Trong chương 1 đã tìm hiểu và trình bày tổng quan về mạng truy nhập quang thụ động PON như mơ hình kiến trúc và các thành phần trong mạng truy nhập quang thụ động, cũng như một số công nghệ mạng quang thụ động PON thế hệ trước như APON, BPON, GPON, EPON hay một số công nghệ PON thế hệ tiếp theo. Bên cạnh đó trong chương 1 cũng đề cập đến xu hướng phát triển của mạng quang thụ động trong tương lai.
CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ XG-PON 2.1 Tổng quan về công nghệ quang thụ động XG-PON
Nhu cầu băng thông ngày càng tăng do tốc độ phát triển nhanh chóng của các dịch vụ P2P, HDTV, 3DTV và Điện toán đám mây tạo ra những thách thức mới đối với việc triển khai và vận hành băng thơng. Một trong những u cầu chính đối với sự phát triển của các tiêu chuẩn mạng quang thụ động mới là đảm bảo băng thông cao hơn cho người dùng cuối so với các tiêu chuẩn đã sử dụng trước đây. Một yêu cầu quan trọng là đảm bảo chuyển đổi suôn sẻ sang công nghệ PON mới, cho cả nhà cung cấp dịch vụ và người dùng cuối.
Mặc dù hệ thống GPON có thể cung cấp đủ băng thơng cho thời gian tới nhưng sẽ sớm tới lúc phải có một giải pháp để cung cấp băng thông lớn để đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng tăng. Để tiếp nối các hệ thống mạng truy nhập quang thụ động trước đây, ITU-T cũng đã thực hiện q trình chuẩn hóa hệ thống mạng quang thụ động thế hệ tiếp theo với tên gọi XG-PON trong loạt khuyến nghị ITU-T G.987. Khuyến nghị đầu tiên được đưa ra vào năm 2010.
Hệ thống mạng quang thụ động thế hệ tiếp theo XG-PON cũng tương tự như hệ thống GPON trước đó gồm 3 thành phần chính là mạng phân phối quang ODN, OLT và ONU. Các tiêu chuẩn và chức năng của công nghệ mạng quang thụ động XG-PON có khả năng cho phép các nhà cung cấp dịch vụ nâng cấp chuyển đổi hệ thống GPON hiện nay lên mạng truy nhập quang thụ động tốc độ 10 Gigabit, bên cạnh đó cũng cho phép hai hệ thống GPON và XG-PON hoạt động chung cùng một cơ sở hạ tầng bằng cách sử dụng bộ ghép kênh WDM. Mạng quang thụ động 10 Gigabit chia làm 2 giai đoạn là XG-PON1 và XG-PON2. Trong đó XG-PON1 là giai đoạn đầu tiên tốc động không đối xứng: đường lên 2.5 Gbps và đường xuống 10Gbps và XG-PON2 là giai đoạn tiếp theo tốc độ đối xứng 10Gbps cho cả đường lên và đường xuống.
Phần quang của hệ thống mạng truy nhập cục bộ có thể là chủ động hoặc thụ động và kiến trúc của nó có thể là điểm-điểm hoặc điểm-đa điểm. Hình 2.1 cho thấy các kịch
bản FTTx. Sự khác nhau giữa các mơ hình FTTx chỉ là dịch vụ nó phục vụ và vị trí ONU/ONT được đặt, ODN sẽ là chung cho tất cả.
Hình 2.1 Kiến trúc mạng XG-PON
Hình 2.2 biển diễn tổng hợp một các kịch bản triển khai của XG-PON.
Hình 2.2 Tổng hợp kịch triển khai XG-PON
Kiến trúc vật lý của hệ thống XG-PON cũng tương tự như các hệ thống mạng quang thụ động trước đo bao gồm mạng phân phối quang ODN (Optical Distribution Network), thiết bị OLT (Optical Line Terminal) và các ONU/ONT. Các thiết bị quang tích cực như OLT đặt tại các CO, ONT/ONU đặt tại phía th bao khách hàng sẽ có các thay đổi phù hợp để có thể đáp ứng được các thông số chất lượng hệ thống XG-PON.
2.2 Kiến trúc phân lớp hệ thống XG-PON
Mơ hình tham chiếu giao thức của XG-PON được chia thành hai tầng: Tầng phụ thuộc phương tiện vật lý (PMD) và tầng hội tụ truyền dẫn (XGTC).
2.2.1 Tầng phụ thuộc phương tiện vật lý PMD
2.2.1.1 Bước sóng
Hệ thống XG-PON sử dụng một dải bước sóng mới. Dải bước sóng cho tín hiệu đường xuống của XG-PON là từ 1575-1580 nm (dải 1575-1581 nm cho ứng dụng ngoài trời) và dải bước xong cho tín hiệu đường lên cho XG-PON1 nằm trong O-band là 1260- 1280 nm. Dải bước sóng này cũng phù hợp với dải bước sóng đường xuống của hệ thống 10GEPON được chuẩn hóa trong tiêu chuẩn IEEE 802.3av.
Hình 2.3 Phân bổ bước song XG-PON
Hình 2.3 xác định kế hoạch phân bổ bước sóng bao gồm các dải bước sóng dành riêng cho các dịch vụ bổ sung. Dải bước sóng của tín hiệu đường xuống XG-PON được gọi là "Basic band". Các băng tần dành riêng được gọi là "Enhancement Band" – Dải băng tần nâng cao. Các ứng dụng cho băng tần nâng cao có thể bao gồm các dịch vụ G- PON hoặc Video.
Một dải bảo vệ ngăn cách XG-PON dải tần đường lên và dải tần đường xuống khỏi dải tần nâng cao. Sự giao thoa giữa các tín hiệu trong hai dải tần này gây ra sự suy giảm tín hiệu lẫn nhau, vì vậy nó phải được giảm xuống mức không đáng kể.
2.2.1.2 Tốc độ và đường mã
Về tốc độ trong hệ thống quang thụ động XG-PON chia ra làm hai giai đoạn phát triển. Giai đoạn đầu tiên XG-PON1 không đối xứng tốc độ đường xuống 10 Gbps, đường lên 2.5 Gbps. Giai đoạn tiếp theo XG-PON2 sẽ là hệ thống đối xứng tốc độ 10Gbps cho cả đường lên và đường xuống.
Về đường mã trong XG-PON, mã NRZ là loại mã được sủ dụng cho cả đường lên và đường xuống.
2.2.1.3 Các quỹ công suất
Hiện nay mới chỉ có hai loại quỹ cơng suất được định nghĩa cho XG-PON1 là: Quỹ Nominal1 (N1) với suy hao từ 14 dB đến 29 dB cho phép XG-PON hoạt động kết hợp với các hệ thống PON tốc độ Gigabit hiện tại như GPON và EPON trên cùng một mạng phân phối quang. Quỹ Nominal2 (N2) suy hao cho phép từ 16 dB đến 31dB. Các quỹ công suất khác hiện tại đang trong q trình nghiên cứu chuẩn hóa thêm.
2.2.1.4 Chia tỷ lệ và khoảng cách sợi quang
Nhiều nhà mạng đã triển khai các mạng phân phối quang cho các tiêu chuẩn GPON trước đó với tỉ lệ chia 1:32 tới 1:64 nên tỉ lệ 1:64 được chọn là tỉ lệ chia tối thiểu được yêu cầu với tiêu chuẩn XG-PON. Có thể áp dụng các tỷ lệ chia lớn hơn như 1:128 hay 1:256 để có thể mở rộng PON tới người dùng, tăng hiệu quả kinh tế, hình 2.4 thể hiện tỉ lệ chia chung của hệ thống XG-PON.
Hình 2.4 Tỉ lệ chia chung XG-PON
Về khoảng cách sợi quang, XG-PON sẽ phải hỗ trợ khoảng cách sợi quang tối đa ít nhất là 20km. Tầng hội tụ truyền dẫn XG-PON cần hỗ trợ khoảng cách sợi quang tối đa là 60km, khoảng cách sợi quang sai khác tối đa là 40km. Trong đó khoảng cách sợi quang sai khác tối đa là khoảng cách giữa khoảng cách ONU gần nhất và ONU xa nhất.
2.2.2 Lớp hội tụ truyền dẫn XG-PON
Lớp XGTC là một phần của ngăn xếp giao thức XG-PON chỉ định các định dạng và thủ tục ánh xạ giữa các đơn vị dữ liệu dịch vụ SDU lớp trên và các dòng bit phù hợp để điều chế sóng mang quang.
Lớp XGTC bao gồm ba phân lớp: phân lớp thích ứng dịch vụ XGTC, phân lớp định khung XGTC và phân lớp thích ứng vật lý XGTC. Lớp XGTC có ở cả phía OLT và phía ONU của hệ thống XG-PON. Ở đường xuống, giao diện giữa lớp XGTC và lớp phụ thuộc vật lý (PMD) được biểu diễn bằng một dòng bit liên tục ở tốc độ giao diện danh nghĩa, được phân chia thành các khung 125 μs. Ở đường lên, giao diện giữa lớp XGTC và lớp PMD được biểu diễn bằng một chuỗi các cụm được định thời chính xác.
Tầng hội tụ truyền dẫn XG-PON đặc tả khn dạng tín hiệu và các thủ tục để tách, ghép dữ liệu giữa các đơn vị dữ liệu dịch vụ (SDU) tầng trên và tạo, tách luồng bit tưởng ứng thích hợp để điều chế nên sóng mang. Ở hướng đường xuống, giao diện giữa tầng XGTC và tầng PMD được đại diên bằng một chuỗi bit liên tục với tốc độ chuẩn hóa 10Gbit/s và được phân thành các khung 125 micro giây. Ở đường hướng lên, giao diện giũa tầng XGTC và tầng PMD là các chuỗi burst quang theo thời gian. Quá trình tách, ghép và xử lý chuyển đổi các đơn vị dữ liệu dịch vụ (SDU) tầng trên vào luồng bit tầng vật lý cho hướng đường lên và đường xuống được mơ tả như hình 2.5 và hình 2.6.
Hình 2.6 Ánh xạ SDU đường lên
2.2.2.1 Phân lớp thích ứng dịch vụ XGTC
Phân lớp thích ứng dịch vụ XGTC chịu trách nhiệm đóng gói, ghép kênh và phân định SDU lớp trên trong quá trình truyền dẫn qua PON. Ở phía phát, phân lớp thích ứng
dịch vụ XGTC chấp nhận các dữ liệu dịch vụ tầng trên dưới dạng các khung dữ liệu người dùng hoặc lưu lượng OMCI thực hiện việc phân đoạn nếu cần thiết, gán XGEM Port-ID cho các SDU hoặc SDU fragment và sử dụng phương pháp đóng gói dữ liệu XG-PON để tạo thành các khung XGEM. Việc mã hóa cho các tải tin khung XGEM là tùy chọn và chuỗi các khung XGEM tạo thành tải tin của khung XGTC truyền ở đường xuống hoặc trong các burst XGTC ở hướng đường lên.
Ở phía thu, phân lớp thích ứng dịch vụ XGTC tiếp nhận tải tin từ các burst và khung XGTC, thực hiện việc phân định các khung XGEM, cũng như là lọc các khung dựa vào các XGEM Port-ID, việc giải mã tải tin nếu như phía phát thực hiện mã hóa, tập hợp các SDU và chuyển chúng đến các client tương ứng theo yêu cầu.
2.2.2.2 Phân lớp định khung XGTC framing
Phân lớp định khung XGTC chịu trách nhiệm xây dựng và phân tích các trường của khung XGTC chức năng quản lý PON cần thiết. Các định dạng khung được thiết kế để các khung và các phần tử của chúng được căn chỉnh theo ranh giới từ 4 byte.
Ở phía phát, phân lớp định khung nhận các các tập khung XGEM tạo nên các tải tin XGTC từ phân lớp thích ứng dịch vụ XGTC, và xây dựng các khung XGTC đường xuống hoặc burst XGTC đường lên bằng cách cung cấp các trường tiêu đề bao gồm các thông tin quản lý việc ghép khung TDMA, thông tin quản lý băng thông cũng như các thông tin điều khiển, vận hành và quản lý khác.
Ở phía thu, phân lớp định khung XGTC nhận các khung hoặc burst XGTC, phân tích các trường tiêu đề, trích xuất các luồng bản tin PLOAM và chuyển các tải tin XGTC tới phân lớp thích ứng dịch vụ. Luồng kênh bản tin PLOAM đến được gửi đến bộ xử lý PLOAM. Thông tin EOAM (Embedded OAM) trong phạm vi liên quan đến quản lý băng thông đường lên (phân tích cú pháp BWmap) và báo hiệu phân bổ băng thông động (DBA) được xử lý trong chính phân lớp đóng khung, cung cấp các điều khiển một phần đối với phân lớp thích ứng PHY (định thời chùm PHY hướng lên và điều khiển hồ sơ), và phân lớp thích ứng dịch vụ (chỉ báo khóa mã hóa). Phần cịn lại của thơng tin EOAM được gửi đến các thực thể điều khiển bên ngồi lớp con đóng khung, chẳng hạn như khối quản lý nguồn ONU và giám sát hiệu suất
2.2.2.3 Phân lớp thích ứng tầng vật lý
Phân lớp thích ứng vật lý bao gồm các chức năng sửa đổi dòng bit điều chế máy phát quang với mục tiêu cải thiện các thuộc tính phát hiện, tiếp nhận và phân định của tín hiệu được truyền qua mơi trường quang.
Ở phía phát, phân lớp thích ứng vật lý nhận các khung XGTC (ở chiều xuống) hoặc burst XGTC (ở chiều lên) từ phân lớp định khung và tiến hành phân tách khung hay burst nhận được thành các khối dữ liệu FEC rồi tính tốn và ghép các trường chẵn lẻ FEC vào mỗi khối dữ liệu FEC. Thực hiện xáo trộn nội dung được bảo vệ bởi FEC, bổ sung trước khối đồng bộ vật lý thích hợp cho quá trình truyền tải đường xuống (PSBd) hoặc đường lên (PSBu) và cung cấp liên kết thời gian của luồng bit kết quả.
Hình 2.7 Khối đồng bộ vật lý đường xuống (PSBd)
Hình 2.7 biểu diễn cấu trúc của một khối đồng bộ vật lý đường xuống. Khối PSBd có kích thước 24 bytes bao gồm các cấu trúc 8 bytes riêng biệt: Psync, cấu trúc superframe counter (SFC) và PON-ID.
Hình 2.8 Khối đồng bộ vật lý đường lên
Khối đồng bộ vật lý đường lên bao gồm 2 phần là phần Preamble và Delimiter như trong hình 2.8 cho phép bộ thu quang của OLT điều chỉnh mức tín hiệu quang và phân tách các burst. Chiều dài và kiểu của phần Preamble và Delimiter tạo thành biên dạng
của burst. Tập hợp các biên dạng burst được phép được chỉ định trước bởi OLT bằng cách sử dụng bản tin Profile PLOAM. Cấu hình cụ thể sẽ được sử dụng với burst PHY cụ thể được OLT chọn trong trường BurstProfile trong phân bổ BWmap tương ứng.
Ở phía thu, phân lớp đáp ứng dịch vụ thực hiện đồng bộ vật lý và phân định các luồng bit, giải mã nội dung của khung hoặc burst PHY, thực hiện sửa lỗi FEC và trích xuất các ký hiệu sửa lỗi chẵn lẻ (FEC), cung cấp các khung XGTC kết quả (theo đường xuống) hoặc burst XGTC bùng nổ (theo đường lên) đến phân lớp định khung XGTC.
Phân lớp này thực hiện mã hóa, giải mã mức thấp nhất cho các khung XGTC trên kênh vật lý. Phân lớp này cũng cung cấp các chức năng đồng bộ vật lý, đồng chỉnh định thời cho việc ghép, tách khung. Ngoài ra, một trong các chức năng rất quan trọng của phân lớp thích ứng vật lý là chức năng sửa lỗi trước FEC bao gồm việc phân chia thành các khối dữ liệu FEC, tính tốn trường chẵn lẻ FEC cũng như thực hiện sửa lỗi dựa trên các mã FEC.
2.3 Đóng khung lớp hội tụ truyền dẫn
2.3.1 Đóng khung đường xuống
Khung XGTC đường xuống có kích thước cố định 135432 byte và bao gồm tiêu đề XGTC và phần tải tin XGTC. Tải tin XGTC được hình thành ở phía truyền và được xử lý ở phía nhận bởi phân lớp thích ứng dịch vụ. Hình 2.10 mơ tả cấu trúc của khung XGTC đường xuống trong đó tiêu đề khung XGTC đường xuống bao gồm các trường HLend có kích thước cố định và hai trường có kích thước thay đổi: (BWmap) và PLOAM đường xuống (PLOAMd).
Hình 2.10 Cấu trúc khung XGTC đường xuống
HLend là một cấu trúc 4 byte điều khiển kích thước của các trường có kích thước thay đổi trong XGTC. Nó bao gồm 3 trường con là:
- BWmap length: kích thước 11 bit xác định số lượng cấu trúc phân bổ trong phần BWmap.
- PLOAM count: kích thước 8 bit xác định số lượng các bản tin PLOAM trong phân vùng PLOAMd.
- HEC: kích thước 13 bit, trường phát hiện và sửa lỗi cho cấu trúc Hlend. Phân vùng BWmap là một tập các cấu trúc phân bổ 8 byte. Số lượng cấu trúc phân bổ trong BWmap được cho trong trường BWmap length. Chiều dài thực tế của BWmap là 8xN bytes. Hình 2.11 đã thể hiện cấu trúc của phân vùng BWmap bao gồm các cấu trúc phân bổ và chi tiết các trường có trong cấu trúc phân bổ.
Hình 2.11 Cấu trúc phân vùng BWmap
Một cấu trúc phân bổ bao gồm các trường:
- Alloc-ID: 14 bit xác định người nhận phân bổ băng thông
- Flags: 2 bit. Bao gồm 2 chỉ số là DBRu và PLOAMu dùng cho báo hiệu. - StrartTime: 16 bit xác định byte đầu tiên của burst XGTC đường lên trong
khung PHY đường lên.
- GrantSize: kích thước 16 bit xác định chiều dài của dữ liệu tải tin XGTC với giá trị DBRu được truyền trong phân bổ cụ thể.
- Trường FWI: cho phép OLT đánh thức ONU đang ở chế độ công suất thấp, nếu như ONU hỗ trợ quản lý qua giao thức.
- Trường BurstProfile: trường kích thước 2 bit bao gồm chỉ số của burst profile được sử dụng bởi phân lóp đáp ứng PHY của ONU để hình thành PHY burst.
- Trường HEC: trường kiểm tra lai ghép xác định và sửa lỗi cho cấu trúc phân bổ
Phân vùng PLOAMd bao gồm các bản tin PLOAM như trong hình 2.12. Chiều dài của mỗi bản tin PLOAM là 48 bytes. Số lượng bản tin PLOAM trong phân vùng