Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của thông tin, trong đó công nghệ thông tin và truyền thông là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội. Do đó, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng và đa phương tiện trong đời sống kinh tế – xã hội của từng quốc gia cũng nhưkết nối toàn cầu.
124 trang |
Chia sẻ: vietpd | Lượt xem: 1920 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Kỹ thuật đa truy nhập trong mạng quang và ứng dụng, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Bộ giáo dục và đào tạo
Tr−ờng đại học bách khoa hà nội
--------------------------------------------
luận văn thạc sĩ khoa học
kỹ thuật đa truy nhập trong mạng
quang và ứng dụng
ngành: xử lý thông tin và truyền thông
M∙ số:
Nguyễn thế d−ơng
Ng−ời h−ớng dẫn khoa học: PGS -TS. Đặng văn chuyết
hà nội 2006
-i-
Lời cam đoan
Em xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân.
Các nghiên cứu trong luận văn này dựa trên những tổng hợp lý thuyết và hiểu
biết thực tế của em, không sao chép.
Tác giả luận văn
Nguyễn Thế D−ơng
-ii-
Mục lục
Nội dung Trang
Lời Mở đầu .............................................................................................
Ch−ơng 1: các phần tử sử dụng trong mạng
quang đa truy nhập
1.1 giới thiệu chung …………………….................................. 1
1.2 Bộ ghép hình sao quảng bá ………………………….... 2
1.3 bộ ghép kênh và tách kênh ........................................... 4
1.4 điốt laze điều chỉnh đ−ợc b−ớc sóng. .................... 7
1.4.1 Điều chỉnh nhiệt. ........................................................................... 8
1.4.2 Điốt laze điều chỉnh đ−ợc b−ớc sóng sử dụng hốc ngoài............... 8
1.4.3 điốt laze hồi tiếp phân bố (DFB) hai đoạn..................................... 10
1.4.4 Điốt laze phản xạ phân bố Bragg hai đoạn và ba đoạn. ................ 11
1.5 bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc …................................ 12
Ch−ơng 2 : Kỹ thuật đa truy nhập
phân chia theo b−ớc sóng - wdma
2.1 Tổng quan về kỹ thuật WDMA....................................... 14
2.2 Mạng WDMA đơn b−ớc ....................................................... 14
2.2.1 Mạng WDMA “ quảng bá và lựa chọn ”........................................ 14
2.2.2 Mạng WDMA “định tuyến theo b−ớc sóng”................................. 20
2.2.3 Các vấn đề liên quan đến hiệu suất và thiết kế mạng .................... 25
2.2.3.1 Vị trí bộ đệm trong mạng WDMA đơn b−ớc ................................. 25
2.2.3.2 Xuyên kênh..................................................................................... 26
2.3 Mạng WDMA đa b−ớc ......................................................... 29
2.3.1 Khái niệm chung về mạng WDMA đa b−ớc ................................ 29
2.3.2 Đặc điểm của mạng WDMA đa b−ớc ……………....................... 31
-iii-
2.4 ứng dụng mạng kỹ thuật đa truy nhập WDMA 36
2.4. 1 Mạng WDMA đơn b−ớc .............................................................. 36
2.4.1.1 Mạng LAMBDANET...................................................................... 36
2.4.1.2 Mạng RAINBOW............................................................................ 37
2.4.1.3 FOX –Bộ kết nối chéo quang tốc độ cao…………………………… 38
2.4.1.4 HYPASS (High performance packet switch system……………...... 39
2.4.1.5 Mạng RINGGO............................................................................... 42
2.4.2 Mạng WDMA đa b−ớc .................................................................. 43
2.4.2.1 Mạng Starnet.................................................................................. 43
2.4.2.2 Mạng HORNET.............................................................................. 44
Ch−ơng 3 : kỹ thuật đa truy nhập
phân chia theo sóng mang phụ – SCMA
3.1 Giới thiệu chung .................................................................. 49
3.2 Hiệu suất của mạng scma đơn kênh …..................... 51
3.2.1 Nhiễu l−ợng tử Short noise ………………................................... 53
3.2.2 Nhiễu nhiệt của máy thu ............................................................... 54
3.2.3 Nhiễu c−ờng độ Laser ................................................................... 55
3.2.4 Nhiễu giao thoa quang .................................................................. 55
3.2.5 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng....................................................... 58
3.2.6 ứng dụng của các hệ thống SCMA đơn kênh ................................ 55
3.3 Đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh .................... 60
3.3.1 Khái niệm về hệ thống SCMA đa kênh ........................................ 61
3.3.2 Đặc điểm của hệ thống SCMA đa kênh ….................................... 62
3.3.3 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tổng ...................................................... 64
3.3.4 ứng dụng của các hệ thống SCMA đa kênh .................................. 65
Ch−ơng 4 : kỹ thuật đa truy nhập
phân chia theo thời gian – TDMA
4.1 Giới thiệu chung .................................................................. 68
-iv-
4.2 Các khái niệm cơ bản của Kỹ thuật TDMA ………. 68
4.3 ứng dụng mạng Kỹ thuật đa truy nhập TDMA .... 71
4.3.1 ATM-PON (ATM dựa trên mạng quang thụ động) ...................... 71
4.3.2 E- PON (Ethernet dựa trên mạng quang thụ động) ....................... 74
Ch−ơng 5 : kỹ thuật đa truy nhập
phân chia theo m∙ - cdma
5.1 Tổng quan kỹ thuật đa truy nhập CDMA .............. 78
5.2 Các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA ............................. 78
5.2.1 Mạng sử dụng kỹ thuật CDMA tách sóng trực tiếp ...................... 78
5.2.2 Mạng CDMA quang kết hợp......................................................... 85
5.2.3 Đặc điểm của các mạng sử dụng kỹ thuật CDMA quang.............. 87
Ch−ơng 6 : đề xuất mô hình ứng dụng mạng
man Tại b−u điện hà nội
6.1 Hiện trạng mạng viễn thông của BĐHN .................. 88
6.1.1 Mạng truyền dẫn ........................................................................... 88
6.1.2 Mạng tổng đài ............................................................................... 88
6.1.3 Mạng DDN truyền thống ……………………………………….. 90
6.1.4 Mạng truyền số liệu ATM + IP ..................................................... 90
6.1.5 Mạng truy nhập băng rộng ADSL & SHDSL ................................ 91
6.2 Đánh giá ứng dụng truy nhập quang của bđhn 94
6.3 Dự báo nhu cầu phát triển ............................................ 96
6.4 Phân tích giải pháp ứng dụng xây dựng mạng .... 99
6.5 Lựa chọn giải pháp công nghệ truy nhập .............. 103
6.6 Một số chỉ tiêu cơ bản khi xây dựng mạng …….. 105
6.7 Đề xuất cấu hình ứng dụng mạng MAN .................... 107
Kết luận................................................................................................. 110
Tài liệu tham khảo ........................................................................... 111
-v-
Thuật ngữ và chữ viết tắt
ADSL Asymmetric Digital Sub Line Thuê bao số không đối xứng
AON All –optical network Mạng toàn quang
ADM Add/ Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ
APD Avalanche Photodiode Điốt tách sóng thác
AR Antireflection Coating Vỏ chống phản xạ
ASK Amplitude Shift Keying Khoá dịch biên độ
ATM Asynchronous Transfer Mode Mode chuyển giao không
đồng bộ
B-ISDN Broadband Integrated Service
Digital network
Mạng số liên kết đa dịch vụ
băng rộng
BPF BandPass Filter Bộ lọc băng thông
BRAS Broadband Access Server Server truy nhập băng rộng
CNR Carrier –to- Noise Ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu
COT Central Office terminal Thiết bị đầu cuối tổng đài
CT Central terminal Thiết bị đầu cuối tập trung
DBR Distributed Bragg Reflecter Phản xạ phân bố Bragg
DCN Digital Communication network Mạng thông tin số
DCS Digital Cross -connect system Bộ nối chéo số
DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép (tách) kênh
DFB Distributed Feedback Hồi tiếp phân bố
DLC Digital loop Carrier Truyền tải mạch vòng số
DR Distributed reflector Bộ phản xạ phân bố
DSL Digital sub line Đ−ờng dây thuê bao số
DSLAM DSL access Multiplexer Bộ ghép đ−ờng thuê bao số
FBG Fiber Bragg grating Cách tử quang Bragg
FP-LD Fabry-Perot laser diode Đi ốt la-de Fabry-Perot
FSK Frequency Shift Keying Khoá dịch tần số
FTTB Fiber to the Building Cáp quang tới toà nhà
FTTC Fiber to the Curb Cáp quang tới khu dân c−
-vi-
FTTH Fiber to the home Cáp quang tới nhà
FTTL Fiber to the loop Mạch vòng cáp quang
FTTO Fiber to the office Cáp quang tới công sở
FWM Four –Wave Mixing Trộn bốn sóng
GGL Gain Guided laser Lade điều khiển khuyếch
đại
GI Graded Index Chỉ số Gradien
GRIN Graded refractive Index Chỉ số chiết suất Gradien
IF Intermediate frequency Trung tần
IGL Index Guided laser Lade điều khiển chỉ số chiết
suất
IM Intensity Modulation Điều biến c−ờng độ
IMD Intermodulation Distortion Méo điều chế t−ơng hỗ
LD Laser diode Điốt lade
LED Light Emitting Diode Điốt phát quang LED
LO Local Oscillator Dao động nội
LOC Large Optical Cavity Hốc cộng h−ởng quang rộng
MAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực nội thị
MQW Multiple Quantum Well Giếng l−ợng tử
MUX Multiplexer Bộ ghép kênh
MZ Mach –Zehnder Bộ điều chế Mach –Zehnder
OA Optical amplifier Bộ khuếch đại quang
OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ quang
OFA Optical fiber amplifier Bộ khuếch đại quang sợi
ONI Optical Network interface Giao diện mạng quang
ONNI Optical network – to – network
interface
Giao diện mạng –mạng
quang
ONU Optical network Unit Thiết bị mạng quang
OTN Optical transport network Mạng truyền tải quang
OXC Optical Cross connect Nối chéo quang
PDS Passive Distribute Service Dịch vụ phân phối thụ động
-vii-
PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN
PON Passive optical network Mạng quang thụ động
PSK Phase shift keying Khoá dịch pha
RF Radio frequency Tần số vô tuyến
RIN Relative Intensity Noise Nhiễu c−ờng độ t−ơng đối
RPR Resilient packet ring Mạng vòng chuyển mạch
gói tự hồi phục
SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích
SCM Subcarrier Multiplexing Ghép kênh sóng mang phụ
SDSL Symmetric digital sub line Thuê bao số đối xứng
SEL Surface Emitting laser La-de phát mặt
SPM Self phase modulation Tự điều chế pha
SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ raman kích thích
TDM Time division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian
TDMA Time division Multiple Access Đa truy nhập theo thời gian
TT Tunable transmitter Bộ phát điều chỉnh đ−ợc
TR Tunable receiver Bộ thu điều chỉnh đ−ợc
FT Fixed – tuned transmitter Bộ phát cố định
RF Fixed – tuned receiver Bộ thu cố định
VPN Virtual private network Dịch vụ mạng riêng ảo
WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh theo b−ớc sóng
WDMA Wavelength Division Multiple
Access
Đa truy nhập theo b−ớc
sóng
WGR Wavelength Grating Router Bộ định tuyến cách tử dẫn
sóng
WR Wavelength Router Bộ định tuyến b−ớc sóng
WRC Wavelength routing Controller Bộ điều khiển định tuyến
b−ớc sóng
WT Wavelength terminal Thiết bị kết cuối b−ớc sóng
XPM Cross Phase Modulation Điều chế ngang (chéo) pha
-viii-
danh mục bảng
Bảng 2.1 Quan hệ giữa số nút mạng (N) và số b−ớc (h) xuất phát từ
một nút nguồn trong giản đồ ShuffleNet (p,k) .......................
33
Bảng 2.2 Một số thông số đại diện biểu đồ ShuffleNet ....................... 34
Bảng 2.3 Các tham số thử nghiệm mạng HORNET ............................. 45
Bảng 6.1 Kỹ thuật truyền dẫn từ tổng đài đến thuê bao ……………… 104
Bảng 6.2 Kỹ thuật truyền dẫn từ thuê bao đến tổng đài ……………… 104
Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Một số cấu kiện quang thụ động ........................................... 2
Hình 1.2. Bộ ghép hình sao 8x8 tạo ra bằng 12 bộ ghép sợi đơn mode . 2
Hình 1.3. Các bộ ghép hình sao ............................................................. 4
Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ thống WDM .................................................... 4
Hình 1.5 Thiết bị ghép –tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) ............. 5
Hình 1.6 Xuyên kênh ............................................................................ 9
Hình 1.7 Điốt laze điều chỉnh đ−ợc sử dụng hốc ngoài ........................ 9
Hình 1.8 Laser MAGIC ........................................................................ 9
Hình 1.9 Điốt laze hồi tiếp phân bố hai đoạn ....................................... 10
Hình 1.10 Sơ đố cấu trúc diode laze phản xạ phân bố Bragg ................ 11
Hình 1.11 Sơ đồ khối bộ lọc quang điều chỉnh đ−ợc .............................. 12
Hình 2.1 Mạng WDMA hình sao đơn b−ớc “quảng bá và lựa chọn”.... 15
Hình 2.2 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái kết hợp với số b−ớc sóng đ−ợc
sử dụng ..................................................................................
17
Hình 2.3 Quan hệ số b−ớc sóng bận -Tải ρ và số b−ớc sóng cực đại ... 20
Hình 2.4 Nguyên lý định tuyến b−ớc sóng mạng WDMA đơn b−ớc .. 220
Hình 2.5 Mạng định tuyến theo b−ớc sóng N = 3
nút ,sử dụng phần tử WDM ..................................................
21
Hình 2.6 Mạng định tuyến theo b−ớc sóng
sử dụng chuyển mạch không gian chọn b−ớc sóng ...............
23
-ix-
Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động mạng LLN …………………………... 24
Hình 2.8 Tái sử dụng b−ớc sóng trong mạng LLN ............................... 25
Hình 2.9 Quan hệ thời gian đợi và tải cho mạng đệm đầu ra đầu vào 26
Hình 2.10 Chọn kênh trong mạng WDMA thu kết hợp ......................... 27
Hình 2.11 Mất mát công suất do xuyên kênh trong bộ tách sóng quang 28
Hình 2.12 Quan hệ giữa công suất cực đại trên kênh và số kênh cho
4 ảnh h−ởng phi tuyến trong mạng WDMA ………………..
29
Hình 2.13 Cấu trúc mạng đa chặng WDMA hình sao 8 nút ................... 30
Hình 2.14 Biểu đồ kết nối trực tiếp Shufflenet mạng đa chặng
hình sao 8 nút..........................................................................
32
Hình 2.15 Biểu diễn thông l−ợng trên một nút, số nút N
cho mạng WDMA shuffleNet ................................................
35
Hình 2.16 Cấu trúc mạng Lambdanet WDMA ....................................... 36
Hình 2.17 Cấu trúc cơ bản của mạng FOX ............................................. 38
Hình 2.18 Cấu trúc mạng WDMA –Hypass ........................................... 39
Hình 2.19 Minh hoạ thuật toán thăm dò hình cây trong tr−ờng hợp
có 4 gói dữ liệu đồng thời đến cùng một đích .......................
40
Hình 2.20 Quan hệ giữa thời gian trễ trung bình
và tải ρ trong mạng Hypass ...................................................
41
Hình 2.21 Mạng metro WDM ringo ................................................... 42
Hình 2.22 Cấu trúc nút RINGO ............................................................. 43
Hình 2.23 Cấu trúc chuyển mạch Starnet ............................................... 43
Hình 2.24 Cấu trúc mạng HORNET....................................................... 46
Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc nút truy nhập (AN) trong mạng HORNET .... 46
Hình 2.26 Nguyên lý hoạt động giao thức CSMA/CA
trong mạng HORNET ………………………………………
47
Hình 3.1 Nguyên lý kỹ thuật điều chế SCM …………………………. 49
Hình 3.2 Mạng SCMA cấu trúc hình sao .............................................. 51
Hình 3.2 (a) Phổ công suất quang của hai Laser đơn mode dọc 53
-x-
có độ lệch tần số trung tâm bằng δv .....................................
Hình 3.2(b) Phổ công suất điện của thành phần nhiễu khi δv ≠0 .............. 57
Hình 3.2 (c) Phổ công suất điện của thành phần nhiễu khi δv = 0 ............ 57
Hình 3.3 Tỷ số (SNRtot) tổng và 4 loại nhiễu trong
hệ thống SCMA đơn kênh .....................................................
59
Hình 3.4 H−ớng lên hệ thống FITL dựa trên SCMA –PON ................ 60
Hình 3.5 Mạng SCMA đa kênh , N b−ớc sóng và M nút mạng
trên một b−ớc sóng ...............................................................
61
Hình 3.6 Gán kênh tần trong mạng SCMA đa kênh ............................. 62
Hình 3.7 Cấu trúc chuyển mạch gói tốc độ cao dựa trên
SCMA đa kênh ứng dụng cho MAN ………………………..
66
Hình 4.1 Mạng quang thụ động dựa trên cấu trúc Bus ......................... 69
Hình 4.2 Cấu trúc của ATM-PON......................................................... 72
Hình 4.3 Khung thời gian ATM-PON đối xứng 155 Mbps .................. 74
Hình 4.4 Sơ đồ ứng dụng E-PON ......................................................... 75
Hình 4.5 Khe thời gian h−ớng lên và h−ớng xuống E-PON ................. 76
Hình 5.1 Mạng CDMA quang .............................................................. 79
Hình 5.2 Mã hoá bít nguồn tin ‘1’ với chuỗi chíp CDMA.
Số các chíp, F=25. Số các chip 1, K=5 ..................................
79
Hình 5.3 (a) Bộ mã hoá quang và (b) bộ giải mã quang sử dụng
các đ−ờng dây trễ quang song song........................................
82
Hình 5.4 Hai mã quang trực giao A và B .............................................. 84
Hình 5.5 Mã hoá và giải mã phổ các xung ánh sáng cực ngắn
trong các mạng CDMA quang kết hợp ..................................
86
Hình 6.1 Sơ đồ đấu nối các trạm tổng đài - mạng B−u điện Hà Nội .... 89
Hình 6.2 Cấu trúc mạng truyền số liệu ATM + IP ............................... 91
Hình 6.3 Sơ đồ cấu trúc mạng truy nhập ADSL & SHDSL .................. 92
Hình 6.4 Sơ đồ mạng truy nhập ADSL và SHDSL – B−u điện Hà Nội 93
Hình 6.5 Sơ đồ triển khai MAN ứng dụng công nghệ
HORNET trên mạng Hà Nội .................................................
108
-xi-
Lời mở đầu
Ngày nay, thế giới đang b−ớc sang kỷ nguyên của thông tin, trong đó
công nghệ thông tin và truyền thông là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã
hội. Do đó, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng
rộng và đa ph−ơng tiện trong đời sống kinh tế – xã hội của từng quốc gia cũng
nh− kết nối toàn cầu.
Để đáp ứng đ−ợc vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên
thông tin, mạng truyền thông cần phải có khả năng truyền dẫn tốc độ cao,
băng thông rộng, dung l−ợng lớn. Một trong giải pháp để tạo ra mạng truyền
thông có khả năng truyền dẫn đó là mạng thông tin quang tốc độ cao. Mặc dù
có sự phát triển nhanh về công nghệ, cấu trúc mạng và cấu hình các hệ thống
truyền dẫn quang trong các ứng dụng thực tế, song về cơ bản mạng thông tin
quang có thể chia làm hai phần là mạng truy nhập và mạng truyền tải.
Mạng truyền tải với mục tiêu truyền các l−u l−ợng lớn với băng tần
rộng nhằm thoả mãn nhu cầu truyền tải trong cấu trúc mạng hiện đại. Trên cơ
sở đó, vấn đề thông suốt l−u l−ợng đ−ợc đặt ra nh− là một nền tảng cho việc
thoả mãn nhu cầu băng tần rộng của khách hàng mà không cần quan tâm tới
nội dung của luồng tín hiệu. Đây cũng là nội dung yêu cầu tiến đến mạng toàn
quang thế hệ sau (all optical network). Mạng truy nhập quang ở nhiều nơi đã
đ−ợc khai thác có hiệu quả và đã đáp ứng đ−ợc nhiều loại hình dịch vụ. Tuy
nhiên, nhu cầu thông tin ngày một phát triển mạnh, các yêu cầu về các hệ
thống truy nhập quang cho mạng nội hạt có băng tần rộng đã đ−ợc đặt ra
nhằm thoả mãn sự phát triển của mạng và các loại hình dịch vụ có băng tần và
chất l−ợng cao. Để thực hiện các mục đích trên ng−ời ta đã và đang nghiên
cứu rất nhiều các giải pháp kỹ thuật, một trong số đó là kỹ thuật đa
truy nhập quang nhằm tạo ra các sở cứ khoa học cho việc thiết kế và
ứng dụng các mạng quang đa truy nhập, nội dung luận văn bao gồm:
Ch−ơng 1 giới thiệu một số phần tử sử dụng trong mạng quang đa truy
nhập. Nghiên cứu chức năng, nguyên lý hoạt động và đặc tính kỹ thuật của
một số cấu kiện quang thụ động và các phần tử điều chỉnh đ−ợc ứng dụng
trong mạng quang đa truy nhập (Bộ phát thay đổi, bộ thu thay đổi và bộ lọc
thay đổi đ−ợc).
-xii-
Ch−ơng 2 sẽ trình bày về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo b−ớc
sóng WDMA trong đó đ−a ra tổng quan về công nghệ WDMA, các khái niệm
về mạng WDMA đơn b−ớc và đa b−ớc đồng thời phân tích cấu trúc, đặc tính
kỹ thuật của các mạng WDMA đơn b−ớc và đa b−ớc và nghiên cứu một số cấu
trúc và giao thức mạng ứng dụng kỹ thuật WDMA.
Ch−ơng 3 nghiên cứu về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo sóng
mang phụ SCMA tìm hiểu các đặc điểm về kỹ thuật đa truy nhập sóng mang
phụ đơn kênh, kỹ thuật đa truy nhập sóng mang phụ đa kênh, đ−a ra các phân
tích ảnh h−ởng về nhiễu gây ra liên quan đến