Luận văn Kỹ thuật đa truy nhập trong mạng quang và ứng dụng

Bộ giáo dục và đào tạo Tr−ờng đại học bách khoa hà nội -------------------------------------------- luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật đa truy nhập trong mạng quang và ứng dụng ngành: xử lý thông tin và truyền thông M∙ số: Nguyễn thế d−ơng Ng−ời h−ớng dẫn khoa học: PGS -TS. Đặng văn chuyết hà nội 2006 -i- Lời cam đoan Em xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân. Các nghiên cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và hiểu biết thực tế của em, không sao chép. Tác giả luận văn Nguyễn Thế D−ơng -ii- Mục lục Nội dung Trang Lời Mở đầu ............................................................................................. Ch−ơng 1: các phần tử sử dụng trong mạng quang đa truy nhập 1.1 giới thiệu chung …………………….................................. 1 1.2 Bộ ghép hình sao quảng bá ………………………….... 2 1.3 bộ ghép kênh và tách kênh ........................................... 4 1.4 điốt laze điều chỉnh đ−ợc b−ớc sóng. .................... 7 1.4.1 Điều chỉnh nhiệt. ........................................................................... 8 1.4.2 Điốt laze điều chỉnh đ−ợc b−ớc sóng sử dụng hốc ngoài............... 8 1.4.3 điốt laze hồi tiếp phân bố (DFB) hai đoạn..................................... 10 1.4.4 Điốt laze phản xạ phân bố Bragg hai đoạn và ba đoạn. ................ 11 1.5 bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc …................................ 12 Ch−ơng 2 : Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo b−ớc sóng - wdma 2.1 Tổng quan về kỹ thuật WDMA....................................... 14 2.2 Mạng WDMA đơn b−ớc ....................................................... 14 2.2.1 Mạng WDMA “ quảng bá và lựa chọn ”........................................ 14 2.2.2 Mạng WDMA “định tuyến theo b−ớc sóng”................................. 20 2.2.3 Các vấn đề liên quan đến hiệu suất và thiết kế mạng .................... 25 2.2.3.1 Vị trí bộ đệm trong mạng WDMA đơn b−ớc ................................. 25 2.2.3.2 Xuyên kênh..................................................................................... 26 2.3 Mạng WDMA đa b−ớc ......................................................... 29 2.3.1 Khái niệm chung về mạng WDMA đa b−ớc ................................ 29 2.3.2 Đặc điểm của mạng WDMA đa b−ớc ……………....................... 31 -iii- 2.4 ứng dụng mạng kỹ thuật đa truy nhập WDMA 36 2.4. 1 Mạng WDMA đơn b−ớc .............................................................. 36 2.4.1.1 Mạng LAMBDANET...................................................................... 36 2.4.1.2 Mạng RAINBOW............................................................................ 37 2.4.1.3 FOX –Bộ kết nối chéo quang tốc độ cao…………………………… 38 2.4.1.4 HYPASS (High performance packet switch system……………...... 39 2.4.1.5 Mạng RINGGO............................................................................... 42 2.4.2 Mạng WDMA đa b−ớc .................................................................. 43 2.4.2.1 Mạng Starnet.................................................................................. 43 2.4.2.2 Mạng HORNET.............................................................................. 44 Ch−ơng 3 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng mang phụ – SCMA 3.1 Giới thiệu chung .................................................................. 49 3.2 Hiệu suất của mạng scma đơn kênh …..................... 51 3.2.1 Nhiễu l−ợng tử Short noise ………………................................... 53 3.2.2 Nhiễu nhiệt của máy thu ............................................................... 54 3.2.3 Nhiễu c−ờng độ Laser ................................................................... 55 3.2.4 Nhiễu giao thoa quang .................................................................. 55 3.2.5 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng....................................................... 58 3.2.6 ứng dụng của các hệ thống SCMA đơn kênh ................................ 55 3.3 Đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh .................... 60 3.3.1 Khái niệm về hệ thống SCMA đa kênh ........................................ 61 3.3.2 Đặc điểm của hệ thống SCMA đa kênh ….................................... 62 3.3.3 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng ...................................................... 64 3.3.4 ứng dụng của các hệ thống SCMA đa kênh .................................. 65 Ch−ơng 4 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian – TDMA 4.1 Giới thiệu chung .................................................................. 68 -iv- 4.2 Các khái niệm cơ bản của Kỹ thuật TDMA ………. 68 4.3 ứng dụng mạng Kỹ thuật đa truy nhập TDMA .... 71 4.3.1 ATM-PON (ATM dựa trên mạng quang thụ động) ...................... 71 4.3.2 E- PON (Ethernet dựa trên mạng quang thụ động) ....................... 74 Ch−ơng 5 : kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo m∙ - cdma 5.1 Tổng quan kỹ thuật đa truy nhập CDMA .............. 78 5.2 Các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA ............................. 78 5.2.1 Mạng sử dụng kỹ thuật CDMA tách sóng trực tiếp ...................... 78 5.2.2 Mạng CDMA quang kết hợp......................................................... 85 5.2.3 Đặc điểm của các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA quang.............. 87 Ch−ơng 6 : đề xuất mô hình ứng dụng mạng man Tại b−u điện hà nội 6.1 Hiện trạng mạng viễn thông của BĐHN .................. 88 6.1.1 Mạng truyền dẫn ........................................................................... 88 6.1.2 Mạng tổng đài ............................................................................... 88 6.1.3 Mạng DDN truyền thống ……………………………………….. 90 6.1.4 Mạng truyền số liệu ATM + IP ..................................................... 90 6.1.5 Mạng truy nhập băng rộng ADSL & SHDSL ................................ 91 6.2 Đánh giá ứng dụng truy nhập quang của bđhn 94 6.3 Dự báo nhu cầu phát triển ............................................ 96 6.4 Phân tích giải pháp ứng dụng xây dựng mạng .... 99 6.5 Lựa chọn giải pháp công nghệ truy nhập .............. 103 6.6 Một số chỉ tiêu cơ bản khi xây dựng mạng …….. 105 6.7 Đề xuất cấu hình ứng dụng mạng MAN .................... 107 Kết luận................................................................................................. 110 Tài liệu tham khảo ........................................................................... 111 -v- Thuật ngữ và chữ viết tắt ADSL Asymmetric Digital Sub Line Thuê bao số không đối xứng AON All –optical network Mạng toàn quang ADM Add/ Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ APD Avalanche Photodiode Điốt tách sóng thác AR Antireflection Coating Vỏ chống phản xạ ASK Amplitude Shift Keying Khoá dịch biên độ ATM Asynchronous Transfer Mode Mode chuyển giao không đồng bộ B-ISDN Broadband Integrated Service Digital network Mạng số liên kết đa dịch vụ băng rộng BPF BandPass Filter Bộ lọc băng thông BRAS Broadband Access Server Server truy nhập băng rộng CNR Carrier –to- Noise Ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu COT Central Office terminal Thiết bị đầu cuối tổng đài CT Central terminal Thiết bị đầu cuối tập trung DBR Distributed Bragg Reflecter Phản xạ phân bố Bragg DCN Digital Communication network Mạng thông tin số DCS Digital Cross -connect system Bộ nối chéo số DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép (tách) kênh DFB Distributed Feedback Hồi tiếp phân bố DLC Digital loop Carrier Truyền tải mạch vòng số DR Distributed reflector Bộ phản xạ phân bố DSL Digital sub line Đ−ờng dây thuê bao số DSLAM DSL access Multiplexer Bộ ghép đ−ờng thuê bao số FBG Fiber Bragg grating Cách tử quang Bragg FP-LD Fabry-Perot laser diode Đi ốt la-de Fabry-Perot FSK Frequency Shift Keying Khoá dịch tần số FTTB Fiber to the Building Cáp quang tới toà nhà FTTC Fiber to the Curb Cáp quang tới khu dân c− -vi- FTTH Fiber to the home Cáp quang tới nhà FTTL Fiber to the loop Mạch vòng cáp quang FTTO Fiber to the office Cáp quang tới công sở FWM Four –Wave Mixing Trộn bốn sóng GGL Gain Guided laser Lade điều khiển khuyếch đại GI Graded Index Chỉ số Gradien GRIN Graded refractive Index Chỉ số chiết suất Gradien IF Intermediate frequency Trung tần IGL Index Guided laser Lade điều khiển chỉ số chiết suất IM Intensity Modulation Điều biến c−ờng độ IMD Intermodulation Distortion Méo điều chế t−ơng hỗ LD Laser diode Điốt lade LED Light Emitting Diode Điốt phát quang LED LO Local Oscillator Dao động nội LOC Large Optical Cavity Hốc cộng h−ởng quang rộng MAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực nội thị MQW Multiple Quantum Well Giếng l−ợng tử MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MZ Mach –Zehnder Bộ điều chế Mach –Zehnder OA Optical amplifier Bộ khuếch đại quang OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ quang OFA Optical fiber amplifier Bộ khuếch đại quang sợi ONI Optical Network interface Giao diện mạng quang ONNI Optical network – to – network interface Giao diện mạng –mạng quang ONU Optical network Unit Thiết bị mạng quang OTN Optical transport network Mạng truyền tải quang OXC Optical Cross connect Nối chéo quang PDS Passive Distribute Service Dịch vụ phân phối thụ động -vii- PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN PON Passive optical network Mạng quang thụ động PSK Phase shift keying Khoá dịch pha RF Radio frequency Tần số vô tuyến RIN Relative Intensity Noise Nhiễu c−ờng độ t−ơng đối RPR Resilient packet ring Mạng vòng chuyển mạch gói tự hồi phục SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích SCM Subcarrier Multiplexing Ghép kênh sóng mang phụ SDSL Symmetric digital sub line Thuê bao số đối xứng SEL Surface Emitting laser La-de phát mặt SPM Self phase modulation Tự điều chế pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ raman kích thích TDM Time division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian TDMA Time division Multiple Access Đa truy nhập theo thời gian TT Tunable transmitter Bộ phát điều chỉnh đ−ợc TR Tunable receiver Bộ thu điều chỉnh đ−ợc FT Fixed – tuned transmitter Bộ phát cố định RF Fixed – tuned receiver Bộ thu cố định VPN Virtual private network Dịch vụ mạng riêng ảo WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh theo b−ớc sóng WDMA Wavelength Division Multiple Access Đa truy nhập theo b−ớc sóng WGR Wavelength Grating Router Bộ định tuyến cách tử dẫn sóng WR Wavelength Router Bộ định tuyến b−ớc sóng WRC Wavelength routing Controller Bộ điều khiển định tuyến b−ớc sóng WT Wavelength terminal Thiết bị kết cuối b−ớc sóng XPM Cross Phase Modulation Điều chế ngang (chéo) pha -viii- danh mục bảng Bảng 2.1 Quan hệ giữa số nút mạng (N) và số b−ớc (h) xuất phát từ một nút nguồn trong giản đồ ShuffleNet (p,k) ....................... 33 Bảng 2.2 Một số thông số đại diện biểu đồ ShuffleNet ....................... 34 Bảng 2.3 Các tham số thử nghiệm mạng HORNET ............................. 45 Bảng 6.1 Kỹ thuật truyền dẫn từ tổng đài đến thuê bao ……………… 104 Bảng 6.2 Kỹ thuật truyền dẫn từ thuê bao đến tổng đài ……………… 104 Danh mục hình vẽ Hình 1.1. Một số cấu kiện quang thụ động ........................................... 2 Hình 1.2. Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode . 2 Hình 1.3. Các bộ ghép hình sao ............................................................. 4 Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ thống WDM .................................................... 4 Hình 1.5 Thiết bị ghép –tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) ............. 5 Hình 1.6 Xuyên kênh ............................................................................ 9 Hình 1.7 Điốt laze điều chỉnh đ−ợc sử dụng hốc ngoài ........................ 9 Hình 1.8 Laser MAGIC ........................................................................ 9 Hình 1.9 Điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn ....................................... 10 Hình 1.10 Sơ đố cấu trúc diode laze phản xạ phân bố Bragg ................ 11 Hình 1.11 Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc .............................. 12 Hình 2.1 Mạng WDMA hình sao đơn b−ớc “quảng bá và lựa chọn”.... 15 Hình 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số b−ớc sóng đ−ợc sử dụng .................................................................................. 17 Hình 2.3 Quan hệ số b−ớc sóng bận -Tải ρ và số b−ớc sóng cực đại ... 20 Hình 2.4 Nguyên lý định tuyến b−ớc sóng mạng WDMA đơn b−ớc .. 220 Hình 2.5 Mạng định tuyến theo b−ớc sóng N = 3 nút ,sử dụng phần tử WDM .................................................. 21 Hình 2.6 Mạng định tuyến theo b−ớc sóng sử dụng chuyển mạch không gian chọn b−ớc sóng ............... 23 -ix- Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạng LLN …………………………... 24 Hình 2.8 Tái sử dụng b−ớc sóng trong mạng LLN ............................... 25 Hình 2.9 Quan hệ thời gian đợi và tải cho mạng đệm đầu ra đầu vào 26 Hình 2.10 Chọn kênh trong mạng WDMA thu kết hợp ......................... 27 Hình 2.11 Mất mát công suất do xuyên kênh trong bộ tách sóng quang 28 Hình 2.12 Quan hệ giữa công suất cực đại trên kênh và số kênh cho 4 ảnh h−ởng phi tuyến trong mạng WDMA ……………….. 29 Hình 2.13 Cấu trúc mạng đa chặng WDMA hình sao 8 nút ................... 30 Hình 2.14 Biểu đồ kết nối trực tiếp Shufflenet mạng đa chặng hình sao 8 nút.......................................................................... 32 Hình 2.15 Biểu diễn thông l−ợng trên một nút, số nút N cho mạng WDMA shuffleNet ................................................ 35 Hình 2.16 Cấu trúc mạng Lambdanet WDMA ....................................... 36 Hình 2.17 Cấu trúc cơ bản của mạng FOX ............................................. 38 Hình 2.18 Cấu trúc mạng WDMA –Hypass ........................................... 39 Hình 2.19 Minh hoạ thuật toán thăm dò hình cây trong tr−ờng hợp có 4 gói dữ liệu đồng thời đến cùng một đích ....................... 40 Hình 2.20 Quan hệ giữa thời gian trễ trung bình và tải ρ trong mạng Hypass ................................................... 41 Hình 2.21 Mạng metro WDM ringo ................................................... 42 Hình 2.22 Cấu trúc nút RINGO ............................................................. 43 Hình 2.23 Cấu trúc chuyển mạch Starnet ............................................... 43 Hình 2.24 Cấu trúc mạng HORNET....................................................... 46 Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc nút truy nhập (AN) trong mạng HORNET .... 46 Hình 2.26 Nguyên lý hoạt động giao thức CSMA/CA trong mạng HORNET ……………………………………… 47 Hình 3.1 Nguyên lý kỹ thuật điều chế SCM …………………………. 49 Hình 3.2 Mạng SCMA cấu trúc hình sao .............................................. 51 Hình 3.2 (a) Phổ công suất quang của hai Laser đơn mode dọc 53 -x- có độ lệch tần số trung tâm bằng δv ..................................... Hình 3.2(b) Phổ công suất điện của thành phần nhiễu khi δv ≠0 .............. 57 Hình 3.2 (c) Phổ công suất điện của thành phần nhiễu khi δv = 0 ............ 57 Hình 3.3 Tỷ số (SNRtot) tổng và 4 loại nhiễu trong hệ thống SCMA đơn kênh ..................................................... 59 Hình 3.4 H−ớng lên hệ thống FITL dựa trên SCMA –PON ................ 60 Hình 3.5 Mạng SCMA đa kênh , N b−ớc sóng và M nút mạng trên một b−ớc sóng ............................................................... 61 Hình 3.6 Gán kênh tần trong mạng SCMA đa kênh ............................. 62 Hình 3.7 Cấu trúc chuyển mạch gói tốc độ cao dựa trên SCMA đa kênh ứng dụng cho MAN ……………………….. 66 Hình 4.1 Mạng quang thụ động dựa trên cấu trúc Bus ......................... 69 Hình 4.2 Cấu trúc của ATM-PON......................................................... 72 Hình 4.3 Khung thời gian ATM-PON đối xứng 155 Mbps .................. 74 Hình 4.4 Sơ đồ ứng dụng E-PON ......................................................... 75 Hình 4.5 Khe thời gian h−ớng lên và h−ớng xuống E-PON ................. 76 Hình 5.1 Mạng CDMA quang .............................................................. 79 Hình 5.2 Mã hoá bít nguồn tin ‘1’ với chuỗi chíp CDMA. Số các chíp, F=25. Số các chip 1, K=5 .................................. 79 Hình 5.3 (a) Bộ mã hoá quang và (b) bộ giải mã quang sử dụng các đ−ờng dây trễ quang song song........................................ 82 Hình 5.4 Hai mã quang trực giao A và B .............................................. 84 Hình 5.5 Mã hoá và giải mã phổ các xung ánh sáng cực ngắn trong các mạng CDMA quang kết hợp .................................. 86 Hình 6.1 Sơ đồ đấu nối các trạm tổng đài - mạng B−u điện Hà Nội .... 89 Hình 6.2 Cấu trúc mạng truyền số liệu ATM + IP ............................... 91 Hình 6.3 Sơ đồ cấu trúc mạng truy nhập ADSL & SHDSL .................. 92 Hình 6.4 Sơ đồ mạng truy nhập ADSL và SHDSL – B−u điện Hà Nội 93 Hình 6.5 Sơ đồ triển khai MAN ứng dụng công nghệ HORNET trên mạng Hà Nội ................................................. 108 -xi- Lời mở đầu Ngày nay, thế giới đang b−ớc sang kỷ nguyên của thông tin, trong đó công nghệ thông tin và truyền thông là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội. Do đó, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa ph−ơng tiện trong đời sống kinh tế – xã hội của từng quốc gia cũng nh− kết nối toàn cầu. Để đáp ứng đ−ợc vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, băng thông rộng, dung l−ợng lớn. Một trong giải pháp để tạo ra mạng truyền thông có khả năng truyền dẫn đó là mạng thông tin quang tốc độ cao. Mặc dù có sự phát triển nhanh về công nghệ, cấu trúc mạng và cấu hình các hệ thống truyền dẫn quang trong các ứng dụng thực tế, song về cơ bản mạng thông tin quang có thể chia làm hai phần là mạng truy nhập và mạng truyền tải. Mạng truyền tải với mục tiêu truyền các l−u l−ợng lớn với băng tần rộng nhằm thoả mãn nhu cầu truyền tải trong cấu trúc mạng hiện đại. Trên cơ sở đó, vấn đề thông suốt l−u l−ợng đ−ợc đặt ra nh− là một nền tảng cho việc thoả mãn nhu cầu băng tần rộng của khách hàng mà không cần quan tâm tới nội dung của luồng tín hiệu. Đây cũng là nội dung yêu cầu tiến đến mạng toàn quang thế hệ sau (all optical network). Mạng truy nhập quang ở nhiều nơi đã đ−ợc khai thác có hiệu quả và đã đáp ứng đ−ợc nhiều loại hình dịch vụ. Tuy nhiên, nhu cầu thông tin ngày một phát triển mạnh, các yêu cầu về các hệ thống truy nhập quang cho mạng nội hạt có băng tần rộng đã đ−ợc đặt ra nhằm thoả mãn sự phát triển của mạng và các loại hình dịch vụ có băng tần và chất l−ợng cao. Để thực hiện các mục đích trên ng−ời ta đã và đang nghiên cứu rất nhiều các giải pháp kỹ thuật, một trong số đó là kỹ thuật đa truy nhập quang nhằm tạo ra các sở cứ khoa học cho việc thiết kế và ứng dụng các mạng quang đa truy nhập, nội dung luận văn bao gồm: Ch−ơng 1 giới thiệu một số phần tử sử dụng trong mạng quang đa truy nhập. Nghiên cứu chức năng, nguyên lý hoạt động và đặc tính kỹ thuật của một số cấu kiện quang thụ động và các phần tử điều chỉnh đ−ợc ứng dụng trong mạng quang đa truy nhập (Bộ phát thay đổi, bộ thu thay đổi và bộ lọc thay đổi đ−ợc). -xii- Ch−ơng 2 sẽ trình bày về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo b−ớc sóng WDMA trong đó đ−a ra tổng quan về công nghệ WDMA, các khái niệm về mạng WDMA đơn b−ớc và đa b−ớc đồng thời phân tích cấu trúc, đặc tính kỹ thuật của các mạng WDMA đơn b−ớc và đa b−ớc và nghiên cứu một số cấu trúc và giao thức mạng ứng dụng kỹ thuật WDMA. Ch−ơng 3 nghiên cứu về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng mang phụ SCMA tìm hiểu các đặc điểm về kỹ thuật đa truy nhập sóng mang phụ đơn kênh, kỹ thuật đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh, đ−a ra các phân tích ảnh h−ởng về nhiễu gây ra liên quan đến