tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng wdm

Đại học Công Nghệ Thông Tin

Đại học Quốc Gia Tp.HCM

Đề tài:

Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang

theo bước sóng WDM

Các thành viên trong nhóm

Nguyễn Tiến Thành – 08520354

Phạm Ngọc Sơn – 08520317

Nguyễn Vũ An – 08520517

Hoàng Mạnh Hưng – 08520165

Dương Sơn Thông – 08520391

Giáo viên

ThS. Ngô Hán Chiêu

1

Mục lục

Mục lục ................................................................................................................................................... 2

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................................................................................................................... 6

Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM .................................................................. 10

I: Sự phát triển của công nghệ WDM ................................................................................................. 10

II: Giới thiệu về hệ thống thông tin quang .......................................................................................... 11

III: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng và các tham số cơ bản .............................................. 15

1: Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng ............................................................... 15

1.1: Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: ........................................................................................ 15

1.2: Truyền dẫn hai chiều trên một sợi ........................................................................................ 16

2: Các tham số cơ bản .................................................................................................................... 18

Chương II: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDM ....................................................... 20

I: Các thiết bị WDM vi quang ............................................................................................................ 21

1: Các bộ lọc thiết bị ...................................................................................................................... 22

1.1. Bộ tách hai bước sóng ......................................................................................................... 24

1.2: Bộ tách lớn hơn hai bước sóng ............................................................................................ 25

1.3: Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (MUX-DEMUX): ................................................. 26

2: Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc: ................................................................... 29

2.1. Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc: .............................................................................. 29

2.2. Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc: ................................................................................. 30

2.2.1. Mở đầu ......................................................................................................................... 30

2.2.2. Cách tử nhiễu xạ phẳng................................................................................................. 31

2.2.3. Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng: .......................................................................... 33

2.2.4. Cách tử hình long chảo ................................................................................................. 35

2.2.5. Cách tử Bragg: .............................................................................................................. 36

2

II. CÁC THIẾT BỊ WDM GHÉP SỢI ................................................................................................ 38

III. MỘT SỐ KỸ THUẬT KHÁC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG GHÉP WDM. ................................... 41

1. Bộ ghép bước sóng dùng công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT. ............................. 41

1.1 Nguyên lý chung .................................................................................................................. 41

1.2. Bộ ghép nhân kênh dùng cách tử: ....................................................................................... 42

1.3. Thiết kế bộ ghép n bước sóng. ............................................................................................ 43

2. AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM......................................................... 46

Chương III: MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỶ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN

QUANG WDM ..................................................................................................................................... 49

I: Số kênh sử dụng và khoảng cách giữa các kênh .............................................................................. 50

1: Khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là ..................... 50

2: Khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này là: .......................... 50

II: Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng của nguồn phát ........................... 57

1: Ổn định bước sóng của nguồn quang .......................................................................................... 57

2: Yêu cầu độ rộng của nguồn phát................................................................................................. 57

III: Xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang ................................................................................... 58

IV: Suy hao – Quỹ công suất của hệ thông WDM ............................................................................. 58

V: Tán sắc – Bù tán sắc...................................................................................................................... 59

IV: Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến ........................................................................................ 62

1. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering): .......................................................................... 63

2. Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering): ...................................................................... 64

3. Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation): .................................................................................. 65

4. Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation): ................................................................................ 67

5. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing): ....................................................................................... 67

6. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến: .............................................. 69

3

VII: Bộ khuếch đại EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM ............................ 69

1. Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA: .............................................................................. 70

2. Tăng ích bằng phẳng của EDFA: ................................................................................................ 72

3. Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA: .................................................................... 73

Chương IV: CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG WDM ............................................................................ 74

I.

1.

Công nghệ bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang pha trộn ERBIUM (EDFA) ......................... 74

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA............................................................................. 74

2: Đặc tính của EDFA .................................................................................................................... 77

2.1: Đặc tính khuếch đại ............................................................................................................. 77

2.2: Đặc tính tạp âm nhiễu .......................................................................................................... 78

2.3: EDAF trong hệ thống ghép kệnh theo bước sóng ................................................................. 82

Chương V: Mạng WDM ........................................................................................................................ 84

I: Phân cấp mạng WDM..................................................................................................................... 84

II. Hai kiểu chuyển mạch của WDM ................................................................................................. 86

1. Mạng WDM chuyển mạch kênh quang........................................................................................ 86

2. Mạng WDM chuyểm mạch gói: .................................................................................................. 87

III. Điểm mút của mạng WDM ......................................................................................................... 88

1. Điểm nút OXC: ......................................................................................................................... 88

2. Điểm nút OADM: ...................................................................................................................... 91

IV. Phân phối và định tuyến bước sóng trong mạng WDM ................................................................. 93

1. Kênh bước sóng và kênh bước sóng ảo. ...................................................................................... 93

2. Chọn đường trong mạng WDM .................................................................................................. 95

V: Bảo vệ mạng WDM ...................................................................................................................... 96

1. Bảo vệ kiểu 1+1 trên lớp SDH.................................................................................................... 96

2. Bảo vệ đoạn ghép kênh: ............................................................................................................. 97

4

VI. WDM và SDH. ........................................................................................................................... 97

VII. Mạng quang và hỗn hợp quang điện............................................................................................ 98

VIII. Vấn đề phi tuyến trong mạng quang WDM ................................................................................ 99

IX. Thiết kế cấu trúc mạng WDM ...................................................................................................... 99

V. Mạng Ring tự phục hồi ghép bước sóng ...................................................................................... 101

1. Mở đầu .................................................................................................................................... 101

2. Cấu trúc SHR/WDM đơn hướng.............................................................................................. 101

2.1. Cấu trúc mạng Ring có 4 nút: ............................................................................................ 101

2.2. Cấu trúc nút:...................................................................................................................... 102

2.3: Quan hệ giữa số lượng nút và số lượng bước sóng. ............................................................ 104

3. Cấu trúc SHR/WDM hai hướng................................................................................................ 104

4. So sánh SHR/ADM và SHR/WDM ......................................................................................... 106

KẾT LUẬN ......................................................................................................................................... 108

5

Viết tắt

ADM

AG

AN

AOTF

APD

AWGM

ATM

ADP

AWC

DCA

DEMUX

DSF

DXC

DLE

DWDM

FBG

EDFA

FDM

FFWF

GMPLS

GW

IP

ISDN

LAN

LC

LCP

LCG

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Tiếng AnhTiếng Việt

Add/drop multiplexerBộ ghép kênh xen kẽ

Auxiliary GraphDựng một đồ thị phụ

Acces NodeNút truy nhập

Acousto OpticBộ lọc thanh quang

Turnable Filtercó điều chỉnh

Avalanche PhotodiodeĐiốt quang thác

Arrayed - WavelengthBộ ghép kênh lưới quang

Grating Multiplexerdẫn sóng kiểu dàn

Asynchronous Transfer ModePhương thức truyền không

đồng bộ

Avalanche Photo DiodeĐiốt quang thác

Available WavelengthBước sóng khả dụng

CoreĐường trục

Distinct Channel AssignmentGán kênh riêng biệt

DemultiplexerBộ giải ghép kênh

Dispersion Shifted FiberSợi dịch tán sắc

Digital Cross ConnectNối chéo số

Dynamic Lightpath EstablishmentThiết lập luồng quang

Differential WavelengthGhép kênh chia bước

Division Multiplexersóng vi sai

Fibre GratingLưới sợi quang

Erbium doped fiber ampliferKhuếch đại sợi quang

trộn erbium

Frequency Division MultiplexingGhép kênh phân chia tần số

First Fit Wavelength FirstThuật toán gán bước sóng

theo thứ tự bước sóng

Generalized Multiple ProtocolChuyển mạch nhãn đa

Label Swithchinggiao thức tổng quát

GatewayCổng

Internet ProtocolGiao thức internet

Integrated service digital networkMạng số liên kết dịch vụ

Local Area NetworkMạng cục bộ

Logical ConnectionKết nối logic

Least Congested PathĐịnh tuyến đường nghẽn ít nhất

Logical Connection GraphHướng kết nối logíc biểu đồ

6

LF

LEC

LL

LSP

LSR

LU

M∑

MESH

MPLS

NP￾Largest First

Least Converter First

Least Loaded

Label Swithched Path

Label Swithching Router

Least Used

Max-Sum

Mesh

Multi Protocol Label Swithching

Subset of class NP

problem complete

Non-Zero Dispersion Shifted Fiber

Optical add/drop multiplexer

Optical Circulator

Optical/Electrical/ Optical

Optical Channel

Optical Line Amplifier

Optical Cross Connect

Optical Time Division Multiplex

Routing and Wavelength

Assignment

Synchronous Digital Hierarchy

Sequential Graph Coloring

Synchronous Optical Network

Sub-Network Connection

Protection

Synchronous Transport Module

Static Wavelength Routing

Space Optical Switch

Total wavelength and Available

wavelength

Thuật toán gán bước sóng

từ bậc lớn nhất

Chuyển đổi bước sóng

theo thứ tự cao nhất

Thuật toán gán bước

sóng dựa trên tải ít nhất

Luồng chuyển mạch nhãn

Bộ định tuyến chuyển

mạch nhãn

Gán bước sóng dựa trên

bước sóng sử dụng ít nhất

Thuật toán gán bước sóng dựa

trên tổng dung lượng lớn nhất

Dạng lưới

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

Tập hợp con của lớp các bài

toán NP mà nó được xem là

khó giải

Sợi quang dịch chuyển tán sắc

khác không

Bộ ghép kênh xen/rẽ quang

Bộ đấu vòng quang

Quang/ Điện/ Quang

Kênh quang

Khuếch đại đường quang

Nối chéo quang

Ghép kênh quang phân chia

thời gian

Định tuyến và gán bước sóng

Phân cấp số đồng bộ

Tô màu đồ thị tuần tự

Mạng quang đồng bộ

Bảo vệ kết nối mạng con

Modun truyền tải đồng bộ

Bộ định tuyến bước sóng tĩnh

Chuyển mạch quang không

gian

Tổng bước sóng của các

bước sóng khả dụng

7

NZ-DSF

OADM

OC

O/E/O

Och

OLA

OXC

OTDM

RWA

SDH

SGC

SONET

SNCP

STM

SWR

SOS

TAW

TDM

Thr

TSI

WADM

WC

WDM

WGR

WP

WR

WRS

OSC

DFK

DFF

SMF

DCF

CBFG

OA

OADM

OXC

OMS-DP

OMS-SP

OMS

RWA

SLE

WCA

RCL

RCA

Rsv

WRN

Time Division Multiplexing

Thr - Protecting Threshold

Time Slot Interchanger

Wavelength Add- Drop Multiplexer

Wavelegth Converter

Wavelength Division Multiplex

Waveguide Grating Router

Wavelength Path

Wavelength Router

Wavelength Router Switch

Optical Supervision Chanel

Dispersion Shifted Fiber

Dispersion Flattened Fiber

Single Mode Fiber

Dispersion Compensating Fiber

Chirper Bargg Fiber Grating

Optical Amplifier

Optical Add Drop Multiplexer

Optical Cross Connect

Optical Multiplexer Section

Dedicated Protection

Optical Multiplexer Section

Shared Protection

Optical Multiplexer Section

Routing and Wavelength

Assignment

Static Lightpath Establishment

Wavelength conveter Awave

Relative Capacity Loss

Routing and Channel Assignment

Wavelength Reservation

Wavelength Router Network

Ghép kênh phân chia theo

thời gian

Ngưỡng bảo vệ

Trao đổi khe thời gian

Bộ nhập tách bước sóng

Bộ chuyển đổi bước sóng

Ghép kênh chia bước sóng

Bộ định tuyến lưới quang

dẫn sóng

Đường bước sóng

Bộ định tuyến bước sóng

Khoá định tuyến bước sóng

Kênh giám sát quang

Sợi dịch tán sắc

Sợi tán sắc phẳng

Sợi đơn mode

Sợi bù tán sắc

Cách tử Bargg

Khuếch đại quang

Bộ xen tách quang

Kết nối chéo quang

Bảo vệ dùng riêng mức đoạn

ghép kênh quang

Bảo vệ dùng chung mức đoạn

ghép kênh quang

Đoạn ghép kênh quang

Định tuyến gán bước sóng

Thiết lập luồng quang tĩnh

Bộ chuyển đổi bước sóng

Tổn thất dung lượng tương đối

Định tuyến và gán kênh

Gán bước sóng đặt trước

Mạng định tuyến bước sóng

LỜI NÓI ĐẦU

8

Thời gian gần đây, nhu cầu lưu lượng tăng mạnh do sự phát triển bùng nổ của các

loại hình dịch vụ Internet và các dịch vụ băng thông đã tác động không nhỏ tới việc

xậy dựng cấu trúc mạng viễn thông. Việc xây dựng mạng viễn thông thế hệ sau NGN

đang được quan tâm như một giải pháp hữu hiệu nhằm thoả mãn nhu cầu mạng lưới

trong thời gian tới. Trong cấu trúc NGN mang truyền tải lưu lượng là khâu quan trọng

nhất có nhiệm vụ truyền thông suốt lưu lượng lớn trên mạng, trong đó mạng truyền

dẫn được xem là huyết mạch chính. Để thoả mãn việc thông suốt lưu lượng và băng

tần lớn, các hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM được xem là ứng cử

quan trọng cho đường truyền dẫn. Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho mạng

lưới truyền dẫn cao trên băng tần lơn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng

thời trên một sợi, trong đó mỗi kênh tương đương với một hệ thống truyền dẫn độc

lập tốc độ cao. Công nghệ WDM cho phép các nhà thiết kế mạng lựa chọn được

phương án tối ưu nhất để tăng dung lượng đường truyền với chi phí thấp nhất. Cho

đến nay hầu hết các hệ thống thông tin quang đường trục có dung lượng cao đều sử

dụng công nghệ WDM. Ban đầu từ những tuyến WDM điểm – điểm đến nay đã xuất

hiện các mạng với nhiều cấu trúc phức tạp

Với nhận thức ấy đề tài “Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng

WDM” sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn. Báo cáo gồm có 5 chương với nội dung tóm tắt

cụ thể như sau:

Chương I : Giới thiệu chung về thông tin quang, các nguyên lý ghép kênh trên hệ

thống truyền dẫn hai chiều trên hai sợi và một sợi

Chương II: Giới thiệu về các thiết bị quang thụ động trong WDM, các thiết bị

WDM ghép sợi, một số kỷ thuật SOFT, AWG và những nét mới về công nghệ trong

thiết bị

Chương III: Giới thiệu về các vấn đề kỷ thuật cần quan tâm đối với hệ thống

quang WDM như: Vấn đề ổn định bước sóng, vấn đề xuyên kênh, nhiễu kênh, suy

hao, tán sắc-bù sắc và ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

Chương IV: Các công nghệ then chốt của hệ thống WDM như: Công nghệ lọc

quang có điều chỉnh bước sóng, công nghệ bộ chuyển phát quang (OTU), công nghệ

bộ khuếch đại quan sử dụng sợi quang, công nghệ sợi quang và công nghệ điều khiển

giám sát hệ thông WDM

Chương V: Giới thiệu chung về mạng WDM

9

Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM

I: Sự phát triển của công nghệ WDM

Công nghệ mạng quang đã trở thành nhân tố quan trọng trong sự phát triển của

mạng viễn thông. Yêu cầu băng tần sử dụng lớn là hệ quả tất yếu của nhu cầu truyền

thông dữ liệu ngày nay. Trong hai thập kỷ qua, công nghệ truyền tải quang WDM đã

có sự phát triển vượt bậc. Sự phát triển này có được là nhờ công nghệ chế tạo linh

kiện quang. Những thành tựu của công nghệ này đã góp phần tạo nên hệ thống WDM

dung lượng lớn như ngày nay. Theo thời gian, xuất phát từ những nhu cầu thực tế, các

hệ thống WDM ngày càng trở nên phức tạp. Ở một góc độ nào, sự phức tạp trong hệ

thống WDM là trong những chức năng của thiết bị. Nhờ có chức năng này mà cấu

hình hệ thống WDM chuyển từ đơn giản như cấu hình điểm- điểm sang cấu hình phức

tạp như Ring và Mesh. Các hệ thống WDM đầu tiên xuất hiện từ cuối những năm

1980 sử dụng hai kênh bước sóng trong các vùng 1310nm và 1550nm và thường được

gọi là hệ thống WDM băng rộng. Đầu những năm 1990 xuất hiện các hệ thống WDM

thế hệ hai sử dụng các phần tử WDM thụ động, được gọi là hệ thống WDM băng hẹp

từ 2 đến 8 kênh. Các kênh này nằm trong cửa sổ 1550nm và với khoảng cách kênh

400GHz. Đến giữa những năm 1990 đã có hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) sử

dụng từ 16 đến 40 kênh với khoảng cách kênh từ 100 đến 200 GHz. Các hệ thống này

đã tích hợp các chức năng xen rẽ và quản lý mạng. Các hệ thống WDM ban đầu sử

dụng với khoảng cách kênh lớn. Việc lắp đặt hệ thống WDM chi phối bởi những lý do

kinh tế. Việc nâng cấp thiết bị đầu cuối để khai thác các năng lực của WDM có chi

phi thấp hơn việc lắp đặt cáp sợi quang mới. Sự xuất hiện bộ khuếch đại quang

EDFA đã chuyển hầu hết các hệ thống WDM sang cửa sổ 1530 nm đến 1565nm. Các

hệ thống WDM mới lắp đặt gần đây đã sử dụng các kênh quang có khoảng cách giữa

các kênh hẹp từ 25 GHz đến 50 GHz. Nhu cầu về băng tần mạng đang tăng gần

100%/một năm sẽ tiếp tục gia tăng ít nhất là trong vài chục năm tiếp theo. Việc giảm

giá thành của các nhà cung cấp và trên hết là ứng dụng phổ cập của Internet đòi hỏi

băng tần lớn sẽ được tiếp tục đẩy mạnh.

10