b. Phân định băng thông động
3.3. Mô phỏng mạng FTTH trên nền GPON
3.3.1. Giới thiệu sơ lược về 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 thông tin quang, dựa trên khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế.
Chương III: Thiết kế triển khai mạng FTTH theo chuẩn GPON
Lợi ích:
− Cung cấp cái nhìn toàn cầu vào hiệu năng hệ thống.
− Đánh giá sự nhạy cảm tham số giúp đỡ việc thiết kế chi tiết kỹ thuật. − Trực quan trình bày các tùy chọn thiết kế và dự án khách hàng tiềm năng. − Cung cấp truy cập đơn giản để tập hợp rộng rãi các hệ thống đặc tính dữ liệu. − Cung cấp các tham số tự động quét và tối ưu hóa.
− Tích hợp với họ các sản phẩm Optiwave
Optisystem tạo ra để đáp ứng nhu cầu của các nhà khoa học nghiên cứu, kỹ sư viễn thông quang học, tích hợp hệ thống, sinh viên và một loạt các người dùng khác, OptiSystem đáp ứng các nhu cầu của thị trường lượng tử ánh sáng phát triển mạnh mẽ nhưng vẫn dễ sử dụng công cụ thiết kế hệ thống quang học.
3.3.2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng mạng quanga. Tỉ lệ lỗi bit BER a. Tỉ lệ lỗi bit BER
Định nghĩa: Là tỉ lệ bit bị lỗi trên tổng số bit truyền đi. Trong đó, xác suất lỗi
bit là một trong những cách hiệu quả để đánh giá tín hiệu một cách định lượng.
Khi máy thu nhận được tín hiệu quang, nó sẽ chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện thông qua một photodiode. Sau đó, tín hiệu điện lại được khuếch đại tín hiệu nhờ một bộ khuếch đại. Tín hiệu này sau đó được lấy mẫu để tương ứng với mỗi bit, ta có một mức điện thế xác định. Với một ngưỡng cho trước, mức tín hiệu nào lớn hơn ngưỡng thì là bit “1”, ngược lại là bit “0”. Nếu nhiễu quá lớn, các mức điện thế có thể vượt qua ngưỡng để được đọc thành bit “1” và ngược lại tạo ra lỗi.. Nhờ kĩ thuật mã hóa sửa sai FEC, người ta có thể hạ thấp tỉ lệ lỗi bit từ 10-4 xuống còn 10-12. Tuy nhiên, thông thường tỉ lệ lỗi bit trong tín hiệu quang thường là 10-9. Cách tính BER với nhiễu biên độ tuân theo hàm phân bố Gaussian.
Chương III: Thiết kế triển khai mạng FTTH theo chuẩn GPON
Hình 3.5 (a) Tín hiệu nhận được ở bộ thu. (b) Hàm phân bố xác suất bit “1” và “0”
Hình (a) chỉ ra dạng tín hiệu nhận được. Giá trị dòng điện I dao động từ I0 tới I1
và ID là dòng ngưỡng. Nếu I > ID thì đó là bit “1” còn ngược lại đó là bit “0”. BER có thể được tính theo xác xuất lỗi bit:
BER = P(1)P(0/1) + P(0)P(1/0) (4.1) Trong đó:
− P(1) và P(0) là xác suất nhận được bit 1 và 0. − P(0/1) là xác suất lựa chọn bit 0 khi bit 1 được nhận − P(1/0) là xác suất lựa chọn bit 1 khi bit 0 được nhận − Do có thể xảy ra trường hợp: P(1) = P(0) = 1/2. Khi đó:
BER = [P(0/1) + P(1/0)] (4.2)
Hình b chỉ ra xác suất P(0/1) và P(1/0) phụ thuộc vào hàm mật độ xác xuất P(I). Dạng hàm P(I) phụ thuộc vào thống kê nguồn nhiễu. Với nhiễu biên độ tuân theo hàm phân bố Gaussian, ta có:
Chương III: Thiết kế triển khai mạng FTTH theo chuẩn GPON
(4.3)
(4.4) ( Mỗi một hàm Gaussian có một giá trị σ khác nhau.)
Trong đó erfc là hàm bù lỗi được định nghĩa như sau:
(4.5)
Thay vào công thức trên ta có:
(4.6)
Phương trình này chỉ ra rằng BER phụ thuộc vào dòng ngưỡng ID. Trên thực tế ID được đánh giá dựa trên giá trị BER nhỏ nhất. Trường hợp nhỏ nhất khi ID được chọn theo công thức: (4.7) Tính xấp xỉ ta có : ( 4.8) Suy ra: (4.9) Ta có: σ0 = σ1,
Chương III: Thiết kế triển khai mạng FTTH theo chuẩn GPON
(4.10) Khi đó, BER min. Khi đó P(1/0) = P(0/1). Điều này có thể nhìn thấy rõ trong hình (b). Thay các giá trị tìm được vào công thức tính BER ta có:
Với:
(4.12)
Phương trình trên chỉ ra mối quan hệ giữa BER và hệ số Q: Q giảm thì BER tăng và ngược lại. Ta có thể thấy rõ điều đó thông qua đồ thị dưới đây:
b. Hệ số phẩm chất Q
Định nghĩa: Hệ số chất lượng tín hiệu là tỉ số tương đương với tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của tín hiệu điện ở bộ thu sau khi được khuếch đại. Hệ số này được tính dựa theo công thức (4.12).
Chương III: Thiết kế triển khai mạng FTTH theo chuẩn GPON
c. Đồ thị mắt
Định nghĩa: Biểu đồ mắt hay mẫu mắt là một hình ảnh cho thấy rất rõ mức độ
méo của tín hiệu số. Ở đầu ra phần băng gốc của hệ thống (sau khi lọc băng gốc, trước khi lấy mẫu quyết định bit truyền là 1 hay 0), các hệ thống luôn có một điểm đo, từ đó dẫn tín hiệu vào một oscilloscope. Nếu tần số quét của oscilloscope bằng với tốc độ bit của tín hiệu thì trên màn hình hiển thị của oscilloscope, các tín hiệu sẽ dừng lại trùng lên nhau. Nếu xem mức tín hiệu dương là mí mắt bên trên, tín hiệu âm là mí mắt bên dưới, ta sẽ có một hình ảnh như một mắt người mở. Đó chính là mẫu mắt. Mẫu mắt với vô số tín hiệu đi vào oscillocscope thì chồng lên nhau. Những hình ảnh đó cho thấy mức độ méo của tín hiệu và độ dự trữ tạp âm.
Gọi giá trị đỉnh dương của tín hiệu không méo lý tưởng là 1 còn giá trị đỉnh âm của tín hiệu không méo lý tưởng là -1 thì độ mở của mẫu mắt lý tưởng sẽ là (2/2)x100% = 100%, trong thực tế thì độ mở mẫu mắt sẽ là khoảng trắng lớn nhất giữa các đường cong tín hiệu âm và dương, chia 2 và tín theo phần trăm. Mẫu mắt cảng mở (số % càng lớn ) thì chất lượng tín hiệu càng tốt. Ngược lại với độ mở mẫu mắt là độ đóng mẫu mắt
Mẫu mắt được gọi là mở nếu độ mở mẫu mắt lớn hơn 0. Mẫu mắt được gọi là đóng nếu độ mở bằng 0. Mẫu mắt thường là từ 20% – 30%, tùy theo hệ thống có mã chống nhiễu hay không. Mẫu mắt được xem là bình thường nếu ở khoảng lớn hơn 50 %. Thực tế thì yêu cầu lớn hơn, khoảng 75%.
Hình 3.7 Hệ số Q tính theo biên độ
Hình 3.8 mô tả chi tiết cách thức dựng lên đồ thị mắt. Giả sử ta có 8 chuỗi bit lần lượt là “000”, “100”, “010”, “110”, “111”, “001”, “101”, “011”, “111”. Ứng với
Chương III: Thiết kế triển khai mạng FTTH theo chuẩn GPON
các chuỗi bit đó ta có các dạng tín hiệu tương ứng. Ví dụ như với chuỗi bi “000”, ta sẽ có giá trị đỉnh âm của mẫu mắt (trong hình dưới lấy là đỉnh dương), với chuỗi bit “111”, ta sẽ có giá trị đỉnh dương của mẫu mắt (trong hình dưới lấy là đỉnh âm). Ngoài ra còn có một số chuỗi bit khác. Tổng hợp các chuỗi bit đó ta được đồ thị mắt tương ứng như hình vẽ. Nếu số chuỗi bit càng lớn thì hình dạng của biểu đồ mắt sẽ gồm rất nhiều đường chồng chập lên nhau. Ta có thể thấy rất rõ điều này trong biểu đồ mắt ở Hình 3.9. Ở đây, đồ thị mắt được lấy trong một chu kì bit, độ mở mắt là khoảng 50%, một con số có thể chấp nhận được trong thực tế.
Hình 3.8 Sự hình thành đồ thị mắt
Hình 3.9 cho ta thấy một kết quả thực tế của đồ thị mắt. Có rất nhiều chuỗi bit được tổng hợp lại ở phía thu tạo nên đồ thị mắt có hình dạng khá phức tạp.
Chương III: Thiết kế triển khai mạng FTTH theo chuẩn GPON
Hình 3.9 Đồ thị mắt
d. Mối quan hệ giữa đồ thị mắt và tỉ lệ lỗi bit BER
Đồ thị mắt thể hiện một cách trực quan các chuỗi bit “0” và “1” nhưng bỏ qua một số thông số khác. Thông thường, đồ thị mắt là sự kết hợp của các mẫu điện áp hoặc thời gian của các tín hiệu gốc. Một oscilloscope, có thể có tốc độ lấy mẫu là 10 Gbps. Điều đó có nghĩa là phần lớn các mẫu mắt được tạo ra từ một số ít các mẫu tín hiệu. Nhưng một vấn đề dễ gặp phải đó là khi số mẫu ít khi xuất hiện. Những kết quả này có thể có liên quan đến nhau, nhiễu liên quan đến hoặc xuất phát từ các hiệu ứng khác như hiệu ứng crosstalk và các hiệu ứng giao thoa. Nó có thể không xuất hiện trong đồ thị mắt nhưng nó lại ngăn cản việc liên kết các mức tín hiệu (có thể hiểu ở đây là các mức điện áp đặc trưng cho các bit “0” và “1”). Ví dụ để liên kết được các mức tín hiệu thì tỉ lệ lỗi bit là cỡ 10-12, trong khi đó thì đồ thị mắt thì chỉ hiện được tín hiệu ở mức 10-5. Sự mất mát những bit đó gây ra sự thiếu hụt về thông tin. Có thể khắc phục vấn đề đó bằng nhiều cách. Đầu tiên là xây dựng đồ thị mắt bằng cách đo các thông số về điện áp/thời gian với một mô hình có hiệu suất lấy mẫu lớn hơn. Giải pháp thứ 2 đó là sử dụng những mẫu bit trực tiếp từ đường truyền, điều đó sẽ tránh được điều kiện là sự giới hạn làm việc của thiết bị.
Chương III: Thiết kế triển khai mạng FTTH theo chuẩn GPON
3.3.3. Các tham số đặc trưng cho mạng GPON
a. Bước sóng hướng xuống 1490, 1550nm, hướng lên 1310nm
Hình 3.10 Phổ tín hiệu tại bước sóng 1490nm
Hình 3.11 Phổ tín hiệu tại bước sóng 1550nm
Các hình 3.10, 3.11, 3.12 cho ta thấy đồ thị biểu diễn phổ tại 3 bước sóng trong mạng GPON tương ứng là 1490nm, 1550nm cho hướng xuống và 1310nm cho hướng lên
Chương III: Thiết kế triển khai mạng FTTH theo chuẩn GPON
Hình 3.12 Phổ tín hiệu tại bước sóng 1310nm
b. Phương thức ghép kênh
Mạng GPON sử dụng phương pháp ghép kênh là TDM. Các tín hiệu khác nhau có tần số khác nhau nên để truyền đi trong sợi quang ở bước sóng 1490nm thì các kênh phải được phân chia trong những khoảng thời gian khác nhau. Một khung được phân chia ra làm 8 khe thời gian từ 0 đến 7. Mạng phân biệt giữa các ONT khác nhau đang truy nhập mạng để yêu cầu dịch vụ thông qua các khe thời gian được ấn định tạm thời cho các ONT. Ở đây, ta dùng cấp phát một khe thời gian.ONT thứ 1 được cấp phát ở khe 0, ONT thứ 2 được cấp phát ở khe thứ 1, ONT thứ 3 cấp phát ở khe thứ 2. Độ rộng mỗi khe thời gian là 50 ns.
Còn phương pháp truy cập ở đây là phương pháp đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA). Sự khác biệt rõ nhất giữa TDM và TDMA đó là TDM hoạt động ở lớp 1 còn TDMA hoạt động ở lớp 2 trong mô hình OSI. Ngoài ra, với TDM thì mỗi ONT chỉ được cấp phát riêng một khe thời gian ấn định, và khi truyền nó sẽ truyền trong khe thời gian đó, dù trong khe thời gian dành cho nó là rảnh thì cũng không có ONT nào được chiếm khe đó, còn với TDMA hiểu đơn giản là mỗi các khe thời gian được cấp phát động, cứ có khe nào rỗi thì ONT đó được phép chiếm khe thời gian đó để truyền dữ liệu.
Chương III: Thiết kế triển khai mạng FTTH theo chuẩn GPON
Hình 3.13 Phương thức ghép kênh TDM trong GPON
c. Phương thức điều chế NRZ
Chức năng cơ bản của mã đường dây:
Các tín hiệu lối ra của mạch xử lý tín hiệu băng gốc thường là các tín hiệu mà giá trị của tín hiệu không thay đổi trong suốt thời gian tồn tại của tín hiệu. Tức là trong suốt thời gian của bit “1” thì giá trị logic của tín hiệu là 1 và trong suốt thời gian của bit “0” thì giá trị logic của tín hiệu là bit 0 (người ta gọi là tín hiệu NRZ). Nhưng khi truyền tín hiệu trên một khoảng cách lớn sẽ gây méo và suy hao lớn tức là chất lượng tín hiệu thu hay tỉ lệ lỗi bit sẽ cao. Ngoài ra, khi xử lý tín hiệu, nhằm phối hợp mạch điện, tạo ra phân cách lý tưởng về điện và giảm xuyên nhiễu người ta thường dùng các loại biến áp (cách ly). Các biến áp cho thành phần một chiều đi qua và loại bỏ thành phần xoay chiều. Các tín hiệu nhị phân đơn cực (chỉ có hai mức điện áp là 0 và 1) lại chứa trong phổ của nó thành phần một chiều và các thành phần tần số thấp có năng lượng rất cao, do đó khi truyền qua biến áp sẽ gây méo lớn.
Mặt khác, một vấn đề quan trọng trong xử lý tín hiệu băng gốc đó là tách tín hiệu định thời từ tín hiệu được chuyển tới. Tín hiệu định thời thường được tách từ các chuyển đổi cực tính xung thành phần. Trong trường hợp sử dụng các tín hiệu NRZ thì việc tách các tín hiệu định thời là rất khó khăn vì giả sử tín hiệu định thời là bit “1” và bit tín hiệu dữ liệu cũng liên tiếp sau đó là “1” rõ ràng rất khó để xác định. Để khắc phục điều này, người ta mã hóa tín hiệu nhị phân đơn cực trước khi truyền trực tiếp trên đường dây. Cách thức mã hóa như vậy gọi là mã hóa đường dây.
Chương III: Thiết kế triển khai mạng FTTH theo chuẩn GPON
− Chuyển phổ tín hiệu băng gốc (tập trung chủ yếu tại miền tần thấp và chứa thành phần một chiều rất lớn) lên miền tần số cao hơn để lọt vào băng thông đường dây để truyền không điều chế tín hiệu băng gốc đi được xa hơn.
− Tăng mật độ chuyển đổi cực tính của tín hiệu nhằm hỗ trợ cho quá trình đồng bộ đồng hồ ở phía thu.
− Có khả năng kiểm soát lỗi (thường chỉ có khả năng phát hiện lỗi chứ không có khả năng sửa).
Các loại mã đường dây sử dụng trong hệ thống thông tin quang
Có nhiều cách phân loại mã đường dây, tuy nhiên chúng ta có thể phân loại ra thành các loại như Hình 3.14. Các loại mã đường dây chủ yếu gồm 2 loại là mã nhị phân (mã lưỡng cực) và mã tam phân (mã ba mức). Mã nhị phân chủ yếu là các loại mã WAL1 (còn được gọi là mã Manchester), WAL2 hay là các loại mã nBmB (biến tổ hợp n bit của chuỗi tín hiệu cần mã hóa thành m bit mã đường dây).
Hình 3.14 Phân loại mã đường dây
3.3.4. Mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạng GPONa. Sơ đồ kết nối a. Sơ đồ kết nối
Mô hình kết nối mạng được mô tả ở Hình 4.11. Trong sơ đồ trên ta thấy hệ thống mạng FTTH theo chuẩn GPON có các thành phần chính là:
Thiết bị đầu cuối phía nhà sản xuất OLT: Đó chính là bộ phát (optical
transmitter). Ở đây dữ liệu và thoại đã được điều chế lên các bước sóng thuộc cửa sổ quang 1490nm, video được điều chế lên bước sóng 1550nm. Sau khi điều chế các tín hiệu sẽ được đưa vào bộ dồn kênh theo bước sóng (WDM Mux).
Chương III: Thiết kế triển khai mạng FTTH theo chuẩn GPON
Hình 3.15 Sơ đồ kết nối hệ thống FTTH- GPON
Circulator là thiết bị không thuận ngược. Nó chỉ truyền ánh sáng qua nó theo
một chiều và ngăn không cho truyền theo chiều ngược lại. Nó được dùng tại đầu ra của các thiết bị quang (bộ khuếch đại, nguồn phát laser) để ngăn quá trình phản xạ ngược trở lại các thiết bị đó, gây nhiễu và hư hại thiết bị.
Splitter quang: Về bản chất, splitter quang là một bộ chia công suất. Có nhiều
loại splitter quang, có loại thì công suất ở các ngõ đầu ra bằng nhau nhưng cũng có loại thì công suất đầu ra theo các tỉ lệ 1:2, 1:3… Hơn thế nữa, nó cũng là bộ chia băng thông. Giả sử, tốc độ hướng xuống là 1,244Gbps, hệ số chia của splitter là 1:4 thì băng thông tối đa dành cho các user hướng xuống sẽ là 1,244 : 4 = 0.311Gbps hay là 311Mbps. Độ suy hao của Splitter được tính theo công thức 10log(1/N) N là tỉ lệ chia, ví dụ: 1:32 -> 10log (1/32)= 15dB.
ONT là thiết bị đầu cuối phía người sử dụng. Nó có chức năng là biến đổi tín
hiệu quang thành tín hiệu điện. Số lượng ONT là 8. Cấu trúc bên trong của ONT được