1.2.4.1.Bộ tách/ghép quang
Một mạng quang thụ động sử dụng một thiết bị thụ động để tách một tín hiệu quang từ một sợi quang sang một vài sợi quang và ngược lại. Thiết bị này là Coupler quang. Để đơn giản, một Coupler quang gồm hai sợi nối với nhau. Tỷ số
tách của bộ tách có thểđược điều khiển bằng chiều dài của tầng nối và vì thế nó là hằng số.
Hình 1.9-Cấu hình cơ bản bộ ghép/tách quang
Hình 1.9a có chức năng tách tia vào thành 2 tia ở đầu ra, đây là Coupler Y.Hình 1.9b là Coupler ghép các tín hiệu quang tại hai đầu vào thành một tín hiệu tại đầu ra. Hình 1.9c vừa ghép vừa tách quang và gọi là Coupler X hoặc Coupler phân hướng 2x2. Coupler có nhiều hơn hai cổng vào và nhiều hơn hai cổng ra gọi là Coupler hình sao. Coupler NxN được tạo ra từ nhiều Couper 2x2.
Hình 1.10-Coupler hình sao và phương pháp tạo 1x8 coupler từ Y coupler
Coupler được đặc trưng bởi các thông số sau:
• Tổn hoa tách (split loss): Mức năng lượng ở đầu ra của Coupler so với năng lượng đầu vào (db). Đối với Coupler 2x2 lý tưởng, giá trị này là 3dB. Hình 1.10 minh hoạ hai mô hình 8x8 Coupler dựa trên 2x2 Coupler. Trong mô hình 4 ngăn (hình a), chỉ 1/6 năng lượng đầu vào được chia ở mỗi đầu ra. Hình (b) đưa ra mô hình hiệu quả hơn gọi là mạng liên kết mạng đa ngăn. Trong mô hình này mỗi
đầu ra nhận được 1/8 năng lượng đầu vào.
• Tổn hao chèn (insert loss): Năng lượng tổn hao do sự chưa hoàn hảo của quá trình xử lý. Giá trị này nằm trong khoảng 0,1dB đến 1dB.
• Hệ số định hướng (Directivity): Lượng năng lượng đầu vào bị rò rỉ
từ một cổng đầu vào đến các cổng đầu vào khác. Coupler là thiết bị định hướng cao với thông sốđịnh hướng trong khoảng 40-50dB.
Thông thường, các Coupler được chế tạo chỉ có một cổng vào hoặc một bộ
kết hợp (Combiner). Đôi khi các Coupler 2x2 được chế tạo có tính không đối xứng cao ( với tỷ số tách là 5/95 hoặc 10/90). Các Coupler loại này được sử dụng để tách một phần năng lượng tín hiệu, ví dụ với mục đích định lượng. Các thiết bị như thế
này được gọi là “tap coupler”. Bộ tách/ghép quang được sử dụng rộng rãi trong mạng PON để xây dựng thành 4 topo cơ bản nhất về mạng là : hình cây , vòng , bus và hình cây & đường tải dự phòng.
1.2.4.2.Topo hình cây
Thông thường trong các mạng đều được xây dựng theo topo hình cây trong đó chỉ
sử dụng 1 đường cáp quang nối trực tiếp từ OLT tới bộ chia. Từ bộ chia, sẽ có một
đường cáp quang kết nối từ mỗi ONU tới mạng. Về nguyên tắc, các mạng đều sử
dụng topo hình cây với kiến trúc bộ chia ghép tầng và trong thực tế, trong một số
mạng chỉ có 1 bộ chia thường được gọi là topo hình sao.
Ưu điểm đầu tiên của kiến trúc mạng này là bộ chia được tập trung tại một điểm nên dễ dàng xác định được những sự cố của mạng. Ưu điểm thứ hai chính là tất cả
các ONU trong cùng mạng sẽ có chung dự trữ công suất hay nói cách khác là chất lượng tín hiệu tại các ONU sẽ gần tương tự như nhau. Kiến trúc này cho phép các ONU được sử dụng chung OLT về cả khả năng xử lý và truyền tải một cách công bằng đồng thời giúp nhà sản xuất hạ giá thành các thiết bị mạng. Hơn nữa, kết nối
điểm – đa điểm của mạng PON cũng giảm trạng thái tắc nghẽn ở phía OLT so với kết nối điểm - điểm thông thường. Tuy nhiên, số lượng ONU trong mạng theo topo này cũng bị giới hạn bởi suy hao của các bộ ghép hình sao và nhu cầu băng thông của người sử dụng. Bởi vì dung lượng của người sử dụng phải phù hợp với khả
năng cung cấp của đường truyền sau bộ chia nên đó cũng là một lý do hạn chế số
lượng người sử dụng.
Topo hình sao với 1 bộ chia là kiểu topo thường gặp trong thực tế bởi khả năng có thể chuyển đổi dễ dàng và hiệu quả từ công nghệ băng hẹp (2Mbps cho mỗi khách
hàng) lên tới mạng quang băng rộng (1Gbps cho mỗi khách hàng). Khi số khách hàng yêu cầu dịch vụ tăng lên, mạng PON với topo hình sao sẽ được chia nhanh chóng thành các mạng nhỏ hơn bằng cách thêm bộ chia và OLT trong mạng. Vì vậy, topo dạng này rất dễ dàng triển khai mở rộng mạng cho nhà cung cấp. Thông thường, PON hình sao thường sử dụng các bộ ghép/chia quang thụ động hình sao mở rộng ( passive optical broadcast star coupler) do khả năng cung cấp số lượng cổng vào hoặc ra một cách linh hoạt của bộ chia này. Nhà cung cấp có thể dễ dàng phân phối một số lượng cổng phát hữu hạn cho số cổng ra thay đổi (và ngược lại) hoặc có thể phân phối một số lượng cổng phát và thu thay đổi nếu sử dụng thêm kỹ
thuật WDM (cách này thường có giá thành cao trong thực tế) với bộ chia này.
Nhược điểm của topo hình cây là chỉ có thể sử dụng cho kỹ thuật đa truy nhập TDMA trong đó các khe thời gian truyền nhận giữa OLT và các ONU được chỉ định cho mỗi đường kết nối riêng biệt từ mỗi ONU tới mạng để tránh xảy ra xung
đột dữ liệu giữa các ONU khi phát lên OLT thông qua bộ chia. Thông thường, trong mạng kiểu này việc chỉ định khe thời gian sẽđược cấp phát động cho mỗi ONU khi liên kết vào mạng. Một điểm yếu khác của topo hình sao là độ tin cậy của mạng không cao, mỗi khi tổng đài phía nhà cung cấp CO gặp sự cố sẽ gây sự cố cho toàn mạng. Ngoài ra cần phải kểđến những sự cố khác trong mạng như lỗi tại bộ khuếch
đại, tại bộ truyền nhận, … tại node trong mạng cũng ảnh hưởng tới chất lượng của toàn mạng. Một lý do dễ dàng nhận thấy nữa là do hạn chế tại các kết nối sau bộ
chia làm cho khách hàng luôn luôn bị hạn chế tốc độ bởi 1 giá trị hằng định dẫn đến làm giảm tính tận dụng của mạng trong việc phân phối băng thông cho người dùng.
1.2.4.3.Topo dạng bus
Topo dạng bus cũng sử dụng 1 cáp quang từ OLT tới khách hàng nên cũng gặp phải những vấn đề tương tự như topo hình cây ở trên. Mỗi người sử dụng được kết nối vào mạng thông qua một bộ ghép dây nhánh (tap coupler) và bộ ghép này sẽ đưa một phần công suất tín hiệu phát từ OLT đi tới người sử dụng. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng tối thiểu hóa số cáp quang cần được sử dụng (nếu ONU được kết nối trực tiếp tới bộ ghép) và mở rộng mạng một cách linh hoạt, dễ
dàng (khi có thêm ONU mới tham gia vào mạng thì chỉ cần dùng thêm bộ ghép để
kết nối trực tiếp vào mạng). Tuy nhiên, topo này cũng có nhược điểm là : tín hiệu quang suy hao dần qua mỗi bộ ghép nên ONU ở xa OLT có thể không thu được tín hiệu do chất lượng tín hiệu quá tồi sau khi đi qua một số lượng nhất định bộ ghép nhánh. Đồng thời, với topo này sẽ yêu cầu một đường cáp quang có độ dài rất lớn khi mở rộng trong mạng 2 chiều.
Hình 1.12–Topo dạng bus 1.2.4.4.Topo dạng vòng
Topo dạng vòng được sử dụng chính trong các mạng thành phố lớn bởi khả năng mềm dẻo trong việc tối ưu hóa các đường truyền. Trong topo dạng vòng, tồn tại 2
đường kết nối từ OLT tới mỗi ONU nên nó có khả năng rất linh hoạt trong việc thiết lập và bảo trì mạng cáp quang kể cả trong trường hợp cáp quang bị đứt. Tuy nhiên, nó cũng yêu cầu sử dụng 2 sợi quang tại OLT và những thiết bị phức tạp khác có khả năng chuyển mạch và truyền nhận tín hiệu theo 2 hướng trong vòng tại mỗi ONU. Do đó, topo dạng vòng cũng có những nhược điểm tương tự như topo dạng bus về dự trữ công suất trên đường truyền. Khi tín hiệu quang được truyền qua mỗi ONU, tín hiệu bị suy hao đáng kể; điều này đã gây ra giới hạn cho khả năng truyền nhận và số lượng ONU trong topo dạng vòng. Dung lượng của mạng được chia sẻ một cách mềm dẻo cho các ONU trong mạng nên việc sử dụng 2 cáp quang
trong mạng vòng cũng không cải thiện được dung lượng của mạng và tất nhiên, số
lượng ONU trong mạng topo dạng vòng cũng không hề lớn hơn trong mạng có topo dạng bus và hình cây.
Hình 1.13-Topo dạng vòng
1.2.4.5.Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng hoặc đường tải phụ
Topo dạng này được sử dụng như 1 loại topo chuẩn cho mạng hình cây nhưng trong đó sử dụng 2 cáp quang cho OLT nhằm mục đích tăng sự mềm dẻo trong việc khai thác mạng. Trong trường hợp 1 cáp quang bị đứt thì cáp còn lại vẫn có khả
năng hoạt động trong mạng. Tuy nhiên, trong quá trình thiết lập mạng này, 2 đường cáp quang được sử dụng cho 2 đường tải khác nhau nhằm mục đích tránh khả năng xảy ra 2 đường cáp quang bị đứt tại cùng một thời điểm. Các bộ ghép quang hình sao cũng được sử dụng trong mạng để cung cấp khả năng chuyển mạch một cách chủđộng trong việc lựa chọn đường tải tới OLT cho mỗi ONU tham gia vào mạng hoặc khả năng cung cấp dòng dữ liệu tăng lên gấp đôi khi sử dụng chuyển mạch tại mỗi ONU. Như vậy, dung lượng cực đại trên mỗi đường tải trong mạng quang sẽ được giảm một nửa và do đó, không còn giới hạn số ONU được sử dụng trong mạng mà vẫn đảm bảo tốc độ truyền nhận ở mỗi cổng tại mỗi ONU tham gia vào mạng.
Trong thực tế, việc kết hợp cả 3 topo cơ bản cho phép nhà cung cấp có thể cung cấp một mạng có khả năng tập trung với mật độ cao nhưng vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ trong các mạng 2 chiều. Sự kết hợp giữa topo dạng vòng cổ điển và topo hình cây mang lại khả năng phân phối mềm dẻo và tối ưu trong việc thiết kế mạng quang trên từng đoạn như trong hình vẽ 1.15. Một phương pháp tiếp cận khác là sự
kết hợp của 2 topo dạng vòng trên mỗi đoạn mạng cung cấp khả năng linh hoạt trong việc phân phối mạng (hình 1.16). Tuy nhiên, phương pháp này sử dụng những giao thức quản trị mạng phức tạp và nhiều cáp quang trong quá trình thiết lập mạng. Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu trong việc thiết lập và xây dựng mạng này.
Hình 1.15–Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng