Công nghệ mạng quang thụ động GPON và triển khai GPON tại VNPT thành phố hồ chí minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN KHEN CÔNG NGHỆ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG (GPON) VÀ TRIỂN KHAI GPON TẠI VNPT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Chun ngành: Kỹ thuật truyền thơng LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sĩ Nguyễn Viết Nguyên Hà nội – Năm 2014 -1- MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa -1Mục lục -2Lời cam đoan -5Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt -6Danh mục hình vẽ, bảng số liệu -10Lời nói đầu -12CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG (PON) -151.1 Mở đầu -151.1.1 Khái niệm ưu điểm FTTH -161.1.2 Kiến trúc thành phần mạng PON -171.1.3 Các chuẩn mạng PON -191.1.4 Các hệ thống PON triển khai -201.1.4.1 APON/BPON -201.1.4.2 GPON -201.1.4.3 EPON -211.1.4.4 WDM-PON -211.2 Nhận xét -211.3 Kết luận -23CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG GPON -252.1 Giới thiệu chung -252.2 Hệ thống GPON -252.3 Chức GTC lớp truyền dẫn hội tụ GPON -262.4 Tình hình chuẩn hố GPON -272.5 Kiến trúc mạng truy nhập quang (GPON) -292.5.1 Kiến trúc mạng -292.5.1.1 FTTB -302.5.1.2 FTTC FTTCab -302.5.1.3 FTTH -302.5.2 Cấu hình mạng tham chiếu -302.5.2.1 Giao diện nốt dịch vụ SNI -322.5.2.2 Giao diện mạng người dùng UNI -322.5.2.3 Các dịch vụ -332.5.2.4 Thiết bị đầu cuối đường dây OLT -332.5.2.5 Thiết bị đầu cuối mạng ONU/ONT -342.5.2.6 Mạng phân phối ODN -342.6 Các đặc tính GPON -362.6.1 Tốc độ bit -362.6.2 Khoảng cách logic -362.6.3 Khoảng cách vật lý -362.6.4 Khoảng cách sợi quang chênh lệch -362.6.5 Tỉ lệ chia -372.6.6 Các thông số kỹ thuật -37-2- 2.6.7 Khung truyền dẫn GPON -372.6.7.1 Cấu trúc khung hướng xuống -372.6.7.2 Cấu trúc khung hướng lên -412.7 Kỹ thuật truy nhập phương thức ghép kênh -432.7.1 Kỹ thuật truy nhập -442.7.2 Phương thức ghép kênh -452.8 Phương thức đóng gói liệu -452.9 Định cỡ phân định băng tần động -452.9.1 Thủ tục định cỡ (Ranging) -452.9.2 Phương pháp cấp phát băng thông -472.10 Bảo mật mã hóa sửa lỗi -482.11 Khả cung cấp băng thông -492.11.1 Hướng xuống -492.11.2 Hướng lên -492.11.3 Băng thơng hữu ích -492.12 Khả cung cấp dịch vụ -502.12.1 Đặc điểm dịch vụ -502.12.2 Khoảng cách OLT – ONU -502.12.3 Các ứng dụng mạng -502.13 Một số vấn đề cần quan tâm tính tốn thiết kế mạng GPON -512.14 Kết luận -52CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI GPON TRÊN MẠNG VIỄN THƠNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH -533.1 Hiện trạng mạng truy nhập băng rộng VT TP.Hồ Chí Minh -533.1.1 Sơ đồ mạng MAN-E Viễn thông Thành phố Hồ Chí Minh -533.1.2 Mạng cáp quang -543.1.2.1 Mạng cáp quang trung kế -543.1.2.2 Mạng cáp quang truy nhập -543.2 Mục đích xây dựng mạng GPON -543.2.1 Định hướng chung -543.2.2 Các hình thức cung cấp dịch vụ cáp quang FTTx -543.3 Nhu cầu Băng thông -563.4 Xây dựng cấu trúc mạng GPON Viễn Thơng TP.Hồ Chí Minh -573.4.1 Ngun tắc xây dựng mạng -573.4.1.1 Nguyên tắc chung -573.4.1.2 Các bước triển khai xây dựng cấu hình mạng -593.5 Cấu trúc mạng GPON Viễn Thơng TP.Hồ Chí Minh -593.5.1 Cấu trúc tổng thể mạng GPON Viễn Thơng TP.Hồ Chí Minh -593.5.2 Các kiểu cấu trúc ODN mạng cáp quang VT TP.HCM -613.5.2.1 Các kiểu cấu trúc chuẩn mạng cáp quang ODN tiển khai Viễn thông TP Hồ Chí Minh -613.5.2.2 Cấu trúc chi tiết mạng GPON khu vực trạm Cộng Hồ -613.5.3 Mã hóa quản lý mạng GPON -633.6 Đề xuất dịch vụ phát triển mạng GPON VT TP.Hồ Chí Minh -63-3- 3.6.1 Dịch vụ IPTV -633.6.2 Dịch vụ truy nhập Internet tốc độ cao -643.6.3 Dịch vụ kết nối VPN -643.6.4 Dịch vụ kết nối điểm – đa điểm -64CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO -654.1 Kết luận -654.2 Hướng nghiên cứu -66TÀI LIỆU THAM KHẢO -67Phụ lục: tổng hợp thiết bị GPON triển khai Chi nhánh Viễn thông Công ty Điện thoại Đông TP -68- -4- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Nguyễn Văn Khen -5- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt AAL ATM Adaptation Layer Lớp tương thích ATM ABR Available Bit Rate Tốc độ bit khả dụng AF Adaptation Function Chức tương thích Alloc-ID Allocation Identifier Nhận dạng cấp phát AN Access Node Nốt truy nhập ANI Access Node Interface Giao diện nốt truy nhập APD Avalanche Photodiode Diode quang kiểu thác APON ATM over Passive Optical Network ATM qua mạng quang thụ động APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bit BIP Bit Interleaved Parity Bit chẵn lẻ xen kẽ BRI Basic Rate Interface Giao diện tốc độ Bwmap Bandwidth Map Ánh xạ băng tần C/M planes Control/Management planes Mặt quản lý/điều khiển CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit cố định CID Consecutive Identical Digit Số giống liên tiếp CPL Change Power Level Mức công suất thay đổi CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra lỗi vòng dư DACT Deactivate (ONU-ID) Bỏ kích hoạt DBA Dynamic Bandwidth Assignment Cấp phát băng tần động DBR Deterministic Bit Rate Tốc độ bit xác định DBRu Dynamic Bandwidth Report upstream Báo cáo băng tần động đường lên DF Deactivate Failure Lỗi bỏ kích hoạt DFB Distributed FeedBack laser Laser feedback phân bố -6- E/O Electrical/Optical Điện/quang FEC Forward Error Correction Sửa lỗi FTTB Fibre to the Building Mạng quang đến tòa nhà FTTCab/C Fibre to the Cabinet/Curb Mạng quang đến tủ cáp FTTH Fibre to the Home Mạng quang đến hộ gia đình/thuê bao GEM G-PON Encapsulation Mode Chế độ đóng gói GPON GFP Generic Framing Procedure Thủ tục đóng khung chung GFR Guaranteed Frame Rate Tốc độ khung đảm bảo GPM G-PON Physical Media (Dependent) Lớp phụ thuộc vật lý GPON GPON Gigabit-capable Passive Optical Network Mạng quang thụ động gigabit GTC GPON Transmission Convergence Lớp hội tụ truyền dẫn GPON HEC Header Error Control Kiểm tra lỗi tiêu đề LCD Loss of Cell Delineation Mơ tả gói LCDA Loss of Channel Delineation for ATM Mô tả kênh cho ATM LCDG Loss of Channel Delineation for GEM Mô tả kênh cho GEM LCF Laser Control Field Trường điều khiển laser LIM Line Interface Module Module giao diện đường dây LT Line Terminal Đầu cuối đường dây MDU Multi-dwelling Unit Đơn vị gói tin nhiều địa MLM Multi-Longitudinal Mode Chế độ đa chiều dọc MPN Mode Partition Noise Nhiễu chia mode NRZ Non Return to Zero Mã đường dây NRZ NSR-DBA Non Status Reporting DBA Cấp phát băng tần không báo cáo trạng thái NT Network Termination Kết cuối mạng O/E Optical/Electrical Quang/điện OAM Operation, Administration and Maintenance Vận hành, quản lý bảo dưỡng -7- OAN Optical Access Network Mạng truy nhập quang ODF Optical Distribution Frame Giá phân phối quang ODN Optical Distribution Network Mạng phân phối quang OLT Optical Line Termination Thiết bị kết cuối đường dây OMCC ONU Management and Control Channel Kênh điều khiển quản lý ONU OMCI ONT ONU Management and Control Interface Optical Network Termination Giao diện điều khiển quản lý ONU Thiết bị kết cuối mạng quang ONU Optical Network Unit Thiết bị kết cuối mạng quang ONU-ID ONU Identifier Nhận dạng thiết bị kết cuối mạng quang OpS Operations System Hệ điều hành ORL Optical Return Loss Suy hao phản xạ quang PCBd Physical Control Block downstream Khối điều khiển vật lý đường xuống PCR Peak Cell Rate Tốc độ gói đỉnh PDU Protocol Data Unit Đơn vị tin giao thức PEE Physical Equipment Error Lỗi thiết bị vật lý PIN Photodiode without internal avalanche Diode quang không thác nội Plend Payload Length downstream Chiều dài tải tin đường xuống PLI Payload Length Indicator Chỉ thị chiều dài tải tin PLOAM Physical Layer OAM OAM lớp vật lý PLOAMd PLOAM downstream OAM lớp vật lý đường xuống PLOu Physical Layer Overhead upstream Tiêu đề lớp vật lý đường lên PLSu Power Levelling Sequence upstream Chuỗi mức công suất đường lên PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động -8- Port-ID Port Identifier Nhận dạng cổng POTS Plain Old Telephone Service Dịch vụ điện thoại truyền thống PRBS Pseudo Random Bit Sequence Chuỗi bi giả ngẫu nhiên PRI Primary Rate Interface Giao diện tốc độ PSTN Public Switched Telephone Network Mạng diện thoại chuyển mạch công cộng RMS Root Mean Square Căn quân phương SDH Synchronous Digital Hierarchy Mạng số đồng SLM Single-Longitudinal Mode Chế độ đơn chiều dọc SN Serial Number Số seri SNI Service Node Interface Giao diện nốt dịch vụ SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SR-DBA Status Reporting DBA Cấp phát băng tần động báo cáo trạng thái TC Transmission Convergence Hội tụ truyền dẫn T-CONT Transmission Container Container truyền dẫn U plane User plane Mặt phẳng người dùng UNI User Network Interface Giao diện mạng-người dùng VC Virtual Channel Kênh ảo VCI Virtual Channel Identifier Nhận dạng kênh ảo VP Virtual Path Đường ảo VPI Virtual Path Identifier Nhận dạng đường ảo WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng -9- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG SỐ LIỆU Hình 1-1: Mơ hình mạng PON -18Hình 1-2: Các kiểu kiến trúc PON -19Hình 2-1: Lớp truyền dẫn hội tụ -26Hình 2-2 : Khái niệm điều khiển đa truy nhập GPON -27Hình 2-3: Kiến trúc mạng GPON -29Hình 2-4: Mơ hình tham chiếu cho mạng GPON -31Hình 2-5: Cấu hình vật lý chung mạng phân bố quang ODN -31Hình 2-6: Sơ đồ khối chức OLT -33Hình 2-7: Sơ đồ khối chức ONU -34Hình 2-8: Các ghép 8x8 tạo từ ghép 2x2 -35Hình 2-9: Cấu trúc mạng cáp quang thuê bao -35Hình 2-10 : Khung hướng xuống GTC -38Hình 2-11 : Mơ tả chi tiết khung hướng xuống GTC -39Hình 2-12 : Cơ chế trạng thái đồng ONU -40Hình 2-13 : Khung hướng lên GTC -41Hình 2-14 : Mơ tả chi tiết khung hướng lên GTC -42Hình 2-15 : Các cell ATM hướng lên -43Hình 2-16: Các khung GEM hướng lên -43Hình 2-17: Báo cáo DBA hướng lên -43Hình 2-18: TDMA GPON -44Hình 2-19: GPON ranging pha -46Hình 2-20: GPON ranging pha -46Hình 2-21: Báo cáo phân bố băng thông GPON -47Hình 2-22: Thủ tục cấp phát băng thơng GPON -48Hình 3-1: Cấu trúc mạng MAN-E Viễn thơng TP.Hồ Chí Minh -53Hình 3-2: Mơ hình dịch vụ truy nhập cáp quang -55Hình 3-3: Mơ hình cung cấp dịch vụ FTTH - triple-play -55Hình 3-4: Mơ hình cung cấp dịch vụ FTTB - double play -56Hình 3-5: Mơ hình cung cấp dịch vụ FTTB - triple-play -56Hình 3-6: Cấu trúc tổng thể mạng GPON Viễn Thơng TP.Hồ Chí Minh -60Hình 3-7: Cấu trúc chuẩn ODN VTTPHCM -61Hình 3-8: Cấu trúc ODN cấp splitter -61Hình 3-9: Cấu trúc ODN cấp splitter -61Hình 3-10: Cấu trúc GPON khu vực trạm Cộng Hồ -62Hình 3-11: Mã hố quản lý mạng GPON cấp splitter -63-10- Hình 3-1: Cấu trúc mạng MAN-E Viễn thơng TP.Hồ Chí Minh 3.1.2 Mạng cáp quang: 3.1.2.1 Mạng cáp quang trung kế: Mạng cáp quang trung kế Viễn thơng Thành phố Hồ Chí Minh có tổng chiều dài khoảng 1500 Km có dung lượng từ 24 đến 96 Fo, đa số ngầm hoá vào hệ thống hầm cống cáp 3.1.2.2 Mạng cáp quang truy nhập: Mạng cáp quang truy nhập hữu Viễn thơng Thành phố Hồ Chí Minh để phục vụ cho việc cung cấp dịch vụ FTTx tới khách hàng tồ nhà cao ốc văn phịng, cơng ty, khu công nghệp, khu chế xuất, khu đô thị kết nối truyền dẫn cho trạm BTS Mobiphone Vinaphone ` Mạng cáp quang truy nhập xây dựng theo cầu trúc: - Mạng cáp quang FTTH kết nối theo cấu trúc điểm – điểm điểm – đa điểm với điểm đầu ODF tập trung đặc tổng đài Host tổng đài vệ tinh; điểm phối cáp măng sông, tủ phối cáp; điểm truy nhập mạng (kết cuối) măng sông ODF loại nhỏ (hộp tập điểm) - Mạng cáp quang truy nhập xây dựng theo phân vùng phục vụ tổng đài - Kết nối từ điểm truy nhập (kết cuối mạng) đến khách hàng sử dụng cáp quang thuê bao dung lượng từ Fo đến Fo 3.2 Mục đích xây dựng mạng GPON: 3.2.1 Định hướng chung: - Xây dựng mạng truy nhập quang (FTTx), chuẩn bị tốt hạ tầng để cung cấp dịch vụ băng rộng, dịch vụ đòi hỏi dung lượng lớn tốc độ cao - Mục tiêu cung cấp truy nhập tốc độ cao ổn định cho khách hàng sử dụng kết nối FE/GE VDSL - Dung lượng mạng truy nhập quang xây dựng để đáp ứng nhu cầu dịch vụ băng rộng khách hàng trực tiếp qua sợi quang, chuyển mạng giảm bớt sợi quang kéo theo hình thức AON (trong giai đoạn độ chưa có mạng GPON) giải phóng lổ pi phục vụ cơng tác ngầm hố dùng để giảm bớt khoảng cách cáp đồng thuê bao sử dụng gói lớn sử dụng kết nốiVDSL 3.2.2 Các hình thức cung cấp dịch vụ cáp quang FTTx: - FTTB (Fiber to the Building/Basement FTTO: Fiber to the Office): cáp quang đến nhà, kéo cáp quang đến tồ nhà, tồ nhà có cáp đồng, cáp đồng trục cáp quang - FTTC (Fiber to the Curb/Cabinet): cáp quang đến vỉa hè, kéo cáp quang đến khu vực cụm thue bao kết cuối vị trí thích hợp (thơng thường thên lề đường) để từ phục vụ cho cụm hay một khu -54- vực thuê bao Kết nối từ điểm đến khách hàng cáp đồng cáp quang - FTTH (Fiber to the Home): cáp quang đến nhà thuê bao Kéo cáp quang trực tiếp đến nhà th bao Hình 3-2: Mơ hình dịch vụ truy nhập cáp quang * Một số mô hình cung cấp dịch vụ tiêu biểu: - Mơ hình cung cấp dịch vụ FTTH - triple-play: Hình 3-3: Mơ hình cung cấp dịch vụ FTTH - triple-play -55- - Mơ hình cung cấp dịch vụ FTTB - double play - Hình3-4: Mơ hình cung cấp dịch vụ FTTB - double play Mơ hình cung cấp dịch vụ FTTB - triple-play Hình 3-5: Mơ hình cung cấp dịch vụ FTTB - triple-play 3.3 Nhu cầu Băng thông - Doanh nghiệp, ngân hàng, văn phòng đại diện STT DỊCH VỤ UPLOAD DOWNLOAD Điện thoại IP 10*0.2 10*0.2 -56- Kết nối internet tốc độ cao Điện thoại hình ảnh Hội nghị truyền hình Dịch vụ P2P HDTV TỔNG CỘNG Kiểu kết nối đáp ứng: FE 10 20 5 0.5 26.5 10 12 53 Hộ gia đình có doanh thu cao đại lý viễn thông STT DỊCH VỤ UPLOAD DOWNLOAD Điện thoại IP 0.2 0.2 Kết nối internet tốc độ cao 10 Điện thoại hình ảnh 1 Game online 0.5 SDTV 0.5 12 TỔNG CỘNG 7.2 24.2 - Kiểu kết nối đáp ứng: FE, VDSL2 - Hộ gia đình có doanh thu trung bình STT DỊCH VỤ UPLOAD DOWNLOAD Điện thoại IP 0.2 0.2 Kết nối internet 3 Game online 0.5 SDTV 0.4 TỔNG CỘNG 2.1 12.2 Kiểu kết nối đáp ứng: ADSL2+ với khoảng cách gần - Băng thông ADSL2+, VDSL2 theo khoảng cách cáp Khoảng cách cáp BW down lý thuyết BW down thực tế (60%) BW down (70%) 1km 1.2km 1.5km ADSL2+ 22 20 18 VDSL2 50 35 20 ADSL2+ 13.2 12 10.8 VDSL2 30 20 12 ADSL2+ 15.4 14 12.6 VDSL2 35 24.5 14 3.4 Xây dựng cấu trúc mạng GPON Viễn Thơng TP.Hồ Chí Minh: 3.4.1 Nguyên tắc xây dựng mạng: 3.4.1.1 Nguyên tắc chung: -57- - Lắp đặt ONT đài trạm đấu nối uplink với thiết bị CES (thuộc mạng MAN-E) sử dụng kết nối GE/10GE Các OLT đặt vị trí với CES - Lắp đặt tối đa cấp độ chia/ghép quang thụ động (Slitter) Việc lắp đặt chia phải tính tốn vấn đề suy hao để đảm bảo lắp thiết bị vào hệ thống hoạt động theo tính tốn - Suy hao tối đa mạng quang thụ động không 28dB (tính từ OLT đến ONU/ONT) Suy hao quang phụ thuộc vào nhiều yếu tố đầu nối quang, đầu nối tích cực, đầu nối khí, suy hao sợi quang, suy hao chia quang… Ở xét tham số liên quang đến suy hao suy hao connector, suy hao sợi quang bao gồm mối hàn suy hao chia quang Chú ý việc thiết kế, đặt chia vào hệ thống, cho dù chưa dùng hết cổng số lượng suy hao tính giá trị suy hao tương ứng thiết bị ví dụ chia 1:64 20,5dB - Thông số suy hao liên quan đến chia sợi quang sau: + Suy hao connector quang Loại connector SC SC/APC Suy hao (dB) 0.3 0.3 Suy hao lớn 0.5 0.5 + Suy hao chia/ghép quang: Loại sợi 1:2 1:4 1:8 1:16 1:32 1:64 Suy hao lớn (dB) 3.5 7.3 10.5 13.8 17.1 20.5 + Suy hao sợi quang bao gồm mối hàn: Loại sợi Bước sóng Suy hao (dB/km) Sợi đơn mode 1310 0.35 Sợi đơn mode 1490 0.35 Sợi đơn mode 1550 0.25 - Khoảng cách tối đa OLT ONU/ONT 20 km Có thể triển khai thiết bị ONU/ONT nhà đường, nhiên cần ý thiết bị cần nguồn cung cấp - Các Splitter đặc điểm truy nhập quang đặc điểm phối quang thật cần thiết thiết bị không cần cấp nguồn Dung lượng chia/ghép 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32, 1:64 Việc đặt spitter phải tính tốn để đảm bảo tối đa không 64 cổng quang cung cấp tới khách hàng cổng GPON OLT -58- - Băng thông dành cho thuê bao (download) yêu cầu từ 17Mbps đến 35Mbps Số lượng thuê bao tối đa cho cổng GPON downlink từ OLT 128, để đảm bảo th bao có băng thơng kết nối tối thiểu 17Mbps - Khả băng thông uplink 1,25Gbps downlink 2,5Gbps đường kết nối GPON - Lắp đặt tối đa cấp chí/ghép quang thụ động (Splitter) Đặt Splitter (gọi Splitter cấp 1) vị trí phù hợp với địa lý nơi để phục vụ kết nối tới cụm thuê bao đặt gần thuê bao tốt để tối ưu hoá việc sử dụng sợi quang Đặc Splitter cấp hai cụm thuê bao có số thuê bao >10 kéo thẳng cáp quang tới thuê bao thuộc cụm thuê bao