3.3 Phân tích đánh giá kết quả mơ phỏng hệ thống XG-PON 3.3.1 Các tiêu chí đánh giá chất lượng mạng quang 3.3.1 Các tiêu chí đánh giá chất lượng mạng quang
3.3.1.1 Tỉ lệ lỗi bit BER
Tỉ lệ lỗi bit BER là tỉ lệ bit bị lỗi trên tổng số bit được truyền đi. Trong đó, xác suất lỗi bit là một trong những cách hiệu quả để đánh giá hiệu năng hệ thống một cách định lượng. Tín hiệu quang đi đến ONU/ONT sẽ được chuyển đổi sang tín hiệu điện. Dựa vào mức ngưỡng để xác định bit “1” và bit “0”. Tỉ lệ lỗi bit trong hệ thống thông tin quang thường là 10-9. Cách tính BER với nhiễu biên độ tuân theo hàm phân bổ Gaussian.
3.3.1.2 Biểu đồ mắt
Biểu đồ mắt hay còn gọi là mẫu mắt là một hình ảnh cho thấy rõ mức độ méo của tín hiệu. Ở đầu ra phần băng gốc của hệ thống (sau khi lịc băng gốc, trước khi lấy mẫu quyết định bit truyền là 1 hay 0), các hệ thống ln có một điểm đo, từ đó dẫn tín hiệu
vào Oscilloscope. Nếu tần số quét của osilloscope 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 vơ số tín hiệu đi vào oscilloscope thì chồng lên nhau. Nhũng 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 khơng méo lý tưởng là 1 cịn giá trị đỉnh âm của tín hiệu khơng méo lý tưởng là -1 thì độ mở của mẫu mắt lý tưởng sẽ là 100% trong thực tế thì độ mở mẫu mắt sẽ là khoảng trắng lớn nhất giữa các đường cong tin hiệu âm và dương, chia 2 và tính theo phần trăm. Mẫu mắt càng mở thì chất lượng tín hiệu càng tốt. Ngược lại với độ mở là độ đóng.
Mẫu mắt được gọi là mở nếu độ mẫu mắt lớn hơn 0. Mẫu mắt được gọi là đóng nếu độ mở bằng 0. Mẫu mắt thường là từ 20% đến 30%, tùy theo hệ thống có mã chống nhiễu hay khơng. Mẫu mắt được xem là bình thường nếu ở khoảng lớn hơn 50%. Thực tế thì yêu cầu lớn hơn, khoảng 75%.
3.3.1.3 Hệ số phẩm chất Q
Hệ số phẩm chất Q 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. Khi hệ số Q giảm thì BER tăng và ngược lại.
3.3.1.4 Mối quan hệ giữa tỉ lệ lỗi bit và biểu đồ mắt
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 osilloscope, 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 liên quan đến nhau, nhiễu liên quan đến hoặc xuất phát từ các hiệu ứng khác như crosstalk và các hiệu ứng giao thoa. Nó có thể khơng 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”).
3.3.2 Các yếu tổ ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng
3.3.2.1 Thiết lập tham số cho hệ thống XG-PON
Thiết lập các thông số cho hệ thống mô phỏng XG-PON Các tham số thiết lập cho phía phát tại OLT:
Phần tử Tham số Giá trị PRBS generator Bit rate 10 Gbps
Pulse generator Line coding NRZ
CW laser
Wavelength 1577 nm
Linewidth 10Mhz
Power 2 – 6 dBm
Bảng 3.1 Các tham số thiết lập cho phía phát tại OLT
Tham số cho mơi trường truyền:
Phần tử Tham số Giá trị Optical fiber Length 20 km Attenuation 0.25dB/km Attenuator Attenuation 1.2 dB Attenuator 1 Attenuation 1.2 dB
Splitter Output port 64
Bảng 3.2 Các tham số thiết lập cho kênh truyền
Các tham số thiết lập cho phía thu tại ONT được chỉ ra trong bảng 3.3 dưới đây:
Phần tử Tham số Giá trị Bessel Optical Filter Frequency 1577 nm
Photodetector APD Center Frequency 1577 nm
3.3.2.2 Đo kiểm các tham số hệ thống XG-PON
Công suất phát ở CW laser được thiết lập ở mức 6dBm. Kết quả đo tại đầu ra bộ phát OLT được thể hiện trong hình 3.6 dưới đây.
Hình 3.6 Cơng suất đo tại đầu ra của bộ phát với Pphát = 6 dBm
Hình 3.7 cho thấy cơng suất đo được tại đầu vào ONT 1 sau bộ suy hao 1.2 dB
Hình 3. 7 Cơng suất đo tại đầu vào của bộ thu tại ONT với Pphát = 6 dBm
Từ hình 3.6 và 3.7 ta có thể thấy tổng suy hao trên từ phía phát đến đến phía thu rơi vào khoảng 28,31 vẫn nằm trong ngưỡng cho phép của quỹ công suất N1 (suy hao từ 14 đến 29 dB).
Tiếp theo sử dụng bộ phân tích BER để đo kết quả Min BER, hệ số phẩm chất Q và biểu đồ mắt. Kết quả Min BER, biểu đồ mắt và hệ số phẩm chất Q lần lượt được chỉ ra trong hai hình 3.8 và 3.9 dưới đây.
Hình 3.8 Kết quả Min BER và biểu đồ mắt đường xuống trên ONT 1
3.3.2.3 Ảnh hưởng bởi khoảng cách truyền
Giữ nguyên các tham số như ban đầu thực hiện thay đổi khoảng cách truyền dẫn L= 40km. Tiến hành phân tích lại các thơng số cơ bản tại phía thu ONT để thấy chất lượng truyền dẫn trong mạng thay đổi thế nào.
Ban đầu khoảng cách sợi là L = 20km, công suất phát tại đường xuống Pphát = 6 dBm ta thu các kết quả đo tại ONT 1 như hình 3.6 đến 3.9. Với khoảng cách L = 40km, Pphát = 6 dBm ta có kết quả đo được thể hiện như trong hình 3.10 và 3.11 dưới đây:
Hình 3.10 Kết quả Min BER và biểu đồ mắt đường xuống ONT1 khi chiều dài truyền tăng lên 40km ở cơng xuất phát 6 dBm
Hình 3.11 Hệ số phẩm chất Q trên ONT1 khi tăng khoảng cách sợi lên 40km
Từ hình 3.10 và 3.11 có thể thấy khi tăng khoảng cách sợi quang nhưng vẫn giữ nguyên các tham số ban đầu khác, ở khoảng cách xa hơn thì tỉ lệ lỗi bit BER đã tăng
lên. Ở khoảng cách 20km với Pphát = 6 dBm, Min BER tại ONT thu được là 2.433.10-10
trong khi ở khoảng cách 40km với Pphát = 6 dBm thì Min BER tại ONT là 2.97.10-3. Biểu
đồ mắt cũng thu hẹp, khơng cịn rõ ràng như trước và tín hiệu bị méo nhiều.
3.3.2.4 Ảnh hưởng bởi công suất phát
Giữ nguyên các tham số như trạng thái thiết lập ở mục 3.3.2.1 chỉ thay đổi về công suất phát. Tăng cơng suất phát ở phía phát OLT Pphát = 8dBm. Cơng suất đầu ra phía phát sau khi tăng cơng suất phát được thể hiện trong hình 3.12.
Hình 3.13 Hệ số phẩm chất Q sau khi tăng cơng suất phát lên 8dBm
Hình 3.14 Kết quả Min BER và biểu đồ mắt tại phía thu sau khi tăng cơng suất phát lên 8dBm
Hình 3.13 và 3.14 thể hiện kết quả từ bộ phân tích BER Analyzer. Sau khi tăng công suất phát lên ta thấy tỉ lệ lỗi bit BER đã giảm đi so với trước đó. Biểu đồ mắt đã gọn gàng hơn.
3.4 Mô phỏng lai ghép hệ thống GPON và hệ thống XG-PON
Hệ thống GPON và hệ thống XG-PON có thể cùng tồn tại bằng cách sử dụng bộ ghép kênh theo bước sóng WDM. Các tham số được tổng hợp dưới bảng sau:
Phần tử Tham số Giá trị PRBS generator Bit rate 2.5 Gbps
Pulse generator Line coding NRZ
CW laser
Wavelength 1490 nm
Power 1.5 – 5 dBm
APD photodiode Centre Wavelength 1490 nm
Bessel Optical Filter Frequency 1577 nm
Bảng 3.4 Bảng tổng hợp các tham số hệ thống GPON
Hình 3.15 dưới đây thể hiện mơ hình lai ghép hai hệ thống XG-PON và GPON được xây dựng trong chương trình mơ phỏng Optisystems.
Các phần tử thu và phát của GPON giống với XG-PON nhưng sẽ khác về các tham số. Hình 3.16 thể hiện thành phần của bộ thu GPON ONT.
Hình 3.16 Các thành phần bộ thu GPON ONT
Hình 3.17 thể hiện phổ tín hiệu của hai hệ thống XG-PON và GPON sau khi được ghép qua bộ WDM Mux.
Hình 3.18 Min BER và biểu đồ mắt của tín hiệu thu tại XG-PON ONT sau khi thêm hệ thống GPON
Sau khi thực hiện ghép 2 hệ thống XG-PON và GPON, sự suy giảm nhẹ của BER đã được ghi nhận so với hệ thống gốc ban đầu nhưng hiệu suất của hai hệ thống vẫn có thể đảm bảo chất lượng. Ở độ dài 20km với bộ chia tỉ lể 1:64, tỉ lệ lỗi bit trên XG-PON ONT1 ở mức BER = 1.65e-011 như trong hình 3.18 so với BER = 8.036e-012 của hệ thống XG-PON gốc ban đầu, trên GPON ONT là BER = 1.02e-010 so với BER =1.7e- 011.
Suy hao cơng suất tín hiệu quang của mạng phân phối quang là khoảng 28,64 dB, quỹ công suất được định nghĩa cho hệ thống XG-PON là N1 với múc suy hao tối đa là 29dB và N2 suy hao tối đa là 31 dB.
3.5 Kết luận chương
Trong chương 3 đã tập trung vào việc mô phỏng đánh giá hiệu năng hệ thống XG- PON, trước hết chương đã trình bày giới thiệu về phần mềm mô phỏng hệ thống quang OptiSystems, với kho tàng dữ liệu khổng lồ cho thấy khả năng thiết lập xây dựng mô phỏng các hệ thống thông tin quang hiện tại và tương lai của phần mềm. Trong chương
đã thực hiện xây mô phỏng khảo sát hệ thống XG-PON với các tham số được tham khảo trong loạt các tiêu chuẩn ITU-T đưa ra. Cuối cùng đưa ra đánh giá nhận xét cho kết quả mơ phỏng hệ thống. Bên cạnh đó cũng đưa ra mơ hình mơ phỏng hệ thống cùng tồn tại giữa GPON và XG-PON sử dụng bộ ghép WDM.
KẾT LUẬN
Ngày nay các dịch vụ hướng video và IoT ngày càng phát triển mở rộng trong cuộc sống đòi hỏi nhu cầu băng thông cao. Tiêu chuẩn XG-PON được ITU-T phát triển chuẩn hóa tiếp nối tiêu chuẩn mạng quang thụ động GPON trước đó. Qua những kết quả đã thực hiện trong mơ phỏng, có thể thấy cơng nghệ mạng truy nhập quang thụ động XGPON có nhiều ưu điểm như mang tới tốc độ cao hơn cho mạng truy nhập quang, khả năng thích ứng tốt cho phép các nhà cung cấp có thể chuyển đổi nâng cấp hạ tầng một cách ổn định. Tuy nhiên công nghệ XG-PON vẫn chưa được triển khai tại Việt Nam.
Trong đồ án của mình, em đã phân chia thành các ý chính sau:
- Trình bày tổng quan về mạng truy nhập quan thụ động, các công nghệ quang
thụ động trước đây như APON/BPON, EPON, GPON.
- Giới thiệu về công nghệ mạng truy nhập quan thụ động tốc độ cao XG- PON.
- Thực hiện đưa ra mơ hình mơ phỏng đường xuống hệ thống mạng truy nhập
quang thụ động XG-PON trên phần mềm Optisystem.
Việc nghiên cứu, tìm hiểu đề tài vẫn cịn nhiều thiếu xót nhưng cũng giúp e có cái nhìn khách quan hơn về cơng nghệ mạng truy nhập quang thụ động tốc độ cao XG-PON. Đồ án này cũng có thể nghiên cứu phát triển thêm trong tương lai như nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng mạng XG-PON, các giải pháp đảm bảo an toàn dữ liệu cho mạng XG-PON,…
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] ITU G.987: 10-Gigabit-capable passive optical network (XG-PON) systems: Definitions, abbreviations and acronyms, 06/2012.
[2] ITU G.987.1: 10-Gigabit-capable passive optical networks (XG-PON): General requirements, 03/2016.
[3] ITU G.987.2: 10-Gigabit-capable passive optical networks (XG-PON): Physical media dependent (PMD) layer specification, 02/2016.
[4] ITU G.987.3: 10-Gigabit-capable passive optical networks (XG-PON): Transmission convergence (TC) layer specification, 01/2014.
[5] P.K. Sahu, D. Ghosh, Performance Analysis of Next-generation Passive Optical Network (XG - PON).
[6] Fabrice Bourgart, France Telecom. Optical Access Transmission: XG-PON system aspects, 25/2/2010.
[7] Tomas Horvath, Petr Munster, Vaclav Oujezsky and Ning-Hai Bao: Passive Optical Networks Progress: A Tutorial, 01/07/2020.
[8] Nana Rachmana Syamba and Rahadian Farizi, Hybrid of GPON and XG-PON for Splitting Ratio of 1:64. International Journal on Electrical Engineering and Informatics - Volume 9, Number 1, March 2017
[9] Nguyễn Ngọc Tùng, luận văn thạc sĩ “Đánh giá hiệu năng XG-PON và ứng dụng trong mạng truy nhập quang VNPT thị xã Từ sơn”, 2020.