TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH
THEO BƯỚC SÓNG WDM

Giáo viên hướng dẫn: KS. LÊ ĐÌNH CÔNG
Sinh viên thực hiện : LÊ VĂN HÙNG
Lớp 46K – ĐTVT

Vinh, tháng 5 - 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-----------------------------------------

----------------------------------------------

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

5. Họ tên giảng viên hướng dẫn:......................................................................................................................
6.

Ngày

giao

nhiệm

vụ

đồ

án:

……………………………………………………………………………………………..

7. Ngày hoàn thành đồ án:………………………………………………………………………………………………….
Chủ nhiệm Bộ môn

Ngày
tháng
năm
Giảng viên hướng dẫn


Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày
tháng
Cán bộ phản biện



Ngày
tháng
năm
Cán bộ phản biện
(Ký, ghi rõ họ và tên)


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
-----------------------------------------

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………

viễn thông đem lại lợi nhuận cao nên nhiều doanh nghiệp đầu tư, khai thác và cung
cấp các dịch vụ viễn thông tạo nên một thị trường sôi động. Tuy nhiên xây dựng
một mạng truyền dẫn với khoảng cách lớn và phạm vi rộng không phải nhà khai
thác viễn thông nào cũng làm được. Tập đoàn bưu chính viễn thông Việt Nam
VNPT là nhà khai thác viễn thông đầu tiên ở Việt Nam đã xây dựng được một mạng
lưới viễn thông rộng khắp các tỉnh thành trong nước và mở rộng kết nối đi quốc tế.
Trong đó mạng truyền dẫn quang đường trục Bắc - Nam đóng vai trò hết sức quan
trọng, nơi tập trung truyền tải lưu lượng chính trong nước. Lưu lượng truyền dẫn
qua mạng đường trục tăng nhanh từ luồng 2,5 Gbps cơ sở đến nay đã đạt tới 240
Gbps. Để đáp ứng nhu cầu truyền dẫn dung lượng lớn, tốc độ cao, tuyến quang
đường trục Bắc - Nam áp dụng công nghệ truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng
quang WDM.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và kỹ thuật đã hình thành rất
nhiều mạng lưới truyền dẫn thông tin với nhiều phương thức khác nhau. Trong đó
hệ thống thông tin quang với việc sử dụng sợi quang để truyền dẫn đang ngày càng
phổ biến, chiếm ưu thế và dần thay thế hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng bởi
những ưu điểm vượt trội của nó. Hệ thống thông tin quang ứng dụng kỹ thuật ghép
kênh theo bước sóng (WDM) đang được sử dụng rộng rãi, và đây sẽ là công nghệ
then chốt cho việc hướng tới mạng toàn quang trong tương lai. Xuất phát từ điều đó
em đã chọn lĩnh vực này để nghiên cứu trong đồ án tốt nghiệp.
Nội dung đồ án gồm có ba chương chính:
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
CHƯƠNG II: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM
Lê Văn Hùng – 46K – Điện tử - Viễn thông


Đồ án tốt nghiệp Đại học

LỜI NÓI ĐẦU



: Công Nghệ

Khóa

: 2005 – 2010

Tên đề tài:

TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM
Nội dung đồ án:
Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang.
Chương 2: Hệ thống thông tin quang ghép kênh bước sóng WDM.
Chương 3: Bảo vệ và phục hồi trong mạng truyền tải WDM.

Ngày giao đề tài: ……..…/………/ 2010
Ngầy nộp đồ án:…………/………/ 2010

Ngày……..tháng……..năm 2010
Giáo viên hướng dẫn:

Lê Đình Công

Lê Văn Hùng – 46K – Điện tử - Viễn thông


Đồ án tốt nghiệp Đại học

MỤC LỤC


2.3 Phân loại hệ thống WDM.................................................................................20
2.3.1 Hệ thống WDM đơn hướng......................................................................21
2.3.2 Hệ thống WDM song hướng.....................................................................21
2.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM....................................................22
2.4.1 Bộ phát quang............................................................................................22
2.4.1.1 Yêu cầu đối với nguồn quang sử dụng trong hệ thống WDM..........22
2.4.1.2 Điốt phát quang LED (Light Emitted Diode)...................................23
2.4.1.3 Laser điốt LD (Laser Diode)...........................................................24
2.4.1.4 LASER hồi tiếp phân bố (DFB).......................................................27
2.4.1.5 LASER phân bố phản xạ Bragg (DBR)............................................29
2.4.2 Bộ thu quang..............................................................................................29
2.4.2.1 Photodiode PIN...............................................................................30
2.4.2.2 Diode thác quang APD (Avalanche Photo Diode)..........................31

Lê Văn Hùng – 46K – Điện tử - Viễn thông


Đồ án tốt nghiệp Đại học

MỤC LỤC

2.4.2.3 Đặc tính kỹ thuật của PIN và APD..................................................32
2.4.3 Bộ ghép và tách kênh quang.....................................................................33
2.4.3.1 Coupler (Bộ ghép/tách tín hiệu)......................................................34
2.4.3.2 Bộ lọc quang....................................................................................36
2.4.3.3 Bộ lọc Fabry-Perot..........................................................................39
2.4.3.4 Bộ lọc Mach-Zehnder......................................................................42
2.4.3.5 Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF).............................44
2.4.4 Bộ xen rẽ quang OADM...........................................................................45
2.4.5 Bộ nối chéo quang OXC...........................................................................48

3.1.1 Mục đích bảo vệ........................................................................................73
3.1.2. Sự cần thiết của việc bảo vệ lớp quang....................................................73
3.1.3 Các khái niệm bảo vệ cơ bản....................................................................74
3.1.3.1 Bảo vệ riêng.....................................................................................76
3.1.3.2 Bảo vệ chia sẻ..................................................................................76
3.1.3.3 Bảo vệ đoạn ghép kênh quang.........................................................77
3.1.3.4 Bảo vệ kênh quang...........................................................................77

Lê Văn Hùng – 46K – Điện tử - Viễn thông


Đồ án tốt nghiệp Đại học

MỤC LỤC

3.2 Các phương thức bảo vệ theo cấu hình mạng..................................................77
3.2.1 Bảo vệ ở lớp kênh quang...........................................................................78
3.2.1.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình điểm - điểm............................................78
3.2.1.2 Bảo vệ riêng cho cấu hình Ring (OCh - DPRing)............................79
3.2.1.3 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình điểm - điểm.........................................81
3.2.1.4 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình ring (OCh - SPRing)...........................82
3.2.2 Bảo vệ ở lớp đoạn ghép kênh quang.........................................................84
3.2.2.1 Bảo vệ riêng cho cấu hình vòng ring (OMS - DPRing)...................84
3.2.2.3 Bảo vệ chia sẻ cho cấu hình vòng ring (OMS – SPRing).................86
3.3 Phương pháp bảo vệ trong kiến trúc liên kết giữa các lớp quang...................91
3.3.1 Các kiến trúc mạng....................................................................................91
3.3.2 Liên kết giữa các mạng con và vấn đề bảo vệ..........................................94
3.3.2.1 Bảo vệ với kiến trúc ring ảo(VRA)...................................................94
3.3.2.2 Các kiến trúc ring ảo cải tiến..........................................................96
3.4 Phục hồi và cấp phát tài nguyên trong mạng WDM......................................100


DANH SÁCH BẢNG BIỂU

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Lê Văn Hùng – 46K – Điện tử - Viễn thông


Đồ án tốt nghiệp Đại học

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ADM
AOTN

Add Drop Multiplexer
All Optical Transport
Network
APD
Avalance Photodiode
APS
Automatic Protection
Switching
ARC
Alarm Reporting Control
ASE
Amplified Spontaneous
Emission

LC
Link Connection
LOS
Loss Of Signal
LP
Lower order Path
LSA
Link State Advertisement
MPLS
MultiProtocol Label
Switching
MS
Multiplex Section
M-WSHR Multiple WDM Self Healing
Ring Protection
MUX
Multiplexer
NZ-DSF
Non-ZeroDispersion Shifted
Fibre
OA
Optical Amplier
Lê Văn Hùng – 46K – Điện tử - Viễn thông

Bộ ghép kênh xen/rẽ
Mạng truyền tải toàn quang
Điôt tách sóng thác
Chuyển mạch bảo vệ tự động
Điều khiển báo cảnh báo
Phát xạ tự phát được khuyếch đại

OBS
OC
OCDPRing
OCG
OCh
OChDPRing
OChSPRing
O-E-O
OMS
OMSDPRing
OMSP
OMSSPRing
OS
OSNCP
OTDM
OTM
OTS
OXC
PCM
PDH
PIN
PPS
QoS
SDH
SNCP
SNR
SONET

Optical Add/Drop
Multiplexer

Plesiochronous Digital
Hierachy
Positive Intrinsic Negative
Path Protection Switching
Quality of Service
Synchronous Digital
Hierachy
SubNet Connection
Protection
Signal-Noise Ratio
Synchronous Optical
Network

Lê Văn Hùng – 46K – Điện tử - Viễn thông

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Bộ ghép kênh xen/rẽ quang
Ring chuyển mạch bảo vệ tuyến hai
hướng
Chuyển mạch cụm quang
Truyền tải quang
Ring bảo vệ dành riêng ở truyền tải
quang
Nhóm kênh quang
Kênh quang
Ring bảo vệ dành riêng ở kênh quang
Ring bảo vệ chia sẻ kênh quang
Biến đổi quang-điện-quang
Đoạn ghép kênh quang

VWP
WC
WDM
WP
WR

Time Division Multiplexing
Tuneable Wavelength Path
Virtual Carrier
Virtual Ring Architecture
Virtual Wavelength Path
Wavelength Converter
Wavelength Division
Multiplexing
Wavelength Path
Wavelength Receiver

Lê Văn Hùng – 46K – Điện tử - Viễn thông

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Ghép kênh phân chia theo thời gian
Tuyến bước sóng đường hầm
Mạch ảo
Kiến trúc Ring ảo
Tuyến bước sóng ảo
Bộ chuyển đổi bước sóng
Ghép kênh phân chia theo bước sóng
Tuyến bước sóng
Bộ nhận bước sóng

phản xạ toàn phần, điều này vẫn còn áp dụng cho sợi quang ngày nay.
+ 1880: ALEXANDER GRAHAM BELL - người Mỹ giới thiệu hệ thống
photophone, qua đó tiếng nói có thể truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường

Lê Văn Hùng – 46K – Điện tử - Viễn thông

1


Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang

không khí mà không cần dây dẫn. Tuy nhiên, hệ thống này chưa được áp dụng
trênthực tế vì còn quá nhiều nguồn nhiễu làm giảm chất lượng của đường truyền.
+ 1934: NORMAN R.FRENCH - kỹ sư người Mỹ nhận được bằng sáng chế
về hệ thống thông tin quang. Phương tiện truyền dẫn của ông là các thanh thuỷ tinh.
+ 1958: ARTHUR SCHAWLOW và CHARLES H.TOWNES xây dựng và
phát triển laser.
+ 1960: THEODOR H.MAIMAN đưa laser vào hoạt động thành công.
+ 1962: Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn được thừa nhận. Vấn đề còn lại
là phải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp.
+ 1966: CHARLES H.KAO và GEORGE A.HOCKHAM - hai kỹ sư phòng
thí nghiệm Standard Telecommunications của Anh đề xuất việc dùng thuỷ tinh để
truyền dẫn ánh sáng. Nhưng do công nghệ chế tạo sợi thuỷ tinh thời ấy còn hạn chế
nên suy hao của sợi quá lớn (α ~ 1000 dB/km).
+ 1970: KARPON, KERK và MAURER đã giảm được giá trị suy hao xuống
còn 20 dB/Km. Từ giá trị suy hao này, khoảng cách bộ lặp của các tuyến sợi quang
có thể so sánh với các hệ thống cáp đồng, do đó đã đưa công nghệ sóng ánh sáng
vào thực tế kỹ thuật. Sau đó, hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi
quang loại SI (Step-Index: sợi chiết suất bước) có độ suy hao nhỏ hơn 20 dB/Km ở
bước sóng 633 nm.

1.3 Mô hình hệ thống thông tin quang
Mô hình một hệ thống thông tin quang về cơ bản được chỉ ra như hình 1.1
Bé ph¸t quang
Tín
hiệu
vào

Bộ nối
quang
Nguồn
phát quang

Mạch điều
khiển

Mối hàn sợi

Sợi
d
ẫ
n

Trạm lặp

q
u
a
n
g




Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang

Trong mô hình này, tín hiệu cần truyền đi sẽ được phát vào môi trường truyền
dẫn tương ứng, và ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền. Do đó sợi quang sẽ thực
hiện truyền ánh sáng có mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu.
Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phát
quang, môi trường truyền dẫn sợi quang, và phần thu quang.
 Phần phát quang: được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch
điện điều khiển. Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài. Nguồn phát
quang gồm các thiết bị biến đổi điện-quang E/O (Electronic/Optical) tạo ra sóng
mang tần số quang, còn các mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng
tín hiệu phù hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin.
Có hai loại nguồn sáng được dùng phổ biến trong thông tin quang là LED
(Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode).
 Phần thu quang: có chức năng để chuyển tín hiệu quang thu được thành
tín hiệu băng tần cơ sở ban đầu. Nó bao gồm bộ tách sóng quang và các mạch xử lý
điện. Các mạch xử lý tín hiệu điện này có thể bao gồm các mạch khuếch đại, lọc và
mạch tái sinh.
Phần tử quan trọng nhất của phần thu quang là thiết bị thu quang hay bộ biến
đổi quang-điện O/E, đó là photodiode PIN và diode tháp quang APD.
 Sợi quang: là môi trường truyền dẫn trong thông tin quang. So với các môi
trường truyền dẫn khác thì truyền dẫn bằng sợi quang có nhiều ưu điểm nổi bật đó
là: hầu như không chịu ảnh hưởng của môi trường ngoài, băng tần truyền dẫn lớn,
và suy hao thấp. Do đó cùng với nhiều tiến bộ trong lĩnh vực thông tin quang thì sợi
quang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền thông tin đường dài tốc độ cao.
Sợi quang có 3 loại chính là: sợi quang đa mode chiết suất bước, sợi đa mode
chiết suất phân bậc và sợi đơn mode. Hệ thống thông tin quang hiện nay thường sử
dụng sợi đơn mode để truyền dẫn.

1.5 Phân loại hệ thống thông tin quang
1.5.1 Phân loại theo dạng tín hiệu
Tuỳ theo dạng tín hiệu điện đưa vào điều biến nguồn quang là tín hiệu tương
tự hay tín hiệu số mà ta có:
 Hệ thống thông tin quang tương tự.
 Hệ thống thông tin quang số.
Tuy nhiên mạng thông tin hầu như đã được số hóa nên chủ yếu hiện nay sử
dụng hệ thống thông tin quang số. Chỉ còn một số mạng đặc thù là vẫn còn dùng hệ
thống thông tin quang tương tự như hệ thống truyền hình cáp.

Lê Văn Hùng – 46K – Điện tử - Viễn thông

5


Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang

1.5.2 Phân loại theo phương pháp điều biến và giải điều biến tín hiệu
quang
Theo nguyên lý điều chế quang ở đầu phát và tách tín hiệu quang ở đầu thu
có thể phân chia làm 2 loại hệ thống truyền dẫn quang:
 Hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent): hệ thống này sử dụng
phương pháp điều chế gián tiếp nguồn quang, ở đầu phát luồng tín hiệu điện đưa
đến điều chế nguồn bức xạ quang đơn sắc trong bộ điều chế ngoài, ở đầu thu thực
hiện kỹ thuật thu đổi tần. Tín hiệu quang thu được đưa vào bộ trộn quang trộn với
tín hiệu dao động nội rồi đưa đến bộ tách sóng quang để lấy ra tín hiệu IF, sau đó
thực hiện giải điều chế khôi phục lại tín hiệu cần phát đi.
 Hệ thống điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp (IM/DD): ở đầu phát các
tín hiệu điện thực hiện điều chế trực tiếp cường độ bức xạ quang của nguồn quang.
Phía đầu thu photodiode thực hiện tách sóng trực tiếp tín hiệu quang nhận được

 Kích thước và trọng lượng nhỏ: So với một cáp đồng có cùng dung lượng,
cáp sợi quang có đường kính nhỏ hơn (Ølõi sợi = 8μm ÷ 10μm) và khối lượng nhẹ hơn
nhiều. Do đó lắp đặt, vận chuyển dễ dàng và thuận tiện hơn.
 Không bị nhiễu điện: Do sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi nên
truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ hay nhiễu tần số
vô tuyến và nó không tạo ra bất kỳ sự nhiễu nội tại nào. Cho nên sợi quang có thể
cung cấp một đường truyền “sạch", chất lượng thông tin rất cao. Và do không bị
nhiễu điện nên các đường cáp quang có thể đi dọc theo các đường dây điện cao thế
để giảm chi phí xây dựng. Ngoài ra cáp sợi quang cũng không bị xuyên âm, thậm
chí dù ánh sáng bị bức xạ ra từ một sợi quang thì nó không thể thâm nhập vào sợi
quang khác được.
Sợi quang cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng dụng, nó có thể loại bỏ được
nhiễu gây bởi các dòng điện chạy vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm
gây bởi sự phóng điện trên các đường dây thông tin như sét hay những trục trặc về
điện. Đây thực sự là một hệ thống truyền dẫn an toàn cho những môi trường cần
cách điện.
 Tính bảo mật: sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao. Một sợi quang
không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thường
như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích để lấy thông tin ở
dạng tín hiệu quang. Các tia sáng lan truyền ở tâm sợi quang, rất ít hoặc không có
tia nào thoát khỏi sợi quang đó. Thậm chí nếu đã trích vào sợi quang được rồi thì nó
có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu được tại đầu cuối. Trong khi
các tín hiệu thông tin vệ tinh và viba có thể dễ dàng thu để giải mã được.
 Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: sợi quang là một phương tiện truyền dẫn
đồng nhất và không gây ra hiện tượng pha đinh. Những tuyến cáp quang được thiết
kế thích hợp có thể chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm khắc

Lê Văn Hùng – 46K – Điện tử - Viễn thông

7

nghệ chế tạo đã hoàn thành với khối lượng sản phẩm sản xuất ngày càng lớn, thì giá
thành của cáp quang và các linh kiện hệ thống sẽ giảm dần.
 Giòn, dễ gãy: sợi quang được chế tạo từ thủy tinh và thạch anh nên rất giòn
và dễ gãy. Hơn nữa kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối gặp nhiều khó khăn. Muốn

Lê Văn Hùng – 46K – Điện tử - Viễn thông

8


Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang

hàn nối cần có các thiết bị chuyên dụng đắt tiền, đòi hòi hỏi kỹ thuật cao và chính
xác.
 Vấn đề sửa chữa: các quy trình sửa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ
thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp.
 Vấn đề an toàn lao động: Vì được chế tạo từ thủy tinh nên khi hàn nối sợi
quang các mảnh cắt, vỡ rất nhỏ khó phát hiện có thể gây hại cho cơ thể người. Bên
cạnh đó ánh sáng sử dụng trong hệ thống thông tin quang là ánh sáng hồng ngoại
mà mắt người không cảm nhận được nên có thể gây nguy hại cho mắt.
Bảng 1. 1 Bảng so sánh giữa cáp quang và cáp đồng

Cáp quang
Đặc tính

Cáp đồng

Dải thông
Cự ly truyền


dẫn quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới. Do có nhiều
ưu điểm hơn hẳn các sợi dây kim loại mà sợi quang được sử dụng rộng rãi trong
việc truyền tín hiệu ở các tuyến đường trục và các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại
dương. Công nghệ ngày nay đã tạo ra kỹ thuật thông tin quang phát triển và thay
đổi theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất.
Đặc biệt công nghệ sợi quang đơn mode có suy hao nhỏ, điều này đã làm đơn
giản việc tăng được chiều dài toàn tuyến thông tin quang. Thêm vào đó khi công
nghệ thông tin quang kết hợp và khuếch đại quang ra đời làm tăng chiều dài đoạn
lên gấp đôi hoặc gấp n lần. Như vậy chất lượng tín hiệu thu cũng như dung lượng
truyền dẫn trên hệ thống này sẽ được cải thiện một cách đáng kể.
Vị trí của sợi quang trong mạng thông tin giai đoạn hiện nay:
 Mạng đường trục xuyên quốc gia (Backbone).

Lê Văn Hùng – 46K – Điện tử - Viễn thông

9