Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng hệ thống dwdm sử dụng coofdm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử nghiên cứu giả lập và đánh giá nâng cao dung lượng hệ thống DWDM sử dụng COOFDM, ứng dụng công nghệ tiên tiến.

• Tác giả: Dương Minh Sơn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Hoàng
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng hệ thống DWDM sử dụng CO-OFDM
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Luận Văn Thạc Sĩ

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc giả lập hệ thống DWDM và đánh giá hệ thống DWDM sử dụng công nghệ CO-OFDM để nâng cao dung lượng hệ thống. Với sự bùng nổ của Internet và nhu cầu truyền dẫn dữ liệu ngày càng tăng, công nghệ DWDM đã trở thành giải pháp quan trọng trong hệ thống truyền dẫn quang. Tuy nhiên, việc tăng dung lượng hệ thống đòi hỏi các phương pháp tiên tiến như CO-OFDM, một kỹ thuật điều chế sóng mang trực giao, giúp tăng hiệu suất phổ và giảm ảnh hưởng của tán sắc.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu lý thuyết về DWDM, CO-OFDM, và ứng dụng của chúng trong hệ thống truyền dẫn quang. Luận văn sử dụng phần mềm Optisystem để mô phỏng hệ thống DWDM sử dụng CO-OFDM, từ đó đánh giá khả năng nâng cao dung lượng và hiệu suất của hệ thống. Các kết quả mô phỏng sẽ được phân tích để đưa ra nhận xét về ưu, nhược điểm của phương pháp này so với các phương pháp truyền thống.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Luận văn áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm thông qua mô hình giả lập DWDM. Phần mềm Optisystem được sử dụng để thiết kế và mô phỏng hệ thống với các tham số cụ thể như số lượng kênh, khoảng cách kênh, và tốc độ truyền dẫn. Các kết quả mô phỏng được đánh giá dựa trên tỉ lệ lỗi bit (BER) và hiệu suất phổ, từ đó rút ra kết luận về hiệu quả của CO-OFDM trong hệ thống DWDM.

II. Tổng quan về DWDM và CO OFDM

DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) là công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao, cho phép truyền dẫn nhiều kênh quang trên cùng một sợi quang. CO-OFDM (Coherent Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế sóng mang trực giao, giúp tăng hiệu suất phổ và giảm ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống truyền dẫn quang. Sự kết hợp giữa DWDM và CO-OFDM mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tăng dung lượng truyền dẫn và cải thiện chất lượng tín hiệu.

2.1. Lý thuyết về DWDM

DWDM là công nghệ cho phép ghép nhiều kênh quang trên cùng một sợi quang bằng cách sử dụng các bước sóng khác nhau. Các thành phần chính của hệ thống DWDM bao gồm bộ phát quang, bộ thu quang, bộ ghép/tách kênh, và bộ khuếch đại quang. DWDM được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền dẫn đường dài nhờ khả năng tăng dung lượng và giảm chi phí.

2.2. Lý thuyết về CO OFDM

CO-OFDM là kỹ thuật điều chế sóng mang trực giao, sử dụng nhiều sóng mang con để truyền dữ liệu. Các sóng mang con này được điều chế một cách trực giao, giúp tăng hiệu suất phổ và giảm ảnh hưởng của tán sắc. CO-OFDM được ứng dụng trong hệ thống truyền dẫn quang nhờ khả năng xử lý tín hiệu hiệu quả và giảm thiểu nhiễu liên ký tự (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI).

III. Mô phỏng và đánh giá hệ thống DWDM sử dụng CO OFDM

Luận văn sử dụng phần mềm Optisystem để mô phỏng hệ thống DWDM sử dụng CO-OFDM. Hệ thống được thiết kế với 4 kênh DWDM, khoảng cách kênh 100 GHz, và tốc độ truyền dẫn 20 Gb/s. Các tham số mô phỏng bao gồm chiều dài sợi quang, suy hao, tán sắc, và hiệu suất phổ. Kết quả mô phỏng được đánh giá dựa trên tỉ lệ lỗi bit (BER) và hiệu suất phổ, từ đó rút ra nhận xét về khả năng nâng cao dung lượng của hệ thống.

3.1. Thiết kế hệ thống mô phỏng

Hệ thống mô phỏng được thiết kế với 4 kênh DWDM, khoảng cách kênh 100 GHz, và tốc độ truyền dẫn 20 Gb/s. Phương pháp điều chế CO-OFDM được áp dụng với 512 sóng mang con và điều chế DPSK. Đường truyền quang sử dụng sợi quang đơn mode với chiều dài 85 km và suy hao 0.2 dB/km. Các tham số đánh giá bao gồm BER và hiệu suất phổ.

3.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá

Kết quả mô phỏng cho thấy CO-OFDM giúp giảm tỉ lệ lỗi bit (BER) và tăng hiệu suất phổ so với phương pháp điều chế đơn sóng mang. Hệ thống đạt được BER thấp sau khi truyền qua 500 km, chứng tỏ khả năng nâng cao dung lượng và cải thiện chất lượng tín hiệu của CO-OFDM trong hệ thống DWDM.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã chứng minh rằng việc sử dụng CO-OFDM trong hệ thống DWDM giúp nâng cao dung lượng hệ thống và cải thiện hiệu suất phổ. Các kết quả mô phỏng cho thấy CO-OFDM giảm thiểu ảnh hưởng của tán sắc và nhiễu, từ đó tăng khoảng cách truyền dẫn và giảm chi phí lắp đặt. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm nghiên cứu ứng dụng CO-OFDM trong các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao hơn và tối ưu hóa các tham số hệ thống để đạt hiệu suất cao hơn.

4.1. Kết luận

Luận văn đã thành công trong việc giả lập hệ thống DWDM sử dụng CO-OFDM và đánh giá khả năng nâng cao dung lượng hệ thống. CO-OFDM mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tăng hiệu suất phổ, giảm ảnh hưởng của tán sắc, và cải thiện chất lượng tín hiệu. Đây là giải pháp tiềm năng cho các hệ thống truyền dẫn quang trong tương lai.

4.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài bao gồm nghiên cứu ứng dụng CO-OFDM trong các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao hơn, tối ưu hóa các tham số hệ thống, và tích hợp các công nghệ mới như tối ưu hóa hệ thống DWDM và phân tích hiệu suất DWDM để đạt hiệu quả cao hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề 8 Đề tài: Giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng đường truyền DWDM dùng CO-OFDM BER được giả lập cho Δν = 1MHz và 2 GHz của OBPF cho SCO-OFDM và ROP = 0 dBm. Yêu cầu OSNR với BER 10-3 là 22.4 dB tương ứng cho SCO-OFDM, CO-OFDM and DDO-OFDM. So sánh với DDO-OFDM, CO-OFDM cải thiện OSNR lên 7.11: BER vs laser linewidth của 3 loại OFDM 1.3 Nhóm Hongchun Bao and William Shieh ARC Special Research Centre for Ultra-Broadband Information Networks, Department of Electrical and Electronic Engineering, Melbourne VIC 3010, Australia [11] Nhóm này đã thực hiện một mô phỏng ở Monte Carlo để xác định hiệu suất truyền tải của một hệ thống CO-OFDM. Các thông số OFDM là thời gian symbol OFDM 25,6 ns, 128 sóng mang con, một khoảng bảo vệ bằng một phần tư thời gian quan sát, sử dụng mã hóa QPSK để mã hóa cho mỗi sóng mang con.

Khoảng cách giữa các kênh WDM 50 GHz, tầm xa 80 km, tán sắc 16 ps/nm/km, suy hao trung bình 0,2 dB/km và hệ số phi tuyến 2,6 × 10-20 m2/W. Suy hao cáp quang được bù đắp bởi bộ khuếch đại EDFA 16 dB và noise figure 6 dB. Trong mô phỏng này chọn các bộ lọc quang học OBPF1 và OBPF2, thứ tự các bộ lọc Gaussian với băng Chương 1: Đặt vấn đề 9 Đề tài: Giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng đường truyền DWDM dùng CO-OFDM thông GHz 40. Mô phỏng cho thấy kết quả truyền tải của 8 kênh WDM.

Mô phỏng các số lượng lớn kênh WDM (8) đưa ra gần như cùng một kết quả. Sau đây là kết quả: Hình 1.12: Phổ quang cho tín hiệu 10Gb/s CO-OFDM, duobinary và conventional IM với cùng công suất trung bình 1.5 MỘT SỐ HỆ THỐNG DWDM ĐANG SỬ DỤNG TRÊN THỰC TẾ Công ty Viễn thông liên tỉnh có tên Tiếng Anh là Vietnam Telecom National (VTN) là một Công ty thành viên của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT). Công ty VTN được giao nhiệm vụ tổ chức, xây dựng, quản lý, vận hành, khai thác mạng lưới truyền dẫn và mạng IP của VNPT [26]. Đối với mạng truyền dẫn, VTN hiện nay sử dụng công nghệ chủ yếu là DWDM với các hệ thống chính như sau: - Hệ thống DWDM Ciena 120Gb/s Backbone gồm 12 bước sóng 10Gb/s từ Hồ Chí Minh đến Hà Nội, sử dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang có sử dụng bù tán sắc bằng DCF.

Chương 1: Đặt vấn đề 10 Đề tài: Giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng đường truyền DWDM dùng CO-OFDM Hình 1.13: Sơ đồ hệ thống DWDM 120Gb/s Ciena của VTN [27] Chương 1: Đặt vấn đề 11 Đề tài: Giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng đường truyền DWDM dùng CO-OFDM Hình 1.14: Sơ đồ hệ thống DWDM 240Gb/s Ciena của VTN [28] Chương 1: Đặt vấn đề 12 Đề tài: Giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng đường truyền DWDM dùng CO-OFDM Hình 1.15: Sơ đồ hệ thống DWDM Fujitsu Ring Nam của VTN [29] Chương 1: Đặt vấn đề 13 Đề tài: Giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng đường truyền DWDM dùng CO-OFDM - Hệ thống DWDM Ciena 240Gb/s Backbone gồm 8 bước sóng 10Gb/s và 4 bước sóng 40Gb/s từ Cần Thơ đến Hà Nội, sử dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang có sử dụng bù tán sắc điện tử. - Hệ thống DWDM Fujitsu gồm 40 bước sóng hỗn hợp 10Gb/s và 40Gb/s từ Hồ Chí Minh đến các tỉnh phía Nam từ Lâm Đồng đến Cà Mau. Hệ thống này sử dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang có sử dụng bù tán sắc bằng DCF. Chương 1: Đặt vấn đề 14 Đề tài: Giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng đường truyền DWDM dùng CO-OFDM Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 LÝ THUYẾT VỀ DWDM 2.1 Tổng quát về DWDM Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplex) là công nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”.

Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại hay còn gọi là ghép kênh để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau [17, 18].1: Sơ đồ một hệ thống DWDM điểm-điểm đơn giản WDM được chia làm 3 loại:  DWDM: (Dense Wavelength Division Multiplexing): Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao là công nghệ được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng truyền dẫn quang đường dài đến hàng ngàn cây số. Trong các băng tần quang thì hệ thống DWDM chỉ hoạt động ở băng tần C và L của cửa sổ quang. Trong các băng tần, khoảng cách kênh được ITU-T qui định có thể là 200GHz (40 kênh), 100GHz (80 kênh) và 50GHz (160 kênh).

 CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) là một công nghệ WDM sử dụng số bước sóng ít hơn với một khoảng cách kênh rộng hơn. Chương 2: Cơ sở lý thuyết 15 Đề tài: Giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng đường truyền DWDM dùng CO-OFDM Công nghệ CWDM chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng truyền dẫn tầm ngắn, rẻ tiền.  FWDM: Ghép kênh phân chia theo bước sóng bộ lọc là công nghệ WDM đơn giản, phân chia băng tần truyền dẫn vào hai băng tần phụ. Công nghệ này không có nhu cầu đặc biệt để ổn định tín hiệu phát (so với CWDM và đặc biệt là DWDM) mặc dù các bộ lọc cần phải đủ rộng cho nên ít được sử dụng.2: Lịch sử phát triển của WDM [22] 2.2 Cửa sổ làm việc quang của hệ thống WDM Công nghệ WDM sử dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm vì tại tại khoảng bước sóng này, tín hiệu suy giảm thấp nhất khi truyền qua sợi quang.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 16 Đề tài: Giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng đường truyền DWDM dùng CO-OFDM Hình 2.3: Băng tần truyền dẫn và suy hao của sợi quang tại các bước sóng [17] 2.3 Các băng tần của hệ thống WDM Khoảng bước sóng của cửa sổ quang được chia làm nhiều băng sóng hoạt động như bảng sau: Bảng 2.1: Các băng tần truyền dẫn của lưới ITU-T TT Băng sóng Mô tả Phạm vi bước sóng (nm) 1 Băng O Original 1260-1360 2 Băng E Extended 1360-1460 3 Băng S Shor 1460-1530 4 Băng C Conventional 1530-1565 5 Băng L Long 1565-1625 6 Băng U Untra long 1625-1675 2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng của hệ thống thông tin quang Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thống thông tin quang, bao gồm [17, 18]: - Suy hao - Tán sắc Chương 2: Cơ sở lý thuyết 17 Đề tài: Giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng đường truyền DWDM dùng CO-OFDM - Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang. Tuy nhiên, đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này cũng khác nhau. Ví dụ: - Ðối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao. - Ðối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao và tán sắc.

- Ðối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 yếu tố trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến.1 Suy hao [17] Suy hao trên sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Ảnh hưởng của nó có thể được tính như sau: công suất ngõ ra Pout ở cuối sợi quang có chiều dài L có liên hệ với công suất ngõ vào Pin như sau: Pout = Pine-αL (2.1) với α là suy hao sợi quang.4: Khái niệm suy hao trong sợi quang Thường suy hao được tính theo đơn vị là dB/Km, vì vậy suy hao αdB dB/Km có nghĩa là tỉ số Pout trên Pin đối với L = 1 Km thỏa mãn: 10log10[Pout/P in] = - αdB hoặc αdB = (10 log10 e)α ≈ 343.2) Chương 2: Cơ sở lý thuyết 18 Đề tài: Giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng đường truyền DWDM dùng CO-OFDM Thường thì suy hao sợi được gán giá trị dương do đó tổng quát hệ số suy hao được xác định bằng công thức như sau: (2.3) Các nguyên nhân chính gây ra suy hao là: do hấp thụ, do tán xạ tuyến tính và do uốn cong.  Suy hao do hấp thụ Bao gồm hấp thụ của bản thân vật liệu chế tạo sợi, còn gọi là tự hấp thụ, và hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi không tinh khiết.  Hiện tượng tự hấp thụ Các nguyên tử của vật liệu chế tạo sợi cũng phản ứng với ánh sáng theo đặc tính chọn lọc bước sóng.

Tức là, vật liệu cơ bản chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng qua tự do trong một dải bước sóng xác định với suy hao rất nhỏ hoặc hầu như không suy hao. Còn ở một số bước sóng nhất định sẽ có hiện tương cộng hưởng quang, quang năng bị hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt năng.  Hiện tượng hấp thụ do tạp chất Nếu vật liệu chế tạo thuần túy tinh khiết thì ánh sáng truyền qua không bị suy hao. Thực tế, vật liệu chế tạo hoàn toàn không tinh khiết, mà lẫn các ion kim loại (Fe, Cu, Cr, .), và đặc biệt là các ion OH - của nước (H2O).

 Suy hao do tán xạ tuyến tính Tán xạ tuyến tính trong sợi quang là do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi sợi, có thể là những thay đổi nhỏ trong vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi. Ngoài ra, do thuỷ tinh được tạo ra từ các loại oxit như: SiO2, GeO2, P2O5 nên có thể xảy ra sự thay đổi thành phần giữa chúng. Hai yếu tố này làm tăng sự thay đổi chiết suất, tạo ra tán xạ. Tán xạ tuyến tính làm cho năng lượng quang từ một mốt lan truyền được truyền tuyến tính (tỉ lệ Chương 2: Cơ sở lý thuyết 19 Đề tài: Giả lập và đánh giá việc nâng cao dung lượng đường truyền DWDM dùng CO-OFDM thuận với công suất mốt) sang một mốt khác.

Quá trình này làm suy hao công suất quang được truyền đi vì công suất được truyền sang một mốt rò hay mốt bức xạ là những mốt không tiếp tục lan truyền trong lõi sợi quang mà bức xạ ra khỏi sợi. Tán xạ tuyến tính sẽ không làm thay đổi tần số tán xạ. Tán xạ tuyến tính thường được phân thành hai loại: tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie.