Đại học Công Nghệ Thông Tin Đại học Quốc Gia Tp.HCM Đề tài: Tìm hi u công ngh ghép kênh quangể ệ theo b c sóng WDMướ Các thành viên trong nhóm Nguy n Ti n Thành – 08520354ễ ế Ph m Ng c S n – 08520317ạ ọ ơ Nguy n Vũ An – 08520517ễ Hoàng M nh H ng – 08520165ạ ư D ng S n Thông – 08520391ươ ơ Giáo viên ThS. Ngô Hán Chiêu 1 Mục lục Mục lục 2 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 6 Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM 10 I: Sự phát triển của công nghệ WDM 10 II: Giới thiệu về hệ thống thông tin quang 11 III: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng và các tham số cơ bản 15 1: Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng 15 1.1: Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: 15 1.2: Truyền dẫn hai chiều trên một sợi 16 2: Các tham số cơ bản 18 Chương II: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDM 20 I: Các thiết bị WDM vi quang 21 1: Các bộ lọc thiết bị 22 1.1. Bộ tách hai bước sóng 24 1.2: Bộ tách lớn hơn hai bước sóng 25 1.3: Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (MUX-DEMUX): 26 2: Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc: 29 2.1. Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc: 29 2.2. Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc: 30 2.2.1. Mở đầu 30 2.2.2. Cách tử nhiễu xạ phẳng 31 2.2.3. Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng: 33 2.2.4. Cách tử hình long chảo 35 2.2.5. Cách t Bragg: 36ử 2 II. CÁC THIẾT BỊ WDM GHÉP SỢI 38 III. MỘT SỐ KỸ THUẬT KHÁC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG GHÉP WDM. 41 1. Bộ ghép bước sóng dùng công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT. 41 1.1 Nguyên lý chung 41 1.2. Bộ ghép nhân kênh dùng cách tử: 42 1.3. Thiết kế bộ ghép n bước sóng. 43 2. AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM 46 Chương III: MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỶ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 49 I: Số kênh sử dụng và khoảng cách giữa các kênh 50 1: Khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là 50 2: Khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này là: 50 II: Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng của nguồn phát 57 1: Ổn định bước sóng của nguồn quang 57 2: Yêu cầu độ rộng của nguồn phát 57 III: Xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang 58 IV: Suy hao – Quỹ công suất của hệ thông WDM 58 V: Tán sắc – Bù tán sắc 59 IV: Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 62 1. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering): 63 2. Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering): 64 3. Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation): 65 4. Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation): 67 5. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing): 67 6. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến: 69 3 VII: Bộ khuếch đại EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM 69 1. Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA: 70 2. Tăng ích bằng phẳng của EDFA: 72 3. Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA: 73 Chương IV: CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG WDM 74 I. 1. Công nghệ bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang pha trộn ERBIUM (EDFA) 74 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA 74 2: Đặc tính của EDFA 77 2.1: Đặc tính khuếch đại 77 2.2: Đặc tính tạp âm nhiễu 78 2.3: EDAF trong hệ thống ghép kệnh theo bước sóng 82 Chương V: Mạng WDM 84 I: Phân cấp mạng WDM 84 II. Hai kiểu chuyển mạch của WDM 86 1. M ng WDM chuy n m ch kênh quangạ ể ạ 86 2. M ng WDM chuy m m ch gói: ạ ể ạ 87 III. Điểm mút của mạng WDM 88 1. i m nút OXC: Đ ể 88 2. i m nút OADM: Đ ể 91 IV. Phân phối và định tuyến bước sóng trong mạng WDM 93 1. Kênh b c sóng và kênh b c sóng o. ướ ướ ả 93 2. Ch n ng trong m ng WDM ọ đườ ạ 95 V: Bảo vệ mạng WDM 96 1. B o v ki u 1+1 trên l p SDHả ệ ể ớ 96 2. B o v o n ghép kênh: ả ệ đ ạ 97 4 VI. WDM và SDH. 97 VII. Mạng quang và hỗn hợp quang điện 98 VIII. Vấn đề phi tuyến trong mạng quang WDM 99 IX. Thiết kế cấu trúc mạng WDM 99 V. Mạng Ring tự phục hồi ghép bước sóng 101 1. Mở đầu 101 2. Cấu trúc SHR/WDM đơn hướng 101 2.1. Cấu trúc mạng Ring có 4 nút: 101 2.2. Cấu trúc nút: 102 2.3: Quan hệ giữa số lượng nút và số lượng bước sóng. 104 3. Cấu trúc SHR/WDM hai hướng 104 4. So sánh SHR/ADM và SHR/WDM 106 KẾT LUẬN 108 5 Viết tắt ADM AG AN AOTF APD AWGM ATM ADP AW C DCA DEMUX DSF DXC DLE DWDM FBG EDFA FDM FFWF GMPLS GW IP ISDN LAN LC LCP LCG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Tiếng AnhTiếng Việt Add/drop multiplexerBộ ghép kênh xen kẽ Auxiliary GraphDựng một đồ thị phụ Acces NodeNút truy nhập Acousto OpticBộ lọc thanh quang Turnable Filtercó điều chỉnh Avalanche PhotodiodeĐiốt quang thác Arrayed - WavelengthBộ ghép kênh lưới quang Grating Multiplexerdẫn sóng kiểu dàn Asynchronous Transfer ModePhương thức truyền không đồng bộ Avalanche Photo DiodeĐiốt quang thác Available WavelengthBước sóng khả dụng CoreĐường trục Distinct Channel AssignmentGán kênh riêng biệt DemultiplexerBộ giải ghép kênh Dispersion Shifted FiberSợi dịch tán sắc Digital Cross ConnectNối chéo số Dynamic Lightpath EstablishmentThiết lập luồng quang Differential WavelengthGhép kênh chia bước Division Multiplexersóng vi sai Fibre GratingLưới sợi quang Erbium doped fiber ampliferKhuếch đại sợi quang trộn erbium Frequency Division MultiplexingGhép kênh phân chia tần số First Fit Wavelength FirstThuật toán gán bước sóng theo thứ tự bước sóng Generalized Multiple ProtocolChuyển mạch nhãn đa Label Swithchinggiao thức tổng quát GatewayCổng Internet ProtocolGiao thức internet Integrated service digital networkMạng số liên kết dịch vụ Local Area NetworkMạng cục bộ Logical ConnectionKết nối logic Least Congested PathĐịnh tuyến đường nghẽn ít nhất Logical Connection GraphHướng kết nối logíc biểu đồ 6 LF LEC LL LSP LSR LU M∑ MESH MPLS NP- Largest First Least Converter First Least Loaded Label Swithched Path Label Swithching Router Least Used Max-Sum Mesh Multi Protocol Label Swithching Subset of class NP problem complete Non-Zero Dispersion Shifted Fiber Optical add/drop multiplexer Optical Circulator Optical/Electrical/ Optical Optical Channel Optical Line Amplifier Optical Cross Connect Optical Time Division Multiplex Routing and Wavelength Assignment Synchronous Digital Hierarchy Sequential Graph Coloring Synchronous Optical Network Sub-Network Connection Protection Synchronous Transport Module Static Wavelength Routing Space Optical Switch Total wavelength and Available wavelength Thuật toán gán bước sóng từ bậc lớn nhất Chuyển đổi bước sóng theo thứ tự cao nhất Thuật toán gán bước sóng dựa trên tải ít nhất Luồng chuyển mạch nhãn Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn Gán bước sóng dựa trên bước sóng sử dụng ít nhất Thuật toán gán bước sóng dựa trên tổng dung lượng lớn nhất Dạng lưới Chuyển mạch nhãn đa giao thức Tập hợp con của lớp các bài toán NP mà nó được xem là khó giải Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không Bộ ghép kênh xen/rẽ quang Bộ đấu vòng quang Quang/ Điện/ Quang Kênh quang Khuếch đại đường quang Nối chéo quang Ghép kênh quang phân chia thời gian Định tuyến và gán bước sóng Phân cấp số đồng bộ Tô màu đồ thị tuần tự Mạng quang đồng bộ Bảo vệ kết nối mạng con Modun truyền tải đồng bộ Bộ định tuyến bước sóng tĩnh Chuyển mạch quang không gian Tổng bước sóng của các bước sóng khả dụng 7 NZ-DSF OADM OC O/E/O Och OLA OXC OTDM RWA SDH SGC SONET SNCP STM SWR SOS TAW TDM Thr TSI WADM WC WDM WGR WP WR WRS OSC DFK DFF SMF DCF CBFG OA OADM OXC OMS-DP OMS-SP OMS RWA SLE WCA RCL RCA Rsv WRN Time Division Multiplexing Thr - Protecting Threshold Time Slot Interchanger Wavelength Add- Drop Multiplexer Wavelegth Converter Wavelength Division Multiplex Waveguide Grating Router Wavelength Path Wavelength Router Wavelength Router Switch Optical Supervision Chanel Dispersion Shifted Fiber Dispersion Flattened Fiber Single Mode Fiber Dispersion Compensating Fiber Chirper Bargg Fiber Grating Optical Amplifier Optical Add Drop Multiplexer Optical Cross Connect Optical Multiplexer Section Dedicated Protection Optical Multiplexer Section Shared Protection Optical Multiplexer Section Routing and Wavelength Assignment Static Lightpath Establishment Wavelength conveter Awave Relative Capacity Loss Routing and Channel Assignment Wavelength Reservation Wavelength Router Network Ghép kênh phân chia theo thời gian Ngưỡng bảo vệ Trao đổi khe thời gian Bộ nhập tách bước sóng Bộ chuyển đổi bước sóng Ghép kênh chia bước sóng Bộ định tuyến lưới quang dẫn sóng Đường bước sóng Bộ định tuyến bước sóng Khoá định tuyến bước sóng Kênh giám sát quang Sợi dịch tán sắc Sợi tán sắc phẳng Sợi đơn mode Sợi bù tán sắc Cách tử Bargg Khuếch đại quang Bộ xen tách quang Kết nối chéo quang Bảo vệ dùng riêng mức đoạn ghép kênh quang Bảo vệ dùng chung mức đoạn ghép kênh quang Đoạn ghép kênh quang Định tuyến gán bước sóng Thiết lập luồng quang tĩnh Bộ chuyển đổi bước sóng Tổn thất dung lượng tương đối Định tuyến và gán kênh Gán bước sóng đặt trước Mạng định tuyến bước sóng L I NÓI Đ UỜ Ầ 8 Thời gian gần đây, nhu cầu lưu lượng tăng mạnh do sự phát triển bùng nổ của các loại hình dịch vụ Internet và các dịch vụ băng thông đã tác động không nhỏ tới việc xậy dựng cấu trúc mạng viễn thông. Việc xây dựng mạng viễn thông thế hệ sau NGN đang được quan tâm như một giải pháp hữu hiệu nhằm thoả mãn nhu cầu mạng lưới trong thời gian tới. Trong cấu trúc NGN mang truyền tải lưu lượng là khâu quan trọng nhất có nhiệm vụ truyền thông suốt lưu lượng lớn trên mạng, trong đó mạng truyền dẫn được xem là huyết mạch chính. Để thoả mãn việc thông suốt lưu lượng và băng tần lớn, các hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM được xem là ứng cử quan trọng cho đường truyền dẫn. Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho mạng lưới truyền dẫn cao trên băng tần lơn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng thời trên một sợi, trong đó mỗi kênh tương đương với một hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ cao. Công nghệ WDM cho phép các nhà thiết kế mạng lựa chọn được phương án tối ưu nhất để tăng dung lượng đường truyền với chi phí thấp nhất. Cho đến nay hầu hết các hệ thống thông tin quang đường trục có dung lượng cao đều sử dụng công nghệ WDM. Ban đầu từ những tuyến WDM điểm – điểm đến nay đã xuất hiện các mạng với nhiều cấu trúc phức tạp Với nhận thức ấy đề tài “Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM” sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn. Báo cáo gồm có 5 chương với nội dung tóm tắt cụ thể như sau: Ch ng I ươ : Giới thiệu chung về thông tin quang, các nguyên lý ghép kênh trên hệ thống truyền dẫn hai chiều trên hai sợi và một sợi Ch ng II: ươ Giới thiệu về các thiết bị quang thụ động trong WDM, các thiết bị WDM ghép sợi, một số kỷ thuật SOFT, AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị Ch ng III: ươ Giới thiệu về các vấn đề kỷ thuật cần quan tâm đối với hệ thống quang WDM như: Vấn đề ổn định bước sóng, vấn đề xuyên kênh, nhiễu kênh, suy hao, tán sắc-bù sắc và ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến Ch ng IV: ươ Các công nghệ then chốt của hệ thống WDM như: Công nghệ lọc quang có điều chỉnh bước sóng, công nghệ bộ chuyển phát quang (OTU), công nghệ bộ khuếch đại quan sử dụng sợi quang, công nghệ sợi quang và công nghệ điều khiển giám sát hệ thông WDM Ch ng V: ươ Giới thiệu chung về mạng WDM 9 Ch ng I: GI I THI U CHUNG V CÔNG NGH WDMươ Ớ Ệ Ề Ệ I: S phát tri n c a công ngh WDMự ể ủ ệ Công nghệ mạng quang đã trở thành nhân tố quan trọng trong sự phát triển của mạng viễn thông. Yêu cầu băng tần sử dụng lớn là hệ quả tất yếu của nhu cầu truyền thông dữ liệu ngày nay. Trong hai thập kỷ qua, công nghệ truyền tải quang WDM đã có sự phát triển vượt bậc. Sự phát triển này có được là nhờ công nghệ chế tạo linh kiện quang. Những thành tựu của công nghệ này đã góp phần tạo nên hệ thống WDM dung lượng lớn như ngày nay. Theo thời gian, xuất phát từ những nhu cầu thực tế, các hệ thống WDM ngày càng trở nên phức tạp. Ở một góc độ nào, sự phức tạp trong hệ thống WDM là trong những chức năng của thiết bị. Nhờ có chức năng này mà cấu hình hệ thống WDM chuyển từ đơn giản như cấu hình điểm- điểm sang cấu hình phức tạp như Ring và Mesh. Các hệ thống WDM đầu tiên xuất hiện từ cuối những năm 1980 sử dụng hai kênh bước sóng trong các vùng 1310nm và 1550nm và thường được gọi là hệ thống WDM băng rộng. Đầu những năm 1990 xuất hiện các hệ thống WDM thế hệ hai sử dụng các phần tử WDM thụ động, được gọi là hệ thống WDM băng hẹp từ 2 đến 8 kênh. Các kênh này nằm trong cửa sổ 1550nm và với khoảng cách kênh 400GHz. Đến giữa những năm 1990 đã có hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) sử dụng từ 16 đến 40 kênh với khoảng cách kênh từ 100 đến 200 GHz. Các hệ thống này đã tích hợp các chức năng xen rẽ và quản lý mạng. Các hệ thống WDM ban đầu sử dụng với khoảng cách kênh lớn. Việc lắp đặt hệ thống WDM chi phối bởi những lý do kinh tế. Việc nâng cấp thiết bị đầu cuối để khai thác các năng lực của WDM có chi phi thấp hơn việc lắp đặt cáp sợi quang mới. Sự xuất hiện bộ khuếch đại quang EDFA đã chuyển hầu hết các hệ thống WDM sang cửa sổ 1530 nm đến 1565nm. Các hệ thống WDM mới lắp đặt gần đây đã sử dụng các kênh quang có khoảng cách giữa các kênh hẹp từ 25 GHz đến 50 GHz. Nhu cầu về băng tần mạng đang tăng gần 100%/một năm sẽ tiếp tục gia tăng ít nhất là trong vài chục năm tiếp theo. Việc giảm giá thành của các nhà cung cấp và trên hết là ứng dụng phổ cập của Internet đòi hỏi băng tần lớn sẽ được tiếp tục đẩy mạnh. 10 [...]... thực tế đối với các vấn đề giới hạn ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực, hiệu ứng phi tuyến, sẽ làm tăng cả số lượng kênh và tốc độ bít của hệ thống WDM Số lượng các kênh tăng đòi hỏi yêu cầu khắt khe hơn đối với độ ổn định của laser, độ chính xác của bộ lọc và vấn đề liên quan đến quản lý tán sắc, hiệu ứng phi tuyến Mạng tiến dần tới mô hình toàn quang, do đó sẽ xuất hiện các hệ thống thiết bị quang... sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ (xem hình 1.2): Hình 1.2: Độ rộng của nguồn quang và dải thông của sợi quang 14... nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD) Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc... cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hơn hai thập niên qua Cùng với đó là sự tiến bộ lớn trong công nghệ chế tạo các nguồn phát quang và thu quang, để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại Dưới đây là những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các môi trường truyền dẫn khác, đó là: Ø Suy... 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 Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn Có hai hình thức cấu thành hệ thống WDM đó là: 1.1: Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi là: tất cả kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như... hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng... làm tăng các hiệu ứng quang khác Mặc dù trên khía cạnh nào đó các kỹ thuật WDM mật độ cao sẽ đạt tới giới hạn của nó Sự truyền dẫn của vài trăm kênh trên một sợi quang cũng đã được kiểm chứng Nhờ có sự phát triển của công nghệ WDM, trong tương lai không xa sẽ xuất hiện các dịch vụ thông tin quang giá thành thấp tốc độ cao II: Giới thiệu về hệ thống thông tin quang Ngay từ xa xưa để thông tin cho nhau,... tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ 13 nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống Khi khoảng cách... sợi quang 16 Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển tương đối rộng rãi Hệ thống WDM hai chiều trên một sợi thì yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt 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... điểm ghép nối các module, các mối hàn , bởi chúng có thể làm gia tăng vấn đề xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suy giảm nghiêm trọng tỉ số S/N của hệ thống Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêm trọng đối với hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do đó hệ thống này có khả năng ít được lựa chọn khi thiết kế tuyến Ở một mức độ nào đó, để đơn giản ta có thể xem xét bộ tách bước sóng như . là khó giải Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không Bộ ghép kênh xen/rẽ quang Bộ đấu vòng quang Quang/ Điện/ Quang Kênh quang Khuếch đại đường quang Nối chéo quang Ghép kênh quang phân chia thời. trong hệ thống ghép kệnh theo bước sóng 82 Chương V: Mạng WDM 84 I: Phân cấp mạng WDM 84 II. Hai kiểu chuyển mạch của WDM 86 1. M ng WDM chuy n m ch kênh quang ể ạ 86 2. M ng WDM chuy m m ch gói:. nhìn bao quát về một tuyến truyền dẫn quang và công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM. Các thiết bị OWDM rất đa dạng, có thể thực hiện qua các phần tử tích cực hay thu động, nguồn quang