Đề tài Điều chế dp - Qpsk, giải pháp nâng cấp mạng đường trục VNPT

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VIỄN THÔNG II _____________ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NIÊN KHÓA: 2008-2013 Đề tài: ĐIỀU CHẾ DP-QPSK, GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT Mã số đề tài: 12408160107 NỘI DUNG: - CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM - CHƢƠNG II: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM - CHƢƠNG III: GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN CƢỜNG MSSV: 408160107 Lớp: Đ08VTA3 Giáo viên hƣớng dẫn: ThS. ĐỖ VĂN VIỆT EM TPHCM - 12/2012 Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang i MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. v LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM ............................................. 3 1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bƣớc sóng ...................................................................... 3 1.2 Các thành phần cơ bản trong hệ thống DWDM ....................................................... 4 1.2.1 Bộ phát và thu quang......................................................................................... 4 1.2.2 Bộ tách/ghép kênh quang .................................................................................. 7 1.2.3 Bộ khuếch đại quang ......................................................................................... 7 1.2.4 Bộ ghép xen/rớt bƣớc sóng quang OADM ....................................................... 9 1.2.5 Bộ kết nối chéo quang ..................................................................................... 10 1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng hệ thống DWDM ....................................... 11 1.3.1 Tán sắc màu và tán sắc phân cực mode .......................................................... 11 1.3.1.1 Tán sắc màu (Chromatic Dispersion – CD) ............................................. 11 1.3.1.2 Tán sắc phân cực mode (Polarization Mode Dispersion – PMD) ........... 13 1.3.2 Các hiệu ứng phi tuyến ................................................................................... 15 1.3.3 Nhiễu trong bộ thu quang ................................................................................ 18 1.4 Xu hƣớng nâng cao năng lực truyền dẫn trong các hệ thống DWDM ................... 19 1.4.1 Hạn chế về năng lực truyền dẫn ...................................................................... 19 1.4.2 Nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống ................................................... 19 1.4.2.1 Mở rộng băng tần sử dụng ....................................................................... 20 1.4.2.2 Giảm khoảng cách kênh ........................................................................... 21 1.4.2.3 Tăng tốc độ bit trên một kênh .................................................................. 21 CHƢƠNG II. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM ................... 23 2.1 Điều chế trong các hệ thống WDM ........................................................................ 23 2.1.1 Khái niệm về điều chế ..................................................................................... 23 2.1.2 Điều chế trực tiếp và điều chế ngoài ............................................................... 24 2.1.2.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp ....................................................................... 24 Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang ii 2.1.2.2 Kỹ thuật điều chế ngoài ........................................................................... 25 2.1.3 Kỹ thuật điều chế On-Off Keying (OOK) ...................................................... 28 2.2 Điều chế trong hệ thống Coherent .......................................................................... 32 2.2.1 Cơ bản về thông tin quang Coherent ............................................................... 32 2.2.2 Máy thu trong hệ thống Coherent hiện đại: .................................................... 34 2.2.3 Một số dạng điều chế trong Coherent ............................................................. 36 2.3 Kỹ thuật điều chế DP-QPSK .................................................................................. 39 2.3.1 Điều chế pha 2 trạng thái BPSK ..................................................................... 39 2.3.2 Điều chế pha 4 trạng thái QPSK ..................................................................... 40 2.3.3 Điều chế pha kết hợp ghép phân cực DP-QPSK ............................................. 41 2.3.4 Chức năng của DSP và FEC trong hệ thống mạng 100 Gb/s ......................... 47 CHƢƠNG III. GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT ........... 50 3.1 Tình hình thƣơng mại hóa các sản phẩm cho ứng dụng 100 Gb/s ......................... 50 3.2 Giải pháp 100 Gb/s DP-QPSK của hãng Ciena ..................................................... 53 3.2.1 Giới thiệu chung về mạng quang Ciena .......................................................... 53 3.2.2 Giải pháp mạng đƣờng dài 100 Gb/s .............................................................. 54 3.3 Hệ thống mạng đƣờng trục Bắc-Nam Ciena 240G ................................................ 58 3.3.1 Giới thiệu về hệ thống Ciena 240G ................................................................. 58 3.3.2 Những vấn đề cơ bản khi nâng cấp hệ thống .................................................. 63 3.3.2.1 Quy hoạch sử dụng bƣớc sóng: ............................................................... 63 3.3.2.2 Các module cần thiết cho việc nâng cấp mạng lƣới: ............................... 64 3.3.2.3 Nâng cấp phần mềm quản lý mạng: ........................................................ 65 3.3.3 Mô phỏng và thử nghiệm hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK ................................ 66 3.3.3.1 Mô hình 1 ................................................................................................. 66 3.3.3.2 Mô hình 2 ................................................................................................. 69 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 72 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................................. 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 75 Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự khác nhau giữa WDM và TDM ................................................................. 3 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bƣớc sóng .................................................... 3 Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống DWDM ............................................................ 4 Hình 1.4 Sơ đồ khối của bộ phát quang ......................................................................... 5 Hình 1.5 Sơ đồ khối của bộ thu quang ........................................................................... 6 Hình 1.6 Tách kênh sử dụng lăng kính ........................................................................... 7 Hình 1.7 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA .................................................. 8 Hình 1.8 Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman ................................................................. 9 Hình 1.9 OADM sử dụng FBG và Circulator .............................................................. 10 Hình 1.10 Cấu trúc của một ROADM hai hƣớng ........................................................ 10 Hình 1.11 Thiết bị nối chéo quang ............................................................................... 11 Hình 1.12 Đặc tính tán sắc của một số loại sợi quang ................................................. 12 Hình 1.13 Tán sắc phân cực mode ............................................................................... 14 Hình 1.14 Bù PMD bằng phƣơng pháp quang và điện ................................................ 15 Hình 1.15 Sự phân chia các băng sóng ......................................................................... 20 Hình 1.16 Chồng lấn giữa các kênh ............................................................................. 21 Hình 2.1 Dạng sóng của ASK, FSK và PSK ................................................................ 23 Hình 2.2 Mạch phát quang sử dụng Laser Diode ......................................................... 24 Hình 2.3 Sơ đồ khối của một bộ điều chế ngoài .......................................................... 25 Hình 2.4 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder một cực ............................................. 26 Hình 2.5 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder hai cực ............................................... 27 Hình 2.6 Bộ điều chế Electroabsorption....................................................................... 28 Hình 2.7 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu OOK ........................................................ 28 Hình 2.8 Sơ đồ máy thu OOK ...................................................................................... 29 Hình 2.9 Mật độ phân bố xác suất Gaussian và χ ......................................................... 30 Hình 2.10 Xung 66%-RZ và xung 33%-RZ ................................................................. 31 Hình 2.11 Sơ đồ khối máy thu quang Coherent ........................................................... 32 Hình 2.12 Máy thu quang Coherent hiện đại ............................................................... 34 Hình 2.13 Máy thu đa dạng pha kết hợp đa dạng phân cực ......................................... 35 Hình 2.14 Kỹ thuật đánh giá pha Feed-forward ........................................................... 36 Hình 2.15 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu BPSK ..................................................... 39 Hình 2.16 Điều chế và giải điều chế BPSK ................................................................. 39 Hình 2.17 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu QPSK ..................................................... 40 Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang iv Hình 2.18 Mã hóa hai bit dữ liệu vào ký tự quang ....................................................... 41 Hình 2.19 Điều chế và giải điều chế QPSK ................................................................. 41 Hình 2.20 Sự phân cực của ánh sáng............................................................................ 41 Hình 2.21a Sơ đồ khối máy phát DP-QPSK ................................................................ 42 Hình 2.21b Sơ đồ khối máy thu DP-QPSK .................................................................. 42 Hình 2.22a Thay đổi pha và trạng thái phân cực của tín hiệu trong máy phát ............. 44 Hình 2.22b Thay đổi pha và trạng thái phân cực của tín hiệu trong máy thu .............. 44 Hình 2.23 Khuyến nghị công suất LO tối đa cho phép ................................................ 46 Hình 2.24 Các chức năng cơ bản của DSP ................................................................... 47 Hình 2.25 Biểu đồ chòm sao sau mỗi bƣớc xử lý tín hiệu ........................................... 47 Hình 2.26 Khối thu phát 100 Gb/s DP-QPSK sử dụng FEC ........................................ 49 Hình 3.1 Xu hƣớng phát triển tốc độ bit trên một kênh DWDM ................................. 51 Hình 3.2 Kiến trúc mạng quang của Ciena................................................................... 53 Hình 3.3 Một số thiết bị quan trọng trong mạng Ciena ................................................ 54 Hình 3.4 Kiến trúc mạng đƣờng dài 100 Gb/s ............................................................. 55 Hình 3.5 Cấu trúc khung dữ liệu trong G.709 .............................................................. 56 Hình 3.6 Sơ đồ khối ghép tín hiệu trong ITU-T G.709 ................................................ 57 Hình 3.7 Sơ đồ kết nối các Ring Ciena 240G .............................................................. 59 Hình 3.8 Cấu hình một node mạng trong hệ thống Ciena ............................................ 61 Hình 3.9 Card 100G-OCLD và 100G-OCI .................................................................. 64 Hình 3.10 Mô hình mô phỏng hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK ...................................... 66 Hình 3.11 Phổ của tín hiệu sau máy phát ..................................................................... 67 Hình 3.12 Biểu đồ chòm sao tín hiệu 10 Gb/s và 100 Gb/s ......................................... 67 Hình 3.13 Biểu đồ chòm sao tín hiệu 100 Gb/s DP-QPSK sau 100 km ...................... 68 Hình 3.14 Tín hiệu trong miền thời gian ...................................................................... 68 Hình 3.15 Mô hình hệ thống ghép bƣớc sóng 10 Gb/s và 100 Gb/s ............................ 69 Hình 3.16 Phổ của tín tín hiệu WDM sau bộ MUX và trƣớc bộ DEMUX .................. 69 Hình 3.17 Phân tích tỉ lệ lỗi bit của 3 kênh bƣớc sóng 10 Gb/s ................................... 70 Hình 3.18 Phổ của tín hiệu với kênh 10 Gb/s và 100 Gb/s liền kề nhau ...................... 71 Hình 3.19 Phổ của tín hiệu sau khi gỡ bỏ 3 kênh 10 Gb/s liền kề ............................... 71 Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Ảnh hƣởng của tán sắc màu .......................................................................... 13 Bảng 1.2 Ảnh hƣởng của của tán sắc phân cực mode .................................................. 14 Bảng 1.3 Những thách thức khi tăng tốc độ bit ............................................................ 22 Bảng 2.1 DP-QPSK và DP-MQAM ............................................................................. 37 Bảng 2.2 Một số dạng điều tại 100 Gb/s ...................................................................... 37 Bảng 2.3 So sánh một số kỹ thuật điều chế tại 40 Gb/s ............................................... 38 Bảng 2.4 Các kỹ thuật điều chế khác ........................................................................... 38 Bảng 2.5 Một vài tham số trong máy phát 100 Gb/s DP-QPSK .................................. 45 Bảng 2.6 Một vài tham số trong máy thu 100 Gb/s DP-QPSK .................................... 45 Bảng 3.1 Chuẩn IEEE P802.3ba ................................................................................... 55 Bảng 3.2 Tải trọng khung dữ liệu trong ITU-T G.709 ................................................. 56 Bảng 3.3 Lƣới bƣớc sóng sử dụng trong hệ thống Ciena 240G ................................... 61 Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 1 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn WDM đã và đang đƣợc triển khai rộng khắp, trở thành công nghệ chủ đạo trong các mạng truyền tải đƣờng dài cũng nhƣ mạng đô thị và khu vực. Với những ƣu điểm nổi bật nhƣ tốc độ truyền tải cao và giá thành hợp lý, công nghệ WDM vẫn sẽ là một công nghệ không thể thay thế trong nhiều năm nữa. Tuy nhiên những năm gần đây, lƣu lƣợng trên mạng lõi IP không ngừng tăng lên một cách nhanh chóng do những dịch vụ chiếm băng thông lớn ra đời: HD IPTV, IP VoD, lƣu trữ trực tuyến, điện toán đám mây, 3G, 4G… Và đã gây nên một áp lực ngày càng lớn lên các mạng WDM. Từ đó đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phải nâng cao năng lực truyền tải của các hệ thống hiện tại đặc biệt là các tuyến đƣờng dài. Gần đây, các nhà sản xuất thiết bị lớn nhƣ Ciena, Alcatel-Lucent, Fujitsu… đã thử nghiệm thành công công nghệ truyền dẫn 100 Gb/s trên một bƣớc sóng, mở ra triển vọng mới trong việc nâng cấp các hệ thống 10 Gb/s và 40 Gb/s đang sử dụng lên 100 Gb/s. Những thách thức gặp phải khi chuyển đổi từ tốc độ 10 Gb/s và 40 Gb/s lên 100 Gb/s bao gồm: ảnh hƣởng tiêu cực của tán sắc màu (CD), tán sắc phân cực mode (PMD), hiệu ứng phi tuyến và tính tƣơng thích với hạ tầng quang đã đƣợc thiết kế cho các hệ thống 10 Gb/s. Trƣớc những thách thức nhƣ vậy, các kỹ thuật điều chế tín hiệu tiên tiến, kỹ thuật mã sửa lỗi trƣớc (FEC) có hiệu năng cao, kỹ thuật số xử lý tín hiệu điện (DSP) sẽ là những công nghệ chủ chốt cho tốc độ 100 Gb/s để sử dụng lại hạ tầng quang hiện đang dùng cho các tốc độ 10 Gb/s. Trong số các kỹ thuật điều chế tín hiệu quang tiên tiến nhƣ DBPSK, DQPSK, RZ-DQPSK, DP-QPSK, ITU-T thấy rằng DP-QPSK là kỹ thuật có khả năng miễn nhiễm cao đối với CD và PMD, và có phổ tín hiệu đủ hẹp để hỗ trợ cả hai tốc độ 130 Gb/s và 112 Gb/s trên các hạ tầng quang có khoảng cách kênh 50 GHz. Diễn đàn liên mạng quang (OIF) cũng lựa chọn DP-QPSK nhƣ là ứng cử viên sáng giá nhất cho các sản phẩm có tốc độ 100 Gb/s. Bằng việc hỗ trợ DP-QPSK, OIF muốn kích thích thị trƣờng cung cấp linh kiện quang và điện tử dùng cho tốc độ 100 Gb/s. Vào tháng 8 năm 2008, OIF đã công bố kế hoạch tiêu chuẩn hóa DP-QPSK nhƣ là phƣơng thức điều chế cho tốc độ 100 Gb/s trong mạng WAN, với mục tiêu là tạo đƣợc một sự hỗ trợ rộng lớn hơn từ các nhà cung cấp các module và linh kiện nhằm chế tạo các thiết bị 100 Gb/s với giá thành hợp lý. Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 2 DP-QPSK (Dual Polarization – Quadrature Phase Shift Keying) hay còn gọi là PDM-QPSK (Polarization Division Multiplexing – QPSK) hoặc PM-QPSK (Polarization Multiplexing – QPSK), là một dạng điều chế pha 4 trạng thái kết hợp với ghép phân cực. Hai tín hiệu QPSK đƣợc truyền đi trên hai phân cực trực giao của sóng mang, do đó đã làm tăng gấp đôi tốc độ truyền dẫn so với dạng điều chế QPSK trong khi vẫn sử dụng cùng một băng tần. Giải điều chế DP-QPSK sử dụng máy thu quang Coherent (tách sóng Coherent), tín hiệu sau tách sóng đƣợc đƣa đến bộ xử lý tín hiệu số DSP và đƣợc khôi phục về dạng chuỗi bit ban đầu. Trong công nghệ truyền dẫn tốc độ 100 Gb/s, thƣờng sử dụng kết hợp giữa kỹ thuật điều chế DP-QPSK và mã sửa lỗi FEC để giảm tỉ lệ lỗi bit của hệ thống [1]. Tại Việt Nam, vào tháng 2 năm 2011, VTN cùng với Ciena đã thử nghiệm thành công công nghệ 100 Gb/s trên hệ thống mạng Ciena 240G đoạn từ Vinh đến Đà Nẵng (dài khoảng 500 km). Điều đó cho thấy VTN hoàn toàn có thể triển khai hệ thống mạng 100 Gb/s trên đƣờng trục Bắc Nam. Do vậy em đã chọn đề tài “Điều chế DP- QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT” với mục đích tìm hiểu về điều chế DP-QPSK cũng nhƣ ứng dụng của kỹ thuật điều chế này vào việc nâng cấp mạng lên tốc độ 100 Gb/s. Nội dung chính của đề tài đƣợc trình bày trong ba chƣơng: CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM CHƢƠNG II. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM CHƢƠNG III. GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận đƣợc những sự bổ sung, góp ý của thầy cô cũng nhƣ bạn đọc quan tâm để đồ án này đƣợc hoàn thiện hơn. Nhân đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đỗ Văn Việt Em, ngƣời đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, bổ sung kiến thức cho em trong thời gian vừa qua. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy trong Khoa Viễn thông 2 đã tra