Đồ án tốt nghiệp 15 Sinh viên: Bùi Thị Phong
Dựa vào kĩ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) ở hướng down và kĩ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo thời gian (TDMA) ở hướng up thì ta có APON/BPON (ATM PON/Broadband PON), GPON (Gigabit PON) và EPON (Ethernet PON).
Dựa vào kĩ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) thì ta có WDM PON.
2.4.1. APON/BPON
Từ năm 1995, 7 nhà khai thác mạng hàng đầu thế giới đã lập nên nhóm FSAN với mục tiêu là thống nhất các tiêu chí cho mạng truy nhập băng rộng. Hiện nay các thành viên của FSAN đã tăng lên đến trên 40 trong đó có nhiều hãng sản xuất và cung cấp thiết bị viễn thông lớn trên thế giới.
Các thành viên của FSAN đã phát triển một tiêu chí cho mạng truy nhập PON sử dụng công nghệ ATM và giao thức lớp 2 của nó, đây là chuẩn mạng PON đầu tiên. Hệ thống này được gọi là APON (ATM PON). APON thì nói rõ khung ATM được dùng để truyền trong chuẩn ITU-T G.983. Cell ATM có 53 byte trong đó 5 byte header và 48 byte tải. Bởi vì kích cỡ cố định, ATM có thể đảm bảo chất lượng dịch vụ ví dụ như cáp phát băng thơng, đảm bảo độ trễ…ATM được thiết kế hỗ trợ cả thoại và dữ liệu vì thế mà nó phù hợp cho ứng dụng FTTH.
Cái tên APON sau đó được thay thế bằng BPON (Broadband PON) với ý diễn đạt PON băng rộng. Hệ thống BPON có khả năng cung cấp nhiều dịch vụ băng rộng như Ethernet, Video, đường riêng ảo (VPL), kênh thuê riêng… Năm 1997 nhóm FSAN đưa các đề xuất chỉ tiêu BPON lên ITU-T để thơng qua chính thức. Từ đó, các tiêu chuẩn ITU G.983.x cho mạng BPON lần lượt được thông qua.
Trong hệ thống APON/BPON, các kết nối giữa ONT/ONU và OLT được thiết lập như là một mạch ảo ATM. Mỗi mạch ảo được chỉ định bởi sự nhận dạng đường ảo VPI và nhận dạng kênh ảo VCI mà nó được ghi vào trong cell bao gồm luồng dữ liệu của nó. VPI/VCI là số liệu cung cấp các cấp khác nhau của tín hiệu ATM được ghép hay chuyển mạch. Nhiều mạch ảo VC có thể tồn tại đường ảo riêng. Một kết nối ATM được chỉ định bởi cặp VPI/VCI. Căn cứ vào các thông tin về mã số VPI/VCI trong cấu trúc ATM, các ONT/ONU nhận biết và tách dữ liệu đường xuống của mình.
Đồ án tốt nghiệp 16 Sinh viên: Bùi Thị Phong G.983.1 là khuyến nghị cho APON/BPON ra đời năm 1998 với tốc độ 155.2 Mbps và 622.08 Mbps. Phiên bản mới hơn ra đời năm 2005 thêm vào tốc độ truyền dẫn 1244.16 Mbps. Nhà cung cấp dịch vụ APON/BPON có thể lựa chọn thực thi tốc độ truyền dẫn down và up đối xứng hay bất đối xứng.
2.4.2. GPON
Dựa trên các khuyến nghị của FSAN, từ năm 2003-2004, ITU-T đã chuẩn hóa một loạt các tiêu chuẩn cho mạng PON Gigabit (GPON) bao gồm G.984.1, G.984.2 và G.984.3.
GPON được xây dựng trên trải nghiệm của APON/BPON và EPON. Mặc dù GPON 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 GPON (GEM – GPON Encapsulation Method). GEM là phương thức dựa trên thủ tục đóng khung chung trong khuyến nghị G.701, cho phép sắp xếp các dữ liệu Ethernet vào tải tin GEM và hỗ trợ sắp xếp TDM.
GPON sử dụng cấu trúc khung GTC cho cả hai hướng xuống và hướng lên. Khung hướng xuống bắt đầu với một từ mào đầu PLOAM, tiếp sau đó là trường tải tin GEM và/hoặc các tế bào ATM. PLOAM gồm có thơng 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 PLOu, bao hàm tổng hợp các u cầu băng thơng của các ONU. Ngồi ra, các trường 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 ONU.
Các ưu điểm của GPON:
Cung cấp dịch vụ như: hỗ trợ bộ ba (Triple play) dịch vụ bao gồm thoại, video, internet tốc độ cao.
Hiệu suất và tốc độ đường truyền cao: GPON hỗ trợ tốc độ bít cao, với tốc độ hướng xuống/ hướng lên tương ứng 2.488 Gbit/s/1.244 Gbit/s.
GPON cung cấp độ rộng băng lớn và là công nghệ tối ưu cho các ứng dụng của FTTH và FTTB.
Đồ án tốt nghiệp 17 Sinh viên: Bùi Thị Phong Tuy nhiên, GPON cũng có nhược điểm chính là: thiếu tính hội tụ IP; có một kết nối duy nhất giữa OLT và bộ chia, nếu kết nối này mất thì tồn bộ ONT/ONU không được cung cấp dịch vụ.
2.4.3. EPON
Ethernet PON (EPON) là mạng trên cở sở PON mang lưu lượng dữ liệu gói trong các khung Ethernet được chuẩn hóa theo IEEE 802.3. EPON sử dụng giao thức điều khiển đa điểm (MPCP-Multipoint control protocol) và hoạt động ở tốc độ chuẩn của Ethernet.
Trong EPON dữ liệu hướng xuống được đóng khung theo khn dạng Ethernet. Trong hướng lên, các ONU phát các khung Ethernet trong các khe thời gian đã được cấp phát.
ONU sử dụng giao thức điều khiển đa điểm MPCPDU 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 u cầu băng thơng hay khơng. Các ONU cũng có thể gửi “Report” cùng với dữ liệu được phát trong hướng lên. Ngồi ra, giao thức DBA cũng có thể được sử dụng trong EPON để thực hiện cơ chế điều khiển cấp phát băng thông.
Do khơng có cấu trúc khung thống nhất đối với hướng xuống và hướng lên, do vậy trong cấu trúc của EPON, các khe thời gian và giao thức xác định cự ly là khác so với BPON và GPON.
2.4.3. WDMPON
Công nghệ mạng quang thụ động sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network (WDM PON).
Ở hướng xuống, mạng PON là mạng điểm-đa điểm. OLT chiếm tồn bộ băng thơng hướng xuống. Trong hướng lên, mạng PON là mạng đa điểm-điểm: nhiều ONU truyền tất cả dữ liệu của nó đến một OLT. Đặc tính hướng của các bộ tách ghép thụ động là việc truyền thông của một ONU sẽ không được nhận biết bởi các ONU khác. Tuy nhiên các luồng dữ liệu từ các ONU khác nhau được truyền cùng một lúc cũng có thể bị xung đột. Vì vậy trong hướng lên, PON sẽ sử dụng một vài cơ chế riêng biệt
Đồ án tốt nghiệp 18 Sinh viên: Bùi Thị Phong trong kênh để tránh xung đột dữ liệu và chia sẽ công bằng tài nguyên và dung lượng trung kế.
Một phương pháp chia sẽ kênh ở hướng lên của ONU là sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM, với phương pháp này thì mỗi ONU sẽ hoạt động ở một bước sóng khác nhau. 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 đề khó 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 cơng nghệ hiện tại. Với những khó khăn như vậy thì WDM khơng phải là giải pháp tốt cho môi trường hiện nay.
2.4.4. Nhận xét
Công nghệ APON/BPON đã được áp dụng để truyền tải dữ liệu và tiếng nói. Tuy nhiên hiện nay mạng APON/BPON không được quan tâm phát triển do chỉ hỗ trợ dịch vụ ATM và tốc độ truy nhập thấp hơn nhiều so với các công nghệ hiện hữu khác như GPON hay EPON.
Các nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào GPON và EPON/GEPON vì đây là các cơng nghệ mới hứa hẹn sẽ được triển khai rộng rãi trong mạng truy nhập băng rộng do các đặc điểm vượt trội của chúng so với các công nghệ khác.
Trong khi GEPON chỉ cung cấp tốc độ truyền là 1.25 Gbit/s thì GPON lại cho phép đạt tới tốc độ 2.448 Gbit/s. Và thậm chí, khi càng ngày các nhà cung cấp dịch vụ càng cố tiết kiệm chi phí bằng việc tận dụng tối đa băng thơng thì có vẻ như GEPON đang dần trở thành một sự lựa chọn không được đánh giá cao. Với hiệu suất từ 50% – 70%, băng thông của GEPON bị giới hạn trong khoảng 600Mbps đến 900Mbps, trong khi đó GPON với việc tận dụng băng thơng tối đa nó có thể cho phép các nhà cung cấp dịch vụ phân phối với băng thông lên đến 2300 Mbps.
Đã được chuẩn hoá theo ITU-T G.984, GPON cho phép cung cấp đường truyền với các định dạng gốc như IP và TDM, đây thực sự là một giải pháp công nghệ PON đạt hiệu quả kinh tế có thể sử dụng cho cả các dịch vụ gia đình cũng như là cho các
Đồ án tốt nghiệp 19 Sinh viên: Bùi Thị Phong doanh nghiệp. Với những đặc tính hỗ trợ cao nhất và độ rộng băng tiêu dùng được nâng từ 10 MHz lên 100 MHz cho truyền dữ liệu Internet, đáp ứng được các yêu cầu cho nhiều dịng IPTV, và có thể hỗ trợ truyền thông cả SDTV và HDTV, GPON đã thực sự được đánh giá là kinh tế hơn EPON.
Mặt khác trong khi tiêu chuẩn IEEE 803.2ah chỉ hỗ trợ 2 lớp ODN: lớp a và lớp B thì ITU-GT.984.2 GPON GPM hỗ trợ cả lớp C, lớp cấp cao hơn. Lớp C cho phép mạng PON mở rộng cự ly tới 60 km, cung cấp cho số lượng lớn người dùng cuối, đạt tới 64 thậm chí 128 ONU/ONT.
Trong khi EPON chỉ hỗ trợ duy nhất một tốc độ truyền dẫn đối xứng 1.25/1.25 Gbps thì ITU-T G.984.2 GPON linh hoạt và biến đổi được nhiều hơn, cho phép các tốc độ hướng xuống 1.25 Gbps và 2.5 Gbps, hướng lên cho phép 155 Mbps, 622 Mbps hay 1.25 Gbps và 2.5 Gbps. Cả hai công nghệ đều nhắm tới thị trường truy nhập, bao gồm các ứng dụng FTTH và FTTB/FTTC với đặc trưng là tốc độ truy nhập không đối xứng giữa hướng lên và hướng xuống. Thậm chí với sự phát triển của các ứng dụng dữ liệu thì cũng khơng có nhu cầu đến 1.25 Gbps trong hướng lên.
Từ những so sánh trên có thể thấy rằng GPON thích hợp hơn so với EPON trong việc lắp đặt các hệ thống mạng để cung cấp các khả năng dự phịng cần thiết, khả năng tương thích cũng như là bảo mật. Đây là những điều kiện cần thiết để điều hành một mạng kích cỡ lớn.
Đồ án tốt nghiệp 20 Sinh viên: Bùi Thị Phong
Đặc tính A/BPON
GPON EPON
Tổ chức chuẩn hóa FSAN và ITU-T SG15 (G.983 series)
FSANvà ITU-T SG15
(G.984 series) IEEE 802.3 (802.3ah) Tốc độ dữ liệu
155.52Mbit/s hướng lên. 155.52, 622.08, hoặc 1244.16Mbps
Mbit/s hướng xuống,
Lên tới 2.488 Gbit/s cả 2
hướng 1 Gbit/s cả 2 hướng
Tỷ lệ chia (ONUs/PON) 1:64 1:128 1:64
Mã đường truyền NRZ NRZ 8B/10B
Số lượng sợi quang 1 hoặc 2 1 hoặc 2 1
Bước song
1310nm cả 2 hướng hoặc 1490nm xuống & 1310nm lên 1310nm cả 2 hướng hoặc 1490nm xuống & 1310nm lên 1490nm xuống & 1310nm lên Cự ly tối đa OLT-ONU 20 km (10 – 20) km (10 – 20) km Chuyển mạch bảo vệ Có hỗ trợ Có hỗ trợ Khơng hỗ trợ Khuôn dạng dữ liệu ATM GEM và/hoặc ATM
Không (sử dụng trực tiếp các khung Ethernet) Hỗ trợ TDM Qua ATM Trực tiếp (qua GEM hoặc
ATM) hoặc CES CES Hỗ trợ thoại Qua ATM Qua TDM hoặc VoIP VoIP
QoS Có (DBA) Có (DBA) Có (ưu tiên 802.1Q)
Sửa lỗi hướng tới trước FEC (Forward Error Correction)
Khơng RS(255, 239) RS(255, 239)
Mã hóa bảo mật AES – 128 AES - 128, 192, 256 Không
OAM PLOAM và ATM GTC và ATM/GEM
OAM
802.3ah Ethernet OAM
Đồ án tốt nghiệp 21 Sinh viên: Bùi Thị Phong
CHƯƠNG 3
CÔNG NGHỆ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG GPON 3.1. Kiến trúc mạng GPON
GPON viết tắt của từ Gigabit Passive Optical Network. GPON là sự phát triển của APON/BPON nó hoạt động ở tốc độ lên tới hàng Gbps và đã được chuẩn hóa thành ITU-T G.984.
Hệ thống GPON thông thường gồm một thiết bị kết cuối đường dây OLT và thiết bị kết cuối mạng ONU hay ONT được nối với nhau qua mạng phân phối quang ODN. Quan hệ giữa OLT và ONU là quan hệ điểm – đa điểm, một OLT sẽ kết nối với nhiều ONU. Hình 3-1 chỉ ra kiến trúc của GPON.
Hình 3-1: Cấu trúc mạng GPON
Trong kiến trúc này, OLT kết nối đến ONU qua splitter 1:N. N ở đây có thể lên đến 128. Khoảng cách truyền dẫn tối đa là 60 km. Lưu lượng up lên từ ONU được truyền ở bước sóng 1310 nm và down từ OLT là bước sóng 1490 nm và bước sóng 1550 nm được dùng để down video. Dữ liệu down xuống sẽ truyền tất cả các gói dữ liệu đến tất cả ONU và nó sẽ nhận gói mà đúng địa chỉ của nó cịn ở hướng up lên thì các gói từ các ONU sẽ truyền lần lượt các gói đến OLT thơng qua sự điều khiển của OLT. OLT sẽ qui định khe thời gian mà ONU nào được truyền tại thời điểm đó để có thể tránh được sự đụng độ.
Đồ án tốt nghiệp 22 Sinh viên: Bùi Thị Phong
3.1.1. Thiết bị kết cuối đường dây OLT (Optical Network Terminal)
Thiết bị kết cuối đường dây OLT lắp đặt tại phía nhà cung cấp dịch vụ (CO) thường được đặt tại các đài trạm. OLT kết nối mạng dịch vụ và phần mạng PON. Giao diện từ một OLT đến mạng dịch vụ được gọi là giao diện mạng dịch vụ SNI (Service Network Interface). Các khối chức năng chính của OLT được mơ tả trong hình 3-2.
Hình 3-2: Sơ đồ khối OLT OLT gồm các chức năng chính sau: OLT gồm các chức năng chính sau: OLT gồm các chức năng chính sau:
Chuyển đổi định dạng bản tin từ giao diện mạng dịch vụ sang giao diện khung bên trong mạng phần mạng GPON (khung GTC).
Quản lý ONU, bao gồm đăng kí ONU, điều chỉnh mức cơng suất và các thông số khác.
Điều khiển truy nhập mơi trường, bao gồm tính tốn thời gian trễ truyền dẫn, cấp phát băng thông…
Điều khiển khung đường lên và xuống.
3.1.1.1. Khối lõi PON (PON core shell)
Khối này gồm hai phần:
Phần giao diện ODN: chức năng kết nối các ONU với OLT.
PON TC: chức năng của PON TC bao gồm tạo khung, điều khiển truy cập phương tiện (Media Access Control Flow), OAM, DBA, quản lý ONU và lựa
Đồ án tốt nghiệp 23 Sinh viên: Bùi Thị Phong
chọn chế độ hoạt động (ATM/GEM). Mỗi PON TC có thể lựa chọn hoạt động theo một chế độ ATM, GEM hay Dual.
3.1.1.2. Khối kết nối chéo (cross - connect shell)
Khối này cung cấp chức năng kết nối và chuyển mạch giữa PON core shell và Service shell. Công nghệ để kết nối chéo phụ thuộc vào dịch vụ, các kiến trúc bên trong OLT. OLT cung cấp chức năng kết nối chéo tùy thuộc vào phương thức truyền dẫn đã lựa chọn (ATM/GEM).
3.1.1.3. Khối dịch vụ (service shell)
Phần này hỗ trợ chuyển đổi giữa giao diện dịch vụ và giao diện khung bên trong phần mạng PON.
3.1.2. Khối mạng quang ONU (Optical Network Unit)
Hình 3-3: Sơ đồ khối ONU
Khối mạng quang ONU được đặt ở phía trường thuê bao cho kết cuối truyền dẫn, cung cấp giao diện phía người dùng và được kết nối với mạng ODN. Giao diện