Khảo Sát Mạng truy cập Gpon

GPON định nghĩa theo chuẩn ITUT G.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 hóa quản lý. Thêm nữa, chuẩn cho phép lựa chọn tốc độ bit của đường lên và đường xuống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

-ĐỒ ÁN MÔN HỌC THÔNG TIN QUANG

NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Đề tài:

KHẢO SÁT MẠNG TRUY CẬP GPON DỰA TRÊN PHẦN MỀM OPTISYTEM

GVHD : TS ĐỖ ĐÌNH THUẤN SVTH : NGUYỄN TẤN NGUYÊN – MSSV: 11141146

LÊ ANH PÔN- MSSV: 11141166 HOÀNG VĂN CƯƠNG- MSSV: 11141371

TP HỒ CHÍ MINH – 12/2014

MỤC LỤC

1 Giới thiệu công nghệ GPON

GPON định nghĩa theo chuẩn ITU-T G.984 GPON được mở rộng từ chuẩn BPON G.983bằng cách tăng băng thông, nâng hiệu suất băng thông nhờ sử dụng gói lớn, có độ dàithay đổi và tiêu chuẩn hóa quản lý Thêm nữa, chuẩn cho phép lựa chọn tốc độ bit củađường lên và đường xuống Phương thức đóng gói GPON - GEM cho phép đóng gói lưulượng người dùng rất hiệu quả, với sự phân đoạn khung cho phép chất lượng dịch vụ QoScao hơn phục vụ lưu lượng nhạy cảm như truyền thoại và video GPON hỗ trợ tốc độ caohơn, tăng cường bảo mật và chọn giao thức lớp 2 (ATM, GEM, Ethernet) Điều đó chophép GPON phân phối thêm các dịch vụ tới nhiều thuê bao hơn với chi phí thấp hơn cũngnhư cho phép khả năng tương thích lớn hơn giữa các nhà cung cấp thiết bị

Hệ thống GPON thông thường gồm một thiết bị kết cuối đường dây OLT và thiết bị kếtcuối mạng ONU hay ONT được nối với nhau qua mạng phân phối quang ODN Quan hệgiữa OLT và ONU là quan hệ một - nhiều, một OLT sẽ kết nối với nhiều ONU

2 Kiến trúc mạng GPON

Cấu trúc hệ thống GPON bao gồm OLT, các ONU, bộ chia quang Splitter và các sợiquang Sợi quang được kết nối với các OLT đi tới bộ chia quang Splitter, tại bộ chiaquang chia ra các sợi khác và các sợi phân nhánh này được kết nối với ONU

Hệ thống GPON bao gồm các thành phần sau đây:

 OLT: Thiết bị kết nối cáp quang tích cực lắp đặt tại phía nhà cung cấp dịch vụ,thường được đặt tại các trạm đài

 ONT: Thiết bị kết nối OLT thông qua mạng phân phối quang (ODN) dùng chotrường hợp kết nối quang tới nhà thuê bao (FTTH)

 ONU: Thiết bị kến nối OLT thông qua mạng phân phối quang (ODN) dùng chotrường hợp kết nối quang tới các tòa nhà, tới các vỉa hè hoặc các node (FTTB,FTTC, FTTN).

 Bộ chia/ ghép quang thụ động (Splitter): Dùng để chia/ghép tín hiệu quang từ nhàcung cấp dịch vụ đến khách hàng và ngược lại giúp tận dụng hiệu quả sợi quang vật lý.Splitter thường được đặt tại các điểm phân phối quang (DP) và các điểm truy nhập quang(AP) Bộ chia/ghép quang có hai loại, một đặt tại nhà trạm viễn thông, sử dụng các tủkiểu indoor, loại kia sẽ là loại thiết bị được bọc kín có thể mở ra khi cần thiết và đặt tạicác điểm măng xông

 FDC: Tủ phối quang

 FDB: Hộp phân phối quang loại nhỏ

2.1 Kết cuối đường quang OLT

Kết cuối đường quang OLT được kết nối tới mạng chuyển mạch thông qua cácgiao diện được chuẩn hoá OLT đưa ra giao diện truy nhập quang tương ứng vớicác chuẩn GPON như tốc độ bit, quỹ công suất, jitter,… OLT bao gồm ba phầnchính: Chức năng giao diện cổng dịch vụ; chức năng kết nối chéo và giao diệnmạng phân tán quang Các khối OLT chính được mô tả trong hình 2.5

Hình 2.1: Các khối chức năng trong OLT

 Khối lõi PON (PON core shell): Khối này gồm hai phần, phần giao diện ODN vàchức năng PON TC Chức năng của PON TC bao gồm tạo khung, điều khiển truynhập phương tiện, OAM, DBA và quản lý ONU Mỗi PON TC có thể lựa chọnhoạt động theo một chế độ ATM, GEM và Dual

 Khối kết nối chéo (Cross-connect shell): Cung cấp đường truyền thông giữa khốilõi PON và phần dịch vụ Các công nghệ sử dụng cho đường này phụ thuộc vào

các 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 hoặcDual).

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

vụ và giao diện khung TC của phần PON

2.2 Thiết bị đầu cuối mạng ONU/ONT

Hầu hết các khối chức năng của ONU/ONT tương tự như các khối chức năng của OLT

Do ONU hoạt động với một giao diện PON (hoặc tối đa 2 giao diện khi hoạt động ở chế

độ bảo vệ), chức năng đấu nối chéo có thể được bỏ qua Thay vào đó là chức năng ghép

và tách kênh dịch vụ (MUX và DMUX) để xử lý lưu lượng Cấu hình tiêu biểu của ONUđược thể hiện trong hình 2.6 Sơ đồ các khối chức năng ONU Mỗi PON TC sẽ lựa chọnmột chế độ truyền dẫn ATM, GEM hoặc cả hai

Hình 2.2: Các khối chức năng của ONU

2.3 Mạng phân phối quang ODN

Mạng phân phối quang kết nối giữa một OLT với một hoặc nhiều ONU sử dụng thiết bịtách/ghép quang và mạng cáp quang thuê bao

Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản mạng cáp quang thuê bao

 Bộ tách/ghép quang: Mạng GPON sử dụng thiết bị thụ động để chia tín hiệu quang

từ một sợi để truyền đi trên nhiều sợi và ngược lại kết hợp các tín hiệu quang từnhiều sợi thành tín hiệu trên một sợi Thiết bị này được gọi là bộ tách/ghép quang.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 tínhtheo dB

Suy hao xen: Đây là công suất bị tổn hao do quá trình sản xuất, giá trị này thôngthường khoảng 0.1dB đến 1dB

Suyên âm: Đây là mức công suất đo được ở đầu vào bị rò từ một đầu vào khác.Với những bộ tách/ghép là thiết bị có khả năng định hướng cao thì tham số điềuhướng khoảng từ 40 đến 50 dB

 Mạng cáp quang thuê bao: Được xác định trong phạm vi ranh giới từ giao tiếp sợiquang giữa thiết bị OLT đến thiết ONU/ONT Mạng cáp quang thuê bao được cấuthành bởi các thành phần chính như sau:

Cáp quang gốc (Feeder Cable): Xuất phát từ phía nhà cung cấp dịch vụ (hay còngọi 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 tếtriển khai, điểm phân phối sợi quang thường là măng xông quang, hoặc các tủ cápquang phối.

Cáp phối quang (Distribution Optical Cable): Xuất phát từ điểm phối quang (DP)tới các điểm truy nhập mạng AP (Access Point) hay từ các tủ phối quang tới cáctập 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

3 Các tiêu chuẩn kỹ thuật

3.1 Tốc độ bit

Tốc độ truyền dẫn:

1244,16 Mbps đường xuống / 155,52 Mbps đường lên

1244,16 Mbps đường xuống / 622,08 Mbps đường lên

1244,16 Mbps đường xuống / 1244,16 Mbps đường lên

2488,32 Mbps đường xuống / 155,52 Mbps đường lên

2488,32 Mbps đường xuống / 622,08 Mbps đường lên

2488,32 Mbps đường xuống / 1244,16 Mbps đường lên

2488,32 Mbps đường xuống / 2488,32 Mbps đường lên

Các thông số kỹ thuật khác:

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

Đa truy nhập đường 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 +2đến +7dBm (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

Hình 4.1: Sử dụng TDMA trên GPON hình cây

Kỹ thuật truy nhập được sử dụng phổ biến trong các hệ thống GPON hiện nay là đa truynhập phân chia theo thời gian (TDMA) TDMA là kỹ thuật phân chia băng tần truyền dẫnthành những khe thời gian kế tiếp nhau Những khe thời gian này có thể được ấn định

trước cho mỗi khách hàng hoặc có thể phân theo yêu cầu tuỳ thuộc vào phương thứcchuyển giao đang sử dụng Hình 2.8 là một ví dụ về việc sử dụng TDMA trên GPONhình cây Mỗi thuê bao được phép gửi số liệu đường lên trong khe thời gian riêng biệt.

Bộ tách kênh sắp xếp số liệu đến theo vị trí khe thời gian của nó hoặc thông tin được gửitrong bản thân khe thời gian Số liệu đường xuống cũng được gửi trong những khe thờigian xác định

Mạng 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 lưu lượngcủa từng ONU OLT cũng chỉ cần một bộ thu, điều này sẽ dễ dàng cho việc triển khaithiết 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 lắp đặt dễ dàng thêmcác ONU nếu có nhu cầu nâng cấp mạng

Một đặc tính quan trọng của GPON sử dụng TDMA là yêu cầu bắt buộc về đồng bộ củalưu lượng đường lên để tránh xung đột số liệu Xung đột này sẽ xảy ra nếu hai hay nhiềugói dữ liệu từ những thuê bao khác nhau đến bộ ghép cùng một thời điểm Tín hiệu này

đè lên tín hiệu kia và tạo thành tín hiệu ghép Phía đầu xa không thể nhận dạng đượcchính xác tín hiệu tới, kết quả là sinh ra một loạt lỗi bit và suy giảm thông tin đường lên,ảnh hưởng đến chất lượng của mạng Tuy nhiên các vấn đề trên đều được khắc phục với

cơ chế định cỡ và phân định băng thông động của GPON

4.2 Phương thức ghép kênh

Phương thức ghép kênh trong GPON là ghép kênh song hướng Các hệ thống GPON hiệnnay sử dụng phương thức ghép kênh phân chia không gian Đây là giải pháp đơn giảnnhất đối với truyền dẫn song hướng Nó được thực hiện nhờ sử dụng những sợi riêng biệtcho truyền dẫn đường lên và xuống Sự phân cách vật lí của các hướng truyền dẫn tránhđược ảnh hưởng phản xạ quang trong mạng và cũng loại bỏ vấn đề kết hợp và phân táchhai hướng truyền dẫn Điều này cho phép tăng được quỹ công suất trong mạng Việc sửdụng hai sợi quang làm cho việc thiết kế mạng mềm dẻo hơn và làm tăng độ khả dụngbởi vì chúng ta có thể mở rộng mạng bằng cách sử dụng những bộ ghép kênh theo bướcsóng trên một hoặc hai sợi Khả năng mở rộng này cho phép phát triển dần dần những

dịch vụ mới trong tương lai Hệ thống này sẽ sử dụng cùng bước sóng, cùng bộ phát và

bộ thu như nhau cho hai hướng nên chi phí cho những phần tử quang - điện sẽ giảm.Nhược điểm chính của phương thức này là cần gấp đôi số lượng sợi, mối hàn và

connector và trong GPON hình cây thì số lượng bộ ghép quang cũng cần gấp đôi Tuy nhiên chi phí về sợi quang, phần tử thụ động và kỹ thuật hàn nối vẫn đang giảm và trong tương lai nó chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ trong toàn bộ chi phí hệ thống

5 Cấu trúc phân lớp của mạng quang GPON

Lớp hội tụ truyền dẫn(Transmission convergence)

Phân lớp tương thích hội tụ truyền dẫn

(TC adaption sub- layer)Phân lớp đóng khung GTC(GTC framing sub- layer)Lớp phụ thuộc phương tiện vật lý (Physical Media Dependence)

Hình 5.1: Cấu trúc phân lớp mạng GPON.

5.1 Lớp phụ thuộc phương tiện vật lý PMD.

Lớp phụ thuộc phương tiện vật lý quản lý các thông tin về tốc độ, phương tiện vật lý và phương thức truyền cũng như mã hóa đường dây và bước sóng hoạt động

 Tốc độ tín hiệu: Tốc độ đường truyền là các tốc độ bội số của 8 kHz Hệ thốngđược chuẩn hóa sẽ có các tốc độ (đường xuống/đường lên) như sau:

do ảnh hưởng bởi môi trường và yếu tố thời gian.

 Phương tiện vật lý và phương thức truyền

Tín hiệu được truyền ở cả đường lên và đường xuống bằng phương tiện truyền dẫn Việc truyền dẫn song hướng được thực hiện bằng cách ghép kênh theo bước sóng WDM để truyền trên một sợi quang hoặc truyền đơn hướng trên hai sợi quang

 Tốc độ bit

Tốc độ đường xuống: Tốc độ bit tín hiệu từ OLT tới ONU là 1244,16 Mbps hoặc 2488.32Mbps Khi OLT và đầu xa đang hoạt động ở tốc độ danh định (đường lên/ đường xuống)của nó thì tốc độ này được theo dõi bởi một đồng hồ lớp 1 với độ chính xác 1 × 1011 Khiđầu xa hoạt động ở chế độ tự do, tốc độ của tín hiệu đường xuống được theo dõi bởi đồng

hồ lớp 3 với độ chính xác 4.6 × 106 Khi OLT hoạt động ở chế độ tự do, tốc độ của tínhiệu đường xuống được theo dõi bởi đồng hồ lớp 3 với độ chính xác 3.2 × 105

Tốc độ đường lên: Tốc độ bit tín hiệu từ ONU tới OLT là 155,52 Mbps, 622,08 Mbps,1244,16 Mbps hoặc 2488,32 Mbps Khi đang ở trạng thái hoạt động và được cấp quyền,ONU sẽ phát tín hiệu với độ chính xác bằng độ chính xác của tín hiệu thu được ở đườngxuống ONU sẽ không phát tín hiệu khi không đang ở trạng thái hoạt động hoặc khôngđược cấp quyền

 Mã hóa đường dây

Mã hóa đường lên và đường xuống sử dụng mã NRZ Phương thức ngẫu nhiên hóakhông được định nghĩa trong lớp phụ thuộc vật lý Quy định sử dụng mức logic quang là:Phát mức cao cho bit 1, phát mức thấp cho bit 0

 Bước sóng hoạt động

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

hệ thống sử dụng hai sợi quang là 1260nm - 1360 nm

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

5.2 Lớp hội tụ truyền dẫn GTC

Lớp GTC bao gồm hai phân lớp: Phân lớp đóng khung GTC và phân lớp tương tích hội

tụ truyền dẫn Trong Hình 2.10, phần ATM, GEM, OAM và PLOAM trong phân lớp

đóng khung GTC được phân biệt theo vị trí trong một khung tín hiệu GTC Chỉ có phầnOAM mang thông tin vận hành, quản lý và bảo dưỡng được kết cuối tại phân lớp đóngkhung GTC để lấy các thông tin điều khiển cho phân lớp này vì thông tin trong phầnOAM được gắn trực tiếp vào tiêu đề của khung GTC Thông tin vận hành, quản lý và bảodưỡng lớp vật lý PLOAM được xử lý tại khối PLOAM trong phân lớp này Các gói tindịch vụ SDU trong phần ATM và GEM được chuyển thành từ gói tin giao thức PDU củaphần ATM và GEM tại mỗi phân lớp thích ứng hội tụ tương ứng Ngoài ra các PDU cònbao gồm dữ liệu kênh OMCI, được xem xét ở phân lớp hội tụ này và được trao đổi vớithực thể giao diện điều khiển và quản lý ONU.

Khối điều khiển cấp phát băng tần động (DBA control) là khối chức năng chung, có tráchnhiệm cấp phát băng tần động cho toàn bộ các ONU

Hình 5.2: Ngăn xếp giao thức hệ thống GTCTrong lớp hội tụ GTC, OLT và ONU không cần thiết phải có cả 2 chế độ hỗ trợ giao thứcATM hay GEM Việc nhận dạng chế độ nào đang được yêu cầu ngay khi cài đặt hệthống ONU thông báo chế độ làm việc ATM hay GEM thông qua bản tinSerial_Number Nếu OLT có thể giao tiếp với một trong số các chế độ mà ONU đưa rathì nó sẽ tiến hành thiết lập kênh giao diện điều khiển và quản lý ONU (OMCI) và thiết

bị ONU sẽ xuất hiện trong mạng Nếu OLT không hỗ trợ chế độ hoạt động mà ONU đưa

ra thì ONU sẽ được xếp vào hàng đợi nhưng sẽ được thông báo không tương thích với hệthống đang hoạt động

OAM và PLOAM: quản lý các chức năng phụ thuộc phương tiện vật lý PMD và các lớpGTC

OMCI: cung cấp hệ thống quản lý đồng bộ các lớp cao hơn (lớp dịch vụ)

Kênh PLOAM bao gồm các thông tin được dành riêng chỗ trong khung GTC Kênh nàyđược dùng cho tất cả các thông tin quản lý GTC và PMD khác không được gửi qua kênhOAM

Kênh OMCI được dùng để quản lý các lớp dịch vụ nằm trên lớp GTC GTC cung cấp 2lựa chọn về giao diện truyền tải cho lưu lượng quản lý này là ATM và GEM Chức năngGTC cung cấp phương tiện để cấu hình các kênh tùy chọn này sao cho đáp ứng được khảnăng của thiết bị bao gồm nhận dạng luồng giao thức truyền tải (VPI/VCI hoặc Port-ID)

5.3 Cấu trúc khung GTC

 Cấu trúc khung đường xuống

Hình 5.3: Cấu trúc khung đường xuống hội tụ truyền dẫn lớp GTC

Khung có chiều dài 125s cho cả tốc độ dữ liệu 1244,16 Mbps và 2488,32 Mbps do đókhung dài 19440 byte trong hệ thống tốc độ 1244,16 Mbps và dài 38880 byte trong hệthống tốc độ Chiều dài của PCB đường xuống là như nhau cho cả hai tốc độ và phụthuộc vào số lượng cấu trúc cấp phát đối với mỗi khung

 Cấu trúc khung đường lên

Hình 5.4: Cấu trúc khung đường lên GTC

Độ dài khung bằng độ dài của khung đường xuống đối với các loại tốc độ Mỗi khungbao gồm các truyền dẫn cho một hoặc nhiều ONU Bwmap (ánh xạ băng tần) thực hiệnsắp xếp các truyền dẫn này Trong quá trình cấp phát băng tần theo sự điều khiển củaOLT, ONU có thể phát từ 1 tới 4 loại tiêu đề PON và dữ liệu người dùng Các loại tiêu đề

đó như sau:

Tiêu đề lớp vật lý đường lên (PLOu)

Quản lý vận hành và bảo dưỡng lớp vật lý đường lên (PLOAMu)

Chuỗi định mức công suất đường lên (PLSu)

Báo cáo băng tần động đường lên (DBRu)

Tiêu đề khung đường lên GTC chỉ ra chi tiết nội dung của các tiêu đề này

6 Bảo mật trong GPON

Trong hệ thống PON thì đường xuống, dữ liệu được truyền broadcast đến tất cả ONU.Mỗi ONU chỉ có thể truy nhập dữ liệu của mình, nhưng nếu người dùng nào có ý địnhphá hoại thì có thể giả ONU của người dùng khác để truy nhập dữ liệu, hệ thống bảo mậtPON sẽ ngăn chặn việc này Giống như các mạng khác, GPON sử dụng thủ tục mật mã

để ngăn ngừa việc lấy trộm các tín hiệu không mong muốn Không giống như truy nhậpwireless hay modem, trong mạng PON, bất kì ONU nào cũng không thể thấy được lưulượng đường lên của ONU khác

Điều này cho phép làm đơn giản hóa thủ tục mật mã Đầu tiên là chỉ cần mật mã ở đườngtruyền xuống của dữ liệu Thứ 2 là dữ liệu đường lên có thể truyền khóa mật mã

Mạng GPON là loại mạng điểm – đa điểm nên dữ liệu đường xuống có thể được đưa đến tất cả các ONU (tùy thuộc vào bộ Splitter: Là loại Splitter chia công suất hay là loại chia bước sóng) Công nghệ GPON sử dụng chuẩn mật mã tiên tiến AES Đó là một khối mật

mã mà nó hoạt động trên một khối dữ liệu 16 byte (128 bit) Đặc biệt chế độ đếm được sửdụng Khối mật mã giả ngẫu nhiên 16 byte được phát ra và XOR với dữ liệu ngõ vào để