VIENTHONG05.TK Chương 4: Hệ thống thông tin quang CHƯƠNG THÔNG TIN SI QUANG 4.1 Giới thiệu thông tin quang 4.1.1 Phạm vi mục tiêu: Thông qua chương thông tin sợi quang, sinh viên nắm bắt vấn đề sau: • • • • • Khái niệm thông tin quang Các định nghóa liên quang đến sợi quang Các kỹ thuật ghép kênh quang Mạng thông tin quang cấu trúc mạng quang ứng dụng thực tiễn Các chức can thiế quản lý mạng quang 4.1.2 Khái niệm chung Vào năm 1960, việc phát minh Laser để làm nguồn phát quang mở thời kỳ có ý nghóa to lớn lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng Theo lý thuyết cho phép người thực thông tin với lượng ghép kênh lớn vượt gấp nhiều lần hệ thống vi ba có Hàng loạt thực nghiệm thông tin bầu khí tiến hành sau Một số kết ban đầu thu tiếc chi phí cho công việc tốn kém, kinh phí tập trung cho vịêc sản xuất thành phần thiết bị để vượt qua cản trở điều kiện thời tiết (sương mù, tuyết, bụi…v.v.) gây số khổng lồ Chính vậy, chưa thu hút ý mạng lưới Một hướng nguyên cứu khác thời gian tạo hệ thống truyền tin đáng tin cậy hướng thông tin qua khí phát minh sợi dẫn quang Các sợi dẫn quang lần chế tạo có suy hao lớn (tới khoảng 1000dB/km), tạo mô hình hệ thống có xu hướng linh hoạt hơn.Tiếp sau đó, năm 1996 Kao, Hockman Werts nhận thấy suy hao sợi dẫn quang chủ yếu tạp chất có vật liệu chế tạo gây Họ nhận định làm giảm suy hao sợi quang chắn tồn điểm dải bước sóng truyền dẫn quang có suy hao nhỏ Những nhận định sáng tỏ Kapron, Keck Maurer chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20dB/km Corning Glass vào năm 1970 Suy hao nhỏ nhiều so với thời điểm đầu chế tạo sợi cho phép tạo cự ly truyền dẫn tương đương với hệ thống truyền dẫn cáp đồng Với cố gắng không ngừng nhà nguyên cứu, sợi dẫn quang có suy hao nhỏ đời Cho tới đầu năm 1980, hệ thống thông tin sợi dẫn quang phổ biến rộng với vùng bước sóng làm việc 1300nm Cho tới nay, sợi dẫn quang đạt tới mức suy hao nhỏ, giá trị suy hao 0,154dB/km bước sóng 1550nm cho thấy phát triển mạnh mẽ công nghệ sợi quang hai thập niên qua Giá trị suy hao gần đạt tới tính toán lý thuyết cho quang, sợi dẫn quang tạo hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hẳn so với hệ thống thông tin cáp kim loại: • Suy hao truyền dẫn nhỏ • Có kích thước trọng lượng nhỏ • Băng tần truyền dẫn lớn • Sợi có tính cách điện tốt • Không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ • Tin cậy linh hoạt • Có tính bảo mật tín hiệu thông tin • Sợi chế tạo từ vật liệu sẳn có Chương 4: Hệ thống thông tin quang Do có ưu điểm mà hệ thống thông tin quang áp dụng rộng rãi mạng lưới Chúng xây dựng làm tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài việc truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt đáp ứng môi trường lắp đặt từ nhà, cấu hình thiết bị xuyên lục địa, vượt đại dương vv… Các hệ thống thông tin quang phù hợp cho hệ thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dạng ghép kênh nào, tiêu chuẩn Bắc Mỹ, Châu u hay Nhật Bản, xem bảng 4.1 Bảng 4-1 Tốc độ truyền dẫn tiêu chuẩn Bắc Mỹ, Châu Âu Nhật Bản Phân cấp Khối Bắc Mỹ Tốc độ bit Số Mbit/s thoại 1,544 24 6,312 96 44,736 672 274,176 4032 - Khoái Châu Âu kênh Tốc độ bit Mbit/s 2,048 8,448 34,368 139,264 565,148 Số thoại 30 120 480 1920 7680 Nhật Bản kênh Tốc độ bit Mbit/s 1,544 6,312 32,064 97,728 396,200 Số kênh thoại 24 96 480 1440 5760 Ngoài tốc độ trên, có tiêu chuẩn phát triển gọi SDH (Synchronous Digital Hierarchy), tốc độ truyền dẫn có khác chút ít, xác định cấu trúc khung đồng để gửi lưu lượng ghép kênh số sợi quang Khối cấu trúc mức phân cấp tín hiệu SDH gọi “tín hiệu truyền đồng cấp 1” STM-1 (Synchronous Transport Module) có tốc độ 155Mbit/s Các tìn hiệu SDH cấp cao tín hiệu STM-N Tín hiệu STM-N có tốc độ truyền gấp N lần tín hiệu STM-1 Hình 4.1 ghép kênh từ PDH thành SDH theo chuẩn ITU-T: STM-N C-4 139 264 kbit/s (Note) C-3 44 736 kbit/s 34 368 kbit/s (Note) VC-2 C-2 6312 kbit/s (Note) TU-12 VC-12 C-12 2048 kbit/s (Note) TU-11 VC-11 C-11 1544 kbit/s (Note) ×1 ×N AU-4 AUG VC-4 ×3 AU-3 ×1 VC-3 TU-3 TUG-3 ×3 VC-3 ×7 ×7 ×1 TUG-2 AU-4 TU-2 ×3 Pointer processing Multiplexing ×4 Aligning Mapping T1517950-95 C-n Container-n NOTE – G.702 tributaries associated with containers C-x are shown Other signals, e.g ATM, can also be accommodated (see 10.2) Hình 4.1 Ghép PDH lên SDH theo ITU-T Hiện hệ thống quang thông tin quang ứng dụng rộng rãi giới, chúng đáp ứng tín hiệu tương tự (anolog) số (digital), chúng cho phép truyền dẫn tất tín hiệu dịch vụ băng hẹp băng rộng, đáp ứng đầy đủ yêu cầu mạng số hoá liên kết đa dịch vụ (ISDN), ADSL Số lượng cáp quang lắp đặt giới với số lượng lớn, đủ tốc độ truyền dẫn với cự ly khác nhau, cấu trúc mạng đa dạng Nhiều nước lấy cáp quang môi trường truyền dẫn mạng lưới viễn thông VIENTHONG05.TK Chương 4: Hệ thống thông tin quang họ Các hệ thống thông tin quang mũi đột phá tốc độ, cự ly truyền dẫn cấu hình linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao Hình 4.2 phân cấp tín hiệu SDH 4.1.3 Cấu trúc thành phần tuyến truyền dẫn quang Quan niệm hệ thống thông tin quang ngày không hệ thống thông tin nữa, trải qua nhiều năm khai thác mạng lưới cấu trúc truyền khác Nhìn chung, hệ thống thông tin quang thường phù hợp cho việc truyền dẫn tín hiệu số hầu hết trình phát triển hệ thoống thông tin quang theo hướng Theo quan niệm thống vậy, ta xem xét cấu trúc tuyến thông tin quang bao gồm thành phần hình H4.3 đây: Tín hiệu điện vào Bộ phát quang Mạch điều khiển Bộ nối quang Mối nối quang Nguồn phát quang Sợi dẫn quang Trạmlặp Thu quang Các thiết bị khác Mạch điện Phát quang Khuếch đại quang Bộ thu quang Đầu thu quang Chuyển đổi tín hiệu Khuếch đại Hình 4.3 Cacù thành phần tuyến truyền dẫn quang Các thành phần tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang, phần thu quang Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang mạch điện điều khiển liên kết với Cáp sợi quang gồm có sợi dẫn quang lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ lhỏi tác động có hại từ môi trường bên Phần thu quang tách sóng quang mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Ngoài thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang có nối quang-connector, mối hàn, nối quang, chia quang trạm lặp; tất tạo nên tuyến thông tin quang hoàn chỉnh Chương 4: Hệ thống thông tin quang Tương tự cáp đồng, cáp sợi quang khai thác với nhiều điều kiện lắp đặt khác Chúng treo trời, chôn trực tiếp đất, kéo cống, đặt biển Tuỳthuộc vào điều kiện lắp đặt khác mà độ dài chế tạo cáp khác nhau, dài từ vài trăm mét tới vài kilomet Tuy nhiên thi công, kích cỡ cáp phụ thuộc điều kiện cụ thể, chẳng hạn cáp kéo cống cho phép dài được, cáp có độ dài lớn thường dùng cho treo chôn trực tiếp Các mối hàn kết nối độ dài cáp thành độ dài tổng cộng tuyến lắp đặt Tham số quan trọng cáp sợi quang tham gia định độ dài tuyến suy hao sợi quang theo bước sóng Đặc tuyến suy hao sợi quang theo bước sóng tồn ba vùng mà có suy hao thấp vùng có bước sóng 850nm, 1300nm, 1500nm Thời kỳ đầu thông tin quang, bước sóng 850nm sử dụng Nhưng sau công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao vùng bước sóng 1300nm, 1500nm nhỏ hệ thống thông tin ngày phát triển mạnh, suy hao sợi hai bước sóng 1300nm, 1500nm Nguồn phát quang thiết bị phát sử dụng diot phát quang LED Laser bán dẫn (LD) Tín hiệu điện đầu vào thiết bị phát dạng số dạng tương tự Thiết bị phát thực biến đổi tín hiệu thành tín hiệu quang tương ứng công suất quang đầu phụ thuộc vào thay đỏi dòng điều biến cường độ ánh sáng Tín hiệu sáng điều chế nguồn phát quang lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang, Khi truyền sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao méo yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên Bộ tách sóng quang phần thu thực tiếp nhận ánh sáng tách lấy tín hiệu từ hướng phát tới Tin hiệu quang biến đổi thành tín hiệu điện Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tới cự ly đó, tín hiệu quang sợi bị suy hao nhiều cần thiết phải có trạm lặp đặt tuyến Cấu trúc tạm lặp quang gồm có thiết bị phát va thiết bị ghép quay phần điện vào Thiết bị thu trạm lặp thu tín quang yếu tín hiệu quang yếu tiến hành biến đổi tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng đưa vào thiết bị phát quang Thiết bị quang thực biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang lại phát tiếp vào đường truyền 4.2 Lý thuyết chung sợi quang 4.2.1 Cấu trúc cáp quang 4.2.1.1 Sợi đa mode đơn mode Một mode sóng trạng thái truyền ổn định ánh sáng sợi Khi truyền sợi ánh sáng theo nhiều đường, trạng thái ổn định đường gọi mode Có thể hình dung gần mode ứng với tia sáng Sợi truyền nhiều mode gọi đa mode sợi truyền mode sợi đơn mode Số mode truyền sợi phụ thuộc vào thông số sợi, thừa số V: V=2π a NA=K.a.NA λ Trong đó: a: bán kính lõi sợi K=2π/λ : thừa số sóng λ : bước sóng NA: độ sóng VIENTHONG05.TK Chương 4: Hệ thống thông tin quang Motä cách tổng quát, số mode N truyền sợi tính gần sau: V2 N ~ Trong đó: V: thừa số V g x g+2 g: số mũ hàm chiết suất Sợi đa mode: Sợi đa mode có đường kính lõi độ số lớn nên thừa số V số mode N lớn Các thông số loại sợi đa mode thông dụng (50/125μm) là: • Đường kính lõi: d=2a=50 μm • Đường kính lớp bọc: D=2b=125 μm • Khẩu độ số: NA= • Chiết suất nhảy bậc g-> Số mode truyền sợi chiết suất nhảy bậc (SI)với g-> N=V2/2 Với sợi chiết suất giảm dần (GI) có g=2 số mode: N=V2/4 Hình 4.4 Các mode quang Sợi đơn mode: Khi giảm kích thước lõi sợi để có mode sóng truyền sợi sợi gọi đơn mode Trên lý thuyết, sợi làm việc chế độ đơn mode thừa sốV, Vc1=2,405 Vì có mode sóng truyền sợi nên độ tán sắc nhiều đường truyền không đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc (SI) với g-> Các thông số loại sợi đơn mode thông dụng là: • Đường kính lõi: d=2a=9m ữ10m ã ẹửụứng kớnh lụựp boùc: D=2b=125 m ã Khẩu độ số: NA= Độ tán sắc sợi đơn mode nhỏ nhiều so với đa mode, đặc biệt bước sóng =1300nm độ tán sắc sợi đa mode thấp (~0) Do dải thông đơn mode rộng Song kích thước lõi sợi đơn mode nhỏ nên đòi hỏi kích thước linh kiện quang Chương 4: Hệ thống thông tin quang phải tương đương thiết bị hàn nối sợi quang phải có độ xác cao Các yêu cầu ngày đáp ứng sợi đơn mode dùng phổ biến 4.2.2 Cấu trúc cáp quang 4.2.2.1 Cấu trúc sợi quang Thành phần sợi quang gồm lõi (core) lớp bọc (cladding) Trong viễn thông dùng loại sợi có hai lớp thuỷ tinh Lõi để dẫn ánh sáng lớp bọc để giữ ánh sáng tậo trung lõi nhờ phản xạ toàn phần lõi lớp bọc Để bảo vệ sợi quang, tránh nhiễu tác dụng điều kiện bên sợi quang bọc thêm vài lớp nữa: • Lớp phủ hay lớp vỏ thứ (primary coating): o Chống lại thâm nhập nước o Tránh trầy sướt gây nên vết nứt o Giảm ảnh hưởng uốc cong • Lớp vỏ thứ hai (secondary coating) o Tăng cường sức chịu đựng sợi quang trước tác dụng học o Tăng cường sức chịu đựng sợi quang trước tác dụng thay đổi nhiệt độ Hình 4.5 Cấu trúc sợi quang: 4.2.2.2 Cấu trúc cáp quang: Cấu trúc cáp phải thoả yêu cầu bảo vệ sợi quang trước tác dụng học điều kiện bên trình thi công lắp đặt trình sử dụng lâu dài Các lực học làm đứt sợi quang tức khắc làm tăng suy hao làm giảm tuổi thọ sợi quang Cáp quang chế tạo phù hợp với mục đích sử dụng viễn thông, bao gồm: cáp treo, cáp chôn, cáp thả cống, cáp thả biển, cáp nhà Mỗi loại có vài chi tiết đặc biệt cấu trúc chung cáp Cấu trúc tổng quát cáp quang bao gồm: Vỏ cáp (nhựa PE) Thành phần chịu lực Lớp đệm (nhựa PE) Băng quấn Plastic Thành phần chịu lực trung tâm Ống đệm lỏng Sợi quang Hình 4.6 cấu trúc tổng quát cáp quang VIENTHONG05.TK Chương 4: Hệ thống thông tin quang • • • • • Sợi quang: sợi quang bọc lớp phủ lớp vỏ xếp theo thứ tự định Thành phần chịu lực: bao gồm thành phần chịu lực trung tâm thành phần chịu lực bao bên Chất nhồi: làm đầy ruột cáp Vỏ cáp: để bảo vệ ruột cáp Lớp gia cường: để bảo vệ sợi cáp điều kiện khắc nghiệt Theo mục đích sử dụng chia cáp quang thành loại: • Cáp trời: cáp treo, cáp chôn trực tiếp cáp kéo cống Cáp trời thường có vỏ nhựa PE màu đen Sợi quang cáp đặt ống đệm lỏng, ống đệm lỏng chứa sợi quang hay nhiều sợi quang tuỳ theo số lượng sợi quang cáp Cáp trời bình thường không cần lớp gia cường, cần lớp kim loại (thường nhôm) bọc ruột cáp Vỏ cáp (nhựa PE) Thành phần chịu lực Chất nhồi Thành phần trung tâm chất điện môi Ống đệm lỏng Sợi quang Vỏ cáp (nhựa PE) Thành phần chịu lực Chất nhồi a) Thành phần trung tâm chất điện môi Băng nhồi lõi cáp 10 Sợi quang ống đện lỏng Lớp nhôm chống ẩm b) Hình 4.7 Cáp trời a) ng đệm lỏng chứa sợi quang- thành phàn kim loại b) ng đệm lỏng chứa nhiều sợi quang • Cáp nhà: Cáp nhà trời khác cấu trúc vật liệu làm lớp vỏ sợi quang bên phải có đặc tính truyền dẫn giống Cáp nhà có vỏ PVC, vật liệu khó cháy, nhộm màu (thường màu xám) không cần ngăn xạ cáp trời Tuỳ theo mục đích sử dụng, số lượng cáp quang torng nhà từ đến vài chục sợi Trong loại sợi dùng nhiều để làm cáp phân phối, cáp nhảy Vỏ cáp PVC Thành phần chịu lực Thành phần trung tâm Ống đệm lỏng Sợi quang có vỏ đệm khít Hình 4.8 Cáp quang thông dụng nhà Chương 4: Hệ thống thông tin quang • Cáp đặc biệt: Bao gồm loại cáp quang dùng môi trường đặc biệt như: cáp quang dùng dây điện lực, cáp quang dùng để lắp đặt tàu biển, máy bay, cáp quang thả sông, biển v v Trong môi trường cụ thể, cáp quang chế tạo với đặc điểm khác để thích hợp với điều kiện môi trường như: không chứa thành phần kim loại, cực nhẹ, kết cấu học chắn, chịu rung động học, chịu nhiệt độ cao, khả ngăn ẩm tốt Hình 4.9 Cáp quang thả biển 4.2.3 Thông số sợi quang Công suất quang truyền sợi giảm dần theo cự ly với quy luật hàm số mũ tương tự tín hiệu điện Biểu thức tổng quát hàm số truyền công suất có dạng: P(z)=P(0)x10-αz/10 Trong đó: P(0): công suất đầu sợi (z=0) • P(z): công suất cự ly z tính từ đầu sợi α: hệ số suy hao P1=P(0) P2=P(L) z L Hình 4.10 Công suất truyền sợi quang Độ suy hao sợi tính bởi: A(dB)=10lg P1 P2 Trong đó: P1=P(0): công suất đưa vào đầu sợi P2=P(L): công suất cuối sợi 4.2.3.1 Các nguyên nhân gây suy hao quang: Công suất quang truyền sợi bị thất thu hấp thụ vật liệu, tán xạ ánh sáng khúc xạ qua chổ bị uốn cong Suy hao hấp thu: • • Sự hấp thụ tạp chất kim loại: tạp chất kim loại thuỷ tinh nguồn hấp thụ lượng ánh sáng Các tạp chất thường gặp Sắt (Fe), Đồng (Cu), Mangan (Mn) Mức độ hấp thụ loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất bước sóng truyền qua Sự hấp thụ ion OH: Sự có mặt ion OH sợi quang tạo độ suy hao hấp thụ đáng kể VIENTHONG05.TK Chương 4: Hệ thống thông tin quang • Sự hấp thụ cực tím hồng ngoại: sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh có độ tinh khiết cao hấp thụ xảy Bản thân thuỷ tinh khiết hấp thụ ánh sáng vùng cực tím vùng hồng ngoại Sự hấp thụ vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng bước dài thông tin quang Suy hao tán xạ: • • Tán xạ Rayleigh: sóng điện từ truyền môi trường điện gặp chỗ không đồng xảy tượng tán xạ Những chỗ không đồng sợi quang cách xếp phân tử thuỷ tinh, khuyết tật bọt không khí, vết nứt,…Khi kích thước vùng không đồng vào khoảng phần mười bước sóng chúng trở thành nguồn điểm để tán xạ Các tia sáng truyền qua chỗ không đồng toả nhiều hướng Chỉ phần lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ; phần lại truyền theo hướng khác, chí truyền ngược phía nguồn quang Ở bước sóng 850nm suy hao tán xa Rayleigh sợi silica khoảng đến 2dB/km bước sóng 1300nm suy hao khoảng 0,3dB/km Ở bước sóng 1500nm suy hao thấp Tán xạ mặt phân cách lõi lớp bọc không hoàn hảo: tia sáng truyền đến chỗ không hoàn hảo lõi lớp bọc tia sáng bị tán xạ Lúc tia tới có nhiều tia phản xạ với góc tới hạn khúc xạ lớp bọc bị suy hao dần Suy hao sợi bị uốn cong: • • Vi uốn cong: sợi quang bị chèn ép tạo nên chỗ uốn cong nhỏ suy hao sợi tăng lên Sự suy hao xuất tia sáng bị lệnh trục qua chỗ vi uốn cong Một cách xác hơn, phân bố trường bị xáo trộn qua chỗ vi uốn cong dẫn tới phát xạ lượng khỏi lõi sợi Uốn cong: sợi uốn cong với bán kính uốn cong nhỏ suy hao tăng Dó nhiên tránh việc uốn cong sợi quang trình chế tạo lắp đặt Song giữ cho bán kính uốn cong lớn bán kính tối thiểu cho phép suy hao uốn cong không đáng kể Bán kính tối thiểu nhà sản xuất đề nghị, thông thường 30mm đến 50mm 4.2.3.2 Tán sắc: Tương tự tín hiệu điện, tín hiệu quang truyền qua sợi quang bị biến dạng Hiện tượng gọi tán sắc Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệu analog làm xung bị chồng lấp tín hiệu digital Sự tán sắc làm hạn chế dải thông đường truyền dẫn quang Các nguyên nhân gây tán sắc: Tán sắc mode (modal dispersion): lượng ánh sáng phân tán thành nhiều mode Mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nên thời gian truyền khác • Tán sắc thể (chromatic disperation): tín hiệu quang truyền sợi đơn sắc mà gồm khoảng bước sóng định Mỗi bước sóng lại có vận tốc truyền khác nên thời gian truyền khác Tán sắc thể bao gồm tán sắc chất liệu tán sắc dẫn sóng Sợi quang đa mode có đầy đủ thành phần tán sắc Sợi quang đơn mode có tán sắc thể • Chương 4: Hệ thống thông tin quang 4.3 Kỹ thuật ghép kênh quang Mục tiêu ghép kênh quang nhằm tạo tăng dung lượng lênh truyền dẫn Ngoài ý nghóa việc ghép kênh quang tạo khả xây dựng tuyến thông tin quang có tốc độ cao Trong phần này, ta khảo sát ba kỹ thuật ghép kênh ghép bước sóng quang (WDMWavelength Division Multiplexing), ghép phân không gian SDM (Space Devision Multiplexing), ghép kênh quang theo thời gian (OTDM-Optical Time division Multiplexing) • Truyền dẫn ghép phân không gian SDM (Space Devision Multiplexing): đơn giản không gian không can phát triển công nghệ, đơn tăng số lượng sợi quang, tốc độ truyền dẫn giữ nguyên Ta chọn SDM tuyến truyền dẫn can tăng băng thông có sẵn số lượng sợi quang chưa dùng khoảng cách tuyến truyền dẫn đủ ngắn để không can dùng lặp Nếu khoảng cách xa, chi phí tăng hệ thống lắp thêm cần số lượng lặp, khuếch đại….như hệ thống cũ • Truyền dẫn ghép phân thời gian TDM (Time Devision Multiplexing): tăng tốc độ truyền dẫn lên sợi quang Khi tiếp tục dùng phương thức truyền thông này, phải xem xét đến vấn đề: trước truyền sợi quang Trước chuyển thành tín hiệu quang để truyền đi, linh kiện điện tử có khả xử lý với tốc độ tối đa bao nhiêu? Thực tế cho thấy, đa số mạng truyền dẫn, linh kiện điện tử có khả đáp ứng tốt dòng tín hiệu tốc độ 2,5Gbps 10Gbps Như chưa giải trọn vẹn toán tăng băng thông Trong phòng thí nghiệm cho linh kiện hoạt động tốc độ 40 Gpbs 80Gpbs Để TDM đạt tốc độ cao hơn, phương pháp thực tách/ghép kênh miền quang, gọi phân kênh thời gian miền quang (Optical Time Devision Multiplexing-OTDM) tích cực triển khai Các kết nghiên cứu phòng thí nghiệm cho thấy OTDM ghép luồng 10Gbit/s thành luồng 250Gbit/s Nhưng đó, truyền sợi quang vấp phải cáv vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn: tán sắc,….Tóm lại giải pháp truyền dẫn cho tương lai • Truyền dẫn ghép phân bước sóng WDM (Wave Devision Multiplexing): ghép thêm nhiều bước sóng để truyền sợi quang, không cần tăng tốc độ truyền dẫn bước sóng Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác tổ hợp phân giải (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc đưa vào đầu cuối khác Nguyên lý ghép bước sóng quang minh hoạ sau: Truyền tín hiệu sợi quang Tx1(λ1) Tx2(λ2) MUX Phát tín hiệu DE MUX EDFA Khuếch đai tín hiệu Txn(λn) Rx1(λ1) EDFA Khuếch đai tín hiệu Ghép tín hiệu EDFA: Eribium Doped Fiber Amplifier Rxn(λn) Tách tín hiệu MUX: Muxtiplexer Hình 4.11 Sơ đồ chức hệ thống WDM 10 Rx2(λ2) Thu tín hiệu VIENTHONG05.TK Chương 4: Hệ thống thông tin quang Như minh hoạ hình, để đảm bảo việc truyền nhận bước sóng sợi quang, hệ thống WDM phải thực chức sau: • Phát tín hiệu: hệ thống WDM, nguồn phát quang dùng Laser Hiện có số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser)…Yêu cầu nguồn phát laser phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức công suất phát đỉnh, bùc sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng phải nằm giới hạn cho phép • Ghép/tách tín hiệu: ghép tín hiệu WDM kết hợp số nguồn sáng khác thành luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM phân chia luồng ánh sáng tổng hợp thành tín hiệu ánh sáng riêng rẽ cổng đầu tách Hiện có tách/ghép tín hiệu WDM như: lọc màng mỏng điện môi, cách tử ragg sợi: cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG,…khi xét đến tách/ghép kênh bước sóng, bướng sóng trung tâm kênh, mức xuyên âm kênh, tính đồng kênh, suy hao,… • Truyền dẫn tín hiệu: trình truyền dẫn tín hiệu sợi quang, chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc… Mỗi vấn đề kể phụ thuộc nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi…) • Khuếch đại tín hiệu: hệ thống WDM chủ yếu sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA Có chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường tiền khuếch đại Khi dùng khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo yêu cầu sau: o Độ khuếch đại đồng tất kênh bước sóng (mức chênh leach không 1dB) o Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không gay ảnh hưởng đến mức công suất đầu kênh o Có khả phát chênh leach mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại phẳng tất cá kênh • Thu tín hiệu: thu tín hiệu hệ thống WDM sử dụng tách sóng quang hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD Công nghệ WDM mang đến giải pháp hoàn toàn thiện điều kiện công nghệ Thứ giữ tốc độ xử lý linh kiện điện tử mức 10Gpbs, bảo đảm thích hợp với quang Thay vào đó, công nghệ WDM tăng băng thông cách tận dụng cửa sổ làm việc sợi quang khoảng bước sóng 1260nm đến 1675nm Khoảng bước sóng đựoc chia làm nhiều băng sóng hoạt động bảng 4.2 Thoạt tiên, hệ thống WDM hoạt động băng C (do EDFA hoạt động khoảng băng sóng này) Về sau, EDFA có khả băng C băng L Nếu theo chuẩn ITU-T, xét khoảng kênh bước sóng 100Ghz (đảm bảo khả chống xuyên nhiễu kênh điều kiện công nghệ công nghệ tại), có 32 kênh bước sóng hoạt động băng Như vậy, giữ nguyên tốc độ bit kênh truyền, dùng công nghệ WDM đủ làm tăng băng thông truyền sợi quang lên 64 lần 11 Chương 4: Hệ thống thông tin quang Bảng 4.2 Sự phân chia băng sóng Băng sóng Băng O Băng E Băng S Băng C Mô tả Original Extended Short Conventional Phạm vi bước sógn (nm) 1260đến 1360 1360 đến 1460 1460 đến 1530 1530 đến 1565 Băng L Băng U Long Ultra-long 1565 đến 1625 1625 đến 1675 4.4 Mạng thông tin quang 4.4.1 Phân lớp mạng quang Cấu trúc mạng viễn thông đại không ngừng phát triển.Những yếu tố ứng dụng cách truyền tải thông tin…khiến cho cấu trúc mạng luôn thay đổi Tuy nhiên, ta khảo sát mạng cách tổng quát dựa yếu tố bản: công nghệ truyền dẫn, khoảng cách, ứng dụng…Như nhìn từ góc độ vật lý, kiến trúc mạng phân làm lớp hình: • Mạng đường dài: mạng truyền dẫn đường dài (long-haul network) phần lõi toàn thể kiến trúc mạng, kết nối nhiều mạng đô thị MAN lại với Ứng dụng mạng truyền tải Do vậy, vấn đề quan tâm mạng đường dài băng thông • Mạng đô thị MAN (Metropolitan Area Network): đóng vai trò chuyển tiếp mạng đường dài mạng truy nhập Nó có nhiều tính giống mạng truy nhập (tính đa dạng tốc độ kênh truyền) Để đảm bảo chức chuyển tiếp, mạng MAN phải có khả đáp ứng nhu cầu tăng băng thông truyền dẫn mạng đường dài, mặt khác, đáp ứng đòi hỏi yêu cầu gia tăng số lượng kết nối kỹ thuật truy nhập không ngừng mạng truy nhập • Mạng truy nhập: mạng truy nhập (access network) đứng phía khách hàng nằm biên mạng đô thị MAN Nó đặc trưng tính đa dạng giao thức, kiến trúc mạng tải rộng nhiều tốc độ truyền dẫn khác Hình 4.12 Toàn thể kiến trúc mạng 12 VIENTHONG05.TK Chương 4: Hệ thống thông tin quang 4.4.2 Các cấu trúc mạng quang: • Bus sợi quang: cấu hình mạng bus xâydựng cáp đồng Cấu trúc có ưu điểm tạo truyền dẫn hoàn toàn thụ động dễ dàng tạo nhánh đường cáp mà không gây xáo trộn cấu gián đoạn việc thác mạng Nhưng phát triển cấu trúc bus cáp quang khó thực hiện; lý chỗ việc truyền hai hướng nhánh khó thực hiện, tín hiệu vào đøng dẫn thuận lợi cáp đồng Cấu trúc bus mô tả hình 4.13: Thiết bị đầu xa Thiết bị đầu xa Cáp sợi quang Tổng đài Thiết bị đầu xa Hình 4.13 Cấu trúc Bus sợi quang Trong cấu trúc bus có đường truyền dẫnt tổng đài nội hạt tới thiết bị đầu xa RT RU (Remote Terminal Remote Unit) Như cấu trúc hình bus sử dụng chung thiết bị mạng, nhiên tính bảo mật thông tin Cấu hình phù hợp với việc phân bố dịch vụ thuê bao nhận chung tín hiệu • Cấu trúc hình sao: cấu trúc hình sao, tất nút mạng nối điểm gọi nút trung tâm Nút trung tâm trạm chứa thiết bị tích cực thụ động Môi trường turyền dẫn đối cấu hình đôi day kim loại, cáp đồng trục sợi quang Cấu hình cấu hình đơn cấu hình kép: RDU Tổng đài Thuê bao Tổng đài RDU b) a) Hình 4.14 Các cấu trúc hình Ở cấu hình đơn, từ nút trung tâm turyền tín hiệu thẳng tới thuê bao, cấu hình đơn giản, cho phép thực turyền dung lượng kênh, thiết bị mạng không phức tạp chúng tách rời nhau, thuận lợi cho việc bảo dưỡng khai thác Tuy nhiên, cấu trúc hình đơn lại sử dụng nhiều cáp, cáp sợi quang lại không tận dụng có hiệu băng tần (vì băng tần sợi quang lớn), điều dẫn tới tốn chi phí đầu tư Cấu hình mang lại hiệu kinh tế cao giá thành cáp thấp Đối với cấu trúc hình kép, nút trung tâm tổng đài có thiết bị đầu xa Đối với cấu trúc hình kép, nút trung tâm tổng đài cón có thiết bị đầu xa Từ nút trung tâm tới thiết bị đầu xa có cấu trúc hình sao,và từ nút đầu xa tới thuê bao có cấu trúc hình sao, tạo thành hình kép Cấu trúc hình kép cho phép sử dụng có hiệu cáp 13 Chương 4: Hệ thống thông tin quang nhánh sử dụng cho nhiều cho nhiều thuê bao Đây cấu trúc hấp dẫn để đảm bảo kết hợp dịch vụ chuyển mạch dịch vụ phân bố Bên cạnh ưu điểm sử dụng sợi quang, có nhược điểm sử dụng thiết bị đầu xa mà đòi hỏi thêm chi phí lắp đặt bảo dưỡng thiết bị, cấu hình phức tạp làm giảm độ tin cậy, khó phát triển dịch vụ băng rộng Các cấu trúc hình áp dụng linh hoạt kết hợp sử dụng cáp đồng cáp sợi quang Có thể thực cấu trúc hình nhờ giao diện mạng quang (ONI-Optical Network Interfaces) đặt bể cáp mạng thực tế Cấu hình kết hợp vừa linh hoạt, vừa sử dụng cách có hiệu băng tần loại cáp đặt Hình 4.15 ví dụ cấu trúc hình lép sử dụng phần tử ghép thụ động gọi mạng thụ động (PON-Passive Optical Network) Theo cấu trúc này, luồng tín hiệu 2Mbit/s từ tổng đài đưa đến thiết bị ghép kênh tạo luồng có tốc độ cao chẳng hạn 34Mbit/s Laser LD thiết bị phát quang thực biến đổi điện-quang để chuyển luồng tín hiệu điện thành tín hiệu quang đường truyền, Bộ chia quang thụ động chia tín hiệu thành tín hiệu nhánh.Như cửa chia quang, tín hiệu quang đưa vào sợi để tới bể cáp Tín hiệu từ thuê bao truyền jvề phía tổng đài truyền sợi quang nhờ ghép bước sóng quang, lúc chia lại làmviệc chức ghép (coupler) để kết hợp tín hiệu từ bể cáp đưa tới Tủ cáp Sơi cáp quang LD Tổng đài Bộ chia quang Thueâ Bao MUX PIN Card Card Thueâ bao Thuê bao Tủ cáp Hình 4.15 Cấu trúc kết hợp cáp quang cáp đồng • Cấu hình ring: cấu hình ring cấu hình sử dụng hiệu va øphù hợp với tính chất bảo đảm thông tin mạng viễn thông Trong cấu hình ring, nút mạng liền nối vói tuyến điểm-điểm tất nút nối với tạo thành vòng ghép kín Thông tin dạng gói liệu (tín hiệu mang thông tin bit địa chỉ) gửi từ nút sang nút theo vòng ring, với môi trường truyền dẫn đôi dây, cáp đồng trục cáp sợi quang Hình 4.16 Cấu trúc Ring 14 VIENTHONG05.TK Chương 4: Hệ thống thông tin quang Khi thực xây dựng mạng cấu hình ring cần phải xem xét kỹ chi tiết có liên quan Trước hết phải đưa toàn nút vào ring Khi thêm nút mới, đường truyền dẫn phải đặt nút hai nút kế bên Như khó lắp đặt trước đường cáp cho trạm dự đoán sử dụng tương lai Hơn nữa,bất kỳ đoạn cáp đứt, trạm hỏng lắp đặt trạm làm gián đoạn thông tin mạng Trước tình hình này, người ta sử dụng kỹ thuật để khắc phục cố gián đoạn thông tin tuyến Các biện pháp kỹ thuật vòng nối mạch “loopback” sử dụng để kết nối với cáp khác Các kỹ thuật phù hợp cấu trúc ring sử dụng truyền dẫn phân cấp số đồng SDH (Synchronous Digital Hierachy) 4.5 Quản lý điều khiển mạng quang: 4.5.1 Các phần tử mạng quang: Trong phần ta khảo sát cấu tạo chức phần tử nút mạng hệ thống quang Mạng gồm: • Bộ đầu cuối quang LT (Line Terminal) • Bộ ghép tách/ghép OADM (Add/drop Multiplexer) • Bộ kết nối chéo CC (Crossconnect) • Bộ khuếch đại quang LA (Line Amplifier) Trong thông thường kết hợp chức khuếch đại chung với CC, LT ADM để bù suy hao CC Trunk Exchange 1,6 Other carrier Core Router WDM / SDH OXC 10 CC CC 10 Gb/s SDH-ring ADM WDM/SDH ADM 25 Local Exchange SDH-ring Po 2,5 Gb/s 155Mb/s 45Mb/s Corporate Campus Hình 4.17 Các thành phần mạng quang thực tế 15 622Mb/s Chương 4: Hệ thống thông tin quang Bộ đầu ghép cuối LT (Line Terminal): LT thiết bị đơn giản mạng truyền dẫn LT có mô hình điểm-điểm, thực ghép tín hiệu đầu phát truyền sợi quang, tách đầu thu chuyển tín hiệu thành phần đến phía đầu cuối khách hàng Bộ chuyển đội tín hiệu thực chuyển tín hiệu đến từ mạng khách hàng với tốc độ, bước sóng giao thức khác sang thành tín hiệu chuẩn SDH theo chuẩn ITU-T Với tín hiệu khác nhau, chuyển đổi cung cấp giao tiếp khác Hình 4.18 Sơ đồ ứng dụng ghép đầu cuối Bộ tách/ghép kênh ADM: Các tách ghép kênh thường đïc dùng mạng quang đô thị mạng quang đường dài cho hiệu kinh tế cao, đặc biệt cấu trúc vòng chuỗi nhằm dễ dàng truy xuất luồng số PDH SDH Chức tách/ghép cấu hình để tách/ghép số luồng PDH/SDH, số kênh bước sóng, luồng lại cấu hình cho xuyên qua Hình 4.19 Sơ đồ ứng dụng tách/ ghép kênh Bộ ghép kênh Cross-connect: Bộ ghép kênh dùng nút mạng nhỏ với kết nối luồng số- luồng số, cho vài kết nối mạng vòng SDH Hình 4.20 Sơ đồ ứng dụng ghép kênh 16 VIENTHONG05.TK Chương 4: Hệ thống thông tin quang 4.5.2 Các chức quản lý mạng: Quản lý mạng thành phần quan trọng mạng viễn thông Chí phí cho vận hành quản lý mạng lớn thường xuyên nhiều vượt trội chi phí triển khai thiết bị mạng ban đầu Do vậy, bên cạnh mối quan tâm chi phí triển khai thiết bị mạng ban đầu, nhà cung cấp dịch vụ đặc biệt quan tâm đến việc giảm thiểu chi phí thường xuyên Một hệ thống quản lý mạng bao gồm năm chức chính: • Quản lý chất lượng: liên quan đến giám sát quản lý thông số chất lượng Quản lý chất lượng chức tối can thiết giúp nhà cung cấp dịch vụ đảm bảo chất lượng khách hàng ngược lại phía khách hàng tuân theo yêu cầu nhà cung cấp dịch vụ đặt trước Chức đưa thông số đầu cho thông số đầu vào cho chức quản lý khác, đặc biệt chức quản lý cố để phát tình trạng bất thường xảy mạng • Quản lý cố: liên quan đến phát hư hỏng mạng gởi cảnh báo túc đến hệ thống giám sát Nếu thông số giám sát có giá trị tầm, phân tử mạng cảnh báo Quản lý cố bao gồm việc khôi phục lại dịch vụ có cố xảy • Quản lý cấu hình: liên quan tới việc thiết lập chức quản lý mạng Chức quản lý thiết bị, bao gồm việc đưa vào loại bỏ thiết bị, định tuyến lại lưu lượng, quản lý phần mềm…Một khía cạnh khác quản lý cấu hình quản lý kết nối, bao gồm cài đặt, xoá dò đường kết nối mạng Chức thực hệ thống quản lý tập trung hệ điều khiển mạng phân bố Phân bố điều khiển mạng cần thiết khối lượng cài đặt kết nối thường xuyên xảy cấu hình mạng lớn phức tạp • Quản lý an toàn mạng: Bao gồm chức quản trị xác nhận người sử dụng, cài đặt thuộc tính cho phép đọc ghi tuỳ cấp người sử dụng Về phương diện bảo an, mạng thường phân chia thành miền (domain), theo chiều ngang dọc Phân chia theo chiều dọc có nghóa số người phép truy cập vào số phần tử mạng không truy nhập vào phần tử khác Chẳng hạn, người truy cập chỗ truy nhập vào phần tử thuộc quyền quản lý Phân chia theo chiều ngang có nghóa số người sử dụng cho phép truy nhập vào thông số liên quan phần tử mạng Tính bảo an mạng bao gồm chức bảo mật liệu người sử dụng cách mã hoá liệu trước truyền cung cấp khả giải mã cho người dùng hợp pháp • Quản lý kế toán: liên quan đến việc ghi lại thời gian truy nhập, giá thuê đường truyền dự toán để trì phát triển mạng lưới Đối với mạng thông tin quang,một vấn đề xem xét thêm quản lý an toàn tiếp xúc với tín hiệu quang: • Các lasersbán dẫn dùng hệ thống thông tin quang thiết bị có mứa công suất thấp Tuy nhiên, tín hiệu phát gây ảnh hưỡng nghiêm trọng đến 17 Chương 4: Hệ thống thông tin quang mắt, mù vónh viễn hư mắt Nhìn gần tổn thương đến mắt, giác mạc suốt với bước sóng này.Trong điều kiện bình thường, hệ thống quang hoàn toàn đóng kín tia laser truyền định hướng không phát Cần ý lắp đặt, xử lý hay bảo dưỡng.Đặt biệt dỡ day quang cần ý giữ mức quang nguy hiểm tầm khuyến cáo hệ thống An toàn quang can ý đến công suất phát tối đa vào sợi quang Các hệ thống làm việc (không có khuếch đại quang) có mức phát đủ nhỏ (-3 đến 0dBm) không cần ý nhiều an toàn quang Tuy nhiên với hệ thống dùng khuếch đại quang cần phải cẩn thận suốt trình thao tác Phương pháp an toàn dùng chắn đầu quang (connector) cần cẩn thận đóng chắn mở đầu connector quang • Tuy nhiên không ngăn cản lase phát từ thiết bị Thiết bị an toàn quang dùng chế độ ALS Theo chế độ đầu thu phát tín hiệu thu kích hướng phát (card phát khuếch đại) ngừng phát laser Và phát thou vài giây theo chu kỳ cài sẵn nhằm không gây ảnh hưởng đến nhân viên xử lý cáp quang 18 VIENTHONG05.TK Chương 4: Hệ thống thông tin quang Bài tập Trình bày chức mạng quang? Trình bày tốc độ truyền dẫn mạng quang? Cấu trúc mạng quang? Trình bày cấu trúc sợi quang, cáp quang? Trình bày kỹ thuật ghép kênh WDM? Trình bày phân lớp mạng quan? Trình bày cấu trúc mạng quang ứng dụng thực tiễn? Khi quản lý mạng quang lưu ý vấn đề gì? 19 ... 63 12 kbit/s (Note) TU- 12 VC- 12 C- 12 2048 kbit/s (Note) TU-11 VC-11 C-11 1544 kbit/s (Note) ×1 ×N AU-4 AUG VC-4 ×3 AU-3 ×1 VC-3 TU-3 TUG-3 ×3 VC-3 ×7 ×7 ×1 TUG -2 AU-4 TU -2 ×3 Pointer processing... thông tin quang có nối quang- connector, mối hàn, nối quang, chia quang trạm lặp; tất tạo nên tuyến thông tin quang hoàn chỉnh Chương 4: Hệ thống thông tin quang Tương tự cáp đồng, cáp sợi quang. .. tuyến truyền dẫn quang Quan niệm hệ thống thông tin quang ngày không hệ thống thông tin nữa, trải qua nhiều năm khai thác mạng lưới cấu trúc truyền khác Nhìn chung, hệ thống thông tin quang thường