Luận văn Một số vấn đề trong thiết kế tuyến cáp quang biên trục bắc - Nam

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG TRẦN THỊ HƯƠNG MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG BIÊN TRỤC BẮC-NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS VŨ TUẤN LÂM HÀ NỘI – 2013 1 MỞ ĐẦU Thông tin quang đã có những bước phát triển nhảy vọt trong vài thập kỷ gần đây và đã có những tác động mạnh mẽ trong nhiều mặt của kỹ thuật viễn thông. Hiện nay mạng truyền dẫn trục chính từ Bắc vào Nam sử dụng sợi quang trên đường dây điện lực 500KV và trên tuyến cáp quang được lắp đặt dọc theo quốc lộ 1A. Các tuyến đường quốc lộ đang được xây mới và mở rộng trên phạm vi cả nước, các chương trình xây dựng quốc lộ này đã gây ra nhiều sự cố về cáp cho các tuyến truyền dẫn trên đất liền, làm giảm độ tin cậy của viễn thông trên các tuyến trục. Để giải quyết vấn đề nêu trên, đồng thời tăng dung lượng của mạng truyền dẫn trục chính, việc triển khai tuyến quang biển trục Bắc – Nam sử dụng ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM là lựa chọn tất yếu. Về mặt kỹ thuật, để thiết kế một hệ thống truyền dẫn DWDM với những yêu cầu khoảng cách kết nối xa, dung lượng lớn, mật độ ghép cao cũng đã nảy sinh ra nhiều vấn đề cần quan tâm. Do vậy tôi lựa chọn đề tài “Một số vấn đề trong thiết kế tuyến cáp quang biển trục Bắc - Nam”. Luận văn được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng DWDM. Chương 2: Các vấn đề cần quan tâm trong thiết kế hệ thống cáp quang biển DWDM. Chương 3: Thiết kế tuyến cáp quang biển trục Bắc - Nam Do thời gian ngắn, trình độ năng lực của bản thân có hạn, tài liệu chưa đầy đủ nên chắc chắn bản luận văn này không tránh khỏi những hạn chế và sai sót, tôi rất mong được sự góp ý của các Thầy và các bạn. Qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy giáo - TS. Vũ Tuấn Lâm đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn! 2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH QUANG THEO BƢỚC SÓNG DWDM 1.1. Nguyên lý ghép kênh theo bƣớc sóng WDM 1.1.1. Nguyên lý cơ bản Truyền dẫn ghép kênh quang phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là phương thức có thể ghép nhiều bước sóng để truyền trên một sợi quang mà không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng. Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được ghép kênh để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu nhận được tín hiệu từ đầu phát thực hiện tách kênh, khôi phục tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau. 1.1.2. Các phương pháp truyền dẫn sử dụng ghép kênh quang theo bước sóng 1.1.2.1. Phương pháp truyền dẫn WDM đơn hướng Hệ thống WDM đơn hướng là tất cả kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều, ở đầu phát các tín hiệu có bước sóng quang khác nhau và đã được điều chế λ1, λ2 ,...., λn thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang. Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn. Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh. Ở chiều ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như trên. 1.1.2.2. Phương pháp truyền dẫn WDM song hướng Hệ thống truyền dẫn WDM song hướng là ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng λ1, λ2, ..., λn qua bộ ghép/tách kênh được tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi. Cũng sợi quang đó, ở hướng về các bước sóng λn+1, λn+2,..., λ2n được truyền dẫn theo chiều ngược lại. Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (song công). 1.1.3. Phân loại WDM Trước đây, hệ thống WDM thường ghép phổ biến 2, 4, 8, 12 và 16 bước sóng và khoảng cách bị giới hạn dưới 100km. Tùy theo số lượng ghép bước sóng mà ta phân WDM thành hai loại là CWDM và DWDM. 3 1.1.3.1. Ghép kênh theo bước sóng mật độ thưa CWDM Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng mật độ thưa có thể ghép tới 18 bước sóng ở khoảng cách 20nm (3.000 GHz). Khuyến nghị về CWDM của ITU-T G.694.2 đã đưa ra lưới phân bổ bước sóng cho khoảng cách lên tới 50km trên sợi quang đơn mốt. Lưới phân bổ bước sóng của CWDM được xác định trong dải từ 1270nm đến 1610 nm. 1.1.3.2. Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng mật độ cao có thể ghép tới hơn 128 bước sóng với khoảng cách các bước sóng là 200, 100, 50 hoặc 25GHz. DWDM dùng cho các hệ thống truyền dẫn ở khoảng cách hàng nghìn km có khuếch đại và tái tạo tín hiệu. 1.2. Các thành phần của hệ thống DWDM Hình 1.1: Hệ thống ghép kênh DWDM điểm - điểm 1.2.1. Đầu phát tín hiệu Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser. Yêu cầu đối với nguồn phát 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. 1.2.2. Bộ ghép/tách tín hiệu quang Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. λ1 λn λ1 λn Bộ tách/ghép kênh Cáp quang BA PA LA LA Bộ tách/ghép kênh Đầu phát Đầu thu 4 Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách. Các bộ ghép/tách tín hiệu quang được chia ra làm hai loại chính theo công nghệ chế tạo là: - Thiết bị WDM vi quang - Thiết bị WDM ghép sợi. Ở loại thứ nhất, việc tách/ghép tín hiệu quang dựa trên cơ sở các thành phần vi quang. Các thiết bị này được thiết kế chủ yếu sử dụng cho các tuyến thông tin quang dùng sợi đa mode, chúng có những hạn chế đối với sợi dẫn quang đơn mode. Loại thứ hai dựa vào việc ghép giữa các trường lan truyền trong các lõi sợi kề nhau. Kỹ thuật này phù hợp với các tuyến sử dụng sợi đơn mode. 1.2.3. Sợi quang Chức năng chính của sợi quang là dẫn sóng quang (ánh sáng) đi xa với mức suy hao nhỏ nhất. Sóng ánh sáng được truyền đi trong sợi quang dựa trên nguyên lý phản xạ toàn phần bên trong sợi quang. Sợi quang là một sợi thủy tinh gồm hai lớp (core và cladding) có chiết suất khác nhau. Hiện nay sử dụng hai loại sợi chính: sợi đơn mode và sợi đa mode. Sợi đơn mode có core nhỏ hơn và chỉ cho một mode ánh sáng đi qua. Do đó, độ trung thực của tín hiệu tốt hơn trong một khoảng cách truyền dẫn lớn vì giảm hẳn tán xạ mode. Điều này làm cho sợi đơn mode có dung lượng băng thông lớn hơn sợi đa mode. Do có khả năng truyền tải thông tin cực lớn và suy hao thấp, nên sợi quang đơn mode được sử dụng chủ yếu trong hệ thống thông tin đường dài và dung lượng lớn kể cả DWDM. Việc thiết kế sợi quang đơn mode đã được phát triển mấy chục năm gần đây. Hiện nay ITU-T đã xây dựng chỉ tiêu cho ba loại sợi quang đơn mode sau: + Sợi không dịch chuyển tán sắc (NDSF: Non- Dispersion – Shifted Fiber): chuẩn NDSF được ITU-T đưa ra trong G.652 (hay còn gọi là sợi đơn mode chuẩn). + Sợi chuyển dịch tán sắc (DSF: Dispersion Shifted Fiber): chuẩn DSF được ITU-T đưa ra trong khuyến nghị G.653. Ở đây, điểm tán sắc bằng 0 được dịch chuyển đến cửa sổ có bước sóng 1550 nm (băng C). Ở cửa sổ này, sợi quang có suy hao thấp hơn nhiều và phù hợp với tần số làm việc của bộ khuếch đại quang sợi EDFA. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến gần điểm dịch chuyển 0 nên loại sợi này không phù hợp sử dụng cho DWDM. 5 + Sợi dịch chuyển tán sắc khác 0 (NZ-DSF: Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber): chuẩn của sợi NZ-DSF được ITU-T khuyến nghị trong G.655, loại này có mức tán sắc thấp ở vùng 1550 nm, nhưng không về không (NZ) nên có thể khắc phục các hiệu ứng phi tuyến như hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM). Do đó loại sợi này được sử dụng cho DWDM. 1.2.4. Bộ khuếch đại tín hiệu Khuếch đại tín hiệu gồm có 3 loại 1R, 2R và 3R. 1R: Chỉ thực hiện khuếch đại 2R: Khuếch đại và phục hồi lại dạng 3R: Khuếch đại, phục hồi lại dạng và định thời lại tín hiệu. Bộ khuếch đại quang sợi EDFA được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền dẫn DWDM. EDFA hoạt động ở cửa sổ sóng 1500nm, khả năng khuếch đại đồng thời nhiều bước sóng của EDFA đã đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của DWDM. Khuếch đại quang bao gồm ba loại sau: Bộ khuếch đại công suất (BA): Bộ này thường được đặt ngay sau nguồn phát quang, có chức năng khuếch đại công suất quang lên một mức cao hơn. Trong hệ thống DWDM, BA thường được dùng để khuếch đại tín hiệu sau bộ ghép kênh trước khi truyền trên sợi. BA có thể tích hợp với bộ ghép kênh hoặc có thể tách kênh. Bộ tiền khuếch đại (PA): Bộ này thường được đặt trước máy thu. Nó được thiết kế để có chức năng khuếch đại với hệ số khuếch đại cao và mức nhiễu thấp. PA có thể được tích hợp với bộ tách kênh hoặc có thể tách kênh. Bộ khuếch đại đường truyền (LA): Bộ này thường sử dụng trên tuyến có chức năng khuếch đại các tín hiệu đã bị suy giảm trên đường truyền. Nó thường được thiết kế trên cơ sở các bộ BA và PA. 1.2.5. Đầu thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD. 1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng của hệ thống DWDM Có 3 yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng của các hệ thống thông tin quang DWDM, bao gồm: - Suy hao - Tán sắc 6 - Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang. Tuy nhiên, đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này cũng khác nhau. Ví dụ: - Ðối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao. - Ðối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao và tán sắc. - Ðối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 yếu tố trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến. Các hiệu ứng phi tuyến có thể gây ra những giới hạn đáng kể cho các hệ thống hoạt động ở tốc độ cao. CHƢƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ CẦN QUAN TÂM TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÁP QUANG BIỂN DWDM 2.1. Chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống cáp quang biển 2.1.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật của tuyến truyền dẫn số DLS - DLS của hệ thống cáp quang biển sẽ phù hợp với các khuyến nghị ITU-T. Theo đó, đặc tính của tín hiệu số tại giao diện với tuyến trên đất liền (Terrestrial Interface – TI) phải tuân thủ các chuẩn ITU-T G.707 và G.957. - Chỉ tiêu chất lượng lỗi của hệ thống cáp quang biển sẽ phải tuân thủ chuẩn ITU-T G.826 về tuổi thọ của hệ thống, về các tham số lỗi như số giây (s) lỗi nghiêm trọng (SES), số giây lỗi (ES). - Về độ khả dụng của hệ thống tại TI: tuân thủ theo ITU-T G.826. Độ khả dụng của hệ thống rõ ràng phụ thuộc vào các loại giao diện TI khác nhau, do đó độ không khả dụng của hệ thống cần được tính theo độ khả dụng của TI trong cùng một thời gian. Chỉ tiêu về độ khả dụng áp dụng cho thời gian không khả dụng gây ra bởi các thiết bị thành phần hệ thống, bao gồm các hoạt động chuyển mạch, hỏng hóc thiết bị, các công việc bảo dưỡng và giám sát dẫn đến gián đoạn 10 giây hoặc lớn hơn. Nó không bao gồm những hư hỏng gây ra bởi các nguyên nhân bên ngoài như: đánh cá, neo tàu làm mất nguồn cáp TTE và những khoảng thời gian ngắt nguồn hệ thống để sửa chữa. - Chỉ tiêu về Jitter của hệ thống cáp quang biển tuân thủ ITU- T G.957. 7 - Chỉ tiêu chất lượng tổng cộng End-to-end của DLS sẽ bằng chỉ tiêu phân bố theo km với chiều dài của DLS. Khi cần ấn định sự suy giảm chất lượng tốt những phần khác nhau của DLS, một lượng tương ứng với một giá trị cố định (thường là 125 km) sẽ được phân bố cho mỗi thiết bị đầu cuối và phần dưới biển sẽ được phân bố trên cơ sở km một lượng tương đương với sự khác nhau giữa chỉ tiêu DLS và phân bố thiết bị đầu cuối. - Đối với mỗi hỏng hóc, bảo dưỡng, giám sát đối với mỗi DLS sẽ phải không ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng đã định của DLS khác trong hệ thống. Đặc biệt đối với hệ thống WDM yêu cầu hư hỏng đến một nửa số kênh quang (Line Optical Channel – LOC) sẽ không ảnh hưởng đến các kênh còn lại. 2.1.2. Các chỉ tiêu về quỹ công suất quang Bảng quỹ công suất diễn tả cách đạt được chất lượng hệ thống về chỉ tiêu lỗi. Trong hệ thống cáp quang biển, việc tái tạo lại tín hiệu chỉ thực hiện ở thiết bị TTE của trạm đầu cuối ở mức giao diện đầu ra quang điện (O-E) cáp biển. Giữa đó, các kênh sẽ bị suy giảm chất lượng do tạp âm tích lũy, tán sắc, méo phi tuyến... Do đó, cần phải tính toán quỹ công suất ở mức DLS phần cáp biển (SDLS). Khi tính quỹ công suất, nếu hệ thống có nhiều SDLS thì tính cho từng SDLS. Đối với mỗi SDLS, cần phải tính quỹ công suất cho hai trường hợp là “bắt đầu đời sống” (Begin of life - BOL) và “kết thúc đời sống” (End of life - EOF). Cụ thể như sau: - Quỹ công suất BOL thể hiện phẩm chất của SDLS khi hệ thống được đưa vào khai thác và là tiêu chí để đo thử. Quỹ công suất này bao gồm cả độ dự phòng đảm bảo để tương thích với điều kiện EOL. - Quỹ công suất EOL thể hiện phẩm chất hệ thống tại lúc kết thúc tuổi thọ của hệ thống và nó bao gồm sự suy giảm do lão hóa và hỏng linh kiện, cáp và mức dự phòng cho sửa chữa. Khi tính toán quỹ công suất, cần cung cấp đầy đủ thông tin về giá trị công suất ra của bộ lặp, giá trị hệ số tạp âm danh định, giá trị băng thông quang và điểm ở phía thu. Tất nhiên, cũng phải tính đến cả các phần tử có khả năng cải thiện chất lượng truyền dẫn trong thiết bị trạm cáp cũng như bộ lọc, bù tán sắc, lọc cân bằng 2.1.3. Độ tin cậy của hệ thống Độ tin cậy của phần dưới biển của hệ thống cáp quang biển được đặc trưng: 8 - Số lần sửa chữa cần sử dụng tàu cáp do hỏng thiết bị trong tuổi thọ thiết kế của hệ thống: thông thường yêu cầu độ tin cậy hệ thống là nhỏ hơn 3 lần hư hỏng. - Tuổi thọ thiết kế của hệ thống: là quãng thời gian mà hệ thống cáp quang biển được thiết kế để khai thác tuân thủ các chỉ tiêu chất lượng của nó. Thông thường tuổi thọ thiết kế của hệ thống là 25 năm kể từ khi nghiệm thu hệ thống, tức là sau khi lắp đặt và đo thử nghiệm hệ thống đáp ứng chỉ tiêu chất lượng. 2.2. Các vấn đề cần xem xét khi thiết kế hệ thống DWDM Bất cứ một công nghệ nào cũng tồn tại những giới hạn và những vấn đề kỹ thuật. Khi triển khai công nghệ DWDM vào mạng thông tin quang, cần phải lưu ý một số vấn đề sau: - Số kênh được sử dụng và khoảng cách giữa các kênh - Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang - Vấn đề xuyên nhiễu giữa các kênh - Vấn đề tán sắc, bù tán sắc - Quỹ công suất của hệ thống - Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến - EDFA và một số vấn đề khi sử dụng EDFA trong mạng WDM. 2.2.1. Số kênh sử dụng và khoảng cách giữa các kênh Một trong các yếu tố quan trọng cần phải xem xét là hệ thống sử dụng bao nhiêu kênh và số kênh cực đại có thể sử dụng là bao nhiêu. Số kênh cực đại của hệ thống phụ thuộc vào: a) Khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống, cụ thể là: - Băng tần của sợi quang - Khả năng tách/ghép của các thiết bị WDM b) Khoảng cách giữa các kênh, một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này là: - Tốc độ truyền dẫn của từng kênh - Quỹ công suất quang - Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến - Độ rộng phổ của nguồn phát - Khả năng tách/ghép của các thiết bị WDM Trong một hệ thống WDM số lượng bước sóng không thể quá nhiều, bởi vì điều khiển và giám sát đối với các bước sóng này là một vấn đề phức tạp, có thể quy định trị số lớn nhất đối với số lượng 9 bước sóng của hệ thống từ góc độ kinh tế và công nghệ. Tất cả các bước sóng đều phải nằm ở phần tương đối bằng phẳng trên đường cong tăng ích của bộ khuếch đại quang, để cho hệ số tăng ích của các kênh khi đi qua bộ khuếch đại quang là gần như nhau, điều này tiện lợi cho thiết kế hệ thống. Đối với bộ khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium, phần tương đối bằng phẳng của đường cong tăng ích là từ 1540 nm đến 1560 nm. 2.2.2. Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng của nguồn phát 2.2.2.1. Ổn định bước sóng của nguồn quang Trong hệ thống WDM, phải quy định và điều chỉnh chính xác bước sóng của nguồn quang, nếu không, sự trôi bước sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thống không ổn định hay kém tin cậy. Hiện nay chủ yếu dùng hai phương pháp điều khiển nguồn quang: thứ nhất là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua nhiệt độ chip của bộ kích quang để điều khiển giám sát mạch điện điều nhiệt với mục đích điều khiển bước sóng và ổn định bước sóng; thứ hai là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua việc giám sát bước sóng tín hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự chênh lệnh trị số giữa điện áp đầu ra và điện áp tham khảo tiêu chuẩn để điều khiển nhiệt độ của bộ kích quang, hình thành kết cấu khép kín chốt vào bước sóng trung tâm. 2.2.2.2. Yêu cầu độ rộng của nguồn phát Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát nhằm đảm bảo cho các kênh hoạt động một cách độc lập với nhau hay nói cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phía thu giữa các kênh lân cận. 2.2.3. Tán sắc Tán sắc màu gây ra méo tín hiệu và làm giảm chất lượng hệ thống. Vì thế bù tán sắc là thống số quyết định đến ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến, kiểm soát tán sắc có vai trò quan trọng trong việc khắc phục hiệu ứng phi tuyến của hệ thống. Đối với những hệ thống có tốc độ bit thấp ( 2,5Gb/s) thì ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực là không đáng kể nhưng đối với hệ thống thông tin quang tốc độ bít cao (≥10 Gbit/s) và cự ly xa sẽ bị ảnh hưởng rất lớn do PMD; tác động của PMD làm suy giảm biên độ, méo dạng tín hiệu, tăng nhiễu hệ thống và nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại ASE. Kết quả là làm giảm SNR và dẫn đến giảm chất lượng truyền dẫn BER. 10 Việc thiết kế cấu hình tuyến truyền dẫn mới hoặc nâng cấp tuyến thông tin sử dụng sợi quang có hệ số tán sắc mode phân cực nhỏ (≤0,1 ps/km1/2) để tăng cự ly truyền dẫn một giải pháp tốt là khắc phục ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực. 2.2.4. Kiểm soát quỹ công suất và OSNR của hệ thống 2.2.4.1. Các bước phân tích, tối ưu theo cách tiếp cận quỹ công suất và OSNR Bước phân tích và tối ưu hệ thống là bước quan trọng, có thể tiến hành theo các bước sau đây: + Xác định các thông số thiết kế đầu vào: Độ dài đoạn ghép kênh, độ dài khoảng lặp khuếch đại quang, dung lượng kênh, số lượng kênh. Số liệu của bước này thường được rút ra từ điều kiện địa lí, dự báo như cầu phát triển các dịch vụ viễn thông liên quan. + Xác định độ dự trữ thiết kế: Độ dự trữ này phục vụ cho hệ thống hoạt động đến cuối thời kỳ sử dụng vẫn đảm bảo được BER yêu cầu của hệ thống. Thường độ dự trữ này bù cho sự già hóa của các phần tử trong hệ thống trong quá trình khai thác, cho sự không hoản hảo của thiết bị, bù cho ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến. + Xác định công suất quang nhỏ nhất trên một kênh, xem xét lại khoảng lặp. Công suất trên kênh nhỏ nhất để đảm bảo được yêu cầu về quỹ công suất, cũng như yêu cầu mức ngưỡng công suất trên một kênh không vượt quá để tránh các hiệu ứng phi tuyến xảy ra trên sợi quang. Nếu công suất không phù hợp (lớn quá hoặc nhỏ quá) thì cần phải điều chỉnh lại khoảng lặp cho thích hợp. 2.2.4.2. Tính toán các thông số Việc thiết kế hệ thống truyền dẫn quang dù nhìn nhận từ góc độ nào thì cũng cần phải đảm bảo hệ thống hoạt động được thỏa mãn yêu cầu về chất lượng đề ra. Thông số quan trọng mang tính quyết định của hệ thống đó là tỉ lệ lỗi bit (BER). BER có mối quan hệ với Q thông qua biểu thức sau: BER = 2 1 Q exp        2 2Q (2.2) Tính toán Q từ OSNR Tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang (OSNR) có thể sử dụng để tính giá trị Q đối với các bit thu được. 11 QdB=OSNRdB+10log       e o B B Xác định OSNR OSNR = NBhvLNF P mAmpSpan out .... Phương trình biểu diễn OSNR theo công suất có thể biểu diễn lại theo đơn vị dB (công suất theo dBm), để thuận tiện cho việc sử dụng. Đối với hệ thống 1550nm, hv=-158,93dBm/Hz. Phương trình trên trở thành: OSNRdB 158,93+Pout(dBm)-LAmpSpan–NFdB–10log(NBm) 2.2.4.3. Quỹ công suất và độ dự trữ của hệ thống Mục đích của quỹ công suất quang là để đảm bảo công suất đến đầu thu ở mức cho phép, xác định phân bổ công suất dọc trên đường truyền và độ dự trữ cho toàn hệ thống để duy trì được những thông số kỹ thuật của hệ thống trong suốt quá trình hoạt động. Công suất trung bình nhỏ nhất đến máy thu chính là độ nhạy của máy thu Pre. Công suất phát Ptr là công suất phát trên từng kênh của hệ thống. Quỹ công suất được tính theo đơn vị dB, công suất quang biểu diễn theo đơn vị dBm. Hiệu của công suất phát và công suất thu (Ptr-Pre) cho ta quỹ công suất trên từng khoảng lặp của hệ thống. Mối quan hệ giữa đầu phát, đầu thu, phân bổ suy hao trên tuyến, độ dự trữ có thể biểu diễn theo công thức sau: Ptr  Pre + A + M Trong đó: Ptr: Công suất phát của đầu phát (dBm) Pre: Độ nhạy thu của đầu thu (dBm) A: Tổng suy hao trên tuyến (dB) M: Độ dự trữ trên tuyến (dB) 12 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG BIỂN TRỤC BẮC NAM 3.1.1. Hiện trạng các hệ thống thông tin quang của VNPT 3.1.2. Hiện trạng tuyến trục Bắc Nam - Gồm 2 hệ thống 120Gb/s và 240Gb/s, sử dụng cấu hình đa Ring. - Hệ thống 120Gb/s đã hết khả năng mở rộng dung lượng; Hệ thống 240Gb/s có thể mở rộng tối đa đến 1,28Tb/s. 3.1.3. Hiện trạng mạng truyền dẫn phía Bắc - Hệ thống DWDM Huawei phía Bắc đưa vào sử dụng từ 2008, dung lượng ban đầu 300Gb/s; cuối 2010 mở rộng lên 380Gb/s. - Hệ thống DWDM Ericsson khu vực Đông Bắc dung lượng 320Gb/s, hiện đã được đưa vào sử dụng. - Nhu cầu dung lượng đến cuối 2013: Cần mở rộng thêm 1,1Tb/s. 3.1.4. Hiện trạng mạng truyền dẫn phía Nam - Hệ thống DWDM Fujitsu đưa vào sử dụng từ 2009. Dung lượng ban đầu là 271Gb/s. Cuối 2010 đã tăng lên 600Gb/s (Mở rộng 323Gb/s). - Nhu cầu dung lượng đến cuối 2013: Cần mở rộng thêm 750Gb/s. 3.1.5. Hiện trạng các ring trung kế - Các Metro Link DWDM tại Hà Nội (630Gb/s), Đà Nẵng (500Gb/s), Tp. HCM (640Gb/s), Cần Thơ (150Gb/s) đưa vào khai thác nửa cuối năm 2010. - Nhu cầu dung lượng trung kế không tăng thêm do giảm nhu cầu kết nối với VDC, tăng trung kế hướng VNP, VMS. 3.2. Lựa chọn tuyến cáp quang biển trục Bắc - Nam 3.2.1. Lựa chọn cấu hình hoa cung (Festoon) hay rẽ nhánh Việc xây dựng hệ thống cáp quang biển trục Bắc - Nam có thể xây dựng dựa trên hai dạng cấu hình chính: (a) cấu hình hoa cung, (b) cấu hình rẽ nhánh. Khái niệm về cấu hình hoa cung và cấu hình rẽ nhánh xem hình 3.1 13 a) Cấu hình hoa cung b) Cấu hình rẽ nhánh Hình 3.1: Cấu hình cáp quang biển Cấu hình hoa cung được lựa chọn vì các lí do sau: - Tính mềm dẻo trong mở rộng dung lượng Hệ thống cáp không trạm rẽ nhánh (BU) có tính mềm dẻo trong việc mở rộng dung lượng truyền dẫn. - Độ tin cậy: Tuyến cáp không có BU có thể dễ dàng chôn dưới biển đủ độ sâu tránh những hoạt động đánh bắt cá với phương pháp lắp đặt truyền thống. - Xây dựng: Cấu hình đơn giản hơn so với BU; Cấu hình BU yêu cầu có thời gian xây dựng chặt chẽ. - Vận hành và bảo dưỡng: Đa số các thiết bị tích cực được sử dụng trên đất liền do đó dễ dàng bảo dưỡng. Việc bảo dưỡng hàng ngày trở nên dễ dàng hơn, do thiết bị cấp nguồn không cần thiết. A B C D A B C D 14 - Quản lí: Chủng loại thiết bị ít hơn bao gồm cả phần dự phòng, việc quản lí ít hơn. 3.2.2. Lựa chọn trạm cập bờ Các trạm cập bờ cáp biển đi qua khu vực 7 tỉnh/thành phố lớn dọc theo bờ biển từ Hải Phòng đến Sóc Trăng, phần lớn các điểm đều dễ dàng kết nối được với các nút chuyển mạch và với tuyến đường trục hiện có dọc theo quốc lộ 1A. Trong số các trạm trên có hai trạm cập bờ cáp quốc tế sử dụng chung ở Vũng Tàu (trạm cập bờ TVH) và Đà Nẵng (trạm cập bờ SEA-ME-WE-3). 11 điểm cập bờ trải dài từ Hải Phòng tới Sóc Trăng là: Đồ Sơn - Hải Phòng, Sầm Sơn - Thanh Hóa, Cửa Lò - Nghệ An, Cửa Việt - Quảng Trị, Đà Nẵng, Sơn Tịnh - Quảng Ngãi, Qui Nhơn - Bình Định, Nha Trang - Khánh Hòa, Phan Thiết - Bình Thuận, Vũng Tàu và Vĩnh Châu - Sóc Trăng. 15 Hình 3.2: Sơ đồ tuyến cáp quang biển trục Bắc – Nam 16 Bảng 3.1: Đặc điểm chung của tuyến cáp quang biển trục Bắc - Nam TT Trạm - Trạm Chiều dài tuyến (km) Độ sâu (m) Đặc điểm 1 Đồ Sơn - Sầm Sơn 159.919 0m to 29m Đáy biển tương đối bằng phẳng và không có gì đặc biệt 2 Sầm Sơn - Cửa Lò 126.743 0m to 27m Như trên 3 Cửa Lò - Cửa Việt 272.311 0m to 51m Đáy biển tương đối bằng phẳng và không có gì đặc biệt, thỉnh thoảng có chỗ lõm nông và trải rộng 4 Cửa Việt - Đà Nẵng 182.971 0m to 45m Đáy biển tương đối bằng phẳng và không có gì đặc biệt 5 Đà Nẵng - Sơn Tịnh 190.740 0m to 117m Đáy biển tương đối bằng phẳng và không có gì đặc biệt, thỉnh thoảng có chỗ nông trải rộng 6 Sơn Tịnh - Qui Nhơn 204.801 0m to 150m Đáy biển tương đối bằng phẳng và không có gì đặc biệt 7 Qui Nhơn - Nha Trang 201.954 0m to 150m Như trên 8 Nha Trang - Phan Thiết 265.844 0m to 98m Như trên 9 Phan Thiết - Vũng Tàu 178.229 0m to 33m Như trên 10 Vũng Tàu - Vĩnh Châu 240.869 0m to 27m Đáy biển tương đối bằng phẳng và không có gì đặc biệt, thỉnh thoảng có chỗ nông trải rộng 17 3.2.3. Lựa chọn cáp quang biển 3.2.3.1. Chỉ tiêu về cáp quang biển Đặc tính cơ khí của cáp quang biển được qui định trong khuyến nghị G972 của ITU-T. Các đặc tính này rất quan trọng trong việc lắp đặt và sửa chữa tuyến cáp. a) Các chỉ tiêu truyền dẫn Các chỉ tiêu của sợi trước khi bọc cáp phải tuân theo một trong các khuyến nghị G.652 hoặc G.655. Các đặc tính truyền dẫn của sợi phải nằm trong một giới hạn xác định so với sợi trước khi bọc. Cụ thể là khi thiết kế, nối cáp và nối sợi phải đảm bảo mức suy hao do sợi bị uốn cong ở mức thấp nhất. Suy hao và tán sắc phải giữ được ở mức độ ổn định trong suốt thời gian khai thác. b) Các chỉ tiêu về cơ học Có thể sử dụng một trong hai cấu trúc sau để bảo vệ sợi: - Bọc chặt: trong đó sợi được giữ chặt trong cáp. Trong cấu trúc này độ dãn của cáp không được vượt quá độ dãn có thể của sợi. - Bọc lỏng: trong cấu trúc này độ dãn của cáp phải đảm bảo sao cho sợi không bị giãn. Cáp phải bảo vệ sợi không bị thấm nước, ngấm ẩm và chịu áp suất bên ngoài và chống được việc ngấm theo chiều dọc cáp khi cáp bị gãy hoặc đứt. Cáp và các hộp nối, cáp hộp rẽ phải dễ dàng lấy lên được từ trên tàu trong khi lắp đặt và sửa chữa. 3.2.3.2. Lựa chọn chủng loại cáp quang biển Từ các phân tích nói trên trong phạm vi thiết kế tuyến cáp quang biển trục Bắc - Nam đề xuất sử dụng hai loại chính là cáp bọc thép một lớp SA (Single Armored) và cáp bọc thép hai lớp DA (Double Armored). - Cáp bọc thép hai lớp DA được sử dụng ở vùng nước biển có độ sâu ≤10m; - Cáp bọc thép một lớp SA được sử dụng ở vùng nước có độ sâu ≥10m. 18 Cấu trúc cáp quang biển SA và DA được mô tả trong hình 3.3 dưới đây: a) Cáp quang biển loại SA b) Cáp quang biển loại DA Hình 3.3: Cấu trúc cáp quang biển SA và DA Qua khảo sát thực tế và những phân tích nói trên, việc lựa chọn loại cáp quang biển dọc trục Bắc - Nam theo từng tuyến như trong bảng 3.2 dưới đây: Bảng 3.2: Lựa chọn chủng loại cáp quang biển trục Bắc - Nam TT Trạm - Trạm Chiều dài cáp trên bờ, cáp LWP (km) Chiều dài cáp quang biển (km) Tổng chiều dài cáp trên bờ và cáp biển (km) Cáp DA Cáp SA Chiều dài cáp biển 1 Đồ Sơn - Sầm Sơn 0,743 17,871 143,288 161,16 161,90 2 Sầm Sơn - Cửa Lò 1,143 12,611 114,811 127,42 128,57 3 Cửa Lò - Cửa Việt 0,708 15,292 258,344 273,64 274,34 19 TT Trạm - Trạm Chiều dài cáp trên bờ, cáp LWP (km) Chiều dài cáp quang biển (km) Tổng chiều dài cáp trên bờ và cáp biển (km) Cáp DA Cáp SA Chiều dài cáp biển 4 Cửa Việt - Đà Nẵng 0,372 5,472 178,808 184,28 184,65 5 Đà Nẵng - Sơn Tịnh 0,372 5,067 187,017 192,08 192,46 6 Sơn Tịnh - Qui Nhơn 0,984 15,541 190,653 206,19 207,18 7 Qui Nhơn - Nha Trang 1,567 71,067 131,921 202,99 204,56 8 Nha Trang - Phan Thiết 0,583 57,048 211,173 268,22 268,80 9 Phan Thiết - Vũng Tàu 1,267 29,124 150,295 179,42 180,69 10 Vũng Tàu - Vĩnh Châu 2,573 22,795 221,137 243,93 246,51 Tổng cộng 10,312 251,888 1787,447 2.039,34 2.049,65 3.2.3.3. Qui trình lắp đặt và rải cáp Tuyến cáp quang biển ít bị ảnh hưởng bởi thiên tai cũng như các hư hỏng do các hoạt động xây dựng cơ sở hạ tầng hơn tuyến cáp trên bờ. Tuyến cáp quang biển phải được xây dựng trong các khu vực nước nông, đáy biển tương đối bằng phẳng. Để bảo vệ cáp chống lại những tác động có thể như thiết bị đánh cá, mỏ neo tầu, tuyến cáp cần phải được chôn dọc theo toàn bộ tuyến khi cáp rải trong vùng nước nông. Độ sâu chôn cáp cần thiết phải được xác định với việc xem xét đến các vấn đề liên quan giữa chất liệu đáy biển và độ sâu các thiết bị của tầu thuỷ hoặc mỏ neo tầu. Cần phải tiến hành khảo sát tuyến trước khi rải cáp để lựa chọn cách định tuyến và các biện pháp bảo vệ cáp thích hợp. Khảo 20 sát tuyến bao gồm nghiên cứu độ sâu của biển, nhiệt độ đáy biển và sự thay đổi theo mùa, nghiên cứu hình thái học và bản chất địa chất của đáy biển, vị trí cáp và ống bể cáp hiện có, các hoạt động thăm dò khai thác dầu khí khoáng sản, đánh bắt cá, các hoạt động động đất, luật về biển, các vùng hải phần của từng nước. 3.3. Lựa chọn dung lƣợng truyền dẫn trên kênh, số lƣợng kênh, lựa chọn bƣớc sóng công tác 3.3.1. Lựa chọn dung lượng hệ thống Nhu cầu lưu lượng của mạng trục quốc gia gia tăng đáng kể trong những năm qua do sự phát triển rất nhanh của các dịch vụ băng rộng. - Hai hệ thống trục Bắc Nam trên cáp đất hiện có tổng dung lượng là 360Gb/s không đáp ứng được nhu cầu của khách hàng, do vậy hệ thống cáp quang biển cần được trang bị dung lượng 320Gb/s, tương đương với 32 bước sóng 10Gb/s ngay từ giai đoạn đầu để hỗ trợ cho các hệ thống trục trên đất liền. Cụ thể như sau: + Hà Nội - Hồ Chí Minh: 160Gb/s tương đương với 16 bước sóng 10Gb/s; + Hà Nội - Đà Nẵng - Hồ Chí Minh: 80Gb/s tương đương với 8 bước sóng 10Gb/s; + Các trạm Vinh, Quy Nhơn: 40Gb/s tương đương với 4 bước sóng 10Gb/s; + TP. Hồ Chí Minh - Cần Thơ: 160Gb/s tương đương với 16 bước sóng 10Gb/s. - Việc mở rộng dung lượng hệ thống cáp quang biển các năm tiếp theo sẽ được triển khai trên đôi sợi quang đã sử dụng và các đôi sợi quang khác; dùng bước sóng 40Gb/s hoặc 100Gb/s. 3.3.2. Lựa chọn bước sóng công tác, khoảng cách kênh Hệ thống hoạt động ở cửa sổ bước sóng 1550nm, phù hợp với dải bước sóng làm việc của bộ khuếch đại quang sợi EDFA. Bước sóng công tác của các kênh trên hệ thống tuân thủ theo tiêu chuẩn G.692. 3.4. Tính toán, phân tích lựa chọn cấu hình hệ thống 3.4.1. Quỹ công suất hệ thống Trên cơ sở các nội dung tính toán kiểm tra quỹ công suất và OSNR nêu trong phần 2.2.4, phần này chúng ta tiến hành cụ thể các bước cho hệ thống cáp quang biển trục Bắc - Nam. - Các thông số đầu vào như đã xác định trong các phần trên: 21 Hệ thống gồm 32 kênh, tốc độ trên mỗi kênh 10Gb/s, độ dài các đoạn truyền dẫn chính là độ dài các hoa cung đã nêu trong phần 3.2.3. - Xác định công suất phát trên kênh, khoảng lặp của các đoạn truyền dẫn: Với tốc độ 10Gb/s đối với 1 kênh thì yêu cầu BER tương ứng là 10 -12 . Giả thiết độ rộng băng quang Bo= 12,5 GHz, độ rộng băng điện Be= 7,5 GHz, Q = 17dB. Thay các giá trị của Q, Bo và Be vào phương trình trên để tính OSNRmin ta có: ( ) Chiều dài lớn nhất của tuyến được xác định như sau: AsAf McAcPpPs L    Pr Trong đó: Ps: Công suất đầu phát (-4dBm) Pr: Độ nhạy thu (-38dBm) Pp: Dự trữ trên tuyến (1dB) Ac: Suy hao ODF (1dB) Mc: Tổng suy hao trên tuyến bao gồm dự trữ hệ thống, dự trữ bảo trì, và dự trữ tuổi thọ hệ thống (6dB) Af: Suy hao cáp quang (C band 0,25dB/km) As: Suy hao mối hàn (0,05dB/km) Thay vào công thức trên ta tính được Lmax = 87km. Do vậy với các tuyến có cự ly dài hơn cần phải sử dụng các bộ khuếch đại quang LA hoặc PA. 3.4.2. Tán sắc hệ thống Cấu trúc của tuyến truyền dẫn quang được giả định là truyền dẫn thông thường được lắp đặt khai thác trên thực tế với các đặc điểm hệ thống chung như sau: - Tuyến truyền dẫn bao gồm thiết bị phía phát, phía thu và các thiết bị EDFA. Các thiết bị EDFA có thể đặt làm thiết bị khuếch đại công suất (BA), khuếch đại đường truyền (LA) và tiền khuếch đại (PA). Tuyến được hình thành từ các chặng giữa mỗi chặng bao gồm 22 cáp sợi quang đủ cho cự ly chặng, sợi bù tán sắc DCF cho chặng đó và bộ khuếch đại quang sợi EDFA. - Sợi quang truyền dẫn là loại đơn mode thông dụng G.652 theo khuyến nghị của ITU-T, có giá trị tán sắc từ 15 - 17 ps/nm.km và giá trị của tham số PMD là 0,5 ps/km1/2. Sợi DCF đủ dài được dùng để bù tán sắc CD nhằm cân bằng giá trị tán sắc tích lũy của từng chặng và có hệ số tán sắc PMD là 0,1 ps/km1/2. - Về đặc tính truyền dẫn như sau: thiết bị quang sẽ phát tín hiệu điều biến cường độ từ một Laser LD hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm với công suất phát là Pt. Tín hiệu dạng xung được lan truyền thông qua sợi quang suốt dọc tuyến; nó sẽ bị méo và giãn xung do tán sắc, bị suy hao do sợi, được khuếch đại tại các bộ khuếch đại quang EDFA và chịu tác động từ các thành phần nhiễu, tương tác với tán sắc PMD. Như vậy, phải tính đến việc bù tán sắc do PMD gây ra. Suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của tuyến do ảnh hưởng của suy hao phụ thuộc phân cực PDL (được chỉ ra trong nhiễu tín hiệu), rằng nhiễu tổng sẽ được cộng thêm nhiễu phân cực đứng và nhiễu phân cực ngang. Thông thường suy hao phụ thuộc phân cực được bù bằng chính độ khuếch đại phân cực của bộ khuếch đại đó. Như vậy, trong bài toán này, ta cũng đã đặt giả thiết dạng tín hiệu phía phát là có dạng xung Gauss và sử dụng mã NRZ và phía thu ở mạch quyết định lấy gần đúng theo xung Gauss. Chất lượng truyền dẫn được xác định thông qua việc tính tỷ số lỗi BER = 10-12 cho độ nhạy thu của thiết bị thu quang và xác suất gián đoạn của hệ thống là 10-5. Trong hệ thống thông tin quang gồm có sợi quang vâ các phần tử quang được xác định và thay đổi ngẫu nhiên thì có thể được tính như sau: Trong đó: - PMDtot là giá trị PMD cực đại của hệ thống (ps); - PMDQ là hệ số PMD của sợi quang (ps/km 1/2 ) = 0,05 ps/km 1/2 . - Lt là độ dài tuyến (km); - PMDci là giá trị PMD thay đổi ngẫu nhiên của phần tử quang thứ i(ps); 23 - PMDdj là giá trị cố định của phần tử quang thứ j (ps) Đối với hệ thống thông tin quang tốc độ cao, hầu hết các phần tử quang đều chịu tác động của phân cực mode, do đó để đơn giản hóa việc tính toán tổng PMDtot của hệ thống người ta có thể lấy xấp xỉ PMDtot bằng hai lần tán sắc PMD của sợi quang, nghĩa là: 3.4.3. Cấu hình tuyến cáp quang biển trục Bắc - Nam Dựa trên các phân tích nói trên, cấu hình của mỗi tuyến cáp quang biển dọc trục Bắc - Nam như trong các hình vẽ dưới đây: Hình 3.4: Cấu hình tuyến cáp quang biển điển hình 3.4.4. Cấu hình hệ thống cáp quang biển trục Bắc - Nam dung lượng 320 Gb/s Cấu hình mạng cáp quang biển trục Bắc - Nam dung lượng 320Gb/s bao gồm: - Tuyến từ Hà Nội - TP. Hồ Chí Minh: dung lượng 160Gb/s - Tuyến từ Hà Nội - Đà Nẵng, Đà Nẵng - TP. Hồ Chí Minh: dung lượng 80Gb/s. - Tuyến từ Hà Nội - Cần Thơ: dung lượng 160Gb/s. Các điểm Vinh, Qui Nhơn, Cửa Việt, Sơn Tịnh, Phan Thiết được cấu hình xen/rẽ 40Gb/s. Dưới đây là sơ đồ cấu hình mạng cáp quang biển trục Bắc – Nam: Ykm Xkm 24 Hình 3.5: Cấu hình Ring A Hình 3.6: Cấu hình Ring B Hình 3.7: Cấu hình Ring C 25 KẾT LUẬN Luận văn đã trình bày tổng quan về hệ thống cáp quang biển, các vấn đề cần quan tâm trong thiết kế tuyến cáp quang biển, từ đó xây dựng bài toán thiết kế tuyến cáp quang biển trục Bắc Nam. Tuy nhiên, đây vẫn chỉ là phương pháp thiết kế cho đoạn mạng truyền dẫn cơ bản trên mạng. Với hệ thống thực tế, mạng truyền dẫn có thể xây dựng phức tạp hơn và có xu hướng tiến tới mạng toàn quang, do vậy cần phải có phương pháp thiết kế mới đáp ứng được sự phát triển của mạng nêu trên.