Chương I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG - HỆ THỐNG SONG CÔNG 1. Công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM). Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng Theo các báo cáo khoa học, dung lượng của hệ thống thông tin quang có thể vượt 10 Tbps, nhưng trên thực tế chỉ có thể đạt khoảng 10 - 40 Gbps do giới hạn của hiệu ứng tán sắc, phi tuyến và tốc độ của các thành phần điện. Vì vậy, ghép kênh để truyền nhiều kênh quang trên cùng một sợi là phương thức đơn giản để mở rộng dung lượng của hệ thống lên hàng Tbps.
Ghép kênh có thể thực hiện theo thời gian (ghép kênh theo thời gian TDM) hoặc theo tần số (ghép kênh theo tần số FDM). Nhìn chung, có hai kỹ thuật ghép kênh quang cơ bản là ghép kênh quang theo thời gian (OTDM) và ghép kênh quang theo bước sóng (WDM). Trong thông tin quang điểm - điểm thông thường, mỗi sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và bộ tách sóng quang ở phía thu. Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này.
Như vậy, muốn tăng dung lượng hệ thống thông tin quang thì cần phải sử dụng thêm sợi quang. Kỹ thuật WDM cho phép truyền đồng thời các luồng ánh sáng có các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi, bởi vậy cho phép tăng dung lượng hệ thống thông tin quang mà không cần phải tăng tốc độ bit đường truyền và cũng không phải sử dụng thêm sợi dẫn quang. Người ta có thể thực hiện được WDM là nhờ có băng thông rộng của sợi quang, còn mỗi nguồn phát lại có độ rộng phổ khá hẹp. Vì vậy, lý tưởng ra con người có thể truyền tải được một lượng khổng lồ các kênh từ nhiều nguồn phát khác nhau hoạt động ở các bước sóng phù hợp trên cùng một sợi quang.
Ở đầu thu có thể TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 2 thực hiện việc thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc các tín hiệu dựa vào bước sóng của chúng. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật WDM được thể hiện ở hình 1. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật ghép kênh bước sóng Giả sử có các nguồn phát quang làm việc ở các bước sóng khác nhau λ 1, λ2, λ- 3,. Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau sẽ cùng ghép vào sợi quang ở phía phát nhờ bộ ghép kênh (MUX), tín hiệu ghép này sẽ được truyền qua sợi quang để sang đầu thu.
Tại đầu thu, bộ tách kênh (DEMUX) sẽ cho ra các luồng tín hiệu riêng rẽ căn cứ theo bước sóng. Các nghiên cứu cho thấy các tín hiệu quang không phát một lượng công suất đáng kể nào ở ngoài dải rộng phổ đã xác định trước của chúng, cho nên vấn đề xuyên kênh không đáng lưu ý ở đầu phát. Vấn đề ta cần quan tâm chính là bộ ghép kênh cần có suy hao thấp để sao cho tín hiệu từ nguồn quang tới đầu ra bộ ghép ít bị suy hao. Đối với bộ tách kênh, vì bộ tách sóng thường rất nhạy cảm trên một vùng rộng các bước sóng nên có thể thu được toàn bộ các bước sóng phát đi.
Như vậy, để ngăn chặn một cách hiệu quả các tín hiệu không mong muốn cần phải có biện pháp cách ly tốt các kênh quang. Để thực hiện điều này cần thiết kế các bộ tách kênh thật chuẩn xác hoặc sử dụng các bộ lọc quang rất ổn định với bước sóng cắt chính xác. Cấu trúc điển hình của hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang WDM Có 2 phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang WDM như hình vẽ 1. Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3 hướng như ở hình 1.
là kết hợp các tín hiệu có bước sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia. Phương án truyền dẫn WDM hai hướng như ở hình 1. thì không quy định phát ở một đầu và thu ở một đầu; điều này có nghĩa là có thể phát thông tin theo một hướng tại bước sóng 1 và đồng thời cũng phát thông tin khác theo hướng ngược lại tại bước sóng 2. Đồng thời tại hai đầu thu, sử dụng các thiết bị chia định hướng để tách 2 đường thu: Thu theo 1 tại đầu phát 2 và thu theo 2 tại đầu phát 1.
1 1 Tx1 Rx1 Thiết Thiết bị bị n WDM 1,. n WDM Txn Rxn n (a) 1 1 Tx1 1 Rx1 Thiết Thiết bị bị 2 WDM WDM Rx2 2 Tx2 2 (b) Hình 1. Hệ thống ghép bước sóng theo 1 hướng (a) và theo 2 hướng (b) Như vậy để kết hợp các tín hiệu quang từ các nguồn phát, cần phải có các bộ ghép kênh. Tại đầu thu cần phải có bộ giải ghép kênh để tách các bước sóng quang tương ứng.
Về nguyên lý, bất kỳ một bộ ghép bước sóng nào cũng có thể được dùng làm bộ giải ghép bước sóng. Như vậy, hiểu đơn giản, từ “Bộ ghép – Multiplexer” trong trường hoẹp này thường được sử dụng ở dạng chung để tương thích cho cả bộ ghép và bộ giải ghép; loại trừ trường hợp cần thiết phải phân biệt hai thiết bị hoặc hai chức năng. Vì vậy, khi các luồng tín hiệu quang được giải ghéo ở phía đầu thu thì bộ ghép kênh trở thành bộ giải ghép và ngược lại. Người ta chia loại thiết bị ghép bước sóng quang thành 3 loại: Các bộ ghép (MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và giải ghép hỗn hợp (MUX – DEMUX).
Các TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 4 bộ MUX và DEMUX được dùng cho các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn loại thứ 3 (MUX – DEMUX) được sử dụng cho phương án truyền theo hai hướng.3 là sơ đồ miêu tả thiết bị ghép và giải ghép. Việc mô tả phân tích chính xác thiết bị ghép phải dựa trên ma trận chuyển đổi đối với các phần tử của ma trận Aij(x). Các phần tử này là hệ số phụ thuộc vào bước sóng, nó biểu thị các tín hiệu quang đi vào cửa thứ i và ra cửa thứ j. Thiết bị này được sử dụng khi cần tăng thêm cho chiều đi và chiều về mỗi chiều lớn hơn một tần số.
Các tín hiệu được ghép Ik(k) Sợi dẫn quang O (k) Oi(i) I (i) Các tín hiệu được giải ghép Hình 1. Mô tả thiết bị giải ghép hỗ hợp 1. Khả năng ứng dụng của WDM Các hệ thống WDM có khả năng ứng dụng với nhiều loại mạng và trên tất cả các lớp mạng như thể hiện ở hình 1. Ứng dụng cơ bản nhất của các hệ thống WDM là sử dụng trong mạng đường trục để bao trùm một vùng rộng lớn hoặc liên kết giữa các châu lục.
Mặt khác, các hệ thống WDM cũng được ứng dụng rộng rãi trong các vùng trung tâm hoặc phát triển các mạng có kích cỡ nhỏ hơn gồm một số nút với các loại lưu lượng khác nhau (TDM, SONET/SDH, ATM, IP) để truyền tải tới mạng mức cao hơn, trong đó có một nút là trạm tập trung để liên kết với các mạng khác. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 5 STM STM IP/LAN ATM IP/LAN Truy nhập tới tận nhà Bộ ghép kênh (Tốc độ từ DS0 tới OC-3) OC-3 tới OC-192 Nút OADM Mạng khu vực trung tâm (Tốc độ DS0 - OC-3) OC-12 tới OC-192 Nút quang tốc độ cao Mạng đường trục (Tốc độ trên OC-12) OC-192/OC-768 Đường truyền điện Đường truyền quang Hình 1. Khả năng ứng dụng của WDM Mặc dù công nghệ WDM vẫn còn đang trong giai đoạn phát triển và chuẩn hóa nhưng các hệ thống đã hoạt động với vài chục bước sóng trên một sợi quang, và trong tương lai gần sẽ là hàng trăm bước sóng. Trong thực nghiệm, công nghệ WDM đã hoạt động với trên 200 bước sóng trên một sợi quang, hoạt động ở tốc độ 40 Gbps trên một bước sóng, và như vậy dải rộng băng của mỗi sợi quang có thể đạt tới 8 Tbps.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống truyền dẫn quang WDM. Giao diện chuẩn hóa cho hệ thống WDM Cấu trúc mạng thực tế gồm nhiều hệ thống WDM cùng liên kết hoạt động để tạo ra mạng truyền dẫn cung cấp dịch vụ bước sóng đầu cuối - đến - đầu cuối (gọi tắt là mạng WDM hay mạng quang). Để đảm bảo khả năng kết nối, phối hợp, người ta phải đưa ra các khái niệm, nguyên tắc và chỉ tiêu cụ thể cho từng hoạt động của các phần tử mạng, và tập hợp các vấn đề này tạo nên tiêu chuẩn cho hệ thống.
Tiêu chuẩn hóa của các hệ thống và thiết bị WDM liên quan đến khái niệm “liên kết mạng”, mà mục đích của nó nhằm đảm bảo khả năng chuyển giao thông tin người sử dụng vào trao đổi thông tin quản lý giữa các phần tử mạng. Ý nghĩa của liên kết mạng là các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau nhất định phải có khả năng trộn lẫn trongmột phân đoạn mạng hay nói cách khác là phải đảm bảo “tính tương hợp ngang” trong mạng.692 là tiêu chuẩn cho các hệ thống WDM điểm - điểm cự ly lớn; tốc độ của từng kênh bước sóng là STM-4, STM-16 và/hoặc STM-64; số kênh bước sóng là 4, 8, 16 hoặc 32 kênh; loại sợi G.652, G653 hoặc G655; khoảng cách cực đại của tuyến khi không sử dụng khuếch đại quang là 160 km, có sử dụng khuếch đại quang là 640 km. S1 R1 Tx1 Rx1 f1 RM1 SD1 S2 RM2 SD2 R2 OM/OD OM/OA Tx2 Rx2 f2 OA MPI-S R’ S’ MPI-R RMn SDn Sn Rn Txn Rxn fn Hình 1. Cấu hình chuẩn định nghĩa giao diện quang của hệ thống đa kênh TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 7 Cấu hình chuẩn của hệ thống WDM được xây dựng trên cấu hình hệ thống SDH đa kênh điểm - điểm.
Sự thăng giáng của tín hiệu xuất hiện ở lớp SDH do bộ ghép xen rẽ kênh quang (OADM) hoặc OXC trong lớp chủ (lớp WDM) gây nên gần giống như các bộ khuếch đại quang đường truyền. Các thiết bị này có thể xem như một bộ khuếch đại quang đường truyền hai tầng, tại đầu vào là một bộ tiền khuếch đại nhiễu thấp và đầu ra sử dụng bộ khuếch đại công suất. Quá trình xử lý tín hiệu trung gian sẽ tạo nên một lượng xuyên kênh tuyến tính do đặc tính không lý tưởng của các bộ lọc. Các tín hiệu xen vào và tách ra chịu tác động của hiệu ứng trộn 4 sóng do sự khác biệt rất nhỏ về tần số tín hiệu xen và tách.