Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng sử dụng ROADM

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống DWDM đơn hướng Hệ thống DWDM gồm có các thành phần cơ bản:  Bộ phát đáp quang OTU Optical Transponder Unit  Bộ ghép kênh quang OMU Optical Multiplexing Unit 

MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

CHƯƠNG 1 – GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG DWDM 11

1.1 Nguyên lý cơ bản của ghép kênh quang theo bước sóng 11

1.2 Đặc điểm của công nghệ DWDM 14

1.3 Các thành phần trong hệ thống DWDM 15

1.3.1 Tổng quan hệ thống DWDM 15

1.3.2 Bộ phát đáp quang (OTU) 18

1.3.3 Bộ ghép/tách kênh quang (OMU/ODU) 19

1.3.4 Bộ khuếch đại quang 20

1.3.4.1 Bộ khuếch đại EDFA 21

1.3.4.2 Bộ khuếch đại Raman 23

1.3.5 Bộ ghép kênh xen/rẽ quang tái cấu hình được (ROADM) 24

CHƯƠNG 2 – CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT KHI THIẾT KẾ MẠNG DWDM SỬ DỤNG ROADM 27

2.1 Mạng quang DWDM sử dụng ROADM 27

2.2 Cấu trúc và công nghệ ROADM 30

2.2.1 Bộ khoá bước sóng WB (Wavelength Blocker) 30

2.2.2 Mạch tích hợp quang học PLC (Planar Lightwave Circuit) 31

2.2.3 Chuyển mạch chọn lọc bước sóng (Wavelength Selective Switch) 32

2.2.4 Nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect) 35

2.3 Kiến trúc ROADM sử dụng WSS 36

2.3.1 Kiến trúc quảng bá và chọn lọc (Broadcast and select) 36

2.3.2 Kiến trúc định tuyến và chọn lọc (Route and select) 38

2.3.3 Kiến trúc chọn lựa bước sóng (Wavelength selective) 38

2.3.4 Kiến trúc ROADM CDC 40

2.4 Suy hao và quỹ công suất 45

2.5 Tán sắc và bù tán sắc 48

2.6 Hiệu ứng quang phi tuyến 52

2.7 Thiết kế dựa trên OSNR 56

CHƯƠNG 3 –THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠNG DWDM 62

3.1 Tổng quan hệ thống DWDM Campuchia 62

3.2 Thiết bị và thành phần mạng DWDM 63

3.3 Thiết kế mạng DWDM 64

3.4 Gán bước sóng 64

3.5 Mô phỏng mạng DWDM sử dụng ROADM 66

3.5.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng Optisystem 66

3.5.2 Thực hiện mô phỏng 67

3.5.2.1 Bài toán mô phỏng 67

3.5.2.2 Thiết kế các thành phần DWDM 68

3.5.2.4 Cấu hình tham số hệ thống 73

3.5.2.5 Tính toán suy hao và độ lợi các bộ khuếch đại 73

3.5.3 Kết quả và đánh giá 75

KẾT LUẬN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát được khuếch đại

AWG Arrayed Waveguide Gratings Cách tử ống dẫn sóng mảng

BA Booster Amplifier Khuếch đại công suất

BER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bit

DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi quang bù tán sắc

DCM Dispersion Compensating Module Khối bù tán sắc

DEMUX Demultiplexer Bộ tách kênh

DFA Dopped Fiber Amplifier Khuếch đại sợi quang pha tạp

DRA Distributed Raman Amplifier Khuếch đại Raman phân bố

DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc

DWDM Dense Wavelength Division

FBG Fiber Bragg Gratings Cách tử Bragg sợi quang

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi chuyển tiếp

FOADM Fixed Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia bước sóng cố định

FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

ISI Intersymbol Interference Giao thoa liên ký tự

ITU Iternational Telecommunication

Union

Liên minh viễn thông quốc tế

LA Line Amplifier Khuếch đại đường dây

LRA Lumped Raman Amplifier Khuếch đại Raman rời rạc

LCoS Liquid Crystal on silicon Tinh thể lỏng trên nền silicon MEMS Micro electro-mechanical Systems Hệ thống cơ điện siêu vi

MZI Mach Zehnder Interferometer Bộ giao thoa Mach Zehnder

NMS Network Management System Hệ thống quản lý mạng

NZ DSF Non-zero Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc khác không O-E-O Optical–Electronic–Optical Biến đổi quang-điện-quang

OADM Optical Add-Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen-rẽ quang

OCM Optical Channel Monitor Bộ giám sát kênh quang

ODU Optical Demultiplexing Unit Bộ ghép kênh quang

OLA Optical Line Amplifier Bộ khuếch đại đường truyền OMU Optical Multiplexing Unit Bộ ghép kênh quang

OSC Optical Supervisory Channel Kênh giám sát quang

OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu/nhiễu quang

OTM Optical Terminal Multiplexer Bộ ghép kênh kết cuối quang

OTU Optical Transponder Unit Bộ phát đáp quang

OXC Optical Cross-Connect Nối chéo quang

PA Pre-Amplifier Bộ tiền khuếch đại

PDL Polarization Dependent Loss Suy hao phụ thuộc phân cực

PLC Planar Lightwave Circuit Mạch tích hợp quang học

PMD Polarization-Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

ROADM Reconfigurable Optical Add-Drop

Multiplexer

Bộ ghép kênh xen-rẽ quang tái cấu hình được

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn

SPM Self–Phase Modulation Tự điều biến pha

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman bị kích thích

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian VOA Variable Optical Attenuator Bộ điều chỉnh suy hao quang

WB Wavelength Blocker Bộ khoá bước sóng

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia bước sóng

WSS Wavelength Selective Switch Chuyển mạch chọn lọc bước sóng XPM Cross Phase Modulation Điều biến chéo pha

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tần số trung tâm danh định 14

Bảng 2.1: Tỉ lệ bậc nút trung bình trên các mạng điển hình c ủa Mỹ 28

Bảng 2.2: Suy hao xen của các thiết bị ở bước sóng 1550 nm 46

Bảng 2.3: Cự ly truyền dẫn bị hạn chế bởi tán sắc 51

Bảng 3.1: Các thông số của các module DCM 69

Bảng 3.2: Bảng thống kê suy hao và độ lợi của các bộ khuếch đ ại 75

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc tuyến DWDM N kênh bước sóng 11

Hình 1.2: Phổ của tín hiệu DWDM 12

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống DWDM đơn hướng 16

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống DWDM 2 hướng 17

Hình 1.5: Sơ đồ khối bộ phát đáp quang 19

Hình 1.6: Sơ đồ khối bộ ghép kênh quang 19

Hình 1.7: Sơ đồ khối bộ tách kênh quang 20

Hình 1.8: Cấu trúc một bộ khuếch đại EDFA 22

Hình 1.9: Sơ đồ bộ khuếch đại Raman điển hình 23

Hình 1.10: Cấu trúc bộ OADM 25

Hình 1.11: Kiến trúc ROADM song song cho hệ thống WDM 3 kênh 26

Hình 1.12: Kiến trúc ROADM nối tiếp 26

Hình 2.1: ROADM 3 bậc 29

Hình 2.2: ROADM 6 bậc được triển khai tại điểm giao nhau của 3 vòng 29

Hình 2.3: Cấu trúc của một bộ ROADM WB 30

Hình 2.4: Cấu trúc ROADM PLC 31

Hình 2.5: WSS định tuyến bước sóng 33

Hình 2.6: Cấu trúc ROADM WSS 2 bậc 33

Hình 2.7: Cấu trúc ROADM WSS 4 bậc với các port xen/rẽ kênh colored 34

Hình 2.8: Cấu trúc ROADM WSS 4 bậc với các port xen/rẽ colorless 35

Hình 2.9: Kiến trúc của ROADM OXC cho một nút bậc 7 với 40 bước sóng 36

Hình 2.10: Kiến trúc ROADM quảng bá và chọn lọc 37

Hình 2.11: Kiến trúc ROADM định tuyến và chọn lọc 38

Hình 2.12: Kiến trúc chọn lựa bước sóng 39

Hình 2.13: ROADM với 3 kết nối mạng nhưng chỉ có 2 port xen/rẽ 42

Hình 2.14: Kiến trúc ROADM CDC 43

Hình 2.15: Các bước sóng tại lưới 50 GHz 44

Hình 2.16 : Đặc tính suy hao của sợi quang theo bước sóng 45

Hình 2.17: Tán sắc sắc thể là tổng của tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng 50

Hình 2.18: Hệ thống DWDM điểm – điểm đa tầng khuếch đại 57

Hình 2.19: Hệ thống DWDM đa tầng khuếch đại Raman 59

Hình 2.20: OSNR với khuếch đại Raman phân bố và EDFA 60

Hình 3.1 : Sơ đồ kết nối logic hệ thống mạng đường trục Campuchia 62

Hình 3.2: Mạng vòng ZONE4&5 64

Hình 3.3: Mạng vòng ZONE2 64

Hình 3.4: Bước sóng giữa 2 nút PNP_VP05_02 và PNP_VP06_02 65

Hình 3.5: Bước sóng được gán cho các nút trong vòng ZONE2 65

Hình 3.6: Bước sóng giữa 2 nút PNP_VP05_01 và PNP_VP06_01 66

Hình 3.7: Sơ đồ bước sóng ZONE4&5 66

Hình 3.8: Cấu trúc bộ OTU2S 68

Hình 3.9: Cấu trúc bộ OTU2F 68

Hình 3.10: Cấu trúc bộ chuyển mạch bước sóng 70

Hình 3.11 : Bộ khuếch đại Raman bơm ngược 71

Hình 3.12 : Cấu hình trạm ROADM 2 bậc, có bước sóng xen/rẽ và tái tạo 71

Hình 3.13 : Cấu hình ROADM 3 bậc 72

Hình 3.14 : Sơ đồ thiết kế mạng vòng ZONE2 72

Hình 3.15 : Sơ đồ thiết kế mạng vòng ZONE4&5 73

Hình 3.16 : Phổ tín hiệu DWDM sau khi ghép kênh 76

Hình 3.17: Phổ tín hiệu sau bộ khuếch đại công suất 76

Hình 3.18: Thông số tín hiệu DWDM 77

Hình 3.19: Phổ tín hiệu sau bộ khuếch đại công suất 77

Hình 3.20: Thông số tín hiệu DWDM 78

Hình 3.21: Mô hình mắt kênh 192,1 THz 78

Hình 3.22: Mô hình mắt kênh 192,5 THz 79

Hình 3.23: Mô hình mắt kênh 195,4 THz 79

Hình 3.24: Mô hình mắt kênh 192,3 THz 80

Hình 3.25: Mô hình mắt kênh 195,3 THz 80

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng hòa nhịp với sự phát triển mạng viễn thông, hệ thống thông tin quang ngày càng phát triển mạnh mẽ do có nhiều ưu điểm, phù hợp với các yêu cầu của mạng viễn thông như dung lượng lớn, độ méo tín hiệu nhỏ, cự ly thông tin dài, đa dạng tín hiệu…Tuy nhiên, để thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng do mật độ thuê bao tăng và có các dịch vụ viễn thông ngày càng phát triển, người ta phải thực hiện nâng cấp và cải tiến mạng lưới hệ thống nhằm tăng dung lượng truyền dẫn

Xét về kỹ thuật, chủ yếu sử dụng hai phương thức sau đây để tăng dung lượng tuyến thông tin đó là: ghép kênh theo thời gian quang (TDM - Time Division Multiplex) và ghép kênh theo bước sóng quang (WDM - Wavelength Division Multiplex) Công nghệ TDM lợi dụng khả năng truyền dẫn với tốc độ lớn trong sợi quang để tăng dung lượng Phương pháp này đã được sử dụng từ lâu nhưng hiện nay

tỏ ra có nhiều nhược điểm khi tốc độ tín hiệu lớn hơn 10 Gbps Trong khi đó công nghệ WDM lại thể hiện nhiều ưu thế trong mạng quang hiện tại khi lợi dụng băng thông lớn của sợi quang để ghép nhiều bước sóng giúp tăng dung lượng truyền dẫn

Khi công nghệ quang điện tử ngày càng phát triển, mật độ lớn bước sóng có thể được ghép vào trong cùng sợi quang, khi này thuật ngữ DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex ) được sử dụng Hiện tại, các hệ thống thương mại

có 16, 40, 80 và 128 bước sóng trên mỗi sợi quang đã được công bố Nếu hệ thống DWDM 40 kênh với tốc độ 10 Gbps mỗi kênh, thì có thể truyền qua một sợi quang với băng thông tổng lên tới 400 Gbps

Các bước sóng được xen/rẽ vào/từ sợi quang trong mạng DWDM tại các nút OADM (Optical Add Drop Multiplexer) Những OADM thời kỳ đầu không cấu hình được sẽ giới hạn sự thích ứng của mạng với sự thay đổi mô hình lưu lượng Ngày nay, hầu hết OADM đều có thể cấu hình lại được, bất kỳ bước sóng nào cũng có thể được xen/rẽ tại bất kỳ các nút và việc chọn lọc bước sóng để xen/rẽ có thể thay đổi

dễ dàng Các OADM như vậy gọi là ROADM (Reconfigurable OADM)

Tính linh hoạt của mạng DWDM sử dụng ROADM đem lại nhiều thuận lợi cho việc vận hành mạng như đơn giản hoá kế hoạch triển khai mạng, cài đặt và tối

ưu Chính vì vậy, hầu hết các mạng quang DWDM hiện nay đều có tích hợp thiết bị này Tuy nhiên việc thiết kế cũng như tối ưu các tham số mạng DWDM khi sử dụng ROADM sao cho hệ thống hoạt động với hiệu năng tốt nhất cũng là một vấn đề cần

phải tính toán cẩn thận Trên cơ sở đó, tôi quyết định chọn đề tài “Thiết kế tối ưu mạng truyền dẫn quang băng rộng sử dụng ROADM” làm luận văn thạc sỹ

Luận văn gồm có 3 chương với các nội dung chính như sau Chương 1 giới thiệu hệ thống DWDM gồm nguyên lý, đặc điểm và các thiết bị DWDM đặc trưng được sử dụng Chương 2 trình bày về các công nghệ, kiến trúc của các bộ ROADM

và phân tích các thông số kỹ thuật ảnh hưởng khi thiết kế mạng quang DWDM sử dụng ROADM Chương cuối tập trung vào việc phân tích và thiết kế mạng quang DWDM với ROADM sử dụng tối đa 40 bước sóng, theo một dự án thiết kế mạng truyền dẫn quang đường trục Campuchia Sau đó thiết kế được mô phỏng lại bằng phần mềm Optisystem để đánh giá hiệu năng của hệ thống

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải, thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và gửi những tài liệu tham khảo quý báu để tôi hoàn thành luận văn một cách tốt nhất Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện tốt hơn

CHƯƠNG 1 – GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG DWDM 1.1 Nguyên lý cơ bản của ghép kênh quang theo bước sóng

Kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) là một kỹ thuật đặc trưng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin quang ngày nay Kỹ thuật WDM tận dụng được băng thông rộng lớn của sợi quang đơn mode (~ 50 THz), bằng cách ghép nhiều bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang, cho phép tăng dung lượng truyền dẫn mà không cần tăng tốc độ xử lý của các phần tử điện tử hoặc tăng thêm sợi quang Băng tần truyền tải thích hợp trên sợi quang được chia thành các bước sóng với khoảng cách theo chuẩn ITU-T, mỗi bước sóng

có thể truyền tải một luồng thông tin có tốc độ bit lớn, có thể là 10, 20 hoặc 40 Gbps

DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) là công nghệ cho phép ghép các bước sóng mật độ lớn với số lượng kênh có thể lên tới 40, 80 kênh hoặc cao hơn với khoảng cách kênh 100 GHz hoặc 50 GHz tại băng C và băng L Một số công nghệ gần đây còn có thể ghép kênh với khoảng cách kênh 12,5 GHz

Cấu trúc tổng quát của một tuyến DWDM đơn hướng N kênh bước sóng như hình 1.1

Hình 1.1: Cấu trúc tuyến DWDM N kênh bước sóng

Để ghép N kênh bước sóng truyền đi trong sợi quang, người ta phải thực hiện điều chế N kênh thông tin lên N bước sóng khác nhau λ1, λ2… λN Sau đó thực hiện ghép các tín hiệu này vào sợi quang bằng phương pháp bơm thông qua bộ ghép kênh quang MUX Phổ của tín hiệu DWDM được minh hoạ như hình 1.2

Hình 1.2: Phổ của tín hiệu DWDM

Sau khi ghép kênh, sợi quang truyền đi đồng thời N kênh bước sóng khác nhau Tuy nhiên khi cự li truyền dẫn quá dài thì tín hiệu trong sợi quang sẽ bị suy hao do nhiều nguyên nhân, khi đó cần phải lắp đặt thêm các bộ khuếch đại quang OA (Optical Amplifier) để tăng công suất tín hiệu

Ở phía thu, bộ tách kênh quang DEMUX sẽ tách tín hiệu DWDM thành các bước sóng quang riêng rẽ rồi được biến đổi thành tín hiệu điện qua các bộ tách sóng quang trong thiết bị thu Rx

Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550 nm có độ rộng khoảng 100

nm, nhưng do dải khuếch đại của các bộ khuếch đại quang chỉ có độ rộng khoảng 35

nm (theo khuyến nghị của ITU-T thì dải khuếch đại này là bước sóng 1530 - 1565

nm đối với băng C hoặc 1570 - 1603 nm đối với băng L) Điều này làm cho hệ thống DWDM chỉ làm việc với dải bước sóng nhỏ hơn nhiều so với toàn bộ dải tần bằng phẳng có suy hao thấp của sợi quang

Để đảm bảo tính tương thích giữa các hệ thống DWDM khác nhau, cần phải chuẩn hoá tần số trung tâm của các kênh, ITU-T đưa ra quy định về khoảng cách tối thiểu giữa các kênh là 50 GHz hoặc 100 GHz với tần số chuẩn là 193,1 THz Bảng 1.1 liệt kê các tần số trung tâm danh định lấy 50 GHz và 100 GHz làm khoảng cách giữa các kênh trong dải bước sóng từ 1534 nm đến 1560 nm [19]

Trong hệ thống DWDM, số lượng bước sóng không thể quá nhiều, bởi vì việc điều khiển và giám sát đối với các bước sóng này là một vấn đề phức tạp, có thể quy

định trị số lớn nhất đối với số lượng bước sóng của hệ thống từ góc độ kinh tế và công nghệ

Tần số trung tâm danh

định với khoảng cách

là 50 GHz (THz)

Tần số trung tâm danh định với khoảng cách là 100 GHz (THz)

Bước sóng trung tâm danh định (nm)

Bảng 1.1: Tần số trung tâm danh định

1.2 Đặc điểm của công nghệ DWDM

Từ thực tế triển khai cũng như trong nghiên cứu, người ta rút ra được những

ưu nhược điểm của công nghệ DWDM

 Ưu điểm:

- Dung lượng truyền dẫn lớn: hệ thống DWDM có thể truyền dẫn đồng thời

Do đó hệ thống DWDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống TDM Hiện nay hệ thống DWDM đã được nhiều nơi xây dựng tới

80 bước sóng với tốc độ bit là 10 Gbps, tổng dung lượng của hệ thống lên tới 800 Gbps Trong khi đó thử nghiệm hệ thống TDM thì tốc độ bit chỉ mới đạt được là STM-256 (40 Gbps) Hơn nữa hệ thống DWDM không chỉ giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc mà còn hạn chế được suy hao do phân cực

- Tính trong suốt: Do công nghệ DWDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại như: ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, chuyển mạch kênh, IP

- Nâng cấp dễ dàng và linh hoạt: Hệ thống DWDM cho phép tăng dung lượng của các mạng hiện có mà không cần phải tăng thêm cáp quang Việc nâng cấp chỉ đơn giản là cắm thêm các card mới trong khi hệ thống vẫn đang hoạt động

- Quản lý băng tần hiệu quả, tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt: Nhờ việc định tuyến phân bố bước sóng trong mạng DWDM nên nó có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống mà không cần đi lại cáp hoặc thiết kế lại mạng hiện tại

Hệ thống DWDM về cơ bản được chia làm hai loại: đơn hướng và song hướng

Mô hình tổng quát của hệ thống DWDM đơn hướng minh hoạ như hình 1.3

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống DWDM đơn hướng

Hệ thống DWDM gồm có các thành phần cơ bản:

 Bộ phát đáp quang OTU (Optical Transponder Unit)

 Bộ ghép kênh quang OMU (Optical Multiplexing Unit)

 Bộ ghép kênh quang ODU (Optical Demultiplexing Unit)

 Các bộ khuếch đại: khuếch đại tăng cường BA (Boost Amplifier), tiền khuếch đại PA (Pre-Amplifier) và khuếch đại đường dây LA (Line Amplifier)

 Bộ bù tán sắc DCM (Dispersion Compensate Module)

 Hệ thống quản lý mạng NMS (Network Management System)

 Hệ thống quản lý phần tử EMS (Element Management System)

Ở phía phát, các tín hiệu quang được truyền đến bộ phát đáp OTU, tại đây tín hiệu được biến đổi quang – điện – quang (O-E-O) để đảm bảo bước sóng tín hiệu vào

hệ thống DWDM theo chuẩn ITU-T Bộ ghép kênh quang OMU ghép các tín hiệu có các bước sóng khác nhau thành tín hiệu DWDM và được truyền tới bộ khuếch đại công suất BA để công suất tín hiệu đủ lớn để có thể truyền đi xa

Môi trường truyền dẫn sử dụng sợi quang đơn mode SMF để truyền tín hiệu Trên đường truyền có thể sử dụng bộ khuếch đại đường dây LA để bù suy hao do đường truyền hoặc do các trạm xen/rẽ, tăng khoảng cách lặp

Ở phía thu, tín hiệu bị suy hao có công suất rất nhỏ, sẽ được khuếch đại lên nhờ bộ tiền khuếch đại PA để đảm bảo công suất tín hiệu lớn hơn độ nhạy thu Sau

đó tín hiệu DWDM được tách ra thành các bước sóng thành phần nhờ bộ tách kênh quang ODU Các tín hiệu quang thành phần sau đó được chuyển đổi thành các tín hiệu đầu ra của hệ thống qua bộ OTU

Bộ bù tán sắc DCM thường được sử dụng giữa các bộ khuếch đại

Các nút trong mạng DWDM được quản lý qua hệ thống NMS, người quản trị

có thể kiểm soát các thành phần DWDM qua hệ thống quản lý EMS Kênh truyền thông tin quản lý giữa các phần tử là kênh giám sát quang OSC (Optical Supervisory Channel) OSC thực hiện báo cáo, quảng bá thông tin về tín hiệu DWDM và các nút mạng Thông thường OSC có tốc độ thấp và sẽ bị tách ra tại mỗi nút OSC thường là bước sóng 1510 – 1520 nm và không cần phải xác định theo khoảng cách kênh ITU

Trên thực tế, hệ thống DWDM được xây dựng là hệ thống song hướng, mô hình hệ thống được minh hoạ như hình 1.4

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống DWDM 2 hướng

Thành phần ghép kênh kết cuối quang OTM (Optical Terminal Multiplexer) được triển khai tại hai nút đầu cuối của mỗi liên kết sợi quang Thành phần OTM là một tổ hợp gồm có 3 khối chức năng chính là: bộ phát đáp OTU, bộ ghép/tách kênh quang (MUX/DEMUX) và bộ khuếch đại công suất BA ở hướng phát hoặc tiền khuếch đại PA ở hướng thu Ngoài ra còn có các khối chức năng như: bù tán sắc DCM, giám sát, điều khiển và giao tiếp…

Thành phần khuếch đại đường quang OLA (Optical Line Amplifier) có các bộ khuếch đại đường LA và các bộ bù tán sắc DCM cho cả 2 hướng thu và phát

Ngoài ra, hệ thống còn có thành phần ghép kênh xen/rẽ quang OADM (Optical Add Drop Multiplexer) hoặc ROADM (Reconfigurable OADM) nằm giữa các OTM

có nhiệm vụ xen/rẽ một số kênh tới/từ luồng tín hiệu DWDM Chúng cũng có thể thực hiện vai trò như bộ tái tạo tín hiệu REG với một số bước sóng khi tích hợp thêm các bộ OTU 3R (Reshaping, Re-timing & Regenerating) ROADM chính là một thiết

bị cốt lõi trong mạng DWDM hiện nay

1.3.2 Bộ phát đáp quang (OTU)

Bộ phát đáp quang là một thiết bị cho phép tín hiệu phía client có thể truy cập kênh DWDM, chúng có thể dò ra tín hiệu quang tại các bước sóng khác nhau và chuyển đổi về bước sóng theo ITU Tín hiệu client tới nhà cung cấp dịch vụ có thể không sử dụng bước sóng tiêu chuẩn, ví dụ bước sóng 850 nm hoặc 1310 nm Do đó cần phải có các bộ OTU để tín hiệu tương thích giữa 2 phía client và mạng DWDM

Hình 1.5 minh hoạ sơ đồ khối một bộ phát đáp OTU gồm có các bộ chuyển đổi O-E-O và khối chức năng xử lý mào đầu, đóng gói dịch vụ và sửa lỗi FEC (Forward Error Correction) nhằm giảm lỗi bit Các bộ phát đáp có thể tích hợp thêm tính năng hiệu chỉnh được bước sóng chuyển đổi, thay vì chỉ một bước sóng cố định Bằng cách thay thế một laser bằng một mảng các laser được điều chỉnh trước, ta có thể lựa chọn một dải các bước sóng có sẵn

Hình 1.5: Sơ đồ khối bộ phát đáp quang

1.3.3 Bộ ghép/tách kênh quang (OMU/ODU)

Bộ ghép kênh quang OMU ở bên phát hệ thống DWDM, có vai trò ghép các kênh bước sóng khác nhau thành tín hiệu DWDM truyền trên 1 sợi quang Bộ ghép kênh có thể có thêm khối điều khiển công suất cho từng kênh Hình 1.6 biểu diễn khối chức năng bộ ghép kênh quang

Hình 1.6: Sơ đồ khối bộ ghép kênh quang

Mỗi kênh bước sóng riêng biệt được ghép thành tín hiệu DWDM qua bộ MUX, tín hiệu sau đó đi qua bộ chia quang thụ động (splitter) để trích một phần nhỏ tín hiệu cho việc giám sát công suất quang, tín hiệu còn lại từ bộ chia quang chính là đầu ra của bộ ghép kênh Trước khi vào bộ ghép kênh, tín hiệu có thể được điều chỉnh công suất nhờ các bộ điều chỉnh suy hao VOA (Variable Optical Attenuator)

Ngược lại với bộ ghép kênh là bộ tách kênh quang ODU, được đặt ở phía thu của hệ thống, có nhiệm vụ tách tín hiệu DWDM thành các kênh bước sóng thành phần Bộ ODU cũng có chức năng giám sát công suất quang đầu vào Sơ đồ khối bộ tách kênh quang ODU như hình 1.7

Hình 1.7: Sơ đồ khối bộ tách kênh quang

Thành phần quan trọng nhất trong các thiết bị OMU/ODU là các bộ MUX/DEMUX, chúng được tạo thành từ các bộ lọc quang Các bộ lọc này yêu cầu phải có suy hao thấp, dải thông có đỉnh phẳng, sườn dốc, các đặc tính pha phổ phải tuyến tính và nhiễu xuyên kênh càng nhỏ càng tốt Hiện nay có hai công nghệ chủ đạo được dùng để chế tạo ra các bộ ghép/tách kênh là: bộ lọc điện môi màng mỏng

đa lớp TFF (Multilayer Thin-film Dielectric Filter) và cách tử mảng ống dẫn sóng AWG (Arrayed Waveguide Gratings) Công nghệ TFF có thể tách tối đa là 16 kênh, trong khi AWG hỗ trợ số lượng kênh lớn hơn Cả 2 đều hỗ trợ băng thông 50, 100 và

200 GHz cho các sản phẩm thương mại

1.3.4 Bộ khuếch đại quang

Bộ khuếch đại quang bù suy hao do đường truyền và các thiết bị thụ động, đảm bảo công suất tín hiệu nhận được lớn hơn độ nhạy thu Nguyên lý khuếch đại

quang trong bộ khuếch đại dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích tương tự laser, tuy nhiên không có sự cộng hưởng và hồi tiếp trong quá trình khuếch đại như laser

Có 3 loại khuếch đại quang được sử dụng là : Khuếch đại sợi quang pha tạp DFA (Dopped Fiber Amplifier), khuếch đại quang bán dẫn SOA (Semiconductor Optical Amplifier) và khuếch đại Raman Khuếch đại DFA và SOA dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích, còn khuếch đại Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman

bị kích thích Hiện nay khuếch đại sợi quang pha tạp nguyên tố khí hiếm Erbium EDFA (Erbium Dopped Fiber Amplifier) là thiết bị được sử dụng rộng rãi trong hệ thống mạng đường trục vì có nhiều ưu điểm phù hợp hệ thống DWDM Ngoài ra với những đường truyền dẫn dài, người ta cũng sử dụng bộ khuếch đại Raman kết hợp với bộ khuếch đại EDFA Do đó, phần này ta chỉ tập trung tìm hiểu 2 bộ khuếch đại EDFA và Raman

1.3.4.1 Bộ khuếch đại EDFA

Bộ khếch đại EDFA được minh hoạ như hình 1.8, nó bao gồm các thành phần như sau:

- Sợi quang pha tạp Er3+: là nơi xảy ra quá trình khuếch đại hay còn gọi là vùng tích cực Vùng lõi trung tâm của EDFA là nơi có cường độ sóng bơm

và tín hiệu cao nhất dẫn đến sự chồng lấp với ion Er3+ lớn nhất nên khuếch đại tốt hơn

- Laser bơm: cung cấp năng lượng ánh sáng có bước sóng 980 nm hoặc 1480

nm để tạo ra trạng thái nghịch đảo nồng độ ở vùng tích cực

- Coupler: ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng bơm vào trong sợi quang

- Bộ cách ly quang: chặn sóng phản xạ ngược trở lại sợi quang

Nguyên lý hoạt động của EDFA dựa vào đặc tính của nguyên tố Erbium Quá trình bức xạ trong EDFA đồng thời xảy ra bức xạ kích thích và bức xạ tự phát Khi hấp thụ năng lượng từ ánh sáng bơm, các ion Erbium bị kích thích từ trạng thái nền

và sẽ phân rã không phát xạ từ các mức năng lượng cao hơn cho tới khi tiến tới trạng

thái giả bền Khi tín hiệu quang đi đến các ion Er3+ đã được kích thích, quá trình bức

xạ kích thích sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hướng giống như tín hiệu tới Như vậy đã đạt được quá trình khuếch đại quang trong EDFA

Hình 1.8: Cấu trúc một bộ khuếch đại EDFA

Các ion đã được kích thích mà không tương tác với ánh sáng sẽ phân rã tự phát tới trạng thái nền với hằng số thời gian xấp xỉ 10 ms, đây là nhiễu phát xạ tự phát Ở đầu ra của bộ khuếch đại quang EDFA không những tín hiệu được khuếch đại mà nhiễu này cũng sẽ được khuếch đại gọi là nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission)

EDFA có 3 cấu hình bơm là bơm thuận, bơm ngược và bơm 2 chiều Bơm thuận là nguồn bơm cùng chiều hướng tín hiệu, có nhiễu thấp nhưng độ lợi nhỏ Bơm ngược là nguồn bơm ngược chiều tín hiệu lại có ưu điểm là công suất bão hoà và hệ

số độ khuếch đại cao bơm thuận nhưng lại nhiễu cao Do vậy, cấu hình bơm được sử dụng trong các sản phẩm thương mại là bơm 2 chiều để tận dụng ưu điểm của 2 cấu hình trên với bước sóng bơm là 980 nm và 1480 nm lần lượt sử dụng cho bơm thuận

và bơm ngược

Tuỳ theo vị trí lắp đặt trên tuyến truyền dẫn quang, bộ khuếch đại EDFA chia

ra thành 3 loại : Khuếch đại công suất BA (Booster Amplifier), khuếch đại đường dây LA (Inline Amplifier) và tiền khuếch đại PA (Pre-amplifier)

Bộ khuếch đại EDFA được sử dụng rộng rãi trong hệ thống DWDM do có những ưu điểm nổi bật như: độ lợi lớn (20 - 30 dB), hoạt động ở bước sóng 1530 -

1565 nm phù hợp với hệ thống DWDM; nguồn laser bơm có độ tin cậy và công suất cao; cấu hình đơn giản và cấu trúc nhỏ gọn; công suất nguồn nuôi nhỏ; không có

nhiễu xuyên kênh; không phụ thuộc phân cực của tín hiệu… Tuy nhiên bộ EDFA cũng có các nhược điểm cần khắc phục đó là: băng tần hiện nay bị giới hạn trong băng C và băng L; nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn; phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng …

1.3.4.2 Bộ khuếch đại Raman

Bộ khuếch đại quang Raman dựa trên nguyên lý tán xạ Raman cưỡng bức trong sợi quang với các loại sợi có cấu trúc dẫn sóng đặc biệt (như sợi bù tán sắc DCF) hoặc sợi pha tạp Ge nồng độ cao (sợi nhạy quang) Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại Raman được minh hoạ như hình 1.9

Hình 1.9: Sơ đồ bộ khuếch đại Raman điển hình

Bộ khuếch đại Raman gồm có các thành phần sau:

- Khối bơm: là nguồn laser bơm bán dẫn có công suất cao, có thể chỉ có một hoặc nhiều laser Tín hiệu bơm được trích xuất 1 phần để giám sát

- Sợi quang DCF hoặc sợi nhạy quang: đây là môi trường khuếch đại quang dựa trên cơ sở tán xạ Raman

- Coupler: để ghép tín hiệu DWDM cần khuếch đại và nguồn bơm để tạo hiệu ứng Raman cưỡng bức Splitter để trích 1 phần tín hiệu đã được khuếch đại để giám sát

- Ngoài ra còn có khối BMU cho chức năng điều khiển & quản lý

Bản chất của hiện tượng tán xạ Raman cưỡng bức xảy ra trong bộ khuếch đại

là sự chuyển năng lượng từ kênh bước sóng thấp sang kênh có bước sóng cao hơn

Khi đưa vào môi trường dẫn sóng hai nguồn ánh sáng là nguồn laser bơm có tần số ν

và tín hiệu quang ở tần số Stokes (ν– ν d ), các photon tín hiệu ở tần số (ν– ν d) sẽ cưỡng bức các phân tử cùng dao động và làm phát sinh thêm một photon nữa có cùng tần số

và pha với photon đến Quá trình tán xạ cưỡng bức sẽ được tiếp tục nhân lên bên trong lõi sợi quang

Bộ khuếch đại Raman thường được chia làm 2 loại là khuếch đại phân bố DRA (Distributed Raman Amplifier) và khuếch đại rời rạc LRA (Lumped Raman Amplifier) DRA sử dụng chính sợi quang đường truyền làm môi trường khuếch đại, trong khi LRA sử dụng sợi quang được đặt trước hoặc sau đường truyền để bù suy hao đường truyền Trong khi EDFA chỉ khuếch đại trong băng C và L (1528 - 1605nm), bộ khuếch đại Raman có thể mở rộng cho các băng khác, như cửa sổ 1310

nm hay băng S nằm dưới 1528 nm

Bộ khuếch đại Raman có những ưu điểm như: nhiễu tạp âm thấp, phổ khuếch đại khá bằng phẳng, cấu trúc đơn giản, dễ chọn băng tần, có thể đạt được băng thông rộng nhờ kết hợp vài laser bơm Tuy nhiên nó cũng có những điểm hạn chế như: độ lợi thấp, công suất bơm phải lớn, nhiễu xuyên âm giữa các tín hiệu do tán xạ Raman kích thích gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống DWDM Hiện nay bộ khuếch đại quang Raman DRA với cấu hình bơm ngược được sử dụng phổ biến như là thành phần bổ sung cho EDFA trong các mạng truyền dẫn đường dài

1.3.5 Bộ ghép kênh xen/rẽ quang tái cấu hình được (ROADM)

Bộ ghép kênh xen/rẽ quang OADM (Optical Add Drop Multiplexer) là thành phần quan trọng nhất trong mạng DWDM hiện nay, chúng giúp cho việc định tuyến các kết nối quang một cách nhanh chóng và hiệu quả về chi phí OADM là thiết bị thực hiện xen/rẽ một hoặc nhiều bước sóng vào/từ sợi quang DWDM tại các nút mạng OADM sử dụng các bộ phát đáp chỉ cho lưu lượng xen/rẽ Các bước sóng còn lại có thể đi qua OADM trong miền quang mà không có chuyển đổi quang điện Hình 1.10 minh hoạ một bộ OADM điển hình [18]

Hình 1.10: Cấu trúc bộ OADM

Có nhiều công nghệ lọc quang có thể được sử dụng để chế tạo các bộ OADM như bộ lọc màng mỏng TFF, bộ lọc hiệu chỉnh quang âm AOTF (Acousto-Optical Tunable Filter), cách tử mảng ống dẫn sóng AWG, cách tử Bragg sợi quang FBG kết hợp với các bộ Circulator hoặc với giao thoa kế Mach-Zehnder [13]

Một trong những thuộc tính quan trọng nhất của OADM là mức độ cấu hình lại được Những OADM thời kỳ đầu không cấu hình được nên cần phải xác định những bước sóng sẽ được xen/rẽ tại một nút cụ thể và các bước sóng còn lại sẽ truyền qua tới nút mạng khác Sau khi được thiết lập, ODAM sẽ cố định cấu hình đó Việc thiết lập cứng nhắc này sẽ giới hạn khả năng thích ứng với sự thay đổi mô hình lưu lượng của mạng truyền dẫn Những OADM này được gọi là FOADM (Fixed OADM)

Ngày nay, hầu hết OADM đều có thể cấu hình lại được, bất kỳ bước sóng nào cũng có thể được xen/rẽ tại bất kỳ các nút nào và việc chọn lọc bước sóng để xen/rẽ

có thể thay đổi dễ dàng mà không cần xây dựng trước các topo logic của mạng cũng như không ảnh hưởng đến các kết nối kết cuối tại nút hoặc truyền qua nút Việc cấu hình OADM có thể được thực hiện từ xa bằng phần mềm Các OADM như vậy gọi

là ROADM (Reconfigurable OADM) Hình 1.11 minh hoạ một ROADM đơn giản theo kiến trúc song song [13] Theo kiến trúc đó, tất cả các kênh đầu vào đều được tách kênh, tuỳ theo trạng thái của bộ chuyển mạch được cấu hình linh động, mà một

số kênh có thể được rẽ hoặc truyền qua Mô hình song song chỉ có hiệu quả về kinh

tế khi có số lượng lớn các kênh được xen/rẽ

Hình 1.11: Kiến trúc ROADM song song cho hệ thống WDM 3 kênh

Kiến trúc ROADM nối tiếp được minh hoạ trong hình 1.12, gồm các OADM đơn bước sóng được nối tầng [13] Trái với kiến trúc song song, kiến trúc này chỉ xen/rẽ các kênh bước sóng đơn lẻ Kiến trúc này yêu cầu phải biết trước các kênh cần phải xen/rẽ trước khi cài đặt mặc dù có thể bổ sung thêm các bộ OADM đơn bước sóng

Hình 1.12: Kiến trúc ROADM nối tiếp

Các kiến trúc trên chỉ có thể xen/rẽ một số lượng nhỏ các bước sóng và có suy hao lớn Ngày nay, các bộ ROADM đa bậc có thể nhận lưu lượng từ nhiều hơn 2 sợi quang và có thể thay đổi được các kênh xen/rẽ và đi qua một cách linh hoạt Chúng thường được cấu thành từ các bộ chuyển mạch chọn lọc bước sóng WSS (Wavelength Selective Switch) và các bộ chia công suất splitter với nhiều kiến trúc khác nhau tuỳ theo mô hình mạng giúp cho việc định tuyến các bước sóng trở nên linh hoạt hơn

CHƯƠNG 2 – CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT KHI THIẾT KẾ MẠNG

DWDM SỬ DỤNG ROADM 2.1 Mạng quang DWDM sử dụng ROADM

Hiện nay bộ ROADM có thể cấu hình linh động các bước sóng xen/rẽ đã dần thay thế các bộ OADM với bước sóng được cấu hình cố định Bất kỳ bước sóng nào cũng có thể được xen/rẽ tại bất kỳ các nút và việc chọn lọc bước sóng để xen/rẽ có thể thay đổi dễ dàng bằng phần mềm từ xa mà không ảnh hưởng đến các kết nối đầu cuối tại nút hoặc truyền qua nút

Mạng DWDM sử dụng ROADM mang lại nhiều thuận lợi như: kế hoạch triển khai mạng đơn giản, vận hành và tối ưu linh hoạt khi mạng có sự thay đổi mô hình lưu lượng Việc loại bỏ kết nối sợi quang một cách thủ công khi thay đổi mô hình xen/rẽ bước sóng sẽ rút ngắn thời gian triển khai và tăng tính sẵn sàng mạng Mạng ROADM cũng hạn chế các chuyển đổi và chuyển mạch quang – điện của mỗi bước sóng tại các nút giao nhau ROADM cũng hỗ trợ cân bằng công suất bước sóng, nên

có thể giúp tăng khoảng cách truyền dẫn quang, hạn chế các điểm tái tạo quang – điện

và các chi phí liên quan Những lợi ích này góp phần giảm thiểu chi phí đầu tư và vận hành mạng DWDM Hơn nữa, ROADM cũng là một thành phần quan trọng cho mạng DWDM để phát triển hướng tới các topo mạng mới, từ topo phổ biến là điểm – điểm hay mạng vòng cho tới mạng mắt lưới

Một hạn chế của một số ROADM là khi được cấu hình thì số lượng kênh xen/rẽ không thể vượt qua một ngưỡng xác định Ngưỡng xen/rẽ trong các ROADM loại này tối đa là 50% số lượng bước sóng có thể hỗ trợ trên sợi quang, ví dụ một sợi quang có thể truyền được 80 bước sóng thì ROADM có thể xen/rẽ tối đa 40 bước sóng Tỉ lệ này cũng đủ đáp ứng linh hoạt cho nhiều nút trong mạng Tuy nhiên, cũng

có một số ít các nút có thể xen/rẽ với tỉ lệ cao hơn, những nút như vậy có thể định tuyến bước sóng trên những tuyến thay thế để tránh một sợi quang đạt tới giới hạn xen/rẽ của nó hoặc có thể sử dụng kiến trúc O-E-O truyền thống

Việc xây dựng ROADM với khả năng rẽ hơn 50% số bước sóng sẽ cần nhiều

bộ phát đáp hơn, điều này sẽ không tận dụng ưu điểm của tính trong suốt (bước sóng

đi qua nút duy trì ở miền quang, mà không phải chuyển đổi quang điện) khi số lượng bước sóng đi qua nút giảm Ngoài ra, thậm chí nếu triển khai ROADM với hơn 50% bước sóng được xen/rẽ dù không tiết kiệm chi phí hơn so với kiến trúc O-E-O nhưng

nó vẫn được ưa chuộng hơn vì ROADM hoạt động nhanh hơn hai thiết bị đầu cuối quang Nếu một nút mạng sử dụng ROADM hỗ trợ xen/rẽ lên tới 100% bước sóng,

nó cho phép xen/rẽ bất kỳ bước sóng nào một cách linh động nhất

Số lượng liên kết mạng với một nút xác định bậc của nút đó, ví dụ một nút 2 bậc sử dụng OADM với 2 hướng liên kết mạng Tất cả nút trong mạng vòng đều 2 bậc, trong mạng liên vòng và mạng mắt lưới thì có khá nhiều nút lớn hơn 2 bậc Bảng 2.1 thống kê tỉ lệ số bậc của các nút trong một số mạng điển hình tại Mỹ [6]

Mạng đường trục Mạng đô thị dạng

liên vòng

Mạng đô thị dạng mắt lưới

Bảng 2.1: Tỉ lệ bậc của các nút trong một số mạng truyền dẫn của Mỹ

Việc triển khai ROADM đa bậc (ROADM MD), có thể được sử dụng cho các nút bậc cao hơn Một ROADM MD như hình 2.1, có thể hỗ trợ mọi hướng đi qua nút trong miền quang, hạn chế tối đa việc sử dụng các bộ phát đáp, các bộ phát đáp chỉ cần cho lưu lượng xen/rẽ [6]

Hình 2.1: ROADM 3 bậc

Việc kết hợp ROADM và ROADM MD sẽ đem lại tính trong suốt cho bất kỳ mạng nào Trong hình 2.2a, một ROADM MD 6 bậc được sử dụng tại nút giao nhau giữa 3 vòng cho phép truyền lưu lượng trong suốt từ vòng này tới vòng khác [6] Trong topo mắt lưới như hình 2.2b, sự kết hợp các ROADM, ROADM 3 bậc và 4 bậc giúp lưu lượng truyền theo mọi hướng qua bất kỳ nút nào trong miền quang [6]

Hình 2.2: a ROADM 6 bậc được triển khai tại điểm giao nhau của 3 vòng

b ROADM, ROADM 3 bậc và 4 bậc tại mạng mắt lưới

2.2 Cấu trúc và công nghệ ROADM

2.2.1 Bộ khoá bước sóng WB (Wavelength Blocker)

WB là khối chuyển mạch kênh thương mại đầu tiên được sử dụng để thiết kế các bộ ROADM Cấu trúc ROADM WB được minh hoạ như hình 2.3 [12] Thành phần quan trọng trong thiết bị này là bộ WB, thiết bị này có 2 port và được đặt giữa splitter và coupler, có thể chặn bất kỳ bước sóng nào Nó chặn bước sóng đã bị tách

ra ở bộ splitter và bước sóng đó sẽ được xen vào tín hiệu sau khi ra khỏi bộ WB

Nhìn chung, bộ WB gồm có 3 tầng chức năng Thứ nhất, các kênh bước sóng được phân tách bằng bộ DEMUX Mỗi bước sóng sau đó đi tới bộ suy hao quang điều khiển được Cuối cùng tất cả bước sóng không bị chặn sẽ được ghép kênh lại và

đi ra bộ coupler

Hình 2.3: Cấu trúc của bộ ROADM WB

Các kênh được điều chỉnh cho suy hao hoặc chặn lại một cách độc lập nhau bằng các bộ suy hao Điều này cho phép cân bằng công suất quang của các kênh quang truyền qua Việc cân bằng công suất kênh giúp cho khoảng cách truyền dẫn của tín hiệu quang tốt hơn do mức công suất của tín hiệu yếu hơn (gây nên do độ lợi khuếch đại quang không đều, suy hao sợi quang phụ thuộc quang phổ và do sự trao đổi năng lượng giữa các kênh do hiệu ứng Raman…) được tái chuẩn hoá Việc cân

bằng thường tự động, liên tục và được điều khiển bởi tín hiệu đo lường mức công suất tín hiệu phản hồi lại, điều này giúp cho hệ thống ổn định và tin cậy hơn

ROADM WB thường được sử dụng trong mạng đường dài, sử dụng 80 kênh bước sóng với khoảng cách kênh là 50 GHz Các port xen/rẽ có thể cấu hình cố định bước sóng hoặc thay đổi bước sóng được bằng cách sử dụng các laser hoặc bộ lọc hiệu chỉnh được, tuy nhiên giá thành cao

2.2.2 Mạch tích hợp quang học PLC (Planar Lightwave Circuit)

Công nghệ PLC được sử dụng rộng rãi trong thiết bị tách/ghép kênh quang khi

sử dụng AWG, cùng với các bộ chuyển mạch không gian sử dụng giao thoa kế Zehnder MZI ROADM còn tích hợp khả năng định tuyến và điều khiển công suất quang cho từng bước sóng với các bộ tách/ghép kênh quang Hình 2.4 minh hoạ cấu trúc ROADM PLC [12]

Hình 2.4: Cấu trúc ROADM PLC

Tín hiệu vào sẽ bị tách 1 phần công suất tới bộ DEMUX AWG và bị tách kênh thành các bước sóng thành phần Theo hướng ngược lại, tín hiệu DWDM được truyền tới một tổ hợp gồm có: bộ DEMUX AWG, một mảng các bộ chuyển mạch không gian quang 2x1, các bộ suy hao và MUX AWG Vị trí của mỗi bộ chuyển mạch xác định kênh nào được xen hoặc sẽ được truyền qua Đầu ra của mỗi bộ chuyển mạch đi tới bộ suy hao quang độc lập nhau, sau đó tất cả các kênh được ghép lại thành 1 tín hiệu đầu ra qua bộ MUX

Việc tích hợp và đóng gói tất cả thành phần này giúp cho thiết bị có giá thành

rẻ hơn so với ROADM WB Hơn nữa, bộ giám sát công suất quang cũng có thể được tích hợp vào trong ROADM PLC cho phép giám sát công suất chính xác và nhanh chóng tại các nơi xen/rẽ hoặc truyền qua Tuy nhiên, tương tự như ROADM WB, các kiến trúc nút mạng được xây dựng từ ROADM PLC chỉ hạn chế trong việc triển khai tại nút 2 bậc trong thực tiễn Một nhược điểm khác của công nghệ ROADM PLC là khó thiết kế bộ tách ghép kênh AWG với băng thông kênh phẳng và rộng Trong mạng đô thị, thường có 16 hoặc nhiều hơn các nút mạng, các bộ ROADM PLC sử dụng bộ ghép/tách kênh AWG nối tầng sẽ làm giảm băng thông của kênh Hiệu quả nối tầng được chấp nhận với các ứng dụng mà bước sóng có tốc độ 10 Gbps với khoảng cách kênh 100 GHz, tại đó yêu cầu băng thông thực nhỏ hơn 30 GHz Các bộ ROADM PLC với khoảng cách kênh 50 GHz không thể hỗ trợ băng thông đó

Bộ ROADM PLC có khả năng xen/rẽ toàn bộ bước sóng với 40 kênh thuộc băng C với khoảng cách kênh là 100 GHz ROADM PLC gồm 2 khối xen/rẽ bước sóng ở 2 phía mạng, do đó nó thường sử dụng trong nút 2 bậc trong các mạng vòng

đô thị Với 80% các nút trong mạng đô thị là nút 2 bậc, ROADM PLC đang được sử dụng phổ biến như hiện nay

2.2.3 Chuyển mạch chọn lọc bước sóng (Wavelength Selective Switch)

Công nghệ ROADM thế hệ thứ 3 đang được sử dụng rộng rãi trong mạng DWDM hiện nay là chuyển mạch chọn lọc bước sóng WSS Hình 2.5 minh hoạ một

bộ WSS 1xN có thể định tuyến độc lập từng bước sóng từ 1 port đầu vào đến N port đầu ra [8] WSS có tính 2 chiều, các kênh từ N port đầu vào cũng có thể được ghép kênh chọn lọc tới một port đầu ra Ngoài ra, WSS cũng có thể tích hợp các bộ suy hao cho mỗi kênh bước sóng hoặc có thể chặn bất kỳ bước sóng nào Hầu hết WSS triển khai trong các hệ thống ngày nay đều hoạt động tại lưới ITU 100 GHz hoặc 50 GHz, thuộc băng C hoặc L

Hình 2.6: Cấu trúc ROADM WSS 2 bậc

Ưu điểm lớn của WSS là được cấu hình dễ dàng trong các ROADM đa bậc như 3 hoặc 4 bậc tại các mạng đường dài hoặc mạng đô thị Hình 2.7 minh hoạ cấu trúc bộ ROADM 4 bậc [8]

Hình 2.7: Cấu trúc ROADM WSS 4 bậc với các port xen/rẽ kênh colored

Với cấu trúc đó, các port xen/rẽ kênh đều được gán một bước sóng cụ thể vì được tách/ghép kênh qua các bộ DEMUX & MUX Các bộ ROADM như vậy gọi là

có màu (colored), bộ phát đáp kết nối tới 1 port xen/rẽ của ROADM sẽ không thể thay đổi linh hoạt được

Hình 2.8 minh hoạ một cấu trúc thay thế với một bộ WSS được đặt tại mỗi bậc Port đầu vào mỗi bộ WSS kết nối với sợi quang đầu vào tại mỗi bậc [8] Một số port ra của WSS được kết nối tới các bộ coupler N:1 tại các bậc khác, một số port ra khác đóng vai trò là port rẽ và WSS chỉ định tuyến duy nhất một bước sóng tới mỗi port này Mỗi WSS sau đó được cấu hình để hướng các kênh tới các bậc khác hoặc tới port rẽ kênh hoặc chặn luôn bước sóng đó Các kênh được xen sử dụng bộ ghép công suất quang coupler Các bước sóng cần phải được cấu hình chỉ một bước sóng được định hướng tới mỗi bộ coupler để tránh xung đột các tín hiệu cùng bước sóng

Hình 2.8: Cấu trúc ROADM WSS 4 bậc với các port xen/rẽ colorless

Với cấu trúc này, mỗi port rẽ kênh không được gán một bước sóng cụ thể, mà bước sóng rẽ từ các port này được xác định bởi bước sóng nào được WSS định tuyến tới port đó Các port xen kênh cũng không được gán bước sóng cố định Những port xen/rẽ với đặc tính như vậy gọi là độc lập bước sóng (colorless), giúp cho hệ thống vận hành mạng có thể gán và thay đổi các port độc lập bước sóng bất cứ lúc nào một cách linh hoạt

Các bộ WSS hiện nay được cấu trúc dưới dạng quang không gian sử dụng các công nghệ như: hệ thống cơ điện siêu vi MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems),

bộ điều biến pha tinh thể lỏng trên nền silicon LCoS (Liquid Crystal on Silicon), chuyển mạch dựa trên phân cực tinh thể lỏng LC (Liquid Crystal), gương xử lý ánh sáng số DLP (Digital Light Processing) hoặc kết hợp nhiều công nghệ

2.2.4 Nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect)

ROADM OXC có thể hỗ trợ kết nối NxN cho mạng mắt lưới Cấu trúc mạng mắt lưới có khả năng tăng dung lượng mạng, hiệu quả và độ tin cậy bằng việc tăng

số lượng kết nối và mức dự phòng cao Cấu trúc này được đánh giá cao về kỹ thuật song có hạn chế vì chi phí lớn do phải cần khối lượng lớn các thành phần Mặc dù

tiết kiệm được chi phí khai thác song chi phí đầu tư quá cao trở thành rào cản trong việc triển khai rộng rãi ROADM OXC của các mạng mắt lưới

Một số đặc điểm quan trọng nhất của OXC là:

- Các nút tái cấu hình không bị nghẽn

- Cấu hình tin cậy, có nhiều ma trận chuyển mạch kích thước trung bình

- Không tái tạo tín hiệu, không chuyển đổi bước sóng

Với nút mạng N bậc (N hướng với N sợi quang đầu vào, N sợi quang đầu ra)

và M bước sóng trên mỗi sợi quang, một OXC cần N bộ tách kênh, N bộ ghép kênh

và M bộ chuyển mạch N×N Hình 2.9 biểu diễn một nút mạng 7 bậc trong một mạng mắt lưới với 40 kênh bước sóng [12] Khối OXC gồm 8 cặp tách/ghép kênh và 40 bộ chuyển mạch 8×8 Mỗi bộ chuyển mạch này hoạt động trên một bước sóng đơn và có thể chuyển mạch từ một sợi quang đầu vào đến bất kỳ một sợi quang đầu ra nào

Hình 2.9: Kiến trúc của ROADM OXC cho một nút bậc 7 với 40 bước sóng

2.3 Kiến trúc ROADM sử dụng WSS

2.3.1 Kiến trúc quảng bá và chọn lọc (Broadcast and select)

Đây là kiến trúc phổ biến vì nó phù hợp với nút mạng liên tiếp nhau Kiến trúc này sử dụng WSS Nx1 cho nút 3 bậc được minh hoạ như hình 2.10 [6] Tín hiệu vào

bộ splitter 1:6 sẽ được hướng tới 6 bộ WSS 6x1 Giả sử nếu bước sóng λ1 truyền trong sợi quang đầu vào và trên 3 port xen, thì mỗi WSS sẽ nhận được 6 tín hiệu λ1 trên 6 port đầu vào của nó Mỗi WSS được cấu hình cho phép một trong số các bước sóng

λ1 truyền tới port ra, như vậy sẽ tránh xung đột trên port ra Nếu muốn bước sóng λ1

đi xuyên qua nút từ East tới South thì WSS ứng với hướng South sẽ được cấu hình

để định hướng λ1 từ port vào đầu tiên tới port ra Kiến trúc này còn có thể hỗ trợ multicast trong miền quang với nhiều cấu hình khác nhau

Hình 2.10: Kiến trúc ROADM quảng bá và chọn lọc

Các splitter chịu trách nhiệm quảng bá còn WSS thực hiện chọn lọc bước sóng Khi quảng bá tín hiệu, splitter thường không chia đều công suất giữa các port mạng

và port rẽ Điều này giúp đảm bảo duy trì tính toàn vẹn tín hiệu của lưu lượng đi qua, cho phép lưu lượng tiếp tục tới nút tiếp theo trên đường truyền, chỉ một phần nhỏ công suất tín hiệu (khoảng 10%) được định hướng tới các port rẽ, phần còn lại đi tới

các sợi quang phía mạng Ngoài ra, thường phải có khuếch đại trong nút để giảm thiểu suy hao do splitter và WSS

2.3.2 Kiến trúc định tuyến và chọn lọc (Route and select)

Kiến trúc định tuyến và chọn lọc như hình 2.11 tương tự như kiến trúc quảng

bá và chọn lọc [6] Sự khác biệt chính là các splitter tại các đầu vào của kiến trúc trước được thay thế bằng WSS Kiến trúc này sẽ hạn chế suy hao do splitter, giảm nhiễu và xuyên âm, cho phép tín hiệu đi qua nhiều nút Nhược điểm của kiến trúc này

là chi phí cho thiết bị mạng tăng lên gần như gấp đôi và không hỗ trợ multicast

Hình 2.11: Kiến trúc ROADM định tuyến và chọn lọc

2.3.3 Kiến trúc chọn lựa bước sóng (Wavelength selective)

Hình 3.12 mình hoạ cho kiến trúc này triển khai trong nút bậc 3 [6] Phần lõi của kiến trúc là chuyển mạch quang, cấu trúc của nó là toàn quang, không cần sử

dụng chuyển đổi O-E-O cho việc truyền lưu lượng qua nút Đầu vào và đầu ra của kiến trúc này là đối xứng nên hình 2.12 đã đơn giản hoá sử dụng một đường duy nhất

để đại diện cho cả sợi quang đầu vào và đầu ra Xét tín hiệu đến từ East, tín hiệu DWDM từ sợi quang mạng East được tách kênh thành các bước sóng thành phần, mỗi bước sóng được đưa tới port của chuyển mạch quang Chuyển mạch quang được cấu hình để định hướng bước sóng rẽ tới các bộ phát đáp Các bước sóng còn lại là bước sóng đi qua được hướng tới bộ ghép kênh bên phía West hoặc South Các bước sóng này được ghép kênh thành tín hiệu DWDM cùng với các bước sóng xen khác,

và được truyền ra sợi quang mạng tương ứng

Hình 2.12: Kiến trúc chọn lựa bước sóng

Công nghệ MEMS thường được sử dụng cho chuyển mạch quang, bản thân các phần tử MEMS không chọn lựa bước sóng, tuy nhiên khi được kết hợp với các

bộ ghép kênh và tách kênh sẽ tạo nên một kiến trúc chọn lựa bước sóng

Bộ MUX/DEMUX có thể sử dụng công nghệ AWG hoặc WSS, tuy nhiên WSS

có chi phí đắt hơn Nếu sử dụng AWG, do AWG là không có tính độc lập bước sóng nên lưu lượng đi qua nút phải đi vào và đi ra trên cùng port chỉ số Vì vậy, ứng với mỗi mô hình lưu lượng cho trước sẽ có các cấu hình chuyển mạch quang phù hợp

Hạn chế lớn nhất của kiến trúc này là khả năng mở rộng của nó Chuyển mạch quang phải đủ lớn để chứa tất cả các bước sóng trên sợi quang qua nút cũng như bước

sóng xen/rẽ Xét một nút 4 bậc, có 80 bước sóng trên sợi quang và yêu cầu rẽ 50% số bước sóng từ mỗi sợi quang Kiến trúc quảng bá và chọn lọc có thể chứa cấu hình này với 8 bộ WSS 8x1 với 4 port xen/rẽ Với kiến trúc chọn lựa bước sóng, chuyển mạch quang phải có kích thước 480x480 Chuyển mạch MEMS thương mại lớn nhất năm

2015 có kích thước 320x320, mà kích thước tối đa có thể sẽ không tăng trong vài năm nữa

2.3.4 Kiến trúc ROADM CDC

ROADM sử dụng WSS có 4 đặc tính sau: độc lập bước sóng (colorless), độc lập hướng mạng (directionless), không tranh chấp (contentionless) và lưới tần số linh hoạt (gridless) được ký hiệu lần lượt là C, D, C và G Các tính năng này có thể được

tổ hợp thành các kiến trúc khác nhau như CD, CDC, CDCG…

 Tính độc lập bước sóng (Colorless)

Tính độc lập bước sóng là khả năng có thể gắn bất kỳ bộ phát đáp vào ROADM, bộ phát đáp này được trang bị các laser hiệu chỉnh được, cho phép kết cuối bất kỳ bước sóng nào Vì sự ràng buộc tính liên tục của bước sóng trong hệ thống DWDM, phải sử dụng một bước sóng cụ thể dành cho một kết nối cho trước Khi đó,

có thể gắn bộ phát đáp tương ứng vào bất kỳ port xen/rẽ của ROAM hoặc điều chỉnh lại bộ phát đáp hiệu chỉnh được tới bước sóng tương ứng mà không cần phải chuyển

bộ phát đáp sang khe cắm khác

Các port xen/rẽ của ROADM kiến trúc quảng bá và chọn lọc và kiến trúc định tuyến và chọn lọc tương tự như các thiết bị kết cuối quang Chúng thực hiện chức năng ghép/tách kênh bước sóng xen/rẽ bên trong ROADM Các kiến trúc xen/rẽ sử dụng coupler/splitter và WSS có tính độc lập bước sóng, trong khi AWG là không có tính chất này

Trong kiến trúc ROADM chọn lựa bước sóng, việc ghép/phân kênh được thực hiện ngay khi các sợi quang đi ra/vào ROADM, khi đó bộ chuyển mạch trung tâm chỉ làm việc với các bước sóng đơn lẻ Mỗi bộ phát đáp xen/rẽ được gắn trực tiếp vào