2.2.1. Giới thiệu chung
Sự phát triển nhanh chóng của mạng viễn thông trong những năm gần đây cũng
như nhu cầu vềbăng thông tăng lên không ngừng là nguyên nhân gây nên sự chênh lệch
lớn giữa các thành phần trong mạng khác nhau. Kỹ thuật quang cho phép xây dựng các đường truyền với khoảng cách lớn (cho các mạng diện rộng, các mạng backbone) với băng thông lớn và tốc độ cao. Với sự cải tiến không ngừng của kỹ thuật, tốc độ dữ liệu đã lên tới hàng Tbit/s. Trong khi đó, các ứng dụng mới đòi hỏi ngày càng nhiều băng thông như video theo yêu cầu, VoIP, truy nhập Internet tốc độ cao và các mạng LAN dựa theo
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II: Mạng truy nhập quang thế hệ sau
SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 15
công nghệ Ethernet tốc độ cao. Vì thế, hầu hết các vấn đề quan tâm ngày nay tập trung vào mạng truy nhập, đảm bảo việc giảm giá thành và quản lý dễdàng hơn.
Dung lượng băng thông lớn của mạng backbone sợi quang đã đạt được bằng sự cải tiến của chuyển mạch và các thành phần quang, và kết hợp với các kỹ thuật được sử dụng như WDM. Cho đến giờ, hầu như các kết quả có được từ các công nghệ quang mới đều được định hướng vào việc mở rộng mạng backbone tới các trung tâm mới thay vì đưa sợi quang tới trực tiếp khách hàng. Mặt khác, các mạng LAN dựa trên Ethernet tốc độ cao đang phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu kết nối mạng dữ liệu nội bộ trong một tầng hoặc trong tòa nhà. Do đó, có một yêu cầu cho một cầu băng thông tốc độ cao giữa các mạng LAN và các MAN hoặc các mạng WAN. Truy nhập đến mạng backbone sợi quang với đa số các khách hàng được đặt trong một vài km sợi quang bị giới hạn bởi mạng điện thoại hiện tại hoặc truyền hình cáp trên nền tảng mạng cáp đồng. Các kỹ thuật, như là xDSL hoặc MC giúp tăng băng thông tiềm năng qua cáp đồng lên 5 hoặc 6 Mbps với mạng ISDN hoặc luồng T1 (1.5Mbps). Tuy nhiên, tốc độ truyền dẫn dựa trên cáp đồng vẫn thấp hơn so với yêu cầu mạng backbone sợi quang cỡ Gbps.
Mục tiêu việc tăng băng thông trong mạng viễn thông tương lai có thể được đáp ứng bằng cách mở rộng việc quang hóa thông suốt từ đầu đến cuối các thành phần của mạng. Vì thế, đã có một sự quan tâm rất lớn về việc giới thiệu các kỹ thuật quang trong các mạng truy nhập để giải quyết sự bất bình đẳng và đểđối phó với những nhu cầu băng thông cao đang tăng mạnh, do việc sử dụng thương mại ngày càng tăng của Internet, mạng máy tính nội bộ, thương mại điện tử, lưu trữ dữ liệu và khôi phục, VoIP, VPNs.
2.2.2. Mạng toàn quang
Trong truyền thông quang, thông tin được truyền từ một điểm đến điểm khác bằng cách sử dụng ánh sáng như một vật mang và bằng các phương tiện vật lý có thể truyền dữ liệu với tốc độ cao qua một khoảng cách lớn. Vì thế, việc tăng băng thông hữu ích bằng cách sử dụng các kỹ thuật quang thực sự làm nâng cao được hiệu năng của mạng viễn thông. Dung lượng truyền thông phụ thuộc vào sóng mang: sóng mang có tần số càng cao thì sẽ càng có khoảng băng thông hữu ích rộng. Trên thực tế, sóng mang quang có tần số từ 1013 đến 1016 Hz nên sợi quang sẽ có dung lượng rất lớn, cao hơn nhiều so với sợi đồng hay sóng radio. Một lợi ích nữa là các thiết bị quang không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từtrường và có suy hao thấp (khoảng 0.2dB/km).
Lợi ích có được từ việc sử dụng các kỹ thuật quang trong hệ thống viễn thông cho phép sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị quang và hệ thống sợi quang, trải qua bốn thế hệ
SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 16
Thế hệ đầu tiên của hệ thống sợi quang, dựa trên các thành phần GaAs, xuất hiện vào cuối những năm 70 và được sử dụng ở bước sóng 0.85m và là sợi đa mode. Dung lượng của hệ thống này bị giới hạn do tán sắc trong sợi quang đa mode.
Thế hệ thứ hai vào những năm 80 sử dụng bước sóng 1.3μm và sợi đơn mode. Điều này đã làm giảm hệ số suy hao từ 4dB/km xuống 0.5dB/km.LED hoặc LD đã được sử dụng là nguồn sáng. Những thay đổi này đã cho phép tăng dung lượng và khoảng cách truyền dẫn
Thế hệ thứ ba sử dụng bước sóng 1.55μm và các sợi đơn mode dịch tán sắc có hệ số suy hao là 0.2dB/km. Sợi này có thể đạt được tốc độ 2.5Gbps qua một khoảng cách lớn. Một LD được làm bằng InGaAsP hoặc laser DFB được sử dụng làm nguồn sáng.
Thế hệ thứtư sử dụng các sợi mới được biết đến là sợi quang đơn mode không tán sắc. Hơn thế nữa, nó còn sử dụng tần số 1.55μm và kỹ thuật WDM. Bộ khuếch đại quang như EDFA và bộ khuếch đại Raman cũng được sử dụng đểtăng khoảng cách truyền dẫn. Tốc độ dữ liệu trên bước sóng đạt từ 2.5Gbps đến 10Gbps. Xu hướng nghiên cứu tập trung vào hệ thống sợi quang để giúp cải thiện hơn hiệu năng của mạng, bằng cách phát triển các hệ thống có dung lượng lớn hơn và khoảng cách lớn hơn.
Các mạng quang được phát triển đồng thời với sự cải tiến của sợi quang. Trong nhiều năm, mục đích chính là phát triển các kỹ thuật cho phép truyền dẫn ở tốc độ bit ngày càng cao qua khoảng cách ngày một tăng
Thế hệ mạng quang đầu tiên khai thác những lợi ích của sợi quang trong khi toàn bộ quá trình xử lý tín hiệu và chuyển mạch vần được thực hiện trong miền điện. Nhu cầu ngày càng tăng của băng thông cùng với sự tốn kém về đường truyền đã thúc đẩy việc nghiên cứu để tạo ra một phương pháp để tăng việc hỗ trợ tốc độ bit bởi các thành phần quang của kỹ thuật ghép kênh, như ghép kênh phân chia theo thời gian quang (OTDM) và ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM). Điều này giúp tăng dung lượng của
mạng đường dài giúp đáp ứng nhu cầu khi lưu lượng tăng lên. DWDM được biết đến là
kỹ thuật có tính thương mại tốt nhất đảm bảo sự cân băng giữa giá thành và dung lượng cho mạng backbone và cũng đem lại những lợi ích cho mạng MAN. Tiếp đó, vào những năm cuối của những năm 80, các bộ khuếch đại quang (như EDFA) được giới thiệu giúp cải thiện các hệ thống quang
Thế hệ mạng quang thứ hai được đặc trưng bởi giảm việc sử dụng tín hiệu trong miền điện, đạt đến một mức độ cao hơn về tính minh bạch. Điều này đã giúp tăng tính thông suốt và có thể giúp mạng có thể cung cấp được nhiều chức năng, như chức năng chuyển mạch và định tuyến. Hơn thế nữa, lớp vật lý của thế hệ mạng quang thứ hai hỗ trợ
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II: Mạng truy nhập quang thế hệ sau
SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 17
các tuyến WDM và thêm/gỡ bỏ chức năng này. Các mạng này có thể đưa ra ba loại dịch vụ đến các lớp mạng cao hơn. Dịch vụ đầu tiên là dịch vụ lightpath, có thể ứng dụng trong mạng WDM, trong đó một bước sóng dành riêng được gán cho một kết nối giữa hai node. Kết nối này có thể được thiết lập và gỡ bỏ tùy vào nhu cầu (chuyển mạch) hoặc là vình viễn. Dịch vụ thứ hai là dịch vụ kênh ảo, một chuyển mạch được thiết lập giữa hai node với một tài nguyên ít hơn. Thứ ba, đó là dịch vụ datagram, mà làm cho nó có thể truyền các gói tin ngắn giữa các node mà không cần phải thiết lập các kết nối cốđịnh.
Vào năm 1998, ITU-T đã giới thiệu khái niệm mạng truyền tải quang OTN, để sử dụng các bước sóng WDM và loại bỏ hiệu ứng nút cổ chai trong miền điện tại các node mạng, do đó tăng dung lượng truyền dẫn và tính thông suốt của các node. WDM-OTN sử dụng thiết bị rẽ xen quang OADM và kết nối chéo quang OXC tại các node để loại bỏ chuyển đổi quang điện.
Tuy nhiên OTN truyền thống có rất nhiều thiếu sót và không thể hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu của mạng quang. Vì thế, vào năm 2001, ITU-T đưa ra kiến trúc cho mạng quang chuyển mạch từđộng ASON. Khái niệm về sự chuyển mạch một cách linh hoạt và các cơ chế hợp tác giữa các lớp dịch vụ được giới thiệu. Do đó, các mạng truyền thông quang, ngoài trở thành một mạng truyền tải quang cũng bao gồm các chức năng chuyển mạch và điều khiển. Theo kiến trúc mạng ASON ba mặt bằng được xác định: mặt bằng giao vận TP, mặt bằng điều khiển CP và mặt bằng quản lý MP. ASON hỗ trợ các kết nổi vĩnh viễn, các kết nối vĩnh viễn mềm và các kết nối chuyển mạch, bao gồm các kết nối điểm – đa điểm một chiều, các kết nối điểm – điểm hai chiều và các kết nối điểm – đa điểm hai chiều. Hơn nữa, ASON đảm bảo các dịch vụđược thông suốt, các dịch vụ quảng bá và các ứng dụng chất lượng cao, bảo vệ một cách hiệu quảvà cơ chế khôi phục, điều khiển lưu lượng thời gian thực và quản lý băng thông qua các lớp quang, khảnăng tương tác thiết bị tốt và khảnăng mở rộng mạng.
2.2.3. Mạng truy nhập quang
Việc sử dụng các kỹ thuật mới tiếp tục cải thiện hiệu năng của OTN. Như một kết quả, mạng truy nhập có rất nhiều vấn đề như băng thông hẹp, tỷ lệ lỗi cao và giá thành vẫn hành cũng như duy trì cao. Cáp đồng vẫn được chọn làm phương tiện truyền dẫn chính và không có khả năng hỗ trợ các ứng dụng và dịch vụ mới, đặc biệt là đa phương tiện và các dịch vụ băng rộng. Vì vậy, như đã nói ở trên, mạng truy nhập trở thành một mạng truyền thông nút cổ chai.
Các kỹ thuật truy nhập băng rộng hiện tại, như ADSL dựa trên đường điện thoại và CM dựa trên CATV, có thểđáp ứng nhu cầu của một vài dịch vụnhư lướt web, email.
SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 18 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tuy nhiên, nó không có khảnăng để thỏa mãn các yêu cầu về băng thông của các dịch vụ đa phương tiện và các dịch vụ băng rộng như Internet tốc độ cao, truyền hình quảng bá, VoIP,…
Với kỹ thuật ADSL, tốc độ dòng dữ liệu lên và xuống không đối xứng. Với việc triển khai ADSL kết hợp với ATM/Ethernet, các dịch vụ truy nhập Internet là hoàn toàn khả thi. Đầu cuối khách hàng được trang bị với các thiết bị điều khiển từ xa ADSL và được kết nối tới các DSLAM tại các CO bằng cách dùng chung đường điện thoại. Các thiết bị điều khiển từ xa ADSL cung cấp các giao diện Ethernet cho khách hàng, trong khi DSLAM kết nối tới các ISP bởi ATM hoặc fast Ethernet
Mặt khác, CM là một kỹ thuật băng rộng khác với sự bất đối xứng với tốc độ đường xuống và lên. Nó phù hợp để cung cấp hai loại dịch vụ là Internet và VOD. Trong trường hợp này, dịch vụ truy nhập Internet có thể được yêu cầu bời HFC, CM và Ethernet/ATM. Mạng HFC truyền tín hiệu dữ liệu đến các thuê bao trong khi CM mã hóa, giải mã và truyền nó đến từng người dùng thông qua cổng Ethernet. Với đường lên, các thiết bị CM thu tín hiệu từ PC và gửi các tín hiệu đã được điều chế và mã hóa đến các thiết bị đầu cuối bởi HFC. Băng thông của CM lớn hơn so với ADSL. Tuy nhiên, khi một CM và một HFC được sử dụng để xây dựng mạng thì sẽ có nhiều vấn đểliên quan đến độ tin cậy, nguồn nuôi, vận hành và bảo dưỡng
Trong cả hai trường hợp trên, băng thông của mạng được chia sẽ với tất cả các người sử dụng. Vì thế, đồ án không thể đáp ứng được các dịch vụ số băng rộng khi số lượng người dùng tăng lên, do băng thông được ấn định cho mỗi người sử dụng là giới
hạn. Do đó, mạng truy nhập quang OAN đã đưa ra xu hướng cho mạng truy nhập trong
tương lai; cụ thể là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mã quang OCDM sẽ là giải pháp để giải quyết vấn đềliên quan đến tài nguyên.
Mạng truy nhập quang được chia làm hai loại, mạng quang chủ động và mạng quang thụ động. Một mạng PON có kiến trúc đơn giản và không có các thành phần chủ động trong toàn bộđường truyền từ nguồn tới đích. Nó giúp tối thiểu hóa sợi quang và số lượng các bộ thu phát bằng cách sử dụng các bộ chia/ghép thụ động. Do đó, PON là một công nghệ hứa hẹn nhiều tiềm năng, giúp giảm chi phí vận hành và duy trì, trong khi vẫn đảm bảo tính thông suốt cao. Nó cũng giúp cải thiện độ tin cậy của hệ thống, do trên thực tế PON có thểtránh được nhiễu điện từtrường và ảnh hưởng bới thời tiết với các thiết bị ngoài trời. Kỹ thuật này cũng phù hợp với các tín hiệu với bất kỹ định dạng và tỷ lệ bit nào. Trong hình 2.1 chỉ ra các thành phần các nhau của kiến trúc mạng PON, được gọi là FTTx, ởđây “x” phụ thuộc vào khoảng cách của cáp quang. Với các kiến trúc FTTx, một mạng PON thiết lập được ba thành phần chính: một kết cuối đường quang OLT, cung cấp
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương II: Mạng truy nhập quang thế hệ sau
SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 19
các dịch vụ và gửi các tín hiệu quảng bá đến khách hàng; một bộ chia thụđộng, để chia công suất tín hiệu quang; và một khối đơn vị giao diện mạng NIU hoặc khối đơn vị mạng quang ONU, cung cấp giao diện giữa những người sử dụng và dịch vụ được cho bởi mạng.
PON có thểđược chia thành hai loại chính: TDM-PON, sử dụng kỹ thuật TDM để xử lý lưu lượng, và WDM-PON, kết hợp cả kỹ thuật WDM và PON
Hình 2.1: Ví dụ về mạng FTTx
TDM-PON là kiến trúc điểm – đa điểm và dữ liệu được phát quảng bá đến mỗi ONU bằng cách chia sẻđường truyền. Kỹ thuật TDM-PON hiện tại hỗ trợ tốc độ dữ liệu từ 155Mbps đến 1Gbps, được chia sẻ cho từ8 đến 128 người dùng. Kỹ thuật TDM được dùng với lưu lượng đường lên. Tuy nhiên, việc chia sẻ thời gian truyền dẫn làm giảm băng thông của mỗi người sử dụng. TDM-PON có thể phân thành APON (ATM-PON) dựa trên ATM và EPON (Ethernet PON) dựa trên Ethernet. ATM-PON dựa trên kỹ thuật tập trung và ghép kênh thống kê; tuy nhiên, nó sử dụng cell có chiều dài cốđịnh để mang các gói tin IP một cách khá phức tạp, tiêu tốn nhiều thời gian và tăng thêm giá thành của OLT và ONU. EPON sử dụng kỹ thuật truyền dẫn khác cho dữ liệu đường xuống từ OLT đến các ONU và cho dữ liệu đường lên từ các ONU đến OLT. Kỹ thuật quảng bá được chọn để truyền dữ liệu đường xuống từ OLT đến nhiều ONU với chiều dài các gói tin khác nhau, mỗi gói gồm có phần tiêu đềđểxác định đích đến. Lưu lượng được chia thành các tín hiệu riêng rẽ bởi bộ chia. Mỗi tín hiệu mang tất cảcác gói tin định hướng đến các
SVTH: Nguyễn Tiến Hiệp Trang 20
ONU. Khi một ONU nhận được tín hiệu dữ liệu, nó chỉ chấp nhận các gói tin là của nó và bỏ qua các gói tin của các ONU khác. Lưu lượng đường lên được quản lý bằng cách sử dụng kỹ thuật TDM và mỗi ONU được chỉ định một khe thời gian. Mỗi khi dữ liệu được ghép vào sợi quang, các gói tin đường lên từ các ONU sẽkhông tương tác với nhau. Nếu so với ATM, Ethernet giảm được phần chi phí linh hoạt, vì nó có thểmang được các gói tin IP.
Tuy nhiên, với hệ thống PON sử dụng công nghệ TDMA thì thật là khó để đạt được tốc độhàng Gbps đến tất cả khách hàng. Vì thế, TDM-PON không phải là một giải pháp hiệu quả cho việc triển khai FTTH.
Hệ thống WDM-PON với mỗi bước sóng được ấn định cho một người sử dụng sẽ