Tổng quan về hệ thống DWDM và thiết kế tuyến DWDM cho đường trục tại EVNTelecom

Các hệ thống thông tin quang trong thời gian tới phải đảm bảo có tốc độ cao, cự ly xa, có cấu trúc hệ thống linh hoạt, độ tin cậy cao… Trong các hệ thống thông tin trước đây, một sợi qu

trường đại học bách khoa hà nội

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IV DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ XII

LỜI NÓI ĐẦU - 1 -

PHẦN I - 3 -

TỔNG QUAN VÀ CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG DWDM - 3 -

C HƯƠNG 1: - 3 -

CƠ SỞ KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG - 3 -

1.1 Kỹ thuật ghép bước sóng quang - 4 -

1.2 Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang - 4 -

C HƯƠNG 2: - 12 -

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DWDM - 12 -

2.1 Tổng quan về DWDM - 12 -

2.2 Dải bước sóng làm việc của DWDM - 13 -

2.3 Cấu hình mạng DWDM - 14 -

2.4 Những ưu điểm của DWDM - 17 -

C HƯƠNG 3: - 19 -

CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG DWDM - 19 -

3.1 Bộ chuyển đổi bước sóng OTU - 19 -

3.1.1 Nguyên lý hoạt động - 20 -

3.1.2 Phân loại và ứng dụng - 20 -

3.2 Ghép kênh quang OMUX và tách kênh quang ODMUX - 21 -

3.2.1 Phương pháp ghép kênh sử dụng các bộ lọc - 22 -

3.2.2 Phương pháp ghép kênh sử dụng cách tử nhiễu xạ - 28 -

3.2.3 Phương pháp ghép sợi - 34 -

3.2.4 Các bộ tách ghép trên cơ sở mạch tổ hợp quang điện OEI - 37 -

3.3 Các bộ khuếch đại quang - 40 -

3.3.1 Công nghệ EDFA - 41 -

3.3.2 Khuếch đại Raman - 50 -

3.4 Bộ xen/rẽ kênh quang OADM - 51 -

3.6.1 Phân loại sợi - 56 -

3.6.2 Sợi quang dịch chuyển vị trí tán sắc khác không NZ- DSF - 57 -

3.6.3 Sợi quang bù tán sắc DCF - 59 -

3.6.4 Sợi quang tán sắc bằng phẳng DFF - 61 -

C HƯƠNG 4: - 63 -

CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CƠ BẢN VÀ THAM SỐ CHÍNH ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG DWDM - 63 -

4.1 Suy hao của sợi quang và băng thông - 63 -

4.2 Số kênh bước sóng - 64 -

4.3 Độ rộng phổ của nguồn phát - 65 -

4.4 Quỹ công suất - 66 -

4.5 Nhiễu xuyên kênh - 67 -

4.6 Tán sắc - 68 -

4.7 Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến - 71 -

4.7.1 Khuếch tán tích lũy Raman SRS - 72 -

4.7.2 Hiệu ứng tán xạ Brillouin SBS - 73 -

4.7.3 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM - 75 -

4.7.4 Hiệu ứng điều chế pha chéo XPM - 76 -

4.7.5 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM - 76 -

PHẦN II - 79 -

THIẾT KẾ TUYẾN DWDM THỰC TẾ TẠI EVNTELECOM - 79 -

C HƯƠNG 5: - 80 -

THIẾT KẾ TUYẾN DWDM TRÊN ĐƯỜNG TRỤC CỦA EVNTELECOM - 80 -

5.1 Hiện trạng hệ thống viễn thông điện lực - 80 -

5.1.1 Hệ thống cáp quang đường trục Bắc Nam - 80 -

5.1.2 Hệ thống thiết bị truyền dẫn đường trục Bắc Nam - 81 -

5.2 Giải pháp kỹ thuật - 83 -

5.2.1 Yêu cầu đối với hệ thống truyền dẫn đường trục - 83 -

5.2.2 Lựa chọn phương án tổ chức mạng: - 85 -

5.2.3 Cấu trúc mạng - 86 -

5.4 Thiết bị của hệ thống - 105 -

5.5 Cấu hình thiết bị DWDM: - 111 -

KẾT LUẬN - 119 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO

A

API Application Program Interface

APS Automatic Protection Switching

ARP Address Resolution Protocol

ARQ Automatic Repeat Request

AS Autonomous System

ASBR AS Boundary Router

ASN Abstract Syntax Notation

ASON Automatic Switched Optical Network

AWHG Average Weighted Hop-distance Gain

B

BER Bit Error Rate (ratio)

BFR Best-Fit Rate routing

BGMP Border Gateway Multicast Protocol

BGP Border Gateway Protocol

BLSR Bi-directional Line Switched Ring

BPSR Bi-directional Path Switched Ring

C

CBR Constant Bit Rate

CIDR Classless Interdomain Routing

CLNP Connectionless Network Protocol

CMIP Common Management Information Protocol

CORBA Common Object Request Broker Architecture

CPE Customer Premises Equipment

CTP Connection Termination Point

CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing

D

DCC Data Communication Channel

DCN Data Communication Network

DD OSPF Database Description message

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol

DWDM Defense Wavelength Division Multiplexing

DCX Digital Cross Connect

E

EBGP Exterior Border Gateway Protocol

ECMP Equal Cost Multiple Path

EDFA Erbium-Doped Fibre Amplifier

EGP Exterior Gateway Protocol

F

FEC Forward Error Correction, Forwarding Equivalence Class

FIB Forwarding Information Base

FIN Finish Flag (TCP header)

FQ Fair Queuing

FTTH Fibre to the Home

FTTN Fibre to the Neighbourhood

FWM Four Wave Mixing

GSMP General Switch Control Protocol

I

IAB Internet Architecture Board

IANA Internet Assigned Numbers Authority

IBGP Interior Border Gateway Protocol

ICMP Internet Control Message Protocol

ID Identifier

IDMR Inter-Domain Multicast Routing

IDRP Inter-Domain Routing Protocol

IGMP Internet Group Management Protocol

IGP Interior Gateway Protocol

INNI Internal Network-to-Network Interface

IPng IP next generation

IPSec IP Security

ISDN Integrated Service Digital Network

IS-IS Intermediate System to Intermediate System routing protocol

LDAP Lightweight Directory Access Protocol

LDP Label Distribution Protocol

LLR Least Loaded Routing

LMP Link Management Protocol

LOF Loss of Frame

LOS Loss of Signal

LSA Link State Advertisement

LSP Label Switched Path

LSR Label Switch Router, Link State Request

LSU Link State Update

LTE Line Terminating Equipment

M

MAC Media Access Control

MAN Metropolitan Area Network

MIB Management Information Base

MONET Multiwavelength Optical Networking Consortium

MOSPF Multicast Open Path Shortest First

MPlS Multiprotocol Lambda Switching

MPLS Multiprotocol Label Switching

N

NAT Network Address Translation

NBMA NonBroadcast Multiple Access

NC&M Network Control and Management

NDP Neighbour Discovery Protocol

NE Network Element

NFS Network File System

NIC Network Interface Card

NSAP Network Service Access Point

O

OADM Optical Add/Drop Multiplexer

OAM Operations and Maintenance

OAM&P Operations, Administration, Maintenance, and Provisioning OBS Optical Burst Switching

OLS Optical Label Switching

OLSR Optical Label Switching Router

OMS Optical Multiplex Section

OPR Optical Packet Router

OSCP Optical Switch Control Protocol

OSPF Open Shortest Path First protocol

OSPF-OMP OSPF Optimised Multi Path

OTS Optical Transmission Section

OVPN Optical Virtual Private Network

OXC Optical Cross Connect

P

PDU Protocol Data Unit

PE Provider Edge

PHB Per Hop Behaviour

PHY Physical layer

PNNI Private Network-to-Network Interface

PON Passive Optical Network

PTE Path Terminating Equipment

PVC Permanent Virtual Circuit

Q

QA Q-Adaptor

QoS Quality of Service

R

RARP Reverse Address Resolution Protocol

RIP Routing Information Protocol

RMP Reliable Multicast Protocol

RMTP Reliable multicast Transfer Protocol

RPC Remote Procedure Call

RPF Reverse Path Forwarding

RSpec Resource Specification

RSVP Resource Reservation Protocol

RTCP Real-Time Transport Control Protocol

RTP Real-Time Transport Protocol

RTT Round Trip Time

S

SAN Storage Area Network

SAP Service Access Point

SDH Synchronous Digital Hierarchy

SDU Service Data Unit

SLA Service Level Agreement

SPF Shortest Path First

SRLG Shared Risk Link Group

SS7 Signalling System Number 7

SSL Secure Socket Layer

SVC Switched Virtual Circuit

T

TCP Transmission Control Protocol

TE Terminal Equipment, Traffic Engineering

TECP Traffic Engineering to Control Protocol

TED Traffic Engineering Database

TIA Telecommunications Industry Association

TMN Telecommunications Management Network

TOS Type of Service

TReq Trail Request message

TResp Trail Response message

TSpec Traffic Specification

UNI User to Network Interface

UNI-C User Network Interface - Client side (signaling functionality) UNI-N User Network Interface - Network side (signaling functionality) UPSR Unidirectional Path Switched Ring

UTP Unshielded Twisted Pair

V

VBR Variable Bit Rate

VC Virtual Channel

VCC Virtual Channel Connection

VCI Virtual Channel Identifier

VLAN Virtual Local Area Network

VPC Virtual Path Connection

VPI Virtual Path Identifier

VPN Virtual Private Network

VoIP Voice over IP

VT Virtual Tributary

W

WADM Wavelength Add/Drop Multiplexer

WAMP Wavelength Amplifier

WAN Wide Area Network

WDM Wavelength Division Multiplexing

WFQ Weighted Fair Queuing

WSXC Wavelength Selective Cross Connect

Chương 1:

Hình 1 1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng - 1 -

Hình 1 2 :Hệ thống ghép bước sóng cùng hướng - 1 -

Hình 1 3: Hệ thống ghép bước sóng song hướng - 1 -

Hình 1 4 : Mô tả thiết bị ghép- giải ghép hỗn hợp(MUX-DEMUX) - 1 -

Hình 1 5: Phân loại các bộ ghép bước sóng - 8 -

Hình 1 6: Xuyên kênh ở bộ giải ghép kênh - 10 -

Hình 1 7: Xuyên kênh ở bộ ghép - giải ghép kênh hỗn hợp (MULDEX) - 10 -

Chương 2: Hình 2 1:Phổ truyền dẫn của sợi quang - 14 -

Hình 2 2: Topology dạng điểm - điểm - 15 -

Hình 2 3: Topology dạng chuỗi - 15 -

Hình 2 4: Topology dạng vòng - 16 -

Hình 2 5: Topology dạng mesh - 17 -

Chương 3: Hình 3 1: Sơ đồ khối hệ thống DWDM - 19 -

Hình 3 2: Nguyên lý hoạt động của OTU - 20 -

Hình 3 3: Ứng dụng của OTU - 21 -

Hình 3 4: Nguyên lý ghép/tách bước sóng - 23 -

Hình 3 5: Cấu trúc của bộ lọc điện môi giao thoa - 24 -

Hình 3 6: Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa - 25 -

Hình 3 7: Cấu trúc cơ bản của một bộ tách nhiều bước sóng - 25 -

Hình 3 8: Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế - 26 -

Hình 3 9: Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn trực tiếp vào sợi - 26 -

Hình 3 10: Thiết bị OMUX – ODMUX 4 bước sóng - 27 -

Hình 3 11: Thiết bị MUX-DEMUX 3 bước sóng - 28 -

Hình 3 12: Nguyên lý hoạt động của phương pháp sử dụng cách tử phản xạ - 29 -

Hình 3 13: Nguyên lý hoạt động của phương pháp sử dụng cách tử truyền xạ - 29 -

Hình 3 14: Tìm công thức cách tử - 30 -

Hình 3 17: Bộ tách Littrow - 32 -

Hình 3 18: Bộ tách sử dụng cách tử nhiễu xạ Planar và gương lòng chảo - 33 -

Hình 3 19: Cách tử lòng chảo - 33 -

Hình 3 20: Sơ đồ cấu trúc thiết bị tách kênh quang sử dụng cách tử lòng chảo - 34 -

Hình 3 21: Phương pháp nóng chảy - 35 -

Hình 3 22: Phương pháp mài ghép - 36 -

Hình 3 23: Bộ ghép kênh 4 bước sóng bằng phương pháp nóng chảy nối tiếp các sợi đơn mode - 37 -

Hình 3 24: Nguyên lý hoạt động của AWG - 38 -

Hình 3 25: Giản đồ năng lượng của Erbium - 42 -

Hình 3 26: Cấu trúc cơ sở của bộ khuếch đại EDFA - 43 -

Hình 3 27: Phổ khuếch đại của EDFA - 43 -

Hình 3 28: Khuếch đại EDFA một tầng - 46 -

Hình 3 29: Khuếch đại EDFA với băng tần C sử dụng bộ lọc - 47 -

Hình 3 30: Khuếch đại EDFA hai tầng - 48 -

Hình 3 31: Cấu trúc chung của một bộ OADM - 52 -

Hình 3 32: OADM cố định - 53 -

Hình 3 33: OADM có thể cấu hình lại - 53 -

Hình 3 34: Nguyên lý bù tán sắc của cách tử Bragg - 55 -

Hình 3 35: Tán sắc bằng phẳng của sợi quang - 1 -

Chương 5: Hình 5 1: Hệ thống đường trục - 1 -

Hình 5 2: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đường trục - 1 -

Hình 5 3: Cơ chế bảo vệ OMSP - 90 -

Hình 5 4: Cơ chế bảo vệ OSNCP - 91 -

Hình 5 5: Card Transponder OTU-2V - 93 -

Hình 5 6: Card MUX/DEMUX F04MDU-1 - 93 -

Hình 5 7: Card LALIC - 93 -

Hình 5 8: Sơ đồ tuyến Hà Nội - Hà Tĩnh - 99 -

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

LỜI NÓI ĐẦU

Thời gian gần đây, các hệ thống thông tin quang đã chiếm lĩnh hầu hết các tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông và được coi là phương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên lục địa Để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do bùng nổ thông tin trong xã hội, đặc biệt là sự phát triển của các dịch vụ băng thông rộng, mạng truyền dẫn đòi hỏi phải có sự phát triển mạnh cả về quy mô và trình độ công nghệ nhằm tạo

ra các cấu trúc mạng bao gồm các hệ thống truyền dẫn quang hiện đại Các hệ thống thông tin quang trong thời gian tới phải đảm bảo có tốc độ cao, cự ly

xa, có cấu trúc hệ thống linh hoạt, độ tin cậy cao…

Trong các hệ thống thông tin trước đây, một sợi quang chỉ truyền dẫn một bước sóng với một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Với một hệ thống như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi quang có thể truyền dẫn Nếu muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải thêm sợi quang Thực

tế cho thấy, khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức nào đó sẽ xuất hiện các hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ cũng như kéo dài cự ly truyền dẫn Khi tốc độ đạt tới hàng trục Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được các xung điện cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí cho các giải pháp trên tuyến truyền dẫn trở nên khá tốn kém Do đó, các

kỹ thuật ghép kênh quang như OTDM, OFDM, SCM, WDM đã ra đời nhằm khắc phục được các hạn chế trên Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng Trong đó nổi trội hơn cả là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng - WDM, và WDM đã mở ra hướng phát triển mới cho mạng viễn thông

Với những lý do trên tôi đã chọn đề tài “Tổng quan về hệ thống DWDM

và thiết kế tuyến DWDM cho đường trục tại EVNTelecom” nhằm mục đích

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

tìm hiểu, nghiên cứu về kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng mật độ cao và đưa

ra được tuyến thông tin quang đường trục ứng dụng công nghệ này Luận văn được trình bày gồm 02 phần và các chương với nội dung như sau:

Phần I: Tổng quan và các thành phần cơ bản của hệ thống DWDM

Chương 1 : Cơ sở kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng

Chương 2 : Tổng quan về công nghệ DWDM

Chương 3 :Các thành phần cơ bản của hệ thống DWDM

Chương 4 : Các vấn đề kỹ thuật cơ bản và tham số chính ảnh hưởng đến

hệ thống DWDM

Phần II: Thiết kế tuyến DWDM thực tế tại EVNTelecom

Chương 5: Thiết kế tuyến DWDM trên đường trục của EVNTelecom

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Phạm Văn Bình đã tận tình hướng dẫn tôi nghiên cứu, tìm hiểu và tạo mọi điều kiện để tôi có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Do hạn chế về thời gian và kiến thức, luận văn tốt nghiệp của tôi còn có nhiều thiếu sót Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đề tài của tôi được hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn

Hà nội, ngày 05 tháng 11 năm 2009

Học viên

Nguyễn Tuấn Tú

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

PHẦN I

TỔNG QUAN VÀ CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN

CỦA HỆ THỐNG DWDM

Chương 1:

CƠ SỞ KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG

Trong kỹ thuật truyền dẫn số, chúng ta đã quen với ghép kênh tín hiệu điện, các luồng tín hiệu ở cấp thấp sẽ được ghép lại với nhau tạo nên các luồng tín hiệu cấp cao hơn Những năm gần đây, công nghệ thông tin quang

đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể trong đó phải kể đến đến kỹ thuật ghép kênh quang, nó thực hiện ghép các tín hiệu ánh sáng để truyền trên sợi dẫn quang với mục đích:

- Tăng dung lượng kênh truyền dẫn

- Xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao

Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức nào đó người ta đã thấy các hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s, bản thân các mạch điện sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp; thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao Do

đó kỹ thuật ghép kênh quang đã ra đời, khắc phục được những hạn chế trên Các phần tử quang trong thiết bị sẽ đóng vai trò chủ đạo trong việc thay thế hoạt động của các phần tử điện ở các vị trí xung yếu đòi hỏi kỹ thuật xử lý tín hiệu nhanh Kỹ thuật ghép kênh quang còn tận dụng được phổ hẹp của laser, lợi dụng được các bước sóng khác nhau để thực hiện truyền đồng thời nhiều luồng ánh sáng mang tín hiệu trên một sợi dẫn quang

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

1.1 Kỹ thuật ghép bước sóng quang

Với các hệ thống thông tin sợi quang thông thường, mỗi sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu quang từ một nguồn phát tới một bộ tách quang tại đầu thu

vì vậy các tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau đòi hỏi các sợi xác định riêng biệt Tuy nhiên từ thực tế thấy rằng nguồn quang có độ rộng phổ tương đối hẹp vì vậy phương pháp này chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần vốn

có rất lớn của sợi quang, không tận dụng được hiệu suất của đường truyền

Về lý thuyết ta có thể làm tăng đáng kể dung lượng truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu các nguồn phát có phổ cách nhau một cách hợp lý và ở đầu thu có thể thu được các tín hiệu quang riêng biệt nếu phần thu có các bộ tách bước sóng, đây chính là cơ sở của kỹ thuật ghép bước sóng

1.2 Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang

Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh hoạ như ở hình 1.1 Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng λ1, λ2, , λn Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi dẫn quang Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh; bộ ghép bước sóng phải bảo đảm có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi ghép sẽ được truyền dọc theo sợi để tới phía thu Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang - WDM

là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống, đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất Ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào

Hình 1 1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng

DEMUX

O(λ1) O(λn) MUX

Sợi quang O(λ1 λn) I(λ1 λn) I(λ1)

I(λn)

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1 nm hay 10-9 m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao - DWDM Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc

độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET) Các nhà cung cấp WDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây

đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn Có hai hình thức cấu thành hệ thống WDM đó là: hệ thống ghép bước sóng cùng hướng

và hệ thống ghép bước sóng song hướng

Ở hình 1.2 là hệ thống ghép bước sóng cùng hướng Trong hệ thống này thiết bị ghép bước sóng được dùng để kết hợp các bước sóng khác nhau sau

đó truyền trên cùng một sợi và tách chúng ở đầu kia thành các tia riêng rẽ trước khi đưa vào bộ thu quang tương ứng

Hệ thống ghép bước sóng song hướng được trình bày ở hình 1.3 Ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng λ1, λ2, , λn qua bộ ghép/tách kênh được tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng λn+1, λn+2, , λ2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại

Hình 1 2 :Hệ thống ghép bước sóng cùng hướng

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

Để thực hiện một hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng cùng hướng thì cần phải có bộ ghép kênh ở đầu phát để kết hợp các tín hiệu quang

từ các nguồn phát quang khác nhau đưa vào một sợi dẫn quang chung Tại đầu thu, cần phải có bộ tách kênh để tách các kênh quang tương ứng Nhìn chung, các tín hiệu quang không phát một lượng công suất đáng kể nào ở ngoài độ rộng phổ kênh đã định trước của chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh

là không đáng lưu tâm ở đầu phát Mà vấn đề đáng lưu tâm là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép kênh ít bị suy hao Đối với bộ tách kênh, vì các bộ tách sóng quang thường nhạy cảm trên cả một vùng rộng các bước sóng cho nên nó có thể thu được toàn bộ các bước sóng được phát đi, như vậy để ngăn chặn các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả thì phải có biện pháp cách ly tốt các kênh quang Để thực hiện tốt điều này, cần thiết kế các bộ giải ghép thật chính xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định có bước sóng cắt chính xác Do đó

hệ thống WDM cùng hướng được ứng dụng và phát triển tương đối rộng rãi

Hệ thống WDM song hướng thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn,

có cơ cấu phức tạp hơn đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt Có rất nhiều vấn đề cần lưu ý như là phản xạ quang, xuyên âm giữa các kênh, mức điện của công suất truyền dẫn Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra của bộ ghép kênh Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước sóng quang Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế các bộ tách kênh thật chính xác, các bộ lọc quang nếu được

Nguån

Hình 1 3: Hệ thống ghép bước sóng song hướng

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

sử dụng phải có bước sóng cắt chính xác, dải làm việc ổn định Do sử dụng bộ khuếch đại quang hai chiều nên hệ thống song hướng giảm được số lượng bộ khuếch đại và tiết kiệm được sợi quang

Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép bước sóng nào cũng có thể được dùng làm bộ giải ghép bước sóng Như vậy, hiểu đơn giản từ “bộ ghép-Multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để tương thích cho cả bộ ghép và bộ giải ghép, trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị này

Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành ba loại: các bộ ghép (MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ ghép và giải ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX) Các bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương

án truyền dẫn cùng hướng, còn loại hỗn hợp được sử dụng cho phương án truyền dẫn song hướng

Các bộ ghép bước sóng trong kỹ thuật ghép bước sóng được phân loại như hình 1.5

O(

k )

λ

Ι (

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

Hình 1 5: Phân loại các bộ ghép bước sóng

Các bộ ghép bước sóng thụ động được sử dụng hiện nay thường là các bộ

vi quang học (microoptic) và bộ ghép sợi kiểu dẫn sóng (guided wave fibre coupler) Mỗi loại đều có ưu nhược điểm của mình

Các bộ vi quang học thường đòi hỏi hệ thống ghép nối các thấu kính để ghép vào sợi quang Các khó khăn trong việc định vị và ghép nối làm hạn chế các đặc tính kỹ thuật đặc biệt là đối với các sợi đơn mode Tuy nhiên việc sử dụng các bộ vi quang học cho phép lựa chọn đặc tính của bộ lọc rộng rãi hơn Các bộ ghép sợi ít chịu ảnh hưởng của các khó khăn nêu trên nhưng lại bị hạn chế trong việc lựa chọn các đặc tính cần có của bộ lọc, chẳng hạn như mức độ bằng phẳng của băng thông

Có 3 tiêu chuẩn cơ bản để xác định đặc tính của các bộ ghép bước sóng là:

- Suy hao xen

sîi Vi

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

a) Suy hao xen:

Suy hao xen ở đây được xác định như lượng tổn hao công suất trên tuyến truyền dẫn quang do việc thêm vào các bộ ghép bước sóng Khác với các coupler thông thường, ở đây suy hao xen được xem xét đối với từng bước sóng:

Lk= -10log O(λk)/Ik(λk) MUX (1.1)

Li= -10log Oi(λi)/I(λi) DEMUX (1.2) Trong đó:

I(λi), O(λk) là công suất tín hiệu được ghép ở trên đường chung

Ik(λk) là công suất tín hiệu bước sóng λk đi vào cửa thứ k của bộ ghép, tín hiệu này được phát từ nguồn phát quang thứ k

Oi(λi) là công suất tín hiệu bước sóng λi đi khỏi cổng thứ i của bộ tách

Suy hao này bao gồm suy hao sinh ra tại các điểm ghép nối của các bộ ghép bước sóng mà nguyên nhân chủ yếu là do hấp thụ hoặc phản xạ Mức độ ảnh hưởng tương đối của hai nguồn suy hao trên đến hệ thống còn tùy thuộc vào loại công nghệ được lựa chọn để chế tạo bộ ghép bước sóng

b) Xuyên âm:

Xuyên âm là sự rò tín hiệu từ kênh này sang kênh kia Nó làm tăng nền nhiễu và do vậy làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR Hiện tượng này được sinh ra do các yếu tố sau:

- Do các đặc tính của bộ lọc không hoàn thiện

- Do phản xạ hay hội tụ không hoàn toàn làm các tia sáng bị tản mát

- Do phổ của các nguồn phát lấn lên nhau

- Do các hiệu ứng phi tuyến xảy ra khi đưa công suất cao vào sợi quang Trong một bộ giải ghép kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng λi sang các kênh khác có bước sóng khác với

λi Nhưng trong thực tế luôn luôn tồn tại một mức xuyên âm nào đó, và làm giảm chất lượng truyền dẫn của thiết bị Khả năng để tách các kênh khác nhau dược diễn giải bằng suy hao xuyên âm và được tính bằng dB như sau:

Di(λk) = -10log Ui(λk)/I(λk) (1.3)

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

Theo sơ đồ đơn giản mô tả bộ giải ghép kênh ở hình 1.6 thì Ui(λk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λk do có sự dò tín hiệu ở cửa thứ i sang, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng λi

Hình 1 6: Xuyên kênh ở bộ giải ghép kênh

Hình 1 7: Xuyên kênh ở bộ ghép - giải ghép kênh hỗn hợp (MULDEX)

Trong thiết bị ghép-giải hỗn hợp như hình 1.7, việc xác định suy hao xuyên kênh cũng được áp dụng như bộ giải ghép Ở trường hợp này phải xem xét cả

2 loại xuyên kênh, xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I(λk) sinh ra Ui(λk) Xuyên kênh đầu gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị như Ui(λi) Khi cho các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng thiết bị

c) Độ rộng phổ của kênh:

Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho mỗi một kênh Độ rộng này phải đảm bảo để tránh nhiễu giữa các kênh, do đó được xác định tuỳ theo từng loại nguồn phát Đối với các nguồn phát sử dụng laser độ rộng phổ của nguồn chỉ vài nm, đặc biệt đối với laser đơn mode độ rộng phổ chỉ 0,1nm, thì

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

yêu cầu độ rộng của kênh chỉ cần nhỏ Còn đối với các nguồn phát sử dụng led thì độ rộng phổ của nguồn cỡ vài chục nm, do đó yêu cầu độ rộng kênh lớn

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

Chương 2:

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DWDM

Với ưu thế về công nghệ đặc biệt, ghép kênh theo bước sóng mật

độ cao - DWDM đã trở thành một phương tiện vô cùng đơn giản và kinh

tế để mở rộng dung lượng sợi quang một cách nhanh chóng và quản lý hiệu quả hệ thống DWDM đã đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu phát triển các dịch vụ thông tin băng rộng trên mạng và là tiền đề để xây dựng và phát triển mạng toàn quang trong tương lai

Để thấy được vai trò quan trọng của công nghệ này đối với việc phát triển hệ thống mạng, trong chương này chúng ta sẽ cùng xem xét những nét chung nhất về công nghệ DWDM, về các cấu hình mạng DWDM hiện nay cũng như những đặc điểm và các ưu thế nổi trội của công nghệ DWDM so với các công nghệ truyền dẫn khác

2.1 Tổng quan về DWDM

Để giải quyết vấn đề băng thông và phát triển hệ thống đa dịch vụ trên cùng một mạng, công nghệ DWDM đã thực hiện ghép nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang Với việc tăng số bước sóng ghép trên một sợi quang một cách đáng kể so với công nghệ WDM trước đây, điểm nổi bật của DWDM chính là khả năng cho phép truyền trên sợi quang một lưu lượng khổng lồ lên tới hàng Terabits/s Tuy nhiên để đạt được điều này một cách có hiệu quả thì hệ thống DWDM có những yêu cầu rất đặc biệt đối với các chức năng quang như: độ linh hoạt cao, kết cấu đấu chéo nhanh, các bộ lọc và nguồn laser phải có khả năng điều hưởng, các bộ thu phải có tạp âm thấp và độ nhạy cao, phải có các bộ nén xung, các bộ cân bằng quang, các bộ khuếch đại dải rộng tạp âm thấp, các cảm biến quang nhạy và tạp âm thấp

Các hệ thống DWDM hiện nay làm việc trên các kênh bước sóng theo khuyến nghị của ITU-T dành cho DWDM Nhiều bước sóng ghép trên một sợi quang đã mang lại sự linh hoạt và mềm dẻo cho cả các dịch vụ và băng thông Mỗi kênh bước sóng có thể truyền tải một loại lưu lượng khác nhau như SONET/ SDH trên một kênh, ATM trên một kênh khác, tín hiệu thoại

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

TDM hay là Internet trên một kênh khác nữa và điểm nổi trội nhất của DWDM chính là mỗi kênh có thể truyền ở một tốc độ khác nhau như OC-N (OC-3 đến OC-768) hay là Gigabit Ethernet

Khi thiết kế một hệ thống DWDM, người thiết kế phải đối mặt với một

số vấn đề như: bao nhiêu bước sóng được ghép trên một sợi và ở những tốc

độ nào? Các bước sóng sẽ được giám sát và quản lý như thế nào? Có bao nhiêu loại lưu lượng khác nhau mà khách hàng yêu cầu? Các thuật toán

và giao thức hiệu quả nhất là gì? Độ dài của một chặng mà không cần đến khuếch đại là bao xa? Bộ khuếch đại nào được sử dụng để thỏa mãn yêu cầu

về hệ số khuếch đại và tạp âm? Làm sao để các giao diện của hệ thống đáp ứng được các tiêu chuẩn quốc tế Và để có thể trả lời được những câu hỏi trên thì đòi hỏi người thiết kế phải nắm vững được nguyên lý, cấu trúc cũng như thường xuyên cập nhập những kỹ thuật mới để có thể đưa ra được những giải pháp tốt nhất cho hệ thống đang xây dựng

2.2 Dải bước sóng làm việc của DWDM

Các hệ thống thông tin quang thường hoạt động ở 3 cửa sổ quang mà tại

đó tổn hao trên sợi quang thấp nhất đó là : 860 nm, 1310nm và 1550 nm Cửa sổ quang 860 nm thường được sử dụng cho sợi đa mode với suy hao đường truyền lớn (khoảng 2dB/km), thích hợp với các mạng truy nhập khoảng cách ngắn

Tại cửa sổ quang 1310 nm, dải bước sóng làm việc từ 1260 nm - 1360

nm, tổn hao trung bình khoảng 0.3 dB/km ~ 0.4 dB/km Cửa sổ này được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn sử dụng tín hiệu STM-N ( với N=1,

4 hay 16) Khi xuất hiện các bộ khuếch đại quang EDFA và Raman làm việc trong cửa sổ 1550 nm thì cửa sổ này không còn thích hợp cho hệ thống DWDM nữa

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

Hình 2 1:Phổ truyền dẫn của sợi quang

Theo hình 2.1, ta có thể thấy tổn hao tại cửa sổ quang 1550 nm là thấp nhất, thêm vào đó, các bộ khuếch đại quang EDFA đang sử dụng hiện nay

có độ khuếch đại bằng phẳng lớn trong cửa sổ này, do vậy người ta dùng cửa sổ quang 1550 nm cho các hệ thống DWDM Trong đó chỉ sử dụng băng C và băng L Băng C với dải bước sóng 1530 nm – 1565 nm dùng cho các hệ thống DWDM dưới 40 bước sóng (khoảng cách giữa các bước sóng là 100 GHz), các hệ thống DWDM dưới 80 bước sóng (khoảng cách giữa các bước sóng là 50 GHz) và các hệ thống SDH Băng L (1565 nm -

1625 nm) dùng cho các hệ thống DWDM trên 80 bước sóng (khoảng cách giữa các bước sóng là 50 GHz)

2.3 Cấu hình mạng DWDM

Các topology được sử dụng nhiều nhất hiện nay là topology điểm-điểm (Point-to-Point), topology dạng vòng (Ring), topology dạng lưới (Mesh) và topology dạng hình sao (Star)

Đặc tính của mỗi topology mạng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như:

số node trên mạng, dung lượng tối đa, khả năng khôi phục dịch vụ, khả năng khắc phục lỗi nhanh, độ tin cậy, quản lý băng thông có hiệu quả, khả năng bảo trì, khả năng cấu hình lại Hiện nay, topology dạng vòng được sử dụng nhiều nhất dựa trên nền tảng là các mạng vòng SONET/SDH đã được xây dựng từ trước Bên cạnh đó là topology dạng lưới (MESH) với khả năng bảo vệ, khôi phục nhanh chóng và linh hoạt của mạng

Topology DWDM điểm - điểm là một công nghệ cho phép truyền tải

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

một lưu lượng lớn với một vài hoặc rất nhiều bước sóng trên một sợi quang Trong trường hợp này và đối với các cự ly gần (vài kilomet), người ta có thể sử dụng từ 16 - 40 bước sóng, truyền với tốc độ bit thấp (1.25 Gb/s, 2.5 Gb/s hay lớn nhất là 10 Gb/s), đồng thời cũng có thể sử dụng loại sợi đa mode.Sự trải rộng của các hệ thống này thay đổi từ 10km tới 1000km với các

bộ khuếch đại quang nằm ở trung gian để tăng mức tín hiệu Một vài toán tử mạng sẵn sàng được triển khai trong các hệ thống này với nhằm tăng số bước sóng trên mỗi sợi Đối với các ứng dụng cho cự ly xa (hàng trăm kilomet),

số lượng bước sóng được ghép trên một sợi lên tới 80 cho đến 160 bước sóng, tại các tốc độ bit cao hơn ( từ 10 - 40 Gb/s hoặc cao hơn nữa) và

sử dụng sợi đơn mode để giảm suy hao đường truyền Nếu trên tuyến điểm

- điểm có thêm các node trung gian ta sẽ có topology dạng chuỗi (chain)

Hình 2 2: Topology dạng điểm - điểm

Theo quy định của ITU một “lưới” bước sóng tại tần số 100GHz được đặt trong dải tần 1550nm Mặc dù vậy, một số quy định của thiết bị cho thấy trong khoảng cách 50GHz và 25GHz thích hợp cho các kênh kế cận Với cùng khoảng cách như vậy, để tăng dải thông của EDFA người ta sử dụng các

bộ khuếch đại tầng kép cùng với các bộ lọc tầng trung gian

Hình 2 3: Topology dạng chuỗi

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

Topology chain (chuỗi) là loại cấu hình phát triển trong mạng truyền dẫn Đây chính là mạng mở rộng của cấu hình điểm - điểm OADM là bộ ghép tách kênh, nó tách ghép các kênh dịch vụ hoặc các bước sóng ấn định từ dòng ghép DWDM Cấu hình DWDM mở làm tăng khả năng truyền tải lưu lượng

và tăng độ mềm dẻo trong quá trình truyền thông tin

Hình 2 4: Topology dạng vòng

Topology ring là cấu hình được sử dụng có hiệu quả và phù hợp tính chất đảm bảo thông tin trong mạng viễn thông Trong cấu hình ring, các nút mạng được nối với nhau bằng tuyến điểm- điểm, và cứ như thế các nút được nối với nhau để tạo vòng ring khép kín Mạng ring được tạo nên thông qua các sợi dẫn quang Các trạm A, B, C, D được liên kết với nhau về mặt tín hiệu Ở mỗi trạm, thiết bị xen/ rẽ kênh sẽ cung cấp tất cả các chức năng có trong luồng tín hiệu STM-N Trong topology ring, người ta chia ra làm ring một hướng và ring hai hướng Trên ring một hướng thì một nửa lưu lượng trên hướng được dành ra để làm chức năng bảo vệ Trong ring hai hướng thì một hướng dành cho lưu lượng còn hướng kia thì làm chức năng bảo vệ

Topology dạng vòng (RING) cũng có nhiều loại phụ thuộc vào kích thước của vòng, số node có thể quản lý được, và loại dịch vụ Đó có thể là một vòng nhỏ (có chu vi vài kilomet) với số lượng bước sóng ít Trong trường hợp này số bước sóng tối thiểu là 1 bước sóng / 1 node, ngoài ra còn

có thể có thêm các bước sóng khác để dự phòng bảo vệ, tốc độ trên một bước sóng lên đến 10 Gb/s và có thể có thêm một kênh giám sát được các

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

node dùng chung tại tốc độ bit từ 2 cho đến 10 hoặc thậm chí là 100 Mb/s Topology dạng vòng nhỏ này thường có một node được thiết kế như một HUB Tuy nhiên trong trường hợp này HUB còn thực hiện thêm một số các nhiệm vụ khác như: điều khiển luồng và quản lý; node này sẽ thực hiện kết nối tới các mạng khác và thực hiện kết nối từ một node này tới một node khác trên cùng một vòng, đồng thời đây cũng chính là điểm đầu và điểm cuối của kênh giám sát

Topology dạng vòng cũng có thể là một RING có kích thước lớn (chu vi

từ vài chục cho đến hàng trăm kilomet) hỗ trợ quản lý nhiều node hơn, mỗi node có thể hạ xuống hoặc ghép lên một hoặc nhiều bước sóng Trong trường hợp này số bước sóng nhiều nhất là N bước sóng trên một node Đồng thời các bước sóng tách ghép cũng có thể được điều khiển từ đầu xa, tín hiệu trong trường hợp này phải được khuếch đại, cân bằng và định dạng lại xung, hệ thống có thể có một hoặc một vài kênh giám sát được sử dụng chung bởi tất

cả các node Thông thường, kênh giám sát mang thông tin về đặc tính, điều khiển, dự phòng, bảo trì và quản trị dữ liệu đến và đi tại mỗi node

Trường hợp đặc biệt của topology dạng vòng chính là topology dạng lưới với đầy đủ các kết nối giữa các node

Hình 2 5: Topology dạng mesh

2.4 Những ưu điểm của DWDM

• Tận dụng được phần lớn băng thông của sợi quang, tạo ra được dung

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

lượng truyền dẫn lớn: công nghệ DWDM cho phép sử dụng toàn bộ tài nguyên băng thông rất lớn của sợi quang (khoảng 25 THz) để nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống

• Khoảng cách truyền rất xa: với EDFA và các công nghệ truyền dẫn khác, hệ thống DWDM có thể truyền tín hiệu ở một khoảng cách rất

xa

• Cho phép nhiều loại hình truy nhập dịch vụ: các bước sóng trong hệ thống DWDM độc lập với nhau, do đó có khả năng truyền nhiều loại dịch vụ trên cùng một sợi cáp quang như SDH, GE hay ATM…

• Hạn chế được số sợi quang cần sử dụng: hệ thống DWDM ghép nhiều bước sóng, tương ứng với nhiều kênh đơn trên một sợi cáp, vì thế tiết kiệm được rất nhiều cáp quang từ đó có thể giảm được chi phí xây dựng đường dây

• Khả năng nâng cấp và mở rộng dễ dàng: hệ thống DWDM truyền dữ liệu trên các kênh bước sóng khác nhau mà không xử lý dữ liệu trên kênh nên việc mở rộng mạng có thể thực hiện đơn giản bằng cách ghép thêm các bước sóng

• Tạo ra nền tảng để hình thành mạng toàn quang: mạng toàn quang là hướng phát triển của mạng quang trong tương lai Trong những mạng như vậy, các hệ thống WDM được kết nối với các bộ xen/rẽ quang (OADM - Optical Add/Drop Multiplexer) và các thiết bị đấu chéo quang (OXC - Optical Cross Connection), để thực hiện xen/rẽ hay đấu chéo các kênh quang đến các dịch vụ được truyền trên các bước sóng quang Vì vậy, có khả năng thực hiện một mạng toàn quang với

độ linh hoạt cao, tin cậy, tiết kiệm chi phí để thỏa mãn những yêu cầu của xã hội thông tin trong tương lai đối với mạng truyền tải băng

rộng

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

Chương 3:

CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG DWDM

Chương 2 đã trình bày những nét tổng quan nhất về công nghệ DWDM, những ưu thế nổi trội cũng như vai trò hết sức quan trọng của công nghệ này Để có thể hiểu rõ hơn về công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM, chương này sẽ phân tích cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của các phần tử trong hệ thống DWDM

Hình 3.1 là sơ đồ một tuyến DWDM điển hình với các thành phần cơ bản của hệ thống bao gồm:

- Các bộ chuyển đổi bước sóng (OTU)

- Các bộ tách ghép kênh quang (OMUX và ODMUX)

- Các bộ khuếch đại quang (OBA, OLA, OPA)

- Bộ xen/rẽ quang (OADM)

- Các module bù tán sắc (DCM)

Hình 3 1: Sơ đồ khối hệ thống DWDM

3.1 Bộ chuyển đổi bước sóng OTU

OTU là thiết bị được sử dụng để thực hiện chuyển đổi bước sóng Nó chuyển đổi những bước sóng của các kênh tín hiệu quang đầu vào thành các bước sóng quang chuẩn theo khuyến nghị G.692 của ITU-T để có thể truyền trên hệ thống DWDM

OTU cũng cung cấp nhiều chức năng khác:

- Cung cấp nguồn phát quang chuẩn và ổn định: Các hệ thống DWDM cần phải ghép nhiều bước sóng trong cửa sổ quang có độ suy hao thấp

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

với khoảng cách giữa các bước sóng nhỏ, vì vậy tần số trung tâm của nguồn phát quang phải làm việc ổn định trong chuỗi tần số trung tâm chuẩn được chỉ ra bởi ITU-T

- Nguồn quang có giới hạn tán sắc khá lớn: với một nguồn quang có giới hạn tán sắc lớn sẽ làm tăng được khoảng cách truyền dẫn của tuyến mà không cần sử dụng đến các bộ bù tán sắc, đồng thời làm giảm được các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến hệ thống

- OTU cũng được sử dụng như một bộ lặp với các chức năng tái tạo dạng xung, khôi phục định thời và khôi phục dữ liệu

3.1.1 Nguyên lý hoạt động

OTU thực hiện việc chuyển đổi quang - điện (O/E) với các tín hiệu quang đưa vào ghép kênh theo khuyến nghị G.957 và thực hiện tái tạo tín hiệu, khôi phục định thời và khôi phục dữ liệu đối với các tín hiệu quang

đã được chuyển đổi thành điện Sau đó thực hiện chuyển đổi điện - quang (E/O) để đưa ra tín hiệu kênh quang DWDM mà có bước sóng, độ tán sắc

và công suất phát quang theo chuẩn G.692

Hình 3 2: Nguyên lý hoạt động của OTU

Sau khi chuyển đổi O/E nếu chỉ thực hiện tái tạo dạng tín hiệu, khôi

phục định thời (thực hiện chức năng 2R: Reshape, Retiming) thì OTU thực

hiện chức năng chuyển đổi bước sóng cho truyền dẫn ở khoảng cách ngắn Nếu sau khi chuyển đổi O/E, OTU xử lý tái tạo dạng tín hiệu, khôi

phục định thời và khôi phục dữ liệu (chức năng 3R: Reshape, Retiming,

Regenaration) được thực hiện thì OTU đó có chức năng của một bộ repeater 3.1.2 Phân loại và ứng dụng

Phụ thuộc vào vị trí của OTU trong mạng DWDM mà OTU có thể được chia làm 3 loại: OTUT, OTUR và OTUG Ứng dụng của chúng trong

hệ thống như trong hình vẽ:

O/E

G.957

Tín hiệu quang đầu ra

Tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục định thời E/O

Tín hiệu quang

đầu vào

G.692

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

Hình 3 3: Ứng dụng của OTU

- OTUT (OTU ở đầu phát): đặt giữa các thiết bị của khách hàng và OMUX Thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang từ phía khách hàng thành tín hiệu quang đầu ra theo chuẩn G.692 rồi đưa vào OMUX Loại OTU này không chỉ thực hiện chức năng chuyển đổi O/E và E/O mà còn thực hiện việc tái tạo dạng tín hiệu, khôi phục định thời (chức năng 2R) và có chức năng tìm byte B1 (byte giám sát lỗi bit từng đoạn lặp)

- OTUR (OTU ở đầu thu): đặt giữa ODMUX và các thiết bị của khách hàng Tín hiệu quang đầu ra từ ODMUX đến OTUR phải tuân theo chuẩn G.692 Loại OTU này có chức năng giống như OTUT, nó thực hiện chuyển đổi bước sóng, chức năng 2R và tìm kiếm byte B1

- OTUG (OTU chuyển tiếp): đặt giữa OMUX và ODMUX Tín hiệu đầu vào và đầu ra của OTUG phải tuân theo chuẩn G.692 OTU loại này không chỉ có chức năng chuyển đổi O/E, E/O mà còn có chức năng tái tạo lại dạng tín hiệu, khôi phục định thời, và chức năng khôi phục dữ liệu (chức năng 3R) Vì vậy OTUG tương đương như một bộ lặp thông thường và cũng có chức năng tìm byte B1

3.2 Ghép kênh quang OMUX và tách kênh quang ODMUX

Với các hệ thống thông tin sợi quang thông thường trước đây, mỗi sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu quang từ một nguồn phát tới một bộ tách quang tại đầu thu vì vậy các tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau đòi hỏi các sợi xác định riêng biệt Tuy nhiên các nguồn quang lại có độ rộng phổ tương đối hẹp vì vậy phương pháp này rất lãng phí tài nguyên truyền dẫn của sợi quang

Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng quang ra đời đã cho phép tăng dung lượng truyền dẫn mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và không cần phải dùng thêm các sợi quang Kỹ thuật này thực hiện truyền các luồng

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

ánh sáng với các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang Các hệ thống thông tin quang thông thường chỉ sử dụng một phần rất nhỏ băng tần truyền dẫn của sợi sẵn có Do đặc điểm của các nguồn phát là có độ rộng phổ khá hẹp, nếu tận dụng được thì có thể truyền được một dung lượng rất lớn trên một sợi quang từ nhiều nguồn phát quang khác nhau hoạt động

ở các bước sóng khác nhau một cách hợp lý Ở phía đầu thu có thể thực hiện thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các bước sóng khác nhau Theo những nghiên cứu mới nhất thì hiện nay trên các sợi quang

đã có thể ghép được tới 160 bước sóng, dung lượng truyền trên mỗi bước sóng là 10Gb/s

Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng quang được mô tả như trên hình 1.1 Giả sử các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ1, λ2, , λn Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này

sẽ được ghép vào cùng một sợi quang ở phía phát Bộ ghép kênh theo bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi được ghép sẽ được truyền dọc theo sợi để tới phía thu Tới bên thu, qua bộ giải ghép kênh (ODMUX), tín hiệu sẽ được tách ra thành các bước sóng riêng rẽ và đến các

bộ thu thích hợp

Có 3 loại WDM chính được sử dụng đó là:

- Bộ lọc điện môi màng mỏng (Dielectric thin film filters-DTF) dùng để lọc các bước sóng riêng biệt trong dải bước sóng cụ thể cũng như dễ dàng thích ứng trong việc truyền dẫn một chiều hoặc hai chiều Bộ lọc DTF được sử dụng để ghép bước sóng tại hai cửa sổ

- Cách tử nhiễu xạ dùng để ghép và tách nhiều tín hiệu trong cùng một cửa

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

thoa, nó có cấu trúc đa lớp gồm các màng mỏng có chỉ số chiết xuất cao và thấp đặt xen kẽ nhau Hầu hết các bộ lọc giao thoa làm việc dựa trên nguyên

lý buồng cộng hưởng Fabry-Perot, gồm 2 gương phản xạ thành phần đặt song song cách nhau bởi một lớp điện môi trong suốt Nguyên lý hoạt động của nó như sau: khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa sẽ tạo

ra những phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng

a

Sử dụng bộ lọc b Sử dụng bộ tán sắc

Hình 3 4: Nguyên lý ghép/tách bước sóng

Theo đặc tính phổ thì có thể phân các bộ lọc giao thoa thành hai họ:

- Bộ lọc thông dải: được đặc trưng bởi bước sóng cắt λc và có đáp ứng phổ thông thấp hoậc thông cao

- Bộ lọc băng thông: được đặc trưng bởi bước sóng trung tâm λo và độ rộng băng ∆λ của bộ lọc

Các bộ lọc thông dải được đặc trưng bởi bước sóng cắt λc, có cấu trúc bao gồm các lớp điện môi có chiết suất cao H (Ge, Si, Ta2O5 ) và các lớp

có chiết suất thấp L (GeF3, SiO, SiO2 ) đặt xen kẽ nhau trên cùng một phiến đế Mỗi lớp có độ dày là λ/4 đối với bộ lọc bậc 0 và độ dày 3λ/4 đối với bộ lọc bậc 1 Cấu trúc thường được sử dụng là cấu trúc (H/2 L H/2)k, yêu cầu đặt ra đối với bộ lọc loại này là đặc tuyến phải có sườn dốc và có độ phản xạ cao trong dải phổ tín hiệu và đồng thời truyền dẫn tốt phổ tín hiệu

bù Các bộ lọc thông dải được sử dụng rộng rãi cho việc ghép/tách hai bước sóng ở hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau (ví dụ như 850 và 1300nm hay 1300

và 1550nm) Do đó mà thiết bị này có thể sử dụng một cách có hiệu quả đối với các nguồn sáng có độ rộng phổ lớn như LED Còn các nguồn có độ rộng phổ hẹp như laser người ta thường sử dụng các bộ lọc băng thông Hơn nữa

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

Chiết suất cao

Chiết suất thấp

Lớp phân cách trong suốt

để bộ lọc có khả năng đáp ứng được sự chuyển dịch bước sóng của nguồn do nhiệt độ gây ra, bộ lọc phải được thiết kế sao cho đặc tính phổ có dạng phẳng xung quanh bước sóng trung tâm và sườn của đặc tính càng dốc càng tốt để có thể ngăn ngừa sự xuyên kênh giữa hai kênh kề nhau

Bộ lọc băng thông được đặc trưng bởi bước sóng trung tâm λ0, có

độ rộng băng ∆λ, thích hợp với các nguồn phát có phổ hẹp như laser Có thể đạt độ rộng dải thông ∆λ/λ = 0.045 với bộ lọc gồm 23 lớp điện môi và 3 hốc sử dụng các lớp chiết suất cao TiO2 = 2.45 và lớp chiết suất thấp SiO2 = 1.47 trên phiến có chiết suất n = 1.563

Hình 3.5 là sơ đồ cấu trúc của một bộ lọc điện môi giao thoa sử dụng nhiều lớp có chiết suất cao thấp xen kẽ nhau Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: khi chùm tia sáng chạm vào thiết bị, các hiện tượng giao thoa ánh sáng tạo ra những phản xạ nhiều lần trong khoang cộng hưởng Nếu bề dày của lớp đệm là số nguyên lần của nửa bước sóng ánh sáng tới thì giao thoa xếp chồng xảy ra và bước sóng đó được truyền dẫn thông suốt nhất Các chùm ánh sáng ở những bước sóng khác trong buồng cộng hưởng hầu như bị phản xạ hoàn toàn

Hình 3 5: Cấu trúc của bộ lọc điện môi giao thoa

Dưới đây ta xem xét một số thiết bị tách bước sóng dùng bộ lọc điện môi màng mỏng:

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

b) Cấu hình khi thực hiện trong thực tế

Hình 3 6: Cấu trúc bộ tách hai kênh sử dụng bộ lọc giao thoa

Cấu trúc cơ bản của bộ tách hai kênh như ở hình 3.6a, trong khi đó thực tế cấu trúc này chỉ đơn giản như ở hình 3.6b Các phần tử chuẩn trực

và hội tụ các thấu kính GRIN 1/4 chu kỳ P Bộ lọc được thiết kế để phát đi

λ1 và phản xạ λ2 sẽ được đặt giữa hai thấu kính

Các thiết bị tách bước sóng này được sử dụng rộng rãi ở các hệ thống thông tin quang sử dụng các nguồn phát LED ở bước sóng 850 nm và 1300

nm, hoặc sử dụng các nguồn phát phổ hẹp của các tổ hợp bước sóng như:

Luận văn cao học ĐTVT 2007-2009 Nguyễn Tuấn Tú

Hình 3 8: Một bộ tách vi quang 5 kênh thực tế

Trong thực tế, thiết bị tách nhiều bước sóng ngoài các bộ lọc còn có thấu kính, các sợi quang vv Hình 3.8 là bộ tách 5 bước sóng dùng thấu kính GRIN và khối thuỷ tinh trong suốt

Đôi khi có thể thực hiện tạo ra bộ tách kênh mà không cần sử dụng đến các phần tử chuẩn trực, thiết bị không có thấu kính, mà các bộ lọc giao thoa

ở đây được đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi được mài nhẵn

Hình 3 9: Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa gắn trực

tiếp vào sợi

Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (OMUX-ODMUX):

λ 1… λ 5 λ 2 λ 4

Sợi quang Thấu kính GRIN

Khối thủy tinh trong suốt