Tính toán thiết kế tuyến cáp quang đường trục bắc nam ứng dụng công nghệ dwdm và edfa

Kết luận...141 kết Luận...142 tài liệu tham khảo Danh mục các hình vẽ Hình 1.1: Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM 13 Hình 1.2a : Hệ thống truyền dẫn WDM điểm - điểm ghép

Trang 1

Ph¹m v¨n h¹nh

Nghiªn cøu øng dông c¸p quang biÓn cho

m¹ng viÔn th«ng viÖt nam

luËn v¨n th¹c sü

Trang 2

NguyÔn thuý hµ

tÝnh to¸n thiÕt kÕ tuyÕn c¸p quang

®-êng trôc b¾c-nam øng dông c«ng nghÖ DWDM vµ EDFA

Trang 3

Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: VnArial Narrow

Mục

lụcL

1

Danh mục các hình vẽ 4

Danh mục các bảng biểu 8

Các thuật ngữ viết tắtời nói đầu 444449 Các thuật ngữ viết tắt mở đầu 139910611 Ch-ơng I1: Tổng quan về công nghệ DWDM và EDFA 1.1 tổng quan về công nghệ ghép kênh theo b-ớc sóng WDM 171313128

1.2 Phân loại hệ thống truyền dẫn sử dụng công nghệ W WDDM

211616151112

1.2.1 Truyền dẫn ghép b-ớc sóng quang một h-ớng 2218181713

1.2.2 Truyền dẫn ghép b-ớc sóng quang hai h-ớng 2318181713

1.3 các cấu trúc cơ bản cho mạng WDM 2420201915

1.3.1 Cấu trúc điểm- điểm 2520201915

1.3.2 Cấu trúc ring 2722222117

1.3.3 Cấu trúc mạng hình l-ới 2823232218

1.4 Các tham số cơ bản của công nghệ WDM 3025252420

1.4.1 Suy hao xen 3025252420

1.4.2 Xuyên kênh 3025252420

1.5 cơ sở nền tảng của khuếch đại quang sợi pha erbium (EDFA) 3126262521

Formatted: Space Before: 6 pt Formatted: Top: 1,38"

Formatted: Default Paragraph Font, Font:

.VnTimeH, French (France), Do not check spelling or grammar

Formatted: Default Paragraph Font, French

(France), Do not check spelling or grammar

Formatted: Normal Formatted: TOC 1, Left, Line spacing: single Formatted: Font: 14 pt

Formatted: TOC 1, Left, Line spacing: single

Trang 4

1.5.1 Nguyên lý làm việc 3227272622

1.5.2 Quy luật chi phối các t-ơng tác Phôtôn- nguyên tử 3328282723

1.5.5 Cấu hình bơm EDFA 4741413935

1.6 Vai trò của EDFA, các yêu cầu về mạng và dải rộng của EDFA đối với các ứng dụng WDM 5043434238

1.6.1 Vai trò của EDFA trong mạng thông tin quang WDM 5043434238

1.6.2 Các yêu cầu mạng đối với EDFA trong mạng thông tin quang WDM 5144444239

1.6.3 Kiểm soát động bộ khuếch đại trong hệ thống WDM 5145454339

1.7 Kết luận 5448484642

Ch-ơng 2ii: thiết bị và công nghệ thiết bị cơ bản sử dDụng trong hệ thống DWDM 2.1 các thiết bị cơ bản sử dụng trong hệ thống DWDM 5750504845

2.1.1 Nguồn phát quang 5750504845

2.1.2 Sợi quang 5952525047

2.1.3 Thiết bị thu quang 6255555350

2.1.4 Thiết bị tách/ ghép kênh quang 6356565351

2.1.5 Thiết bị khuyếch đại quang 6457575552

2.1.7 Bộ xen/ rẽ quang OADM 7467676562

2.1.8 Thiết bị kết nối chéo quang OXC 8073737168

2.2 một vài số công nghệ thiết bị cơ bản trong hệ thống DWDM 8376767471

2.2.1 Công nghệ của thiết bị WDM vi quang 8376767471

2.2.1.1 Công nghệ sử dụng bộ lọc điện môi giao thoa 8476767472

2.2.1.2 Công nghệ sử dụng các phần tử phân tán góc 8880807876

2.2.2 Các thiết bị WDM ghép sợi 9082828077

2.2.3 Cách tử dẫn sóng AWG và những nét mới về công nghệ thiết bị trong hệ thống DWDM 9183838179

2.3 Kết luận 9889898785

Formatted: Font: 14 pt

Formatted: TOC 1, Left, Line spacing: single

Field Code Changed Formatted: Font: 13 pt Formatted: Font: Not Bold Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: Not Bold

Formatted: Font: Not Bold

Trang 5

Ch-ơng 3III: Tính toán thiết kế tuyến cáp quang

đ-ờng trục DWDM

10090908886

3.1.1 Kênh b-ớc sóng – vấn đề xuyên nhiễu giữa các kênh 10090908886

3.1.1.1 Khoảng cách kênh b-ớc sóng 10090908886

3.1.1.2 Xác định độ rộng phổ yêu cầu của nguồn phát 10393939189

3.1.1.3 Vấn đề xuyên kênh 10494949290

3.1.2 Vấn đề suy hao – Quỹ công suất của hệ thống thông tin WDM 10595959391

3.1.3 Vấn đề tán sắc – bù tán sắc 10595959492

3.1.4 Vấn đề ảnh h-ởng của các hiệu ứng phi tuyến 10898989795

3.1.4.1 1 Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) 10999999795

3.1.4.2 Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation) 1101001009997

3.1.4.3 Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) 1101001009997

3.1.4.4 Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering) 11210210210199

3.1.4.5.5 Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scattering) 114103103102100

3.1.5 Những yếu tố gây suy giảm chất l-ợng cần xem xét khi tính toán thiết kế hệ thống WDM 115104104104102

3.1.5.1 Xác định vấn đề thiệt thòi về công suất do tán sắc gây ra 115105105104102

3.1.5.2 2 Thiệt thòi về công suất do hiện t-ợng chirp gây ra 117107107106104

3.1.5.3 Thiệt thòi về công suất do ảnh h-ởng của phi tuyến 120110110109107

3.1.5.4 Thiệt thòi về công suất do xuyên kênh trong các bộ MUX/DEMUX 121111111110108

3.2 ph-ơng pháp thiết kế chung cho tuyến quang DWDM 123113113112111

3.2.1 Các b-ớc thiết kế hệ thống 123113113112111

3.2.2 Nguyên tắc thiết kế 124113113113111

3.2.3 Thiết kế dựa trên quĩ công suất 125114114114112

3.2.4 Thiết kế dựa trên quĩ thời gian lên (rise-tim budget) 125115115115113

3.2.5 Thiết kế dựa trên thông số BER và OSNR 127116116116115

3.2.6 Thiết kế với sự trợ giúp của các công cụ mô phỏng 129119119119116

Formatted: Font: 14 pt

Formatted: TOC 1, Left

Field Code Changed Formatted: Font: Not Bold Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: Not Bold Formatted: Font: Not Bold Formatted: Font: Not Bold Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: Not Italic

Formatted: Font: Not Bold Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: Not Italic

Formatted: Font: Not Italic

Formatted: Font: Not Bold Formatted: Font: Not Bold Formatted: Font: Not Bold Formatted: Font: Not Bold Formatted: Font: Not Bold Formatted: Font: Not Bold

Trang 6

3.3.1 Thiết lập l-u đồ thiết kế tuyến thông tin quang DWDM 130120120120117

3.3.2 Một vài ví dụ tThực tế thiết kế tuyến cáp quang đ-ờng trục Bắc- Nam DWDM

20Gbit/s 137126126127124

quang đ-ờng trục DWDM 20Gbit/s 137126126127124

tính toán thiết kế tuyến 127126126126126127127

các chặng theo khuyến nghị của hãng Nortel 130126126126129127

3.3.2.4 Tính toán thiết kế cụ thể tuyến cáp quang đ-ờng trục Bắc- Nam 20Gbit/s 128

3.3.2.5 Quy tắc bù suy hao giữa các chặng 130

nghiên cứu khả năng nâng cấp dung l-ợng tuyến trục bắc-

nam lên 40Gbit/s và 80gbit/s……… 139

3.5 Kết luận 141

kết Luận 142

tài liệu tham khảo

Danh mục các hình vẽ

Hình 1.1: Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM 13

Hình 1.2a : Hệ thống truyền dẫn WDM điểm - điểm ghép 4 b-ớc sóng 17

Hình 1.2b : Mạng WDM vòng kép bốn b-ớc sóng 17

Formatted: Font: Not Bold Formatted: Font: Not Bold Formatted: Font: VnTime, Italic Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: VnTime, Not Bold Formatted: Font: Not Italic Formatted: Font: VnTime, Not Bold Formatted: Normal, Left, Line spacing: single Formatted: Font: 12 pt, Do not check spelling

Formatted Table Formatted: Font: VnTime, 13 pt

Trang 7

Hình 1.3 : Hệ thống truyền dẫn ghép b-ớc sóng quang một h-ớng 18

Hình 1.4 : Hệ thống truyền dẫn ghép b-ớc sóng quang hai h-ớng 19

Hình 1.5: Cấu trúc điểm điểm và cơ chế bảo vệ 21

Hình 1.6: Mạng ring WDM hai h-ớng 2 sợi quang 23

Hình 1.7: Mạng ring WDM hai h-ớng 4 sợi quang 23

Hình 1.8: Mạng kết hợp giữa cấu trúc ring, điểm- điểm và hình l-ới 24

Hình 1.9: a) Xuyên kênh ở bộ tách kênh; b) Xuyên kênh ở bộ ghép - tách

kênh hỗn hợp

26

Hình 1.10: Cơ chế bức xạ trong ba mức (a) và trong bốn mức (b) 28

Hình 1.11: Phổ hấp thụ của sợi quang thông th-ờng và sợi quang Erbium 28

Hình 1.12a: Bức xạ tự phát của Photon có tần số  nhờ chuyển tiếp nguyên

Hình 1.13 : Bức xạ tự phát đơn mode làm cho số l-ợng các nguyên tử bị kích

thích giảm xuống theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian 1/sp

30

Hình 1.14 : Mô hình ba mức đối với bộ khuếch đại quang sợi pha Er3+ 32

Hình 1.15: Chênh lệch nồng độ đối với công suất bơm, công suất tín hiệu và

 là biến

35

Hình 1.16 : Chênh lệch nồng độ đối với mật độ công suất tín hiệu tiêu chuẩn 37

Hình 1.17 : Sơ đồ mức năng l-ợng và các đ-ờng hấp thụ của Er3+ 38

Hình 1.18 : Giải thích suy hao hấp thụ trạng thái c-ỡng bức hấp thụ hai

photon dạng bậc thang

38

Hình 1.19a: Sơ đồ cấu hình bơm EDFA theo h-ớng thuận 42

Hình 1.19b: Sơ đồ cấu hình bơm EDFA theo h-ớng ng-ợc 43

Trang 8

Hình 1.19c: Sơ đồ cấu hình bơm EDFA theo hai h-ớng 43

Hình 1.20 : Đo đạc và tính toán những thay đổi đột biến công suất còn lại

đối với các tr-ờng hợp tách ra 1, 4 và 7 kênh trong số 8 kênh WDM

46

Hình 1.21 : Trễ và nghịch đảo tốc độ đối với sai lệch công suất kênh còn lại

2 dB sau khi tách ra 4 trong số 8 kênh WDM

47

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị tách ghép kênh quang 56

Hình 2.2: Các cấu trúc khác nhau cho hệ thống sử dụng bộ khuếch đại quang 60

Hình 2.4: Mô hình truyền dẫn WDM 160kênh b-ớc sóng cho cả hai băng

truyền dẫn C và L

62

Hình 2.5: Phổ phát xạ Raman của sợi quang 65

Hình 2.7 : Cấu trúc chức năng của bộ OADM 68

Hình 2.8: Cấu hình các module quang trong một thiết bị OADM 69

Hình 2.9: OXC nằm giữa thiết bị User của lớp quang và các OLT lớp quang 73

Hình 2.10: Các cấu hình khác nhau của OXC 75

Hình 2.11 : Nguyên lý hoạt động của thiết bị WDM vi quang đối với cấu

trúc sử dụng:(a) Bộ lọc giao thoa; (b) Các phần tử phân tán góc

76

Hình 2.12a : Đ-ờng cong phổ truyền dẫn của buồng cộng h-ởng Fabry-

Perot

77

Hình 2.12b : Cấu trúc của buồng Fabry - Perot điện môi 77

Hình 2.13: Các đặc tính phổ truyền dẫn của các bộ lọc giao thoa cắt (a),(b)

Trang 9

Hình 2.16 : Cấu trúc cơ bản của bộ tách nhiều kênh sử dụng bộ lọc giao thoa

gắn trực tiếp vào sợi

80

Hình 2.17a: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cách tử nhiễu xạ Planar 81

Hình 2.17b: Sơ đồ cấu trúc tự hội tụ sử dụng cách tử lòng chảo 81

Hình 2.18 : Bộ tách kênh Littrow : (a) Cấu trúc cơ bản; (b) Cấu trúc thực tế

sử dụng lăng kính GRIN-rod của bộ tách ghép 2 kênh

Hình 3.1: Sự phụ thuộc của penalty đầu thu 98

Hình 3.2: Độ thiệt thòi về công suất do tán sắc gây ra 106

Hình 3.3: Quan hệ giữa độ thiệt thòi về công suất và BLD cdo hiện t-ợng

chirp gây ra

108

Hình 3.4: Quan hệ giữa thiệt thòi về công suất vàtham số tán sắc 2B2L do

hiện t-ợng chirp gây ra

109

Hình 3.5: ảnh h-ởng của phi tuyến đến chất l-ợng truyền dẫn 110

Hình 3.6: Ph-ơng pháp xác định thời gian lên của hệ thống 115

Hình 3.7: Sơ đồ của tuyến truyền dẫn WDM có sử dụng khuếch đại quang 117

Hình 3.8: Cấu hình tham chiếu của hệ thống WDM 120

Hình 3.9: L-u đồ tính toán các thông số kỹ thuật của tuyến 125

Trang 10

Hình 3.11 : Cấu hình mạng đuờng trục 20 Gbit/s của VTN 137

Hình 3.12 : Các b-ớc sóng sử dụng trong mạng đ-ờng trục 20 Gbit/s 138

Danh mục các bảng biểu

Bảng 1.1 : So sánh EDFA đ-ợc bơm bởi ánh sáng bơm 1,48 m và 0,98 m 41

Bảng 1.2 : Vai trò của EDFA trong các mạng quang 44

Bảng 1.3: Khả năng có thể của đặc tr-ng EDFA với các yêu cầu mạng 45

Bảng 2.1: Các b-ớc sóng của hệ thống WDM 51

Formatted: Font: Bold Formatted: Left, Space Before: 3 pt, After: 3

pt, Line spacing: Multiple 1,3 li

Formatted: Font: VnTime, 13 pt

Formatted: Space Before: 3 pt, After: 3 pt,

Line spacing: Multiple 1,3 li

Formatted: Font: VnTime, 13 pt, Not Bold

Formatted: Font: Bold Formatted: Left, Space Before: 3 pt, After: 3

pt, Line spacing: Multiple 1,3 li

Formatted: Font: VnTime, 13 pt

Formatted: Font: VnTime, 13 pt, Not Bold

Formatted: Font: Not Bold Formatted: Right: 0,1"

Formatted: Font: Bold Formatted: Left, Right: 0,23"

Formatted Table Formatted: Font: VnTime, 13 pt Formatted: Font: VnTime, 13 pt Formatted: Font: Bold Formatted: Left Formatted: Font: VnTime, 13 pt Formatted: Font: VnTime, 13 pt Formatted: Font: Bold

Trang 11

Bảng 2.3: Các tham số của sợi DSF 53

Bảng 3.1: Tiêu chuẩn ITU-TG.692 về khoảng cách kênh b-ớc sóng 92

Bảng 3.2: Công suất dự phòng khi thiết kế tuyến thông tin quang WDM 112

Bảng 3.3: Kết quả tính toán thiết kế tuyến cáp quang WDM 129

Bảng 3.6: Suy hao b-ớc tối đa cho phép giảm đi 131

Bảng 3.7 : Suy hao khoảng cách tối đa cho phép và luật bù tán sắc cho 2  32

b-ớc sóng ứng dụng trên cáp NDSF, tốc độ kênh 10 Gbit/s hoặc 2,5/10 Gbit/s

132

Bảng 3.8 : Cung cấp các luật cho 32 b-ớc sóng ứng dụng trên cáp NDSF, 10

Gbit/s hoặc kênh 2,5/10 Gbit/s, 2  32 b-ớc sóng

Lời nói đầu

Sự ra đời của công nghệ DWDM đánh dấu

một b-ớc phát triển v-ợt bậc trong lĩnh vực

truyền dẫn Với những -u thế trong việc ghép

kênh theo b-ớc sóng đơn giản, linh hoạt, giảm

Trang 12

t-ơng thích với các giao diện SDH hiện có, tạo

ra khả năng quản lý tập trung Công nghệ

DWDM đáp ứng sự tăng tr-ởng nhanh của mạng

viễn thông và các yêu cầu của mạng số hoá đa

dịch vụ trong t-ơng lai Mặt khác, công nghệ

DWDM đ-ợc ứng dụng nhiều trong thực tế

cũng chính là nhờ sự phát triển của công

nghệ khuếch đại quang sợi pha Erbium (EDFA)

dung l-ợng lớn Nhằm mục đích h-ớng tới xây

dựng, thiết kế tối -u hệ thống truyền dẫn

DWDM đảm bảo đồng thời về chất l-ợng hiệu

quả, tiết kiệm đầu t- và phù hợp với hạ tầng

sẵn có Luận văn cũng đã đ-a ra các sở cứ

chính xác để hội tụ đ-ợc các định h-ớng xây

dựng mạng l-ới trong t-ơng lai

Với ý nghĩa đó đề tài: ”Tính toán thiết kế

mạng đ-ờng trục Việt Nam ứng dụng công nghệ

Formatted: Font: VnTimeH, 16 pt

Trang 13

DWDM và EDFA” đ-ợc trình bày trong luận văn

Ch-ơng III: Tính toán thiết kế tuyến

cáp quang đ-ờng trục DWDM

Đ-ợc sự h-ớng dẫn tận tình của thầy giáo

PGS.TS Nguyễn Cảnh Tuấn, sự quan tâm giúp đỡ

của tất cả các Thầy Cô giáo trong Khoa Điện

quy trình tổng quát để thiết kế tuyến

truyền dẫn đ-ờng trục DWDM Quy trình này

đã đ-ợc kiểm chứng bằng thực tế bởi hệ thống

DWDM 20Gbit/s của VNPT tại VTN

Formatted: Font: VnTimeH, 16 pt, Bold

Formatted: Font: VnTimeH, 16 pt

Formatted: Bullets and Numbering

Formatted: Font: VnTimeH, 16 pt, Bold Formatted: Font: VnTimeH, 16 pt

Formatted: Font: VnTimeH, 16 pt, Bold Formatted: Font: VnTimeH, 16 pt Formatted: Font: VnTimeH, 16 pt, Bold Formatted: Font: VnTimeH, 16 pt

Formatted: Font: VnTimeH, 16 pt, Bold Formatted: Font: VnTimeH, 16 pt Formatted: Font: VnTimeH, 16 pt, Bold

Trang 14

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong quá

trình thực hiện nh-ng nội dung đề tài là vấn

đề lớn trong mạng hiện tại, hơn nữa thời gian

nghiên cứu có hạn nên trong bản luận văn

này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu

sót, tôi rất mong nhận đ-ợc sự góp ý, giúp đỡ

của các Thầy Cô giáo cùng toàn thể các bạn

học viên, các đồng nghiệp để các nghiên cứu

sau đạt kết quả cao hơn

Formatted: Font: VnTimeH, 16 pt, Bold, Italic

Formatted: Font: VnTimeH, 16 pt, Bold

Trang 15

Add Drop Multiplexer

Avalanche Photo Diode

Amplifier Spontaneous Emission

Arrayed Waveguide Grating

Bit Error Rate

Band Pass Filter

Khuếch đại công suất

Tỷ lệ lỗi bit

Bộ lọc thông dải DCM

E/O

EDF

Electrical to Optical converter

Erbium Doped Fiber

Bộ biến đổi điện - quang Sợi quang pha Erbium

Formatted: Centered, Tab stops: 0,5", Left

Formatted: Centered

Formatted: Centered, Tab stops: 2,17", Left

Formatted: Centered

Formatted Table

Trang 16

Forward Error Correction

Four Wave Mixing

Khối sửa lỗi tr-ớc Trộn bốn b-ớc sóng ITU

Light Emiting Diode

Line Opical Amplifier

Long Wavelength Pass Filter

Hiệp hội viễn thông quốc tế Khuếch đại đ-ờng truyền

Điốt lazer

Điốt phát xạ quang Khuếch đại đ-ờng truyền

Bộ lọc b-ớc sóng dài MOR

Optical Add Drop Multiplxer

Optical Frequency Division

Optical Time Division Multiplexing

Optical Cross Connect

Pre Amplfier

Power Equalizer

Polarization Mode Dispersion

Ghép kênh quang theo thời gian

Bộ nối chéo quang Tiền khuếch đại

Bộ cân bằng công suất Tán sắc mode phân cực S/N

Signal to Noise ratio

Stimulated Brillouin Scattering

Synchronous Digital Hierarchy

Sub-Network Connection Protection

Self Phase Modulation

Stimulated Raman Scattering

Synchronous Transport Module

Tỷ số tín hiệu/tạp âm Tán xạ Brillouin Cấp truyền dẫn số đồng bộ Bảo vệ mạch vòng thứ cấp

Tự điều chế pha Tán xạ Raman Modul truyền dẫn đồng bộ

Trang 17

Sự ra đời của công nghệ DWDM đánh dấu một b-ớc phát triển v-ợt bậc trong

lĩnh vực truyền dẫn Với những -u thế trong việc ghép kênh theo b-ớc sóng đơn

giản, linh hoạt, giảm thiết bị trên mạng, băng tần truyền dẫn rộng, t-ơng thích với

các giao diện SDH hiện có, tạo ra khả năng quản lý tập trung Công nghệ DWDM

đáp ứng sự tăng tr-ởng nhanh của mạng viễn thông và các yêu cầu của mạng số hoá

đa dịch vụ trong t-ơng lai Mặt khác, công nghệ DWDM đ-ợc ứng dụng nhiều trong

thực tế cũng chính là nhờ sự phát triển của công nghệ khuếch đại quang sợi pha

Erbium (EDFA)

Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu thông tin ngày càng phát triển, đòi

hỏi mạng phải cung cấp một l-ợng băng tần rất lớn Đứng tr-ớc bối cảnh đó, công

nghệ WDM trở thành công nghệ không thể thiếu trên mạng viễn thông của Tập đoàn

B-u chính Viễn thông Việt Nam (VNPT)

Formatted: Space Before: 6 pt

Trang 18

Để triển khai đ-ợc công nghệ WDM trên mạng có nhiều vấn đề đ-ợc đặt ra,

trong đó có vấn đề thiết kế tuyến Với các tuyến đơn kênh quang thì việc thiết kế

t-ơng đối đơn giản, ng-ợc lại đối với các tuyến WDM việc thiết kế trở nên phức tạp

hơn nhiều Có thể kể ra đây nhiều yếu tố dẫn đến sự phức tạp này Đầu tiên là ảnh

h-ởng của các hiệu ứng phi tuyến do ng-ỡng phi tuyến của hệ thống WDM thấp

hơn so với các hệ thống đơn kênh quang Tiếp đến là sự t-ơng tác giữa các kênh

b-ớc sóng, sự tích lũy nhiễu, tích luỹ méo tín hiệu khi trên tuyến có sử dụng các bộ

khuếch đại quang Rồi đến các yêu cầu về công nghệ thiết bị trên tuyến, công nghệ

sợi quang…đ-ợc xem xét, đặc biệt với những cự ly truyền dẫn dài Để xây dựng,

thiết kế tối -u hệ thống truyền dẫn DWDM đảm bảo đồng thời về chất l-ợng hiệu

quả, tiết kiệm đầu t- và phù hợp với hạ tầng sẵn có, chúng ta cần phải tối -u hoá

đ-ợc những yếu tố trên Có rất nhiều ph-ơng pháp thiết kế tuyến đ-ợc đ-a ra nh-ng

chủ yếu là thiết kế dựa trên Quỹ thời gian lên và Quỹ công suất của hệ thống Các

ph-ơng pháp này tính toán suy hao hệ thống dựa vào những thông số đầu vào có sẵn

và sau đó điều chỉnh lại cho phù hợp với chất l-ợng thiết bị và yêu cầu thực tế của

tuyến

Với ý nghĩa đó đề tài: “Tính toán thiết kế tuyến cáp quang đ-ờng trục

Bắc-Nam ứng dụng công nghệ DWDM v¯ EDFA” đ-ợc trình bày trong luận văn là rất có

ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

Nội dung luận văn gồm 3 ch-ơng :

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong quá trình thực hiện nh-ng nội dung đề tài

là vấn đề lớn trong mạng hiện tại, hơn nữa thời gian nghiên cứu có hạn nên trong

bản luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận

đ-ợc sự góp ý, giúp đỡ của các Thầy Cô giáo cùng toàn thể các bạn học viên, các

đồng nghiệp để bổ sung, sửa chữa, hoàn thiện luận văn ở mức độ cao nhất

Formatted: Bullets and Numbering

Trang 19

DWDM và EDFA

1.1 tổng quan về công nghệ ghép kênh theo b-ớc sóng

WDM

WDM (Wavelength Divison Multiplexing-Ghép kênh theo b-ớc sóng) là

công nghệ ghép kênh trong đó các b-ớc sóng ánh sáng đ-ợc ghép lại để truyền đi

trên cùng một sợi quang mà không gây ảnh h-ởng lẫn nhau Mỗi b-ớc sóng đ-ợc

coi nh- là một kênh quang Khi số l-ợng các b-ớc sóng đ-ợc ghép bằng hoặc nhiều

hơn 8 thì ghép kênh đ-ợc gọi là mật độ cao DWDM

Một ví dụ điển hình để mô tả nguyên lý WDM đó là khi ta sử dụng TV Khi

điều chỉnh bộ thu của TV chúng ta thu đ-ợc nhiều kênh TV khác nhau Mỗi kênh

đ-ợc truyền ở một tần số vô tuyến khác nhau và chúng ta lựa chọn một trong số

chúng nhờ bộ điều chỉnh kênh (một mạch cộng h-ởng trong TV) Tất nhiên, ở đây là

sóng vô tuyến còn trong hệ thống WDM là b-ớc sóng quang ở một góc độ nào đó,

Trang 20

không có sự khác biệt cơ bản nào giữa ghép kênh theo tần số (FDM) và ghép kênh

theo b-ớc sóng (WDM)

Hình 1.1: Nguyên lý cơ bản của hệ thống thông tin quang WDM

Có nhiều cách để tạo nên một hệ thống WDM chẳng hạn nh- sử dụng b-ớc

sóng 1310nm và b-ớc sóng 1550nm hoặc 850nm và 1310nm Những hệ thống nh-

thế sử dụng những phần tử quang đơn giản và giá thành t-ơng đối thấp và hoạt động

Theo thời gian, khái niệm WDM đ-ợc thay bằng khái niệm DWDM Về

nguyên lý không có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm trên, DWDM nói đến

khoảng cách gần giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số l-ợng kênh riêng rẽ

(mật độ kênh) trong hệ thống Những kênh quang trong hệ thống DWDM th-ờng

nằm trong một cửa sổ b-ớc sóng, chủ yếu là 1550 nm vì môi tr-ờng ứng dụng hệ

thống này là mạng đ-ờng trục, cự ly truyền dẫn dài và dung l-ợng lớn Công nghệ

hiện nay đã cho phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách

kênh rất nhỏ 0,5 nm Để thuận tiện chúng ta dùng thuật ngữ WDM để chỉ chung cho

cả hai khái niệm WDM và DWDM

Nhìn bên ngoài, một hệ thống truyền dẫn WDM và một hệ thống truyền dẫn

có rất nhiều điểm t-ơng tự Cả hai hệ thống đều có:

Trang 21

Tuy nhiên khác biệt quan trọng giữa chúng là ở chỗ: Hệ thống truyền dẫn

SDH chỉ dùng một b-ớc sóng quang cho mỗi h-ớng phát, còn hệ thống WDM thì

dùng nhiều b-ớc sóng (từ hai b-ớc sóng trở lên); đối t-ợng làm việc của hệ thống

SDH là các luồng tín hiệu số PDH/SDH, còn của hệ thống WDM là các b-ớc sóng

và các b-ớc sóng này không nhất thiết chuyển tải tín hiệu số Mỗi b-ớc sóng có

chức năng nh- một sợi quang cung cấp môi tr-ờng truyền tín hiệu cho hệ thống

khác và vì vậy gọi l¯ sợi “quang °o”

WDM ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu tăng vọt về băng thông do sự phát triển

ch-a từng thấy của mạng máy tính toàn cầu Internet, sự ra đời của các ứng dụng và

dịch vụ mới trên nền tảng Internet Tr-ớc WDM, ng-ời ta tập trung mọi nỗ lực để

nâng cao tốc độ truyền dẫn của các hệ thống SDH nh-ng kết quả thu đ-ợc không

mang tính đột phá vì công nghệ xử lý tín hiệu điện tại tốc độ cao đã dần đến giới

hạn Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s bản thân các mạch điện tử không thể đảm

bảo đáp ứng đ-ợc xung tín hiệu cực kì hẹp Thêm vào đó chi phí cho các giải pháp

trở nên tốn kém vì cơ cấu hoạt động khá phức tạp, đòi hỏi công nghệ rất cao Trong

khi đó băng thông cực lớn của sợi quang mới đ-ợc sử dụng một phần nhỏ Tuy

nguyên lý ghép kênh theo b-ớc sóng WDM rất gần với nguyên lý ghép kênh theo

tần số FDM, nh-ng các hệ thống WDM chỉ đ-ợc th-ơng mại hoá khi một số công

nghệ xử lý tín hiệu quang trở nên chín muồi, trong đó phải kể đến thành công trong

chế tạo các laser phổ hẹp, các bộ lọc quang, và đặc biệt là các bộ khuếch đại đ-ờng

truyền quang dải rộng (khuếch đại quang sợi EDFA, khuếch đại Raman)

Các laser phổ hẹp có tác dụng giản tối đa ảnh h-ởng lẫn nhau của các b-ớc

sóng khi lan truyền trên cùng một sợi quang Các bộ lọc quang dùng để tách một

b-ớc sóng ra khỏi các b-ớc sóng khác Các bộ khuếch đại đ-ờng truyền dải rộng

cần để tăng cự ly truyền của tín hiệu quang tổng gồm nhiều b-ớc sóng, nếu không

có các bộ khuếch đại này thì các điểm cần tăng công suất tín hiệu ng-ời ta phải tách

các b-ớc sóng ra từ tín hiệu tổng, sau đó hoặc là khuếch đại riêng rẽ từng b-ớc sóng

rồi ghép chúng trở lại, hoặc là phải thực hiện các b-ớc chuyển đổi quang-

điện-quang trên từng b-ớc sóng rồi mới ghép, và nh- vậy thì tốn kém và làm cho hệ

thống trở nên kém tin cậy

Ưu nh-ợc điểm của công nghệ WDM

Trang 22

So với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những

-u điểm nổi trội:

 Dung l-ợng lớn truyền dẫn lớn: Hệ thống WDM có thể mang nhiều kênh

quang, mỗi kênh quang ứng với tốc độ bit nào đó (TDM) Do đó hệ thống WDM có

dung l-ợng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với các hệ thống TDM Hiện nay hệ thống

WDM 80 b-ớc sóng với mỗi b-ớc sóng mang tín hiệu TDM 2,5Gbit/s, tổng dung

l-ợng hệ thống sẽ là 200Gbit/s đã đ-ợc thử nghiệm thành công Trong khi đó thử

nghiệm hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (40Gbit/s)

 Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng nh- những khó khăn gặp phải với hệ thống

TDM đơn kênh tốc độ cao: Không giống nh- TDM phải tăng tốc độ số liệu khi l-u

l-ợng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với một

b-ớc sóng riêng (kênh quang), do đó tốc độ từng kênh quang thấp Điều này làm

giảm đáng kể tác động bất lợi của các tham số truyền dẫn nh- tán sắc… Do đó tránh

đ-ợc sự phức tạp của các thiết bị TDM tốc độ cao

 Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung l-ợng hệ thống, thậm chí ngay cả

khi hệ thống vẫn đang hoạt động: Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung l-ợng của các

mạng hiện có mà không phải lắp đặt thêm sợi quang mới (hay cáp quang) Bên cạnh

đó nó cũng mở ra một thị tr-ờng mới đó là thuê kênh quang (hay b-ớc sóng quang)

ngoài việc thuê sợi hoặc cáp Việc nâng cấp chỉ đơn giản là cắm thêm các Card mới

trong khi hệ thống vẫn hoạt động (plug-in-play)

 Quản lý băng tần hiệu quả và tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt: Nhờ

việc định tuyến và phân bổ b-ớc sóng trong mạng WDM 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

 Giảm chi phí đầu t- mới

: Bên cạnh những -u điểm trên WDM cũng bộc lộ một số mặt hạn chế nằm

ở ngay bản thân công nghệ Đây cũng chính là những thách thức cho công nghệ này,

đó là:

 Dung l-ợng hệ thống vẫn còn quá nhỏ bé so với băng tần sợi quang: Công

nghệ WDM ngày nay rất hiệu quả trong việc nâng cao dung l-ợng nh-ng nó cũng

ch-a khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang Cho dù công nghệ còn phát

triển nh-ng dung l-ợng WDM cũng sẽ đạt đến giá trị tới hạn

Formatted: Bullets and Numbering Formatted: Font: Not Italic

Trang 23

 Chi phí cho khai thác và bảo d-ỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt

động hơn

WDM là công nghệ cơ bản cho mạng toàn quang

1.2 phân loại hệ thống truyền dẫn sử dụng công nghệ

WDM

Ghép kênh b-ớc sóng sử dụng để truyền số liệu đồng thời ở nhiều b-ớc sóng

mang thông qua một sợi quang riêng biệt Sự phân chia dải rộng băng các b-ớc sóng

có khả năng sử dụng trong một số kênh b-ớc sóng không chỉ đòi hỏi thiết bị phải

tinh vi mà còn tăng khả năng giao thoa giữa các kênh Hệ thống truyền dẫn quang

sóng( WADM) và bộ khuếch đại b-ớc sóng ( WAMP) Mạng quang WADM sử

dụng các hệ thống truyền dẫn WDM điểm-điểm và yêu cầu bộ kết nối chéo lựa chọn

b-ớc sóng( WSXC) có khả năng chuyển tín hiệu đầu vào tới sợi quang khác xảy ra ở

tần số khác, ví dụ nh- mạng WDM vòng kép bốn b-ớc sóng nh- thể hiện ở hình

1.2b

Trong mạng quang, WADM, WSXC, WAMP đ-ợc biết đến nh- là các bộ

ghép kênh xen rẽ quang ( OADM), bộ kết nối chéo quang( OXC) và bộ khuếch đại

quang (OAMP) Các thuật ngữ WADM, WSXC, WAMP th-ờng sử dụng để phân

biệt các phần tử trong mạng quang WDM

Hình 1.2 a : Hệ thống truyền dẫn WDM điểm - điểm ghép 4 b-ớc sóng

Formatted: Font: Italic

Trang 24

Có hai ph-ơng pháp cơ bản để thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật

WDM đó là truyền dẫn ghép b-ớc sóng quang một h-ớng và truyền dẫn ghép b-ớc

sóng quang hai h-ớng

1.2.1 Truyền dẫn ghép b-ớc sóng quang một h-ớng

Hình vẽ 1.3 thể hiện sơ đồ thiết lập hệ thống truyền dẫn WDM một h-ớng,

đó là sự kết hợp của các tín hiệu có các b-ớc sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và

thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia Để thực hiện

hệ thống WDM một h-ớng, cần phải có bộ ghép kênh ở đầu phát để kết hợp tín hiệu

quang từ các nguồn phát quang khác nhau đ-a vào sợi quang Tại đầu thu, cần phải

có bộ tách kênh để thực hiện tách riêng các kênh quang t-ơng ứng Đối với bộ tách

kênh, vì các bộ tách sóng quang th-ờng nhạy cảm trên một vùng rộng các b-ớc

sóng, nên nó có thể thu đ-ợc toàn bộ các b-ớc sóng phát đi Nh- vậy, để ngăn chặn

các tín hiệu không mong muốn một cách có hiệu quả, phải có biện pháp cách ly tốt

các kênh quang Để thực hiện điều này, cần thiết kế các bộ tách ghép kênh thật

chuẩn xác

Formatted: Indent: First line: 0,5"

Trang 25

1.2.2 Truyền dẫn ghép b-ớc sóng quang hai h-ớng

Hình vẽ 1.4 thể hiện sơ đồ thiết lập hệ thống truyền dẫn WDM theo hai

h-ớng Ph-ơng pháp này không quy định phát ở một đầu và thu ở một đầu, nghĩa là

Kênh N

Kênh 1

Kênh 2 Phát (thu)

Trang 26

Cả hai hệ thống đều có những -u nh-ợc điểm riêng Giả sử công nghệ hiện tại

chỉ cho phép truyền n b-ớc sóng trên 1 sợi quang, so sánh hai hệ thống ta sẽ nhận

thấy:

truyền tải dung l-ợng lớn gấp đôi so với hệ thống ghép b-ớc sóng quang một

h-ớng

h-ớng không cần tới cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS vì cả hai đầu liên kết

đều có khả năng nhận biết sự cố tức thì

kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố: xuyên nhiễu do có nhiều b-ớc sóng trên

một sợi quang, bảo đảm định tuyến và phân bố b-ớc sóng sao cho 2 chiều trên sợi

quang không dùng chung 1 b-ớc sóng

h-ớng có cấu trúc phức tạp hơn so với hệ thống ghép b-ớc sóng quang một h-ớng,

sóng trong hệ thống chỉ bằng 1/2 ở mỗi h-ớng so với hệ thống ghép b-ớc sóng

quang một h-ớng

1.3 các cấu trúc cơ bản cho mạng WDM

Các cấu trúc mạng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh- là các kiểu ứng dụng dùng

trong mạng, các giao thức, khoảng cách và các thành phần truy nhập Hiện tại cấu

trúc chính đ-ợc sử dụng là điểm -điểm và Ring Với các kết nối điểm - điểm dùng

WDM giữa các vùng thì chỉ cần có các thiết bị đầu cuối ở phía khách hàng để

chuyển đổi l-u l-ợng của các ứng dụng thành các b-ớc sóng rồi từ đó đ-ợc ghép

Formatted: Indent: Left: 0", First line: 0,45",

Bulleted + Level: 1 + Aligned at: 0,25" + Tab after: 0,5" + Indent at: 0,5", Tab stops: 0", List tab + Not at 0,5" + 0,55"

Formatted: No bullets or numbering, Tab

stops: Not at 0,55"

Trang 27

kênh lại và truyền đi Với cấu trúc ring, ta có thể thiết lập cho bất kỳ vùng địa lý

nào Khi các bộ kết nối chéo quang trở nên phổ biến thì cấu trúc điểm- điểm và cấu

1.3.1 Cấu trúc điểm- điểm

Cấu trúc điểm- điểm có thể thiết lập để kết nối hai điểm đầu cuối với nhau

Cấu trúc này có thể sử dụng cùng với các bộ xen rẽ quang OADM Khi sử dụng

OADM cho phép xen rẽ một phần l-u l-ợng tại một thời điểm bất kỳ trên tuyến

Cấu trúc này dùng để truyền tải với tốc độ cao từ 10 Gbps đến 40Gbps

Cấu trúc điểm- điểm chủ yếu dùng đối với các trạm phát- nhận ở khoảng

cách xa cỡ vài trăm km, yêu cầu tốc độ truyền dẫn cao, tính nguyên vẹn của tín hiệu

và độ tin cậy cao, đặc biệt khả năng phục hồi đ-ờng truyền nhanh khi gặp sự cố và

WDM điểm- điểm ra đời đáp ứng nhu cầu truyền tải các tín hiệu băng rộng, tạo nên

một b-ớc đột phá mới trong hệ thống thông tin quang sợi

Cấu trúc điểm- điểm có hai thành phần chính là:

 Thiết bị đầu cuối đ-ờng quang OLT thực hiện việc ghép và tách các kênh tín

Trang 28

OLT đường quang Tx

Rx Rx

Cấu trúc mạng điểm- điểm bản thân nó không thể tạo ra cơ chế bảo vệ khi

gặp sự cố Vì vậy, để mạng có thể hoạt động tin cậy cao, chúng ta th-ờng xây dựng

cơ chế bảo vệ cho cấu trúc mạng này Có hai cách xây dựng cơ chế bảo vệ là 1+1 và

1:1 đ-ợc chỉ ra ở hình 1.5b và 1.5c Trong cơ chế bảo vệ 1+1, ngoài sợi quang làm

việc còn có một sợi quang đ-ợc lắp đặt thêm vào hai điểm đầu cuối gọi là sợi bảo

vệ, tín hiệu quang đ-ợc truyền trên cả 2 sợi Tại nơi nhận, nếu phát hiện lỗi trên sợi

làm việc thì chuyển mạch sẽ tự động chuyển sang sợi bảo vệ Đây là sơ đồ bảo vệ

dành riêng, không có báo hiệu giữa nơi nhận và nơi phát Do đó, để thực thi hệ

thống này là khá đơn giản tuy nhiên nh-ợc điểm của nó là lãng phí tài nguyên hệ

thống

tr-ờng hợp sợi quang làm việc bị lỗi, l-u l-ợng sẽ tự động đ-ợc chuyển sang sợi

quang bảo vệ nh- thể hiện ở hình 1.5c Chuyển mạch đ-ợc kích hoạt bởi nơi nhận

hai trạm thu và phát để thực hiện chuyển mạch Thông tin báo hiệu đ-ợc thực hiện

Trang 29

thông qua kênh chuyển mạch bảo vệ tự động APS và đ-ợc điều khiển bởi giao thức

APS Do có sử dụng thông tin báo hiệu nên cơ chế bảo vệ này cho thời gian khôi

1.3.2 Cấu trúc ring

Đây là cấu trúc phổ biến nhất trong các mạng sử dụng công nghệ SDH Tốc

với sự có mặt của các bộ OADM Đây là một cấu trúc đơn giản, có thể cung cấp khả

năng bảo vệ khi gặp sự cố một cách có hiệu quả đặc biệt đối với mạng SONET/SDH

truyền thống Có hai cấu trúc ring: Ring WDM 2 sợi nh- hình 1.6 và WDM 4 sợi

nh- hình 1.7

Từ hình vẽ ta nhận thấy vòng ring WDM truyền dẫn tín hiệu với các b-ớc

sóng khác nhau Trong cấu trúc ring WDM 2 sợi quang có sử dụng một số thiết bị

nh- OADM và EDFA Việc sử dụng các bộ OADM tại mỗi nút mạng có thể xen rẽ

các b-ớc sóng đã đ-ợc lựa chọn hay xác định trong quá trình hoạt động Mạng cung

cấp các kết nối điểm- điểm hay còn đ-ợc gọi là các kênh quang Các kênh quang

này truyền dẫn một b-ớc sóng trên tuyến truyền dẫn giữa các nút nguồn và nút đích

Ưu điểm lớn nhất của mạng ring là cơ chế bảo vệ luồng, trong hai cấu trúc

ring trên thì cấu trúc mạng WDM 2 sợi quang tỏ ra là một cấu trúc có nhiều -u điểm

về mặt kinh tế do sử dụng ít sợi quang hơn; còn cấu trúc ring WDM 4 sợi phải dùng

hơn Hơn nữa trên thực tế các lỗi xảy ra trên tuyến th-ờng là lỗi đứt cáp chứ ít khi

chỉ đứt sợi Với lỗi nh- vậy thì cả hai cấu trúc trên đều có thể khắc phục đ-ợc Nh-

vậy, cấu trúc ring WDM 2 sợi tỏ ra hiệu quả hơn và th-ờng đ-ợc dùng trong mạng

đô thị, còn đối với mạng đ-ờng dài thì cấu trúc WDM 4 sợi đ-ợc sử dụng nhiều hơn

Ng-ời ta th-ờng kết hợp nhiều ring WDM 4 sợi thành mạng đ-ờng trục Khi đó

mạng đ-ờng trục sẽ phát huy đ-ợc những -u điểm của cấu trúc này và sử dụng hiệu

quả tài nguyên cáp quang

Trang 30

Hỡnh 1.7: Mạng ring WDM hai hướng 4 sợi quang

OADM

Tớn hiệu nhỏnh Tớn hiệu nhỏnh

D OADM

1.3.3 Cấu trúc mạng hình l-ới

Mạng hình l-ới là cấu trúc mạng quan trọng trong t-ơng lai không xa Khi

kiến trúc mạng phát triển, cấu trúc điểm- điểm và cấu trúc ring vẫn tồn tại, nh-ng

bên cạnh đó cấu trúc mạng hình l-ới sẽ đ-ợc sử dụng nhiều hơn do có nhiều hiệu

dụng hơn Quá trình phát triển này đ-ợc kích thích bởi sự phát triển và phổ biến của

các thiết bị đấu nối chéo quang, chuyển mạch quang

Trang 31

Nhìn theo quan điểm thiết kế, sự phát triển từ cấu trúc điểm- điểm tới cấu

trúc hình l-ới là hết sức quan trọng Nh- đã biết, ở cấu trúc điểm- điểm ng-ời ta sử

dụng các thiết bị OADM để kết nối các nút mạng, tạo thêm sự linh hoạt cho mạng

Nh-ng có một điểm đặc biệt là khi ta chuyển đổi từ cấu trúc điểm- điểm sang cấu

trúc mạng hình l-ới thì không cần thiết kế lại mạng Thêm vào đó, cấu trúc hình l-ới

và cấu trúc ring có thể kết nối với nhau thông qua cấu trúc điểm- điểm nh- hình vẽ

1.8 d-ới đây

Mạng DWM hình l-ới bao gồm tất cả các nút của mạng đ-ợc kết nối lại với

nhau, và cần thiết phải có một cơ chế bảo vệ mới Các cơ chế bảo vệ tr-ớc đó dựa

vào sự d- thừa của tài nguyên sợi quang, còn với cấu truc snày sẽ dựa trên sự d-

thừa b-ớc sóng Điều này có nghĩa là kênh dữ liệu sẽ thay đổi b-ớc sóng khi truyền

qua mạng nếu gặp thời điểm tuyến hoặc chuyển mạch ở b-ớc sóng tr-ớc bị lỗi

HUB

Cấu trỳc ring HUB

OADM

WDM hỡnh lưới Cấu trỳc

điểm -điểm

Hỡnh1.8: Mạng kết hợp giữa cấu trỳc ring, điểm- điểm và hỡnh lưới

Do đó, mạng hình l-ới sẽ cần nhiều độ thông minh hơn để thực hiện các chức

năng bảo vệ và quản lý băng thông bao gồm cả chuyển mạch sợi quang và b-ớc

sóng Khi đó lợi ích của độ linh hoạt sẽ đem lại hiệu quả cao Việc sử dụng sợi

quang trong các cấu trúc mạng vòng sẽ đ-ợc giảm thiểu bởi vì yêu cầu về số l-ợng

sợi quang bảo vệ trên mỗi mạch vòng đ-ợc cải thiện khí chuyển sang cấu trúc hình

l-ới Mặt khác, có chế bảo vệ và khôi phục dựa trên các tuyến chia sẻ sẽ yêu cầu ít

sợi quang hơn với cùng một l-u l-ợng và không làm lãng phí các b-ớc sóng ch-a

đ-ợc sử dụng

Tuy nhiên, mạng hình l-ới phụ thuộc nhiều vào phần mềm quản lý Và giao

thức MPLS đã ra đời và phát triển nhằm hỗ trợ các tuyến định tuyến thông qua mạng

toàn quang

Trang 32

1.4 Các tham số cơ bản của công nghệ WDM

Các tham số cơ bản để mô tả đặc tính của các bộ ghép- tách kênh hỗn hợp là

suy hao xen, xuyên kênh và độ rộng kênh Để đơn giản, hãy phân biệt thiết bị một

thứ i Sau đây ta sẽ xét các tham số: suy hao xen, xuyên kênh, độ rộng kênh

1.4.1 Suy hao xen

Suy hao xen đ-ợc xác định là l-ợng công suốt tổn hao sinh ra trong tuyến

truyền dẫn quang do tuyến có thêm các thiết bị ghép b-ớc sóng quang WDM Suy

hao này bao gồm suy hao do các điểm ghép nối thiết bị WDM với sợi và suy hao bởi

bản thân các thiết bị ghép gây ra Vì vậy, trên thực tế thiết kế tuyến phải tính cho vài

dB ở mỗi đầu Suy hao xen đ-ợc diễn giải t-ơng tự nh- suy hao đối với các bộ ghép

 

i

i i

I

O L



log10



log10



1.4.2 Xuyên kênh

Xuyên kênh hàm ý mô tả một l-ợng tín hiệu từ kênh này ghép sang kênh

khác Các mức xuyên kênh cho phép nằm ở dải rất rộng tùy thuộc vào tr-ờng hợp áp

dụng Nh-ng nhìn chung, phải bảo đảm < -30dB trong mọi tr-ờng hợp Trong một

bộ tách ghép kênh lý t-ởng, sẽ không có hiện t-ợng dò tín hiệu từ kênh thứ i có

luôn luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, và nó làm giảm chất l-ợng truyền dẫn

của thiết bị Khả năng để tách các kênh khác nhau đ-ợc diễn giải bằng suy hao

xuyên kênh và tính bằng dB nh- sau:

Trang 33

k

k i k

i

I

U D



tách kênh ở trường hợp n¯y sẽ ph°i xem xét lo³i xuyên kênh: “Xuyên kênh đầu xa”

1.4.3 Độ rộng kênh

Độ rộng kênh là dải b-ớc sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang

riêng biệt Nếu nh- nguồn phát quang là các điốt Laser thì các độ rộng kênh yêu cầu

vào khoảng vài chục nano mét (nm) để đảm bảo không bị nhiễu giữa các kênh do sự

bất ổn định của các nguồn phát gây ra (ví dụ nh- khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm trôi

b-ớc sóng đỉnh) Đối với nguồn phát quang là điốt phát quang LED, yêu cầu độ

rộng kênh phải lớn hơn 10 đến 20 lần bởi độ rộng phổ của loại nguồn phát này rộng

hơn

1.5 cơ sở nền tảng của khuếch đại quang sợi pha erbium

(EDFA)

Trong thời gian gần đây, nhờ những tiến bộ v-ợt bậc của công nghệ, nên đã

chế tạo đ-ợc các bộ khuếch đại quang sợi EDFA băng rộng để ứng dụng trong các

Formatted: Indent: First line: 0"

Trang 34

hệ thống thông tin quang dung l-ợng cao Giải pháp mở rộng dải băng EDFA ban

đầu là sử dụng các bộ lọc cân bằng độ khuếch đại Sau đó lại dựa trên cơ sở cấu trúc

hai băng gồm các phần khuếch đại đối với dải băng C và dải băng L, do đó đã thu

đ-ợc dải rộng băng kép Nh- đã biết, EDFA có khả năng cung cấp độ khuếch đại

cao, công suất cao, hệ số nhiễu thấp và quan trọng hơn nữa là tất cả các kênh tín

hiệu quang để có thể đ-ợc khuếch đại đồng thời Vì vậy, EDFA cho phép khả năng

ứng dụng hiệu quả đối với hệ thống thông tin quang ghép b-ớc sóng (WDM) Mặt

khác, EDFA với những -u điểm nội tại của nó, không những giúp nâng cao dung

l-ợng truyền dẫn, nâng cao chức năng mạng và tính linh hoạt trong vận hành Vì

vậy, bộ khuếch đại quang sợi EDFA ứng dụng trong các hệ thống thông tin quang

WDM đ-ợc chọn là một trong những đối t-ợng nghiên cứu chủ yếu trong luận văn

này

Thiết bị khuếch đại quang sợi hiện nay chủ yếu dùng sợi pha tạp Erbium, viết

tắt là EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) EDFA là một đoạn sợi quang ngắn

có lõi đ-ợc pha tạp nguyên tố đất hiếm Erbium Trong các sản phẩm th-ơng mại của

một số hãng cung cấp thiết bị lớn trên thế giới nh- Nortel, Lucent và Fujitsu thì bộ

khuếch đại quang đ-ợc tích hợp trên một card giúp cho quá trình thay thế, sửa chữa

thuận tiện và linh hoạt Nguyên lý khuếch đại đ-ợc thực hiện nhờ cơ chế bức xạ

trong ba mức hoặc bốn mức đ-ợc mô tả nh- sau:

Các chất kích tạp và chất nhạy cảm đã đ-ợc dùng để pha tạp sợi dẫn quang

với các mức độ tập trung khác nhau là các chất có chứa các ion đất hiếm Cơ chế

hoạt động của sợi quang pha tạp đất hiếm để trở thành bộ khuếch đại có thể minh

nguồn bức xạ có b-ớc sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng l-ợng và chuyển tơí một

cách bức xạ, hoặc nếu nh- có một mức năng l-ợng thấp hơn (E3), nó sẽ thả không

Trang 35

Hình 1.10: Cơ chế bức xạ trong ba mức (a) và trong bốn mức (b)

Hình 1.11 so sánh đáp ứng quang của Erbium với sợi dẫn quang thông

th-ờng dùng trong truyền dẫn Sự hấp thụ quang xảy ra trong các loại cáp thông

th-ờng là thấp ở dải b-ớc sóng tập trung vào khoảng 1550nm nơi mà sự hấp thụ

quang vào khoảng 0,2dB/km; có nghĩa là khoảng 5% l-ợng ánh sáng truyền qua bị

hấp thụ trong 1km Ng-ợc lại sự tập trung Erbium vào khoảng 100 phần triệu ở

trong lõi có thể gây ra sự hấp thụ là khoảng 2dB/mét ở b-ớc sóng bơm

Hình 1.11: Phổ hấp thụ của sợi quang thông th-ờng và sợi quang Erbium

1.5.2 Quy luật chi phối các t-ơng tác Phôtôn- nguyên tử

Theo lý thuyết nguyên tử, một nguyên tử có thể bức xạ (tạo ra) hoặc hấp thụ

(tiêu huỷ) một Photon nhờ trải qua các chuyển dịch h-ớng xuống hoặc h-ớng lên

0,89  m

1,53-1,56  m 1,48  m

Trang 36

giữa các mức năng l-ợng của nó Trong đó quan tâm đặc biệt tới sự t-ơng tác giữa

nguyên tử Những t-ơng tác nh- vậy th-ờng nghiên cứu bằng cách sử dụng mô hình

điện động lực l-ợng tử Ba dạng t-ơng tác có thể xảy ra là : bức xạ tự phát, hấp thụ

 Bức xạ tự phát

Nếu nguyên tử ban đầu ở mức năng l-ợng cao, nó có thể tự phát giảm xuống tới mức

năng l-ợng thấp hơn và giải phóng ra năng l-ợng d-ới dạng Photon Năng l-ợng

bức xạ tự phát, bởi vì chuyển dịch không phụ thuộc vào số l-ợng Photon Trong lỗ

hổng khối l-ợng V, mật độ xác suất (trên giây), hoặc tốc độ chuyển dịch tự phát phụ

Thuật ngữ " mật độ xác suất" có nghĩa là khả năng bức xạ trong khoảng thời gian t

Hình 1.12b: Hấp thụ của Photon

h  dẫn tới chuyển tiếp lên của nguyên tử từ mức năng l-ợng 1 tới mức năng l-ợng 2

Hình 1.12c: Bức xạ c-ỡng bức là quá trình ở đó một Photon h  kích thích nguyên tử phát xạ Photon vô

tính vì nó trải qua chuyển tiếp h-ớng xuống

Trang 37

t sp

N t N





 (0))

1sp

 Hấp thụ

Nếu nguyên tử ban đầu ở mức năng l-ợng thấp hơn và mode bức xạ chứa

một Photon, thì Photon có thể bị hấp thụ, do đó nguyên tử tăng lên tới mức năng

l-ợng cao hơn, quá trình này gọi là hấp thụ Hấp thụ là sự chuyển dịch gây ra bởi

Photon, nó chỉ có thể xảy ra khi mode chứa một Photon Mật độ xác suất đối với hấp

bức xạ tự phát sang mode đó

N(t)

Hình 1.13 : Bức xạ tự phát đơn mode làm cho số l-ợng các nguyên tử bị kích

thích giảm xuống theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian 1/sp

N(0)

t

Trang 38

)(



 V c

Tuy nhiên, nếu có n Photon trong mode, thì mật độ xác suất mà ở đó

nguyên tử hấp thụ một Photon sẽ lớn hơn gấp n lần ( bởi vì các khả năng xảy ra loại

trừ lẫn nhau), nghĩa là:

)(



V

c n

 Bức xạ c-ỡng bức

Nếu nguyên tử ở mức cao hơn và mode chứa một Photon, nguyên tử có thể

bị kích thích để bức xạ Photon khác sang cùng mode Quá trình này gọi là bức xạ

c-ỡng bức, nó ng-ợc lại với hấp thụ Sự tham gia của Photon trong một mode tần số

đặc biệt, h-ớng truyền sóng và phân cực sẽ kích thích bức xạ một Photon có các đặc

tính giống hệt nh- Photon khởi đầu Quá trình khuếch đại Photon này là hiện t-ợng

mà ở đó quá trình này xảy ra trong một lỗ hổng khối l-ợng V bị chi phối bởi cùng

phần chồng lấn chuyển dịch nh- sau:

)(



 V c

suất mà ở đó nguyên tử bị kích thích để bức xạ thêm một Photon sẽ là:

)(



V

c n

tự phát xảy ra thêm vào bức xạ c-ỡng bức, nên tổng mật độ xác suất của nguyên tử

n

Pst

quang điểm điện động lực l-ợng tử, bức xạ tự phát có thể xem nh- bức xạ c-ỡng bức

gây ra bởi các dao động mode ở đểm không Bởi vì năng l-ợng ở điểm không thể có

một nguyên tử và một lỗ hổng mode bức xạ ( bức xạ tự phát, hấp thụ và bức xạu

Trang 39

c-ỡng bức) tuân theo các quan hệ cơ sở đã quy định ở trên Điều này đ-ợc xem nh-

quy luật chi phối các t-ơng tác Photon - nguyên tử

Phần này sẽ thảo luận về các ph-ơng trình tốc độ đối với cả ba mức của mô

hình bơm ba mức Mục đích là để tìm ra tác động của ng-ỡng và độ khuếch đại bão

hoà t-ơng ứng với ánh sáng bơm của bộ khuếch đại quang sợi pha chất kích hoạt







p h p p p p

Hình 1.14 : Mô hình ba mức đối với bộ khuếch đại quang sợi pha Er3+

Formatted: Indent: First line: 0"

Trang 40

Tốc độ thay đổ độ tích luỹ trong ba mức sẽ là :

3

3 3 1

N N W

N

p dt

1 2 21

2 32

3 2

N N W N N dN

)(

1 2 21

2 3 1 1

N N W

N N N W

dN

S p

đ-ợc giải ở trạng thái bền với:

độ khuếch đại bão hoà của bộ khuếch đại

 Chênh lệch độ tích luỹ trạng thái bền tiêu chuẩn

khuếch đại sẽ tìm đ-ợc, do:

Ta có :

32

3 3

N N

Định dạng
Số trang	185
Dung lượng	2,31 MB