Luận văn Thạc sĩ: Kỹ thuật đa truy nhập trong mạng quang và ứng dụng

Luận văn thạc sĩ phân tích sâu các kỹ thuật đa truy nhập trong mạng quang như WDMA, SCMA. Tổng hợp lý thuyết và các ứng dụng thực tiễn liên quan.

• Tác giả: Nguyễn Thế Dương
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Đặng Văn Chuyết
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Xử lý thông tin và truyền thông
• Đề tài: Đa truy nhập trong mạng quang và ứng dụng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm cơ bản về đa truy nhập trong mạng quang

Đa truy nhập trong mạng quang là công nghệ cho phép nhiều người dùng chia sẻ cùng một phương tiện truyền dẫn quang một cách hiệu quả. Công nghệ này đã trở thành nền tảng của các mạng viễn thông hiện đại, cho phép tối ưu hóa băng thông và giảm chi phí hạ tầng. Mạng truyền tải quang sử dụng các tín hiệu ánh sáng để truyền dữ liệu với tốc độ cao và độ tin cậy vượt trội. Các kỹ thuật đa truy nhập chính bao gồm ghép kênh theo thời gian (TDM), ghép kênh theo bước sóng (WDM), và ghép kênh sóng mang phụ (SCM). Mỗi kỹ thuật có những ưu điểm riêng và được áp dụng trong các tình huống cụ thể khác nhau.

1.1. Khái niệm mạng quang và tiến hóa công nghệ

Mạng quang phát triển từ nhu cầu truyền tải thông tin với dung lượng lớn. Thiết bị mạng quang bao gồm laser, bộ thu, và các thành phần quang học khác. Công nghệ nối chéo quang cho phép định tuyến tín hiệu quang trực tiếp mà không cần chuyển đổi sang điện. Điều này giảm độ trễ và tăng hiệu suất mạng đáng kể, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu băng thông cao.

1.2. Tầm quan trọng của đa truy nhập trong mạng hiện đại

Đa truy nhập cho phép chia sẻ tài nguyên mạng một cách công bằng và hiệu quả. Các công nghệ như WDMA và SCMA cải thiện khả năng xử lý lưu lượng dữ liệu khổng lồ. Trong bối cảnh phát triển internet và các dịch vụ mạng riêng ảo (VPN), công nghệ đa truy nhập đóng vai trò then chốt.

II. Kỹ thuật WDM và ứng dụng thực tiễn

Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ cho phép nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau truyền trên cùng một sợi quang. Wavelength Division Multiple Access (WDMA) mở rộng khái niệm này để cung cấp khả năng truy nhập đa người dùng. Công nghệ WDM đã cách mạng hóa ngành viễn thông bằng cách tăng năng lực mạng quang lên hàng chục lần mà không cần xây dựng cơ sở hạ tầng mới. Hộ định tuyến bước sóng sử dụng Wavelength Grating Router (WGR) để định tuyến các tín hiệu dựa trên bước sóng của chúng. Các mạng WDM hiện đại hỗ trợ từ hàng chục đến hàng trăm kênh sóng.

2.1. Kiến trúc mạng WDMA và các ứng dụng chính

Mạng WDMA đơn bước được sử dụng trong các ứng dụng cục bộ, trong khi mạng WDMA đa bước phục vụ cho các kết nối mạng lớn hơn. Các hệ thống như LAMBDANET và FOX (nối chéo quang) cung cấp hiệu suất cao và độ linh hoạt lớn. HYPASS (High performance packet switch system) là một ví dụ tiêu biểu về ứng dụng thành công của WDMA.

2.2. Bộ phát và bộ thu điều chỉnh được trong WDM

Bộ phát điều chỉnh được (Tunable transmitter) cho phép thay đổi bước sóng phát động, nâng cao tính linh hoạt của hệ thống. Bộ thu điều chỉnh được có khả năng tương tự. Các thiết bị cố định (Fixed tuned) mang lại độ ổn định cao nhưng linh hoạt thấp hơn trong các ứng dụng cần khả năng thích ứng nhanh.

III. Kỹ thuật SCMA và phân tích hiệu suất

Ghép kênh sóng mang phụ (SCMA) hay Subcarrier Multiplexing là một kỹ thuật khác để đạt được đa truy nhập hiệu quả. SCMA sử dụng các sóng mang phụ để điều chế dữ liệu, cho phép truyền tải nhiều tín hiệu trên cùng một quang học. Hệ thống SCMA đơn kênh cung cấp hiệu suất tốt trong các ứng dụng có khoảng cách ngắn, trong khi hệ thống SCMA đa kênh mở rộng khả năng xử lý dữ liệu. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất bao gồm nhiễu cường độ tương đối, tán xạ Brillouin kích thích, và các dạng nhiễu khác.

3.1. Tiệu suất mạng SCMA và các loại nhiễu

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng (SNR) là chỉ số quan trọng đánh giá hiệu suất SCMA. Các nguồn nhiễu chính bao gồm nhiều lượng tử shot noise, nhiễu nhiệt của máy thu, và nhiễu giao thoa quang. Công nghệ điều chế pha và tự điều chế pha (SPM) có thể tạo ra biến dạng tín hiệu cần được quản lý cẩn thận.

3.2. Ứng dụng các hệ thống SCMA trong thực tế

Các hệ thống SCMA được ứng dụng rộng rãi trong viễn thông tầm xa và các mạng dữ liệu cao tốc. Bộ phát laser bề mặt (Surface Emitting laser - SEL) được sử dụng trong SCMA để tạo ra các sóng mang phụ ổn định. Tần số vô tuyến kết hợp với quang học tạo nên các hệ thống hybrid mạnh mẽ và hiệu quả.

IV. Các công nghệ tương lai và xu hướng phát triển

Ngành công nghiệp viễn thông đang phát triển các công nghệ đa truy nhập tiên tiến hơn nữa. Mạng vòng chuyển mạch gói tự hồi phục (Resilient packet ring) cung cấp độ tin cậy cao và khắc phục sự cố nhanh chóng. Dịch vụ mạng riêng ảo (VPN) kết hợp với công nghệ đa truy nhập quang để cung cấp các kết nối an toàn và độc lập. Các kỹ thuật mới như tán xạ Raman kích thích mở rộng khả năng khuếch đại tín hiệu trên đường truyền dài. Tương lai của mạng quang thụ động hứa hẹn giảm chi phí đáng kể đồng thời duy trì hiệu suất cao.

4.1. Công nghệ quang học tiên tiến và bộ điều khiển định tuyến

Hộ điều khiển định tuyến bước sóng (Wavelength routing Controller) quản lý luồng dữ liệu phức tạp một cách tự động. Dịch vụ phân phối thụ động giảm chi phí vận hành và bảo trì hệ thống. Khoá dịch pha và các công nghệ điều chế khác cho phép nâng cao mật độ thông tin trên sợi quang.

4.2. Triển vọng và thách thức của mạng quang đa truy nhập

Công nghệ đa truy nhập quang tiếp tục phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về băng thông. Thách thức chính bao gồm quản lý nhiễu phi tuyến, tối ưu hóa chi phí, và nâng cao khả năng tương tác giữa các hệ thống khác nhau. Cấu trúc PIN và các loại photodetector tiên tiến đang được phát triển để cải thiện độ nhạy bộ thu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG DAT HOC BACH KHOA HA NOI NHIARĐN ĐN0nG XI LUAN VAN THAC SI KHOA HOC NGANH: XULY THONG TIN VA TRUYEN THONG KỸ THUẬT ĐA TRUY NIIẬP TRONG MẠNG Ox QUANG VÀ ỨNG DỰNG VA NLL ĐRỌIEL Ọ AT NGUYỄN THẾ DƯƠNG ĐNOIHL NiIAf13LL Ỹ 9007-t006 Hà Nội 2006 HÀ NỘI 2006 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HẢ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐA TRUY NIIẬP TRONG MẠNG QUANG VA UNG DUNG NGÀNH: XỬ LÝ THONG TIN VA TRUYEN THONG Mo SO: NGUYEN THE DƯƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS5 -TS. ĐẶNG VĂN CHUYẾT HÀ NỘI 2006 LOI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn này là công trình nghiền cứu của bản thân. Các nghiên cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp. lý thuyết và hiểu biết thực tế của em, không sao chép.

Tác giả luận văn Nguyễn Thể Dương -vii- Optical network Unit Thiét bi mang quang Optical transport network. Mạng truyền tải quang Optical Cross connect Nối chéo quang Passive Distribute Service Dịch vụ phân phối thụ động Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN. Passive oplical nelwork Mang quang thụ động Phas shill keying Khoá dịch pha Radio frequency Tan số vô luyến Relative Intensity Noise Nhiễu cường độ tương đối Resilient packet ring Mạng vòng chuyển mạch gối tự hồi phục SBS Stimulated Brillouin Scattering 'Tán xạ Brillouin kích thích SCM Subcarrier Multiplexing Ghép kênh sóng mang phụ SDSL Symmetric digital sub line 'Thưê bao số đối xứng SEL Surtace Emitting laser La-de phat mat SPM Self phase modulation "Tự điều chế pha. SRS Stimulated Raman Scattering “Tân xa raman kích thích TDM Time division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian TDMA Time division Muliiple Access.

Đa tuy nhập theo thời gian Tunable transmitter Bộ phát điều chính được TR Tunable receiver Bộ thu điều chỉnh được rT Fixed tuned transmitter Tiộ phát cố định Fixed — tuned receiver Hộ thu cố định VPN Virtual private network Dịch vụ mạng riêng ao WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh theo bước sóng WDMA Wavelength Division Multiple Đa truy nhập theo bước Access song WGR Wavelength Grating Router Hộ dịnh myến cách tử dẫn sống WR Wavelength Router Hộ định tuyến bước sóng WRC Wavelength routing Controller Hộ điểu khiển dịnh tuyến ~iii- 24 UNG DUNG MANG KY THUATDA TRUY NIIAP WDMA 36 24.1 Mang WDMA don bude. share 46 2411 Mạng LAMBDANET. 37 2413 FOX TIRộ kết nối chéo quang 38 “`.14 HYPASS (High performance packet switch 39 system 24.2 Mạng WDMA đa bước 24. 44 CHƯƠNG 3 : KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHẦN CHIA THEO SÓNG MANG PHỤ LI SCMA 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG .2 TIỆU SUẤT CÚA MẠNG SCMA DƠN KẼNH 41 3.1 Nhiều lượng tử Short noise 33 3.2 Nhiễu nhiệt của mấy thu.3 Nhiễu cường độ Laser.24 Nhiều giao thoa quang.5 "Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng.6 Ung dụng của các hệ tiống SCMA đơn kênh "— 59 ĐA TRUY NHẬP SÓNG MANG PHỤ ĐA KÊNH.

60 t tà tà ws bbb & Khái niệm về hệ thống SCMA đa kênh. 61 bee Dac diém cua hé thong SCMA da kénh. G 'Tỷ số tín hiệu trên tạp âm Lổng.- Tng dụng của các hệ thống SCMA đa kênh. _" 65 ad we * CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP ~iii- 24 UNG DUNG MANG KY THUATDA TRUY NIIAP WDMA 36 24.1 Mang WDMA don bude.

share 46 2411 Mạng LAMBDANET. 37 2413 FOX TIRộ kết nối chéo quang 38 “`.14 HYPASS (High performance packet switch 39 system 24.2 Mạng WDMA đa bước 24. 44 CHƯƠNG 3 : KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHẦN CHIA THEO SÓNG MANG PHỤ LI SCMA 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG .2 TIỆU SUẤT CÚA MẠNG SCMA DƠN KẼNH 41 3.1 Nhiều lượng tử Short noise 33 3.2 Nhiễu nhiệt của mấy thu.3 Nhiễu cường độ Laser.24 Nhiều giao thoa quang.5 "Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng.6 Ung dụng của các hệ tiống SCMA đơn kênh "— 59 ĐA TRUY NHẬP SÓNG MANG PHỤ ĐA KÊNH. 60 t tà tà ws bbb & Khái niệm về hệ thống SCMA đa kênh.

61 bee Dac diém cua hé thong SCMA da kénh. G 'Tỷ số tín hiệu trên tạp âm Lổng.- Tng dụng của các hệ thống SCMA đa kênh. _" 65 ad we * CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP -vii- Optical network Unit Thiét bi mang quang Optical transport network. Mạng truyền tải quang Optical Cross connect Nối chéo quang Passive Distribute Service Dịch vụ phân phối thụ động Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN.

Passive oplical nelwork Mang quang thụ động Phas shill keying Khoá dịch pha Radio frequency Tan số vô luyến Relative Intensity Noise Nhiễu cường độ tương đối Resilient packet ring Mạng vòng chuyển mạch gối tự hồi phục SBS Stimulated Brillouin Scattering 'Tán xạ Brillouin kích thích SCM Subcarrier Multiplexing Ghép kênh sóng mang phụ SDSL Symmetric digital sub line 'Thưê bao số đối xứng SEL Surtace Emitting laser La-de phat mat SPM Self phase modulation "Tự điều chế pha. SRS Stimulated Raman Scattering “Tân xa raman kích thích TDM Time division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian TDMA Time division Muliiple Access. Đa tuy nhập theo thời gian Tunable transmitter Bộ phát điều chính được TR Tunable receiver Bộ thu điều chỉnh được rT Fixed tuned transmitter Tiộ phát cố định Fixed — tuned receiver Hộ thu cố định VPN Virtual private network Dịch vụ mạng riêng ao WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh theo bước sóng WDMA Wavelength Division Multiple Đa truy nhập theo bước Access song WGR Wavelength Grating Router Hộ dịnh myến cách tử dẫn sống WR Wavelength Router Hộ định tuyến bước sóng WRC Wavelength routing Controller Hộ điểu khiển dịnh tuyến vie ISK Frequency Shitt Keying hoá dịch tần số FITB Fiber to the Building Cấp quang tới toà nhà FITC Fiber to the Curb Cấp quang tới khu dân cư FITH Fiber to the home Cấp quang tới nhà Fiber to the loop Mạch ving cáp quang FITO Fiber to the ollice Cáp quang tới công sở FWM Four —Wave Mixing TTrộn bốn sóng GGL Gain Guided laser Lade điểu khiến khuyếch đại GI Graded Index Chỉ số Gradicn GRIN Graded relractive Index Chỉ số chiết suất Gradien Intermediate frequency Trung tan IGL Index Guided laser Lade diéu khiển chỉ số chiết suất IM Intensity Modulation Điều biển cường độ IMD Intermodulation Distortion Mếo điều chế tương hỗ LD Laser diode Điốt lade Light Emitting Diode Điốt phát quang LED Lo Local Oscillator Dao động nội Loc Large Optical Cavity Hốc cộng hưởng quang rộng MAN Metrupolitan Arca Network Mạng khu vực nội thị MQW Multiple Quantum Well Giếng lượng tứ MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MZ Mach —Zehnder Bộ điểu chế Mách — Zehnder OA Optical amplitier Bộ khuếch đại quang OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rế quang OFA Optical tiber amplitier Tiệ khuếch đại quang sợi ONI Optical Network intertace Giao diện mạng quang ONNI Optical network — to — network Giao diện mạng —mạng interface quang vie ISK Frequency Shitt Keying hoá dịch tần số FITB Fiber to the Building Cấp quang tới toà nhà FITC Fiber to the Curb Cấp quang tới khu dân cư FITH Fiber to the home Cấp quang tới nhà Fiber to the loop Mạch ving cáp quang FITO Fiber to the ollice Cáp quang tới công sở FWM Four —Wave Mixing TTrộn bốn sóng GGL Gain Guided laser Lade điểu khiến khuyếch đại GI Graded Index Chỉ số Gradicn GRIN Graded relractive Index Chỉ số chiết suất Gradien Intermediate frequency Trung tan IGL Index Guided laser Lade diéu khiển chỉ số chiết suất IM Intensity Modulation Điều biển cường độ IMD Intermodulation Distortion Mếo điều chế tương hỗ LD Laser diode Điốt lade Light Emitting Diode Điốt phát quang LED Lo Local Oscillator Dao động nội Loc Large Optical Cavity Hốc cộng hưởng quang rộng MAN Metrupolitan Arca Network Mạng khu vực nội thị MQW Multiple Quantum Well Giếng lượng tứ MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MZ Mach —Zehnder Bộ điểu chế Mách — Zehnder OA Optical amplitier Bộ khuếch đại quang OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rế quang OFA Optical tiber amplitier Tiệ khuếch đại quang sợi ONI Optical Network intertace Giao diện mạng quang ONNI Optical network — to — network Giao diện mạng —mạng interface quang MỤC LỤC Noi dung Trang LỜI MỠ ĐẦU CHUGNG 1: CAC PHAN TU SỬ DỤNG TRONG MẠNG QUANG ĐA TRUY NHẬP 11 GIỚI THIỆU CHUNG 1 1.2 BO GHEP INIT SAO QUANG BA see 2 13 BO GHÉP KENH VA TACH KENH. 4 14 BIOT LAZE DIEU CHINH DUOC BUGC SONG.

Điêu chỉnh nhiệ 8 1.2 _ Điốt laze diéu chỉnh được bước sóng sử dụng hốc ngoài. Diết laze hồi tiếp phân bố (DEB) hai đoạn sessersao.44 — Điết laze phản xạ phân bố Bragg hai đoạn và ba đoạn. 1Í 15 BO LOC QUANG ĐIỀU CHỈNH ĐƯỢC 12 CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT ĐÁ TRUY NHẬP PHÂN CIHA TIIEO BUGC SONG - WDMA 21 TỔNG QUAN VỀKỸ THUẬTWDMA. “4 22 MẠNG WDMA DƠN BƯỚC 14 Mạng WDMA “ quảng bá và lựa chọn 14 Mạng WDMA “định tuyển theo bước sóng) 20 2.

Các vấn để liên quan đến hiệu suất và thiết kế mạng .1 Vị trí bộ dệm trong mạng WDMA dam bước. 26 23 MẠNG WDMA ĐA BƯỚC.1 Khái niệm chung về mạng WDMA đa bước.2 Đặc điểm của mạng WDMA đa bước. co Bl ~iii- 24 UNG DUNG MANG KY THUATDA TRUY NIIAP WDMA 36 24.1 Mang WDMA don bude. share 46 2411 Mạng LAMBDANET.

37 2413 FOX TIRộ kết nối chéo quang 38 “`.14 HYPASS (High performance packet switch 39 system 24.2 Mạng WDMA đa bước 24. 44 CHƯƠNG 3 : KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHẦN CHIA THEO SÓNG MANG PHỤ LI SCMA 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG .2 TIỆU SUẤT CÚA MẠNG SCMA DƠN KẼNH 41 3.1 Nhiều lượng tử Short noise 33 3.2 Nhiễu nhiệt của mấy thu.3 Nhiễu cường độ Laser.24 Nhiều giao thoa quang.5 "Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng.6 Ung dụng của các hệ tiống SCMA đơn kênh "— 59 ĐA TRUY NHẬP SÓNG MANG PHỤ ĐA KÊNH. 60 t tà tà ws bbb & Khái niệm về hệ thống SCMA đa kênh. 61 bee Dac diém cua hé thong SCMA da kénh.

G 'Tỷ số tín hiệu trên tạp âm Lổng.- Tng dụng của các hệ thống SCMA đa kênh. _" 65 ad we * CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP -vi- bước sống WT Wavelength tenninal Thiết bị kết cuối bước sống. Cross Phase Modulation Điều chế ngang (chéo) pha DANH MỤC BẰNG Bang 2.1 Quan hệ giữa số nút mạng (N) và số bước (h) xuât pháttừ 33 một nút nguồn trong giản đồ ShuffleNet (p,k) .2 Mội số thông số đại điện biểu đổ ShuflleNcL.3 Các tham số thử nghiệm mạng HORNET.1 Kỹ thuật truyền dẫn từ tống đài đến thuê bao.2 Kỹ thuật truyền đẫn từ thuê bao đến tổng đài. 104 DANH MỤC HÌNH VẼ Hinh 1.£ Một số cấu kiện quang thụ động.

Bộ phép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode. 2 Hình 13 Các bộ ghép hình sao. Sơ đồ khối hệ thống WDM.5 Thiết bị gliếp —lách kênh hỗnn hợp (MUX-DEMUX) 3 Hình 1.6 Xuyên kênh “ se 9 Hình !.7 Điết laze diễu chỉnh dược sử dụng hệhốc ngoài. 9 Hinh 1,9 Điết laze hdi tiép phan bé hai doan.10 Sd dé cfu tric diode laze phan xa phan bé Bragg | Tĩnh 1.11 Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh được.