Tìm hiểu mạng PON Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Huế

Một kiến trúc mạng PON bao gồm một thiết bị đầu cuối kênh quang được đặt tại trung tâm của nhà khai thác dịch vụ và các bộ kết cuối mạng cáp quang ONU/ONT Optical Network Unit/ Optical N

LỜI CẢM ƠN!

Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới Thầy Lê Hữu Bình –Phó khoa Công Nghệ Thông Tin.Trong suốt quá trình làm luận văn, Thầy đã luôn hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện để chúng tôi hoàn thành luận văn này Đồng thời, chúng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới Thầy Cô trong khoa công nghệ thông tin, Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Huế đã tận tình dạy dỗ trong suốt 3 năm học tại trường để chúng tôi có cơ hội làm hoàn thành được bài làm khóa luận.Vì thời gian nghiên cứu và trình độ có hạn nên bài làm khóa luận không thể tránh khỏi thiếu sót Chúng tôi rất mong sự quan tâm, góp ý của thầy cô

và các bạn để khóa luận tốt nghiệp này hoàn chỉnh hơn

Xin chân thành cảm ơn!

LỜI MỞ ĐẦU

Xã hội ngày càng phát triển dẫn tới sự phát triển của các khu vực kinh tế như: khu công nghiệp, khu công nghệ cao, khu thương mại, khu chung cư cao cấp… cùng với sự phát triển ngày càng lớn mạnh của các tổ chức kinh tế như: ngân hàng, kho bạc, công ty… đã tạo ra nhu cầu rất lớn trong việc sử dụng các dịch vụ tiện ích tích hợp thoại, hình ảnh và dữ liệu Bên cạnh đó, các dịch vụ ứng dụng trên Internet ngày càng phong phú và phát triển với tốc

độ nhanh như các dịch vụ mua bán trực tuyến, ngân hàng, game trực tuyến, các dịch vụ đào tạo từ xa,… Đặc biệt nhu cầu về các loại dịch vụ tích hợp thoại, hình ảnh và dữ liệu ngày càng gia tăng Sự phát triển của các loại hình dịch vụ mới đòi hỏi hạ tầng mạng truy cập phải đáp ứng các yêu cầu về băng rộng, tốc độ truy cập cao Công nghệ truy nhập cáp đồng xDSL đã được triển khai rộng rãi nhưng hạn chế về tốc độ và cự ly không đáp ứng được yêu cầu dịch vụ Vì vậy, nghiên cứu triển khai các giải pháp truy nhập quang (FTTx),cụ thể là dịch vụ FTTH là vấn đề cấp thiết hiện nay nhằm xây dựng hạ tầng mạng truy nhập đáp ứng yêu cầu băng thông rộng, tốc độ cao của các loại hình dịch vụ mới

Hiện tại ở Việt Nam có 4 nhà cung cấp dich vụ FTTH là: VIETTEL, VNPT, SPT và FPT, trong đó FPT là đơn vị triển khai sớm nhất Năm 2006, FPT đã bắt đầu cung cấp dịch vụ FTTH cho khách hàng thuê bao nhưng vào thời điểm đó các khách hàng ưa dùng dịch vụ ADSL thay cho dịch vụ kết nối Internet gián tiếp (Dial-up).Khóa Luận tốt nghiệp này được trình bày gồm 3 chương với nội dung như sau:

Chương 1: Tổng quan mạng PON Chương này giới thiệu về mạng PON (Passive

Optical Network), các thành phần cơ bản trong mạng cũng như các chuẩn của mạng PON

Chương 2: Tìm hiểu FTTH (Fiber To The Home). Chương này giới thiệu những nét

cơ bản về mạng FTTH Đi sâu tìm hiểu PON và nghiên cứu kỹ các đặc tính kỹ thuật, kiến trúc của mạng GPON

Chương 3: Thiết kế và mô phỏng FTTH Giới thiệu về phần mềm mô phỏng cũng như các

mô hình của dịch vụ FTTH đưa ra những trường hợp cụ thể để thiết kế tuyến FTTH

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG PON 1.1 Giới thiệu mạng PON

PON là từ viết tắt của Passive Optical Network tạm dịch là mạng quang thụ động

Công nghệ mạng PON còn được hiểu là công nghệ truy nhập giúp tăng cường kết nối giữa các nối mạng truy cập của nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng Trong công nghệ PON, tất

cả các thành phần hoạt động giữa tổng đài CO (Central Office) và người sử dụng sẽ không còn tồn tại mà thay vào đó là các thiết bị quang thụ động, điều khiển lưu lượng trên mạng dựa vào việc phân tích năng lượng của các bước sóng quang học tới các điểm đầu cuối trên đường truyền Vì vậy mà người ta gọi là công nghệ mạng PON (Passive Optical Network)

Vị trí của hệ thống PON trong mạng truyền dẫn: Mạng PON là một dạng của truy nhập quang Mạng truy nhập hỗ trợ các kết nối đến khách hàng Nó được đặt gần đầu cuối khách hàng và triễn khai với số lượng lớn Mạng truy nhập tồn tại ở nhiều dạng khác nhau do nhiều

lí do khác nhau và PON là một trong những dạng đó So với dạnh truy nhập cáp đồng truyền thống, sợi quang hầu như không giới hạn về băng thông

Hình 1.1: Mạng PON Mạng PON được xây dựng nhằm giảm số lượng các thiết bị thu, phát và sợi quang trong mạng thông tin FTTH PON là một mạng điểm tới đa điểm Một kiến trúc mạng PON bao gồm một thiết bị đầu cuối kênh quang được đặt tại trung tâm của nhà khai thác dịch vụ và các

bộ kết cuối mạng cáp quang ONU/ONT (Optical Network Unit/ Optical Network Terminal)

 Đặc điểm của mạng PON

- Đặc trưng của hệ thống PON là thiết bị thụ động phân phối sợi quang đến từng nhà thuê bao

- Ghép kênh phân chia theo dải tần và cung cấp băng thông động để giảm thiểu số lượng cáp quang cần thiết để kết nối OLT và splitter

- PON hỗ trợ các dịch vụ data và video tốc độ cao

- Khả năng cung cấp băng thông cao

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

- PON thực hiện truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang hay hai chiều trên cùng một sợi quang

- PON có thể hỗ trợ topo hình sao, cây, bus, và ring

1.2.Các thành phần cơ bản của mạng PON

1.2.1.Mô hình hệ thống

Hình 1.2: Mô hình hệ thống mạng PON Một hệ thống mạng PON bao gồm các thiết bị kết cuối đường quang OLT (Optical Line Terminator) đặt tại trung tâm CO (Central Office) và các thiết bị kết cuối kênh quang ONU (Optical Network Unit) đặt ở phía người sử dụng Giữa chúng là hệ thống phân phối quang bao gồm cáp quang, thiết bị tách /ghép thụ động

OLT được kết nối đến mạng lõi/metro thông qua giao tiếp (hình 1.3):

Hình 1.3 Giao diện kết nối OLT đến mạng lõi và giao diện kết nối ONU đến khách hàng

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

 E1: giao tiếp với mạng DDN

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

Giao diện kết nối đến các thiết bị của khách hàng gồm có các loại sau (hình 1.2):

 POTS (Plain Old Telephone Service): là hệ thống điện thoại tương tự chỉ gửi một tín hiệu tương tự trên mỗi cặp dây, mỗi tín hiệu riêng biệt này được coi là một kênh Sử dụng POTS và modem để gửi tín hiệu tương tự cung cấp một kênh 64kbit/s Modem và đường dây điện thoại truyền thống khá phù hợp cho mục đích sử dụng Internet để gửi thư điện tử Tuy nhiên, nếu chúng ta cần gửi và nhận một khối lượng

dữ liệu lớn thì sẽ mất khá nhiều thời gian

 Dịch vụ POTS có những đặc điểm sau đây:

o Các đường dây hiện thời chỉ sử dụng hai cặp dây xoắn

o Tín hiệu trên cáp nối chặng cuối là tín hiệu tương tự

o Cần modem để chuyển tín hiệu số thành tín hiệu tương tự

 xDSL: cung cấp kết nối xDSL băng thông cao khả năng tối đa lên 50Mbps, với yêu cầu khoảng cách cáp đồng khoảng 500m và tối đa đến 1000m

 FE (Fast Ethernet): cung cấp các dịch vụ tốc độ lên tới 100Mbps cho khách hàng

1.2.2 Kiến trúc bộ thu-phát trong mạng

Bộ thu phát trong mạng PON được chia thành các loại khác nhau theo bước sóng ,tốc

độ dữ liệu, giao tiếp quang điện…

Bộ thu phát trong mạng quang là thiết bị nhận truyền song công sử dụng bước sóng khác nhau cho việc thu phát tín hiệu quang giữa OLT tại nhà cung cấp và ONU ở phía thuê bao sử dụng Để nhanh chống phát triển FTTH, giá thành của các bộ thu phát cần phải giảm xuống một cách hợp lí; cụ thể là trong mạng FTTH thì giá thành sản phẩm của mạng quyết

định chủ yếu bởi giá thành các thiết bị ONU còn thiết bị OLT tuy có giá cao nhưng nó được chia sẽ bởi nhiều người dùng trong mạng.Vậy nên, giá thành bộ thu phát ở ONU chiếm vai trò quan trọng hạ giá thành sử dụng mạng

Hiện nay , công nghệ PON có nhiều thách thức về mặt kỹ thuật cho việc thiết kế cho

bộ thu phát bởi các nguyên nhân sau:

1 OLT có công suất phát ra lớn và có độ nhạy cao để bù lại độ suy hao của bộ chia

và đường truyền cáp quang kết nối từ nhà cung cấp đến người sử dụng

2 Kỹ thuật truyền tín hiệu quang chế độ burst-mode dùng cho dòng dữ liệu lên

3 Hạ giá thành đóng gói các thiết bị quang

4 Tích hợp các chức năng số và tương tự trên IC

 Sơ đồ khối của ONU/OLT

Hình minh họa dưới đây là sơ đồ khối của bộ thu-phát sử dụng trong mạng PON trong kiến trúc lớp vật lí trên một chip cho cả hai chế độ truyền nhận liên tục Đây là những khối cơ bản nhất trong bộ thu-phát của mạng PON

Trong sơ đồ khối bên trong ONU gồm bộ thu dòng dữ liệu truyền xuống (Rx) và bộ phát dòng dữ liệu tuyến lên (Tx) còn phía OLT thì ngược lại Tx của dòng dữ liệu tuyến xuống và

Rx là dòng dữ liệu tuyến lên Bộ phát dòng dữ liệu tuyến lên gồm laser burst-mode và một laser Fabry – Perot trong khối phát tín hiệu quang TOSA (Transmit Optical Sub-Assembly)

Bộ thu dữ liệu tuyến xuống gồm một diode PIN hoặc APD cùng bộ khuếch đại truyền trở kháng TIA (Tranminpedance Amplifier) trong khối nhận tín hiệu quang ROSA (Receive Optical Sub-Assembly),một bộ khuếch đại giới hạn nhằm mục đích khuếch đại tín hiệu điên sau khối TIA tới giá trị đủ lớn để khôi phục dữ liệu CDR có thể khôi phục lại tín hiệu xung clock và dữ liệu được phát đi Trong cả hai trường hợp của ONU và OLT, bộ thu –phát cùng được kết hợp trên một đường truyền cáp quang thông qua một bộ ghép WDM

Hình 1.4 Sơ đồ khối kiến trúc thu-phát trong mạng PON

Có 3 loại chip chạy chế độ burst-mode chính được xem như là thiết bị chủ chốt trong mạng PON để truyền tín hiệu quang tuyến lên theo chế độ burst-mode là : BM-LDD (Burst-mode Laser Diode Driver) với khả năng điều khiển công suất nhanh và chính xác; đầu thu PIN và APD/TIA có độ nhạy thu cao và dải thông rộng kết hợp với bộ tiền khuếch đại bên phía đầu thu; BM-CDR (Burst-mode Clock and Data Recovery) với khả năng nhanh chóng khôi phục lại dòng dữ liệu nhận được Những chipset này trong mạng PON

là thành phần quan trọng quyết định hiệu suất và chất lượng hoạt động của hệ thống 1.2.3 OLT

OLT cung cấp giao diện về phía mạng phối quang ODN (Optical Distribution Network)và cung cấp ít nhất giao diện quang trên mạng ở phía truy nhập quang OLT có thể được đặt ở bên trong tổng đài hay một trạm từ xa

Sơ đồ khối chức năng của OLT ở hình dưới đây

Hình 1.5: Các khối chức năng của OLT

Một OLT được chia làm 3 phần : phần lõi, phần dịch vụ, phần chung

1.2.3.1 Phần lõi OLT

Phần lõi OLT bao gồm:

 Chức năng kết nối chéo được số hóa cung cấp các kết nối giữa phần mạng lõi/metro

với phần mạng phối quang ODN

 Chức năng ghép kênh truyền dẫn cung cấp việc truyền và ghép các kênh trên mạng

phối quang ODN

 Chức năng giao diện ODN cung cấp môi trường truyền kết nối OLT với một hoặc

nhiều ONU bằng việc sử dụng thiết bị thụ động Nó điều khiển quá trình chuyển đổi quang/điện và điện /quang Để có thể thực hiện cơ chế chuyển mạch bảo vệ và làm dễ dàng cho việc sử lí thiết bị thụ động splitter thi ở OLT sẽ có các chức năng giao diện ODN giông như phần phối quang ODN

1.2.3.2 Phần dịch vụ OLT

Phần dịch vụ OLT thì có chức năng port (cổng) dịch vụ Các port dịch vụ sẽ truyền ít nhất tốc độ ISDN và có thể cấu hình một số dịch vụ hay có thể hỗ trợ đồng thời hai hay nhiều dịch vụ khác nhau ví dụ như dịch vụ truyền hình có độ phân giải cao HDTV (High Definition TV), game online, truyền dữ liệu… Bất cứ khối TU (Tributary Unit) cũng dều cung cấp hai hay nhiều port có tốc độ 2Mbps phụ thuộc vào cách cấu hình trên mỗi port Khối TU có nhiều port có thể cấu hình mỗi port một dịch vụ khác nhau

1.2.3.3 Phần chung OLT

Phần chung OLT bao gồm chúc năng cung cấp nguồn cà chức năng hoạt động, quản lí

và bảo dưỡng OAM (Operation Administration and Mainternace) Chức năng chuyển đổi nguồn ngoài thành nguồn mong muốn Chức năng của OAM cung cấp các phương tiện để diều khiển hoạt động, quản lí và bảo dưỡng cho tất cả khối OLT Trong điều khiển nội bộ, một giao diện có thể được cung cấp cho mục đích chạy thử và giao diện Q3 cho mạng truy cập đến hệ thống đang hoạt động thông qua chức năng sắp xếp

 Chức năng ghép khách hàng và dịch vụ có nhiệm vụ nếu ở về phía khách hàng thì dữ

liệu sẽ được ghép trước khi truyền đến về phía ODN thì các dịch vụ sẽ tách ra phù hợp cho từng user đã yêu cầu dịch vụ

 Chức năng ghép kênh truyền dẫn cung cấp các chức năng phân phối tín hiệu giữa

Chức năng port của user cung cấp cho các giao diện dịch vụ của khách hàng và bộ thích nghi của chúng là 64 kbps hay n 64 kbps Chức năng này có thể được cung cấp bởi khách hàng hay một nhóm khách hàng.Nó cũng cung cấp các nhức năng chuyển đổi tín hiệu tùy thuộc giao diện vật lý ( ví dụ như rung chuông, chuyển đổi A/D và D/A)

1.2.4.3 phần chung ONU

Phần chung ONU bao gồm các chức năng cấp nguồn và chức năng hoạt động,quản lí

và bảo dưỡng OAM Chức năng cung cấp nguồn cho ONU (ví dụ : chuyển đổi AC thành DC) Nguồn có thể cung cấp tại chỗ hay từ xa Nhiều ONU có thể chia sẽ nguồn.ONU có thể hoạt động bằng nguồn dự phòng

Chức năng OAM cung cấp các phương tiện để điều khiển các chức năng hoạt động, quản lí và bảo dưỡng cho tất cả các khối của ONU

1.2.5 ODN

Mạng phối quang ODN cung cấp môi trường truyền dẫn quang cho các kết nối vật lí

từ ONU đến OLT

ODN bao gồm các thành phần sau:

 Sợi quang và cáp quang

 Các connector

 Các thiết bị thụ động như splitter

 Mối nối

1.2.5.1 Sợi quang và cáp quang

Sợi quang là một thành phần quang trọng trong mạng nó tạo sự kết nối giữa các thiết

bị Hai thông số cơ bản của sợi quang là suy hao và tán sắc tuy nhiên sợi quang trong ứng dụng mạng PON thì chỉ cần quan tâm đến suy hao không quan tâm đến tán sắc bởi khoảng cách truyền tối đa là 20 km và tán sắc ảnh hưởng không đáng kể Do đó, người ta sử dụng sợi quang ở đây là sợi quang có suy hao nhỏ chủ yếu là sử dụng sợi quang theo chuẩn G.652 (theo khuyến nghi G.982)

Các loại cáp quang sử dụng trong mạng PON:

 Cáp gốc (cáp phân bố từ OLT đến splitter): thường là loose-tube loại cáp này thì được

khuyến nghi ứng dụng ở hầu hết mạng PON

 Cáp phối (cáp phân phối từ splitter đến dây drop): có thể sử dụng các loại cáp

loose-tube hoặc ribbon

 Dây drop (kéo đến nhà thuê bao)

1.2.5.2 Splitter(Bộ chia)

Thành phần được nhắc chủ yếu trong mạng PON là splitter Splitter là thiết bị thụ động, công dụng của nó là để chia công suất quang từ một sợi ra nhiều sợi khác nhau

Hình 1.7 Các loại splitter a) Sử dụng Splitter có tỉ lệ bộ chia 1:32 hay 1:64

b) Sử dụng Splitter có tỉ lệ bộ chia 1:2 và hai Splitter có tỉ lệ 1:4

Từ OLT đến ONU có thể sử dụng nhiều dạng splitter có tỉ bộ chia là 1:2; 1:4; 1:8; 1:16; 1:32; 1:64; 1:128 Hình 1.7 sử dụng một splitter có tỉ lệ lớn như 1:32 hay 1:64 hay có thể sử dụng nhiều lớp với lớp thứ nhất sử dụng splitter 1:2 và lớp thưa hai sử dụng hai splitter 1:4

Hầu hết hệ thống PON có bộ chia splitter là 1:16 và 1:32 Tỉ lệ chia trực tiếp ảnh hưởng quỹ suy hao của hệ thông và suy hao truyền dẫn Tỉ lệ của splitter càng cao cũng có nghĩa là công suất truyền đến ONU sẽ giảm xuống do suy hao bộ chia splitter 1:N tính theo công thức 10 logN (dB) nên nếu tỉ lệ bộ chia mà tăng lên gấp đôi thì suy hao sẽ tăng lên gấp

3 dB

Dựa vào các bộ chia như là 1:2; 1:4; 1:8; 1:16; 1:32; 1:64; 1:128 ta có suy hao tương ứng liệt kê ở bảng dưới

Hình 1.8 Bảng liệt kê suy hao các bộ chia splitter tương ứng

1.2.6 Các chuẩn mạng quang PON

 ITU-T G.984

- GPON (Gigabit PON): là sự nâng cấp của chuẩn BPON Nó hỗ trợ tốc độ cao hơn, bảo mật được tăng cường và sự đa dạng trong việc lựa chọn giao thức lớp 2: ATM, GEM, Ethernet

CHƯƠNG 2: MẠNG FTTH 2.1 Tổng quan

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

Tín hiệu quang được ghép kênh và đưa tới bộ chia dùng cho khu vực của 1 nhóm người tiêu dùng Trong mạng FTTH, có rất nhiều tỷ lệ chia dùng cho bộ chia nhưng thông thường sử dụng bộ chia tỷ số 1: 16 cho người dùng hay nói cách khác, tín hiệu quang được ghép kênh để đưa tới cho 1 nhóm 16 người sử dụng khác nhau

Khi tín hiệu quang phải chuyển đổi thành tín hiệu điện tới người sử dụng, ONU(Optical Network Unit) cần được đặt tại kết cuối của mạng Do giá thành lắp đặt của một ONU khá cao nên nhà phân phối thường sử dụng ONU cho nhiều người sử dụng để giảm chi phí lắp đặt mạng

Việc cung cấp nguồn cho mạng FTTH là một trong những vấn đề chính cần được giải quyết

Nó đóng vai trò quan trọng trong mạng FTTH tại hầu hết các quốc gia vì yêu cầu cấp nguồn liên tục cho tất cả các dịch vụ viễn thông trong khi mạng FTTH không thể truyền dẫn tín hiệu điện Với trường hợp mạng FTTC dùng cáp đồng trục, mạng FTTC(Fiber To The Curb) được cung cấp nguồn thông qua một mạng cáp đồng trục chạy song song với mạng Với mạng FTTH, khả năng tiêu thụ với công suất rất thấp chính là đặc điểm cạnh tranh lớn nhất của nó với các kiến trúc mạng khác Vấn đề này đã được giải quyết bởi sự phát triển của các nguồn pin hiện nay; nhờ đó, thiết bị thông tin quang đầu cuối tại người sử dụng có thể được cấp nguồn và sạc bằng điện

Các nguồn cấp điện dùng pin mặt trời cũng là giải pháp khả thi cho các thiết bị ở khu vực xa với tiêu thụ công suất rất thấp Khả năng cung cấp nguồn này của mạng FTTH đã đẩy chi phi lắp đặt của toàn bộ mạng xuống từ 4 đến 8 lần so với các mạng khác

Hiện nay, sự phát triển vượt bậc trong công nghệ sợi quang cũng đẩy giá thành của lắp đặt của mạng FTTH hạ xuống nhanh chóng mà sự phát triển này bắt nguồn chính từ những tiến

bộ mạnh mẽ trong công nghệ laser, các giải pháp mới trong việc phân phối tín hiệu video và

kiến trúc mạng thụ động Bên cạnh những tiến bộ về công nghệ , chúng ta cũng cần phải kể đến sức phát triển mạnh mẽ của mạng Internet, các website và công nghệ video số đã hình thành những dịch vụ yêu cầu tốc độ cao, băng thông rộng Chính những yêu cầu không ngừng của người sử dụng đã nhanh chóng cho nhà sản xuất thấy giới hạn của mạng và nhờ điều đó, mạng FTTH là giải pháp tối ưu được đề xuất cho những khả năng truyền tải băng rộng với suy hao thấp

FTTH đặc biệt hiệu quả với các dịch vụ: Private Hosting Server, VPN(Virtual Private Network), Truyền dữ liệu, Game Online, IPTV(Internet Protocol Televison), VoD(voice on Demand), Video Conferrence, IP Camera…với ưu thế băng thông truyền tải dữ liệu cao, có thể nâng cấp lên băng thông lên tới 1Gbps, an toàn dữ liệu, độ ổn định cao, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện, từ trường

Hình 2.1 FTTH

Hình 2.1.những ưu việt của FTTH

2.2 Cấu trúc và các thiết bị của kênh truyền FTTH

Cấu trúc mạng PON (Pass optical network) cơ bản gồm các thành phần là OLT, splitter quang,ONU/ONT OLT chính là thiết bị đầu cuối phía nhà sản xuất, có nhiệm vụ kết nối tất

cả các loại dịch vụ lại và truyền tín hiệu thông qua sợi cáp quang Tín hiệu từ OLT sẽ đến các splitter quang Splitter quang được sử dụng để phân chia băng thông từ một sợi duy nhất đến 64 người sử dụng (có thể là 32 hoặc 16, điều đó phụ thuộc vào hệ số chia của splitter) trên một khoảng cách tối đa là 20 km Để thu được tín hiệu từ OLT, tại phía người sử dụng cần có các ONU/ONT Các thiết bị này có nhiệm vụ là biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang Sự khác biệt rõ nhất giữa ONU và ONT là ONU không cần cấp nguồn còn ONT cần phải cấp nguồn và chỉ có ONU mới có khả năng hỗ trợ dịch vụ IPTV

Hình 2.2 Mô hình cấu trúc và các thành phần thiết bị chính của một mạng PON

2.2.1Các thành phần thiết bị

+ OLT (Optical Line Terminal): Đây là thiết bị kết cuối kênh quang đặt tại Center Office Nó là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống FTTH, cung cấp các giao diện truy nhập PON cho thiết bị ONU phía người sử dụng và các giao diệnkhác cho tín hiệu phía uplink

+ ONU (Optical Network Unit): ONU là thiết bị lắp đặt tại phía khách hàng Nó là điểm cuối của mạng quang FTTH ONU có nhiệm vụ chuyển tín hiệu quang từ giao diện PON thành các chuẩn tín hiệu cho các thiết bị mạng, tín hiệu truyền hình, tín hiệu thoại được sử dụng tại thuê bao

+ ONT (Optical Network Terminal): Đây là thiết bị đầu cuối phía người sử dụng, là điểm cuối cùng của ODN

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

Bộ chia/ghép quang chính là bộ chia công suất quang (Optical Power Splitter): dùng để chia một tín hiệu quang ở đầu vào thành nhiều tín hiệu ở đầu ra Các hệ số chia thông thường là 1:4, 1:8… Đây là bộ chia thụ động tức là không phải cấp nguồn Suy hao trong bộ chia phụ thuộc vào hệ số chia Hệ số chia càng lớn thì suy hao càng lớn Với hệ số chia là 1:2 thì suy

hao khoảng 3 dB, với hệ số chia là 1:32 thì suy hao tối thiểu là 15dB Suy hao này chính là suy hao xen tạo ra bởi sự chưa hoàn hảo trong quá trình xử lý

Hình 2.3 Nguyên lý chung của bộ chia công suất quang Giả sử tại đầu vào có 3 bước sóng λ1 ở hướng lên, λ2, λ3 ở hướng xuống, với bộ chia công suất có hệ số chia là 1:2 thì đầu ra có 2 cửa ra, một cửa có bước sóng vào là λ2và bước sóng

ra là λ1, một cửa khác lại có bước sóng vào là λ3và bước sóng ra là λ1

+ Sợi quang

Cấu tạo sợi quang

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:

- Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh có chiết suất n1, được gọi là lõi (core) sợi

- Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc (cladding), có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2 < n1

Hình 2.4: Mô tả sợi quang

Phân loại sợi quang

Phân loại theo chiết suất:

- Sợi quang chiết suất bậc SI (Step-Index)

- Sợi quang chiết suất biến đổi GI (Graded-Index)

Phân loại theo mode:

- Sợi đơn mode (Single-Mode)

- Sợi đa mode (Multi-Mode)

2.2.2 Cấu trúc mạng

2.2.2.1 Topo hình cây

Thông thường trong các mạng đều được xây dựng theo topo hình cây trong đó chỉ sử dụng 1 đường cáp quang nối trực tiếp từ OLT tới bộ chia Từ bộ chia, sẽ có một đường cáp quang kết nối từ mỗi ONU tới mạng Về nguyên tắc, các mạng đều sử dụng topo hình cây với kiến trúc

bộ chia ghép tầng và trong thực tế, trong một số mạng chỉ có 1 bộ chia thường được gọi là topo hình sao

Ưu điểm đầu tiên của kiến trúc mạng này là bộ chia được tập trung tại một điểm nên dễ dàng xác định được những sự cố của mạng Ưu điểm thứ hai chính là tất cả các ONU trong cùng mạng sẽ có chung dự trữ công suất hay nói cách khác là chất lượng tín hiệu tại các ONU

sẽ gần tương tự như nhau Kiến trúc này cho phép các ONU được sử dụng chung OLT về cả khả năng xử lý và truyền tải một cách công bằng đồng thời giúp nhà sản xuất hạ giá thành các thiết bị mạng Hơn nữa, kết nối điểm – đa điểm của mạng PON cũng giảm trạng thái tắc nghẽn ở phía OLT so với kết nối điểm - điểm thông thường Tuy nhiên, số lượng ONU trong mạng theo topo này cũng bị giới hạn bởi suy hao của các bộ ghép hình sao và nhu cầu băng thông của người sử dụng Bởi vì dung lượng của người sử dụng phải phù hợp với khả năng cung cấp của đường truyền sau bộ chia nên đó cũng là một lý do hạn chế số lượng người sử dụng

Topo hình sao với 1 bộ chia là kiểu topo thường gặp trong thực tế bởi khả năng có thể chuyển đổi dễ dàng và hiệu quả từ công nghệ băng hẹp (2Mbps cho mỗi khách hàng) lên tới mạng quang băng rộng (1Gbps cho mỗi khách hàng) Khi số khách hàng yêu cầu dịch vụ tăng lên, mạng PON với topo hình sao sẽ được chia nhanh chóng thành các mạng nhỏ hơn bằng cách thêm bộ chia và OLT trong mạng Vì vậy, topo dạng này rất dễ dàng triển khai mở rộng mạng cho nhà cung cấp Thông thường, PON hình sao thường sử dụng các bộ ghép/chia quang thụ động hình sao mở rộng ( passive optical broadcast star coupler) do khả năng cung

cấp số lượng cổng vào hoặc ra một cách linh hoạt của bộ chia này Nhà cung cấp có thể dễ dàng phân phối một số lượng cổng phát hữu hạn cho số cổng ra thay đổi (và ngược lại) hoặc

có thể phân phối một số lượng cổng phát và thu thay đổi nếu sử dụng thêm kỹ thuật WDM (cách này thường có giá thành cao trong thực tế) với bộ chia này

Nhược điểm của topo hình cây là chỉ có thể sử dụng cho kỹ thuật đa truy nhập TDMA trong

đó các khe thời gian truyền nhận giữa OLT và các ONU được chỉ định cho mỗi đường kết nối riêng biệt từ mỗi ONU tới mạng để tránh xảy ra xung đột dữ liệu giữa các ONU khi phát lên OLT thông qua bộ chia Thông thường, trong mạng kiểu này việc chỉ định khe thời gian sẽ được cấp phát động cho mỗi ONU khi liên kết vào mạng Một điểm yếu khác của topo hình sao là độ tin cậy của mạng không cao, mỗi khi tổng đài phía nhà cung cấp CO gặp sự cố sẽ gây sự cố cho toàn mạng Ngoài ra cần phải kể đến những sự cố khác trong mạng như lỗi tại

bộ khuếch đại, tại bộ truyền nhận, … tại node trong mạng cũng ảnh hưởng tới chất lượng của toàn mạng Một lý do dễ dàng nhận thấy nữa là do hạn chế tại các kết nối sau bộ chia làm cho khách hàng luôn luôn bị hạn chế tốc độ bởi 1 giá trị hằng định dẫn đến làm giảm tính tận dụng của mạng trong việc phân phối băng thông cho người dùng

Hình 2.5:Topo hình cây

2.2.2.2 Topo dạng bus

Cấu trúc dạng bus cũng sử dụng 1 cáp quang từ OLT tới khách hàng nên cũng gặp phải những vấn đề tương tự như topo hình cây ở trên Mỗi người sử dụng được kết nối vào mạng thông qua một bộ ghép dây nhánh (tap coupler) và bộ ghép này sẽ đưa một phần công suất tín hiệu phát từ OLT đi tới người sử dụng Ưu điểm của phương pháp này là khả năng tối thiểu hóa số cáp quang cần được sử dụng (nếu ONU được kết nối trực tiếp tới bộ ghép) và mở rộng mạng một cách linh hoạt, dễ dàng (khi có thêm ONU mới tham gia vào mạng thì chỉ cần dùng thêm bộ ghép để kết nối trực tiếp vào mạng) Tuy nhiên, topo này cũng có nhược điểm là : tín hiệu quang suy hao dần qua mỗi bộ ghép nên ONU ở xa OLT có thể không thu được tín hiệu

do chất lượng tín hiệu quá tồi sau khi đi qua một số lượng nhất định bộ ghép nhánh

Đồng thời, với topo này sẽ yêu cầu một đường cáp quang có độ dài rất lớn khi mở rộng trong mạng 2 chiều

Hinh 2.6 Topo dạng bus

2.2.2.3.Topo dạng vòng

Topo dạng vòng được sử dụng chính trong các mạng thành phố lớn bởi khả năng mềm dẻo trong việc tối ưu hóa các đường truyền Trong topo dạng vòng, tồn tại 2 đường kết nối từ OLT tới mỗi ONU nên nó có khả năng rất linh hoạt trong việc thiết lập và bảo trì mạng cáp quang kể cả trong trường hợp cáp quang bị đứt Tuy nhiên, nó cũng yêu cầu sử dụng 2 sợi quang tại OLT và những thiết bị phức tạp khác có khả năng chuyển mạch và truyền nhận tín hiệu theo 2 hướng trong vòng tại mỗi ONU Do đó, topo dạng vòng cũng có những nhược điểm tương tự như topo dạng bus về dự trữ công suất trên đường truyền Khi tín hiệu quang được truyền qua mỗi ONU, tín hiệu bị suy hao đáng kể; điều này đã gây ra giới hạn cho khả năng truyền nhận và số lượng ONU trong topo dạng vòng Dung lượng của mạng được chia

sẻ một cách mềm dẻo cho các ONU trong mạng nên việc sử dụng 2 cáp quang trong mạng vòng cũng không cải thiện được dung lượng của mạng và tất nhiên, số lượng ONU trong mạng topo dạng vòng cũng không hề lớn hơn trong mạng có topo dạng bus và hình cây

Hinh 2.6 Topo dạng vòng

2.2.2.4 Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng hoặc đường tải phụ

Topo dạng này được sử dụng như 1 loại topo chuẩn cho mạng hình cây nhưng trong đó sử dụng 2 cáp quang cho OLT nhằm mục đích tăng sự mềm dẻo trong việc khai thác mạng Trong trường hợp 1 cáp quang bị đứt thì cáp còn lại vẫn có khả năng hoạt động trong mạng Tuy nhiên, trong quá trình thiết lập mạng này, 2 đường cáp quang được sử dụng cho 2 đường tải khác nhau nhằm mục đích tránh khả năng xảy ra 2 đường cáp quang bị đứt tại cùng một thời điểm Các bộ ghép quang hình sao cũng được sử dụng trong mạng để cung cấp khả năng chuyển mạch một cách chủ động trong việc lựa chọn đường tải tới OLT cho mỗi ONU tham gia vào mạng hoặc khả năng cung cấp dòng dữ liệu tăng lên gấp đôi khi sử dụng chuyển mạch tại mỗi ONU Như vậy, dung lượng cực đại trên mỗi đường tải trong mạng quang sẽ được giảm một nửa và do đó, không còn giới hạn số ONU được sử dụng trong mạng mà vẫn đảm bảo tốc độ truyền nhận ở mỗi cổng tại mỗi ONU tham gia vào mạng

Hình 2.7 Topo hình cây với đường tải phụ Trong thực tế, việc kết hợp cả 3 topo cơ bản cho phép nhà cung cấp có thể cung cấp một mạng có khả năng tập trung với mật độ cao nhưng vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ trong các mạng 2 chiều Sự kết hợp giữa topo dạng vòng cổ điển và topo hình cây mang lại khả năng phân phối mềm dẻo và tối ưu trong việc thiết kế mạng quang trên từng đoạn như trong hình

vẽ 1.15 Một phương pháp tiếp cận khác là sự kết hợp của 2 topo dạng vòng trên mỗi đoạn mạng cung cấp khả năng linh hoạt trong việc phân phối mạng (hình 1.16) Tuy nhiên, phương pháp này sử dụng những giao thức quản trị mạng phức tạp và nhiều cáp quang trong quá trình thiết lập mạng Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu trong việc thiết lập và xây dựng mạng này

Hinh 2.7 Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng

Khoảng cách

Khoảng cách logic: là khoảng cách lớn nhất giữa ONU/ONT và OLT ngoại trừ

khoảng vật lý Trong mạng GPON, khoảng cách logic lớn nhất là 60 km

Khoảng cách vật lý: là khoảng cách vật lý lớn nhất giữa ONU/ONT và OLT Trong

mạng GPON, có hai tùy chọn cho khoảng cách vật lý và 10 km và 20 km Đối với vận tốc truyền lớn nhất là 1.25 Gbit/s thì khoảng cách vật lý là 10 km

sử dụng hai sợi quang là 1260-1360 nm

Đường lên: Dải bước sóng hoạt động cho đường lên là 1260-1360 nm

Hinh 2.9 Bước song hoạt động của mạng FTTH

2.3.4 Tỉ lệ lỗi bit BER

Định nghĩa: Là tỉ lệ bit bị lỗi trên tổng số bit truyền đi Trong đó, xác suất lỗi bit là một trong

những cách hiệu quả để đánh giá tín hiệu một cách định lượng

Khi máy thu nhận được tín hiệu quang, nó sẽ chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện thông qua một photodiode Sau đó, tín hiệu điện lại được khuếch đại tín hiệu nhờ một bộ khuếch đại Tín hiệu này sau đó được lấy mẫu để tương ứng với mỗi bit, ta có một mức điện thế xác định Với một ngưỡng cho trước, mức tín hiệu nào lớn hơn ngưỡng thì là bit “1”, ngược lại là bit “0” Nếu nhiễu quá lớn, các mức điện thế có thể vượt qua ngưỡng để được đọc thành bit

“1” và ngược lại tạo ra lỗi

Nhờ kĩ thuật mã hóa sửa sai FEC, ta có thể hạ thấp tỉ lệ lỗi bit từ 10-4 xuống còn 10-12 Tuy nhiên, thông thường tỉ lệ lỗi bit trong tín hiệu quang thường là 10-9.Cách tính BER với nhiễu biên độ tuân theo hàm phân bố Gaussian

Hình 2.10: Mối liên quan tín hiệu nhận được và hàm phân bố xác suất

Hình 2.10 (a) chỉ ra dạng tín hiệu nhận được Giá trị dòng điện I dao động từ I0 tới I1 và ID

là dòng ngưỡng Nếu I > ID thì đó là bit “1” còn ngược lại đó là bit “0” BER có thể được

tính theo xác xuất lỗi bit:

BER = P(1)P(0/1) + P(0)P(1/0) (1) Trong đó:

◘ P(1) và P(0) là xác suất nhận được bit 1 và 0

◘ P(0/1) là xác suẩt lựa chọn bit 0 khi bit 1 được nhận

◘ P(1/0) là xác suất lựa chọn bit 1 khi bit 0 được nhận

◘ Do có thể xảy ra trường hợp: P(1) = P(0) = 1/2 Khi đó:

BER = [P(0/1) + P(1/0)] (2) Hình 2.10(b) chỉ ra xác suất P(0/1) và P(1/0) phụ thuộc vào hàm mật độ xác xuất P(I) Dạng

hàm P(I) phụ thuộc vào thống kê nguồn nhiễu Với nhiễu biên độ tuân theo hàm phân bố

Gaussian, ta có: