(LUẬN VĂN THẠC SĨ) Nghiên cứu triển khai mạng FTTX tại thành phố Bắc Ninh trên nền GPON

TỔNG QUAN MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG (PON)

Mở đầu

Mạng viễn thông bao gồm ba thành phần chính: Mạng đường trục, Mạng phía khách hàng và Mạng truy nhập Gần đây, Mạng đường trục đã phát triển mạnh mẽ nhờ công nghệ mới như ghép kênh theo bước sóng (DWDM) Đồng thời, Mạng nội hạt (LAN) cũng được nâng cấp từ tốc độ 10 Mb/s lên 1 Gb/s, với sự xuất hiện của sản phẩm Ethernet 10 Gb/s trên thị trường Sự chênh lệch lớn về băng thông giữa mạng LAN tốc độ cao và mạng đường trục so với mạng truy nhập tốc độ thấp đã tạo ra hiện tượng nút cổ chai (bottleneck) trong mạng viễn thông.

Sự bùng nổ lưu lượng Internet trong thời gian gần đây đã làm gia tăng các vấn đề liên quan đến mạng truy cập tốc độ thấp Theo các báo cáo, lưu lượng dữ liệu đã tăng 100% mỗi năm kể từ năm 2000, với một số thời điểm đạt mức phát triển lên tới 1000% do sự kết hợp của các yếu tố kinh tế và công nghệ Xu hướng này dự kiến sẽ tiếp tục, dẫn đến việc ngày càng nhiều người sử dụng Internet và thời gian trực tuyến của họ cũng sẽ gia tăng, từ đó làm tăng nhu cầu về băng thông.

Nghiên cứu thị trường cho thấy, sau khi nâng cấp công nghệ băng rộng, thời gian trực tuyến của người dùng tăng 35% so với trước đó Mặc dù lưu lượng thoại cũng gia tăng, nhưng mức tăng chỉ khoảng 8% mỗi năm Theo các báo cáo phân tích, lưu lượng dữ liệu hiện nay đã vượt trội hơn hẳn so với lưu lượng thoại.

Ngày càng có nhiều dịch vụ và ứng dụng mới được triển khai khi băng thông dành cho người sử dụng tăng lên Để đáp ứng nhu cầu về băng tần, một số công nghệ mới đã được giới thiệu.

Trước đây, dịch vụ Internet chủ yếu được cung cấp qua công nghệ DSL, sử dụng dây điện thoại và yêu cầu modem DSL tại thuê bao cùng với DSLAM tại tổng đài Tốc độ dữ liệu của DSL dao động từ 128Kb/s đến 1,5Mb/s, mặc dù đã cải thiện so với modem tương tự, nhưng vẫn không đủ để được coi là băng rộng, do không hỗ trợ dịch vụ video, thoại và dữ liệu cho các thuê bao ở xa Khoảng cách tối đa từ tổng đài đến thuê bao chỉ là 5,5 km, và việc mở rộng khoảng cách này bằng cách lắp đặt thêm DSLAM gần thuê bao là không hiệu quả do chi phí cao.

Công nghệ DSL không đáp ứng được yêu cầu băng thông cho mạng truy nhập, dẫn đến việc các nhà công nghệ mạng chuyển hướng sang công nghệ mới tập trung vào truyền tải dữ liệu, đặc biệt là dữ liệu IP Công nghệ không dây dựa trên Wifi với tốc độ truy cập lên tới 100Mb/s đã được áp dụng, và trong bối cảnh này, công nghệ PON được kỳ vọng sẽ là giải pháp tối ưu cho mạng truy nhập băng rộng và chuyển tiếp dữ liệu không dây Mạng PON hứa hẹn sẽ giải quyết các vấn đề tắc nghẽn băng thông trong kiến trúc mạng viễn thông, kết nối giữa các nhà cung cấp dịch vụ, điểm kết cuối và khu vực tập trung thuê bao.

Mạng quang thụ động có thể định nghĩa một cách ngắn gọn nhƣ sau:

“PON là một mạng quang chỉ có các phần tử thụ động và không có các phần tử tích cực làm ảnh hưởng đến tốc độ truyền dẫn”

Mạng PON không sử dụng bất kỳ phần tử tích cực nào mà chỉ bao gồm các thành phần như sợi quang, bộ chia, bộ kết hợp, bộ ghép định hướng, thấu kính và bộ lọc Điều này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm việc không cần nguồn điện cung cấp, giúp tránh được các lỗi liên quan đến nguồn điện Hơn nữa, PON có độ tin cậy cao và không yêu cầu bảo trì thường xuyên do tín hiệu không bị suy hao nhiều như trong các hệ thống sử dụng phần tử tích cực.

Mạng PON không chỉ giải quyết vấn đề băng thông mà còn có chi phí lắp đặt thấp nhờ tận dụng sợi quang sẵn có Hệ thống này cho phép dễ dàng thêm các ONU theo nhu cầu dịch vụ, trong khi việc thiết lập thêm nút trong Mạng tích cực phức tạp hơn do yêu cầu cấp nguồn và sử dụng bộ phát lại tại mỗi nút.

Mạng PON có khả năng hoạt động trong chế độ không đối xứng, cho phép truyền dẫn với tốc độ OC-12 (622 Mbits/s) ở đường xuống và OC-3 (155 Mbits/s) ở đường lên Chế độ không đối xứng này giúp giảm chi phí cho các ONU, vì chỉ cần sử dụng các bộ thu phát có giá thành thấp hơn.

PON có khả năng chống lỗi cao hơn so với SONET/SDH, nhờ vào việc các nút mạng PON được đặt bên ngoài mạng chính Điều này giúp giảm thiểu tổn hao năng lượng tại các nút mà không ảnh hưởng đến các nút khác Việc một nút có thể mất năng lượng mà không làm gián đoạn mạng là rất quan trọng trong mạng truy cập, vì các nhà cung cấp không thể đảm bảo nguồn năng lượng dự phòng cho tất cả các đầu cuối ở xa.

Với những lý do nhƣ trên, công nghệ PON có thể đƣợc coi là một giải

PON là một giải pháp hàng đầu cho mạng truy cập, cho phép tương thích với các giao diện SONET/SDH Nó có thể được sử dụng như một vòng thu quang thay thế cho các tuyến truyền dẫn ngắn trong mạng đô thị hoặc mạch vòng SONET/SDH đường trục.

Kiến trúc của PON

Các phần tử thụ động trong mạng PON nằm trong mạng phân bố quang, bao gồm sợi quang, bộ tách/ghép quang thụ động, đầu nối và mối hàn quang Trong khi đó, các phần tử tích cực như OLT và ONU được đặt ở đầu cuối của PON Tín hiệu trong PON có thể được phân chia và truyền qua nhiều sợi quang hoặc kết hợp lại và truyền trên một sợi quang thông qua bộ ghép quang, tùy thuộc vào hướng đi của tín hiệu, lên hoặc xuống.

PON thường được triển khai trên sợi quang đơn mode, với cấu trúc hình cây là phổ biến Ngoài ra, PON cũng có thể được triển khai theo cấu hình vòng cho các khu thương mại hoặc theo cấu hình đường trục khi áp dụng trong các khu trường sở Mô hình mạng quang thụ động với các phần tử của nó được minh họa như trong hình 1-1.

Hình 1-1: Mô hình Mạng quang thụ động

PON là mạng truy cập kết nối điểm-đa điểm, trong đó một CO phục vụ nhiều thuê bao Có nhiều cấu hình kết nối điểm-đa điểm phù hợp cho mạng truy cập, bao gồm cấu hình cây, cây và nhánh, vòng ring, hoặc bus.

PON có khả năng triển khai linh hoạt với các bộ ghép (1:2) và bộ chia quang (1:N), cho phép cấu hình đa dạng như vòng ring kép, hình cây hoặc nhánh cây Tất cả các tuyến truyền dẫn trong PON được thực hiện giữa OLT và ONU, trong đó OLT được đặt tại CO, kết nối mạng truy cập quang với mạng đô thị (MAN) hoặc mạng diện rộng (WAN), còn ONU nằm ở vị trí đầu cuối người sử dụng như FTTH, FTTB hoặc FTTC.

Hình 1-2: Các kiểu kiến trúc của PON

Cấu hình cây 1:N (a) và cấu hình vòng (b) là hai dạng cấu hình phổ biến nhất trong hệ thống mạng Những cấu hình này có tính linh hoạt cao, đáp ứng tốt nhu cầu phát triển của thuê bao và yêu cầu ngày càng tăng về băng thông.

Các hệ thống PON đang đƣợc triển khai

Từ năm 1995, 7 nhà khai thác mạng hàng đầu thế giới đã thành lập nhóm FSAN (Full Service Access Network) với mục tiêu thống nhất các tiêu chí cho mạng truy nhập băng rộng Hiện nay, số lượng thành viên của FSAN đã tăng lên hơn 40, bao gồm nhiều hãng sản xuất và cung cấp thiết bị viễn thông lớn Các thành viên của FSAN đã phát triển tiêu chí cho mạng truy nhập PON, sử dụng công nghệ ATM và giao thức lớp 2 của nó.

Hệ thống này đƣợc gọi là APON (viết tắt của ATM PON)

Mạng APON sử dụng công nghệ ATM, một giao thức truyền tin linh hoạt, cung cấp độ trong suốt dịch vụ và phân bổ băng tần hiệu quả Công nghệ này không chỉ hỗ trợ khai thác và bảo trì kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối mà còn giúp giảm chi phí hoạt động của mạng Sự kết hợp giữa ưu điểm của ATM và môi trường truyền dẫn sợi quang với tài nguyên băng tần dồi dào đã tạo ra mạng truy cập băng rộng BPON (Broadband PON) Giống như các hệ thống khác, APON được chia thành các lớp và lớp con với nhiệm vụ cụ thể, thuộc một trong hai mặt bằng.

Mặt bằng dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối lưu lượng đến và đi từ các thiết bị đầu cuối, cụ thể là các cổng tại OLT và ONU.

Mặt bằng điều khiển, hay còn gọi là mặt bằng OAM (Operations, Administration, and Maintenance), là hệ thống hỗ trợ hoạt động (OSS) thực hiện các chức năng quan trọng như vận hành, điều khiển và quản lý.

Các chức năng OAM như khởi tạo, khôi phục lỗi và báo cáo trạng thái có tính chất không liên tục Trong mạng quang, các chức năng này bao gồm cả điều chỉnh công suất laser, giúp đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

Thông tin điều khiển trong các trường tiêu đề và tiêu đề con chứa các dữ liệu quan trọng trước khi lưu lượng người dùng được truyền tải Các thông tin tiêu đề thuộc về một lớp sẽ không được nhìn thấy bởi các lớp ở trên cả phía gửi và phía nhận Cấu trúc ngữ pháp của các bản tin được miêu tả bằng cách liệt kê từng bit và từng byte trong định dạng bản tin Thực tế, việc xem nội dung và âm thanh của bản tin từ một lớp cho phép chúng ta hiểu rõ chức năng của giao thức lớp đó.

1.3.2 GPON Kỹ thuật truy nhập và phương thức ghép kênh

Công nghệ truyền dẫn đa truy nhập là các kỹ thuật chia sẻ tài nguyên hữu hạn cho nhiều khách hàng Trong hệ thống GPON, băng tần truyền dẫn là tài nguyên chính được chia sẻ giữa các thuê bao, nhà cung cấp dịch vụ, nhà khai thác và các thành phần mạng khác Mặc dù không còn mới mẻ trong ngành viễn thông, các kỹ thuật truy nhập ngày càng đòi hỏi cao về độ ổn định, thời gian xử lý thông tin ngắn, độ trễ thấp, cùng với tính bảo mật và an toàn dữ liệu cao.

 Phương thức truy nhập đƣợc sử dụng phổ biến trong các hệ thống GPON hiện nay là đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

TDMA là kỹ thuật phân chia băng tần truyền dẫn thành các khe thời gian liên tiếp, cho phép mỗi khách hàng sử dụng băng thông theo nhu cầu Các khe thời gian này có thể được ấn định trước hoặc phân bổ linh hoạt tùy thuộc vào phương thức chuyển giao Ví dụ, trong hệ thống GPON hình cây, mỗi thuê bao được phép gửi dữ liệu đường truyền một cách hiệu quả.

Bộ tách kênh sắp xếp số liệu theo vị trí khe thời gian riêng biệt, với thông tin được gửi trong chính khe thời gian đó Số liệu đường xuống được truyền trong những khe thời gian xác định, sử dụng hai bước sóng: hướng lên λ110nm và hướng xuống λ290nm.

GPON sử dụng kỹ thuật TDMA, cho phép các ONU hoạt động trên cùng một bước sóng, giúp OLT phân biệt lưu lượng của từng ONU Việc chỉ cần một bộ thu cho OLT không chỉ đơn giản hóa việc triển khai thiết bị mà còn giảm chi phí trong thiết kế, sản xuất, hoạt động và bảo trì Hơn nữa, kỹ thuật này còn cho phép lắp đặt dễ dàng thêm các ONU khi có nhu cầu nâng cấp mạng.

Một đặc tính quan trọng của GPON sử dụng TDMA là yêu cầu đồng bộ lưu lượng đường lên để tránh xung đột dữ liệu Xung đột xảy ra khi nhiều gói dữ liệu từ các thuê bao khác nhau đến bộ ghép cùng lúc, dẫn đến tín hiệu này đè lên tín hiệu kia, gây khó khăn trong việc nhận diện tín hiệu tại đầu xa Hệ quả là xuất hiện lỗi bit và suy giảm thông tin đường lên, ảnh hưởng đến chất lượng mạng Tuy nhiên, các vấn đề này được khắc phục nhờ cơ chế định cỡ và phân định băng thông động của GPON, sẽ được đề cập ở phần sau.

Phương thức ghép kênh trong GPON là ghép kênh song hướng, sử dụng phương pháp phân chia không gian với hai sợi quang riêng biệt cho truyền dẫn lên và xuống Sự phân cách này giúp tránh ảnh hưởng phản xạ quang và loại bỏ vấn đề kết hợp, từ đó tăng quỹ công suất trong mạng Việc áp dụng hai sợi quang mang lại tính linh hoạt trong thiết kế mạng và nâng cao độ khả dụng, cho phép mở rộng mạng dễ dàng bằng các bộ ghép kênh theo bước sóng Khả năng mở rộng này tạo điều kiện phát triển các dịch vụ mới trong tương lai, đồng thời giảm chi phí cho các phần tử quang-điện nhờ sử dụng cùng bước sóng và thiết bị phát thu giống nhau cho cả hai hướng.

Một nhược điểm chính của phương thức này là yêu cầu gấp đôi số lượng sợi quang, mối hàn và connector Trong cấu trúc GPON hình cây, số lượng bộ ghép quang cũng cần tăng lên gấp đôi Tuy nhiên, chi phí cho sợi quang, phần tử thụ động và kỹ thuật hàn nối đang có xu hướng giảm, và trong tương lai, chúng sẽ chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong tổng chi phí hệ thống.

E-PON là giao thức mạng truy nhập đầy đủ dịch vụ FSAN (Full Service Access Network) TDMA PON thứ nhất đƣợc phát triển dựa trên khai thác các ƣu điểm của công nghệ Ethernet ứng dụng trong thông tin quang E- PON đƣợc chuẩn hóa bởi IEEE 802.3

Trong E-PON, dữ liệu được truyền theo định dạng Ethernet, với các khung E-PON có cấu trúc tương tự như các liên kết Gigabit Ethernet điểm tới điểm Sự khác biệt chủ yếu nằm ở phần tiêu đề và thông tin xác định điểm bắt.

Kết luận

Vào giữa những năm 90, công nghệ APON (ATM - PON) đã được áp dụng để truyền tải dữ liệu và tiếng nói BPON, một phiên bản chậm hơn, sử dụng cấu trúc chuyển đổi ATM ở các đường biên mạng Tuy nhiên, hiện nay, mạng APON/BPON không còn được chú trọng phát triển do chỉ hỗ trợ dịch vụ ATM và tốc độ truy cập thấp hơn nhiều so với các công nghệ hiện đại khác như GPON hay EPON.

Các nghiên cứu hiện nay đang chú trọng vào công nghệ GPON và EPON/GPON, vì đây là những công nghệ mới có tiềm năng triển khai rộng rãi trong mạng truy cập băng rộng Những công nghệ này sở hữu nhiều đặc điểm vượt trội so với các công nghệ khác, hứa hẹn mang lại hiệu suất cao hơn trong việc cung cấp dịch vụ Internet.

Trong khi EPON chỉ cung cấp tốc độ truyền là 1,25 Gbit/s thì GPON

EPON hiện đang trở thành sự lựa chọn không được đánh giá cao do hiệu suất chỉ đạt từ 50% đến 70%, với băng thông giới hạn trong khoảng 600Mbps đến 900Mbps Trong khi đó, GPON có khả năng tận dụng băng thông tối đa, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ cung cấp tốc độ lên tới 2300 Mbps, thậm chí đạt tới 2.448 Gbit/s Việc các nhà cung cấp dịch vụ ngày càng cố gắng tiết kiệm chi phí bằng cách tối ưu hóa băng thông càng làm nổi bật sự vượt trội của GPON so với EPON.

Hệ thống mạng GPON của Flexlight đạt hiệu suất lên tới 93%, cho thấy chỉ 7% băng thông được dùng cho quy trình giao thức truyền thông, mang lại lợi nhuận cao cho các nhà cung cấp dịch vụ So với GPON, các công nghệ APON, BPON và EPON tiêu tốn nhiều băng thông hơn, với hiệu suất chỉ còn 70% và 50% tương ứng Được chuẩn hóa theo ITU-T G.984, GPON hỗ trợ các định dạng truyền tải như IP và TDM, là giải pháp công nghệ PON hiệu quả cho cả dịch vụ gia đình và doanh nghiệp Với băng thông tiêu dùng nâng từ 10 MHz lên 100 MHz, GPON đáp ứng nhu cầu cao cho nhiều dòng IPTV.

(Internet Protocol Television),và có thể hỗ trợ truyền thông cả SDTV (Standard Definition Television)và HDTV (High Definition TeleVision),

GPON đã thực sự đƣợc đánh giá là kinh tế hơn EPON [9]

Mặt khác trong khi tiêu chuẩn IEEE 803.2ah chỉ hỗ trợ 2 lớp ODN : lớp

Lớp B và lớp A trong tiêu chuẩn ITU-GT.984.2 GPON GPM hỗ trợ cả lớp C và các lớp cấp cao hơn Lớp C cho phép mở rộng cự ly mạng PON lên tới 20 km, phục vụ cho số lượng lớn người dùng cuối, có thể đạt tới 64 hoặc thậm chí 128 ONU/ONT.

EPON chỉ hỗ trợ tốc độ truyền dẫn đối xứng 1,25/1,25 Gbps, trong khi GPON (ITU-T G.984.2) linh hoạt hơn với các tốc độ hướng xuống 1,25 và 2,5 Gbps, cùng với các tùy chọn hướng lên 155 Mbps, 622 Mbps, 1,25 và 2,5 Gbps Cả hai công nghệ đều phục vụ thị trường truy nhập, bao gồm ứng dụng Fiber-To-The-Home và Fiber-To-The-Building/Curb, với đặc trưng tốc độ truy nhập không đối xứng Mặc dù nhu cầu hướng lên không đạt 1,25 Gbps trong bối cảnh phát triển ứng dụng dữ liệu, GPON cho phép nhà cung cấp dịch vụ tùy chỉnh tốc độ kết nối theo nhu cầu thực tế, điều mà EPON không làm được Để hỗ trợ tốc độ 1,25 Gbps hướng lên, EPON yêu cầu thiết bị laser DFP và diode thác lũ quang APD đắt tiền tại trung tâm mạng quang CO.

GPON được coi là lựa chọn tối ưu hơn EPON trong việc triển khai hệ thống mạng, nhờ vào khả năng cung cấp dự phòng cho O&M, tính tương thích và bảo mật Những yếu tố này rất quan trọng để vận hành hiệu quả một mạng lưới lớn.

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG MẠNG GPON

GIỚI THIỆU CHUNG

2.1.1 Tình hình chuẩn hóa GPON

Hiện nay, công nghệ GPON đang được nhiều tổ chức tiêu chuẩn hóa chú trọng phát triển các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan.

Sau khi chuẩn hóa mạng FTTH vào những năm 1990, các thành viên của FSAN đã phát triển tiêu chí cho mạng truy cập PON sử dụng công nghệ ATM, gọi là APON Tên gọi APON sau đó được thay thế bằng BPON, biểu thị cho PON băng rộng với sự phát triển cao hơn Năm 1997, nhóm FSAN đã trình các đề xuất chỉ tiêu BPON lên ITU-T để được thông qua chính thức, dẫn đến việc phê duyệt các tiêu chuẩn ITU-T G.983.x cho mạng BPON Hệ thống BPON hỗ trợ tốc độ 155 Mbps hướng lên và 622 Mbps hướng xuống GPON, được ITU-T chuẩn hóa theo chuẩn G.984 từ năm 2003, đã mở rộng từ chuẩn BPON G.983.

Công nghệ GPON đã được ITU hoàn thiện thành bộ khuyến nghị ITU-T G.984.x, tạo cơ sở quan trọng cho việc xây dựng tiêu chuẩn quốc gia về hệ thống truy nhập quang thụ động tại Việt Nam Mặc dù GPON đã được triển khai tại Việt Nam, nhưng sự thiếu hụt tiêu chuẩn quốc gia về công nghệ này yêu cầu cần sớm phát triển tiêu chuẩn cho GPON trong nước.

Khuyến nghị G.984.2, thuộc bộ khuyến nghị G.984.x của ITU, đã có hai sửa đổi gần nhất là G.984.2 Amendment 1 (02/2006) và G.984.2 Amendment 2 (03/2008), cung cấp các yêu cầu kỹ thuật chi tiết cho phân lớp tiện ích truyền tải vật lý PMD Điều này tạo cơ sở cho việc phát triển tiêu chuẩn hệ thống truy cập quang thụ động G-PON, đặc biệt liên quan đến tiện ích truyền tải PMD.

Hệ thống G-PON bao gồm OLT, ONU, bộ chia quang và các sợi quang Sợi quang kết nối từ OLT qua bộ chia quang, phân chia thành 64 sợi khác, và các sợi phân nhánh tiếp tục kết nối tới ONU.

Hình 2.1 Kiến trúc mạng GPON

 OLT (Optical Line Terminal): thiết bị kết cuối cáp quang tích cực lắp đặt tại phía nhà cung câp dịch vụ thường được đặt tại các đài trạm

ONT (Thiết bị Kết nối Mạng Quang) là thiết bị cuối của mạng cáp quang, hoạt động tích cực, kết nối với OLT thông qua mạng phân phối quang (ODN) ONT được sử dụng để cung cấp kết nối quang đến nhà thuê bao trong mô hình FTTH (Fiber to the Home).

ONU (Optical Network Unit) là thiết bị kết cuối mạng cáp quang tích cực, có chức năng kết nối với OLT thông qua mạng phân phối quang (ODN) Thiết bị này thường được sử dụng trong các trường hợp kết nối đến tòa nhà (FTTB) hoặc đến các vỉa hè, cabin (FTTC, FTTCab).

Bộ chia/ghép quang thụ động (Splitter) là thiết bị dùng để chia và ghép tín hiệu quang từ nhà cung cấp dịch vụ đến khách hàng và ngược lại, nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng sợi quang vật lý Thiết bị này thường được lắp đặt tại các điểm phân phối để đảm bảo tín hiệu được truyền tải một cách hiệu quả và ổn định.

Bộ chia/ghép quang được chia thành hai loại chính: loại đầu tiên được lắp đặt tại các nhà trạm viễn thông với tủ kiểu indoor, trong khi loại thứ hai là thiết bị bọc kín, có thể mở ra khi cần thiết và được đặt tại các điểm măng xông 20 phối quang (DP) và các điểm truy nhập quang (AP) là những thành phần quan trọng trong hạ tầng viễn thông hiện đại.

 FDC - Fiber Distribution Cabinet: Tủ phối quang

 FDB - Fiber Distribution Box: Hộp phân phối quang loại nhỏ

- Đường xuống Dải bước sóng hoạt động cho đường xuống sử dụng một sợi quang là 1480-1500 nm (thường gọi là bước sóng quanh 1490nm)

Ngoài ra, khi tín hiệu analog CATV đƣợc ghép trên cùng 1 sợi quang, CATV sẽ đường truyền theo hướng từ xuống ONTs bằng dải bước sóng quanh 1550 nm (1535-1600 nm)

- Đường lên Dải bước sóng hoạt động cho đường lên là 1260-1360 nm (thường gọi chung là bước sóng quanh 1310 nm)

GPON xác định các tốc độ bit với nhiều cấu hình khác nhau, bao gồm: đường lên 155 Mbit/s và đường xuống 1.25 Gbit/s; đường lên 622 Mbit/s và đường xuống 1.25 Gbit/s; đường lên 1.25 Gbit/s và đường xuống 1.25 Gbit/s; đường lên 155 Mbit/s và đường xuống 2.5 Gbit/s; đường lên 622 Mbit/s và đường xuống 2.5 Gbit/s; và đường lên 1.25 Gbit/s và đường xuống 2.5 Gbit/s.

Phổ biến nhất hiện này là đường lên 1.25 Gbit/s up, đường xuống 2.5 Gbit/s;

Khoảng cách logic trong mạng GPON là khoảng cách tối đa giữa ONU/ONT và OLT mà không tính đến các yếu tố gây suy hao công suất quang Khoảng cách này có thể đạt đến 60 km.

Khoảng cách vật lý trong mạng GPON là khoảng cách tối đa giữa ONU/ONT và OLT, với giới hạn lên đến 20 km.

Khoảng cách sợi quang chênh lệch là khoảng cách giữa sợi quang ngắn nhất và dài nhất trong mạng GPON, với giá trị là 20 km Thông số này ảnh hưởng đến kích thước vùng phủ mạng và cần phải tương thích với tiêu chuẩn ITU.

Tỉ lệ chia của splitter là yếu tố quan trọng đối với nhà khai thác mạng, với tỉ lệ chia càng lớn thì hiệu quả càng cao Tuy nhiên, tỉ lệ chia lớn yêu cầu công suất quang phát cao hơn để hỗ trợ khoảng cách vật lý lớn hơn Tỉ lệ 1:64 được coi là lý tưởng cho lớp vật lý với công nghệ hiện tại, trong khi tỉ lệ 1:128 có thể được áp dụng trong các bước phát triển tiếp theo.

KỸ THUẬT TRUY NHẬP VÀ PHƯƠNG THỨC GHÉP KÊNH

Công nghệ truyền dẫn đa truy nhập cho phép chia sẻ tài nguyên hữu hạn giữa nhiều khách hàng, đặc biệt trong hệ thống GPON, nơi băng tần truyền dẫn là tài nguyên chính Các đối tượng sử dụng tài nguyên này bao gồm thuê bao, nhà cung cấp dịch vụ, nhà khai thác và các thành phần mạng khác Mặc dù không còn mới mẻ trong ngành viễn thông toàn cầu, nhưng các kỹ thuật truy nhập ngày càng yêu cầu cao hơn về độ ổn định, thời gian xử lý thông tin, độ trễ thấp, cũng như tính bảo mật và an ninh.

Phương thức truy nhập được sử dụng phổ biến trong các hệ thống GPON hiện nay là đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) [10]

TDMA (Time Division Multiple Access) là kỹ thuật phân chia băng tần truyền dẫn thành các khe thời gian liên tiếp, cho phép mỗi khách hàng sử dụng khe thời gian riêng biệt Các khe thời gian này có thể được ấn định trước hoặc phân theo yêu cầu dựa trên phương thức chuyển giao Ví dụ, trong hệ thống GPON hình cây, mỗi thuê bao gửi dữ liệu lên qua khe thời gian riêng, với bộ tách kênh sắp xếp dữ liệu theo vị trí khe thời gian hoặc thông tin trong khe Dữ liệu đường xuống cũng được truyền qua các khe thời gian xác định, sử dụng hai bước sóng: λ110nm cho hướng lên và λ290nm cho hướng xuống.

GPON sử dụng kỹ thuật TDMA, cho phép nhiều ONU hoạt động trên cùng một bước sóng, giúp OLT phân biệt lưu lượng của từng ONU một cách hiệu quả Việc chỉ cần một bộ thu cho OLT giúp dễ dàng triển khai thiết bị và giảm chi phí cho thiết kế, sản xuất, vận hành và bảo trì Hơn nữa, kỹ thuật này còn cho phép lắp đặt thêm các ONU một cách dễ dàng khi có nhu cầu nâng cấp mạng.

Một đặc tính quan trọng của GPON sử dụng TDMA là yêu cầu đồng bộ hóa lưu lượng đường lên để tránh xung đột dữ liệu Xung đột xảy ra khi nhiều gói dữ liệu từ các thuê bao khác nhau đến bộ ghép cùng một lúc, dẫn đến tín hiệu này đè lên tín hiệu kia và tạo thành tín hiệu ghép Kết quả là đầu xa không thể nhận diện chính xác tín hiệu, gây ra lỗi bit và suy giảm thông tin đường lên, ảnh hưởng đến chất lượng mạng Tuy nhiên, các vấn đề này được khắc phục nhờ cơ chế định cỡ và phân định băng thông động của GPON, sẽ được đề cập trong phần sau.

Phương thức ghép kênh trong GPON là ghép kênh song hướng, sử dụng phương thức ghép kênh phân chia không gian, mang lại giải pháp đơn giản cho truyền dẫn song hướng Việc sử dụng các sợi quang riêng biệt cho đường lên và xuống giúp tránh ảnh hưởng phản xạ quang, đồng thời loại bỏ vấn đề kết hợp và phân tách hai hướng truyền dẫn, tăng quỹ công suất trong mạng Sử dụng hai sợi quang giúp thiết kế mạng linh hoạt hơn và nâng cao độ khả dụng, cho phép mở rộng mạng dễ dàng với các bộ ghép kênh theo bước sóng Khả năng mở rộng này hỗ trợ phát triển dịch vụ mới trong tương lai, đồng thời giảm chi phí cho các phần tử quang-điện nhờ sử dụng cùng bước sóng, bộ phát và bộ thu cho cả hai hướng.

Phương thức này có nhược điểm chính là yêu cầu gấp đôi số lượng sợi quang, mối hàn và connector Đối với GPON hình cây, số lượng bộ ghép quang cũng cần tăng gấp đôi Điều này dẫn đến việc chi phí cho sợi quang, phần tử thụ động và kỹ thuật cũng tăng lên đáng kể.

24 thuật hàn nối vẫn đang giảm và trong tương lai nó chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ trong toàn bộ chi phí hệ thống

2.2.3 Phương thức đóng gói dữ liệu

GPON định nghĩa hai phương thức đóng gói ATM và GEM (GPON Encapsulation Method).Các ONU và OLT có thể hỗ trợ cả T-CONT nền ATM hoặc GEM

Phương thức đóng gói dữ liệu GPON (GEM) là giải pháp hiệu quả để truyền tải dữ liệu qua mạng GPON, cung cấp khả năng kết nối định hướng tương tự như ATM GPON hỗ trợ đa dạng các loại hình dịch vụ khách hàng, trong đó khách hàng ATM được sắp xếp vào khung GEM theo cả hai hướng Đồng thời, khách hàng TDM cũng được tích hợp vào khung GEM thông qua quy trình đóng gói GEM, cho phép các gói dữ liệu, bao gồm khung Ethernet, được sắp xếp một cách hiệu quả.

GEM hỗ trợ phân mảnh các khung lớn thành các phân mảnh nhỏ và ghép lại ở đầu thu, giúp giảm độ trễ cho lưu lượng thời gian thực Dữ liệu bao gồm khung Ethernet, gói tin IP, IPTV, VoIP và các loại khác, tạo điều kiện cho việc truyền dẫn khung GEM hiệu quả và đơn giản Việc sử dụng GEM trong GPON mang lại hiệu quả cao trong việc truyền tải dữ liệu IP, tận dụng tới 95% băng thông cho phép trên kênh truyền dẫn.

2.2.4 Định cỡ và phân định băng tần động

Để một ONU hoạt động hiệu quả trong mạng PON, cần xác định cự ly giữa ONU và OLT, với cự ly tối đa được quy định là 20km Khoảng cách này khác nhau cho mỗi ONU, dẫn đến sự khác biệt trong độ trễ khứ hồi (RTD) từ mỗi ONU đến OLT Việc xác định chính xác RTD là điều kiện tiên quyết để thực hiện định thời truyền dẫn Do đó, khi có một ONU mới kết nối vào mạng, việc đo đạc cự ly là rất cần thiết.

Hệ thống OLT tự động tạo ra cửa sổ định cỡ cự li để đo trễ và xác định cho ONU truyền tín hiệu cho phép đo trễ Chiều dài của cửa sổ này được thiết lập dựa trên khoảng cách giữa OLT và ONU.

Có hai phương pháp xác định ONU cho quá trình định cỡ cự li: phương pháp xác định ONU đã đăng ký và phương pháp xác định ONU chưa đăng ký Trong phương pháp đầu tiên, mỗi ONU được xác định bằng một số ID riêng trong hệ thống Ngược lại, trong phương pháp thứ hai, OLT không biết số ID của các ONU, dẫn đến một số ONU có thể truyền tín hiệu liên tục để đo độ trễ Để giảm xung đột trong quá trình này, tín hiệu được truyền với khoảng thời gian chờ ngẫu nhiên, tương tự như phương pháp CSMA/CD trong Ethernet Nếu xảy ra xung đột ngay từ đầu, quá trình đo độ trễ vẫn có thể tiếp tục bằng cách lặp lại việc truyền dẫn từ hai đến ba lần.

Hình 2.3: GPON định cỡ cự li giai đoạn 1

Dữ liệu thuê bao không được truyền cho đến khi quá trình ranging hoàn tất, điều này giúp tránh việc tăng trễ truyền dẫn dữ liệu Thêm vào đó, thời gian chờ ngẫu nhiên được áp dụng để giảm thiểu xung đột không được tính vào phép đo trễ khứ hồi (RTD).

Số sêri của ONU là một ID duy nhất, cần được đăng ký và cấp phát ONU-ID để thực hiện các chức năng điều khiển, theo dõi và kiểm tra ONU.

Các bước trong giai đoạn thứ nhât [10]:

1 OLT xác định tât cả các ONU hiện đang hoạt động để cho dừng quá trình truyền dẫn (các ONU ngừng truyền dẫn - (1) ONU halt)

2 OLT xác định ONU không có ONU-ID để yêu cầu truyền số sêri (bản tin yêu cầu số sêri - (2) serial_number request)Sau khi nhận đƣợc yêu cầu truyền số sêri, ONU không có ONU-ID sẽ truyền số sêri (quá trình truyền số sêri - (3) SN transmission) sau khi chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên (tối đa 50ms)

3 OLT chỉ định một ONU-ID tới ONU chƣa đăng ký mà OLT đã nhận đƣợc số sêri (bản tin chỉ định ONU-ID - (4) assign ONU-ID)

Trong giai đoạn tiếp theo, RTD sẽ được đo cho mỗi ONU mới đã đăng ký Đồng thời, giai đoạn này cũng áp dụng cho các ONU bị mất tín hiệu trong quá trình truyền thông.

Hình 2.4: GPON định cỡ cự li giai đoan 2

Các bước trong giai đoạn thứ hai bao gồm:

4 OLT xác định tất cả các ONU đang thông tin để cho dừng quá trình truyền dẫn luồng lên (các ONU ngừng truyền dẫn - (5) ONU halt)

MỘT SỐ VẤN ĐỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 33

Thông tin liên lạc bao gồm các đường thoại, dịch vụ truy cập internet và intranet tốc độ cao, cũng như truy cập internet không dây tại các địa điểm công cộng Ngoài ra, việc sử dụng đường băng thông lớn (BPLL) và làm backhaul cho mạng không dây cũng rất quan trọng trong việc nâng cao chất lượng kết nối.

■ Bảo mật - Camera, Báo cháy, báo đột nhập, Báo động an ninh, trung tâm điều khiển 24/7 với khả năng giám sát, backup dữ liệu, SAN

2.3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

2.3.1 Ảnh hưởng của suy hao

Suy hao sợi quang là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống truyền dẫn, đặc biệt đối với các tuyến cự ly ngắn Khi xem xét một máy phát quang với công suất trung bình Pt, khoảng cách truyền dẫn tối đa được xác định bởi khả năng phát hiện tín hiệu của máy thu với công suất trung bình tối thiểu Pr tại tốc độ bit BT.

Hệ số suy hao trung bình của sợi quang, ký hiệu là  f, được tính theo đơn vị dB/Km và bao gồm suy hao đường truyền quang, suy hao tại các mối hàn và bộ ghép nối quang Chiều dài L phụ thuộc vào tốc độ bit do sự phụ thuộc tuyến tính của P r theo tốc độ bit B T Lưu ý rằng hf là năng lượng photon và Np là số lượng photon trung bình mỗi bit mà máy thu yêu cầu.

Lưu ý rằng: Tích của khoảng cách truyền dẫn và tốc độ bít - theo lí thuyết có giá trị đƣợc giới hạn xác định bởi biểu thức (2.2)

Tốc độ ánh sáng trong chân không là c = 3.10^8 m/s, với n1 là chiết suất của lõi sợi quang và Δ là độ lệch chiết suất tỷ đối giữa lõi và vỏ Đặc trưng của tích B.L cho các sợi quang đa mode và đơn mode được thể hiện qua hình 2.7.

Hình 2.7: Giới hạn tốc độ bít - khoảng cách sợi quang với n 1 = 1.5,

Trong giới hạn của hệ số suy hao thực tế, khoảng cách L giữa máy phát và máy thu giảm theo hàm lôgarit khi BT tăng tại một bước sóng hoạt động cụ thể Các đường liền trong hình 2.7 minh họa sự phụ thuộc của L vào BT cho các sóng hoạt động phổ biến ở các bước sóng = [0,85μm; 1,3μm và 1,55μm] với  f.

= [2,5dB/km ; 0,4dB/km và 0,25 dB/km] tương ứng khi công suất phát là Pt

=1mW ở cả ba bước sóng, trong khi đó N P 00 tại λ = 0.85 μm và N p P0 ở

Giá trị L đạt mức tối thiểu cho các hệ thống thế hệ thứ nhất khi hoạt động ở bước sóng = 0,85 μm, do suy hao sợi quang tương đối lớn tại bước sóng này Khoảng cách giữa các trạm lặp trong các hệ thống này bị giới hạn.

Khoảng cách truyền dẫn trong hệ thống thông tin quang dao động từ 10 đến 25 km, tùy thuộc vào tốc độ truyền dẫn và độ chính xác của suy hao Trong khi đó, khoảng cách giữa các trạm lặp có thể vượt quá 100 km cho các hệ thống hoạt động ở bước sóng 1,55 μm Hình 2.7 so sánh giới hạn suy hao của hệ thống thông tin quang ở bước sóng 0,85 μm với hệ thống thông tin dựa trên cáp đồng trục.

Hình 2.8 minh họa mối quan hệ giữa khoảng cách truyền dẫn và tốc độ bit của các loại sợi quang Đường chấm trong hình cho thấy sự phụ thuộc của khoảng cách (L) vào tốc độ bit (BT) đối với cáp đồng trục, với giả định rằng suy hao tăng theo tỷ lệ với BT Cáp đồng trục cho phép khoảng cách truyền dẫn tốt hơn ở tốc độ bit thấp (BT < 5Mb/s), trong khi hệ thống cáp quang vượt trội khi tốc độ bit lớn hơn 5Mb/s.

2.3.2 Ảnh hưởng của tán sắc

Trong sợi quang, các tần số ánh sáng và mốt khác nhau truyền tín hiệu từ A đến B với thời gian khác nhau, hiện tượng này được gọi là tán sắc Tán sắc gây ra giãn xung trong truyền dẫn quang, dẫn đến giao thoa giữa các ký tự, tăng lỗi bit tại máy thu và giảm khoảng cách truyền dẫn.

Tán sắc trong sợi quang đơn và đa mode bao gồm nhiều loại tán sắc bậc một, như tán sắc vật liệu DM, tán sắc ống dẫn sóng Dw, và các thành phần tán sắc Dp Tán sắc tổng cộng trong sợi quang đơn mode DT được tính theo một biểu thức cụ thể Các hệ số tán sắc trong sợi quang đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất truyền dẫn tín hiệu.

Giãn xung trong sợi quang được tính bằng đơn vị [ps/(nm.km)], và có hai nguyên nhân chính gây ra hiện tượng này Thứ nhất, giãn xung do tán sắc vật liệu, hay còn gọi là tán sắc màu, xảy ra khi vận tốc pha của sóng trong môi trường điện môi thay đổi theo bước sóng hoặc chiết suất của vật liệu silica Thứ hai, độ trễ nhóm trong sợi quang được xác định bởi vận tốc nhóm, ảnh hưởng đến sự truyền dẫn của tín hiệu quang.

Với là chiết suất vật liệu lõi Độ trễ xung do tán sắc vật liệu trong sợi quang có chiều dài L là:

(2.4) Đối với nguồn sáng có độ rộng phổ là và bước sóng trung bình  thì độ giãn xung do tán sắc vật liệu có thể thu đƣợc:

Hệ số tán sắc vật liệu DM đƣợc xác định bởi:

Hình 2.9 Hiện tượng tán sắc b) Giãn xung do tán sắc ống dẫn song

Hệ số tán sắc ống dẫn sóng có thể đƣợc xác định bởi biểu thức:

N2g là chiết suất nhóm của lớp vỏ sợi quang, ảnh hưởng đến tán sắc của ống dẫn sóng Sự thay đổi vận tốc nhóm theo bước sóng tại mode gây ra tán sắc màu Tham số tán sắc của ống dẫn sóng phụ thuộc vào các tham số V của sợi, bao gồm cả đạo hàm bậc một và bậc hai.

V đều là dương, biểu thức (2.7) cho DW âm trong toàn vùng bước sóng truyền thông (từ 0m cho tới 1,6 m)

Biểu đồ trong Hình 2.10 thể hiện hệ số tán sắc vật liệu D M và hệ số tán sắc ống dẫn sóng DW trong toàn bộ vùng bước sóng truyền thông Hệ số tán sắc tổng cộng của sợi quang D = DM + DW [ps/(nm-km)] cho sợi đơn mode điển hình Hệ số tán sắc vật liệu DM âm khi λ < λZD = 1,276μm và dương khi λ > λZD Tán sắc ống dẫn sóng đã dịch λZD khoảng 30-40 nm, với λZD ~ 1,31μm, đồng thời làm giảm giá trị tán sắc tổng cộng D trong khoảng bước sóng 1,3-1,6μm, quan trọng cho các hệ thống truyền thông quang Giá trị tiêu biểu của D trong khoảng 15-18 ps/(km-nm) gần bước sóng 1,55μm.

Hình 2.10: Tán sắc tổng cộng D liên quan đến D M và D W

Tán sắc ống dẫn sóng DW phụ thuộc vào các thông số sợi quang như bán kính lõi a và độ lệch chiết suất lõi vỏ Δ Nhờ đó, có thể thiết kế các sợi quang với λZD khoảng 1,55 mm, được gọi là sợi dịch tán sắc (DSF) Bằng cách điều chỉnh sự đóng góp của ống dẫn sóng, hệ số tán sắc tổng cộng D có thể được giữ ở mức tương đối nhỏ trên dải bước sóng rộng từ 1,3-1,6 mm, dẫn đến việc hình thành sợi tán sắc phẳng.

Hình 2.10 minh họa sự phụ thuộc của D vào bước sóng và tán sắc tổng cộng D liên quan đến D M và D W Tán sắc ống dẫn sóng D W có thể được áp dụng để chế tạo sợi quang giảm tán sắc, trong đó GVD giảm dọc theo chiều dài sợi Một loại sợi quang được gọi là sợi bù trừ tán sắc, trong đó hệ số tán sắc âm được áp dụng cho bước sóng truyền thông tại λ < λZD.

CÁC MÔ HÌNH TRIỂN KHAI FTTX TRÊN NỀN GPON

Căn cứ vào độ vươn xa của cáp quang từ OLT tới ONT/ONU mà chia thành 4 mô hình triển khai FTTx điển hình: FTTH, FTTB, FTTO, FTTC [4]

Hình 2.12: Fiber to the home “Cáp quang nối tới từng nhà”

2.4.1 Mô hình triển khai FTTH-GPON (Fiber to the home)

Hình 2.13: Cấu trúc mạng FTTH-GPON

 Đối tượng khách hàng và các dịch vụ triển khai:

Giải pháp FTTx cung cấp truy cập mở cho các dịch vụ truyền hình, thoại và Internet tốc độ cao, kết nối từ ONT đến OLT để phục vụ khách hàng là các hộ gia đình.

48 dân cƣ Khách hàng có thể lựa chọn RSPs tùy theo nhu cầu thực tế để cung cấp các dịch vụ tương ứng

 Kế hoạch và thiết kế mạng:

- Kế hoạch VLAN (Virtual Local Area Network)

- Kế hoạch địa chỉ IP

2.4.2 Mô hình triển khai FTTB/FTTC - GPON (Fiber to the building/Fiber to the curb)

Giải pháp FTTB (Fiber To The Building) được áp dụng cho các tòa nhà doanh nghiệp và căn hộ có mật độ cư dân vừa phải Trong hệ thống FTTB, OLT (Optical Line Terminal) kết nối qua sợi quang đến các ONU (Optical Network Unit) được lắp đặt trong hành lang tòa nhà Các ONU này sau đó kết nối với các thiết bị đầu cuối của người dùng thông qua cáp xoắn, nhằm cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và video cho cư dân trong tòa nhà.

Giải pháp FTTC (Fiber to the Curb) được triển khai cho các khu công nghiệp và căn hộ rải rác, kết nối OLT qua sợi quang đến các ONU lắp đặt trong hộp phân phối cáp trên lề đường Các ONU này sử dụng cáp xoắn đôi để kết nối với thiết bị đầu cuối của người dùng, cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và video cho cư dân trong căn hộ hoặc công viên.

Hình 2.14: Cấu hình mạng FTTB/FTTC

 Đối tượng khách hàng và các dịch vụ triển khai:

Giải pháp FTTB được sử dụng cho các tòa nhà doanh nghiệp và căn hộ với mật độ dân cư vừa phải, trong khi giải pháp FTTC phù hợp cho các khu công nghiệp và căn hộ phân tán Cả hai giải pháp này đều cung cấp dịch vụ Internet VDSL2 tốc độ cao, dịch vụ thoại và truyền hình độ nét cao với băng thông lên đến 50 Mbit/s cho người dùng Hình 2.4 minh họa ứng dụng dịch vụ cho hộ gia đình.

Hình 2.15: Các dịch vụ cung cấp trong mô hình FTTB/FTTC

- Dịch vụ truyền hình (IPTV, CATV)

Trong mạng FTTB/FTTC, kế hoạch VLAN thường áp dụng hai cơ chế chính: chế độ đa cạnh dựa trên mỗi thuê bao và chế độ dịch vụ riêng biệt cho từng thuê bao.

50 mỗi VLAN (PUPSPV) và cơ chế đơn cạnh trên mỗi thuê bao mỗi VLAN (PUPV)

- Cơ chế đơn cạnh VLAN (PUPV) + Kế hoạch QoS

+ Bảo mật và độ tin cậy + MDU trước khi triển khai + Thiết lập kênh quản lí cho MDU

2.4.3 Mô hình triển khai FTTO - GPON (Fiber to the office)

HW5626 đóng vai trò nhƣ SBU và OLT là hai thiết bị chính trong mạng FTTO, đƣợc mô tả nhƣ trong hình

Hình 2.16: Mô hình triển khai FTTO

- Các tính năng của mạng FTTO:

- Sử dụng công nghệ PON để hỗ trợ các dịch vụ với khoảng cách xa mà công nghệ truy nhập cáp đôi không thể đáp ứng

- Cung cấp giao diện E1 để đáp ứng yêu cầu dịch vụ truy nhập TDM cung cấp bởi các thiết bị có sẵn nhƣ PBX

- Hỗ trợ các giao diện FE/GE để cung cấp dịch vụ dữ liệu cho các doanh nghiệp và thực hiện liên kết nối giữa các doanh nghiệp

 Đối tượng khách hàng và triển khai dịch vụ doanh nghiệp

Mô hình FTTO đƣợc áp dụng chủ yếu cho các cơ quan, doanh nghiệp

 Kế hoạch và thiết kế mạng

- Kế hoạch VLAN và địa chỉ IP

- Đảm bảo chất lƣợng dịch vụ QoS

Kết luận

Công nghệ GPON chịu ảnh hưởng bởi một số đặc điểm chủ yếu sau:

 Tán sắc ảnh hưởng tới chất lượng của mạng GPON

 Cần có quỹ dự phòng về công suất, nhiễu và thời gian lên của xung để tính toán thiết kế mạng có tính thực tế

Các mô hình triển khai GPON thực tế hướng đến việc xây dựng mạng cung cấp dịch vụ toàn diện, hỗ trợ đồng thời cả dịch vụ TDM và Ethernet, đồng thời đảm bảo hiệu suất sử dụng băng thông cao.

Công nghệ GPON là giải pháp hiệu quả cho mạng truy nhập băng rộng tốc độ cao, đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật của dịch vụ Với khả năng giải quyết các vấn đề cơ bản về kỹ thuật, GPON trở thành công nghệ PON tối ưu nhất hiện nay, mang lại băng thông sử dụng hiệu quả.

TRIỂN KHAI MẠNG FTTx-GPON TẠI BẮC NINH

ĐẶT VẪN ĐỀ

Bài toán xây dựng mạng GPON cho khu vực thành phố Bắc Ninh tập trung vào việc cung cấp thông tin truyền dẫn quang đến các hộ gia đình (FTTH) Mạng được thiết kế theo topo hình cây, sử dụng các bộ chia tín hiệu quang thụ động để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong việc phân phối dịch vụ.

 Từ trạm phân phối, các tuyến trục chính cáp quang qua các đường

Lý Thái Tổ, Nguyễn Trãi, Nguyễn Văn Cừ và Nguyễn Quyền là những trục chính của tuyến cáp quang, từ đó, cáp được phân nhánh đến các ngõ lớn, ngõ nhỏ và kết nối đến từng hộ gia đình thông qua các bộ chia thụ động.

 Tốc độ truyền dẫn yêu cầu: Đường lên (Uplink) 1,5Gb/s và đường xuống (Downlink) 2,5Gb/s Tốc độ cấp cho thuê bao trung bình đường lên 8 Mb/s, đường xuống 12 Mb/s

Trên cơ sở mô hình mạng, tính toán thiết kế hệ thống thông tin sợi quang sử dụng công nghệ GPON cho khu vực thành phố Bắc Ninh.

KHẢO SÁT THIẾT KẾ

Hình 3.1: Bản đồ thành phố Bắc Ninh

Dân số của thành phố Bắc Ninh năm 2016 là 164.370 người chiếm 14,7% dân số của cả tỉnh Bắc Ninh, bao gồm

- 3 xã: Hòa Long, , Kim Chân, Nam Sơn

- 16 phường: Đáp Cầu, Thị Cầu, Vũ Ninh, Suối Hoa, Ninh Xá, Tiền

An, Vệ An, Vạn An, Kinh Bắc, Đại Phúc, Võ Cường, Vân Dương, Hạp Lĩnh, Phong Khê, Khúc Xuyên, Khắc Niệm

Khu vực này hiện chưa có hạ tầng mạng cáp quang, chủ yếu sử dụng hệ thống mạng ADSL từ Viettel và FPT Telecom Nhu cầu sử dụng internet tốc độ cao, chia sẻ dữ liệu và dịch vụ giải trí của tổ chức, công ty và người dân ngày càng tăng, trong khi tốc độ và chất lượng dịch vụ trên hạ tầng ADSL không đáp ứng được yêu cầu này.

Giải pháp mạng cáp quang hóa cho khu vực quy hoạch sử dụng kiến trúc FTTH (Fiber to the Home) là tối ưu nhất, với tất cả cáp chính và cáp phối đều là cáp quang Thiết bị đầu cuối mạng quang được lắp đặt tại nhà khách hàng, mang lại tốc độ cao, băng thông lớn và độ trễ thấp Trong cấu hình này, các bộ chia quang thụ động được đặt tại các tủ quang cấp 2, cấp 3 hoặc các măng xông ngầm gần khu vực nhà khách hàng Mỗi đơn vị mạng GPON phục vụ trực tiếp cho từng vùng, khu vực cụ thể.

Hình 3.2: Ví dụ về kiến trúc mạng FTTH mới GPON

Hệ thống thông tin ứng dụng công nghệ GPON với mạng quang thụ động có khả năng đáp ứng đầy đủ nhu cầu sử dụng mạng, bao gồm dịch vụ internet và truyền hình theo yêu cầu, phục vụ từng khách hàng một cách hiệu quả.

3.2.2 Yêu cầu kỹ thuật cho tuyến cáp a Tổn hao trong sợi quang thấp nhất

Tín hiệu quang trong sợi quang suy giảm biên độ theo dạng hàm mũ từ vị trí phát đến vị trí thu Khi công suất trung bình đầu vào sợi quang là PP và sợi quang có độ dài L, công suất trung bình đầu ra sợi quang PT được tính toán dựa trên các yếu tố này.

Trong đó: α là hệ số suy hao riêng của sợi quang, L là chiều dài sợi quang và P 0 công suất quang lối vào

Khi thiết kế tuyến quang, cần xem xét không chỉ suy hao từ sợi quang mà còn từ các mối hàn và bộ nối Ngoài ra, cần dự phòng suy hao cho mỗi km chiều dài của sợi quang Suy hao trung bình của sợi quang là yếu tố quan trọng trong tính toán này.

Km sợi là α s trong thiết kế đƣợc tính nhƣ sau :

- αs là suy hao trung bình của sợi quang do nhà sản xuất đặt ra

- αM là suy hao dự phòng cho sợi quang

- αh là suy hao các mối hàn trên toàn tuyến Độ dài tối đa của sợi quang với quỹ công suất Pb cho trước được xác định bởi

Trong quá trình thiết kế, mục tiêu chính là đạt được công suất L cực đại Do đó, công suất trung bình nhỏ nhất ở đầu vào máy thu sẽ được xác định với tốc độ bit truyền B mong muốn, được tính theo công thức PT = Np γ h B.

- Np là số photon trung bình trên bit

- γ là tần số sóng ánh sáng

Nên L sẽ giảm theo hàm logarit khi B tăng

Từ thực tế ta thấy :

Với bước sóng λ= 0,85μm, chiều dài truyền dẫn L không vượt quá 40 Km cho mọi giá trị băng thông B Nếu băng thông yêu cầu B < 100Mb/s, có thể sử dụng sợi quang GI-MM, nhưng chiều dài truyền dẫn chỉ đạt từ 20 đến 30 Km Đối với băng thông B > 100 Mb/s, bước sóng này không được sử dụng.

Với bước sóng λ=1,3 âm, có thể đạt được khoảng cách L vượt quá 100 km khi băng thông B nhỏ hơn 1 Gb/s, tuy nhiên, điều này chịu ảnh hưởng của suy hao lớn Do đó, việc sử dụng loại sợi quang đơn mode (SM) là cần thiết để đạt được khoảng cách lớn hơn.

Với bước sóng λ = 1,55 µm, có thể đạt được khoảng cách L > 200 km khi băng thông B đạt 5 Gb/s Tuy nhiên, khi tốc độ bit B tăng cao, khoảng cách L giảm nhanh chóng do ảnh hưởng của tán sắc trong sợi quang Để tối ưu hóa khoảng cách L, nên sử dụng loại sợi đơn mode (SM) Nếu có sợi SM có tán sắc dịch chuyển, cả băng thông B và khoảng cách L đều có thể được nâng cao đáng kể.

Chương trình mô phỏng độ dài tuyến và các tham số ảnh hưởng đến suy hao mạng GPON được thực hiện bằng phần mềm Opticsystem, như minh họa trong hình 3.3 Mô hình này giả định tuyến hình cây với hai nhánh, trong đó chiều dài tuyến, số nhánh con của mỗi nhánh và số lượng thuê bao của hai nhánh là khác nhau, được xác định thông qua bộ suy hao quang.

Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng mạng quang FTTx

Chương trình mô phỏng trong hình 3.3 cung cấp một mô tả đơn giản về phương pháp xác định các tham số suy hao tuyến Nó cũng cho thấy cách chọn các tham số truyền dẫn để đảm bảo tốc độ truyền dẫn cho thuê bao, đồng thời duy trì tốc độ bit lỗi trong mức chấp nhận.

Kết quả BER đƣợc chỉ ra trong hình 3.4 của hai nhánh đồng đều nhƣ nhau hình đưới đây cho thấy mô hình hoạt động ổn định

Hình 3.4: Phân tích BER truyền dẫn FTTx b Độ tán sắc của sợi quang

Giới hạn truyền thông trong sợi quang bị ảnh hưởng bởi độ tán sắc, với tích số giữa tốc độ truyền B và độ dài tuyến quang L (BL) là đại lượng không đổi để đánh giá tác động của tán sắc Trong sợi quang đa mode, tán sắc gồm tán sắc mode DMode, tán sắc vật liệu DM và tán sắc ống dẫn sóng DW, trong đó tán sắc mode chiếm ưu thế Ngược lại, sợi đơn mode không có tán sắc mode DMode, chỉ có tán sắc vật liệu DM, tán sắc màu Dw và tán sắc cấu trúc, gọi là tán sắc màu, bao gồm cả tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng.

Sợi quang đơn mode có hệ số tán sắc tổng công

Tán sắc gây ra hiện tượng giãn xung, và độ giãn xung này có thể được xác định thông qua việc nghiên cứu tán sắc vật liệu cũng như tán sắc trong ống dẫn sóng Thực nghiệm cho thấy rằng cả hai loại tán sắc đều ảnh hưởng đến độ giãn xung, từ đó cung cấp thông tin quan trọng về các đặc tính quang học của vật liệu và cấu trúc sóng.

Với: - L là độ dài tuyến sợi quang

- B L là dải thông giới hạn bởi tán sắc mode

- DM là hệ số tán sắc vật liệu của 1 Km sợi quang

Độ rộng phổ nguồn quang, ký hiệu là ∆λ, có vai trò quan trọng trong việc xác định độ giãn xung của các loại sợi đa mode khác nhau, bao gồm sợi SI và GI Để tính toán độ giãn xung tương ứng, cần áp dụng các công thức cụ thể cho từng loại sợi.

Với: - là chiết suất lõi, vỏ sợi quang

Độ tán sắc giữa lõi và vỏ sợi quang ảnh hưởng đến khoảng cách truyền dẫn L và tốc độ bit B Khi tốc độ bit vượt quá một ngưỡng nhất định, khoảng cách truyền dẫn L giảm nhanh chóng do tán sắc Sợi quang đa mode có giá trị L và B nhỏ hơn sợi đơn mode, nhưng việc sử dụng sợi đơn mode có thể giảm thiểu ảnh hưởng của tán sắc, giúp tăng cự ly truyền dẫn L và tốc độ bit B đạt giá trị cao hơn.

MẠNG FTTH TẠI KHU VỰC NGUYỄN TRÃI

Xét ví dụ triển khai mạng FFTH tại khu vực Nguyễn Trãi Bắc Ninh đến các tuyến Lý Thái Tổ, Nguyễn Văn Cừ, Nguyễn Quyền

 Nguồn cấp: Nguồn cấp thông tin cho khu vực là OLT đƣợc cấp từ nhà POP 128 Nguyễn Trãi

 Cáp chính: Tuyến cáp chính FO12 hoặc FO24 kéo từ tổng đài OLT về khu quy hoạch đấu nối vào tủ FDH (tủ phối quang cấp 1)

Tủ phối quang cấp 1, hay còn gọi là tủ phối quang FDH, được lắp đặt trên vỉa hè tại các tuyến đường chính như Lý Thái Tổ, Nguyễn Văn Cừ, và Nguyễn Trãi, đảm bảo vị trí gần trung tâm khu quy hoạch Việc này giúp tiết kiệm chiều dài cáp phối đến các tủ phối quang cấp 2 và cấp 3 Bên trong tủ phối FDH có bộ chia quang với các tỷ lệ 1:4, 1:8, 1:16 hoặc 1:32, cùng với dàn phối quang ODF (Optical Distribution Frame) để thực hiện đấu nối với cáp phối.

 Cáp phối: Từ tủ phối quang cấp 1 kéo ra các tuyến cáp phối để cấp nguồn cho các tủ phối quang cấp 2 và cấp 3

 Tủ phối quang cấp 2, cấp 3: Tại các tủ này sẽ đặt các bộ chia 1:8,

Để đạt được quỹ suy hao công suất nhỏ nhất và băng thông lớn nhất, cần lựa chọn tần số 1:16 hoặc 1:32, với số bộ chia phụ thuộc vào dung lượng của tủ Các tủ phối này sẽ được lắp đặt trên các cột điện và vỉa hè.

Lựa chọn bộ chia quang (Splitter) cho mạng FTTH tại Bắc Ninh là cần thiết do mật độ thuê bao cao và nhiều toà nhà Giải pháp lắp đặt splitter 2 cấp mang lại nhiều ưu điểm như hệ số suy hao thấp, dễ dàng kiểm tra và bảo trì mạng cáp quang Hệ thống này cho phép cấu hình cáp quang linh hoạt, phù hợp cho cả khu thương mại và khu vực thuê bao không tập trung Với cách tiếp cận này, công suất quang được chia tách hai lần, đảm bảo tất cả dịch vụ của khách hàng được truyền tải hiệu quả qua hai cấp Splitter.

Dây thuê bao quang (Optical Drop Wire) là loại dây được kéo từ điểm truy cập (AP) hoặc tủ phân phối (FDT) đến hộp kết cuối tại nhà thuê bao (ATB - Access Terminal Box/Outlet) Dây này có dung lượng 2 Fo, cho phép kết nối hiệu quả và ổn định cho người dùng.

Một số khách hàng đặc biệt như văn phòng, nhà máy, trung tâm thương mại và trạm BTS có thể sử dụng cáp quang thuê bao với dung lượng 8 Fo hoặc 12 Fo.

3.3.2 Mô hình triển khai thực tế

Hình 3.7: Sơ đồ thiết kế mạng quang thụ động GPON Bắc Ninh

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com

Hình 3.8: Sơ đồ lắp đặt thiết bị ngoài thực tế hệ thống GPON TP.Bắc Ninh

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com

3.2.3 Tính toán lựa chọn thiết bị

Nhu cầu sử dụng đã được xác định trong Bảng 1, trong đó chỉ chọn dung lượng cáp gốc, cáp phối, tủ phối quang, tập điểm và bộ chia quang dựa trên nhu cầu đã tính toán Khu quy hoạch được chia thành 3 khu vực.

 Khu II - Nguyễn Văn Cừ (F-02)

 Khu III - Hồ Đắc Di, Nguyễn Quyền (mở rộng thêm)

Tính điển hình khu I: Đặt 2 tủ phối quang cấp 2: (F-01 và F-02)

Tủ F-01 phục vụ một nửa khu B3,B7 và B6:

Khu biệt thự B3 có nhu cầu sử dụng 78TB, trong khi tủ F-01 chỉ đáp ứng một nửa, do đó nhu cầu thuê bao cần cung cấp là 39TB Để đáp ứng nhu cầu này, cần chọn 2 tập điểm với dung lượng mỗi tập điểm là 24FO.

 Khu nhà liền kề B6 nhu cầu sử dụng là 64TB, chọn 3 tập điểm với dung lƣợng mỗi tập điểm là 24FO

Khu nhà liền kề B7 có nhu cầu sử dụng lên đến 96TB, trong khi tủ F-01 chỉ đáp ứng một nửa, tức là 48TB Để đáp ứng nhu cầu này, cần lựa chọn 2 tập điểm, mỗi tập điểm có dung lượng 24FO.

Tổng thuê bao = 2x24 + 3x24 + 2x24 = 168TB Vậy chọn tủ phối quang cấp 2 (F-01) với dung lƣợng 288FO

Số bộ chia = 288/32 = 9 (bộ) + Dung lƣợng cáp phối đến tủ phối quang cấp 2 F-01 là 12FO

Tủ F-02 phục vụ một nửa khu B3,B7, công viên cây xanh và trường mẫu giáo:

Khu biệt thự B3 cần sử dụng 78TB, trong khi tủ F-01 chỉ phục vụ được một nửa, do đó nhu cầu thuê bao cần cung cấp là 39TB Để đáp ứng nhu cầu này, cần chọn 2 tập điểm với dung lượng mỗi tập điểm là 24FO.

Khu nhà liền kề B7 có nhu cầu sử dụng lên đến 96TB, trong đó tủ F-01 chỉ đáp ứng một nửa, dẫn đến nhu cầu thuê bao cần cung cấp là 48TB Để đáp ứng nhu cầu này, cần chọn 2 tập điểm với dung lượng mỗi tập điểm là 24FO.

 Công viên cây xanh nhu cầu sử dụng thông tin là 5TB nên chọn một tập điểm với dung lƣợng 12FO

 Trường mẫu giáo nhu cầu sử dụng thông tin là 16TB nên chọn một tập điểm với dung lƣợng 24FO

Tổng thuê bao = 2x24 + 2x24 + 1x12 + 1x24= 132TB Vậy chọn tủ phối quang cấp 2 (F-02) với dung lƣợng 144FO

Số bộ chia = 144/16 = 9 (bộ) + Dung lƣợng cáp phối đến tủ phối quang cấp 2 F-02 là 12FO

Tính toán tương tự với các khu còn lại ta được bảng thống kê:

Bảng 3.3: Thống kê dung lƣợng cáp phối, bộ chia

3.2.4 Lựa chọn thiết bị OLT và ONT

So sánh thiết bị OLT giữa các nhà cung cấp nhƣ Alcatel, Huawei,

Hãng sản xuất - Tên thiết bị

Triple Play (Voice Video Data)

2 port 1Gb 2 port 10Gb 2 port 10Gb

Dung lƣợng thuê bao trên 1 port PON

Bảng 3.4 So sánh lựa chọn thiết bị OLT

- Nơi xuất xứ: Trung Quốc

- Kích thước: 442mm x 263.9mm x 283.2mm

- Công suất phát: Polt = 7dBm

- Nơi xuất xứ: Trung Quốc

- Kích thước: 176mm x 138.5mm x 28mm

- Công suất phát: Pont = 5dBm

3.2.5 Tính toán băng thông và độ suy hao của splitter quang

Bộ chia quang là thiết bị chia công suất quang học, với nhiều loại khác nhau Một số bộ chia có công suất đầu ra đồng đều, trong khi những loại khác có tỉ lệ công suất đầu ra như 1:4, 1:8, 1:16 Ngoài ra, bộ chia quang còn hoạt động như một bộ chia băng thông, giúp tối ưu hóa việc phân phối tín hiệu.

Tốc độ hướng xuống của hệ thống GPON tại thành phố Bắc Ninh với OLT đặt ở Nguyễn Trãi đạt 2,5Gbps Với hệ số chia của splitter cấp 1 là 1:4, băng thông tối đa dành cho các người dùng hướng xuống sẽ được phân bổ tương ứng.

Băng thông USER = (Tốc độ hướng xuống / hệ số chia của splitter)

 Độ suy hao của splitter đƣợc tính theo công thức:

Ví dụ: dùng bộ chia 1:32 => 10Log(1/32) = 15dB

3.2.6 Tốc độ bit và công suất

Khi tốc độ bit tăng, tỷ lệ lỗi bit cũng tăng theo, do đó yêu cầu công suất phát và độ nhạy của bộ thu cũng cần cao hơn Dưới đây là công suất phát theo tiêu chuẩn khuyến nghị của ITU-T984.

Bảng 3.5 Công suất phát theo tiêu chuẩn của ITU-T984

3.3 MẠNG FTTH - GPON THÀNH PHỐ BẮC NINH

Hoạt động mạng FTTH-GPON đã triên khai tại Bắc Ninh

 Lưu lượng sử dụng mạng FTTH-GPON đã triên khai tại Bắc Ninh Hoạt động của mạng FTTH-GPON đã triển khai, đã cung cấp đƣợc trên

Với 115 thuê bao cho khách hàng, dịch vụ băng thông rộng tốc độ cao cho phép sử dụng nhiều dịch vụ Internet như IPTV, VOD, Video Conference và IP Camera Lưu lượng sử dụng trung bình của một thuê bao là 120GB/tháng, dẫn đến lưu lượng trung bình của mạng FTTH-GPON tại Bắc Ninh đạt 13,800GB/tháng và 165,600GB/năm.

Độ ổn định băng thông (tốc độ thuê bao) là yếu tố quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ mạng của khách hàng, với sự khác biệt về tốc độ giữa các thuê bao Mạng FTTH-GPON tại Bắc Ninh đã được triển khai để cung cấp dịch vụ băng thông cao, tốc độ nhanh và mượt mà Nhà mạng cung cấp nhiều gói thuê bao với băng thông từ 10 Mbps đến 45 Mbps, trong đó mức độ ổn định băng thông trung bình cho khách hàng đạt khoảng 22 Mbps.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Chương 3 này đã nêu ra đầy đủ các bước lựa chọn khảo sát, tính toán số lƣợng nhu cầu thuê bao, tính toán lựa chọn thiết bị để có thể thiết kế xây dựng hệ thống mạng GPON cho một khu vực nhất định của Thành phố Bắc Ninh

Bằng cách sử dụng mô phỏng tính toán để phân tích các tham số mạng quang như suy hao, tán sắc và ồn, chúng tôi chọn lựa các linh kiện quang phù hợp cho mạng FTTH-GPON Bắc Ninh Mục tiêu là đảm bảo đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đồng thời tối ưu hóa chi phí, giúp giảm giá thành dịch vụ, tăng tính cạnh tranh và thu hút sự chấp nhận từ người dùng.

Mạng FTTH-GPON tại Bắc Ninh đã được triển khai và hoạt động đúng theo yêu cầu kỹ thuật Mặc dù gặp một số vấn đề trong quá trình vận hành như bảo dưỡng và mở rộng dịch vụ, nhưng nhìn chung, mạng vẫn hoạt động ổn định và hiệu quả.

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	3,36 MB