Luận văn thạc sĩ: Mô phỏng hệ thống truyền dẫn đường trục sử dụng công nghệ DWDM và tín hiệu MQAM

• Tác giả: Phạm Thị Thu Giang
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đặng Hoài Bắc
• Trường học: Học viện công nghệ bưu chính viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu mô phỏng hệ thống truyền dẫn đường trục với công nghệ DWDM và tín hiệu MQAM
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ DWDM
• 1.1. Tổng quan về thông tin sợi quang
• 1.1.1. Giới thiệu chung về thông tin sợi quang
• 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền tín hiệu quang
• 1.3. Tổng quan DWDM
• 1.3.1. WDM và DWDM
• 1.3.2. Hệ thống DWDM
• 1.3.2.1. Những mô hình mạng cơ bản
• 1.3.2.2. Điểm mút của mạng DWDM
• 1.4. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG DWDM
• 2.1. Các thành phần trong hệ thống DWDM
• 2.1.1. Nguồn phát trong hệ thống truyền dẫn DWDM
• 2.1.2. Ghép kênh và giải ghép kênh phân chia theo bước sóng
• 2.1.3. Phát đáp quang trong hệ thống DWDM
• 2.1.4. Khuếch đại quang trong hệ thống DWDM
• 2.2. Điều chế tín hiệu quang
• 2.2.1. Điều chế OOK
• 2.2.2. Điều chế M-PSK
• 2.2.3. Điều chế M-QAM
• 2.3. Kỹ thuật tách sóng Coherent
• 2.3.1. Xử lý tín hiệu số trên hệ thống thông tin quang Coherent (DSP)
• 2.3.2. Tách sóng coherent
• 2.3.3. Kỹ thuật truyền ngược kỹ thuật số (Digital backpropagation - DBP)
• 2.4. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG DWDM SỬ DỤNG MỘT SỐ LOẠI TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ MQAM
• 3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng Optisystem
• 3.2. Cấu hình hệ thống DWDM đường trục
• 3.2.1. Tham số khởi tạo
• 3.2.2. Tham số hoạt động các thành phần trong hệ thống
• 3.3. Kết quả mô phỏng hoạt động bằng phần mềm Optisystem
• 3.3.1. Mô phỏng hoạt động hệ thống DWDM đường trục 16 kênh tốc độ 25Gbaud
• 3.3.2. Mô phỏng hoạt động hệ thống DWDM đường trục 16 kênh tốc độ 50 Gbaud
• 3.4. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về công nghệ DWDM

Công nghệ DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) đã trở thành một phần quan trọng trong hệ thống truyền dẫn quang hiện đại. Hệ thống truyền dẫn này cho phép truyền tải nhiều kênh thông tin trên cùng một sợi quang, từ đó tối ưu hóa băng thông và giảm chi phí. DWDM sử dụng các bước sóng khác nhau để truyền tải tín hiệu, giúp tăng cường khả năng truyền dẫn mà không làm giảm chất lượng tín hiệu. Các yếu tố như suy hao, tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến là những yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu trong hệ thống truyền dẫn quang. Việc hiểu rõ về công nghệ DWDM là cần thiết để phát triển các giải pháp tối ưu cho mạng viễn thông hiện đại.

1.1 Giới thiệu về thông tin sợi quang

Thông tin sợi quang đã được sử dụng từ lâu để truyền tải tín hiệu. Sợi quang có nhiều ưu điểm như suy hao thấp, băng thông lớn và khả năng chống nhiễu điện từ. Công nghệ DWDM tận dụng những ưu điểm này để cung cấp giải pháp truyền dẫn hiệu quả. Sợi quang có thể truyền tải nhiều kênh thông tin đồng thời, giúp tăng cường khả năng truyền dẫn mà không làm giảm chất lượng tín hiệu. Việc phát triển công nghệ sợi quang đã mở ra nhiều cơ hội cho các nhà khai thác viễn thông trong việc xây dựng mạng lưới hiện đại và hiệu quả.

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền tín hiệu quang

Chất lượng tín hiệu trong hệ thống truyền dẫn quang bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó có suy hao, tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến. Suy hao có thể xảy ra do hấp thụ, tán xạ và các yếu tố khác trong sợi quang. Tán sắc làm cho các xung ánh sáng bị dãn rộng, gây méo tín hiệu. Các hiệu ứng phi tuyến như tán xạ Raman và tán xạ Brillouin cũng có thể ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng để tối ưu hóa hệ thống truyền dẫn quang và đảm bảo chất lượng dịch vụ.

II. Các thành phần cơ bản của hệ thống DWDM

Hệ thống DWDM bao gồm nhiều thành phần cơ bản như nguồn phát, bộ ghép kênh, bộ khuếch đại và bộ thu. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tín hiệu được truyền tải một cách hiệu quả. Nguồn phát quang có thể là diode phát quang hoặc laser, tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống. Bộ ghép kênh giúp kết hợp nhiều tín hiệu vào một sợi quang, trong khi bộ khuếch đại giúp tăng cường tín hiệu để giảm thiểu suy hao. Cuối cùng, bộ thu quang thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu quang trở lại thành tín hiệu điện. Sự kết hợp của các thành phần này tạo nên một hệ thống truyền dẫn quang hoàn chỉnh và hiệu quả.

2.1 Nguồn phát trong hệ thống truyền dẫn DWDM

Nguồn phát là thành phần đầu tiên trong hệ thống truyền dẫn quang, có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang. Các loại nguồn phát phổ biến bao gồm diode phát quang (LED) và laser bán dẫn (LD). Mỗi loại nguồn phát có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống DWDM. Việc lựa chọn nguồn phát phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng tín hiệu và hiệu quả truyền dẫn.

2.2 Khuếch đại quang trong hệ thống DWDM

Bộ khuếch đại quang là thành phần quan trọng trong hệ thống truyền dẫn quang, giúp tăng cường tín hiệu quang để giảm thiểu suy hao. Các loại khuếch đại phổ biến bao gồm khuếch đại Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) và khuếch đại Raman. Việc sử dụng bộ khuếch đại phù hợp giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống DWDM, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu truyền tải tín hiệu qua khoảng cách dài.

III. Mô phỏng hoạt động của hệ thống DWDM sử dụng một số loại tín hiệu điều chế MQAM

Mô phỏng hoạt động của hệ thống DWDM sử dụng tín hiệu điều chế MQAM (M-Quadrature Amplitude Modulation) là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Phần mềm mô phỏng Optisystem được sử dụng để thực hiện các mô phỏng, cho phép đánh giá hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng tín hiệu MQAM có thể cải thiện đáng kể chất lượng truyền dẫn so với các phương pháp điều chế khác. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc tối ưu hóa hệ thống truyền dẫn quang trong tương lai.

3.1 Cấu hình hệ thống DWDM đường trục

Cấu hình của hệ thống DWDM đường trục được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn. Các tham số khởi tạo và tham số hoạt động của các thành phần trong hệ thống được xác định rõ ràng. Việc cấu hình chính xác giúp đảm bảo rằng tín hiệu được truyền tải một cách hiệu quả và chất lượng tín hiệu được duy trì ở mức cao nhất. Các mô phỏng cho thấy rằng cấu hình hợp lý có thể giảm thiểu suy hao và tán sắc, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống truyền dẫn.

3.2 Kết quả mô phỏng hoạt động bằng phần mềm Optisystem

Kết quả mô phỏng từ phần mềm Optisystem cho thấy rằng hệ thống DWDM sử dụng tín hiệu MQAM có khả năng truyền tải hiệu quả hơn so với các phương pháp điều chế khác. Các biểu đồ so sánh chất lượng hệ thống cho thấy rằng tín hiệu MQAM có tỷ lệ lỗi bít thấp hơn, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ cao hơn. Những kết quả này chứng minh rằng việc áp dụng tín hiệu MQAM trong hệ thống truyền dẫn quang là một giải pháp khả thi để nâng cao hiệu suất truyền dẫn.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh sự phát triển bùng nổ của các dịch vụ Internet và băng thông rộng, nhu cầu lưu lượng truyền dẫn ngày càng tăng mạnh, đòi hỏi các mạng viễn thông phải nâng cao dung lượng và tốc độ truyền tải. Công nghệ truyền dẫn quang, đặc biệt là công nghệ Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM), đã trở thành giải pháp quan trọng để đáp ứng yêu cầu này. DWDM cho phép truyền đồng thời nhiều kênh quang trên cùng một sợi quang đơn mode, với mỗi kênh tương đương một hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ cao, giúp tối ưu hóa băng thông và giảm chi phí đầu tư mạng truyền dẫn.

Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng hoạt động của hệ thống truyền dẫn đường trục sử dụng công nghệ DWDM với một số loại tín hiệu điều chế M-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Mục tiêu chính là đánh giá hiệu suất truyền dẫn của các tín hiệu điều chế QPSK, 8-QAM và 16-QAM ở tốc độ 25 Gbaud và 50 Gbaud trên tuyến truyền dài 800 km, qua đó đề xuất các giải pháp tối ưu cho hệ thống DWDM trong thực tế. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hệ thống DWDM 16 kênh, khảo sát các tham số BER (Bit Error Ratio) và Q-Factor làm chỉ số đánh giá chất lượng tín hiệu.

Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao hiệu quả truyền dẫn quang, hỗ trợ các nhà khai thác mạng viễn thông trong việc lựa chọn công nghệ và cấu hình hệ thống phù hợp nhằm đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng tăng, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì mạng truyền dẫn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Công nghệ DWDM: Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao, cho phép truyền đồng thời nhiều kênh quang trên cùng một sợi quang với khoảng cách bước sóng nhỏ, tối đa hóa băng thông truyền dẫn.

• Điều chế M-QAM: Phương pháp điều chế kết hợp điều chế biên độ và pha, trong đó tín hiệu được biểu diễn trên mặt phẳng phức với các điểm chòm sao (constellation) thể hiện các trạng thái khác nhau. Các loại điều chế như QPSK (4-QAM), 8-QAM, 16-QAM được khảo sát nhằm đánh giá hiệu suất truyền dẫn.

• Xử lý tín hiệu số (DSP) và tách sóng Coherent: Kỹ thuật tách sóng tiên tiến sử dụng bộ thu coherent kết hợp DSP để bù tán sắc, tách kênh phân cực và xác định pha sóng mang, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và tăng khả năng truyền dẫn đường dài.

• Kỹ thuật truyền ngược kỹ thuật số (Digital Backpropagation - DBP): Thuật toán xử lý tín hiệu nhằm bù các hiệu ứng phi tuyến và tán sắc trong sợi quang, nâng cao hiệu suất hệ thống truyền dẫn.

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ số lỗi bit (BER), Q-Factor, độ lớn vectơ lỗi (EVM), tán sắc, suy hao, hiệu ứng phi tuyến, bộ khuếch đại quang EDFA và Raman.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng OptiSystem 16.0 trên nền tảng Windows 10 để xây dựng và phân tích mô hình hệ thống truyền dẫn DWDM đường trục dài 800 km, chia thành 10 chặng mỗi chặng 80 km. Hệ thống gồm 16 kênh quang với các tín hiệu điều chế QPSK, 8-QAM và 16-QAM được khảo sát ở tốc độ 25 Gbaud và 50 Gbaud.

Nguồn dữ liệu thu thập là kết quả mô phỏng các tham số BER, Q-Factor và EVM tại đầu thu, phản ánh chất lượng tín hiệu sau truyền dẫn. Phương pháp phân tích tập trung vào so sánh hiệu suất của các loại điều chế khác nhau dưới các điều kiện công suất và khoảng cách truyền dẫn khác nhau.

Cỡ mẫu mô phỏng là 16 kênh tín hiệu, lựa chọn phương pháp mô phỏng dựa trên khả năng mô hình hóa chi tiết các thành phần hệ thống DWDM như nguồn phát, bộ ghép kênh, bộ khuếch đại, bộ thu và xử lý tín hiệu số. Timeline nghiên cứu kéo dài trong quá trình xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả, tương đương với một kỳ học thạc sĩ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của loại điều chế đến chất lượng truyền dẫn:

   • Ở tốc độ 25 Gbaud, hệ thống sử dụng điều chế QPSK đạt giá trị BER thấp nhất, tiếp theo là 8-QAM và 16-QAM có BER cao hơn do mật độ chòm sao lớn hơn, dễ bị nhiễu.
   • Ở tốc độ 50 Gbaud, sự khác biệt về BER giữa các loại điều chế càng rõ rệt, với 16-QAM có BER tăng khoảng 30% so với QPSK, cho thấy điều chế bậc cao nhạy cảm hơn với suy hao và méo tín hiệu.

2. Ảnh hưởng của công suất phát đến hiệu suất hệ thống:

   • Khi công suất phát tăng từ 5 dBm lên 12 dBm, Q-Factor của hệ thống cải thiện trung bình 15%, tuy nhiên vượt quá mức công suất tối ưu sẽ gây ra hiệu ứng phi tuyến làm giảm chất lượng tín hiệu.
   • Ở công suất 12 dBm, biểu đồ mắt tín hiệu của QPSK và 8-QAM rõ ràng hơn, trong khi 16-QAM có hiện tượng méo mắt rõ rệt, phản ánh sự suy giảm chất lượng.

3. Ảnh hưởng của khoảng cách truyền dẫn:

   • Khi khoảng cách truyền tăng từ 400 km lên 800 km, BER tăng trung bình 20% đối với QPSK và 35% đối với 16-QAM, cho thấy điều chế bậc cao bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi suy hao và tán sắc.
   • Việc sử dụng bộ khuếch đại EDFA và kỹ thuật bù tán sắc DSP giúp duy trì chất lượng tín hiệu ổn định ở khoảng cách lớn.

4. Hiệu quả của kỹ thuật tách sóng Coherent và DBP:

   • Kỹ thuật tách sóng Coherent kết hợp DSP giúp bù tán sắc và phân cực hiệu quả, giảm BER trung bình 25% so với phương pháp tách sóng trực tiếp.
   • Thuật toán DBP cho phép bù các hiệu ứng phi tuyến, nâng cao ngưỡng công suất tối ưu và kéo dài khoảng cách truyền dẫn thêm khoảng 10-15%.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng cho thấy điều chế QPSK phù hợp với các hệ thống DWDM đường trục có yêu cầu độ tin cậy cao và khoảng cách truyền dài, nhờ khả năng chịu nhiễu tốt và BER thấp. Tuy nhiên, để tăng dung lượng truyền dẫn, điều chế bậc cao như 8-QAM và 16-QAM được ưu tiên sử dụng, mặc dù đòi hỏi công nghệ xử lý tín hiệu phức tạp hơn và công suất phát tối ưu.

Sự gia tăng BER và méo tín hiệu ở điều chế 16-QAM phản ánh tính nhạy cảm cao với các yếu tố suy hao, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang. Việc áp dụng kỹ thuật tách sóng Coherent và thuật toán DBP là cần thiết để bù đắp các ảnh hưởng này, giúp nâng cao hiệu suất hệ thống.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả mô phỏng phù hợp với xu hướng ứng dụng công nghệ DSP và kỹ thuật điều chế bậc cao trong các mạng truyền dẫn quang hiện đại. Biểu đồ mắt tín hiệu và các bảng so sánh BER, Q-Factor minh họa trực quan sự khác biệt về hiệu suất giữa các loại điều chế và điều kiện truyền dẫn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu công suất phát tín hiệu:

   • Đề xuất điều chỉnh công suất phát trong khoảng 10-12 dBm để đạt hiệu suất tối ưu, tránh hiện tượng phi tuyến gây méo tín hiệu.
   • Chủ thể thực hiện: Nhà quản lý mạng và kỹ sư vận hành hệ thống.
   • Thời gian: Triển khai trong vòng 6 tháng.

2. Ứng dụng kỹ thuật tách sóng Coherent kết hợp DSP:

   • Khuyến khích sử dụng bộ thu coherent với xử lý tín hiệu số để bù tán sắc và phân cực, nâng cao chất lượng truyền dẫn.
   • Chủ thể thực hiện: Nhà cung cấp thiết bị và đội ngũ kỹ thuật.
   • Thời gian: 12 tháng để nâng cấp và tích hợp.

3. Áp dụng thuật toán Digital Backpropagation (DBP):

   • Triển khai DBP trong hệ thống thu để bù các hiệu ứng phi tuyến, kéo dài khoảng cách truyền dẫn và tăng ngưỡng công suất tối ưu.
   • Chủ thể thực hiện: Phòng nghiên cứu và phát triển công nghệ.
   • Thời gian: 18 tháng nghiên cứu và thử nghiệm.

4. Lựa chọn điều chế phù hợp theo yêu cầu mạng:

   • Sử dụng QPSK cho các tuyến truyền dẫn đường dài cần độ tin cậy cao, 8-QAM và 16-QAM cho các tuyến cần tăng dung lượng với điều kiện xử lý tín hiệu tốt.
   • Chủ thể thực hiện: Nhà thiết kế mạng và kỹ sư hệ thống.