ƢƠN 2 : CÔNG NGHỆ MẠNG QUANG THỤ ỘNG PON
2.4. Các chuẩn PON
2.4.1. APON/BPON
PON/BPON được chuẩn hóa bởi ITU-T. APON (ATM-PON) và BPON (Broadband PON) là tên khác nhau của kiến trúc TDM-PON dựa trên ITU-T G.983. Tên BPON phục vụ cho mục đích tiếp thị, cịn tên PON thì nói rõ khung TM được dùng để truyền trong chuẩn ITU-T G.983. TM có 53 cell trong đó 5 cell header và 48 cell tải. Bởi vì kích cỡ cố định, ATM có thể đảm bảo chất lượng dịch vụ ví dụ như phân bổ băng thông, đảm bảo độ trễ... TM được thiết kế hỗ trợ cả thoại và dữ liệu vì thế mà nó phù hợp cho ứng dụng FTTH.
2.4.1.1. Mô tả hệ thống APON/BPON
Hình 2.7 chỉ ra kiến trúc của BPON (Broadband PON). Trong kiến trúc này, OLT kết nối đến ONU qua splitter 1:N. Khoảng cách truyền dẫn tối đa là 10-20 km. Lưu lượng up lên từ ONU được truyền ở bước sóng 1310 nm và down từ OLT là bước
Thông số APON/BPON GPON EPON
Tốc độ bit Down: 155, 622, 1244 Mbps Up: 155, 622 Mbps Down: 155, 622, 1244, 2488 Mbps Up: 155, 622, 1244 Mbps Down và up: 1250 Mbps Khoảng cách
Tối đa: 20km Tối đa: 60km Tối đa: 20km
Quỹ suy hao 10-25 / 10-28 /15-30 dB 5-20 / 10-25 / 13-28 / 15-30 dB 5-21 / 10-26 dB
Bộ chia Tối đa: 1:64 Tối đa: 1:128 Tối đa: 1:16 Bước sóng Down:1480-1500nm Up: 1260-1360 nm Cung cấp tín hiệu video ở 1550 nm Down:1480-1500nm Up: 1260-1360 nm Cung cấp tín hiệu video ở 1550 nm Down:1480-1500nm Up: 1260-1360 nm Cung cấp tín hiệu video ở 1550 nm
Giao thức Cell ATM Khung GEM Khung Ethernet
Dịch vụ Ethernet, TDM, POTS
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.
Hình 2. 7 Mơ hình hệ thống BPON
Trong thiết bị, OLT thường được tạo thành line card và được ghép vào trong bộ khung và kết nối đến mạng lõi/metro. Cịn ONU thì có một hay nhiều port dành cho kết nối thoại (T1/E1) và data (10/100BASE-T Ethernet) đến khách hàng.
G.983.1 là khuyến nghị cho PON/BPON ra đời năm 1998 với tốc độ 155.52Mbps và 622.08Mbps. Phiên bản mới hơn ra đời năm 2005 thêm vào tốc độ truyền dẫn 1244.16 Mbps. Nhà cung cấp dịch vụ APON/GPON có thể lựa chọn thực thi tốc độ truyền dẫn down và up đối xứng hay bất đối xứng.
Bảng 2. 3 chỉ ra sự kết hợp tốc độ down và up của APON/BPON
Tốc độ down(Mbps) Tốc độ up(Mbps) 155.52 155.52 622.08 155.52 622.08 622.08 124.16 155.52 124.16 622.08
Cả G.983.1 và G.984.1 ghi rõ giải pháp 2 sợi quang với sợi quang down và up chuyên dụng. Bước sóng 1310nm được dùng ở cả 2 hướng trong giải pháp 2 sợi. Tuy nhiên, trên thực tế không hệ thống nào triển khai giải pháp 2 sợi quang. Thứ nhất là do ở hướng down ta sử dụng bước sóng 1490 nm và up sử dụng bước sóng 1310 nm, hai bước sóng này khác nhau ta có thể sử dụng trên cùng một sợi quang mà không gây nhiễu trên đường truyền, thứ hai ta có thể tiết kiệm được chi phí và đơn giản hơn trong việc lắp đặt.
Tất cả chuẩn ITU-T PON có 3 loại thiết kế lớp truyền dẫn quang giữa OLT và ONU với suy hao mạng phân phối quang ODN khác nhau. 3 loại được chỉ định trong ITU-T G.982 là:
Loại A: 5–20 dB Loại B: 10–25 dB Loại C: 15–30 dB
Thiết kế loại C thì u cầu quỹ cơng suất rất nghiêm ngặt về sợi quang. Vì các lý do thực tế và chi phí, loại B+ với suy hao 28 dB được giới thiệu ở hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ.
2.4.1.2. Kiến trúc phân lớp APON/BPON
Mơ hình phân lớp mạng TM được trình bày trên hình 2.8 gồm có lớp đường và lớp mơi trường truyền dẫn, lớp môi trường truyền dẫn phân chia thành lớp môi trường vật lý và lớp hội tụ truyền dẫn TC.
Trong mạng ATM-PON lớp đường tương ứng với lớp đường ảo của lớp ATM. Lớp vật lý thực hiện giao tiếp quang của mạng (hay chính là mạng phân phối quang ODN). Lớp này thực hiện các chức năng: chuyển đổi điện-quang, nhận/truyền các tín hiệu đến/đi ở lớp vật lý tại một trong ba bước sóng 1310, 1490, 1550nm, kết nối với sợi quang của ODN.
Lớp hội tụ truyền dẫn T tương ứng với lớp 2 trong mơ hình OSI. Lớp TC được phân chia thành lớp con truyền dẫn PON và lớp con thích ứng. Lớp con thích ứng được chuẩn hóa dựa trên chuẩn TM trên cơ sở cáp đồng truyền thống [ITU I.732]. Chức năng của lớp này là chuyển đổi khung 125us thành cell ATM. Lớp con truyền dẫn PON thì thực hiện các chức năng như sắp xếp, cấp phát khe thời gian, cấp phát băng tần, bảo mật, đồng chính khung, đồng bộ burst, đồng bộ bit/byte.
Hình 2. 8 Kiến trúc phân lớp APON/BPON
Trong hệ thống APON/BPON, các kết nối giữa 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- Virtual Path Identifier) và nhận dạng kênh ảo (VCI- Virtual Channel Identifier) mà nó được ghi vào trong cell bao gồm luồng dữ liệu của nó. VPI và VCI là số liệu cung cấp các cấp khác nhau của tín hiệu TM được ghép hay chuyển mạch. Nhiều mạch ảo VC có thể tồn tại đường ảo riêng. Một kết nối TM được chỉ định bởi cặp VPI/VCI.
2.4.1.3. Bước sóng trong APON/BPON
Trường hợp hệ thống truyền 2 sợi quang, hệ thống APON/BPON dành vùng cửa sổ bước sóng 1260-1360 nm cho cả hướng down và up. Trường hợp truyền một sợi, vùng bước sóng 1480-1500 nm được dùng ở hướng down, vùng bước sóng 1260- 1360 nm dùng ở hướng up và vùng mở rộng. Vùng mở rộng gồm 2 phần: phần 1 ở bước sóng 1539-1565 nm cung cấp các dịch vụ kĩ thuật số và phần 2 ở bước sóng 1550-1560 nm dùng cho việc phân phối video. Hai băng từ 1360-1480 nm, từ 1565 trở đi được dành cho nghiên cứu ở tương lai. Hình 2.9 Mơ tả kế hoạch phân bố bước sóng của ITU-T G983.3.
Hình 2. 9 Kế hoạch phân bổ bƣớc sóng của ITU-T G.983.3
2.4.2. GPON
GPON viết tắt của từ Gigabit Passive Optical Network. GPON là sự phát triển của APON/GPON nó hoạt động ở tốc độ lên tới hàng Gbps và đã được chuẩn hóa thành ITU-T G.984. GPON khơng phụ thuộc vào ATM, GPON sử dụng lớp con truyền dẫn hội tụ (GTCGPON Transmission Convergence), khung GTC có thể đóng gói các cell ATM. Khơng giống như PON/BPON, khung GT có thể đóng gói trực tiếp các gói dữ liệu thơng qua phương pháp đóng gói GPON (GEM- GPON Encapsulation Method). Phần tải khung GTC chứa cả ATM và GEM.
2.4.2.1. Mô tả hệ thống GPON
Kiến trúc GPON thì tương tự PON/BPON. Tuy nhiên, đối với hệ thống GPON thì tốc độ tăng lên đến hàng Gigabit và đồng thời bộ chia splitter ở đây lên tới 1:128 trong khi đó bộ chia splitter của APON/GPON chỉ có 1:32 và khoảng cách tối đa giữa OLT và ONU lên tới 60 km chứ không phải là 20 km như trong PON/BPON.
Bảng 2. 4 Liệt kê tốc độ bit của GPON trong G.984.3
Tốc độ down(Mbps) Tốc độ up(Mbps) 1244.16 155.62 1244.16 622.08 1244.16 1244.16 2448.32 155.62 2448.32 622.08 2448.32 1244.16 2448.32 2448.32
Khi tốc độ bit tăng lên đến hàng Gigabit thì cần có bộ phát cơng suất cao và do đó dẫn đến là cũng cần có bộ thu có độ nhạy cao hơn. iều này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng cơ chế cân bằng công suất. ơ chế cân bằng công suất hỗ trợ cho việc điều chỉnh các mức công suất của ONU làm giảm vùng chênh lệch công suất nhận được ở OLT. Một ONU ở gần OLT thì suy hao thấp, sẽ khởi tạo cơng suất nhỏ hơn ONU ở xa.
2.4.2.2. Lớp truyền dẫn hội tụ GPON
Chức năng chính của lớp truyền dẫn hội tụ GPON (GTC- GPON Transmission onvergence) là để cung cấp ghép kênh vận chuyển giữa OLT và ONU. Các chức năng khác bao gồm:
Thích nghi với giao thức tín hiệu lớp con.
Các chức năng hoạt động, quản lý và bảo dưỡng lớp vật lí PLOAM. Giao diện phân phối băng tần động.
Sắp xếp và đăng kí ONU. Sửa lỗi (mặc định).
Mật mã luồng dữ liệu down xuống (mặc định). Kênh thông tin cho OMCI.
Chức năng GT :
Hệ thống GTC cung cấp điều khiển đa truy nhập cho lưu lượng up lên. Trong khái niệm cơ bản, các khung down chỉ thị vùng được phép truyền lưu lượng up lên trong khung up lên đồng bộ với khung down.
Khái niệm điều khiển đa truy nhập GPON được mơ tả ở hình 2.10. OLT gửi các con trỏ trong khối điều khiển vật lí PCBd, các con trỏ này chỉ thị thời gian bắt đầu và kết thúc mà mỗi container truyền dẫn (T-CONT) có thể dùng để truyền dữ liệu up lên. Bằng cách này, chỉ có một ONU truy nhập mạng tại bất kì thời điểm nào khơng có sự tranh chấp trong hoạt động bình thường. Các con trỏ được đưa vào các khối byte, cho phép OLT điều khiển môi trường mạng với tốc độ 64 kbps. Tuy nhiên, chuẩn cho phép nhà khai thác dịch vụ thêm các tốc độ lớn hơn.
Hình 2. 10 Khái niệm điều khiển đa truy nhập GPON
2.4.3. EPON
EPON là từ viết tắt của Ethernet Passive Optical Network. EPON thì tương tự như mạng quang chủ động Ethernet, nó được chuẩn hóa bởi IEEE 802.3. Giao thức sử dụng trong EPON là sự mở rộng của IEEE 802.3 hoạt động tốc độ lên tới Gbps. EPON sử dụng giao thức điều khiển đa điểm (MPCP-Multipoint control protocol) – sử dụng lớp con mô phỏng P2P với 2 byte nhãn gói Ethernet và vùng nhận dạng đường link được số hóa (LLID-Logical link identification).
2.4.3.1. Kiến trúc lớp Ethernet và EPON
Ethernet bao gồm lớp vật lí và lớp liên kết dữ liệu của mơ hình OSI. Hình 2.11 biểu diễn sự so sánh mơ hình các lớp của Ethernet P2P truyền thống và kiến trúc P2MP EPON.
Từ hình 2.11 ta thấy lớp EPON thì tương tự với Ethernet P2P truyền thống. Chuẩn Ethernet chia lớp vật lí và lớp liên kết dữ liệu thành nhiều lớp con. Lớp vật lí kết nối với lớp liên kết dữ liệu sử dụng giao diện MII (Media-independent Interface) hay GMII (Gigabit Media-independent Interface).
Hình 2. 11 Kiến trúc lớp P2P Ethernet và lớp P2MP EPON
Lớp con MAC mặc định trong Ethernet P2P được thay bằng lớp điều khiển đa truy nhập (MPMC- Multipoint media access control) có tính bắt buộc trong EPON. Lớp MPMC chạy giao thức điều khiển đa điểm (MPCP- Multipoint control protocol) để sắp xếp truy cập đến môi trường mạng quang thụ động PON bị chia sẻ giữa các ONU trong EPON. Mặc dù các ngăn xếp của OLT và ONU trơng có vẻ gần giống nhau (hình 2.11), MP P trong OLT đóng vai trị là chủ cịn MP P trong ONU đóng vai trị là tớ. Sự thống nhất lớp con cũng được mở rộng trong EPON để điều khiển chức năng mô phỏng P2P để mà IEEE 802.1 có thể dùng tiếp trong EPON.
Giao thức truyền dẫn EPON dựa trên cấu trúc chuẩn của khung Ethernet, nó khai thác kĩ thuật TDM ở hướng down và TDMA ở hướng up lên. EPON qui định thông lượng đối xứng ở cả 2 hướng up và down với tốc độ 1 Gbps, và kế thừa mã đường dây 8B/10B được dùng trong chuẩn Etherne gigabit IEEE802.3z. Việc mã hóa 8B/10B thêm vào tốc độ tăng lên 1.25 Gbps, mã 8B/10B làm cho ngõ ra cân bằng điện áp D và đủ truyền cho việc khôi phục xung clock dễ dàng.
Dữ liệu được truyền trong khung Ethernet và mỗi ONU chỉ nhận khung được đánh địa chỉ là nó. Ở hướng up mỗi ONU được cấp cho một khe thời gian riêng và
ONU có thể truyền trên khe được dành riêng này. Bước sóng hoạt động của EPON là 1490 nm ở hướng down và 1310 nm ở hướng up.
2.4.3.2. khung Ethernet
EPON truyền dữ liệu như là khung Ethernet tự nhiên trong mạng quang thụ động PON. Khung Ethernet có kích cỡ khác nhau. Dạng khung Ethernet chuẩn được biểu diễn ở hình 2.12. Bắt đầu khung là lời mở đầu và 1 byte bắt đầu ranh giới (SFD- start frame delimiter) để báo hiệu bắt đầu khung. Chuẩn EPON sắp xếp lời tựa có thể thay đổi để truyền LLID cho ONU.
Mỗi khung truyền địa chỉ M đích và nguồn, mỗi vùng này chiếm 6 byte. 2 byte chỉ chiều dài/loại được dùng để mô tả chiều dài tải khi giá trị của nó trong khoảng 0-1500. Khi giá trị của nó chạy từ 1,536-65,535, nó được dùng để mô tả loại khung Ethernet. Mục đích của vùng này để biểu diễn chiều dài và loại khung. Tiếp theo sau tải là 4 byte kiểm tra khung (FCS-Frame Check Sequence) sử dụng CRC (Cyclic Redundancy Check).
Hình 2. 12 Khn dạng khung Ethernet chuẩn
Hình 2.12 mơ tả khung Ethernet truyền các byte mở đầu tối thiểu để truyền thơng tin quản lí và giao thức. Trong vùng Ethernet, thơng tin quản lí và O M được truyền sử dụng các khối dữ liệu giao thức (PDU-Protocol Data Unit) và các khung OAM, chúng là các khung Ethernet chuẩn nhận dạng bởi giá trị chiều dài/loại riêng. Thông tin giao thức và O M được truyền trong vùng tải của khung PDU và OAM. Các khung này được ghép trong dải băng với các khung Ethernet khác truyền dữ liệu của user thực sự.
2.4.4. So sánh EPON và GPON
Từ quan điểm kĩ thuật, một điểm khác nhau cơ bản giữa GPON và EPON là cách hỗ trợ mạch TDM. GPON chia tín hiệu up và down thành khung 125µs. Khung dữ liệu được đóng gói sử dụng kĩ thuật đóng gói GEM. ịn trong EPON khung Ethernet có chiều dài có thể thay đổi được dùng ở lớp vận chuyển. Mơ phỏng mạch thì cần để thực hiện mạch TDM có băng thơng cố định.
Trong khi EPON thì tối ưu hóa vận chuyển gói Ethernet, đóng gói GEM cho phép thích nghi hơn với dạng tín hiệu khác. Trong hệ thống EPON, chức năng báo cáo và chấp nhận băng thông được bổ sung sử dụng MPCPDU. Mỗi port ONU với LLID khác nhau yêu cầu khung Gate và Report riêng, mà chúng là khung Ethernet. Càng nhiều ID được phân phối thì càng có nhiều overhead của giao thức điều khiển đa điểm MP P. Trái ngược lại, các chức băng báo cáo và nhận băng thơng GPON có thể được đội lên thành phần đầu của khối điều khiển vật lí PCB của khung GTC. Mỗi PCBd chứa thông tin phân phối băng thông cho tất cả container truyền dẫn được phân bổ. iều này làm cho GPON hiệu quả hơn so với EPON.
Bộ chia 1:32 cho EPON và GPON, hệ thống EPON cung cấp băng thông trung bình là 31.25 Mbps trên mỗi ONU ở cả hướng down và up, trong khi GPON với tốc độ truyền 2488Mbps đối xứng ở hướng down và up thì băng thơng cấp cho mỗi ONU là 77.75 Mbps.
ƢƠN 3: THIẾT KẾ TUYẾN FTTH MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM OPTISYSTEM
3.1. Ý tƣởng thiết kế
Tính tốn thiết kế một số tuyến quang FTTH khoảng 27.000 thuê bao trong phạm vi Huyện Ninh Phước, Tỉnh Ninh Thuận. Sử dụng phần mềm chuyên dụng OptiSystem để kiểm chứng và đánh giá chất lượng tín hiệu trong hệ thống.
3.2. Sơ đồ khối thiết kế mạng FTTH cho 27000 thuê bao dựa trên công nghệ PON
Ở đây ta thiết kế mơ hình FTTH cho 27.000 thuê bao trong khu vực Huyện Ninh Phước với 8 xã và 1 thị trấn. Vậy nên từ trạm chính của thành phố (VNPT Tỉnh Ninh Thuận, 2 , ường 21/8, Thành phố Phan Rang - Tháp Chàm, Tỉnh Ninh Thuận) ta sẽ dùng bộ chia 9 để đưa về 9 thị trấn, xã của huyện Ninh Phước rồi từ các thị trấn, xã này lại phân về đến từng thuê bao.
3.3. Mô phỏng bằng phần mềm OptiSystem
3.3.1. Giới thiệu phần mềm OptiSystem
OptiSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang. Phần mềm này có khả năng thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa rất nhiều loại tuyến thơng tin quang, dựa trên khả năng mơ hình hóa các hệ thống thơng tin quang trong thực tế. Bên