Hình 2.26 Mơ hình lai ghép giữa XG-PON và GPON sử dụng bộ WDM1r
Hình 2.26 thể hiện mơ hình lai ghép giữa hai hệ thông XG-PON và GPON sử dụng bộ ghép kênh phân chia bước sóng WDM1r. Một trong những ưu điểm vượt trội và ấn tượng nhất của hệ thống mạng truy nhập quang thụ động XG-PON là khả năng tương thích. Hệ thống mạng truy nhập quang XG-PON có khả năng cùng tồn tại với hệ thống GPON trên cùng mạng phân phối quang ODN, nhờ đó việc đầu tư hạ tầng mạng của các nhà cung cấp trên GPON được đảm bảo. Các nhà cung cấp dịch vụ không phải đầu tư một hệ thống mới hồn tồn để triển khai XG-PON mà có thể sử dụng hạ tầng mạng phân phối quang trước đó của GPON để triển khai cho XG-PON. Trong thơng số kỹ
thuật lớp vật lý XG-PON, đường lên/đường xuống của bước sóng XG-PON là khác nhau so với của GPON. Khả năng cùng tồn tại của hai hệ thống mạng quang thụ động XG- PON và GPON được thực hiện bằng cách sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số WDM đường xuống và kỹ thuật truy nhập phân chia tần số WDMA ở đường lên.
GPON XG PON
Bước sóng Đường lên: 1490nm Đường xuống: 1310 Đường lên 1260 – 1280nm Đường xuống 1575 – 1580 nm
Tốc độ Đường lên: 1.25 Gbps
Đường xuống: 2.5 Gbps Đường lên: 2.5Gbps Đường xuống: 10Gbps
Tỉ lệ chia Lý tưởng là 1:64 Tối thiểu 1:64 có khả năng mở rộng tới 1:128 và 1 :256
Phạm vị
truyền dẫn Tối đa 20km Tối thiểu 20km
Loại cáp G652 G652
Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản giữa hệ hống XG-PON và GPON
2.8 Kết luận chương
Trong nội dung của chương 2 đã tập trung tìm hiểu về cơng nghệ XG-PON và trình bày một cách tổng quan về công nghệ mạng quang thụ động XG-PON, về kiến trúc phân lớp cũng như các thành phần của hệ thống truy nhập quang thụ động XG-PON. Ngoài ra, trong chương 2 cũng đã đề cập một số kỹ thuật như đóng gói bản tin, quản lý và sửa lỗi trong hệ thống XG-PON và cuối cùng đề cập đến khả năng cùng tồn tại của hệ thống mạng quang thụ động thế hệ tiếp theo XG-PON cùng với hệ thống GPON trước đây trên cùng mạng phân phối quang ODN.
CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG
HỆ THỐNG XG-PON SỬ DỤNG PHÂN MỀM OPTISYSTEMS 3.1 Giới thiệu về phần mềm Optisystems
Các hệ thống thông tin ngày càng phát triển mở rộng do nhu cầu băng thông ngày càng tăng và mạng thông tin quang đóng vai trị rất quan trọng do những ưu điểm về tốc độ và khả năng triển khai. Để nghiên cứu phân tích, thiết kế các hệ thống này, con người cần phải sử dụng các công cụ mô phỏng. Mơ phỏng là một cơng cụ có giá trị trong kỹ thuật hiện đại vì nó được sử dụng để dự đốn các hiện tượng vật lý khác nhau một cách hiệu quả về chi phí. Phần mềm Optisystem do công ty Optiwave tạo ra nhằm đáp ứng yêu cầu nghiên cứu học tập của các nhà nghiên cứu.
Hình 3.1 Giao diện tổng quan phần mềm OptiSystems
Phần mềm có một cơ sở dữ liệu khổng lồ về các thành phần tích cực và thụ động, bao gồm cơng suất, bước sóng, suy hao và các thơng số liên quan khác. Phần mềm tích hợp thiết kế, kiểm tra và tối ưu hóa tất cả các loại chức năng lớp vật lý của mạng quang. Các thông số cho phép người dùng thực hiện quét tham số giúp người dùng có thể thu được loạt các kết quả từ kém cho đến tốt và tối ưu hóa các thơng số kỹ thuật của thiết bị cụ thể về hiệu suất của hệ thống. Một điều đặc biệt ở OptiSystems, ngoài việc sở hữu cơ
sở dữ liệu lớn về các phần tử mạng quang như đã nói, OptiSystems cịn cho phép người dùng có thể tự định nghĩa xây dựng thêm các phần tử mới. Optisystems sở hữu giao diện GUI thân thiện, khả năng hiển thị trực quan và dễ dàng sử dụng. Các kết quả mô phỏng có thể được thể hiện ở nhiều dạng đồ thị 2D, 3D hay dạng bảng.
3.2 Xây dựng, thiết kế mơ phỏng hệ thống XG-PON
Mơ hình mơ phỏng trong hình 3.2 được xây dựng phân tích đường xuống hệ thống XG-PON. Nguồn dữ liệu 10 Gbps được cấu hình trong OLT sử dụng phần mềm mơ phỏng Optisystem.
Hình 3.2 Mơ hình xây dựng hệ thống XG-PON
3.2.1 Kiến trúc phần tử OLT
Trong hình 3.3 thể hiện khối phát tín hiệu đường xuống bảo gồm một laser đơn sắc phổ hẹp CW Laser ở bước sóng 1577nm kết hợp với bộ điều chế ngồi Mach-Zehnder, dữ liệu trong mơ phỏng được lấy bộ tạo bit ngẫu nhiên PRBS tốc độ 10Gbps và dạng sóng từ bộ tạo dạng xung NRZ và
3.2.2 Kiến trúc phần tử ONT
Bộ thu ONT đặt tại phía khách hàng được xây dựng trong hình 3.4 bao gồm một bộ lọc quang học Bessel Optical Filter (mô phỏng hiệu ứng của bộ song công tồn tại trong bộ thu), điốt quang APD (bộ tách sóng quang) và bộ lọc thông thấp. Hiệu ứng song công được mô phỏng qua bộ lọc quang phải được tính đến, mặc dù q trình truyền đường lên khơng được xem xét trong mơ hình này, vì nó tồn tại trong máy thu và tín hiệu đường xuống đi qua nó.
Hình 3.4 Mơ phỏng thành phần bộ thu tại ONT
3.2.3 Mạng phân phối quang ODN
Hệ thống mạng phân phối ODN bao gồm các phần tử là sợi quang, bộ suy hao, bộ chia công suất Power Splitter 1x64 trong mơi trường mơ phỏng. Có nhiều loại splitter quang, splitter có cơng suất ở các đầu ra bằng nhau, splitter có cơng suất các đầu ra được chia theo tỉ lệ. Phần từ dây dẫn quang Optical Fiber mô phỏng dây dẫn cho hệ thống XGPON chiều dài 20km. Hai bộ suy hao Attenuator đại diện cho suy hao của các connector từ OLT đến bộ chia và Attenuator 1 đại diện cho suy hao của các connector
từ bộ chia tới ONT. Hình 3.5 mơ tả hệ thống mạng phân phối quang ODN chiều xuống được xây dựng trong phần mềm mơ phỏng.
Hình 3.5 Mơ phỏng mạng phân phối quang ODN
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 cịn 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 môi 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 cơng suất phát. Tăng cơng suất phát ở phía phát OLT Pphát = 8dBm. Cơng suất đầu ra phía phát sau khi tăng công 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