(TIỂU LUẬN) TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP QUANG BĂNG RỘNG đề tài công nghệ mạng WDM PON

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG -o0o TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP QUANG BĂNG RỘNG Đề tài: Công nghệ mạng WDM-PON Giảng viên: ThS Lê Thanh Thủy Nhóm tiểu luận: Sinh viên: 01 Đặng Anh Lâm- B17DCVT200 Nguyễn Đoàn Xuân Hào- B17DCVT120 Đỗ Đại Dương- B17DCVT088 Đỗ Tiến Toàn- B17DCVT360 Phan Tuấn Thành- B17DCVT336 Đỗ Trung Hiếu- B17DCVT128 Hà Nội- 10/2021 Tieu luan Mục Lục I TỔNG QUANG VỀ MẠNG PON Khái niệm mạng PON 2 Mơ hình đặc trưng Các thành phần mạng PON Phân loại mạng PON II Khái quát WDMA-PON III Đặc điểm mạng WDM-PON Mơ hình hệ thống WDM-PON .6 Các kiến trúc WDM-PON a PON hỗn hợp (CPON) b Kiến trúc WDM-PON cho RITENET IV Ưu điểm WDM-PON 10 V Hạn chế giải pháp khắc phục 11 Hạn chế 11 Một số giải pháp đề xuất để tạo ‘colorless ONU’: .12 VI ỨNG DỤNG CỦA WDM-PON 14 KẾT LUẬN .15 Danh mục hình vẽ: Hình 1: Mơ hình tham PON……………………………………… chiếu Hình 2: Kiến trúc PON……………………………………………………….5 Hình 3: Mơ hình tổng quát PON………………………………….6 Hình 4: Kiến trúc PON………………………………………………….7 mạng Hình 5: Kiến trúc hợp………………………………………………………… Tieu luan hệ mạng WDM- thống PON WDMWDMhỗn Hình 6: Kiến trúc RITENET………………………………………………………… Hình 7: Minh họa sử dụng chế……………………………… 13 RSOA Tieu luan kết hợp với bô điều I TỔNG QUANG VỀ MẠNG PON Khái niệm mạng PON Ra đời vào năm 90 PON viết tắt Passive Optical Network hay tiếng Việt cịn gọi mạng quang thụ động Cơng nghệ mạng quang thụ động PON cịn hiểu mạng cơng nghệ quang truy nhập giúp tăng cường kết nối nốt mạng truy nhập nhà cung cấp dịch vụ người sử dụng Mạng thường đặt gần đầu cuối khách hàng triển khai với số lượng lớn Mơ hình đặc trưng Điểm tham chiếu ONU S/R R/S ODN AF OLT Nút dịch vụ ONU (a) Điểm tham chiếu (T) Điểm tham chiếu UNI Phía thuê bao (V) Điểm tham chiếu SNI Phía mạng Hình 1: Mơ hình tham chiếu mạng PON Trong đó: - ONU: Đơn vị mạng quang ONT: Kết cuối mạng quang OLT: Đầu cuối mạng quang ODN: Mạng phân phối quang S: Điểm truy nhập quang phía mạng R: Điểm truy nhập quang phía thiết bị Tieu luan - AF: Chức tương thích UNI: Giao tiếp mạng người dùng SNI: Giao tiếp nút dịch vụ Q: Điểm tham chiếu mạng mạng quản lý Các thành phần mạng PON Sợi quang cáp quang: PON mạng quang thụ động nên thiếu sợi quang cáp quang Nó đóng vai trị môi trường truyền dẫn thông tin mạng Bộ tách/ghép quang ( Coupler quang): Có chức tách tín hiệu quang từ nhiều sợi sang sợi định ngược lại Các loại coupler thường dùng coupler X, coupler Y coupler 2x2 lý tưởng (3dB) Đầu cuối đường quang (OLT): Quản lý tất hoạt động PON Đơn vị mạng quang (ONU): Cung cấp phương tiện cần thiết để phân phối dịch vụ khác điều khiển OLT ODN: Cung cấp phương tiện truyền dẫn quang cho kết nối vật lý OLT ONU Các ODN kết hợp mở rộng nhờ khuếch đại quang Phân loại mạng PON Hiện nay, với phát triển khoa học cơng nghệ, có loại mạng PON sau: - TDM-PON: Là mạng quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian, phương pháp ưu tiên việc cho việc chia sẻ kênh quang mạng truy cập mà cho phép bước sóng đơn hướng lên thu phát đơn OLT làm cho giải pháp có ưu chi phí đầu tư - CDMA-PON: Cơng nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA triển khai ứng dụng PON CDMA-PON truyền tải tín hiệu khách hàng với nhiều phổ tần truyền dẫn, trải kênh thơng tin Ưu điểm của CDMA-PON cho phép truyền tải lưu lượng cao có tính bảo mật trội so chuẩn PON khác Tuy nhiên, trở ngại lớn trong CDMA-PON là khuếch đại quang đòi hỏi phải thiết kế cho đảm bảo tương ứng với tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N) - WDM-PON: Là mạng quang thụ động đời sau chủ để tiểu luận, WDM-PON sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng OLT sử dụng bước sóng riêng rẽ để thơng tin với ONT theo dạng điểm điểm Mỗi ONU có Tieu luan lọc quang để lựa chọn bước sóng tương thích với nó, OLT có lọc cho ONU Cũng giống CDMA-PON, WDM-PON cho phép ONU sử dụng khuôn dạng tốc độ liệu khác tương ứng với nhu cầu khách hàng WDM-PON kết hợp với CDMA để tăng dung lượng băng thông II Khái quát WDM-PON Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network (WDMPON) mạng quang thụ động sử dụng phương thức đa ghép kênh phân chia theo bước sóng, sử dụng ghép sóng WDM thụ động Trong công nghệ WDM-PON,sử dụng công nghệ WDM thay cho công nghệ TDMA để thực ghép kênh tín hiệu thuê bao vào mạng PON.Với WDM-PON, OLT sử dụng riêng biệt cặp bước sóng bước sóng cho truyền dẫn đường hướng lên bước sóng cho truyền dẫn hướng xuống để kết nối với ONU mặt logic giống kết nối điểm-điểm,phần mạng ODN sử dụng ghép kênh WDM thay cho chia quang, ONU nhận bước sóng dành riêng cho ONU Vì băng thơng bước sóng khơng bị chia sẻ cho nhiều th bao nên WDM-PON cho phép thuê bao sử dụng băng thông lớn không phụ thuộc vào dạng tín hiệu thuê bao ONU Việc sử dụng WDM xem công nghệ quan trọng hiệu cho đường truyền dẫn Với công nghệ WDM, nhiều kênh quang, chí tới hàng ngàn kênh quang, truyền đồng thời sợi, kênh quang tương ứng hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ nhiều Gbps Lưới bước sóng CWDM có khoảng cách 20nm kênh bước sóng, với DWDM khoảng cách cấc kênh thường tính theo tần số thay cho bươc sóng, khoảng cách kênh 50GHz 100GHz Tieu luan Hình 2: Kiến trúc mạng WDM-PON Nếu tồn dải bươc sóng dùng kênh có khoảng cách 50 GHz có 1000 kênh bước sóng.tuy nhiên có vùng bước sóng 15391582nm vùng thích hợp cho truyền dẫn hướng lên vùng có suy hao thấp, cơng nghệ quang vùng bước sóng phát triển,và nữa, vùng thích hợp cho việc sử dụng EDFA Khi sử dụng công nghệ DWDM cần phải lưu ý bước sóng phát laser thay đổi theo nhiệt độ Để trì bước sóng phát laser nằm giới hạn kênh cần phải sử dụng phần tử làm mát để ổn định nhiệt độ cho laser Đổi với laser OLT, ổn định nhiệt độ khong phải vấn đề OLT thường đặt trạm trung tâm nên mức độ dao động nhiệt độ không nhiều Hơn đường xuống cần nhiều băng thông nên công nghệ DWDM lựa chọn cho tín hiệu đường xuống.Với thiết bị ONU Do thiết bị nằm mạng ngoại vi nên nguồn laser ONU chịu tác động thay đổi nhiệt độ lớn Ổn nhiệt cho nguồn laser cần chi phí lớn.Để giảm bớt chi phí ,cơng nghệ CWDM dùng cho tín hiệu đường lên (vì CWDM cho phép mức độ dao động bước sóng lớn DWDM) Tuy nhiên với CWDM lưới bước sóng quy định ITU gồm 18 bước sóng dải bước sóng từ 1271nm đến 1611nm với khoảng cách kênh bước sóng 20nm dùng CWDM cho đường lên, mạng WDMA-PON có tối đa 18 ONUs phục vụ Tieu luan III Đặc điểm mạng WDM-PON Mô hình hệ thống WDM-PON Hình 3: Mơ hình tổng qt hệ thống WDM-PON Hình cho ta thấy mơ hình tổng qt hệ thống WDMPON CO (Center Office) chứa nhiều thu phát cửa sổ bước sóng khác với cửa sổ bước sóng phía thu tạo tuyến đường dành riêng kênh cho người dùng riêng biệt việc thông qua lựa chọn sổ bước sóng phụ thuộc vào yếu tố RN Việc lựa chọn sổ bước sóng đạt cách lọc từ phía người dùng Kết nối luồng lên sử dụng tương tự để dành riêng cho kênh bước sóng Cùng với kiến trúc này, thu phát OLT ONU cần hoạt động tốc độ liệu trực tiếp từ phía người dùng Tuy nhiên, ưu điểm với thách thức thiết bị thu phát điểm cuối, điển hình RN Khối tách/ghép sổ bước sóng MUX, DEMUX thực ODN Tại luồng xuống WDM-PON, hình 2.1, kênh bước sóng truyền từ OLT đến ONU ghép kênh AWG AWG thiết bị quang thụ động thể đặc tính tuần hồn Tieu luan Dành cho luồng lên, OLT sử dụng phân kênh cho tín hiệu thu từ luồng lên Mỗi ONU trang bị với thu phát để thu truyền tín hiệu với bước sóng tương ứng WDM-PON xây dựng dựa tính độc lập cửa sổ bước sóng khác sợi quang Mỗi ONU riêng biệt hệ thống WDM-PON cấp tài nguyên băng rộng bước sóng Các kiến trúc WDM-PON WDM đề xuất phương pháp đa truy nhập Các sóng mang quang khác sử dụng để cấp phát cho ONU khác Hệ thống WDM thiết kế để đưa giải pháp cho sợi quang sử dụng cho ONU, ONU nhận thơng tin dành riêng cho Việc nâng cấp mạng tương lai thực cách đơn giản có ưu điểm tín hiệu riêng tư phát cố dễ dàng Tieu luan Hình 4: Kiến trúc WDM-PON  Đầu cuối đường quang OLT  OLT sử dụng bước sóng riêng rẽ để thông tin với ONT theo dạng điểm điểm  Khối mạng quang ONU/ONT  Mỗi ONU có lọc quang để lựa chọn bước sóng tương thích với nó, OLT có lọc cho ONU  Mạng phân phối quang ODN  Bộ tách/ghép quang  Mạng cáp quang thuê bao a PON hỗn hợp (CPON) Để giải giới hạn mở rộng PON truyền thống, kiến trúc WDM-PON sớm đề xuất dựa hoạt động AWG tận dụng WDM băng tần 1550-nm luồng xuống bước sóng luồng lên băng 1300-nm kết hợp TDMA Trong phiên thiết kế trước kiến trúc Tieu luan sử dụng sợi quang riêng biệt cho luồng lên luồng xuống , kiến trúc loại thiết bị tích hợp đề xuất WDM định tuyến để kết hợp cửa sổ bước sóng độc lập cho hướng lên hướng xuống sợi quang nhờ kỹ thuật CWDM Kiến trúc gọi tắt CPON Hình 5: Kiến trúc PON hỗn hợp Trong kiến trúc CPON, Máy thu hoạt động chế độ Burst sử dụng OLT để nhận tín hiệu đường lên, đồng thời máy thu yêu cầu để đồng tín hiệu định thời ONU với khoảng cách khác từ OLT Ngoài kiến trúc CPON tránh mặt hạn chế đường lên WDM thực tế CPON bị hạn chế laser đơn tần ONU laser phản hồi phân bố (DFB) b Kiến trúc WDM-PON cho RITENET Các điều chế quang cung cấp độ tin cậy, giá thành tốt thay hiệu nguồn laser thiết bị đầu cuối từ xa dựa hệ thống truy nhập nội vùng Một hệ thống sử dụng điều chế RITENet, với cấu trúc tín hiệu tạo laser đa tần (MFL) OLT , phân bố để điều khiển thiết bị ONT Tieu luan từ xa ghép kênh bước sóng, điều chế ONT từ xa quay trở lại OLT thông qua tuyến đường song song ghép kênh RITENet cung cấp trì hoạt động ưu điểm tính bảo mật tính riêng tư Ta có sơ đồ kiến trúc sau: Hình 6: Kiến trúc RITENET Các kênh hệ thống thiết lập ghép kênh phân chia theo cửa sổ bước sóng (WDM/R) RN Tại CO, Laser điều hướng, có chế độ phù hợp với WDM/R có tín hiệu điều chế với gói liệu Tại ONU, ánh sáng chia chia thụ động, với phần ánh sáng tách thu, phần ánh sáng lại qua điều chế để quay trở lại CO Các tín hiệu hướng lên hướng xuống chia sẻ thông qua thời gian, cửa sổ bước sóng, tần số sóng mang con, định dạng, độ sâu điều chế, cách tử, mã hóa Một AWG 2x2N dựa ghép kênh để ghép bước sóng Với q trình ghép kênh gói tin đường lên xảy xung đột dựa khác độ dài tuyến đường từ RN đến ONU Giải pháp vấn đề khắc phục hạn chế đường lên CO xếp gói tin tính độ dài tuyến đường quang 10 Tieu luan Cả hai kênh đường lên đường xuống chia sẻ ONU cách sử dụng TDMA cấp phát băng thơng động Kiến trúc RITENet có số ưu điểm: - Cung cấp tính bảo mật cho mạng, cơng suất tốt độ khuếch đại sợi quang; SCM ngăn chặn xung đột đường lên Hiệu cao cung cấp tính sẵn có việc mở rộng dịch vụ nâng cao đến cho người sử dụng - RITENet giúp giảm thiểu chi phí kết cuối ONU, khoảng cách từ ONU đến OLT nhỏ Số lượng sợi quang thực kiến trúc tăng lên gấp đôi Việc triển khai laser điều hướng OLT làm cho RITENet có chi phí cao so với LARNet CPON Tuy nhiên, kiến trúc cung cấp băng thông cách cân đường lên đường xuống Tín hiệu đường lên không chịu cắt lát phổ giống LARNet IV Ưu điểm WDM-PON Thiết bị phân phối quang thụ động WDM-PON có chi phí bảo trì thấp, độ tin cậy cao phát cố dễ dàng WDM-PON xây dựng dựa tính độc lập cửa sổ bước sóng khác sợi quang Mỗi ONU riêng biệt hệ thống WDM-PON cấp tài nguyên băng rộng bước sóng Mỗi người dùng nhận bước sóng riêng biệt WDM-PON có tính riêng tư tốt Kết nối P2P OLT (Đầu cuối đường quang) ONU (Đơn vị mạng quang) thực phạm vi bước sóng Dễ dàng nâng cấp hệ thống, tốc độ OLT tăng lên, tất ONU nâng cấp thời điểm Mỗi bước sóng WDM-PON hoạt động tốc độ khác giao thức khác 11 Tieu luan Có thể kết hợp với cơng nghệ PON khác FTTx, ứng dụng cho đường dây thuê bao số tốc độ cao VDSL điểm truy nhập vô tuyến từ xa Không yêu cầu điều khiển truy nhập môi trường P2MP V Hạn chế giải pháp khắc phục Hạn chế Chi phí lớn cho phần tử quang sử dụng để tạo lọc bước sóng khác Mỗi kênh bước sóng cần phát sóng độc lập: nên số lượng nguồn quang cần thiết cho mạng lớn Tại OLT, số thành phần dùng chung, cho phép chia sẻ chi phí cho nhiều kết nối ONU Chi phí liên quan đến ONU vấn đề chi phí khơng thể chia sẻ cho nhiều thuê bao Hơn mạng WDMA-PON, thuê bao dùng riêng bước sóng nên sản xuất riêng ONU cho thuê bao khả thi Ý tưởng ‘colorless’ ONU đưa để giải vấn đề Theo đó, ONU khơng có bước sóng đường lên cố định mà thay đổi linh hoạt phạm vi đó, cho phép tạo nhiều bước sóng khác Một số giải pháp đề xuất để tạo ‘colorless ONU’: - - Lắp thêm module quang để lựa chọn bước sóng: Module quang thu phát nhỏ gọn Nó thành phần liên lạc hai chiều sử dụng khác để phát thu tín hiệu OLT tạo CO ONU phía người dùng Sử dụng laser khả chỉnh bước sóng ONU: Đây giải pháp linh hoạt, sử dụng phương thức truy nhập bao gồm chia sẻ ngăn ONU đước kết nối tới mạng Mỗi laser điều hưởng điều khiển bước sóng khác để gửi liệu ONU khác Lựa chọn giảm giá thành khơng cần cấp phát laser cho ONU OLT 12 Tieu luan - - Kỹ thuật cắt phổ ONU PON: Một nguồn quang với phổ rộng thích hợp sẻ sử dụng ONU, ví dụ nguồn SSLED Các lọc sử dụng để lựa chọn bước sóng cho truyền dẫn UNU, nhiên giải pháp cần phải thêm lọc khác cho ONU Một giải pháp khác khả thi sử dụng lọc bước sóng OLT, tức chức lọc chuyển từ ONU OLT Hạn chế giải pháp cắt phổ khó đảm bảo đủ cơng suất cho truyền dẫn hướng lên bước sóng Kỹ thuật tái điều chế sóng mang: Sử dụng RSOA (khuếch đại quang bán dẫn có phản xạ) cách để thực giải pháp phản xạ RSOA, nhìn chung SOA mà có hai mặt phẳng hai đầu buồng cộng hưởng khơng phản xạ Điều cho phép RSOA khuếch đại tín hiệu nhờ bơm điện mà khơng phát laser Vì RSOA khơng cần thiết phải hoạt động laser nên khuếch đại dải bước sóng đủ lớn, bao phủ băng tần tín hiệu đường lên WDM Một cách thực điều chế RSOA cách trực tiếp Cách đơn giản, nhiên chất lượng bị hạn chế thời gian sống photon lớn nên thích hợp với tốc độ 2.5Gbit/s trở xuống Một cách khác sử dụng điều chế hấp thụ quang đầu buồng cộng hưởng RSOA mặt phản xạ đầu cịn lại Hình 7: Minh họa sử dụng RSOA kết hợp với điều chế Để gửi tín hiệu đường lên, điều chế cho phép tín hiệu sóng mang vào RSOA, tín hiệu khuếch đại phản xạ qua lại vùng tích cực RSOA Các thử nghiệm cho thấy đạt tốc độ truyền dẫn đường lên 2.5Gbit/s với tỷ số phân biệt 8db độ thiệt thịi 2db - Sử dụng tín hiệu đường xuống để điều khiển bước sóng phát laser ONU: tương tự giải pháp phản xạ Ví dụ chèn tín hiệu đường 13 Tieu luan - xuống vào laser VCSEL làm cho đầu VCSEL bị khóa theo bước sóng giống bước sóng tín hiệu đường xuống Ngồi vấn đề liên quan đến ONU, thách thức mạng WDM-PON phải tạo lọc bước sóng có giá thành thấp Cơng nghệ AWG lựa chọn để làm lọc AWG thiết bị thụ động, bị ảnh hưởng nhiệt độ nên phù hợp để sử dụng môi trường mạng ngoại vi Có thể thực dựa cơng nghệ silica-onsilicon (cơng nghệ chế tạo mạch tích hợp quang) nên triển vọng có giá thành hợp lý Hình 8: Mơ hình AWG Ánh sáng đầu vào sợi qua vùng không gian tự vào nhiều ống dẫn sóng Các ống dẫn sóng có chiều dài tăng dần với độ tăng giống ống liền kề Tại đầu ống dẫn sóng, bước sóng kết hợp lại với vùng không gian tự thứ hai Ánh sáng đưa vào sợi đầu ánh sáng lựa chọn bước sóng Các bước sóng khác đưa đến sợi đầu khác Bộ lọc AWG, tùy thuộc vào khoảng cách kênh bước sóng chế tạo để lọc tới 80 bước sóng Nếu số lượng bước sóng lớn khoảng cách kênh bước sóng hẹp làm thiết kế AWG trở nên phức tạp VI ỨNG DỤNG CỦA WDM-PON WDMA-PON so với TDMA-PON có ưu điểm tính linh hoạt việc truyền tải loại lưu lượng khác tốc dộ cao đến thuê bao Mạng WDMA-PON sử dụng lọc quang (bộ lọc có suy hao nhiều so với chia quang sử dụng mạng TWDM-PON), nên 14 Tieu luan đạt cự ly truyền dẫn lớn phục vụ nhiều ONU so với mạng TWDM-PON Kết hợp sử dụng DWDM/TDMA PON hướng ứng dụng kết hợp sử dụng công nghệ để đạt đề suất cho chuẩn NG-PON2 Sử dụng cho nhiều ứng dụng khác FTTx, ứng dụng VDSL điểm truy nhập vô tuyến từ xa Để đáp ứng phát triển nhanh lưu lượng ứng dụng Internet dịch vụ băng rộng ngày đa dạng HDTV, game, hội nghị truyền hình kiến trúc mạng truy nhập cần thiết, WDMPON khắc phục hạn chế mạng PON khác bang thông truyền dẫn, đáp ứng yêu cầu khắc khe nhà cung cấp dịch vụ cung phía khách hàng.Vì nghiên cho kiến trúc mạng WDM-PON cần thiết KẾT LUẬN Trong giải pháp mạng PON, giải pháp WDM-PON giải pháp quan trọng hiệu để cung cấp băng thông cho người sử dụng đầu cuối cho mạng truy nhập Nhiều nhà sản xuất, công ty viễn thông lớn có hướng riêng việc phát triển công nghệ WDM-PON, nhà phát triển công nghệ chủ yếu tập trung vào việc làm để giảm giá thành WDM-PON Trong phạm vi báo cáo này, nhóm em đưa cách nhìn tổng thể cơng nghệ WDM-PON, trung vào khía cạnh kiến trúc mạng, giải pháp cho công nghệ đặc biệt sử dụng nguồn quang hệ thống WDMPON Bài báo cáo trình bày vấn đề sau:     Giới thiệu tổng quan mạng PON Khái niệm ứng dụng WDMA-PON Kiến trúc WDMA-PON Ưu nhược điểm WDMA-PON giải pháp khắc phục 15 Tieu luan Trong trình thực báo cáo, thời gian có hạn nên nhóm tìm hiểu nội dung khái quát thiết bị, kiến trúc giải pháp WDM-PON Việc tìm hiểu vấn đề địi hỏi phải có kiến thức sâu rộng lâu dài Do kiến thức hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót Rất mong nhận bảo, góp ý bạn 16 Tieu luan 17 Tieu luan ... TỔNG QUANG VỀ MẠNG PON Khái niệm mạng PON Ra đời vào năm 90 PON viết tắt Passive Optical Network hay tiếng Việt gọi mạng quang thụ động Công nghệ mạng quang thụ động PON cịn hiểu mạng cơng nghệ quang. .. Phía mạng Hình 1: Mơ hình tham chiếu mạng PON Trong đó: - ONU: Đơn vị mạng quang ONT: Kết cuối mạng quang OLT: Đầu cuối mạng quang ODN: Mạng phân phối quang S: Điểm truy nhập quang phía mạng. .. bước sóng, sử dụng ghép sóng WDM thụ động Trong công nghệ WDM- PON, sử dụng công nghệ WDM thay cho công nghệ TDMA để thực ghép kênh tín hiệu thuê bao vào mạng PON. Với WDM- PON, OLT sử dụng riêng biệt