TỔNG QUAN VỀ MẠNG CÁP QUANG

Đồ án tổng quan mạng cáp quang ftth

Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS. Đặng Hải Đăng CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG PON 1.1.Sự ra đời của mạng PON Trên thế giới,nhu cầu sử dụng hạ tầng cáp quang đến hộ gia đình FTTH (Fiber to the Home) đã xuất hiện sớm khi mà các công ty nhận thấy lợi ích mang lại trong việc cung cấp các dịch vụ băng rộng ISDN tới các thuê bao. Những tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật thu, phát và cáp sợi quang đã mở ra một một tiềm năng lớn trong việc phát triển hạ tầng FTTH. FTTH được xem như là một giải pháp hoàn hảo thay thế mạng cáp đồng hiện tại nhằm cung cấp các dịch vụ “triple play” (bao gồm thoại, hình ảnh, truy nhập dữ liệu tốc độ cao) và các các ứng dụng đòi hỏi nhiều băng thông (như là truy cập Internet băng rộng, chơi game trực tuyến và phân tán các đoạn video). Tuy nhiên nhược điểm chính của FTTH đó là chi phí cho các linh kiện và cáp có giá cao dẫn tới giá thành lắp đặt những đường quang như vậy là rất lớn. Có nhiều giải pháp để khắc phục nhược điểm này và một trong số đó là triển khai FTTH trên nền mạng quang thụ động (Passive Optical Network - PON). Hình 1.1 Sơ đồ cung cấp FTTX cho khách hàng Mạng quang thụ động Pasive Optical Network (PON) không chứa các phần tử tích cực tại bất cứ điểm nào dọc theo mạng. Hình trên mô tả kiến trúc của một mạng PON thực tế trong đó 1 mạng quang kết nối tất cả thiết bị chuyển mạch trong Central Office SVTH: Nguyễn Thị Hảo Trang 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS. Đặng Hải Đăng (CO) mà trong đó giao diện với mạng PON bao gồm PSTN, các IP router, VoD server, Ethernet switch, các ATM switch, và trung tâm lưu trữ dữ liệu bao gồm các bộ phận như các chuỗi đĩa cứng dung lượng lớn… Bắt đầu với CO, một sợi quang đơn mode chạy thẳng đến 1 bộ chia (splitter) công suất quang gần 1 căn hộ, hoặc 1 tòa nhà văn phòng,…Bộ chia có nhiệm vụ chia ra thành N đường riêng biệt đến các thuê bao. Nếu bộ chia được thiết kế để chia công suất sóng tới và nếu P là công suất quang vào bộ chia, mức công suất đến mỗi thuê bao là P/N. Ta có thể thiết kế bộ chia công suất với các tỷ số khác nhau và có thể có nhiều hơn 1 splitter trên 1 con đường, phụ thuộc ứng dụng. Số lượng đường chia có thể thay đổi từ 2 đến 64, trong thực tế ta thường chia thành 8,16,32. Khoảng cách từ CO đến user có thể lên đến 20km, các thiết bị tích cực chỉ tồn tại trong CO và tại thiết bị đầu cuối như hình 1.2 Hình 1.2 Sơ đồ mạng PON Các module tích cực trong mạng bao gồm thiết bị đầu cuối dường dây quang Optical Line Termination (OLT) đặt tại CO và một thiết bị đầu cuối mạng quang Optical Network Termination (ONT) hoặc một đơn vị mạng quang Optical Network Unit (ONU) tại đầu xa của mạng. Một ONT được dùng khi dây quang mở rộng đến tận nhà khách hàng, trong khi ONU được dùng khi thiết bị đầu cuối sợi quang được đặt trong 1 tủ viễn thông gần 1 cụm dân cư hoặc các công ty. Các kết nối từ ONU đến nhà khách hàng có thể bằng các phương tiện khác như cáp đồng trục hoặc đôi dây xoắn. Trong một vài trường hợp ta có thể tiết kiệm chi phí nếu chạy 1 dây sợi quang từ splitter chính đến các cluster địa phương bao gồm các nhà và công ty nhỏ trong 1 vùng lân cận. Trong trường hợp này, một spliiter quang nhỏ được đặt tại điểm kết thúc của sợi quang và sau đó các kết nối ngắn từ đó đến các user. SVTH: Nguyễn Thị Hảo Trang 2 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS. Đặng Hải Đăng Thuật ngữ mạng quang phân phối Optical Distribution Network (ODN) đề cập đến tất cả sợi quang và các bộ chia quang thụ động hoặc các bộ ghép nằm giữa OLT và các ONT và ONU. Kết nối CO và bộ chia quang được gọi là cáp feeder. Một bộ chia quang có thể phục vụ đến 32 thuê bao. Thực tế, nó được đặt cách CO khoảng 10km hoặc trong vòng 1km tính từ các thuê bao trong 1 vùng lân cận, một khu vực công ty, hoặc 1 campus. Sợi quang phân phối được tập trung tại bộ chia quang. Từ đó chúng có thể kết nối trực tiếp đến user hoặc chạy trong một sợi cáp đa lõi đến một hộp ghép gọi là đầu cuối truy nhập. Tại đây, các dây cáp riêng kết nối đến từng khách hàng. Thông thường các hệ thống PON truyền dữ liệu cả hướng xuống và hướng lên trong cùng một sợi quang. Trên mỗi sợi mặc dù các bộ nối định hướng cho phép sử dụng cùng một bước sóng cho cả 2 hướng, tuy nhiên đối với các hệ thống truyền tải tốc độ cao để đảm bảo chất lượng thì thông thường mỗi hướng sử dụng một bước sóng riêng. Trong các mạng PON các bước sóng được sử dụng là 1490nm hoặc 1550nm cho hướng xuống và 1310nm cho tín hiệu đường lên. 1.2.Các thiết bị mạng PON 1.2.1. OLT OLT được đặt tại CO và điều khiển luồng thông tin theo 2 hướng qua ODN. Một OLT nên có khả năng hỗ trợ khoảng cách truyền xuyên qua ODN lên đến 20km. Trong luồng xuống ,OLT broadcast tất cả thông tin cho các ONU theo ghép kênh TDM, trong khi ở luồng lên, các thông tin từ các ONU được ghép kênh theo TDMA và gửi cho OLT. Một OLT thực tế được thiết kế để điều khiển nhiều hơn 1 PON.Trong thực tế OLT được đặt tại CO, nơi có môi trường khá ổn định so với của ONT, thường được đặt tại một tủ ngoài trời hoặc gắn vào các tòa nhà. Tuy nhiên, một ONT cũng có thể đặt trong một môi trường trong nhà tốt hơn. 1.2.2 ONT ONT được đặt tại nhà khách hàng nhằm mục đích cung cấp một kết nối quang đến PON trên luồng lên và giao tiếp điện đối với thiết bị khách hàng ở phía còn lại. Dựa trên các thiết bị giao tiếp của khách hàng hoặc nhóm người dùng, ONT hỗ trợ một hỗn hợp các dịch vụ, bao gồm các tốc độ ethernet khác nhau, T1 hoặc E1 (1.544 hoặc 2.048 Mbps) và DS3 hoặc E3 (44.736 hoặc 34.368 Mbps), ATM (155Mbps) và các dạng video số hoặc tương tự. 1.2.3 ONU Một ONU thường được đặt ở trong các tủ ngoài trời, với sự thay đổi nhiệt độ rất lớn và môi trường khắc nghiệt. Tủ đựng các ONU phải chống vào nước, chống ăn mòn và các cơn gió lớn. Thêm vào đó, có một nguồn ở bên trong để vận hành các thiết bị. cùng với 1 nguồn pin dự trữ. SVTH: Nguyễn Thị Hảo Trang 3 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS. Đặng Hải Đăng Kết nối từ ONU đến khách hàng có thể sử dụng đôi dây xoắn, cáp đồng trục, hoặc 1 dây sợi quang, hoặc không dây. Hai chức năng chính của 1 OLT là điều khiển lưu lượng người dùng và phân băng thông động đến các ONT. Bởi vì có đến 32 ONT sủ dụng cùng bước sóng và chia sẻ chung 1 dường sợi quang, một loại truyền đồng bộ nên được sử dụng để tránh đụng độ giữa lưu lượng đến từ các ONT khác nhau. Phương pháp đơn giản nhất là dùng TDMA, trong đó mỗi người sử dụng truyền thông tin trong một khoảng thời gian định trước với một tốc độ cho trước. Tuy nhiên, điều này sẽ không hiệu quả trong việc sủ dụng băng thông bởi vì nhiều khe thời gian sẽ bị bỏ trống khi một vài người sủ dụng không có thông tin để gửi về CO. Việc sử dụng tiến trình cấp phát băng thông động (DBA) sẽ giải quyết hiệu quả vấn đề trên bằng cách dùng các khe thời gian của các user ít sử dụng hoặc idle để phát cho các user hoạt động hơn. Hình 1.3 Ghép kênh TDM trong PON Như hình trên, OLT sử dụng TDM để kết hợp các luồng voice và data đến có đích là các user trong PON. Nếu có N luồng thông tin độc lập vào OLT, mỗi luồng có tốc độ Rbps, cơ cấu TDM ghép các luồng đơn vào một luồng thông tin có tốc độ cao hơn NxR bps. Tín hiệu của luồng được ghép broadcast đến mọi ONT. Mỗi ONT loại bỏ hoặc nhận luồng thông tin đến dựa vào địa chỉ trong header của gói. Mã hóa có thể được sử dụng để đảm bảo tính bảo mật, bởi vì mỗi luồng tín hiệu downstream được broadcast nên mọi ONT nhận tất cả thông tin có đích đến là của các thiết bị khác. SVTH: Nguyễn Thị Hảo Trang 4 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS. Đặng Hải Đăng Gửi thông tin trong luồng lên thì phức tạp hơn, ở đây ta dùng TDMA. Hình 1.4 cho một ví dụ về TDMA. Hình 1.4 Ghép kênh TDMA trong luồng lên OLT phối hợp và điều khiển lưu lượng từ mỗi ONT bằng cách gửi sự cho phép đến ONT để ONT truyền trong một khe thời gian xác định. Các khe thời gian được đồng bộ để truyền các burst từ các người sử dụng khác nhau để không đụng độ. Bởi vì mỗi thiết bị đầu cuối được đặt tại các khoảng cách khác nhau từ CO, OLT dùng một kỹ thuật ranging để đo khoảng cách logic giữa người sử dụng và OLT, cho phép mỗi ONT hiệu chỉnh thời gian truyền phù hợp để tránh đụng độ. 1.3.Các công nghệ TDMA PON: Có 3 công nghệ chính là Broadband PON (BPON), Ethernet PON (EPON) và Gigabit PON (GPON). Tất cả chuẩn này đều dựa theo kiến trúc PON cơ bản ở trên. Điểm khác biệt chính nằm ở trong các giao thức truyền của chúng. Bảng sau cho ta một số đặc tính của mỗi phương pháp và chuẩn mà chúng hỗ trợ. SVTH: Nguyễn Thị Hảo Trang 5 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS. Đặng Hải Đăng Bảng 1.1 So sánh đặc tính của các mạng PON 1.3.1 B-PON Trong mạng B-PON, dữ liệu được đóng khung theo cấu trúc của các tế bào ATM. Một khung hướng xuống có tốc độ 155Mbit/s (56 tế bào ATM có khích thước 53byte), hoặc 622 Mbit/s (4*56 tế bào ATM) và một tế bào quản lý vận hành bảo dưỡng lớp vật lý OAM (PLOAM – Physical layer Operation Administration and Maintenance) được chèn vào cứ mỗi 28 tế bào trong kênh. PLOAM có một bit 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 hướng 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. SVTH: Nguyễn Thị Hảo Trang 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS. Đặng Hải Đăng Cấu trúc khung hướng lên bao gồm 56 tế bào ATM (53 byte). Mỗi một kênh (time slot) gồm có một tế bào ATM/PLOAM và 24 bít từ mào đầu. Từ mào đầu mang thông tin về thời gian bảo vệ (guard time), 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. 1.3.2 E-PON: E-PON là giao thức mạng truy nhập đầy đủ dịch vụ FSAN (Full Service Access Network) TDMA PON thứ nhất được phát triển dựa trên khai thác các ưu điểm của công nghệ Ethernet ứng dụng trong thông tin quang. E-PON được chuẩn hóa bởi IEEE 802.3. Trong E-PON dữ liệu hướng xuống được đóng khung theo khuôn dạng Ethernet. Các khung E-PON có cấu trúc tương tự như các liên kết Gigabit Ethernet điểm tới điểm ngoại trừ từ mào đầu và thông tin xác định điểm bắt đầu của khung được thay đổi để mang trường nhận dạng kênh logic (LLID – Link logic ID) nhằm xác định duy nhất một ONU MAC. Trong hướng lên, các ONU phát các khung Ethernet trong các khe thời gian đã được phân bổ. Do không có cấu trúc khung thống nhất đối với hướng xuống và hướng lên, do vậy trong cấu trúc của E-PON, các khe thời gian và giao thức xác định cự ly là khác so với B-PON và G-PON. 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. 1.3.3 G-PON: G-PON là giao thức FSAN TDMA PON thứ 2 được định nghĩa trong chuỗi khuyến nghị G.984 của ITU-T. G-PON được xây dựng trên trải nghiệm của B-PON và E-PON. Mặc dù G-PON 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 G-PON (G-PON Encapsulation Method - GEM). 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. G-PON sử dụng cấu trúc khung GTC (G-PON Transmission Conversion) cho cả hai hướng xuống và hướng lên. Khung hướng 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 hướng lên tiếp theo. Khung hướng 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 B-PON, nhưng cũng bao SVTH: Nguyễn Thị Hảo Trang 7 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS. Đặng Hải Đăng hàm tổng hợp các yêu cầu băng thông của các ONT. Ngoài ra, các trước PLOAM và các yêu cầu băng thông chi tiết hơn được gửi đi kèm với các nhóm hướng lên khi có yêu cầu từ OLT. OLT gán các thời gian cho việc gửi dữ liệu hướng lên từ cho mỗi ONT . SVTH: Nguyễn Thị Hảo Trang 8 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS. Đặng Hải Đăng CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC KHUNG TRONG MẠNG G-PON 2.1. Kiến trúc truy nhập phân chia theo thời gian của G-PON: 2.1.1 Tổng quan cấu trúc Trong luồng xuống,chức năng ghép kênh thông tin được tập trung.OLT ghép các khung GEM vào đường truyền sử dụng GEM Port-ID như là một chìa khóa dùng để xác định khung GEM đó thuộc về các đường kết nối vật lí khác nhau.Mỗi ONU sẽ lọc các khung GEM dựa trên GEM Port-ID và chỉ xử lý những khung GEM thuộc về ONU đó.Hình sau mô tả sự ghép kênh này. Hình 2.1Ghép kênh luồng xuống Trong luồng lên,sự ghép kênh của lưu lượng thì phân tán.OLT cho phép các luồng lên,hay là phân bổ băng thông luồng lên,đến các thực thể mang thông tin trong ONU đối diện.Những thực thể mang thông tin luồng lên,nhận được sự phân bổ băng thông từ OLT được xác định bởi các Alloc-IDs.Băng thông được phân bổ cho các Alloc-ID khác nhau sẽ được ghép lại bởi OLT trong bản đồ băng thông ở luồng xuống.Trong mỗi phần băng thông được phân bố,ONU sẽ sử dụng GEM Port-ID như là một chìa khóa ghép kênh để xác định khung GEM nào thuộc về kết nối vật lý nào. SVTH: Nguyễn Thị Hảo Trang 9 Đồ án tốt nghiệp GVHD:TS. Đặng Hải Đăng Hình 2.2 Ghép kênh luồng lên 2.1.2 Xác định ONU: ONU-ID là một số nhận dạng 8 bit mà OLT gán cho ONU trong suốt quá trình ONU hoạt động thông qua các bản tin PLOAM. Các ONU-ID là duy nhất đối với mỗi ONU và tồn tại cho đến khi ONU không hoạt động,bị ngắt bởi OLT hoặc chuyển vào trạng thái nghỉ.Bảng sau mô tả ý nghĩa của các ONU-ID ONU-ID Chức năng Ghi chú 0 253 Gán cho ONU Được gán bởi OLT khi ONU khởi động,đươc dùng để xác định ONU gửi burst luồng lên hoặc một PLOAMu hoặc địa chỉ PLOAMd 254 Lưu trữ ID này không được gán 255 Broadcast Dùng làm địa chỉ broadcast trong bản tin PLOAMd SVTH: Nguyễn Thị Hảo Trang 10 . sợi quang và các bộ chia quang thụ động hoặc các bộ ghép nằm giữa OLT và các ONT và ONU. Kết nối CO và bộ chia quang được gọi là cáp feeder. Một bộ chia quang. mạng quang Optical Network Termination (ONT) hoặc một đơn vị mạng quang Optical Network Unit (ONU) tại đầu xa của mạng. Một ONT được dùng khi dây quang