Tìm hiểu và mô phỏng mạng truy nhập quang FTTX

Mạng truy nhập nằm giữa người sử dụng dịch vụ viễn thông và điểm cung cấp dịch vụ của mạng để truyền tải các dịch vụ sẵn có từ điểm cung cấp dịch vụ... Bên cạnh những ưu điểm đó hệ thống

Contents 1TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của các khu vực kinh tế, các

tổ chức xã hội đã tạo ra nhu cầu rất lớn trong việc sử dụng các dịch

vụ tiện ích tích hợp thoại, hình ảnh và dữ liệu Bên cạnh đó, các dịch vụ ứng dụng trên Internet ngày càng phong phú và phát triển với tốc độ nhanh chóng như các dịch vụ mua bán trực tuyến, ngân hàng, các dịch vụ đào tạo từ xa, game trực tuyến,… Đặc biệt nhu cầu về các loại dịch vụ gia tăng tích hợp thoại, hình ảnh và dữ liệu đang ngày càng tăng Sự phát triển của các loại hình dịch vụ mới, đòi hỏi hạ tầng mạng truy nhập phải đáp ứng các yêu cầu về băng thông rộng, tốc độ truy nhập cao Vậy nên mạng quang là một giải pháp cần thiết và quan trọng để giải quyết các vấn đề trên Trong

đó, mạng truy nhập quang thụ động GPON (Passive Optical Network) là một giải pháp triển vọng đầy hứa hẹn trong mạng truy nhập để làm giảm bớt hiện tượng tắc nghẽn mạng Mạng GPON là mạng điểm đến đa điểm mà không cần có các thành phần tích cực trong tuyến truyền dẫn từ nguồn đến đích, cơ bản thì nó bao gồm sợi quang, và các thiết bị thụ động Điều này làm tiết kiệm chi phí bảo dưỡng, phân phối thiết bị, cấp nguồn và tận dụng được kiến trúc mạng quang.

Những năm gần đây Việt Nam cũng đã triển khai mạng truy nhập quang thụ động GPON đang có nhiều ưu thế Công nghệ GPON hiện nay là một trong những công nghệ được lựa chọn hàng đầu cho việc triển khai mạng truy nhập tại nhiều nước trên thế giới GPON là công nghệ hướng tới cung cấp dịch vụ mạng đầy đủ, tích hợp thoại, hình ảnh và số liệu với băng thông rộng.

Xuất phát từ vị trí, vai trò của mạng truy nhập quang và các công nghệ truy nhập quang trong sự phát triển chung của hệ thống mạng viễn thông và mong muốn tìm hiểu mô hình hệ thống

GPON nên em đã chọn đề tài “Nguyên cứu và mô phỏng mạng truy nhập quang thụ động theo chuẩn GPON dựa trên phần mềm OptiSystem.” làm đề tài đồán tốt nghiệp của mình Ngoài

phần lời mở đầu, nội dung đồ án được chia thành bốn chương cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan về mạng truy nhập quang FTTx.

Chương này trình bày khái niệm mạng truy nhập cũng như phân loại mạng truy nhập quang Những ưu điểm vượt trội của mạng truy nhập.

Chương 2: Các công nghệ sử dụng trong mạng truy nhập quang FTTx

Chương này trình bày kiến trúc, mô hình mạng quang thụ động PON Và tìm hiểu các chuẩn trong mạng PON, từ đó để biết được ưu và nhược điểm của mạng PON.

Chương 3: Công nghệ mạng quang thụ động với chuẩn GPON.

Đây là chương rất quang trọng, nên chương này tìm hiểu cách hoạt động, đặc điểm, các phân lớp, cũng như ưu và nhược điểm, đồng thời ứng dụng quan trọng trong đời sống của mạng GPON.

Chương 4: Khảo sát và mô phỏng mạng truy nhập quang theo tiêu chuẩn mạng GPON dựa trên phần mềm OPTISYSTEM.

Phần này giới thiệu qua về phần mềm optisystem Để từ đó

có thể thiết kế và mô phỏng mà đồ án đang xây dựng để có kết quả phù hợp với thực tiễn, đúng với đề tài đã đặt ra ban đầu.

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP QUANG FTTX

(Fiberto the x- FTTx)

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Vị trí mạng truy nhập trong mạng viễn thông

Mạng viễn thông gồm hai phần cấu thành chính: phần mạng lõi và phần mạng truy nhập

Hình 1.1 Vị trí mạng truy nhập trong mạng viễn thông.

Mạng truy nhập nằm giữa người sử dụng dịch vụ viễn thông và điểm cung cấp dịch vụ của mạng để truyền tải các dịch vụ sẵn có từ điểm cung cấp dịch vụ

đến người sử dụng Mạng lõi bao gồm hệ thống tổng đài, điểm cung cấp dịch và các hệ thống chuyển tiếp, trung gian cùng hệ thống truyền dẫn liên đài, nhằm cung cấp các dịch vụ cho người dùng thôngqua các điểm dịch vụ.

1.1.2 Mạng truy nhập cáp đồng

Hiện nay, các tổng đài quốc tế và tổng đài liên tỉnh đều đã được nâng cấp, các tổng đài nội hạt được số hóa 100%, trung kế nội tỉnh tới các tổng đài vệ tinh hầu như đã sử dụng 100% cáp quang Chỉ còn phần truyền tín hiệu tới thuê bao vẫn dùng đôi cáp đồng truyền thống Mạng truy nhập cáp đồng hiện nay được sử dụng rộng dãi trong mạng trong mạng truy nhập thuê bao tại rất nhiều quốc gia Đây là phương thức truyền dẫn đầu tiên từ khi mạng điện thoại ra đời và cho đến nay nó không ngừng hoàn thiện và phát triển Cáp đồng đôi dây xoắn thường có kích thước 0,4 - 0,6 mm, được bọc cách điện và xoắn lại với nhau thành từng cụm vài trục đến vài trăm đôi Hệ thống mạng đồng có ưu điểm:

•Kế thừa được sự có sẵn của mạng truyền thống

•Đảm bảo tính linh hoạt, có thể chia nhỏ tới từng thuê bao phức tạp

•Cáp đồng thường có độ bền cơ lý cao

Bên cạnh những ưu điểm đó hệ thống này đang dần bộc lộ những hạn chế của nó trong khi nhu cầu về da dạng dịch vụ ngày càng lớn đó là:

- Phần mạng giao tiếp trực tiếp với khách hàng hiện nay là cáp đồng nội hạt, không đáp ứng được nhu cầu phát triển trong tương lại vì dải tần của đôi dây cáp đồng chỉ đáp ứng được các dịch vụ thoại truyền thống và số liệu tốc độ chậm

- Bán kính vùng phục vụ của tổng đài bị hạn chế do khả năng truyền tín hiệu của cáp đồng, ở các thành phố lớn, vì lý do an toàn dung lượng tổng đài không thể quá lớn, điều này tạo ra một nhu cầu lớn về số lượng các tổng đài do đó khai thác khó hiệu quả, còn ở những cấp dưới của mạng do dung lượng thuê bao không cao, dung lượng tổng đài hay nút chuyển mạch thường hạn chế khoảng vài trăm đến vài nghìn thuê bao, số điểm cần phục vụ lại nhiều, điều này cũng tạo lên số lượng lớn các tổng đài độc lập, việc kết nối các tổng đài độc lập này cũng làm tăng số cấp thuê bao của mạng

- Việc khai thác và quản lý kém hiệu quả do có nhiều loại thiết bị của nhà cung cấp khác nhau trên mạng lưới, mỗi nhà cung cấp khác nhau trên mạng lưới

lại có những đặc điểm riêng dẫn đến khó quản lý, đỏi hỏi phải xây dựng các tổng đài độc lập để đáp ứng những nhu cầu phát triển.

1.1.3 Mạng truy nhập cáp quang

Mạng truy nhập cáp quang có động lực phát triển từ việc triển khai cáp quang vào mạng truy nhập thuê bao Mạng này có thể phân phối đến khách hàng bất kỳ loại hình liên lạc, thông tin giải trí nào dựa trên các dịch vụ thoại, dữ liệu, video … Mạng truy nhập có các ưu điểm sau:

•Cho phép đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng về dịch vụ mới

cả loại hình dịch vụ lẫn dải thông (VOD, CATV, các dịch vụ multimedia, kết nối LAN, WAN… )

•Mạng truy nhập cho phép sử dụng cơ sở hạ tầng mạng có hiệu quả cao hơn, việc phát triển các dịch vụ mới cũng trở lên dễ dàng hơn bằng các thêm các loại card mới và phát triển các phần mềm tương ứng

•Mạng truy nhập cho phép triển khai các dịch vụ một cách nhanh chóng, tạo ra khả năng tích hợp các dịch vụ và giảm đáng kể các chi phí quản lý và bảo dưỡng so với mạng cáp đồng hiện tại do đó mang lại kinh tế cao

•Về mạng tối ưu cấu trúc mạng viễn thông, giảm số lượng nút chuyển mạch trong mạng, tăng bán kính phục vụ của tổng đài nội hạt Với mạng truy nhập, mạng nội hạt hiện tại sẽ có số lượng tổng ít hơn nhưng dung lượng mỗi nút cao hơn so với mạng hiện tại

•Về quản lý mạng: mạng truy nhập có một hệ thống quản lý giúp mạng hoạt động ổn định linh hoạt với các khả năng chuẩn đoán, khắc phục và sửa lỗi tốt

1.2 Mạng truy nhập quang FTTx

1.2.1 Giới thiệu

Với sự bùng nổ về nhu cầu băng thông hiện nay, việc triển khai một hệ thống mạng truy nhập quang đến từng hộ gia đình là một xu thế tất yếu Đó chính

là mạng FTTH – Fiber to the home (cáp quang đến tận nhà)

FTTx (Fiber To The x) là một kiến trúc mạng trong đó sợi quang được kéo

từ các thiết bị chuyển mạch của nhà cung cấp dịch vụ đến các thuê bao Ở đây,

“x” được hiểu là một ký hiệu đại diện cho các loại hình mạng khác nhau như FTTH, FTTC, FTTB, FTTN Do đó nó có thể thay thế cơ sở hạ tầng cáp đồng

hiện tại như dây điện thoại, cáp đồng trục Đây là một kiến trúc mạng tương đối mới và đang phát triển nhanh chóng bằng cách cung cấp băng thông lớn hơn cho người dùng Hiện nay, công nghệ cáp quang có thể cung cấp đường truyền lên tới tốc độ 100 Mbps.

1.2.2 Phân loại mạng FTTx theo vị trí đặt ONU

Hình 1.2 Phân loại mạng FTTx theo vị trí đặt ONU.

Một cách tổng quan ta có thể nhìn thất rõ sự phân loại hệ thống mạng FTTx thông qua hình 1.2 Như trong định nghĩa ta có các loại FTTH, FTTB, FTTU, FTTE… Điểm khác nhau của các loại hình này là vị trí đặt ONU đến thuê bao Nếu từ OLU đến ONU (thiết bị đầu cuối người dùng) hoàn toàn là cáp quang thì người ta gợi FTTH/FTTB

•FTTH (Fiber To The Home): cáp quang chạy đến tận nhà thuê bao

•FTTB (Fiber To The Buiding): giống như FTTH nhưng ở đây kéo đến các tòa nhà cao tầng

•FTTC (Fiber To The Curb): cáp quang đến một khu vực dân cư Lúc đó từ ONU đến thuê bao có thể sử dụng cáp đồng Trong mô hình này, thiết bị đầu cuối phía người sử dụng được bố trí trong các ca bin trên đường phố, dây nối tới các thuê bao vẫn là cáp đồng FTTC cho phép san xẻ giá thành của một ONU cho một thuê bao do đó nó có thể hạ thấp được giá thành lắp đặt ban đầu

Ngoài ra còn có một số loại hình khác như là FTTE (Fiber To The Exchange), FTTN (Fiber To The Node)…

1.2.3 Phân loại mạng FTTx theo cấu hình

Cấu hình Pointto Point: là kết nối điểm - điểm, có một kết nối thẳng từ nhà cung cấp dịch vụ đến khách hàng Trong hệ thống đường quang trực tiếp mỗi sợi quang sẽ kết nối tới chỉ một khác hàng Vì sợi quag là sừ dụng riêng rẽ nên cấu

hình mạng tương đối đơn giản đồng thời do băng thông không chia sẻ, tốc độ đường truyền có thể lên rất cao Quá trình truyền dẫn trên cấu trúc cũng rất an toàn

do toàn bộ quá trình truyền chỉ trên một đường dây vật lý, chỉ có các đầu cuối là phát và thu dữ liệu, không bị lẫn với các khách hàng khác Tuy nhiên cấu trúc này

có một nhược điểm cơ bản mà khó có thể phát triển cho quy mô rộng đó là giá thành đầu tư cho một khách hàng rất cao, hệ thống sẽ trở lên rất cồng kềnh, khó khăn trong việc vận hành và bảo dưỡng khi số lượng khác hàng tăng lên

Cấu hình Point to Multipoint: kết nối điểm – đa điểm, một kết nối từ nhà cung cấp dịch vụ đến nhiều khách hàng thông qua bộ chia spitter Trong hệ thống này mỗi đường quang đi từ nhà cung cấp dịch vụ được chia sẻ sử dụng chung cho một số khách hàng Sẽ có một đường quang đi đến một nhóm khách hàng ở gần nhau về mặt địa lý, tại đây đường quang dùng chung này sẽ được chia tách thành các đường quang riêng biệt đi đến từng khách hàng Điều này làm giảm chi phí lắp đặt đường quang riêng biệt đi đến từng khách hàng Điều này làm giảm chi phí lắp đặt đường cáp quang và tránh cho hệ thống khi phát triển khỏi cồng kềnh

So sánh hai cấu hình:

Hai cấu hình mạng Point to Point và cấu hình mạng Point to Multipoints có nhưng ưu nhược điểm riêng và áp dụng cho người sử dụng khác nhau nhưng cấu hình Point to Multipoints có nhưng ưu điểm vượt trội để áp dụng vào triển khai mạng thực tế Đó là giảm chi phí lắp đặt đường truyền đến thuê bao, giảm các thiết

bị, tận dụng tối đa dung lượng đường truyền Cấu hình Point to Multipoint là cấu hình rất phù hợp với hệ thống mạng truy nhập cáp quang

1.3 Ưu, nhược điểm của mạng FTTx

cáp lớn gồm nhiều đôi dây có thể truyền được 500 cuộc đàm thoại Cáp đồng trục

có khả năng với 10.000 cuộc đàm thoại và một tuyến viba hay vệ tinh có thể mang được 2000 cuộc gọi đồng thời

•Tính cách điện: Cáp sợi quang làm bằng chất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và có thể cho phép cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng dụng Nó

có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi các dòng điện chạy vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi sự phóng điện trên các đường dây thông tin như sét hay những trục trặc về điện

•Tính bảo mật: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao Một sợi quang không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thường như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích để lấy thông tin ở dạng tín hiệu quang

•Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: Do không chịu ảnh hưởng của hiện tượng fading và do có tuổi thọ cao nên yêu cầu về bảo dưỡng đối với hệ thống quang là ít hơn so với các hệ thống khác

•Tính linh hoạt: Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video Các hệ thống này đều có thể tương thích với các chuẩn RS.232, RS422,V.35, Ethernet, E1/T1, E2/T2, E3/T3, SONET/SDH, thoại 2/4 dây

•Tính mở rộng: Các hệ thống sợi quang được thiết kế thích hợp có thể dễ dàng được mở rộng khi cần thiết Một hệ thống dùng cho tốc độ số liệu thấp, ví dụ E1/T1 (2,048 Mbps/1,544 Mbps) có thể được nâng cấp trở thành một hệ thống tốc

độ số liệu cao hơn bằng cách thay đổi các thiết bị điện tử Hệ thống cáp sợi quang

có thế vẫn được giữ nguyên như cũ

•Sự tái tạo tín hiệu: Công nghệ ngày nay cho phép thực hiện những đường truyền thông bằng cáp quang dài trên 70 km trước khi cần tái tạo tín hiệu, khoảng cách này còn có thể tăng lên tới 150 km nhờ sử dụng các bộ khuếch đại laser Ngoài những ưu điểm trên của sợi quang nói chung, công nghệ FTTx còn có một

số ưu điểm khác Với công nghệ FTTH, nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp tốc

độ download lên đến 10 Gbps, nhanh gấp 200 lần so với ADSL 2+ Tốc độ truyền dẫn với ADSL là không cân bằng, có tốc độ tải lên luôn nhỏ hơn tốc độ tải xuống

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 Tốc độ đi Internet cam kết tối thiểu của FTTx ≥ 256 Kbps Ngoài ra, chúng ta có thể thấy rõ hơn những ưu điểm mới và vượt trội của công nghệ FTTx so với các công.

1.3.2 Nhược điểm

Mạng quang nói chung và công nghệ FTTx nói riêng có rất nhiều ưu điểm nhưng không tránh khỏi những nhược điểm Mặc dù sợi quang rất rẻ nhưng chi phí cho lắp đặt, bảo dưỡng, thiết bị đầu cuối lại rất lớn Hơn thế nữa, do thiết bị đầu cuối còn khá đắt cho nên không phải lúc nào hệ thống mạng FTTx cũng phù hợp Đối với những ứng dụng thông thường, không đòi hỏi băng thông lớn như lướt Web, check mail… thì cáp đồng vẫn được tin dùng Do đó càng ngày người ta càng cần phải đầu tư nghiên cứu để giảm các chi phí đó Ngoài ra, mặc dù băng thông của cáp quang là rất lớn nhưng băng thông dành cho các dịch vụ về game còn hạn chế

1.4 Ứng dụng của FTTx

Thông thường, chúng sử dụng các dịch vụ viễn thông như là thoại, truyền hình, internet một cách riêng biệt Tức là chúng ta có thể sử dụng dịch vụ thoại của nhà cung cấp A, truyền hình cáp của nhà cung cấp B, internet của một nhà cung cấp C Thậm chí với mỗi nhà cung cấp hay với mỗi một loại hình dịch vụ lại cần tới một đường dây thuê bao riêng Điều đó gây những khó khăn nhất định trong việc thu cước, thiết bị, chất lượng dịch vụ… Trong khi đó, những tính năng vượt trội của FTTx cho phép sử dụng các dịch vụ này từ một nhà cung cấp duy nhất với một đường dây thuê bao duy nhất Điều đó tạo nên sự thuận tiện không chỉ trong việc nhỏ gọn về thiết bị, đường dây, chi phí mà điều quan trọng là nó mang lại chất lượng đường truyền tốt nhất Công nghệ đáp ứng điều đó được triển khai trên nền mạng FTTx chính là IPTV

IPTV (Internet Protocol TV) là dịch vụ truyền hình qua kết nối băng rộng dựa trên giao thức Internet Đây là một trong các dịch vụ Triple - play mà các nhà khai thác dịch vụ viễn thông đang giới thiệu trên phạm vi toàn thế giới Hiểu một cách đơn giản, Triple - play là một loại hình dịch vụ tích hợp 3 trong 1: dịch vụ thoại, dữ liệu và video được tích hợp trên nền IP (tiền thân là từ hạ tầng truyền

hình cáp) Hãng viễn thông Orange Telecom (France) khá thành công với gói dịch

vụ Orange TV tại Pháp, Hàn Quốc mở rộng IPTV ra cả nước, PCCW thành công với dịch vụ IPTV tại Hồng Kông, Nokia Siemens Networks triển khai IPTV tại Ba Lan (4/2007)… IPTV đã và đang phát triển với tốc độ rất nhanh Theo Telecom Asia, số thuê bao IPTV ở riêng khu vực châu Á - Thái Bình Dương sẽ gia tăng 75% mỗi năm, đạt 34,9 triệu thuê bao và doanh thu 7 tỷ USD vào năm 2011 Tại Việt Nam, IPTV đã trở nên khá gần gũi đối với người sử dụng Internet tại Việt Nam Các nhà cung cấp như VNPT, FPT, SPT, VTC đã đưa IPTV, VoD ra thị trường nhưng ở phạm vi và quy mô nhỏ

Để sử dụng dịch vụ IPTV, các user có thể thông qua máy vi tính PC hoặc máy thu hình phổ thông cộng với hộp phối ghép set topbox IPTV có 2 đặc điểm

cơ bản là: dựa trên nền công nghệ IP và phục vụ theo nhu cầu Tính tương tác là ưu điểm của IPTV so với hệ thống truyền hình cáp CATV hiện nay vì truyền hình CATV tương tự cũng như CATV số đều theo phương thức phân chia tần số, định trước thời gian và quảng bá đơn hướng (truyền từ một trung tâm đến các máy tivi thuê bao) Mạng CATV hiện nay chủ yếu dùng cáp đồng trục hoặc lai ghép cáp đồng trục với cáp quang (HFC) đều phải chiếm dụng tài nguyên băng tần rất rộng

Hơn nữa kỹ thuật ghép nối modem cáp hiện nay đều sản sinh ra tạp âm So với mạng truyền hình số DTV thì IPTV có nhiều đổi mới về dạng tín hiệu cũng như phương thức truyền bá nội dung Trong khi truyền hình số thông qua các menu đã định trước (thậm chí đã định trước hàng tuần, hoặc hàng tháng) để các user lựa chọn, thì IPTV có thể đề cao chất lượng phục vụ có tính tương tác và tính tức thời Người sử dụng (user hoặc viewer) có thể tự do lựa chọn chương trình TV của mạng IP băng rộng Với ý nghĩa đúng của phương tiện truyền thông giữa server và user

Ngoài ra còn rất nhiều dịch vụ khác như check mail, lướt Web, chat, game online, xem phim, nghe nhạc trực tuyến, học trực tuyến…

1.5 So sánh ADSL và FTTH

Bảng 1 Bảng so sánh ADSL và FTTX

làm bằng thủy tinh.Cáp quang dài, mỏng thành phần của thủy tinh trong suốt 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

Môi trường truyền tín

hiệu

Cáp đồng, tín hiệu điện Cáp Quang, tính hiệu ánh sáng

Tốc độ truyền dẫn Không cân bằng (Bất đối

hệ thống dữ liệu

Cao - Cáp được chế tạo là lõi thuỷ tinh, tín hiệu truyền là ánh sáng nên hầu như không thể bị đánh cắp tín hiệu trên đường dây Không dẫn sét nên có thể đảm bảo an toàn cho dữ liệu cao

Chiều dài cáp Tối đa 2,5 Km để đạt sự ổn

định cần thiết

Có thể lên tới 10Km

Độ ổn định Bị ảnh hưởng nhiều của

môi trường, điện từ…suy giảm theo thời gian.Tín hiệu suy giảm trong quá trình truyền dẫn nên chỉ đạt được 80% tốc độ cam kết

Cao - (không bị ảnh hưởng của thời tiết, điện từ, xung điện, sét ) Không bị suy hao tín hiệu trong quá trình truyền dấn nên có thể đạt đến tốc độ tối đa

Độ an toàn điện Có thể cháy do tín hiệu Không cháy - Vì không có điện

điện, mặt khác lại có thể truyền dẫn sét

xuyên qua Cáp quang, vì vậy không có nguy cơ hỏa hạn xảy ra

Modem không hỗ trợ Wireless

Rất phù hợp vì tốc độ rất cao và có thể tùy biến tốc độc download và upload Modem hỗ trợ Wireless Đặc biệt hiệu quả 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

1.6 Kết luận chương

Những phân tích trong Chương 1 đưa ra cái nhìn tổng quan về mạng FTTx

Đó là một trong những tiềm năng tốt Nó đem đến chất lượng tốt hơn đối với không chỉ loại hình dịch vụ truyền thông như thoại, data mà còn cả những dịch vụ mới như Triple-play Để tìm hiểu sâu hơn về kiến trúc mạng này chúng ta sẽ nghiên cứu tiếp Chương 2

CHƯƠNG 2:

CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG MẠNG

TRUY NHẬP QUANG FTTx

2.1 Mạng quang chủ động AON

Để phân phối tín hiệu, mạng quang chủ động sử dụng các thiết bị cần nguồn điện nuôi để phân tích dữ liệu như một chuyển mạch, router hoặc mulitiplexer Dữ liệu từ phía nhà cung cấp của khách hàng nào sẽ chỉ được chuyển đến khách hàng

đó và dữ liệu từ phía khách hàng sẽ tránh được xung đột khi truyền trên đường vật

lý chung bằng việc sử dụng bộ đệm của các thiết bị chủ động

Từ năm 2007, hầu hết các hệ thống mạng quang chủ động được gọi là Ethernet chủ động, Ethernet chủ động sử dụng các chuyển mạch Ethernet quang để 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 thông thường ngoại trừ mụch đích của chúng là kết nối các căn hộ và các tòa nhà với các nhà cung cấp dịch vụ Mỗi tủ chuyển mạch có thể quản lý tới 1.000 khác 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 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 thiết bị chuyển mạch tốc độ cao nên các thiết bị này có chi phí đầu tư lớn, không phù hợp với việc triển khai đại trà trong mạng truy nhập

Hình 2.1 dưới đây mô tả kiến trúc mạng quang chủ động AON Với mô hình cáp quang chạy đến từng hộ gia đình, một thuê bao của mạng quang chủ động hình cây cách trung tâm điều khiển từ xa tới 20 km sẽ được cấp một đường dây quang riêng đủ để đáp ứng cho băng thông 2 chiều Cấu trúc mạng này tương tự như cấu trúc của mạng cáp đồng hiện tại và vẫn dễ dàng cho các nhà cung cấp dịch

vụ đã có sẵn cơ sở hạ tầng Mạng quang chủ động được hỗ trợ các chuẩn Ethernet quang và cấu trúc đơn giản và quan trọng nhất nó rất linh hoạt cho sự tăng trưởng của hệ thống viễn thông trong tương lai Bởi vì đặc điểm quan trọng của các hệ

thống viễn thông là các thiết bị đầu cuối thay đổi rất nhanh chóng nhưng nhưng cơ

sở hạ tầng mạng thì phải tồn tại từ 15 đến 20 năm Do đó lựa trọn giải pháp nào là điều rất quan trọng đối với các nhà cung cấp dịch vụ cũng như những kỹ sư thiết

kế hệ thống mạng

Hình 2.1 Kiến trúc mạng quang chủ động.

2.2 Mạng thụ động PON

2.2.1 Khái niệm mạng quang thụ động

Mạng quang thụ động PON là một mạng quang không có các phần tử điện phụ hay thiết bị quang điện tử PON là công nghệ sử dụng các bộ chia quang (Splitter) để nối tới rất nhiều thiết bị đầu cuối mạng quang Như vậy, trong PON sẽ bao gồm: Sợi quang, các bộ chia, bộ kết hợp, bộ ghép định hướng, thấu kính, bộ lọc, chính nhờ vào cấu trúc như thế mà PON có những ưu điểm đặc trưng như:

•Không yêu cầu cung cấp nguồn điện nên không ảnh hưởng của lỗi nguồn

•Tạo thành đường truyền thông suốt giữa tổng đài và thuê bao Làm cho cấu trúc mềm dẻo hơn vì nó chỉ phụ thuộc vào dạng tín hiệu Và việc sử dụng linh kiện thụ động sẽ làm tăng độ tin cậy của hệ thống

•Chi phí cho khai thác vận hành và bảo dưỡng nhỏ

•Đối với cấu trúc mạng PON, công suất quang sẽ quyết định số bộ chia quang Tín hiệu có băng tần càng lớn, công suất quang càng nhỏ thì mức thu giảm,

vì vậy khả năng chia kênh sẽ bị giảm so với trường hợp tín hiệu băng hẹp Cho nên

để tăng băng tần hệ thống phải áp dụng các công nghệ truyền dẫn tiên tiến như kĩ thuật thu kết hợp hay kĩ thuật ghép bước sóng.

2.2.2 Đặc điểm chính của hệ thống

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

•PON hỗ trợ giao thức ATM, Ethernet

•PON hỗ trợ các dịch vụ voice, data và video tốc độ cao

•Khả năng cung cấp băng thông cao

•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

•Khả năng tận dụng công nghệ WDM, ghép kênh phân chia theo dải tần và cung cấp băng thông động để giảm thiểu số lượng cáp quang cần thiết để kết nối giữa OLT và splitter

•PON thực hiện truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang hay 2 chiều trên cùng

1 sợi quang

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

2.2.3 Kiến trúc mạng quang thụ động PON

Cấu trúc mạng PON cơ bản gồm các thành phần là OLT, splitter quang, ONU/ONT OLT chính là thiết bị đầu cuối phía nhà sản xuất, có nhiệm vụ kết nối tất cả các loại dịch vụ lại và truyền tín hiệu thông qua sợi cáp quang Tín hiệu từ OLT sẽ đến các splitter quang Splitter quang được sử dụng để phân chia công suất

từ một sợi duy nhất đến x người sử dụng (x có thể là 32, 64 hoặc 128, điều đó phụ thuộc vào hệ số chia của splitter) trên một khoảng cách tối đa là 20 km Để thu được tín hiệu từ OLT, tại phía người sử dụng cần có các bộ ONU/ONT

Hình 2.2 Kiến trúc chung của mạng quang thụ động PON.

Từ kiến trúc chungở trên, mạng PON còn được triển khai dưới các dạng kiến trúc như sau:

Trong sơ đồ trên, các thành phần chính của một mạng PON là:

• OLT: Đây là thiết bị kết cuối kênh quang đặt tại Center Office Nó là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống GPON, cung cấp các giao diện truy nhập PON cho thiết bị ONU phía người sử dụng và các giao diện khác cho tín hiệu phía đường lên

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

• ONT: Đây là thiết bị đầu cuối phía người sử dụng, là điểm cuối cùng của ODN

• ODN: Hệ thống phân phối cáp quang tính từ sau OLT đến ONU/ONT

Cụ thể, hệ thống phân phối quang ODN bao gồm các thành phần sau đây:

- Măng xông quang

- Dây nhảy quang

- Hộp phối quang ODF

•Splitter (bộ chia/ghép quang) Ở đây bộ chia/ghép quang chính là bộ chia công suất quang Dùng để chia một tín hiệu quang ở đầu vào thành nhiều tín hiệu ở đầu ra Các hệ số chia thông thường là 1:4, 1:8… Đây là bộ chia thụ động tức là không phải cấp nguồn Suy hao trong bộ chia phụ thuộc vào hệ số chia Hệ số chia càng lớn thì suy hao càng lớn Với hệ số chia là 1:2 thì suy hao khoảng 3 dB, với

hệ số chia là 1:32 thì suy hao tối thiểu là 15dB Suy hao này chính là suy hao xen tạo ra bởi sự chưa hoàn hảo trong quá trình xử lý Hình 2.3 cho biết nguyên lý chung của bộ chia công suất quang Giả sử tại đầu vào có 3 bước sóng λ1 ở đường xuống, λ2, λ3 ở đường lên, với bộ chia công suất có hệ số chia là 1:2 thì đầu ra có

2 cửa ra, một cửa có bước sóng vào là λ2và bước sóng ra là λ1, một cửa khác lại có bước sóng vào là λ3và bước sóng ra là λ1

Hình 2.3 Bộ chia công suất quang.

2.2.4 Mô hình mạng 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

o Thiết lập mạng đơn giản

o Ít cáp nối hơn so với các cấu hình mạng khác

Nhược điểm:

o Liên kết mạng bị phá vỡ khi cáp đường trục bị lỗi

o Xung đột dữ liệu xảy ra trên cáp đường trục khi có 2 liên kết thực hiện đồng thời, dẫn đến giới hạn khả năng truyền tải dữ liệu trong mạng

2.2.5 PHÂN LOẠI PON

Xét về kĩ thuật thì mạng PON có thể chia làm 2 loại: thứ nhất là dựa vào kĩ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian sử dụng ở hướng down và kĩ thuật truy cập ghép kênh theo thời gian ở hướng up thì ta có các loại như sau APON/BPON (ATM PON/Broadband PON, GPON(Gigabit PON) và EPON(Ethernet PON); thứ hai dựa vào kĩ thuật ghép kênh theo bước sóng thì ta có WDM PON

2.2.6 Các chuẩn mạng PON

2.2.6.1 APON (ATM Pasive Optical Network)

Mạng quang thụ động ATM Đây là chuẩn mạng quang thụ động đầu tiên.Từng được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng thương mại trên nền ATM

2.2.6.2 BPON

Mạng quang thụ động băng rộng BPON( Broadband PON) được chuẩn hóa trong chuỗi các khuyến nghị G.938 của ITU-T Các khuyến nghị này đưa ra các tiêu chuẩn về các khối chức năng ONT và OLT, khuôn dạng và tốc độ khung của luồng dữ liệu đường lên và đường xuống, giao thức truy nhập đường lên TDMA, các giao tiếp vật lý, các giao tiếp quản lý và điều khiển ONT và DBA

Trong mạng BPON, dữ liệu được đóng khung theo cấu trúc của các tế bào ATM Một khung đường xuống có tốc độ 155Mbit/s hoặc 622 Mbit/s và một tế bào quản lý vận hành bảo dưỡng lớp vật lý OAM được chèn vào cứ mỗi 28 tế bào trong kênh PLOAM có một bít để nhận dạng các tế bào PLOAM Ngoài ra các tế bào PLOAM có khả năng lập trình được và chứa thông tin như là băng thông đường lên và các bản tin OAM

Căn cứ vào các thông tin về mã số nhận dạng kênh ảo và nhận dạng đường

ảo (VPI/VCI) trong cấu trúc ATM, các ONT nhận biết và tách dữ liệu đường xuống của mình Mỗi một kênh gồm có một tế bào ATM/PLOAM và 24 bit từ mào đầu Từ mào đầu mang thông tin về thời gian bảo vệ, mào đầu cho phép đồng bộ

và khôi phục tín hiệu tại OLT, và thông tin nhận dạng điểm kết thúc của từ mào đầu Chiều dài của từ mào đầu và các thông tin chứa trong đó được lập trình bởi OLT Các ONT thực hiện gửi các tế bào PLOAM khi chúng nhận được yêu cầu từ OLT BPON sử dụng giao thức DBA để cho phép OLT nhận biết lượng băng thông cần thiết cấp cho các ONT OLT có thể giảm hoặc tăng băng thông cho các ONT dựa vào gửi các tế báo ATM rỗi hoặc làm đầy tất cả đường lên bởi dữ liệu của ONT OLT dừng định kỳ việc truyền đường lên do vậy nó có khả năng mời bất

kỳ ONT mới nào tham gia vào hoạt động hệ thống Các ONT mới phát một bản tin phúc hồi trong cửa sổ này với thời gian trễ ngẫu nhiên để tránh xung đột khi mà có nhiều ONT mới muốn tham gia OLT xác định khoảng cách tới mỗi ONT mới bằng việc gửi tới ONT một bản tin đo cự ly và xác định thời gian bao lâu để thu được bản tin phúc đáp Sau đó OLT gửi tới ONT một giá trị trễ, giá trị này được sử dụng để xác định thời gian bảo vệ ứng với các ONT

“Report” cùng với dữ liệu được phát trong đường lên Ngoài ra, giao thức DBA cũng có thể được sử dụng trong EPON để thực hiện cơ chế điều khiển phân bổ băng thông Do không có cấu trúc khung thống nhất đối với đường xuống và đường lên, do vậy trong cấu trúc của EPON, các khe thời gian và giao thức xác định cự ly là khác so với BPON và GPON OLT và các ONU duy trì các bộ đếm cục bộ riêng và tăng thêm 1 sau mỗi 16ns Mỗi một MPCPDU mang theo một thời gian mẫu, mẫu này là giá trị của bộ đệm cục bộ của ONU tương ứng Tốc độ truyền dữ liệu EPON có thể đạt tới 1Gbit/s.

2.2.6.4 GPON

GPON( Gigabit PON) được xây dựng dựa trên BPON và EPON Mặc dù GPON hỗ trợ truyền tải tin ATM, nhưng nó cũng đưa vào một cơ chế thích nghi tải tin mới mà được tối ưu hóa cho truyền tải các khung Ethernet được gọi là phương thức đóng gói GPON GEM là phương thức dựa trên thủ tục đóng khung chung trong khuyến nghị G.701 ngoại trừ việc GEM tối ưu hóa từ mào đầu để phục vụ cho ứng dụng của PON, cho phép sắp xếp các dữ liệu Ethernet vào tải tin GEM và

hỗ trợ sắp xếp TDM

GPON sử dụng cấu trúc khung GTC cho cả hai đường xuống và đường lên Khung đường xuống bắt đầu với một từ mào đầu PLOAM, tiếp sau đó là vùng tải tin GEM và/hoặc các tế bào ATM PLOAM gồm có thông tin cấu trúc khung và

sắp đặt băng thông cho ONT gửi dữ liệu trong khung đường lên tiếp theo Khung đường lên bao gồm các nhóm khung gửi từ các ONT Mỗi một nhóm được bắt đầu với từ mào đầu lớp vật lý mà có chức năng tương tự trong BPON, nhưng cũng bao hàm tổng hợp các yêu cầu băng thông của các ONT Ngoài ra, các PLOAM và các yêu cầu băng thông chi tiết hơn được gửi đi kèm với các nhóm đường lên khi có yêu cầu từ OLT.

Bảng 2.1 So sánh các chuẩn công nghệ TDMA PON

Tổ chức chuẩn hóa

FSAN và ITU-T SG 15

(G.983 series)

FSAN và ITU-T SG 15

(G.983 series)

IEEE802.3 (802.3ah)

Tốc độ dữ liệu

Down:155, 622,1244 MbpsUp:155, 622 Mpbs

Down: 155,622,1244,2488MbpsUp:155, 622, 1244 Mpbs

Down và Up: 1250 Mpbs

Tỷlệchia(ONUs/PON

Mã đường truyền Scramble NRZ Scramble NRZ 8B/10B

Số lượng sợi quang 1 hoặc 2 1 hoặc 2 1

Bước sóng

1310nm cả 2 hướng hoặc 1490nm xuống

& 1310nm lên

1310nm cả 2 hướng hoặc 1490nm xuống

& 1310nm lên

1490nm xuống & 1310nm lên

Chuyển mạch bảo vệ Có hỗ trợ Có hỗ trợ Không hỗ trợ

Khuôn dạng dữ liệu ATM GEM và ATM

Không(sử dụng trực tiếpcáckhung Ethernet)

Hỗ trợ TDM Quan ATM Trực tiếp( qua GEM

hoặc ATM0 hoặc CES CES

Hỗ trợ thoại Qua ATM Qua TDM hoặc VoIP VoIP

Sửa lỗi hướng tới

trước FEC Không RS (255,239) RS (255,239)

Mã hóa bảo mật AES-128 AES-128, 192, 256 Không

OADM PLOAM và ATM GTC và ATM/GEM

OAM

802.3ah EthernetOAM

2.2.6.5 GEPON

Trong tháng 6 năm 2004, công nghệ Ethernet được khuyến nghị dùng cho mạng truy nhập và có tên là IEEE 802.3ah Nó được coi là một hệ thống mạng truy nhập quang tốc độ cao Do đây là hệ thống mạng PON được tối ưu cho công nghệ Ethernet nên có tên thường gọi là EPON Ngoài ra nó còn có thêm tiền tố G là viết tắt của “Gigabit” nên còn gọi là GEPON.

Một hệ thống GEPON với tỷ lệ chia là 32 có thể cung cấp một băng thông đối xứng là trên

30 Mbps cho mỗi khách hàng Băng thông này là đủ để cung cấp các dịch

vụ yêu cầu băng thông lớn như các ứng dụng video cũng như các ứng dụng thoại

và data Thậm chí với đồng thời 3 luồng video nộ nét cao với dung lượng mỗi luồng là 6 đến 7 Mbps (tổng cộng là 18 đến 21Mbps) thì vẫn còn đủ dung lượng cho VoIP và truy cập internet Dung lượng dành riêng cho VoIP thông thường chỉ khoảng 64k trên một kênh thoại trong khi truy cập internet tốc độ cao thường giới hạn ở các mức 512kbps, 1Mbps, 2Mbps, 4Mbps Băng thông tổng cộng cho cả 3 dịch vụ chỉ khoảng 25Mbps, do đó GEPON là một công nghệ mạng truy nhập lý tưởng cho việc hỗ trợ đa dịch vụ hiện có và trong tương lai

Hiện tại, chuẩn GEPON cũng đang được phát triển để có thể hỗ trợ băng thông tối đa lên tới 10GB và tỉ lệ chia sẻ trên một sợi quang là 1:64

GEPON có các đặc điểm chính sau đây:

• PON topology

• Tốc độ truyền tối đa 1,25Gbps trên một đường quang và tốc độ tới từng user

có thể thay đổi tùy theo tỷ lệ chia (trên 30Mbps/1 user khi có tỷ lệ chia là 1:32)

• Tín hiệu được gửi và nhận bằng các khung Ethernet

Trong hệ thống PON, mục đích của việc chia sẻ đường quang cũng như thiết bị tại phòng máy trung tâm là vì lý do kinh tế Thêm vào đó, việc gửi và nhận các tín hiệu bằng khung Ethernet, làm cho hệ thống mạng trở lên đơn giản và giá thành thấp

Công suất và dạng sóng của tín hiệu quang được điều chế ở lớp vật lý Có 2 chuẩn cơ bản là 1000 BASE-PX10 dùng để truyền với khoảng cách tối đa 10km và

1000 BASE-PX20 dùng để truyền với khoảng cách tối đa 20km Bước sóng truyền trên sợi quang được quy định dựa trên khuyến nghị ITU-T G.983.3 là 1490nm cho

đường xuống và 1310nm cho đường lên, và ta có thể cung cấp thêm dịch vụ truyền hình quảng bá trên bước sóng 1550nm Số lượng đầu chia tối đa không được quy định trong IEEE 802.3ah vì nó phụ thuộc vào suy hao của tín hiệu quang trên thực

tế, và thông thường số lượng đầu chia là 32 GEPON cung cấp 2 octet (16 bit) cho thành phần định danh liên kết logic (LLID - Link logic ID) và 15 bit dành cho mỗi một địa chỉ MAC Vì vậy có thể có hơn 30.000 bộ ONU được sử dụng trong một mạng PON Đặc điểm chính của GEPON đó là dữ liệu được truyền nhận bằng các khung Ethernet có kích thước thay đổi tới 1518 octets Với dữ liệu downstream, OLT sẽ broadcast khung Ethernet đến tất cả các ONU trong một mạng PON

Tuy nhiên phần LLID bao gồm thông tin địa chỉ nhờ đó chỉ có ONU được đánh địa chỉ mới tiếp nhận khung dữ liệu có địa chỉ MAC của nó, các ONU sẽ loại

bỏ những khung mà không đánh địa chỉ tương ứng với chúng Ngoài ra việc truyền

dữ liệu upstream dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) để tránh xung đột dữ liệu giữa các ONU OLT phân phối một cửa sổ truyền dẫn được gọi là cổng ứng với một ONU Khi một ONU nhận được một khung cổng, nó sẽ truyền các khung dữ liệu với tốc độ 1 Gbit/s trong suốt khe thời gian được đăng ký bởi cổng Giao thức điều khiển đa điểm (MPCP) quản lý các cổng được cấp cho mỗi ONU, cổng được yêu cầu từ ONU và được dùng để phát hiện và đăng ký các ONU với mạng PON Do đó mỗi ONU chỉ có thể nhận tín hiệu có địa chỉ ứng với địa chỉ duy nhất của nó nên một thành phần định danh sẽ được gửi kèm ở đầu khung Ethernet

2.2.6.6 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 TDM OLT sử dụng một bước sóng riêng rẽ để thông tin với mỗi ONT theo dạng P2P 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 nhau 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 chính được

có thể được sử dụng nhiều ứng dụng khác nhau như là FTTx, các ứng dụng VDSL

và các điểm truy nhập vô tuyến từ xa Các bộ thu WDM-PON sử dụng kỹ thuật lọc quang màng ống dẫn sóng (AWG) Một AWG có thể được đặt ở môi trường trong nhà hoặc ngoài trời

Hình 2.7: Cấu trúc của WDM-PON.

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

2.2.6.7 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 giải mã Phần lớn công nghệ ứng dụng trong CDMA PON tuân theo phương thức trải phổ chuỗi 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 tỷ chia ONU/OLT 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 PON chưa được phát triển rộng rãi

CDMA-2.2.7 Ưu, nhược điểm mạng PON

• Ưu điểm

Sử dụng các thiết bị thụ động nên không cần cấp nguồn, giá thành rẻ.Giảm chi phí bảo dưỡng và vận hành

Tốc độ download và upload cao

Giảm chi phí sợi quang và giảm chi phí các thiết bị cho phép nhiều người dùng chiasẻ chung một sợi

• Nhược điểm

Giới hạn băng thông cho các thuê bao vì splitter chia đều băng thông.Giới hạn vùng phủ sóng: Tối đa là 20 km, phụ thuộc vào số lượng splitter (càng nhiều splitter thì khoảng cách truyền càng giảm)

Khó dự đoán giá thành khi có thuê bao phát sinh

Khi có OLT mới cần lắp đặt thì giá thành đối với mỗi thuê bao có kết nối đến OLT đó sẽ tăng lên cho đến khi các port của OLT lấp đầy

2.3 So sánh mạng PON và AON

Mạng quang chủ động AON (Active Optical Network) là kiến trúc mạng điểm - điểm Thông thường mỗi thuê bao có một đường cáp quang riêng chạy từ thiết bị trung tâm (Access Node) đến thuê bao.

Có rất nhiều yếu tố để so sánh ưu điểm và nhược điểm của hai kỹ thuật PON và AON Tuy nhiên, ở đây chúng ta sẽ xem xét một số thông số quan trọng như băng thông, khả năng điều khiển luồng, khoảng cách…

• Về băng thông

Ngày càng có nhiều dịch vụ viễn thông yêu cầu tốc độ cao như IPTV, VOD, Conference meeting… Do đó băng thông là một vấn đề vô cùng quan trọng Bảng 2.2 dưới đây sẽ cho ta cái nhìn khái quát hơn về băng thông đáp ứng được giữa 2 công nghệ này

Bảng 2.2 Bảng so sánh AON và PON về băng thông

Băng thông tối đa cho một thuê bao

là giống nhau

AON ưu thế hơnCông nghệ AON tốt hơn, băng thông tối đa của mỗi thuê bao là lớn hơn Bởi vì đối với các doanh nghiệp thì băng thông thường lớn hơn các thuê bao của hộ gia đình, nếu sử dụng PON thì không thể điều khiển sự khác nhau này

Điều chỉnh băng thông

Đơn giản

Khi một node truy nhập

được cấu tạo từ các

module thì người ta có

thể nâng cấp được băng

thông cho một thuê bao

Điều này có thể được cải tiến trong tương lai nếu cấu trúc mạng PON có cấu hình dự phòng n +1

AON tốt hơnCông nghệ mạng AON tốt hơn bởi vì nó dễ dàng nâng cấp hơn

• Về lưu lượng

Bảng 2.3 Bảng so sánh AON và PON về điều khiển lưu lượng

Sự phát triển băng thông hiện thời

Đơn giản

Có thể điều tiết lưu lượng

tại các node truy nhập

thông qua các switch dưới

AON chiếm ưu thế

Các hiện tượng trễ, jitter và các nhiễu khác trong quá trình truyền

Thấp

Đều sử dụng sợi quang

nên những hiện tượng này

diện quang và mật độ thuê

bao tại các card giao diện

tương đối thấp so với

64 tín hiệu Một subrack thường cung cấp nhiều giao diện thuê bao nên khi xảy ra sự cố thì thường có nhiều thuê bao chịu ảnh hưởng

AON ít xung đột hơn

Số lượng thuê bao sử dụng mạng AON chịu ảnh hưởng của sự cố đường truyền ít hơn so với mạng PON

2.4 Kết luận

Trong chương 2 chúng ta đã nghiên cứu về kiến trúc mạng PON, ưu nhược điểm và các chuẩn của mạng PON So với mạng AON, mạng PON có rất nhiều ưu điểm mà ưu điểm lớn nhất có thể thấy đó là các thiết bị dùng trong mạng PON là

các thiết bị thụ động nên không cần cấp nguồn Do đó, các chi phí về việc cấp nguồn, bảo dưỡng và bảo trì là thấp hơn rất nhiều so với mạng AON.

Với những lý do như trên, công nghệ PON được coi là một giải pháp đầy hứa hẹn để giải quyết vấn đề tắc nghẽn băng thông trong mạng truy nhập, cho phép triển khai các dịch vụ băng rộng và có tính tương tác Trong thời gian ngắn trước mắt, ứng dụng của công nghệ PON có thể là nhà cung cấp cho các công ty điện thoại, mạng cáp TV, và cho các nhà cung cấp dịch vụ mạng vô tuyến Với việc đưa

ra một giải pháp với giá thành hạ, băng tần cao, có khả năng chống lỗi, công nghệ PON sẽ là giải pháp tốt nhất cho mạng thế hệ sau, cũng như cho mạng truy nhập băng rộng

CHƯƠNG 3:

CÔNG NGHỆ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG

VỚI CHUẨN GPON

3.1 Giới thiệu công nghệ GPON

GPON( Gigabit PON) định nghĩa theo chuẩn ITU-T 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 Phương thức đóng gói GPON - GEM cho phép đóng gói lưu lượng người dùng rất hiệu quả, với sự phân đoạn khung cho phép chất lượng dịch vụ QoS cao hơn phục vụ lưu lượng nhạy cảm như truyền thoại và video GPON hỗ trợ tốc độ cao hơn, tăng cường bảo mật và chọn giao thức lớp 2 (ATM, GEM, Ethernet) Điều đó cho phép GPON phân phối thêm các dịch vụ tới nhiều thuê bao hơn với chi phí thấp hơn cũng như 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 kết cuối mạng ONU hay ONT được nối với nhau qua mạng phân phối quang ODN Quan hệ giữa OLT và ONU là quan hệ một - nhiều, một OLT sẽ kết nối với nhiều ONU

3.2 Kiến trúc mạng GPON

Cấu trúc hệ thống GPON bao gồm OLT, các ONU, bộ chia quang Splitter

và các sợi quang Sợi quang được kết nối với các OLT đi tới bộ chia quang Splitter, tại bộ chia quang chia ra các sợi khác và các sợi phân nhánh này được kết nối với ONU

Hình 3.1 Kiến trúc mạng GPON.

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 cho trường hợp kết nối quang tới nhà thuê bao (FTTH)

•ONU: Thiết bị kến nối OLT thông qua mạng phân phối quang (ODN) dùng cho trường 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 nhà cung 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 tủ kiểu indoor, loại kia sẽ là loại thiết bị được bọc kín có thể mở ra khi cần thiết và đặt tại các điểm măng xông

•FDC: Tủ phối quang

•FDB: Hộp phân phối quang loại nhỏ

3.2.1 Kết cuối đường quang OLT

Kết cuối đường quang OLT được kết nối tới mạng chuyển mạch thông qua các giao diện được chuẩn hoá OLT đưa ra giao diện truy nhập quang tương ứng với các chuẩn GPON như tốc độ bit, quỹ công suất, jitter… OLT bao gồm ba phần chính: Chức năng giao diện cổng dịch vụ; chức năng kết nối chéo và giao diện mạng phân tán quang Các khối OLT chính được mô tả trong hình 3.2

Hình 3.2 Các khối chức năng trong OLT.

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

• Khối kết nối chéo (Cross-connect shell): Cung cấp đường truyền thông giữa khối lõi 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 chức năng kết nối chéo tương ứng với các chế độ được lựa chọn (ATM, GEM hoặc Dual)

• 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

3.2.2 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 ONU được thể hiện trong hình 3.2 Sơ đồ các

khối chức năng ONU Mỗi PON TC sẽ lựa chọn một chế độ truyền dẫn ATM, GEM hoặc cả hai.

Hình 3.2 Các khối chức năng của ONU.

3.2.3 Mạng phân phối quang ODN

Mạng phân phối quang kết nối giữa một OLT với một hoặc nhiều ONU sử dụng thiết bị tách/ghép quang và 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 từ nhiều 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 tính theo dB

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

Hình 3.4 Cấu trúc cơ bản mạng cáp quang thuê bao.

• 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 điều hướng khoảng từ 40 đến 50 dB

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

• Cáp quang gốc (Feeder Cable): Xuất phát từ phía nhà cung cấp dịch vụ (hay còn gọi 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 tế triển khai, điểm phân phối sợi quang thường là măng xông quang, hoặc các

tủ cáp quang 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 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

• Điểm quản lý quang FMP (Fiber Management Point): Được sử dụng cho

xử lý sự cố và phát hiện đứt đường

3.3 Các tiêu chuẩn kỹ thuật

3.3.1 Bước sóng hoạt động

• Đường xuống:

Dải bước sóng hoạt động cho đường xuống sử dụng một sợi quang là

1480-1500 nm (thường gọi là bước sóng quanh 1490nm)

Ngoài ra, khi tín hiệu analog CATV được ghép trên cùng 1 sợi quang, CATV sẽ đường truyền theo hướng từ xuống ONTs bằng dải bước sóng quanh

• 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 +2 đến +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

3.3.3 Khoảng cách

• Khoảng cách sợi quang chênh lệch: Là khoảng cách giữa sợi quang ngắn nhất và xa nhất Trong mạng GPON khoảng cách sợi quang chênh lệch là 20 km Thông số này có ảnh hưởng đến kích thước vùng phủ mạng và cần tương thích với tiêu chuẩn ITU-T Rec G.983.1

• Khoảng cách logic: Là khoảng cách lớn nhất giữa ONU/ONT và OLT ngoại trừ khoảng vật lý Trong mạng GPON, khoảng cách logic lớn nhất là 60 km

• Khoảng cách vật lý: Là khoảng cách vật lý lớn nhất giữa ONU/ONT và OLT Trong mạng GPON, có hai tùy chọn cho khoảng cách vật lý và 10 km và 20 km

3.3.4 Tỉ lệ chia

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

3.4 Kỹ thuật truy nhập và phương thức ghép kênh trong mạng GPON

TDMA là kỹ thuật phân chia băng tần truyền dẫn thành 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 thức chuyển giao đang

sử dụng Hình 3.5 là một ví dụ về việc sử dụng TDMA trên GPON hình 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 gửi trong bản thân khe thời gian Số liệu đường xuống cũng được gửi trong những khe thời gian xác định

Mạng GPON sử dụng 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 OLT cũng chỉ cần một bộ thu, điều này sẽ dễ dàng cho việc triển khai thiết 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 thêm các 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 của lưu lượng đường lên để tránh xung đột số liệu Xung đột này sẽ xảy ra nếu hai hay nhiều gói 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 được chính 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

3.4.2 Phương thức ghép kênh

Phương thức ghép kênh trong GPON là ghép kênh song hướng Các hệ thống GPON hiện nay sử dụng phương thức ghép kênh phân chia không gian Đây

là giải pháp đơn giản nhất đối với truyền dẫn song hướng Nó được thực hiện nhờ

sử dụng những sợi riêng biệt cho truyền dẫn đường lên và xuống Sự phân cách vật

lí của các hướng truyền dẫn tránh được ảnh hưởng phản xạ quang trong mạng và cũng loại bỏ vấn đề kết hợp và phân tách hai hướng truyền dẫn Điều này cho phép tăng được quỹ công suất trong mạng Việc sử dụng hai sợi quang làm cho việc thiết kế mạng mềm dẻo hơn và làm tăng độ khả dụng bởi vì chúng ta có thể mở

rộng mạng bằng cách sử dụng những bộ ghép kênh theo bước sóng 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

3.5 Cấu trúc phân lớp của mạng quang GPON

Hình 3.6 Cấu trúc phân lớp mạng GPON.

Chức năng cụ thể của mỗi lớp được phân tích trong các mục sau

3.5.1 Lớp phụ thuộc phương tiện vật lý PMD

Các thông số của lớp PMD được chỉ ra sau đây và được tham chiếu tới các giá trị trong phụ lục từ A đến F

của yếu tố thời gian Các thông số này tương đương với với các thông số trong mạng quang để đạt được tỉ lệ lỗi bit BER≥1×10–10 trong trường hợp điều kiện suy hao và tán sắc đường truyền lớn nhất.

3.5.1.2 Phương tiện vật lý và phương thức truyền

Tín hiệu được truyền ở cả hướng lên và hướng 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

3.5.1.3 Tốc độ bit

• Tốc độ đường xuống

Tốc độ bit tín hiệu từ OLT tới ONU là 1244.16 hoặc 2488.32Mbit/s Khi OLT và đầu xa đang hoạt động ở tốc độ danh định của nó thì tốc độ này được theo dõi bởi một đồng hồ lớp 1 với độ chính xác 1×10−11 Khi đầu xa hoạt động ở chế

độ tự do, tốc độ của tín hiệu đường xuống được theo dõi bởi đồng hồ lớp3 với độ chính xác 4.6×10−6 Khi OL Thoạt 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 3.2×10−5

•Tốc độ đường lên

Tốc độ bit tín hiệu từ ONU tới OLT là 155.52, 622.08, 1244.16 hoặc 2488.32 Mbit/s 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 đường xuống ONU sẽ không phát tín hiệu khi không đang ở trạng thái hoạt động hoặc không được cấp quyền

3.5.1.4 Mã hóa đường dây

Mã hóa đường lên và đường xuống sử dụng mã NRZ

Phương thức ngẫu nhiên hóa không 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

3.5.1.5 Bước sóng hoạt động

• Đường xuống