thiết kế một hệ thống thông tin quang và thiết kế hệ thống thông tin quang WDM cho quận ngũ hành sơn – đà nẵng

Bài tập lớn này gồm hai phần như sau: Chương 1: Tổng quan về hệ thống ghép kênh theo bước sóng wdm Chương 2: Các bước triển khai thiết kế một hệ thống thông tin quang.. DANH MỤC VIẾT TẮT

LỜI MỞ ĐẦU

Cáp quang đang trở thành phương tiện truyền dẫn hết sức hiệu quả trong các mạng thông tin Do các ưu điểm của nó hơn hẳn các phương tiện truyền dẫn khác, nó đóng vai trò đa năng truyền dẫn dịch vụ viễn thông có chất lượng cao, đồng bộ và hiện đại như truyền số liệu phục vụ hội nghị truyền hình, truy nhập dữ liệu từ xa

Cáp quang đã dần dần thay thế các đôi dây dẫn kim loại: cồng kềnh và tốt kém Bằng nhiều phương pháp chôn dưới đất, treo và mắc theo các cột điện lực xâm nhập đến từng gia đình, đến từng thôn, xã, phố, phường Nó sẽ xuyên trái đất vượt đại dương kết nối vào mạng thông tin quốc tế, truyền dẫn đa dịch vụ viễn thông phục vụ cho loài người hội nhập trên con đường phát triển kinh tế thương mại, nghiên cứu khoa học, giáo dục, văn hoá, đời sống và phục vụ mọi yêu cầu cho con người trong thời đại thông tin hện nay và là yếu tố chủ yếu cho sự phát triển kỹ thuật ở thế kỷ này

Trong phạm vi bài tập lớn này em sẽ đi sâu tìm hiểu các bước triển khai một hệ thống thông tin quang và thiết kế hệ thống thông tin quang WDM cho quận Ngũ Hành Sơn – Đà Nẵng Bài tập lớn này gồm hai phần như sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống ghép kênh theo bước sóng wdm

Chương 2: Các bước triển khai thiết kế một hệ thống thông tin quang

Chương 3: Thiết kế hệ thống thông tin quang WDM cho quận Ngũ Hành Sơn –

Đà Nẵng

Mục đích của bài tập lớn là nêu bật được những điều quan trọng nhất trong một

hệ thống thông tin quang, những yếu tố cần thiết để thiết kế một hệ thống thông tin quang và thiết kế hệ thống thông tin quang WDM cho quận Ngũ Hành Sơn – Đà Nẵng Tuy nhiên, để có được một kiến thức sâu rộng hơn về công nghệ truyền dẫn này phải

có thời gian nghiên cứu và sự tích luỹ kiến thức hơn nữa Bài tập lớn này được thực hiện trong khoảng thời gian ngắn, do đó không tránh khỏi những hạn chế thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cũng như các bạn có quan tâm để hoàn thiện kiến thức về bài tập lớn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Công Nghệ Thông Tin Ứng.

Trong đó, đặc biệt là Cô Trần Thị Trà Vinh đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ nhóm

em hoàn thành bài tiểu luận này.

DANH MỤC VIẾT TẮT

ATM Asynchronous Transfer Mode Kiểu truyền bất động

BGP Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã

DVA Distance Vector Algorithm Thuật toán Vector khoảng cách

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi có pha tạp

Erbium

IGRP Interior Gateway Routing protocol Giao thức định tuyến bên trong

ISDN Itegrated Servise Digital Network Mạng số tích hợp dịch vụ

LD Diod Laser

LSA Link State Algorithm Thuật toán trạng thái liên kết

OADM Optical Add/Drop Multipler Bộ ghép kênh xen/rớt quang

OLT Optical Line Terminator Thiết bị đầu cuối

OXC Optical Cross Connect Bộ kết nối chéo quang

PIN Positive Intrinsic Negative

RIP Routing Information Protocol Giao thức thông tin định tuyến

RWA Routing & Wavelength Assignment Định tuyến và gán bước sóng

SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng OTN Optical Transmission Network Mạng truyền dẫn quang

MUX Multiplexer Ghép kênh

DEMUX Demutiplexer Tách kênh

SBS Supplementary and Bearer Service Kiểu dịch vụ mang và bổ sung

CMP Continuous Presence Multipoint Đa điểm liên tục

DCF Dispersion Compensation Fibers Sợi bù tán sắc

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC

SÓNG WDM

I Giới thiệu chung

1.1 Khái niệm

WDM ( Wavelength Division Multiplexing) ghép kênh theo bước sóng là kỹ thuật dùng trong

hệ thống đa kênh của miền quang Cho phép truyền nhiều bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang

1.2 Đặc điểm

 Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng của sợi quang

 Có khả năng truyền dẫn nhiều tín hiệu

 Giảm nhu cầu xử lý tốc độ cao cho một số kinh kiện quang – điện

 Kênh truyền dẫn IP

 Có khả năng truyền hai chiều trên cùng một sợi quang

 Cấu hình có tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao

1.2.1 Ưu điểm

 Tăng băng thông truyền trên sợi quang

 Tăng tính trong suốt

 Khả năng mở rộng

 Công nghệ WDM cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN( Optical Transport Network) giúp truyền tải trong suốt nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh động…

1.2.2 Nhược điểm

 Vẫn chưa khai thac hết băng tần có thể của sợi quang

 Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn nhiều

 Xuất hiện hiện tượng phi tuyến FWM

1.3 Sơ đồ khối của hệ thống WDM

Hình 1: Sơ đồ khối của hệ thống WDM

Chức năng của các khối:

 Phát tín hiệu: Nguồn phát quang được dùng là laser Hiện tại đã có một số nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng( Multiwavelength Laser),…Yêu cầu đối với nguồn phát là laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ,

độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép

 Ghép/ tách tín hiệu:

Tx1

Tx2

TxN

Rx2 Rx1

RxN

Truyền t/

h trên sợi quang

Khuếch đại tín hiệu

Khuếch đại tín hiệu Ghép tín

hiệu

Tách tín hiệu

Phát tín

hiệu

Thu tín hiệu

 Ghép tín hiệu là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn sợi quang

 Tách tín hiệu là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra của bộ tách

Hiện nay đã có các bộ ghép/ tách tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG….Khi xét đến các bộ ghép/ tách WDM ta phải xét đến các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều, suy hao xen, xuyên âm đầu gần đầu xa…

 Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn chịu sự ánh hưởng của nhiều yếu

tố như: suy hao sợi quang, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, các vấn đề liên quang đến khuếch đại tín hiệu

 Khuếch đại tín hiệu: Hiện tại hệ thống WDM chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman cũng đã được sử dụng Có 3 chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đại EDFA phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Độ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng( mức chênh lệch

không quá 1dB)

Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được ảnh hưởng đến mức công

suất đầu ra của các kênh

Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các hệ

số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại bằng phằng đối với tất cảc các kênh

 Thu tín hiệu: sử dụng bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN APD

Nguyên lí cơ bản của ghép kênh theo bước sóng là ghép tất cả các bước sóng khác nhau của nguồn phát quang vào cùng một sợi dẫn quang nhờ bộ ghép kênh MUX và truyền dẫn các bước sóng này trên cùng một sợi quang Khi đến đầu thu bộ tách quang sẽ phân tách

để thu nhận lại các bước sóng đó

Có hai loại truyền dẫn trong WDM:

1.3.1 Hệ thống WDM đơn hướng

Tất cả các kênh cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều

1.3.2 Hệ thống WDM song hướng

Là các kênh quang trên một sợi quang sử dụng cho cả hai hướng truyền dẫn

Hệ thống này giảm được số lượng bộ khuếch đại và đường dây Tuy nhiên, thường bị nhiễu kênh, ảnh hưởng phản xạ quang, trị số và loại hình xuyên âm…đồng thời phải sử dụng bộ khuếch đại quang hai chiều

Hình 2: Hệ thống ghép kênh đơn-song hướng

Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng Giả sử rằng công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:

 Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng

 Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời

 Đứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống đơn hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng

Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng

II Nguyên lý hoạt động

Hình 3 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng Nguyên lý cơ bản của ghép kênh theo bước sóng là ghép tất cả các bước sóng khác nhau của một nguồn phát quang vào cùng một sợi dẫn quang nhờ bộ ghép kênh MUX và truyền dẫn các bước sóng này trên cùng sợi quang Khi đến đầu thu, bộ tách kênh quang sẽ phân tách

để nhậ lại các bước sóng đó

III Các thiết bị trong hệ thống WDM

1.1 Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler)

Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler) là thiết bị quang dùng để kết hợp các tín hiệu truyền đến

từ các sợi quang khác nhau Nếu Coupler chỉ cho phép ánh sáng truyền qua nó theo một chiều, ta gọi là Coupler có hướng (directional coupler) Nếu nó cho phép ánh sáng đi theo 2 chiều, ta gọi là coupler song hướng (bidirectional coupler)

Coupler là linh kiện quang linh hoạt và có thể cho nhiều ứng dụng khác nhau: Bộ Coupler với tỉ số ghép α ≈ 1 được dùng để trích một phần nhỏ tín hiệu quang, phục vụ cho mục đích giám sát

Coupler còn là bộ phận cơ bản để tạo nên các thành phần quang khác, chẳng hạn như: Các

bộ chuyển mạch tĩnh, các bộ điều chế, bộ giao thoa Mach-Zehnder MZI… MZI có thể được chế tạo hoạt động như bộ lọc, MUX/DEMUX, chuyển mạch và bộ chuyển đổi bước sóng Thực hiện ghép/tách bước sóng trên sợi quang Nhờ điều chỉnh chiều dài ghép thích hợp khi chế tạo, coupler 2 x 2 ghép 50:50 phân bố công suất ánh sáng từ một đầu vào ra làm hai phần bằng nhau ở hai ngõ ra Coupler này còn được gọi là coupler 3dB, ứng dụng phổ biến nhất Từ coupler 3dB, có thể tạo nên bộ coupler n x n tín hiệu khác nhau vào một sợi quang

1.2 Bộ isolator/circulator

Isolator là thiết bị không thuận ngược Nó chỉ truyền ánh sáng qua nó theo một chiều và ngăn không cho truyền theo chiều ngược lại Nó được dùng tại đầu ra của các thiết bị quang (bộ khuếch đại, nguồn phát laser) để ngăn quá trình phản xạ ngược trở lại các thiết bị đó, gây nhiễu và hư hại thiết bị

Circulator cũng thực hiện chức năng tương tự như bộ Isolator nhưng nó thường có nhiều cổng thường là 3 hoặc 4 cửa

Bộ Isolator thường đứng trước đầu ra bộ khuếch đại quang hoặc nguồn phát laser để ngăn ánh sáng phản xạ ngược trở lại thiết bị gây nhiễu và có thể làm hư thiết bị

1.3 Bộ lọc quang

Bộ lọc là thiết bị chỉ cho phép một kênh bước sóng đi qua, khóa đối với tất cả các kênh bước sóng khác Nguyên lý cơ bản nhất của bộ lọc là sự giao thoa giữa các tín hiệu, bước sóng hoạt động của bộ lọc sẽ được cộng pha nhiều lần khi đi qua nó, các kênh bước sóng khác, ngược lại sẽ bị triệt tiêu về pha Tùy thuộc vào khả năng điều chỉnh kênh bước sóng hoạt động, người ta chia bộ lọc làm hai loại: bộ lọc cố định và bộ lọc điều chỉnh được

1.4 Bộ ghép/tách kênh bước sóng

Nguyên lý hoạt động của bộ MUX/DEMUX cũng tương tự như bộ Coupler Tuy nhiên, bộ coupler/splitter thực hiện ghép tách tín hiệu có cùng bước sóng, còn bộ MUX/DEMUX thực hiện ghép tách tín hiệu ở các bước sóng khác nhau

1.5 Bộ chuyển mạch quang

Theo chức năng, bộ chuyển mạch đơn sẽ cho phép/hoặc không cho phép tín hiệu ánh sáng

đi qua Chuyển mạch chuyển tiếp 1x2 hướng tín hiệu ánh sáng từ sợi quang thứ nhất sang sợi quang thứ hai hoặc sang sợi quang thứ ba Bộ chuyển mạch chuyển tiếp 2x2 có thể kết nối hai sợi quang này với hai sợi quang khác

1.6 Bộ chuyển đổi bước sóng

Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng này ở đầu vào ra thành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu ra

Có bốn phương pháp chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng: phương pháp quang-điện, phương pháp cửa quang, phương pháp giao thoa và phương pháp trộn bước sóng

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM CHO 16.470 HỘ GIA ĐÌNH TẠI QUẬN NGŨ HÀNH SƠN ĐÀ NẴNG

I Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 4 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 5 Sơ đồ quận Ngũ Hành Sơn

I.1 Mô hình thiết kế hệ thống truyền dẫn quang

- Chiều dài tuyến là 25Km

- Với số lượng 16.470 hộ gia đình chia đều trên hai tuyến đường:

Đường Trường Sa với số lượng ít hộ gia đình nên ta đặt một bộ chia 1:100 cho cả tuyến đường

Đường Lê Văn Hiến kéo dài đến Trần Đại Nghĩa và chia ra hai đoạn nhỏ là đường Mai Đăng Chơn và Nguyễn Duy Trinh nên ta đặt ba bộ chia 1 :100 cho cả tuyến

I.2 Tính toán suy hao trên tuyến

 Suy hao trên sợi.

- Xét thuê bao xa nhất trên tuyến với chiều dài là 25km Chọn bước sóng là 1550nm có tổn hao sợi là 0.3dB/km

- Công thức tính suy hao sợi quang: PSợi= 0,3xL (dB/km)

=> Suy hao trên sợi là: Psợi = 0,3*25 = 7,5(dB/Km)

 Suy hao bộ nối.

- Công thức tính số bộ nối: K = (k-1)x2

Trong đó: k=4 là bộ chia Vậy K = (4-1)x2 = 6 (bộ)

=> Suy hao do bộ nối là: Pbộ nối = 0,5*6 = 3 dB

 Suy hao mối hàn.

- Suy hao mối hàn là Pmối hàn = 0,3 dB/ mối

Công thức tính suy hao mối hàn Pmối hàn = 0,3 x n

- n: Là số mối hàn được tính là n =( L:3)-1

- L: Là chiều dài sợi quang

Từ đó ta có suy hao tương ứng với từng phân đoạn

- Suy hao phân đoạn từ đầu Quận Ngũ Hành Sơn đến bộ chia 1:100 đường Trường

Sa với khoảng cách là 25 km

n1 = (25:3) -1 ≈ 7 (mối)

 Pmối hàn1 = 0,3 x 7= 2,1 (dB/mối)

- Suy hao phân đoạn từ Quận Ngũ Hành Sơn đến bộ chia 1:100 với khoảng cách là

18 km

n2 = (18:3) – 1 = 5 (mối)

 Pmối hàn2 = 0,3 x 5= 1,5 (dB/mối)

- Suy hao mối hàn từ bộ chia 1:100 đến bộ chia 1:100 đường Mai Đăng Chơn với khoảng cách là 5 km

n3 = (5:3) -1 ≈ 1 (mối)

 Pmối hàn3 = 0,3 x 1= 0,3 (dB/mối)

- suy hao mối hàn từ bộ chia 1:100 đến bộ chia 1:100 đường Nguyễn Duy Trinh với khoảng cách là 7 km

n4= (7:3) -1 ≈ 1 (mối)

 Pmối hàn4 = 0,3 x 1= 0,3 (dB/mối)

=> Tổng suy hao mối hàn trên tuyến là

Pmối hàn = Pmối hàn1 + Pmối hàn2 + Pmối hàn3 + Pmối hàn4 =2,1+1,5+0,3+0,3= 4.2 (dB)

 Suy hao bộ chia.

- Sử dụng các bộ chia là 1:100, 1:100, 1:100, 1:100

=> Suy hao do bộ chia là: Pbộ chia = 10log100 + 10log100 + 10log100 + 10log100 = 80dB

Vậy tổng công suất suy hao trên tuyến là:

Psuy hao = Psợi + Pbộ nối + Pmối hàn + Pbộ chia = 7,5 + 3 + 4,2 + 80 = 94,7 (dB)

II Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm OPTISTYSTEM

Hình 6 Mô phỏng bằng phần mềm OPTISTYSTEM Tuyến trên gồm các thành phần chính:

 Máy phát: gồm dữ liệu điện, chuyển đổi mã NRZ, Laser, bộ điều chế ngoài

 Cáp quang: gồm sợi quang,bộ ghép/tách kênh, bộ khuếch đại

 Máy thu : Photodetector PIN, máy phân tích BER, máy đo công suất, máy hiện sóng, máy phân tích quang phổ

III Các yếu tố xét đến khi thiết kế hệ thống thông tin quang Quận Ngũ Hành

Sơn – Đà Nẵng

4.1 Khảo sát công suất phát (Pt)

Thay đổi công suất phát giữ nguyên các thông số ban đầu

 Tốc độ bít Rb = 1024Mb/s

 Chiều dài tuyến = 25 km

 Hệ số khuếch đại G =4dB

 Bước sóng 1550nm

Từ đó rút ra các tỉ số BER, Q tương ứng

Bảng 1 Bảng so sánh Q, BER, Pt khi thay đổi công suất phát

Kết luận: Thông qua việc mô phỏng ta thấy công suất phát càng lớn thì tỉ lệ lỗi bit

BER càng nhỏ Công suất từ 3->5dBm thì BER = 0 nên ta chọn công suất từ 3->5 thì

hệ thống lý tưởng