nghiêng cứu thiết kế hệ thống ftth dựa trên công nghệ quang thụ động pon. thiết kế hệ thống ftth cho 5000 thuê bao cho 5 xã của huyện hòa vang tp đà nẵng

Công nghệ của đường truyền được thiết lập trên cơ sở dữ liệu được truyền qua tín hiệu quang ánh sáng trong sợi cáp quang đến thiết bị đầu cuối của khách hàng, tín hiệu được biến đổi thàn

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ỨNG DỤNG

============================

ĐỒ ÁN THÔNG TIN SỢI QUANG

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊNG CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG FTTH DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ QUANG THỤ ĐỘNG PON THIẾT KẾ HỆ THỐNG FTTH CHO 5000 THUÊ BAO CHO 5 XÃ CỦA HUYỆN HÒA VANG TP ĐÀ NẴNG

GVHH: Nguyễn Vũ Anh Quang SVTH: Lâm Quang Cảnh

Đà Nẵng, ngày 7 tháng 4 năm 2011

NGHIÊNG CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG FTTH DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ

QUANG THỤ ĐỘNG PON

Chương I: Tổng quang hệ thống FTTH ( Fiber To The Home)

1.1 Khái niệm FTTH ( Fiber To The Home)

FTTH là một công nghệ kết nối viễn thông sử dụng cáp quang từ nhà cung cấp dịch vụ tới địa điểm của khách hàng (văn phòng, nhà…) Công nghệ của đường truyền được thiết lập trên cơ sở dữ liệu được truyền qua tín hiệu quang (ánh sáng) trong sợi cáp quang đến thiết bị đầu cuối của khách hàng, tín hiệu được biến đổi thành tín hiệu điện, qua cáp mạng đi vào bộ định tuyến băng rộng Nhờ đó, khách hàng có thể truy cập internet bằng thiết bị này qua có dây hoặc không dây

1.2 Ưu điểm của FTTH.

Ưu điểm vượt trội của FTTH:

- Số lượng các bộ thu phát quang, thiết bị đầu cuối của tổng đài CO và sợi quang khá thấp

- Khoảng cách truyền lớn: Thích hợp cho việc phát triển thuê bao viễn thông

- Băng thông lớn có thể chạy tốt mọi yêu cầu và ứng dụng hiện đại

- Có giá thành bảo dưỡng và duy trì mạng thấp

- An toàn cho thiết bị, không sợ sét đánh lan truyền trên đường dây

Ưu điểm của FTTH so với ADSL

- Tốc độ upload của FTTH vượt qua ngưỡng của chuẩn ADSL2+ (1Mbps) hiện tại

và có thể ngang bằng với tốc độ downloa

- Độ ổn định và tuổi thọ cao hơn dịch vụ ADSL do không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện, từ trường; khả năng nâng cấp tốc độ (download/upload) dễ dàng

- Với ưu thế băng thông vượt trội, FTTH sẵn sàng cho các ứng dụng đòi hỏi băng thông cao, đặc biệt là truyền hình độ phân giải cao yêu cầu băng thông lên đến vài chục Mbps, trong khi ADSL không đáp ứng được

1.3 Phương thức truyền dẫn và cấu hình của mạng FTTH

1.3.1 Phương thức truyền dẫn.

1.3.1.1 Phương thức điểm đa điểm.

Theo kiến trúc này, tại nhà cung cấp sẽ đặt một thiết bị làm việc theo tiêu chuẩn PON, còn gọi là OLT Từ OLT tín hiệu quang sẽ được chia ra thông qua các bộ chia quang và đến đầu khách hàng

Ưu, nhược điểm:

- Ưu điểm: Kiến trúc đơn giản, dễ quản lý Đặc biệt cấu hình này tỏ rõ ưu thế khi số lượng thuê bao cho một khu vực lớn, việc sử dụng cấu hình cũ không còn phù hợp

- nhược điểm: Thiết bị đầu cuối, vật tư, nguyên liệu có giá thành cao Hơn nữa kiến trúc này đòi hỏi quá trình đào tạo chuyên sâu cho các đơn vị thực hiện

*Các linh kiện quang thụ động trên đường dẫn tín hiệu từ nguồn đến thuê bao

- Sợi quang

- Bộ nối

VIỆT - HÀN

1.3.1.2 Phương thức truyền điểm nối điểm.

Theo phương án kết nối này, từ nhà cung cấp sẽ dẫn một đường cáp quang tới tận nhà khách hàng Đường quang này sẽ chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu điện và cấp cho khách hàng Cấu hình này sử dụng dựa trên chuẩn Ethernet

Ưu, nhược điểm :

- Ưu điểm: Cấu hình đơn giản, dễ lắp ráp, không cần đào tạo chuyên sâu nhiều, thiết

bị có giá thành rẻ, có thể tận dụng những vật tư hiện có Đặc biệt ưu thế trong giai đoạn đầu của mạng FTTH

- Nhược điểm: Khi số lượng thuê bao lớn, tăng lên thì cấu hình này không còn phù hợp nữa bởi việc quản lý đường truyền vật lý thuê bao sẽ rất phức tạp và tốn kém

1.3.2 Cấu hình của mạng FTTH

1.3.2.1 Cấu hình dạng cây.

Thông thường trong các mạng đều được xây dựng theo cấu hình cây trong đó chỉ

sử dụng 1 đường cáp quang nối trực tiếp từ OLT tới bộ chia Từ bộ chia, sẽ có một đường cáp quang kết nối từ mỗi ONU tới mạng Về nguyên tắc, các mạng đều sử dụng cấu hình cây với kiến trúc bộ chia ghép tầng và trong thực tế, trong một số mạng chỉ có 1 bộ chia thường được gọi là cấu hình sao

Hình 1.1 Cấu hình dạng cây

Ưu, nhược điểm:

- Ưu điểm: Bộ chia được tập trung tại một điểm nên dễ dàng xác định được những

sự cố của mạng.Tất cả các ONU trong cùng mạng sẽ có chung dự trữ công suất hay nói cách khác là chất lượng tín hiệu tại các ONU sẽ gần tương tự như nhau

- Nhược điểm: Chỉ có thể sử dụng cho kỹ thuật đa truy nhập TDMA trong đó các khe thời gian truyền nhận giữa OLT và các ONU được chỉ định cho mỗi đường kết nối riêng biệt từ mỗi ONU tới mạng để tránh xảy ra xung đột dữ liệu giữa các ONU khi phát lên OLT thông qua bộ chia

1.3.2.2 Cấu hình dạng đường thẳng.

Cấu hình dạng bus cũng sử dụng 1 cáp quang từ OLT tới khách hàng nên cũng gặp phải những vấn đề tương tự như cấu hình cây ở trên Mỗi người sử dụng được kết nối vào mạng thông qua một bộ ghép dây nhánh và bộ ghép này sẽ đưa một phần công suất tín hiệu phát từ OLT đi tới người sử dụng

Hình 1.2 Cấu hình dạng đường thẳng.

Ưu, nhược điểm:

- Ưu điểm: Khả năng tối thiểu hóa số cáp quang cần được sử dụng (nếu ONU được kết nối trực tiếp tới bộ ghép) và mở rộng mạng một cách linh hoạt, dễ dàng (khi có thêm ONU mới tham gia vào mạng thì chỉ cần dùng thêm bộ ghép để kết nối trực tiếp vào mạng)

- Nhược điểm: tín hiệu quang suy hao dần qua mỗi bộ ghép nên ONU ở xa OLT có thể không thu được tín hiệu do chất lượng tín hiệu quá tồi sau khi đi qua một số lượng nhất định bộ ghép nhánh Đồng thời, với topo này sẽ yêu cầu một đường cáp quang có độ dài rất lớn khi mở rộng trong mạng 2 chiều

1.3.2.3 Cấu hình dạng vòng.

Hình 1.3 Cấu hình dạng vòng

Ưu, nhược điểm

- Ưu điểm: Cấu hình dạng vòng có khả năng mềm dẻo trong việc tối ưu hóa các đường truyền Trong cấu hình dạng vòng, tồn tại 2 đường kết nối từ OLT tới mỗi ONU nên nó có khả năng rất linh hoạt trong việc thiết lập và bảo trì mạng cáp quang kể cả trong trường hợp cáp quang bị đứt

- Nhược điểm:Nó yêu cầu sử dụng 2 sợi quang tại OLT và những thiết bị phức tạp khác có khả năng chuyển mạch và truyền nhận tín hiệu theo 2 hướng trong vòng tại mỗi ONU Khi tín hiệu quang được truyền qua mỗi ONU, tín hiệu bị suy hao đáng kể; điều này đã gây ra giới hạn cho khả năng truyền nhận và số lượng ONU trong cấu hình dạng vòng Dung lượng của mạng được chia sẻ một cách mềm dẻo cho các ONU trong mạng nên việc sử dụng 2 cáp quang trong mạng vòng cũng không cải thiện được dung lượng của mạng

VIỆT - HÀN

1.4 Bước sóng sử dụng trong mạng FTTH

Tổn hao truyền sóng trên sợi quang gây ảnh hưởng lớn tới dự trữ công suất, khoảng cách vật lý, tỉ số chia trong mạng Trong sợi quang, tồn tại rất nhiều nguyên nhân gây ra suy hao tín hiệu nhưng chủ yếu bởi 4 nguyên nhân chính : suy hao do hấp thụ vật liệu, suy hao do tán xạ, suy hao do uốn cong và suy hao do ghép và chia sợi quang

Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tương quan theo bước sóng người ta nhận được phổ suy hao của sợi quang Mỗi loại sợi có đặc tính suy hao riêng, một đặc tuyến điển hình của sợi đơn mode

Hình 1.1Đặc tuyến suy hao trong sợi quang đơn mode Nhìn vào hình ta có thể thấy co ba vùng bước sóng suy hao thấp nhất, còn gọi là ba cửa sổ thông tin

o Cửa sổ thứ nhất: Ở bước sóng 850nm Trong vùng bước sóng từ 0.8μm tới 1μm,m tới 1μm tới 1μm,m,

suy hao chủ yếu do tán xạ trong đó có một phần ảnh hưởng của suy hao hấp thụ Suy hao trung bình trong cửa sổ này ở mức từ (2-3)dB/Km

o Cửa sổ thứ hai : Ở bước sóng 1300nm Ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp, suy

hao chính do tiêu hao tán xạ Rayleigh Suy hao tương đối thấp khoảng từ (0,4 0,5) dB/Km và tán sắc nên được dùng rộng rãi hiện nay

o Cửa sổ thứ ba : Ở bước sóng 1550nm Suy hao thấp nhất cho đến nay khoảng 0,3

dB/Km, với sợi quang bình thường độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn so với bước sóng 1300nm Tuy nhiên với một số loại sợi quang có dạng phân bố chiết suất đặc biệt có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550nm như các sợi quang DC, MC và sợi quang bù tán sắc Lúc đó việc sử dụng cửa sổ thứ ba sẽ có nhiều thuận lợi : suy hao thấp và tán sắc nhỏ

Chương II Tìm hiểu công nghệ mạng quang thụ động PON

2.1 Giới thiệu mạng quang thụ độ PON

2.1.1 Công nghệ PON

PON là từ viết tắt của Passive Optical Network tạm dịch là mạng quang thụ động Công nghệ mạng quang thụ động PON còn được hiểu là mạng công nghệ quang truy nhập giúp tăng cường kết nối giữa các nốt mạng truy nhập của nhà cung cấp dịch vụ và người

sử dụng

Vị trí của hệ thống PON trong mạng truyền dẫn: Mạng quang thụ động PON là một dạng của mạng truy nhập quang Mạng truy nhập hỗ trợ các kết nối đến khách hàng

Nó được đặt gần đầu cuối khách hàng và triển khai với số lượng lớn Mạng truy nhập tồn tại ở nhiều dạng khác nhau do nhiều lí do khác nhau và PON là một trong những dạng đó

So với mạng truy nhập cáp đồng truyền thống, sợi quang hầu như không giới hạn băng thông (hàng THz)

2.1.2 Đặc điểm chính của hệ thống PON.

 Đặc trongng của hệ thống PON là thiết bị thụ động phân phối sợi quang đến từng nhà thuê bao sử dụng bộ chia splitter có thể lên tới 1:128

 PON hỗ trợ giao thức ATM, Ethernet

 PON hỗ trợ các dịch vụ voice, data và video tốc độ cao

 Khả năng cung cấp băng thông cao

 Trong hệ thống PON băng thông được chia sẻ cho nhiều khách hàng điều này sẽ làm giảm chi phí cho khách hàng sử dụng

 Khả năng tận dụng công nghệ WDM, ghép kênh phân chia theo dải tần và cung cấp băng thông động để giảm thiểu số lượng cáp quang cần thiết để kết nối giữa OLT và splitter

 PON thực hiện truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang hay 2 chiều trên cùng 1 sợi quang

 PON có thể hỗ trợ câu hình cây, sao, bus và ring

2.2 Mô hình và các thành phần cơ bản của mạng quang thụ động PON.

2.2.1 Mô hình hệ thống.

Một hệ thống mạng PON bao gồm các thiết bị kết nỗi đường quang (OLTs) đặt tại trạm trung tâm (CO- Central Office) và bộ các thiết bị kết đầu cuối kênh quang (ONUs) được đặt ở phía người sử dụng Giữa chúng là hệ thống phân phối mạng quang (ODN) bao gồm cáp quang, các thiết bị ghép/tách thụ động

VIỆT - HÀN

Hình 2.1: Mô hình hệ thống mạng PON OLT được kết nối đến mạng lõi/metro thông qua giao tiếp

 V5: giao tiếp này nối đến mạng PSTN/ISDN

 E1: giao tiếp với mạng DDN

 FE/GE và ATM: giao tiếp với mạng IP/ATM

Giao diện kết nối đến các thiết bị của khách hàng gồm có các loại sau

 POTS : là hệ thống điện thoại tương tự chỉ gửi một tín hiệu tương tự trên mỗi cặp dây, mỗi tín hiệu riêng biệt này được coi là một kênh

 Tín hiệu trên cáp nối chặng cuối là tín hiệu tương tự.Cần modem để chuyển tín hiệu số thành tín hiệu tương tự

 FE : cung cấp các dịch vụ tốc độ lên tới 100Mbps cho khách hàng

 2B+D: cung cấp 2 kênh B có tốc độ mỗi kênh là 64 kbps được dùng cho thoại, fax, truyền dữ liệu và truy cập Internet; 1 kênh D có tốc độ 16 kbps được dùng để truyền tín hiệu điều khiển

 V.24/V.35: nối vào các thiết bị

2.2.2 Các thành phần trong hệ thống PON.

2.2.2.1 OLT: Thiết bị đường truyền quang OLT cung cấp giao tiếp giữa hệ thống

mạng truy cập quang thụ động PON và mạng quang đường trục của các nhà cung cấp dịch

vụ thoại, dữ liệu và video… và mạng phối quang ODN

 Một số chức năng của OLT

- Kết nối chéo được số hóa: cung cấp các kết nối giữa phần mạng lõi/metro với phần mạng phối quang ODN

- Ghép kênh truyền dẫn: Cung cấp việc truyền và ghép các kênh mạng phối quang ODN

- Điều khiển quá trình chuyển đổi quang/điện và điện/quang

2.2.2.2 ONU.

Thiết bị kết cuối mạng quang ONU cung cấp giao tiếp giữa mạng thoại, video và

dữ liệu người dùng với mạng PON, ONU thì được đặt ở bên ngoài nhà thuê bao thường

có số lượng cổng giao tiếp lớn Chức năng cơ bản của ONU là nhận dữ liệu ở dạng quang

và chuyển sang dạng phù hợp với người dùng như Ethernet, POST, xDSL

 Một số chức năng của ONU

- Ghép khách hàng và dịch vụ; Về phía khách hành dữ liệu sẽ được ghép trước khi truyền đến ODN còn về phía ODN thì các dịch vụ sẽ tách ra phù cho từng user đã yêu cầu dịch vụ

- Ghép kênh truyền dẫn: Cung cấp các chức năng phân phối tín hiệu giữa ODN và khách hàng

- Điều khiển quá trình chuyển đổi quang/điện và điện/quang

- Cung cấp cho các giao diện dịch vụ của khách hàng

2.2.2.3 ODN.

Mạng phân phối quang ODN cung cấp môi trường truyền dẫn quang cho các kết nối vật lí từ ONU đến OLT

ODN bao gồm các thành phần sau:

- Sợi quang và cáp quang

- Các connector

- Các thiết bị thụ động như splitter

- Mối nối

2.2.2.4 Cáp quang và sợi quang

Sợi quang là một thành phần quang trọng trong mạng nó tạo sự kết nối giữa các thiết bị Hai thống số cơ bản của sợi quang là suy hao và tán sắc Tuy nhiên sợi quang ứng dụngtrong mạng PON thì chỉ caanf quan tâm đến suy hao không quan tâm đến tán sắc bởi

vì suy hao do tán sắc thì ảnh hưởng không đáng kể Do đó người ta sử dụng sợi quang có suy hao nhỏ chủ yếu là sợi quang theo chuẩn G.652

Trong mạng PON sử dụng sợi quang đơn mode nên đặc tuyến suy hao của sợi quang tương tự như hình 1.1

 Các loại cáco quang sử dụng trong mạng PON

Cáp gốc: cáp phân phối từ OLT đến bộ chia

Cáp phối: cáp phân phối giữa các bộ chia

Cáp thuê bao: cáp phân bố từ bộ chia đến các thuê bao

2.2.2.4 Bộ chia.

Bộ chia splitter là thành phần được nhắc chủ yếu trong mạng PON Bộ chia là thiết

bị thụ động, công dụng của nó là để chia công suất quang từ một sợi ra nhiều sợi khác nhau

Hầu hết hệ thống PON có bộ chia là 1:16 và 1:32 Tỉ lệ chia trực tiếp ảnh hưởng quỹ suy hao của hệ thống và suy hao truyền dẫn Tỉ lệ của bộ chia càng cao cũng có nghĩa

là công suất truyền đến mỗi ONU sẽ giảm xuống do suy hao của bộ chia 1:N tính theo

công thức 10×logN (dB) nên nếu tỉ lệ bộ chia mà tăng lên gấp đôi thì suy hao sẽ tăng lên

3 dB

VIỆT - HÀN

Từ OLT đến ONU có thể sử dụng nhiều dạng splitter có tỉ bộ chia là 1:2; 1:4; 1:8; 1:16;1:32; 1:64; 1:128

Hình 2.5: Các loại bộ chia (a) Sử dụng splitter có tỉ lệ bộ chia 1:32 hay 1:64, 1:128… (b) Sử dụng splitter co tỉ lệ bộ chia 1:2 và splitter có tỉ lệ bộ chia 1:4

Dựa vào các bộ chia như 1:2; 1:4; 1:16; 1:32; 1:64; 1:128… ta có suy hao tương ứng

Bảng1 : Liệt kê suy hao của các bộ chia tương ứng.

Số port spllitter (dB)Suy hao

2.3 Các chuẩn trong mạng PON.

Dựa vào kĩ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian sử dụng ở hướng down và kĩ thuật truy cập ghép kênh theo thời gian ở hướng up thì ta có các loại như sau APON/BPON (ATM PON/Broadband PON, GPON(Gigabit PON) và EPON(Ethernet PON)

2.3.1 APON/ BPON.

APON/BPON được chuẩn hóa bởi ITU-T APON (ATM-PON) và BPON (Broadband PON) là tên khác nhau của kiến trúc TDM-PON dựa trên ITU-T G.983

APON (ATM Passive Optical Network): Đây là chuẩn mạng PON đầu tiên Nó chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng kinh doanh và dựa trên ATM

BPON (Broadband PON): là một chuẩn dựa trên APON Nó hỗ trợ thêm công nghệ WDM, băng thông giành cho đường uplink là động và cao hơn Nó cũng cung cấp

cấp dịch vụ cùng hoạt động.

2.3.2 EPON.

EPON là giao thức mạng truy nhập đầy đủ dịch vụ FSAN (Full Service Access Network) TDMA PON thứ nhất được phát triển dựa trên khai thác các ưu điểm của công nghệ Ethernet ứng dụng trong thông tin quang E-PON được chuẩn hóa bởi IEEE 802.3, hoạt động tốc độ lên tới Gbps

2.3.3 GPON.

GPON là sự phát triển của APON/BPON nó hoạt động ở tốc độ lên tới hàng Gbps và

đã được chuẩn hóa thành ITU-T G.984 GPON không phụ thuộc vào ATM, GPON sử dụng lớp con truyền dẫn hội tụ (GTC- GPON Transmission Convergence), khung GTC có thể đóng gói các cell ATM Khung GTC có thể đóng gói trực tiếp các gói dữ liệu thông qua phương pháp đóng gói GPON (GEM- GPON Encapsulation Method) Phần tải khung GTC chứa cả ATM và GEM

Đối với hệ thống GPON thì tốc độ tăng lên đến hàng Gigabit và đồng thời bộ chia splitter ở đây lên tới 1:128 trong khi đó bộ chia splitter của APON/BPON chỉ có 1:32 và khoảng cách tối đa giữa OLT và ONU lên tới 60 km chứ không phải là 20 km như trong APON/BPON

2.3.4 so sánh các chuẩn PON

Bảng 2: Mô tả sự khác nhau của APON/BPON, GPON và EPON

Tốc độ dữ

liệu

Down:155,622,1244,Mbps UP: 155,622 Mbps

Down:155,622,1244,2488 Mbps

UP: 155,622,1244 Mbps

1250Mbps cả 2 hướng

Tỷ lệ chia

(ONU/ PON)

Tối đa: 1:64 Tối đa: 1:128 Tối đa lớn hơn1:16

Bước sóng

Down:1480-1500nm Up: 1260- 1360nm Cung cấp tín hiệu video ở bước sóng1550nm

Down: 1480- 500nm Up: 1260- 1360nm Cung cấp tín hiệu video ở bước sóng1550nm

Down: 1480- 1500nm Up: 1260- 1360nm Cung cấp tín hiệu video

ở bước sóng1550nm

Quỹ suy hao 10-25 / 10-28 / 15-30 dB 5-20 / 10-25 / 13-28 /

15-30dB

5- 21 / 10-26 dB