tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ GPON và ỨNG DỤNG CHO MẠNG TRUY NHẬP BĂNG

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --- NGUYỄN MẠNH THẮNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GPON VÀ ỨNG DỤNG CHO MẠNG TRUY NHẬP BĂNG RỘNG TẠI VIỄN THÔNG BẮC NINH LUẬN VĂN THẠC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

NGUYỄN MẠNH THẮNG

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

THÁI NGUYÊN 2012

BẢNG TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC Ngành : Kỹ thuật điện tử - Khóa 13

1 Tên luận văn

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

2 Người thực hiện: KS.Nguyễn Mạnh Thắng

3 Thông tin liên quan

Chính vì vậy, việc nghiên cứu giải pháp công nghệ GPON và ứng dụng cho mạng truy nhập của Viễn thông Bắc Ninh để đảm bảo được tính kinh tế - kỹ thuật và đáp ứng được nhu cầu trao đổi thông tin hiện tại và trong 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:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạng truy nhập quang thụ động (PON)

Chương 2: Công nghệ mạng truy nhập quang thụ động Gigabit (GPON)

Chương 3: Ứng dụng công nghệ GPON cho mạng truy nhập băng rộng tại Viễn thông Bắc Ninh

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 càng tăng cả về số lượng và chất lượng dịch vụ Đứng trước tình hình đó, một số công nghệ mới đã được đưa ra nhằm đáp ứng những đòi hỏi về băng thông như DSL hay cáp modem Tuy nhiên, cả DSL và cáp modem đều không đáp ứng được những yêu

cầu về băng thông cho mạng truy nhập Trong bối cảnh đó, công nghệ truy nhập quang thụ động PON (Passive Optical Network) được cho là một giải pháp tối ưu cho mạng truy nhập băng rộng Một cách ngắn gọn, PON có thể được định nghĩa như sau: “PON là một mạng quang không có các phần tử điện hay các thiết bị quang điện tử” PON có một số ưu điểm như: không cần nguồn điện cung cấp nên không bị ảnh hưởng bởi lỗi nguồn, có độ tin cậy cao và không cần phải bảo dưỡng do tín hiệu không bị suy hao nhiều như đối với các phần tử tích cực

1.2 Kiến trúc mạng PON

Mô hình mạng quang thụ động 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 còn gọi là mạng ngoại vi) bao gồm các phần tử như sợi quang, các bộ tách/ghép quang thụ động, các đầu nối và các mối hàn quang Các phần tử tích cực như OLT và 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 PON thường được triển khai trên sợi quang đơn mode, với cấu hình hình cây là phổ biến PON cũng có thể được triển khai theo cấu hình vòng cho các khu thương mại hoặc theo cấu hình bus khi triển khai trong các khu trường sở,

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 điểm phù hợp cho mạng truy nhập như cấu hình hình cây, cây và nhánh, vòng ring, hoặc bus

Tất cả các tuyến 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) hay mạng diện rộng (WAN) là những mạng đường trục ONU nằm tại vị trí đầu cuối người sử dụng (FTTH hay FTTB hoặc FTTC)

1.3 Các công nghệ PON

1.3.1 Công nghệ APON/BPON

- APON (ATM PON) là công nghệ PON sử dụng công nghệ ATM

và giao thức lớp 2 của ATM

- Công nghệ BPON với ý diễn đạt PON băng rộng Công nghệ BPON được tiêu chuẩn hoá trong ITU G.983.x

1.3.2 Công nghệ EPON/GEPON

EPON là mạng trên cở sở PON mang lưu lượng dữ liệu gói trong các khung Ethernet được chuẩn hóa theo IEEE 802.3 GEPON là công nghệ EPON thể truyền tốc độ tới 1Gbps

GPON là công nghệ tối ưu cho các ứng dụng của FTTH và FTTB

1.3.4 Công nghệ WDM PON

WDM PON sử dụng các bộ ghép sóng WDM thụ động, hướng xuống mỗi ONU nhận dữ liệu trên một bước sóng, hướng lên các bước sóng khác nhau được ghép thông qua bộ ghép sóng WDM và truyền tới OLT Do sử dụng một bước sóng cho mỗi ONU nên WDM PON có tính bảo mật và tính mềm dẻo tốt hơn

Công nghệ WDM PON sẽ là sự lựa chọn của tương lai và là bước phát triển kế tiếp cho các công nghệ mạng truy nhập quang PON

1.4 Kết luận

PON là mạng truy nhập có nhiều ưu điểm để triển khai các dịch

vụ băng rộng (thoại, dữ liệu, hình ảnh) giữa các khối kết cuối đường dây (OLT) và kết cuối mạng (ONU) Mạng PON hỗ trợ nhiều kiểu

kiến trúc mạng: hình cây, bus, hoặc ring, do đó giúp cho việc linh hoạt trong vấn đề tổ chức mạng

Hiện nay, GPON đã được triển khai rộng rãi tại một số nước, GPON cũng đã được lựa chọn để thay thế cho các mạng truy nhập của nhiều nước trên thế giới Với những đặc điểm kỹ thuật công nghệ mềm dẻo hỗ trợ nhiều lựa chọn cho tốc độ truy nhập, đồng thời

hỗ trợ cả lưu lượng ATM và IP, cung cấp nhiều loại hình dịch vụ tích hợp với chất lượng cao, GPON đang ngày càng khẳng định là công nghệ của mạng 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-T G.984 GPON hỗ trợ nhiều mức tốc độ khác nhau, trong đó hỗ trợ tới 2,488 Gbit/s của băng thông luồng xuống và từ 0,155 Gbps tới 2,448 Gbit/s của băng thông luồng lên Sử dụng phương thức đóng gói GEM (GPON Encapsulation Method) với sự phân đoạn khung cho phép nâng cao chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) phục vụ truyền lưu lượng đòi hỏi chất lượng cao như 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 với chi phí thấp cũng như cho phép 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 bộ chia quang và các sợi quang Sợi quang kết nối từ OLT tới các bộ chia quang chia ra n sợi và các sợi nhánh này kết nối tới ONU

Sự khác biệt này bị hạn chế ở chỗ kích thước cửa số không được mở rộng vì các vấn đề chất lượng dịch vụ

2.2.2 Chức năng của các khối trong mạng GPON

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

ODN

- Khối kết cuối đường quang OLT

OLT được kết nối tới mạng chuyển mạch thông qua các giao diện được chuẩn hoá OLT bao gồm ba phần chính:

+ Khối lõi PON

+ Khối kết nối chéo

+ Khối dịch vụ

- Khối mạng quang ONU: các khối chức năng hầu hết đều giống OLT

- Mạng phân phối quang ODN: thực hiện kết nối giữa ONU và OLT

2.3 Đặc điểm công nghệ GPON

2.3.1 Các thông số kỹ thuật

- Tốc độ truyền dẫn:

 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

- 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

 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 hướng lên có thể xê dịch từ 155 Mbit/s đến 2,5 Gbit/s Hiệu suất băng thông đạt > 90%

- 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) Mô hình sử dụng TDMA trên GPON hình cây như trong Hình 2.7 Mỗi thuê bao được phép gửi số liệu đường lên trong khe thời gian riêng biệt Số liệu đường xuống cũng được gửi trong những khe thời gian xác định và được phát quảng bá

Hình 2.7: Mô hình TDMA GPON hình cây

Kỹ thuật TDMA có ưu điểm rất lớn đó là các ONU có thể hoạt động trên cùng một bước sóng, và OLT hoàn toàn có khả năng phân biệt được lưu lượng của từng ONU thông qua đồng bộ lưu lượng đường lên

- 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 nm được truyền theo chiều lên bởi ONU

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

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 GTC đường xuống dài 125μs, chứa khối điều khiển vật lý luồng xuống PCBd và phần tải dữ liệu

Khung đường lên có độ dài 125 s, gồm các khung ảo hướng lên chứa thông tin từ nhiều ONU ngoài ra nó còn thực hiện chức năng vận hành, quản lý, điều chỉnh công suất, báo cáo băng thông động luồng lên

2.3.7 Phương thức đóng gói dữ liệu

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

2.3.8 Định cỡ và phân định băng thông động trong GPON

- Mục đích của định cỡ: để loại bỏ việc phát lại không cần thiết,

do vậy sử dụng băng tần hiệu quả và làm cho thời gian trễ cực đại nhỏ nhất nhờ việc ngăn các tín hiệu từ các ONU khỏi sự xung đột

- Thủ tục định cỡ: Có hai cách xác định ONU cho quá trình định

cỡ là phương pháp xác định duy nhất ONU đã đăng ký và phương pháp xác định tất cả các ONU chưa đăng ký

- Phân định băng thông động: DBA (Dynamic Bandwith

Assigment) phân định băng thông cho mỗi ONU theo yêu cầu và nhu cầu lưu lượng luồng lên vì vậy băng thông được sử dụng hiệu

quả

2.3.9 Bảo Mật và mã hoá

Công nghệ GPON sử dụng bảo mật hướng xuống với chuẩn mật

mã tiên tiến AES (Advanced Encrytion Standard)

GPON sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FEC FEC mang lại kết quả tăng quỹ đường truyền lên 3 ÷ 4dB (độ lợi mã hóa) vì vậy cho phép tăng tốc độ bit và khoảng cách giữa OLT và các ONU cũng như hỗ trợ tỉ số chia lớn hơn trong mạng

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

Việc tính toán, thiết kế đối với mạng GPON cần quan tâm tới một số vấn đề sau:

 Đảm bảo các điều kiện về thông số kỹ thuật công nghệ

 Đảm bảo các đặc tính kỹ thuật cơ bản lớp vật lý:

Hiện nay các quốc gia trên thế giới đang từng bước triển khai các giải pháp kỹ thuật FTTx tiên tiến GPON là một trong số các giải pháp thực hiện FTTx được quan tâm phát triển trong những năm gần đây tại nhiều nước trên thế giới do có ưu thế về kỹ thuật và giá cả so với các giải pháp khác

2.4.2 Tình hình triển khai GPON tại Việt Nam

-VNPT đang triển khai công nghệ GPON tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh sử dụng thiết bị của hãng Huawei và Alcatel, dự kiến hai hệ thống này có thể cung cấp được trên 140.000 thuê bao FTTx

- Cuối tháng 1-2010 công ty Cổ phần Hạ tầng Viễn thông CMC

(CMC TI) đã triển khai GPON

- Viettel cũng đang có kế hoạch triển khai công nghệ GPON

2.4.3 Các giải pháp của một số hãng điển hình

Hiện tại, đã có một số hãng đưa ra giải pháp triển khai GPON đó là: Hitachi, Alcatel-Lucent, Calix, Siemens, Huawei

2.5 Kết luận

Qua các nghiên cứu ở trên, chúng ta có thể rút ra một số đặc điểm

cơ bản của công nghệ GPON như sau:

 Công nghệ GPON đã được ITU chuẩn hoá trong các tiêu chuẩn ITU G984.x

 Kỹ thuật truy nhập sử dụng trong GPON là TDMA

 Hỗ trợ nhiều loại tốc độ truy nhập đường lên từ 155 Mbit/s đến 2,5 Gbit/s, hỗ trợ hai tốc độ truy nhập đường xuống 1,25 Gbit/s và 2,5 Gbit/s Hỗ trợ cả các dịch vụ TDM và Ethernet với hiệu suất sử dụng băng thông cao

 Vấn đề tắc nghẽn lưu lượng và những vấn đề liên quan của mạng truy nhập quang tốc độ cao được giải quyết bằng các thủ tục định cỡ và phân định băng thông động với các phương pháp kiểm xoát vòng với chu kỳ thích ứng, cơ chế lập lịch quay vòng không đầy đủ và đặc biệt là cơ chế phân định băng tần sử dụng tập thông báo nhiều hàng đợi

 Các thủ tục điều khiển và báo hiệu trong GPON đơn giản nhưng vẫn đảm bảo giải quyết các vấn đề cơ bản về kỹ thuật của mạng truy nhập băng rộng tốc độ cao, đáp ứng các yêu cầu

kỹ thuật của dịch vụ, điều đó khiến cho GPON là công nghệ sử dụng băng thông hiệu quả nhất trong các loại công nghệ PON hiện có

Chương 3 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPON CHO MẠNG TRUY NHẬP

BĂNG RỘNG TẠI VIỄN THÔNG BẮC NINH

3.1 Định hướng triển khai GPON của VNPT

Xuất phát từ nhu sử các dụng dịch vụ tốc độ cao của xã hội VNPT định hướng triển khai:

- Định hướng phát triển các dịch vụ mới cho khách hàng

- Định hướng phát triển mạng truy nhập băng rộng

Các giải pháp phát triển mạng truy nhập băng rộng gồm:

+ FTTH/FTTO: Cáp quang đến nhà thuê bao/văn phòng

+ FTTB: Cáp quang đến toà nhà

+ FTTC: Cáp quang đến khu vực hay cụm thuê bao

+ FTTN: Cáp quang tới các điểm nút

Triển khai mạng FTTx là quá trình quang hóa từng đoạn từ nhà khai thác tới khách hàng Mô tả chi tiết các giải pháp triển khai mạng truy nhập FTTx trong Hình 3.1:

Hình 3.1: Các giải pháp cung cấp FTTx

- Định hướng công nghệ cho mạng truy nhập băng rộng

Bên cạnh xây dựng một mạng truy nhập quang dựa trên công nghệ AON, VNPT đã định hướng ưu tiên xây dựng một mạng PON dựa trên công nghệ Gigabit (GPON) cho mạng truy nhập băng rộng

của VNPT

3.2 Dự báo nhu cầu dịch vụ băng rộng và phát triển thuê bao của Viễn thông Bắc Ninh tới năm 2015

3.2.1 Các bước dự báo nhu cầu dịch vụ

Dự báo nhu cầu dịch vụ là một quá trình phức tạp nhưng về cơ bản có thể được phân thành 6 bước chính:

 Xác định mục tiêu dự báo

 Xử lý các điều kiện ban đầu

 Thu thập dữ liệu

 Tiếp cận và phân tích xu hướng nhu cầu

 Lựa chọn kỹ thuật dự báo và tính toán

 Xác định các giá trị dự báo

3.2.2 Các phương pháp dự báo dịch vụ và thuê bao

Phương pháp dự báo ngoại suy

Phương pháp dự báo theo mô hình ý kiến chuyên gia

Phương pháp dự báo theo mô hình tương quan

3.2.3 Lựa chọn mô hình dự báo nhu cầu dịch vụ

Trên cơ sở đánh giá số liêu thống kê cùng với những nhận xét đánh giá xu hướng phát triển các dịch vụ của bản thân, tôi nhận thấy phương pháp dự báo theo ý kiến chuyên gia để dự báo nhu cầu dịch

vụ băng rộng của Viễn thông Bắc Ninh là phù hợp nhất

3.2.4 Dự báo nhu cầu phát triển dịch vụ và phát triển thuê bao của Viễn thông Bắc Ninh tới năm 2016