Đề tài về: BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO

Chia sẻ: Hoang Vu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

346
lượt xem 90
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Công nghệ mạng quang WDM ra đời đã tạo nên những bước phát triển rất lớn cho các mạng truyền tải. Với sự ra đời của công nghệ WDM đã đáp ứng được những nhu cầu tăng lên rất lớn về băng thông. Ngày nay các hệ thống thông tin quang đường trục, các hệ thống dung lượng lớn đều sử dụng công nghệ WDM, với những tuyến liên kết điểm điểm, rồi đến những liên kết cấu trúc mạng phức tạp hơn để phù hợp với những yêu cầu đáp ứng mạng được đặt ra....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài về: BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO

Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ mạng quang WDM ra đời đã tạo nên những bƣớc phát triển rất lớn cho các mạng truyền tải. Với sự ra đời của công nghệ WDM đã đáp ứng đƣợc những nhu cầu tăng lên rất lớn về băng thông. Ngày nay các hệ thống thông tin quang đƣờng trục, các hệ thống dung lƣợng lớn đều sử dụng công nghệ WDM, với những tuyến liên kết điểm điểm, rồi đến những liên kết cấu trúc mạng phức tạp hơn để phù hợp với những yêu cầu đáp ứng mạng đƣợc đặt ra. Tuy nhiên, do một số những ảnh hƣởng lớn tác động đến hệ thống WDM nên những nhà khai thác mạng vẫn chƣa tận dụng đƣợc hết những ƣu điểm vƣợt trội của hệ thống này. Những ảnh hƣởng đó phải kể đến đầu tiên chính là các ảnh hƣởng của tán sắc đối với hệ thống WDM. Tán sắc làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng nhƣ tốc độ của hệ thống WDM, gây ra lỗi bit làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính của hệ thống WDM. Do đó vấn đề quản lý tán sắc trong hệ thống WDM đã và đang rất đƣợc quan tâm. Vì vậy em đã lựa chọn nội dung đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu Các phƣơng pháp bù tán sắc và ứng dụng bù tán sắc trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao. Nội dung đồ án của em bao gồm ba chƣơng: Chƣơng I: Tổng quan về công nghệ WDM Trong chƣơng này tìm hiểu một số nguyên lý cơ bản của công nghệ WDM, các cấu hình mạng và cơ chế bảo vệ cho mạng WDM. Chƣơng II: Một số ảnh hƣởng đến hệ thống WDM Tìm hiểu các loại tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến cũng nhƣ những ảnh hƣởng của tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến đối với hệ thống WDM. Chƣơng III: Các phƣơng pháp bù tán sắc và ứng dụng bù tán sắc trong hệ thống WDM Đƣa ra sự cần thiết phải quản lý tán sắc. Tìm hiểu các phƣơng pháp bù tán sắc nhƣ các mô hình bù trƣớc, các kỹ thuật bù sau, các sợi bù tán sắc, các bộ lọc quang, các cách tử Bragg sợi, sự kết hợp pha quang. Ứng dụng bù tán sắc trong các hệ thống sóng ánh sáng đƣờng dài, các hệ thống dung lƣợng lớn. Mặc dù đã có nhiều cố gắng song do thời gian và trình độ có hạn nên đồ án của em không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý Quách Bá Lâm – Đ04VT1 i
Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu kiến của các thầy cô giáo và các bạn để đồ án đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới cô giáo Lê Thanh Thủy đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án. Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2008 Sinh viên thực hiện Quách Bá Lâm Quách Bá Lâm – Đ04VT1 ii
Đồ án tốt nghiệp Mục lục MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... i MỤC LỤC............................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .................................................................................... viii CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM .......................................... 1 1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM ...................................................................... 1 1.1.1 Giới thiệu về WDM ................................................................................ 1 1.1.2 Sự phát triển của công nghệ WDM ........................................................ 3 1.1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM .................................................................... 5 1.2 Các cấu hình mạng và cơ chế bảo vệ cho mạng WDM .............................. 7 1.2.1 Cấu hình điểm – điểm ............................................................................ 7 1.2.2 Cấu hình vòng Ring ................................................................................ 8 1.2.3 Cấu hình Mesh...................................................................................... 10 CHƢƠNG II: MỘT SỐ THAM SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG WDM ...................................................................................................... 12 2.1 Tán sắc ...................................................................................................... 12 2.1.1 Giới thiệu chung ................................................................................... 12 2.1.2 Tán sắc vật liệu ..................................................................................... 13 2.1.3 Tán sắc dẫn sóng .................................................................................. 15 2.1.4 Tán sắc bậc cao ..................................................................................... 17 2.1.5 Tán sắc mode phân cực PMD............................................................... 19 2.2 Các hiệu ứng phi tuyến ............................................................................. 22 2.2.1 Giới thiệu chung ................................................................................... 22 2.2.2 Hiệu ứng tự điều chế pha SPM ............................................................ 23 2.2.3 Hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM ..................................................... 24 2.4.4 Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM ............................................................. 25 2.2.5 Hiệu ứng tán xạ Raman ( SRS ) ........................................................... 26 2.4.6 Hiệu ứng tán xạ Brillouin ( SBS ) ........................................................ 28 CHƢƠNG III: CÁC PHƢƠNG PHÁP BÙ TÁN SẮC VÀ ỨNG DỤNG BÙ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG WDM ........................................................................ 30 3.1 Sự cần thiết phải quản lý tán sắc .............................................................. 30 3.2 Các mô hình bù trƣớc ............................................................................... 32 3.2.1Kỹ thuật dịch tần trƣớc .......................................................................... 32 3.2.2 Các kỹ thuật mã hóa mới ...................................................................... 36 3.2.3 Các kỹ thuật dịch tần trƣớc phi tuyến .................................................. 38 3.3 Các kỹ thuật bù sau ................................................................................... 40 3.4 Các sợi bù tán sắc ..................................................................................... 42 3.5 Các bộ lọc quang ...................................................................................... 44 3.6 Các cách tử Bragg sợi ............................................................................... 48 3.6.1 Cách tử chu kỳ đều ............................................................................... 49 3.6.2 Cách tử sợi dịch tần .............................................................................. 52 Quách Bá Lâm – Đ04VT1 iii
Đồ án tốt nghiệp Mục lục 3.6.3 Bộ nối mode dịch tần............................................................................ 56 3.7 Sự kết hợp pha quang ............................................................................... 57 3.7.1 Nguyên lý hoạt động ............................................................................ 57 3.7.2 Bù của tự điều chế pha SPM ................................................................ 58 3.7.3 Tín hiệu kết hợp pha ............................................................................. 60 3.8 Các hệ thống sóng ánh sáng đƣờng dài ...................................................... 64 3.8.1 Ánh xạ tán sắc theo chu kỳ................................................................... 64 3.8.2 Nguyên lý đơn ...................................................................................... 66 3.8.3 Các hiệu ứng phi tuyến trong kênh ...................................................... 69 3.9 Các hệ thống dung lƣợng lớn.................................................................... 71 3.9.1 Bù tán xạ băng rộng.............................................................................. 71 3.9.2 Bù tán sắc điều hƣớng .......................................................................... 74 3.9.3 Quản lý Tán sắc Bậc Cao ..................................................................... 77 3.9.4 Bù PMD ................................................................................................ 80 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 87 Quách Bá Lâm – Đ04VT1 iv
Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tốc độ tăng dung lƣợng thoại và số liệu theo thời gian ........................... 1 Hình 1.2 Ghép kênh theo bƣớc sóng WDM ............................................................ 3 Hình 1.3 Hệ thống WDM hai kênh. ......................................................................... 4 Hình 1.4 Sự phát triển của công nghệ WDM. .......................................................... 4 Hình 1.5 Sự tăng nên của dung lƣợng sợi. ............................................................... 5 Hình 1.6 Màu chức năng WDM............................................................................... 5 Hình 1.7 Kiến trúc điểm – điểm............................................................................... 8 Hình 1.8 Cấu hình mạng Ring ................................................................................ 9 Hình 1.9 UPSR bảo vệ trên vòng ring WDM. ....................................................... 10 Hình 1.10 Các kiến trúc vòng ring, điểm điểm, mesh. .......................................... 11 Hình 2.1 Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi theo .............................. 15 bƣớc sóng ở sợi thủy tinh ....................................................................................... 15 Hình 2.2 Tham số b và các vi phân của nó d(Vb)/dV và V[d2(Vb)/dV2] .............. 16 thay đổi theo tham số V ......................................................................................... 16 Hình 2.3 Tán sắc tổng D và các tán sắc vật liệu DM, DW cho ............................. 17 sợi đơn mode thông dụng ....................................................................................... 17 Hình 2.4 Bƣớc sóng phụ thuộc vào tham số tán sắc D đối với các sợi .................. 19 tiêu chuần, sợi dịch tán sắc, và sợi tán sắc phẳng. ................................................. 19 Hình 2.5 Hiện tƣợng tán sắc mode phân cực PMD ............................................... 20 Hình 2.6 : Ảnh hƣởng của hiệu ứng tự điều chế pha SPM .................................... 23 Hình 2.7 Ảnh hƣởng của hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM ............................... 24 Hình 2.8 Hiệu ứng FWM ....................................................................................... 25 Hình 2.9 Giản đồ năng lƣợng của quá trình tán xạ Raman .................................... 26 Hình 2.10 Phổ khuếch đại Raman của sợi Silic ở bƣớc sóng bơm λp=1μm .......... 27 Hình 2.11 Ảnh hƣởng của tán xạ Raman ............................................................... 28 Hình 3.1 Sự thay đổi của tham số mở rộng với khoảng cách truyền ..................... 33 cho một xung đầu vào Gaussian dịch tần............................................................... 33 Hình 3.2 Sơ đồ kỹ thuật dịch tần trƣớc đƣợc sử dụng để bù tán sắc: ................... 35 (a) đầu ra FM của laze DFB (b) dạng xung do bộ điều chế ngoài tạo ra c) xung đƣợc dịch tần trƣớc đƣợc sử dụng trong truyền tín hiệu........................................ 35 Hình 3.3 Bù tán sắc sử dụng mã FSK: (a)Tần số và công suất quang của tín hiệu truyền dẫn.(b) Tần số và công suất của tín hiệu thu và dữ liệu giải mã điện ........ 37 Hình 3.4 Các vạch tuyến dọc của tín hiệu 16 Gb/s đƣợc truyền đi ....................... 37 70 km chiều dài sợi tiêu chuần: (a) có và (b) không có SOA gây ra dịch tần. ...... 37 Hình 3.5 Dịch tần áp dụng ngang xung khuếch đại cho một vài giá trị của Ein/Esat. Một xung đầu vào Gaussian đƣợc thừa nhận cũng nhƣ G0 = 30 dB và βc = 5 ..... 39 Hình 3.6 Tán sắc giới hạn khoảng cách truyền dẫn nhƣ là một hàm của công suất phát đối với các xung Gaussian(m=1) và siêu Gaussian ( m=3 ) ở tốc độ bit là .. 41 Hình 3.7: (a) Biểu đồ của một DCF có sử dụng sợi mode ..................................... 44 bậc cao (HOM) và hai cách tử chu kỳ dài (LPG). (b) Phổ tán sắc của DCF ......... 44 Hình 3.8 Quản lý tán sắc trong đƣờng truyền sợi đƣờng dài có sử dụng ............. 46 Quách Bá Lâm – Đ04VT1 v
Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ các bộ lọc quang sau mỗi bộ khuếch đại. Các bộ lọc bù GVD và giảm nhiễu của bộ khuếch đại. ........................................................................................................ 46 Hình 3.9 (a) Một mạch sóng ánh sáng phẳng sử dụng chuỗi giao thoa ................. 47 Mach-Zehnder; (b) tổng quan thiết bị trải rộng. .................................................... 47 Hình 3.10: (a) Cƣờng độ và (b) pha của hệ số phản xạ đƣợc mô tả thành hàm điều hƣớng δ Lg trong cách tử sợi đều với κLg = 2 ( đƣờng cong liền ) hoặc κLg = 3 ( đƣờng cong đứt quãng ). ........................................................................................ 50 Hình 3.11: GVD do cách tử tạo ra đƣợc mô tả là một hàm của δ cho một vài giá trị của hệ số ghép κ. .................................................................................................... 51 Hình 3.12: Hệ số truyền (đƣờng nét đứt ) và độ trễ thời gian (đƣờng nét liền) là một hàm của bƣớc sóng đối với cách tử đều trong đó κ(z) biến thiên tuyến tính từ 0 đến 6 cm-1 trên độ dài 11 cm. .............................................................................. 52 Hình 3.13: Bù tán sắc bằng cách tử sợi dịch tần tuyến tính: (a) chỉ số n(z) dọc theo chiều dài cách tử.(b) độ phản xạ tần số cao và thấp tại các vị trí khác nhau trong cách tử do sự biến thiên trong bƣớc sóng Bragg. ................................................. 54 Hình 3.14: Hệ số phản xạ và độ trễ thời gian của cách tử sợi dịch tần tuyến tính có băng thông 0,12 nm. ............................................................................................... 55 Hình 3.15: Mô hình bù tán sắc bằng hai bộ lọc truyền dạng sợi: (a) bộ ghép hai mode dịch tần (b) sợi hai lõi thon. ......................................................................... 56 Hình 3.16: Thiết lập thí nghiệm để bù tán sắc thông qua biến đổi phổ giữa nhịp trong sợi dịch tán sắc dài 21 km. ........................................................................... 61 Hình 3.17: Vòng lặp sợi xoay vòng đƣợc sử dụng để truyền tín hiện 10 Gb/s đi 10.000 km chiều dài sợi tiêu chuẩn trên cơ sở áp dụng DCF theo chu kỳ. Các bộ phận đƣợc sử dụng bao gồm laze điốt (LD), bộ điều chế hấp thụ điện (EA), hệ chuyển mạch quang (SW), bộ khuếch đại sợi (EDFA), sợi đơn mode (SMF), và DCF. ....................................................................................................................... 65 Hình 3.18: Các cách tử xếp tầng đƣợc sử dụng để bù tán sắc ............................... 73 trong hệ thống WDM ............................................................................................. 73 Hình 3.19: (a) Mô tả phổ phản xạ và (b) toàn bộ GVD nhƣ một hàm của điện áp cho cách tử sợi với gradient nhiệt độ. .................................................................... 76 Hình 3.20: Độ nhạy của máy thu trong thí nghiệm 160 Gb/s, là một hàm của tán sắc dự trƣớc có (hình vuông) và không có (hình tròn) cách tử Bragg dạng sợi (CFBG). Sự tăng trong đồ thị theo dõi đƣợc mô tả cho 110 ps/nm ở hình bên phải. ................................................................................................................................ 77 Hình 3.21: Dạng xung sau khi xung đầu vào 2,6 ps đƣợc truyền đi 300 km bằng sợi dịch tán sắc (β2 = 0). Hình trái và phải so sánh sự cải thiện thu đƣợc bằng bù tán sắc bậc ba. ........................................................................................................ 78 Hình 3.22: Mô hình của bộ bù PMD quang (a) và điện (b). ................................. 81 Hình 3.23: Bù PMD điều hƣởng do cách tử sợi dịch tần lƣỡng chiết. .................. 82 (a) Căn nguyên của trễ nhóm vi phân (b) Dịch dải dừng dải dừng do căng cách tử. ................................................................................................................................ 82 Quách Bá Lâm – Đ04VT1 vi
Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ Hình 3.24: Hệ số mở rộng xung là hàm của DGD trung bình trong bốn trƣờng hợp. Đƣờng chấm mô tả sự tăng do sử dụng bộ bù PMD bậc một. Các vòng tròn bôi đen và rỗng mô tả kết quả mô phỏng số. ............................................................... 84 Quách Bá Lâm – Đ04VT1 vii
Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ Automatic Protection APS Chuyển mạch bảo vệ tự động Switching Asynchronous Transfer ATM Chế độ chuyển tải bất đồng bộ Mode BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit Bidirectional Line BLSR Vòng ring chuyển mạch đƣờng hai chiều Switched Ring BPF Bandpass filter Bộ lọc thông dải CD Chromatic Dispersion Tán sắc sắc thể Distributed Bragg DBR Phản xạ phân bố Bragg Reflection Dispersion Compensating Sợi bù tán sắc DCF Fiber Dispersion Decreasing DDF Sợi giảm tán sắc Fiber DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép kênh DFB Distributed Feedback Hồi tiếp phân tán DSF Dispersion Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc DWDM Dense WDM WDM mật độ cao Electroabsorption EA Bộ điều chế hấp thụ điện Modulator Erbium Dopped Fibre EDFA Bộ khuếch đại quang sợi Ebrium Amplifier FBG Fiber Gragg Grating Cách tử Bragg sợi FM Frequency Modulation Điều tần FP Fabry-Perot Khoang cộng hƣởng FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch pha tần số FWM Four-Wave Mixing Trộn bốn sóng Group Velocity GVD Tán sắc vận tốc nhóm Dispersion IOF Inter-Office Facility Thiết bị văn phòng IP Internet Protocol Giao thức Internet Light Amplified and LASER Stimulated Emission of Khuếch đại ánh sáng bức xạ kích thích Radiation MESH Mesh Dạng lƣới MMF Multimode Fibre Sợi đa mode Quách Bá Lâm – Đ04VT1 viii
Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt MUX Multiplexer Bộ ghép kênh Mach-Zehnder MZ Bộ giao thoa kế Mach-Zehner Interferometer NLS Nonlinear Schroedinger Schroedinger phi tuyến None-Zero Dispersion Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác NZDSF Shifted Fiber không Optical Add/Drop OADM Bộ ghép kênh xen/rẽ quang Multiplexer Optical Phase OPC Kết hợp pha quang Conjugation PC Polarization Controller Bộ điều khiển phân cực Plesiochronous Digital PDH Phân cấp cận đồng bộ Hierachy Polarization Mode PMD Tán sắc mode phân cực Dispersion Principal State of PSP Trạng thái phân cực chính Polarization RING Ring Dạng vòng RMS Root-Mean-Square Trị hiệu dụng RZ Return to Zero Trở về không Stimulated Brillouin SBS Tán xạ Brillouin kích thích Scattering Synchronous Digital SDH Phân cấp số đồng bộ Hierachy SMF Single Mode Fibre Sợi quang đơn mode Semiconductor Optical SOA Bộ khuếch đại quang bán dẫn Amplifier Synchronous Optical SONET Mạng quang đồng bộ Network SOP State of Polarization Trạng thái phân cực SPM Self of Polarization Tự điều chế pha Stimulated Raman SRS Tán xạ Raman kích thích Scattering SW Optical Switch Hệ chuyển mạch quang Time Division TDM Ghép kênh theo thời gian Multiplexing Unidirectional Path Vòng ring chuyển mạch tuyến một chiều UPSR Switched Ring duy nhất Wavelength Division WDM Ghép kênh theo bƣớc sóng Multiplexing XPM Cross Phase Modulation Điều chế chéo pha ZD Zero-Dispersion Tán sắc bằng không Quách Bá Lâm – Đ04VT1 ix
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM 1.1 Nguyên lý cơ bản của WDM 1.1.1 Giới thiệu về WDM Phần dƣới đây chúng ta sẽ tìm hiểu một vài thông tin cần thiết để biết tại sao Hệ thống ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (WDM) lại là một sự đổi mới quan trọng trong các mạng quang và những lợi ích mà nó có thể cung cấp. - Nhu cầu về băng thông: sự bùng nổ nhu cầu băng thông mạng do sự tăng trƣởng mạnh của lƣu lƣợng số liệu, đặc biệt là giao thức internet (IP). Cứ 6 ÷ 9 tháng dịch vụ cung cấp băng thông tăng gấp đôi trên mạng đƣờng trục. Lƣu lƣợng Internet tăng 300% mỗi năm trong khi tốc độ tăng trƣởng của lƣu lƣợng thoại chỉ khoảng 13% mỗi năm (xem hình 1.1). Ở cùng một thời điểm giá trị lƣu lƣợng mạng tăng cao, lƣu lƣợng dữ liệu tự nhiên của nó là rất phức tạp. Lƣu lƣợng trên mạng đƣờng trục có thể bắt nguồn dựa trên cơ sở mạch (fax và thoại TDM), cơ sở gói (IP), hoặc cơ sở tế bào (ATM và Frame Relay). Thêm vào đó, có một phần dữ liệu tăng nhạy cảm với trễ nhƣ thoại qua IP và luồng video. Hình 1.1 Tốc độ tăng dung lƣợng thoại và số liệu theo thời gian - Những sự lựa chọn trong việc tăng băng thông: Với thách thức tăng lên đột ngột của dung lƣợng mạng trong khi chi phí bị rằng buộc, các hãng truyền Quách Bá Lâm – Đ04VT1 1
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM thông có hai sự lựa chọn: lắp đặt sợi quang mới hoặc tăng hiệu quả băng thông của sợi có sẵn. Lắp đặt sợi mới là các phƣơng pháp truyền thống đƣợc sử dụng với các hãng truyền thông để mở rộng mạng của họ. Tuy nhiên, triển khai sợi mới là rất tốn kém. Chi phí lắp đặt sợi mới khoảng 70000 đô trên một dặm, mà chi phí này hầu hết là các chi phí giấy phép và xây dựng nhiều hơn là chi phí cho chính sợi quang. Chỉ lắp đặt sợi mới khi cần phải mở rộng bao lấy mạng cơ sở. Tăng hiệu quả dung lƣợng của sợi có sẵn có thể thực hiện bằng hai cách: + Tăng tốc độ bit của các hệ thống có sẵn. + Tăng số bƣớc sóng trên một sợi. Tăng tốc độ bit: sử dụng TDM, dữ liệu thƣờng đƣợc truyền ở tốc độ 2,5 Gbps và tăng đến 10 Gbps; những kết quả gần đây đƣa ra ở tốc độ 40 Gbps. Tuy nhiên, các mạch điện tử muốn làm đƣợc điều này thì rất phức tạp và tốn kém, cả về mua sắm và bảo dƣỡng. Thêm nữa, có những vấn đề kỹ thuật quan trọng có thể làm hạn chế tính ứng dụng của kỹ thuật này. Ví dụ, truyền dẫn ở 10 Gbps qua sợi đơn mode ( SM ), bị ảnh hƣởng bởi tán sắc màu nhiều hơn 16 lần tốc độ 2,5 Gbps. Công suất truyền dẫn lớn hơn cũng yêu cầu tốc độ bit cao hơn, đƣa hiệu ứng phi tuyến có thể ảnh hƣởng đến chất lƣợng dạng sóng. Thêm nữa tán sắc mode phân cực tác động làm giới hạn khoảng cách xung ánh sáng có thể truyền. Tăng số bƣớc sóng: trong phƣơng pháp này, nhiều bƣớc sóng đƣợc kết hợp lại vào trong một sợi đơn. Sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng ( WDM ) với một vài bƣớc sóng, hoặc màu sắc ánh sáng có thể ghép đồng thời mỗi tín hiệu 2,5 Gbps đến 40 Gbps trên một thành phần sợi. Không phải lắp đặt thêm sợi mới, hiệu quả dung lƣợng của sợi sẵn có có thể tăng từ hệ số 16 or 32. Các hệ thống với 128 và 160 bƣớc sóng đƣợc hoạt động ngày nay, với mật độ cao hơn. Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng: WDM làm tăng dung lƣợng truyền của môi trƣờng vật lý ( sợi ) sử dụng phƣơng pháp hoàn toàn khác của TDM. WDM gán các tín hiệu quang vào trong các tần số riêng của ánh sáng ( các bƣớc sóng hoặc các lam đa λ ) bên trong một dải tần nào đó. Bởi vì mỗi kênh đƣợc truyền ở một tần số khác nhau, nên chúng ta có thể lựa chọn chúng sử dụng một Quách Bá Lâm – Đ04VT1 2
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM bộ điều hƣớng. Một cách khác để nghĩ về WDM là mỗi kênh sẽ có một màu sắc ánh sáng khác nhau; một số kênh sau đó sẽ làm nên một “ cầu vồng ”. Hình 1.2 Ghép kênh theo bƣớc sóng WDM Trong hệ thống WDM, mỗi một bƣớc sóng đƣợc truyền trong sợi, và các tín hiệu đƣợc phân kênh ở đầu cuối thu. Giống TDM, dung lƣợng kết quả là kết hợp của các tín hiệu đầu vào, nhƣng WDM mang mỗi tín hiệu đầu vào độc lập khác nhau. Điều này có nghĩa rằng mỗi kênh có băng thông của riêng mình; tất cả các tín hiệu đi đến ở cùng một thời điểm, hơn nữa không bị chia ra và mang vào mỗi khe thời gian. 1.1.2 Sự phát triển của công nghệ WDM Hệ thống WDM đầu tiên đƣợc bắt đầu khoảng cuối năm 1980 sử dụng hai bƣớc sóng có khoảng cách rộng trong miền 1310 nm và 1550 nm ( hoặc 850 nm và 1310 nm ), thỉnh thoảng đƣợc gọi là WDM băng rộng. Hình 1.3 miêu tả một ví dụ về WDM khuôn mẫu đơn này. Chú ý rằng một đôi sợi đƣợc sử dụng để truyền và một đôi sợi đƣợc sử dụng để nhận dữ liệu. Khoảng đầu năm 1990 đƣợc thấy hệ thống WDM thế hệ hai, còn đƣợc gọi là hệ thống WDM băng hẹp, trong hệ thống này có từ hai đến tám kênh đƣợc sử dụng. Khoảng cách giữa các kênh này là khoảng 400 Ghz ở cửa sổ bƣớc sóng 1550 nm. Vào giữa năm 1990, các hệ thống WDM mật độ cao ( DWDM ) đƣợc đƣa ra với 16 đến 40 kênh và khoảng cách giữa các kênh là từ 100 đến 200 Ghz. Vào cuối năm 1990 các hệ thống DWDM đã đƣợc phát triển có dung lƣợng lên tới 64 đến 160 kênh song song, khoảng cách giữa các kênh có mật độ rất dày ở khoảng 50 hoặc thậm chí 25 Ghz. Quách Bá Lâm – Đ04VT1 3
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM Hình 1.3 Hệ thống WDM hai kênh. Ở hình 1.4 cho thấy, quá trình phát triển của công nghệ có thể đƣợc xem nhƣ sự tăng nên của các bƣớc sóng, thêm vào đó là sự giảm đi của khoảng cách giữa các bƣớc sóng. Cùng với sự tăng lên của mật độ các bƣớc sóng, các hệ thống cũng đƣợc cải tiến sao cho có cấu hình mềm dẻo hơn, nhờ vào các chức năng tách ghép, và năng lực quản lý. Hình 1.4 Sự phát triển của công nghệ WDM. Sự tăng trong mật độ các kênh từ công nghệ DWDM đã tạo ra một ảnh hƣởng sâu sắc đến dung lƣợng mang của sợi. Vào năm 1995, khi mà các hệ thống Quách Bá Lâm – Đ04VT1 4
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM 10 Gbps đầu tiên đƣợc chứng minh, tốc độ tăng lên của dung lƣợng sợi đƣợc đi lên theo tính tuyến tính cho mỗi bốn năm một ( hình 1.5 ). Hình 1.5 Sự tăng nên của dung lƣợng sợi. 1.1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM a) Các chức năng của hệ thống WDM Ở lõi của hệ thống WDM gồm có một số nhỏ các chức năng của lớp vật lý. Điều này đƣợc miêu tả trong hình 1.6, cho thấy một WDM màu với bốn kênh thông tin. Mỗi kênh quang chiếm một bƣớc sóng riêng của chính nó. Hình 1.6 Màu chức năng WDM Hệ thống WDM thực hiện các chức năng chính sau: Quách Bá Lâm – Đ04VT1 5
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM - Phát tín hiệu: Nguồn, các laze bán dẫn, phải đƣợc cung cấp ổn định với mỗi kênh riêng, độ rộng phổ hẹp để mang dữ liệu số, đƣợc điều chế nhƣ một tín hiệu tƣơng tự. - Kết hợp tín hiệu: các hệ thống WDM hiện đại sử dụng các bộ ghép kênh để kết hợp các tín hiệu. Có một số các suy hao vốn có đi cùng với các bộ ghép và tách kênh. Các suy hao này phụ thuộc vào số các kênh thông tin nhƣng có thể đƣợc bù lại bằng các bộ khuếch đại quang, cái mà khuếch đại tất cả các bƣớc sóng lên mà không cần phẩi biến đổi thành điện. - Truyền dẫn tín hiệu: các ảnh hƣởng của xuyên nhiễu và suy giảm hay suy hao tín hiệu quang cần phải đƣợc tính toán trong truyền dẫn sợi quang. Các ảnh hƣởng này có thể đƣợc giảm bớt bằng cách điều chỉnh các biến nhƣ khoảng cách kênh, khoảng bƣớc sóng, và các mức công suất laze. Qua một liên kết truyền dẫn, tín hiệu cần phải đƣợc khuếch đại quang lên. - Tách các tín hiệu nhận được: Ở đầu cuối thu, các tín hiệu đƣợc ghép phải đƣợc tách ra. Mặc dù, thao tác này đƣợc đƣa ra chỉ là ngƣợc lại của phƣơng pháp kết hợp tín hiệu nhƣng nó thực sự lại là một công nghệ rất khó. - Nhận tín hiệu: Tín hiệu đã đƣợc giải ghép kênh sẽ đƣợc thu bởi các bộ tách sóng quang. Với các chức năng này, một hệ thống WDM cũng phải đƣợc trang bị các giao diện khách để nhận tín hiệu vào. Chức năng này đƣợc thực hiện bởi các hệ thống nhận và phát tín hiệu lại. Trên WDM khách là các giao diện sợi quang đƣợc liên kết với các hệ thống WDM. b) Các công nghệ cho phép Mạng quang, không giống SONET/SDH, không dựa vào việc xử lý dữ liệu điện. Đƣợc hiểu theo nghĩa thông thƣờng, sự phát triển của nó nhiều liên kết quang hơn liên kết điện. Trong cấu trúc đầu tiên, nhƣ miêu tả ở phần trƣớc, WDM có dung lƣợng mang các tín hiệu qua hai bƣớc sóng với khoảng cách rộng, và truyền với một khoảng cách tƣơng đối ngắn. Tại thời điểm xa hơn ở trạng thái ban đầu này, WDM cần tới cả sự tiến bộ trong các công nghệ sẵn có và cả những phát minh công nghệ mới nữa. Sự tiến bộ trong các bộ lọc quang và các laze băng hẹp cho phép WDM đƣợc kết hợp nhiều hơn hai bƣớc sóng tín hiệu trên một sợi. Sự Quách Bá Lâm – Đ04VT1 6
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM phát minh ra bộ khuếch đại quang có độ lợi phẳng, đƣợc nối trên đƣờng truyền với sợi truyền dẫn để khuếch đại tín hiệu quang, làm cho khả năng của các hệ thống WDM đƣợc tăng lên rất lớn về khoảng cách truyền dẫn. Các công nghệ khác đã góp phần rất quan trọng trong sự phát triển của hệ thống WDM bao gồm cả các sợi quang đã đƣợc cải tiến với suy hao thấp hơn và các đặc tính truyền dẫn quang tốt hơn, các EDFA, và các thiết bị nhƣ là cách tử Bragg sợi đƣợc sử dụng trong các bộ ghép kênh tách/xen quang. 1.2 Các cấu hình mạng và cơ chế bảo vệ cho mạng WDM Các kiến trúc mạng đều đƣợc dựa trên rất nhiều các nhân tố, bao gồm các kiểu ứng dụng và các giao thức, khoảng cách, mô hình sử dụng và truy nhập, và các cấu hình mạng sẵn có. Ví dụ xét trong mạng khu vực đô thị, cấu hình điểm điểm phải đƣợc sử dụng để kết nối các vị trí tổ chức kinh doanh, các cấu hình vòng ring để kết nối các thiết bị trong văn phòng ( IOFs ) và để truy cập đến các khu dân cƣ, và cấu hình mesh phải đƣợc sử dụng cho các kết nối bên trong POP và kết nối đến các mạng trục đƣờng dài. Trong thực tế, lớp quang phải có khả năng hỗ trợ nhiều loại cấu hình, bởi vì sự phát triển không ổn định trong các khu vực này, các cấu hình đó phải đƣợc linh hoạt. Ngày nay, cấu hình chính trong sự phát triển là cấu hình điểm điểm và vòng ring. Với các liên kết điểm điểm trên WDM ở giữa các vị trí kinh doanh diện rộng, chỉ cần có một thiết bị trƣớc khách hàng để biến đổi lƣu lƣợng ứng dụng thành các bƣớc sóng và ghép chúng. Các hãng truyền thông với các cấu hình vòng ring tuyến tính có thể mở rộng theo hƣớng toàn vòng ring dựa trên cơ sở các OADM. Nhƣ thế các chuyển mạch và kết nối chéo quang có thể trở nên phổ biến hơn, các mạng vòng ring và điểm điểm này sẽ đƣợc kết nối đến các mesh, biến các mạng đô thị quang thành những nền tảng khá linh động. 1.2.1 Cấu hình điểm – điểm Cấu hình điểm điểm có thể đƣợc bổ sung hoặc không cần OADM. Các mạng này có đặc điểm đƣợc tạo bởi các tốc độ kênh cực cao ( 10 đến 40 Gbps ), tính toàn vẹn và đáng tin cậy của tín hiệu cao, và khả năng phục hồi tuyến nhanh. Trong các mạng đƣờng dài, khoảng cách giữa các bộ phát và bộ thu có thể là vài trăm kilomet, và số các bộ khuếch đại yêu cầu giữa các điểm đầu cuối là phải nhỏ hơn 10. Trong mạng MAN, thƣờng không sử dụng các bộ khuếch đại. Quách Bá Lâm – Đ04VT1 7
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM Sự bảo vệ trong các cấu hình điểm điểm có thể đƣợc cung cấp ở trong một khoảng cách kết hợp. Trong thiết bị thế hệ đầu tiên, tính dự phòng thể hiện ở mức hệ thống. Các liên kết song song kết nối hệ thống ở các đầu cuối. Sự chuyển giao trong trƣờng hợp lỗi đƣợc chịu trách nhiệm của các thiết bị khách ( ví dụ nhƣ một thiết bị chuyển mạch hoặc một bộ định tuyến ), trong khi chính các hệ thống WDM chỉ cung cấp dung lƣợng. Trong thiết bị thế hệ hai, tính dự phòng thể hiện ở mức card. Các liên kết song song kết nối các hệ thống đơn ở đầu cuối đó bao gồm các bộ tách sóng, các bộ ghép và các CPU. Ở đây sự bảo vệ đƣợc chuyển đến thiết bị WDM, với các quyết định chuyển mạch dƣới sự điều khiển cục bộ. Cho ví dụ về một kiểu bổ sung, sử dụng mô hình bảo vệ 1 + 1 dựa trên chuyển mạch bảo vệ tự động SONET ( APS ). Xem hình 1.7. Hình 1.7 Kiến trúc điểm – điểm. 1.2.2 Cấu hình vòng Ring Các vòng ring là kiến trúc phổ biến nhất đƣợc tìm thấy ở trong các khu vực đô thị và các nhịp nối khoảng 10 kilomét. Các vòng ring sợi phải bao gồm ít cũng khoảng bốn kênh bƣớc sóng, và đặc trƣng là số node ít hơn số kênh. Tốc độ bit nằm trong dải từ 622 Mbps đến 10 Gbps trên mỗi kênh. Cấu hình vòng ring có thể đƣợc triển khai với một hoặc nhiều hệ thống WDM, hỗ trợ nhiều đến nhiều kiểu lƣu lƣợng, hoặc chúng có thể có một trạm hub và một hoặc một số các node OADM, hoặc trạm vệ tinh ( xem hình 1.8 ). Ở node hub lƣu lƣợng bắt đầu, đƣợc kết thúc và đƣợc quản lý, và kết nối đến các mạng khác đã đƣợc thiết lập. Ở các node OADM, các bƣớc sóng đƣợc lựa chọn thì đƣợc Quách Bá Lâm – Đ04VT1 8
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM tách và đƣợc xen, trong khi các bƣớc sóng khác thì đƣợc truyền qua (gửi các kênh). Trong cách này, các kiến trúc vòng ring cho phép các node trên vòng ring cung cấp truy nhập đến các phần tử mạng nhƣ các bộ định tuyến, các chuyển mạch, hoặc các máy chủ bằng cách xen hoặc tách các kênh bƣớc sóng trong miền quang. Tuy nhiên với sự tăng thêm các OADM, tín hiệu tùy thuộc vào sự suy hao và sự khuếch đại có thể đƣợc cần đến. Hình 1.8 Cấu hình mạng Ring Các mạng đƣa ra cho ứng dụng WDM trong khu vực đô thị thƣờng đƣợc dựa trên các cấu trúc vòng ring SONET với 1 + 1 sự bảo vệ sợi. Do đó các mô hình nhƣ Vòng Ring chuyển mạch tuyến một chiều duy nhất ( UPSR ) hoặc Vòng Ring chuyển mạch đƣờng hai chiều ( BLSR ) có thể đƣợc sử dụng lại để bổ sung cho WDM. Hình 1.9 cho thấy mô hình UPSR với hai sợi. Ở đây, hub và các node gửi trên hai vòng xoay ngƣợc nhau, nhƣng cùng sợi bình thƣờng đƣợc sử dụng cho tất cả các thiết bị nhận tín hiệu; do đó có tên một chiều. Nếu vòng ring làm việc bị lỗi, thiết bị thu chuyển đến đôi khác. Mặc dù cách này cung cấp dự phòng, không dùng lại băng thông có thể sử dụng, nhƣ thế sợi dự phòng phải luôn luôn sẵn sàng để mang lƣu lƣợng làm việc. Mô hình này đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong các mạng truy nhập. Quách Bá Lâm – Đ04VT1 9
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM Hình 1.9 UPSR bảo vệ trên vòng ring WDM. Các mô hình khác, nhƣ Vòng Ring chuyển mạch đƣờng hai chiều ( BLSR ), cho phép lƣu lƣợng đi từ node gửi đến node nhận bằng tuyến tuyệt đối tốt nhất. Bởi vì cách này, BLSR đƣợc coi là thích hợp cho các mạng lõi SONET, đặc biệt là khi đƣợc thực hiện với bốn sợi. 1.2.3 Cấu hình Mesh Cấu hình mesh là cấu hình tƣơng lai của các mạng quang. Do sự mở rộng của nhiều mạng, nên các kiến trúc mạng ring và mạng điểm – điểm sẽ vẫn đƣợc phát triển, nhƣng mesh hứa hẹn đến một cấu hình mạnh mẽ nhất. Phát triển cấu hình này sẽ có thể cho phép đƣợc đƣa vào cấu hình các kết nối chéo quang và các chuyển mạch quang. Điều đó sẽ có trong một vài trƣờng hợp thay thế và trong các trƣờng hợp khác bổ sung các thiết bị WDM cố định. Từ quan điểm thiết kê, có một tuyến phát triển sẵn có từ cấu hình điểm điểm đến cấu hình mesh. Bằng cách bắt đầu với các liên kết điểm điểm, đƣợc trang bị thêm các node OADM ở nơi bắt đầu tính linh động, và rồi sau đó nối liền chúng, mạng có thể mở rộng vào trong mesh mà không phải thiết kế hoàn toàn lại. Thêm nữa, các cấu hình vòng ring và mesh có thể đƣợc nối bởi các liên kết điểm điểm ( xem hình 1.10 ). Quách Bá Lâm – Đ04VT1 10
Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về công nghệ WDM Hình 1.10 Các kiến trúc vòng ring, điểm điểm, mesh. Các mạng mesh WDM sẽ cần đến một cấp độ thông minh bậc cao để thực hiện các chức năng bảo vệ và quản lý băng thông, kể cả sợi và chuyển mạch bƣớc sóng. Tuy nhiên, lợi ích trong tính linh hoạt và hiệu suất là rất lớn. Sử dụng sợi có thể đƣợc mức thấp trong giải pháp vòng ring bởi vì nhu cầu để các sợi bảo vệ trên mỗi ring, có thể đƣợc tận dụng trong thiết kế mesh. Sự bảo vệ và khôi phục có thể dựa trên các tuyến thành phần, bằng cách ấy cần một ít đôi sợi cho cùng số lƣợng của lƣu lƣợng và không ảnh hƣởng các bƣớc sóng không đƣợc dùng đến. Cuối cùng, các mạng mesh sẽ phụ thuộc lớn vào các phần mềm để quản lý. Một giao thức dựa trên chuyển mạch nhãn đa giao thức ( MPLS ) dƣới sự phát triển để hỗ trợ chuyển các hƣớng qua một mạng toàn quang. Thêm vào nữa, sự quản lý sẽ cần đến một kênh không chuẩn để mang thông tin giữa các phần tử mạng. Quách Bá Lâm – Đ04VT1 11