nghiên cứu công nghệ gpon và ứng dụng cho mạng truy nhập băng rộng tại viễn thông bắc ninh

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trướcFTTB Fiber to the Building Cáp quang nối đến toà nhà FTTC Fiber to the Curb Cáp quang nối đến cụm dân cư FTTH Fiber to the Home Cáp quang nối đế

Lời đầu tiên, tôi xin cảm ơn tới khoa Đào tạo sau đại học – Trường Đại học

Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và các thầy cô giảng dạy trực tiếp đã giúp đỡ,

truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức bổ ích cho công việc thực tế của bản thân cũng

như đúc kết kiến thức vào bản luận văn này

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Hữu Công– Phó Giám đốc Đại học Thái Nguyên, người thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp tôihoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các các anh, chị trong phòng Quản lý mạng vàDịch vụ - Viễn thông Bắc Ninh đã giúp đỡ về chuyên môn và tạo điều kiện về thờigian để tôi thực hiện luận văn này Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh/chị trongnhóm FTTx Ban Viễn thông - Tập đoàn BCVT Việt Nam đã giúp đỡ tôi trong quátrình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn các anh, chị và bạn bè thuộc lớp Cao học Kỹ thuậtĐiện tử khóa 13 đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và trong quá trìnhhoàn thiện luận văn

Mặc dù đã rất cố gắng hoàn thành luận văn, nhưng với thời gian và khả năng

có hạn, nên luận văn không thể tránh khỏi còn những thiếu sót, hạn chế Tôi rấtmong được sự góp ý chân thành của thầy, cô và các bạn để bổ sung hoàn thiện trongquá trình nghiên cứu tiếp theo về vấn đề này

Xin chân thành cảm ơn !

Thái Nguyên, tháng năm 2012

Nguyễn Mạnh Thắng

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 9

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 3

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG TRUY NHẬP QUANG THU ĐỘNG (PON) 3

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.2 KIẾN TRÚC MẠNG PON 3

1.3 CÁC CÔNG NGHỆ PON 5

1.3.1 Công nghệ APON/BPON 5

1.3.2 Công nghệ EPON/GEPON 6

1.3.3 Công nghệ GPON 6

1.3.4 Công nghệ WDM PON 7

1.3.5 Nhận xét 7

1.4 KẾT LUẬN 8

Chương 2 10

CÔNG NGHỆ MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG GIGABIT (GPON).10 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 10

2.2 KIẾN TRÚC GPON 10

2.2.1 Cấu trúc hệ thống GPON 10

2.2.2 Chức năng của các khối trong mạng GPON 11

2.3 ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ GPON 15

2.3.1 Các thông số kỹ thuật 15

2.3.2 Khả năng cung cấp băng thông 16

2.3.3 Khả năng cung cấp dịch vụ 17

2.3.4 Kỹ thuật truy nhập và phương thức ghép kênh 19

2.3.5 Lớp hội tụ truyền dẫn 20

2.3.6 Cấu trúc khung GPON 24

2.3.9 Bảo mật và mã hoá 42

2.3.10 Một số vấn đề cần quan tâm khi tính toán thiết kế đối với mạng GPON .43

2.4 TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI GPON TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM 44

2.4.1 Tình hình triển khai GPON trên thế gới 44

2.4.2 Tình hình triển khai GPON tại Việt Nam 44

2.4.3 Các giải pháp của một số hãng điển hình 45

2.5 KẾT LUẬN 46

Chương 3 48

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPON CHO MẠNG TRUY NHẬP BĂNG RỘNG TẠI VIỄN THÔNG BẮC NINH 48

3.1 ĐỊNH HƯỚNG TRIỂN KHAI GPON CỦA VNPT 48

3.1.1 Định hướng phát triển các dịch vụ mới cho khách hàng 48

3.1.2 Định hướng phát triển mạng truy nhập băng rộng của VNPT 50

3.1.3 Định hướng công nghệ cho mạng truy nhập của VNPT 52

3.2 DỰ BÁO NHU CẦU DỊCH VỤ BĂNG RỘNG VÀ PHÁT TRIỂN THUÊ BAO CỦA VIỄN THÔNG BẮC NINH TỚI NĂM 2016 54

3.2.1 Các bước dự báo nhu cầu dịch vụ và phát triển thuê bao 54

3.2.2 Các phương pháp dự báo dịch vụ và thuê bao 56

3.2.3 Lựa chọn mô hình dự báo nhu cầu dịch vụ và phát triển thuê bao 56

3.2.4 Dự báo nhu cầu phát triển dịch vụ và phát triển thuê bao của Viễn thông Bắc Ninh tới năm 2015 58

3.3 HIỆN TRẠNG MẠNG BĂNG RỘNG CỦA VIỄN THÔNG BẮC NINH .62 3.3.1 Mạng MAN-E 62

3.3.2 Mạng truy nhập băng rộng của Viễn thông Bắc Ninh 63

3.3.3 Nhận xét chung 64

3.4 PHƯƠNG ÁN TRIỂN KHAI GPON CHO VIỄN THÔNG BẮC NINH TỚI NĂM 2016 VÀ ĐỊNH HƯỚNG TỚI NĂM 2020 65

3.4.1 Nguyên tắc triển khai 65

3.4.2 Tính toán băng thông, lựa chọn thiết bị 67

3.5 KẾT LUẬN 72

KẾT LUẬN 73

KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 77

Phụ lục A : Các phương pháp dự báo nhu cầu dịch vụ và phát triển thuê bao 77

Phụ lục B : Dự báo nhu cầu dịch vụ và phát triển thuê bao của Viễn thông Bắc Ninh tới năm 2016 79

Phụ lục C: Hiện trạng mạng truy nhập băng rộng Viễn thông Bắc Ninh 91

Phụ lục D: Ứng dụng công nghệ GPON cho mạng truy nhập băng rộng tại Viễn thông Bắc Ninh 101

Phụ lục E: Kiến trúc các mặt phẳng C/M và mặt phẳng U 104

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

ADSL Asymmetrical DSL Đường dây thuê bao số không đối xứngAES Advanced Encryption Standar Chuẩn mã hoá tiên tiến

Alen ATM (partition) lenght Chiều dài phần ATM

Alloc-ID Allocation Identifier Bộ nhận dạng phân định

AON Active Optical Network Mạng quang tích cực

APON ATM Passive Optical Network Mạng quang thụ động ATM

ATM Asynchronous Tranfer Mode Chế độ truyền tải không đồng bộ

BCH Bose-Chaudhuri-Hocquengham Mã BCH

BIP Bit Interleaved Parity Bit kiểm tra chẵn lẻ

Blen Bwmap lenght Chiều dài bản đồ băng thông

B-PON Broadband Passive Optical Mạng quang thụ động băng rộng

BRAS Broadband Remote Access Server Server truy nhập băng rộng từ xa

CATV Cable Television Truyền hình cáp

CES Carrier Ethernet Switch Bộ chuyển mạch mang lưu lượng EthernetCRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra vòng dư

DBA Dynamic Bandwith Assigment Phân định băng thông động

DBR Deterministic Bit Rate Tốc độ bit danh định

DBRu Dynamic Bandwith Report Báo cáo băng thông động luồng lên

DRR Deficit round - robin Quay vòng không đầy đủ

DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số

DSLAM DSL Access Multiplexer Bộ ghép kênh truy nhập đường dây thuê bao

sốEPON Ethernet Passive Optical Mạng quang thụ động Ethernet

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước

FTTB Fiber to the Building Cáp quang nối đến toà nhà

FTTC Fiber to the Curb Cáp quang nối đến cụm dân cư

FTTH Fiber to the Home Cáp quang nối đến nhà thuê baoFTTN Fiber to the Node Cáp quang nối đến các điểm nútGEM G-PON Encapsulation Method Phương thức đóng gói GPON

GPM G-PON Physical Media Môi trường vật lý GPON

GPON Gigabit Passive Optical Network Mạng quang thụ động Gigabit

GTC G-PON Transmission Hội tụ truyền dẫn GPON

HDSL Hight bit rate DSL Đường dây thuê bao số tốc độ caoHDTV Hight Difinition Television Truyền hình phân giải cao

HEC Header Error Control Điều khiển lỗi mào đầu

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ thuật điện và điện tử

ITU International Telecommunication

LAN Local Area Network Mạng cục bộ

MAN Metro Area Network Mạng đô thị

MANE MAN Ethernet Mạng đô thị công nghệ EthernetMSAN Multi Service Access Node Nút truy cập đa dịch vụ

OAM Operation Administration Vận hành, quản lý, bảo dưỡng

ODN Optical Distribution Network Mạng phân phối quang

OLT Optical Line Terminal Thiết bị kết cuối đường quang

OMCI ONU Management and Control

Interface Giao diện quản lý và điều khiển ONUONT Optical Network Termination Thiết bị kết cuối mạng quang

ONU Optical Network Unit Thiết bị đầu cuối quang người dùng

PCBd Physical Control Block Khối điều khiển vật lý hướng xuốngPDU Protocol Data Units Đơn vị số liệu giao thức

PLI Payload Length Indicator Chị thị chiều dài tải

PLOAM Physical Layer OAM Lớp vật lý OAM

PLOAMd PLOAM downstream PLOAM hướng xuống

PLOu Physical Layer Overhead Mào đầu lớp vật lý hướng lên

PLSu Power Levelling Sequence Điều khiển công suất hướng lênPMD Physical Medium Dependent Phụ thuộc môi trường vật lý

PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động

Port-ID Port Identifier Nhận dạng cổng

PTI Payload Type Indicator Chỉ thị loại tải

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ

SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SDTV Standard Definition Television Truyền hình độ phân giải tiêu chuẩnSTM Synchrounous Transport Mode Chế độ truyền tải đồng bộ

TC Transmission Convergence Hội tụ truyền dẫn

T-CONT Transmission Container Khối truyền dẫn

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập theo thời gian

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian

VCI Virtual Channel Identifier Nhận dạng kênh ảo

VDSL Very High Bit DSL Đường dây thuê bao số tốc độ rất cao

VoD Video On Demand Video theo yêu cầu

VPI Virtual Path Identifier Nhận dạng đường ảo

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

WDM Wavelength Division Ghép kênh theo bước sóng

Bảng 3.1 Băng thông của các dịch vụ 48Bảng 3.2 Phân loại đối tượng khách hàng 49Bảng 3.3 Thuê bao điện thoại cố định, băng rộng tỉnh Bắc Ninh giai đoạn 2006 – 2010 60Bảng 3.4 Thống kê số thuê bao cố định, băng rộng của Viễn thông Bắc Ninh giai đoạn 2006 -2010 60Bảng 3.5 Dự báo nhu cầu dịch vụ và phát triển thuê bao của Viễn thông Bắc Ninh đến năm 2015 61

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Kiến trúc mạng GPON 10

Hình 2.2 Các khối chức năng của OLT 11

Hình 2.3 Các khối chức năng của ONU 12

Hình 2.4 Các bộ ghép 8x8 được tạo ra từ các bộ ghép 2x2 13

Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản mạng cáp quang thuê bao 14

Hình 2.7 Mô hình TDMA GPON hình cây 19

Hình 2.8 Ngăn xếp giao thức của GTC 21

Hình 2.9 Khái niệm điều khiển truy nhập môi trường 23

Hình 2.10 Cấu trúc tổng quan khung GTC hướng xuống và lên 24

Hình 2.11 Cấu trúc khung đường xuống 25

Hình 2.12 Các trường thông tin trong khung đường xuống 25

Hình 2.13 Cấu trúc khung đường lên 26

Hình 2.14 Cấu trúc các trường thông tin trong khung đường lên 27

Hình 2.15 Cấu trúc khung và mào đầu GEM 28

Hình 2.16 Mô tả chuyển trạng thái dựa trên tiêu đề GEM 30

Hình 2.17 Một số trường hợp phân mảnh 31

Hình 2.18 Mối quan hệ giữa khung GEM với khung GTC 32

Hình 2.19 Cấu trúc khung dữ liệu TDM trong khung GEM 33

Hình 2.20 TDM ánh xạ qua GEM 34

Hình 2.21 Cấu trúc khung Ethernet ánh xạ vào khung GEM 34

Hình 2.22 Đa truy nhập phân chia theo thời gian trong GPON 35

Hình 2.23 Cửa sổ định cỡ 36

Hình 2.24 Thủ tục định cỡ pha 1 37

Hình 2.25: Thủ tục định cỡ pha 2 37

Hình 2.26 Phân định băng thông động 38

Hình 2.27 Nguyên lý của hàng đợi công bằng 39

Hình 2.28 DRR sử dụng thông báo nhiều hàng đợi 42

Hình 3.1 Các giải pháp cung cấp FTTx 50

Hình 3.4 Hiện trạng cấu hình mạng MAN-E Viễn thông Bắc Ninh 63 Hình 3.5 Mô hình đấu nối hiện tại các trạm băng rộng Viễn thông Bắc Ninh 64

MỞ ĐẦU

Ngày nay, thế giới đang bước sang kỷ nguyên của nền kinh tế tri thức, trong

đó thông tin là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội Do đó, nhu cầu truyềnthông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng rộng/tốc độ cao và đa phương tiệntrong đời sống kinh tế – xã hội của từng quốc gia cũng như kết nối toàn cầu Để đápứng được vai trò động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạngtruyền thông cần phải có khả năng linh hoạt cao, tốc độ truyền dẫn lớn, băng thôngrộng, đa dịch vụ đáp ứng mọi nhu cầu trao đổi thông tin của xã hội, trong đó mạngtruy nhập đóng vai trò rất quan trọng trong việc đưa các dịch vụ tốc độ cao, băngthông rộng đến người sử dụng Để đáp ứng nhu cầu đó, các nhà khoa học, các tổchức viễn thông quốc tế, các hãng cung cấp thiết bị, các nhà khai thác,… đã và đangnghiên cứu phát triển và áp dụng các giải pháp công nghệ mới băng rộng/tốc độ cao

và đa phương tiện để phát triển mạng viễn thông Trong đó, công nghệ PON(Passive Optical Network) nói chung và GPON (Gigabit Passive Optical Network)nói riêng là một giải pháp đầy hứa hẹn để giải quyết vấn đề băng thông trong mạngtruy nhập, cho phép triển khai các dịch vụ băng rộng/tốc độ cao và các dịch vụ cótính tương tác

Hiện tại, ở nước ta mạng truy nhập cáp đồng truyền thống vẫn còn khá lớn,không thể đáp ứng được các yêu cầu trên của xã hội mà hầu như chỉ đáp ứng đượcdịch vụ thoại và các dịch vụ số liệu tốc độ thấp Vì vậy, các nhà cung cấp dịch vụviễn thông của nước ta hiện nay, trong đó có Tập đoàn VNPT nói chung và Viễnthông Bắc Ninh nói riêng, đã và đang nghiên cứu lựa chọn các giải pháp công nghệxây dựng mạng truy nhập có băng thông rộng, trong đó công nghệ PON nói chung

và GPON nói riêng là một xu hướng có tính khả thi cao, để đáp ứng nhu cầu traođổi thông tin của xã hội

Chính vì vậy, việc nghiên cứu giải pháp công nghệ GPON và ứng dụng chomạng truy nhập để phát triển mạng viễn thông của Viễn thông Bắc Ninh để đảm bảođược tính kinh tế – kỹ thuật và đáp ứng được nhu cầu trao đổi thông tin hiện tại vàtrong tương lai của Bắc Ninh là một vấn đề cấp thiết

Xuất phát từ những cơ sở khoa học và thực tiễn đó, em đã quyết định chọn

đề tài: "Nghiên cứu công nghệ GPON và ứng dụng cho mạng truy nhập băng

rộng của Viễn thông Bắc Ninh" làm luận văn Thạc sỹ kỹ thuật Luận văn gồm 3

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠNG TRUY NHẬP QUANG THU ĐỘNG

(PON)

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng các dịch vụ băng rộng ngày càngtăng cả về số lượng và chất lượng dịch vụ Đứng trước tình hình đó, một số côngnghệ mới đã được đưa ra nhằm đáp ứng những đòi hỏi về băng thông như DSL haycáp modem Tuy nhiên, cả DSL và cáp modem đều không đáp ứng được những yêucầu về băng thông cho mạng truy nhập Trong bối cảnh đó, công nghệ truy nhậpquang thụ động PON (Passive Optical Network) được cho là một giải pháp tối ưucho mạng truy nhập băng rộng Người ta trông đợi PON sẽ giải quyết được các vấn

đề tắc nghẽn băng thông của mạng truy nhập trong kiến trúc mạng viễn thông, giữamột bên là các nhà cung cấp dịch vụ, các điểm kết cuối, các điểm truy nhập và mộtbên là các công ty được cung cấp dịch vụ, hay một khu vực tập trung các thuê bao.Trong các khuyến nghị về mạng và các hệ thống truyền dẫn, ITU-T đã đưa cácđịnh nghĩa và kiến trúc làm cơ sở cho việc xây dựng mạng quang thụ động Mộtcách ngắn gọn, PON có thể được định nghĩa như sau: “PON là một mạng quangkhông có các phần tử điện hay các thiết bị quang điện tử” Như vậy với khái niệmnày, mạng PON sẽ không chứa bất kỳ một phần tử tích cực nào mà cần phải có sựchuyển đổi điện - quang Thay vào đó, PON sẽ chỉ bao gồm: sợi quang, các bộ chia,

bộ kết hợp, bộ ghép định hướng, thấu kính, bộ lọc, Điều này giúp cho PON cómột số ưu điểm như: không cần nguồn điện cung cấp nên không bị ảnh hưởng bởilỗi nguồn, có độ tin cậy cao và không cần phải bảo dưỡng do tín hiệu không bị suyhao nhiều như đối với các phần tử tích cực

1.2 KIẾN TRÚC MẠNG PON

Mô hình mạng quang thụ động PON như trong Hình 1.1

Hình 1.1 Mô hình mạng quang thụ động

Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân bố quang (hay còngọi là mạng ngoại vi) bao gồm các phần tử như sợi quang, các bộ tách/ghép quangthụ động, các đầu nối và các mối hàn quang Các phần tử tích cực như OLT và cácONU đều nằm ở đầu cuối của PON Tín hiệu trong PON có thể được phân ra vàtruyền đi theo nhiều sợi quang hoặc được kết hợp lại và truyền trên một sợi quangthông qua bộ ghép quang PON thường được triển khai trên sợi quang đơn mode,với cấu hình cây là phổ biến PON cũng có thể được triển khai theo cấu hình vòngcho các khu thương mại hoặc theo cấu hình bus khi triển khai trong các khu trườngsở,

Về mặt logic, PON được sử dụng như mạng truy nhập kết nối điểm - đa điểm,với một CO phục vụ cho nhiều thuê bao Có một số cấu hình kết nối điểm - đa điểmphù hợp cho mạng truy nhập như cấu hình hình cây, cây và nhánh, vòng ring, hoặcbus như trong Hình 1.2

OLT

ONU5 ONU4 ONU3 ONU2

(b) KiÕn tróc bus (sö dông bé ghÐp 1:2)

(c) KiÕn tróc vßng ring (sö dông bé ghÐp 2x2)

(d) KiÕn tróc h×nh c©y víi mét trung kÕ thõa(sö dông bé chia 2:N)

Hình 1.2 Các kiểu kiến trúc của PON

Bằng cách sử dụng các bộ ghép 1:2 và bộ chia quang 1:N, PON có thể triểnkhai theo bất cứ cấu hình nào trong các cấu hình trên Ngoài ra, PON còn có thể thugọn lại thành các vòng ring kép, hay hình cây, hay một nhánh của cây Tất cả cáctuyến truyền dẫn trong PON đều được thực hiện giữa OLT và ONU OLT nằm ở

CO (Center Office) và kết nối mạng truy nhập quang với mạng đô thị (MAN) haymạng diện rộng (WAN), là những mạng đường trục ONU nằm tại vị trí đầu cuốingười sử dụng (FTTH hay FTTB hoặc FTTC)

Trong các cấu hình trên, cấu hình hình cây 1:N như Hình 1.2 (a), hay cấu hìnhcây và phân nhánh Hình 1.2 (b) được sử dụng phổ biến nhất Đây là những cấu hìnhrất mềm dẻo, phù hợp với nhu cầu phát triển của thuê bao, cũng như những đòi hỏingày càng tăng về băng thông

1.3 CÁC CÔNG NGHỆ PON

1.3.1 CÔNG NGHỆ APON/BPON

Từ năm 1995, 7 nhà khai thác mạng hàng đầu thế giới đã lập nên nhóm FSAN(Full Service Access Network) với mục tiêu là thống nhất các tiêu chí cho mạngtruy nhập băng rộng và FSAN đã phát triển một tiêu chí cho mạng truy nhập PON

sử dụng công nghệ ATM và giao thức lớp 2 của ATM Hệ thống này được gọi là

APON (viết tắt của ATM PON) Cái tên APON sau đó được thay thế bằng BPONvới ý diễn đạt PON băng rộng Hệ thống BPON có khả năng cung cấp nhiều dịch vụbăng rộng như Ethernet, Video, đường riêng ảo (VPL), kênh thuê riêng, v.v Năm

1997 nhóm FSAN đưa các đề xuất chỉ tiêu BPON lên ITU-T để thông qua chínhthức Từ đó, các tiêu chuẩn ITU G.983.x cho mạng BPON lần lượt được thông qua

Hệ thống BPON hỗ trợ tốc độ không đối xứng 155 Mbps hướng lên và 622 Mbpshướng xuống hoặc tốc độ đối xứng 622 Mbps Các hệ thống BPON đã được sửdụng ở nhiều nơi, tập trung ở Bắc Mỹ, Nhật Bản và một phần Châu Âu

1.3.2 CÔNG NGHỆ EPON/GEPON

Năm 2001, IEEE thành lập một nhóm nghiên cứu Ethernet in the First Mile(EFM) với mục tiêu mở rộng công nghệ Ethernet hiện tại sang mạng truy nhậpvùng, hướng tới các mạng đến nhà thuê bao hoặc các doanh nghiệp với yêu cầu vẫngiữ các tính chất của Ethernet truyền thống Ethernet PON (EPON) được bắt đầunghiên cứu trong thời gian gian này EPON là mạng PON mang lưu lượng dữ liệugói trong các khung Ethernet được chuẩn hóa theo IEEE 802.3

VLAN, pVLAN, IGMP (Internet Group Management Protocol) và RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) cũng được hỗ trợ Hiệu suất và tốc độ đường truyền cao

nhất: tốc độ hướng xuống/ hướng lên tương ứng lên tới 2,5/2,5 Gbit/s và là côngnghệ tối ưu cho các ứng dụng của FTTH và FTTB

Hiện nay cũng như trong tương lai GPON là công nghệ phù hợp cho việctruyền thông Ethernet/IP với việc hỗ trợ thoại và hình ảnh qua PON bằng việc sửdụng giao thức SONET/SDH

1.3.4 CÔNG NGHỆ WDM PON

Công nghệ mạng quang thụ động sử dụng ghép kênh phân chia theo bướcsóng Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network (WDM PON) làthế hệ kế tiếp của mạng truy nhập quang và cho băng thông lớn nhất TDM PON(bao gồm BPON, GPON và GEPON) sử dụng các bộ chia công suất quang thụđộng, hướng xuống là quảng bá và ONU nhận dữ liệu của mình thông qua nhãn địachỉ nhúng, hướng lên sử dụng ghép kênh trong miền thời gian WDM PON sử dụngcác bộ ghép sóng WDM thụ động, hướng xuống mỗi ONU nhận dữ liệu trên mộtbước sóng, hướng lên các bước sóng khác nhau được ghép thông qua bộ ghép sóngWDM tới OLT Do sử dụng một bước sóng cho mỗi ONU nên WDM PON có tínhbảo mật và tính mềm dẻo tốt hơn Công nghệ WDM PON sẽ là sự lựa chọn củatương lai và là bước phát triển kế tiếp cho các công nghệ mạng truy nhập quangPON

1.3.5 NHẬN XÉT

Hiện nay mạng APON/BPON không được quan tâm phát triển do chỉ hỗ trợdịch vụ ATM và tốc độ truy nhập thấp hơn nhiều so với các công nghệ hiện hữukhác như GPON hay EPON

Trong khi, EPON chỉ cung cấp tốc độ truyền là 1,25 Gbit/s thì GPON lại chophép đạt tới tốc độ 2,448 Gbit/s EPON tốn khá nhiều băng thông cho việc quy địnhcác thủ tục truyền thông vì vậy nó chỉ đạt hiệu suất từ 50% ÷ 70%, băng thông củaEPON bị giới hạn trong khoảng 600Mbps đến 900Mbps Trong khi đó, GPON cóthể đạt tới hiệu suất mạng 93%, điều đó có nghĩa là chỉ có 7% độ rộng băng tầnđược sử dụng cho việc quy định các thủ tục của giao thức truyền thông GPON chophép các nhà cung cấp dịch vụ phân phối với băng thông lên đến 2.300 Mbps, độrộng băng tần lớn, GPON hứa hẹn mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà cung cấpdịch vụ Đã được chuẩn hoá theo ITU–T G.984, GPON cho phép cung cấp đường

truyền với các định dạng gốc như IP và TDM, đây thực sự là một giải pháp côngnghệ PON đạt hiệu quả kinh tế có thể sử dụng cho cả các dịch vụ gia đình cũng như

là cho các doanh nghiệp Độ rộng băng GPON có thể đáp ứng cho truyền dữ liệu

Internet, nhiều dòng IPTV đồng thời (Internet Protocol Television) và có thể hỗ trợ truyền thông cả SDTV (Standard Definition Television) và HDTV (High Definition TeleVision), GPON đã thực sự được đánh giá là kinh tế hơn EPON.

Mặt khác trong khi tiêu chuẩn IEEE 803.2ah chỉ hỗ trợ 2 lớp ODN : lớp A vàlớp B thì ITU-GT.984.2 GPON GPM hỗ trợ cả lớp C, lớp cấp cao hơn Lớp C chophép mạng PON mở rộng cự ly tới 20 Km, cung cấp cho số lượng lớn người dùngcuối, đạt tới 64 thậm chí 128 ONU/ONT

Bên cạnh đó trong khi EPON chỉ hỗ trợ duy nhất một tốc độ truyền dẫn đốixứng 1,25/1,25 Gbps ITU- T G.984.2 GPON GPM linh hoạt và biến đổi đượcnhiều hơn, cho phép các tốc độ hướng xuống 1,25 và 2,5 Gbps, hướng lên cho phép

155 Mbps, 622 Mbps hay 1,25 và 2,5 Gbps Cả hai công nghệ đều nhắm tới thịtrường truy nhập, bao gồm các ứng dụng FTTH và FTTB/FTTC Trong khi GPONcho phép các nhà cung cấp dịch vụ để thiết lập những tốc độ kết nối theo nhu cầuthực tế, EPON không thực hiện được điều này Mặc dù đây không là một vấn đề lớn

về chi phí đối với kết nối tốc độ cao, tuy nhiên để hỗ trợ 1,25 Gbps hướng lên, đòihỏi phải cung cấp laser DFP ở đầu cuối và điôt quang thác APD đắt tại trung tâmmạng quang CO

Từ những so sánh trên có thể thấy rằng GPON thích hợp hơn so với EPONtrong việc lắp đặt các hệ thống mạng để cung cấp các khả năng dự phòng cần thiết

hỗ trợ cho O&M, khả năng tương thích cũng như là bảo mật Đây là những điềukiện cần thiết để điều hành một mạng kích cỡ lớn

1.4 KẾT LUẬN

PON là mạng truy nhập có nhiều ưu điểm để triển khai các dịch vụ băng rộng(thoại, dữ liệu, video) giữa các khối kết cuối đường dây ở xa (OLT) và kết cuốimạng (ONU) Một mạng PON hỗ trợ nhiều kiểu kiến trúc mạng: hình cây, bus, hoặcring, do đó giúp cho việc linh hoạt trong vấn đề tổ chức mạng

Các hệ thống PON đang được triển khai trên thế giới gồm: APON/BPON,GPON và EPON Trong đó APON/BPON là những hệ thống được nghiên cứu vàtriển khai từ giữa những năm 90 của thế kỷ 20, đây là các hệ thống truy nhập quangbăng rộng hỗ trợ chỉ cho lưu lượng ATM Thế hệ kế tiếp của APON/BPON làGPON với việc cải thiện hơn về tốc độ, hỗ trợ nhiều tốc độ khác nhau cho cả đườnglên và đường xuống, đặc biệt là hỗ trợ cả lưu lượng ATM và IP GPON được chuẩnhoá bởi ITU-T với chuẩn G.984 Được nghiên cứu muộn hơn, từ năm 2001, hệthống EPON cũng đã được triển khai khá phổ biến tại một số nước trên thế giới.EPON được xây dựng trên cơ sở công nghệ Ethernet, EPON chỉ hỗ trợ truyền dẫnđối xứng.

Hiện nay GPON đã được triển khai rộng rãi tại một số nước, GPON cũng đãđược lựa chọn để thay thế cho các mạng truy nhập của nhiều nước trên thế giới Vớinhững đặc điểm kỹ thuật công nghệ mềm dẻo hỗ trợ nhiều lựa chọn cho tốc độ truynhập, đồng thời hỗ trợ cả lưu lượng ATM và IP, cung cấp nhiều loại hình dịch vụtích hợp với chất lượng cao, GPON đang ngày càng khẳng định là công nghệ củamạng truy nhập thế hệ mới

Chương 2

CÔNG NGHỆ MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG GIGABIT

(GPON)

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

GPON (Gigabit Passive Optical Network) được định nghĩa theo chuẩn ITU-TG.984 GPON được mở rộng từ chuẩn BPON G.983 bằng cách tăng băng thông,nâng hiệu suất băng thông nhờ sử dụng gói lớn, có độ dài thay đổi và tiêu chuẩn hóaquản lý GPON hỗ trợ nhiều mức tốc độ khác nhau, trong đó hỗ trợ tới 2,488 Gbit/scủa băng thông luồng xuống và 1,244 Gbit/s thậm chí tới 2,448 Gbit/s của băngthông luồng lên Phương thức đóng gói GEM (GPON Encapsulation Method) chophép đóng gói lưu lượng người dùng rất hiệu quả, với sự phân đoạn khung cho phépnâng cao chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) phục vụ lưu lượng nhạy cảmnhư truyền thoại và video GPON hỗ trợ tốc độ cao, tăng cường bảo mật và hỗ trợ

cả dịch vụ TDM và Ethernet, điều đó cho phép GPON hỗ trợ nhiều loại dịch vụ vớichi phí thấp cũng như khả năng tương thích lớn giữa các nhà cung cấp thiết bị

2.2 KIẾN TRÚC GPON

2.2.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG GPON

Hình 2.1 mô tả cấu hình hệ thống GPON bao gồm OLT, các ONU, một bộchia quang và các sợi quang Sợi quang được kết nối tới các nhánh OLT tại bộ chiaquang ra 64 sợi khác và các sợi phân nhánh được kết nối tới ONU

Trong lớp GPON TC, giá trị lý thuyết cực đại giữa OLT và ONU là 60 km Trong khi đó khoảng cách vật lý thực tế xa nhất giữa các OLT và ONU là 20 km.

Sự khác biệt này bị hạn chế ở chỗ kích thước cửa số không được mở rộng vì cácvấn đề chất lượng dịch vụ Giống như đối với tỉ số chia, lớp TC hỗ trợ tới 128nhánh chia

2.2.2 CHỨC NĂNG CỦA CÁC KHỐI TRONG MẠNG GPON

Hệ thống GPON bao gồm ba thành phần cơ bản: OLT, ONU và ODN

2.2.2.1 Khối kết cuối đường quang OLT

OLT được kết nối tới mạng chuyển mạch thông qua các giao diện được chuẩnhoá Ở phía phân tán, OLT đưa ra giao diện truy nhập quang tương ứng với cácchuẩn GPON như tốc độ bit, quỹ công suất, jitter,… OLT bao gồm ba phần chính:Chức năng giao diện cổng dịch vụ; chức năng kết nối chéo và giao diện mạng phântán quang Các khối OLT chính được mô tả trong Hình 2.2

Khối lõi PON (PON core shell): gồm hai phần, phần giao diện ODN và chức

năng PON TC Chức năng của PON TC bao gồm tạo khung, điều khiển truy cậpphương tiện, OAM, DBA và quản lý ONU Mỗi PON TC có thể lựa chọn hoạt độngtheo một chế độ ATM, GEM và kép đôi (Dual)

Chức năng kết nối chéo

Khối kết nối chéo Khối dịch vụ

Dịch vụ thích nghi

Dịch vụ thích nghi

Chức năng PON TC

Chức năng PON TC

Chức năng giao diện ODN

Chức năng giao diện ODN Khối lõi PON

Hình 2.2 Các khối chức năng của OLT

Khối kết nối chéo (Cross-connect shell): cung cấp đường truyền thông giữa

khối lõi PON và phần dịch vụ Các công nghệ sử dụng cho đường này phụ thuộc vàocác dịch vụ, kiến trúc bên trong của OLT và các yếu tố khác OLT cung cấp chứcnăng kết nối chéo tương ứng với các chế độ được lựa chọn (ATM, GEM hoặc Dual)

Khối dịch vụ (Service shell): hỗ trợ chuyển đổi giữa các giao diện dịch vụ và

giao diện khung TC của phần PON

2.2.2.2 Khối mạng quang ONU

Các khối chức năng của ONU hầu hết đều giống như của OLT Vì ONU hoạtđộng chỉ với một giao diện PON đơn (hoặc nhiều nhất là hai giao diện với mục đíchbảo vệ), chức năng kết nối chéo có thể bị bỏ đi Tuy nhiên, thay cho chức năng này,chức năng ghép và giải ghép dịch vụ (MUX và DMUX) được hỗ trợ để xử lý lưulượng Cấu hình điển hình của một ONU được mô tả trong Hình 2.3

Khối dịch vụ Dịch vụ thích nghi

Dịch vụ thích nghi

Chức năng PON TC

Chức năng PON TC

Chức năng giao diện ODN

Chức năng giao diện ODN

Khối lõi PON

Lựa chọn

Ghép và giải ghép dịch vụ

Hình 2.3 Các khối chức năng của ONU

2.2.2.3 Mạng phân phối quang ODN

Mạng phân phối quang kết nối giữa một OLT với một hoặc nhiều ONU sửdụng thiết bị tách/ghép quang và mạng cáp quang thuê bao

2.2.2.3.1 Bộ tách/ghép quang

GPON sử dụng thiết bị thụ động để chia tín hiệu quang từ một sợi để truyền đitrên nhiều sợi và ngược lại, kết hợp các tín hiệu quang từ nhiều sợi thành tín hiệutrên một sợi Thiết bị này được gọi là bộ tách/ghép quang Dạng đơn giản nhất của

nó là một bộ ghép quang bao gồm hai sợi quang được hàn dính vào nhau Tín hiệunhận được ở bất cứ đầu vào nào cũng bị chia thành hai phần ở đầu ra Tỷ lệ phânchia của bộ tách/ghép có thể được điều khiển bởi độ dài của mối hàn và vì vậy đâyđược coi là tham số không đổi Các bộ tách/ghép NxN được chế tạo bằng cách ghép

nhiều tầng bộ 2x2 với nhau (xem Hình 2.4) hoặc sử dụng công nghệ ống dẫn sóngphẳng.

Hình 2.4 Các bộ ghép 8x8 được tạo ra từ các bộ ghép 2x2

Các bộ tách/ghép được đặc trưng bằng các tham số sau đây:

Suy hao chia: là tỷ lệ giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào của bộ ghép,

tính theo dB Với một bộ 2x2 lý tưởng, giá trị này là 3 dB Hình 2.4 (a): biểu diễnhai mô hình của bộ 8x8 dựa trên các bộ 2x2 Trong mô hình 4 tầng Hình 2.4 (a), chỉ

có 1/16 công suất đầu vào được đưa tới từng đầu ra Hình 2.4 (b) biểu diễn mô hìnhthiết kế hiệu quả hơn, mỗi đầu ra sẽ nhận được 1/8 công suất của đầu vào

Suy hao ghép: đây là công suất bị tổn hao do quá trình sản xuất, giá trị này

thông thường khoảng 0,1 dB đến 1 dB

Điều hướng: đây là mức công suất đo được ở đầu vào bị dò từ một đầu vào

khác Với những bộ tách/ghép là thiết bị có khả năng định hướng cao thì tham sốđiều hướng khoảng từ 40 đến 50 dB

Thông thường, các bộ tách/ghép thường chỉ được chế tạo với một đầu vàohoặc một đầu ra Bộ tách/ghép có một đầu vào ta gọi là bộ chia (tách), còn bộ cómột đầu ra ta gọi là bộ kết hợp (ghép) Tuy nhiên, cũng có những bộ 2x2 được chếtạo không đối xứng (với tỷ số chia khoảng 5/95 hoặc 10/90) Loại tách/ghép nàychủ yếu được dùng để trích ra một phần tín hiệu quang cho mục đích kiểm tra, đượcgọi là bộ ghép rẽ

2.2.2.3.2 Mạng cáp quang thuê bao.

Mạng cáp thuê bao quang được xác định trong phạm vi ranh giới từ giao tiếpsợi quang giữa thiết bị OLT đến thiết ONU/ONT Cấu trúc mạng cáp quang thuêbao trong Hình 2.5.

Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản mạng cáp quang thuê bao

Mạng cáp quang thuê bao được cấu thành bởi các thành phần chính như sau:

Cáp quang gốc (Feeder Cable): xuất phát từ phía nhà cung cấp dịch vụ (hay

còn gọi chung là CO) tới điểm phân phối được gọi là DP (Distribution Point)

Điểm phân phối sợi quang (DP): là điểm kết thúc của đoạn cáp gốc Trên thực

tế triển khai, điểm phân phối sợi quang thường là măng xông quang, hoặc các

tủ cáp quang phối

Cáp quang phối (Distribution Optical Cable): xuất phát từ điểm phối quang

(DP) tới các điểm truy nhập mạng AP (Access Point) hay từ các tủ quangphối tới các tập điểm quang

Cáp quang thuê bao (Drop Cable): xuất phát từ các điểm truy nhập mạng

(AP) hay là từ các tập điểm quang đến thuê bao

Điểm quản lý quang FMP (Fiber Management Point): được sử dụng cho xử lý

sự cố và phát hiện đứt đường

2.3 ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ GPON

2.3.1 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT

2.3.1.1 Tốc độ truyền dẫn:

GPON hỗ trợ các tốc độ truyền dẫn sau:

- 0,15552 Gbps đường lên; 1,24416 Gbps đường xuống

- 0,62208 Gbps đường lên; 1,24416 Gbps đường xuống

-1,24416 Gbps đường lên; 1,24416 Gbps đường xuống

- 0,15552 Gbps đường lên; 2,48832 Gbps đường xuống

- 0,62208 Gbps đường lên; 2,48832 Gbps đường xuống

- 1,24416 Gbps đường lên; 2,48832 Gbps đường xuống

- 2,48832 Gbps đường lên; 2,48832 Gbps đường xuống

2.3.1.2 Các thông số kỹ thuật khác:

- Bước sóng: 1260-1360nm đường lên; 1480-1500nm đường xuống

- Đa truy nhập hướng lên: TDMA

- Cấp phát băng thông động DBA (Dynamic Bandwith Allocation)

- Loại lưu lượng: dữ liệu số

- Khung truyền dẫn: GEM

- Dịch vụ: dịch vụ đầy đủ (Ethernet, TDM, POTS)

- Tỉ lệ chia của bộ chia thụ động: tối đa 1:128

- Giá trị BER lớn nhất: 10-12

- Phạm vi công suất sử dụng luồng xuống: -3 đến +2 dBm (10km ODN) hoặc+2 đến +7 (20Km ODN)

- Phạm vi công suất sử dụng luồng lên: -1 đến +4 dBm (10Km và 20Km ODN)

- Loại cáp: tiêu chuẩn ITU-T Rec G.652

- Suy hao tối đa giữa các ONU:15dB

- Cự ly cáp tối đa: 20Km với DFB laser luồng lên, 10Km với Fabry-Perot

2.3.2 KHẢ NĂNG CUNG CẤP BĂNG THÔNG

Công nghệ GPON hỗ trợ 1,25 Gbit/s hoặc 2,5 Gbit/s hướng xuống, và hướnglên có thể xê dịch từ 155 Mbit/s đến 2,5 Gbit/s vớ Hiệu suất băng thông đạt > 90%

2.3.2.1 Băng thông hướng xuống

Yêu cầu băng thông của các dịch vụ cơ bản:

 Băng thông yêu cầu của một kênh HDTV = 12 Mbit/giây

 Băng thông yêu cầu của một kênh SDTV = 4 Mbit/giây

 Truy cập Internet tốc độ cao = 100 Mbit/s trên mỗi thuê bao với tỷ lệ dùngchung 20:1

 Voice IP tốc độ 100 Kbit/giây

Trong đó tốc độ hướng xuống của GPON = 2,488 Mbit/giây × hiệu suất 92% =

2289 Mbit/s Trong ứng dụng nhiều nhóm người sử dụng (MDU: dwelling-unit), GPON có thể cung cấp dịch vụ gồm các dịch bụ băng thông rộng vàVoice đến N bộ ONU tuỳ thuộc vào cấu hình của mỗi ONU

multiple-2.3.2.2 Băng thông hướng lên

ITU G 984 GPON không những có khả năng hỗ trợ tất cả các yêu cầu về hệthống mạng mà còn cung cấp một cơ chế QoS riêng cho lớp PON bên ngoài cácphương thức Ethernet lớp 2 và phân loại dịch vụ (CoS) IP lớp 3 để đảm bảo việcphân phát các thông tin voice, video và TDM chất lượng cao thông qua môi trườngchia sẻ trên nền TDMA Tuy nhiên, các cơ chế CoS ở lớp 2 và lớp 3 chỉ có thể đạtmức tối đa là QoS ở lớp truyền tải Nếu lớp truyền tải có độ trễ và dung sai lớn thìviệc phân chia mức ưu tiên dịch vụ không còn ý nghĩa Đối với TDMA PON, việcdung lượng có QoS hướng lên sẽ bị hạn chế khi tất cả các ONT sử dụng hết băngthông hướng lên và ưu tiên của nó trong TDMA Hướng lên GPON có thông lượng

đến 1.25 Gbits/sec cao hơn 20% so với GEPON là một sự khác biệt đáng kể giúpcho cơ chế QoS có thể hoạt động tốt hơn.

Khung thời gian hướng lên và hướng xuống sử dụng khung tiêu chuẩn 8 kHz,

và các dịch vụ được đóng gói vào các khung theo nguyên bản của nó theo phươngthức đóng gói GPON (GEM) Giống như trong SONET/SDH, GPON cung cấp khảnăng chuyển mạch bảo vệ với thời gian nhỏ hơn 50ms Điều cơ bản làm cho GPON

có trễ thấp là tất cả lưu lượng hướng lên TDMA từ các ONU được ghép vào trongmột khung 8 KHz (125 µs) Mỗi khung hướng xuống bao gồm một bản đồ cấp phátbăng thông hiệu quả được gửi quảng bá đến tất cả các ONU và hỗ trợ tính năng tinhchỉnh cấp phát băng thông Cơ chế ngoài băng này cho phép GPON DBA hỗ trợviệc điều chỉnh cấp phát băng thông nhiều lần mà không cần phải sắp xếp lại để tối

ưu hóa việc tận dụng băng thông

2.3.3 KHẢ NĂNG CUNG CẤC DỊCH VỤ

Giới hạn cự ly của công nghệ GPON hiện tại được quy định trong khoảng 20

km và cung cấp tỉ lệ chia lên tới 1:128 (tuy nhiên tại lớp vật tỉ lệ chia là 1:64, tối đaqua hai cấp chia)

GPON có khả năng hỗ trợ cấu trúc mạng xếp chồng dịch vụ CATV, đáp ứngđược đòi hỏi cho dịch vụ hướng xuống tốc độ cao Các hệ thống này đều sử dụngbước sóng 1490 nm hướng xuống và 1310 nm hướng lên, bước sóng 1550 nm đượcdành riêng cho CATV

GPON đáp ứng được tỉ lệ dung lượng dịch vụ/chi phí khi so sánh với mạngcáp đồng/DSL và mạng HFC có dung lượng nhỏ và các mạng SDH/SONET cũngnhư giải pháp quang Ethernet điểm – điểm Vì vậy nó phù hợp với các hộ gia đình,doanh nghiệp vừa và nhỏ, chính phủ và các cơ quan công sở Mô hình mạng GPONcung cấp dịch vụ điển hình như trong Hình 2.6

 Các dịch vụ bộ ba dành cho hộ gia đình

GPON có thể cung cấp các dịch vụ thế hệ mới như IPTV, truyền hình theo yêucầu, game trực tuyến, Internet tốc độ cực cao và VoIP với chi phí hiệu quả, băngthông lớn và chất lượng đảm bảo cho các thuê bao hộ gia đình

IPTV cho phép quảng bá một luồng video có thể truyền tới nhiều thuê bao mộtcách đồng thời

Cơ quan chính phủ Trường học

Hình 2.6 Mô hình mạng GPON cung cấp dịch vụ điển hình

Khả năng cấp phát băng thông động cho phép các nhà cung cấp dịch vụ tối ưuhóa băng thông quang, tạo ra nhiều lợi nhuận hơn Băng thông lớn và dịch vụ linhhoạt của GPON giúp cho GPON trở thành một sự lựa chọn hoàn hảo cho việc cungcấp dịch vụ tới nhiều hộ thuê bao MDU (Multiple Dwelling Units) như các tòa nhà,khách sạn, chung cư GPON ONU có thể phục vụ như các DSLAM VDSL2

 Dành cho doanh nghiệp vừa và nhỏ

GPON là sự lựa chọn hoàn hảo cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ có yêu cầu

về thoại, truy nhập Internet, VPN và các dịch vụ T1/E1 với chi phí hợp lý GPON

có băng thông đủ lớn và có tính năng QoS cho phép các doanh nghiệp có thể đượccung cấp dịch vụ trên cùng cơ sở hạ tầng như các dịch vụ hộ gia đình nhằm loại trừyêu cầu xây dựng cơ sở hạ tầng mới

 Dành cho Chính phủ, Giáo dục và Y tế

Các cơ quan chính phủ yêu cầu các dịch vụ dữ liệu và thoại có chất lượng cao

và băng thông lớn với chi phí thấp Khả năng của GPON cho phép phục vụ hiệu quả

một số lượng lớn thuê bao ở các khu vực trung tâm văn phòng chính phủ, cáctrường học, bệnh viện cũng như các khu vui chơi giải trí, khu công nghiệp

Chính quyền một số quốc gia đã thiết lập mạng PON để cung cấp các dịch vụthoại và dữ liệu tốc độ cao cho lực lượng cảnh sát, văn phòng chính phủ, tòa án vàcác lực lượng cứu hỏa, đặc nhiệm để nâng cao chất lượng phục vụ cộng đồng

2.3.4 KỸ THUẬT TRUY NHẬP VÀ PHƯƠNG THỨC GHÉP KÊNH

2.3.4.1 Kỹ thụât truy nhập

Kỹ thuật truy nhập được 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 băngtần truyền dẫn thành những khe thời gian kế tiếp nhau Những khe thời gian này cóthể được ấn định trước cho mỗi khách hàng hoặc có thể phân theo yêu cầu tuỳ thuộcvào phương thức chuyển giao đang sử dụng Mô hình sử dụng TDMA trên GPONhình cây như trong Hình 2.7 Mỗi thuê bao được phép gửi số liệu đường lên trongkhe thời gian riêng biệt Bộ tách kênh sắp xếp số liệu đến theo vị trí khe thời gian của

nó Số liệu đường xuống cũng được gửi trong những khe thời gian xác định

Hình 2.7 Mô hình TDMA GPON hình cây

GPON sử dụng kỹ thuật TDMA có ưu điểm rất lớn đó là các ONU có thể hoạtđộng trên cùng một bước sóng, và OLT hoàn toàn có khả năng phân biệt được lưulượng của từng ONU OLT cũng chỉ cần một bộ thu, điều này sẽ dễ dàng cho việctriển khai thiết bị, giảm được chi phí cho các quá trình thiết kế, sản xuất, hoạt động

và bảo dưỡng Ngoài ra, việc sử dụng kỹ thuật này còn có một ưu điểm là có thể lắpđặt dễ dàng thêm các ONU nếu có nhu cầu nâng cấp mạng

Kỹ thuật TDMA trong GPON yêu cầu bắt buộc đồng bộ của lưu lượng đườnglên để tránh xung đột số liệu khi hai hay nhiều gói dữ liệu từ những thuê bao khácnhau đến bộ ghép cùng một thời điểm Tuy nhiên, các vấn đề trên đều được khắcphục với cơ chế định cỡ và phân định băng thông động của GPON

2.3.4.2 Phương thức ghép kênh

Phương thức ghép kênh trong GPON là ghép kênh song hướng Dải bước sóng

1550 nm được dùng cho băng thông chiều xuống từ OLT, dải bước sóng 1310 nmđược truyền theo chiều lên bởi ONU

2.3.5 LỚP HỘI TỤ TRUYỀN DẪN

2.3.5.1 Các khái niệm cơ bản

Hội tụ truyền dẫn GPON - GTC (GPON Transmission Convergence): là lớpgiao thức chính trong ngăn xếp giao thức của GPON

Các khối truyền dẫn T-CONT (Transmission Containers): được sử dụng choviệc quản lý phân định băng thông luồng lên của lớp hội tụ truyền dẫn TC(Transmission Convergence)

 T-CONT mang các thông tin ATM VPC/VCC và/hoặc cổng GEM và thôngbáo các trạng thái bộ đệm của chúng cho các OLT tương ứng

 T-CONT tự động thu nhận các gói tin cho phép được nhận dạng bởi Alloc-ID

2.3.5.2 Ngăn xếp giao thức

Hình 2.8 biểu diễn ngăn xếp giao thức của toàn hệ thống lớp TC trong GPON(GTC) Lớp GTC gồm có 2 lớp con, lớp con tạo khung GTC (GTC framing sub-layer) và lớp con tương thích TC (TC adaption sub-layer)

Theo một quan điểm khác, GTC chứa mặt phẳng C/M quản lý các luồng lưulượng người dùng, an ninh, các thuộc tính OAM, và một mặt phẳng U mang lưulượng người sử dụng

Lớp truyền thông vật lý GPON (GPM) Lớp con tạo khung GTC

Lớp con tương thích TC

Bộ thích ứng OMCI PLOAM

Ứng dụng

Ứng dụng GEM

Lớp hội tụ truyền dẫn GTC

Hình 2.8 Ngăn xếp giao thức của GTC

Trong lớp con tạo khung GTC, phân vùng ATM, phân vùng GEM, các phầnquản lý vận hành bảo dưỡng lớp vật lý PLOAM (Physical Layer OperationsAdministrations Maintenance) và OAM nhúng được nhận biết theo vị trí trên khungGTC Chỉ OAM nhúng được kết cuối tại lớp này để điều khiển qua lớp con này, dothông tin của OAM nhúng được nhúng trực tiếp vào khung GTC Thông tinPLOAM được xử lý tại khối PLOAM được định vị như một client của lớp con này.Các đơn vị dịch vụ dữ liệu SDU (Service Data Unit) trong các phân vùng ATM vàGEM được chuyển từ/tới các đơn vị giao thức dữ liệu PDU (Protocol Data Unit)thông thường của ATM và GEM tại mỗi lớp con tương thích Ngoài ra, các PDUnày chứa dữ liệu kênh OMCI Dữ liệu này cũng được nhận ra tại lớp con này, vàđược trao đổi từ/tới thực thể OMCI OAM nhúng, PLOAM và OMCI được phân

loại thành các mặt phẳng C/M Các SDU ngoại trừ OMCI trên các phân vùng ATM

và GEM được phân loại vào mặt phẳng U (chi tiết xem trong phụ lục E)

Lớp tạo khung GTC đưa ra cái nhìn tổng thể tới tất cả dữ liệu phát và lớp tạokhung GTC OLT trực tiếp ngang hàng với tất cả các lớp tạo khung GTC ONU.Khối điều khiển phân bổ băng thông động (DBA control) được xem như là khốichức năng chung Hiện nay, khối này có khả năng đáp ứng toàn bộ DBA thông báoONU

Trong hệ thống GTC, OLT và ONU không hoạt động đồng thời ở 2 trạng thái.Chế độ nào được hỗ trợ sẽ được nhận biết tại thời điểm lắp đặt hệ thống ONUthông báo chế độ hoạt động cơ bản của nó là ATM hay GEM thông qua bản tinSerial_Number Nếu OLT có khả năng giao diện tới ít nhất 1 trong các chế độ yêucầu, nó sẽ xử lý để thiết lập kênh OMCI, và thiết bị ONU được nhận ra theo cáchthông thường

2.3.5.3 Các chức năng chính của GTC

GTC thực hiện hai chức năng quan trọng là điều khiển truy nhập môi trường

và đăng ký ONU

Điều khiển truy nhập môi trường: Hệ thống GTC hỗ trợ điều khiển truy nhập

môi trường cho lưu lượng luồng lên Về cơ bản, các khung đường xuống chỉ ra cácđịnh vị cho phép đối với lưu lượng trên các khung đường lên đồng bộ với các khungđường xuống Khái niệm điều khiển truy nhập môi trường trong hệ thống này đượcminh hoạ trong Hình 2.9 OLT gửi các con trỏ trong PCBd, các con trỏ này chỉ rathời điểm mà mỗi ONU bắt đầu và kết thúc việc truyền dẫn luồng lên Theo cáchnày, chỉ có 1 ONU có thể truy nhập môi trường tại bất cứ thời điểm nào, do vậykhông có tranh chấp Các con trỏ được gán các đơn vị của byte, cho phép OLT điềukhiển môi trường với băng thông tĩnh 64 kbit/s Tuy nhiên, các bước thực hiện củaOLT có thể lựa chọn theo tập giá trị của các con trỏ, và thực hiện điều khiển băngthông chính xác qua cơ chế lập lịch động

Mào đầu khung

Alloc-ID Start End Alloc-ID Start End Alloc-ID Start End

T-CONT1 (ONU1)

T-CONT2 (ONU2)

T-CONT3 (ONU3)

Hướng xuống

Hướng

lên

Slot 100

Slot 300

Slot 400

Slot 500

Slot 520

Slot 600

Hình 2.9 Khái niệm điều khiển truy nhập môi trường

Đăng ký ONU: Việc đăng ký ONU được thực hiện theo thủ tục phát hiện tự

động Có 2 phương pháp đăng ký ONU Phương pháp A, Serial Number của ONUđược đăng ký tại OLT nhờ hệ thống quản lý Phương pháp B, Serial Number củaONU không được đăng ký tại OLT nhờ hệ thống quản lý

2.3.5.4 Chức năng các lớp con trong GTC

GTC gồm 2 lớp con là lớp con tạo khung GTC và lớp con tương thích TC

2.3.5.4.1 Lớp con tạo khung GTC

Lớp con tạo khung GTC có 3 chức năng như sau:

- Ghép kênh và giải ghép kênh: Các phần PLOAM, ATM và GEM được ghép

vào 1 khung TC đường xuống theo thông tin biên được chỉ thị trong tiêu đềkhung Mỗi phần được tách ra từ một đường lên theo chỉ thị tiêu đề

- Tạo tiêu đề và giải mã: Tiêu đề khung TC được tạo ra và định dạng trong 1

khung đường xuống Tiêu đề trong khung đường lên được giải mã Ngoài ra,thực hiện OAM nhúng

- Chức năng định tuyến trên cơ sở Alloc-ID: Định tuyến trên cơ sở Alloc-ID

được thực hiện đối với các dữ liệu từ/tới các bộ tương thích ATM và GEM TC

2.3.5.4.2 Lớp con thích ứng GTC và các giao diện thực thể lớp trên

Lớp con thích ứng hỗ trợ 3 bộ tương thích TC, đó là: bộ tương thích ATM TC,

bộ tương thích GEM TC và bộ tương thích OMCI Các bộ tương thích ATM vàGEM chỉ ra các PDU của ATM và GEM từ mỗi phần trên lớp con tạo khung GTC

và ánh xạ các PDU này vào mỗi phần tương ứng Các bộ tương thích này cung cấpcác giao diện dưới đây cho các thực thể lớp trên:

-Giao diện ATM: Lớp con tạo khung GTC và ATM TC adapter liên kết cung cấp

giao diện ATM chuẩn đã chỉ ra trong ITU-T 1.432.1 cho các dịch vụ ATM.Nhìn chung, các thực thể lớp ATM ban đầu có thể được sử dụng như ATMclient

- Các giao diện GEM: GEM TC adapter có thể được cấu hình để thích ứng các

khung này tới nhiều giao diện truyền dẫn khung khác nhau

Các bộ tương thích này nhận ra kênh OMCI theo VPI/VCI trong trường hợpATM và theo Port-ID trong trường hợp GEM Bộ tương thích OMCI có thể thayđổi dữ liệu kênh OMCI đối với các bộ tương thích ATM, GEM TC Bộ tương thíchOMCI nhận dữ liệu từ các TC tương thích và chuyển nó tới thực thể OMCI vàngược lại

2.3.6 CẤU TRÚC KHUNG GPON

Hình 2.10 minh hoạ cấu trúc khung GTC TC đường xuống và đường lên

PCBd

Tải n+1

T frame = 125 µs

PCBd n+1 Hướng xuống

Slot R

Hướng lên

Slot 0

Slot 1

Slot R

Slot 0

Slot 1

1 byte

Khoảng TX khung ảo US

Hình 2.10 Cấu trúc tổng quan khung GTC hướng xuống và lên.

Khung đường xuống bao gồm các phần: Khối điều khiển vật lý luồng xuốngPCBd (physical control block downstream), khối ATM, khối GEM Khung đườnglên gồm nhiều cụm truyền dẫn (transmission burst) Ngoài phần tải tin (payload),mỗi khung đường lên còn có thể chứa các phần/đoạn PLOAMu, PLSu và DBRu

Khung đường xuống cung cấp thông tin về thời gian tham chiếu cho GPON và thựchiện hoạt động báo hiệu điều khiển cho đường lên.

2.3.6.1 Cấu trúc khung đường xuống

Khuôn dạng khung đường xuống như trong hình 2.11

PCBd

Tải n+1

PCBd n+1

T frame = 125 µs

PCBd n+2

N x 53 byte

Hình 2.11 Cấu trúc khung đường xuống

Mỗi khung GTC đường xuống dài 125μs, chứa khối điều khiển vật lý luồngs, chứa khối điều khiển vật lý luồngxuống PCBd và phần tải dữ liệu Chi tiết khuôn dạng của khung đường xuống nhưtrong hình 2.12

Hình 2.12 Các trường thông tin trong khung đường xuống

Phần mào đầu của PCBd gồm phần cố định và phần thay đổi Phần cố địnhgồm các trường: Physical Sync, Ident và PLOAM Các trường này được bảo vệ bởi

1 byte kiểm tra BIP (Bit Interleaved Parity) Bốn byte đồng bộ vật lý (PhysicalSync) chỉ thị bắt đầu của khung đường xuống Bốn byte của trường Ident chỉ thịFEC được sử dụng hay không, ngoài ra nó còn thực hiện gói bộ đếm siêu khung,

được sử dụng để cung cấp tín hiệu tham chiếu đồng bộ tốc độ thấp 13 byte củatrường PLOAM trong PCBd được sử dụng để thông tin giữa các bản tin OAM lớpvật lý với các ONU Các chức năng của PLOAM gồm đăng ký và xoá ONU, định

cỡ, điều chỉnh công suất, cập nhật khoá mã hoá, thông báo lỗi lớp vật lý, v.v Phần thay đổi của PCBd gồm 2 trường Plend chỉ thị độ dài bản đồ băng thôngđường lên và phần thông tin ATM trong T-CONT Mỗi ONU có thể được cấu hìnhvới nhiều T-CONT Bản đồ băng thông đường lên (Us Bw) xác định băng thôngđường lên được phân định cho các thực thể truy nhập Mỗi thực thể 8 byte truy nhậptrong Us Bw bao gồm Alloc-ID của T-CONT, thời gian bắt đầu và kết thúc phát T-CONT hướng lên và 12 bit cờ chỉ thị cách thức phân định băng tần được sử dụng

Vì khung có khoảng thời gian là 125 ms, nên với các tốc độ khác nhau thì chiều dàikhung sẽ khác nhau, ví dụ với tốc độ 1,24416 Gbps khung có độ dài là 19.9440byte, với tốc độ 2,48832 Gbps khung có độ dài là 38.880 byte Tuy nhiên, khốiPCBd là giống nhau đối với cả hai hệ thống

2.3.6.2 Cấu trúc khung đường lên

Khung đường lên có độ dài 125 s, gồm các khung ảo hướng lên Các khung

ảo hướng lên được tạo bởi các burst từ các ONU khác nhau Mỗi burst bắt đầu vớitrường mào đầu lớp vật lý hướng lên (PLOu) Hình 2.13 mô tả cấu trúc khungđường lên

PLOu PLOAMu PLSu DBRuX Tải X DBRuY Tải Y PLOu DBRuZ Tải Z

Khung đường lên 125 µs

Hình 2.13 Cấu trúc khung đường lên

Mỗi khung chứa thông tin từ một hoặc nhiều ONU Bản đồ băng thông chỉ thịbản đồ sắp xếp các thông tin này Trong suốt quá trình phân bổ tương ứng với hoạtđộng điều khiển OLT, ONU có thể truyền từ một tới bốn byte mào đầu GPON và

dữ liệu người dùng Bốn byte mào đầu bao gồm: Mào đầu lớp vật lý (PLOu); Các

hoạt động vận hành và quản trị các tham số lớp vật lý ở đường lên (PLOAMu); điềukhiển công suất đường lên (PLSu) và thông báo băng thông động (DBRu).

Hình 2.14 Cấu trúc các trường thông tin trong khung đường lên

PLOu bắt đầu với một tiền tố (Preamble) giúp cho máy thu chế độ burst tạiOLT đồng bộ với máy phát tại ONU Trường phân định (Delimiter) xác định sự bắtđầu của burst hướng lên Chiều dài và khuôn dạng của các trường tiền tố và phânđịnh được xác định bởi OLT sử dụng bản tin PLOAM Trường Ind cung cấp cácbáo cáo về trạng thái của ONU với OLT

Mỗi ONU có thể được gán bởi nhiều T-CONT Nếu 1 ONU được phân địnhcác khe thời gian kề nhau cho các T-CONT với các Alloc-ID khác nhau, PLOu chỉcần phát một lần Tiếp theo trường PLOu, có 3 lựa chọn các trường mào đầu trongmỗi burst:

 Vận hành lớp vật lý, quản trị, và quản lý luồng lên (PLOAMu)

 Điều chỉnh công suất luồng lên (PLSu)

 Báo cáo băng thông động luồng lên (DBRu)

Việc phát của các trường này được phân định bởi OLT qua các cờ trong bản

đồ phân định băng thông đường lên (Us Bw map) của trường PCB Khi được yêucầu bởi OLT, 120 byte trường PLSu được gửi bởi ONU để đo công suất TrườngDBRu được ghép vào mỗi T-CONT để báo cáo trạng thái lưu lượng hướng lên của

các T-CONT tương ứng DBRu gồm các báo cáo DBA chỉ thị chiều dài hàng đợicho việc phân định băng thông động.

2.3.7 PHƯƠNG THỨC ĐÓNG GÓI DỮ LIỆU

GPON xác định hai phương thức đóng gói ATM và GEM (GPONEncapsulation Method) Các ONU và OLT có thể hỗ trợ cả T-CONT nền ATMhoặc GEM GEM cung cấp khả năng kết nối định hướng tương tự ATM GPON chophép hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ khách hàng khác nhau Khách hàng ATM đượcsắp xếp trong suốt vào khung GEM trên cả hai hướng Khách hàng TDM được sắpxếp vào khung GEM sử dụng thủ tục đóng gói GEM Các gói dữ liệu bao gồm cảcác khung Ethernet cũng được sắp xếp sử dụng thủ tục đóng gói GEM GEM cũng

hỗ trợ việc phân mảnh hoặc chia nhỏ các khung lớn thành các phân mảnh nhỏ vàghép lại ở đầu thu nhằm giảm trễ cho các lưu lượng thời gian thực Lưu lượng dữliệu bao gồm các khung Ethernet, các gói tin IP, IPTV, VoIP và các loại khác giúpcho truyền dẫn khung GEM hiệu quả và đơn giản GPON sử dụng GEM mang lạihiệu quả cao trong truyền dẫn tải tin IP nhờ sử dụng tới 93% băng thông cho phéptrên kênh truyền dẫn

2.3.7.1 Cấu trúc khung GEM

Ở đường xuống, các khung được truyền từ OLT tới ONU sử dụng các phânvùng GEM Ở đường lên, các khung được truyền từ ONU tới OLT sử dụng thờigian phân bổ GEM đã được cấu hình Giao thức GEM có hai chức năng: hỗ trợ tạocác khung dữ liệu người dùng và cung cấp số hiệu cổng để ghép kênh

Ở đây thuật ngữ ‘khung dữ liệu người dùng’ biểu thị các khung đến từ và đitới các người dùng Các chức năng này được hỗ trợ bởi phần tiêu đề GEM như trênHình 2.15

Tiêu đề GEM chứa các trường chỉ thị độ dài tải tin PLI (Payload lengthIndicator), Port ID, trường chỉ thị loại tải tin PTI (Payload Type Indicator) và 13 bittrường điều khiển lỗi tiêu đề HEC (Header error control).

PLI chỉ thị độ dài, L tính theo byte của phần tải tin theo sau tiêu đề PLI được

sử dụng để tìm tiêu đề kế tiếp trong dòng dữ liệu Kích thước 12 bit của trường nàycho phép các phân mảnh có độ dài tới 4.095 byte Nếu các khung dữ liệu người sửdụng lớn hơn giá trị này, các khung sẽ được phân mảnh nhỏ hơn 4.095 byte

Giá trị Port ID cung cấp 4.096 giá trị chỉ số lưu lượng duy nhất trong GPON

để thực hiện ghép kênh

Trường PTI chỉ thị nội dung của tải tin được phân mảnh và cách thức xử lýthích hợp Mã hoá của 3 bit này giống với tiêu đề ATM Truyền tải GEM chỉ diễn ratrên các phân đoạn GPON chứ không sử dụng cho mục đích OAM từ đầu cuối đếnđầu cuối Đặc điểm này có thể thay đổi trong tương lai

Hoạt động báo cáo nghẽn thông qua các mã 2 và 3 là cho các nghiên cứutương lai Đối với mã 4, GEM sẽ tái sử dụng định dạng tế bào OAM hỗ trợ tải tinphân mảnh với độ dài 48 byte giống như trong các chức năng OAM của ATM.Cuối cùng, HEC cho phép phát hiện và sửa lỗi cho tiêu đề HEC sử dụng kếthợp mã BCH (39, 12, 2) và một bit chẵn lẻ (parity) Đa thức sinh cho mã này là x12+ x10 + x8 + x5 + x4 + x3 + 1 Mã BCH được tính toán dựa trên chia modul 2 giá trịcủa 39 bit đầu tiên trong tiêu đề cho đa thức sinh Kết quả sẽ bằng không nếu không

có lỗi Nếu một thanh ghi dịch được sử dụng để thực hiện phép chia, giá trị khởi tạoban đầu của thanh ghi dịch sẽ toàn các bit 0 Bit parity được thiết lập sao cho tổng

số các bit 1 trong toàn bộ tiêu đề (40 bit) là một số chẵn

Khi tiêu đề được lắp ghép lại, bộ phát sẽ thực hiện XOR tiêu đề với mẫu cốđịnh: 0xB6AB31E055 và truyền đi kết quả Máy thu sẽ XOR các bit nhận được vớimẫu cố định để khôi phục tiêu đề Cơ chế này đảm bảo một chuỗi các khung rỗi sẽ

có đủ nội dung và cấu hình đúng

Quá trình tạo khung trong GPON yêu cầu sự hiện diện của tiêu đề HEC tạiđiểm bắt đầu của phân vùng GEM và tất cả các tải tin GEM đường lên Bằng cách

đó, máy thu được đảm bảo sẽ tìm được tiêu đề đầu tiên và các tiêu đề kế tiếp bằngcách sử dụng PLI làm con trỏ Nói cách khác, máy thu sẽ chuyển ngay sang trạngthái Sync khi bắt đầu mỗi phân vùng và tải tin Tuy nhiên, trong trường hợp có lỗi,quá trình tạo khung có thể sẽ mất đồng bộ với dòng dữ liệu Máy thu sẽ yêu cầuthực hiện đồng bộ lại bằng cách thực thi mô hình máy trạng thái như trên hình 2.16.Trong trạng thái tìm (Hunt), máy thu sẽ tìm trường HEC trong tiêu đề GEM Khitìm được một tiêu đề, máy thu sẽ chuyển sang trạng thái trước đồng bộ (Pre-sync),trạng thái khi mà nó đang tìm kiếm HEC với vị trí được chỉ ra trong tiêu đề tìm thấytrước đó Nếu HEC tìm thấy là đúng, máy thu sẽ chuyển sang trạng thái đồng bộ(Sync) Nếu HEC không tồn tại, máy thu sẽ chuyển sang trạng thái tìm Chú ý rằngquá trình thực thi có thể chọn nhiều đối tượng khác nhau ở trạng thái trước đồng bộsao cho HEC phù hợp không làm gián đoạn việc phát hiện phân định (delimiter).Ngoài ra, quá trình thu có thể lưu đệm dữ liệu nhận được khi ở trạng thái trước đồng

bộ, nếu dịch chuyển sang trạng thái đồng bộ thành công, dữ liệu được lưu đệm cóthể chính thức được coi là một phân mảnh GEM hợp lệ

Trạng thái tìm

Trạng thái trước đồng bộ

Trạng thái đồng bộ Một HEC đúng

Hình 2.16 Mô tả chuyển trạng thái dựa trên tiêu đề GEM

Để tách riêng các tốc độ, một khung GEM rỗi sẽ được định nghĩa Nếu không

có khung người sử dụng nào được gửi, quá trình truyền sẽ tạo ra các khung rỗi vàgửi đi Máy thu sẽ sử dụng các khung này để duy trì đồng bộ và tất nhiên sẽ không

có dữ liệu được đưa lên GEM client Tiêu đề khung GEM được định nghĩa là toàncác bit 0 Điều này hàm ý rằng dữ liệu thực chỉ có khi tiêu đề là mẫu cố định0x0xB6AB31E055 do đã thực hiện XOR trước khi truyền