2.3.1. TDM-PON
Trong TDM-PON, việc truyền đồng thời từ vài ONU sẽ gây ra xung đột khi đến bộ kết hợp. Đểngăn chặn xung đột dữ liệu, mỗi ONU phải truyền trong cửa sổ (khe thời gian) truyền của nó. Một thuận lợi lớn của TDM-PON là tất cả các ONU có thể hoạt động cùng một bước sóng, OLT cũng chỉ cần một bộ thu đơn. Bộ thu phát ONU hoạt động ở tốc độđường truyền, thậm chí băng thông có thể dùng của ONU thấp hơn. Tuy nhiên, đặc tính này cũng cho phép TDM-PON đạt hiệu quảthay đổi băng thông được dùng cho từng ONU bằng cách thay đổi kích cỡ khe thời gian được ấn định hoặc thậm chí sử dụng ghép kênh thống kê để tận dụng hết băng thông được dùng của mạng PON.
Trong mạng truy cập thuê bao, hầu hết các luồng lưu lượng lên và xuống không
phải là khách hàng đến khách hàng. Vì vậy, điều này dường như là hợp lý để tách kênh
lên và xuống. Một phương pháp tách kênh đơn giản có thể dựa trên ghép kênh phân chia không gian mà nó tách, PON được cung cấp theo hướng truyền lên xuống. Để tiết kiệm cho sợi quang và giảm chi phí sửa chữa và bảo quản, một sợi quang có thểđược sử dụng cho truyền theo hai hướng. Dung lượng kênh ở mỗi bước sóng có thể phân phối linh động giữa các ONU.
Một hệ thống TDM-PON điển hình được chỉ ra như trong hình. Các bước sóng ánh sáng tại 1.55nm, 1.49nm, 1.3nm được sử dụng để mang các tín hiệu video đường xuống, tín hiệu dữ liệu đường xuống và tín hiệu đường lên. Một mạng TDM-PON bao gồm các thành phần OLT đặt tại phía người cung cấp dịch vụ, sợi quang và các ONU đặt ở phía khách hàng. Một bộ chia quang thụđộng được sử dụng để chia các tín hiệu đường xuống cho nhiều người dùng. OLT phát quảng bá lưu lượng đường xuống đến tất cả các ONU ở chế độ liên tục, và mỗi ONU chọn các gói tin đến nó và bỏ qua các gói tin đến
SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 22
các ONU khác. OLT cũng có trách nhiệm phân bố các khe thời gian cho đường lên từ các ONU.
Hình 2.2: Kiến trúc mạng TDM-PON
Ghép kênh phân chia theo thời gian là phương pháp được ưu tiên hiện nay cho việc chia sẻ kênh quang trong mạng truy cập khi mà nó cho phép một bước sóng đơn ở hướng lên và bộthu phát đơn ở OLT đã làm cho giải pháp này có ưu thế hơn về chi phí đầu tư.
2.3.2. WDM-PON
WDM-PON là mạng quang thụ động sử dụng phương thức đa ghép kênh phân
chia theo bước sóng thay vì theo thời gian như trong phương thức TDMA. OLT sử dụng
một bước sóng riêng rẽ để thông tin với mỗi ONT theo dạng điểm điểm. Mỗi một ONU có một bộ lọc quang để lựa chọn bước sóng tương thích với nó, OLT cũng có một bộ lọc cho mỗi ONU. Nhiều phương thức khác đã được tìm hiểu để tạo ra các bước sóng ONU như là:
Sử dụng các khối quang có thể lắp đặt tại chỗ lựa chọn các bước sóng ONU, Dùng các laser điều chỉnh được, và cắt phổ tín hiệu.
Các phương thức thụ động mà theo đó OLT cung cấp tín hiệu sóng mang tới các
ONU. Sử dụng tín hiệu hướng xuống để điều chỉnh bước sóng đầu ra của laser ONU.
Cấu trúc của WDM-PON được mô tả như trong hình 2.3. Trong đó, WDM-PON có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau như là FTTx, các ứng dụng cho
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II: Mạng truy nhập quang thế hệ sau
SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 23
đường dây thuê bao số tốc độ rất cao VDSL và các điểm truy nhập vô tuyến từ xa. Các bộ thu WDM-PON sử dụng kỹ thuật lọc quang mảng ống dẫn sóng. Một bộ lọc quang ống dẫn sóng có thểđược đặt ởmôi trường trong nhà hoặc ngoài trời.
Hình 2.3: Kiến trúc mạng WDM-PON
Giải pháp WDM yêu cầu một bộ thu điều khiển được hoặc là một mảng bộ thu ở OLT để nhận các kênh khác nhau. Thậm chí nhiều vấn đềkhó khăn cho các nhà khai thác mạng là kiểm kê từng bước sóng của ONU: thay vì chỉ có một loại ONU, thì có nhiều loại ONU dựa trên các bước sóng Laser của nó. Mỗi ONU sẽ sử dụng một laser hẹp và độ rộng phổ điều khiển được cho nên rất đắt tiền. Mặc khác, nếu một bước sóng bị sai lệch sẽ gây ra nhiễu cho các ONU khác trong mạng PON. Việc sử dụng Laser điều khiển được có thể khắc phục được vấn đề này nhưng quá đắt cho công nghệ hiện tại. Với những khó khăn như vậy thì WDM không phải là giải pháp tốt cho môi trường hiện nay.
Ưu điểm chính của WDM-PON là nó khả năng cung cấp các dịch vụ dữ liệu theo các cấu trúc khác nhau (DS1/E1/DS3, 10/100/1000Base Ethernet) tùy theo yêu cầu về
băng thông của khách hàng. Tuy nhiên, nhược điểm chính của WDM-PON là chi phí khá
lớn cho các linh kiện quang để sản xuất bộ lọc ở những bước sóng khác nhau. WDM- PON cũng được triển khai kết hợp với các giao thức TDMA PON để cải thiện băng thông truyền tin. WDM-PON được phát triển mạnh ở Hàn Quốc.
SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 24
2.3.3. CDM
Ghép kênh phân chia theo mã CDM cung cấp phương thức khác cho ghép kênh dữ liệu. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA sử dụng công nghệ CDM để phân xử việc truy cập kênh giữa nhiều node mạng trong cùng một kiểu phân bố. Ghép kênh phân chia theo mã quang OCDM là một công nghệ hứa hẹn, cung cấp việc truy nhập ngẫu nhiên đến toàn bộbăng thông cùng với nhiều lợi ích khác như điều khiển mạng đơn giản, tính bảo mật được nâng cao, và tăng tính linh động. OCDM giải quyết việc nâng cấp dung lượng bằng cách thêm một số mã cơ sở cho hệ thống FTTH. Trong phân này, ta sẽ xem xét các kỹ thuật cho mạng quang dựa trên OCDM/OCDMA.
Trong một hệ thống OCDM, mỗi kênh được phân biệt bởi một mã quang riêng. Quá trình mã hóa quang học sẽ chuyển đổi từng bit dữ liệu trược khi truyền trong khi phía giải mã sẽ thực hiện ngược lại nhằm khôi phục lại tín hiệu gốc như ban đầu.
Do không gian mã hóa hạn chế, kỹ thuật mã hóa quang một chiều không liên tục (cả trong miền thời gian và tần số) không khả thu cho các mạng truy nhập trong tương lai, mạng mà được yêu cầu phải hỗ trợ sốlượng lớn người dùng cuối. Cả kỹ thuật mã hóa 2 chiều và 3 chiều đều yêu cầu nhiều miền để nhận biết các mã quang. Vì thế, thật là khó khăn để có thể nâng cấp dung lượng một cách dễ dàng cho mạng truy nhập nơi các bộ mã hóa/giải mã 2 chiều hoặc 3 chiều được sử dụng.
Giải pháp về OCDM có thể bao gồm một bộ chia thụ động đặt tại các node điều khiển. OCDM-PON sử dụng giao thức cây với các bộ chia thụ động được cho như hình 2.4. Số lượng tối đa người sử dụng có thểđược hỗ trợ trong cấu hình này bị giới hạn do suy hao chèn cao của bộ chia công suất. Không gian mã hóa không thểhoàn toàn được sử dụng.
Một cách khác là giới thiệu tách mã tại các node điều khiển. Với lan truyền thời gian kết hợp (TS)-OCDM, bộ mã hóa/giải mã (E/D) OCDM đa cổng có chức năng đặc biệt là đồng thời xử lý tại nhiều thời điểm trải phổđa mã quang với chỉ một thiết bị. Như hình 2.5 đã chỉ ra, nó sẽ là một thiết bị tiềm năng nếu được sử dụng trong OLT của mạng OCDM để giảm sốlượng các bộ mã hóa/ giải mã.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II: Mạng truy nhập quang thế hệ sau
SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 25
Hình 2.4: OCDM-PON với bộ chia công suất đặt tại node điều khiển
Hình 2.5: Cấu hình của hệ thống OCDM-PON với bộ chia công suất tại node điều khiển Nếu một thiết bị như vậy được đưa vào sử dụng tại các RN giữa OLT và các ONU, việc chia mã có thểđược thực hiện. Bằng cách này, mỗi ONU không cần mã hóa, do các bộ mã hóa/giải mã không cần phải sử dụng tại phía người dùng. Hơn nữa, việc suy hao do chèn của thiết bị chia mã là thấp hơn nhiều so với bộ chia công suất. Vì thế, nếu không cần mở rộng tầm hoạt động, PON-OCDM với bộ chia mã có thể hỗ trợ tốt tầm hoạt động dựa trên những điều đã đạt được trong các hệ thống sử dụng bộ chia công suất.
SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 26
2.3.4. OFDM-PON
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM trong mạng truy nhập quang đã được nghiên cứu và phát triển do sự cần thiết để tăng tốc độ truyền dẫn mà không cần tăng băng thông của các thiết bị quang điện. OFDM trong đường xuống có thể được kết hợp với đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA trong đường lên. OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, ở đó dữ liệu của một kênh quang được truyền trên các băng thông hẹp với các sóng mang con trực giao có tốc độ thấp. Trong OFDM, việc ghép tần số vào các kênh con cho phép việc truyền dẫn một tín hiệu đa sóng mang bằng cách sử dụng một bộ điều chế quang đơn. Các kênh con trực giao và chồng chéo lên nhau trong miền tần số theo nguyên tắc đỉnh của mỗi kênh con sẽ trùng với điểm bằng 0 của các kênh khác. Điều chế OFDM rất thích hợp và có khả năng sử dụng các dạng điều chế cao hơn (8-QAM, 16-QAM) trên phần cứng thiết bị quang giống nhau do quá trình xử lý tín hiệu trong miền điện dễ dàng. Một vài kênh OFDM có vùng tần số lên tới vài Ghz. Với đường xuống sử dụng laser đơn mode với băng thông cao (10-25Ghz) được sử dụng. Giả sử ta sử dụng điều chế 16-QAM và nhiều kênh OFDM, tốc độđỉnh có thểđạt được là
từ 40-100Gbps. Băng thông của các ONU có thể đáp ứng được toàn bộ băng thông của
OLT. Các vấn đềliên quan đến kỹ thuật OFDM sẽđược trình bày trong chương III.
2.4. Kết luận
Qua những vấn đề được trình bày trong chương “Mạng truy nhập quang thế hệ sau”, đồ án đã nêu được các yêu cầu về mạng truy nhập quang thế hệsau như yêu cầu về dịch vụ, yêu cầu về mạng, yêu cầu về vận hành và thương mại mà các mạng truy nhập trong tương lai cần đạt được. Ngoài ra, chương này cũng cung cấp cái nhìn cụ thể về sự phát triển cùa hệ thống mạng quang qua các thế hệ và các kỹ thuật khác nhau. Cuối cùng, nội dung chương đưa ra các kỹ thuật mới sẽđược triển khai và áp dụng trong mạng truy nhập thế hệ sau như: TDM, WDM, CDM, OFDM. Trong các kỹ thuật này, kỹ thuật OFDM cho thấy nhiều tiềm năng vì những ưu điểm của mình. Do vậy, trong chương tiếp theo kỹ thuật OFDM sẽđược đề cập sâu hơn.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III: Kỹ thuật OFDM
SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 27
CHƯƠNG III: KỸ THUẬT OFDM
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là một phương pháp điều chế cho phép giảm thiểu méo tuyến tính. Kỹ thuật OFDM được áp dụng nhiều trong truyền dẫn vô tuyến giúp tăng hiệu quả băng thông, chuyển đổi pha đinh chọn lọc thành pha đinh phẳng. Hơn nữa, nó còn được áp dụng trong truyền dẫn quang để khắc phục hiện tượng tán sắc tín hiệu quang khi truyền dẫn qua một khoảng cách lớn giúp tăng khoảng cách giữa các trạm lặp trong thực tế.
3.1. Tổng quan về OFDM
3.1.1. Các nguyên lý cơ bản của OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễđa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳđể tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là si(t) và sj(t). Để đảm bảo trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thỏa mãn điều kiện sau: * 1, 1 . (3.1) 0, s s t T i j t i j s t s t dt i j T Trong đó: 2 , 1, 2,..., (3.2) 0, j k ft k e k N s t
∆f=1/T là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N là số sóng mang con và N.∆f là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời gian
Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau.
SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 28
Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau.
Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống.
Hình 3.1: So sánh kỹ thuật FDM và OFDM
OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từgói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương III: Kỹ thuật OFDM
SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 29
gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh đểngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ.
3.1.2. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM 3.1.2.1. Mô tả toán học tín hiệu OFDM 3.1.2.1. Mô tả toán học tín hiệu OFDM
Giả sử tín hiệu OFDM phát băng gốc thứ k ở đầu ra của bộ DAC được xác định như sau: k( ) (3.3) x t x t kT Trong đó /2 1 2 , / 2 . , (3.4) 0, FFT i N j t kT T i k win GD FFT win k i N w t kT X e kT T T t kT T T x t kT