D. Bayart
267
Hệ thống truyền thông quang học
dùng bộ ghép nhiều bước sóng WDM
Dominique Bayart
ALCATEL CIT
Route de Nozay
91461 Marcoussis cedex
Dominiaue.bayart@aalcatel.fr
D. Bayart
268
Dominique Bayart tốt nghiệp từ năm 1990 Trường Đại Học Vật lý Grenoble (ENSPG) và tốt
nghiệp DEA tại Trường Đại Học Grenoble 1.
Ông về làm việc tại Phòng Nghiên cứu và Cách tân của công ty Alcatel ở Marcoussis (Pháp)
năm 1991. Sau hai năm nghiên cứu trong đơn vị nghiên cứu về Linh kiện Quang điện tử, ông
sang làm việc tại đơn vị nghiên cứu về Các hệ thống truyền tín hiệu photonic, nơi mà ông đã
thiết kế các thế hệ khác nhau của bộ khuếch đại dùng cho việc ghép nhiều bước sóng (WDM).
Các thiết bị này được sử dụng cho đến nay trong các hệ thống truyền thông tin trên mặt đất và
dưới biển.
Từ năm 1998, ông lãnh đạo nhóm nghiên cứu Khuếch đại Quang học và từ năm 2001 ông đồng
thời là Phó phòng của Đơn vị Truyền tín hiệu phôtônic. Nhiệm vụ này đã tạo cơ hội cho ông
đóng góp vào nhiều kỷ lục thế giới về dung lượng truyền cho hệ thống trên mặt đất và hệ thống
dưới biển. Ông đã được mời tham gia nhiều hội nghị khoa học quan trọng trong lĩnh vực
nghiên cứu này, như là OFC, ECOC, OAA hay LEOS. Ngoài các bài báo khoa học, ông đả
đóng góp vào hơn 25 bằng phát minh và hai cuốn sách chuyên đề [1,2]. Từ năm 1998 đến năm
2001, ông đã tham gia vào Ban kỹ thuật của hội nghị khoa học về các bộ khuếch đại và ứng
dụng (OAA). Hiện nay ông là thành viên của các Ban kỹ thuật của các hội nghị khoa học OFC
(Optical Fiber Communication Conference, USA) và CLEO Châu Âu (Conference on Lasers
and Electro-Optics). Từ năm 2001 ông là thành viên đặc biệt của Viện Hàn Lâm Kỹ thuật
Alcatel (Académie Technique d’Alcatel).
[1] D. Bayart et E. Desurvire, “Erbium-Doped Fiber Amplifiers, Device and System Developments” (Wiley)
[2] “Undersea Fiber Communication Systems”, édité par J. Chesnoy (Academic Press)
D. Bayart
269
1
WDM Transmissions, D. Bayart 1
Optical WDM transmissions
All rights reserved © 2004, Alcatel, Paris.
Dominique Bayart
Alcatel Research & Innovation
91460 Marcoussis - France
Contact : Dominique.Bayart@alcatel.fr
Bài giảng này nhằm mục đích đưa ra các
khái niệm chính được vận dụng trong lĩnh
vực truyền số bằng sợi quang học. Tất nhiên
đây chủ yếu là phần giới thiệu và để có một
ý tưởng đầy đủ hơn ta nên xem các công
trình được tổng kết ở cuối bài giảng này. Số
lượng lớn các công trình báo cáo ở đây được
thực hiện ở trung tâm Nghiên cứu Corporate,
Viện nghiên cứu và đổi mới của Alcatel
(Alcatel R&I)
2
WDM Transmissions, D. Bayart 2
Plan
Market system needs
System characteristics of EDFAs for WDM systems
oTime , Gain and Noise performance
oImpact of gain on Signal to Noise ratio for multi-span chains
System characteristics of Raman amplifications for WDM systems
oGain and noise performance
oIssue of Double-Rayleigh Scattering
oSystem benefit
Propagation effects in WDM transmission
oEffect of Chromatic Dispersion
oNon-linear effects
oEffect of Polarisation Mode Dispersion
Mitigation techniques
oDispersion management
oForward error correction codes
oHigh capacity experiments
Sau khi đề cập đến các nhu cầu của thị
trường, chúng tôi sẽ nói đến các đặc tính của
hệ thống EDFAs (erbium-doped fiber
amplifier : khuếch đại dùng sợi pha tạp Erbi)
được sử dụng trong các ứng dụng WDM
(ghép kênh phân chia theo bước sóng)
(wavelength division multiplexing). Sau đó,
các khía cạnh tương đối về khuếch đại
Raman sẽ được trình bày. Các hiệu ứng vật
lý hình thành trong quá trình truyền của các
kênh trong một sợi quang truyền qua WDM
sẽ được mô tả và các phương tiện để bù trừ
chúng sẽ được phân tích. Song song đó là
các ví dụ về truyền số dung lượng cao cũng
sẽ được trình bày.
3
WDM Transmissions, D. Bayart 3
Metro
Core
Services
Optical
Core
Metro
Core
Metro
Access
Metro
Access
Metro
Access
Metro
Access
Services
Data Transport Optical Network
Services
Voice
DSL
2/3G Mobile
Digital Video
Broadcast
/VoD
HS Internet
Access
O-VPN
L1 VPNs/LL
L2 VPNs
Metro Ethernet
Data Storage
SAN
TDM
Ethernet
ATM
Transparent
FC/ESCON
Mạng truyền các dữ liệu số được cung cấp từ
các dữ liệu đến từ các nguồn ứng dụng và
dịch vụ khác nhau. Được tập hợp lại trong
các vòng (boucles) của mạng truy nhập, các
dữ liệu này sau đó sẽ được vận chuyển đến
cấp vùng (tới khoảng cách vài trăm kilomét)
nằm trong các vòng của mạng cấp vùng
(réseau métro cœur). Các dữ liệu cần phải
được truyền trên các khoảng cách dài thông
qua mạng đường trục (dorsal cœur)
« backbone core »
D. Bayart
270
4
WDM Transmissions, D. Bayart 4
Data Transport Optical Network
ÎCost shared by high count of end-users
ÎRedundancy owing to a dual-link ring architecture
Metro Access:
(amplifier-less)
Metro Access
(amplifier-less)
Metro Access:
(amplifier-less CPE ring)
12 km
7 km
8 km
6 km
9 km
15 km 15 km
2 km 10 km
22 km
8 km
CP 6
CP 5
CP 4
CP 1 CP 3
CP 2
5 km
5 km
5 km
1 km
4 dB
5 km
2 km
2
1
4 dB
4 dB
3 dB
3 dB
8 km
3 dB
3 dB
3 dB
12 dB
4 dB
3 dB 4 dB
5 dB
4 dB
7 dB
7 dB
5 dB
6 dB
Available Line Amplifier Location
CP Customer Premises
4
2
Metro Core:
Amplified ring
METRO CORE
>Efficient Transport of Aggregated
Traffic over SDH/WDM towards the
Optical Core
Amplified ring
METRO ACCESS
>Differentiation of Access Interfaces
and Class of Services
>Circuit & Packet Traffic Aggregation
>Per-flow QoS
Mạng cấp vùng vận chuyển với dung lượng
rất lớn đến từ tập hợp các dữ liệu, chúng đến
hoặc từ mạng đường trục hoặc từ mạng truy
cập. Giá thành của mạng cấp vùng và do đó,
của mạng đường trục được chia sẻ bởi một
số lượng lớn người sử dụng cuối cùng có
liên quan. Điều này tạo ra một giá thành
tương đối cao hơn, và vì vậy các công nghệ
phải được phát triển hiện đại hơn so với
trong mạng truy nhập. Trong trường hợp các
mạng cấp vùng, một cấu trúc vòng kép
(double anneau) với việc truyền theo hai
chiều ngược nhau sẽ bảo đảm việc bảo vệ
các dữ liệu của mạng trong trường hợp cáp
bị hỏng (suy yếu) (bao gồm cả trường hợp
nếu hai sợi đều bị đứt). Thực vậy, tập hợp
thông tin của một sợi có thể được chuyên
mạch lật theo hướng ngược lại trên sợi bảo
vệ.
5
WDM Transmissions, D. Bayart 5
Why do we need high bit-rate optical transmissions ?
Transmission line
(optical backbone)
Multiplexer Demultiplexer
Switching
systems
Access
systems
Traffic concentration in the backbone (multi-gigabit/s)
ÎNeed for high bit-rate optical transmissions
Mạng đường trục (hay còn gọi la mạng vận
tải) là một trục tập trung thông tin phải được
chuyển đi từ phần này của mạng đến phần
khác. Vậy các khả năng truyền tin của nó
phải là cao nhất trong toàn bộ mạng.
6
WDM Transmissions, D. Bayart 6
Traffic evolution
Speed-up of traffic increase
New access network deployments (ADSL,
Mobile Infra, FTTx, …)
New Data Services
Need for bandwidth twice larger than
traffic to ensure :
Quality of Service
Protection
Availability
Peak Traffic
Cost per bit transmitted is paramount
ÎNeed for increase
in network capacity
Thông tin được truyền tải bởi mạng đường
trục được tăng dần theo cấp số mũ. Thực
vậy, các công nghệ mới được triển khai
trong lòng mạng truy nhập gắn với sự bùng
nổ thông tin dữ liệu và gắn với các nhu cầu
mới về các dịch vụ dữ liệu. Điều này làm
tăng nhu cầu về băng truyền với một sự gia
tăng rất mạnh được trông đợi trong những
năm tới.
Mạng đường trục, hiện nay rõ ràng là bị quá
tải, cần phải đối mặt với nhu cầu trên bằng
việc tăng toàn bộ công suất truyền tải. Vả lại,
để vừa đảm bảo được chất lượng dịch vụ,
bảo vệ dữ liệu, tình trạng sử dụng được của
D. Bayart
271
mạng (nhất là trong giờ cao điểm về thông
tin), cần phải tạo ra khả năng cung ứng gấp
đôi nhu cầu về thông tin. Song song với đó là
giá thành của mỗi bit truyền tải phải ưu tiên
hàng đầu và nó xác định công nghệ nào sẽ
được sử dụng.
7
WDM Transmissions, D. Bayart 7
What is Wavelength Division Multiplexing (WDM)
STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-646
terminal 3R 3R STM-646
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R STM-64
terminal
16 x STM-4 16 x STM-4
3R
STM-64
terminal 3R 3R
N
transmitters
STM : Synchronous Transfer Mode
WDM là một kỹ thuật hữu ích bao gồm việc
ghép nối các kênh ở trong lòng cùng một sợi
quang học thay cho việc xử lý chúng riêng rẽ
bằng tín hiệu điện.
8
WDM Transmissions, D. Bayart 8
What is Wavelength Division Multiplexing (WDM)
STM-64
terminal 16 x ST M-4
STM-64
terminal 16 x ST M-4
16 channels
D
E
M
U
X
16 x STM-4 STM-64
terminal
16 x STM-4 STM-64
terminal
M
U
X
>WDM = economical solution to reach multiterabit/s capacity
N channels
Total Capacity =
N x channel bit-rate
WDM channels
STM : Synchronous
Transfer Mode
Mux : Multiplexer
Demux : Demultiplexer
Wavelength Division Multiplexing
Vậy lợi ích của nó là điều hết sức hiển nhiên,
vì chỉ cần một bộ khuếch đại quang học duy
nhất cho phép kéo dài việc truyền trên đoạn
tiếp theo của sợi quang thay vì phải trang bị
cho mỗi kênh quang học một hệ thống điện
tử để tái tạo lại tín hiệu trên kênh đó. Vậy
một mối liên kết sẽ bao gồm các đoạn
(section) của nhiều thanh nối phân tách nhau
bởi các khuếch đại quang học. Ở cuối mỗi
mối liên kết (khoảng vài trăm cây số chiều
dài), các kênh phải được phục hồi điện tử để
có thể được dẫn tới một mối liên kết mới.
Giá thành của giai đoạn này rất cao, tỉ lệ
thuận với số lượng kênh và phụ thuộc vào
lưu lượng được truyền tải bởi kênh. Vậy cần
phải cố gắng truyền bằng quang học các
kênh trên các khoảng cách càng dài càng tốt
để giảm thiểu các công đoạn phục hồi điện
tử.