Thu tín hiệu: Các hệ thống WDM sử dụng các bộ tách sóng quang là các bộ PIN (Positive Intrinsic Negative) hoặc Diode quang thác APD (Avalanche Photo- Diode) để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, nó phải tương thích với bộ phát cả về bước sóng và đặc tính điều chế.
Khi N kênh tại tốc độ bit B1, B2, …, BN được truyền đồng thời qua sợi có độ dài L, thì B.L = (B1+ B2+…+ BN)L. Khi tốc độ bit đồng đều, tức B1=B2=…=BN thì dung lượng của hệ thống sẽ tăng lên với hệ số N.
Dung lượng cực đại của các tuyến WDM phụ thuộc vào khoảng cách cho phép giữa các kênh. Khoảng cách tối thiểu là khoảng cách mà đảm bảo được khả năng chống nhiễu xuyên kênh giữa các kênh.
Các kênh tần số (hay bước sóng) của các hệ thống WDM đã được chuẩn hoá bởi ITU_T thì khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 Ghz, hệ thống WDM hiện tại (có sử dụng bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA- Erbium Doped Fiber Amplifier) hoạt động trong băng C và L thì sẽ có 32 kênh bước sóng hoạt động trên mỗi băng. Như vậy, nếu giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh truyền mà sử dụng công nghệ WDM thì cũng đủ làm tăng băng thông truyền trên một sợi quang lên 64 lần.
Hệ thống thông tin quang WDM có kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng lỏng CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) và kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).
Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng lỏng CWDM: là kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng mà trong đó khoảng cách giữa các kênh liên tiếp nhau lớn hơn 20 nm và độ rộng phổ của một kênh là 2500 Ghz. Bước sóng của laser thay đổi theo nhiệt độ nhưng đối với kỹ thuật này không cần bộ làm mát vì khoảng cách giữa các kênh liền nhau lớn. Kỹ thuật CWDM mang lại hiệu quả kinh tế cao đối với hệ thống cần ít bước sóng.
Khi dung lượng của hệ thống tăng lên thì số kênh ghép trong sợi quang tăng lên. Điều này làm cho kỹ thuật CWDM khó có thể đáp ứng được nhu cầu. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng mật độ cao DWDM đã khắc phục điều đó. DWDM là kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng mà khoảng cách giữa các kênh quang liền nhau truyền trên sợi quang là 0,8 nm tại vùng tần số 1550 nm và độ rộng phổ của một kênh tầm 100 Ghz. Hiện nay, người ta còn có thể ghép được các bước sóng mà khoảng cách giữa các kênh là 0,4 và 0,2 nm và độ rộng phổ lần lượt là 50 và 20 Ghz. Khi độ rộng
phổ của bước sóng giảm xuống thì có nhiều yêu cầu cần phải giải quyết như: nhiệt độ của Laser phát phải ổn định, các thiết bị tách ghép phải hoạt động chính xác hơn. Những yêu cầu này làm cho giá thành của các thiết bị DWDM tăng lên rất nhiều so với các thiết bị của hệ thống CWDM. Việc so sánh giữa CWDM và DWDM được minh họa như trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2: Bảng so sánh giữa CWDM và DWDM.
CWDM | DWDM | |
Khoảng cách bước sóng | ≈20 nm | ≈0,8nm |
Độ rộng phổ | 2500 Ghz | 100 Ghz |
Điều khiển môi trường | Không | Có |
Nguồn Laser | DFB (không làm mát) | DFB (làm mát) |
Tốc độ dữ liệu/ kênh | 2,5 Gbit/s | 10 Gbit/s |
Tốc độ bít tập trung | 40 Gbit/s | 320 Gbit/s |
Giá thành kênh | Thấp | Cao |
Có thể bạn quan tâm!
-
Tìm hiểu kỹ thuật định tuyến và gán bước sóng trong hệ thống WDM - 1 -
Tìm hiểu kỹ thuật định tuyến và gán bước sóng trong hệ thống WDM - 2 -
Thiết Bị Đấu Nối Chéo Quang Oxc (Optical Cross Connect) -
Nguyên Lý Hoạt Động Của Bộ Chuyển Đổi Bước Sóng Theo Phương Pháp Cửa Quang. -
Điều Kiện Tính Liên Tục Bước Sóng
Xem toàn bộ 78 trang tài liệu này.
2.2.2. Các phương pháp truyền dẫn sử dụng ghép kênh quang theo bước sóng
Có hai phương pháp thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép kênh quang theo bước sóng WDM, đó là truyền dẫn WDM đơn hướng và song hướng.
2.2.2.1. Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng
Rx1
Tx2
Rx2
Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng là: ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng 1, 2, ..., i qua bộ ghép/tách kênh được ghép lại với nhau thành một luồng tín hiệu truyền dẫn theo một chiều trên một sợi. Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng i+1, i+2,..., N được truyền dẫn theo chiều ngược lại. Phương pháp này chỉ cần sử dụng một sợi quang cũng có thể thiết lập được một hệ thống truyền dẫn cho cả chiều đi và chiều về. Phương pháp này được biểu diễn trong Hình 2.3.
λ1, λ2,…, λi
DE MUX
λi+1, λi+2,…, λN
MUX
Tx1
TxN
RxN
Hình 2.3: Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng.
2.2.2.2 Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng.
Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng là: tất cả kênh quang trên cùng một sợi quang được ghép lại thành một luồng tín hiệu và được truyền theo cùng một
hướng. Ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng
1 , 2
,...., λN qua
λ1, λ2,…, λN
EDFA
λ1, λ2,…, λN
EDFA
Tx1
MUX
DE MUX
Tx2
TxN
Rx1
Rx2
bộ ghép kênh được ghép lại với nhau thành một luồng tín hiệu và truyền dẫn theo một chiều trên một sợi quang đến đầu thu. Ở đầu thu, bộ giải ghép bước sóng quang tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau trong luồng tín hiệu thu được để đến các đầu thu riêng rẽ. Ở hướng ngược lại, có nguyên lý truyền giống như nguyên lý truyền ở hướng đi nhưng truyền trên một sợi quang riêng biệt khác. Phương pháp truyền dẫn đơn hướng được biểu diễn trong Hình 2.4.
RxN
Hình 2.4: Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng.
Hai phương pháp truyền dẫn đều có ưu nhược điểm riêng. Giả sử công nghệ hiện tại cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, thì có thể so sánh hai phương pháp như sau:
Đầu tiên là về dung lượng: phương pháp truyền hai hướng trên hai sợi có dung lượng cao gấp đôi so với phương pháp truyền hai hướng trên một sợi, nhưng số sợi quang cần dùng lại nhiều gấp đôi.
Tiếp theo là khi có sự cố đứt cáp thì hệ thống truyền hai hướng trên hai sợi không cần cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động vì cả hai đầu liên kết đều có khả năng nhận biết tức thời sự cố.
Bên cạnh đó, khi thiết kế mạng: hệ thống song hướng khó thiết kế hơn do phải xét đến các yếu tố xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng truyền trên một sợi quang hơn hệ thống đơn hướng, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không sử dụng chung một bước sóng.
Cuối cùng là bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng. Nhưng do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm một nửa theo mỗi chiều, nên các bộ khuếch đại của hệ thống song hướng sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với hệ thống đơn hướng.
2.3. CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG WDM
Cấu trúc hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM bao gồm các thiết bị sau: phần tử phát và thu, thiết bị xen rẽ, thiết bị đấu nối chéo quang, bộ biến đổi bước sóng, bộ định tuyến, bộ khuếch đại quang. Sau đây, sẽ tìm hiểu về một số loại thiết bị được sử dụng trong hệ thống WDM.
2.3.1. Thiết bị xen /rẽ quang OADM (Optical Add/Drop Multiplexer)
Bộ xen/rẽ quang được sử dụng trong các hệ thống WDM khi hệ thống đó cần tách ra hoặc ghép vào một hoặc nhiều kênh mà vẫn phải bảo toàn tính nguyên vẹn của các kênh khác. Vai trò của bộ xen/rẽ quang có thể được làm rõ thông qua ví dụ sau:
Node A Node B Node C
a Add/Drop
Node A Node B Node C
b Add/Drop
Hình 2.5: Vai trò của bộ OADM.
Xét một mạng gồm ba nút A, B, C. Nút A trao đổi thông tin với nút C thông qua nút B, giả thiết rằng, các tuyến liên kết hoàn toàn song công. Giả sử yêu cầu lưu lượng như sau: giữa A và B có một bước sóng, giữa A và C có ba bước sóng. Các hệ thống WDM điểm nối điểm được triển khai để cung cấp nhu cầu lưu lượng này. Có hai giải pháp như trong Hình 2.5.
Giải pháp 1: Có hai hệ thống điểm nối điểm, một giữa A và B, một giữa B và C. Mỗi liên kết điểm-điểm sử dụng một thiết bị đầu cuối OLT ở cuối liên kết (thiết bị đầu cuối đường quang OLT-Optical Line Terminator là thiết bị được dùng ở đầu cuối của một liên kết điểm nối điểm để ghép và giải ghép các bước sóng. OLT gồm 3 phần tử: bộ tiếp sóng, bộ ghép các bước sóng và bộ khuếch đại). Mỗi nút có bốn bước sóng, do
đó cần có bốn bộ tiếp sóng. Nhưng chỉ có một bước sóng là dành cho nút B, các bộ tiếp sóng còn lại dùng để liên lạc giữa nút A và C. Vì vậy, sẽ có sáu trong tám bộ tiếp sóng ở nút B được dùng để điều khiển lưu lượng nên rất tốn kém. Giải pháp 1 được trình bày trong Hình 2.15(a).
Giải pháp 2: không sử dụng hệ thống WDM điểm nối điểm mà sử dụng mạng định tuyến bước sóng. Ở mỗi nút A và C sử dụng một OLT, nút B sử dụng thiết bị xen/rẽ quang OADM. Bộ OADM sẽ tách lấy một trong bốn bước sóng của node B, ba bước sóng còn lại đi xuyên qua miền quang mà không cần các bộ tiếp sóng, như vậy, chỉ cần sử dụng hai bộ tiếp sóng chứ không cần tám bộ tiếp sóng như ở giải pháp 1, nên giảm được chi phí. Giải pháp 2 được minh họa trong Hình 2.15(b).
Bộ OADM có nhiều kiến trúc được đề xuất để xây dựng, trong đó kỹ thuật đơn giản nhất là sử dụng một hoặc nhiều bộ lọc, bộ MUX/DEMUX. Nhưng có hai cấu trúc chung sau: cấu trúc song song và cấu trúc nối tiếp.
2.3.1.1. Cấu trúc song song
Trong cấu trúc song song, tất cả các kênh tín hiệu đều được tách/ghép kênh, sau đó, một số kênh tùy ý được tách, những kênh còn lại được cấu hình đi qua một cách thích hợp (xem Hình 2.6(a)). Có thể tách một tập các kênh tuỳ ý, vì vậy, không có sự ràng buộc trên các kênh được xen và tách. Vì thế, cấu hình này có ít ràng buộc nhất trong việc thiết lập đường truyền ánh sáng (đường truyền: là một đường đi của tín hiệu ánh sáng từ nguồn đến đích dưới dạng quang thông qua các kết nối trung gian. Một đường truyền có thể kéo dài qua nhiều tuyến truyền dẫn để cung cấp một kết nối chuyển mạch giữa hai nút mà có thể chứa một luồng lưu lượng lớn giữa chúng) trong mạng. Ngoài ra, suy hao qua bộ OADM là cố định và độc lập với số lượng kênh được xen/tách. Tuy nhiên, cấu hình này lại không hiệu quả về mặt kinh tế trong việc điều khiển một số nhỏ các kênh được tách, vì mỗi khi cần tách một bước sóng thì toàn bộ các bước sóng khác cần được tách và ghép lại với nhau. Vì vậy, phải trả chi phí cho việc tách và ghép với tất cả các kênh đi vào, không những vậy, nó còn làm suy hao tăng cao hơn, do tất cả các kênh đều được tách và ghép ở mọi OADM, mỗi đường truyền phải đi qua nhiều bộ lọc trước khi đến đích. Nhưng cấu hình này lại có hiệu quả hơn khi có một số lượng lớn các kênh được tách và linh hoạt trong việc thêm vào hoặc lấy ra bất cứ kênh nào.
λ1, λ2,…, λw
λ2
λ1, λ2,…, λw
(a)
λ
1 Drop
Add
λ
λ1, λ2,…, λw
λ1, λ2,…, λw
(b)
Dải 1
Dải 4
λ1, …, λ4
Hình 2.6: Cấu trúc OADM song song.
Để giảm chi phí của thiết kế trên, đã thực hiện như trên Hình 2.6(b) bằng việc thực hiện hai giai đoạn: giai đoạn một là tách riêng các bước sóng thành các dải, giai đoạn hai là tách các dải đó thành những bước sóng riêng rẽ. Ví dụ như, một hệ thống có 16 kênh thì có thể được chia thành 4 dải, mỗi dải gồm 4 bước sóng. Nếu chỉ có 4 kênh được tách ở một nút thì 12 kênh còn lại có thể giữ nguyên trong các dải thay vì phải tách từng kênh riêng rẽ. Ngoài ra, việc tách kênh theo các dải cho phép tín hiệu đi qua với suy hao thấp hơn và tính đồng dạng suy hao tốt hơn.
2.3.1.2. Cấu trúc nối tiếp
Trong cấu trúc nối tiếp, từng kênh được xen/tách lần lượt từ một kênh chính và có thể gọi theo tên khác là bộ xen tách đơn kênh SC-OADM (Single Channel OADM). Để xen/tách nhiều kênh, các SC-OADM được nối liên tiếp nhau như trong Hình 2.7.
SC-OADM
SC-OADM
SC-OADM
Drop λ1
Add
λ2
λ1,λ2,…λw λ1,λ2,…λw
Hình 2.7: Cấu trúc OADM ghép nối tiếp.
Cấu trúc này về nhiều mặt thì tương phản với cấu trúc song song. Việc xen/tách các kênh ảnh hưởng đến các kênh đang tồn tại. Vì thế, cần lập kế hoạch tập bước sóng nào cần được lấy ra ở từng vị trí nhằm hạn chế tối đa ảnh hưởng này. Cấu trúc này chỉ hiệu quả khi một số nhỏ các kênh được xen/tách, nó không hiệu quả nếu số kênh cần xen/tách lớn, chi phí có thể tăng lên một cách đáng kể vì số thiết bị riêng rẽ phải nối lại với nhau. Ngoài ra, nó còn làm tăng suy hao khi có nhiều kênh cần xen/tách nên cần thêm bộ khuếch đại, do đó, sẽ làm tăng thêm chi phí của hệ thống. Sự gia tăng suy hao với số kênh được xen/tách đóng một vai trò quan trọng đối với hệ thống OADM nối
tiếp. Giả sử, quỹ đường truyền cho phép một đường truyền giữa bộ thu và bộ phát là 25 dB. Xét trường hợp một đường truyền từ nút B đến nút D được thực hiện với suy hao gần 25 dB như trong Hình 2.8(a), giả sử, cần thêm một kênh truyền có bước sóng khác từ nút A đến nút C, cần lắp thêm một OADM ở nút C để tách đường truyền mới này. Bộ OADM này gây thêm suy hao 3dB đến những kênh đi xuyên qua nút C. Việc bổ xung OADM này làm suy hao từ B đến D lên thành 28 dB như trong Hình 2.8(b), do đó, không hiệu quả. Để khắc phục vấn đề này thì tìm cách khôi phục đường truyền của C bằng cách tách nó ra, đưa qua bộ khôi phục và ghép trở lại. Điều này yêu cầu thêm một OADM ở nút C, và làm tăng suy hao thêm 3 dB cho các kênh xuyên qua nút
C. Việc này có thể lần lượt phá vỡ các đường truyền khác đi qua C như trong Hình 2.8(c). Vì vậy, việc ghép vào hay lấy ra các kênh đều ảnh hưởng đến tất cả các đường truyền khác trong mạng. Sử dụng bộ khuếch đại quang cùng với việc xây dựng đường truyền cẩn thận có thể khắc phục được một phần. Trong cấu trúc nối tiếp, các kênh không phải đi qua bộ lọc nào nên mỗi đường truyền chỉ đi qua hai bộ lọc ở nút nguồn và nút đích.
X-3 dB
25
SC-
SC-
SC-
A
B
(a)
C
D
X-3 dB
28
SC-
SC-
SC-
SC-
A
B
(b
C
D
C
X-6 dB
SC-
SC-
SC-
SC-
SC-
A
(c)
B
C
D
Hình 2.8: Ảnh hưởng của sự thay đổi lưu lượng mạng sử dụng OADM nối tiếp.
Để tận dụng những ưu điểm của cấu trúc song song và cấu trúc nối tiếp, còn có thêm một cấu trúc kết hợp như trong Hình 2.9.
OADM
Drop λ1, λ2, λ3, λ4 Add
λ1, λ2,…, λw λ1, λ2,…, λw
Hình 2.9: Cấu trúc OADM kết hợp.
Trong cấu trúc này, một nhóm kênh cố định được xen/tách từ kênh truyền chính. Nhóm này sẽ được đưa qua tầng xen/tách tiếp theo để chia thành những kênh riêng biệt. Các kênh thêm vào thường được kết hợp với các bộ ghép đơn giản và cộng vào các kênh xuyên qua. Điển hình là 4 kênh kế tiếp nhau được tách trong số 32 kênh sử dụng một bộ lọc thông dải.
Cấu trúc kết hợp dung hòa giữa cấu trúc song song và cấu trúc nối tiếp. Số kênh lớn nhất có thể tách được xác định bởi bộ lọc thông dải được sử dụng. Trong vòng nhóm các kênh này thì việc xen/tách các kênh thêm vào không làm ảnh hưởng đến các đường truyền khác trong mạng. Tuy nhiên, nó có cấu trúc phức tạp và đưa ra nhiều ràng buộc trong việc gán bước sóng vì chỉ một số lượng cố định được tách ở mỗi vị trí. Ví dụ như, nếu bước sóng λ1 được cộng ở một nút và lấy ra ở một nút kế tiếp, tất cả các bước sóng khác: λ2, λ3, λ4 trong cùng băng sóng với λ1 cũng sẽ được thêm vào ở nút đó và được lấy ra ở nút tiếp theo. Khi một bước sóng được tách thuộc một băng, nó cần được tái sinh lại trước khi có thể được chèn lại vào trong mạng. Vì vậy, ở ví dụ này, các bước sóng λ2, λ3, λ4 cần được phục hồi lại ở cả hai nút. Do vậy, khó có thể xây dựng được quỹ đường truyền cho phép dung lượng quang với những bước sóng này mà không cần tái sinh lại. Vấn đề này có thể khắc phục bằng cách sử dụng nhiều loại OADM, mỗi loại tập trung một tập các bước sóng khác nhau. Đây là một việc phức tạp, nhưng nếu các bước sóng cần tách có thể được sắp xếp trước và mạng duy trì cố định, thì điều này có thể chấp nhận được, nhưng với các mạng mà lưu lượng thay đổi theo thời gian thì điều này là không dễ.
2.3.1.3. Cấu trúc OADM cấu hình lại
Khả năng cấu hình lại rất cần thiết cho bộ OADM. Nó cho phép lựa chọn các bước sóng để xen/tách, mà không cần phải lên kế hoạch và triển khai thiết bị sao cho phù hợp. Điều này cho phép nhà cung cấp dịch vụ linh hoạt khi lập kế hoạch trong mạng và cho phép các đường quang được thiết lập và kết thúc theo yêu cầu của người sử dụng trong mạng. Cấu trúc OADM cấu hình lại được minh họa trong Hình 2.10.