2.1 CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT TRUY NHẬP VÀ PHƯƠNG THỨC GHÉP KÊNH
2.1.1Công nghệ của mạng quang thụ động Gpon
Gpon là công nghệ truy nhập internet băng rộng qua đường truyền cáp quang,
ngoài chức năng kết nối internet, FTTH cho phép người dùng truyền tín hiệu Video, Chat IP, Hội nghị truyền hình, IPTV, truyền file dung lượng lớn, VPN…với tốc độ lên tới hàng chục Mbps tới 2.5 Gbps.
Hai công nghệ Ethernet PON (EPON) và Gigabit PON (GPON) ra đời đã mang lại giải pháp làm thông suốt hàng loạt vấn đề về truy nhập băng thông rộng. Với các lợi điểm về khả năng ghép kênh phân chia theo dải tần, khơng cần sử dụng nguồn ngồi, và tốc độ chiều xuống lên tới khoảng 2.5 Gbps, GPON đang được xem là công nghệ hiện đại ngày nay.
So sánh bằng các thử nghiệm với Active Ethernet (AON) công nghệ đang được đa số các nhà cung cấp sử dụng hiện nay, đã cho thấy khả năng hạn chế của AON: theo các thử nghiệm của nhà sản xuất, khi download 1 bộ phim HDTV 5.8 GB, khoảng 47 Gigabits thông tin truyền tải, GPON chỉ mất 2 phút, còn Active Ethernet mất 8 phút tại tốc độ truyền là 100 Mbps.
Ngoài ra với việc sử dụng các thiệt bị thụ động khơng cần nguồn điện, ít bị ảnh hưởng bởi môi trường như sét, điện từ trường… nên dịch vụ có độ ổn định và độ tin cậy cao. Thống kê cho thấy tỉ lệ lỗi thiết bị thụ động PON chỉ vài phần nghìn so với thiết bị tích cực AON là phần trăm.
GPON định nghĩa theo tiêu chuẩn ITU-T G984, được mở rộng từ chuẩn BPON
G983 bằng cách tăng băng thơng, nâng hiệu suất băng thơng nhờ sử dụng gói lớn, có độ dài thay đổi và tiêu chuẩn hóa quản lý, phương thức đóng gói GPON-GEM (Gpon Encapsulation Method) cho phép đóng gói lưu lượng người dùng rất hiệu quả, với sự phân đoạn khung cho phép chất lượng dịch vụ Qos (Quality of Service) cao hơn phục vụ lưu lượng nhậy cảm như truyền thoại và video. Gpon hỗ trợ tốc độ cao hơn, tăng cường bảo mật và chọn lớp 2 giao thức (ATM, GEM, Ethernet tuy nhiên trên thực tế ATM chưa từng được sử dụng), điều này cho phép GPON phân
ITU-T G984.1 (03/2003) “GPON:Genenal characteristics” cung cấp giao diện người dùng (UNI), giao diện nút dịch vụ (SNI) và một số dịch vụ, chuẩn này kế thừ hệ thống G982 (APON) và G.983.x (BPON) bằng việc xem xét lại dịch vụ hỗ trợ, chính sách bảo mật, tốc độ bit danh định.
ITU-T G984.2 (03/2003) “GPON:PMD layer specification” : chỉ ra các yêu cầu cho lớp vật lý và các chi tiết kỹ thuật cho lớp PMD, bao gồm các hệ thống có tốc độ hướng xuống 1244.160 Mbit/s, 2488.320 Mbit/s và hướng lên 155.520 Mbit/s, 622.080 Mbit/s, 1244.160 Mbit/s, 2488.320 Mbit/s. Mô tả cả hệ thống GPON đối xứng và bất đối xứng.
ITU-T G984.2 Amd1(2/2004) thêm phụ lục cho ITU-T G984.2, các xác minh về khả năng chấp nhận giá thành sản xuất công nghiệp đối với hệ thống GPON 2.488/1.244 Gbit/s.
ITU-T G984.3 (02/2004) “G-PON : TC layer specification” : mô tả lớp hội tụ truyền dẫn (Transmission convergence – TC) cho các mạng G-PON bao gồm định dạng khung, phương thức điều khiển truy nhập môi trường, phương thức ranging, chức năng OAM và bảo mật.
ITU-T G984.3 adm1 (07/2005) : cải tiến chỉ tiêu kỹ thuật lớp TC, sửa đổi hiệu chỉnh về từ ngữ G.984.3.
ITU-T G.984.3 Adm2 (03/2006) : thêm thông tin phần phụ lục ITU-T G984.3 cho phần kỹ thuật và định dạng tín hiệu hướng xuống.
ITU-T G984.3 Adm3 (12/2006) : sáng tỏ và cô đọng nội dung ITU-T G984.3 ITU-T G984.4 (06/2004) “GPON : ONT management and control interface specification”: cung cấp chỉ tiêu kỹ thuật giao diện điều khiển (OMCI) và quản lý ONT các hệ thống GPON.
ITU-T G984.4 Adm1 (06/2005) : sửa đổi bổ xung ITU-T G984.4 ITU-T G984.4 Adm2 (03/2006) : sửa đổi bổ xung ITU-T G984.4.
ITU-T G984.4 Adm3 (03/2006) : làm rõ nghĩa cho phần G-OMCI, mô tả các mức cảnh báo, giới hạn tốc độ các cổng Ethernet, OMCI cho OMCI, vận chuyển lưu lượng.
2.1.3 Các thông số kỹ thuật
Các thông số kỹ thuật cơ bản của mạng GPON:
Tốc độ truyền dẫn : Về cơ bản, GPON hướng tới tốc độ truyền dẫn lớn hơn hoặc bằng 1.2 Gbit/s, tuy nhiên, trong trường hợp dịch vụ xDSL khơng đối xứng cho FTTH hoặc FTTH thì khơng cần thiết đến tốc độ cao như vậy. GPON định nghĩa 7 dạng tốc độ bít như sau:
- 622 Mbit/s đường lên, 1,24416 Gbps đường xuống. - 1,24416 Gbps đường lên, 1,24416 Gbps đường xuống. - 155 Mbit/s Gbps đường lên, 2,48832 Gbps đường xuống. - 622 Mbit/s đường lên, 2,48843 Gbps đường xuống. - 1,24416 Gbps đường lên, 2,48832 Gbps đường xuống. - 2,48832 Gbps đường lên, 2,48832 Gbps đường xuống.
Khoảng cách vật lý:
Khoảng cách vật lý là khoảng cách vật lý lớn nhất giữa ONU/ONT và OLT. Trong mạng GPON, có hai tùy chọn cho khoảng cách vật lý là 10 km và 20 km. Đối với vận tốc truyền lớn nhất là 1.25 Gbit/s thì khoảng cách vật lý là 10 km.
Thơng số kỹ thuật khác :
- Bước sóng từ 1260-1360nm đường lên và 1480-1550nm đường xuống. - Đa truy nhập hướng lên : TDMA
- Cấp phát băng thông động DBW (Dynamic Bandwidth Allocation). - Loại lưu lượng : dữ liệu số.
- Khung truyền dẫn GEM.
- Dịch vụ như Ethernet, TDM, POST… - Tỉ lệ chia thụ động tối đa là 1;128. - Giá trị BER lớn nhất là : 10-12 .
- Phạm vi công suất luồng xuống :-3 đến 2 dBm (10km OND), từ 2 đến 7 dBm (20 km ODN). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Phạm vi công suất luồng lên : -1 đến +4 dBm (10Km và 20Km ODN). - Loại cáp tiêu chuẩn ITU-T Rec.G625.
- Suy hao tối đa giữa các ONU là : 15 db.
- Cự ly cáp tối đa : 20Km DFB laser luồng lên, 10 Km với Fabry- perot.
2.1.4 Một số vấn đề cần quan tâm khi thiết kế mạng
Việc tính tốn thiết kế mạng GPON ta cần quan tâm đến một số vấn đề sau - Băng tần hoạt động : Đối với hướng xuống, OLT phân phối các gói dữ liệu tới
- Dựa vào mạng và cơ sở hạ tầng có sẵn, chọn thiết bị thích ứng với cơng nghệ.
- Tính tốn, xác định bộ phân tách Splitter hiện nay phổ biến là 1:32 và 1:64. - Đảm bảo cự ly giữa OLT và ONU/ONT trong giới hạn cho phép (<20Km). - Đảm bảo các đặc tính kỹ thuật cơ bản lớp vật lý :
Khái niệm Hướng xuống Hướng lên
Bước sóng (nm) Dải thơng cơ bản
Dải thơng tăng cường(op1) Dải thơng tăng cường(op2)
1480-1500 1539-1565 1550-1560 1260-1360 1260-1360 1260-1360 Công suất ra Lớp A Lớp B Lớp C -3 đến -7,5 -2,5 đến +2 -0,5 đến +4 -7,5 đến 0 -5,5 đến +2 -3,5 đến +4 Suy hao kênh (tỷ
lệ chia 1:64) dB Lớp ALớp B Lớp C 20 25 30 20 25 30 Độ nhậy bộ thu (dBm) Lớp A Lớp B Lớp C -28,5 -28,5 -31,5 -28,5 -31,5 -34,5
Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật cơ bản của lớp vật lý
2.1.5 Kỹ thuật truy nhập và phương thức ghép kênh
Kỹ thuật truy nhập
Kỹ thuật truy nhập phổ biến là TDMA, là kỹ thuật chia băng tần thành các khe thời gian kế tiếp nhau, những khe này có thể ấn định trước cho mỗi khách hàng. + Cấu trúc khung hướng lên trong mạng GPON
Hình 2. 1 Cấu trúc khung hướng lên trong mạng Gpon (ITU-T Recommendation G983.1) (ITU-T Recommendation G983.1)
+ Cấu trúc khung hướng lên có chiều dài 125 μs, mỗi khung chứa một số truyền dẫn từ một hay nhiều ONU, bộ nhớ băng thông chỉ định việc truyền dẫn này, và do sự điều khiển của OLT, gồm có phần Header và phần payload trong phần header gồm có
+ Physical layer overhead (PLOu) : Overhead lớp vật ly : Đảm bảo hoạt động chính xác của lớp vật ly ( ví dụ sự sắp xếp các bit byte). Trong luồng bắt đầu truyền của ONT hướng upstream.
+ PLOAMu –Physical layer operations, administration and management upstream : Các hoạt động, quản ly và bảo dưỡng lớp vật ly. Chịu trách nhiệm cho quản ly chức năng khác nhau như active ONU, và thông báo các cảnh báo, 13byte PLOAMu gồm PLOAM bản tin được định nghĩa trong G983.1 và có nhiệm vụ bảo vệ chống lỗi bit bởi kiểm tra dư thừa chu kỳ CRC ( cyclic redundancy check) theo chuẩn phát hiện lỗi và sửa lỗi.
+ DBRu ( Dynamic bandwidth report ) : Báo cáo băng thông động
Trường thông báo cho OLT chiều dài hàng đợi của mỗi allocID của 1 ONT, điều này thì cho phép hoạt động chính xác của q trình phân bổ băng thơng động cấp phép cho ONT, chứa trạng thái lưu lượng T-CONT DBRu được bảo vệ bởi CRC. Quá trình truyền của trường PLOAMu, PLSu, và DBRu thì tùy thuộc vào cờ trong US BW map của luồng downstream.
Hình 2.2 Mơ tả chi tiết khung hướng lên GTC Nguồn :ITU-T Recommendation G.983.1 Nguồn :ITU-T Recommendation G.983.1
+ Vùng san bằng cơng suốt PLSu có kích thước 120 byte, ONU sử dụng cho việc đo công suất, điều chỉnh mức công suất ONU, vùng này được gửi khi có chỉ thị cờ.
Cấu trúc phần tải của khung hướng lên
+ Phần tải : Phần tải hướng lên có thể là cell ATM, khung GEM, hay báo cáo DBA, phần tải AMT hướng lên có 53 byte, phần tải hướng lên GEM có chứa một số khung GEM.
+ Phần tải hướng lên DBA chưa báo cáo phân bổ băng thông động từ ONU, báo cáo băng thông động đầu tiên được xếp hàng ở các byte đầu tiên tại vị trí bắt đầu phân bổ, tất cả báo cáo thì liên tiếp nhau, nếu chiều dài phân bổ khơng khớp với tồn bộ chiều dài báo cáo thì ONU sẽ bỏ bớt phần cuối của báo cáo hay đêm thêm các bit 0 ở phần cuối nếu khơng đầy đủ.
Hình 2. 1 Báo cáo DBA ở hướng lên (ITU-T Recommendation G.983.1) (ITU-T Recommendation G.983.1)
Truy cập phân kênh theo thời gian TDMA
Trong mạng GPON đơn bước sóng, người ta sử dụng truy cập phân kênh theo (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2. 2 Truy cập phân kênh theo thời gian ở hướng lên trong mạng Gpon
Trong hướng lên (từ nhiều ONU đến OLT), PON là một mạng đa điểm – điểm, tức là nhiều ONU truyền đến OLT. Vì thế, luồng duex liệu từ những ONU khác nhau nếu truyền dữ liệu đồng thừi có thể gây đụng độ, chính vì thế, trong hướng lên PON cần triển khai một vài kỹ thuật phân chia kênh để chống đụng độ và phân chia công bằng dung lượng và tài nguyên kênh trung kế sợi ( sợi quang nằng giữa OLT và bộ tách, ghép).
Giải pháp PON đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA PON : Time Division Multiplex Access PON ) được đưa ra để ngăn chặn đụng độ dữ liệu, tức là mỗi ONU chỉ được truyền trong khe thời gian dành riêng của nó. Trong đó, hướng lên dùng một bước sóng đề truyền dữ liệu và hướng xuống dùng một bước sóng khác để truyền dữ liệu. ở mỗi phía (ONU và OLT) đều có bộ thu để tách các kênh cho bộ thu và bộ phát dữ liệu.
Việc truyền dữ liệu từ OLT xuống ONU có thể thực hiện theo phương thức quảng bá hay multicast. Mỗi gói mang một header duy nhất xác định dữ liệu nó định phân phát cho các ONU. Tại bộ tách, luồng được phân chia thành các tín hiệu riêng rẽ, mỗi tín hiệu mang tất cả các gói gửu đến ONU, ONU sẽ nhận gói được gửi cho khách hàng (User) của mình và bỏ đi các gói mà gửi cho User trong ONU khác.
Hình 2. 3 Truyền dữ liệu hướng lên trong TDMA PON
Hình 2.5 chỉ ra luồng lên được quản ly như thế nào, bằng cách tận dung phân chia kênh truyền theo thời gian, mỗi khe thời gian được dành riêng cho một ONU. Khe thời gian được đồng bộ để gói lên từ một ONU khơng gây trở ngại với các gói dữ liệu từ ONU khác khi được ghép và chung một sợi. Ví dụ, ONU -1 truyền gói của nó trong khe thời gian đầu tiên, ONU-2 truyền gói dữ liệu của nó trong khe thời gian thứ 2, và ONU-3 truyền gói của nó trong khe thời gian thứ 3.
Tại OLT cần một bộ thu đơn ( không cần dùng bộ thu điều chỉnh bước sóng như trong WDMA PON) dùng phương pháp này thì băng thơng dành cho ONU sẽ thấp hơn sới với WDMA PON. Tuy nhiên, đặc tính này cũng cho phép TDMA PON thay đổi hiệu quả băng thông chỉ định cho mỗi ONU bằng cách thay đổi kích cỡ khe thời gian, hay thậm chí triển khai đa hợp để tận dụng băng thông dùng được trong PON.
Phương thức ghép kênh
Phương thức ghép kênh trong GPON là ghép kênh song hướng. Các hệ thống GPON hiện nay sử dụng phương thức ghép kênh phân chia không gian. Đây là giải pháp đơn giản nhất đối với truyền dẫn song hướng. Nó được thực hiện nhờ sử dụng những sợi riêng biệt cho truyền dẫn đường lên và xuống. Sự phân cách vật lý của các hướng truyền dẫn tránh được ảnh hưởng phản xạ quang trong mạng và cũng loại bỏ vấn đề kết hợp và phân tách hai hướng truyền dẫn, điều này cho phép tăng được quỹ công suất trong mạng, việc sử dụng hai sợi quang làm cho việc thiết kế trở lên mềm dẻo hơn và làm tăng độ khả dụng bởi vì chúng ta có thể mở rộng mạng bằng cách sử dụng những bộ ghép kênh theo bước sóng trên một hoặc hai sợi.
Khả năng mở rộng mạng này cho phép phát triển dần dần những dịch vụ mới trong tương lai, hệ thống này sẽ sử dụng cùng bước sóng, cùng bộ phát và bộ thu như nhau cho hai hướng nên chi phí cho những phần tử quang điện sẽ giảm.
Nhược điểm chính của phương thức này là cần gấp đôi số lượng sợi, mối hàn và connector và trong GPON hình cây thì số lượng bộ ghép quang cũng cần gấp đơi, tuy nhiên chi phí về sợi quang, phần tử thụ động và kỹ thuật hàn nối vẫn đang giảm và trong tương lai nó chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ trong tồn bộ chi phí hệ thống.
GPON định nghĩa hai phương thức đóng gói ATM và GEM (GPON
Encapsulation method). Các ONU và OLT có thể hỗ trợ cả T-CONT nền ATM và GEM.
Phương thức đóng gói dữ liệu GPON GEM sử dụng để đóng gói dữ liệu qua mạng GPON, GEM cung cấp khả năng thông tin kết nối định hướng tương tự ATM, GPON cho phép hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ khách hàng khác nhau. Khách hàng ATM được sắp xếp trong suốt vào khung GEM trên cả hai hướng. Khách hàng TDM được sắp xếp vào khung GEM sử dụng thủ tục đóng gói GEM. Các gói dữ liệu bao gồm cả các khung Ethernet cũng được sắp xếp sử dụng thủ tục đóng gói GEM. GEM cũng hỗ trợ việc phân mảnh hoặc chia nhỏ các khung lớn thành các phân mảnh nhỏ và ghép lại ở đầu thu nhằm giảm trễ cho các lưu lượng thời gian thực.
Lưu lượng dữ liệu bao gồm các khung Ethernet, các gói tin IP, IPTV, Voip và các loại khác giúp cho việc truyền dẫn khung GEM hiệu quả và đơn giản. GPON sử dụng GEM mang lại hiệu quả cao trong truyền dẫn tải tin IP nhờ sử dụng tới 95% băng thông cho phép trên kênh truyền dẫn.
Bảo mật và mã hóa sửa lỗi
Mạng GPON là mạng điểm – đa điểm nên dữ liệu hướng xuống có thể nhận
được bởi tất cả các ONU do hướng xuống là quảng bá, Gpon sử dụng bảo mật hướng xuống với chuẩn mật mã tiên tiến AES ( Advanced Encrytion Standard), dữ liệu thuê bao trong khung luồng xuống được bảo vệ thơng q lược đồ mật mã hóa AES và chỉ phần tải lưu lượng trong khung được mã hóa. Hướng lên xem như liên kết điểm – điểm và khơng sử dụng mã hóa bảo mật.
Sửa lỗi tiến FEC ( Forward Error Correction ) Công nghệ GPON sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FEC, FEC mang lại kết quả tăng quỹ đường truyền lên 3-4 db ( độ lợi mã hóa ) vì vậy cho phép tăng tốc độ bit và khoảng cách giữa OLT và ONT cũng như hỗ trợ tỉ số chia lớn hơn trong mạng. FEC được tùy chọn sử dụng trong cả hướng lên và hướng xuống, dùng mã Reed Solomon thường là RS (255,239).
Khả năng cung cấp băng thông và dịch vụ