Cấp phát băng thông động trong EPON

Nội dung của đồ án: Chương I: Tổng quan về PON và EPON. Chương này em trình bày các khái niệm, định nghĩa tổng quan trong PON nói chung và EPON nói riêng. Bên cạnh đó em giới thiệu chung về các chuẩn công nghệ khác dựa trên PON. Các phần so sánh giữa các công nghệ và giao thức điều khiển chính trong EPON là MPCP cũng được giới thiệu trong chương. Chương II: Các phương pháp cấp phát băng thông động trong EPON. Đây là một trong 2 chương chính của đồ án. Chương này em đi sâu vào các phương pháp, thuật toán cấp phát băng thông động cho EPON. Thuật toán cổ điển IPACT được giới thiệu trong chương này. Bên cạnh đó là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến vấn đề cấp phát băng thông. Ngoài ra em cũng giới thiệu sơ qua về cấp phát băng thông tĩnh – phương pháp đã ít được sử dụng ngày nay. Chương III: Một số thuật toán cấp phát băng thông động mới trong EPON

KHOA VIỄN THÔNG

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài: “Cấp phát băng thông động trong EPON”

Giảng viên hướng dẫn : ThS NGÔ THỊ THU TRANG

Sinh viên thực hiện: LÊ NHƯ LONG

Lớp : D08VT5 Khoá : 2008-20012

Hà Nội, tháng 12/2012

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay mạng truy nhập quang đang được nghiên cứu và triển khai mạnh mẽ Công nghệ PON ra đời mởra một tiềm năng lớn cho triển khai các dịch vụbăng rộng và thaythếdần các hệthống mạng truy nhập cáp đồng băng thông hẹp và chất lượng thấp Trong đó Ethernet PON là chuẩn công nghệ trên nền tảng PON thể hiện được khá nhiều ưu điểm so với các công nghệ cùng thời điểm Hầu hết trong các mạng truy nhập, cũng như trong mạng truy nhập quang thụ động thì việc đảm bảo chất lượng dịch vụ khi không ngừng tăng về số lượng dịch vụ kết hợp với mở rộng mạng lưới luôn giữ vai trò rất quan trọng Vì thế để đảm bảo chất lượng dịch

vụ trong mạng quang thụ động Ethernet thì vấn đề phải chú trọng là khả năng cấp phát băng thông động cho từng ONU khi lượng dữ liệu thay đổi Nội dung đề tài

“Cấp phát băng thông động trong EPON” được em trình bày với ba chương chính như sau:

Chương I: Tổng quan về PON và EPON Chương này em trình bày các khái niệm,định nghĩa tổng quan trong PON nói chung và EPON nói riêng Bên cạnh đó emgiới thiệu chung về các chuẩn công nghệ khác dựa trên PON Các phần so sánhgiữa các công nghệ và giao thức điều khiển chính trong EPON là MPCP cũng đượcgiới thiệu trong chương

Chương II: Các phương pháp cấp phát băng thông động trong EPON Đây là mộttrong 2 chương chính của đồ án Chương này em đi sâu vào các phương pháp, thuậttoán cấp phát băng thông động cho EPON Thuật toán cổ điển IPACT được giớithiệu trong chương này Bên cạnh đó là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến vấn đềcấp phát băng thông Ngoài ra em cũng giới thiệu sơ qua về cấp phát băng thôngtĩnh – phương pháp đã ít được sử dụng ngày nay

Chương III: Một số thuật toán cấp phát băng thông động mới trong EPON Ởchương này em đi sâu trình bày thuật toán KI-DBA do Mr.Peng đề xuất năm 2011.Thuật toán này đã thể hiện được ưu điểm rõ ràng với thuật toán cổ điển IPACT.Ngoài ra em cũng trình bày tổng quan hai thuật toán mới khác là DSSPON và BA-DBA Các thuật toán này cũng cho kết quả mô phỏng cho thấy rằng nó toàn diệnhơn IPACT, nhưng sự khác biệt về ưu diểm giữa cả 3 thuật toán trên là khôngnhiều Khả năng sử dụng băng thông, giảm trễ gói v.v… của cả 3 thuật toán làkhông khác biệt hoàn toàn, chưa thể hiện được sự nổi trội Chính vì vậy mà việcnghiên cứu các thuật toán tối ưu hơn nữa nhằm cấp phát hiệu quả băng thông độngtrong EPON vẫn được các nhà nghiên cứu tìm tòi trên toàn thế giới

Đó là tổng quan về đề tài mà em sẽ trình bày sau đây Tuy đã cố gắng trong quátrình thực hiện đề tài này, song do sự hạn chế về kiến thức nên không thể tránhkhỏi những thiếu sót Em mong được sự phê bình, chỉ dẫn của thầy cô để đề tàiđược hoàn thiện hơn.

LỜI CẢM ƠN

Suốt trong thời gian học tập vừa qua, được sự quan tâm, giúp đỡ của Học việnCông Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, khoa Điện Tử Viễn Thông, nay em đã hoànthành khoá học của mình Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

- Quý thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông đã tận tình chỉ bảo em trong suốtquá trình học tập

- Quý thầy cô ở các khoa có liên quan đã cung cấp cho em những kiến thức cầnthiết cho một sinh viên

- Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông đã tạo điều kiện cho em học tậptrong suốt thời gian qua

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến cô giáo ThS.Ngô ThịThu Trang đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ

án tốt nghiệp này

Sinh viên thực hiện

Lê Như Long

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM (Của giảng viên hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: ……….………(bằng chữ: … ……… ….)

Đồng ý/Không đồng ý cho sinh viên bảo vệ trước hội đồng chấm đồ án tốt nghiệp?.

…………, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ- GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(ký, họ tên)

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

BẢNG TỪ VIẾT TẮT 3

MỤC LỤC HÌNH VẼ 6

MỤC LỤC BẢNG 8

Chương I: Tổng quan về PON và EPON 9

1.1 Giới thiệu chương 9

1.2.1 Giới thiệu về PON 9

1.2.2 Sơ đồ khối hệ thống 10

1.2.3 Các kiến trúc mạng PON 11

1.3 Ưu nhược điểm mạng PON 12

1.3.1 Ưu điểm 12

1.3.2 Nhược điểm 12

1.3.3 Các chuẩn mạng PON 12

1.3.4 WDM PON, TDM PON 13

1.4 Các chuẩn công nghệ dựa trên TDM PON 14

1.4.1 APON/BPON 14

1.4.2 GPON 15

1.4.3 EPON 16

1.4.3.1 Cấu trúc hệ thống EPON và nguyên lý hoạt động 16

1.4.3.2 Cấu trúc khung EPON 18

1.4.3.3 Multi-point Control Protocol 19

1.4.4 So sánh giữa EPON với APON/BPONvà GPON 23

1.5 Kết luận chương 25

Chương II: Cấp phát băng thông động trong EPON 26

2.1 Giới thiệu chương 26

2.2 Cấp phát băng thông tĩnh 26

2.3 Cấp phát băng thông động 26

2.3.1 Nguyên lý hoạt động chung 27

2.3.2 Các yếu tố quan trọng cần xem xét khi nghiên cứuthuật toánDBA 27

2.3.2.1 Độ trễ gói tin 27

2.3.2.2 Vấn đề về chia sẻ thiếu công bằng 27

2.3.2.3 Vấn đề về việc hỗ trợ giao thức MPCP 28

2.3.2.4 Chất lượng dịch vụ - (Quality of Services - QoS) 28

2.4 Ưu - nhược điểm của DBA: 28

2.4.1 Ưu điểm 28

2.4.2 Nhược điểm 28

2.5 Thuật toán interleaved polling with adaptive cycle time (IPACT) 29

2.5.1 Cửa sổ truyền cực đại 32

2.5.2 Các thành phần trễ của gói tin 33

2.6 Kết luận chương 33

Chương III: Một số thuật toán cấp phát băng thông động mới trong EPON 34

3.1 Giới thiệu chương 34

3.2 Thuật toán KI-DBA 34

3.2.1 Giới thiệu 34

3.2.2 Chi tiết về thuật toán 34

3.2.2.1 Các vấn đề cụ thể mà KI-DBA giải quyết tốt hơn thuật toán DBA truyền thống 34

3.2.2.2 Quy trình phân bổ băng thông của KI-DBA 37

3.2.3 Đánh giá 39

3.2.3.1 Đánh giá hoạt động 39

3.3 DSSPON: A Distributed Dynamic Scheduling for EPON 44

3.3.1 Đánh giá 46

3.4 Thuật toán Bandwidth Allocation DBA (BA-DBA) 47

3.4.1 Đánh giá 49

3.5 Kết luận chương 50

KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

BẢNG TỪ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT TẮT TÊN TIẾNG ANH TÊN TIẾNG VIỆT

băng thông rộngDSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao sốDBA Dynamic Bandwith Allcation Cấp phát băng thông

độngEMS Element Management System Hệ thống quản lý

EPON Ethernet Passive Optical

Network

Mạng quang thụ độngEthernet

FSAN Full Service Access Network Mạng truy cập dịch vụ

đầy đủGEPON

Gigabit Ethernet PassiveOptical Network

Mạng quang thụ độngEthernet Gigabit

GPON Gigabit Passive Optical

Network

Mạng quang thụ độngGigabit

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Hiệp hội các kỹ sư điện

và điện tử thế giới

ID Indentify Destination Chỉ định địa chỉ đích

Telecommunication Union

Liên hiệp viễn thôngquốc tế

MAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực thủ đôMAC Media Access Control Lớp điều khiển truy

nhập phương tiệnMPCP MultiPoint Control Protocol Giao thức điều khiển

đa điểmMPCPDU MultiPoint Control Protocol Đơn vị dữ liệu giao

Data Unit thức điều khiển đa

điểmNGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau

NRZ

Non-return-to-zero Mã không trở về 0

Administration andMaintenance

Vận hành, quản lý vàbảo dưỡng

OLT Optical Line Terminal Kết cuối đường truyền

quang phía nhà cungcấp dịch vụ

ONT Optical Network Terminal Kết cuối đường truyền

quang phía hộ gia đìnhONU Optical Network Unit Đơn vị mạng quangPLOAM Physical layer Operation,

Administration and Maintenance

Vận hành, quản lý vàbảo dưỡng lớp vật lý

PON Passive Optical Network Mạng quang thụ độngQoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

SBA Static Bandwidth Allocation cấp phát băng thông cố

địnhSLA Service Level Agreement Cam kết mức độ dịch

vụTDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia

theo thời gianTDMA Time Division Multiplexing

WAN Wide Area Network Mạng truy nhập diện

rộngWDM Wave Division Multiplexing Ghép kênh phân chia

theo bước sóng

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc mạng PON

0 1

Hình 1.4: Optical Network Terminal 11

Hình 1.5 : Các kiến trúc mạng PON 12

Hình 1.6 : Kiến trúc mạng WDM PON 13

Hình 1.7: Kiến trúc mạng TDM PON 14

Hình 1.8: Cấu trúc cây EPON 17

Hình 1.9: Lưu lượng hướng xuống trong EPON 17

Hình 1.10 : Lưu lượng hướng lên trong EPON 18 Hình 1.11 : Cấu trúc khung đường xuống của EPON 19

Hình 1.12 : Cấu trúc khung đường lên của EPON 19

Hình 1.13 : Thời gian Round-Trip 21

Hình 1.14 : Giao thức MPCP – hoạt động của bản tin Gate 22

Hình 1.13 : Giao thức MPCP – hoạt động của bản tin Report 23

Hình 2.1 : Các bước thực hiện thuật toán IPACT 30

Hình 2.2: Các thành phần trễ của gói tin 33

Hình 3.1: Thuật toán KI-DBA 38

Hình 3.2: hệ thống EPON mô phỏng 39

Hình 3.3:Khả năng sử dụng băng thông giữa KI-DBA và IPACT 42

Hình 3.4: So sánh trễ trung bình gói tin giữa KI-DBA và IPACT 43

Hình 3.5: So sánh trễ EF giữa hai thuật toán 44

Hình 3.6: So sánh trễ BE giữa hai thuật toán 44

Hình 3.7:dò trong DSSPON 45

Hình 3.8: Trễ trung bình giữa IPACT và DDSPON 46

Hình 3.9: Kích cỡ hàng đợi trung bình giữa IPACT và DDSPON 47

Hình 3.10: thuật toán BA-DBA 47

Hình 3.11: Thuật toán BA-DBA (sự truyền tải đầu tiên) 48

Hình 3.12: Thuật toán BA-DBA (sự truyền tải thứ hai) 48

Hình 3.13: Kích cỡ hàng đợi giữa IPACT và BA-DBA 49

Hình 3.14: Trễ gói giữa BA-DBA và IPACT 50

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1: So sánh các chuẩn công nghệ TDM PON ……… … 25Bảng 2: Các thông số mô phỏng KI-DBA……… 40Bảng 2: Các thông số mô phỏng BA-DBA……….49

Chương I: Tổng quan về PON và EPON

1.1Giới thiệu chương

Với những ưu điểm vượt trội của mình thì thông tin quang được ứng dụng rỗngrãi điều cần thiết và tất yếu của xu hướng hiện nay Mục đích của việc này là nhằmđáp ứng các nhu cầu ngày càng gia tăng của người dùng viễn thông trong nước vàquốc tế với các loại hình dịch vụ ngày càng phong phú, đặc biệt giải quyết được

vấn đề “nút cổ chai” giữa mạng truy nhập và mạng đường trục hiện nay Bên cạnh

đó, chiến lược phát triển viễn thông phụ thuộc rất nhiều vào hiện trạng mạng viễnthông và định hướng phát triển viễn thông ở mỗi nước Ở Việt Nam thì đây cũngkhông phải là một ngoại lệ Vì vậy nâng cấp mạng truy nhập là việc làm tất yếu.Rất nhiều kỹ thuật được lựa chọn để giải quyết vấn đề này Theo như xu hướngtrên thế giới và những ưu điểm mà nó đem lại thì EPON đã chứng tỏ là giải pháphữu hiệu cho mạng truy nhập hiện nay EPON là sự kết hợp giữa mạng quang thụđộng PON và công nghệ Ethernet Sau đây em xin trình bày tổng quan về PON vàEPON

1.2Tổng quan về công nghệ PON

Hình 1.1: Cấu trúc mạng PON

PON (Passive Optical Network – mạng quang thụ động) là kiến trúc mạng điểm

- nhiều điểm (point to multipoint), nó sử dụng phần tử chia quang thụ động trongphần mạng nằm giữa thiết bị đường truyền quang(OLT) và thiết bị kết cuốiquang(ONU) Để giảm chi phí trên mỗi thuê bao, đường truyền chính sẽ đi từ thiết

bị trung tâm OLT (Optical Line Termination) qua một thiết bị chia tín hiệu(Splitter) và từ thiết bị này mới kéo đến nhiều người dùng (có thể chia từ 32 – 64thuê bao) Splitter không cần nguồn cung cấp, có thể đặt bất kỳ đâu nên nếu triểnkhai cho nhiều thuê bao thì chi phí giảm đáng kể so với AON(Active OpticalNetwork - mạng quang chủ động) Do Splitter không cần nguồn nên hệ thống cũngtiết kiệm điện hơn và không gian chứa cáp cũng ít hơn so với AON

Các phần tử tích cực như OLT và các ONU đều nằm ở đầu cuối của mạng PON.Tín hiệu trong PON có thể được phân ra và truyền đi theo nhiều sợi quang hoặcđược kết hợp lại và truyền đi trên một sợi quang thông qua bộ ghép quang, phụthuộc tín hiệu đó đi theo hướng lên hay xuống của PON.Hoạt động của mạng PONđược điều khiển bởi giao thức truy nhập theo địa chỉ MAC (lớp 2)

Các đầu cuối mạng PON:

 Optical Line Terminal (OLT - thiết bị đường truyền quang ): OLT cung cấpgiao tiếp giữa hệ thống mạng truy cập quang thụ động EPON và mạng quangđường trục của các nhà cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và video OLT cũng kết nốiđến mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ thông qua hệ thống quản lý EMS(ElementManagement System)

Hình 1.2: Các khối chức năng của OLT

 Optical Network Unit (ONU: thiết bị kết cuối mạng quang): ONU cung cấpgiao tiếp giữa mạng thoại, video và dữ liệu người dùng với mạng PON Chức năng

cơ bản của ONU là nhận dữ liệu ở dạng quang và chuyển sang dạng phù hợp vớingười dùng như Ethernet, POST,T1

Hình 1.3: Các khối chức năng của ONU

 ONT (Optical Network Terminal): Đây là thiết bị đầu cuối phía người sửdụng, là điểm cuối cùng của OND

Hình 1.4:Optical Network Terminal

 OND (Optical Network Distribution): Hệ thống phân phối cáp quang tính từ sau OLT đến ONU/ONT Cụ thể, hệ thống phân phối quang OND lại bao gồm các thành phần sau đây: măng xông quang, dây nhảy quang, hộp phối quang ODF, splitter (bộ chia/ghép quang)

+ Optical Power Splitter: Bộ chia/ghép quang :dùng để chia một tín hiệu quang

ở đầu vào thành nhiều tín hiệu ở đầu ra Các hệ số chia thông thường là 1:4, 1:8…Đây là bộ chia thụ động tức là không phải cấp nguồn Suy hao trong bộ chia phụthuộc vào hệ số chia Hệ số chia càng lớn thì suy hao càng lớn Với hệ số chia là1:2 thì suy hao khoảng 3 dB, với hệ số chia là 1:32 thì suy hao tối thiểu là 15dB.Suy hao này chính là suy hao xen tạo ra bởi sự chưa hoàn hảo trong quá trình xử lý

Các mô hình chính mạng PON như hình vẽ dưới Đây là các mô hìnhmềm dẻo,phù hợp với nhu cầu phát triển của thuê bao cũng như đòi hỏi ngày càng tăng vềbăng thông Bằng cách sử dụng bộghép 1:2 và các bộ chia 1:N, PON có thể triểnkhai theo bất cứ cấu hình nào theo Hình 1.5 PON có thể thu gọn lại thành các vòng

ring kép, hình cây hay một nhánhcủa cây Các tuyến truyền dẫn trong PON đềuđược thực hiện giữa OLT và ONU.

- Giảm chi phí bảo dưỡng và vận hành

- Tốc độ down load và up load cao

- Giảm chi phí sợi quang và giảm chi phí các thiết bị cho phép nhiều người dùngchia sẻ chung một sợi

- Giới hạn băng thông cho các thuê bao vì splitter chia đều băng thông

- Giới hạn vùng phủ sóng: tối đa là 20 km, phụ thuộc vào số lượng splitter (càngnhiều splitter thì khoảng cách truyền càng giảm)

- Khi có OLT mới cần lắp đặt thì giá thành đối với mỗi thuê bao có kết nối đến

Các chuẩn mạng PON có thể được chia thành hai nhóm:

Nhóm 1 chia theo phương thức ghép kênh là ghép kênh theo thời gian TimeDivision Multiplexing passive optical network (TDM PON) vàghép kênh

-theo bước sóng - WavelengthDivision Multiplexing passive optical network(WDM PON) Trong đó APON/BPON, EPON/10GEPON và GPON thuộc TDMPON là công nghệ truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA/TDM) trên đườngtruyền tải đường lên và đường xuống để chia sẻ băng thông, các tín hiệu từ OLTđược phân bố cho mỗi ONU phải đi qua bộ chia quang thụ động WDM PON làcông nghệ phân chia bước sóng bằng cách các splitter sẽ phân bổ tín hiệu cho mỗiONU dựa trên các bước sóng xác định được từ OLT.

Nhóm 2 chia theo các phương pháp truy nhập như truy nhập theo tần số FDMAPON, truy nhập theo thời gian TDMA PON hay truy nhập theo mã CDMA PON

Do đồ án này em nghiên cứu về cấp phát băng thông động trong EPON nên em sẽtrình bày kỹ hơn về nhóm thứ nhất WDM PON và TDM PON sau đây

đề khó khăn cho các nhà khai thác mạng là kiểm tra từng bước sóng của ONU: thay

vì chỉ có một loại ONU, thì có nhiều loại ONU dựa trên các bước sóng Laser khácnhau Mỗi ONU sẽ sử dụng một laser độ rộng phổ hẹp và có bước sóng điều khiểnđược cho nên rất đắt tiền Hơn nữa yêu cầu về độ ổn định bước sóng phải rất chặtchẽ Với những khó khăn như vậy thì WDM không phải là giải pháp tốt cho mạngtruy nhập quang hiện nay do chi phí đắt đỏ

Hình 1.6: Kiến trúc mạng WDM PONTrong TDM PON, để ngăn chặn xung đột dữ liệu khi truyền đồng thời nhiềuONU thì mỗi ONU sẽ phải truyền trong khe thời gian của nó Khe thời gian được

gán cho còn được gọi là cửa số truyền Một thuận lợi lớn của TDM PON là tất cảcác ONU có thể hoạt động cùng một bước sóng, OLT cũng chỉ cần một bộ thu đơn.

Bộ thu phát ONU hoạt động ở tốc độ đường truyền, thậm chí băng thông có thểdùng của ONU thấp hơn Tuy nhiên, đặc tính này cũng cho phép TDM PON đạthiệu quả thay đổi băng thông được dùng cho từng ONU bằng cách thay đổi kích cởkhe thời gian được ấn định hoặc thậm chí sử dụng ghép kênh thống kê để tận dụnghết băng thông được dùng của mạng PON

Ghép kênh phân chia theo thời gian là phương pháp được ưu tiên hiện nay choviệc chia sẽ kênh quang trong mạng truy cập khi mà nó cho phép một bước sóngđơn ở hướng lên và bộ thu pháp đơn ở OLT đã làm cho giải pháp này có ưu thếhơn về chi phí đầu tư

APON truyền liên tục các tế bào ATM Mỗi tế bào chứa 53 byte Đối với đườngxuống trực tiếp, APON sẽ quảng bá ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM).Mỗi ONU sẽ nhận tất cả các cell, và có thể trích xuất cell của mình từ khoảng thờigian thích hợp tùy theo địa chỉ đích của cell đó Đối với đường lên APON truyềncell ATM trong chế độ burst Để tránh xung đột cũng như truy nhập đường lên mộtcách hiệu quả, và để đảm bảo rằng tất cả các tín hiệu đường lên cho mỗi ONU sẽ

đến OLT được đầy đủ thì khuyến nghị G.983 sử dụng TDMA là công nghệ truynhập đường lên.APON điều phối tín hiệu dựa trên khoảng thời gian trễ Để đồng bộhóa, mỗi khung ATM đường lên chứa 3 byte Overhead Cộng với 53 byte ban đầu

ta có 56 byte tổng số khung ATM Vai trò của 3 byte Overhead như sau:

 Thời gian bảo vệ: để ngăn chặn lỗi từ tín hiệu bị lệch pha nhỏ

28 tếbào trong kênh PLOAM có một bít đển nhận dạng các tếbào PLOAM Ngoài

ra các tếbào PLOAM có khảnăng lập trình được và chứa thông tin nhưlà băngthông hướng lên và các bản tin OAM Căn cứvào các thông tin vềmã sốnhận dạngkênh ảo và nhận dạng đường ảo (VPI/VCI) trong cấu trúc ATM, các ONT nhậnbiết và tách dữliệu đường xuống của mình Cấu trúc khung hướng lên bao gồm 56tếbào ATM (53 byte) Mỗi một khe thời gian gồm có một tếbào ATM/PLOAM và

24 bít mào đầu Từ chiều dài của mào đầu và các thông tin chứa trong đó được lậptrình bởi OLT Các ONT thực hiện gửi các tếbào PLOAM khi chúng nhận đượcyêu cầu từOLT BPON sửdụng giao thức DBA đểcho phép OLT nhận biết lượngbăng thông cần thiết cấp cho các ONT OLT có thểgiảm hoặc tăng băng thông chocác ONT dựa vào gửi các tế bào ATM rỗi hoặc làm đầy tất cảhướng lên bởi dữliệucủa ONT OLT dừng định kỳviệc truyền hướng lên do vậy nó có khảnăng mời bấtkỳONT mới nào tham gia vào hoạt động hệthống Các ONT mới phát một bản tintrả lời trong cửa sổnày với thời gian trễngẫu nhiên đểtránh xung đột khi mà cónhiều ONT mới muốn tham gia OLT xác định khoảng cách tới mỗi ONT mới bằngviệc gửi tới ONT một bản tin đo khoảng cách và xác định thời gian bao lâu đểthuđược bản tin trả lời Sau đó OLT gửi tới ONT một giá trịtrễ, giá trịnày đượcsửdụng đểxác định thời gian bảo vệ ứng với các ONT

1.4.2 GPON

GPON (Gigabit PON) là một sự phát triển của chuẩn BPON GPON được mởrộng từ chuẩn BPON G.983 bằng cách tăng băng thông, nâng hiệu suất băng thôngnhờ sử dụng gói lớn, có độ dài thay đổi và tiêu chuẩn hóa quản lý nghiêm ngặt.Thêm nữa chuẩn này cho phép lựa chọn tốc độ bit: cho phép băng thông đườngxuống là 2,488 Mb/s và băng thông đường lên là 1,244 Mb/s Phương thức đónggói GPON-GEM cho phép đóng gói lưu lượng người dùng rất hiệu quả, với sựphân đoạn khung cho phép chất lượng dịch vụ QoS cao hơn phục vụ truyền thoại

là giá trịcủa bộ đệm cục bộcủa ONU tương ứng Tốc độtruyền dữliệu E-PON cóthể đạt tới 1Gbit/s Một chuẩn khác cũng cùng họvới E-PON là chuẩn Gbit/sEthernet PON Chuẩn này được phát triển dựa trên E-PON tại tốc độ10Gbit/s vàđược ứng dụng chủyếu trong các mạng quảng bá video số

1.1.1.1 Cấu trúc hệ thống EPON và nguyên lý hoạt động

EPON có cấu trúc point-to-multiple-points (P2MP) và cấu trúc điển hình

là cấu trúc cây như hình 1.3

Hình 1.8: Cấu trúc cây EPON

Về nguyên lý hoạt động của EPON cần xem xét theo 2 hướng truyền dữ liệu:đường xuống (từ OLT đến các ONU) và đường lên (hướng ngược lại)

Ở hướng xuống, EPON hoạt động như một mạng quảng bá Khung Ethernetđược truyền bởi OLT qua bộ chia quang thụ động đến từng ONU ( với N trongkhoảng từ 4 đến 64) ONU sẽ lọc bỏ các gói tin không phải là của nó nhờ vào địachỉ MAC(Media Access Control) trước khi truyền các gói tin còn lại đến ngườidùng Hình 1.4

Hình 1.9: Lưu lượng hướng xuống trong EPON

Ở hướng lên, vì đặc tính định hướng của bộ kết hợp quang thụ động, khung dữliệu từ bất kỳ ONU nào chỉ đến OLT và không đến các ONU khác Trong trườnghợp đó, ở hướng lên: đặc tính của EPON giống như kiến trúc điểm- điểm Tuynhiên, không giống như mạng điểm - điểm thật sự, các khung dữ liệu trong EPON

từ các ONU khác nhau được truyền đồng thời vẫn có thể bị xung đột Vì vậy, ởhướng lên (từ người dùng đến mạng), ONU cần sử dụng một vài cơ chế tránh xungđột dữ liệu và chia sẽ dung lượng kênh quang hợp lý Ở đây, luồng dữ liệu hướnglên được phân bố theo thời gian Hình 1.5

Hình 1.10 : Lưu lượng hướng lên trong EPON

Tại một ONU nào đó, nếu không có khung nào trong bộ đệm để điền vào khethời gian thì 10 bit đặc tính rỗng sẽ được truyền Việc sắp xếp định vị khe thời gianhợp lý có thể được phân bố trước (TDMA cố định) hoạt động dựa vào hàng đợi tứcthời trong từng ONU (thực hiện theo phương pháp thống kê ) Ngoài ra còn cónhiều mô hình phân bố khe thời gian khác như là định vị dựa vào quyền ưu tiên của

dữ liệu, dựa vào chất lượng dịch vụ QoS hay dựa vào mức dịch vụ cam kết(SLA :Service Level Agreements)

1.1.1.2 Cấu trúc khung EPON

Cấu trúc khung đường xuống của EPON được mô tả trong hình 1.6 Các dòng

dữ liệu đường xuống được phân chia vào các khung với chiều dài cố định và mỗikhung chứa nhiều gói tin có chiều dài khác nhau Thời gian thông tin tồn tại vàolúc bắt đầu của mỗi khung trong trường synchronous marker và trường này đượctruyền đi, vì vậy mà các ONU được đồng bộ với các OLT tại một khoảng thời giannhất định (tùy thuộc vào chiều dài khung, như trong hình là 2ms Mỗi gói dữ liệuvới độ dài thay đổi mang một địa chỉ cho một ONU, được chỉ định bởi các số serial

của ONU như: 1, 2, 3, N Gói dữ liệu bao gồm các trường tải trọng có chiều dàithay đổi, header và trường error detection.

Hình 1.11 : Cấu trúc khung đường xuống của EPONCấu trúc khung đường lên của EPON như hình 1.7 Dữ liệu đường lên đượcchia vào các khung với chiều dài cố định, mỗi khung được chia thành mỗi khe thờigian Các khe này được gán cho các ONU và mỗi khe thời gian này có thể chứamột số dữ liệu có chiều dài mở rộng Mỗi khung đường lên bao gồm khe thời giancủa các ONU, được đánh số tương ứng từ 1, 2, 3 đến N

Hình 1.12: Cấu trúc khung đường lên của EPON

1.1.1.3 Multi-point Control Protocol

Để hổ trợ việc phân bổ khe thời gian bởi OLT, giao thức điều khiển đa điểmMPCP đã được nhóm IEEE 802.3ah phát triển MPCP không xây dựng một cơ chếphân bổ băng tần cụ thể, mà thay vào đó, nó là một cơ chế hổ trợ thiết lập các thuậttoán phân bổ băng tần khác nhau trong EPON Giao thức này dựa vào hai bản tinEthernet: Gate và Report Bản tin Gate được gửi từ OLT đến ONU để ấn định một

khe thời gian truyền Bản tin Report được ONU sử dụng để truyền đạt các thông tin

về trạng thái hiện tại của nó (như mức chiếm dữ của bộ đệm) đến OLT, giúp OLT

có thể phân bổ khe thời gian một cách hợp lý Cả hai bản tin Gate và Report đều làcác khung điều khiển MAC (loại 88-08) và được xử lý bởi lớp con điều khiểnMAC

Có hai mô hình hoạt động của MPCP: tự khởi tạo và hoạt động bình thường.Trong mô hình tự khởi tạo, các bản tin Gate và Report được dùng để dò các kết nốiONU mới, nhận biết trễ Round-trip và địa chỉ MAC của ONU đó Trong mô hìnhbình thường chúng được dùng để phân bổ cơ hội truyền dẫn cho tất cả các ONUđược khởi tạo

Từ nhiều ONU có thể yêu cầu khởi tạo cùng một lúc, mô hình khởi tạo tự động

là một thủ tục dựa vào sự cạnh tranh Ở lớp cao hơn nó làm việc như sau:

1 OLT chỉ định một khe khởi tạo, một khoảng thời gian mà không có ONU khởitạo trước nào được phép truyền Chiều dài của khe khởi tạo này phải tối thiểu là:

<transmission size> + <maximum round-trip time> - <minimum round-trip time>;với <transmission size> là chiều dài của cửa sổ truyền mà một ONU không khởitạo có thể dùng

2 OLT gửi một bản tin khởi tạo Gate báo hiệu thời gian bắt đầu của khe khởi tạo

và chiều dài của nó Trong khi chuyển tiếp bản tin này từ lớp cao hơn đến lớpMAC, MPCP sẽ gán nhãn thời gian được lấy theo đồng hồ của nó

3 Chỉ các ONU chưa khởi tạo mới đáp ứng bản tin khởi tạo Gate Trong lúc nhậnbản tin khởi tạo Gate, một ONU sẽ thiết lập thời gian đồng hồ của nó theo nhãnthời gian đến trong bản tin khởi tạo Gate

4 Khi đồng hồ trong ONU đến thời gian bắt đầu của khe thời gian khởi tạo (cũngđược phân phối trong bản tin Gate), ONU sẽ truyền bản tin của chính nó (khởi tạoReport) Bản tin Report sẽ chứa địa chỉ nguồn của ONU và nhãn thời gian tượngtrưng cho thời gian bên trong của ONU khi bản tin Report được gửi

5 Khi OLT nhận bản tin Report từ một ONU chưa khởi tạo, nó nhận biết địa chỉMAC của nó và thời gian Round-trip Như được minh họa ở hình 1.8, thời gianRound-trip của một ONU là thời gian sai biệt giữa thời gian bản tin Report đượcnhận ở OLT và nhãn thời gian chứa trong bản tin Report

Hình 1.13: Thời gian Round-Trip

Từ nhiều ONU chưa khởi tạo, có thể đáp ứng cùng bản tin khởi tạo Gate, bảntin Report có thể xung đột Trong trường hợp đó, bản tin Report của ONU bị xungđột sẽ không thiết lập bất kỳ khe nào cho hoạt động bình thường của nó Nếu nhưONU không nhận được khe thời gian trong khoảng thời gian nào đó, nó sẽ kết luậnrằng sự xung đột đã xảy ra và nó sẽ thử khởi tạo lại sau khi bỏ qua một số bản tinkhởi tạo Gate ngẫu nhiên Số bản tin bỏ được chọn ngẫu nhiên từ một khoảng thờigian gấp đôi sau mỗi lần xung đột

Dưới đây chúng ta mô tả hoạt động bình thường của MPCP:

1 Từ lớp cao hơn (MAC control client), MPCP trong OLT đưa ra yêu cầu đểtruyền bản tin Gate đến một ONU cụ thể với các thông tin như sau: thời điểm ONUbắt đầu truyền dẫn và thời gian của quá trình truyền dẫn (hình 1.9)

2 Trong lớp MPCP (của cả OLT và ONU) duy trì một đồng hồ Trong khi truyềnbản tin Gate từ lớp cao hơn đến lớp MAC, MPCP sẽ gán vào bản tin này nhãn thờigian được lấy theo đồng hồ của nó

3.Trong khi tiếp nhận bản tin Gate có địa chỉ MAC phù hợp (địa chỉ của các bản tinGate đều là duy nhất), ONU sẽ ghi lên các thanh ghi trong nó thời gian bắt đầutruyền và khoảng thời gian truyền ONU sẽ cập nhật đồng hồ của nó theo thời gianlưu trên nhãn của bản tin Gate nhận được Nếu sự sai biệt đã vượt quá ngưỡng đãđược định trước thì ONU sẽ cho rằng, nó đã mất sự đồng bộ và sẽ tự chuyển vàotrạng thái chưa khởi tạo Ở trạng thái này, ONU không được phép truyền Nó sẽchờ đến bản tin Gate khởi tạo tiếp theo để khởi tạo lại

Hình 1.14: Giao thức MPCP-hoạt động của bản tin Gate

4 Nếu thời gian của bản tin Gate được nhận gần giống với thời gian được lưu trênnhãn của bản tin Gate, ONU sẽ cập nhật đồng hồ của nó theo nhãn thời gian Khiđồng hồ trong ONU chỉ đến thời điểm bắt đầu của khe thời gian truyền dẫn, ONU

sẽ bắt đầu phiên truyền dẫn Quá trình truyền dẫn này có thể chứa nhiều khungEthernet ONU sẽ đảm bảo rằng không có khung nào bị truyền gián đoạn Nếuphần còn lại của khe thời gian không đủ cho khung tiếp theo thì khung này sẽ được

để lại cho khe thời gian truyền dẫn tiếp theo và để trống một phần không sử dụngtrong khe thời gian hiện tại

Bản tin Report sẽ được ONU gửi đi trong cửa sổ truyền dẫn gán cho nó cùngvới các khung dữ liệu Các bản tin Report có thể được gửi một cách tự động haytheo yêu cầu của OLT Các bản tin Report được tạo ra ở lớp trên lớp điều khiểnMAC (MAC Control Client) và được gán nhãn thời gian tại lớp điều khiển MAC(Hình 1.10) Thông thường Report sẽ chứa độ dài yêu cầu cho khe thời gian tiếptheo dựa trên độ dài hàng đợi của ONU Khi yêu cầu một khe thời gian, ONU cũng

có tính đến cả các phần mào đầu bản tin, đó là các khung mào đầu 64 bit và khungmào đầu IFG 96 bit được ghép vào trong khung dữ liệu

Khi bản tin Report đã được gán nhãn thời gian đến OLT, nó sẽ đi qua lớp MAC(lớp chịu trách nhiệm phân bổ băng tần) Ngoài ra, OLT cũng sẽ tính lại chu trình

đi và về với mỗi nguồn ONU.Sẽ có một số chênh lệch nhỏ của RTT mới và RTTđược tính từ trước bắt nguồn từ sự thay đổi trong chiết suất của sợi quang do nhiệt

độ thay đổi Nếu sự chênh lệch này là lớn thì OLT sẽ được cảnh báo ONU đã mấtđồng bộ và OLT sẽ không cấp phiên truyền dẫn cho ONU cho đến khi nó đượckhởi tạo lại.

Hình 1.15 : Giao thức MPCP-hoạt động của bản tin Report

Hiện nay giao thức MPCP vẫn đang tiếp tục được xây dựng và phát triển bởinhóm 802.3ah của IEEE Đây là nhóm có nhiệm vụ phát triển và đưa ra các giảipháp Ethernet cho các thuê bao của mạng truy nhập.OLT đó sẽ tăng lên cho đếnkhi các port của OLT lấp đầy

So sánh BPON(APON), GPON với EPON dựa trên đặc tính như bảng dưới đây

Tổ chức chuẩn

hóa

FSAN và ITU-TSG15 (G.983series)

FSAN và ITU-TSG15 (G.984series)

IEEE 802.3(802.3ah)

Tốc độ dữ liệu 155.52Mb/s

hướng lên,155.52 hoặc622.08Mb/shướng xuống

Lên tới2.488Gb/s cả 2hướng

1Gb/s cả 2hướng