Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật OFDM trong hệ thống truyền dẫn quang

Trước tiên so với truyền dẫn đơn sóng mạng thì OFDM có sự phân chia phổ được mở rộng từ các sóng mang con chia nhỏ tới một băng thông con và toàn bộ phổ OFDM, nó cung cấp khả năng linh đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-o0o -

Lê Xuân Hòa

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Đào Ngọc Chiến

Hà Nội – 2010

LỜI CAM ĐOAN

Ngoài sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của giảng viên TS Đào Ngọc Chiến, cuốn luận văn này là sản phẩm của quá trình tìm tòi, nghiên cứu và trình bày của tác giả về đề tài trong luận văn Mọi số liệu, quan điểm, quan niệm, phân tích, kết luận của các tài liệu và các nhà nghiên cứu khác đều được trích dẫn theo đúng quy định

Vì vậy, tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Lê Xuân Hòa

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

BẢNG DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 4

1.1.Lịch sử của thông tin quang 4

1.2.Xu hướng phát triển 6

1.2.1 Giải pháp cho mạng Ethernet 100 Gb/s 7

1.2.2 Sự xuất hiện của các mạng cấu hình lại linh động 7

1.2.3 Truyền dẫn quang điều khiển bằng phần mềm 9

1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 11

1.3.1.Mục tiêu nghiên cứu 11

1.3.2.Nội dung nghiên cứu chính 12

Tài liệu tham khảo 13

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

2.1 Nguyên lý truyền dẫn quang 17

2.1.1 Sơ lược về WDM và một số công nghệ WDM 17

2.1.1.1 Sự ra đời của công nghệ truyền dẫn quang WDM 17

2.1.1.2 Sơ lược về WDM 19

2.1.1.3 Một số công nghệ WDM 19

2.1.1.4 Ưu và nhược điểm của công nghệ WDM 21

2.1.2.Sơ lược về mạng quang WDM 22

2.1.3.Cấu trúc mạng quang WDM 23

2.1.3.1 Kiến trúc mạng WDM kiểu lựa chọn và quảng bá 23

2.1.3.2 Kiến trúc mạng WDM kiểu định tuyến bước sóng 26

2.1.3.3 Chuyển đổi bước sóng trong các mạng WDM 29

2.1.4.Những hạn chế truyền dẫn trong mạng WDM 32

2.1.4.1.Ảnh hưởng do xuyên nhiễu 32

2.1.4.2.Ảnh hưởng do tích lũy tạp âm 34

2.1.4.3.Ảnh hưởng do tán sắc 35

2.1.4.4.Ảnh hưởng do hiệu ứng phi tuyến 36

2.1.5.Ứng dụng của WDM đối với các mạng viễn thông hiện nay 37

2.2.Kỹ thuật OFDM 38

2.2.1 Khái niệm trực giao 38

2.2.2.Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 39

2.2.3 Lý thuyết điều chế OFDM 42

2.2.3.1 Bộ điều chế OFDM 42

2.2.3.2 Chuỗi bảo vệ trong OFDM 45

2.2.4 Điều chế OFDM bằng phép IFFT 47

2.2.4.1 Biến đổi Fourier nhanh 47

2.2.4.2 Thực hiện điều chế OFDM nhờ IFFT 49

2.2.5 Lý thuyết giải điều chế OFDM 51

2.2.6 PAPR 56

2.3.Khả năng ứng dụng OFDM trong thông tin quang 60

Tài liệu tham khảo 60

CHƯƠNG III .62

KỸ THUẬT OFDM TRONG THÔNG TIN QUANG 62

3.1 Giới thiệu chung 62

3.2 Kỹ thuật OFDM quang kết hợp 63

3.2.1 Giới thiệu 63

3.2.2 Nguyên lý của phương pháp OFDM quang kết hợp 63

3.2.3 Hiệu suất phổ quang của CO-OFDM 64

3.2.4 OFDM xuyên kênh XC-OFDM 65

3.2.5 Mô hình kênh cho CO-OFDM 66

3.2.6 Thiết kế bộ phát quang cho CO-OFDM 69

3.2.6.1 Lựa chọn thiết kế bộ chuyển đổi lên/xuống trong CO-OFDM 69

3.2.6.2 Phân tích méo giữa hai lần điều chế của hai sóng mang con 71

3.2.6.3 Thảo luận về điểm phân cực 0 của khối MZM trong CO-OFDM 73

3.2.7 Sự bù phi tuyến của bộ thu xử lý tín hiệu số trong CO-OFDM 75

3.2.7.1 Nguyên tắc của bộ thu trong việc giảm thiểu nhiễu pha cơ bản 75

3.2.7.2 Kết quả mô phỏng của bộ thu dựa trên quá trình xử lý số 78

3.3 Kỹ thuật OFDM quang tách sóng trực tiếp 81

3.3.1 DDO-OFDM ánh xạ tuyến tính 81

3.3.1.1 SSB-OFDM có bù 83

3.3.1.2 SSB-OFDM quang băng cơ sở 86

3.3.1.3 OFDM có âm RF phụ trợ 86

3.3.1.4 SSB-OFDM ảo 89

3.3.2 DDO-OFDM ánh xạ phi tuyến 91

3.3.2.1 OFDM tương thích 92

3.3.2.2 OFDM cho ứng dụng cáp đơn mode cự li ngắn 94

Tài liệu tham khảo 97

KẾT LUẬN 101

BẢNG DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

optical OFDM

Điều chế OFDM quang thích nghi

DDO-OFDM Direct detection optical

OFDM

Tách sóng trực tiếp OFDM quang

Amplifier

Bộ khuếch đại quang pha tạp

Compensation

Sự bù phân tán điện tử

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

ITU International

Telecommunication Union

Liên minh viễn thông quốc tế

hiệu RF và tín hiệu quang

DDO-DDO-OFDM ánh xạ phi tuyến

Điều chế biên độ cầu phương

mềm

Transmission

Truyền dẫn quang điều khiển bằng phần mềm

WDM Wavelength-Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng

WiMAX Worldwide Interoperability

for Microwave Access

Mạng thông tin thành thị băng rộng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Biểu diễn tốc độ dữ liệu/kênh và số lượng kênh 5

Hình 1.2: Biểu diễn sự tăng trưởng về lưu lượng truy cập Internet 6

Hình 1.3: Sự kết hợp của các bộ ROADM trong mạng quang 8

Hình 1.4: Sơ đồ truyền dẫn quang điều khiển bằng phần mềm SDOT 10

Hình 2.1: Hình vẽ biểu diễn khu vực suy hao thấp của một sợi quang 17

Hình 2.2: Hình vẽ biểu diễn một sợi quang chứa đựng nhiều bước sóng 19

Hình 2.3: Hệ thống DWDM và các bộ khuếch đại quang 20

Hình 2.4: Hình vẽ mạng Broadcast-and-slect sử dụng kiểu star topology 24

Hình 2.5: Hình vẽ mạng Broadcast-and-slect sử dụng kiểu Bus topology 25

Hình 2.6: Kiến trúc node trong mạng wavelength routed WDM 27

Hình 2.7: Hình vẽ mạng WDM định tuyến bước sóng 28

Hình 2.8: Hình vẽ thể hiện sự ràng buộc liên tục của bước sóng 29

Hình 2.9: Kiến trúc node có trang bị chuyển đổi bước sóng ở đầu vào 30

Hình 2.10: Các loại chuyển đổi bước sóng 31

Hình 2.11: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế đa sóng mang OFDM 39

Hình 2.12: Phổ tín hiệu OFDM 40

Hình 2.13: So sánh kỹ thuật đa sóng mang FDM với OFDM 42

Hình 2.14: Sơ đồ khối điều chế OFDM 43

Hình 2.15: Chèn chuỗi bảo vệ 45

Hình 2.16: Tác dụng chống nhiễu ISI của chuỗi bảo vệ 46

Hình 2.17: Khối điều chế OFDM bằng IFFT 50

Hình 2.18: Mô hình hệ thống truyền tin 51

Hình 2.19: Sơ đồ khối giải điều chế OFDM 52

Hình 2.20: Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải điều chế OFDM 53

Hình 2.21: Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM dùng FFT 56

Hình 2.22: Phương pháp chọn các dãy truyền thành phần 59

Hình 3.1: Phổ quang của các kênh CO-OFDM, WDM, XC-OFDM 65

Hình 3.2: Hệ thống CO-OFDM 67

Hình 3.3: Kiến trúc thống CO-OFDM .70

Hình 3.4: Công suất đầu ra thứ nhất, thứ hai, thứ ba là hàm của chỉ số M(dB) 73

Hình 3.5: Hàm chuyển đổi của cường độ quang và trường quang 74

Hình 3.6: Hệ thống truyền dẫn với kết nối pha giữa các đoạn 76

Hình 3.7: Phương pháp Fourier chia nhỏ đối với sự truyền lan của tín hiệu 77

Hình 3.8: Hệ số phẩm chất Q là hàm của công suất đầu vào 79

Hình 3.9: Dải động OSNR là hàm của số bước 80

Hình 3.10: Hệ số phẩm chất Q là hàm của hệ số phi tuyến β với số bước 4 80

Hình 3.11: Minh họa của LM-DDO-OFDM, phổ của OFDM quang 83

Hình 3.12: Hệ thống thông tin quang cự li dài DDO-OFDM 84

Hình 3.13: Hiệu suất của hệ thống theo độ nén sóng mang ở DDO-OFDM có bù 85

Hình 3.14: Hệ số phẩm chất phụ thuộc vào công suất đưa vào 86

Hình 3.15: Phổ quang của SSB-OFDM quang băng cơ sở 87

Hình 3.16: Nguyên lý của (a) SSB-OFDM băng cơ sở, (b) OFDM-A 88

Hình 3.17: Dạng phổ RF cho RFT-OFDM ở hai cấu hình OFDM-A và OFDM-B 88 Hình 3.18: Độ nhạy BER cho RFT-OFDM-A và OFDM-B 89

Hình 3.19: Cấu trúc bộ phát của VSSB-OFDM 89

Hình 3.20: Hiệu năng lỗi bít BER của VSSB-OFDM 90

Hình 3.21: So sánh phổ quang giữa NLM-DDO-OFDM và SSB-DDO-OFDM 93

Hình 3.22: Phổ quang và phổ điện của offset SSB-OFDM và CompSSB-OFDM 95

Hình 3.23: Độ nhạy OSNR phụ thuộc vào tán sắc 95

Hình 3.24: Thử nghiệm IM-DDO-OFDM 96

Hình 3.25: Một ví dụ cho việc sử dụng các dạng điều chế khác nhau 97

LỜI MỞ ĐẦU

Trong trường điện từ tồn tại hai cửa sổ khá lớn dành cho truyền thông băng rộng hiện đại Chiều dài cửa sổ đầu tiên từ bước sóng dài đến bước sóng milimét với tấn số từ 100 Khz đến 300 Ghz Còn cửa sổ thứ 2 nằm trong vùng tia hồng ngoại với tần số từ 30 Thz đến 300 Thz Cửa sổ đầu tiên cung cấp các ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta như: phát thanh và truyền hình quảng bá, mạng LAN và thông tin di động Các ứng dụng này cung cấp cho người dùng đầu cuối khả năng truy cập các mạng thông tin với khoảng cách không xa hay tính di động trong các hệ thống không dây Tuy nhiên, tốc độ dữ liệu yêu cầu có thế lên tới Gb/s, dẫn tới dải tần sóng vô tuyến không có đủ băng thông cung cấp cho nó Ngược lại, trong cửa sổ thứ 2, băng thông lớn cỡ Thz, hệ thống sóng ánh sáng có thể cung cấp dung lượng hơn 100Tb/s Thực tế, các hệ thống thông tin quang hay hệ thống cáp quang đã trở nên cần thiết như mạng đường trục của cơ sở hạ tầng thông tin hiện đại ngày nay Có một chiến dịch rộng khắp trong thập kỷ qua là đưa sợi quang đến gần hơn với từng hộ gia đình Mặc dù, thực tế internet mới nổi lên vào đầu những năm 2000, lưu lượng internet được tăng lên với tỷ lệ 75%/năm Các ứng dụng hình ảnh nổi lên mới nhất như IPTV sẽ tạo nên sức ép cho cơ sở hạ tầng mạng thông tin bên dưới

Kỹ thuật điều chế số có thể chia ra làm 2 loại: điều chế đơn sóng mang và điều chế đa sóng mang Điều chế đơn sóng mang là phương thức điều chế mà dữ liệu được mang trên một sóng mang duy nhất Đây là dạng điều chế rất quen thuộc được áp dụng trong thông tin quang hơn 3 thập kỷ qua và đã đạt được rất nhiều thuận lợi trong những năm gần đây, đồng thời cũng đã có sự thay đổi định dạng thông thường NRZ (Non-Return-to-Zero), bao gồm RZ (Return-to-Zero), lưỡng cực hai mức, DPSK (Differential Phase-Shift Keying) và QPSK (Quaternary Phase-Shift Keying) Còn phương thức điều chế đa sóng mang thì dữ liệu được mang trên rất nhiều sóng mang con và kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của hệ

thống đa sóng mang, và gần đây nó đã nhận được sự quan tâm của cộng đồng truyền thông tin quang, đặc biệt sau khi nó được đề xuất như là các đường tryền tải dài trong việc tách sóng trực tiếp và tách sóng kết hợp

Các thí nghiệm trong truyền dẫn OFDM quang kết hợp (CO-OFDM) tốc độ

100 Gb/s bởi các nhóm khác nhau đã đưa OFDM quang vào cuộc đua cho các thế

hệ tiếp theo của truyền dẫn Ethernet 100 Gb/s

OFDM đã trở thành kỹ thuật điều chế hàng đầu trong lĩnh vực vô tuyến Nó

đã thành công trong hầu hết các chuẩn truyền thống chính, bao gồm mạng LAN không dây (IEEE 802.11 a/g, cũng được biết đến như Wi-Fi), tiêu chuẩn phát thanh

và truyền hình số (DAB / DVB), và đường truyền thuê bao số (DSL)

động thế hệ 4G và mạng thông tin thành thị băng rộng không dây khoảng cách lớn (WiMAX, hoặc IEEE 802.16) Mặc dù OFDM quang mới xuất hiện gần đây, nhưng

nó đã kế thừa được từ những cuộc tranh luận kéo dài hơn một thập kỷ qua trong thông tin vô tuyến về kỹ thuật truyền đơn sóng mang và đa sóng mang OFDM có lợi thế khi sử dụng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT), với sóng mang đơn kết hợp tiền tố lặp có thể đạt được trong kỹ thuật này Xét về bản chất của phương thức điều chế đa sóng mang thì OFDM có 2 đặc tính kỹ thuật thuận lợi sau Trước tiên so với truyền dẫn đơn sóng mạng thì OFDM có sự phân chia phổ được mở rộng từ các sóng mang con chia nhỏ tới một băng thông con và toàn bộ phổ OFDM, nó cung cấp khả năng linh động cao ở các thiết bị cũng như các hệ thống con hay các hệ thống thiết kế theo mức Thứ hai là sự thích ứng của các sóng mang con hoa tiêu dẫn đường pilot đồng thời với các sóng mang dữ liệu có thế rất nhanh và các phương pháp thích hợp cho ước lượng kênh và pha OFDM quang có cả các điểm tương đồng và khác biệt so với OFDM vô tuyến RF Hay nói cách khác, OFDM quang chịu được hai vấn đề rất tốt, đó là tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình cao (PAPR) và nhạy với nhiểu pha/tần số Một trong những khác biệt nổi bật là

sự tồn tại của kênh quang phi tuyến và sự tương tác phức tạp của nó với tán sắc sợi quang, đó là những cái không tồn tại trong các hệ thống vô tuyến RF Hơn thế nữa,

trong các hệ thống vô tuyến RF, tính chất phi tuyến xảy ra ở bộ khuếch đại công suất RF nơi mà một bộ lọc thông dải không thể loại bỏ được sự rò rỉ băng tần vượt quá do suy hao bộ lọc không thể chấp nhận được Tuy nhiên, trong hệ thống OFDM quang, bộ khuếch đại quang pha tạp EDFA (là bộ khuếch đại quang phổ biến nhất hiện nay) là hoàn toàn tuyến tính bất kể mức độ bão hòa, và nó sử dụng với một bộ ghép kênh đa bước sóng có thể loại bỏ được sự rò rỉ ngoài băng tần

Luận văn được chia làm 3 chương bao gồm:

Chương 1: Giới thiệu chung về Lịch sử của thông tin quang, xu hướng phát triển

trong tương lai cũng như mục tiêu và nội dung nghiên cứu chính của đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về Nguyên lý truyền dẫn quang trong đó đi sâu tìm hiểu

kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM; kỹ thuật OFDM trong các hệ thống thông tin vô tuyến

Chương 3: Nghiên cứu các kỹ thuật OFDM quang bao gồm kỹ thuật OFDM quang

kết hợp và OFDM quang tách sóng trực tiếp, nhằm phân tích đánh giá những ưu nhược điểm của từng phương pháp và kết quả đạt được của các phương pháp đó

Qua đây, tôi xin trân trọng cảm ơn gia đình tôi, các thầy, cô giáo trong khoa Điện tử -Viễn thông, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các bạn bè trong phòng thí

nghiệm Nghiên cứu và Phát triển Truyền Thông CRD, và đặc biệt là Tiến sĩ Đào

Ngọc Chiến - Thầy giáo trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình để tôi hoàn thành

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Lê Xuân Hòa

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Lịch sử của thông tin quang

Việc sử dụng ánh sáng như một phương tiện truyền thông là rất tự nhiên

và có thể được tìm thấy từ nhiều nền văn minh Ví dụ: dọc theo Vạn lý trường thành của Trung Quốc là một hệ thống truyền thông tương đối tinh vi gồm các tháp cảnh báo với rất nhiều cách thức giống như hệ thống thông tin quang hiện đại Sử dụng mầu của khói hay số lượng đèn để thông báo kích cỡ của đối tượng xâm nhập là một phương pháp thô của tín hiệu đa mức Tương tự với hệ thống truyền thông của ngày nay, các tháp cảnh báo được định vị dọc theo Vạn lý trường thành và các khoảng bảo vệ ở mỗi tháp, khi nhìn thấy tín hiệu từ tháp phía trước, nó sẽ gửi mẫu tín hiệu tương tự đến tháp tiếp theo Một bản tin có thể

sẽ bị trễ từ điểm này tới điểm kia của Vạn lý trường thành, với khoảng cách hơn

7300 km trong thời gian nhỏ hơn 1giờ

Hệ thống truyền thông tin quang đã lấy lại được chỗ đứng rất nhanh sau khi điện báo, điện thoại và các mạng vô tuyến ra đời vào nửa đầu thế kỷ 20 Tuy nhiên, vào cuối thế kỷ 20, khi mà các hệ thống cơ bản về điện đã đạt đến một điểm bão hòa về năng lực và hướng tiếp cận Một hệ thống truyền dẫn đồng trục đặc biệt hoạt động ở tốc độ 200 Mb/s cần phải được phát lặp lại tại mỗi km, điều

đó sẽ làm tăng chi phí vận hành Xu hướng tất yếu là phải nghiên cứu các hệ thống thông tin sóng ánh sáng, trong đó tốc độ dữ liệu có thể được tăng lên đáng

kể Điều này có được sau khi sáng chế và hiện thực hóa được laser, nó sinh ra nguồn kết hợp cho máy phát Những trở ngại còn lại là tìm ra một bước sóng ánh sáng thích hợp cho môi trường truyền dẫn Năm 1966, Kao và Hockman đã đề xuất ý tưởng sử dụng sợi quang làm môi trường truyền dẫn sóng ánh sáng mặc

dù thực tế lúc bây giờ sợi quang suy hao không thể chấp nhận được [10] Họ cho rằng sự tồn tại suy hao trong sợi quang ở thời điểm đó là do các tạp chất, có thể được loại bỏ dễ dàng hơn bất kỳ một hiệu ứng vật lý cơ bản nào như tán xạ

Rayleigh Các nhà nghiên cứu đã dự đoán trước đối với sợi quang dùng cho viễn thông kéo dài hơn 5 năm là 20 dB/km, và hiện tại các đặc tính kỹ thuật của sợi quang đơn mode có suy hao là 0,2 dB/km

Mặc dù suy hao của nó rất thấp so với các hệ thống vô tuyến RF, hệ thống quang vẫn tái tạo lại tín hiệu ở khoảng cách nhỏ hơn 100 km Cuối thập kỷ 80 và đầu những năm 90 của thế kỷ 20, hệ thống truyền thông tách sóng kết hợp đã được giới thiệu để nâng cao khoảng cách truyền [11,12,19] Tuy nhiên, nỗ lực đó đã bị phai

mờ sau khi phát minh ra bộ khuếch đại quang vào những năm 1990 Sự xuất hiện của bộ khuếch đại quang báo hiệu một kỷ nguyên mới của truyền thông tin quang, ở

đó một số lượng lớn các tín hiệu ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) có thể được truyền qua hàng nghìn kilomet [7]

Hình 1.1: Biểu diễn tốc độ dữ liệu/kênh và số lượng kênh trong các hệ thống truyền dẫn quang

Tốc độ dữ liệu/kênh tăng dần biểu diễn trên trục x, số lượng kênh chiều dài bước sóng trong một sợi quang được biểu diễn trên trục y Vào đầu những năm

1990, khả năng của hệ thống kênh truyền đơn đã đạt đến 10 Gb/s Hệ thống khuếch đại được đưa vào sử dụng và ngay lập tức đã tăng công suất thông qua hệ thống WDM Năm 2003, hệ thống WDM được triển khai rộng rãi với tốc độ 40 Gb/s cho

mỗi kênh Nghiên cứu gần đây đã chứng tỏ được ở tốc độ 21,7 Tb/s, và đã vượt qua được rào cản quang 10 Tb/s [21,27] Khả năng truyền với tốc độ 100 Tb/s đặt ra một thách thức cho cộng đồng truyền thông quang, đòi hỏi sự đổi mới của khuếch đại quang, dạng điều chế hay thiết kế sợi quang

1.2 Xu hướng phát triển

Sự xuất hiện của internet về cơ bản đã làm thay đổi cơ sở hạ tầng truyền thông thông tin bên dưới Tốc độ tăng trưởng băng thông đã dẫn đến việc xây dựng truyền thông toàn cầu vào cuối thập niên 1990 và đầu thập niên 2000, trùng hợp với

sự tiến bộ kỹ thuật cực kỳ nhanh trong thông tin quang được ấn định bởi các hệ thống khuếch đại quang Lưu lượng truy cập internet đã nhanh chóng tăng lên mặc cho sự bùng nổ tiếp theo được gọi là “internet bong bóng” Nhiều ứng dụng mới đã nổi lên, như YouTube và IPTV với yêu cầu băng thông rộng

Hình 1 2: Biểu diễn sự tăng trưởng về lưu lượng truy cập Internet

Hình 1.2 biểu diễn dự án của Cisco về lưu lượng truy cập Internet đến năm

năm Đây là sự tăng trưởng phi thường đã tạo áp lực rất lớn đối với cơ sở hạ tầng thông tin ở mọi cấp độ, từ mạng lõi đến mạng metro và mạng truy cập Trong phần dưới đây, chúng tôi xác định một số xu hướng trong các mạng truyền thông quang

1.2.1 Giải pháp cho mạng Ethernet 100 Gb/s

Sự tiến hóa và phát triển của Ethernet (IEEE 802.3) trong suốt 30 năm qua

đã mở rộng từ môi trường chia sẻ gốc là kỹ thuật LAN, đến một tiêu chuẩn đáng tin cậy trên tất cả các cấp mạng từ các mạng LAN đến các mạng MAN/WAN Vì sự sẵn có của một loạt các sản phẩm và ứng dụng phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 802.3, Ethernet đã trở thành công nghệ truyền thông hiệu quả cả về chi phí và độ tin cậy

Có hai cách điều chỉnh để tăng tốc độ truyền dẫn Ethernet đạt 10 Gb/s (10 GbE) Thứ nhất là lưu lượng của đường trục IP đã phát triển quá nhanh trong năm 2007, một số nhà cung cấp dịch vụ internet lớn đã cung cấp kết nối trung kế từ bộ định tuyến này tới bộ định tuyến khác đạt trên 100 Gb/s [15] Các ứng dụng nổi lên rất mới, như truyền hình internet, yêu cầu băng thông gấp 3 lần vào năm 2011 với khả năng kết nối IP sẽ là 1 Tb/s [4] Thứ 2, sự di chuyển của tốc độ đường truyền từ 10 GbE đến 100 GbE dự kiến sẽ đạt được với chi phí hoạt động và giá thành giảm Mong muốn của đường truyền 100 GbE sẽ hoạt động gấp 4, 5 lần 10 GbE với chi phí giảm cho mỗi Gb/s Việc tăng lên 100 GbE cũng dẫn tới đường truyền giữa các

bộ định tuyến IP có băng thông lớn hơn một chút, và nó trông đợi việc giảm kế hoạch lưu lượng và chi phí vận hành

1.2.2 Sự xuất hiện của các mạng cấu hình lại linh động

Sự tăng trưởng mạnh mẽ của các ứng dụng internet hình ảnh băng thông rộng sẽ tạo sức ép lớn cho các mạng truyền thông truyền thống Mặc dù khả năng liên kết có thể được tăng cường nhờ sự dịch chuyển tốc độ truyền dẫn lên 40 Gb hoặc 100 Gb hoặc tăng nhiều kênh WDM, đơn giản như tăng thêm khả năng truyền thông tin quang khi thông tin được phát giữa hai điểm đơn trong mạng điểm tới điểm Tuy nhiên, để thích ứng với mô hình yêu cầu băng thông thay đổi lên, đòi hỏi các mạng quang có thể thêm, bớt và định tuyến một cách linh hoạt chiều dài bước sóng các kênh tại rất nhiều các nốt riêng lẻ Điều này được thực hiện rất tốt trong lĩnh vực quang để tiết kiện chi phí cho các bộ phát đáp không cần thiết liên quan tới sự chuyển đổi từ quang sang điện và ngược lại từ điện

sang quang Hình thức quản lý băng thông quang này có thể đạt được bởi bộ ghép kênh thêm, bớt quang có thể cấu hình lại ROADM Hình 1.3 cho thấy một cấu hình tiêu biểu của bộ ROADM, xây dựng trên mạng lõi để có thể kết nối cùng nhau với nhiều mạng phân phối Trong quang, số lượng các nút ROADM có thể đạt được là

20 nút tương ứng với khoảng cách hơn 1000 km Kể từ khi được giới thiệu vào năm

2003, các bộ ghép kênh ROADM đã trở nên quan trọng trong mạng lõi và là đặc tính cần thiết trong việc triển khai DWDM (ghép kênh theo bước sóng mật độ cao)

Xu hướng cho các mạng có thể cấu hình được với tốc độ truyền dẫn có thể lên tới

100 Gb/s đặt ra hai thách thức chính trong thiết kế mạng Trước hết, tín hiệu cực kỳ nhạy cảm với sự tán sắc ánh sáng, sự tán sắc phân cực mode (PMD), các hiệu ứng lọc ROADM và sự không hoàn hảo của các thành phần quang điện Ví dụ, dung sai cho phép đối với sự tán sắc ánh sáng khi sử dụng điều chế NRZ thông thường là cần phải giảm 100 lần khi tốc dộ đường truyền tăng từ 10 – 100 Gb/s Như vậy, nó bắt buộc sử dụng bù tán sắc quang cho mỗi kênh Hơn nữa, để cung cấp đường truyền dài khoảng cách 1000 km, ngay cả đường dẫn quang tốt nhất cũng yêu cầu bù tán sắc quang PMD cho tốc độ hon 100 Gb/s Việc bù quang cho PMD là tổn hao, cồng kềnh và đắt tiền [22,25]

Hình 1.3: Sự kết hợp của các bộ ROADM trong mạng quang

Nghi ngờ rằng một sự thâm nhập tàn bạo tới 100 GbE có thể đạt được mục tiêu đầu tiên là tiết kiệm chi phí Thứ hai, mạng quang hiện tại thiếu linh động so với mạng vô tuyến, nó khó hơn trong việc cài đặt, bảo trì và quản trị, do đó để hoạt động được sẽ khá tốn kém Hay một hệ thống truyền dẫn quang thích ứng cho một mạng quang nhanh nhẹn và có thể cấu hình lại là rất cần thiết để cung cấp lưu lượng cao và luôn phát triển nhu cầu người dùng

1.2.3 Truyền dẫn quang điều khiển bằng phần mềm

Để đáp ứng với sự nổi lên của một chuẩn vừa số vừa tương tự vào những năm 1980, khái niệm về phát thanh điều khiển bằng phần mềm (SDR) được đề xuất như một giải pháp thiết thực [1,16], gọi là phần mềm thực hiện chức năng thu phát phát thanh, đó có thể là tính linh động thích nghi với môi trường người dùng thay vì dựa trên phần cứng chuyên dụng SDR không có nghĩa là một kỹ thuật điều chế đặc biệt, mà nó chỉ thúc đẩy xu hướng giảm xuống từ tương tự sang số trong truyền thông không dây Không lấy làm ngạc nhiên khi xuất hiện một thử thách tương tự trong truyền thông tin quang hiện đại, trong đó nhiều loại điều chế tiên tiến [6,18,26] đã được đề xuất cho các thế hệ tiếp theo của truyền đẫn Ethernet 100 Gb/s Đây có thể là tín hiệu hướng tới truyền dẫn quang điều khiển bằng phần mềm (SDOT), ở đó bộ thu phát tín hiệu có thể được thích nghi hoặc cấu hình lại cho các chuẩn phức tạp hoặc nhiều dạng điều chế phức tạp [28] Đặc biệt, chúng ta có thể

dự tính ra một SDOT thông minh, một khái niệm tương tự như SDR, cái mà có thể:

1 Tự động thiết lập liên kết vật lý mà không có sự can thiệp của con người, ví dụ,

đo suy hao, tán sắc của đường truyền và thiết lập được các mô-đun bù tán sắc

2 Thiết kế một tốc độ truyền quang cho đường truyền với số dư vừa đủ

3 Có thể hoạt động ở chế độ đa mode, lựa chọn để chạy ở chế độ đa sóng mang hoặc đơn sóng mạng và

4 Báo cáo một cách chính xác các thông số điều kiện kênh, bao gồm OSNR, tán sắc màu, PMD, và SNR điện, nó có thể xác định được lỗi hoặc dự đoán cảnh báo lỗi trước khi nó xảy ra

Chúng tôi dự đoán rằng xử lý tín hiệu số điện tử có thể sử dụng truyền dẫn quang điều khiển bằng phần mềm SDOT, dẫn tới một mô hình cơ bản chuyển dổi từ mạng quang học linh hoạt ngày nay thành mạng quang học cực mạnh “plug-and-play” trong tương lai Việc giới thiệu SDOT tập trung vào tính tự động và có thể cấu hình được sẽ có chi phí thấp hơn việc duy trì và hoạt động, tất cả đều quan trọng để đảm bảo tính bền vững của cơ sở hạ tầng thông tin, có thể tăng thêm chi phí - hiệu suất với yêu cầu băng thông lớn

Hình 1.4: Sơ đồ truyền dẫn quang điều khiển bằng phần mềm SDOT

Sơ đồ khái niệm của SDOT được thể hiện ở hình 1.4 Một sự khác biệt nổi bật từ hệ thống quang học thông thường là sự có mặt của bộ chuyển đổi số-tương tự/tương tự-số (DAC/ADC) và khối xử lý tín hiệu số DSP trong kiến trúc của SDOT Toàn bộ hệ thống thông tin được phân vùng vào miền tương sự và số bởi hai khối DAC/ADC Với mục đích ứng dụng và tối ưu hóa, có các tương tác tốc độ thấp giữa các DSP, DAC/ADC, và các thiết bị đầu cuối Một lần nữa, SDOT thúc đẩy việc di chuyển từ tương tự sang số để tăng cường truyền dẫn quang thích nghi linh động với kênh truyền dẫn và cấu hình lại tới dạng điều chế thích hợp

Chuyển đổi tương tự-số có thể được tốt hơn bởi một cuộc thảo luận về sự phát triển của sự bù phân tán điện tử (EDC) Các phương pháp tiếp cận rất sớm của EDC dựa trên phần cứng, bao gồm bộ cân bằng chuyển tiếp feed (FFE), bộ cân bằng phản hồi (DFE), với các cải tiến hiệu quả hạn chế [2] Tuy nhiên, tiếp theo

EDC qua DSP đã thể hiện nhiều hơn nữa sự cải tiến hiệu suất lên đáng kể [3].SDOT về bản chất cũng cung cấp một kiến trúc chung cho các EDC thông qua DSP

Ví dụ, các thiết bị đầu cuối của hệ thống quang thông thường trong hệ thống điều chế cường độ/tách sóng trực tiếp (IM/DD), sự ước lượng chuỗi hợp lệ lớn nhất (MLSE) có thể được sử dụng [5,8]; Một bộ điều chế biên độ/pha quang (IQ) và tách sóng trực tiếp, việc đền bù trước hết có thể được sử dụng [13,17]; cho một thiết bị đầu cuối tách sóng kết hợp, sự ước lượng pha số có thể được sử dụng để thay thế các vòng khóa pha quang thông thường [14]; và tại đầu cuối cho một bộ điều chế IQ quang và bộ tách sóng quang kết hợp, CO-OFDM có thể được nhận ra [9,23,24] Các thiết bị đầu cuối trong các ví dụ này khá là khác biệt, nhưng tất cả đều tận dụng lợi thế của DSP để nâng cao hiệu suất lên đáng kể của dung sai tán sắc, và chúng có thể được mô tả thông qua các kiến trúc chung của SDOT thể hiện trong hình 1.4

1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Do những ưu điểm hơn hẳn phương tiện truyền dẫn khác mà cáp quang ngày càng được nhiều nước trên thế giới sử dụng làm phương tiện truyền dẫn thông tin của mình, nó tốt hơn hẳn so với phương tiện truyền dẫn qua vệ tinh đồng thời nó còn là phương tiện truyền dẫn an toàn nhất trong mọi điều kiện Nó đóng vai trò đa năng trong truyền dẫn dịch vụ viễn thông có chất lượng cao, đồng bộ và hiện đại như truyền số liệu phục vụ hội nghị truyền hình, truy nhập dữ liệu từ xa

Cáp quang sẽ dần dần thay thế cáp kim loại: cồng kềnh và tốt kém Bằng nhiều phương pháp như chôn dưới đất, treo và mắc theo các cột điện lực xâm nhập đến từng gia đình, đến từng thôn, xã, phố, phường Nó sẽ xuyên trái đất, vượt đại dương kết nối vào mạng thông tin quốc tế, truyền dẫn đa dịch vụ viễn thông phục

vụ mọi yêu cầu của loài người trên con đường hội nhập và phát triển kinh tế thương mại, nghiên cứu khoa học, giáo dục, văn hoá, đời sống trong thời đại thông tin hện nay Do đó mà việc nghiên cứu các vấn đề liên quan đến thông tin quang luôn

được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm Một trong các vấn đề trên là kỹ thuật ghép kênh trong truyền dẫn quang Hiện tại hệ thống truyền dẫn quang đang áp dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM, do hạn chế về dung lượng và băng thông cũng như các vấn đề về xuyên nhiễu, tích lũy tạp âm, tích lũy tán sắc, và các hiệu ứng quang học phi tuyến nên vấn đề đặt ra là phải tìm một phương pháp mới khắc phục được những hạn chế của phương pháp WDM Trong luận văn này tôi xin được trình bày về việc ứng dụng kỹ thuật OFDM trong hệ thống truyền dẫn quang

Do OFDM vốn là kỹ thuật phát triển cho hệ thống thông tin vô tuyến nhằm tăng hiệu suất phổ Nó cũng đã được ứng dụng rộng rãi như: Phát thanh số DAB, Truyền hình số mặt đất DVB-T, Wimax … Nhưng do môi trường truyền dẫn của hệ thống thông tin vô tuyến là không gian tự do nên chịu sự tác động của thời tiết, địa hình, thuộc tính kênh truyền thay đổi thường không biết trước Vì thế mà việc đưa OFDM vào trong hệ thống quang đã làm tăng các loại hình dịch vụ do tốc độ cao, băng thông rộng…

1.3.2 Nội dung nghiên cứu chính

Một trong những thế mạnh chính của phương thức điều chế ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) là sự thay đổi phong phú và dễ dàng thích ứng với một loạt các ứng dụng Trong hệ thống không dây, OFDM đã được kết hợp trong mạng không dây LAN (IEEE 802.11a/g như Wi–Fi), WAN (IEEE 802.16e, như WiMAX), và hệ thống phát thanh/truyền hình số (DAB/DVB) đă được triển khai ở hầu hết các khu vực trên thế giới Trong các hệ thống cáp RF, OFDM đã được kết hợp trong truy cập băng rộng ADSL, và VDSL thông qua đường dây đồng điện thoại hoặc đường dây điện Các kết quả phong phú này có được là do chính lợi thế của phương thức điều chế OFDM, bao gồm chống lại sự tán xạ, dễ dàng ước lượng

và giảm thiểu nhiễu trong kênh động, hiệu suất phổ cao… Sự phát triển của OFDM quang được kế thừa những lợi thế phong phú đó Chúng ta đã được chứng kiến rất nhiều các đề xuất lý thuyết và mô phỏng cho các hệ thống OFDM quang với rất nhiều các ứng dụng khác nhau, mục đích tận dụng các ưu thế của OFDM nói trên

nó đã gây ngạc nhiên khi lần đầu tiên OFDM quang được nhắc đến ở một tạp chí

mở rộng vào năm 1996, Pan và Green [20] đã trình bày những phân tích rất sâu về

hệ thống sợi quang với kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang lai AM/OFDM Sự thiếu quan tâm tới OFDM trong quá khứ chủ yếu là do thực tế lúc bây giờ nguồn xử lý tín hiệu Silicon chưa đạt được độ tinh vi như việc xử lý tín hiệu OFDM có thể thực hiện trong một mạch tích hợp CMOS (IC)

Nội dung của Luận văn xin được trình bày về nguyên lý truyền dẫn quang,

kỹ thuật điều chế OFDM trong thông tin vô tuyến, nhưng chủ yếu giới thiệu và phân tích các phương pháp tách sóng quang Có hai phương pháp tách sóng quang

là OFDM quang tách sóng kết hợp (Coherent Optical OFDM) và OFDM quang tách sóng trực tiếp (Direct Ditection Optical OFDM) Mặc dù phương pháp OFDM quang tách sóng trực tiếp là phương pháp chính của truyền thông quang trong hai thập kỷ qua, nhưng tương lai phương pháp OFDM quang kết hợp sẽ được ứng dụng nhiều hơn

Tài liệu tham khảo

[1] Abidi A The path to the software-defined radio receiver IEEE J Solid-State

Circuits 2007;42:954–66

[2] Buchali F, Bulow H Adaptive PMD compensation by electrical and optical

techniques J Lightwave Technol 2004;22:1116–26

[3] Bulow H Electronic dispersion compensation In: Opt Fiber Commun Conf.,

paper no OMG5 Anaheim, CA; 2007

[4] Cisco Inc Approaching the zettabyte era Information available at http://www.cisco.com/en/US/solutions/collateral/ns341/ns525/ns537/ns705/ns827/white_paper_c11-481374_ns827_Networking_Solutions_White_Paper.html

[5] Fa¨rbert A Application of digital equalization in optical transmission systems

In: Opt Fiber Commun Conf., paper no OTuE5 Anaheim, CA; 2006

[6] Fludger CRS, Duthel T, Van Den Borne D, et al Coherent equalization and

POLMUX-RZ-DQPSK for robust 100-GE transmission J Lightwave Technol

2008;26:64–72

[7] Gnauck AH, Tkach RW, Chraplyvy AR, Li T High-capacity optical

transmission systems J Lightwave Technol 2008;26:1032–45

[8] Haunstein HF, Schorr T, Zottmann A, Sauer-Greff W, Urbansky R

Performance comparison of MLSE and iterative equalization in FEC systems for PMD channels with respect to implementation complexity J Lightwave Technol

2006;24(11):4047–54

[9] Jansen SL, Morita I, Takeda N, Tanaka H 20-Gb/s OFDM transmission over

4160-km SSMF enabled by RF-Pilot tone phase noise compensation In: Opt Fiber

Comm Conf., paper no PDP15 Anaheim, CA; 2007

[10] Kao KC, Hockman GA Dielectric-fiber surface waveguides for optical

frequencies Proc IEEE 1966;113:1151–8

[11] Kazovsky L Multichannel coherent optical communications systems J

Lightwave Technol 1987;5:1095–102

[12] Kahn JM, Habbab IMI, Giles CR 1Gbit/s zero-IF DPSK coherent optical

system using a single photodetector IET Elect Lett 1988;24:1455–7

[13] Killey RI, Watts PM, Mikhailov V, Glick M, Bayvel P Electronic dispersion

compensation by signal predistortion using digital processing and a dual-drive Mach–Zehnder modulator IEEE Photon Technol Lett 2005;17:714–6

[14] Ly-Gagnon DS, Tsukamoto S, Katoh K, Kikuchi K Coherent detection of

optical quadrature phase-shift keying signals with carrier phase estimation J

Lightwave Technol 2006;24:12–21

[15] Melle S, Jaeger J, Perkins D, Vusirikala V Market drivers and implementation options for 100-gbe transport over the WAN IEEE Applications Practice 2007;45:18–24

[16] Mitola J The software radio architecture IEEE Commun Magazine

1995;33(5):26–38

[17] McGhan D, Laperle C, Savchenko A, Li C, O’Sullivan 5120-km RZ-DPSK

transmission over G.652 fiber at 10 Gb/s without optical dispersion compensation

IEEE Photon Technol Lett 2006;18:400–2

[18] Noe´ R Phase noise tolerant synchronous QPSK/BPSK baseband type

intradyne receiver concept with feedforward carrier recovery J Lightwave Technol

2005;23:802–8

[19] Okoshi T Heterodyne and coherent optical fiber communications: Recent progress IEEE Trans Microwave Techniques 1982;82:1138–49

[20] Pan Q, Green RJ Bit-error-rate performance of lightwave hybrid AM/OFDM

systems with comparison withAM/QAM systems in the presence of clipping impulse

noise IEEE Photon Technol Lett 1996;8:278–80

[21] Sano A, Yamada E, Masuda H, et al 13.4-Tb/s (134 _ 111-Gb/s/ch)

no-guard-interval coherent OFDM transmission over 3600 km of SMF with 19-ps average PMD In: Eur Conf Opt Commun., paper no Th.3.E.1 Brussels, Belgium; 2008

[22] Sunnerud H, Xie C, Karlsson M, Samuelsson R, Andrekson PA A comparison

between different PMD compensation techniques J Lightwave Technol

2002;20:368–78

[23] Shieh W, Athaudage C Coherent optical orthogonal frequency division

multiplexing Electron Lett 2006;42:587–9

[24] Shieh W, Yi X, Tang Y Transmission experiment of multi-gigabit coherent

optical OFDM systems over 1000 km SSMF fiber Elect Lett 2007;43:183–4

[25] Takahashi T, Imai T, Aiki M Automatic compensation technique for timewise

fluctuating polarisation mode dispersion in in-line amplifier systems IET Elect Lett

1994;30:348–9

[26] Winzer PJ, Raybon G, Duelk M 107-Gb/s optical ETDM transmitter for 100

G Ethernet transport In: Eur Conf Opt Commun., paper no Th4.1.1 Glasgow,

Scotland; 2005

[27] Yu J, Zhou X, Huang M, et al 21.7 Tb/s (161 _ 114 Gb/s) polmux-RZ-8PSK

transmission over 662 km of ultra-low loss fiber using C-band EDFA amplification

and digital coherent detection In: Eur Conf Opt Commun., paper no Th.3.E.2

Brussels, Belgium, 2008

[28] Yi X, Shieh W, Ma Y Phase noise effects on high spectral efficiency coherent

optical OFDM transmission J Lightwave Technol 2008;26:1309–16

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Nguyên lý truyền dẫn quang

2.1.1 Sơ lược về WDM và một số công nghệ WDM

2.1.1.1 Sự ra đời của công nghệ truyền dẫn quang WDM

những nhu cầu cùng với sự phát triển của các dịch vụ mới, sự phát triển mạnh mẽ của Internet và World Wide Web Bên cạnh đó thì các nhà khai thác mạng, những

tổ chức kinh doanh cần có một mạng tốc độ cao để có thể triển khai các dịch vụ mới của mình đến khách hàng Họ cũng cần những mạng tốc độ cao dùng để kết nối giữa các văn phòng trong cùng một tổ chức hay những công ty, các tòa nhà và nhà

máy với nhau để có thể thực hiện việc giao dịch thương mại

khác Như suy hao thấp cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận Băng thông rất rộng

có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao, trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, hoàn toàn cách điện, không bị can nhiễu bởi trường điện từ, xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể…Nói chung dùng hệ thống thông tin sợi quang kinh tế hơn so

với sợi kim loại với cùng dung lượng và cự ly

Hình 2 1: Hình vẽ biểu diễn khu vực suy hao thấp của một sợi quang

Bước sóng (nm) Suy hao

dB/km

ƒ Với việc bãi bỏ và phá vỡ sự độc quyền trong Viễn Thông đã dẫn đến sự kích thích trong cạnh tranh và phát triển của thị trường, dẫn đến giá thành các dịch

vụ của người tiêu dùng ngày càng giảm và các nhà làm mạng cũng nhanh chóng triển khai những công nghệ mới và những kỹ thuật tiên tiến để có thể tăng khả năng

cạnh tranh của mình trong các dịch vụ đòi hỏi tốc độ và chất lượng

lưu lượng thoại do đó khi các dịch vụ mới ra đời đòi hỏi cần phải có một mạng mới thích hợp hơn vừa đáp ứng tốt cho lưu lượng thoại đồng thời các dịch vụ cộng thêm

như truyền data…

chỉ sử dụng một kênh bước sóng trong sợi quang không còn thỏa mãn được yêu cầu

băng thông ngày càng tăng của con người

(STM-64) trên một sợi quang Tuy nhiên khi tốc độ bít lớn hơn 10 Gb/s việc ứng dụng kỹ thuật TDM trở nên khó khăn vì giới hạn của các mạch điện tử → dẫn đến hạn chế khả năng tăng dung lượng đường truyền bằng kỹ thuật TDM như 40 Gb/s (STM-128)→ do đó cần giải pháp tăng dung lượng đường truyền và khai thác các

tiềm năng băng thông cực lớn của sợi quang

+ WDM hay + OFDM + OTDM + SCM

+ OCDM Với những nhân tố cùng đặc điểm trên đã dẫn đến sự phát triển của mạng quang dung lượng cao và công nghệ để đáp ứng cho việc xây dựng các mạng quang dung lượng cao này đó là sự ra đời của công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM là giải pháp được lựa chọn và sử dụng phổ biến hiện nay

2.1.1.2 Sơ lược về WDM

quang truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang với nhiều bước sóng khác nhau” WDM là một cuộc cách mạng về công nghệ truyền dẫn quang làm tăng dung lượng

tín hiệu truyền trên một sợi quang

Hình 2.2: Hình vẽ biểu diễn một sợi quang chứa đựng nhiều bước sóng khác nhau

Đây là một loại công nghệ gần giống như ghép kênh phân chia theo tần số Frequency Division Multiplexing (FDM)

2.1.1.3 Một số công nghệ WDM

Sử dụng công nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn rất lớn của sợi quang bằng cách truyền đồng thời nhiều kênh bước sóng trên cùng một sợi quang Tuy nhiên, để tránh hiện tượng nhiễu xuyên kênh, giữa các kênh phải có khoảng cách nhất định Qua nghiên cứu, ITU-T đã đưa ra cụ thể các kênh bước sóng và khoảng cách giữa các kênh này có thể lựa chọn ở các cấp độ 200 GHz, 100 GHz, 50 GHz

Ở đây có một vài loại công nghệ WDM khác nhau, mỗi một loại được thiết kế cho những ứng dụng đặc biệt khác nhau

♦ CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing): là một loại công

nghệ WDM ở cấp độ vừa phải sử dụng ít kênh bước sóng, đồng thời khoảng cách giữa các bước sóng lớn nên dung lượng không cao Các thiết bị đơn giản hơn đồng

thời giá thành cũng thấp hơn so với công nghệ DWDM, công nghệ CWDM thường được áp dụng trong các mạng Metro hay cho những đòi hỏi ứng dụng thấp Khoảng cách giữa các kênh trong CWDM được qui định bởi ITU-T

♦ DWDM (Dense Wavelength Division Multiplelxing): là công nghệ được

thiết kế để hỗ trợ cho truyền khoảng cách xa, các tuyến quang đường dài haul)

(long-Hình 2.3: Hệ thống DWDM và các bộ khuếch đại quang

Hệ thống DWDM chỉ vận hành với các bước sóng ở cửa sổ quang thứ ba (băng C và băng L) vì có suy hao thấp, khoảng cách giữa các kênh bước sóng trong DWDM hẹp nên các thiết bị trong hệ thống DWDM đòi hỏi chi phí cao hơn so với các thiết bị trong hệ thống CWDM (như laser, bộ lọc… và các thiết bị khác) vì nó yêu cầu hoạt động ổn định và độ chính xác cao

♦ FWDM (Filter Wavelength Division Multiplexing): Đây là một dạng

công nghệ WDM đơn giản, nó chia một băng truyền dẫn thành hai băng phụ FWDM đặc trưng cho việc truyền dẫn song hướng trên một sợi quang, sử dụng công nghệ FWDM nâng cao khả năng truyền dẫn lên gấp đôi Đây là công nghệ không cần yêu cầu sự ổn định đặc biệt FWDM được sử dụng cho cả hai loại MMF

(850/1310 nm) và loại SMF với nhiều cách kết hợp (1310/1550 nm, 1550/1625 nm, băng S/L, băng C/L…)

2.1.1.4 Ưu và nhược điểm của công nghệ WDM

* Ưu điểm của công nghệ WDM:

ATM, IP…) không phụ thuộc vào giao thức và tốc độ bít → tính trong suốt

- Mạng đường trục, tuyến đường dài

- Mạng phân phối kiểu quảng bá

- Mạng LAN, mạng thế hệ mới NGN (trên nền IP/DWDM )

- Thêm băng (dùng cả băng L và băng C)

- Tăng số bước sóng sử dụng trong băng, tăng dung lượng bit trên 1 bước sóng

- Một sợi quang có thể truyền nhiều bước sóng

- Tăng dung lượng cho hệ thống đã xây dựng

- Chất lượng truyền dẫn của kênh quang rất cao

- Các kênh quang được bảo vệ tốt nhờ thiết bị chuyển mạch quang

- Nhiều thiết bị của lớp quang như bộ ghép kênh quang OMUX, bộ thêm bớt quang OADM chỉ gồm các linh kiện thụ động, tuổi thọ rất cao

- Đáp ứng cung cấp kênh, luồng nhanh và tin cậy

- Khả năng định tuyến và chuyển mạch tốt

* Nhược điểm của công nghệ WDM:

(chỉ mới tận dụng băng C và băng L)

2.1.2 Sơ lược về mạng quang WDM

tất cả các đường quang, điểm nối điểm

miền điện

quang OXC chúng thông qua một số thiết bị phát/thu quang nối đến miền quang

do bộ ghép/tách kênh bước sóng quang và ma trận chuyển mạch quang tạo thành (WRS) có thể làm cho kênh quang đã chọn trực tiếp thông qua điểm nút truyền dẫn quang, nối chéo với các đường kết nối khác, hoặc nối tại chỗ vào luồng đi hay luồng

đến

bằng một tuyến quang 2 chiều

mạng khác nhau trong mạng viễn thông, nó bao gồm các mạng backbone (mạng đường trục), mạng truy nhập nội hạt và các mạng LANs Ở đó mạng đường trục là

mạng tiên phong trong việc áp dụng công nghệ WDM

+ Các mạng quang WDM có thể nâng cấp dung lượng truyền dẫn quang

và lưu lượng ra tại điểm nút, đáp ứng được yêu cầu cho các mạng thông tin tốc độ

cao trong tương lai

khuôn dạng của tín hiệu Do đó, có thể xây dựng các mạng quang truyền dẫn trong

suốt cho nhiều loại tín hiệu khác nhau

tuyến động của mạng và tự động khôi phục khi có sự cố tạo thành mạng truyền dẫn

quang linh hoạt và mềm dẻo

2.1.3 Cấu trúc mạng quang WDM

Về cơ bản chúng ta có thể phân loại các mạng WDM thành hai loại cơ bản dựa trên phương thức truyền dẫn thông tin của chúng Hai loại kiến trúc mạng WDM đó là kiến trúc mạng lựa chọn quảng bá (broadcast-and-slect) và kiến trúc

mạng kiểu định tuyến bước sóng (wavelength-routed ) [11]

2.1.3.1 Kiến trúc mạng WDM kiểu lựa chọn và quảng bá

nối điểm là một trường hợp riêng của nó

nhất của mạng xương sống sử dụng công nghệ WDM

Mỗi kênh bước sóng được sử dụng để truyền tải một luồng dữ liệu riêng biệt Tất cả các kênh bước sóng được tổ hợp thành một chùm sáng tại bộ ghép bước

sóng WDM để đưa vào một sợi quang

Ở đầu thu chùm sáng sau khi đã tổ hợp nhiều bước sóng lại sẽ được tách ra bằng bộ tách kênh WDM Sau đó, những tín hiệu trong mỗi kênh bước sóng sẽ được chuyển sang miền điện qua bộ tách sóng quang–O/E Khi đó, một kênh bước sóng

có thể tương đương với truyền dẫn một sợi quang đơn mode trong mạng SDH

Trong hình thức truyền dẫn hai chiều một sợi quang, các kênh bước sóng có thể sử dụng cho cả hai hướng đi và về hoặc có thể cho cả hình thức một chiều hai sợi quang

Ưu điểm của cấu trúc WDM điểm-điểm là cho phép tăng độ rộng băng thông

nhờ truyền được nhiều kênh với chi phí thấp

Tuy nhiên, hạn chế của cấu trúc này là băng tần của mỗi kênh bước sóng không được sử dụng hiệu quả vì hạn chế tốc độ của các thiết bị điện tử làm gây ra hiện tượng nghẽn cổ chai điện-quang Đồng thời độ linh hoạt của cấu trúc mạng này không cao do các kết nối chỉ sử dụng một bước sóng cố định

Những hạn chế của cấu trúc mạng WDM điểm nối điểm sẽ được cải thiện trong cấu trúc mạng WDM có định tuyến bước sóng quang

được từ mỗi node đến tất cả các node khác, và chức năng định tuyến không cần thiết trong kiểu mạng này Với kiến trúc mạng đơn giản và dễ điều khiển đây là ưu điểm của kiểu kiến trúc mạng này Hầu hết các mạng LAN (local are networks) và token rings, FDDI,… thường sử dụng kiểu kiến trúc mạng broadcast-and-slect Và hai loại topologies phổ biến rộng rãi cho kiểu mạng này đó là star topologies và bus topologies (Hình 2.4 và Hình 2.5)

Trong cả hai topologies hình Bus và hình Sao thì một node sẽ gửi thông tin của chúng đến tất cả các node trong mạng Một node của mạng sẽ quan tâm đến thông tin broadcast từ node khác nếu phù hợp với chính nó thì nó sẽ lựa chọn bước sóng mang thông tin đúng của nó để nhận chúng, Như vậy theo cách

đó thì ở mỗi node phải trang bị các bộ tunable detectors hay các bộ receivers

Hình 2.5: Hình vẽ mạng Broadcast-and-slect sử dụng kiểu Bus topology

Các Nodes trong mạng quảng bá và lựa chọn bước sóng được kết nối bởi các đường quang và các couplers Một coupler quang là thành phần thụ động chúng được sử dụng cho việc kết hợp hay phân chia các tín hiệu trong hoặc từ một sợi quang Đặc điểm của coupler là suy hao phản hồi phải thấp, khả năng thích ứng với môi trường, có độ tin cậy lâu và thực hiện được nhiều cấp độ

Theo như phân tích thì đối với kiểu mạng hình sao với N nodes thì chứa

N nodes thì sử dụng 2N 2x2 couplers Nhìn chung thì các kiểu kiến trúc mạng broadcast-and-select không thích hợp để triển khai các mạng diện rộng WAN hay các mạng đường trục (long haul networks) vì các lý do như sự lãng phí năng lượng quang Năng lượng quang của tín hiệu truyền dẫn hầu như được chia đều cho tất cả các điểm nút mạng khi đi qua chúng Mặt khác mỗi node cần có một bước sóng khác nhau với khả năng có hạn của số bước sóng hiện nay dẫn đến số

node trong mạng cũng bị giới hạn do đó đã cản trở việc triển khai kiểu kiến trúc này cho các mạng WAN hay Long-haul networks

2.1.3.2 Kiến trúc mạng WDM kiểu định tuyến bước sóng

Ngược lại với kiến trúc mạng WDM kiểu broadcast-and-select thì kiến trúc mạng WDM kiểu wavelength-routed đầy hứa hẹn để triển khai cho các mạng diện rộng WANs, MANs và các mạng đường dài (long-haul networks) Để tránh việc truyền các tín hiệu không cần thiết đến các node ở đó chúng không yêu cầu, thì các bộ máy định tuyến bước sóng được triển khai và tận dụng Sự đa dạng của các phần tử quang để xây dựng các mạng WDM chúng bao gồm các bộ khuếch đại quang băng rộng (OAs), các bộ ghép kênh quang thêm bớt (OADMs),

và các bộ kết nối chéo quang (OXC)

Như vậy chúng có khả năng định tuyến dữ liệu đến đích cho từng thành viên dựa trên các bước sóng của chúng Các mạng toàn quang tận dụng công nghệ ghép bước sóng WDM và định tuyến bước sóng dùng làm các giải pháp cho các mạng diện rộng (WANs) và các mạng đô thị (MANs) Việc sử dụng bước sóng định tuyến, thì dữ liệu được xem như định tuyến bước sóng và công nghệ định tuyến bước sóng áp dụng cho các mạng quang thì được xem như các

mạng định tuyến bước sóng

Trong các mạng, mỗi kết nối giữa một cặp node mạng được gán cho một đường quang và một bước sóng duy nhất xuyên suốt trong mạng Một kết nối từ một node đến một node khác, được thiết lập trên một bước sóng có liên quan được xem như một đường quang Các kết nối với các đường ở đó chia sẻ một

link chung ở trong mạng được gán cho các bước sóng khác nhau

Hai node cuối sử dụng một vài giao thức và loại tín hiệu như tương tự hay tín hiệu số để điều chế tín hiệu quang Những mạng quang WDM định tuyến bước sóng theo cách trên có những ưu điểm như giao thức trong suốt và quản lý

đơn giản, so sánh để định tuyến các hệ thống thông tin sử dụng các bộ kết nối

chéo số

Trong các mạng WDM định tuyến bước sóng, ở các node tận dụng các bộ kết nối chéo quang mỗi một bước sóng nó có thể được chuyển mạch từ một link này đến một link khác Để mạng có thể hoạt động theo kiểu trong suốt thì chuyển mạch bước sóng được thực hiện trên miền quang (Hình vẽ 2.6 mô tả một node

chuyển mạch quang)

Trong kiểu kiến trúc node này thì các bước sóng trên một sợi quang đến được phân kênh độc lập, sau đó cùng lúc các bước sóng từ tất cả các sợi quang được chuyển mạch đồng thời và định tuyến đến các sợi quang ở ngõ ra nhờ sử dụng một bộ máy chuyển mạch bước sóng Ở đây mỗi bước sóng được chuyển mạch một cách độc lập, tại ngõ ra tất cả các bước sóng được ghép kênh và định tuyến đến một sợi rồi gửi đến sợi ở ngõ ra

Hình 2.6: Kiến trúc node trong mạng wavelength routed WDM không có chuyển đổi bước sóng

Một mạng WDM định tuyến bước sóng ở hình 2.7, hình vẽ cho thấy thiết lập các kết nối giữa các node A và C, H đến G, B đến F, và D đến E ở đó các kết nối từ

A đến C và B đến F được sử dụng chung trên một link, do đó chúng phải sử dụng các bước sóng khác nhau trên một sợi quang

được xác định bởi vị trí của bộ phát tín hiệu, bước sóng sử dụng truyền dẫn và trạng thái của các thiết bị mạng Ví dụ về một mạng với hai bước sóng trên mỗi link được thể hiện như trên hình 2.8 Ở đó có hai kết nối được tiến hành, một kết nối từ node 1

bước sóng λ2

Hình 2.7: Hình vẽ mạng WDM định tuyến bước sóng

Một kết nối yêu cầu từ node 1 đến node 3 bị khóa, mặc dù các bước sóng rỗi đang sẵn sàng trên cả hai link 1 và link 2 Bởi vì ở đây có sự ràng buộc liên tục của bước sóng mà ở đó cùng bước sóng chỉ được gán cho một kết nối trên mỗi link

Yêu cầu kết nối khi thiết lập các đường quang sẽ có khả năng bị khóa cao hơn so với yêu cầu thiết lập các đường thực hiện trong các mạng chuyển mạch điện bởi vì

sự ràng buộc liên tục của bước sóng

a) b) c)

Hình 2.8: Hình vẽ thể hiện sự ràng buộc liên tục của bước sóng trên đường quang 2 hop

2.1.3.3 Chuyển đổi bước sóng trong các mạng WDM

Trong các mạng quang, sự ràng buộc liên tục của bước sóng làm hạn chế việc xảy ra một kết nối cùng chung bước sóng trên mỗi link khi chọn một đường từ nguồn đến đích Sự ràng buộc liên tục của bước sóng có thể dẫn đến kết quả từ chối một cuộc gọi thậm chí khả năng yêu cầu đã sẵn sàng trên tất cả các link của đường quang nhưng không cùng bước sóng Nguyên nhân cho việc

từ chối yêu cầu đó là việc bất lực của các node trung gian trong việc chuyển mạch kết nối từ một bước sóng này đến một bước sóng khác trên hai link liên tục nhau Sự ràng buộc liên tục của bước sóng và cần có sự chuyển đổi bước sóng (được minh họa trên hình 2.8)

các thiết bị chuyển đổi bước sóng khó có thể thực hiện cho tất cả các node trong mạng do đó đối với các node quan trọng ở đó sẽ trang bị chuyển đổi bước sóng đầy đủ còn đối với các node khác có thể có giới hạn về chuyển đổi bước sóng hoặc không có thiết bị chuyển đổi bước sóng (hình 2.9 node có trang bị chuyển đổi bước sóng ở đầu vào)

Hình 2.9: Kiến trúc node có trang bị chuyển đổi bước sóng ở đầu vào

9 Các loại chuyển đổi bước sóng

Một mạng WDM không có chuyển đổi bước sóng được xem như là một mạng lựa chọn bước sóng (wavelength selective network) Như đã biết việc thực thi của một mạng có thể được cải thiện khi sử dụng các bộ chuyển đổi bước sóng làm chuyển mạch tại các node Các mạng với chuyển đổi bước sóng được xem là các mạng WI (wavelength interchanging )

chuyển đổi bước sóng của nó (Hình 2.10)

Chuyển đổi bước sóng cố định cho phép tín hiệu chuyển đổi từ một bước sóng đặc trưng ở đầu vào đến bước sóng cố định ở đầu ra

Chuyển đổi bước sóng có giới hạn là việc tín hiệu có thể chuyển đổi từ một bước sóng đến một vài bước sóng khác được thiết lập trước nhưng không đầy đủ với tất

cả các bước sóng