Mạng quang thụ động PON và công nghệ cáp quang thuê bao FTTH

Công nghệ mạng quang thụ động PON còn được hiểu là mạng công nghệ quang truy nhập giúp tăng cường kết nối giữa các nốt mạng truy nhập của nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng.. Mạng qua

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG NGOẠI VI

1.1 Giới thiệu mạng ngoại vi

Mạng ngoại vi là một trong ba thành phần chính cấu tạo nên mạng viễn thông gồm: Hệ thống chuyển mạch, hệ thống truyền dẫn, và hệ thống mạng ngoại vi, nó nằm

ở bên ngoài nhà trạm viễn thông

Chiếm khoảng 60% giá trị của toàn mạng, Mạng ngoại vi bao gồm mạng cáp đồng và cáp quang Mạng cáp đồng được dùng phổ biến ở mạng cung cấp thuê bao cho khách hàng Mạng cáp quang thường được dùng giữa các tổng đài chính, giữa tổng đài chính – trạm vệ tinh (POP) Ngoài ra, cáp quang còn được sử dụng để cung cấp đường truyền cho các khách hàng quang Giá thiết bị truyền dẫn cáp quang và cáp quang ngày càng giảm nên hiện nay có khuynh hướng cáp quang hóa đến khách hàng thuê bao có nhu cầu sử dụng dịch vụ đòi hỏi băng thông lớn hoặc tốc độ cao

1.2 Cấu trúc mạng ngoại vi

Cấu trúc tiêu biểu của một mạng cáp đồng từ đài trạm đến nhà thuê bao như sau:

Dàn phối tuyến: là nơi tập trung tất cả các kết cuối của đầu dây các sợi cáp và

từ đó tỏa ra các nơi trong mạng Dàn phối tuyến thường nằm trong phòng máy tổng đài

và là nơi xuất phát tất cả các cáp cho mạng thuê bao, cáp liên trạm của 1 đài/trạm Nhờ

có dàn phối tuyến và dây cáp UTP, các mạch thuê bao trong tổng đài được nối vào mạng cáp Dàn phối tuyến tạo sự mềm dẻo trong việc đấu nối số thiết bị tổng đài với đôi dây cáp mạng ngoại vi và cũng là nơi kiểm tra, giám sát và đo thử mạng cáp

Cáp chính: là cáp xuất phát từ dàn phối tuyến đến tủ cáp Cũng có trường hợp cáp chính đi thẳng từ dàn phối tuyến đến tập điểm Trên đường đi, cáp chính có thể chia nhỏ ra đến các tủ cáp Trong trường hợp này vẫn gọi là cáp chính vì xuất phát từ dàn phối tuyến.

Tủ cáp: là nơi tập trung các kết cuối của 1 hay nhiều sợi cáp chính từ dàn phối tuyến đến và các kết cuối của mạng cáp phối từ tập điểm đến Nhờ có tủ cáp mà mạng cáp trở nên mềm dẻo và linh hoạt hơn trong khu vực chưa có dự báo nhu cầu chính xác Tủ cáp còn là nơi đo thử, kiểm tra, xác định hư hỏng cáp, cũng là nơi cho phép gắn các thiết bị bảo vệ (cầu chì bảo an – nếu khu vực thường xuyên bị sét đánh), cũng như các thiết bị dò – kiểm tra cáp Tủ cáp hiện nay thường có dung lượng 600 đôi gồm

300 đôi gốc và 300 đôi phối

Cáp phối: là cáp xuất phát từ tủ cáp đến tập điểm

Tập điểm: là nơi kết cuối 1 tuyến cáp từ tổng đài, là điểm nối rẽ từng đôi dây đến nhà thuê bao Tùy theo yêu cầu, tập điểm có thể treo trên cột, gắn trên vách tường hoặc đặt ngầm trong hầm cáp Tập điểm thường có dung lượng 10 đôi, 20 đôi, 30 đôi,

50 đôi

Đường dây thuê bao: là dây nối từ tập điểm đến các thiết bị đầu cuối tại nhà thuê bao Dây thuê bao có thể đi ngầm hay treo trên cột điện, thường có chiều dài từ 300m trở lại Dây thuê bao được nối với moderm để kết nối với máy vi tính

1.3 Đặc tính của mạng ngoại vi

Hạ tầng đường dây thuê bao thường được các công ty độc quyền viễn thông xây dựng quy mô và lâu đời Những công ty này sở hữu và quản lý đường dây thuê bao và dùng để cung cấp dịch vụ điện thoại cho các thuê bao Công nghệ được các công ty điện thoại này sử dụng cũng khá đơn giản và không yêu cầu chất lượng mạng cao lắm Thực tế các công ty điện thoại đã cung cấp dịch vụ thoại qua nhiều năm mà không gây sự cố nào Người ta có thực hiện một số kỹ thuật cải thiện chất lượng đường dây thuê bao dài nhưng chỉ dừng lại ở chất lượng thoại trên dây đồng Mạng

cáp nội hạt không được một lần mà phát triển liên tục qua một thời gian dài cùng với số thuê bao tăng dần Kết quả là, mạng cáp nội hạt không được tối ưu về kỹ thuật nên cần phải hợp lý hoá và xây dựng lại sau từng giai đoạn Bản đồ mạng ngoại vi được xây dựng và duy trì nhưng thường chịu một thời gian dài không sửa đổi, bổ sung cũng như sửa chữa Thông thường, các bản đồ này không ghi lại được kịp thời và đầy đủ sự xuống cấp của mạng Khi cuộc cách mạng công nghệ trên cáp đồng bùng nổ mà khởi đầu là DSL Có 2 yếu tố đã tạo ra sự thay đổi trong mạng cáp đồng :

Yếu tố thứ nhất là sự phát triển của công nghệ trong việc lợi dụng đường dây thuê bao cáp đồng để truyền tải dữ liệu với tốc độ cao Theo đó là sự phát triển ấn tượng nhu cầu tốc độ do sự kiện bùng nổ Internet và sự phát triển của các mạng gia đình cùng với sự thay đổi từ chỗ tập trung sang phân tán của các công ty

Yếu tố thứ hai là sự thay đổi dần của môi trường kinh doanh từ độc quyền chuyển sang cạnh tranh Việc mở cửa thị trường cho cạnh tranh bắt đầu từ tự do hoá và cho thuê mạng cáp nội hạt đã làm cho nhiều công ty có thể đầu tư vào cung cấp các dịch vụ truy xuất Các công ty cạnh tranh phát triển đã trở thành những thách thức cho các công ty độc quyền và các công ty cạnh tranh thường có các hợp đồng lắp đặt bảo dưỡng độc lập Cạnh tranh đã đặt cấu trúc giá thành dưới sức ép ngày càng tăng và lực lượng lao động lành nghề trong các công ty cạnh tranh đang dần được thay thế bởi các đội ngũ ít chuyên nghiệp hơn Những thay đổi này đã tạo ra một môi trường mà nhu cầu về sự hiểu biết về mạng cáp đồng ngày càng tăng nhưng những kiến thức nền tảng lại có chiều hướng giảm Hiện nay, đội ngũ kỹ thuật viên đảm trách việc triển khai các dịch vụ truy xuất số liệu tốc độ cao đòi hỏi chất lượng mạng cáp đồng cao hơn nhiều

1.4 Tổ chức mạng ngoại vi

1.4.1 Nguyên tắc tổ chức mạng cáp đồng thuê bao

Mạng cáp đồng thuê bao được xây dựng và phát triển theo cấu trúc tổng quan như mô tả trong Hình 1.1

1.4.1.1 Nhà cung cấp dịch vụ

Là nơi xuất phát điểm của cáp đồng, từ phía nhà cung cấp dịch vụ (đài trạm) hướng đến nhà thuê bao Thường là POP hoặc tủ outdoor đặt ngoài trời.

Bán kính phục vụ của 01 POP là ≤ 1,0 km đối với khu vực nội thành-trung tâm; và ≤

1,5 km đối với khu vực ngoại thành, vùng xa

Dung lượng thuê bao ADSL tại mỗi POP ≤ 1500 thuê bao Các POP khai thác trên

70% dung lượng thì cần phải có kế hoạch xây dựng POP mới

1.4.1.2 Cáp gốc

Cáp từ đài trạm (POP/Tủ outdoor) đến tủ cáp đồng với tổng dung lượng cáp gốc ≤ 300x2 (300 port); Chiều dài cáp gốc và cáp phối ≤ 800m đối với khu vực nội thành-trung tâm, ≤ 1200m đối với khu vực ngoại thành, vùng xa (các trường hợp cá biệt ở chi nhánh tỉnh có thể đến 1500m với tỷ lệ < 10%, hoặc 1700m với tỷ lệ < 10%

số tập điểm trong một tủ cáp)

Loại cáp sử dụng: cáp đồng, tiết diện 0,5mm Dung lượng cáp ≤ 300x2

Cấp đấu nối cáp: 01 cấp Các gốc từ đài trạm đến tủ cáp, chỉ có tối đa 1 cấp đấu nối thông qua măng xông

1.4.1.3 Cáp phối

Cáp đồng đi ra từ tủ cáp và kết cuối tại các tập điểm

Chiều dài cáp gốc và cáp phối ≤ 800m đối với khu vực nội thành-trung tâm, ≤ 1200m

đối với khu vực ngoại thành, vùng xa; Dung lượng ≤ 200x2.

Cấp đấu nối cáp: 01 cấp Các phối từ tủ cáp đến tập điểm chỉ có tối đa 2 cấp đấu nối thông qua măng xông hoặc tập điểm cấp 1, cấp 2 (tập điểm trung gian) Với dung lượng cáp phối < 50x2: sử dụng tập điểm cấp 1, cấp 2 Với dung lượng cáp phối

> 50x2 sử dụng măng xông

Là các tủ phối cáp với đầu vào là cáp gốc và đầu ra là cáp phối Dung lượng tủ

cáp ≤ 600x2 Có thể lắp đặt tủ treo trên cột hoặc lắp đặt trên bệ bêtông.

1.4.1.5 Tập điểm

Là hộp phối dây thuê bao , đầu vào là cáp phối và đầu ra là các sợi cáp thuê bao Dung lượng tập điểm kết cuối ≤ 20x2 (10x2, 20x2), đối với các trường hợp hạ tầng hiện hữu có tập điểm cuối dung lượng 30x2, 50x2 sẽ có kế hoạch chia nhỏ tập điểm

Có thể dùng tập điểm làm tập điểm cấp 1, cấp 2 (tập điểm trung gian) chuyển tiếp cáp phối đến các tập điểm khác Dung lượng tập điểm cấp 1, cấp 2 phải ≤ 50x2

1.4.1.6 Cáp thuê bao

Là cáp đồng thuê bao từ tập điểm đến tận nhà thuê bao Dung lượng từ 1x2, chiều dài tối đa ≤ 200m đối với khu vực nội thành, trung tâm, ≤300m đối với ngoại

thành

Trên một đường dây thuê bao chỉ sử dụng tối đa 02 mối nối Các khách hàng

đã rời mạng: phải cách ly cáp thuê bao khỏi phiến đấu dây tại tập điểm để tránh gây

nhiễu các khách hàng khác Đồng thời ghi nhận lại sơ đồ hướng tuyến cáp thuê bao để

bố trí cho các khách hàng mới

1.4.1.7 Măng xông

Măng xông vừa có tác dụng bảo vệ các điểm đấu nối cáp, vừa tạo các đấu nối thẳng, nối rẽ theo yêu cầu của cấu hình kỹ thuật

1.4.2 Nguyên tắc tổ chức mạng cáp quang thuê bao Fiber to the home (FTTH)

Mạng cáp quang thuê bao được xây dựng và phát triển theo cấu trúc tổng quan như Hình 1.2

CÁ P QU ANG GỐC CÁP QUAN G PHỐI C ÁP QUANG THUÊ BAO

QUANG

TẬP QUANG ĐIỂM

Thường là các đài trạm POP hoặc tủ outdoor lắp đặt ngoài trời Bán kính phục

vụ của 01 POP là ≤ 1,0 km đối với khu vực nội thành-trung tâm; và ≤ 1,5 km đối với khu vực ngoại thành, vùng xa Dung lượng thuê bao FTTH tại mỗi POP ≤ 960 port (1920 sợi) Các POP khai thác trên 70% dung lượng cần phải có kế hoạch xây dựng POP mới

1.4.2.2 Cáp quang gốc

Cáp quang từ đài trạm (POP/Tủ outdoor) đến tủ cáp quang Tuy nhiên, trên thực tế hiện nay, mật độ thuê bao FTTH không tập trung mà rải rác trên địa bàn rộng,

do đó có thể triển khai tạm cáp quang gốc từ đài trạm đến các tập điểm quang với dung lượng ≤ 48 sợi Chiều dài cáp quang gốc và cáp phối ≤ 800m đối với khu vực nội thành - trung tâm, ≤ 1200m đối với khu vực ngoại thành, vùng xa

Cáp quang phối từ tủ cáp đến tập điểm nên sử dụng cáp có dung lượng là bội

số của 12: cáp 12 sợi, 24 sợi, 48 sợi và nhiều hơn nữa Không nên sử dụng cáp 8 sợi,

Dung lượng tủ cáp quang có thể lên đến vài trăm sợi, và có thể tích hợp các bộ chia để có thể tạo kết nối điểm-đa điểm thụ động

Là cáp quang thuê bao từ tập điểm quang đến nhà thuê bao Dung lượng từ 02 đến 24 sợi Chiều dài cáp quang thuê bao ≤ 300m đối với khu vực trung tâm, và

≤ 500m đối với khu vực ngoại thành, vùng xa

Số mối nối tối đa trên 1 sợi cáp quang thuê bao: không quá 05 mối nối trên 01 đường dây cáp quang thuê bao

1.4.2.7 Măng xông quang

Là các hộp nối vừa có tác dụng bảo vệ các mối hàn nối cáp quang, tạo các đấu nối thẳng, nối rẽ theo yêu cầu của cấu hình kỹ thuật

Tóm lại, Chương 1 đã trình bày về cấu trúc, đặc tính cách tổ chức của mạng ngoại vi Trong đó, tổ chức mạng ngoại vi đã trình bày về cáp gốc, cáp phối, tủ cáp, tập điểm, cáp thuê bao, và măng xông Chiều dài cũng như dung lượng của mỗi phần

tử có thể phục vụ được tại trung tâm hay ngoại thành sẽ được biết đến Nội dung Chương 1 cũng đã đề cập tới nguyên tắc tổ chức mạng cáp quang thuê bao FTTH Qua nội dung Chương 1, các thông tin tổng quan về mạng ngoại vi đã được cung cấp Chương 2 sẽ đi sâu tìm hiểu về đặc điểm, công nghệ cũng như các thành phần cơ bản của công nghệ mạng quang thụ động PON

CHƯƠNG 2

CÔNG NGHỆ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON

2.1 Giới thiệu mạng quang thụ động Passive Optical Network (PON)

PON là từ viết tắt của Passive Optical Network hay còn gọi là mạng quang thụ động Công nghệ mạng quang thụ động PON còn được hiểu là mạng công nghệ quang truy nhập giúp tăng cường kết nối giữa các nốt mạng truy nhập của nhà cung cấp dịch

vụ và người sử dụng Công nghệ PON được biết tới đầu tiên đó là TPON (Telephony PON) được triển khai vào những năm 90, tiếp đó năm 1998, mạng BPON (Broadband PON) được chuẩn hóa dựa trên nền ATM Hai năm 2003 và 2004 đánh dấu sự ra đời của hai dòng công nghệ Ethernet PON (EPON) và Gigabit PON (GPON), có thể nói hai công nghệ này mở ra cơ hội mới cho các nhà cung cấp dịch vụ giải quyết hàng loạt vấn đề truy nhập băng thông rộng tới người sử dụng đầu cuối Thành viên mới nhất trong gia đình PON đó là WDM PON (Wavelength Division Multiplexer PON) Trong công nghệ PON, tất cả thành phần chủ 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, để điều hướng các lưu lượng trên mạng dựa trên việc phân chia năng lượng tới các điểm đầu cuối trên đường truyền Vì vậy mà người ta gọi là công nghệ mạng quang thụ động (PON)

Vị trí của hệ thống PON trong mạng truyền dẫn: Mạng quang thụ động PON

là một dạng của mạng truy nhập quang Mạng truy nhập hỗ trợ các kết nối đến khách hàng Nó được đặt gần đầu cuối khách hàng và triển 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 mạng truy nhập cáp đồng truyền thống, sợi quang hầu như không giới hạn băng thông (hàng THz) Việc triển khai sợi quang đến tận nhà thuê bao sẽ là mục đích phát triển trong tương lai

Với những ưu điểm vượt trội, mạng quang thụ động PON( Passive Optical Network) là một sự lựa chọn thích hợp nhất cho mạng truy nhập

2.2 Tổng quan về công nghệ PON

Mạng quang thụ động PON được trình bày như Hình 2.1, sử dụng phần tử chia quang thụ động trong phần mạng phân bố nằm giữa thiết bị đường truyền quang Otical Line Terminal (OLT) và thiết bị kết cuối mạng quang Optical network Unit (ONU).

Hình 2.1: Mô hình mạng quang thụ động

Trong đó các thuật ngữ trong hình được chú thích như sau:

Passive slitter : Bộ chia thụ quang thụ động

Feeder Fiber : Cáp Feeder

Central office : Văn phòng trung tâm

Distribution fiber : Phân phối quang

Management system : Hệ thống quản lý

Passive splitter : Bộ chia thụ động

Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân bố quang (hay còn gọi là mạng quang 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 các ONU đều nằm ở đầu cuối của mạng PON Tín hiệu trong PON có thể được phân ra

và truyền đi theo nhiều sợi quang hoặc được kết hợp lại và truyền đi trên một sợi

Nguồn: Công nghệ và chuẩn hóa PON

quang thông qua bộ ghép quang, phụ thuộc tín hiệu đó đi theo hướng lên hay xuống của mạng quang thụ động PON.

Mạng quang thụ động (PON) được xây dựng nhằm giảm số lượng các thiết bị thu, phát và sợi quang trong mạng thông tin quang FTTH PON là một mạng điểm tới

đa điểm, một kiến trúc PON bao gồm một thiết bị đầu cuối kênh quang được đặt tại trạm trung tâm của nhà khai thác dịch vụ và các bộ kết cuối mạng cáp quang ONU/ONT (Optical Network Unit/Optical Network Terminator) đặt tại gần hoặc tại nhà thuê bao Giữa chúng là hệ thống phân phối mạng quang ODN (Optical Distribution Network) bao gồm cáp quang, các thiết bị tách ghép thụ động

2.3 Đặc điểm của PON

Đặc trưng của hệ thống PON là thiết bị thụ động phân phối sợi quang đến từng nhà thuê bao sử dụng bộ chia có thể lên tới 1:128

PON hỗ trợ giao thức ATM, Ethernet PON hỗ trợ các dịch vụ thoại, dữ liệu và hình ảnh với tốc độ cao và khả năng cung cấp băng thông rộng

Trong hệ thống PON, băng thông được chia sẻ cho nhiều khách hàng điều này

sẽ làm giảm chi phí cho khách hàng sử dụng Cũng như khả năng tận dụng công nghệ WDM, ghép kênh phân chia theo dải tần, TDMA và cung cấp băng thông động để giảm thiểu số lượng cáp quang cần thiết để kết nối giữa OLT và bộ chia

PON thực hiện truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang hay 2 chiều trên cùng 1 sợi quang PON có thể hỗ trợ mô hình: hình cây, sao, bus và ring

2.4 Thành phần cơ bản của mạng quang thụ động PON

2.4.1 Sợi quang và cáp quang

Sợi quang là một thành phần quan 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 ứng dụng trong mạng PON thì chỉ cần quan tâm đến suy hao không quan tâm đến tán sắc bởi khoảng cách truyền tối đa chỉ là 20 km 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

Trên thực tế, để khắc phục nhược điểm trong truyền dẫn thông tin của cáp đồng, đã từ lâu người ta đã cho ra đời cáp quang cùng với những tính năng ưu việt hơn Không giống như cáp đồng truyền tín hiệu bằng điện, cáp quang dùng ánh sáng

để truyền tín hiệu đi Chính vì sự khác biệt đó, mà cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ cao và

có khả năng truyền xa hơn Tuy vậy, phải đến giai đoạn hiện nay thì cáp quang mới được phát triển bùng nổ, nhất là trong lĩnh vực kết nối liên lục địa, kết nối xuyên quốc gia Và việc sử dụng công nghệ truyền dẫn hiện đại này cũng đang bắt đầu thay thế dần mạng cáp đồng ADSL phục vụ trực tiếp đến người sử dụng

Cáp quang dài, mỏng với thành phần của thủy tinh trong suốt và bằng đường kính của một sợi tóc Chúng được sắp xếp trong bó được gọi là cáp quang và được sử dụng để truyền tín hiệu trong khoảng cách rất xa Cáp quang có cấu tạo gồm dây dẫn trung tâm là sợi thủy tinh hoặc plastic đã được tinh chế nhằm cho phép truyền đi tối đa các tín hiệu ánh sáng Sợi quang được tráng một lớp lót nhằm phản chiếu tốt các tín hiệu

Cáp quang gồm các thành phần được thể hiện như hình 2.1

Lõi: Trung tâm phản chiếu của sợi quang nơi ánh sáng đi qua

Cladding: Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi Buffer coating: Lớp phủ dẻo bên ngoài bảo vệ sợi không bị hỏng và ẩm ướt

Jacket: Hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang được đặt trong bó gọi là cáp quang

Những bó này được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài của cáp được gọi là jacket

Hình 2.2: Cấu tạo của sợi quang

Độ suy hao thấp hơn các loại cáp đồng (tín hiệu bị mất trong cáp quang ít hơn trong cáp đồng), nên có thể tải các tín hiệu đi xa hàng ngàn km Dung lượng tải của cáp quang cao hơn, vì sợi quang mỏng hơn cáp đồng, nhiều sợi quang có thể được bó vào với đường kính đã cho hơn cáp đồng Điều này cho phép nhiều kênh đi qua một sợi cáp

Cáp quang cũng sử dụng điện nguồn ít hơn, bởi vì tín hiệu trong cáp quang giảm ít, máy phát có thể sử dụng nguồn thấp hơn thay vì máy phát với điện thế cao được dùng trong cáp đồng

Cáp quang không cháy, vì không có điện xuyên qua cáp quang, do đó không

có nguy cơ hỏa hạn xảy ra Tuy vậy, cáp quang và các thiết bị đi kèm lại rất đắt tiền so với các loại cáp đồng

2.4.2 Bộ tách / ghép quang

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 là Coupler

Hình 2.3: Cấu hình cơ bản các loại Coupler

a)

c)b)

O2O2

Tổn hao tách: Mức năng lượng ở đầu ra của Coupler so với năng lượng đầu vào (db) Đối với Coupler 2x2 lý tưởng, giá trị này là 3dB Hình 2.3 minh hoạ hai mô hình 8x8 Coupler dựa trên 2x2 Coupler Trong mô hình 4 ngăn (hình a), chỉ 1/6 năng lượng đầu vào được chia ở mỗi đầu ra Hình(b) đưa ra mô hình hiệu quả hơn gọi là mạng liên kết mạng đa ngăn Trong mô hình này, mỗi đầu ra nhận được 1/8 năng lượng đầu vào

Tổn hao chèn: Năng lượng tổn hao do sự chưa hoàn hảo của quá trình xử lý Giá trị này nằm trong khoảng 0,1dB đến 1dB

a) Coupler 4 ngăn 8x8 b) Coupler 3 ngăn 8x8

Hình 2.4: Coupler 8x8 được tạo ra từ nhiều coupler

cccocCoupler

Định hướng: Lượng năng lượng đầu vào bị rò rỉ từ một cổng đầu vào đến các cổng đầu vào khác Coupler là thiết bị định hướng cao với thông số định hướng trong khoảng 40-50dB

Thông thường, các Coupler được chế tạo chỉ có một cổng vào hoặc một bộ kết hợp Các Coupler loại này được sử dụng để tách một phần năng lượng tín hiệu, ví dụ với mục đích định lượng Các thiết bị như thế này được gọi là “tap coupler”

2.4.3 Đầu cuối đường quang OLT Optical line terminal

OLT cung cấp giao diện quang về phía mạng phối quang ODN và cung cấp ít nhất một giao diện quang trên mạng ở phía mạng truy nhập quang OLT có thể được đặt ở bên trong tổng đài hay tại một trạm từ xa Sơ đồ khối chức năng của OLT được

mô tả ở Hình 2.4

OLT có chức năng quản lý tất cả các hoạt động của PON ONU và OLT cung cấp các dịch vụ truyền dẫn một cách trong suốt giữa UNI và SNI thông qua PON

2.4.3.1 Phần lõi OLT

Phần lõi OLT bao gồm các chức năng sau đây:

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 kết nối VP giữa chức năng cổng dịch vụ SPF và giao diện ODN Các VP khác nhau được gán vào các dịch vụ khác nhau tại giao diện PON Các thông tin khác như báo hiệu, OAM được trao đổi nhờ các

VC trong VP

Chức năng ghép kênh truyền dẫn cung cấp việc truyền và ghép các kênh trên mạng phối quang ODN Ví dụ như: dữ liệu đi từ mạng lõi/metro đến mạng phối quang ODN thì nó có nhiệm vụ là truyền, còn dữ liệu đi từ mạng phối quang ODN đến mạng lõi/metro thì nó phải được ghép kênh trước khi truyền đến mạng lõi/metro

Chức năng giao diện ODN cung cấp môi trường truyền dẫn quang 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 xử lí thiết bị thụ động bộ chia thì ở OLT sẽ có các chức năng giao diện ODN giống như phần mạng phối quang ODN

Giao diện ODN

Đầu cuối đường dây PON xử lý chuyển đổi quang điện Giao diện ODN chèn các tế bào ATM vào

2.4.3.2 Phần dịch vụ OLT

Phần dịch vụ OLT thì có chức năng cổng dịch vụ Các cổng dịch vụ sẽ truyền

ít nhất tốc độ ISDN và sẽ 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 độ phân giải cao (HDTV- high definition TV), game online, truyền dữ liệu Bất kì khối TU (tributary unit) cũng đều cung cấp hai hay nhiều port có tốc độ 2 Mbps 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

Chức năng cổng dịch vụ SPF đóng vai trò giao tiếp với node dịch vụ Chức năng cổng dịch vụ thực hiện chèn tế bào ATM vào tải trọng SDH đường lên, và tách tế bào ATM từ tải trọng SDH đường xuống Chức năng này phải được dự phòng, do đó chuyển mạch bảo vệ là cần thiết

Nguồn: Công nghệ truy nhập trong mạng NGN

Hình 2.5: Các khối chức năng trong OLT 2.4.3.3 Phần chung OLT

Phần chung OLT bao gồm chức năng cấp nguồn và chức năng hoạt động, quản lí và bảo dưỡng (OAM-Operation, Administration and Maintenance) Chức năng cấp nguồn chuyển đổi nguồn ngoài thành nguồn mong muốn Chức năng OAM cung cấp các phương tiện để điều 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 nhập đến hệ thống đang hoạt động thông qua chức năng sắp xếp

2.4.4 Đơn vị mạng quang ONU Optical network unit

ONU đặt tại phía khách hàng, ONU cung cấp các phương tiện cần thiết để phân phối các dịch vụ khác nhau được điều khiển bởi OLT

Một ONU có thể chia làm 3 phần: phần lõi, phần dịch vụ và phần chung

.

.

.

.

Giao diện ODN xử lý các quá trình chuyển đổi quang điện Giao diện ODN trích các tế bào ATM từ tải trọng PON đường xuống và chèn các tế bào ATM vào tải trọng đường lên trên cơ sở đồng bộ từ sự định thời khung đường xuống.

b Ghép kênh

Chỉ các tế bào ATM có hiệu lực mới có thể đi qua bộ phận ghép kênh do đó nhiều VP có thể chia sẻ băng thông đường lên một cách hiệu quả

Phần lõi ONU bao gồm:

Chức năng ghép khách hàng và dịch vụ có nhiệm vụ nếu ở về phía khách hàng thì dữ liệu sẽ đựơc ghép trước khi truyền đến ODN còn nếu 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 ODN và khách hàng

Chức năng giao diện ODN cung cấp các chức năng chuyển đổi quang/điện hay điện/quang

2.4.4.2 Phần dịch vụ ONU

Phần dịch vụ ONU cung cấp các chức năng cổng của người dùng Chức năng cổng của người dùng 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 cấp bởi một khách hàng hay một nhóm khách hàng Nó cũng cung cấp các chức năng chuyển đổi tín hiệu tùy thuộc giao diện vật lí (ví dụ như rung chuông, báo hiệu, chuyển đổi A/D

và D/A)

Chức năng cổng người dùng UPF tương thích các yêu cầu UNI riêng biệt OAM có thể hỗ trợ một số các truy nhập và các UNI khác nhau Các UNI này yêu cầu các chức năng riêng biệt phụ thuộc vào các đặc tả giao diện có liên quan Tách các tế bào ATM đường xuống và chèn các tế bào ATM ở đường lên

Nguồn: Công nghệ truy nhập trong mạng NGN

Hình 2.6: Các khối chức năng trong ONU 2.4.4.3 Phần chung ONU

Phần chung ONU bao gồm chức năng cấp nguồn và chức năng hoạt động, quản lí và bảo dưỡng OAM Chức năng cấp nguồn cung cấp nguồn cho ONU (ví dụ như chuyển đổi xoay chiều thành một chiều hay ngược lại) Nguồn có thể được cấp tại chỗ hay từ xa Nhiều ONU có thể chia sẻ 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 khối của ONU

2.4.5 ODN

ODN cung cấp phương tiện truyền dẫn quang cho kết nối vật lý giữa OLT và ONU Các ODN riêng lẻ có thể được kết hợp và mở rộng nhờ các bộ khuếch đại quang.ODN bao gồm các thành phần quang thụ động:

Cáp và sợi quang đơn mode, Connector quang, thiết bị rẽ nhánh quang thụ động, bộ suy hao quang thụ động và mối hàn

Giao diện quang

ODN cung cấp đường quang giữa OLT và ONU, mỗi đường quang được định nghĩa là khoảng ở giữa các điểm tham chiếu tại một cửa sổ bước sóng nhất định

Giao diện ODNMUX

Phần lõi

ODN

Phần dịch vụUPF

UPF

.

.

.

.

Phần chungKhách

hàng

Các giao diện quang ở trong Hình 2.7 là:

Oru, Ord Giao diện quang tại điểm tham chiếu S/R giữa ONU và ODN cho đường lên và đường xuống tương ứng

Olu, Old Giao diện quang tại điểm tham chiếu R/S giữa OLT và ODN cho đường lên và đường xuống tương ứng

Hình 2.7: Các giao diện quang

2.4.6 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 Bộ chia là thiết bị thụ động, công dụng của nó là để chia công suất quang từ một sợi ra nhiều sợi khác nhau Từ OLT đến ONU có thể sử dụng nhiều dạng bộ chia có tỉ bộ chia là 1:2; 1:4; 1:8; 1:16;1:32; 1:64; 1:128 Sử dụng một bộ chia có tỉ lệ chia lớn như 1:32 hay 1:64 hay có thể sử dụng bộ chia nhiều lớp với lớp thứ nhất sử dụng bộ chia 1:2 và lớp thứ 2 sử dụng 2 bộ chia 1:4 Hầu hết hệ thống PON sử dụng bộ chia bộ chia là 1:16 và 1:32 Tỉ lệ chia trực tiếp ảnh hưởng quỹ suy hao của hệ thống và suy hao truyền dẫn

Tỉ 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 splitter 1:N tính theo công thức 10×logN (dB), nên nếu

OLTODN

ONU1

ONU

n

.

R/S

O

ru , Ord

R/S

Oru , Ord

Olu , Old

R/S

tỉ lệ bộ chia mà tăng lên gấp đôi thì suy hao sẽ tăng lên 3 dB Cho phép gắn bên trong giá phân phối quang ODF, hay măng xông

Bảng 2 1 : Liệt kê suy hao của các bộ chia (splitter) tương ứng

2.5 Mô hình PON

Có một vài mô hình thích hợp cho mạng truy cập như mô hình cây, vòng hoặc bus Mạng quang thụ động PON có thể triển khai linh động trong bất kỳ mô hình nào nhờ sử dụng một tapcoupler quang 1:2 và bộ tách quang 1:N

Ngoài những mô hình trên, PON có thể triển khai trong mô hình cây như là vòng đôi hoặc cây đôi hay cũng có thể là một phần của mạng PON được gọi là trung kế cây

Tất cả sự truyền dẫn trong mạng PON đều được thực hiện giữa OLT và các ONU OLT ở tại tổng đài, kết nối truy nhập quang đến mạng đường trục (có thể là mạng IP, ATM ) ONU ở tại đầu cuối người sử dụng (trong giải pháp FTTH_Fiber To The Home, FTTB_Fiber To The Building) hoặc ở tại Curb trong giải pháp FTTC_Fiber To The Curb và có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại, dữ liệu và video băng rộng

Số cổng Suy hao splitter(db)

2 3

4 6

8 9

16 12

32 15

64 18

Mô hình vòng

Mô hình cây ( sử dụng bộ chia 1:N)

Mô hình bus sử dụng tapcoupler

Mô hình cây

Tuỳ theo điểm cuối của tuyến cáp quang xuất phát từ tổng đài mà các mạng truy nhập thuê bao quang có tên gọi khác nhau như sợi quang đến tận nhà FTTH, sợi quangđếnkhu dân cư FTTC, FTTB

Hình 2.8: Mô hình mạng quang thụ động PON

2.6 Phân loại PON

Ở hướng xuống (từ OLT đến ONU), mạng PON là mạng điểm-đa điểm OLT chiếm toàn bộ băng thông hướng xuống Trong hướng lên, mạng PON là mạng đa điểm-điểm: Nhiều ONU truyền tất cả dữ liệu của nó đến một OLT Đặc tính hướng của các bộ tách ghép thụ động là việc truyền thông của một ONU sẽ không được nhận biết bởi các ONU khác Tuy nhiên, các luồng dữ liệu từ các ONU khác nhau được truyền cùng một lúc cũng có thể bị xung đột Vì vậy, trong hướng lên, PON sẽ sử dụng một vài cơ chế riêng biệt trong kênh để tránh xung đột dữ liệu và chia sẻ công bằng tài nguyên và dung lượng trung kế

a TDM PON

Trong TDM PON, việc truyền đồng thời từ vài ONU sẽ gây ra xung đột khi đến bộ kết hợp Để ngăn chặn xung đột dữ liệu, mỗi ONU phải truyền trong cửa sổ (khe thời gian) truyền của nó Một thuận lợi lớn của TDM PON là tất cả các ONU có

thể hoạt động cùng một bước sóng, OLT cũng chỉ cần một bộ thu đơn Bộ thu phát ONU hoạt động ở tốc độ đường truyền, thậm chí băng thông có thể dùng của ONU thấp hơn Tuy nhiên, đặc tính này cũng cho phép TDM PON đạt hiệu quả thay đổi băng thông được dùng cho từng ONU bằng cách thay đổi kích cở khe thời gian được

ấn định hoặc thậm chí sử dụng ghép kênh thống kê để tận dụng hết băng thông được dùng của mạng PON

Trong mạng truy cập thuê bao, hầu hết các luồng lưu lượng lên và xuống không phải là khách hàng đến khách hàng Vì vậy, điều này dường như là hợp lý để tách kênh lên và xuống Một phương pháp tách kênh đơn giản có thể dựa trên ghép kênh phân chia không gian mà nó tách, PON được cung cấp theo hướng truyền lên xuống Để tiết kiệm cho sợi quang và giảm chi phí sửa chữa và bảo quản, một sợi quang có thể được sử dụng cho truyền theo hai hướng Trong trường hợp này, hai bước sóng được dùng là: hướng lên là 1310nm, hướng xuống là 1550nm Dung lượng kênh ở mỗi bước sóng có thể phân phối linh động giữa các ONU

Nguồn: Công nghệ và chuẩn hóa PON

Hình 2.9: Mạng PON sử dụng một sợi quang

Các thuật ngữ trong hình được chú thích như sau:

ONU: Offtical Network Unit-Đơn vị mạng quang

Data transmitsion: Dữ liệu vào

Data Receiver: Dữ liệu ra

WDM: Ghép kênh phân chia theo bước sóng

Ghép kênh phân chia theo thời gian là phương pháp được ưu tiên hiện nay cho việc chia sẻ kênh quang trong mạng truy cập khi mà nó cho phép một bước sóng đơn ở hướng lên và bộ thu phát đơn ở OLT đã làm cho giải pháp này có ưu thế hơn về chi phí đầu tư

b WDM-PON

WDM-PON là mạng quang thụ động sử dụng phương thức đa ghép kênh phân chia theo bước sóng thay vì theo thời gian như trong phương thức TDMA OLT sử dụng một bước sóng riêng rẽ để thông tin với mỗi ONT theo dạng điểm điểm Mỗi một ONU có một bộ lọc quang để lựa chọn bước sóng tương thích với nó, OLT cũng có một bộ lọc cho mỗi ONU Nhiều phương thức khác đã được tìm hiểu để tạo ra các bước sóng ONU như là:

Sử dụng các khối quang có thể lắp đặt tại chỗ lựa chọn các bước sóng ONU, Dùng các laser điều chỉnh được, và cắt phổ tín hiệu

Các phương thức thụ động mà theo đó OLT cung cấp tín hiệu sóng mang tới các ONU Sử dụng tín hiệu hướng xuống để điều chỉnh bước sóng đầu ra của laser ONU

Cấu trúc của PON được mô tả như trong Hình 2.9 Trong đó, PON có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau như là FTTx, các ứng dụngcho đường dây thuê bao số tốc độ rất cao VDSL và các điểm truy nhập vô tuyến

WDM-từ xa Các bộ thu WDM-PON sử dụng kỹ thuật lọc quang mảng ống dẫn sóng Một bộ lọc quang ống dẫn sóng có thể được đặt ở môi trường trong nhà hoặc ngoài trời

Giải pháp WDM yêu cầu một bộ thu điều khiển được hoặc là một mảng bộ thu

ở OLT để nhận các kênh khác nhau Thậm chí nhiều vấn đề khó khăn cho các nhà khai thác mạng là kiểm kê từng bước sóng của ONU: thay vì chỉ có một loại ONU, thì có nhiều loại ONU dựa trên các bước sóng Laser của nó Mỗi ONU sẽ sử dụng một laser hẹp và độ rộng phổ điều khiển được cho nên rất đắt tiền Mặc khác, nếu một bước sóng bị sai lệch sẽ gây ra nhiễu cho các ONU khác trong mạng PON Việc sử dụng

Laser điều khiển được có thể khắc phục được vấn đề này nhưng quá đắt cho công nghệ hiện tại Với những khó khăn như vậy thì WDM không phải là giải pháp tốt cho môi trường hiện nay.

Ưu điểm chính của WDM-PON là nó khả năng cung cấp các dịch vụ dữ liệu theo các cấu trúc khác nhau (DS1/E1/DS3, 10/100/1000Base Ethernet) tùy theo yêu cầu về băng thông của khách hàng Tuy nhiên, nhược điểm chính của WDM-PON là chi phí khá lớn cho các linh kiện quang để sản xuất bộ lọc ở những bước sóng khác nhau WDM-PON cũng được triển khai kết hợp với các giao thức TDMA PON để cải thiện băng thông truyền tin WDM-PON được phát triển mạnh ở Hàn Quốc

Nguồn: Công nghệ và chuẩn hóa PON

Hình 2.10: Cấu trúc của WDM-PON

Các thuật ngữ được chú thích trong hình:

CO :Center office : Văn phòng trung tâm

FTTH: Fiber to the home-Cáp quang thuê bao

FTTB : Fiber to the building- Cáp quang tới tòa nhà

FTTC : Fiber to the curt- cáp quang tới khu dân cư

VDSL switch: Thiết bị định tuyến đường dây thuê bao số tốc độ rất cao

Wireless Access point : Điểm truy câp Wireless

c CDMA-PON

Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA cũng có thể triển khai trong các ứng dụng PON Cũng giống như WDM-PON, CMDA-PON cho phép mỗi ONU sử dụng khuôn dạng và tốc độ dữ liệu khác nhau tương ứng với các nhu cầu của khách hàng CDMA PON cũng có thể kết hợp với WDM để tăng dung lượng băng thông

CDMA PON truyền tải các tín hiệu khách hàng với nhiều phổ tần truyền dẫn, trải trên cùng một kênh thông tin Các ký hiệu từ các tín hiệu khác nhau được mã hóa

và nhận dạng thông qua bộ giải mã Phần lớn công nghệ ứng dụng trong TDMA PON tuân theo phương thức trải phổ chuổi trực tiếp Trong phương thức này mỗi ký hiệu 0,

1 (tương ứng với mỗi tín hiệu) được mã hóa thành chuỗi ký tự dài hơn và có tốc độ cao hơn

Mỗi ONU sử dụng trị số chuỗi khác nhau cho kí tự của nó Để khôi phục lại

dữ liệu, OLT chia nhỏ tín hiệu quang thu được sau đó gửi tới các bộ lọc nhiễu xạ để tách lấy tín hiệu của mỗi ONU

Ưu điểm chính của CDMA PON là cho phép truyền tải lưu lượng cao và có tính năng bảo mật nổi trội so các chuẩn PON khác Tuy nhiên, một trở ngại lớn trong CDMA-PON là các bộ khuếch đại quang đòi hỏi phải được thiết kế sao cho đảm bảo tương ứng với tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N) Với hệ thống CDMA-PON không có bộ khuếch đại quang thì tùy thuộc vào tổn hao bổ sung trong các bộ chia, bộ xoay vòng, các bộ lọc mà hệ số chia OLT/ONU chỉ là 1:2 hoặc 1:8 Trong khi đó, với bộ khuyếch đại quang hệ số này có thể đạt 1:32 hoặc cao hơn

Bên cạnh đó, các bộ thu tín hiệu trong CDMA-PON là khá phức tạp và giá thành tương đối cao Chính vì những nhược điểm này nên hiện tại CDMA-PON chưa được phát triển rộng rãi

2.5 So sánh PON với công nghệ mạng quang thụ động AON

Mạng quang chủ động (AON): Để phân phối tín hiệu, mạng quang chủ động

sử dụng các thiết bị sử dụng điện để phân tích dữ liệu như một chuyển mạch, router

hoặc multiplexer Dữ liệu từ phía nhà cung cấp của khách hàng nào sẽ chỉ được chuyển đến khách hàng đó Dữ liệu từ phía khách hàng sẽ tránh xung đột khi truyền trên đường vật lý chung bằng việc sử dụng các bộ đệm của các thiết bị chủ động.

Từ năm 2007, hầu hết các các hệ thống mạng quang chủ động được gọi là

phân phối tín hiệu, do đó sẽ kết nối các căn hộ khách hàng với nhà cung cấp thành một

hệ thống mạng Ethernet khổng lồ giống như một mạng máy tính ethernet thông thường ngoại trừ mục đích của chúng là kết nối các căn hộ và các tòa nhà với nhà cung cấp dịch vụ Mỗi tủ chuyển mạch có thể quản lý tới 1000 khách hàng, thông thường là 400-500 khách hàng Các thiết bị chuyển mạch này thực hiện chuyển mạch và định tuyến dựa vào lớp 2 và lớp 3 Một nhược điểm rất lớn của mạng quang chủ động chính

là ở thiết bị chuyển mạch

Với công nghệ hiện tại, thiết bị chuyển mạch bắt buộc phải chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện để phân tích thông tin rồi tiếp tục chuyển ngược lại để truyền

đi Điều này sẽ làm giảm tốc độ truyền dẫn tối đa có thể trong hệ thống FTTX Ngoài

ra, do đây là những chuyển mạch có tốc độ cao nên các thiết bị này rất đắt, không phù hợp với việc triển khai đại trà cho mạng truy cập

Phân tích ưu nhược điểm và lựa chọn công nghệ:nhiều chuẩn mạng truy nhập FTTx khác nhau và không tương thích với nhau Vì thế có sự linh hoạt về lựa chọn công nghệ, tuy nhiên nó cũng mang lại rất nhiều rủi ro khi quyết định đầu tư vào FTTx Vì đây là một dịch vụ mạng tính chất kỹ thuật cao nên yếu tố công nghệ mang tính chất quyết định sống còn Việc lựa chọn công nghệ nào sẽ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: giá thành, độ phức tạp, khả năng và quy mô triển khai, sự chuẩn hóa về thiết bị Giữa hai công nghệ mạng quang trực tiếp và mạng quang chia sẻ ta sẽ dùng mạng quang chia sẻ do mạng quang trực tiếp có chi phí rất lớn Hơn nữa việc triển khai mạng quang trực tiếp tại thời điểm này còn gặp một số vấn đề cả về kỹ thuật và tài chính.Trong mạng quang chia sẻ ta dùng công nghệ mạng thụ động (PON) do công nghệ mạng chủ động (AON) có những hạn chế về thiết bị chuyển mạch dẫn đến hạn

chế về tốc độ của toàn mạng Hiện tại những chuyển mạch quang tốc độ cao có giá thành rất cao chỉ phù hợp cho thiết kế mạng lõi

Nguồn: Passive Optical Networks Principles and Practice, October 2007

Hình 2.11: So sánh mạng quang chủ động và mạng quang thụ động

PON: Mạng quang chủ động

AON: Mạng quang bị động

OLT: Đầu cuối đường quang

ONT: Đầu cuối đường quang

2.6 Kết luận

Các nội dung Chương 2 đã trình bày tổng quan về mạng truy nhập quang thụ động PON, và cấu trúc cơ bản của nó Chương tiếp theo sẽ trình bày các công nghệ PON được sử dụng trong mạng cáp quang thuê bao FTTH, nhằm khai thác khả năng tốt nhất của mạng truy nhập quang thụ động Đó là các công nghệ APON, BPON, GPON, và EPON Ngoài ra, còn có các công nghệ WDM PON, TDM PON, CDMA PON

CHƯƠNG 3

CÔNG NGHỆ CÁP QUANG THUÊ BAO FTTH

3.1 Giới thiệu công nghệ cáp quang thuê bao FTTH

Công nghệ cáp quang thuê bao FTTH (Fiber-To-The-Home) là mạng viễn thông băng thông rộng bằng cáp quang được nối đến tận nhà để cung cấp các dịch vụ tốc độ cao như điện thoại, Internet tốc độ cao và TV.

Nguồn: Các tài liệu về PON trên Vntelecom.org

Hình 3.1: Mô hình mạng FTTH

Hiện nay, công nghệ FTTH (Fiber-To-The-Home) đang được triển khai Khi dùng công nghệ FTTH, đường truyền dẫn hoàn toàn bằng cáp quang tới tận phòng máy của người sử dụng Chất lượng truyền dẫn tín hiệu bền bỉ ,ổn định không bị suy hao tín hiệu bởi nhiễu điện từ, thời tiết hay chiều dài cáp như đối với ADSL và độ bảo mật rất cao Với ADSL, khả năng bảo mật thấp hơn vì có thể bị đánh cắp tín hiệu trên đường dây, còn với FTTH thì hầu như không thể bị đánh cắp Với công nghệ FTTH, nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp tốc độ download lên đến 10 Gigabit/giây, nhanh gấp 200 lần so với ADSL 2+ (hiện chỉ có thể đáp ứng 20 Megabit/giây) Tốc độ truyền dẫn với ADSL không cân bằng, có tốc độ tải lên luôn nhỏ hơn tốc độ tải xuống và tối

đa 20 Mbps Còn FTTH cho phép cân bằng, tốc độ tải lên và tải xuống như nhau và cho phép tối đa là 10 Gbps, có thể phục vụ cùng một lúc cho hàng trăm máy tính

FTTH đặc biệt hiệu qủa với các dịch vụ: Hosting Server riêng, VPN (mạng riêng ảo), Truyền dữ liệu, Game Online, IPTV (truyền hình tương tác), VoD (xem

phim theo yêu cầu), Video Conferrence (hội nghị truyền hình), 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 Báo cáo

mới nhất của Heavy Reading, số hộ gia đình sử dụng kết nối băng rộng FTTH trên toàn thế giới sẽ tăng trưởng hàng năm trên mạnh mẽ trên thế giới 30% cho đến năm

2012 và đạt 89 triệu hộ khi đó Hiện Nhật Bản, Trung Quốc và Mỹ là các quốc gia đi đầu trong lĩnh vực băng thông rộng sử dụng công nghệ cáp quang này Công nghệ FTTH đã có khoảng 20 triệu kết nối toàn cầu, chỉ tính riêng ở 3 nước Nhật Bản, Trung Quốc và Mỹ đã có thêm khoảng 6 triệu thuê bao, trong đó châu Á được đánh giá là thị trường có tiềm năng phát triển lớn Theo dự đoán, vào cuối năm 2012, riêng châu Á sẽ

có 54 triệu kết nối FTTH, tiếp theo là châu Âu/ khu vực Trung Đông/ châu Phi với 16 triệu, rồi đến Bắc Mỹ và Nam Mỹ với 15 triệu Hiện nay, quá trình chuyển đổi sang FTTH đang được thực hiện ở nhiều nước, gồm Đan Mạch, Pháp, Hồng Kông, Nhật Bản, Hàn Quốc, Thụy Điển, Đài Loan và Mỹ

Mô hình triển khai mạng FTTH

` Hiện nay, công nghệ FTTH (Fiber-To-The-Home là mạng viễn thông băng thông rộng bằng cáp quang được nối đến tận nhà để cung cấp các dịch vụ tốc độ cao như điện thoại, Internet tốc độ cao và TV) đang được triển khai khá mạnh mẽ trên thế giới

Nguồn: Tài liệu về FTTX của công ty CMC-IT

Hình 3.2: Mô hình triển khai mạng FTTH

Tại nước ta, FTTH cũng đã được FPT Telecom triển khai tại một số thành phố lớn Mô hình triển khai được thể hiện như Hình 3.2 Tiêu chuẩn này còn được gọi bằng tên khác là FTTB (Fiber To The Building), khác với FTTC (Fiber To The Curb) - đường dẫn cáp đến bên ngoài đường thôi, còn dẫn vào nhà vẫn là tiêu chuẩn dây đồng như cũ.Tốc độ đi Internet cam kết tối thiểu của Fiber to the x >= 256 Kbps, lớn hơn tốc độ đi Internet của tất cả các gói ADSL Với ADSL, chiều dài cáp tối đa cần 2,5

Km để đạt sự ổn định cần thiết, còn với FTTH thì còn số này lên tới 10 km

Dự kiến FTTH sẽ dần thay thế ADSL trong tương lai gần một khi băng thông ADSL không đủ sức cung cấp đồng thời các dịch vụ trực tuyến trong cùng một thời điểm.

3.2 ATM trên nền PON – ATM PON (APON)

3.2.1 Mô hình tham chiếu APON

Hệ thống bao gồm OLT, ONU, cáp quang sử dụng cấu hình PON trong đó có một bộ chia quang thụ động Các ONU chia sẻ chung dung lượng của một sợi quang, khi sử dụng bộ chia, vấn đề ta cần đặc biệt quan tâm là sự bảo mật Ở đường lên, cần phải sử dụng giao thức một phương thức đa truy nhập

Nguồn: Công nghệ truy nhập trong mạng NGN-HVCNBCVT

Hình 3.3: Cấu hình tham chiếu APON

Mạng phân phối quang ODN cung cấp 1 hoặc nhiều hơn các đường dẫn quang từ OLT đến một hoặc nhiều hơn các ONU Mỗi đường dẫn quang được định nghĩa giữa điểm tham chiếu S và R trong 1 cửa sổ bước sóng nhất định Hai hướng truyền dẫn trong ODN được định nghĩa như sau:

Đường xuống cho tín hiệu từ OLT đến ONU

Đường lên cho tín hiệu từ ONU đến OLT

Giao diện tại hai điểm tham chiếu S, R (được gọi chung là IFPON) hỗ trợ tất

cả các thành phần giao thức cần thiết để cho phép truyền dẫn giữa OLT và ONU

ONU có thể có một chức năng thích ứng cho truyền dẫn đường dây thuê bao

số DSL qua cáp đồng đến nhà thuê bao OAM được quản lý thông qua giao diện quản trị Q3

3.2.2 Các đặc tả cho APON

Q3

ODNONU

SNIUNI

Chức năng quản lý hệ thống mạng truy nhập

OLT

AF

APON là sự kết hợp giữa phương thức truyền tải không đồng bộ ATM với mạng truy nhập quang thụ động PON.

Mạng APON sử dụng công nghệ ATM là giao thức truyền tin Công nghệ ATM cung cấp sự mềm dẻo theo khái niệm độ trong suốt dịch vụ và phân bổ băng tần,ngoài ra còn có những tính năng rất hữu ích cho hoạt động khai thác và bảo dưỡng các kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối nhờ đó giảm được chi phí hoạt động của mạng Các ưu điểm của ATM được kết hợp với môi trường truyền dẫn là sợi quang với tài nguyên băng tần dường như là vô hạn đã tạo ra một mạng truy nhập băng rộng được biết tới như là BPON (Broadband PON - mạng PON băng rộng) Như mọi hệ thống khác, APON cũng được chia thành các lớp, lớp con với cácnhiệm vụ cụ thể Các lớp này thuộc một trong hai mặt bằng:

Một là mặt bằng dữ liệu có nhiệm vụ phân phối lưu lượng đến và đi từ các thiết bị đầu cuối, trong trường hợp này là các cổng tại OLT và ONU

Hai là mặt bằng điều khiển, hay mặt bằng OAM hay hệ thống hỗ trợ hoạt động (OSS), thực hiện các chức năng vận hành, điều khiển, quản lý Những chức năng này

có tính chất không liên tục, ví dụ như là các chức năng OAM: khởi tạo, khôi phục lỗi, báo cáo trạng thái, với trường hợp mạng quang có các chức năng riêng biệt như điều chỉnh công suất laser

Thông tin điều khiển chứa trong các trường tiêu đề, tiêu đề con, hay các phần thông tin mào đầu trước lưu lượng người dùng Phải nói rằng, thông tin tiêu đề thuộc

về một lớp sẽ không được nhìn thấy bởi các lớp ở trên tại cả phía gửi và phía nhận Miêu tả cấu trúc ngữ pháp các bản tin bằng cách liệt kê từng bit, từng byte trong định dạng bản tin Thực tế, chỉ cần xem bản tin của một lớp nói gì, nghe gì ta có thể hoàn toàn biết chức năng của giao thức lớp đó

Hoạt động của APON cũng sẽ được đề cập thông qua việc mô tả quá trình trao đổi bản tin giữa các thực thể ngang hàng theo thời gian, việc trao đổi các lệnh và các đáp ứng giữa các lớp liền kề theo chiều dọc trong ngăn xếp giao thức

3.2.3 Cấu trúc phân lớp APON

Mô hình phân lớp mạng ATM gồm có lớp môi trường truyền dẫn và lớp đường, lớp môi trường truyền dẫn phân chia thành lớp môi trường vật lý và lớp hội tụ truyền dẫn.

Trong mạng ATM-PON lớp đường tương ứng với lớp đường ảo của lớp ATM Lớp dưới cùng là lớp phương tiện vật lý thực hiện giao tiếp với phần quang của mạng (hay chính là mạng phân phối quang ODN) Lớp này thực hiện các chức năng: chuyển đổi điện-quang, nhận/truyền các tín hiệu đến/đi ở phương tiện vật lý tại một trong ba bước sóng quang (1310, 1490, 1550nm), kết nối với sợi quang của ODN Cấu trúc của lớp tuân theo tập các tham số quang điện đã được chuẩn hóa

Giữa lớp phương tiện vật lý và lớp đường (giao điện mà qua đó tế bào ATM được phân phối tới lớp khách hàng) là lớp hội tụ truyền dẫn TC (tương ứng với lớp 2 trong mô hình OSI) Lớp TC được phân chia thành lớp con truyền dẫn PON và lớp con thích ứng nằm ở trên, tương ứng với lớp con hội tụ truyền dẫn của mô hình B-ISDN Lớp con thích ứng được chuẩn hóa dựa trên chuẩn ATM trên cơ sở cáp đồng truyền thống Chức năng của lớp này là chuyển đổi giữa khung 125µs mức người dùng (đơn

vị dữ liệu giao thức PDU) và tế bào ATM

3.2.3.1 Lớp vật lý

Lớp này không giống như các lớp trên là các thành phần phần cứng chứ không phải là phần mềm Phần cứng này được định nghĩa bởi các chuẩn [G.983.1 & G.983.3]

và tuân theo các tham số sau:

Tốc độ bit: 155.52 hoặc 622.08Mb/s ở đường xuống và 155.52Mb/s đường lênBước sóng: 1260 đến 1360nm đường lên, 1480 đến 1580nm đường xuống

Dạng lưu lượng: số ở cả hai hướng, hỗ trợ tương tự ở đường xuống

Tỉ lệ chia công suất quang: lên đến 32, con số này bị giới hạn bởi suy hao ODN

dữ liệu người dùngLớp Lớp Lớp con Thích Lớp thích ứng của B-ISDN

-Xắp xếp-Cấp phát khe tế bào-Cấp phát băng tần-Bảo mật và an toàn-Đồng chỉnh khung-Đồng bộ cụm(Burst)-Đồng bộ bit/byte

-Ghép bước sóng-Kết nối sợi quang

Nguồn: Công nghệ truy nhập trong mạng NGN-HVCNBCVT

Hình 3.4: Cấu trúc phân lớp mạng APON 3.2.3.2 Lớp hội tụ truyền dẫn

Lớp con hội tụ truyền dẫn bao gồm lớp con truyền dẫn PON và lớp con thích ứng được thể hiện như sau:

Lớp con truyền dẫn PON hoàn toàn làm việc với tế bào Theo hướng về, lớp này nhận các tế bào từ tín hiệu điện do lớp phương tiện vật lý đưa đến, đồng bộ tại mức bit và byte, giới hạn tế bào và khung được xác định, mào đầu được tách và xử lý, chuyển các luồng tế bào lên lớp cao hơn tiếp theo Theo hướng đi, quá trình xử lý diễn

ra ngược lại Trong lớp này, giao thức sắp xếp được sử dụng để đảm bảo rằng các tế bào đến từ các ONU khác nhau không chồng lấp lên nhau

Lớp con thích ứng: đây là lớp trong đó có sự chuyển đổi diễn ra giữa tế bào ATM và PDU (có thể là: SONET/SDH, xDSL, các PDU dựa trên khung 125µs) Lớp này không cung cấp giao diện với các lưu lượng trên cơ sở gói như Ethernet hay IP

Để cung cấp những giao diện này ta phải có 1 phần mềm chuyển đổi thêm vào, phần này không ở trong phạm vi chuẩn

3.2.4 Khung truyền dẫn APON/BPON

ITU-T G.983.1 định rõ kiến trúc tham chiếu, đặc điểm của bộ thu phát, cấu trúc khung truyền tải và các chức năng sắp xếp trong APON/BPON Tín hiệu APON/BPON được truyền trong khe thời gian Mỗi khe thời gian chứa một cell ATM hay một cell hoạt động, quản lí và bảo dưỡng lớp vật lí (PLOAM - Physical LayerOperation, Administration and Maintenance) Cell PLOAM được dùng để truyền thông tin quản lí của lớp vật lí như là các bản tin giao thức dùng cho việc sắp xếp, trộn khóa với dữ liệu

và cập nhật Các khe thời gian hướng xuống là các cell ATM và PLOAM có độ dài mỗi cell là 53 byte Một cell PLOAM được chèn vào cứ mỗi 28 khe thời gian (hay 27 cell ATM) Ở tốc độ 155.52Mbps, APON/BPON quy định khung xuống có 54 cell ATM là truyền dữ liệu như vậy tốc độ xuống thực sự là: 54/56 × 155.52 Mbps = 149.97 Mbps Và 2 cell PLOAM dành cho đồng bộ, điều khiển lỗi, bảo mật, bảo dưỡng

và phân phối băng thông Khung lên có 53 khe như vậy khung lên thực sự ở tốc dộ 155.52 Mbps là: 53/56 × 155.52 Mbps = 147.19 Mbps, và mỗi khe lên được chia thành nhiều khe con, mỗi khe con chứa 3 byte overhead đặt trước cell ATM và PLOAM Bên cạnh đó, mỗi khe hướng lên có thể được chia thành nhiều khe nhỏ Hình 3.5 (a,c) mô tả khung xuống và lên của APON/BPON tại 155.52 Mbps Cấu trúc khung tại 622.08 Mbps và 1244.16 Mbps thì tương tự ngoại trừ số khe thời gian trên khung tăng lên lần lượt 4 và 8 lần Cấu trúc PLOAM hướng xuống mô tả ở Hình 3.5 (b) nó gồm các phần sau:

1 5 byte header cụ thể được mô tả như bảng 3.1

2 Bảng 3.1: năm byte header

Vùng IDENT có nằm vị trí đầu tiên trong PLOAM hướng xuống

1 Kế tiếp là 2 byte đồng bộ

2 PLOAM có 27 grant, cứ mỗi 6-7 grant thì được kiểm tra CRC

3 MSG_PON_ID đánh địa chỉ cho mỗi ONU Trong thủ tục sắp xếp ONU được gán số nhận dạng PON_ID Số nhận dạng này có giá trị từ 0 đến 63.

4 MSG_ID mô tả loại bản tin

5 MESSAGE_FIELD chứa bản tin cảnh báo, xử lí các bản tin nhận được ở ONU liên quan đến thủ tục sắp xếp

6 BIP8 (bit-interleaved parity) có 8 bit, cho phép ONU kiểm tra tốc độ lỗi bit BER Mỗi bit của BIP8 sẽ XOR với tất cả bit ở cùng vị trí trong một byte ONU sẽ so sánh BIP8 nhận được với BIP8 được tính trên luồng nhận được, mỗi bit không giống

sẽ được tính toán

Nguồn: ITU-T Recommendation G.983.1, Broadband optical access systems based on

Passive Optical Networks (PON), 2005

Hình 3.5: Cấu trúc khung hướng xuống và lên của APON

Việc truyền cell ATM, cell PLOAM ở hướng lên được điều khiển bởi OLT thông qua cell PLOAM truyền ở hướng xuống.Chuẩn G.983 yêu cầu tối thiểu cứ mỗi

100 ms có một cell PLOAM trên một ONU Ngoài ra 3 byte đầu ở hướng lên chứa thời gian nghỉ, lời mở đầu và ranh giới bắt đầu cell

APON/BPON chỉ định thời gian nghỉ tối thiểu là 4 bit Nó cung cấp thời gian nghỉ giữa 2 cell hay khe con liền kề để tránh đụng độ Lời mở đầu lấy pha của cell đến hay khe con để đồng bộ bit và khôi phục biên độ Ranh giới là phần chỉ định bắt đầu cell ATM hay khe con, mà có thể được dùng để thực hiện đồng bộ byte

1 Hình 3.5(a) mô tả khuôn dạng khung hướng xuống ở tốc độ 155 Mbps, Hình 3.5(b) mô tả khuôn dạng bản tin PLOAM hướng xuống, Hình 3.5(c) mô tả khuôn dạng của bản tin hướng lên, Hình 3.5(d) mô tả khuôn dạng bản tin PLOAM hướng lên Khuôn dạng cell PLOAM lên được mô tả ở hình 3.5 (d) bao gồm các phần sau: