Đề tài Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM (Wavelength Division Multiplexing) và các ứng dụng trong việc phát triển mạng thông tin quang nhằm tăng dung lượng truyền dẫn của mạng

quang này lại với nhau (nhờ thiết bị MUX), điều này làm cho việc tính toán, thiết kế tuyến thông tin quang gặp nhiều khó khăn. Việc sử dụng các trạm lặp điện 3R không những làm cho số lượng thiết bị trên tuyến tăng lên mà còn làm giảm quỹ công suất của hệ thống (do suy hao xen của các thiết bị tách/ ghép bước sóng là tương đối lớn). Tuy nhiên, khi bộ khuếch đại quang sợi EDFA ra đời, việc đảm bảo quỹ công suất quang cho hệ thống không còn khó khăn nữa, nó làm giảm bớt số trạm lặp trên tuyến rất nhiều, với khả năng khuếch đại đồng thời nhiều bước sóng, EDFA đặc biệt thích hợp với các hệ thống WDM (cấu tạo và nguyên lý làm việc của EDFA sẽ được đề cập đến ở chương sau). V. TÁN SẮC - BÙ TÁN SẮC: Sau khi sử dụng EDFA trên tuyến thì vấn đề suy hao đã được giải quyết, cự ly truyền dẫn được nâng lên rõ rệt, nhưng tổng tán sắc cũng tăng lên. Do đó, lại yêu cầu phải giải quyết vấn đề tán sắc, nếu không, không thể thực hiện được việc truyền thông tin tốc độ cao và truyền dẫn cự ly dài. Bây giờ ảnh hưởng của hiệu ứng tán sắc sợi quang lại là một yếu tố hạn chế chủ yếu, nhất là đối với hệ thống tốc độ cao lại lại càng thể hiện rõ rệt. Ví dụ sợi quang G. 652 tán sắc ở tốc độ 2,5 Gbit/s cự ly bị hạn chế ở khoảng 928 km, nếu tốc dộ tăng lên 10 Gbit/s thì cự ly truyền dẫn bị hạn chế chỉ còn 58 km. Bảng 3.3. Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp (trị số lý thuyết) Tốc độ 1550 nm (G.652) 1550 nm (G.655) 1310 nm (G.652) 2,5 Gbit/s 928 km 4528 km 6400 km 10 Gbit/s 58 km 283 km 400 km 20 Gbit/s 14,5 km 70 km 100 km 40 Gbit/s 3,6 km 18 km 25 km Bản chất của tán sắc là sự giãn rộng xung tín hiệu khi truyền dẫn trên sợi quang. Tán sắc tổng cộng bao gồm: tán sắc mode, tán sắc vật liệu, và tán sắc dẫn sóng: - Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thước sợi, đặc biệt là đường kính lõi của sợi, tán sắc mode tồn tại ở các sợi đa mode vì các mode trong sợi này lan truyền theo các đường đi khác nhau, có cự ly đường truyền khác nhau và do đó thời gian lan truyền giữa các mode khác nhau. - Tán sắc vật liệu: chỉ số chiết suất trong sợi quang thay đổi theo bước sóng đã gây ra tán sắc vật liệu, vận tốc nhóm Vnhóm của mode là một hàm số của chỉ số chiết suất, cho nên các thành phần phổ khác nhau của mode đã cho sẽ lan truyền đi ở các tốc độ khác nhau, phụ thuộc vào bước sóng, vì thế tán sắc vật liêu là một hiệu ứng tán sắc bên trong mode, và là yếu tố quan trọng đối với các sợi đơn mode và các hệ thống sử dụng nguồn phát quang là diode phát quang LED. - Tán sắc dẫn sóng: do sợi đơn mode chỉ giữ được khoảng 80% năng lượng ở trong lõi, còn 20% năng lượng ánh sáng truyền trong vở sợi nhanh hơn năng lượng truyền trong lõi. Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào hằng số lan truyền b (b là hàm của a/l, với a là bán kĩnh lõi sợi). Tán sẵc dẫn sóng thường được bỏ qua trong sợi đa mode nhưng lại cần được quan tâm ở sợi đơn mode. Các phương pháp chính có thể sử dụng để giảm bớt ảnh hưởng của tán sắc là làm hẹp độ rộng phổ nguồn phát hoặc sử dụng một số phương pháp bù tán sắc như: Sử dụng sợi G.653 ( sợi có mức tán sắc nhỏ tại cửa sổ truyền dẫn 1550nm) Bù tán sắc bằng phương pháp điều chế tự dịch pha SPM Sử dụng các phần tử bù tán sắc thụ động. Bù tán sắc bằng sợi DCF (Dispersion Compensated Fiber) Việc sử dụng kỹ thuật WDM là một phương pháp không làm tăng mức độ tán sắc của hệ thống vì kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của hệ thống mà không phải tăng tốc độ truyền dẫn của kênh tín hiệu. Có một loại tán sắc mà thường được bỏ qua đối với các hệ thống tốc độ thấp, nhưng đối với các hệ thống tốc độ cao thì cần phải quan tâm đến ảnh hưởng của nó, đó là tán sắc mode phân cực. Khái niệm tán sắc mode phân cực như sau: Tán sắc mode phân cực PMD (Polarization Mode Dispersion) là một thuộc tính cơ bản của sợi quang đơn mode và các thành phần hợp thành, trong đó năng lượng tín hiệu của bất kỳ bước sóng nào cũng được phân tích thành hai mode phân cực trực giao có vận tốc truyền khác nhau. Do vận tốc của hai mode chênh lệch nhau nên thời gian truyền qua cùng một khoảng cách là khác nhau và được gọi là sự trễ nhóm DGD (Differential Group Delay). Tán sắc mode phân cự sẽ làm dãn rộng xung tín hiệu, gây nên suy giảm dung lượng truyền dẫn. Về phương diện này ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực cũng giống như ảnh hưởng của các tán sắc khác. Tuy nhiên, có một điểm khác biệt lớn đó là: các tán sắc khác là một hiện tượng tương đối ổn định trong khi đó, tán sắc mode phân cực trong sợi đơn mode ở bất cứ bước sóng nào cũng là không ổn định. Nguyên nhân là do cấu trúc không hoàn hảo của sợi quang cũng như các thành phần quang hợp thành, nên có sự khác biệt về chiết suất đối với cặp trạng thái phân cực trực giao, sự khác biệt này được gọi là sự lưỡng chiết. Sự khác biệt chiết suất sẽ sinh ra lệch thời gian truyền sóng giữa hai mode phân cực. Trong sợi đơn mode, hiện tượng này bắt nguồn từ sự không tròn của lõi sợi quang. Sự lưỡng chiết còn sinh ra do sự uốn cong của sợi, sự uốn cong làm thay đổi mật độ phân tử cảu cấu trúc sợi, làm cho hệ số khúc xạ mất đối xứng. Tuy nhiên lưỡng chiết uốn cong không phải là nguyên nhân chủ yếu sinh ra tán sắc mode phân cực. VI. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN: Đối với hệ thống thông tin sợi quang, công suất quang không lớn, sợi quang có tính năng truyền dẫn tuyến tính, sau khi dùng EDFA, công suất quang tăng lên, trong điều kiện nhất định sợi quang sẽ thể hiện đặc tính truyền dẫn phi tuyến tính, hạn chế rất lớn tính năng của bộ khuếch đại EDFA và hạn chế cự ly truyền dẫn dài không có trạm lặp. Hiệu ứng phi tuyến của sợi quang chủ yếu do ảnh hưởng của hiệu ứng tán xạ bao gồm: Tán xạ bị kích Brillouin (SBS) Tán xạ bị kích Raman (SRS) Do ảnh hưởng của hiệu suất khúc xạ bao gồm: Tự điều chế pha (SPM) Điều chế pha chéo (XPM) Trộn tần bốn sóng (FWM) Những hiệu ứng này phần lớn đều liên quan đến công suất đưa vào sợi quang. VI.1. Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering): Hiệu ứng Raman là do quá trình tán xạ mà trong đó photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phần tử cấu thành môi trường truyền dẫn và phần năng lượng còn lại ddược phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tín hiệu tới (ánh sáng với bước sóng mới này được gọi là ánh sáng Stocke). Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang (ánh sáng này có cường độ lớn), quá trình này trở thành quá trình kích thích mà trong đó ánh sáng tín hiệu đóng vai trò sóng bơm (gọi là bơm Raman) làm cho một phần năng lượng của tín hiệu được chuyển tới bước sóng Stocke. Nếu gọi Ps(L) là công suất của bước sóng Stocke trong sợi quang thì: Ps(L) = P0exp(grP0L/(K.Seff)) (3.2) Trong đó: P0 là công suất của ánh sáng tín hiệu đưa vào gr là hệ số tán xạ Raman Seff là diện tích hiệu dụng vùng lõi K đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực giữa tín hiệu, bước sóng Stocke và phân cực của sợi, thông thường K 2. L là chiều dài tuyến. Công thức trên dùng để tính toán mức công suất P0 mà tại đó hiệu ứng SRS ảnh hưởng lớn tới hệ thống, được gọi là ngưỡng Raman P0th (P0th là công suất tín hiệu đầu vào mà ứng với nó công suất của bước sóng Stocke và công suất của bước sóng tín hiệu tại đầu ra là bằng nhau). P0th (3.3) Qua tính toán cho thấy, đối với hệ thống đơn kênh để hiệu ứng SRS có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thì mức công suất phải lớn hơn 1W (nếu như hệ thống không sử dụng khuếch đại quang trên đường truyền). Tuy nhiên trong hệ thống WDM thì mức công suất này sẽ thấp hơn nhiều vì có hiện tượng khuếch đại đối với các bước sóng lớn, trong khi đó công suất của các kênh có bước sóng ngắn hơn lại bị giảm đi (do đã chuyển một phần năng lượng cho các bước sóng lớn) làm suy giảm hệ số SNR, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Để đảm bảo suy giảm không nhỏ hơn 0,5 dB thì mức công suất của từng kênh phải thoả mãn: (3.4) Với: N là tổng số kênh quang D¦ là khoảng cách giữa các kênh. Như vậy trong hệ thống WDM hiệu ứng này làm hạn chế số kênh, khoảng cách giữa các kênh, công suất của từng kênh và tổng chiều dài của hệ thống. Hơn nữa, nếu như bước sóng mới tạo ra trùng với kênh tín hiệu thì hiệu ứng này còn gây xuyên nhiễu giữa các kênh. VI.2. Hiệu ứng SBS (Stilmulated Brillouin Scattering): Hiệu ứng SBS tương tự như hiệu ứng SRS, tức là có một phần ánh sáng bị tán xạ và bị dịch tới bước sóng dài hơn bước sóng tới, ánh sáng có bước sóng dài hơn này gọi là ánh sáng Stocke. Điểm khác nhau của hai hiệu ứng này là độ dich tần xảy ra trong hiệu ứng SBS nhỏ hơn độ dịch tần xảy ra trong hiệu ứng SRS (độ dịch tần trong hiệu ứng SBS là khoảng 11 GHz tại bước sóng 1550 nm). Trong hiệu ứng SBS chỉ có phần ánh sáng bị tán xạ theo chiều ngược lại (tức là ngược chiều với chiều tín hiệu) mới có thể truyền đi ở trong sợi quang. Vì vậy trong hệ thống WDM khi tất cả các kênh cùng truyền theo một hướng thì hiệu ứng SBS không gây xuyên nhiễu giữa các kênh. Trong tất cả các hiệu ứng phi tuyến thì ngưỡng công suất để xảy ra hiệu ứng SBS là thấp nhất, chỉ khoảng vài mW. Tuy nhiên do hiệu ứng SBS giảm tỷ lệ với DfB/DfLaser (DfB là băng tần khuếch đại Brillouin, DfLaser là độ rộng phổ của laser) và băng tần khuếch đại Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10 - 100 MHz) nên hiệu ứng này cũng khó xảy ra. Chỉ các nguồn phát có độ rộng phổ rất hẹp thì mới bị ảnh hưởng của hiệu ứng SBS. Người ta tính toán được mức công suất ngưỡng đối với hiệu ứng SBS như sau: Pth = 21 (3.5) Trong đó: g là hệ số khuếch đại Brillouin Aeff là vùng lõi hiệu dụng DfP là độ rộng phổ của tín hiệu K đặc trưng cho mối quan hệ về phân cực (thông thường thì K =2). Như vậy hiệu ứng SBS sẽ ảnh hưởng đến mức công suất của từng kênh và khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM. Hiệu ứng này không phụ thuộc vào số kênh của hệ thống. VI.3. Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation): SPM là hiệu ứng xảy ra khi cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng biến đổi theo (nói cách khác là chiết suất của môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền trong đó), ta có: n = n0 + DnNL = n0 + n2 (3.6) Trong đó: n0 là chiết suát tuyến tính n2 là hệ số chiết suất phi tuyến tính (n2 = 1,22.10-22 đối với sợi SI) E là cường độ trường quang. Hiệu ứng này gây ra sự dịch pha phi tuyến FNL của trường quang khi lan truyền trong sợi quang (đạo hàm của pha tức là tần số). Giả sử bỏ qua suy hao thì sau khoảng cách L, pha của trường quang sẽ là: (3.7) Đối với trường quang có cường độ không đổi, hiệu ứng SPS chỉ làm quay pha của trường quang, do đó ít ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Tuy nhiên đối với trường quang có cường độ thay đổi thì dịch pha phi tuyến FNL sẽ thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi theo thời gian này cũng có nghĩa là trung xung tín hiệu sẽ tồn tại nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm v0 một giá trị là dvNL, với: dvNL = (-1/2p)(dvNL/dt) (3.8) Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau của xung dịch đến tần số ff0. Điều này cũng có nghĩa là phổ của tín hiệu đã bị dãn trong quá trình truyền, đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau, hiện tượng dãn phổ do SPM có thể dẫn đến giao thoa gây xuyên nhiễu giữa các kênh. Nếu xét đến ảnh hưởng của tán sắc thì sẽ thấy dạng xung bị biến đổi dọc theo sợi (tán sắc tích luỹ theo sự tăng lên của chiều dài tuyến). Nếu goi D là hệ số tán sắc của sợi, thì: Với Df0) sẽ lan truyền nhanh hơn thành phần tần số thấp (f<f0), do đó xung bị dãn ra. Với D>0: thành phần tần số cao (f>f0) sẽ lan truyền chậm hơn thành phần tần số thấp (f<f0) làm cho xung bị co lại. Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì sự biến đổi tần số quang cũng càng lớn, làm ảnh hưởng lớn đối với xung hẹp, khó khăn trong việc nâng cao tốc độ trong hệ thống. VI.4. Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation): Do trong hệ thống WDM có nhiều bước sóng cùng lan truyền trên một sợi quang, nên hệ số chiết suất tại một bước sóng nào đó không chỉ phụ thuộc vào cường độ sáng của bản thân sóng ấy mà còn phụ thuộc vào cường độ của các bước sóng khác lan truyền trong sợi. Trong hệ thống này chiết suất phi tuyến ứng với bước sóng thứ i sẽ là: (3.9) Trong đó: n2 là hệ số chiết suất phi tuyến Ei, Ej là cường độ trường quang của bước sóng thứ i, thứ j. Điều này dẫn tới pha của tín hiệu bị điều chế bởi cường độ ánh sáng của các kênh khác và gây ra xuyên nhiễu giữa các kênh. VI.5. Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing): Hiện tượng chiết suất phi tuyến còn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn mode, đó là hiệu ứng FWM. Trong hiệu ứng này, nhiều tín hiệu quang có cường độ tương đối mạnh sẽ tương tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới. Sự tương tác này có thể xảy ra giữa các bước sóng của tín hiệu trong hệ thống WDM, hoặc giữa bước sóng tín hiệu với bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplifier Spontaneous Emission) của các bộ khuếch đại quang, cũng như giữa mode chính và mode bên của một kênh tín hiệu. Giả sử có 3 bước sóng với tần số wi, wj, wk tương tác với nhau thì tần số mới tạo ra có bước sóng là wijk. Theo quan điểm cơ lượng tử thì FWM là hiệu ứng mà trong đó có sự phá huỷ photon ở một số bước sóng và tạo ra một số photon ỏ các bước sóng mới sao cho vẫn bảo toàn về động lượng. Nếu gọi Pijk(L) là công suất của bước sóng wijk trong sợi quang, thì: (3.10) Trong đó: h là hiệu suất của quá trình FWM c là tốc độ ánh sáng Seff là diện tịch hiệu dụng vùng lõi Pi, Pj, Pk là công suất tương ứng với các bước sóng li, lj, lk c(3) là độ cảm phi tuyến bậc 3. Hiệu suất h của quá trình FWM phụ thuộc vào điều kiện phù hợp về pha. Hiệu ứng FWM xảy ra mạnh chỉ khi điều kiện này được thoả mãn (tức là động lượng của photon được bảo toàn). Vì trong sợi quang tồn tại tán sắc, nên điều kiện phù hợp về pha rất khó xảy ra. Tuy nhiên với môi truờng là loại sợi có tán sắc rất nhỏ và các kênh có khoảng cách gần nhau thì điều kiện này có thể coi là xấp xỉ đạt được Do việc tạo ra các tần số mới là do sự tương tác của các tần số tín hiệu, nên hiệu ứng FWM sẽ làm giảm công suất của các kênh tín hiệu trong hệ thống WDM. Nếu khoảng cách giữa các kênh là bằng nhau thì những tần số mới được tạo ra có thể rơi vào các kênh tín hiệu, gây xuyên nhiễu cho kênh, làm suy giảm chất lượng của hệ thống. Sự suy giảm công suất làm giảm tỉ số S/N dẫn đến làm tăng BER của hệ thống. Các hệ thống WDM chủ yếu làm việc ở vùng cửa sổ bước sóng 1550 nm, tán sắc của sợi quang đơn mode thông thường (sợi G.652) tại cửa sổ này là khoảng 18 ps/nm.km, còn tán sắc của sợi tán sắc dịch chuyển (sợi G.653) là nhỏ hơn 3 ps/nm.km. Từ đó ta thấy, hệ thống WDM làm việc với sợi đơn mode chuẩn thông thường (SSMF) sẽ ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng FWM hơn hệ thống WDM sử dụng sợi dịch tán sắc DSF (Dispersion Shifted Fiber). Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống WDM càng nhỏ, và mức công suất của mỗi kênh càng lớn. Như vậy hiệu ứng FWM sẽ làm hạn chế dung lượng truyền dẫn của hệ thống WDM. VI.6. Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến: Với xu thế phát triển công nghệ và linh kiện quang học, hệ thống WDM hiện nay đã tìm được một số phương pháp giải quyết hữu hiệu để khắc phục ảnh hưởng của những hiệu ứng trên đối với truyền dẫn, nhất là hệ thống WDM có số lượng kênh quang tương đối ít (nhỏ hơn 16 kênh), tổng công suất truy nhập sợi quang thường không lớn hơn +17 dBm, nhỏ hơn nhiều so với trị số ngưỡng gây ra hiệu ứng SRS, do đó sẽ không có ảnh hưởng của SRS; sử dụng công nghệ điều chế ngoài của bộ kích quang và công nghệ dao động tần số thấp có thể khắc phục ảnh hưởng của hiệu ứng băng hẹp SBS; Hiệu suất trộn tần bốn sóng (FWM) có quan hệ rất lớn đối với tán sắc của sợi quang, sử dụng sợi quang G.655 có thể khắc phục được hiệu ứng FWM, hơn nữa giảm tán sắc của sợi quang, là lựa chọn tốt trong hệ thống WDM tốc độ cao; điều chế pha chéo (XPM) thường phát sinh trong hệ thống WDM có nhiều hơn 32 kênh tín hiệu, có thể khắc phục bằng phương pháp tăng tiết diện hữu dụng vùng lõi của sợi quang G.652; tự điều chế pha (SPM) sẽ làm hẹp độ rộng xung quang truyền dẫn, ngược lại với hiệu ứng dãn xung của tán sắc, ở mức độ nhất định, có thể lợi dụng SPM để bù sự dãn xung do tán sắc. VII. BỘ KHUẾCH ĐẠI EDFA VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ KHI SỬ DỤNG EDFA TRONG MẠNG WDM. EDFA (Ebrium Doped Fiber Amplifier) là bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang có pha trộn nguyên tố đất hiếm Ebrium với nồng độ ít hơn 0,1%; nguồn bơm laser để kích thích các ion Er3+; ngoài ra còn có các bộ phối ghép, bộ cách ly... EDFA thường được gọi là bộ khuếch đại quang sợi (nguyên lý hoạt động và cấu tạo cụ thể sẽ được đề cập ở chương 4). Việc nghiên cứu chế tạo thành công bộ khuếch đại EDFA và ứng dụng chúng vào trong mạng WDM đã làm cho công nghệ WDM phát triển nhanh tróng. Cho đến nay, hầu như tất cả các hệ thống WDM dù là hệ thống thử nghiệm hay hệ thống thương mại đều sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA. EDFA được sử dụng tại đầu phát (gọi là bộ khuếch đại công suất) để bù vào tổn hao của bộ ghép kênh bước sóng, nâng cao công suất đưa vào sợi quang (vì bộ ghép kênh bước sóng có tổn hao cố hữu không thể khắc phục được, mà tổn hao này sẽ tăng nhanh tróng theo số kênh tín hiệu được ghép). Ở đầu thu, để bù vào tổn hao, nâng cao độ nhạy máy thu cũng cần bố trí bộ khuếch đại quang sợi (gọi là bộ tiền khuếch đại). Khi dùng bộ khuếch đại sợi quang làm bộ khuếch đại đường dây, cự ly truyền dẫn được nâng lên. Tuy nhiên khi sử dụng EDFA trong mạng WDM cần lưu ý một số vấn đề sau: VII.1. Tăng ích động có thể điều chỉnh của EDFA: Hiện nay băng tần khuếch đại của EDFA đạt 35 ~ 40 nm, độ bằng phẳng của tăng ích trong băng tần không hoàn toàn lý tưởng, do công suất truyền dẫn của các kênh tín hiệu có thể biến đổi lên xuống, làm cho các kênh tín hiệu ứng với mỗi bước sóng khác nhau được khuếch đại với các mức độ khác nhau. Để đạt được độ đồng nhất về phổ khuếch đại đối với mọi bước sóng cần được khuếch đại, các bộ khuếch đại sử dụng bộ lọc để làm suy giảm nhiều hơn đối với các kênh bước sóng có mức sông suất vào lớn hơn, nhằm đạt được độ cân bằng về khuếch đại giữa các kênh. Thế nhưng công suất ra yêu cầu vẫn phải lớn cho toàn bộ băng được khuếch đại, do vậy phải yêu cầu có một công suất bơm đủ lớn để đạt được sự hài hoà về độ phẳng khuếch đại giữa các kênh và mức khuếch đại yêu cầu. Vấn đề là đặt bộ làm phẳng ở đâu trong module khuếch đại. Nếu đặt ở đầu ra của bộ khuếch đại thì sẽ có sự lãng phí về công suất bơm, nếu đặt ở đầu vào bộ khuếch đại thì lại làm tăng hệ số tạp âm của thiết bị. Nếu một số kênh bước sóng nào đó đã đi qua các bộ định tuyến, OADM... thì công suất của kênh đó sẽ khác với công suất của các kênh khác tại đầu vào bộ khuếch đại. Nhưng yêu cầu tại đầu ra của bộ khuếch đại là công suất của các kênh được khuếch đại phải xấp xỉ nhau và không được phụ thuộc vào mức công suất vào của từng kênh hay số kênh được khuếch đại, để đảm bảo tỉ số S/N của hệ thống. Do đó các bộ khuếch đại sử dụng trong hệ thống WDM cần phải có độ khuếch đại điều chỉnh được mà không gây ảnh hưởng chéo lên các kênh khác. Nếu công suất của kênh đưa vào biến đổi, thậm chí mất hẳn công suất trên một hoặc vài kênh thì công suất bơm (pump) của EDFA sẽ được phân phối lại cho các kênh còn lại, dẫn đến tăng ích của các kênh đó ở đầu ra sẽ biến đổi nhảy vọt, nếu công suất của các kênh còn lại này có giá trị lớn hơn công suất ngưỡng thu lớn nhất (Pthu max) thì thông tin sẽ bị mất. Cho nên EDFA trong hệ thống WDM phải có chức năng điều chỉnh tăng ích. Điều này đòi hỏi các bộ khuếch đại quang phải có tính năng mới đó là hệ số khuếch đại G sẽ là một hàm đa biến với các biến số là bước sóng và công suất vào của các bước sóng đó. Hàm này sẽ được thiết kế, điều khiển bằng phần mềm , có đáp ứng thời gian thực đối với các thông số của bộ khuếch đại... Khi tất cả các kênh đầu vào có mức tín hiệu như nhau, phần mềm “nhúng” trong bộ khuếch đại sẽ tự đông nhận biết và phát ra những tín hiệu điều khiển để đạt được mức khuếch đại không đổi. Khi có đột biến mức tín hiệu đầu vào, phần mềm sẽ phải có đáp ứng điều khiển một vài các thông số của thiết bị để đạt được sự hiệu chỉnh mức khuếch đại phù hợp, làm sao để đầu ra bộ khuếch đại vẫn có được độ phẳng và đồng nhất mức công suất ra. Với sự gia tăng số bước sóng được chuyển qua và được khuếch đại (đã lên tới 160 kênh) thì số bơm laser cần thiết để đảm bảo yêu cầu về công suất cho một lượng lớn các kênh sẽ càng nhiều, mỗi bơm laser đó đều cần được giám sát về dòng bơm, nhiệt độ làm việc..., và luôn cần được giám sát, hiệu chỉnh để đạt được độ bằng phẳng của phổ khuếch đại . VII.2. Tăng ích bằng phẳng của EDFA: EDFA được sử dụng vào trong hệ thống WDM có bước sóng của các kênh tín hiệu khác nhau nên, thay vì chỉ khuếch đại một tín hiệu như các hệ thống khuếch đại quang sợi SONET/SDH trước đây; thì nay, vẫn một sợi khuếch đại quang erbium đó phải được chia sẻ cho toàn bộ các kênh bước sóng của hệ thống truyền dẫn WDM. Những kênh bước sóng này là độc lập với nhau, thế nhưng sự độc lập đó đã bị “tổn thương” bởi sự “cạnh tranh” giữa các kênh bước sóng đối với số lượng giới hạn các photon được bơm vào bộ khuếch đại. Kênh bước sóng nào kích thích được nhiều photon từ mưc siêu bền xuống mức cơ bản của chúng thì sẽ đạt được độ khuếch đại lớn nhất. Thế nhưng, kênh bước sóng này cũng gặp nhiều phức tạp như: xác suất kích thích photon của các kênh bước sóng khác, mức độ đảo ngược mật độ, cường độ của tín hiệu, độ dài của sợi erbium. Bình thường để tối ưu hoá các tham số này đã là khó, nhưng đối với hệ thống truyền dẫn WDM, mọi thứ thực sự trở nên rất khó khăn. Rõ ràng là đối với các ứng dụng WDM, cần phải đạt được độ khuếch đại và mức tập âm đều nhau cho mọi kênh bước sóng qua module khuếch đại. Các module này phải được thiết kế sao cho đáp ứng phổ khuếch đại của nó đối với từng kênh bước sóng không bị ảnh hưởng bởi đầu vào (công suất hay bước sóng) của các kênh bước sóng cùng được truyền dẫn trên sợi. Nếu không, chỉ cần một sự thay đổi của một kênh bước sóng cũng sẽ dẫn đến những ảnh hưởng ngoài mong muốn về độ khuếch đại và mức tạp âm NF của các kênh bước sóng còn lại, và do đó, hoạt động của hệ thống sẽ có vấn đề. Nói cách khác tất cả các kênh bước sóng phải được khuếch đại độc lập và đồng nhất. Với những yêu cầu kỹ thuật này, module khuếch đại sợi quang trong hệ thống WDM sẽ phải thích ứng với các chỉ tiêu kỹ thuật nghiêm ngặt về độ bằng phẳng của phổ khuếch đại đa kênh, độ dốc đường đặc tuyến khuếch đại. Do đặc tính khuếch đại không đều, thế hệ đầu tiên của các hệ thống truyền dẫn WDM đã phải lựa chọn hoạt động tại vùng đỏ của băng C, xung quanh bước sóng từ 1540 nm đến 1565 nm. Sự ra tăng nhu cầu về số lượng bước sóng đã thúc đẩy các nhà sản xuất “đặt” các kênh bước sóng mới vào vùng “khó khăn” xung quanh bước sóng 1532 nm, mà tại đó không chỉ có mức tạp âm cao (tại vùng này có tỉ số bức xạ, hấp thụ thấp), mà hơn nữa độ nhấp nhô của phổ khuếch đại cũng lớn hơn nhiều so với các vùng bước sóng còn lại của băng. VII.3. Tích luỹ tạp âm khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA: Hệ số tạp âm được định nghĩa là tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu quang đầu vào/tỷ số tín hiệu trên tạp âm của tín hiệu quang đầu ra, theo lý thuyết thì hệ số tạp âm của EDFA là khoảng 3 dB, hệ số tạp âm tăng tỷ lệ theo số lượng bộ khuếch đại được sử dụng trên tuyến và sự chênh lệch khoảng cách đoạn sợi quang giữa các bộ khuếch đại, thường khống chế độ dài đoạn sợi quang giữa hai bộ khuếch đại liên tiếp là 80 ~ 120 km, để đảm bảo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm. Nhiễu tự phát được khuếch đại ASE (Amplifier Spontaneous Emission) gây nên tạp âm lớn trong các bộ khuếch đại quang, đặc biệt là trong trường hợp sử dụng nhiều EDFA liên tiếp trên đường truyền. Tạp âm ASE trong bộ khuếch đại quang phía trước sẽ được khuếch đại bởi bộ khuếch đại quang thứ hai. Sự khuếch đại và tích lũy tạp âm này sẽ làm cho tỷ số S/N bị giảm nghiêm trọng. Nếu mức công suất tín hiệu vào là quá thấp, tạp âm ASE có thể làm cho tỷ số S/N bị giảm xuống dưới mức cho phép. Tuy nhiên, nếu mức công suất tín hiệu vào quá cao thì tín hiệu này kết hợp với ASE có thể gây nên hiện tượng bão hoà ở bộ khuếch đại. PHẦN 3 - TRIỂN KHAI TRUYỀN DẪN WDM TRÊN TUYẾN CÁP QUANG TRỤC BẮC NAM 3.1. DỰ BÁO NHU CẦU VỀ DUNG LƯỢNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG. Với điều kiện về địa lý rất đặc biệt, trãi từ Bắc tới Nam hơn 2500 km, nên tuyến truyền dẫn đường trục Bắc – Nam hết sức quan trọng. Trong 10 năm gần đây, nhu cầu về dịch vụ viễn thông đã không ngừng tăng lên với nhiều dịch vụ mới ra đời, đã góp phần tăng lên dung lượng trên tuyến truyền dẫn đường trục Bắc – Nam. Hơn nữa, ngoài sự tăng lên không ngừng về dung lượng truyền dẫn nội bộ giữa các tỉnh, tải trọng truyền dẫn đường trục còn tăng lên do các kết nối cáp quang quốc tế như: Tuyến T-V-H (đã khai thác); tuyến SEA-MEA-WE 3 (đã cập bờ tại Gateway Đà Nẵng); tuyến cáp quang xuyên 6 quốc gia Trung Quốc – Việt Nam – Campuchia – Thái Lan – Malaixia – singapo, với kết nối phía Việt Nam sẽ là: Hướng lưu lượng đi Trung Quốc: theo tuyến cáp quang Hà Nội – Lạng Sơn. Hướng lưu lượng đi Campuchia: theo tuyến cáp quang TP Hồ Chí Minh – Tây Ninh. Toàn bộ lưu lượng của tuyến cáp quang quốc tế này sẽ đặt tải lên tuyến cáp quang đường trục Bắc Nam. Dự báo về lưu lượng dưới đây được trích dẫn từ các kết quả phân tích dự báo trên cơ sở mối tương quan giữa tốc độ tăng trưởng tổng sản phẩm trong nước GDP và tốc độ tăng trưởng nhu cầu dịch vụ viễn thông, theo mô hình kinh tế lượng. 3.1.1 Kết quả dự báo nhu cầu thoại giai đoạn 2006 – 2010. Quá trình dự báo nhu cầu thuê bao điện thoại phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố (tốc độ phát triển dân số, dân số Việt Nam tại thời điểm dự báo, tôc độ tăng trưởng GDP, bình quân GDP trên đầu người), tổng hợp các yếu tố này sẽ được kết quả dự báo tương đối chính xác về nhu cầu dịch vụ điện thoại trong tương lai. Trên đây là đồ thị thể hiện khả năng lắp đặt dịch vụ điện thoại trong giai đoạn 2006 – 2010. Nếu tình hình kinh tế phát triển tốt thì tổng số thuê bao điện thoại dự tính đạt 18,5 triệu vào năm 2010. 3.1.2 Kết quả dự báo nhu cầu phi thoại giai đoạn 2006 – 2010. Nhu cầu phi thoại bao gồm: Các dịch vụ mới như: Truyền số liệu, dịch vụ Internet, ISDN băng hẹp, băng rộng…sẽ tăng rất nhanh trong thời gian tới, góp phần tăng lưu lượng trên tuyến truyền dẫn trục Bắc Nam. Internet là một trong những dịch vụ viễn thông sẽ phát triển rất nhanh trong thời gian tới, theo xu hướng phát triển và dự báo của tổng cục bưu điện thì số thuê bao Internet đạt 185000 vào năm 2010. Các dịch vụ ISDN gồm: Truyền hình hội nghị, Video phone, Fax nhóm IV, thuê kênh riêng, truyền số liệu tốc độ thấp…, sẽ tập trung vào các khu công nghiệp, thành phố lớn vf nhu cầu sẽ còn tăng rất nhanh trong những năm tới. Dịch vụ truyền số liệu phục vụ chủ yếu các nghành lớn; cho các công ty khai thác dịch vụ viễn thông thuê…, bao gồm dịch vụ Leased line; Frame Relay; X.25. 3.1.3. Kết luận. Ước tính về lưu lượng trên tuyến truyền dẫn trục Bắc Nam (chưa tính đến lưu lượng cộng thêm khi hoàn thành dự án kết nối cáp quang 6 nước CHN – VIE – CPC – THL – MAL – SIG ): Như vậy là, đến năm 2010. lưu lượng đạt đến 90 luồn STM-1, xấp xỉ 15Gbps, cần có phương án nâng cấp tuyến truyền dẫn trục Bắc Nam đang lf 2.5Gbps lên 20Gbps. (Nguồn: Quy hoạch tổng thể phát triển mạng viễn thông giai đoạn 2006 – 2010 VNPT). 3.2. Khảo sát cấu hình cáp quang trục Bắc Nam. 3.2.1. Cấu hình tuyến. Cáp quang đường trục Bắc Nam bao gồm hai tuyến cáp: Tuyến cáp quang dọc quốc lộ 1A và tuyến cáp quang trên đường dây 500KV; kết nối tạo thành mạng Ring vu hồi, được giám sát, quản lý và điều khiển theo 4 vòng Ring con: HNI – HTH (Hà Nội – Hà Tĩnh) -> Ring 1 HTH – DNG (Hà Tĩnh – Đà Nẵng) -> Ring 2 DNG – QNN (Đà Nẵng – Quy Nhơn) -> Ring 3 QNN – HCM (Quy Nhơn – TP HCM) -> Ring 4 Thiết bị dung lượng STM – 16 do Nortel cung cấp, kết nối giữa các Ring chủ yếu là kết nối 1 nút ngoại trừ kết nối giữa Ring 3 và Ring 4 có thêm một nút là Playku. Tín hiệu truyền dẫn là NRZ. Cáp quang sử dụng là cáp G.652 (suy hao tại bước sóng 1550nm là 0.28dB/km, tán sắc tại bước sóng này là 18ps/nm.km), tuyến dọc quốc lộ gồm 8 sợi, trên đường dây 500KV tổng công ty bưu chính viễn thông sử dụng 4 sợi. chi tiết về các loại cáp được sử dụng được khảo sát kỹ trước khi nâng cấp dung lượng tuyến 3.2.2 Kết nối giữa các Ring – Cấu hình dự phòng. Mỗi Ring được bảo vệ theo kiểu kết nối MS – SPRing (MS-BSHR), xem hình vẽ sau: Nếu kết nối như trên (không có N2 và N4) thì chỉ có thể bảo vệ sự cố của từng Ring, nhưng không thể bảo vệ kết nối giữa các Ring luôn đảm bảo (Giả sử sự cố tại N1 hoặc N3); đây là trường hợp kết nối giữa Ring 1 và Ring 2, giữa Ring 2 và Ring 3. Kết nối giữa Ring 3 và Ring 4 là kiểu matched – node, có tồn tại kết nối giữa N3 và N4, do đó có thể bảo vệ mạng ngay cả khi có sự cố tại Node. Tuyến đường trục là tuyến có lưu lượng cao, rất quan trọng, vì vậy cấu hình bảo vệ kiểu Ring là hợp lý, tuy nhiên, nếu xảy ra sự cố node kết nối tại HTH hoặc DNG thì sẽ gây gián đoạn thông tin, phương án nâng cấp tuyến cần xem xét cả vấn đề này. Nên thay đổi cấu hình mới sang kiểu matched – node có sử dụng DXC/OXC; Nhưng đòi hỏi phải mua thêm thiết bị N2 và N4, mua thêm DXC/OXC. 3.3. Tham khảo mạng đường trục (BACK BONE NETWORK). Mô hình lớp mạng của mạng viễn thông trong trương lai – xu hướng phát triển của các quốc gia có nền tảng viễn thông phát triển – đồng thời là hướng nghiên cứu phát triển các công nghệ và sản phẩm nhằm hướng tới một mô hình mạng như vậy. Doanh thu từ việc bán thiết bị công nghệ WDM lên tới hàng trăm triệu $. Các nhà cung cấp thiết bị WDM hàng đầu là 35% thị trường, Nortel 23%, Lucent 17%, Ancatel 13%. Pirelli, Ericson, Siemens và Marconi chia sẻ 11% thị trường còn lại. Dự báo cho biết thị trường công nghệ WDM còn tăng mạnh trong các năm tới. Một dự án 100 triệu $ về việc triển khai WDM của GTS (Global Telesystem) với nhà đầu Ciena cho mạng Trans European Network của GTS. Mạng này đi qua 50 thành phố của 20 nước Châu Âu, cung cấp các dịch vụ mạng và dịch vụ băng rộng… Mạng truyền dẫn này sẽ bước đầu khai thác ở tốc độ 10 Gbps (OC 192) và có thể đạt tới 96 kênh bước sóng quang trên một đôi sợi trong tương lai, sẽ cho phép GTS tiếp tục là nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn băng rộng dung lượng cao nhất và lớn nhất xuyên Châu Âu. 3.4. Đề xuất lựa chọn phương án tăng dung lượng. Các phương án đề xuất dưới đây đều nhằm tăng dung lượng tuyến truyền dẫn trục Bắc Nam mà không phải lắp đặt thêm hoặc thay sợi quang, phải đảm bảo các yêu cầu: Quá trình nâng cấp không được phép gây gián đoạn thông tin Tận dụng tồi đa và đảm bảo tương thích hệ thống đang khai thác. Đảm bảo chất lượng của tuyến thông tin sau khi nâng cấp, linh hoạt trong việc định tuyến, đảm bảo an toàn khi xảy ra sự cố cáp hoặc sự cố thiết bị. Quản lý mạng mềm dẻo, có khả năng quản lý thiết bị của nhiều hãng khác nhau, có khả năng mở rộng, ghép nối với cá tuyến cáp quang quốc tế, tuyến cáp quang ven biển nội địa… Có tính khả thi về kinh tế - tính bảo mật – độ an toàn. Các phương án có thể: + Phương án 1: Nâng cấp theo công nghệ TDM từ 2,5Gbps lên 10 Gbps. + Phương án 2: Kết hợp công nghệ TDM và WDM: Nâng cấp TDM tốc độ từ 2,5Gbps lên 10Gbps (STM - 64), sau đó thực hiện ghép 2 bước sóng tín hiệu 10Gbps thành dung lượng 20Gbps. + Phương án 3: Dùng hoàn toàn công nghệ WDM, sử dụng 8 bước sóng, mỗi bước sóng mang tín hiệu 2,5Gbps (STM - 16), thành dung lượng 20Gbps. 3.4.1. Phương án 1: Tăng dung lượng bằng ghép kênh TDM. Đối với truyền dẫn quang TDM, vấn đề cần quan tâm nhất khi tăng dung lượng lên tới 20Gbps đối với sợi G.652 là suy hao và tán sắc. Vì vậy phương án này đưa ra các đề xuất về bù suy hao và tán sắc. Bù suy hao: Bằng cách đo kiểm, tính toán và lắp đặt thêm các bộ khuếch đại quang OA (gồm 3 cấu hình BA, LA, PA), tuy nhiên có giới hạn cho số OA được mắc thêm, bởi nếu công suất quang quá lớn sẽ gây ra hiệu ứng phi tuyến, các bộ OA đều sinh ra nhiễu ASE cộng thêm vào tín hiệu dọc tuyến, gây ra suy giảm SNR của hệ thống. Xử lý tán sắc Sử dụng sợi G.653. Bù tán sắc bằng phương pháp điều chế tự dịch pha SPM. Bù tán sắc bằng các thành phần bù tán sắc thụ động (bộ kết hợp quay pha bước sóng và sợi tán sắc âm). Bù tán sắc các thiết bị dịch tần trước (Pre – Chirp). Bù tán sắc bằng kỹ thuật DST (Dispersion Supported Transmission). Kết luận: Phương án này chỉ đưa ra mang tính tham khảo, không khả thi bởi hiện tại xu thế các mạng backbone network trên thế giới đang triển khai phương án truyền dẫn WDM, vả lại thiết bị TDM tốc độ cao 20Gbps đắt chi phí cho tuyến TDM tôc độ 20Gbps rất lớn bởi phải xử lý bù suy hao và bù tán sắc rất nghiêm ngặt. 3.4.2. Phương án 2: Tăng dung lượng bằng ghép kênh TDM kết hợp với ghép 2 bước sóng WDM. Phương án này thực hiện theo 2 giai đoạn: + Nâng cao thiết bị lên chủng loại STM – 64, thực hiện truyền dẫn 10Gbps. + Triển khai module WDM thực hiện ghép 2 luồng tín hiệu STM – 64 thành tổng dung lượng 20Gbps. Ưu điểm: - Do chỉ có 2 kênh bước sóng, mỗi kênh tốc đốTM – 64 nên thiết bị phải quản lý ít. - Lưu lượng trên một RING rất lớn, nên nếu có sự thay đổi về nhu cầu lưu lượng thì ít có khả năng phải phân bố lại lưi lượng giữa các RING. Nêu trong phần đánh giá lựa chọn phương án. 3.4.3. Phương án 3: Tăng dung lượng bằng ghép kênh WDM 8 bước sóng STM – 16. Phương án 3 sử dụng 8 bước sóng, mỗi bước sóng sẽ mang tín hiệu luồng STM – 16 (2,5Gbps). Ưu điểm: - Do dung lượng mỗi bước sóng nhỏ (2,5Gbps), nên có thể thực hiện tăng dung lượng của cả tuyến truyền dẫn một cách từ từ theo nhu cầu (phụ thuộc số kênh bước song được sử dụng). - Với tốc độ mỗi kênh bước sóng là 2,5Gbps thì sẽ ít bị ảnh hưởng của tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến. Nhờ vậy khoảng cách giữa các trạm lặp có thể tăng tới 150 km (khuyến nghị G.692). Với tốc độ mỗi kêng bước sóng như vậy thì việc tính toán lại cự ly trạm lặp và các vấn đề liên quan đến bù tán sắc sẽ đơn giản, có thể giữ nguyên cấu hình phân bố các trạm như hiện nay (bởi tốc độ 2,5Gbps là tốc độ hiện đang khai thác tốt trên tuyến trục Bắc Nam). - Vẫn có thể sử dụng đường cáp G.652 sẵn, chỉ cần kiểm tra lại chất lượng các đoạn cáp bị xuống cấp, và một số mối hàn có suy hao lớn. - Tận dụng được phần lớn số thiết bị STM – 16 đang khai thác. - Phù hợp với xu thế công nghệ truyền dẫn hiện đại đang được triển khai rộng rãi trên thế giới. Nhược điểm: - Số lượng truyền dẫn SDH liên quan đến tuyến WDM khá nhiều, do đó sẽ phức tạp về việc quản lý mạng. - Việc quản lý lưu lượng cũng sẽ phức tạp, vì thực chất, mỗi RING lớn gồm 8 bước sóng sẽ tương đương vơi 8 RING con ( mỗi RING con là một bước sóng mang tín hiệu STM - 16); mà mỗi trạm xen rẽ lưu lượng nhỏ sẽ chỉ tác dụng lên bước sóng (1 RING con), nếu giả thiết cần bổ xung lưu lượng hoặc thay thế phân bố lưu lượng tại các trạm xen rẽ bước sóng thì vấn đề sẽ phức tạp, sẽ cần thêm các thiết bị DXC, hoặc cao cấp hơn là OXC. 3.4.4. Đánh giá và lựa chọn phương án. Không nên lựa chọn phương án 1 vì những luận điểm nêu trên. Không nên chọn phương án 2 vì đối với phương án này, so với phương án 3 tồn tại những nhược điểm sau: - Tốc độ của từng kênh bước sóng vẫn là 10Gbps, cho nên bị ảnh hưởng mạnh mẽ của tán sắc, các hiện tượng phi tuyến, tán sắc PMD … - Do lưu lượng thực sự trên tuyến xuất phát chủ yếu từ 3 trung tâm lớn (Hà Nội – Đà Nẵng – TP HCM), nên chỉ đóng vai trò lưu lượng chuyển qua, nếu vậu thì lưu lượng thực tế xen rẽ giữa các node sẽ không cần đến thiết bị STM – 64 (gây lãng phí). Hơn nữa, không có sự tăng đột biến về lưu lượng từ 2,5Gbps lên 10Gbps, sau đó lên 20Gbps, nên phương án này tỏ ra không hiệu quả. - Thiết bị truyền dẫn quang 10Gbps giá vẫn cao. Nên chọn phương án 3 vì phương án này khắc phục được các nhược điểm của phương án 2; những nhược điểm của phương án này có thê khắc phục bởi: - Đối với vấn đề quản lý mạng, sẽ áp dụng mô hình quản lý TMN theo khuyến nghị của ITUT. - Đối với việc phức tạp trong việc cấu hình lạ lưu lượng giữa cá RING, đã có những sản phẩm thương mại DXC, và hiện đang cho ra đời các sản phẩm OXC đảm nhiệm. Hơn nữa, các thiết bị kiểu OADM hiện rất linh hoạt trong việc thiết lập bước sóng xen rẽ. Vả lại, khi áp dụng phương án 3, việc đưa thên lưu lượng vào có thể thực hiện từ từ theo nhu cầu (cần đến đâu dùng đến đó), do đó vấn đề cấu hình lại lưu lượng không đáng lo. (Xem hình dưới). Vậy nên chọn phương án 3: Ghép 8 bước sóng mang tín hiệu STM – 16 (2,5Gbps). 3.5. Xây dựng phương án tăng dng lượng theo phương án lựa chọn. 3.5.1. Khoảng cách kênh bước sóng được ghép. Có 2 cách sắp xếp bước sóng cần ghép: Ghép cách đều (Coarser), hoặc ghép không đều (Uneven), khoảng cách kêng bước sóng là số nguyên lần 100 Ghz (tham khảo khuyến nghị G.692). Sau khi xem xét, kết luận nên chọn như sau: - Tần số bước sóng trung tâm: 193,1Ghz, (c==1552,52nm). - Khoảng cách kênh bước sóng là 200 Ghz - ghép đều. - Bước sóng 1510nm làm kênh OSC (Optical Supervisor Channel) cho các LA. (khuyến nghị G.692). Chọn như vậy có những ưu điểm sau: - Đảm bảo toàn bộ các kênh bước sóng đều nằm trong vùng phẳng nhất của phổ khuếch đại EDFA. Từ công thức liên hệ giữa và f (f=-c*; c= 299791,647 kmps; =1550nm); tính được với bước sóng, f=8*200Ghz, tính được =12,82nm. Do đó không cần mua thiết bị EDFA chất lượng cao, nên giảm được chi phí. - Với khoảng cách kênh 200Ghz, yêu cầu về độ rộn phổ và dung sai về phổ của laser phát sẽ không cần cao, nên cũng giảm được chi phí. - Các thiết bị ghép kênh WDM 8 hoặc 16 bước sóng với khoảng cách kênh 200Ghz đang được nhiều hãng cung cấp. 3.5.2. Giải pháp đói với trạm lặp khi nâng cấp tuyến. a. Các phương án: - Cần tính lại các thông số tán sắc cho những chặng hiện có khoảng cách trên 100km. - Sử dụng các bộ khuếch đại quang đường truyền LA thay thế các trạm lặp đơn kênh, như thế sẽ giảm nhẹ được khối lượng thiết bị cần có tại các trạm lặp. Tuy nhiên cấu hình toàn LA mắc kiểu Cascade có giới hạn đối với chất lượng của hệ thống WDM. Tuy nhiên nếu sử dụng tối đa số LA có thể sẽ trở nên kinh tế hơn. LA chỉ xử lý vấn đề suy hao, còn để bù tán sắc, có thể dùng thêm các đoạn cáp có hệ số tán sắc âm. b. Mô hình thiết kế trạm lặp. Khuyến nghị của ITU-T về mô hình thiết kế trạm lặp cho mạng truyền dẫn quang hoàn toàn: Xét đối với tuyến trục Bắc Nam, các trạm nr_REP ở đây chính là LA, các La thương mại của các hãng (Nortel, Alcatel, Lucent…) đều có cấu trúc Two-stage (2 tầng) nên công suất quang của LA có thể đạt max +17 dBm đến +20dBm. (Thực tế chúng ta chỉ dùng cỡ khoảng +10dBm là đủ). 3.5.3. Mô hình tham chiếu hệ thống WDM và tính toán các thông số kỹ thuật cho thiết bị. Tín hiệu truyền từ đầu phát Txi, tới đầu thu Rxi chịu ảnh hưởng của các yếu tố: Suy hao = suy hao sợi + suy hao mối hàn + suy hao xen của thiết bị. - Các ảnh hưởng truyền dẫn khác: * Ảnh hưởng tán sắc. * Ảnh hưởng phi tuyến. + Các hiệu ứng SRS, SBS, FWM, SPM, XPM. + Hiệu ứng Soliton. + Độ bất ổn định điều chế. * Ảnh hưởng gây ra bởi các bộ khuếch đại quang. + Tích lũy nhiễu. + Công suất quang lớn. * Ảnh hưởng do các hiện tượng phân cực. + Tán sắc mode phân cực PMD. + Suy hao phụ thuộc phân cực Với cấu hình sử dụng khuếch đại quang đường truyền: Đây là cấu hình hay sử dụng khi nâng cấp tuyến, do vậy ta phải xem xét một số bài toán cụ thể: - Tại điểm thu Rxi: độ nhạy thu và mức quá tải của thiết bị. - Tại điểm tham chiếu R”: Công suất toàn phần cực đại = Công suất trên một kênh + 10Log(N) Với N là số kênh Giá trị tại điểm R” này liên hệ trực tiếp đến giá trị tại điểm Rx sau khi trừ đi suy hao của O-DEMUX. - Điểm tham chiếu S”: Giả sử hệ thống sử dụng n bộ khuếch đại quang đường truyền thì sẽ có (n+1) chặng với suy hao tương ứng (không tính theo dB) là 12 … n+1; như vậy suy hao toàn tuyến sẽ là: = I (3.1) G= Gi (3.2) Tương tự ta có mức khuếch đại của n bộ khuếch đại là: Công suất thu được phía thu là: Pin = PtxG Với: + Gi là bộ khuếch đại của bộ khuếch đại thứ i. + i là suy hao chặng thứ i + Pin là công suất thu (W) + Ptx là công suất phát (W). Việc tính toán trên nhằm đưa ra các thông số hệ thống, tất cả đều nhằm mục tiêu đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của hệ thống. SNR là một hàm rất nhiều tham số của hệ thống: Công suất phát, hệ số khuếch đại, mức nhiễu ASE, băng tần tín hiệu, mức suy hao… Để đánh giá chỉ tiêu lỗi bit, một biểu thức tính gần đúng SNR được phòng thí nghiệm Bellcore của Mỹ đưa ra: SNR = C – [Ptot – 10 log10(N) – Ls – NF – 10 log10(Ns) (3.3) Trong đó: + Ptot là công suất phát toàn phần (dBm). + N là số bước sóng hệ thống sử dụng. + Ls là suy hao của chặng (span) (dB). + NF là mức nhiễu (noise firgue) của bộ khuếch đại được sử dụng. + Ns là số chặng (span) trên tuyến. Đây sẽ là công thức chính được sử dụng khi để tính toán thiết kế. Tóm tắt các bước thiết kếtinhs toán khi nâng cấp: Từ nhu cầu cũng như đặc điểm về lưu lượng của tuyến trục, phải phân bố bước sóng hợp lý, xây dựng cấu hình tuyến, tận dụng tối đa cơ sở vật chất sẵn có, nâng cao khả năng bảo an, khả năng xử lý sự cố. Dựa vào khả năng của cáp hiện có, tính toán suy hao và các thông số cho từng chặng, lựa chọn tối ưu cấu hình và thông số. - Thực tế, không nhất thiết phải có bước sóng dự phòng cho mỗi trạm xen rẽ dọc tuyến (bởi vì các bước sóng đều truyền chung trên một đôi sợi quang, một sợi đi và một sợi về), mà chỉ cần tính toán để đáp ứng phù hợp với nhu cầu về lưu lượng là đủ, để tránh tình trạng back – hauling có thể nảy sinh, làm tăng tải không cần thiết. Ngoài ra, lưu lượng liên tỉnh có thể được truyền đi trên các tuyến cáp quang liên tỉnh sẽ được xây dựng. Với đề xuất về bước sóng ghép như trên, thiết bị ADM sẽ thỏa mãn nhu cầu về tán sắc như sau: - Các thiết bị ADM đang vận hành có khả năng chấp nhận tán sắc đến 3000 ps/nm, đối với các khoảng xen rẽ ngắn, không cần xem xét lại yêu cầu về tán sắc này (xét cho bước sóng xen rẽ các kênh lẻ 1). - Đối với các bước sóng chuyển qua, thực tế việc nạp điện chỉ thực hiện tại các nút kết nối giữa các RING, lên mức yêu cầu về tán sắc đối với các thiết bị tại các nút này đòi hỏi nghiêm ngặt hơn, cụ thể phải chịu được mức tán sắc cực đại cỡ 12000 ps/nm (tương ứng với khoảng cách giữa hai nút của RING lớn nhất là 600km). Sử lại và bổ xung cấu hình tuyến sao cho sát với thực tế nhất, đạt đủ các chỉ tiêu và yêu cầu kỹ thuật nhất. 3.5.4. Đặc điểm lưu lượng và phương án phân bổ bước sóng. - Theo phân luồng đối với dung lượng 2,5Gbps (tương đương với STM – 1 ) đang khai thác thì chỉ cần 2 STM – 1 để tải lưu lượng xen rẽ dọc tuyến, trong đó số luồng xen rẽ trung bình tại mỗi nút khoảng 32 luồng E1 (tức là ẵ luồng STM – 1) (nguồn VTN). - Theo dự báo, thì đối với dung lượng max được nâng cấp là 20Gbps, thì số luồng xen rẽ trung bình đạt được tại các trạm ADM/OADM dọc tuyến sẽ đạt khoảng 4 luồng STM – 1, so sánh với số luồng xen rẽ khi dung lượng tuyến trục 2,5 Gbps là ẵ STM – 1, ta rút ra được kết luận: nhu cầu xen rẽ trung bình tại các nút xen rẽ tăng 8 lần (từ ẵ STM – 1 lên 4 STM -1 ). Như vậy sẽ cần 2*8 STM – 1 để tải lưu lượng xen rẽ. Lưu lượng này tương đương vơi một bước sóng mang tín hiệu 2,5Gbps (16 STM – 1). - Tương tự như vậy, đánh giá được phần lớn dung lượng dọc tuyến là dung lượng chuyển qua, do vậy việc phân bố 8 bước sóng công tác cho tuyến trục Bắc – Nam nên như sau: * HNI – HCM: 4 bước sóng. * HNI – ĐNG – HCM: 2 bước sóng. * Lưu lượng trong một RING: 1 bước sóng. * Lưu lượng xen rẽ dọc tuyến trên mỗi RING: 1 bước sóng 3.5.5. Xây dựng cấu hình cụ thể tuyến truyền dẫn Bắc Nam. a. Đề xuất: - Với RING 1 có số trạm xen rẽ có lưu lượng thấp (Phủ Lý, Nam Định), để có hiệu quả kinh tế cao hơn (do tiết kiệm được một loạt các thiết bị xen rẽ bước sóng đầu tư cho các nút này ), nên đưa các trạm này thành các nút của các RING liên tỉnh Hà Nội – Phủ Lý – Nam Định – Thái Bình – Hưng Yên – Hải Dương – Hà Nội. - Với RING 4: Lý do tương tự đối với một số nút có lưu lượng xen rẽ thấp, nên tách chuyển chúng sang RING liên tỉnh Phan Rang – Phan Thiết – Xuân Lộc – Bảo Lộc – Đà Lạt – Phan Rang. Các thiết bị đầu cuối WDM 8 hay 16 bước sóng thương mại hiện nay đều chỉ cho phép span lớn nhất khoảng trên 600 km, mà khoảng cách giữa hai nút cuối của RING 4 lại lên tới 695 km (Qui Nhơn – TP HCM), vượt quá mức tán sắc cho phép, vậy nên cần có một trạm đầu cuối WDM nữa cần thêm vào tại RING 4. Nút có thể thay đổi từ ADM thành thiết bị T8 (Thiết bị đầu cuối WDM 8 bước sóng) là Nha Trang hoặc Phan Rang, nếu chọn về Phan Rang thì có lợi về khoảng cách lặp, Nhưng Nha Trang tương lai sẽ là thành phố lớn phát triển mạnh về lưu lượng, vậy nếu chọn Nha Trang thì có lợi cho việc cấu hình lại lưu lượng sau này hơn. + Một giải pháp khác là sử dụng một bộ khuếch dại quang đường truyến LA 2 tầng, xen rẽ giữa 2 tầng một đoạn cáp DSF (sợi bù tán sắc) có đọ dài được tính toán cho phù hợp. nhờ xen giữa hai tầng khuếch đại, nên vẫn đảm bảo suy hao sợi được bù hoàn toàn, tán sắc được xử lý. b. RING 1: Sử dụng khuếch đại LA trên tuyến dọc 500 KV ( từ Hòa Bình đến Hà Tĩnh): VNPT sử dụng các sợi số6,7,8,9; có hệ số suy hao trung bình là 0,28dB/km; các khoảng cách giữa các tram Ri cộng lại là khoảng 360 km, vậy quỹ công suất cần bù là khoảng 0,28*360 km = 100 dB; Các LA thương mại có hệ số G đạt khoảng 14 dBm, vậy nên cần đặt tại tất cả các trạm Ri trên tuyến các LA, sử dụng thêm thiết bị BA hoặc PA tại các điểm thu phát Hòa Bình và Hà Tĩnh. Cấu hình cụ thể như sau: Kêt nối giữa RING 1 va RING 2 nên sử dụng DXC/OXC theo cấu hình matched – node để như sau: c. RING 2: Không cần dùng trạm lặp tại Nam Ròm (NMR) nữa, do yêu cầu về tán sắc và quỹ công suất vẩn đủ đảm bảo với các thiết bị WDM ở khoảng cách span nhỏ đối với tất cả các thiết bị WDM thương mại hiện có. d. RING 3: Thay thế trạm lặp đơn kênh tại Lai Khan (LKN) bằng bộ khuếch đại quang đường truyền LA. Các nút kết nối giữa RING 3 và RING 4 cần lựa chọn giữa hai loại thiết bị T8 và T16; Tùy thuộc vào hiệu quả sử dụng và giá thành. Hiện kết nối giữa Quy Nhơn và Playku (167km) sử dụng hai đôi cáp riêng biệt cho hai vòng RING độc lập 3 và 4. Nếu như vậy, sẽ có hai phương án cho các nút này: Giữ nguyên hiện trạng kết nối, sử dụng 4 bộ thiết bị kết nối T8 Sử dụng thiets bị kết nối T16 tại mỗi nút, chỉ cần sử dụng một đôi sợi cáp để truyền dẫn (16 bước sóng trên mỗi sợi một hướng). Nếu phân tích về giá đầu tư, sẽ thấy giá thành 2 bộ T16 sẽ tương đương với khoảng giá thành 3 bộ T8. Hơn nữa, mật độ 16 bước sóng là mật đọ phổ biến hay dùng trong các mạng truyền dẫn WDM hiện nay, nên các yêu cầu về độ hẹp phổ từng kênh, khoảng cách các kênh vẫn đảm bảo, có thể tính toán lại và lựa chọn bước sóng phù hợp theo chuẩn ITU-T, theo các thương phẩm WDM hiện đang có. e. RING 4: Như trên đã phân tích, tại nút Nha Trang, sẽ đặt một trạm thiết bị đầu cuối WDM. Tại Xuân Lộc, trước đây là một trạm lặp đơn kênh, nay thay thế bằng khuếch đại quang đường truyền LA để bù công suất. KẾT LUẬN Truyền dẫn dung lượng cao theo hướng sử dụng công nghệ WDM đang có một sức hút mạnh đối với các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông hàng đầu thế giới. Đã có hàng loạt tuyến truyền dẫn đang vận hành và khai thác theo công nghệ này, bởi vì chi phí đầu tư và tính ổn định của nó có nhiều điểm hơn hẳn so với ghép kênh truyền thống TDM, nhất là khi mà nhu cầu về dung lượng ngày càng cao như hiện nay. Khi nâng cấp một hệ thống thông tin quang theo công nghệ WDM, có rất nhiều vấn đề cần phải xem xét, như nhu cầu về dung lượng, cấu hình hợp lý và cấu hình tối ưu .... Mỗi một mục nhỏ trong bản đồ án này đều là một bài toán kỹ thuật, đòi hỏi phải có một giải pháp tối ưu và toàn diện. Vấn đề về mật độ ghép bước sóng, mặc dù ITU-T đã ban hành chuẩn về tần số và khoảng cách ghép giữa các kênh, nhưng nó đã trở nên lạc hậu so với các công nghệ tách/ghép bước sóng hiện nay, khi mà khoảng cách ghép giữa các bước sóng trong hệ thống WDM đã giảm xuống chỉ còn 25 GHz. Công nghệ khuếch đại quang sợi ra đời, đã mở ra một chặng mới cho thông tin quang nói chung và cho thông tin WDM nói riêng, giải quyết được vấn đề về suy hao, quỹ công suất mà không cần các bộ lặp 3R cồng kềnh, chi phí lớn và chỉ đáp ứng được tốc độ thông tin thấp. Thêm vào đó, các module bù tán sắc DCM được “nhúng” vào các thiết bị WDM, đã làm cho hệ thống WDM càng có thêm nhiều hứa hẹn. Khi đó mỗi kênh bước sóng có thể đạt đến tốc độ 10 Gbit/s hoặc hơn nữa, nhờ vậy có thể đạt được tốc độ Tbit/s trên một sợi đơn mode SSMF thông thường. Với thời gian nghiên cứu và tìm hiểu thực tế mạng lưới, cũng như tìm hiểu công nghệ mới WDM còn hạn chế, những gì được đề cập trong bản luận văn này thực sự rất nhỏ bế, mới chỉ mang tính chất tìm hiểu, tập dượt. Công nghệ truyền dẫn WDM thực tế chưa được triển khai ở nước sta, lại là một công nghệ còn mới, đang ở thời kỳ mà có thể có nhiều đột biến về các giải pháp, công nghệ cho từng thiết bị. Tuyến truyền dẫn quang Bắc-Nam ở nước ta giữ một vai trò quan trọng đối với nền an ninh của quốc gia và sự phát triển kinh tế, xã hội. Do vậy, việc thảo luận, nghiên cứu - triển khai phương án tăng dung lượng tuyến cáp quang trục Bắc-Nam bằng công nghệ mới như WDM có một ý nghĩa thiết thực. Từ suy nghĩ đó em mong muốn được tìm hiểu về “công nghệ ghép kênh quang WDM” để sau này đóng góp một phần công sức nhỏ bé xây dựng đất nước. Em mong rằng sẽ có cơ hội để tiếp tục được nghiên cứu sâu hơn về các vấn đề này. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. VŨ VĂN SAN Kỹ thuật thông tin quang Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật – 1997 2. DƯƠNG ĐỨC TUỆ Hệ thống ghép kênh theo bước sóng Nhà suất bản bưu điện – 2001 3. CAO PHÁN Ghép kênh quang và khuếch đại quang Học viện công nghệ bưu chính viễn thông –1998 4. CAO PHÁN Cơ sở kỹ thuật thông tin quang Học viện công nghệ bưu chính viễn thông – 2000 5. TRẦN THUỶ BÌNH, PHẠM HỒNG NHUNG Nghiên cứu các loại sợi dẫn quang mới và khả năng sử dụng vào các hệ thống truyền dẫn trên mạng viễn thông Việt Nam Viện KHKT Bưu điện – 1999 6. NGUYỄN MINH DÂN Mạng cáp quang nội hạt và thuê bao quang - Đề tài nghiên cứu khoa học cấp ngành – Hà Nội – 1995. 7. DENIS J. G. MESTDAGH Fundamentals of Multiaccess Optical Fiber Network Artech House Boston – London 8. T. OKOSHI AND K. KIKUCHI Optical Fiber Communication University of Tokyo, Tokyo 9. WWW. EXFO.COM 2000 EXFO Electro-Optical Engineering Inc. All rights reserved. 10. JEAN-PIERRE LAUDE Wavelength Division Multiplexing, Paris – 1993.