2.2.1 Sợi quang
2.2.1.1 Đặc tính của ánh sáng
Để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang thì trước hết ta phải tìm hiểu đặc tính của ánh sáng. Sự truyền thẳng, khúc xạ, phản xạ là các đặc tính cơ bản của ánh sáng. Trong môi trường trong suốt và đồng tính, ánh sáng truyền theo một đường thẳng. Khi một tia sáng tới mặt phân cách giữa hai môi trường, tia sáng này bị tách ra làm hai phần: một phần dội lại môi trường đầu (hiện tượng phản xạ) và một phần truyền tiếp qua môi trường kia nhưng bị lệch hướng truyền so với tia ban đầu (hiện tượng khúc xạ).
Hình 2.2: Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sang
- Định luật phản xạ ánh sáng:
• Góc phản xạ bằng góc tới: ' 1 1 - Định luật khúc xạ ánh sáng:
• Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới
• Góc khúc xạ được xác định từ công thức Snell:
2 2 1 1sin n sin n - Phản xạ toàn phần:
Khi xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, năng lượng ánh sáng được bảo toàn theo hướng truyền, Điều kiện xảy ra hiệntượng phản xạ toàn phần:
c n n 1 2 1 Trong đó c
là góc tới hạn xác định bởi công thức Snell ) / sin(n2 n1 acr c
Hình 2.3: Hiện tượng phản xạ toàn phần
2.2.1.2 Cấu tạo sợi quang
Sợi quang là ống dẫn sóng điện môi hình trụ hoạt động tại tần số quang, dẫn ánh sáng theo hướng song song với trục của nó. Lõi sợi quang (core) có bán kính a
Phân loại theo vật liệu điện môi
Sợi quang thạch anh Sơi quang thủy tinh Sợi quang chất dẻo
Phân loại theo mode truyễn dẫn
Sợi quang đơn mode Sợi quang đa mode
Sợi quang chiết suất nhảy bậc
và có chiết suất lớn hơn chiết suất của vật liệu làm vỏ (cladding).Lõi sợi quang dùng để truyền ánh sáng.
Vỏ sợi quang có tác dụng tạo ra phản xạ toàn phần tại lớp tiếp giáp giữa lõi và vỏ, do vậy vỏ chiết suất nhỏ hơn chiết suất lõi.
Với sợi có suy hao thấp và trung bình, vật liệu lõi là thủy tinh, còn vỏ là thủy tinh hoặc chất dẻo. Với sợi có suy hao cao, lõi chất dẻo và vỏ chất dẻo.
Ngoài ra, vỏ còn có tác dụng làm giảm suy hao tán xạ do sự không liên tục của điện môi tại bề mặt lõi, làm khỏe sợi và bảo vệ lõi khỏi ảnh hưởng hấp thụ bề mặt.
Hình 2.4: Cấu tạo sợi quang
2.2.1.4 Hiện tượng suy hao trong sợi quang
Hình 2.5: Phổ suy hao của sợi quang [11]
Suy hao tín hiệu trong sợi quang là một trong các đặc tính quan trọng nhất của sợi quang vì nó quyết định khoảng cách lặp tối đa giữa máy phát và máy thu. Mặt khác, do việc khó lắp đăt, chế tạo và bảo dưỡng các bộ lặp nên suy hao tín hiệu trong sợi quang có ảnh hưởng rất lớn trong việc quyết định giá thành của hệ thống.
Suy hao tín hiệu được định nghĩa là tỷ số công suất quang đầu ra Poutcủa sợi
có chiều dài L và công suất quang đầu vàoPin.Tỷ số công suất này là một hàm của bước sóng. Người ta thường sử dụng để biểu thị suy hao tính theo dB/km.
out in P P L log 10
Các sợi dẫn quang thường có suy hao nhỏ và khi độ dài quá ngắn thì gần như không có suy hao, khi đóPout Pin. Có các loại suy hao trong sợi quang: Suy hao do hấp thụ; suy hao do tán xạ;suy hao do uốn cong.
2.2.2 Bộ chia/ghép quang2.2.2.1 Bộ chia quang 2.2.2.1 Bộ chia quang
Là 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.
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. Hầu hết hệ thống PON có 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 bộ chia 1:N tính theo công thức 10×logN (dB) nên nếu tỉ lệ bộ chia mà tăng lên gấp đôi thì suy hao sẽ tăng thêm 3 dB.
Bảng 2.1: Suy hao của Splitter tương ứng với số Port
Số Port của Splitter Suy hao (dB)
1:2 3 1:4 6 1:8 9 1:16 12 1:32 15 1:64 18 1:128 21
2.2.2.2 Bộ ghép quang
Dạng đơn giản nhất là bộ ghép quang bao gồm hai sợi dính vào nhau. Tín hiệu nhận được ở bất kỳ đầu nào cũng chia làm hai.Các bộ tách/ghép NxN được chế tạo bằng cách ghép nhiều bộ 2x2 với nhau hoặc sử dụng công nghệ ống dẫn sóng.
- Bộ ghép quang hình sao (NxN): Có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. Bộ ghép nối NxN được tạo ra bằng cách ghép nối các bộ ghép 2x2 hoặc sử dụng công nghệ dẫn sóng planar
Hình 2.6: Các bộ ghép 8x8 tạo từ nhiều bộ ghép 2x2
Bộ ghép quangđược đặc trưng bởi các thông số sau:
- Suy hao chia: là tỉ lệ giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào của bộ ghép, tính theo dB. Với một bộ 2x2 lý tưởng, giá trị này là 3dB.Hìnhminh hoạ hai mô hình bộ ghép 8x8 dựa trên bộ ghép 2x2.Trong mô hìnhhình (a), chỉ 1/6 công suất đầu vào được chia ở mỗi đầu ra.Hình (b) đưa ra mô hình hiệu quả hơn gọi là mạng kết nối đa trạng thái.Trong mô hình này mỗi đầu ra nhận được 1/8 công suất đầu vào.
- Suy hao ghép: đây là công suất bị tổn hao do quá trình sản xuất, giá trị này thông thường khoảng 0.1dB đến 1dB.
Thông thường các bộ tách/ghép chỉ chế tạo có một đầu vào hoặc một đầu ra.Bộ có một đầu vào gọi là bộ chia (tách), bộ có một đầu ra gọi là bộ ghép.Tuy nhiên có những bộ 2x2 được chế tạo không đối xứng (với tỷ số chia 5/95 hoặc 10/90).
2.2.3 OLT
Hình 2.7: Sơ đồ khối OLT
Thiết bị đầu cuối kênh quang OLT: đặt tại nhà trạm là thành phần trung tâm của mạng truy cập. OLT cung cấp giao tiếp giữa hệ thống mạng truy cập quang thụ động PON và mạng quang đường trục của các nhà cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và video.OLT cũng kết nối đến mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ thông qua hệ thống quản lý EMS (Element Management System). Về phía mạng phân phối ODN, OLT bao gồm các giao diện truy nhập theo tiêu chuẩn về tốc độ, quỹ đường truyền, jitter… gồm 3 thành phần chính sau:
- Chức năng giao diện cổng dịch vụ (Service port interface function) - Chức năng đấu chéo (cross-connect function)
- Chức năng giao diện mạng phân phối quang (ODN interface function) Các chức năng chính của OLT được phân ra theo chức năng của các khối như sau:
- Khối lõi PON (PON core shell): gồm hai phần, chức năng giao diện ODN và chức năng hội tụ truyền dẫn bao gồm khung tín hiệu, điều khiển truy nhập phương tiện, OAM, DBA và quản lý ONU. PON TC (PON Transmission Convergence) lựa chọn phương thức truyền ATM hay GEM hay cả ATM/GEM.
- Khối đấu chéo (cross-connect shell): cung cấp đường truyền khối PON và khối dịch vụ. Công nghệ để kết nối phụ thộc vào dịch vụ, kiến trúc bên trong OLT và các yếu tố khác. Cung cấp phương thức đấu nối chéo hay gọi là chuyển mạch mềm dựa trên việc lựa chọn phương thức truyền dẫn nào.
- Khối dịch vụ (Service shell): dùng để chuyển đổi giữa các giao diện dịch vụ và giao diện khung TC của phần mạng PON.
2.2.4 ONU/ONT
Hình 2.8: Sơ đồ khối ONU
Các kết cuối mạng quang ONU/ONT cung cấp giao tiếp giữa mạng người dùng với mạng PON.ONU/ONT kết nối với OLT thông qua bộ chia quang thụ động (Passive Optical Splitter). Chức năng cơ bản của ONU là nhận dữ liệu ở dạng quang và chuyển sang dạng phù hợp với người dùng như Ethernet.ONU có các chức năng và các khối tương tự như OLT nhưng chức năng đấu nối chéo có thể bỏ qua, thay
vào đó người ta sử dụng thêm chức năng ghép và tách kênh dịch vụ (MUX và DEMUX) để điều khiển lưu lượng hợp lý. Mỗi PON TC sẽ lựa chọn một trong các chế độ truyền dẫn GEM hay ATM hay ATM/GEM.
2.3 Các chuẩn mạng PON
Các chuẩn mạng PON có thể chia thành 2 nhóm: nhóm 1 bao gồm các chuẩn theo phương thức truy nhập TDM-PON (Time Division Multiplexing PON) như APON (hay ATM PON) (Asynchronous Transfer Mode PON), BPON (Broadband PON), EPON (Ethernet PON), GPON (Gigabit PON); nhóm 2 bao gồm chuẩn theo các phương thức truy nhập khác như WDM-PON (Wavelength Division Multiplexing PON) và CDMA-PON (Code Division Multiple Access PON).
Hình 2.9: Sự phát triển của TDM-PON 2.3.1 APON
Đây là chuẩn mạng PON đầu tiên trên thế giới. APON là mạng PON truyền theo kiểu không đồng bộ. APON do chuẩn G.983 của ITU-T quy định.
2.3.2 BPON
Hình 2.10: Kiến trúc cơ bản của BPON
BPON 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 ONU và OLT, khuôn dạng và tốc độ khung của luồng dữ liệu hướng lên và hướng xuống, giao thức truy nhập hướng lên TDMA, các giao tiếp vật lý, các giao tiếp quản lý và điều khiển ONU và DBA (Dynamic Bandwidth Allocation).
Hình 2.11: Cấu trúc khung BPON ở tốc độ 155Mb/s
Hình 2.12: Cấu trúc khung BPON ở tốc độ 622 Mbit/s
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 kích thước 53byte), hoặc 622 Mbit/s (4x56 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 ONU nhận biết và tách dữ liệu đường xuống của mình.
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 bit 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 đóđược lập trình bởi OLT.Các ONU 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 ONU. OLT có thể giảm hoặc tăng băng thông cho các ONU dựa vào gửi các tế báo ATM rỗi hoặc làm đầy tất cả hướng lên bởi dữ liệu của ONU.
OLT dừng định kỳ việc truyền hướng lên do vậy nó có khả năng xen bất kỳ ONU mới nào vào hoạt động hệ thống. Các ONU 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 ONU mới muốn tham gia.
OLT xác định khoảng cách tới mỗi ONU mới bằng việc gửi tới ONU một bản tin đo cự ly và xác định thời gian bao lâu để thuđược bản tin phúc hồi. Sau đó OLT gửi tới ONU một giá trị trễ, giá trị này được sử dụng để xác định thời gian bảo vệ ứng với các ONU.
2.3.3 EPON
Hình 2.13: Kiến trúc cơ bản của EPON
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 đãđược phân bổ.
Hình 2.14: Cấu trúc khung Ethernet của EPON
ONU sử dụng giao thức điều khiển đa điểm PDU (MPCPDU – Multi Point Control Protocol Data Unit) để gửi các bản tin “Report” yêu cầu băng thông, trong
khi đó OLT gửi bản tin “Gate” cấp phát băng thông cho các ONU. Các bản tin “Gate” bao gồm thông tin về thời gian bắt đầu và khoảng thời gian cho phép truyền dữ liệu đối với ONU. OLT cũng định kỳ gửi các bản tin “Gate” tới các ONU hỏi xem chúng có yêu cầu băng thông hay không. Các ONU cũng có thể gửi “Report” cùng với dữ liệu được phát trong hướng lên.Ngoài ra, giao thức DBA cũng có thể được sử dụng trong E-PON để thực hiện cơ chế điều khiển phân bố băng thông.
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.
Một chuẩn khác cũng cùng họ với E-PON là chuẩn Gbit/s Ethernet PON (IEEE 802.3av – Gbit/s PON).Chuẩn này là phát triển của E-PON tại tốc độ 10Gbit/s và được ứng dụng chủ yếu trong các mạng quảng bá video số. Gbit/s Ethernet PON cho phép phân phối nhiều dịch vụ đòi hỏi băng thông lớn, độ phân giải cao, đóng gói IP các luồng dữ liệu video ngay cả khi hệ số chia OLT/ONU là 1:64 hoặc cao hơn.
2.3.4 GPON
Hình 2.15: Kiến trúc cơ bản của GPON
G-PON là giao thức FSAN TDMA PON thứ hai 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.
Hình 2.16: Cấu trúc khung GTC của GPON
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 ONU gửi dữ liệu trong khung hướng lên tiếp theo.
Khung hướng lên bao gồm các nhóm khung gửi từ các ONU. 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 hàm tổng hợp các yêu cầu băng thông của các ONU. Ngoài ra, 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.
Bảng 2.2: So sánh các chuẩn công nghệ TDM-PON
Đặc tính BPON GPON EPON
Tổ chức chuẩn hóa FSAN và ITU-T SG15 (G.983 series) FSAN và ITU-T SG15 (G.984 series) IEEE802.3 (802.3ah) Tốc độ dữ liệu 155.52 Mbit/s hướng lên. 155.52 hoặc 622.08 Mbit/s hướng xuống Lên tới 2.488 Gbit/s cả 2 hướng 1 Gbit/s cả 2 hướng Tỷ lệ chia