Đề tài Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM

Đại học Công Nghệ Thông Tin Đại học Quốc Gia Tp.HCM Đề tài: Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM Các thành viên trong nhóm Nguyễn Tiến Thành – 08520354 Phạm Ngọc Sơn – 08520317 Nguyễn Vũ An – 08520517 Hoàng Mạnh Hưng – 08520165 Dương Sơn Thông – 08520391 Giáo viên ThS. Ngô Hán Chiêu 1 Mục lục Mục lục ................................................................................................................................................... 2 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................................................................................................................... 6 Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM .................................................................. 10 I: Sự phát triển của công nghệ WDM ................................................................................................. 10 II: Giới thiệu về hệ thống thông tin quang .......................................................................................... 11 III: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng và các tham số cơ bản .............................................. 15 1: Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng ............................................................... 15 1.1: Truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: ........................................................................................ 15 1.2: Truyền dẫn hai chiều trên một sợi ........................................................................................ 16 2: Các tham số cơ bản .................................................................................................................... 18 Chương II: CÁC THIẾT BỊ QUANG THỤ ĐỘNG TRONG WDM ....................................................... 20 I: Các thiết bị WDM vi quang ............................................................................................................ 21 1: Các bộ lọc thiết bị ...................................................................................................................... 22 1.1. Bộ tách hai bước sóng ......................................................................................................... 24 1.2: Bộ tách lớn hơn hai bước sóng ............................................................................................ 25 1.3: Thiết bị kết hợp ghép và tách bước sóng (MUX-DEMUX): ................................................. 26 2: Thiết bị WDM làm việc theo nguyên lý tán sắc góc: ................................................................... 29 2.1. Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc: .............................................................................. 29 2.2. Dùng cách tử làm phần tử tán sắc góc: ................................................................................. 30 2.2.1. Mở đầu ......................................................................................................................... 30 2.2.2. Cách tử nhiễu xạ phẳng................................................................................................. 31 2.2.3. Ứng dụng của cách tử nhiễu xạ phẳng: .......................................................................... 33 2.2.4. Cách tử hình long chảo ................................................................................................. 35 2.2.5. Cách tử Bragg: .............................................................................................................. 36 2 II. CÁC THIẾT BỊ WDM GHÉP SỢI ................................................................................................ 38 III. MỘT SỐ KỸ THUẬT KHÁC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG GHÉP WDM. ................................... 41 1. Bộ ghép bước sóng dùng công nghệ phân phối chức năng quang học SOFT. ............................. 41 1.1 Nguyên lý chung .................................................................................................................. 41 1.2. Bộ ghép nhân kênh dùng cách tử: ....................................................................................... 42 1.3. Thiết kế bộ ghép n bước sóng. ............................................................................................ 43 2. AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị WDM......................................................... 46 Chương III: MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỶ THUẬT CẦN QUAN TÂM ĐỐI VỚI HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM ..................................................................................................................................... 49 I: Số kênh sử dụng và khoảng cách giữa các kênh .............................................................................. 50 1: Khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là ..................... 50 2: Khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này là: .......................... 50 II: Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng của nguồn phát ........................... 57 1: Ổn định bước sóng của nguồn quang .......................................................................................... 57 2: Yêu cầu độ rộng của nguồn phát................................................................................................. 57 III: Xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang ................................................................................... 58 IV: Suy hao – Quỹ công suất của hệ thông WDM ............................................................................. 58 V: Tán sắc – Bù tán sắc...................................................................................................................... 59 IV: Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến ........................................................................................ 62 1. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering): .......................................................................... 63 2. Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering): ...................................................................... 64 3. Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation): .................................................................................. 65 4. Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation): ................................................................................ 67 5. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing): ....................................................................................... 67 6. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến: .............................................. 69 3 VII: Bộ khuếch đại EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM ............................ 69 1. Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA: .............................................................................. 70 2. Tăng ích bằng phẳng của EDFA: ................................................................................................ 72 3. Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA: .................................................................... 73 Chương IV: CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG WDM ............................................................................ 74 I. 1. Công nghệ bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang pha trộn ERBIUM (EDFA) ......................... 74 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA............................................................................. 74 2: Đặc tính của EDFA .................................................................................................................... 77 2.1: Đặc tính khuếch đại ............................................................................................................. 77 2.2: Đặc tính tạp âm nhiễu .......................................................................................................... 78 2.3: EDAF trong hệ thống ghép kệnh theo bước sóng ................................................................. 82 Chương V: Mạng WDM ........................................................................................................................ 84 I: Phân cấp mạng WDM..................................................................................................................... 84 II. Hai kiểu chuyển mạch của WDM ................................................................................................. 86 1. Mạng WDM chuyển mạch kênh quang........................................................................................ 86 2. Mạng WDM chuyểm mạch gói: .................................................................................................. 87 III. Điểm mút của mạng WDM ......................................................................................................... 88 1. Điểm nút OXC: ......................................................................................................................... 88 2. Điểm nút OADM: ...................................................................................................................... 91 IV. Phân phối và định tuyến bước sóng trong mạng WDM ................................................................. 93 1. Kênh bước sóng và kênh bước sóng ảo. ...................................................................................... 93 2. Chọn đường trong mạng WDM .................................................................................................. 95 V: Bảo vệ mạng WDM ...................................................................................................................... 96 1. Bảo vệ kiểu 1+1 trên lớp SDH.................................................................................................... 96 2. Bảo vệ đoạn ghép kênh: ............................................................................................................. 97 4 VI. WDM và SDH. ........................................................................................................................... 97 VII. Mạng quang và hỗn hợp quang điện............................................................................................ 98 VIII. Vấn đề phi tuyến trong mạng quang WDM ................................................................................ 99 IX. Thiết kế cấu trúc mạng WDM ...................................................................................................... 99 V. Mạng Ring tự phục hồi ghép bước sóng ...................................................................................... 101 1. Mở đầu .................................................................................................................................... 101 2. Cấu trúc SHR/WDM đơn hướng.............................................................................................. 101 2.1. Cấu trúc mạng Ring có 4 nút: ............................................................................................ 101 2.2. Cấu trúc nút:...................................................................................................................... 102 2.3: Quan hệ giữa số lượng nút và số lượng bước sóng. ............................................................ 104 3. Cấu trúc SHR/WDM hai hướng................................................................................................ 104 4. So sánh SHR/ADM và SHR/WDM ......................................................................................... 106 KẾT LUẬN ......................................................................................................................................... 108 5 Viết tắt ADM AG AN AOTF APD AWGM ATM ADP AW C DCA DEMUX DSF DXC DLE DWDM FBG EDFA FDM FFWF GMPLS GW IP ISDN LAN LC LCP LCG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Tiếng AnhTiếng Việt Add/drop multiplexerBộ ghép kênh xen kẽ Auxiliary GraphDựng một đồ thị phụ Acces NodeNút truy nhập Acousto OpticBộ lọc thanh quang Turnable Filtercó điều chỉnh Avalanche PhotodiodeĐiốt quang thác Arrayed - WavelengthBộ ghép kênh lưới quang Grating Multiplexerdẫn sóng kiểu dàn Asynchronous Transfer ModePhương thức truyền không đồng bộ Avalanche Photo DiodeĐiốt quang thác Available WavelengthBước sóng khả dụng CoreĐường trục Distinct Channel AssignmentGán kênh riêng biệt DemultiplexerBộ giải ghép kênh Dispersion Shifted FiberSợi dịch tán sắc Digital Cross ConnectNối chéo số Dynamic Lightpath EstablishmentThiết lập luồng quang Differential WavelengthGhép kênh chia bước Division Multiplexersóng vi sai Fibre GratingLưới sợi quang Erbium doped fiber ampliferKhuếch đại sợi quang trộn erbium Frequency Division MultiplexingGhép kênh phân chia tần số First Fit Wavelength FirstThuật toán gán bước sóng theo thứ tự bước sóng Generalized Multiple ProtocolChuyển mạch nhãn đa Label Swithchinggiao thức tổng quát GatewayCổng Internet ProtocolGiao thức internet Integrated service digital networkMạng số liên kết dịch vụ Local Area NetworkMạng cục bộ Logical ConnectionKết nối logic Least Congested PathĐịnh tuyến đường nghẽn ít nhất Logical Connection GraphHướng kết nối logíc biểu đồ 6 LF LEC LL LSP LSR LU M∑ MESH MPLS NP- Largest First Least Converter First Least Loaded Label Swithched Path Label Swithching Router Least Used Max-Sum Mesh Multi Protocol Label Swithching Subset of class NP problem complete Non-Zero Dispersion Shifted Fiber Optical add/drop multiplexer Optical Circulator Optical/Electrical/ Optical Optical Channel Optical Line Amplifier Optical Cross Connect Optical Time Division Multiplex Routing and Wavelength Assignment Synchronous Digital Hierarchy Sequential Graph Coloring Synchronous Optical Network Sub-Network Connection Protection Synchronous Transport Module Static Wavelength Routing Space Optical Switch Total wavelength and Available wavelength Thuật toán gán bước sóng từ bậc lớn nhất Chuyển đổi bước sóng theo thứ tự cao nhất Thuật toán gán bước sóng dựa trên tải ít nhất Luồng chuyển mạch nhãn Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn Gán bước sóng dựa trên bước sóng sử dụng ít nhất Thuật toán gán bước sóng dựa trên tổng dung lượng lớn nhất Dạng lưới Chuyển mạch nhãn đa giao thức Tập hợp con của lớp các bài toán NP mà nó được xem là khó giải Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không Bộ ghép kênh xen/rẽ quang Bộ đấu vòng quang Quang/ Điện/ Quang Kênh quang Khuếch đại đường quang Nối chéo quang Ghép kênh quang phân chia thời gian Định tuyến và gán bước sóng Phân cấp số đồng bộ Tô màu đồ thị tuần tự Mạng quang đồng bộ Bảo vệ kết nối mạng con Modun truyền tải đồng bộ Bộ định tuyến bước sóng tĩnh Chuyển mạch quang không gian Tổng bước sóng của các bước sóng khả dụng 7 NZ-DSF OADM OC O/E/O Och OLA OXC OTDM RWA SDH SGC SONET SNCP STM SWR SOS TAW TDM Thr TSI WADM WC WDM WGR WP WR WRS OSC DFK DFF SMF DCF CBFG OA OADM OXC OMS-DP OMS-SP OMS RWA SLE WCA RCL RCA Rsv WRN Time Division Multiplexing Thr - Protecting Threshold Time Slot Interchanger Wavelength Add- Drop Multiplexer Wavelegth Converter Wavelength Division Multiplex Waveguide Grating Router Wavelength Path Wavelength Router Wavelength Router Switch Optical Supervision Chanel Dispersion Shifted Fiber Dispersion Flattened Fiber Single Mode Fiber Dispersion Compensating Fiber Chirper Bargg Fiber Grating Optical Amplifier Optical Add Drop Multiplexer Optical Cross Connect Optical Multiplexer Section Dedicated Protection Optical Multiplexer Section Shared Protection Optical Multiplexer Section Routing and Wavelength Assignment Static Lightpath Establishment Wavelength conveter Awave Relative Capacity Loss Routing and Channel Assignment Wavelength Reservation Wavelength Router Network Ghép kênh phân chia theo thời gian Ngưỡng bảo vệ Trao đổi khe thời gian Bộ nhập tách bước sóng Bộ chuyển đổi bước sóng Ghép kênh chia bước sóng Bộ định tuyến lưới quang dẫn sóng Đường bước sóng Bộ định tuyến bước sóng Khoá định tuyến bước sóng Kênh giám sát quang Sợi dịch tán sắc Sợi tán sắc phẳng Sợi đơn mode Sợi bù tán sắc Cách tử Bargg Khuếch đại quang Bộ xen tách quang Kết nối chéo quang Bảo vệ dùng riêng mức đoạn ghép kênh quang Bảo vệ dùng chung mức đoạn ghép kênh quang Đoạn ghép kênh quang Định tuyến gán bước sóng Thiết lập luồng quang tĩnh Bộ chuyển đổi bước sóng Tổn thất dung lượng tương đối Định tuyến và gán kênh Gán bước sóng đặt trước Mạng định tuyến bước sóng LỜI NÓI ĐẦU 8 Thời gian gần đây, nhu cầu lưu lượng tăng mạnh do sự phát triển bùng nổ của các loại hình dịch vụ Internet và các dịch vụ băng thông đã tác động không nhỏ tới việc xậy dựng cấu trúc mạng viễn thông. Việc xây dựng mạng viễn thông thế hệ sau NGN đang được quan tâm như một giải pháp hữu hiệu nhằm thoả mãn nhu cầu mạng lưới trong thời gian tới. Trong cấu trúc NGN mang truyền tải lưu lượng là khâu quan trọng nhất có nhiệm vụ truyền thông suốt lưu lượng lớn trên mạng, trong đó mạng truyền dẫn được xem là huyết mạch chính. Để thoả mãn việc thông suốt lưu lượng và băng tần lớn, các hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM được xem là ứng cử quan trọng cho đường truyền dẫn. Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho mạng lưới truyền dẫn cao trên băng tần lơn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng thời trên một sợi, trong đó mỗi kênh tương đương với một hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ cao. Công nghệ WDM cho phép các nhà thiết kế mạng lựa chọn được phương án tối ưu nhất để tăng dung lượng đường truyền với chi phí thấp nhất. Cho đến nay hầu hết các hệ thống thông tin quang đường trục có dung lượng cao đều sử dụng công nghệ WDM. Ban đầu từ những tuyến WDM điểm – điểm đến nay đã xuất hiện các mạng với nhiều cấu trúc phức tạp Với nhận thức ấy đề tài “Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM” sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn. Báo cáo gồm có 5 chương với nội dung tóm tắt cụ thể như sau: Chương I : Giới thiệu chung về thông tin quang, các nguyên lý ghép kênh trên hệ thống truyền dẫn hai chiều trên hai sợi và một sợi Chương II: Giới thiệu về các thiết bị quang thụ động trong WDM, các thiết bị WDM ghép sợi, một số kỷ thuật SOFT, AWG và những nét mới về công nghệ trong thiết bị Chương III: Giới thiệu về các vấn đề kỷ thuật cần quan tâm đối với hệ thống quang WDM như: Vấn đề ổn định bước sóng, vấn đề xuyên kênh, nhiễu kênh, suy hao, tán sắc-bù sắc và ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến Chương IV: Các công nghệ then chốt của hệ thống WDM như: Công nghệ lọc quang có điều chỉnh bước sóng, công nghệ bộ chuyển phát quang (OTU), công nghệ bộ khuếch đại quan sử dụng sợi quang, công nghệ sợi quang và công nghệ điều khiển giám sát hệ thông WDM Chương V: Giới thiệu chung về mạng WDM 9 Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM I: Sự phát triển của công nghệ WDM Công nghệ mạng quang đã trở thành nhân tố quan trọng trong sự phát triển của mạng viễn thông. Yêu cầu băng tần sử dụng lớn là hệ quả tất yếu của nhu cầu truyền thông dữ liệu ngày nay. Trong hai thập kỷ qua, công nghệ truyền tải quang WDM đã có sự phát triển vượt bậc. Sự phát triển này có được là nhờ công nghệ chế tạo linh kiện quang. Những thành tựu của công nghệ này đã góp phần tạo nên hệ thống WDM dung lượng lớn như ngày nay. Theo thời gian, xuất phát từ những nhu cầu thực tế, các hệ thống WDM ngày càng trở nên phức tạp. Ở một góc độ nào, sự phức tạp trong hệ thống WDM là trong những chức năng của thiết bị. Nhờ có chức năng này mà cấu hình hệ thống WDM chuyển từ đơn giản như cấu hình điểm- điểm sang cấu hình phức tạp như Ring và Mesh. Các hệ thống WDM đầu tiên xuất hiện từ cuối những năm 1980 sử dụng hai kênh bước sóng trong các vùng 1310nm và 1550nm và thường được gọi là hệ thống WDM băng rộng. Đầu những năm 1990 xuất hiện các hệ thống WDM thế hệ hai sử dụng các phần tử WDM thụ động, được gọi là hệ thống WDM băng hẹp từ 2 đến 8 kênh. Các kênh này nằm trong cửa sổ 1550nm và với khoảng cách k