LỜI NÓI ĐẦU • Tính cấp thiết đề tài: Trong năm gần đây, bùng nổ loại hình dịch vụ thông tin, đặc biệt phát triển nhanh chóng Internet Word Wide Web làm gia tăng không ngừng nhu cầu dung lượng mạng Trong mạng khó đáp ứng đươc Chính yêu cầu cần có mạng truyền dẫn dung lượng lớn Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang dày đặc đời DWDM giải pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hiệu băng thông rộng sợi quang, nâng dung lượng hệ thống lên đến hàng trăm Gbps đồng thời giảm giá thành cho sản phẩm DWDM với ưu mặt công nghệ trở thành phương tiện tối ưu kỹ thuật kinh tế để mở rộng dung lượng sợi quang cách nhanh chóng quản lý hiệu hệ thống DWDM đáp ứng hoàn toàn dịch vụ băng rộng mạng tiền đề để xây dựng mạng toàn quang tương lai DWDM ghép số lượng lớn bước sóng vùng bước sóng 1550nm để nâng dung lượng hệ thống lên hàng trăm Gbps Vì thế, DWDM ngày ứng dụng rộng rãi nhiều nước giới Việt Nam Đã có hàng loạt tuyến truyền dẫn vận hành khai thác theo công nghệ • Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Đồ án vào nghiên cứu công nghệ DWDM Về mặt lý thuyết vào tìm hiểu nội dung nguyên lý,các tham số cấu trúc hệ thống Sau áp dụng kiến thức để thiết kế tuyến truyền dẫn Việc thiết kế trở nên phức tạp nhiều, đòi hỏi phải hiểu rõ giới hạn suy hao, tán sắc, quỹ công suất, quỹ thời gian lên tượng phi tuyến sợi quang tạo Do tính chất sợi quang phụ thuộc vào bước sóng, nên việc chọn lựa bước sóng hoạt động vấn đề quan trọng thiết kế • Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu tìm hiểu thông qua tài liệu tham khảo, trang sách báo qua webside Mục tiêu nghiên cứu đề tài: • Hiểu hệ thống thông tin quang, tổng quan công nghệ DWDM sở kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng, thành phần hệ thống DWDM Biết thiết kế hệ thống mạng DWDM Kết cấu đề tài: • Chương “Tổng quan hệ thống thông tin quang” Chương tìm hiểu đời phát triển hệ thống thông tin quang, cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin quang ưu nhược điểm hệ thống Đồng thời tìm hiểu vấn đề liên quan đến sợi quang Chương “Tổng quan công nghệ DWDM sở kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng ” Chương tìm hiểu nguyên lý ghép bước sóng quang, tham số DWDM ưu điểm hệ thống DWDM Chương “Các thành phần mạng DWDM” Chương trình bày thành phần sử dụng mạng DWDM Chương “Thiết kế tuyến thông tin quang DWDM” Chương trình bày yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế yêu cầu kỹ thuật Thiết kế tuyến mạng điểm điểm dựa Q OSNR, phân loại mạng quang theo thiết kế số chế bảo vệ mạng DWDM DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết Từ đầy đủ Tiếng việt tắt APD APS Avanlanche Photodiode Automatic Protection- Diode tách sóng quang thác Cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự ASE Switching Amplifier Spontaneous Emission BER Bit Error Ratio CPM Cross Phase Modulation DCF Dispersion Compensate Fiber DCU Dispersion Compensate Unit DEMUX Demultiplexer DFS Dispersion Division động Nhiễu tự phát khuếch đại Tỷ số lỗi bit Hiệu ứng điều chế xuyên pha Sợi bù tán sắc Khối bù tán sắc Thiết bị tách kênh Sợi dịch chuyển tán sắc DTF DWDM Multiplexer Dielectricthin film filters Dense Wavelenght Division EDFA Multiplexing với mật độ dày Erbium Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi có pha tạp Bộ lọc điện môi màng mỏng Ghép kênh quang theo bước sóng Four Ware Mixing Graded Index Erbium Hiệu ứng trộn bước sóng Chỉ số Gradient(chiết suất biến ISI ITU InterSymbol Interference International đổi Giao thoa ký tự gần Ủy ban viễn thông quốc tế LAN LD LED MAN MM MUX NZ-DSF Telecommunication Union Local Area Network Laser Diode Light Emitting Diode Metropolitan area network Mutil Mode Multiplexer Non-zero Dispersion-Shift Mạng nội hạt Diode Laser Diod phát quang Mạng đô thị Sợi đa mode Thiết bị ghép kênh Sợi dịch tán sắc không trở OA OADM OBA OFA OFDM Fiber Optical Amplifier Optical Add/Drop Multiplexer Optical Booster Amplifier Optical Fiber Amplifier Optical Frequency Division Bộ khuếch đại quang Bộ ghép kênh xen/rớt Bộ khuếch đại công suất Bộ khuếch đại quang sợi Ghép kênh quang theo tần số OLA OLT OPA Multiplexing Optical Line Amplifier Optical Line Terminator Optical Pre-Amplifier Khuếch đại đường quang Thiết bị đầu cuối quang Tiền khuếch đại FWM GI OSC OSNR OTDM Optical Supervise Channel Optical Signal to Noise Ratio Optical Time Division Kênh giám sát Tỷ số tín hiệu tạp âm quang Ghép kênh quang theo thời gian OTU OXC PIN PMD SBS SDH SI SMF SNR SOA Multiplexing Optical Transponder Unit Optical Cross Connect Positive Intrinsic Negative Polarization Mode Dispersion Stimulatted Brilouin Scattering Synchronous Digital Hierarchy Sep Index Single Mode Fiber Signal to Noise Ratio Optical Semiconductor Khối phát đáp quang Bộ kết nối chéo quang Cấu trúc PIN Tán sắc mode phân cực Tán xạ Brilouin kích thích Phân cấp số đồng Chỉ số chiết suất phân bực Sợi đơn mode Tỷ số tín hiệu tạp âm Khuếch đại quang bán dẫn SONET SPM SRS WDM Amplifier Synchronous Optical Networrk Self Phase Modulation Stiumulatted Raman Scattering Wavelenght Division Mạng quang đồng Hiệu ứng tự điều pha Tán xạ raman kích thích Ghép kênh quang theo bước sóng Multiplexing CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Giới thiệu thông tin quang Ngoài loại thông tin sử dụng môi trường truyền dẫn tương ứng dây dẫn không gian ( gọi thông tin hữu tuyến hay vô tuyến ) hình 1.1 có loại thông tin truyền thông qua sợi quang (được gọi thông tin quang) hình 1.2 Điều có nghĩa thông tin chuyển thành ánh sáng sau ánh sáng truyền qua sợi quang Tại nơi nhận, lại biến đổi thành thông tin ban đầu Hình 1.1: Thông tin hữu tuyến Hình 1.2: Thông tin quang 1.1.1 Sự phát triển thông tin quang Từ thời xa xưa người biết dùng ánh sáng để thông tin cho chiến tranh đời sống ( đốt lửa làm hiệu, đèn hải băng ) lúc khái niệm thông tin quang chưa hình thành Trải qua thời gian dài người sử dụng ánh sáng mặt trời lửa để làm thông tin liên lạc đến lịch sử thông tin quang qua bước phát triển hoàn thiện tóm tắt qua mốc lịch sử sau: Bảng 1.1: Lịch sử phát triển thông tin quang Mốc lịch Sự kiện sử Năm 1775 Paul Revere sử dụng ánh sáng để báo hiệu quân độianh từ Boston Năm 1790 kéo đến Claude Chappe, kỹ sư người Pháp xây dựng hệ thống điện báo Năm 1854 quang ( Optical telegraph) John Tyndall, nhà vật lý tự nhiên người anh thực thành công thí nghiệm đáng ý ánh sáng truyền qua môi Năm 1880 trường điện môi suốt Alexander Graham Bell phát minh hệ thống thông tin ánh sángPhotophone Ông sử dụng ánh sáng mặt trời từ gương phẳng mỏng để điều chế tiếng nói Ở máy thu ánh sáng mặt trời điều chế đập vào tế bào quang dẫn, selen, làm đổi điện trở cường độ dòng điện ống nghe thay đổi để thu tiếng nói Năm B.O’Brian lần sử dụng bó sợi quang để truyền hình ảnh 1950 Năm 1960 sợi quang có suy hao lớn nên không sử dụng thực tế Laser hồng ngọc đời, năm 1962 đời laser bán dẫn năm 1962 hệ thống thông tin quang đời với môi Năm 1966 trường truyền dẫn không khí Tại Standard Telecommunications Laboratories ( nước Anh) nhà nghiên cứu cho giảm tổn hao sợi xuống 20dB/km sử dụng để truyền dẫn thông tin cách khử tạp chất Năm 1970 thủy tinh Hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quang SI có suy hao nhỏ 20dB/km, λ=633nm cách mạng Năm 1972 Năm 1983 Năm 1988 công nghệ sợi quang bắt đầu Loại sợi quang GI chế tạo với suy hao ≈ 4dB/km Sợi SM ( single mode) sản xuất Mỹ Công ty NEC thiết lặp mạng đường dài tốc độ có tốc độ 10Gbit/s chiều dài 80,1Km dùng sợi dịch tán sắc Laser hồi tiếp phân bố Cho tới Sợi quang có suy hao từ 0.2dB/dB có bước sóng 1550nm đặc ngày biết có sợi có suy hao thấp giá trị nhiều Hiện nay, hoạt động nghiên cứu nghiêm chỉnh tiến hành lĩnh vực gọi photon học- lĩnh vực tối quan trọng tất hệ thống thông tin quang, có khả phát hiện, xử lý, trao đổi, truyền dẫn thông tin phương tiện ánh sáng Photon học có khả ứng dụng rỗng rãi lĩnh vực điện tử viễn thông kỷ 21 1.1.2 Cấu trúc thành phần hệ thống thông tin quang Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống thông tin quang Các thành phần tuyến truyền dẫn quang bao gồm: phần phát quang, cáp sợi quang phần thu quang, trạm lặp phần tử phụ -Phần phát quang: bao gồm nguồn quang ( Light soure) mạch điều khiển (Drive circuit) Phần tử phát xạ ánh sáng là: Diod Laser (LD), Diod phát quang (LED: Light Emitting Diode) LED dùng phù hợp cho hệ thống thông tin quang có tốc độ bit không 200Mbps sử dụng sợi đa mode LED phát xạ tự phát, ánh sáng không định hướng nên để sử dụng LED tốt hệ thống thông tin quang phải có công suất xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh LD khắc phục nhược điểm LED, thường sử dụng LD cho truyền dẫn tốc độ cao LD có nhiều ưu điểm so với LED: phổ phát xạ LD hẹp (khoảng từ đến 4nm nên giảm tán sắc chất liệu), góc phát quang hẹp (5- 100), hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi cao - Cáp sợi quang: gồm sợi dẫn quang lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên Có thể chọn loại sợi sau: sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc, sợi quang đa mode chiết suất giảm dần, sợi quang đơn mode - Phần thu quang: Bao gồm tách quang ( photo – detector) mạch khuếch đại ( Amplifer) khôi phục tín hiệu ( Signal restorer) tái tạo tín hiệu hợp thành Trong hệ thống thông tin quang, người ta quan tâm tách sóng quang diod quang PIN diod quang kiểu thác APD chế tạo từ bán dẫn Si, Ge, InP - Trạm lặp (Repeater): Bao gồm thu quang ( optical receiver), điện tử để phục hồi tái sinh khuếch đại tín hiệu điện, phát quang ( optical transmitter) Khi truyền sợi, quang công suất tín hiệu quang bị suy yếu dần Nếu cự ly thông tin dài tín hiệu quang không đến đầu thu đến đầu thu với công suất thấp đầu thu nhận biết được.lúc ta cần phải sử dụng đến trạm lặp Chức trạm thu nhận tín hiệu quang suy yếu, tái tạo chúng trở thành tín hiệu điện Sau đó, sử dụng tín hiệu điên này, khuếch đại tín hiệu điện sửa dạng, chuyển đổi tính hiệu khuếch đại thành tính hiệu quang Và cuối đưa tín hiệu quang lên đường truyền để chuyển tiếp đến đầu thu Ngoài thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang có nối quang (connector), mối nối (splice), tách ghép luồng quang( Optical coupler or beam splitter) Tất tạo nên tuyến thông tin hoàn chỉnh 1.1.3 Những ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang a Ưu điểm Thông tin sợi quang có ưu điểm vượt trội Trong phần này, em đưa ưu điểm thể tính vượt trội nó: • Băng thông khổng lồ đầy tiềm năng: tần số sóng mang quang khoảng10 13 đến 1016 Hz (thường gần vùng hồng ngoại quanh giá trị 10 14 Hz), cung cấp băng thông truyền lớn nhiều so với hệ thống cáp kim loại (băng thông cáp đồng trục khoảng 500Mhz) Hiện tại, giá trị băng thông hệ thống sợi quang chưa sử dụng hết việc vài GHz qua khoảng cách vài km hàng trăm Mhz qua khoảng cách hàng chục Km mà không cần can thiệp điện (dùng lặp) Vì thế, dung lượng mang thông tin hệ thống thông tin quang lớn nhiều so với hệ thống cáp đồng tốt Do suy hao lớn băng thông rộng, hệ thống cáp đồng trục giới hạn khoảng cách truyền với vài km băng thông 100Mhz • Sợi quang kích thước nhỏ nhẹ: sợi quang có bán kính nhỏ, thường bán kính không lớn bán kính sợi tóc người Vì thế, chí sợi quang phủ thêm lớp bảo vệ chúng nhỏ nhẹ nhiều so với cáp đồng • Sự cách li điện: sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh đôi lúc chất dẻo, chất cách điện, không giống với dây dẫn kim loại, không cho thấy trục trặc Hơn nữa, đặc tính làm cho việc truyền thông tin sợi quang trở nên phù hợp cách lí tưởng cho thông tin môi trường mạo hiểm điện • Không bị ảnh hưởng nhiễu xuyên âm: sợi quang chế tạo từ chất điện môi phi dẫn nên chúng không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ, xung điện tử, nhiễu tần số vô tuyến Vì hoạt động hệ thống thông tin quang không bị ảnh hưởng truyền qua môi trường nhiễu điện Điều có nghĩa lắp đặt cung ứng với cáp điện lực sử dụng môi trường phản ứng hạt nhân • Bảo mật thông tin: ánh sáng từ sợi quang bị xạ cách không đáng kể nên chúng có tính bảo mật tín hiệu cao Đặc tính thu hút quân đội, ngân hàng ứng dụng truyền liệu • Suy hao thấp: phát triển sợi quang qua nhiều năm đạt kết việc chế tạo sợi quang có độ suy hao thấp Sợi quang chế tạo với độ suy hao 0.2dB/km đặc tính trở thành lợi thông tin quang Điều thuận lợi cho việc đặt khuếch đại cho khoảng cách đường truyền mà không cần chuyển sang tín hiệu điện bước trung gian, giảm giá thành độ phức tạp hệ thống • Tính linh hoạt: lớp bảo vệ cần thiết, sợi quang chế tạo với sức căng cao, bán kính nhỏ Với lợi kích thước trọng lượng, sợi quang nói chung tốt việc lưu trữ, chuyên chở, xử lí lắp đặt dễ hệ thống cáp đồng •Độ tin cậy hệ thống dễ bảo dưỡng: đặc tính suy hao thấp sợi quang nên giảm yêu cầu số lặp trung gian số khuếch đại đường truyền Vì thế, với vài lặp độ tin cậy hệ thống nâng cao hẳn hệ thống dẫn điện Hơn nữa, độ tin cậy thiết bị quang không vấn đề, thiết bị quang có tuổi thọ cao, khoảng 20-30 năm • Giá thành thấp đầy tiềm năng: thủy tinh cung cấp cho thông tin quang lấy từ cát, nguồn tài nguyên khan Vì thế, sợi quang đem lại giá thành thấp Thông tin quang cho phép truyền đồng thời tín hiệu có bước sóng khác Đặc tính với khả truyền dẫn băng thông rộng sợi quang sẵn có làm cho dung lượng truyền dẫn tuyến trở nên lớn b.Nhược điểm - Vấn đề biến đổi Điện – Quang : Trước đưa tín hiệu thông tin điện vào sợi quang, tín hiệu điện phải biến đổi thành sóng ánh sáng - Dòn, dễ gãy : sợi quang sử dụng viễn thông chế tạo từ thủy tinh nên dòn dễ gãy Hơn kích thước sợi nhỏ nên việc hàn mối gặp nhiều khó khăn Mối hàn cần có thiết bị chuyên dụng - Vấn đề sửa chữa: Các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có nhóm kỹ thuật viên có kỹ tốt trang thiết bị thích hợp - Vấn đề an toàn lao động: Khi hàn mối sợi quang cần có để mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, phương tiện phát mảnh thủy tinh thể Ngoài không nhìn trực diện đầu sợi quang hay khớp nối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền sợi chiếu trực tiếp vào mắt Ánh sáng dùng hệ thống thông tin quang ánh sáng hồng ngoại, mắt người cảm nhận nên điều tiết có nguồn lượng này, gây nguy hại cho mắt.[4] 1.2 Sợi quang 1.2.1 Khái niệm sợi quang Sợi quang thành phần quan trọng của hệ thống thông tin quang Sợi quang đáp ứng yêu cầu tốc độ, độ rộng Công suất đầu khuếch đại :-18+20= dB OSNR1 OSNR tầng 42dB , = -18dB OSNRstage2 = 34dB Suy hao tầng 3: Suy hao = - 20 (suy hao đường) – (suy hao DCU) – 1.5(dự trữ) = -27,5 dB Công suất cuối tầng 3: Pin = – 27.5 = 25.5 dB Độ lợi khuếch đại tầng 20dB Công suất đầu khuếch đai -25.5+20= -5.5dB OSNR OSNR = 26 dB Trường hợp Tính toán công suất đầu ghép kênh DWDM có kênh công suất đầu vào 8dB( suy hao xen 5dB) 0dB 0dB 0dB 0dB 0dB 0dB 0dB 0dB Pđầu = PKênh +10log N – suy oxen ( N số kênh ghép) = + 10log – 5dB = dB [5] 4.4 Phân loại mạng quang Hình 8: Phân loại mạng Long Haul, lõi Metro, Access Lớp mạng truy nhập , lớp mạng lõi metro lớp cao mạng Long Haul Khách hàng doanh nghiệp thuộc lớp CPE ( customer premises equipment ) , nơi cuối khách hàng kết nối với nhà mạng cung cấp dịch vụ Bảng 4.4 Phân loại so sánh mạng quang Mạng truy Mạng lõi metro Mạng long haul Ring / Mesh Điểm điểm/Ring Phân tán/ Mesh Mesh Hub