Các thông số tiêu chuẩn

Chương 3. Phân tích đánh giá cấu trúc node mạng OBS

3.3. Một số thông số tiêu chuẩn và ảnh hưởng của chúng

3.3.1. Các thông số tiêu chuẩn

Để đánh giá tính toán cho hệ thống truyền dẫn WDM ta có thể các tiêu chuẩn thực thi hệ thống này. Chúng cung cấp cho những xác định rõ ràng và tách biệt các giới hạn khác nhau của hệ thống. Các thông số tiêu chuẩn này sẽ được mô tả và được sử dụng để xác định kích thước và số node mạng tối đa tín hiệu có thể đi qua. Các thông số bao gồm:

 Tỉ số SNR quang [5], tỉ số tín trên tạp trong miền quang (OSNR) hoàn toàn tương tự như trong miền diện được định nghĩa bởi công suất tín hiệu dữ liệu quang (PS) trên công suất tín hiệu nhiễu quang (PN) trong một kênh tín hiệu

S N

OSNR= P

P (2.1)

Với các hệ thống mà chỉ xét tới nhiễu do bức xạ tự phát ASE, tỉ số OSNR cho ta một đánh giá thuận lợi để thực thi hệ thống [12]. Khi đó OSNR đối với một bộ EDFA đơn có công suất lối ra không đổi Pout được cho bởi

S OUT OUT

EDFA

N ASE r

P P P

OSNR =

P  P  (NF.G-1).h .B (2.2) ở đây PASE là công suất nhiễu do bức xạ tự phát của bộ EDFA, NF là hệ số ồn của bộ khuếch đại, h là năng lượng của photon ánh sáng (thường =1.282.10-9 J ở bước sóng 1550 nm), Br băng thông sử dụng để đo OSNR (thường khoảng 0.1 nm ~12.5 GHz). Phụ thuộc vào cấu trúc bộ khuếch đại và độ phẳng của

phổ khuếch đại được sử dụng trong hệ thống truyền dẫn, giá trị OSNR tỉ lệ thuận với số bộ khuếch đại quang. Đối với một liên kết được khuếch đại, sử dụng X bộ khuếch đại, tỉ số OSNR có thể được xác định bởi:

OSNR[dB]=Pout[dBm]-.L[dB]-NF[dB]–10log(X)[dB]–10log(hBr)[dBm] =

=Pin[dBm] -L[dB]-NF[dB]-10log(X)[dB] +58[dBm] (2.3) Ở đây Pout là công suất tín hiệu phía bộ thu,  là hệ số suy hao của sợi, L là độ dài truyền dẫn và X là số bộ khuếch đại sử dụng. Theo biểu thức trên các tham số giới hạn quyết định giá trị OSNR là số bộ khuếch đại (tương ứng là độ dài tuyến thông tin) và hệ số ồn NF vì hai tham số này là hai tham số được tích luỹ theo khoảng cách truyền [14]. Với các kênh có tốc độ bit khác nhau cũng yêu cầu các giá trị OSNR khác nhau. Thực tế, với tốc độ 2.5 Gb/s yêu cầu giá trị OSNR trong khoảng 15 đến 21 dB, tốcđộ 10 Gb/s yêu cầu trong dải 22 đến 27 dB và ở tốc độ 40 Gb/s yêu cầu OSNR trong dải từ 30 đến 35 dB. Giá trị cụ thể còn phụ thuộc vào một số tham số thực tế hoặc các tham số yêu cầu khác như tỉ số BER, độ không tuyến tính của đường truyền và chất lượng độ nhạy của bộ thu. Tóm lại giá trị OSNR tỉ lệ với tốc độ bit của kênh truyền, nếu tốc độ truyền tăng 4 lần thì giá trị OSNR phải tăng khoảng 6 dB.

 Hệ số Q. Một tham số khác để xác định thực thi hệ thống đó là hệ số Q, là một định nghĩa riêng của tỉ số SNR. Hệ số Q được định nghĩa là mức sai khác trung bình của thời điểm tín hiệu hiện hữu và các khoảng trống giữa chúng. Biểu thức xác định hệ số Q được cho bởi [5]:

1 0

1 0

Q  

 

 

 (2.4)

ở đây 1, 0 và 1, 0 tương ứng là các mức trung bình và độ lệch chuẩn của thời điểm tín hiệu hiện hữu và khoảng trống giữa chúng.

Với giả thiết tín hiệu tuân theo phân bố Gaussian và ngưỡng quyết định, thời điểm lấy mẫu tối ưu tại bộ thu thì liên hệ giữa hệ số Q và hệ số BER đối với tín hiệu điều chế ASK được xác định:

1 Q 1 Q2

erfc( ) exp(- )

2 2 2 2

BER   Q  (2.5)

với erfc là hàm lỗi bù.

Giá trị OSNR có thể được sử dụng để xác định giá trị xấp xỉ của hệ số Q. Khi đó biểu thức liên hệ giữa hệ số Q và giá trị OSNR được cho bởi:

2.

1 1 4.

opt ele

OSNR B Q B

 OSNR

  (2.6)

với Bopt là băng thông của bộ lọc quang, Bele là băng thông của bộ lọc sau chuyển đổi sang tín hiệu điện. Theo biểu thức định nghĩa hệ số Q, mối liên hệ giữa OSNR và BER có thể được xác định theo biểu thức 2.6, ta có

OSNR (BER = 10-9) = 22.24  13.5 (dB) (2.7)

 Xác định tỉ số BER sử dụng các giá trị xấp xỉ. Theo phương pháp truyền thống, BER được định nghĩa là xác suất lỗi bit, ví dụ như các thời điểm có xung tín hiệu nhưng lại được giải mã là không và ngược lại. Cách trực tiếp tính BER là tính theo tỉ số xung lỗi trên tổng số xung truyền trong một khoảng thời gian đủ lớn, gọi là phương pháp Monte Carlo. Tuy nhiên trong các hệ thống thông tin quang, giá trị của BER thường rất nhỏ (10-9 đến 10-

12). Giá trị này rất khó để tính BER trực tiếp, nếu theo cách đếm bit lỗi cần được thực hiện trong khoảng thời gian rất dài. Thậm chí ngay cả với năng lực máy tính hiện nay, cũng rất khó khăn để mô phỏng tính toán giá trị BER theo phương pháp Monte Carlo. Chính vì vậy, thông thường chỉ sử dụng các mô phỏng tính giá trị gần đúng của BER. Phần lớn các kỹ thuật này đều phải dựa trên một giả thiết tín hiệu thu được tuân theo một hàm mật độ xác suất nhất định (kỹ thuật tĩnh). Cách tính phổ biến nhất được sử dụng là kỹ thuật xấp xỉ Gaussian, tín hiệu được giả thiết tuân theo phân bố Gaussian. Theo biểu thức 2.5, BER có thể được tính gián tiếp nhờ hệ số Q. Phương pháp này cho giá trị xấp xỉ khá tốt, song do kỹ thuật dựa trên các đặc tính tĩnh nên độ chính xác của nó sẽ bị ảnh hưởng khi tín hiệu qua các phần tử có đặc trưng phi tuyến như sợi quang, bộ thu… cũng như khi tín hiệu chịu ảnh hưởng của hiệu ứng nhiễu trong kênh và nhiễu xuyên kênh. Ví dụ như, giá trị BER của tín hiệu sau bộ SOA sẽ bị ảnh hưởng do méo tín hiệu, nhiễu ISI do bão hoà khuếch đại và đặc tính động của SOA khi công suất lối vào cao. Trong một số trường hợp có thể sử dụng tính xấp xỉ nhiễu dựa trên một số giả thiết cho

trước. Với giả thiết không tính đến các tương tác pha giữa nhiễu do bộ khuếch đại và tín hiệu tổ hợp WDM, nhiễu được mô hình theo một số tham số giả thiết tại bộ thu quang. Giá trị tính được có thể, là giá trị tức thời, khi dòng tín hiệu và nhiễu được mô hình hoá lan truyền tách biệt trên đường truyền dẫn. Khi đó tín hiệu quang có thể được chỉ ra thông qua các đặc tính động của nó, nó được xem như là tín hiệu không nhiễu khi đi qua các bộ thu, tất nhiên cần phải thêm vào các thông số đặc trưng truyền dẫn (bao gồm tán sắc, xuyên âm, nhiễu ISI…). Còn đối với nhiễu, sẽ được tính tích luỹ trực tiếp theo hàm mật độ phổ công suất trên tuyến truyền dẫn quang theo bước sóng tại lối vào bộ thu.

Phương sai về biên độ của mỗi bit được xác định theo nhiễu tích luỹ trên tuyến và nhiễu của phần thu quang (photodiode). Giá trị này được có thể tính theo:

2 = 2signal, ASE + 2ASE, ASE + 2thermal + 2shot (2.8) với 2signal, ASE là phương sai của nhiễu phách tín hiệu do ASE, 2ASE, ASE là phương sai của nhiễu phách ASE-ASE, 2thermal là phương sai của nhiễu do nhiệt của bộ thu bao gồm nhiễu của bộ tiền khuếch đại điện, và 2shot là nhiễu do phát xạ trong bộ thu. Phương sai của bit phụ thuộc chủ yếu vào đại lượng

2signal, ASE (2signal, ASE phụ thuộc vào công suất tín hiệu) và nhiễu ASE của bộ tiền khuếch đại. Sự tác động của nhiễu ASE-ASE bị chi phối bởi các bộ lọc quang sau các bộ tiền khuếch đại và có thể loại bỏ nhờ hạn chế băng thông bộ lọc tại phía đầu thu. Các đại lượng 2thermal và 2shot có thể bỏ qua vì trong thực tế chúng có giá trị rất nhỏ so với nhiễu ASE. Sử dụng phương pháp xấp xỉ trên, độ dài chuỗi bit yêu cầu là nhỏ hơn rất nhiều so với phương pháp xấp xỉ Gaussian. Theo đó, biểu thức tính giá trị trung bình của BER được xác định cho phép tính mô phỏng là:

1

0

p(n)-D 1 erfc

2 ( )

N

n

BER N  n





 

  

 

 (2.9)

N là số bit thực hiện mô phỏng, p(n) và (n) là giá trị trung bình và phương sai của bit thứ n, D là ngưỡng quyết định. Sử dụng biểu thức 2.5 ta có thể xác định được hệ số Q:

eff 2inverserfc(2.BER)

Q  (2.10)

hàm inverserfc là hàm đảo của hàm lỗi bù.