Tính toán, thiết kế hệ thống thông tin sợi quang đến các hộ gia đình FTTH (fiber to the home) ở thành phố Đà Nẵng

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 166 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG ĐẾN CÁC HỘ GIA ĐÌNH FTTH (FIBER TO THE HOME) Ở THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG CALCULATING AND DESIGNING THE FTTH SYSTEM IN DANANG CITY Lê Anh Khoa, Nguyễn Văn Tuấn Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo xây dựng mô hình truyền dẫn quang đến các hộ gia đình (FTTH) có dạng hình sao và sao mở rộng gồm các bộ khuếch đại quang sợi EDFA mắc chuỗi. Trên cơ sở đó tính toán công suất tín hiệu, công suất nhiễu phát xạ tự phát tích luỹ (ASE) và tỉ số tín hiệu trên nhiễu (eSNR) tại đầu máy thu đặt tại vị trí bất kỳ trong hệ thống; lập lưu đồ thuật toán, tính toán thiết kế hệ thống thông tin sợi quang FTTH cho 50.000 thuê bao trong phạm vi thành phố Đà Nẵng với các tốc độ bít khác nhau: 155Mb/s, 625Mb/s và 2,5Gb/s. Sau đó, sử dụng phần mềm chuyên dụng (OptiSystem) để kiểm chứng và đánh giá chất lượng tín hiệu trong hệ thống. Sự phù hợp giữa kết quả tính toán lý thuyết và kết quả mô phỏng đã chứng tỏ độ tin cậy của mô hình truyền dẫn, các biểu thức tính toán và lưu đồ thuật toán đã được xây dựng. ABSTRACT In this paper, we built a model of the star and expanded-star Fiber To The Home system (FTTH) including cascaded Erbium Doped Fiber Amplifiers (EDFA). We calculated the signal Power, Accumulated Spontaneous Emission (ASE) noise power and Electrical Signal-to- Noise Ratio at the receiver located at any place in this system and then built an algorithm chart, calculated and designed the Fiber Optic Communication System of 50,000 subscribers in Danang City with different Bit Rates of 155Mb/s, 625Mb/s and 2.5Gb/s. A comprehensive software (OptiSystem) was then used to check and evaluate the signal quality in this system. Approximate results of theory calculation and simulation demonstrated the reliability of the calculating model, algorithm chart and calculating expressions that had been built. 1. Mô hình tính toán hệ thống truyền dẫn quang FTTH Mô hình tính toán của một nhánh tiêu biểu trong hệ thống truyền dẫn tín hiệu với các EDFA mắc chuỗi được mô tả trên hình 1. Cấu hình này gồm có máy phát có công suất TXP , k bộ khuếch đại quang EDFA có các hệ số khuếch đại kGGG ,..., 21 khác nhau. Trước mỗi EDFA có một bộ lọc quang nhằm hạn chế nhiễu quang ASE với băng thông quang lần lượt là okoo BBB ,...., 21 . Tổn hao công suất từ máy phát đến EDFA1 là 0α , tổn hao trên k phân đoạn tiếp theo là kααα ,..., 21 và tổn hao công suất từ đầu ra bộ EDFA thứ k đến máy thu cuối cùng là máythuk−α . Tổn hao công suất từ cuối phân đoạn thứ k đến máy thu cuối cùng là sα . TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 167 2. Xác định tỉ số tín hiệu trên nhiễu (eSNR) của máy thu trong hệ thống phân phối tín hiệu với các EDFA mắc chuỗi Công suất nhiễu ASE tổng tại đầu vào máy thu do các EDFA tạo ra như sau [1]: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +== ∑ ∏∑ − = − = +− = Σ 1 1 1 1 1 )( k j k ji AsekiiAsejmaythuk k j j AseAse PGPPP αα (1) Trong đó: jAseP với (j=1,2,…k) là công suất nhiễu ASE tại đầu vào máy thu do EDFA thứ j gây ra. ojjspjtAsej BGhnmP )1( −= ν : công suất nhiễu quang do bức xạ tự phát ASE tại đầu ra của bộ EDFA thứ j , trong đó m t , n spj , G j , B oj : lần lượt là số mode lan truyền của quá trình phân cực, hệ số phát xạ tự phát, hệ số khuếch đại của EDFA thứ j và băng thông quang của bộ lọc quang thứ j. Mặt khác, ở đây các thông số thiết kế hệ thống được xét trong miền điện của bộ thu quang. Trong miền này hệ thống chịu tác động của nhiều loại nhiễu khác nhau làm ảnh hưởng đến độ nhạy và tỉ lệ lỗi bit BER tại đầu thu: + Nhiễu lượng tử: )(22 sptsesh ImIeB +=σ (2) + Nhiễu phách tín hiệu-tự phát: sps o e sps II B B 42 =−σ (3) + Nhiễu phách tự phát-tự phát: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −=− 2 2 22 2 e osp o e spsp BBI B Bσ (4) + Nhiễu nhiệt: L eB T R TBk42 =σ (5) Hình 1. Mô hình tính toán của hệ thống truyền dẫn tín hiệu FTTH [1] Máy phát n n Máy thu 1 Máy thu n Máy thu n Máy thu 1 n máy n máy n n Máy thu 1 Máy thu n Máy thu n Máy thu 1 n máy n máy Trạm trung gian Trạm trung gian h 1 1 h h k 2 1F 1G 1 1 1α 1−kα0α maythuk −α kG2G 2F kF sα kα TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 168 Từ các biểu thức trên ta tìm ra được tỉ số tín hiệu trên nhiễu điện cho bộ thu quang: 2 2 2 2 . 4 ) 2 (24 RR TBkBBP B BmPP B B PeSNR L eBe oAse o e tAses o e s +−+ = ∑ (6) Với oe BB , lần lượt là băng tần điện và băng tần quang của hệ thống, Bk là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối, LR là điện trở tải của bộ thu. Mặt khác hệ thống thiết kế phải đảm bảo về quỹ công suất và quỹ thời gian lên theo biểu thức: Quỹ công suất : duphòngsenlossphát PPPP ++≥ (7) Quỹ thời gian lên: BW TTTTT hethongtachsongfibernguontinhtoan 7,01,11,1 222 =<++= (8) 3. Tính toán thiết kế hệ thống FTTH cho 50.000 thuê bao tại thành phố Đà Nẵng Nhằm nâng cao khoảng cách truyền dẫn và số thuê bao, đáp ứng nhu cầu sử dụng thuê bao rất lớn trong thành phố, đồng thời dựa vào kết quả khảo sát và tính toán cho hệ thống phân phối có các bộ EDFA mắc chuỗi ở trên, bài báo tiến hành một số giải pháp dưới đây: + Trên mỗi phân đoạn của từng nhánh đặt một bộ EDFA có hệ số khuếch đại G đúng bằng công suất α trên phân đoạn đó. Nghĩa là 1=Gα (lần). Chọn G = 15dB. Việc chọn như vậy nhằm hạn chế các thành phần nhiễu liên quan đến phát xạ tự phát tại các máy thu [1]. Ngoài ra, tổn hao công suất 15dB chính là độ lệch công suất giữa hai máy thu đặt ở đầu đầu và đầu cuối mỗi phân đoạn bất kỳ. Việc chọn độ lệch tương đối nhỏ này nhằm tránh yêu cầu khắt khe về dải động cho các máy thu. Đồng thời khi chọn 1=Gα thì công suất tín hiệu đến các máy thu ở các vị trí tương ứng nhau trên từng phân đoạn là bằng nhau, bất kể phân đoạn đó ở gần hay xa đài phát. Đây là điểm mấu chốt cho phép tăng cao số lượng thuê bao trong thành phố. Xuất tổ hợp thỏa mãn Đúng Tgian lên sysr TT < ? Đúng Sai End BER= 1210− . Tính Tính Ps , gán số k:=k+1 Tính ∑∑ TLoss PP , Begin Nhập các thông số của hệ thống: S hao, CS phát, tán sắc, băng thông… S Đúng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 169 + Khác với các thành phố lớn ở các nước phát triển, mật độ dân cư ở các thành phố lớn của nước ta như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Hải Phòng… đều tập trung rất cao ở trung tâm thành phố nên trong thiết kế này bài báo chọn khoảng cách giữa 2 trạm trung gian là 200m. Từ mỗi trạm trung gian sẽ có bộ chia quang hình sao 100 nhánh cung cấp trực tiếp cho 100 thuê bao lân cận. Chiều dài tuyến là khoảng 20km. + Từ các cơ sở phân tích ở trên, bài báo chọn số thuê bao bước đầu là khoảng 50.000 với tốc độ bit trên đường truyền là 155Mb/s (chuẩn STM-1). Tỉ lệ lỗi bit BER cho phép ở máy thu các thuê bao là 1210− . Sau đó, tính toán tương tự với các tốc độ bít cao hơn: 625Mb/s(STM-4) và 2,5Gb/s(STM-16). + Thuật toán: 4. Sơ đồ khối thiết kế mạng FTTH và các kết quả thu được từ việc mô phỏng Sau khi tính toán, thiết kế, tiến hành thực hiện mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng để kiểm tra tính đúng đắn của các thông số, đồng thời xây dựng được các biểu đồ thể hiện mối liên quan giữa các thông số để đưa ra các đề xuất cho việc tính toán thiết kế tuyến. Từ hình 4 và hình 5 ta thấy muốn tăng hệ số phẩm chất của hệ thống (tức là Hình 2. Sơ đồ khối thiết kế mạng FTTH tại Thành phố Đà Nẵng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 170 giảm tỉ lệ lỗi bit BER) ta có thể tăng công suất phát hoặc tăng độ khuếch đại của các EDFA. Việc tăng độ khuếch đại lên 1 giá trị rất nhỏ cũng có thể làm chất lượng hệ thống tăng lên rất nhiều lần. Đồng thời, ứng với cùng một công suất phát, hệ thống có Hình 4. Sự thay đổi của Q theo công suất phát và các biểu đồ mắt tại máy thu tương ứng với 3 tốc độ bit khác nhau và các công suất phát khác nhau. Hình 5. Sự thay đổi của Q theo độ khuếch đại của các EDFA trong hệ thống có tốc độ bit 155Mb/s Hình 3. Sơ đồ khối thiết kế của mỗi phân đoạn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 171 tốc độ bít càng cao thì có hệ số phẩm chất càng nhỏ (tức là tỉ lệ lỗi bit BER tăng). Điều này là do các hệ thống tốc độ cao chịu nhiều ảnh hưởng của tán sắc và khi tốc độ bít càng cao thì băng thông yêu cầu phải càng rộng làm cho các loại nhiễu đều tăng lên. Mặt khác, ở hệ thống 155Mb/s ta có thể thấy ở những giá trị nhỏ, Q tăng chậm, nhưng tại những giá trị lớn của công suất phát và độ khuếch đại thì hệ số phẩm chất tăng rất nhanh. Trong khi đó, ở các hệ thống tốc độ bit cao hơn (đặc biệt là ở tốc độ bit 2.5Gb/s) thì việc tăng công suất phát không làm Q thay đổi nhiều và rõ rệt như ở hệ thống 155Mb/s. Tuy nhiên, nếu tăng công suất phát hoặc độ khuếch đại lên quá cao sẽ gây ra các hiệu ứng phi tuyến và dải động của máy thu sẽ không đáp ứng được. Vì vậy, tùy thuộc vào giá trị BER cho phép mà ta sẽ chọn các thông số thích hợp Hình 6 biểu diễn quan hệ giữa tỉ lệ lỗi bit BER và công suất tại đầu vào máy thu của hệ thống tương ứng với các tốc độ bit là 155Mb/s(STM-1), 625Mb/s(STM-4) và 2,5Gb/s(STM-16). Ta thấy để đạt được cùng một tỉ lệ lỗi bit BER thì công suất tại đầu vào máy thu cuối tuyến tương ứng với tốc độ bit cao hơn phải lớn hơn. Dựa vào đồ thị ta có thể tìm ra được độ nhạy của máy thu quang tùy vào BER cho phép của hệ thống. Trong hệ thống FTTH được thiết kế, tỉ lệ lỗi bít BER cho phép là 10 12− , vì vậy ta có thể dễ dàng tìm được độ nhạy của máy thu thông qua đồ thị tương ứng với các tốc độ bít 155Mb/s, 625Mb/s và 2,5Gb/s lần lượt là khoảng -29,6dBm, -26,5dBm và -22dBm (tương ứng với 3 biểu đồ mắt trên hình vẽ). 5. Kết luận Bài báo đã thiết kế và tính toán một hệ thống FTTH phù hợp cho 50.000 thuê bao tại thành phố Đà Nẵng. Vì các điều kiện phục vụ cho việc đo đạc, kiểm tra trong thực tế còn rất hạn hẹp nên việc mô phỏng bước đầu (được so sánh với các kết quả tính toán) cho ra các kết quả khả quan đã cho thấy bài báo mang tính thực tiễn cao và có thể áp dụng được vào thực tế. Mặt khác bài toán có thể mở rộng nhiều nhánh để tăng lên hàng trăm ngàn thuê bao, đáp ứng với nhu cầu thông tin liên lạc của nhân dân ở các thành phố lớn. Hình 6. Quan hệ giữa BER và công suất tại máy thu ứng với 3 tốc độ bit khác nhau và các biểu đồ mắt tại máy thu trong 3 trường hợp tại các độ nhạy máy thu khác nhau. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 172 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Tuấn, “ Nâng cao độ nhạy trong hệ thống thông tin sợi quang Coherence tốc độ cao”, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội , 2002. [2] David Gutierrez, Kyeong Soo Kim, Salvatore Rotolo, Fu-Tai An, Leonid G.Kazovsky, “FTTH Standards, Deployments and Research Issues”, Photonics and Networking Research Laboratory, Standford University; Advanced System Technology, STMicroelectronics, 2005. [3] Vũ Văn San, “Nâng cao độ nhạy thu quang để giải phóng băng tần trong các hệ thống thông tin quang”. Học viện công nghệ bưu chính viễn thông, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, mã số 2.07.14, Hà Nội-2000. [4] Chinlon Lin, “Broadband Optical Acess Networks and Fiber to the Home”, Center for Advanced Research in Photonics, Chinese University of Hong Kong, 2006.