NGHIÊN CỨU NÂNG CAO DUNG LƯỢNG THÔNG TIN QUANG NỘI TỈNH LUẬN VĂN THẠC SĨ

OLA Optical Line Amplifier Bộ khuếch đại đường dây OPA Optical Pre-Amplifier Bộ tiền khuếch đại OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang OTU Optical Transponder Unit Khối thu

VÕ VĂN KHÁNH

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO DUNG LƯỢNG

THÔNG TIN QUANG NỘI TỈNH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu nâng cao dung lượng thông tin quang

nội tỉnh” là do tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu và hoàn thành dưới sự hướng dẫn của

TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU NÂNG CAO DUNG LƯỢNG THÔNG TIN QUANG NỘI TỈNH

Học viên:Võ Văn Khánh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: ………Khóa:K35 -Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Triển khai mạng truyền dẫn Metro đã được các nhà mạng triển khai

rộng rãi, nhờ vào ưu điểm dễ dàng quản lý và mở rộng Tuy nhiên, với nhu cầu ngày càng tăng của người dùng và tích hợp các dịch vụ mới việc nâng cao dung lượng của mạng truyền dẫn Metro là vấn đề cấp thiết Nghiên cứu này đề xuất nhằm mở rộng dung lượng của mạng dựa trên sự phát triển của công nghệ ghép kênh, điều chế tín hiệu và bộ thu tín hiệu Bài báo khái quát các tiến bộ về mặt công nghệ trong việc thu phát, truyền tải tín hiệu quang, và cả mô hình truyền dẫn truyền thống cũng được giới thiệu trong bài báo Tác giả đã tóm tắt các kết quả đã đạt được và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo

Từ khóa – mạng đô thị, thông tin quang, nâng cao dung lượng truyền dẫn

quang, mạng metro, mạng cáp quang

Research method increase bandwidth in Metropolitan Area Networks Abstract - Metro transmission network has been widely deployed by

operators, with the advantages of easy management and expansion However, with the increasing demand of customers and the integration of new services, increasing the capacity of Metro transmission networks is an urgent issue The objective of this research is to expand the bandwidth of the network based on the development of multiplexing, modulation and signal receiver technology This article presents an overview of the technological advances in optical transceiver, transmission, and traditional transmission models are also presented The achieved results are summarized and perspective of the work is provided

Key words - Metropolitan Area Networks, Metro Ethernet, optical network,

transmission networks

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

IP Internet Protocol Giao thức Internet

DP-QPSK Dual-polarization quadrature

phase shift keying

Điều chế khóa dịch pha cầu phương, phân cực kép

MAN Metropolitan Area Networks Mạng vùng đô thị

MEN Metro Ethernet Network Mạng Ethernet đô thị

DWDM Dense Wavelength Division

Multiplexer

Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao

APD Avalanche Photo Diode Diode quang thác

APS Automatic Protection

Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động

ASE Amplifier Spontaneous

Emission Nhiễu phát xạ tự phát BER Bit Error Ratio Tỷ số lỗi bit

DCF Dispersion Compensated Fiber Sợi bù tán sắc

DCM Dispersion Compensator

Module Module bù tán sắc DEMUX Demultiplexer Thiết bị tách kênh

LD Laser diode Diode laser

MUX Multiplexer Thiết bị ghép kênh

OADM Optical Add/Drop Mutplexer Bộ xen/rẽ bước sóng quang

OBA Optical Booster Amplifier Bộ khuếch đại công suất

OLT Optical Line Terminator Bộ kết cuối đường quang

OLA Optical Line Amplifier Bộ khuếch đại đường dây

OPA Optical Pre-Amplifier Bộ tiền khuếch đại

OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang

OTU Optical Transponder Unit Khối thu phát quang

OSC Optical Supervisor Channel Kênh giám sát quang

OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm quang OXC Optical Cross Connect Khối kết nối chéo quang

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc mode phân cực

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ do kích thích Brillouin SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SOA Semiconductor Optical

Amplifier Khuếch đại quang bán dẫn SONET Synchronous Optical Networrk Mạng quang đồng bộ

SPM Self Phase Modulation Điều chế tự dịch pha

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ do kích thích Raman XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

WDM Wavelength Division

Multiplexer Ghép kênh theo bước sóng

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I TÓM TẮT LUẬN VĂN II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT III DANH MỤC HÌNH VẼ VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU X

MỞ ĐẦU 1

1 Giới thiệu 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN DẪN METRO VÀ CÁC MÔ HÌNH THỰC TẾ 3

1.1 Giới thiệu chương 3

1.2 Mô hình mạng truyền dẫn nội tỉnh truyền thống 3

1.3 Khái niệm Metro Ethernet Network 3

1.3.2.1 Động lực thúc đẩy 7

1.3.2.2 Xu hướng phát triển 7

1.4 Các công nghệ Metro 8

1.4.1 Ethernet over SONET/SDH 8

1.4.2 Truyền tải Ethernet( Ethernet Transport) 12

1.5 Các mô hình mạng Metro các nhà mạng Việt Nam triển khai 12

1.5.1 Mô hình Metro Cisco 12

1.5.2 Mô hình Metro của Nokia Siemens 13

1.6 Kết luận chương 14

CHƯƠNG II BỘ THU COHERENCE VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 15

2.1 Giới thiệu chương 15

2.2 Coherence và bộ tách sóng trực tiếp 15

2.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin quang Coherence 16

2.4 Kỹ thuật điều chế DP-QPSK 19

2.4.1 Điều chế tín hiệu DP-QPSK 19

2.4.2 Giải điều chế tín hiệu DP-QPSK 21

2.4.3 Bộ phát và bộ thu DP-QPSK 21

2.5 Kết luận chương 22

CHƯƠNG III CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG MẬT ĐỘ CAO DWDM 23

3.1 Giới thiệu chương 23

3.2 Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng 23

3.3 Các thành phần của hệ thống thông tin quang DWDM 29

3.3.1 Máy phát/thu quang 29

3.3.2 Bộ ghép/tách kênh (Mux/Demux) 30

3.3.3 Bộ xen/rớt quang (Add/Drop) 31

3.3.4 Bộ khuếch đại tín hiệu quang (Optical Amplifier) 31

3.3.5 Bộ thu phát tín hiệu quang (Transponder) 32

3.4 Mô tả hoạt động của hệ thống DWDM trong thực tế 33

3.5 Kết luận chương 34

CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO DUNG LƯỢNG THÔNG TIN QUANG NỘI TỈNH 35

4.1 Giới thiệu chương 35

4.2 Thiết kế hệ thống 35

4.2.1 Tham số khởi tạo 39

4.2.2 Tham số sợi quang 39

4.2.3 Máy phát tín hiệu điều chế DP-QPSK 40

4.2.4 Máy thu tín hiệu 40

4.2.5 Bộ điều chế tín hiệu số DSP 41

4.2.6 Bộ drop tín hiệu WDM 41

4.3 Kết quả khảo sát hệ thống truyền dẫn thông tin quan nội tỉnh sử dụng các bước sóng điều chế DP-QPSK 42

4.3.1 Mô hình 1: Thay đổi công suất 42

4.3.1.1 Truyền tải 100Gbps/kênh 42

4.3.1.2 Truyền tải 400Gbps/kênh 45

4.3.2 Mô hình 2: Thay đổi cự ly truyền dẫn 46

4.3.2.1 Truyền tải 100Gbps/kênh 46

4.3.2.2 Truyền tải 400Gbps/kênh 50

4.3.3 Mô hình 3: Thay đổi độ dài span (độ dài từng chặng) 52

4.4 Kết luận chương 55

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

1.8 Ethernet Over Sonet/SDH 10 1.9 Chức năng EOS trong ADM 11 1.10 Chức năng EOS trong chuyển mạch 11 1.11 Chức năng EOS và chuyển mạch trong ADM 11 1.12 Mô hình metro của CISCO 12 1.13 Mô hình kết nối vật lý của nokia SIEMENS 13 1.14 Mô hình dịch vụ của NOKIA 13

2.2 Mô hình hệ thống truyền dẫn Coherence 16 2.3 Sơ đồ điều chế tín hiệu DP-QPSK 19 2.4 Sơ đồ khối của bộ thu DP-QPSK Coherence 21 2.5 Sơ đồ chòm sao của DP-QPSK 21 3.1 Mô tả tuyến thông tin quang ghép bước sóng 24 3.2 Sơ đồ truyền dẫn một chiều trên hai sợi quang 25 3.3 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang 26 3.4 Phân loại các bộ ghép bước sóng quang 26 3.5 Mô hình máy phát và thu quang tín hiệu ánh sáng truyền trong

3.6 Với hiện tượng phản xạ toàn phần 30

Ghép và tách kênh trong một hệ thống DWDM đơn hướng 30 3.7 Ghép và tách kênh trong một hệ thống DWDM thực tế 31 3.8 Mô tả hoạt động bộ xen/rớt quang – OADM 31 3.9 Mô tả hoạt động bộ xen/rớt quang – OADM 31 3.10 Mô tả hoạt động bộ khuếch đại quang 31 3.11 Mô tả hoạt động bộ thu phát tín hiệu quang 33 3.12 Mô hình hệ thống dwdm cấu hình ring 33 3.13 Mô hình hoạt động của hệ thống DWDM cấu hình mesh 34 4.1 Sơ đồ hệ thống khảo sát khi thay đổi công suất phát 35 4.2 Sơ đồ hệ thống khảo sát khi thay đổi chiều dài toàn tuyến 36 4.3 Sơ đồ hệ thống khảo sát khi thay đổi chiều dài span 36 4.4 Biểu đồ phổ của tín hiệu với ghép 4 bước sóng 37 4.5 Biểu đồ phổ của tín hiệu với ghép 10 bước sóng 38

4.7 Tham số hoạt động cáp quang 39

4.8 Tham số hoạt động các máy phát tín hiệu điều chế DP-QPSK 40 4.9 Tham số hoạt động máy thu Coherence 40 4.10 Tham số hoạt động bộ điều chế tín hiệu số DSP 41 4.11 Tham số bộ wdm drop 41 4.12 Biểu đồ khảo sát q-factor theo công suất phát 42 4.13 Biểu đồ chòm sao tín hiệu bước sóng 100gbps điều chế DP-

QPSK với công suất -6dbm 42 4.14 Biểu đồ chòm sao tín hiệu bước sóng 100gbps điều chế DP-

QPSK với công suất 0dbm 43 4.15 Biểu đồ chòm sao tín hiệu bước sóng 100gbps điều chế DP-

QPSK với công suất 3dbm 44 4.15 Biểu đồ chòm sao tín hiệu bước sóng 400gbps điều chế DP-

QPSK với công suất -6dbm 45 4.17 Biểu đồ chòm sao tín hiệu bước sóng 400gbps điều chế DP-

QPSK với công suất 0dbm 46 4.18 Biểu độ q-factor theo chiều dài truyền dẫn 47 4.19 Biểu đồ chòm sao tín hiệu bước sóng 100gbps điều chế DP-

QPSK với chiều dài 50km 47 4.20 Biểu đồ chòm sao tín hiệu bước sóng 100gbps điều chế DP-

QPSK với chiều dài 100km 48 4.21 Biểu đồ chòm sao tín hiệu bước sóng 100gbps điều chế DP-

QPSK với chiều dài 200km 49 4.22 Biểu đồ chòm sao tín hiệu bước sóng 400gbps điều chế DP-

QPSK với chiều dài 50km 50 4.23 Biểu đồ chòm sao tín hiệu bước sóng 400gbps điều chế DP-

QPSK với chiều dài 100km 51 4.24 Biểu đồ chòm sao tín hiệu bước sóng 400gbps điều chế DP-

QPSK với chiều dài 200km 52 4.25 Khảo sát q-factor theo độ dài từng chặng 53 4.26 Biểu đồ chòm sao tín hiệu bước sóng 400gbps điều chế DP-

QPSK với chiều dài từng span 20km 53 4.27 Biểu đồ chòm sao tín hiệu bước sóng 400gbps điều chế DP-

QPSK với chiều dài từng span 50km 54

DANH MỤC BẢNG BIỂU

3.1 Độ rộng phổ của kênh 29

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu

Lưu lượng dữ liệu trong các mạng thông tin đang tăng lên nhanh chóng do sự phát triển không ngừng của các dịch vụ băng rộng như video chất lượng cao hay điện toán đám mây (cloud computing) trong các trung tâm dữ liệu (datacenter); bên cạnh

đó sự phát triển không ngừng về dung lượng truyền tải của mạng Internet băng rộng

và mạng di động 3G, 4G, 5G Theo thống kê, lưu lượng dữ liệu mạng Internet băng rộng tăng 50% mỗi năm Hiện nay, các nhà mạng thường cung cấp và phát triển các dịch vụ cơ bản như sau:

Nhưng với sự bùng nổ của về nhu cầu lưu lương, và kết nối băng rộng mà cụ thể là triển khai mạng 5G trong tương lai sắp tới Xu hướng này đặt ra yêu cầu băng thông vô cùng lớn đến mạng truyền dẫn cáp quang, đặc biệt là mạng thông tin quang nội tỉnh (Metropolitan optical network) Vì vậy, việc nghiên cứu một giải pháp để giúp nâng cao dung lượng thông tin quang nội tỉnh để tránh nghẽn và đáp ứng yêu cầu của các dịch vụ cho khách hàng trong tương lai đồng thời tận dụng các cơ sở hạ tầng cũ của nhà cung cấp dịch vụ là cấp thiết ở hiện tại

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đề xuất được một số giải pháp nâng cao dung lượng hệ thống thông tin quang nội tỉnh

- Áp dụng mô phỏng nâng cao dung lượng cho một hệ thống thông tin quang

sử dụng các thông số của mạng quang thực tế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

- Mạng thông tin quang nội tỉnh

- Các kỹ thuật ghép kênh trong sợi quang

- Các bộ tách ghép tín hiệu quang

- Hệ thống thu phát điều chế cường độ/tách sóng trực tiếp (IM/DD: Intensity Modulation/Direct Detection)

- Hệ thống thu phát tín hiệu quang coherence

- Các định dạng điều chế nhiều mức M-QAM như QPSK, 16QAM

Phạm vi nghiên cứu

- Mạng thông tin quang nội tỉnh

- Mạng và hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các mô hình hệ thống truyền dẫn nội tỉnh cụ thể là hệ thống Metro của của các nhà mạng ở Việt Nam đã và đang được triển khai trên các tỉnh

- Nghiên cứu các phương pháp để nâng cao dung lượng hệ thống truyền dẫn hiện tại

- Sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng để mô phỏng, kiểm tra, đánh giá

Bố cục trình bày

- Chương 1: Tổng quan về mạng truyền dẫn Metro và các mô hình triển

thực tế

- Chương 2: Bộ thu Coherence và phương pháp điều chế tín hiệu

- Chương 3: Công nghệ DWDM và cơ sở ghép kênh theo bước sóng

- Chương 4: Mô phỏng phương pháp nâng cao dung lượng quang nội tỉnh

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN DẪN METRO VÀ CÁC MÔ HÌNH THỰC TẾ

1.1 Giới thiệu chương

Mạng truyền dẫn là một trong các thành phần huyết mạch của các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông, tạo ra kết nối giữa các thiết bị trong mạng và kết nối trực tiếp tới người dùng Và là một trong các yếu tố cốt lỗi để tạo ra sự khác biệt trong việc cung cấp và đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của người dùng, tạo ra ưu thế cạnh tranh trong thị trường viễn thông đầy khốc liệt hiện nay Vì vậy, các nhà mạng không ngừng đầu tư và áp dụng các công nghệ mới để hoàn thiện, phát triển mạng truyền dẫn của mình, đặc biệt với hệ thống truyền dẫn nội tỉnh, hệ thống kết nối trực tiếp tới người dùng

1.2 Mô hình mạng truyền dẫn nội tỉnh truyền thống

Khi chưa có công nghệ mạng truyền dẫn Metro, hầu hết các nhà mạng Việt Nam triển khai truyền dẫn nội tỉnh theo mô hình như bên dưới

Hình 1.1 Mô hình mạng truyền dẫn nội tỉnh truyền thống tỉnh Bình Định

Với mô hình truyền dẫn trên khá đơn giản, việc mở rộng khi có nhu cầu là rất khó khăn, tính mềm dẻo cũng như hỗ trợ nhiều loại dịch vụ hạn chế, đặc biệt khả năng dự phòng khi có sự cố còn nhiều nhược điểm dễ gây mất dịch vụ

1.3 Khái niệm Metro Ethernet Network

1.3.1 Sự hình thành và phát triển của mạng Metro

Metro là phần đầu tiên mà khách hàng và doanh nghiệp kết nối tới mạng WAN Những thực thể mà Metro bao gồm là khu dân cư (Residental), khách hàng doanh nghiệp lớn (Les – Large Enterprises), SOHO (Small Office/Home Office), các doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMBs – Small Medium – size Bussiness)…

Hình 1.3: Mạng Metro với công nghệ TDM

Đây là mô hình kết nối on-net và off-net tới khách hàng doanh nghiệp Mạng on-net là mạng cáp quang sẽ kéo tới tận nhà của khách hàng và lắp đặt bộ ADM trong tòa nhà để kết nối tới các khách hàng khác trong tòa nhà qua giao diện kết nối là T1 hoặc DS3/Ocn Bộ ghép kênh số M13 sẽ ghép các kênh T1 thành DS3 và các kênh DS3 thành các kênh Ocn để có thể truyền tải qua vòng ring SONET/SDH tới CO Ngược lại, mạng off-net cáp quang không được kéo tới tòa nhà của khách hàng mà kết nối thông qua cáp đồng T1 hoặc DS3 được tập trung tại CO thông qua DAC Các mạch tập trung được tạo kết nối chéo trong CO tới các core CO hoặc được truyền tải qua WAN tùy theo dịch vụ đó được yêu cầu

Chi phí lắp đặt và duy trì hoạt động của một mạng TDM rất đắt vì thế rất khó triển khai, bởi vì công nghệ TDM rất cứng nhắc, không mềm dẻo và kinh tế khi mở rộng theo yêu cầu của khách hàng Chi phí để triển khai mạng Metro là tổng chi phí tiêu dùng cho thiết bị và chi phí hoạt động Chi phí hoạt động bao gồm chi phí lên kế hoạch, lắp đặt, hoạt động, quản lý, duy tu bảo dưỡng, sửa chữa… và các chi phí này lên đến 70% của tổng chi phí cho mạng truyền tải, vì thế là gánh nặng cho vấn đề truyền tải khi lựa chọn sản phẩm và công nghệ để lắp đặt trên mạng Chi phí để cung cấp dịch vụ cho khách hàng ảnh hưởng lớn đến thành công của truyền tải đó

Khó khăn của TDM còn đến với giao diện kết nối của nó, mỗi loại giao diện

đã cố định sẵn băng thông của cố định Ví dụ giao diện T1 băng thông là 1,5Mbps, DS3 là 45 Mbps, OC3 là 155Mbps… bởi vậy khi khách hàng yêu cầu băng thông lớn

hơn 1,5Mbps thì nhà cung cấp buộc phải dùng nhiều đường T1 hoặc dùng giao diện DS3 Việc thay đổi này dẫn đến đầu cuối khách hàng cũng thay đổi và chi phí cho phía nhà cung cấp dịch vụ tăng lên Các dịch vụ DS1, DS3 và kênh DCn có thể mềm dẻo khi triển khái tăng băng thông nhưng chi phí các dịch vụ này cao và có tính chất giới hạn Đây chính là động lực để phát triển Ethernet như là giao diện trong mạng Metro Các giao diện Ethernet 10/100/1000 mở rộng tốt hơn từ tốc độ Megabit tới Gigabit

Một vài dịch vụ tiêu biểu của mạng Metro:

- Dịch vụ kết nối Internet

- Dịch vụ mạng Lan to Lan

- Dịch vụ VPN lớp 2

- Truy cập tài nguyên từ xa

- Lan to Frame Relay

- Storage Area Networks (SANs)

- Dịch vụ truyền tải Metro

- Dịch vụ điện thọa nền IP

Các mạng nội bộ LAN chỉ có thể đáp ứng được nhu cầu trao đổi thông tin với khoảng cách địa lý hẹp Trong khi đó, nhu cầu kết nối với bên ngoài (truy cập Internet, truy cập cơ sở dữ liệu, kết nối chi nhánh văn phòng…) là rất lớn Điều này dẫn đến

có sở hạ tầng thông tin với công nghệ TDM sẽ rất khó đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin rất lớn như vậy cả về loại hình dịch vụ và cường độ trao đổi thông tin Do vậy, việc tìm kiếm công nghệ để xây dựng cơ sở hạ tậng mạng đô thị đáp ứng được yêu cầu trao đổi thông tin nói trên là công việc cấp thiết đối với nhứng nhà cung cấp dịch

vụ viễn thông

1.3.2.2 Xu hướng phát triển

Metro Ethernet là thị trường rất sôi động với những lý do sau:

- Sự phát triển về lưu lượng và kết nối băng rộng: có lẽ thách thức lớn nhất trong lĩnh vực mạng MEN chính là sự tăng trưởng theo hàm số mũ về lưu lượng

đi qua mạng và sự phát triển chủ yếu là sự bùng nổ của dịch vụ truy cập Internet với

vai trò là phương tiện thông tin toàn cầu sử dụng rộng rãi bởi các cá nhân và các doanh nghiệp cho các mục đích nghiên cứu, kinh doanh và giải trí…

- Bên cạnh sự xuất hiện của hàng triệu khách hàng mới thì bản chất của các ứng dụng trao đổi dữ liệu qua mạng Internet ngày càng đòi hỏi lượng băng thông lớn vì Internet đã trở thành một môi trường trực quan trao đổi thông tin một cách sinh động và khái niệm đa phương tiện đã trở nên quen thuộc Đối với người sử dụng, sự xuất hiện của kết nối băng rộng bằng các hình thức kết nối với mạng cung cấp dịch

vụ qua các tiện ích truyền dẫn dần được quang hóa thay cho cáp đồng cho phép tốc

độ truy cập cao đáp ứng nhu cầu trao đổi lưu lượng với cường độ lớn của người dùng

- Sự xuất hiện của các dịch vụ mới, sự đa dạng của các loại hình dịch vụ, ngoài ra, xu hướng tích hợp dịch vụ để truyền trên một cơ sở hạ tầng mạng duy nhất cũng là những yếu tố chính thúc đẩy sự phát triển của mạng MEN

Với xu hướng phát triển mạng hiện nay, để đáp ứng yêu cầu người dùng các nhà mạng

đã và đang triển khai các mạng Metro và tạo ưu thế cạnh trên trên thị trường viễn thông cạnh trạnh khốc liệt hiện nay

1.4.1 Ethernet over SONET/SDH

Nhiều nhà cung cấp dịch vụ trên thế giới đã bỏ ra hàng tỉ đô để xây dựng hạ tầng cơ sở SONET/SDH Những nhà cung cấp muốn đây là đòn bẫy thúc đẩy việc truyền tải Ethernet thế hệ sau Nhưng việc quản lý băng thông là cần thiết, bởi vì dung lượng thấp của ring SONET/SDH sẽ dễ dàng gặp phải quá tải khi sử dụng các dịch

vụ dữ liệu

SONET/SDH truyền thống là công nghệ TDM đã được tối ưu hóa để truyền tải các lưu lượng dịch vụ thoại Vì thế các nhà mạng muốn triển khai EOS cho truyền

dữ liệu Những hạn chế của SONET/SDH có thể chỉ ra là:

- Phân kênh cố định: SONET cung cấp các mạch điểm nối điểm giữa các node trong vòng ring Mỗi mạch được chỉ định một lượng băng thông tối đa cố định

giữa 2 điểm cuối, điều này gây Lãng phí khi link đó không hoạt động Đây là điểm

bất lợi cho lưu lượng dữ liệu có tính chất mở rộng

Hình 1.6: Ring SONET phân kênh cố định

- Lãng phí băng thông cho mạng mắt lưới: nếu một mạng yêu cầu hình

logic dạng mắt lưới khi đó băng thông trên vòng ring của mạng phân chia thành 10

mạch Việc cung cấp các mạch này đòi hỏi phải tạo ra 1 mạng mắt lưới logic qua

vòng SONET không những rấ khó thực hiện mà còn giảm hiệu suất băng thông

Hình 1.7: SONET dạng mắt lưới

- Multicast traffic: Trên vòng SONET, lưu lượng multicast yêu cầu mỗi

điểm nguồn chỉ định những mạch riêng biệt cho mỗi điểm đến Những bản sao riêng

biệt của các gói sẽ được gởi đến các điểm đích Kết quả là nhiều bản sao của các gói multicast sẽ đi vòng trên vòng ring gây lãng phí băng thông

- Lãng phí băng thông bảo vệ: theo lý thuyết, 50% băng thông của vòng ring sẽ đặt trước cho việc bảo vệ, dự phòng Việc bảo vệ hoạt động của mạng rất quan trọng SONET không linh hoạt trong việc sử dụng băng thông cho việc dự phòng bảo

vệ

Tuy nhiên, EOS cung cấp dịch vụ Ethernet mà vẫn duy trì được các thuộc tính của

hạ tầng SONET, như phục hồi nhanh SONET, giám sát chất lượng đường ring và sử dụng quản lý mạng OAM Với EOS, khung Ethernet vẫn duy trì và đóng gói trong tải SONET tại lối vào và loại bỏ ở lối ra của mạng

Hình 1.8: Ethernet over SONET/SDH

Toàn bộ khung Ethernet được đóng gói trong tiêu đề của EOS tại lối vào, khung Ethernet sau khi được ánh xạ vào khung tải đồng bộ SONET/SDH (SONET/SDH – Synchoronous Payload Envelope – SPE) và truyền đi qua ring SONET/SDH Khung Ethernet sau đó được tách ra khỏi chức năng EOS ở lối ra

Có 2 chuẩn để truyền khung Ethernet qua mạng SONET/SDH:

- LAPS – Ethernet qua LAPS được định nghĩa bởi ITU – T, được công

bố chuẩn X.86 vào tháng 2 năm 2001 LAPS là giao thức không kết nối tương tự như HDLC

- GFP – cũng được chuẩn hóa bởi ITU – T, sử dụng liên kết dữ liệu đơn giản (SDL) như một điểm bắt đầu Khác nhau giữa GFP và LAPS là GFP có định dạng khung phù hợp hơn

Chức năng EOS được thể hiện bên trong thiết bị SONET/SDH hoặc bên trong thiết bị chuyển mạch gói

Hình 1.9: Chức năng EOS trong ADM

Hình 1.10: Chức năng EOS trong chuyển mạch

Hình 1.11: Chức năng EOS và chuyển mạch trong ADM

Hình 1.9 mô tả chức năng EOS trong thiết bị ADM, điều này có được là sự kết hợp của bộ Framer/mapper được đặt trong line card hoặc daughter card của ADM mà

có hỗ trợ EOS Chức năng ánh xạ EOS theo X86 hoặc hoặc đóng gói GFP toàn bộ khung Ethernet và khung này được đóng gói trong SONET/SDH SPE Từ đây SONET/SDH SPE được truyền qua khung SONET/SDH và được tách tại lối ra

Hình 1.10 mô tả chức năng EOS trong Switch, điều khác biệt là thiết bị dữ liệu

và thiết bị truyền tải là các thực thể được sử dụng bởi các nhóm điều hành khác nhau trong cùng một nhà cung cấp Việc này dễ hơn cho các thực thể quy định và không quy định để nhà cung cấp dịch vụ triển khai một dịch vụ mới Các thực thể quy định chịu trách nhiệm cung cấp mạch SONET/SDH và các dịch truyền thống như thoại và leased line Các nhóm không quy định thì sẽ triển khai các dịch vụ tầng cao hơn như dịch vụ dữ liệu Chuyển mạch Ethernet truyền các dịch vụ dữ liệu với đầy đủ quyền

điều khiển của các nhánh SONET/SDH Điều này ngược lại với hình 1.8 nơi mà các nhánh SONET/SDH kết thúc tại thiệt bị ADM và chuyển mạch Ethernet chỉ được xem như chuỗi các ống Ethernet

Hình 1.11 mô tả thiết bị bao gồm các chức năng chuyển mạch gói, ADM và EOS Về mặt hiệu quả thiết bị thì đây là giải pháp tối ưu nhưng việc triển khai hệ thống gặp nhiều khó khăn nếu phát thảo hoạt động chặt chẽ giữa các gói và truyền tải

1.4.2 Truyền tải Ethernet( Ethernet Transport)

Sự trưởng thành của Ethernet so với TDM như giao diện truy cập, nhưng Ethernet không giới hạn bởi một công nghệ truy cập mà Ethernet còn được mở rộng như một công nghệ truyền tải trong mạng MAN Từ năm 2000 Metro Ethernet triển khai nhiều kiểu và nhiều dạng, khi Ethernet được sử dụng như công nghệ truyền tải,

mạng truy cập có thể được xây dựng cả dạng Ring và Hub – Spoke

1.5 Các mô hình mạng Metro các nhà mạng Việt Nam triển khai

1.5.1 Mô hình Metro Cisco

Hình 1.12: Mô hình Metro của Cisco

Hình trên mô tả mô hình mạng MEN tiêu biểu của Cisco gồm 3 router P đóng vai trò mạng Core MPLS, 3 router biên NPE, mỗi router biên NPE kết nối với 3 router UPE, từ các router UPE này thì các site của khách hàng mà đại diện là CE được nối vào Cụ thể các router P được kết nối với nhau qua qua đường GE hoặc 10GE và được đấu Ring, có thể đấu Ring Ethernet hoặc RPR tùy theo nhu cầu và mô hình thực

tế Các router P chạy chung giao thức định tuyến do nhà cung cấp quy định Ngoài ra các router P còn cung cấp các giao diện GE đến các router biên là NPE Các router

biên NPE cung cấp kết nối GE để kết nối uplink lên NPE và FE, GE hướng downlink xuống CE tại các site của khách hàng

1.5.2 Mô hình Metro của Nokia Siemens

Hình 1.13: Mô hình kết nối vật lý của Nokia Siemens

Theo hình trên ta thấy mô hình triển khai điển hình của Nokia Siemens với các phần mạng tách biệt tương đối rõ ràng Các phần mạng Access và Core thường được đấu nối theo mô hình Ring nhưng đối với mô hình cụ thể có thể đấu nối theo mô hình mesh hay mô hình star Các thiết bị thường được kết nối với nhau theo đường GE

Từ các access switch tới CPE của khách hàng có thể đấu nối bằng GE hoặc FE tùy theo yêu cầu thực tế

Hình 1.14: Mô hình dịch vụ của Nokia

Với mô hình mạng MEN được giới thiệu ở trên, băng thông đủ đáp ứng được các yêu cầu dịch vụ như IPTV, VoiIP, SAN Data Center, PON, IP VPN, L2 VPN, Content Server…

1.6 Kết luận chương

Trong phạm vi chương 1 đã giới thiệu một cách ngắn gọn nhất lịch sử hình thành và phát triển của mạng Metro Bên cạnh đó đã giới thiệu được một số công nghệ tiêu biểu được sử dụng nhiều trong mạng Metro cũng như các dịch vụ được khai thác và triển khai trên nền mạng Metro một cách chung nhất

Chương 1 cũng đã giới thiệu các mô hình triển khai mạng Metro thực tế của các vendor được sử dụng bởi các nhà cung cấp dịch vụ mạng ở Việt Nam hiện nay

CHƯƠNG II

BỘ THU COHERENCE VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU

2.1 Giới thiệu chương

Để đáp ứng được yêu cầu xử lý thông tin tốc độ cao thay cho hệ thống truyền dẫn thông tin quang điều chế cường độ, tách sóng trực tiếp IM/DD (Intensity Modulation with Direct Detection), sự phát triển gần đây trong xử lý tín hiệu số (DSP) cho phép sử dụng các bộ thu kỹ thuật số Coherence Một bộ thu Coherence cơ bản là

sự kết hợp trạng thái quang học và điện tử, tách sóng Coherence về mặt lý thuyết là nguyên lý tách sóng tối ưu nhất và một bộ thu thực hiện lượng suy giảm truyền dẫn tuyến tính thực tế

Sự thay đổi nhanh chóng từ các bộ thu tách sóng trực tiếp và chuyển sang các

bộ thu kỹ thuật số Coherence được thúc đẩy bởi một số các điều khiển về công nghệ Các bộ thu kỹ thuật số Coherence đã thúc đẩy việc QPSK, ghép kênh phân cực, sự

bù suy giảm truyền dẫn tuyến tính như tán sắc màu và tán sắc phân cực mode, thiết

kế của các bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium cho phép bỏ qua giai đoạn trung gian cũng như là cải thiện việc theo dõi năng lực sợi quang

bộ tách không yêu cầu độ lợi Bộ tách Coherence có thể sử dụng trong một số điều chế

Hình 2.1: Bộ tách Coherence

Bộ tách Coherence có nhiều ưu điểm hơn bộ tách trực tiếp, nó có độ nhạy về pha cũng như là biên độ của sóng quang, và cung cấp một khả năng lọc quang siêu hẹp Coherence cho hệ thống ghép bước sóng phân chia theo mật độ cao DWDM Cách tốt nhất cho bộ tách Coherence mà độ nhạy tốt nhất (tỷ lệ lỗi bit thấp nhất – OSNR) là bộ tách homodyne, nhưng phương thức này yêu cầu sử dụng laser có độ rộng hẹp đặc biệt là khóa pha, mà làm cho nó đắt hơn Các bộ thu Coherence có thể tuyến tính xuống chuyển đổi toàn bộ tín hiệu quang thành tín hiệu điện base band sử dụng bộ tách sóng heterodyne hoặc homodyne

2.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin quang Coherence

Trong hệ thống Coherence, ánh sáng được quan niệm như dạng sóng điện từ trường tại tần số siêu cao (vài trăm ngàn GHz), và được xử lý như một sóng mang vô tuyến nghĩa là có thể điều chế biên độ, tần số hoặc điều chế pha Hình 2.2 mô tả sơ

đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang coherence

Hình 2.2: Mô hình hệ thống truyền dẫn Coherence

Khác với hệ thống IM-DD, trong hệ thống coherence sự đổi tần của sóng mang quang (chuyển đổi thành tín hiệu điện) được thực hiện ở máy thu bằng cách trộn trường của tín hiệu đến với trường của bộ dao động nội trên bề mặt photodiode trước khi đưa vào bộ giải điều chế

Giả thuyết răng trường điện trường của tín hiệu quang được truyền đi dưới dạng sóng phẳng :

E S (t) = E S cos[S t + S (t)] (2.1)

Trong đó : ES là biên độ của trường tín hiệu quang

S là tần số góc của sóng mang quang

S (t) là pha của sóng mang quang

Bộ điều khiển nhận tín hiệu vào để điều chế trực tiếp, làm ánh sáng phát từ laser có tần số S thay đổi theo quy luật của tín hiệu, hoặc điều chế ngoài theo các phương thức làm ES hay S (t) thay đổi Tín hiệu này sẽ được truyền đến máy thu

Tại máy thu, giả sử rằng trường dao động nội có dạng :

E LO (t) = E LO cos[LO t + LO (t)] (2.2)

Với :

 ELO là biên độ của trường dao động nội

 LO là tần số góc của trường dao động nội

 LO(t) là pha của trường dao động nội

Quá trình trộn giữa tín hiệu quang đến và tín hiệu quang từ bộ dao động nội được tiến hành trên bề mặt của photodiode tương tự như đối với máy thu tách sóng trực tiếp DD Dòng điện I P (t) sinh ra trong photodiode, gọi tắt là dòng photo, tỉ lệ với công suất quang P t( ) được tính theo biểu thức :

I P(t) RP(t) (2.3) Với:

 R là hệ số chuyển đổi của photodiode, cho biết khả năng biến đổi công

suất quang thành dòng điện : hν

e

R 

 Trong đó  là hiệu suất lượng tử của photodiode, h là năng lượng 

của photon và e là điện tích của một electron

Công suất quang và điện trường tổng đưa đến photodiode liên hệ với nhau thông qua hằng số Z theo biểu thức sau :

2  2

)()

(

1)(

1)

Z t E Z t

P   S  LO (2.4)

Thay các biểu thức (2.1) và (2.2) vào biểu thức (2.4) và biến đổi ta được :

2))]

(cos(

))(cos(

[

1)

Z t

P  S S S  LO LO LO

     cos( - )  ( )cos ( ) 

2

1 2

1 1 )

Z t

P S LO S LO S LO   (2.5) Với:

 (t) = S(t) - LO(t) là độ lệch pha giữa tín hiệu quang đến và tín hiệu dao động nội Các thành phần tần số 2S, 2LO,S LO được bỏ qua,

do bộ tách sóng không đáp ứng các tần số này

 cos  ( t )biểu thị độ lệch phân cực giữa sóng quang đến và sóng của

bộ dao động nội:

LO S

LO S

E E

E E

.

cos 

 Ngoài ra, f , S f LOlà tần số sóng ánh sáng , cỡ vài trăm ngàn GHz Giá



nằm trong dải sóng vô tuyến được chọn

từ vài GHz đến hàng chục GHz tùy thuộc vào tốc độ truyền dẫn và phương pháp điều chế

Trong thực tế, độ lệch phân cực và tần số trung tần của máy thu được giữ ổn định nhờ mạch kiểm soát phân cực và mạch tự động kiểm soát tần số AFC theo nguyên lý hồi tiếp

Thay P t( ) trong (2.5) vào biểu thức (2.3), ta được:

1)

t t

t ZZ

E E E

Z

E Z R

t

I

LO S LO

S LO

S

Suy ra biểu thức tính I P (t) là :

))(cos)}

(cos{

2)(

)

(t R P P R P P t t t

I P  S  LO  s Lo IF   (2.7)

Với P , S P LO lần lượt là công suất quang hiệu dụng của tín hiệu và tín hiệu từ

bộ dao động nội Thông thường chọn P LO P S, và P LO là một hằng số nên thành

phần thứ nhất trong (2.7) xem như là thành phần một chiều và có thể bỏ qua Ngoài

ra, nếu giả sử góc phân cực giữa sóng tín hiệu đến và sóng bộ dao động nội ( )t 0 (nhờ bộ điều khiển phân cực) thì dòng tín hiệu ở đầu ra photodiode của máy thu coherence được biểu diễn giới dạng sau:

)]

(cos[

2)(t R P P t t

I P  S LO IF  (2.8)

Tùy thuộc vào mối quan hệ giữa tần số quang của tín hiệu đến với sóng quang của bộ dao động nội mà ta có hai loại máy thu coherence Đó là máy thu tách sóng đồng tần và máy thu tách sóng đổi tần Khi hai tần số quang này bằng nhau thì IF 0

, ta sẽ có máy thu đồng tần(Homodyne Detection), sau khi tách sóng tín hiệu sẽ được khôi phục tại băng tần cơ sở như ở máy thu tách sóng trực tiếp Và khi hai tần số quang khác nhau ,tức IF 0, ta sẽ có máy thu tách sóng đổi tần (Heterodyne Detection)

2.4 Kỹ thuật điều chế DP-QPSK

2.4.1 Điều chế tín hiệu DP-QPSK

Hình 2.3: Sơ đồ điều chế tín hiệu DP-QPSK

Dạng điều chế này sử dụng ghép kênh phân cực, mang trên mỗi pha phân cực một tín hiệu QPSK Trong hình 2.3, giới thiệu cấu trúc của tín hiệu DP-QPSK Đầu tiên nó sẽ nhận tín hiệu điện trong trường điện Nếu dữ liệu vào chỉ trên một đường, chúng sẽ tách dữ liệu trước và đưa ra 4 nhánh tín hiệu điện để thực hiện phép sai phân

tiền mã hóa Như trong hình 2.3, nếu ta có 4 đường tín hiệu vào, ta có thể thực hiện phép sai phân tiền mã hóa trực tiếp Nếu đầu vào là sáng ánh sáng liên tục, nó sẽ tách

ra bởi bộ PBS thành 2 chùm, được gọi là phân cực trực giao với công suất ngang bằng nhau Hai ánh sáng phân cực trực giao là đầu vào tới một bộ điều biến IQ để được điều chế và chúng sẽ lấy ra 2 tín hiệu QPSK Cuối cùng, hai tín hiệu QPSK phân cực trực giao đưa qua một bộ ghép chùm phân cực PBC để tổng hợp thành một chùm ánh sáng tín hiệu DP-QPSK

Ánh sáng liên tục đầu vào được cho bởi phương trình Trong đó 𝑃𝑜 là cường

độ ánh sáng đầu vào và 𝑤𝑜 là tần số góc của ánh sáng đầu vào:

𝐸𝑖𝑛 = √𝑃𝑜 𝑒−𝑗𝑤0𝑡 (2.9) Ánh sáng đầu vào đi qua khối PBS để đưa ra 𝐸𝐴 và 𝐸𝑎 là ánh sáng phân cực công suất bằng nhau và trực giao:

𝐸𝐴 =√2𝑃𝑜

2 𝑒−𝑗𝑤0𝑡 𝑒⃗⃗⃗⃗ (2.10) 𝑥

𝐸𝑎 =√2𝑃𝑜

2 𝑒−𝑗𝑤 0 𝑡𝑒⃗⃗⃗⃗ (2.11) 𝑦 Hai chùm ánh sáng phân cực là đầu vào tới bộ điều biến IQ để đưa ra hai tín hiệu QPSK trực giao Bộ điều biến IQ thực tế là hai bộ MZM, một cho PM và hai là 3dB cho bộ ghép trực tiếp QPSK là phương pháp điều chế bốn thành phần tần số kỹ thuật số Tín hiệu sóng mang của nó có bốn trạng thái cho phép của pha rời rạc và trạng thái pha thường là [π/4; 3π/4; 5π/4; 7π/4], mỗi pha sóng mang mang hai ký hiệu nhị phân

2.4.2 Giải điều chế tín hiệu DP-QPSK

Hình 2.4: Sơ đồ khối của bộ thu DP-QPSK Coherence

Kỹ thuật tách sóng Coherence được sử dụng trong giải điều chế tín hiệu quang DP-QPSK Tín hiệu ánh sáng laser giao động nội sau khi tách bằng nhau sẽ đi vào hai bộ trộn nguồn sáng Coherence lệch pha 90º Tín hiệu ánh sáng lấy qua bộ tách chùm phân cực và được tách thành hai đường phân cực trực giao của tín hiệu quang

đi vào hai bộ trộn lệch pha 90º để giao thoa với ánh sáng của tín hiệu dao động tương ứng Ánh sáng được tạo ra bởi bộ trộn cân bằng sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự sau khi cân bằng thu diode quang Các tín hiệu đưa qua một khối lấy mẫu lượng tử hóa ADC tốc độ cao và được chuyển đổi thành tín hiệu số, và thực hiện khôi phục dữ liệu trong bộ xử lý tín hiệu số

2.4.3 Bộ phát và bộ thu DP-QPSK

Hình 2.5: Sơ đồ chòm sao của DP-QPSK

Một bộ phát DP-QPSK gồm 2 bộ điều chế cầu phương và một bộ kết hợp chùm phân cực PBC để ghép kênh 2 đầu ra phân cực trực giao Ở phía bộ thu, tín hiệu quang nhận được tách thành 2 nhánh tùy ý nhưng trực giao, sự phân cực sử dụng một PBS thứ 2 Cả 2 nhánh được trộn tuần tự trong một cấu trúc lai 90º với đầu ra của một dao động nội

Đầu ra của cấu trúc lai 90º (đồng pha và các thành phần vuông góc của cả hai trạng thái phân cực) được tách với 4 photodiode (cân bằng hoặc đơn cực) và được chuyển đổi sang miền số sử dụng bộ chuyển đổi tương tự - số tốc độ cao (ADC)

Hình 2.5 biểu diễn sơ đồ chòm sao của điều chế DP-QPSK được biểu diễn trong hình không gian siêu cầu phương 4 bit Hình siêu cầu phương được miêu tả bởi pha quang học (đồng pha và vuông góc) trên mỗi cực (∅𝑣 và ∅ℎ ) R và r là bán kính vòng ngoài và vòng trong của đường tròn (R > r)

2.5 Kết luận chương

Trong chương này đã tập trung đi phân tích các đặc điểm về mô hình thông tin quang coherence Vấn đề xử lý tín hiệu số trên hệ thống thông tin quang coherence cũng là một vấn đề được quan tâm, nhờ có xử lý kỹ thuật số mà việc xử lý pha và sự phân cực trở nên dễ dàng hơn Đồng thời cũng đã trình bày về cơ sở lý thuyết của phương pháp điều chế DP-QPSK

Ở chương tiếp theo sẽ giới thiệu về kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng và công

nghệ ghép kênh tiên tiến DWDM

CHƯƠNG III CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG MẬT ĐỘ CAO DWDM 3.1 Giới thiệu chương

Để thấy được vai trò quan trọng của công nghệ này đối với việc phát triển mạng, trong chương này chúng ta sẽ xem xét những nét chung nhất về công nghệ DWDM so với các công nghệ truyền dẫn khác

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

Các hệ thống DWDM hiện nay làm việc trên các kênh bước sóng theo khuyến nghị của ITU-T dành cho DWDM Nhiều bước sóng ghép trên một sợi quang đã mang lại sự linh hoạt và mềm dẻo cho cả các dịch vụ và băng thông Mỗi kênh bước sóng

có thể truyền tải một lưu lượng khác nhau như SONET/SDH trên một kênh, ATM trên một kênh khác, tín hiệu thoại TDM hay Internet trên một kênh khác nữa…

3.2 Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng

Nguyên lý cơ bản của ghép bước sóng quang có thể minh họa như hình 3.1 Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở bước sóng λ1, λ2, … λn Các tín hiệu quang làm việc ở các bước sóng khác nhau sẽ được ghép vào một sợi quang Các tín hiệu

có bước sóng khác nhau sẽ được ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh, bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi ghép sẽ truyền dọc theo sợi để đến phía thu Các bộ tách sóng quang khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng

Hình 3.1: Mô tả tuyến thông tin quang ghép bước sóng

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng là sử dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng thông rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, nâng cao dung lượng của hệ thống, đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất

Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để truyền

đi nhiều bước ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu lúc này là việc truyền đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc không gây nhiễu lẫn nhau Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng

mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1nm hay 10-9

m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 - 16 kênh, mỗi kênh

hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2.5Gbps cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET) Các nhà cung cấp WDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbps và tiến tới đạt tốc độ Tbps truyền trên một sợi đơn

Có hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang WDM

- Truyền dẫn một chiều trên hai sợi

WDM một chiều là tất cả các kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều, ở đầu phát mang các tín hiệu có bước sóng khác nhau

và đã điều chế k1rk2,_,kn thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau và truyền

dẫn một chiều trên một sợi quang Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách những tín hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang, ở hướng ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên

Hình 3.2: Sơ đồ truyền dẫn một chiều trên hai sợi quang

- Truyền dẫn hai chiều trên một sợi:

WDM hai chiều là kênh quang trên mỗi sợi cùng truyền dẫn theo hai chiều khác nhau, dùng các bước sóng tách rời nhau để thông tin hai chiều (song công)

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

ổn định Do sử dụng bộ khuếch đại quang hai chiều nên hệ thống song hướng giảm được số lượng bộ khuếch đại quang hai chiều nên hệ thống song hướng giảm được

số lượng bộ khuếch đại và tiết kiệm được sợi quang

Hình 3.3: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang

Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép bước sóng nào cũng có thể được dùng làm

bộ giải ghép bước sóng Như vậy, điều đơn giản là “Multiplexer” trong trường hợp này thường sử dụng ở dạng chung để tương thích cho bộ ghép và bộ giải ghép, trừ trường hợp cần thiết để phân biệt hai thiết bị này

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

Phân loại các bộ ghép bước sóng trong kỹ thuật ghép bước sóng:

Hình 3.4: Phân loại các bộ ghép bước sóng quang

Các bộ ghép bước sóng thụ động được sử dụng hiện nay thường là các bộ vi quang học (micro-optic) và bộ ghép sợi kiểu dẫn sóng (guided wave fibre coupler) Mỗi loại đều có ưu nhược điểm

Các bộ vi quang học thường đòi hỏi hệ thống ghép nối các thấu kính để ghép vào sợi quang Các khó khăn trong việc định vị và ghép nối làm hạn chế các đặc tính kỹ thuật, đặc biệt là đối với các sợi đơn mode Tuy nhiên, việc sử dụng các bộ vi quang học cho phép lựa chọn đặc tính của bộ lọc rộng rãi hơn

Các bộ ghép sợi ít chịu ảnh hưởng của các khó khăn nêu trên nhưng lại bị hạn chế trong việc lựa chọn các đặc tính cần có của bộ lọc, chẳng hạn như mức độ bằng phẳng của băng thông

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

● Suy hao xen

● Xuyên âm

● Độ rộng phổ của âm

- Suy hao xen

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

Lk = -10log O(kk)/Ik(kk) MUX

Li = -10log O1(k1)/I(k1) DEMUX Trong đó:

I(ki), O(kk) là công suất tín hiệu được ghép ở trên đường chung Ik(kk)

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

Oi(Xi) là công suất tín hiệu bước sóng kk đi khỏi cổng thứ i của bộ tách Suy hao này bao gồm suy hao sinh ra tại các điểm ghép nối của bộ ghép bước sóng mà nguyên nhân chủ yếu là do hấp thụ hoặc do phản xạ Mức độ ảnh hưởng tương đối của hai nguồn suy hao trên hệ thống còn tùy thuộc vào loại công nghệ được lựa chọn để chế tạo bộ ghép bước sóng

- Xuyên âm

Xuyên âm là sự dò tín hiệu từ kênh này sang kênh kia Nó làm tăng nền nhiễu,

do vậy làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR Hiện tượng này được sinh ra do các yếu tố sau:

● Do các đặc tính của bộ lọc không hoàn thiện

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

● Do phổ của các nguồn phát chồng lấn lên nhau

● Do các hiệu ứng phi tuyến xảy ra khi đưa công suất cao vào sợi quang

Trong một bộ giải ghép kênh lý tưởng, sẽ không có sự dò công suất tín hiệu

từ kênh thứ i có bước sóng ki sang kênh khác có bước sóng khác với kị Nhưng trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên âm nào đó và làm giảm chất lượng truyền dẫn của thiết bị Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xen và được tính bằng dB như sau:

Di(ki) = -10log U1(kk)/I(kk) Trong đó: Ui(kk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng kk do có sự

dò tín hiệu ở cửa thứ i sang, mà đúng ra thì chỉ có tín hiệu ở bước sóng ki

Trong thiết bị ghép - giải hỗn hợp, việc xác định suy hao xen kênh cũng được

áp dụng như bộ giải ghép Ở trường hợp này phải xem xét cả hai loại xuyên kênh Xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ như I(kk) sinh ra Ui(kk) Xuyên kênh đầu gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra,

nó được ghép ở bên trong thiết bị như Ui(ki) Khi cho các sản phẩm, các nhà chế tạo cũng phải cho biết suy hao kênh đối với từng thiết bị

- Độ rộng phổ của kênh:

Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh Độ rộng này phải đảm bảo để tránh nhiễu giữa các kênh Độ rộng phổ giữa các kênh tùy thuộc vào từng nguồn phát Ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau sẽ có độ rộng phổ mỗi kênh là khác nhau và độ chính xác khác nhau