BÁO CÁO THỰC TẬP-Tổng quan về mạng quang thụ động GPON

Mở đầu Phần lớn những mạng cung cấp dịch vụ viễn thông hiện nay đều sử dụng các thiết bị tích cực, từ tổng đài của nhà cung cấp dịch vụ đến thiết bị đầu cuối của khách hàng cũng như các

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, nhu cầu về các loại dịch vụ gia tăng tích hợp thoại, hình ảnh và dữ liệu ngày càng tăng Sự phát triển của các loại dịch vụ mới đòi hỏi hạ tầng mạng truy cập phải đáp ứng các yêu cầu về băng thông rộng, tốc độ truy nhập cao Công nghệ truy nhập điển hình như xDSL đã được triển khai rộng rãi, tuy nhiên lại hạn chế về cự ly và tốc độ, không đáp ứng được yêu cầu dịch vụ Công nghệ mạng truy nhập quang thụ động GPON đã được ITU chuẩn hóa Hiện nay GPON là một trong những công nghệ được ưu tiên lựa chọn cho triển khai mạng truy nhập tại nhiều nước trên thế giới GPON là dịch vụ hướng tới cung cấp mạng đầy đủ, tích hợp thoại, hình ảnh, số liệu với băng thông lớn, tốc độ cao

Nội dung tiểu luận này em xin trình bày về: Công nghệ truy nhập quang thụ động GPON, trong đó gồm có 2 phần

Phần I: Tổng quan về mạng quang thụ động PON

Phần II: Công nghệ mạng quang thụ động GPON

Trong quá trình làm tiểu luận do thời gian và khả năng còn hạn chế nên không thể tránh khỏi sai sót, em mong nhận được sự giúp đỡ của Thầy Cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn

Học viên thực hiện

Lê Minh Tuấn

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON

(Passive Optical network)

1 Mở đầu

Phần lớn những mạng cung cấp dịch vụ viễn thông hiện nay đều sử dụng các thiết bị tích cực, từ tổng đài của nhà cung cấp dịch vụ đến thiết bị đầu cuối của khách hàng cũng như các trạm lặp, các thiết bị chuyển tiếp và một số các thiết bị khác trên đường truyền dẫn Tích cực có nghĩa là các thiết bị này cần phải được cung cấp nguồn năng lượng (nguồn điện)

Với mạng quang thụ động (PON - Passive potical network) tất cả các thành phần tích cực giữa nút dịch vụ và người sử dụng sẽ không còn mà thay vào đó là các thiết bị quang thụ động để điều hướng lưu lượng trên mạng dựa trên việc phân tách năng lượng tín hiệu quang tới các điểm đầu cuối trên đường truyền Việc thay thế các thiết bị tích cực sẽ tiết kiệm chi phí cho các nhà cung cấp dịch vụ vì họ không còn cần đến năng lượng và các thiết bị chủ động trên đường truyền nữa Các bộ ghép/tách thụ động chỉ làm các công việc đơn thuần như cho đi qua hoặc chặn ánh sáng lại mà không cần năng lượng hay các động tác xử lý tín hiệu nào, vì thế giảm chi phí bảo trì tổng thể cho các nhà cung cấp dịch vụ

PON là một kiến trúc mạng điểm - đa điểm, sử dụng các bộ chia quang thụ động để chia công suất quang từ một sợi quang tới các sợi quang cung cấp dịch vụ cho nhiều khách hàng, thường tỉ lệ chia là 32 Về cơ bản Splitter là một lăng kính khuếch tán tín hiệu ánh sáng tới khách hàng không cần sử dụng thiết bị điện Một mạng quang thụ động bắt đầu từ một đầu cuối đường truyền quang OLT (Optical Line Termination) đặt tại tổng đài của nhà cung cấp dịch vụ đến đầu cuối các đơn vị mạng quang ONU (Optical Network Units) đặt tại phía khách hàng

Trong các khuyến nghị về mạng và các hệ thống truyền dẫn, ITU-T đã đưa ra một tập hợp các định nghĩa và kiến trúc làm cơ sở cho việc xây dựng mạng quang thụ động Dựa trên các định nghĩa đó, ta có thể đưa ra khái niệm về mạng quang thụ động một cách ngắn gọn như sau: "Mạng quang thụ động là một mạng quang không có các phần tử điện hay các thiết bị quang điện tử"

Với khái niệm này, PON sẽ không chứa bất kỳ một phần tử tích cực nào cần phải có sự chuyển đổi điện-quang Thay vào đó, PON sẽ chỉ bao gồm: sợi quang, các

bộ chia, bộ kết hợp, bộ ghép định hướng, bộ lọc… Điều này giúp cho PON có một số

ưu điểm nổi bật đó là không bị ảnh hưởng bởi lỗi nguồn, có độ tin cậy cao và không cần phải bảo dưỡng do tín hiệu ít bị suy hao

Mạng quang thụ động GPON khác với mạng quang chủ động AON (Active Optical Network) ở chỗ mạng AON là mô hình mạng point-to-point, mỗi khách hàng chiếm dụng một đường quang xuyên suốt không chia sẻ từ phòng máy của nhà cung cấp dịch vụ tới tận gia đình hoặc thiết bị tập trung của khách hàng Trong khi đó mạng PON có cấu trúc mạng là point-to-multipoint, theo cấu trúc này tại nhà cung cấp đặt một thiết bị làm việc theo chuẩn PON gọi là OLT (Optical Line Terminal) Từ OLT tín hiệu quang sẽ được chia ra thông qua các bộ chia quang và đến khách hàng Thông thường OLT làm việc trên 1 sợi quang và một card lắp tại OLT có 2 port quang, mỗi port quản lý khoảng 64 thuê bao Như vậy, một card quản lý tối đa 128 thuê bao

2 Mô hình mạng quang thụ động PON

Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân phối quang (hay còn gọi là mạng ngoại vi) bao gồm các phần tử như sợi quang, các bộ tách/ghép quang thụ động, các đấu nối và các mối hàn quang Các phần tử tích cực như OLT và các ONU đều nằm ở đầu, cuối của PON Tín hiệu trong PON có thể được phân ra và truyền đi theo nhiều sợi quang hoặc được kết hợp lại và truyền trên một sợi quang thông qua bộ ghép quang, phụ thuộc vào tín hiệu đó là đi theo hướng lên hay hướng xuống của PON PON thường được triển khai trên sợi quang đơn mode, với cấu hình cây là phổ biến Mô hình mạng quang thụ động với các phần tử của nó được biểu diễn như trong hình

Một mạng quang thụ động bắt đầu từ một đầu cuối đường truyền quang OLT (Optical Line Termination) đặt tại tổng đài của nhà cung cấp dịch vụ đến đầu cuối các đơn vị mạng quang ONU (Optical Network Units) đặt tại phía khách hàng (FTTH hay FTTB hoặc FTTC

Các phần tử thụ động

* Sợi quang:

Sợi quang là một thành phần quang trọng trong mạng, nó tạo ra 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 ứng dụng trong mạng PON thì chỉ quan tâm đến suy hao, không quan tâm đến tán sắc bởi khoảng cách truyền tối đa chỉ là 20km và tán sắc thì ảnh hưởng không đáng

kể Do đó, người ta sử dụng sợi quang có suy hao nhỏ, chủ yếu là sử dụng sợi quang theo chuẩn G.652

* Bộ tách/ghép quang( Coupler):

Một mạng quang thụ động sử dụng một thiết bị thụ động để tách một tín hiệu quang từ một sợi quang sang một vài sợi quang và ngược lại Thiết bị này gọi là Coupler quang Nếu coupler chỉ cho phép ánh sáng truyền qua nó theo một chiều, ta gọi là coupler đơn hướng (directional coupler) Nếu nó cho phép ánh sáng đi theo 2 chiều, ta gọi là coupler song hướng (bidirectional coupler)

* Bộ chia (Splitter):

Bộ chia ghép quang thụ động (Splitter) dùng để chia ghép thụ động tín hiệu quang từ nhà cung cấp dịch vụ đến khách hàng và ngược lại giúp tận dụng hiệu quả sợi quang vật lý Thành phần được nhắc chủ yếu trong mạng PON là bộ chia, công dụng của nó là chia công suất quang từ một sợi ra nhiều sợi khác nhau Từ OLT đến ONU

có thể sử dụng nhiều dạng bộ chia là 1 :2 ; 1 :4 ; 1 :8 ; 1 :16 ; 1 :32 ; 1 :64 ; 1 :128 Hầu hết hệ thống PON sử dụng bộ chia là 1 :16 ; 1 :32 Tỷ lệ chia trực tiếp ảnh hưởng suy hao truyền dẫn Tỷ lệ của bộ chia càng cao cũng có nghĩa là công suất truyền đến mỗi ONU sẽ giảm xuống do suy hao của bộ chia 1 :N tính theo công thức 10logN(dB)

* Bộ lọc quang :

Bộ lọc quang là phần tử thụ động hoạt động dựa trên các nguyên lý truyền sóng không cần có sự tác động từ các phần tử bên ngoài Chức năng của bộ lọc là lọc tín hiệu khác nhau được truyền trong cùng một sợi, trước tiên phải tách riêng các bước sóng khác nhau khỏi tín hiệu tổng

3 Các chuẩn của mạng PON

Có 3 loại tiêu chuẩn chính cho mạng PON như sau

+ ITU-T G.983

- APON: (ATM Passive Optical Network) là chuẩn mạng PON đầu tiên dựa trên công nghệ ATM

- BPON: (Broadband PON) là chuẩn dựa trên APON, nó hỗ trợ thêm công nghệ WDM, băng thông giành cho đường lên được cấp phát động Nó cũng cung cấp một giao diện quản lý chuẩn OMCI giữa OLT và ONU cho phép nhiều nhà cung cấp dịch

vụ cùng hoạt động

+ ITU-T G.984

GPON (Gigabit PON) là sự nâng cấp của chuẩn BPON Đây là chuẩn mới nhất,

hỗ trợ tốc độ cao hơn, bảo mật được tăng cường và sự đa dạng, linh hoạt trong việc lựa chọn giao thức lớp 2: ATM, GEM hoặc Ethernet

+ IEEE 803.3

EPON (Ethernet PON) là một chuẩn của IEEE/EFM cho việc sử dụng giao thức Ethernet để truyền dữ liệu

Các tiêu chuẩn đó khác nhau được chỉ ra trong bảng sau

Tốc độ đường

lên/đường xuống

155/622Mbps 1.0/1.0 Gbps 1.25/2.5 Gbps

Triển khai quy mô lớn 100.000 thuê bao 1.000.000 thuê bao Mới thử nghiệm

PHẦN II: CÔNG NGHỆ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG GPON

1.Các đặc tính cơ bản của GPON

GPON viết tắt của từ Gigabit Passive Optical Network được định nghĩa theo

chuẩn ITU-T G984 GPON được mở rộng từ chuẩn BPON G983 bằng cách tăng băng thông, nâng hiệu suất băng thông nhờ sử dụng gói lớn, có độ dài thay đổi và tiêu chuẩn hóa quản lý

a)Tốc độ bít

Về cơ bản, GPON hướng tới tốc độ truyền dẫn lớn hơn hoặc bằng 1,2Gbit/s truy nhiên, trong trường hợp dịch vụ xDSL không đối xứng thì không cần thiết đến tốc độ cao như vậy GPON định nghĩa 7 dạng tốc độ bít như sau

- Đường lên 155 Mbit/s, đường xuống 1,2 Gbit/s

- Đường lên 622 Mbit/s, đường xuống 1,2 Gbit/s

- Đường lên 1,Gbit/s, đường xuống 1,2 Gbit/s

- Đường lên 622 Mbit/s, đường xuống 2,4 Gbit/s

- Đường lên 1,2 Gbit/s, đường xuống 2,4 Gbit/s

- Đường lên 2,4 Gbit/s, đường xuống 2,4 Gbit/s

b) Khoảng cách

+ Khoảng cách logic: Là khoảng cách lớn nhất giữa ONU/ONT và OLT Trong mạng GPON khoảng cách logic lớn nhất là 60km

+ Khoảng cách vật lý: Là khoảng cách vật lý lớn nhất giữa ONU/ONT và OLT Trong mạng GPON có 2 tùy chọn cho khoảng cách vật lý là 10km và 20km Đối với vận tốc truyền lớn nhất là 1,25Gbit/s t là thì khoảng cách vật lý là 10km

c) Tỷ lệ chia

Đối với nhà khai thác mạng thì tỷ lệ chia càng lớn càng tốt Tuy nhiên tỉ lệ chia lớn thì đòi hỏi công suất quang phát cao hơn để hỗ trợ khoảng cách vật lý lớn hơn Tỷ

lệ chia 1:64 là tỷ lệ lý tưởng cho lớp vật lý với công nghệ hiện nay Tuy nhiên trong các bước phát triển tiếp theo thì tỷ lệ 1:128 có thể được sử dụng

d) Bước sóng hoạt động

Đường xuống: Dải bước sóng hoạt động cho đường xuống trong hệ thống sử dụng một sợi quang là 1480-1500nm

Dải bước sóng hoạt động cho đường xuống trong hệ thống sử dụng hai sợi quang là 1260-1360nm

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

2 Mô hình mạng GPON

Hình trên mô tả một mô hình hoạt động của mạng PON điển hình trong đó mạng cáp quang kết nối thiết bị chuyển mạch trong tổng đài với một số thuê bao dịch

vụ Các mạng viễn thông có thể giao tiếp với PON bao gồm chuyển mạch PSTN, IP Router, VoD Server, Switch, chuyển mạch ATM…

- Từ tổng đài, một sợi quang được chạy đến bộ chia công suất quang gần khu dân cư Khu này có thể là: Tòa nhà lớn, tòa nhà văn phòng, công viên hoặc trường đại học…Splitter đặt ở đây có nhiệm vụ chia công suất quang ra làm N phần tách biệt để đưa vào N đầu ra đến thuê bao Nếu P là công suất quang đến bộ Splitter thì công suất quang đến mỗi thuê bao sẽ là P/N

- Từ đầu ra của bộ chia, các sợi cáp đơn mode khác nhau sẽ được chạy đến nhà thuê bao Bán kính có thể cung cấp từ trạm trung tâm đến thuê bao là 20 km Trong mạng này, thiết bị tích cực (có nguồn điện nuôi) chỉ nằm ở trạm trung tâm và nhà thuê bao Trên đường đi chỉ có các thiết bị thụ động

Các thành phần tích cực bao gồm 1 OLT đặt ở Trạm trung tâm và 1 ONT hoặc ONU đặt ở cuối mạng Như trong hình vẽ, 1 ONT được sử dụng khi sợi quang được kéo đến tận trong nhà thuê bao Còn ONU được sử dụng khi sợi quang kết thúc đâu

đó ngoài nhà thuê bao (trong tủ cáp hoặc gần 1 cụm nhà cửa, công ty) Kết nối từ ONU đến thuê bao có thể sử dụng đôi cáp đồng điện thoại hay cáp đồng trục…

Trong mạng PON, tất cả các dịch vụ cả hướng lên và hướng xuống đều được truyền trên cùng một sợi quang Để các đầu cuối phân biệt được các dịch vụ này, người ta phải sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo bước sóng (WDMA) Đối với truyền dẫn hướng xuống, PON sử dụng bước sóng 1490 nm để truyền thoại và

dữ liệu, 1550nm để truyền tín hiệu video Đối với hướng lên, sử dụng bước sóng 1310nm cho thoại và dữ liệu

*Khối đầu cuối đường quang OLT (Optical Line Terminal)

OLT là viết tắt của Optical Line Terminal (Kết cuối đường quang) OLT thường được đặt ở tổng đài và điểu khiển luồng thông tin 2 hướng qua mạng phân phối quang Một OLT có thể hỗ trợ khoảng cách truyền dẫn xa đến 20km Đối với luồng thông tin hướng đến phía thuê bao, OLT có chức năng nhận tín hiệu thoại, dữ liệu, video… từ bên ngoài và truyền broadcast (quảng bá) vào tất cả các module ONT trên mạng phân phối quang Trong hướng ngược lại từ phía khách hàng lên mạng OLT sẽ nhận rất nhiều loại dữ liệu và truyền ra mạng tương ứng

Hình trên thể hiện một cấu trúc của TDM-PON OLT Lớp vật lý định nghĩa các

bộ truyền nhận quang Lớp MAC lập lịch quyền sử dụng lớp vật lý để tránh việc đụng

độ khi nhiều ONT cùng truyền trên một sợi quang chung Trong hệ thống PON, lớp MAC ở OLT phục vụ như là Master còn lớp MAC ở ONU đóng vai trò như client OLT điều khiển thời gian bắt đầu và kết thúc mà một ONU được quyền truyền dữ liệu lên mạng

Như trên hình vẽ, 1 OLT có thể chứa rất nhiều lớp MAC và lớp tương thích vật

lý để nó có thể kết nối đến nhiều hệ thống PON Ta có thể thực hiện đấu nối chéo trong OLT để chuyển mạch giữa nhiều hệ thống PON, ONUs và mạng trục Lớp tương thích vật lý trong OLT sẽ thực hiện biên dịch giao thức trong mạng PON sang giao

thức dùng ở mạng backbone và ngược lại Giao tiếp giữa OLT và mạng backbone được gọi là giao tiếp mạng dịch vụ (SNI)

* Khối mạng quang ONU (Optical Network Unit)

ONU là viết tắt của Optical Network Unit (Thiết bị kết cuối mạng quang) có chức năng giống ONT, nhưng ONT được đặt hẳn trong nhà của khách hàng còn ONU được đặt ở ngoài nhà khách hàng hay tại một điểm trung tâm để cung cấp dịch vụ cho các khách hàng khác nhau Đầu vào của ONU là quang còn đầu ra để nối với khách hàng thường là giao diện khác là cáp xoắn hoặc cáp đồng trục Ta có thể nhìn mô hình ở dưới để hiểu về ONU:

Cấu trúc và vị trí lắp đặt ONU

Một ONU kết nối đến OLT trong mạng PON thông qua lớp MAC và lớp tương thích vật lý Lớp tương thích dịch vụ trong ONU sẽ biên dịch tín hiệu trong mạng của khách hàng thành tín hiệu PON và ngược lại, giao tiếp từ ONU đến mạng khách hàng

là giao tiếp mạng người dùng (UNI) Phần ghép kênh, giải ghép kênh cung cấp chức năng ghép kênh cho những người dùng khác nhau Bình thường có rất nhiều giao diện mạng, người dùng trong một ONU cho các kiểu dịch vụ khác nhau Mỗi UNI có thể hỗ trợ các dạng tín hiệu khác nhau và yêu cầu các dịch vụ tương thích khác nhau

*Khối kết cuối mạng quang ONT

ONT là viết tắt của Optical Network Terminal (Kết cuối mạng quang) Như hình trên, một ONT được đặt trực tiếp ở đầu khách hàng Nhiệm vụ của nó để giao tiếp với mạng PON ở hướng lên và giao tiếp điện với thiết bị của khách hàng ở hướng xuống Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng của thuê bao, ONT có thể hỗ trợ rất nhiều dịch

vụ viễn thông gồm: Ethernet, E1, T1, DS3, E3, ATM…

Trên thị trường có rất nhiều loại ONT để đáp ứng các nhu cầu sử dụng khác nhau của khách hàng Kích cỡ của ONT có thể là cái hộp nhỏ đơn giản đến những thiết

bị to, phức tạp phải bắt vào tủ Rack Các thiết bị ONT phức tạp còn có thể tập trung và

vận chuyển rất nhiều loại thông tin khác nhau từ phía khách hàng và gửi nó vào một sợi quang hướng lên trong mạng PON

Cùng với OLT, ONT cho phép cấp phát băng thông động để cung cấp dịch vụ cho khách hàng một cách mềm dẻo, linh hoạt

*Khối chức năng mạng phân phối quang ODN (Optical Distribution Network)

Khối ODN đặt giữa ONU và OLT, chức năng của nó là phân phối công suất tín hiệu quang ODN chủ yếu là linh kiện quang không nguồn và sợi quang tạo thành mạng phân phối đường quang thụ động Cấu trúc cơ bản mạng cáp quang thuê bao FTTH như sau

+ Cáp quang gốc (Feeder Cable): Xuất phát từ phía nhà cung cấp dịch vụ (hay còn gọi chung là Central Office) 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

+ 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 quang phối tới các tập điểm quang

+ Điểm truy nhập mạng (AP): Là điểm kết cuối của các đoạn cáp quang phối Trên thực tế triển khai, điểm truy nhập mạng thường là 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

+ Hệ thống quản lý mạng quang (FMS-Fiber Management System) được sử dụng để bảo dưỡng và xử lý sự cố

Điểm tham chiếu gồm có: Điểm tham chiếu phát quang S, điểm tham chiếu thu quang R, điểm tham chiếu giữa các nút dịch vụ V, điểm tham chiếu đầu cuối thuê bao

T và điểm tham chiếu a ở giữa các ONU