Bài giảng Hệ thống truyền thông quang học dùng bộ ghép nhiều bước sóng WDM - Dominique Bayart

D. Bayart<br /> <br /> Hệ thống truyền thông quang học dùng bộ ghép nhiều bước sóng WDM<br /> <br /> Dominique Bayart<br /> <br /> ALCATEL CIT<br /> Route de Nozay 91461 Marcoussis cedex<br /> Dominiaue.bayart@aalcatel.fr<br /> <br /> 267<br /> <br /> D. Bayart<br /> <br /> Dominique Bayart tốt nghiệp từ năm 1990 Trường Đại Học Vật lý Grenoble (ENSPG) và tốt nghiệp DEA tại Trường Đại Học Grenoble 1. Ông về làm việc tại Phòng Nghiên cứu và Cách tân của công ty Alcatel ở Marcoussis (Pháp) năm 1991. Sau hai năm nghiên cứu trong đơn vị nghiên cứu về Linh kiện Quang điện tử, ông sang làm việc tại đơn vị nghiên cứu về Các hệ thống truyền tín hiệu photonic, nơi mà ông đã thiết kế các thế hệ khác nhau của bộ khuếch đại dùng cho việc ghép nhiều bước sóng (WDM). Các thiết bị này được sử dụng cho đến nay trong các hệ thống truyền thông tin trên mặt đất và dưới biển. Từ năm 1998, ông lãnh đạo nhóm nghiên cứu Khuếch đại Quang học và từ năm 2001 ông đồng thời là Phó phòng của Đơn vị Truyền tín hiệu phôtônic. Nhiệm vụ này đã tạo cơ hội cho ông đóng góp vào nhiều kỷ lục thế giới về dung lượng truyền cho hệ thống trên mặt đất và hệ thống dưới biển. Ông đã được mời tham gia nhiều hội nghị khoa học quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu này, như là OFC, ECOC, OAA hay LEOS. Ngoài các bài báo khoa học, ông đả đóng góp vào hơn 25 bằng phát minh và hai cuốn sách chuyên đề [1,2]. Từ năm 1998 đến năm 2001, ông đã tham gia vào Ban kỹ thuật của hội nghị khoa học về các bộ khuếch đại và ứng dụng (OAA). Hiện nay ông là thành viên của các Ban kỹ thuật của các hội nghị khoa học OFC (Optical Fiber Communication Conference, USA) và CLEO Châu Âu (Conference on Lasers and Electro-Optics). Từ năm 2001 ông là thành viên đặc biệt của Viện Hàn Lâm Kỹ thuật Alcatel (Académie Technique d’Alcatel).<br /> [1] D. Bayart et E. Desurvire, “Erbium-Doped Fiber Amplifiers, Device and System Developments” (Wiley) [2] “Undersea Fiber Communication Systems”, édité par J. Chesnoy (Academic Press)<br /> <br /> 268<br /> <br /> D. Bayart 1<br /> Optical WDM transmissions<br /> <br /> Dominique Bayart Alcatel Research & Innovation 91460 Marcoussis - France Contact : Dominique.Bayart@alcatel.fr<br /> <br /> Bài giảng này nhằm mục đích đưa ra các khái niệm chính được vận dụng trong lĩnh vực truyền số bằng sợi quang học. Tất nhiên đây chủ yếu là phần giới thiệu và để có một ý tưởng đầy đủ hơn ta nên xem các công trình được tổng kết ở cuối bài giảng này. Số lượng lớn các công trình báo cáo ở đây được thực hiện ở trung tâm Nghiên cứu Corporate, Viện nghiên cứu và đổi mới của Alcatel (Alcatel R&I)<br /> <br /> WDM Transmissions, D. Bayart<br /> <br /> 1<br /> <br /> All rights reserved © 2004, Alcatel, Paris.<br /> <br /> 2<br /> Market system needs<br /> <br /> Plan<br /> <br /> System characteristics of EDFAs for WDM systems<br /> o Time , Gain and Noise performance o Impact of gain on Signal to Noise ratio for multi-span chains<br /> <br /> System characteristics of Raman amplifications for WDM systems<br /> o Gain and noise performance o Issue of Double-Rayleigh Scattering o System benefit<br /> <br /> Propagation effects in WDM transmission<br /> o Effect of Chromatic Dispersion o Non-linear effects o Effect of Polarisation Mode Dispersion<br /> <br /> Mitigation techniques<br /> o Dispersion management o Forward error correction codes o High capacity experiments<br /> WDM Transmissions, D. Bayart<br /> <br /> 2<br /> <br /> Sau khi đề cập đến các nhu cầu của thị trường, chúng tôi sẽ nói đến các đặc tính của hệ thống EDFAs (erbium-doped fiber amplifier : khuếch đại dùng sợi pha tạp Erbi) được sử dụng trong các ứng dụng WDM (ghép kênh phân chia theo bước sóng) (wavelength division multiplexing). Sau đó, các khía cạnh tương đối về khuếch đại Raman sẽ được trình bày. Các hiệu ứng vật lý hình thành trong quá trình truyền của các kênh trong một sợi quang truyền qua WDM sẽ được mô tả và các phương tiện để bù trừ chúng sẽ được phân tích. Song song đó là các ví dụ về truyền số dung lượng cao cũng sẽ được trình bày. Mạng truyền các dữ liệu số được cung cấp từ các dữ liệu đến từ các nguồn ứng dụng và dịch vụ khác nhau. Được tập hợp lại trong các vòng (boucles) của mạng truy nhập, các dữ liệu này sau đó sẽ được vận chuyển đến cấp vùng (tới khoảng cách vài trăm kilomét) nằm trong các vòng của mạng cấp vùng (réseau métro cœur). Các dữ liệu cần phải được truyền trên các khoảng cách dài thông qua mạng đường trục (dorsal cœur) « backbone core »<br /> <br /> 3<br /> Services<br /> Voice DSL 2/3G Mobile Digital Video Broadcast /VoD HS Internet Access O-VPN L1 VPNs/LL L2 VPNs Metro Ethernet Data Storage SAN<br /> <br /> Data Transport Optical Network<br /> <br /> Services<br /> Metro Access Metro Access<br /> <br /> Services<br /> <br /> TDM Ethernet ATM Transparent FC/ESCON<br /> Metro Access<br /> <br /> Metro Core<br /> <br /> Optical Core<br /> <br /> Metro Core<br /> <br /> Metro Access<br /> <br /> WDM Transmissions, D. Bayart<br /> <br /> 3<br /> <br /> 269<br /> <br /> D. Bayart Mạng cấp vùng vận chuyển với dung lượng rất lớn đến từ tập hợp các dữ liệu, chúng đến hoặc từ mạng đường trục hoặc từ mạng truy cập. Giá thành của mạng cấp vùng và do đó, của mạng đường trục được chia sẻ bởi một số lượng lớn người sử dụng cuối cùng có liên quan. Điều này tạo ra một giá thành tương đối cao hơn, và vì vậy các công nghệ phải được phát triển hiện đại hơn so với trong mạng truy nhập. Trong trường hợp các mạng cấp vùng, một cấu trúc vòng kép (double anneau) với việc truyền theo hai chiều ngược nhau sẽ bảo đảm việc bảo vệ các dữ liệu của mạng trong trường hợp cáp bị hỏng (suy yếu) (bao gồm cả trường hợp nếu hai sợi đều bị đứt). Thực vậy, tập hợp thông tin của một sợi có thể được chuyên mạch lật theo hướng ngược lại trên sợi bảo vệ. Mạng đường trục (hay còn gọi la mạng vận tải) là một trục tập trung thông tin phải được chuyển đi từ phần này của mạng đến phần khác. Vậy các khả năng truyền tin của nó phải là cao nhất trong toàn bộ mạng.<br /> <br /> 4<br /> <br /> Data Transport Optical Network<br /> <br /> 2 km 3 dB 7 km 4 dB<br /> <br /> 8 km 4 dB<br /> <br /> 10 km 5 dB 6 km 4 dB<br /> 4 2 km<br /> <br /> Metro Access (amplifier-less)<br /> CP 2 3 dB 5 km 3 dB CP 3 2<br /> <br /> Metro Access: (amplifier-less)<br /> CP 1<br /> <br /> 8 km 4 dB 5 km 4 dB 6 dB<br /> <br /> METRO CORE Metro Core: > Efficient Transport of Aggregated Traffic over SDH/WDM towards the Amplified ring Optical Core<br /> 12 km<br /> <br /> 22 km 12 dB 9 km 5 dB<br /> <br /> Amplified ring<br /> 15 km 7 dB 15 km 7 dB<br /> 2 5 km<br /> <br /> 1<br /> <br /> > Differentiation > ><br /> <br /> METRO ACCESS of Access Interfaces and Class of Services Circuit & Packet Traffic Aggregation Per-flow QoS<br /> <br /> 8 km CP 4 4 dB 3 dB CP 6 1 km 3 dB 5 km 3 dB CP 5<br /> <br /> CP<br /> <br /> Available Line Amplifier Location Customer Premises<br /> <br /> Metro Access: (amplifier-less CPE ring)<br /> <br /> Cost shared by high count of end-users Redundancy owing to a dual-link ring architecture<br /> WDM Transmissions, D. Bayart<br /> <br /> 4<br /> <br /> 5<br /> <br /> Why do we need high bit-rate optical transmissions ?<br /> Switching systems<br /> <br /> Transmission line<br /> (optical backbone)<br /> <br /> Access systems<br /> <br /> Multiplexer<br /> <br /> Demultiplexer<br /> <br /> Traffic concentration in the backbone (multi-gigabit/s) Need for high bit-rate optical transmissions<br /> WDM Transmissions, D. Bayart<br /> <br /> 5<br /> <br /> 6<br /> <br /> Traffic evolution<br /> Speed-up of traffic increase<br /> New access network deployments (ADSL, Mobile Infra, FTTx, …) New Data Services<br /> <br /> Need for bandwidth twice larger than traffic to ensure :<br /> Quality of Service Protection Availability Peak Traffic<br /> <br /> Cost per bit transmitted is paramount<br /> WDM Transmissions, D. Bayart<br /> <br /> Need for increase in network capacity<br /> <br /> 6<br /> <br /> Thông tin được truyền tải bởi mạng đường trục được tăng dần theo cấp số mũ. Thực vậy, các công nghệ mới được triển khai trong lòng mạng truy nhập gắn với sự bùng nổ thông tin dữ liệu và gắn với các nhu cầu mới về các dịch vụ dữ liệu. Điều này làm tăng nhu cầu về băng truyền với một sự gia tăng rất mạnh được trông đợi trong những năm tới. Mạng đường trục, hiện nay rõ ràng là bị quá tải, cần phải đối mặt với nhu cầu trên bằng việc tăng toàn bộ công suất truyền tải. Vả lại, để vừa đảm bảo được chất lượng dịch vụ, bảo vệ dữ liệu, tình trạng sử dụng được của<br /> <br /> 270<br /> <br /> D. Bayart mạng (nhất là trong giờ cao điểm về thông tin), cần phải tạo ra khả năng cung ứng gấp đôi nhu cầu về thông tin. Song song với đó là giá thành của mỗi bit truyền tải phải ưu tiên hàng đầu và nó xác định công nghệ nào sẽ được sử dụng. WDM là một kỹ thuật hữu ích bao gồm việc ghép nối các kênh ở trong lòng cùng một sợi quang học thay cho việc xử lý chúng riêng rẽ bằng tín hiệu điện.<br /> <br /> 7<br /> <br /> What is Wavelength Division Multiplexing (WDM)<br /> 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-646 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 16 x STM-4 16 x STM-4 3R 3R 3R STM-646 STM-64<br /> <br /> N transmitters<br /> <br /> terminal<br /> <br /> terminal<br /> <br /> STM : Synchronous Transfer Mode<br /> <br /> WDM Transmissions, D. Bayart<br /> <br /> 7<br /> <br /> 8<br /> <br /> What is Wavelength Division Multiplexing (WDM)<br /> WDM channels<br /> <br /> Total Capacity = N x channel bit-rate<br /> Wavelength Division Multiplexing<br /> <br /> 16 x STM-4<br /> <br /> STM-64 terminal<br /> <br /> N channels<br /> 16 x STM-4<br /> <br /> M U X<br /> <br /> STM-64 terminal<br /> <br /> D E M U X<br /> <br /> STM-64 terminal<br /> <br /> 16 x STM-4<br /> <br /> 16 channels STM-64 terminal<br /> 16 x STM-4<br /> <br /> STM : Synchronous Transfer Mode Mux : Multiplexer Demux : Demultiplexer<br /> <br /> ><br /> <br /> WDM = economical solution to reach multiterabit/s capacity<br /> 8<br /> <br /> WDM Transmissions, D. Bayart<br /> <br /> Vậy lợi ích của nó là điều hết sức hiển nhiên, vì chỉ cần một bộ khuếch đại quang học duy nhất cho phép kéo dài việc truyền trên đoạn tiếp theo của sợi quang thay vì phải trang bị cho mỗi kênh quang học một hệ thống điện tử để tái tạo lại tín hiệu trên kênh đó. Vậy một mối liên kết sẽ bao gồm các đoạn (section) của nhiều thanh nối phân tách nhau bởi các khuếch đại quang học. Ở cuối mỗi mối liên kết (khoảng vài trăm cây số chiều dài), các kênh phải được phục hồi điện tử để có thể được dẫn tới một mối liên kết mới. Giá thành của giai đoạn này rất cao, tỉ lệ thuận với số lượng kênh và phụ thuộc vào lưu lượng được truyền tải bởi kênh. Vậy cần phải cố gắng truyền bằng quang học các kênh trên các khoảng cách càng dài càng tốt để giảm thiểu các công đoạn phục hồi điện tử.<br /> <br /> 271<br /> <br />