ ánh sáng cao đượcgọi là “cửa sổ”

Đầu tiên người ta sử dụng các bước sóng xấp xỉ 0.850 μm được gọi là cửa

sổ thứ nhất sau đó với sự tiến bộ cũng như nhiều nghiên cứu người ta nhận rarằng khu vực bước sóng 1.310 μm có hệ số suy hao thấp hơn đó là cửa sổ thứ 2(băng S) rồi đến cửa sổ thứ 3 với bước sóng 1.550 μm (băng C) Cho đến naymột cửa sổ mới vẫn đang được nghiên cứu để sử dụng đó là cửa sổ thứ tư vớibước sóng vào khoảng 1.625 μm

Hình 1.3 Biểu điễn vị trí các cửa sổ trên phổ ánh sáng

Công nghệ ghép kênh theo bước sóng được sử dụng lần đầu vào nhữngnăm 80 khi đó người ta sử dụng hai bước sóng cách nhau khá xa là 1.310 μm và1.550 μm (hoặc 0.850 μm hoặc 1.310 μm ) và được gọi là WDM băng rộng Đến những năm 90 công nghệ ghép kênh theo bước sóng thế hệ thứ 2 bắt đầuxuất hiện còn gọi là WDM băng hẹp sử dụng từ 2 đến 8 kênh Các kênh nàyđược lấy trên cửa sổ thứ ba với bước sóng 1.55 μm và mỗi kênh cách nhau400GHz Sau đó các hệ thông ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM)được phát triển với từ 16 đến 40 kênh với các kệnh trên cùng cửa sổ và cáchnhau khoản 100 đến 200 GHz Sau đó công nghệ tiếp tục được phát triển đến

cuối những năm 90 công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao đã đạt 64đến 160 kênh với khoảng cách cách kênh ngày càng thu hẹp , thậm chí chỉ có 25GHz

1.2.1 Lớp quang

Trong hệ thống phân cấp mạng theo lớp, lớp quang có chức năng cung cấpdịch vụ cho các lớp mạng cao hơn như SONET/SDH, IP, ATM Có thể coi cáclớp này là các lớp khách hàng (client) còn lớp quang là lớp phục vụ (server)

“Lớp quang được chia nhỏ thành các lớp con Một định nghĩa về lớp con đãđược đề xuất tại khuyến nghị G.872, theo đó, lớp quang được chia thành 3 lớpcon: lớp kênh quang OCH, lớp đoạn ghép kênh quang OMS và lớp đoạn truyềndẫn quang OTS như được chỉ ra trên hình vẽ”

Hình 1.4 :Phân cấp mạng quang theo lớp

Hình 1.5 Kiến trúc mạng truyền tải quang

Lớp kênh quang xử lý toàn trình mạng và vận chuyển một cách trong suốtcác tín hiệu khách hàng dưới nhiều khuôn dạng khác nhau (SDH, ATM, IP )Lớp này có các chức năng sau:

- Sắp xếp lại các kết nối kênh quang để việc định tuyến trong mạng mềm dẻo

- Giám sát kênh quang để cho phép thực hiện các hoạt động khai thác và quản

lý ở mức mạng, chẳng hạn cung cấp kết nối, chất lượng dịch vụ QoS

Lớp đoạn ghép kênh quang tương ứng với một liên kết điểm-điểm trêntuyến của một kênh quang (bước sóng) và có các chức năng sau:

- Xử lý phần mào đầu đoạn để đảm bảo tính toàn vẹn của các thông tin đoạnghép kênh quang

- Giám sát đoạn ghép kênh quang để cho phép thực hiện các hoạt động khaithác và quản lý ở mức đoạn, chẳng hạn nâng cao an toàn đoạn ghép kênh.Lớp đoạn truyền dẫn quang OTS tương ứng với chức năng truyền dẫn cáctín hiệu quang khác nhau trên phương tiện truyền dẫn quang

1.2.2 Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM

1.2.2.1 Nguồn phát

a Yêu cầu đối với nguồn phát

- Độ rộng phổ vạch và phổ hẹp : Về nguồn phát WDM cũng sử dụng cácnguồn tương tự một hệ thống truyền dẫn đơn kênh cự ly dài , nhưng trong WDMngười ta sử dụng loại laser DFB hoặc DBR có vạch phổ duy nhất trong dải phổcủa nó Độ rộng tùy thuộc vào dung sai của các phần tử trong hệ thống và sốlướng của các kênh.

- Độ ổn định của bước sóng phát: Độ ổn định của bước sóng khi phát là rấtcần thiết trong WDM Trong quá trình phát bước sóng phát cần giảm thiểu sựthay đổi tránh những ảnh hưởng không tốt đến các chỉ tiêu khác trong hệ thống

“Nguyên nhân của hiện tượng này là do mức năng lượng cao trong hốccộng hưởng của Laser và trên bề mặt phản xạ sẽ sinh ra sự thăng giáng vật liệutrong suốt thời gian hoạt động và gây nên sự trôi bước sóng phát”

- Khả chỉnh: là khả năng điều chỉnh của cả bộ phát lẫn bộ thu Nó có ảnhhưởng rất lớn đến toàn bộ hệ thống trong thông tin quảng bá hiện nay thì laserkhả chỉnh có ý nghĩa rất lớn

- Laser đa bước sóng:

Trong tương lai mạng quang cần có khả năng đáp ứng nhanh đối với cácnguồn khả chỉnh để thực hiện được điều này có thể tích hợp nhiều laser có bướcsóng khác nhau trên cùng 1 nền kiểu này có thể điều chỉnh rất nhanh do chỉ cầnlựa chọn bước sóng phát phù hợp như vậy hệ thống có thể cho phep hoạt độngvới nhiều bước sóng

b Một số loại nguồn phát thông dụng

Các nguồn được sử dụng phổ biến hiện nay là diode phát quang hoặc laserbán dẫn

1.2.2.2 Phần tử tách ghép bước sóng

Các tham số cơ bản của các phần tử:

- Bước sóng trung tâm: là bước sóng ở trung tâm của băng phản xạ đối vớicách tử và là bước sóng ở giữa hai cạnh của băng đối với các bộ lọc

- Băng tần: là dải bước sóng giữa cạnh của các bộ lọc còn đối với các cách

tử thì băng tần đặc trưng cho dải bước sóng phản xạ

- Đỉnh phản xạ: là tham số định nghĩa cho cách tử, nó tương ứng với nănglượng phản xạ tại bước sóng trung tâm.

- Bước sóng danh định: là tham số do nhà sản suất đưa ra Trong thực tếbước sóng danh định thường khác bước sóng trung tâm

- Suy hao xen: nó xảy ra do sự tổn hao trên các đường truyền do sự xuấthiện của các bọ ghép bước sóng trên các tuyến truyền đó suy hao xen gồm hailoại

+ Suy hao do đặc tính của các bộ ghép không thể đạt được mức lý tưởng+ Tổn hao sinh ra tại các điểm ghép nối trên đường truyền, chủ yếu làđiểm ghép nối giữa các bộ ghép bước sóng với nhau và giữa các bộghép với các phần tử của đường truyền dẫn quang

- Xuyên kênh: là sự xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau, tín hiệu củakênh này lai xuất hiện trong kênh khác lân cận với nó dẫn đến giảm tỷ số (S/N)Nguyên nhân dẫn đến nhiễu:

+ Phổ một kênh lại bị lọt vào băng thông một kênh khác

+ Do đặc tính của thiết bị, chủ yếu là do sự không hoàn hảo của các bộcách ly cũng như các bộ chọn lọc

+ Do quá trình sử lý tín hiệu quang không hoàn hảo, các hiện tượng nhưphản xạ, khúc xạ hay hội tụ diễn ra một cách không hoàn toàn dẫn đến việccác tia bị mất mát hoặc biến đổi

+ Do khi đưa công suất cao vào đường truyền thường dẫn tới các hiệuứng phi tuyến như: SBS, FWM, XPM, SRS

- Độ rộng của phổ kênh: là vùng bước sóng được sử dụng cho một kênh.độ rộng của phổ kênh càng nhỏ thì sự xen nhiễu càng dễ xảy ra nhưng quá lớndẫn đến tồn tài nguyên vì thế với mỗi loại nguồn quang khác nhau nó sẽ đượcxác định sao cho phù hợp nhất

1.2.2.3 Các loại sợi quang

a Sợi SMF “theo ITU G.652”

Độ không tròn đều của trường mode Rất nhỏ không ảnh hưởng tới lan

truyền và đấu nối tín hiệu

Độ không tròn đều của vỏ phản xạ ≤ 2 %

Suy hao uốn cong ở bước sóng 1550nm ≤ 1dB khi uốn cong 100 vòng với bán

phân bậc

Loại sợi: SMF cho cự ly tới ≈ 1000 kilomet, tốc độ STM-16 mà khôngcần sử dụng tới các bộ bù tán sắc nhưngtới tốc độ STM-64 thì chỉ cho cự lykhoảng ≈ 60 kilomet nếu không dùng thêm các bộ bù tán sắc do vùng bước sóng1.550 μm có độ tán sắc lớn nên hiệu ứng FWM không diễn ra trong sợi SMF

b Sợi DSF “theo ITU G.653”

Bảng 1.2 Sợi DSF và các tham số chính

Đường kính trường mode tại 1550 nm (7.0÷8.3μm) ± 10%

Đường kính vỏ phản xạ 125 ± 2.4% ( ± 3 μm)

Độ đồng tâm của trường mode tại bước

sóng 1550nm

≤ 1 μm

Độ không tròn đều của trường mode Rất nhỏ không ảnh hưởng tới lan

truyền và đấu nối tín hiệu

Độ không tròn đều của vỏ phản xạ ≤ 2 %

Suy hao uốn cong ở bước sóng 1550nm ≤ 0.5 dB khi uốn cong 100 vòng với

Là loại sợi rất tốt cho các hệ thống cự ly dài và dung lượng lớn, nhưng với

đặc điểm cần phải chọn vùng bước sóng đủ lớn để tránh hiệu ứng FWM làm hạnchế khả năng tăng dung lượng nên DSF không phù hợp với các hệ thống sửdụng WDM

b Sợi NZ-DSF “ theo ITU G.655 ”

Bảng 1.3 Các tham số của sợi NZ-DSF

Độ không tròn đều của trường mode Rất nhỏ không ảnh hưởng tới lan truyền

và đấu nối tín hiệu

Độ không tròn đều của vỏ phản xạ ≤ 2 %

Suy hao uốn cong ở bước sóng

Là sợi đặc biệt phù hợp với công nghệ WDM tốc độ cao cự ly xa vì tán sắc

của sợi này đủ nhỏ để cho phép truyền với tốc dộ 10 Gb/s trên khoảng cách ≈

350 kilomet mà không cần dùng đến các bộ bù tán sắc đồng thời cũng đủ lớn đểhạn chế ảnh hưởng của hiệu ứng FWM trong dải băng (1.53 -1.565 μm)

1.2.2.4.Đầu thu “bộ tách sóng quang”

a PIN

- Hiệu suất lượng tử QE: là tỷ số giữa các electron nhận được tại vùngchuyển tiếp và số các proton tới Hiệu suất lượng tử tuyệt đối là một nếu mộtproton tới sẽ giải phóng một electron QE phụ thuộc vào bước sóng đang hoạtđộng

- Độ đáp ứng: là tỷ lệ dòng proton đầu ra của thiết bị có đơn vị là A vàcông suất đầu vào đơn vị là W Đối với một photo diode silic thì độ đáp ứng ≈

900 nm là 0.44

b, Photo diode thác APD

APD là một diode cơ bản của dạng diode PIN có hiệu điện thế ngược khálớn, nó vào khoảng 50 v

Tham số chính của APD:

- Tốc độ hoạt động

- Độ nhậy

- Nhiễu

- Tích độ tăng ích và băng tần

1.2.2.5 Khuếch đại quang

Khuếch đại là điều vô cùng quang trọng trong truyền dẫn cự ly xa, nhờ cókhuếch đại mà tăng được khoảng cách truyền dẫn xa hơn như vậy mật độ củacác trạm lặp sẽ giảm đi rất nhiều từ đó tiết kiệm được chi phí Trong công nghệWDM khuếch đại càng quan trọng hơn vì với nhiều kênh quang cùng lúc hoạtđộng nên yêu cầu về khuếch đại sẽ nghiêm ngặt hơn yêu cầu đối với các mạngđơn kênh

EDFA và các yêu cầu khi sử dụng cho WDM:

- Đặc tính khuếch đại của EDFA: Là yếu tố có tính phi tuyến, trong cácbăng tần khuếch đại thì đặc tính của nó không đồng nhất.Việc này dẫn tới hiệntượng một số kênh có hệ số khuếch đại cao trong khi một số khác lại có hệ sốthấp hơn, sử dụng nhiều bộ khuếch đại này sẽ dẫn tới các ảnh hưởng đến chấtlượng đường truyền của hệ thống Do đó đường đặc tính khuếch đại của EDFAphải càng phẳng càng tốt

- Nhiễu của bộ khuếch đại: chủ yếu sinh ra do hiện tượng khuếch đại tựphát, tín hiệu khuếch đại kèm theo đó nhiễu cũng được khuếch đại theo, với cáctuyến có số lượng các bộ khuếch đại không lớn thì vấn đề này không ảnh hưởngnhiều nhưng với tuyến có nhiều bộ khuếch đại thì ASE sẽ trực tiếp tác động đếngiá trị của OSNR

- Ảnh hưởng phân cực: đối với cá hệ thống cự lý thấp thì ảnh hưởng của sụphân cực là rất nhỏ và có thể bỏ qua nhưng với những hệ thống có cự ly xa khiqua nhiều tằng khuếch đại hiện tượng này sẽ được tích lũy và ảnh hưởng trựctiếp tới chỉ tiêu của hệ thống OSNR

1.3 Xuyên nhiễu

Xuyên nhiễu giữa các kênh ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của một

hệ thông WDM Với một hệ thống xuyên nhiễu có thể do nhiều nguyên nhân ở đây ta có thể chia ra làm hai loại:

- Xuyên nhiễu tuyến tính: Là sự xuyên nhiễu do đặc tính của thiết bị táchkênh không lý tưởng Mức độ nhiễu xuyên âm phu thuộc chủ yếu vàokhoảng cách giữa các kênh và kiểu thiết bị tách sóng trong thực tế người tadựa vào thiết bị tách kênh và mức xuyên âm cho phép để xác đinh khoảngcách giữa các kênh.

- Xuyên nhiễu phi tuyến: gây ra chủ yến bởi các hiệu ứng phi tuyến

1.3.1 Suy hao

Trong mọi đường truyền đều có suy hao với cáp quang cũng vậy Trongcáp quang năng lượng của ánh sáng bị suy hai theo cấp số mũ và có thể đượcbiêu diễn dưới dạng công thức toán học như sau với đơn vị là logarit:

(1.1)Trong đó

PdBm (L) là công suất tín hiệu quang sau khoảng cách L (dBm)

PdBm (0) là công suất tín hiệu quang tại đầu phát (dBm)

L là chiều dài sợi cáp (km)

αdB/km là suy hao của sợi cáp, tính bằng (dB/km)

Sự hấp thụ cùng với tán sắc là nguyên nhân chính dẫn đến suy hao trongcáp quang Nguyên nhân chủ yếu của hấp thụ và tán sắc là do sự không lý tưởngcủa sợi cáp ví dụ như sự tròn không đều của sợi cáp hay chiết xuất thay đổi theokhoảng cách dẫn đến tán sắc còn vật liệu làm nên cáp quang cũng không thể nàothật sự tinh khiết dẫn đến tín hiệu trên đường truyền bị hấp thụ

Bước sóng càng ngắn thì hiện tượng hấp thụ càng mạnh hơn các bướcsóng dài chính vì vậy càng trải qua quá trình phát triển người ta càng nghiên cứu

sử dụng các bước sóng dài hơn ban đầu là 800 nm giờ đây đã nên tới 1550 nm

và cao hơn

Công thức tính suy hao (đơn vị tuyến tính) :

(1.2)

1.3.2 Sự tán sắc

Tín hiệu ánh sáng truyền trong cáp quang, các thành phần khác nhau (modekhác nhau hoặc tần số khác nhau) sẽ truyền với vận tốc không đồng nhất khi đóxảy ra hiện tượng tán sắc kết quả là cá bit lân cận bị chồng lấn còn xung bị trảirộng Hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng giao thoa (ký hiệu ISI).

1.3.2.1 tán sắc vận tốc nhóm GVD

Có 2 kiểu tán sắc là tán sắc do vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng

(waveguide) Khai triển hằng số truyền sóng () tại tần số0 ta được :

(1.3)

trong đó :n() là chiết suất hiệu dụng của sợi cáp quang.

C là vận tốc ánh sáng trong chân không

với k=0, 1, 2, 3

Hệ sốβk, k = 0,1,2,3 được diễn dịch như sau:

- β0 thể hiện độ lệch pha trong quá trình truyền sóng

đảo của vận tốc nhóm vg

- β2 biểu diễn sự phụ thuộc vào tần số của β1 Nó xác định sự giãn rộngcủa xung Hiệu ứng này được gọi là tán sắc màu hoặc tán sắc vận tốcnhóm

thuộc vào tần số của GVD và bởi vậy thể hiện các đặc tuyến giãn rộngkhác nhau của các tín hiệu truyền ở các tần số khác nhau

Người ta không hay xác định sự phụ thuộc của nghịch đảo vận tốc nhómtheo tần số mà việc này được xác định theo bước sóng với tham số tán sắc D và

độ dốc theo bước sóng S :

(1.4)

D được tính bằng ps.nm.km Nó thể hiện độ giãn rộng ∆T của xung có độ rộng

∆λ sau quãng đường z hoặc tương đương với dộ lệch thời gian của hai xung saukhoảng cách z :

(1.5)

1.3.2.2 Tán sắc màu

Mỗi sợi cáp đều có đặc trưng tán sắc màu khác nhau Một sợi quang đơnchế tạo từ silic không xảy ra tán sắc màu tại cửa sổ thứ 2 là 1310 nm nhưng lạixảy ra tán sắc đáng kể khi sử dụng trên cửa sổ thứ 3 là 1550 nm Tuy nhiên tánsắc màu là hiện tược có thể bù được Trong công nghệ hiện này loại sợi dịch tánsắc DSF đang được nghiên cứu để sử dụng

DSF rất phùi hợp đối với cá hệ thông tốc độ cao công nghệ cũ nhưng vớiWDM thì không thích hợp vì độ rộng của cá kênh trong sợi này cần phải lớn đểtránh ảnh hưởng không tố của hiện tượng FWM và một số hiệu ứng phi tuyếnkhác

1.3.2.3 Tán sắc mode phân cực PMD

Ở sợi quang đơn mode thì tán săc phân cực là đặc trưng cơ bản ,như trên đãnói hiện tượng tán sắc do lõi quang không tròn một cách lý tưởng ,việc nàykhiến cho cá phân cực khác nhau của một tín hiệu sẽ truyền lan với các vận tốckhác nhau PMD làm giãn rộng xung tín hiệu và về phương diện này ảnh hưởngcủa PMD cũng không khác tán sắc nói chungngoại trừ tán sắc là hiện tượngtương đối ổn định trong khi PMD của sợi đơn mốtở bất cứ bước sóng nào đềukhông ổn định

1.3.3 Các hiệu ứng phi tuyến

Phi tuyến bao gồm hai loại ,đó là các hiệu ứng tán xạ kích thích brillouin vàRaman còn loại thứ 2 là cac hiệu ứng liên quan tới hiệu ứng Kerr sự khác biệtgiữa hai loại là ở các hiệu ứng tán xạ kích thích có một ngưỡng mà tại ngưỡng

đó các hiệu ứng phi tuyến mới bắt đầu thể hiện rõ ràng thì đối với hiệu ứng Kerrkhông có ngưỡng như thế

1.3.3.1 Hiệu ứng Kerr:

Thể hiện mỗi quan hệ giữa chiết suất của sợi quang và cường độ điệntrường được truyền lan trong sợi quang

(1.6)

trong đó n0 là chiết suất tuyến tính

n2 là hệ số chiết suất phi tuyến Chiết xuất n2 là rất nhỏ nhưng đó là khi so sánh với các môi trường kháccòn trong thông tin quang sẽ có sự tích tụ của các hiệu ứng phi tuyến khiến cho

(1.7)trong đó -Φm(t,z) là điều chế pha của kênh m

- Φ0, m là pha ban đầu của kênh m

- n0, m là chiết suất tuyến tính của kênh m

- n2 là chiết suất phi tuyến

- k là chỉ số ký hiệu cho các kênh lân cận của kênh m

là sự dịch pha tuyến tính được tích tụ lại trong cả quá trình truyền dẫn tínhiệu

là sự dịch pha phi tuyến do quá trình điều pha của SPM tích tụ trong quátrình truyền dẫn hiện tượng này khiến cho phổ tín hiệu bị co giãn và nó tỷ lệvới cường độ điện trường

là đặc trưng cho hiệu ứng chéo pha XPM , nó là độ dịch pha gây ra bởi sựbiến đổi của cường độ kênh lân cận (kênh k)

b FWM

FWM hay là sự tương tác của các sóng mang tạo ra các tần số mới Hiệuứng xảy ra khi hai tần số ω1và ω2 bị hấp thụ để tạo ra tần số ω3và ω4khi đó:

ω1 + ω2 = ω3 + ω4 (1.8) Trong cáp quang có tồn tại của tán sắc nên điều kiện FWM rất khó xảy ranhưng với khoảng cách truyền dẫn lớn và khoảng cách các kênh không đủ lớnthì điều kiện này có thể nói là gần đạt được

Việc tạo ra các tần số mới là sự tổ hợp của các tần số tín hiệu nên công suấtcủa hệ thống sẽ bị FWM làm cho giảm đi đáng kể hơn nữa nó còn có thể gâyxuyên nhiễu giữa các kênh dẫn đến chất lượng của hệ thống bị suy giảm rấtnhiều

FWM gây ảnh hưởng càng lớn nên hệ thống khi các kênh có khoảng cáchcàng nhỏ và công suất càng lớn

Do ảnh hưởng của FWM nên hệ thống WDM là không nhỏ nên một sốphương pháp được áp dụng như:

- Phân chia các kênh phải lựa chọn tần số thật kỹ và khoảng cách cáckênh là không đồng đều như thế các phần nhiễu sẽ không đè nên phầntín hiệu

- Tăng khoảng cách giữa các kênh rộng hơn tuy nhiên điều này cũng kèmtheo là bằng thông của hệ thống sẽ lớn hơn dẫn đến yêu cầu về các bộkhuếch đại cũng cao hơn

- Sử dụng sợi có các thông số phù hợp ví dụ sợi DSP giúp hạn chế ảnhhưởng của FWM nên đường truyền dẫn

- Giảm khoảng cách giữa các bộ khuếch đại và công suất

1.3.3.2 Tán xạ kích thích SRS “Stimulated Raman Scattering”

Raman xảy ra khi một phần năng lượng của sóng bị hấp thụ bởi môi trườngtruyền dẫn chuyển thành các dao động cơ học còn phần còn lại được phát xạ rangoài với bước sóng lớn hơn bước sóng ban đầu Trong sợi quang có cường độlớn quá trình này được gọi là quá trình kích thích SRS

Cũng như các hiệu ứng khác SRS cũng khiến cho việc tăng số kênh gặpkhó khăn hơn nữa nếu bước sóng tạo ra trùng với bước sóng của kênh khác thì

nó cũng gây xuyên nhiễu giữa các kênh

1.3.3.3 Tán xạ kích thích Brillouin SBS

“Sóng âm học và sóng quang học trong sợi quang có thể tương tác với nhau

để tạo nên tán xạ kích thích Brillouin Chùm laser tới sẽ tán xạ theo sự thay đổichiết suất sợi quang cùng với sóng âm, ánh sáng tán xạ tuỳ thuộc hướng truyềncủa sóng âm mà bị dịch tần theo sóng âm Tiến trình được gọi là kích thích vì sựgiao thoa giữa sóng tới và sóng tán xạ làm cho sóng âm được khuếch đại và có

xu hướng bơm thêm năng lượng cho sóng tán xạ Tiến trình hồi tiếp dương này

có thể tạo nên sự bùng nổ theo hàm mũ ở sóng tán xạ SBS

Tán xạ SBS làm suy yếu tín hiệu phát vì tạo ra sự tăng ích theo hướngngược với phương truyền sóng ánh sáng, nghĩa là hướng ngược về phíanguồn phát Ngưỡng SBS được định nghĩa tỷ lệ với:

(1.9)

trong đó g B là hệ số tăng ích Brillouin

∆vS là độ rộng phổ tín hiệu

∆vB là độ rộng băng tần tăng ích Brillouin.

Như vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng để mức công suất của từng kênh vàkhoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM mà không phụ thuộc vào sốkênh của hệ thống.”

CHƯƠNG 2 MẠNG QUANG ĐỊNH TUYẾN THEO BƯỚC SÓNG 2.1 Định nghĩa

Mạng định tuyến theo bước sóng WRN là mạng toàn quang, trong đó việcđịnh tuyến các nút mạng dựa trên bước sóng tín hiệu Thiết lập cấu hình mạngquang định tuyến theo bước sóng chủ yếu liên quan đến việc lựa chọn đường đi

và gán bước sóng cho tuyến

Mạng định tuyến theo bước sóng bao gồm 2 kiểu nút mạng: Nút đấu chéoquang (cross - connect) OXC kết nối các sợi quang trong mạng và các nút biên(edge) cung cấp giao diện giữa các hệ thống đầu cuối phi quang (chẳng hạnrouter IP, chuyển mạch ATM ) với mạng lõi quang Các nút truy cập cung cấpđiểm kết cuối (nguồn và đích) cho các tín hiệu quang Các tuyến thông tin có thểtiếp tục ra khỏi phần mạng quang, nhưng ở dưới dạng điện

Hình 2.1 Mạng định tuyến theo bước sóng

Mạng định tuyến bước sóng cung cấp dịch vụ cho các hệ thống cuối thôngqua các kết nối logic, thường được gọi là quang tuyến (lightpath) Quang tuyến,hay còn được gọi là λ-channel, là các tuyến truyền dẫn quang giữa các nút biên,như được chỉ ra trên hình vẽ 2.1 Thông tin truyền trên quang tuyến không cầnphải biến đổi sang dạng điện trong phạm vi mạng quang, và bởi vậy, kiến trúccác nút mạng quang có thể sẽ rất đơn giản vì không cần phải xử lý tín hiệu Hơnnữa, dung lượng truyền tải trên sợi quang là không hạn chế.

2.1.1 Các phần tử trong mạng

2.1.1.1 OADM

Theo nhu cầu thực tế của việc cần tách / ghéo một số kênh nào đó vàoluồng tín hiệu thì OADM là thiết bị để thực hiện điều đó OADM có thể thêmvào và tách ra một kênh trực tiếp từ tín hiệu mà không gây nhiễu ở những kênhthuộc sợi khác OADM liên tục được nghiên cứu và phát triển khiến cho chứngnăng của nó ngày một hoàn thiện là linh hoạt hơn

Các chức năng của OXC:

- Giúp quản lý băng tần hiệu quả và cung cấp kết nối cho các thuê baoriêng rẽ

- Tận dụng tối đa cơ sở vật chất hiện có của tuyến

- Giảm bớt chi phí cho mạng

- Thực hiện bảo vệ mạng

- Định tuyến và liên kết

OXC có thể chia ra làm 2 loại:

- OXC dựa trên ma trân chuyển mạch điện

- OXC dựa trên ma trân chuyển mạch quang

Trước đây khi công nghệ quang chưa có khả năng tạo ra chuyển mạchquang không gian rộng nên nhiều nhà sản suất đi theo hướng sử dụng cácchuyển mạch điện chính vì thế mà một số hãng quảng cáo lớn hiện nay vẫn sửdụng thiết bị đấu chéo theo nền công nghệ này với tốc độ không cao

Khi tốc độ lớn hơn như 10 hay 40 Gbit/s khi đó các thiết bị theo công nghệđiện sẽ bộc lộ những yếu kém của mình như kích thước của chuyển mạch nhỏ(không quá 32x32) số lượng chuyển mạch lớn và trọng lượng không hề nhỏ, hơnnữa vì những nhược điểm này khiến cho giá thành tăng khá nhiều do phải tốnthêm chi phi để khắc phục những nhược điểm trong khi đó các thiết bị quangvới giá thành đang giảm đi rất nhiều Trong tương lai các OXC theo công nghệquang hoàn toàn có khả năng sánh ngang với các thiết bị công nghệ điện ,thậmchí vượt nên các thiết bị này

OXC lõi quang được chia làm 3 loại (dựa vào đặc tính chuyển mạch)

a OXC chuyển mạch sợi (FXC)

FXC là loại đơn giản nhất chức năng của nó cũng đơn giản khi mà chứcnăng của nó chỉ là chuyển tất cả các kênh bước sóng từ một sợi đầu vào tới mộtsợi đầu ra

FXC cho phép khôi phục các lỗi đứt sợi rất tốt, khi đó công nghệ quanghiện tại được tận dụng tối đa Việc khôi phục đơn giản nhưng lại mất đi khảnăng linh hoạt (không phù hợp cho các dịch vụ điểm – điểm mới)

Hình 2.2 OXC chuyển mạch sợi (a), OXC chuyển mạch lựa chọn bước

sóng (b) và chuyển mạch trao đổi bước sóng (c)

b OXC lựa chọn bước sóng (WSXC)

“WSXC chuyển mạch một nhóm các kênh bước sóng từ một sợi đầu vàođến một sợi đầu ra Về mặt chức năng thì chúng yêu cầu giải ghép (theo tần số)các tín hiệu đến thành bước sóng ban đầu của chúng.”

WSXC khắc phục được nhược điểm của FXC nó linh hoạt hơn và các kênh

sẽ được bảo vệ riêng biệt nhờ các cơ chế bảo vệ mạng

c OXC trao đổi bước sóng (WIXC)

WIXC cũng không khác gì WSXC tuy nhiên có thêm chức năng chuyểnđổi tần số hoặc bước sóng của kênh Đặc điểm mới này khiến cho việc địnhtuyến tin cậy hơn do hạn chế khả năng cạnh tranh bước sóng Đây là OXC đượccoi là linh hoạt nhất trong vẫn đề bảo vệ và khôi phục trong mạng

Các nút OXC có chức năng chuyển mạch và định tuyến để hỗ trợ các kếtnối logic giữa các nút biên OXC tiếp nhận tín hiệu quang tại một bước sóng nào

đó ở cổng vào và chuyển mạch tín hiệu ở đầu ra đã cho mà không phụ thuộc vào

các bước sóng khác Một OXC có N đầu vào và N đầu ra có khả năng xử lý W bước sóng tại mỗi đầu thì có thể được coi gồm N × N chuyển mạch độc lập Các

chuyển mạch này phải đặt giữa bộ giải ghép kênh và ghép kênh bước sóng nhưhình vẽ 2.2 Bởi vậy, một OXC có thể kết nối chéo các bước sóng khác nhau từđầu vào tới đầu ra Bằng cách thiết lập cấu hình OXC trên tuyến phù hợp, cáckết nối quang (quang tuyến) có thể được hình thành giữa bất kỳ cặp nút biênnào