Tổng quan về hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM Từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang được chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, chúng ta đã nhận thấy rằng phương thức truyền dẫn quang đã có những khả năng to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông. Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn quang đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới, chúng đã thích ứng cả những tín hiệu tương tự hoặc số, chúng cho phép truyền lưu lượng các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng thõa mãn đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của mạng số hóa liên kết đa dịch vụ. Đó là ưu điểm vượt trội của các hệ thống thông tin quang để tiến tới xây dựng một mạng truyền dẫn hiện đại. 1.1. Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang WDM Mô hình chung của một tuyến thông tin quang được mô tả như hình 1.1: Sợi dẫn quang Bộ chia quang Các thiết bị khác Thu quang Phát quang Trạm lặp Mạch điện Khuếch đại quang Đầu thu quang Khôi phục tín hiệu Khuếch đại Bộ thu quang Tín hiệu điện ra Nguồn phát quang Mạch điều khiển Tín hiệu điện vào Bộ phát quang Mối hàn sợi Bộ nối quang Hình 1.1. Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang (connector), các mối hàn, bộ chia quang và các trạm lặp; tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850 nm, 1310 nm và 1550 nm. Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng. Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ thứ nhất được sử dụng. Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba. Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến. Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều biến. Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo. Đoạn sợi quang ra của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên tuyến. Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa tới. Tín hiệu quang được biến đổi trở lại thành tín hiệu điện. Các photodiode PIN và photodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống. Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến. Cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép. Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang. Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền. Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang. Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, mỗi một sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một 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 khác nhau, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Như vậy muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang. Với hệ thống quang như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ như hình 1.2. O,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 O,7 1,4 1,5 1,6 l (mm) Suy hao sợi (dB/km) 0 1 2 3 4 5 6 Single mode Multi mode Phổ một nguồn sáng Hình 1.2. Độ rộng phổ nguồn quang và dải thông của sợi quang Vì vậy, đã dẫn đến một ý tưởng hợp lý khi cho rằng có thể truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang từ các nguồn quang có bước sóng phát khác nhau trên cùng một sợi quang. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM sẽ thực hiện ý tưởng này. 1.2. Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM 1.2.1. Giới thiệu hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM Để đáp ứng nhu cầu sử dụng băng thông ngày càng cao của xã hội mà các phương thức truyền dẫn cũ như ghép kênh PDH, ghép kênh SDH không thể đáp ứng, các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn đã xem xét một số phương thức truyền dẫn mới thay thế. Với những ưu thế nổi bật, truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng quang WDM (Wavelength Devision Multiplexing) đã được ứng dụng rộng rãi trên mạng viễn thông của các quốc gia trên thế giới. Ghép kênh theo bước sóng WDM 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 (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. Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất. Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn. Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ nào đó, các mạch điện tử sẽ có hạn chế là không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, mặc khác chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên. 1.2.2. Các kết cấu cơ bản của hệ thống WDM Có hai hình thức cấu thành hệ thống WDM: hệ thống đơn hướng và song hướng như minh họa ở hình 1.3. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang. Ở phía phát, tất cả các kênh quang (có các bước sóng khác nhau λ1, λ2, … λn) thông qua bộ ghép kênh quang tổ hợp lại với nhau và truyền dẫn cùng chiều cùng trên một sợi quang. Vì lưu lượng mang bởi các tín hiệu quang có bước sóng khác nhau, do đó không bị lẫn lộn. Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách các tín hiệu có các bước sóng khác nhau, hoàn thành việc truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh. Ở chiều ngược lại, truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh qua một sợi quang khác được thực hiện theo nguyên lý tương tự. Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm. Lưu lượng được mang bởi các tín hiệu quang có các bước sóng khác nhau. DE MUX RxN Rx2 Rx1 EDFA EDFA λ1, λ2, … λi λ (i+1), λ(i+2), … λn Hệ thống WDM song hướng MUX Tx1 Tx2 TxN MUX DE MUX Tx1 Tx2 TxN RxN Rx2 Rx1 EDFA EDFA Hệ thống WDM đơn hướng λ1, λ2, … λn λ1, λ2, … λn Hình 1.3. Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng 1.2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống WDM Về cơ bản thành phần quang để cấu thành hệ thống WDM bao gồm một hoặc nhiều nguồn phát (laser), một bộ ghép kênh, một hoặc nhiều bộ khuếch đại quang (ví dụ EDFA), khối xen/rẽ (OADM), sợi quang, một bộ tách kênh và các bộ thu tương ứng với phía phát, kênh tín hiệu điều khiển giám sát quang và hệ thống xử lý. Mỗi phần tử trên hệ thống đều thực hiện những chức năng xác định một cách chính xác. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được minh họa ở hình 1.4. Ở đầu phát, trước tiên tín hiệu đến từ thiết bị đầu cuối được bộ chuyển đổi bước sóng quang (OWT – Optical Wavelength Translators) chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu quang có bước sóng theo chuẩn G.692, phù hợp với phổ bước sóng quang WDM. Sau đó các bước sóng WDM theo chuẩn G.692 sẽ được tập hợp thành tín hiệu quang tổng nhờ bộ ghép sóng quang, được khuếch đại qua các bộ khuếch đại công suất quang và phát lên sợi quang. Khi khoảng cách truyền dẫn giữa hai nút mạng quá lớn (lớn hơn 130 km), tín hiệu quang cần được khuếch đại chuyển tiếp. Ở đầu thu, bộ tiền khuếch đại sẽ khuếch đại tín hiệu quang tổng hợp (đang bị suy giảm nhiều về công suất), tiếp đó bộ tách sóng quang sẽ tách các tín hiệu quang có bước sóng nhất định ra khỏi tín hiệu quang tổng hợp. Bộ thu quang phải đảm bảo các yêu cầu về độ nhạy, công suất quá tải, chịu đựng tín hiệu quang có tạp âm, có khả năng khuếch đại băng rộng,… Chức năng chính của kênh tín hiệu quang giám sát là điều khiển và giám sát tình hình truyền dẫn các kênh tín hiệu quang của hệ thống WDM. Ở đầu phát, tín hiệu quang giám sát sẽ được hợp với tín hiệu quang tổng và đưa ra sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu quang giám sát sẽ được tách ra khỏi tín hiệu quang tổng hợp. Các byte đồng bộ khung, byte nghiệp vụ, byte thông tin mào đầu (overheard), … mà mạng quản lý, sử dụng đều được truyền qua kênh tín hiệu quang giám sát. Hệ thống quản lý mạng trên mạng WDM thông qua lớp vật lý của kênh tín hiệu quang giám sát truyền các byte mào đầu đến các nút trên mạng WDM. Nhờ vậy hệ thống quản lý mạng WDM thực hiện được các chức năng quản lý như: quản lý cấu hình, quản lý sự cố, quản lý tính năng, quản lý bảo mật, … và kết nối với hệ thống quản lý cấp cao hơn TMN (mạng quản lý viễn thông). Bộ phát tín hiệu quang giám sát Hệ thống quản lý và giám sát mạng WDM λ1 λn Bộ chuyển đổi bước sóng Bộ chuyển đổi bước sóng Tín hiệu quang 1 Tín hiệu quang n Bộ ghép sóng quang KĐ Phần phát quang WDM λ1 λn KĐ Bộ tách sóng quang Bộ chuyển đổi bước sóng Bộ chuyển đổi bước sóng Tín hiệu quang 1 Tín hiệu quang n Bộ phát tín hiệu quang giám sát Phần thu quang WDM KĐ Bộ phát và thu tín hiệu quang giám sát Phần KĐ đường dây Hình 1.4. Sơ đồ chức năng hệ thống WDM 1.3. Hai dạng hệ thống WDM 1.3.1. Hệ thống WDM kiểu tích hợp Hệ thống kiểu tích hợp là đầu cuối SDH phải thoã mãn giao diện quang G.692, bao gồm bước sóng quang tiêu chuẩn và nguồn quang thoã mãn truyền dẫn cự ly dài. Hệ thống SDH hiện nay (giao diện G.957) không yêu cầu hai chỉ tiêu này, tức là phải tích hợp bước sóng quang tiêu chuẩn và nguồn quang bị hạn chế bởi cự ly tán sắc dài vào hệ thống SDH. Cấu tạo của toàn bộ hệ thống tương đối đơn giản, không có tăng thêm thiết bị dư thừa. Đối với STM-n trong hệ thống WDM kiểu tích hợp, thiết bị ADM và REG đều phải có giao diện quang phù hợp với yêu cầu của hệ thống WDM để thoã mãn nhu cầu của hệ thống truyền dẫn như hình 1.5. Rn Bộ ghép kênh Bộ tách kênh EDFA EDFA SDH SDH SDH SDH S1 S2 Sn G.692 R2 R1 G.692 Hình 1.5. Hệ thống WDM kiểu tích hợp 1.3.2. Hệ thống WDM kiểu mở Hệ thống WDM kiểu mở có bộ chuyển đổi bước sóng OUT ở đầu phát. Tác dụng của nó là chuyển đổi lại bước sóng quang theo yêu cầu nhất định trong khi không biến đổi khuôn dạng số liệu tín hiệu quang để thoã mãn yêu cầu thiết kế hệ thống WDM. Ở đây, “kiểu mở” là trong cùng một hệ thống WDM, có thể nối vào các hệ thống SDH của các nhà sản xuất khác nhau, chuyển đổi bước sóng không quy phạm SDH thành bước sóng tiêu chuẩn. OTU không có yêu cầu đặc biệt đối bước sóng của tín hiệu đầu vào, có thể tương thích bất kỳ tín hiệu SDH của nhà sản xuất nào đó. Đầu ra OTU thão mãn giao diện quang G.692, tức bước sóng quang tiêu chuẩn và nguồn quang thoã mãn truyền dẫn cự ly dài. Hệ thống WDM có OTU không yêu cầu hệ thống SDH có giao diện quang G.692 nữa, có thể tiếp tục sử dụng thiết bị SDH phù hợp với giao diện G.957 tiếp nhận các hệ thống SDH trước đây, mô tả như hình 1.6. Bộ ghép kênh Bộ tách kênh EDFA EDFA SDH OTUUU S1 S2 Sn G.957 R2 Rn R1 G.957 OTU SDH OTU OTU SDH SDH G.957 G.957 Hình 1.6. Hệ thống WDM kiểu mở 1.4. Đặc điểm chính của công nghệ WDM So với công nghệ truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy những ưu điểm vượt trội sau: 1.4.1 Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng lớn của sợi quang Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng tần rộng lớn của sợi quang (đoạn sóng tổn hao thấp), làm cho dung lượng truyền dẫn của một sợi quang so với truyền dẫn bước sóng đơn tăng từ vài lần đến vài chục lần. Từ đó tăng dung lượng truyền dẫn của sợi quang, hạ giá thành, có giá trị ứng dụng và giá trị kinh tế rất lớn. Hiện nay, hệ thống thông tin sợi quang chỉ truyền dẫn trong một kênh tín hiệu bước sóng, mà bản thân sợi quang trong khu vực bước sóng có tổn hao thấp rất rộng, có rất nhiều bước sóng có thể sử dụng nhưng hiện nay người ta chỉ sử dụng một bộ phận rất nhỏ trong tần phổ tổn hao thấp của sợi quang. Mặc dù cũng sử dụng toàn bộ dải tần khu vực khuếch đại của bộ khuếch đại sợi quang trộn Erbium (EDFA) (1530 ~1565 nm), nhưng cũng chỉ chiếm 1/6 dải tần của nó. Cho nên công nghệ WDM tận dụng băng tần rất lớn của sợi quang đơn mode, do đó ở mức độ cao đã giải quyết vấn đề truyền dẫn. 1.4.2. Truyền dẫn nhiều tín hiệu Vì trong công nghệ WDM sử dụng các bước sóng độc lập với nhau, do đó có thể truyền dẫn những tín hiệu có đặc tính hoàn toàn khác nhau, thực hiện việc tổng hợp và chia các tín hiệu dịch vụ viễn thông, bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tương tự, tín hiệu PDH và tín hiệu SDH, truyền dẫn hỗn hợp tín hiệu đa phương tiện (như âm tần, thị tần, số liệu, văn bản, đồ hoạ,… ). 1.4.3. Thực hiện truyền dẫn hai chiều trên một sợi Do các phương tiện thông tin đều dùng phương thức hoàn toàn song công, vì vậy dùng công nghệ WDM có thể tiết kiệm được lượng đầu tư lớn cho đường dây. Căn cứ vào nhu cầu, công nghệ WDM có thể có rất nhiều ứng dụng như: mạng đường trục, mạng phân phối kiểu quảng bá, mạng cục bộ (LAN) nhiều đường nhiều địa chỉ…, do đó rất quan trong đối với ứng dụng mạng. 1.4.4. Tiết kiệm đầu tư cho đường dây Dùng công nghệ WDM có thể ghép kênh N bước sóng truyền dẫn trong sợi quang đơn mode, khi truyền dẫn đường dài dung lượng lớn có thể tiết kiệm số lượng lớn sợi quang. Ngoài ra, thuận tiện cho việc mở rộng dung lượng hệ thống thông tin sợi quang đã xây dựng, chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công suất tương đối lớn thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần phải thay đổi nhiều đối với hệ thống cũ. Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê kênh quang, ngoài việc thuê sợi hoặc thuê cáp. Việc nâng cấp chỉ đơn giản cắm thêm Card mới trong khi hệ thống vẫn đang hoạt động. 1.4.5. Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng, khi đó tốc độ tương ứng của nhiều linh kiện quang điện tất nhiên là không đủ. Việc sử dụng công nghệ WDM có thể giảm yêu cầu rất cao đối với tính năng của một số linh kiện, đồng thời lại có thể truyền dẫn dung lượng lớn. 1.4.6. Tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao của cấu hình mạng Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lý tưởng, là cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng mới (ví dụ IP). Thông qua việc tăng thêm một bước sóng phụ để đưa vào mọi dịch vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn, (ví dụ hiện nay thực hiện công nghệ IP trên WDM). Sử dụng công nghệ WDM trong việc chọn đường, chuyển mạch và khôi phục mạng, từ đó có một mạng trong suốt, linh hoạt, kinh tế và có sức sống trong tương lai. 1.5. Giao diện chuẩn và các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM 1.5.1. Giao diện chuẩn cho hệ thống WDM Trong thực tế, nhiều hệ thống WDM sẽ cùng liên kết hoạt động tạo ra mạng truyền dẫn cung cấp dịch vụ bước sóng đầu cuối đến đầu cuối mạng WDM. Để đảm bảo khả năng phối hợp hoạt động trên, các khái niệm, nguyên tắc và chỉ tiêu cụ thể cần phải được đưa ra cho từng hoạt động của các phần tử mạng. Tập hợp những thông số này tạo nên tiêu chuẩn cho hệ thống. Tiêu chuẩn hoá các hệ thống và thiết bị WDM liên quan đến khái niệm liên kết mạng, mục đích của nó là nhằm đảm bảo khả năng chuyển giao thông tin người sử dụng và 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 trong một phân đoạn mạng hay nói cách khác là phải bảo đảm tính tương hợp ngang trong mạng. Khuyến nghị G.692 của ITU-T đưa ra tiêu chuẩn của các hệ thống WDM điểm-điểm cự ly lớn; tốc độ của từng kênh bước sóng là STM-4, STM-16 hoặc STM-64; số kênh bước sóng 4, 8, 16 hoặc 32 kênh; loại sợi G.652, G.653 hoặc G.655; khoảng cách cực đại của tuyến khi không dùng khuếch đại quang là 160 km và có sử dụng khuếch đại quang là 640 km. 1.5.2. Các tiêu chuẩn liên quan đến hệ thống WDM 1) ITU-T G.872: kiến trúc của mạng truyền tải quang. Khuyến nghị này qui định các chức năng của mạng truyền tải quang truyền tải tín hiệu số, bao gồm: Kiến trúc chức năng truyền tải của mạng quang. Quản lý mạng quang. Các kỹ thuật hồi phục mạng quang. ITU G.709: giao diện cho mạng truyền tải quang (OTN), khuyến nghị này: Phân cấp truyền tải quang (OTN). Chức năng của phần mào đầu trong việc hỗ trợ thông tin đa bước sóng. Cấu trúc khung. Tốc độ bít. Phương thức sắp xếp các tín hiệu client. ITU-T G.959: giao diện vật lý của mạng truyền tải quang, khuyến nghị này đưa ra các chỉ tiêu đối với giao diện kết nối mạng cho các mạng quang sử dụng công nghệ WDM. ITU-T G.692: giao diện quang cho hệ thống đa kênh quang sử dụng khuếch đại quang. ITU-T G.957: giao diện quang cho thiết bị và hệ thống SDH. ITU-T G.691: giao diện quang cho hệ thống đơn kênh quang tốc độ STM-64, STM-256 và các hệ thống SDH khác sử dụng khuếch đại quang. CHƯƠNG 2 SỢI QUANG VÀ CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG WDM 2.1. Sợi quang Sợi quang là một trong những thành phần quang trọng nhất của mạng, nó là phương tiện truyền dẫn vật lý. Sợi quang được chế tạo từ SiO2 một nguyên liệu rất rẻ và phổ biến vì nó có trong cát thường. Sợi quang có ba cửa sổ truyền dẫn: Vùng cửa sổ một: Người ta dùng LED chế tạo ra cửa sổ quang có bước sóng 850 nm, mức suy hao = 1dB/Km, hệ số tán sắc lớn. Vùng cửa sổ hai: Ứng với bước sóng 1310 nm, có hệ số suy hao = 0.5 dB/Km, hế số tán sắc nhỏ TS = 3,5 – 5 ps/nm.Km Vùng cửa sổ thứ ba: Ứng với bước sóng 1550 nm, có hệ số suy hao nhỏ nhất = 0,154 dB/Km. Với kỹ thuật cao có thể chế tạo được sợi quang đơn mode có = 0,14 dB/Km. Suy hao tại ba vùng cửa sổ này là thấp nhất, ở Việt Nam thường dùng ở cửa sổ thứ ba (= 1550 nm). Ghép kênh theo bước sóng là công nghệ làm tăng dung lượng đường truyền bằng cách tăng số kênh quang truyền trên sợi quang thay vì chỉ dùng một kênh quang. Vì vậy, yêu cầu môi trường truyền dẫn phải có: Hệ số suy hao nhỏ. Hệ số tán sắc nhỏ. 2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý truyền dẫn trong sợi quang Sợi gồm một lõi dẫn quang bằng thủy tinh có chiết suất n1, bán kính là a, đường kính là dk. Và lớp bọc bằng thủy tinh bao xung quanh ruột có chiết suất n2, với n1 > n2, đường kính dm. Các tham số n1, n2 và a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang, người ta gọi đó là các tham số cấu trúc. Khi ánh sáng truyền trong lõi, sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc. Do đó, ánh sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uống cong (với một độ cong giới hạn) như hình 2.1. n1 n2 n Lớp bọc (cladding) n2 Lớp bọc (cladding) n2 Lõi (core) n1 Hình 2.1. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 2.1.2. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang Sợi quang có chiết suất nhảy bậc ( SIMM: Step Index Multi Mode) Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các con đường khác nhau như hình vẽ. n1 n1>n2 n2 n2 Hình 2.2. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI) Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc: . Trong đó: C là vận tốc ánh sáng trong chân không, C = 3.10 8 m/s. n1 chiết suất môi trường trong lõi sợi. Ở đây n1 không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn tới hiện tượng khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi. Đây là hiện tượng tán sắc, do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền dẫn tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được. Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần. Sợi quang có chiết suất giảm dần (GIMM: Graded Index Multi Mode). Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parapol, vì chiết suất thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uống cong dần. Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau, vận tốc truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn với vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn với vận tốc truyền nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất. Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đường parapol thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này là bằng nhau hình 2.3. Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI n2 n2 n1 n(r) Hình 2.3. Sự truyền ánh sáng trong sợi GI Các dạng chiết suất khác Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến nhưng còn có một số dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng các yêu cầu đặc biệt như: Dạng giảm chiết suất lớp bọc. Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thủy tinh có chiết suất lớn thì phải pha thêm nhiều tạp chất nhưng điều này lại làm tăng suy hao. Dạng này chỉ đảm bảo độ chênh lệch chiết suất Δ nhưng có chiết suất lõi n1 không cao. Dạng dịch độ tán sắc. Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1310 nm. Người ta có thể dịch điểm độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550 nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình 2.4. Hình 2.4. Chiết suất dạng dịch độ tán sắc Dạng san bằng tán sắc. Với mục đích giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng, để đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng người ta dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình 2.5. Hình 2.5. Chiết suất dạng san bằng tán sắc 2.1.3. Các thông số của sợi quang 2.1.3.1. Suy hao của sợi quang Công suất quang truyền tải trên sợi giảm dần theo cự ly với quy luật hàm số mũ tương ứng như tín hiệu điện. Biểu thức của hàm số truyền công suất có dạng: P (z) = P (0) × e Trong đó: P (0) là công suất ở đầu sợi (z = 0). P (z) là công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi. là hệ số suy hao ( < 0). P1 =P0 P2 = P (L) L Hình 2.6. Công suất truyền trên sợi Hệ số suy hao của sợi được tính theo công thức : Trong đó : P1 = P (0) công suất đưa vào sợi. P2 = P (L) công suất ở cuối sợi. - Hệ số suy hao trung bình : (dB /km) = Trong đó : A là suy hao của sợi. L là chiều dài của sợi. Các nguyên nhân gây tổn hao trên sợi quang a. Suy hao do hấp thụ Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại. Các tạp chất kim loại trong thủy tinh là một trong những nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng, các tạp chất thường gặp là sắt (Fe), đồng (Cu), mangan (Mn), cobar (Co) và niken (Ni). Mức độ hấp thụ của từng tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó. Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1 dB/Km cần phải có thủy tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá 10-9. Sự hấp thụ của ion OH. Các liên kết giữa SiO2 và các ion OH của nước còn sót lại trong vật liệu khi chế tạo sợi quang cũng tạo ra mật độ suy hao hấp thụ đáng kể. Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950 nm, 1240 nm, 1400 nm. Như vậy độ ẩm là một trong những nguyên nhân gây ra suy hao sợi quang. Sự hấp thụ cực tím và hồng ngoại. Ngay cả khi sợi quang được chế tạo từ thủy tinh có độ tinh khiết cao, sự hấp thụ vẫn xảy ra. Vì bản thân thủy tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng vùng cực tím và vùng hồng ngoại, sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại sẽ gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các bước sóng dài trong thông tin quang. b. Suy hao do tán xạ Tán xạ Rayleigh Khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp những chỗ không đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xếp các phần tử thủy tinh, các khuyết tật như bọt khí, các vết nứt sẽ gây ra hiện tượng tán xạ. Khi kích thước của vùng không đồng nhất vào khoảng một phần mười bước sóng thì chúng trở thành những nguồn điểm để tán xạ. Các tia truyền qua những điểm không đồng nhất này sẽ tách ra nhiều hướng khác nhau, chỉ một phần năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ phần còn lại sẽ truyền theo hướng khác, thậm chí truyền ngược lại nguồn quang. Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo Khi tia sáng truyền đến những chỗ khuyết tật (lõi) giữa lõi và lớp bọc, tia sáng sẽ bị tán xạ. Lúc đó có một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau. Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ qua lớp bọc và suy hao dần. Suy hao bị uốn cong Vi uốn cong Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi cũng tăng lên. Suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi qua những chỗ vi uốn cong đó. Hay nói cách khác, sự phân bố thường bị xáo trộn khi đi qua những chỗ uốn cong và dẫn tới sự phát xạ năng lượng khỏi sợi. Đặc biệt là sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong nhất là bước sóng dài. Uốn cong Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng. Suy hao mối hàn Khi hàn nối các sợi quang, chúng ta nối đầu sợi quang lại với nhau chuẩn trục. Nếu lõi của hai sợi không được gắn với nhau chính xác và đồng nhất thì phần ánh sáng đi qua khỏi sợi này sẽ không vào sợi kia hoàn toàn, gây ra suy hao. 2.1.3.2. Tán sắc Tương tự như tín hiệu điện, tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng biến dạng, hiện tượng này gọi là tán sắc. Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệu analog và làm xung bị chồng lấp trong tín hiệu digital. Sự tán sắc làm hạn chế dải thông của đường truyền dẫn quang. Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang kí hiệu là D, đơn vị là S, được xác định bởi công thức: mmmmmm Trong đó: , là độ rộng của xung vào và xung ra, đơn vị là (S). Độ tán sắc qua mỗi km được tính bằng đơn vị ns/km hoặc ps/km. Đối với loại tán sắc do chất liệu người ta đánh giá độ tán sắc trên mỗi km sợi ứng với mỗi nm của bề rộng phổ của nguồn quang lúc đó đơn vị được tính là ps/nm.km. Pi Pi Pi/2 Pi/2 L ζi ζ0 Hình 2.7. Dạng xung vào và xung ra sau hiện tượng tán sắc Các nguyên nhân gây tán sắc Tán sắc mode Tán sắc mode là do năng lượng của ánh sáng phân tán thành nhiều mode, mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời gian truyền khác nhau. Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi đặc biệt là đường kính lõi sợi. Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode. Tán sắc sắc thể Tán sắc thể là do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải là đơn sắc mà gồm một khoảng bước sóng nhất định. Mỗi bước sóng lại có vận tốc truyền khác nhau nên thời gian truyền khác nhau. Tán sắc chất liệu Chiết suất của thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau. Đó là nguyên nhân gây nên tán sắc chất liệu. Tán sắc chất liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang. Đơn vị của độ tán sắc do chất liệu M là ps/nm.km. Ở bước sóng 850nm, độ tán sắc cho chất liệu M khoảng 90 đến 120ps/nm.km. Nếu sử dụng nguồn quang là LED có bề rộng phổ nm thì độ nới rộng xung quang khi truyền qua mỗi km là: Dmat = M . Dmat = 100 ps/nm.km x 50 nm = 5 ns/km. Còn nếu nguồn quang là laser diode có nm thì độ nới rộng xung chỉ khoảng 0,3ns/km. Ở bước sóng 1300 nm tán sắc do chất liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng nhưng ngược dấu nên tán sắc sắc thể bằng không. Do đó bước sóng 1300 nm thường được chọn cho các đường truyền tốc độ cao. Ở bước sóng 1550 nm độ tán sắc do chất liệu khoảng 20 ps/nm.km. Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng Sự phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng gây nên sự tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc do ống dẫn sóng thay đổi theo bước sóng. 2.2. Cáp quang 2.2.1 Yêu cầu kết cấu của cáp quang Cấu trúc của cáp quang phải thõa mãn yêu cầu chính là bảo vệ sợi quang trước tác dụng của cơ học, của điều kiện bên ngoài trong quá trình thi công lắp đặt và cả quá trình sử dụng lâu dài. Các lực cơ học có thể làm đứt sợi quang hoặc làm tăng suy hao và làm giảm tuổi thọ của sợi quang. Cáp quang phải được chế tạo phù hợp với mục đích sử dụng viễn thông như: cáp treo, cáp chôn, cáp thả cống, cáp thả biển và cáp trong nhà. Thành phần chính của sợi quang gồm: lõi (core) và lớp bọc (cladding). Trong viễn thông dùng loại sợi có cả hai lớp trên bằng thủy tinh, lõi để dẫn ánh sáng và lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi, nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc. Ngoài ra để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác dụng do điều kiện bên ngoài, sợi quang còn bọc thêm vài lớp phụ. Có thể phân loại sợi quang thành bốn nhóm dựa trên vật liệu chế tạo: - Sợi Sillica (SiO2) - Sợi hợp chất thủy tinh. Sợi có lớp bọc bằng Plastic. Sợi Plastic. Nhưng sợi thường được dùng trong viễn thông là sợi Sillica. 2.2.2. Cấu trúc và các thành phần của cáp 2.2.2.1. Cấu trúc tổng quát Cấu trúc tổng quát của cáp bao gồm như hình 2.8. Sợi quang: các sợi quang đã được bọc lớp phủ và lớp vỏ, sắp xếp theo một thứ tự nhất định. Lớp vỏ có thể có dạng đệm lỏng, đệm khí, đệm tổng hợp, băng dẹp. Thành phần chịu lực: bao gồm thành phần chịu lực trung tâm và thành phần chịu lực bên ngoài. Chất nhồi: để làm đầy ruột cáp. Vỏ cáp: để bảo vệ ruột cáp. Lớp gia cường: để bảo vệ sợi cáp trong những điều kiện khắc nghiệt. Thành phần chịu lực ngoài Thành phần chịu lực trung tâm Vỏ cáp Lớp đệm Ống đệm lỏng Sợi quang Hình 2.8. Cấu trúc tổng quát của cáp quang 2.2.2.2. Các thành phần của cáp a. Thành phần chống ẩm Để tránh sự xâm nhập của nước dọc theo ruột cáp, người ta bơm đầy các khoảng trống trong ruột cáp bởi một hợp chất nhờn dưới áp suất rất cao. Hợp chất nhờn cũng phải có các độ đặc tính giống như chất nhờn trong đệm lỏng: Có tác dụng ngăn ẩm. Không có tác dụng hóa học với các thành phần khác của cáp. Không thay đổi thể tích trong khoảng nhiệt độ làm việc. Dể tẩy sạch khi hàn nối. Khó cháy. Ngoài ra ruột cáp còn được bao bọc bởi một lớp ngăn ẩm bằng kim loại dán mỏng thường là nhôm (hoặc Plastic). Đối với loại cáp không chứa thành phần kim loại dán mỏng thường được làm dạng gợn sóng để tăng sức chịu đựng các lực cơ học. Đối với các loại cáp không cần độ chống ẩm cao như cáp dùng trong nhà thì không cần bơm chất nhờn, cũng như không cần lớp chống ẩm. b.Thành phần chịu lực Vì sợi quang bằng thủy tinh dễ gãy nên trong cáp sợi quang phải có các thành phần chịu lực để giữ cho sợi quang không bị kéo căng trong quá trình lắp đặt cũng như sử dụng. Các thành phần chịu lực bao gồm: Các thành phần chịu lực trung tâm nằm ở trục cáp, thành phần chịu lực trung tâm có thể bằng dây kim loại hoặc bằng sợi không kim loại. Thành phần chịu lực bảo vệ ruột cáp bằng tơ hoặc bằng sợi aramide được bện bao quanh ruột cáp. Ngoài ra một số loại cáp có thêm các sợi làm đầy, cũng tăng sức chịu lực cho cáp. c.Vỏ cáp Vỏ cáp để bảo vệ ruột cáp khỏi tác động của môi trường, như tác động của cơ học, hóa học, hơi ẩm, nhiệt độ... Khi chọn vật liệu làm vỏ cáp cần lưu ý đến các đặc tính sau: Đặc tính khí hậu. Khả năng chống ẩm. Độ bền cơ học. Tính trở đối với các chất hóa học. Bảo đảm cho cáp có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ. Khó cháy. Lớp gia cường đặc biệt Cấu tạo của cáp quang từ ruột đến vỏ cáp tương đối hoàn chỉnh, song trong trường hợp cần được lắp đặt trong điều kiện môi trường đặc biệt như: ngâm dưới nước, chôn trực tiếp trong vùng có nhiều loại gặm nhấm, côn trùng, treo trực tiếp thì chế tạo cáp cần có thêm các lớp gia cường để bổ xung thêm khả năng chịu lực cho các phần tử gia cường khác trong ruột cáp. 2.2.3.Các loại cáp quang được khuyến nghị sử dụng trong hệ thống WDM 2.2.3.1. Sợi SSMF (single-mode optical fibre cable) hay sợi G.652 Sợi đơn mode là sợi truyền dẫn một mode ánh sáng. Loại này có được là do đường kính lõi được giảm đến một kích thước mà nó chỉ cho phép truyền lan một mode ánh sáng. Lõi của sợi đơn mode thường có đường kính 8mm - 10mm. Sợi quang đơn mode có nhiều ưu điểm nổi bật so với so với sợi đa mode như suy hao nhỏ và tán sắc cũng nhỏ hơn do không có tán sắc mode. Sợi SSMF là cáp đơn mode có tán sắc gần bằng không trong vùng bước sóng 1310 nm. Lúc đầu, cáp này chế tạo ra nhằm mục đích tối ưu hoá sử dụng khai thác ở vùng bước sóng này. Tuy nhiên, cáp G.652 có thể được sử dụng cả ở vùng 1550 nm. Khi hoạt động ở bước sóng 1550 nm thì có: Hệ số suy hao khoảng 0,2 dB/km. Hệ số tán sắc khoảng 17 ps/nm.km. Các tuyến thông tin cáp sợi quang trên thế giới, hiện đang sử dụng phổ biến loại cáp sợi quang đơn mode theo khuyến nghị G.652 của ITU-T. Sợi G.652 được khuyến nghị dùng bước sóng ở cửa sổ thứ hai của sợi quang (1310 nm), và thực tế là nó tối ưu cho các hệ thống đơn bước sóng sử dụng bước sóng ở vùng cửa sổ này do có hệ số tán sắc bé và hệ số suy hao chấp nhận được. Tuy nhiên, nếu dùng sợi G.652 đem áp dụng trong hệ thống WDM tại vùng bước sóng cửa sổ thứ ba (1550 nm) thì sẽ gây ra suy hao lớn, không ghép được nhiều kênh,ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến. Để khắc phục nhược điểm này người ta đã chế tạo ra hai loại sợi đó là sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyển DSF (Dispersion-Shifted Fiber) và sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyển không bằng không hay tán sắc dịch chuyển khác không NZ-DSF (Non-zero Dispersion-Shifted Fiber). 2.2.3.2. Sợi DSF (dispersion-shifted single-mode optical fibre cable) hay sợi G.653 Sau khi chế tạo cáp G.652 người ta thấy rằng: Nếu truyền tại cửa sổ 1310 nm thì tuy tán sắc gần bằng không, nhưng lại có suy hao quá lớn khoảng 0,4dB/km. Còn nếu truyền tại bước sóng 1550 nm thì tuy có suy hao nhỏ nhưng lại có tán sắc lớn 17 ps/nm.km. Muốn truyền dẫn tại cửa sổ 1550 nm vừa có suy hao nhỏ, đồng thời lại vừa muốn có tán sắc gần bằng không, người ta đã nghĩ ra cáp G.653 bằng cách pha thêm một số tạp chất vào sợi. Kết quả sợi G.653 ra đời, sợi quang này tận dụng được ưu điểm của hai vùng cửa sổ quang, đó là hệ số suy hao của vùng cửa sổ thứ hai có bước sóng trung tâm là 1310 nm và hệ số tán sắc vùng cửa sổ thứ ba có bước sóng trung tâm là 1550 nm, với suy hao sợi thực tế khoảng 0,2dB/km đồng thời có tán sắc bằng không khi truyền dẫn tại cửa sổ 1550 nm. Đó là nguyên nhân vì sao gọi sợi G.653 này là sợi tán sắc dịch chuyển. DSF là sợi quang đơn mode dịch tán sắc có tính năng tốt nhất ở bước sóng 1550 nm. Sợi này còn được sử dụng tối ưu cho các bước sóng nằm xung quanh vùng 1550 nm (1525 nm – 1575 nm). Bằng cách thay đổi sự phân bố khúc xạ làm cho điểm sáng bằng không dịch từ cửa sổ 1310 nm tới khu vực bước sóng làm việc 1550 nm. Sợi này cũng có thể dùng cho vùng bước sóng 1310 nm (1285 nm – 1340 nm). Đặc tính suy hao của sợi DSF cũng giống như sợi đơn mode không dịch tán sắc, nhưng tối ưu tán sắc tại bước sóng 1550 nm. Tại bước sóng này suy hao và tán sắc của sợi DSF là bé nhất. Sợi quang đơn mode DSF có suy hao nhỏ, giới hạn suy hao điển hình là (0,17dB/km - 0,25dB/km) và tán sắc cũng nhỏ cho nên rất hiệu quả cho việc ứng dụng vào các hệ thống thông tin quang hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm hoặc là các hệ thống sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, trong đó hiệu quả nhất là đối với các hệ thống đơn kênh quang. Tuy nhiên, cáp này chỉ thích hợp truyền dẫn những luồng quang bình thường, không phải ghép kênh quang tốc độ cao. Khi có ghép kênh, nhất là ghép DWDM như hiện nay, chính việc có tán sắc gần bằng không tại cửa sổ 1550 nm đã làm cho hiệu ứng phi tuyến trộn bốn bước sóng (FWM - Four Wave Mixing) tăng rất mạnh (nếu ghép càng nhiều kênh gần nhau). Vì hạn chế khả năng ghép kênh DWDM như vậy nên đây là nguyên nhân chính làm loại cáp này bây giờ được sử dụng rất ít. 2.2.3.3. Sợi CSF (cut-off shifted single-mode optical fibre cable) hay sợi G.654 Cáp này lại có tán sắc gần bằng không tại cửa sổ 1310 nm, và tại cửa sổ 1550 nm là khoảng 20 ps/nm.km. Nhưng nó lại có suy hao tối thiểu tại cửa sổ 1550 nm (theo khuyến nghị phải < 0,22dB/km). Trên thực tế, các hãng có thể chế tạo ra cáp có suy hao nhỏ hơn. Nói chung, đây là loại chế tạo ra không có dịch chuyển tán sắc (giống sợi G.652). Ngoài ra cố gắng làm giảm cực tiểu suy hao trong vùng 1550 nm để kéo dài truyền dẫn nhất là với cáp quang biển. Cáp này nó có ưu điểm nổi trội là mở rộng băng thông hoạt động sang cả vùng băng thông quang L, tức là mở rộng phổ truyền dẫn sang tới bước sóng 1625 nm. 2.2.3.4. Sợi NZ-DSF (non-zero dispersion shifted single-mode optical fibre cable) hay sợi G.655 Ngày nay với sự phát triển ưu thế của ghép kênh theo tần số quang mật độ cao, kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM ra đời thể hiện khả năng truyền nhiều bước sóng trên một sợi quang, lúc này cần phải chú trọng đáp ứng phi tuyến của sợi quang. Vì đáp ứng phi tuyến nó gây ra thêm một loạt các hiệu ứng phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn sóng FWM, tự điều chế pha SPM (Self Phase Modulation), điều chế chéo pha XPM (Cross Phase Modulation). Trong các hiệu ứng này, hiệu ứng FWM là nghiêm trọng nhất. Do hiệu suất của hiệu ứng FWM phụ thuộc vào tán sắc của sợi quang cho nên sợi tán sắc dịch chuyển DSF không thích hợp với các hệ thống WDM có dung lượng lớn và cự ly xa. Để giải quyết vấn đề này thì sợi NZ-DSF đã ra đời nhằm chống lại giới hạn FWM của DSF để đảm bảo cho tất cả các kênh có các tốc độ khác nhau trong sợi quang. Đặc tính suy hao của sợi này tương tự như sợi đơn mode thông thường SMF, nhưng điểm nổi bật của nó là có tán sắc nhỏ nhưng khác không với giá trị tiêu biểu là 0,1ps/nm.km ≤ Dmin ≤ Dmax ≤ 6 ps/nm.km trong vùng bước sóng 1530 nm – 1565 nm nhưng không được bằng không tại vùng cửa sổ 1550 nm. Do đó, đặc điểm nổi trội nhất của nó so với các sợi khác ở chỗ, nó được tối ưu hoá chống lại các hiệu ứng phi tuyến (nhất là FWM), để có thể truyền dẫn cho hệ thống DWDM. Băng thông quy định theo khuyến nghị là băng C (1530 nm – 1565 nm) nhưng mở rộng sang cả băng L thì càng tốt, tức là khuyến khích chế tạo mở rộng phổ truyền dẫn sang tới bước sóng 1625 nm. Có hai loại sợi NZ-DSF là loại +NZ-DSF và loại -NZ-DSF. Loại sợi +NZ-DSF có điểm tán sắc bằng không nằm ở vùng bước sóng nhỏ hơn 1500 nm. Loại sợi -NZ-DSF có điểm tán sắc bằng không nằm ở vùng bước sóng lớn hơn 1600 nm. Sau đây là sơ đồ biểu diễn hệ số tán sắc của các loại sợi quang. Hình 2.9. Phân loại sợi quang theo tán sắc Từ các ưu, nhược điểm của các loại sợi cáp trên thì mạng viễn thông đường trục của nước ta đang sử dụng cáp theo chuẩn G.652 bởi giá thành rẻ. Trong tương lai để đáp ứng nhu cầu phát triển mạnh của mạng viễn thông và các tuyến thông tin trọng điểm DWDM thì cần nên khai thác ưu điểm của sợi cáp G.655. 2.3. Nguồn quang WDM Cấu trúc của một hệ thống thông tin quang bao gồm nhiều thành phần cơ bản, một trong các thành phần cơ bản đó là nguồn quang tạo ra sóng mang quang. Nguồn quang trong hệ thống WDM không có gì khác với nguồn quang của hệ thống thông tin quang khác, tuy nhiên nguồn quang được sử dụng trên tuyến truyền dẫn tốc độ cao và rất cao, cụ thể trong hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng thường là Diode Laser (LD). Các yêu cầu cơ bản của nguồn quang Một sóng mang được biểu diễn bởi biên độ, tần số và pha như sau: Trong đó : A là biên độ, là tần số và là pha. Tuy nhiên trong thực tế đầu ra của một nguồn quang có dạng như sau: Trong đó mỗi sóng mang tại tần số đại diện cho mode dài, là nhiễu pha. Sóng mang biên độ lớn nhất được gọi là mode chính và các sóng khác gọi là mode bên. Nếu một nguồn quang có nhiều mode sẽ không tốt cho thông tin quang vì chúng tạo ra hiện tượng tán sắc và nhiễu pha. Để thiết kế được một hệ thống tốt, cần phải chú ý các yêu cầu sau về nguồn quang. Đơn mode: vì các lý do không tốt mà nguồn quang đa mode đem lại, rất nhiều laser đơn mode được chế tạo như laser phản hồi phân phối và laser phản xạ Bragg phân phối. Nhiễu thấp: có nhiều loại nhiễu trong thông tin quang như nhiễu pha, nhiễu cường độ và nhiễu mode. Nhiễu thấp rất quan trọng để giảm hệ số BER trong thông tin. Phổ hẹp: phổ hẹp sẽ làm giảm nhiễu pha, từ đó dẫn đến giảm hiện tượng giãn xung ánh sáng và vì vậy tăng được tốc độ truyền. Công suất ra lớn: công suất ra lớn làm tăng tỷ số Tín hiệu/Tạp âm và cho phép truyền được cự ly xa hơn. Để có được công suất cao, nguồn quang phải được thiết kế để có hiệu suất ghép cao. Dòng ngưỡng nhỏ: đối với các LD, hiện tượng laser chỉ có thể xảy ra khi dòng thiên áp ngược lớn hơn một giá trị min gọi là dòng ngưỡng. Bước sóng: các sóng ánh sáng tại các bước sóng khác nhau có đặc tính lan truyền khác nhau. Độ rộng phổ điều chế lớn: trong thông tin quang có hai phương pháp điều chế đó là điều chế trực tiếp và điều chế ngoài. Điều chế trực tiếp thường được dùng, bởi vì nó đơn giản, phương pháp này sử dụng tín hiệu cần truyền để điều khiển nguồn quang một cách trực tiếp. Độ giãn phổ nhỏ: khi một nguồn sáng được điều chế trực tiếp, phổ ra của nó sẽ bị giãn (mở rộng), giãn phổ là do chiết suất khúc xạ ánh sáng của nguồn quang. Do phổ lớn sẽ làm tăng hiện tượng tán xạ xung nên nó cần được hạn chế. Độ tuyến tính: đối với thông tin tương tự, độ méo tín hiệu do sự không tuyến tính của nguồn sáng cần được giảm thiểu. Độ không tuyến tính sẽ gây ra hiện tượng sóng và xuyên âm. Độ điều chỉnh được: đối với các ứng dụng như ghép kênh theo bước sóng, khả năng điều chỉnh được bước sóng của diode laser là rất cần thiết. Một diode laser điều chỉnh được có hai đầu mối hoặc nhiều hơn, cho phép người sử dụng điều chỉnh được bước sóng ra. Một LD điều chỉnh được gọi là tốt cần có vùng điều chỉnh được tới vài ngàn GHz. 2.4. Thiết bị khuếch đại quang sợi 2.4.1. Chức năng của bộ khuếch đại quang OA Bù tán sắc. Hiệu chỉnh mức công suất hay băng tần khuếch đại. Tách, chèn và xử lý các thông tin mào đầu truyền dẫn đoạn quang. Hỗ trợ kênh giám sát và kênh mang thông tin người sử dụng. Kiểm soát tín hiệu quang. Chống sự tăng vọt trong tín hiệu quang. 2.4.2. Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang (EDFA) Khuếch đại quang sợi hiện nay chủ yếu dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt là EDFA (Erbium-Dopped Fiber Amplifier). Nguyên lý khuếch đại được thực hiện nhờ cơ chế bức xạ trong ba mức hoặc bốn mức như hình 2.10. l bơm l bơm E2 E2 E3 E3 E4 E1 E1 b) a) Phân rã Phân rã Phân rã Hình 2.10. Cơ chế bức xạ trong ba mức (a) và trong bốn mức (b) EDFA có cấu trúc là một đoạn sợi quang mà lõi của chúng được cấy Er3+ với nồng độ ít hơn 0,1%. Khi một nguồn bơm photon bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm được bơm vào lõi sợi đặc biệt này, các ion Er3+ sẽ hấp thụ các photon đó, một điện tử của nó chuyển mức năng lượng từ mức cơ bản E1 lên mức kích thích E2. Do tồn tại một mức năng lượng siêu bền E3 ở giữa, nên các điện tử này chuyển xuống mức năng lượng E3 theo cơ chế phân rã không bức xạ. Sau một khoảng thời gian 10 ns, điện tử được kích thích này rơi trở lại mức E1, và phát xạ ra photon. Hiện tượng bức xạ bình thường có thể là bức xạ tự phát hoặc bức xạ sẽ xảy ra mạnh theo cơ chế bức xạ kích thích; tức là do sự có mặt của các photon mang năng lượng bằng với năng lượng dịch chuyển mức của các điện tử (trong EDFA thì đó là photon của tín hiệu được khuếch đại) sẽ kích thích sự phát xạ và tạo ra thêm nhiều photon tỷ lệ với số photon của chùm sáng, bức xạ này ở vùng bước sóng 1550 nm. Nhờ vậy, tín hiệu được khuếch đại khi đi qua sợi pha tạp Erbium. Tín hiệu quang ra WDM Isolator WDM Isolator Tap Coupler WDM Isolator WDM Isolator Tap coupler Tap coupler Pump laser 980, 1480 Tín hiệu quang vào Hình 2.11. Cấu trúc của khuếch đại quang sợi EDFA Hình 2.11 là cấu trúc của một khuếch đại quang sợi EDFA và đường đặc tính phổ khuếch đại của nó, bơm laser có thể hoạt động ở hai bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm thì hiệu suất bơm hiệu quả nhất. Các bộ cách ly quang có nhiệm vụ chống phản xạ tín hiệu, chỉ cho phép truyền dẫn quang đơn hướng. WDM Coupler dùng để ghép tín hiệu bước sóng bơm và tín hiệu cần khuếch đại vào sợi Erbium. 2.4.3. Ứng dụng khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM Có ba ứng dụng chính của EDFA, đó là: Khuếch đại công suất (Booster Amplifier - BA), tiền khuếch đại (Pre-amplifier - PA) và khuếch đại đường truyền (Line Amplifier - LA) như hình 2.12. Hình 2.12. Ứng dụng của EDFA BA là thiết bị EDFA có công suất bão hoà lớn được sử dụng ngay sau nguồn phát quang để tăng mức công suất tín hiệu. Vì mức công suất ra tương đối cao nên có thể bỏ qua tạp âm ASE và do đó đối với BA không cần chú trọng đến bộ lọc tạp âm. Tuy nhiên, với mức công suất ra cao nên việc sử dụng BA có thể gây ra một số hiện tượng phi tuyến. PA là thiết bị EDFA có mức tạp âm rất thấp, được đặt ngay trước máy thu quang để tăng độ nhạy máy thu. Sử dụng PA, độ nhạy máy thu được tăng lên đáng kể. Để có được mức tạp âm ASE thấp, người ta thường sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp. LA là thiết bị EDFA có mức tạp âm thấp được sử dụng trên đường truyền (giữa hai đoạn sợi quang) để tăng chiều dài khoảng lặp. Tuỳ theo chiều dài tuyến mà LA có thể được dùng để thay thế một số hay tất cả các trạm lặp trên tuyến. Đối với hệ thống sử dụng LA thì yêu cầu phải có một kênh thông tin riêng để thực hiện việc cảnh báo, giám sát và điều khiển các LA. Trong đó, kênh giám sát (OSC - Optical Supervisor Channel) không được quá gần với sóng bơm và kênh tín hiệu để tránh ảnh hưởng giữa các kênh này. Tại mỗi LA, kênh giám sát được chèn thêm các thông tin mới như: thông tin về trạng thái của LA và các thông tin về cảnh báo, sau đó lại được phát lại vào đường truyền. Khi sử dụng LA sẽ tăng khoảng cách truyền dẫn (cỡ vài nghìn km), nhưng nếu sử dụng nhiều LA trên đường truyền sẽ làm suy giảm chất lượng của hệ thống do các hiện tượng như: tích luỹ tạp âm, ảnh hưởng của tán sắc và ảnh hưởng các hiệu ứng phi tuyến. Như vậy, việc sử dụng các thiết bị khuếch đại quang (BA, LA, PA) sẽ làm tăng công suất lên đáng kể, so với các thiết bị đầu cuối thông thường khác. Bên cạnh đó khả năng khuếch đại không phụ thuộc vào tốc độ và dạng tín hiệu, do phổ khuếch đại tương đối rộng khoảng 35 nm. Nên nó rất tiện lợi trong việc nâng cấp tuyến để tăng tốc độ và thêm kênh bước sóng. Đối với ba loại khuếch đại trên: Khuếch đại công suất, khuếch đại đường truyền và tiền khuếch đại, thì bộ khuếch đại công suất được ưu tiên sử dụng hơn cả. Vì nếu sử dụng khuếch đại đường truyền, thì đòi hỏi phải có một kênh giám sát riêng và việc lắp đặt nó sẽ làm cho việc bảo dưỡng trở nên phức tạp hơn. Còn đối với tiền khuếch đại, tuy có ưu điểm tăng công suất nhưng do cấu tạo phức tạp vì phải sử dụng các bộ lọc quang băng hẹp để loại bỏ bớt tạp âm. Bên cạnh các ưu điểm: tăng công suất, bù suy hao, tăng cự ly truyền dẫn…EDFA còn tồn tại những nhược điểm. Một trong các mặt hạn chế của EDFA đối với hệ thống WDM là phổ khuếch đại không đồng đều, các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại với các hệ số khác nhau, đặc biệt là sự tồn tại của đỉnh khuếch đại tại bước sóng 1530 nm. Nếu trên tuyến truyền dẫn có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp thì sẽ hình thành một đỉnh khuếch đại khác xung quanh bước sóng 1558 nm. Như vậy, với nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền, dải phổ khuếch đại sẽ bị thu hẹp lại (có thể là từ 35 nm giảm xuống còn 10 nm). Để giải quyết vấn đề cân bằng hệ số khuếch đại của EDFA, hiện nay người ta sử dụng hai phương pháp sau: Sử dụng bộ lọc để suy hao tín hiệu tại đỉnh khuếch đại xung quanh bước sóng 1530 nm, và xung quanh bước sóng 1558 nm (trong trường hợp có sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền) . Điều chỉnh mức công suất đầu vào của các bước sóng sao cho tại đầu thu mức công suất của tất cả các bước sóng này là như nhau. 2.4.4.Khuếch đại quang sợi thế hệ mới cho hệ thống WDM Mặc dù EDFA đã có rất nhiều triển vọng và ứng dụng trong mạng quang hiện nay nhưng chúng vẫn chưa thể đáp ứng được hết các yêu cầu về độ rộng phổ và độ đồng đều của phổ khuếch đại. Hầu hết chúng có độ rộng phổ cỡ độ 35 nm (từ 1530 nm – 1565 nm), nên gọi độ rộng phổ này là băng C (Conventional). Với những công nghệ mới ra như, các module laser DFB, các module quang WDM, các loại sợi quang mới như, sợi cân bằng tán sắc và sợi dịch chuyển tán sắc… Tất cả chúng đều yêu cầu về độ rộng phổ của băng tần khuếch đại. Điều này dẫn đến sự ra đời các EDFA thế hệ mới có độ rộng phổ tăng, nâng bước sóng truyền dẫn lên đến 1590 nm thuộc vùng băng L (băng rộng: extend band). Sự ra đời của EDFA thế hệ mới này giúp giảm đi các hiện tượng xuyên kênh tăng nhanh do tán sắc và khoảng cách kênh bước sóng gần nhau tại vùng bước sóng 1550 nm của sợi tán sắc dịch chuyển. Nó cũng tạo thêm một cửa sổ truyền dẫn mới với 80 kênh bước sóng và khoảng cách kênh bước sóng là 50 GHz cho hệ thống truyền dẫn WDM. Hình 2.13. Mô hình truyền dẫn WDM 160 kênh bước sóng cho cả hai băng truyền dẫn C và L 2.5. Thiết bị xen rớt quang (OADM) 2.5.1. Các chức năng của OADM Bù tán sắc. Điều chỉnh mức công suất (khuếch đại/suy hao). Chèn, tách và xử lý các thông tin mào đầu của ghép kênh phân đoạn quang. Tách, chèn, và xử lý các thông tin mào đầu của truyền dẫn phân đoạn quang. Hỗ trợ kênh giám sát và các kênh thông tin người sử dụng. Kiểm soát tín hiệu quang 2.5.2. Các phần tử quang tiên tiến trong thiết bị OADM Bất kỳ một hệ thống quang nào cũng được kết cấu từ các phần tử quang riêng biệt.Cho dù mạng quang có cấu hình từ đơn giản hay phức tạp, thì vấn đề lắp đặt và triển khai mạng phải được chú trọng. Sao cho mọi phần tử của mạng đều có thể tiến hành được các chức năng như giám sát, tối ưu hoá hoạt động, định tuyến quang… Cụ thể các chức năng trên như sau: Chức năng giám sát sẽ do các phần tử OPM (Optical Performance Monitor) thực hiện. Tối ưu hóa sẽ do các phần tử như module điều chỉnh tán sắc DEM (Chromatic Disperation Equalizier Module) và PMD (Polarization MODE), thực hiện để tối ưu hoá các đặc tính tín hiệu quang trên đường truyền. Chức năng định tuyến sẽ do các thiết bị như OXC (Optical Cross Connect) thực hiện, bao gồm: cấu hình lại đường mạng, định tuyến… để làm cân bằng dung lượng các đường, các kênh…, khởi tạo các chuyển mạch quang bảo vệ và ngăn ngừa các sự cố… Chức năng xen rẽ do OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) thực hiện xen rẽ bước sóng, chia tách lưu lượng theo yêu cầu cho từng nút xen rẽ, giống như vai trò của ADM trong mạng SDH. Các node xen rẽ ADM và OADM Về bản chất, ADM là một phần tử của kiến trúc mạng quang thực hiện việc cấu hình lưu lượng theo kiểu đơn hướng hoặc đa hướng. Kiến trúc hiện giờ của ADM dựa trên các thiết bị SONET/SDH ADM, sử dụng bộ ghép kênh điện thực hiện việc ghép kênh TDM để kết hợp hoặc tách các luồng tín hiệu với các tốc độ chuẩn của SONET hoặc SDH vào luồng chính hoặc từ luồng chính ra, chỉ có các luồng dữ liệu cần thiết mới được truy nhập và bị tách và dữ liệu mới được chèn vào luồng với tất cả tối đa dung lượng còn lại cho phép của mạng, sau đó lưu lượng này được chuyển tới node tiếp theo. Sự ra đời của công nghệ WDM, đặc biệt là DWDM, nhiều bước sóng quang mang tin tức được truyền đi cùng trên một sợi thì vai trò của thiết bị OADM càng trở nên quan trọng hơn. Trong các thiết bị OADM, dữ liệu cần tách hoặc ghép được truy nhập thông qua việc lọc lấy một bước sóng quang từ luồng tín hiệu đa bước sóng trên sợi quang tại node hoặc một sóng mang quang được ghép vào luồng tín hiệu trên sợi tại mode đó. Nhờ tính năng đó mà các nhà cung cấp dịch vụ có thể cho thuê một bước sóng mang nào đó (giống như cho thuê một kênh trên luồng sóng mang), điều đó nó mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn việc cho thuê cả một sợi quang. Nhìn chung, vai trò của thiết bị OADM là quan trọng. Vì mọi chức năng như khuếch đại, phát và định tuyến của mạng quang đều được thực hiện tại các node OADM 2.5.3. Module giám sát hệ thống (OPM) trong thiết bị OADM Một module OPM có thể được triển khai tại trạm xen/rẽ, để giám sát xem quá trình tái cấu hình của OADM, hoặc xem quá trình làm cân bằng lưu lượng trên mạng khi đi qua node có thành công hay không. Module OPM này làm việc ở lớp quang, chúng đo các thông số quan trọng của các kênh bước sóng như: bước sóng làm việc, công suất của kênh, tỷ số S/N, số lượng kênh đang hoạt động, khoảng cách giữa các kênh, công suất tương đối giữa các kênh, độ khuếch đại và độ gợn khuếch đại đạt được (nếu hệ thống sử dụng khuếch đại quang đường truyền). Thực hiện giám sát tỉ số BER, tỉ số S/N để can thiệp vào việc hiệu chỉnh các tỉ số trên giữa các chặng. Tầm quan trọng của OPM đòi hỏi chúng phải có độ tin cậy cao, có khả năng làm việc trong một giới hạn rộng về môi trường, phải có tốc độ xử lý thật cao để phù hợp đối với việc quản lý mạng. Chính vì vậy, việc tính toán thiết kế để có vị trí thích hợp cho OPM trên mạng là hết sức quan trọng. 2.5.4. Module điều chỉnh cân bằng tán sắc DEM Việc định tuyến, cấu hình lại lưu lượng giữa các bước sóng truyền trên sợi quang hoặc giữa các bước sóng trên các sợi quang của mạch vòng… luôn đòi hỏi nhà khai thác chú ý quan tâm đến vấn đề tán sắc của từng kênh bước sóng và tỉ số SNR. Chúng cần phải được hiệu chỉnh để phù hợp với tuyến lưu lượng mới mà nó tham gia. Có nhiều cách để hiệu chỉnh công suất và tỉ số SNR. Cách đơn giản nhất là thực hiện hiệu chỉnh hệ số suy giảm hoặc hệ số khuếch đại quang cho từng kênh đối với bộ khuếch đại quang đường truyền. Tuy nhiên, vấn đề tán sắc có thể chỉ được điều chỉnh cho từng kênh bước sóng và đòi hỏi thiết bị điều chỉnh tán sắc được kiểm soát từ xa, có khả năng quản lý vấn đề tán sắc của các kênh bước sóng đã được chuyển đổi lưu lượng. 2.6. Thiết bị kết nối chéo OXC 2.6.1. Sự ra đời của công nghệ chuyển mạch quang hoàn toàn Với khả năng về tốc độ, dung lượng ngày càng tăng, lại do sự cạnh tranh giữa các nhà cung cấp thiết bị và dịch vụ như ngày nay, thì các module thiết bị quang - điện - quang (O/E/O) không thể đáp ứng được những yêu cầu về tốc độ, băng thông… của một mạng mới dựa trên công nghệ DWDM. Do tốc độ của luồng dữ liệu cao nên các thiết bị chuyển đổi quang – điện có giá thành trở nên rất đắt, hơn nữa các IC thực hiện chuyển mạch điện ở tốc độ khoảng 10 Gbps – 40 Gbps sẽ rất khó. Vì vậy trong tương lai sẽ có nhiều chức năng mạng được tiến hành tại lớp quang, mà để thực hiện đượcnnnnn, những chức năng này yêu cầu tất cả các phần tử mạng phải được chuyển sang quang hoàn toàn. Nếu tiến tới được một mạng quang hoàn toàn thì sẽ loại bỏ những trở ngại về tốc độ, dung lượng và tạo ra nhiều dịch vụ mới, mang lại lợi ích cho cả nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng, như dịch vụ thuê kênh bước sóng. Chính vì vậy mà có nhiều kiến trúc khá phức tạp đã được đề xuất cho công nghệ chuyển mạch quang, đó là những công nghệ sau: Công nghệ quang - cơ. Công nghệ lái tia. Công nghệ vi cơ điện (MEM). LiNbO3. Công nghệ bán dẫn (InP). Công nghệ khuếch đại quang bán dẫn (SOA). Công nghệ quang nhiệt polyme. Công nghệ quang nhiệt Silic. Công nghệ PLC kết hợp với thermal ink-jet - Silica Planar Lightwave Circuits. Mặc dù có nhiều đề xuất như vậy, nhưng chưa có công nghệ nào đáp ứng được toàn bộ các nhu cầu ứng dụng của một hệ thống toàn quang. Nhưng đây cũng là ước vọng, hứa hẹn trong tương lai sẽ có những công nghệ như thế để đáp ứng nhu cầu của nhà cung cấp cũng như người sử dụng. 2.6.2. Thiết bị kết nối chéo quang OXC OXC thực hiện các chức năng như: ghép và tách kênh, ghép kênh xen rẽ, chuyển mạch không gian và chuyển đổi bước sóng. Bằng cách thực hiện nối xuyên các tín hiệu quang giữa các sợi đầu vào và đầu ra. Trong mạng chuyển mạch hoàn toàn quang thì, OXC thực hiện kết nối chéo bất cứ một sợi quang của M sợi đầu vào với bất cứ một sợi quang nào của N sợi đầu ra trong hệ thống WDM. Cho nên nó đóng vai trò vừa là thiết bị định tuyến bước sóng quang, vừa là thiết bị chuyển mạch bảo vệ và kết nối các vòng Ring. Hình 2.14. Ma trận chuyển mạch OXC Tầm quan trọng của OXC thật là to lớn, nhưng vấn đề đặt ra là làm thế nào để có một OXC cơ lớn hơn phục vụ trong mọi cấu hình mạng vẫn là câu hỏi chưa có lời giải đáp rõ. Chính vì lý do này đã khiến cho nhiều chuyên gia mạng luôn phấn đấu tìm tòi, nghiên cứu để đưa ra giải pháp tốt nhất về chúng, cũng là giải pháp tiến tới một mạng truyền dẫn hoàn toàn quang. Kết quả cho vấn đề này là một thử nghiệm theo kiểu mỗi bước sóng một card (one wavelength-per-card), được minh họa như hình 2.15. Hình 2.15. OXC với chuyển mạch kiểu “one wavelength-per-card” Các bộ đấu chéo quang này hoạt động như các bộ DXC quang có khả năng đấu chéo các bước sóng quang khác nhau. Nó đáp ứng cho việc xử lý dung lượng cực lớn một cách mềm dẻo, phục vụ cho nhu cầu tiến tới mạng truyền dẫn quang hoàn toàn. CHƯƠNG 3 NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG WDM Bất cứ một công nghệ nào cũng tồn tại những giới hạn và những vấn đề kỹ thuật. Khi triển khai công nghệ WDM vào mạng thông tin quang, cần phải lưu ý một số vấn đề sau: Số kênh được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh. Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang. Vấn đề xuyên nhiễu giữa các kênh. Vấn đề tán sắc, bù tán sắc. Quỹ công suất của hệ thống. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến. Một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM Chương này sẽ lần lượt đề cập đến từng vấn đề, đồng thời đưa ra các phương án giải quyết cho từng trường hợp. 3.1. Số kênh được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh Một trong các yếu tố quan trọng cần phải xem xét là hệ thống sẽ sử dụng bao nhiêu kênh và số kênh cực đại có thể sử dụng là bao nhiêu. Số kênh cực đại của hệ thống phụ thuộc vào: Khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là: Băng tần của sợi quang. Khả năng tách/ghép của các thiết bị WDM. Khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này là: Tốc độ truyền dẫn của từng kênh. Quỹ công suất quang. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến. Độ rộng phổ của nguồn phát. Khả năng tách/ghép của các thiết bị WDM. Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550 nm có độ rộng khoảng 100 nm nhưng do dải khuếch đại của các bộ khuếch đại quang chỉ có độ rộng khoảng 35 nm (theo khuyến nghị của ITU-T thì dải khuếch đại này là từ bước sóng 1530 nm đến 1565 nm đối với băng C; hoặc từ 1570 nm đến 1603 nm đối với băng L). Chính điều này làm các hệ thống WDM không thể tận dụng hết băng tần của sợi quang, nói cách khác hệ thống WDM chỉ làm việc với dải bước sóng nhỏ hơn nhiều so với toàn bộ dải tần bằng phẳng có tổn hao thấp của sợi quang. Khoảng cách kênh là độ rộng tần số tiêu chuẩn giữa các kênh gần nhau. Việc phân bổ kênh một cách hợp lý trong dải băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên dải tần và giảm ảnh hưởng phi tuyến tính giữa các kênh gần nhau. Sử dụng khoảng cách kênh không đều nhau để hạn chế hiệu ứng trộn tần bốn sóng trong sợi quang. Dưới đây chỉ đề cập đến hệ thống có khoảng cách kênh đều nhau. Nếu gọi Dl là khoảng cách giữa các kênh, ta có: = Như vậy, tại bước sóng l = 1550 nm, với Dl = 35 nm xét đối với riêng băng C thì ta sẽ có = 4,37.1012 Hz = 4370 GHz. Giả sử tốc độ truyền dẫn của từng kênh là 2,5 GHz, theo định lý Nyquist, phổ cơ sở của tín hiệu là 2 × 2,5 = 5 GHz. Khi đó số kênh bước sóng cực đại có thể đạt được là N = /5 = 874 kênh trong dải băng tần của bộ khuếch đại quang (OFA). Đây là số kênh cực đại tính theo lý thuyết đối với băng C. Tuy nhiên với mật độ kênh càng lớn đòi hỏi các thành phần quang trên tuyến phải có chất lượng càng cao. Để tránh xuyên âm giữa các kênh này cần phải có các nguồn phát quang rất ổn định và các bộ thu quang có độ chọn lọc bước sóng cao, bất kỳ sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm giãn phổ sang kênh lân cận. Tần số trung tâm danh định là tần số tương ứng với mỗi kênh quang trong hệ thống ghép kênh quang. Để đảm bảo tính tương thích giữa các hệ thống WDM khác nhau, cần phải chuẩn hoá tần số trung tâm của các kênh, ITU-T đưa ra quy định về khoảng cách tối thiểu giữa các kênh là 100 GHz (xấp xỉ bằng 0,8 nm) với tần số chuẩn là 193,1 THz (mặc dù đã đưa ra các sản phẩm mà khoảng cách giữa các kênh là 50 GHz, song các sản phẩm thương mại vẫn chủ yếu theo quy định của ITU-T đã nêu). Dưới đây là bảng liệt kê các tần số trung tâm danh định lấy 50 GHz và 100 GHz làm khoảng cách giữa các kênh trong khoảng bước sóng từ 1534 nm đến 1560 nm. Bảng 3.1. Tần số trung tâm danh định Số thứ tự Tần số trung tâm danh định với khoảng cách là 50GHz (THz) Tần số trung tâm danh định với khoảng cách là 100 GHz (THz) Bước sóng trung tâm danh định (nm) 1 195,40 195,40 1534,25 2 195,35 - 1534,64 3 195,30 195,30 1535,04 4 195,25 - 1535,43 5 195,20 195,20 1535,82 6 195,15 - 1536,22 7 195,10 195,10 1536,61 8 195,05 - 1537,00 9 195,00 195,00 1537,40 10 194,95 - 1537,79 11 194,90 194,90 1538,19 12 194,85 - 1538,58 13 194,80 194,80 1538,98 14 194,75 - 1539,37 15 194,70 194,70 1539,77 16 194,65 - 1540,16 17 194,60 194,60 1540,56 18 194,55 - 1540,95 19 194,50 194,50 1541,35 20 194,45 - 1541,75 21 194,40 194,40 1542,14 22 194,35 - 1542,54 23 194,30 194,30 1542,94 24 194,25 - 1543,33 25 194,20 194,20 1543,73 26 194,15 - 1543,93 27 194,10 194,10 1544,53 28 194,05 - 1544,92 29 194,00 194,00 1545,32 30 193,95 - 1545,72 31 193,90 193,90 1546,12 32 193,85 - 1546,52 33 193,80 193,80 1546,92 34 193,75 - 1547,32 35 193,70 193,70 1547,72 36 193,65 - 1548,11 37 193,60 193,60 1548,51 38 193,55 - 1548,91 39 193,50 193,50 1549,32 40 193,45 - 1549,72 41 193,40 193,40 1550,12 42 193,35 - 1550,52 43 193,30 193,30 1550,92 44 193,25 - 1551,32 45 193,20 193,20 1551,72 46 193,15 - 1552,12 47 193,10 193,10 1552,52 48 193,05 - 1552,93 49 193,00 193,00 1553,33 50 192,95 - 1553,73 51 192,90 192,90 1554,13 52 192,85 - 1554,54 53 192,80 192,80 1554,94 54 192,75 - 1555,34 55 192,70 192,70 1555,75 56 192,65 - 1556,15 57 192,60 192,60 1556,55 58 192,55 - 1556,96 59 192,50 192,50 1557,36 60 192,45 - 1557,77 61 192,40 192,40 1558,17 62 192,35 - 1558,58 63 192,30 192,30 1558,98 64 192,25 - 1559,39 65 192,20 192,20 1559,79 Trong một hệ thống WDM số lượng bước sóng không thể quá nhiều, bởi vì điều khiển và giám sát đối với các bước sóng này là một vấn đề phức tạp, có thể quy định trị số lớn nhất đối với số lượng bước sóng của hệ thống từ góc độ kinh tế và công nghệ. Tất cả các bước sóng đều phải nằm ở phần tương đối bằng phẳng trên đường cong tăng ích của bộ khuếch đại quang, để cho hệ số tăng ích của các kênh khi đi qua bộ khuếch đại quang là gần như nhau, điều này tiện lợi cho thiết kế hệ thống. Đối với bộ khuếch đại sợi quang pha trộn erbium, phần tương đối bằng phẳng của đường cong tăng ích là từ 1540 nm đến 1560 nm. Một hệ thống WDM 16 kênh và 8 kênh trên thực tế có bảng phân phối kênh như dưới đây: Bảng 3.2. Tần số trung tâm của hệ thống WDM có 16 kênh và 8 kênh Thứ tự Tần số trung tâm (THz) Bước sóng (nm) 1 192 1560,61 * 2 192 1559,79 3 192 1558,98 * 4 192 1558,17 5 192 1557,36 * 6 192 1556,55 7 192 1555,75 * 8 192 1554,94 9 192 1554,13 * 10 193 1553,33 11 193 1552,52 * 12 193 1551,72 13 193 1550,92 * 14 193 1550,12 15 193 1549,32 * 16 193 1548,51 (Bước sóng trung tâm của 8 kênh trong hệ thống 8 kênh chọn các giá trị bước sóng có dấu *). 3.2. Vấn đề ổn đinh bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phát 3.2.1. Ổn định bước sóng của nguồn quang Trong hệ thống WDM, phải quy định và điều chỉnh chính xác bước sóng của nguồn quang, nếu không, sự trôi bước sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thống không ổn định hay kém tin cậy. Hiện nay chủ yếu dùng hai phương pháp điều khiển nguồn quang: thứ nhất là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua nhiệt độ chip của bộ kích quang để điều khiển giám sát mạch điện điều nhiệt với mục đích điều khiển bước sóng và ổn định bước sóng; thứ hai là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua việc giám sát bước sóng tín hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự chênh lệnh trị số giữa điện áp đầu ra và điện áp tham khảo tiêu chuẩn để điều khiển nhiệt độ của bộ kích quang, hình thành kết cấu khép kín chốt vào bước sóng trung tâm. 3.2.2. Yêu cầu độ rộng phổ của nguồn phát Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát nhằm đảm bảo cho các kênh hoạt động một cách độc lập với nhau hay nói cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phía thu giữa các kênh lân cận. Băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênh ghép được rất lớn (ở cả hai cửa sổ truyền dẫn). Tuy nhiên, trong thực tế các hệ thống WDM thường đi liền với các bộ khuếch đại quang sợi, làm việc chỉ ở vùng cửa sổ 1550 nm, nên băng tần của hệ thống WDM bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch đại (từ 1530 nm đến 1565 nm cho băng C; từ 1570 đến 1603 nm cho băng L). Như vậy một vấn đề đặt ra khi ghép là khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải thoả mãn được yêu cầu tránh chồng phổ của các kênh lân cận ở phía thu, khoảng cách này phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn phát, phụ thuộc vào các ảnh hưởng như: tán sắc sợi, các hiệu ứng phi tuyến... Có thể xem hệ thống WDM như là sự xếp chồng của các hệ thống truyền dẫn đơn kênh khi khoảng cách giữa các kênh đủ lớn và công suất phát hợp lý. Mối quan hệ giữa phổ của tín hiệu phía thu với phổ của tín hiệu phía phát được thể hiện bởi tham số đặc trưng cho sự giãn phổ, ký kiệu là D; độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn ký hiệu là B; độ tán sắc tương ứng với khoảng cách truyền ký hiệu là D. Gọi x là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát và sợi quang, ta có: x = B.D.D. Từ công thức trên có thể tính được độ giãn rộng phổ nguồn phát: D = x/B.D. Với độ giãn rộng phổ này và khoảng cách kênh bước sóng cho theo bảng tần số trung tâm (bảng 3.1) ta tìm được độ rộng phổ yêu cầu của nguồn phát. 3.3. Xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang Xuyên nhiễu giữa các kênh trong sợi quang ảnh hưởng tới độ nhạy của máy thu, chính vì vậy có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ thống WDM. Có thể chia ra làm hai loại xuyên nhiễu chính sau đây: - Xuyên nhiễu tuyến tính: do đặc tính không lý tưởng của các thiết bị tách kênh, mức xuyên nhiễu này chủ yếu phụ thuộc vào kiểu thiết bị tách kênh được sử dụng cũng như khoảng cách giữa các kênh. - Xuyên nhiễu phi tuyến: chủ yếu do các hiệu ứng phi tuyến của sợi quang gây nên. 3.4. Suy hao - quỹ công suất của hệ thống WDM Trong bất kỳ hệ thống số nào thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo được tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với một mức BER cho phép. Giả sử máy phát phát tín hiệu đi tới phía thu với một mức công suất Pph nhất định, công suất của tín hiệu sẽ bị suy giảm dần trên đường truyền dẫn do rất nhiều nguyên nhân như: suy hao do bản thân sợi quang gây ra, suy hao do các thành phần quang thụ động...cự ly truyền dẫn càng dài thì công suất tín hiệu bị suy hao càng nhiều, nếu suy hao quá lớn làm cho công suất tín hiệu đến được máy thu nhỏ hơn công suất ngưỡng thu nhỏ nhất (Pthu min) cho phép thì thông tin truyền đi sẽ bị mất. Để máy thu thu được thông tin thì công suất tín hiệu đến máy thu phải nằm trong dải công suất của máy thu. Pmáy phát = Pphát + Pdự trữ Pthu min < P phát - Ptổng suy hao < Pthu max Như vậy để đảm bảo được thông tin thì công suất phát phải càng lớn khi cự ly truyền dẫn càng lớn. Để khắc phục điều này người ta sử dụng bộ lặp tín hiệu trên đường truyền. Trước đây khi chưa có bộ khuếch đại quang, suy hao tín hiệu trên đường truyền sẽ được bù lại thông qua việc sử dụng các trạm lặp điện 3R, quá trình này được thực hiện tương đối phức tạp. Đầu tiên, phải tách tất cả các kênh (nhờ thiết bị DEMUX), biến đổi các kênh tín hiệu quang này thành các kênh tín hiệu điện, thực hiện khuếch đại từng kênh, biến đổi từng kênh trở lại tín hiệu quang, sau đó mới thực hiện ghép các kênh tín hiệu quang này lại với nhau (nhờ thiết bị MUX), điều này làm cho việc tính toán, thiết kế tuyến thông tin quang gặp nhiều khó khăn. Việc sử dụng các trạm lặp điện 3R không những làm cho số lượng thiết bị trên tuyến tăng lên mà còn làm giảm quỹ công suất của hệ thống (do suy hao xen của các thiết bị tách/ghép bước sóng là tương đối lớn). Tuy nhiên, khi bộ khuếch đại quang sợi EDFA ra đời, việc đảm bảo quỹ công suất quang cho hệ thống tốt hơn rất nhiều, nó làm giảm bớt số trạm lặp trên tuyến rất nhiều, với khả năng khuếch đại đồng thời nhiều bước sóng, EDFA đặc biệt thích hợp với các hệ thống WDM. 3.5. Tán sắc - bù tán sắc Sau khi sử dụng EDFA trên tuyến thì vấn đề suy hao đã được giải quyết, cự ly truyền dẫn được nâng lên rõ rệt, nhưng tổng tán sắc cũng tăng lên. Do đó, yêu cầu phải giải quyết vấn đề tán sắc nếu không sẽ không thực hiện được việc truyền thông tin tốc độ cao và truyền dẫn cự ly dài. Nếu tốc độ càng cao thì ảnh hưởng của hiệu ứng tán sắc của sợi quang càng lớn. Ví dụ như sợi quang G. 652 tán sắc ở tốc độ 2,5 Gbit/s cự ly bị hạn chế ở khoảng 928 km, nếu tốc độ tăng lên 10 Gbit/s thì cự ly truyền dẫn bị hạn chế chỉ còn 58 km. Bảng 3.3. Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp (trị số lý thuyết) Tốc độ 1550 nm (G.652) 1550 nm (G.655) 1310 nm (G.652) 2,5 Gbit/s 928 km 4528 km 6400 km 10 Gbit/s 58 km 283 km 400 km 20 Gbit/s 14,5 km 70 km 100 km 40 Gbit/s 3,6 km 18 km 25 km Bản chất của tán sắc là sự giãn rộng xung tín hiệu khi truyền dẫn trên sợi quang. Tán sắc tổng cộng bao gồm: tán sắc mode, tán sắc vật liệu, và tán sắc dẫn sóng: Tán sắc mode: là tán sắc chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính lõi của sợi, tán sắc mode tồn tại ở các sợi đa mode vì các mode trong sợi này lan truyền theo các đường đi khác nhau, có cự ly đường truyền khác nhau và do đó thời gian lan truyền giữa các mode khác nhau. Tán sắc vật liệu: chỉ số chiết suất trong sợi quang thay đổi theo bước sóng đã gây ra tán sắc vật liệu, vận tốc nhóm Vnhóm của mode là một hàm số của chỉ số chiết suất, cho nên các thành phần phổ khác nhau của mode đã cho sẽ lan truyền đi ở các tốc độ khác nhau, phụ thuộc vào bước sóng, vì thế tán sắc vật liêu là một hiệu ứng tán sắc bên trong mode, và là yếu tố quan trọng đối với các sợi đơn mode và các hệ thống sử dụng nguồn phát quang là diode phát quang LED. Tán sắc dẫn sóng: do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng ở trong lõi, còn 20% năng lượng ánh sáng truyền trong vở sợi nhanh hơn năng lượng truyền trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào hằng số lan truyền b (b là hàm của a/l, với a là bán kĩnh lõi sợi). Tán sẵc dẫn sóng thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại cần được quan tâm ở sợi đơn mode. 3.6. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến Đối với hệ thống thông tin sợi quang, công suất quang không lớn, sợi quang có tính năng truyền dẫn tuyến tính, sau khi dùng EDFA, công suất quang tăng lên, trong điều kiện nhất định sợi quang sẽ thể hiện đặc tính truyền dẫn phi tuyến tính, hạn chế rất lớn tính năng của bộ khuếch đại EDFA và hạn chế cự ly truyền dẫn dài không có trạm lặp. Hiệu ứng phi tuyến của sợi quang chủ yếu do ảnh hưởng của hiệu ứng tán xạ bao gồm: Tán xạ bị kích Brillouin (SBS) Tán xạ bị kích Raman (SRS) Do ảnh hưởng của hiệu suất khúc xạ bao gồm: Tự điều chế pha (SPM) Điều chế pha chéo (XPM) Trộn tần bốn sóng (FWM) Những hiệu ứng này phần lớn đều liên quan đến công suất đưa vào sợi quang. 3.6.1. Ảnh hưởng của hiệu ứng tán xạ a. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering) Hiệu ứng Raman là do quá trình tán xạ mà trong đó photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phần tử cấu thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tín hiệu tới (ánh sáng với bước sóng mới này được gọi là ánh sáng Stocke). Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang (ánh sáng này có cường độ lớn), quá trình này trở thành quá trình kích thích mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng bơm (gọi là bơm Raman) làm cho một phần năng lượng của tín hiệu được chuyển tới bước sóng Stocke. Trong hệ thống DWDM, SRS sẽ sinh ra năng lượng chuyển đổi những kênh có bước sóng ngắn hơn thành các kênh có bước sóng dài hơn do đó tạo ra phổ nghiêng. Sự suy hao năng lượng trong các kênh có bước sóng nhỏ hơn sẽ làm giảm hiệu suất truyền của chúng. Tuy nhiên, do hệ số khuếch đại Raman nhỏ nên phổ nghiêng này có thể được bù bằng cách sử dụng kỹ thuật cân bằng phù hợp như hình 3.1. EDFA f f Hình 3.1. Hiệu ứng tán xạ SRS b. Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering) Hiệu ứng SBS tương tự như hiệu ứng SRS, tức là có một phần ánh sáng bị tán xạ và bị dịch tới bước sóng dài hơn bước sóng tới, ánh sáng có bước sóng dài hơn này gọi là ánh sáng Stocke. Điểm khác nhau của hai hiệu ứng này là độ dich tần xảy ra trong hiệu ứng SBS nhỏ hơn độ dịch tần xảy ra trong hiệu ứng SRS (độ dịch tần trong hiệu ứng SBS là khoảng 11 GHz tại bước sóng 1550 nm). Trong hiệu ứng SBS chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngược lại (tức là ngược chiều với chiều tín hiệu) mới có thể truyền đi ở trong sợi quang. Vì vậy trong hệ thống WDM khi tất cả các kênh cùng truyền theo một hướng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên nhiễu giữa các kênh. Các hiệu ứng ngược của SBS trên mạng quang là đáng kể. SBS làm suy yếu năng lượng tín hiệu tới, năng lượng này làm giảm khoảng cách khẩu độ sợi quang cho phép. Hệ số khuếch đại Brillouin cao hơn nhiều so với các hiệu ứng phi tuyến khác. Do đó, trong điều kiện thuận lợi, SBS có thể xuất hiện ở năng lượng thấp. Nhưng việc mở rộng phổ thực sự làm giảm SBS khi năng lượng được trải rộng tới phạm vi phổ rộng hơn. 3.6.2. Ảnh hưởng của hiệu suất khúc xạ a. Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) Hiệu ứng SPM là hiện tượng khi cường độ quang đưa vào thay đổi thì hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng biến đổi theo, gây ra sự biến đổi pha của sóng quang, sau khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến tần phổ giãn rộng và tích lũy theo sự tăng lên của chiều dài, sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số quang cũng càng lớn, ảnh hưởng lớn đối với xung hẹp, tốc độ cao trong hệ thống. Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của xung dịch đến tần số f f0. Điều này cũng có nghĩa là phổ của tín hiệu đã bị giãn trong quá trình truyền. Nếu xét đến ảnh hưởng của tán sắc thì sẽ thấy dạng xung bị biến đổi theo dọc sợi. Gọi D là hệ số tán sắc của sợi thì: Với D f0) sẽ lan truyền nhanh hơn thành phần tần số thấp (f < f0). Do đó xung bị giãn ra. Với D > 0: thành phần tần số cao (f > f0) sẽ lan truyền chậm hơn thành phần tần số thấp (f < f0) làm cho xung bị co lại. b. Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation) XPM là sự dịch pha của tín hiệu gây ra bởi sự thay đổi cường độ của một tín hiệu truyền ở một bước sóng khác. XPM làm cho phổ mở rộng không đối xứng và kết hợp với SPM và tán sắc,cùng có thể ảnh hưởng đến hình dạng xung. Mặc dù XPM có thể làm hạn chế việc thực hiện các hệ thống sợi quang, nhưng nó cũng có một số ứng dụng quan trọng. XPM có thể dùng để điều chế một tín hiệu ”bơm” ở một bước sóng từ một tín hiệu được điều chế trên một bước sóng khác. Các kỹ thuật này có thể được dùng trong các thiết bị chuyển đổi bước sóng. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) Hiện tượng chiết suất phi tuyến còn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn mode, đó là hiệu ứng FWM. Trong hiệu ứng này, nhiều tín hiệu quang có cường độ tương đối mạnh sẽ tương tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới. Sự tương tác này có thể xảy ra giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống WDM, hoặc giữa bước sóng tín hiệu với bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplifier Spontaneous Emission) của các bộ khuếch đại quang, cũng như giữa mode chính và mode bên của một kênh tín hiệu. Giả sử có 3 bước sóng với tần số wi, wj, wk tương tác với nhau thì tần số mới tạo ra có bước sóng là wijk. Việc tạo ra các tần số mới là do sự tương tác của các tần số tín hiệu, nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM. Nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có thể rơi vào các kênh tín hiệu, gây xuyên nhiễu cho kênh, làm suy giảm chất lượng của hệ thống. Sự suy giảm công suất làm giảm tỉ số S/N dẫn đến làm tăng BER của hệ thống. Các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở vùng cửa sổ bước sóng 1550 nm, tán sắc của sợi quang đơn mode thông thường (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18 ps/nm.km, còn tán sắc của sợi tán sắc dịch chuyển (sợi G.653) là nhỏ hơn 3 ps/nm.km. Từ đó ta thấy, hệ thống WDM làm việc với sợi đơn mode chuẩn thông thường (SSMF) sẽ ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM sử dụng sợi dịch tán sắc DSF (Dispersion Shifted Fiber). Do suy hao trong hiệu ứng FWM tăng khi tán sắc giảm đi trên đường truyền. Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM càng nhỏ cũng như khi khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn. Vì vậy, hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống WDM. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến Với xu thế phát triển công nghệ và linh kiện quang học, hệ thống WDM hiện nay đã tìm được một số phương pháp giải quyết hữu hiệu để khắc phục ảnh hưởng của những hiệu ứng trên đối với truyền dẫn, nhất là hệ thống WDM có số lượng kênh quang tương đối ít (nhỏ hơn 16 kênh). Hiệu ứng tán xạ SRS, do tổng công suất truy nhập sợi quang thường không lớn hơn +17 dBm, nhỏ hơn nhiều so với trị số ngưỡng gây ra hiệu ứng SRS, do đó sẽ không có ảnh hưởng của SRS. Hiệu ứng SBS sử dụng công nghệ điều chế ngoài của bộ kích quang và công nghệ dao động tần số thấp có thể khắc phục ảnh hưởng của hiệu ứng băng hẹp SBS. Hiệu suất trộn tần bốn sóng (FWM) có quan hệ rất lớn đối với tán sắc của sợi quang, sử dụng sợi quang G.655 có thể khắc phục được hiệu ứng FWM, hơn nữa giảm tán sắc của sợi quang, là lựa chọn tốt trong hệ thống WDM tốc độ cao. Điều chế pha chéo (XPM) thường phát sinh trong hệ thống WDM có nhiều hơn 32 kênh tín hiệu, có thể khắc phục bằng phương pháp tăng tiết diện hữu dụng vùng lõi của sợi quang G.652. Tự điều chế pha (SPM) sẽ làm hẹp độ rộng xung quang truyền dẫn, ngược lại với hiệu ứng dãn xung của tán sắc, ở mức độ nhất định, có thể lợi dụng SPM để bù sự dãn xung do tán sắc. 3.7. Một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM 3.7.1. Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA Hiện nay băng tần khuếch đại của EDFA đạt 35 ~ 40 nm, độ bằng phẳng của tăng ích trong băng tần không hoàn toàn lý tưởng, do công suất truyền dẫn của các kênh tín hiệu có thể biến đổi lên xuống, làm cho các kênh tín hiệu ứng với mỗi bước sóng khác nhau được khuếch đại với các mức độ khác nhau. Để đạt được độ đồng nhất về phổ khuếch đại đối với mọi bước sóng cần được khuếch đại, các bộ khuếch đại sử dụng bộ lọc để làm giảm bớt các kênh bước sóng có mức sông suất vào lớn hơn, nhằm đạt được độ cân bằng về khuếch đại giữa các kênh. Bên cạnh đó yêu cầu công suất ra vẫn phải lớn cho toàn bộ băng được khuếch đại, do vậy phải yêu cầu có một công suất bơm đủ lớn để đạt được sự hài hoà về độ phẳng khuếch đại giữa các kênh và mức khuếch đại yêu cầu. Vấn đề là đặt bộ làm phẳng ở đâu trong module khuếch đại. Nếu đặt ở đầu ra của bộ khuếch đại thì sẽ có sự lãng phí về công suất bơm, nếu đặt ở đầu vào bộ khuếch đại thì lại làm tăng hệ số tạp âm của thiết bị. Nếu một số kênh bước sóng nào đó đã đi qua các bộ định tuyến, OADM... thì công suất của kênh đó sẽ khác với công suất của các kênh khác tại đầu vào bộ khuếch đại. Nhưng yêu cầu tại đầu ra của bộ khuếch đại là công suất của các kênh được khuếch đại phải xấp xỉ nhau và không được phụ thuộc vào mức công suất vào của từng kênh hay số kênh được khuếch đại, để đảm bảo tỉ số S/N của hệ thống. Do đó các bộ khuếch đại sử dụng trong hệ thống WDM cần phải có độ khuếch đại điều chỉnh được mà không gây ảnh hưởng chéo lên các kênh khác. Nếu công suất của kênh đưa vào biến đổi, hay mất hẳn công suất trên một hoặc một vài kênh thì công suất bơm của EDFA sẽ được phân phối lại cho các kênh còn lại, dẫn đến tăng ích của các kênh đó ở đầu ra sẽ biến đổi nhảy vọt, nếu công suất của các kênh còn lại này có giá trị lớn hơn công suất ngưỡng thu lớn nhất (Pthu max) thì thông tin sẽ bị mất. Cho nên EDFA trong hệ thống WDM phải có chức năng điều chỉnh tăng ích. Với số bước sóng được chuyển qua và được khuếch đại ngày càng tăng (đã lên tới 160 kênh) thì số bơm laser cần thiết để đảm bảo yêu cầu về công suất cho một lượng lớn các kênh sẽ càng nhiều, mỗi bơm laser đó đều cần được giám sát về dòng bơm, nhiệt độ làm việc..., và luôn cần được giám sát, hiệu chỉnh để đạt được độ bằng phẳng của phổ khuếch đại. 3.7.2. Tăng ích bằng phẳng của EDFA EDFA được sử dụng vào trong hệ thống WDM có bước sóng của các kênh tín hiệu khác nhau, nên thay vì chỉ khuếch đại một tín hiệu như các hệ thống khuếch đại quang sợi SONET/SDH trước đây; thì nay, vẫn một sợi khuếch đại quang erbium đó phải được chia sẻ cho toàn bộ các kênh bước sóng của hệ thống truyền dẫn WDM. Những kênh bước sóng này là độc lập với nhau. Nhưng do sự cạnh tranh giữa các kênh bước sóng đối với số lượng giới hạn các photon được bơm vào bộ khuếch đại nên nó làm ảnh hưởng đến tính độc lập giữa các kênh. Kênh bước sóng nào kích thích được nhiều photon từ mức siêu bền xuống mức cơ bản của chúng thì sẽ đạt được độ khuếch đại lớn nhất. Chính vì vậy mà làm cho độ phẳng của phổ khuếch đại trên các kênh không đều nhau. Nhưng đối với các ứng dụng WDM, cần phải đạt được độ khuếch đại và mức tập âm đều nhau cho mọi kênh bước sóng qua module khuếch đại. Cho nên các module này phải được thiết kế sao cho đáp ứng phổ khuếch đại của nó đối với từng kênh bước sóng không bị ảnh hưởng bởi đầu vào các kênh bước sóng được truyền dẫn trên sợi. Nếu không, chỉ cần một sự thay đổi của một kênh bước sóng cũng sẽ dẫn đến những ảnh hưởng ngoài mong muốn về độ khuếch đại và mức tạp âm của các kênh bước sóng còn lại. Tóm lại tất cả các kênh bước sóng phải được khuếch đại độc lập và đồng nhất. Với những yêu cầu kỹ thuật này, module khuếch đại sợi quang trong hệ thống WDM sẽ phải thích ứng với các chỉ tiêu kỹ thuật nghiêm ngặt về độ bằng phẳng của phổ khuếch đại đa kênh. 3.7.3. Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA Hệ số tạp âm được định nghĩa là tỷ số tín hiệu trên tạp âm, theo lý thuyết thì hệ số tạp âm của EDFA là khoảng 3 dB, hệ số tạp âm tăng tỷ lệ theo số lượng bộ khuếch đại được sử dụng trên tuyến và sự chênh lệch khoảng cách đoạn sợi quang giữa các bộ khuếch đại, thường độ dài đoạn sợi quang giữa hai bộ khuếch đại liên tiếp là 80 ~ 120 km, để đảm bảo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm. Nhiễu tự phát được khuếch đại ASE (Amplifier Spontaneous Emission) gây nên tạp âm lớn trong các bộ khuếch đại quang, đặc biệt là trong trường hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền. Tạp âm ASE trong bộ khuếch đại quang phía trước sẽ được khuếch đại bởi bộ khuếch đại quang phía sau. Sự khuếch đại và tích lũy tạp âm này sẽ làm cho tỷ số S/N bị giảm nghiêm trọng. Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm ASE có thể làm cho tỷ số S/N bị giảm xuống dưới mức cho phép. Tuy nhiên, nếu mức công suất tín hiệu vào quá cao thì tín hiệu này kết hợp với ASE có thể gây nên hiện tượng bão hoà ở bộ khuếch đại. CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WDM TRONG MẠNG ĐƯỜNG TRỤC VIỆT NAM Từ năm 1995, Việt Nam đã lắp đặt và đưa vào khai thác sử dụng tuyến cáp quang đường trục Hà Nội – TP Hồ Chí Minh, đây là tuyến cáp quang sử dụng công nghệ truyền dẫn SDH có dung lượng lớn nhất là 1008 luồng E1 tương đương với 30240 kênh thoại. Tuyến truyền dẫn đường trục này gồm hai tuyến, một tuyến dọc theo Quốc Lộ 1A và tuyến thứ hai trên đường dây 500 KV, dùng thiết bị có dung lượng STM-16 do hãng Nortel cung cấp. Nhưng với nhu cầu về lưu lượng ngày càng tăng do mật độ thuê bao điện thoại tăng, sự xuất hiện các dịch vụ mới như Internet, ISDN, dịch vụ thuê kênh... thì tuyến cáp quang này không đáp ứng được các nhu cầu trên. Vì vậy, người ta đã tiến hành khảo sát, đánh giá và lựa chọn phương pháp nâng cấp dung lượng của mạng bằng công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM). WDM là công nghệ truyền dẫn thực hiện ghép các bước sóng quang mà không gây ảnh hưởng giữa các bước sóng với nhau. Đối với phương pháp TDM cho phép truyền dẫn tín hiệu với tốc độ STM-1, STM-4, STM-16, STM-64... trên một bước sóng. Với công nghệ CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) cho phép ghép lên đến 16 bước sóng với khoảng cách giữa các bước sóng đạt tới 20 nm (> 200 GHz). Hệ thống DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing – Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao) cho phép ghép bước sóng với mật độ cao hơn nhiều với khoảng cách giữa các bước sóng là 200 GHz, 100 GHz, 50 GHz, 25 GHz... 4.1. Hệ thống cáp quang DWDM 40Gbps Nortel (Bắc - Nam) Hệ thống cáp quang DWDM 40Gbps Nortel là hệ thống thông tin quang dựa trên nền tảng công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM) tốc độ 40Gbps (thực hiện ghép 4 bước sóng 10Gbps) kết hợp với hệ thống kết nối chéo và hệ thống ghép kênh xen/rẽ SDH hình thành nên một hệ thống hoàn chỉnh. Tuyến cáp quang đường trục 40Gbps Hà Nội – Đà Nẵng – TP Hồ Chí Minh là một hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng sử dụng sản phẩm của Nortel. Tuyến truyền dẫn này đi theo hai hướng: dọc Quốc Lộ 1A và trên đường dây điện 500 KV, cáp quang trên tuyến sử dụng sợi đơn mode G.652. Đây là tuyến có cấu hình mạng Ring được giám sát, quản lý, điều khiển với bốn vòng Ring con. Ring 1: Hà Nội – Vinh. Ring 2: Vinh - Đà Nẵng. Ring 3: Đà Nẵng - Quy Nhơn. Ring 4: Quy Nhơn - Tp Hồ Chí Minh. Trong đó, nửa vòng Ring trên đường cáp quang theo tuyến đường dây điện lực chủ yếu làm đường dự phòng bảo vệ cho lưu lượng thông tin trên đường Quốc Lộ 1A. Trước đây các Ring của mạng kết nối với nhau bằng tín hiệu điện, hiện nay mạng DWDM của VTN liên kết các Ring bằng tín hiệu quang. Các node liên kết giữa các Ring trên mạng là: Vinh, Đà Nẵng, Quy Nhơn. Về cấu trúc, hệ thồng trải dài từ Bắc đến Nam với bốn vòng Ring có tốc độ truyền dẫn là 40Gbps (4 × 10Gbps) và một vòng Ring tuyến khu vực đồng bằng sông Cửu Long (HCM – Cần Thơ) có tốc độ truyền dẫn 5Gbps (2 × 2,5Gbps) với nhiều trạm đầu cuối xen/rẽ, trạm OADM, trạm Regen, trạm khuếch đại quang...như hình 4.1. Hệ thống gồm hai lớp chính: Lớp truyền dẫn quang Long Haul 1600 và lớp SDH. Trong đó, lớp SDH bao gồm: DXC, OM4200, OM4150 và TN-4T. Tuy nhiên, xét về quy mô và vai trò, ta tách hệ thống DXC ra thành một thành phần riêng để dễ dàng trong quá trình nghiên cứu, khai thác và vận hành. Như vậy, một cách tổng quát, hệ thống bao gồm các thành phần cơ bản như sau: Hệ thống truyền dẫn quang OPTera Long Haul 1600: Là hệ thống làm nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu quang tốc độ 40Gbps sử dụng công nghệ ghép bước sóng quang mật độ cao DWDM. Hệ thống kết nối chéo OPTera DXC: Làm nhiệm vụ kết nối chéo, xen/rẽ tín hiệu, chuyển mạch bảo vệ... Hệ thống ghép kênh xen/rẽ SDH (OM4200, TN-4T): Xen/rẽ tín hiệu STM-4, GE, STM-1, PDH (140Mbps, 34Mbps, 45Mbps, 2Mbps). VTN 4X10G LH DWDM Network Hình 4.1. Sơ đồ mạng lưới hệ thống Long Haul Hệ thống của mạng là hệ thống thông tin hai chiều nhưng không trên cùng một sợi quang, có nghĩa là hệ thống sử dụng hai sợi quang để truyền tín hiệu, một cho chiều đi và một cho chiều về, bước sóng tín hiệu sợi đi cũng như sợi về nhưng kênh nghiệp vụ trên hai đường là khác nhau: đối với chiều xuất phát (ở Hà Nội) sử dụng kênh nghiệp vụ có bước sóng 1510 nm (OSC1), còn chiều ngược lại kênh nghiệp vụ có bước sóng là 1615 nm (OSC 2). Tín hiệu được truyền đi theo một đường vòng để đề phòng trường hợp xấu xảy ra như đứt cáp quang. Trên tuyến có sử dụng nhiều trạm lặp, tại các trạm lặp này tín hiệu sẽ được khuếch đại lên nhờ bộ khuếch đại EDFA. Ví dụ như từ Hà Nội tới Ninh Bình (99 km) chúng ta có một trạm khuếch đại, rồi từ Ninh Bình tới Thanh Hoá (65 km) chúng ta lại có một bộ khuếch đại tiếp theo và lần lượt cho tới Vinh. Hướng Nam Định, Hưng Yên chúng ta đều có các trạm lặp. Những trạm này được xây dựng trên cơ sở thực tế của từng khu vực và dựa vào đường quang (độ suy hao công suất của tín hiệu) mà tín hiệu truyền. Ở mỗi trạm đầu cuối, các luồng tín hiệu 2Mbps được ghép thành luồng tín hiệu STM-4 qua thiết bị TN-4T , tiếp đó tín hiệu sẽ được ghép lên tốc độ 2,5Gbps qua OM4200 (ghép tối đa 4xSTM-4). Các luồng tín hiệu 2,5Gbps được nối chéo qua bộ nối chéo số DXC. Các tín hiệu qua DXC đều có chung một bước sóng là 1310 nm, sau khi qua bộ chuyển đổi bước sóng LH RPT thì tín hiệu được biến đổi thành các bước sóng khác nhau, mỗi bước sóng mang dung lượng 2,5Gbps. Các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép thành luồng tín hiệu tổng qua bộ ghép/tách kênh quang OMUX/ODEMUX. Cuối cùng, tín hiệu tổng này được khuếch đại với công suất đủ lớn bởi bộ khuếch đại EDFA và truyền đi theo hai hướng: quốc lộ 1A và hướng 500 kV. Cụ thể đường đi của các tín hiệu trong mạng DWDM như hình 4.2. 2M TN4T (SDH) OM4200 (SDH) MSP LH DXC (SDH) QL1A HYN, NĐH (500kV) MSP OMX ODEMUX LH RPT OMUX ODEMUX LH AMP LH RPT DWDM Hình 4.2. Đường đi của tín hiệu trong mạng DWDM 4.2. Cấu hình bảo vệ trong mạng Cấu hình được tổ chức theo chế độ bảo vệ hai cấp: Cấp SDH (thiết bị OM4200, OM4150): bảo vệ theo MSP (Multiplex Section Protection – Bảo vệ đoạn ghép kênh). Cấp DWDM: bảo vệ được thiết lập ở DX chế độ SNCP (Sup Network Connection Protection – Bảo vệ đường). Chế độ bảo vệ đoạn ghép kênh có thể được thực hiện trên OM4200 hoặc OM4150 cho các đoạn: STM–1e, STM–1o, STM–4o, STM–16o. Ví dụ như hình 4.3 cho thấy một kênh làm việc và một kênh bảo vệ được thiết lập tại các thiết bị đầu cuối A và B để tạo nên chế độ MSP cho đường liên kết Ring. Ta có kênh bảo vệ là một bản sao về mặt cấu hình và các kết nối của kênh đang làm việc. Nếu có một chuyển mạch MSP xảy ra, tất cả các kết nối trên kênh sẽ chuyển cùng một lúc và các thông báo về cảnh báo, giám sát chất lượng sẽ được thể hiện trên cổng quang đang làm việc. OM4200 OM4200 OM4200 B OM4200 OM4200 OM4200 OM4200 OM4200 A STM-16o ring STM-16o ring STM-4o Hình 4.3. Kết nối liên kết Ring có bảo vệ Với chế độ chuyển mạch bảo vệ SNCP, thông tin được truyền theo vòng kín ở cả hai hướng, cho phép bảo vệ đến cấp STM-1. Khi vận hành bình thường, tuyến thông tin được chọn từ đường làm việc có chất lượng tốt hơn, nhưng với bất cứ một lỗi đường truyền nào tuyến bảo vệ sẽ được lựa chọn. Ví dụ ta xét vòng Ring Vinh - Huế - Đà Nẵng như hình 4.4, tín hiệu được truyền đi theo cả hai hướng, tín hiệu lấy chính trên cáp QL1A tức là tín hiệu đi theo đường từ Vinh qua Huế đến Đà Nẵng, đường bảo vệ trên cáp 500 kV Vinh - Đà Nẵng. Khi có sự cố xảy ra trên đoạn QL1A, đoạn Vinh - Huế - Đà Nẵng (như xảy ra đứt cáp, thu lỗi hoặc có suy hao lớn trên đường truyền...), tín hiệu làm việc sẽ tự động chuyển mạch sang đường bảo vệ 500 kV Vinh - Đà Nẵng để đảm bảo an toàn thông tin trên mạng lưới. Đấu chéo (Cross-Connect) Điểm chuyển bảo vệ tại đầu thu 1 2 Đến Huế Sau Đà Nẵng VINH HUE DA NANG 1 Cáp QL1A Đường bảo vệ 2 1 1 2 2 Cáp 500kV Đường chính DXC Hình 4.4. Chế độ bảo vệ chuyển mạch SNCP trong mạng DWDM 4.3. Giới thiệu thiết bị của hãng Nortel được lắp đặt trong mạng đường trục 4.3.1. Thiết bị khuếch đại quang OpTera Long Haul 1600G (LH-1600G) 4.3.1.1. Chức năng LH-1600G của Nortel Networks cung cấp khả năng khuếch đại quang cho các bước sóng quang 2.5Gbps và 10Gbps. LH-1600G hỗ trợ cho cả hai loại khuếch đại quang sợi trộn Erbium (EDFA) và khuếch đại Raman (DRA), với mục đích tăng khoảng cách truyền dẫn của hệ thống. 4.3.1.2. Phổ bước sóng quang sử dụng trong mạng Trong mạng DWDM của tuyến đường trục Bắc – Nam. Thiết bị LH-1600G sử dụng các bước sóng quang theo tiêu chuẩn ITU-T G.692 trong dải từ 1510÷1615 nm được chia làm 2 băng là băng C (Conventional Band – Băng thông thường) và băng L (Long Band – Băng dài), mỗi băng gồm 40 bước sóng và các kênh dịch vụ quang ngoài băng. Sơ đồ phân bố bước sóng quang được trình bày trong hình 4.5. Hình 4.5. Sơ đồ phân bố bước sóng quang Các bước sóng băng C: nằm trong khoảng từ 1530 nm ÷ 1563 nm, được chia thành 2 lưới: lưới 1 (Grid 1) và lưới 2 (Grid 2), mỗi lưới gồm 40 bước sóng, khoảng cách giữa các bước sóng là 100GHz. Các cấu hình đơn hướng truyền các bước sóng của lưới 1 theo cả 2 hướng trên 2 sợi quang riêng biệt. Các bước sóng của lưới 2 cách các bước sóng của lưới 1 một khoảng 50GHz. Các bước sóng của lưới 2 được dành cho các cấu hình song hướng. Hình 4.6. Sơ đồ phân bố bước sóng băng-C và băng-L theo ITU-T G-692 Các bước sóng băng L: nằm trong khoảng từ 1570 nm – 1603 nm, cũng được chia thành 2 lưới: lưới 3 (Grid 3) và lưới 4 (Grid 4), mỗi lưới gồm 40 bước sóng, mỗi bước sóng cách nhau 100GHz. Các cấu hình đơn hướng truyền bước sóng của lưới 3 theo cả 2 hướng trên 2 sợi quang riêng biệt. Các bước sóng của lưới 4 cách các bước sóng của lưới 3 một đoạn là 50GHz được dành cho các cấu hình song hướng. Các cấu hình đơn hướng phải dùng các bước sóng của lưới 3 và không thể phối hợp các bước sóng của lưới 3 và lưới 4 trên cùng một sợi quang. Bước sóng quang dành cho kênh dịch vụ: Việc truyền thông giữa các trạm với nhau đuợc thực hiện thông qua các kênh dịch vụ quang ngoài băng sóng . Hai kênh dịch vụ quang của thiết bị LH-1600G có bước sóng là 1510 nm và 1615 nm. 4.3.1.3. Cấu hình của khối khuếch đại OpTera LH- 1600G Vùng BIP (Breaker Interface Panel) Vùng cáp Shelf điều khiển LCAP Khung quản lý sợi Shelf chính Bảng điều khiển môi trường Shelf mở rộng 1 Bảng điều khiển môi trường Shelf mở rộng 2 Vùng phủ cáp Máng sợi (ETSI) Máng công suất (ETSI) Thanh dẫn sợi Hình 4.7. Sơ đồ khung máy khuếch đại dùng 3 - shelf Hình 4.8. Sơ đồ khung máy khuếch đại dùng 2 - shelf Khung máy của OpTera LH 1600G có hai loại cấu hình, đó là khung khuếch đại dùng 3-shelf và khung khuếch đại dùng 2-shelf. Nếu là khung có 3 shelf thì có 1 shelf truyền tải chính và 2 shelf truyền tải mở rộng, nếu là khung có 2 shelf thì có 1 shelf truyền tải chính và 1 shelf truyền tải mở rộng, và một shelf nữa là shelf DWDM độc lập dành để lắp đặt các thành phần thụ động. Hình 4.7 và hình 4.8 trình bày sơ đồ mặt máy tổng quát của khối khuếch đại đường dây Long Haul 1600G có 3-shelf và 2- shelf. Khối khuếch đại Long Haul 1600G 3-shelf có 3 shelf truyền tải (1 shelf chính và 2 shelf mở rộng 1 và mở rộng 2). Khung 3-shelf hỗ trợ tất cả những ứng dụng chuẩn như chỉ dùng băng-C, dùng băng-C và băng-L kết hợp, chỉ dùng băng-L. Khối khuếch đại Long Haul 1600G 2-shelf có 2 shelf truyền tải (1 shelf chính và 1 shelf mở rộng) để thực hiện và hổ trợ cho các ứng dụng khuếch đại 1600G đơn hướng chỉ trong băng-C. Vì không có shelf mở rộng thứ hai nên cho phép tùy chọn thêm vào 2 shelf DWDM thụ động để cung cấp tối đa 8 thành phần DWDM thụ động. 4.3.1.4. Các loại ngăn card trong khối khuếch đại LH-1600G Trong giá máy khối khuếch đại LH-1600G có 2 loại shelf: shelf điều khiển và shelf truyền tải. Shelf điều khiển Shelf điều khiển là shelf chuẩn chung cho tất cả các ứng dụng Long Haul 1600. Tùy theo các ứng dụng khác nhau của mạng mà yêu cầu đối với các ngăn card trên shelf điều khiển sẽ khác nhau. Ứng dụng của bộ khuếch đại 1600G gồm các ngăn card trên shelf điều khiển sau: Các module Breaker/Filter. Bộ điều khiển shelf (SC- Shelf Controller) 32 Mbyte. Giao diện bảo dưỡng 128 Mbyte (MI- Maitainance Interface). Trao đổi bản tin (MX- Message Exchange). Bộ điều khiển hoạt động được phân khu (P-OPC- Partitioned Operations Controller). Đo từ xa song song (PT- Parallel Telemetry). Orderwire (OW). Các khối Filler. Hình 4.9. Sơ đồ bố trí card trên shelf điều khiển Các ngăn card trên shelf điều khiển chia ra làm 2 loại: các ngăn card thuộc shelf điều khiển chính và các ngăn card thuộc shelf điều khiển tùy chọn. Hình 4.9 là sơ đồ bố trí các card trên shelf. Trong các khe được tô đậm chỉ các khối mạch chính, các khe để trắng chỉ các khối mạch tùy chọn. a. Các ngăn card chính của shelf điều khiển Module Breaker/Filter: Mỗi shelf điều khiển yêu cầu 2 module breaker/filter (A và B) trong khe 1 và khe 2 của shelf điều khiển để cấp nguồn -48V DC cho các shelf. Mỗi module breaker/filter chứa một cái ngắt điện 10A và 6 cái ngắt điện 20A, các bộ lọc tần số thấp và các mạch khởi động mềm. Các module phân phối công suất cho shelf điều khiển, và các shelf truyền tải chính, mở rộng, bao gồm khối điều khiển môi trường (ECU). Ngoài ra , các module breaker/filter còn làm giảm nhiễu trên các đường dây tải điện. Các filter cũng có chức năng giới hạn các quá dòng và quá áp. Bộ điều khiển shelf (SC): Khung OpTera Long Haul 1600 yêu cầu một bộ xử lý shelf (SC) trong khe 6 của shelf điều khiển. Các chức năng của SC gồm có: báo cáo cảnh báo, phát hiện lỗi của hệ thống, cách ly và bảo vệ và khả năng khởi động lại. Giao diện bảo dưỡng (MI): Mỗi OpTera Long Haul 1600 yêu cầu một MI trong khe 9 của shelf điều khiển. MI chứa bộ nhớ flash 128 Mbyte dùng cho cấu hình và cho việc lưu trữ mã. MI kết nối với SC khi hoạt động, và các chức năng chính của nó bao gồm: báo cáo cảnh báo, kiểm tra khối mạch, xử lý chính xác. Module trao đổi bản tin (MX): Các khối mạch MX chứa trong các khe 10 và 11 của shelf điều khiển. MX xử lý các thông tin liên lạc bên ngoài giữa các khối mạch điều khiển và các khối mạch quang, cũng như định tuyến DCC. MX kết nối SC với tất cả các khối mạch dựa trên phần mềm trong OpTera Long Haul 1600 qua star-based LAN ở bên trong. Các card Filler: Để ngăn chặn các phát xạ EMI, cần lắp đặt các khối mạch filler vào tất cả các khe còn trống trong shelf điều khiển của OpTera Long Haul 1600. Các Filler cần thiết trong các khe 16 và 17 của shelf điều khiển. Nên lắp thêm các khối mạch filler vào các khe 3, 4, 5 và 12 của shelf điều khiển nếu hệ thống không có module OPC được phân khu, và vào các khe 11, 13, 14 và 15 nếu hệ thống không có các khối mạch MX dư, PT và orderwire. b. Các ngăn card tùy chọn của shelf điều khiển Bộ điều khiển OPC (OPC-C): Khối OPC-C là thành phần phần cứng cơ bản của thiết bị tính toán OPC cho shelf điều khiển. OPC-C thực hiện liên lạc với các khối mạch OPC-I, OPC-S, SC và MI. Khối lưu trữ OPC (OPC-S): Khối mạch OPC-S gồm có một đĩa cứng và bộ nhớ chỉ đọc được tùy chọn trong khe 3 và 4. Giao diện OPC (OPC-I): Khối mạch OPC-I được thiết kế như một khối mạch tác động lại. OPC-I cung cấp các giao diện khách hàng bên ngoài cho shelf điều khiển và liên lạc với MI và OPC-C. Đo từ xa song song (PT): Có thể lắp 2 khối PT tùy ch