Lưu lượng luồng lên GPON gồm truyền dẫn liên tiếp các ONU. Mỗi chu kỳ phân phối phải theo sự điều khiển của OLT
Hình 1.13 Truyền dẫn ONU luồng lên
Để xác định các khung riêng biệt dựa vào tiêu đề burst bắt đầu các ONU. Hình 1.14 chỉ rõ định dạng khung luồng lên, nó bao gồm 4 trường tiêu đề và tải trọng dữ liệu người dùng có chiều dài thay đổi.
1.5.2.a Tiêu đề lớp vật lý (PLOu)
Trường tiêu đề lớp vật lí hướng lên gồm các vùng là phần mở đầu, vùng ranh giới và 3 vùng dữ liệu tương ứng với ONU. Để duy trì kết nối với ONU, OLT sẽ thử cấp truyền lên của mỗi ONU trong khoảng thời gian tối thiểu. Khoảng thời gian này được xác định bởi các thông số dịch vụ của ONU. OLT sẽ định dạng và điều khiển phần mở đầu và ranh giới trong các bản tin overhead. Vùng BIP có 8 bit.
Trước khi ONU-ID được gán, ONU đặt giá trị không xác định là 255 trong vùng này. OLT có thể kiểm tra vùng này để xác nhận địa chỉ phân bố và truyền đúng đến ONU. Vùng ID cung cấp trạng thái ONU thời gian thực báo cáo cho OLT. Khi ONU chỉ ra một PLOAM khẩn cấp đang đợi, OLT sẽ cấp một vị trí ở hướng lên cho phép ONU gửi bản tin PLOAM. Thời gian đáp lại sẽ ít hơn 5 ms.
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 17
Hình 1.14 Định dạng và cấu trúc tiêu đề của khung luồng lên được gửi từ ONU
1.5.2.b Trƣờng PLOAMu
Trường chịu trách nhiệm chức năng quản lý như là kích hoạt ONU và cảnh báo. 13 byte PLOAMu bao gồm bàn tin PLOAM được định nghĩa trong G.981 và sửa bít lỗi bởi CRC dùng đa thức phát hiện lỗi sai và sửa chúng.
1.5.2.c Trƣờng PLSu
Trường bao gồm thông tin về mức công suất laser ở các ONU được nhìn thấy bởi OLT. Cơ chế điều khiển công suất có lợi trong 2 trường hợp là khởi tạo công suất ban đầu của bộ phát ONU và thay đổi công suất của bộ phát ONU. PLSu có thể được yêu cầu ở bất kỳ thời điểm nào. Ở nhiều trường hợp, trong lúc kích hoạt, OLT có thể cài đặt bit PLSu để quảng bá cho phép ONU thiết lập bộ phát. OLT dùng PLSu điều chỉnh mức công suất ONU mục đích giảm bớt phạm vi quang nhận được tại OLT. Nếu ONU không sử dụng trường PLSu thì ONU sẽ không kích hoạt bộ phát.
1.5.2.d Trƣờng DBRu
Cấu trúc DBRu chứa thông tin T-CONT. Vùng này được gửi khi có chỉ thị cờ. Trường DBA chứa trạng thái lưu lượng của T-CONT. Đầu thu của DBRu sẽ thực hiện phát hiện và sửa lỗi CRC-8. Nếu CRC chỉ thị rằng lỗi không thể sửa được thì thông tin trong DBRu sẻ bị loại bỏ. Trường thông báo tới OLT chiều dài hàng đợi của mỗi AlloID ở các ONU. Cho phép OLT điều chỉnh quá trình phân bổ băng thông động hoạt động đúng. Ngoài ra, DBRu được bảo vệ tránh bít lỗi bởi CRC. Truyền dẫn trường PLOAMu, PLSu và DBRu phụ thuộc vào cờ luồng xuống trong ánh xạ US BW.
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 18
1.5.2.e Phần tải
Phần tải đưa lên có thể là tế bào ATM, khung GEM hay báo cáo DBA. Phần tải ATM luồng lên có 53 byte. Chiều dài của phần tải này phải nhỏ hơn chiều dài tiêu đề được yêu cầu. OLT sắp xếp các con trỏ để phần tải ATM luôn là 53 bytes. Nếu tải không đủ 53 bytes thì nó sẽ đệm thêm cho đủ 53 byte.
Hình 1.15 Tải là ATM
Phần tải luồng lên GEM chứa một số khung GEM. Chiều dài của phần tải này phải nhỏ hơn chiều dài overhead được yêu cầu.
*, Đoạn GEM
Phương pháp đóng gói GPON tương tự như ATM, nhưng chiều dài khung thay đổi thay cho các tế bào có chiều dài cố định như ATM. Vì vậy, GEM cung cấp cấu trúc tổng quát để gửi các dịch vụ khác nhau trên nền GPON. Đóng gói tải trọng có thể lên tới 1500 byte. Nếu ONU có gói gửi lớn hơn 1500 byte thì ONU phải chia thành những mảnh nhỏ hơn phù hợp với tải trọng cho phép. Các thiết bị đầu thu có trách nhiệm lắp ghép các mảnh nhỏ đó thành gói tin ban đầu.
Dưới đây là cấu trúc đoạn GEM, nó bao gồm bốn trường tiêu đề và tải trọng dài L byte. Trường tiêu đề như sau:
- 12 bít chỉ thị độ dài tải trọng (Payload Length Indicator-PLI) chỉ độ dài tải trọng gói GEM.
- 12 bít nhận dạng cổng (Port ID – Port identifies )nó chỉ ra luồng dịch vụ của đoạn này.
- 3 bít chỉ thị loại tải trọng (PTI-Payload Type Indicator )xác định kết thúc đoạn của gói tin người dùng hoặc lưu lượng bị tắc nghẽn, hoặc tải trọng GEM có bao gồm thông tin OAM.
- 13 bít HEC để kiểm tra lỗi tiêu đề cho phép sữa chữa hai bít sai và phát hiện 3 lỗi sai.
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 19
Hình 1.16 Bốn trường tiêu đề và tải trọng của đoạn GEM
Một lợi ích quan trọng của cấu trúc GEM là cung cấp biện pháp hiệu quả để đóng gói và phân mảnh gói thông tin người dùng. Lý do đóng gói trong GPON là cho phép quản lý với nhiều luồng dịch vụ từ các ONU khác nhau dùng chung sợi quang truyền dẫn. Mục đích của phân mảnh là gửi gói tin từ một người dùng hiệu quả không kể tới kích cỡ và độ tin cậy định dạng gói tin ban đầu từ cửa sổ lớp vật lý trên GPON.
Hình 1.17 Tải là GEM
Phần tải luồng lên DBA chứa báo cáo phân bổ băng thông động từ ONU. Báo cáo băng thông động đầu tiên được xếp hàng ở các byte đầu tiên tại vị trí bắt đầu phân bổ, tất cả báo cáo liên tiếp nhau. Nếu chiều dài phân bổ không khớp với toàn bộ chiều dài báo cáo thì ONU sẽ bỏ bớt phần cuối của báo cáo hay đệm thêm các bit 0 ở phần cuối nếu không đủ. Chú ý rằng ONU phải phản hồi việc phân bố tải DBA thậm chí nếu mode này của DBA không hỗ trợ thì nó vẫn duy trì phần tải này.
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 20
Hình 1.18 Tải là DBA
1.6 Tổng kết chƣơng
Trong chương 1 nêu kiến trúc mạng GPON với thành phần cơ bản của mạng như :OLT, ONU, Splitter. Đồng thời cấu trúc khung luồng lên, khung luồng xuống phục vụ OLT điều khiển lưu lượng truy cập mạng của ONU. Được biết đến với giải pháp cấp phát băng thông mà chương 2 đề cập.
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 21
CHƢƠNG 2:
CẤP PHÁT BĂNG THÔNG ĐỘNG TRONG GPON
2.1 Giới thiệu chƣơng
Mạng GPON với tốc độ luồng xuống/luồng lên lên tới 2.44Gbps/1.24Gbps có thể cung cấp dịch vụ cho 32 ONU. Với mục tiêu phục vụ nhu cầu dịch vụ ngày càng cao của khách hàng, các phương pháp cấp phát băng thông quan trọng hơn bao giờ hết. Có hai phương pháp cấp phát băng thông, đó là : cấp phát băng thông tĩnh (SBA- Static Bandwidth Allocation) và cấp phát băng thông động (DBA- Dynamic Bandwidth Allocation). Trong chương 2 đề cập chủ yếu về cấp phát băng thông động.
2.2 Tổng quan về phân bổ băng thông
Mạng GPON có thể cung cấp đồng thời nhiều dịch vụ chất lượng cao. Một số dịch vụ như là VoIP hoặc TDM, yêu cầu băng thông luồng lên cố định nên có thể phân bổ băng thông tĩnh cho các dịch vụ này.
Các dịch vụ dựa trên nền IP khác, như là duyệt Internet, xem video trực tuyến, chia sẻ và tải tệp tin. Để băng thông luồng lên được sử dụng hiệu quả, OLT sẽ phân bổ băng thông luồng lên cho từng dịch vụ bằng việc sử dụng thuật toán phân bổ băng thông động (DBA- Dynamic Bandwidth Allocation). Với thuật toán DBA tốt, có thể tối đa số lượng ONU được truy nhập mạng. Một ví dụ đơn giản là mạng với 32 thuê bao, trong đó tốc độ tối đa mỗi thuê bao 100Mbit/s. Yêu cầu khả năng mạng là 3.2Gbit/s, gấp gần 3 lần khả năng mạng GPON hiện tại, nhưng với thuật toán DBA tốt, nhà cung cấp vẫn có thể đáp ứng tốc độ trên và đồng thời đảm bảo đầy đủ băng thông cho tất cả dịch vụ.
Với việc chuyển sang mô hình lưu lượng IP đầy đủ, dự đoán lưu lượng các ứng dụng sẽ bùng nổ. Dẫn tới hiệu quả thuật toán DBA trở nên cực kì quan trọng. Hiệu quả ảnh hưởng trực tiếp tới trễ. Ví dụ, trong bộ đệm ONU nhận được tổng lưu lượng 3.75Gbit/s trong 10ms (tốc độ luồng lên của GPON là 1.244Gbps) sẽ được xử lý trong 30ms với hiệu quả 100%. Ngược lại, nếu hiệu quả chỉ là 50%, nó sẽ mất 60ms để xử lý. Tức là nếu DBA không hiệu quả tương ứng tất cả ONU mất 30ms trễ trong ví dụ trên.
Độ trễ là tham số quan trọng, giới hạn lớn nhất có vai trò quan trọng hơn giá trị trung bình. Độ trễ trung bình là 1.5ms và giá trị lớn nhất là 5ms cung cấp thông tin khác biệt so với độ trễ trung bình 1.5ms và giá trị lớn nhất 50ms. Trong mạng GPON, OLT thông báo phân bổ băng thông luồng cho ONU lên thông qua bản tin ánh xạ băng thông truyền dẫn (BWMAP- Bandwidth Mapping messages), được xây dựng cho từng ONU hoặc container truyền dẫn (T-CONT - Transmission Containers). Phân bổ băng thông chính là định nghĩa khe thời gian cho từng ONU tham gia truyền dữ liệu. Bản
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 22 chất DBA là tính toán BWMAP linh hoạt để phân bổ hợp lý băng thông cho mỗi ONU.
2.2.1 Cấp phát băng thông tĩnh
Các thế hệ trước của mạng PON phân bổ thông băng tĩnh. Với SBA, băng thông và trễ là ổn định, phương pháp này không hiệu quả vì băng thông vẫn được sử dụng ngay cả khi không có lưu lượng luồng lên. Mỗi ONU được phân bổ băng thông xác định trước. Được ứng dụng nếu tất cả dịch vụ trong mạng yêu cầu băng thông cố định như VoIP hoặc TDM, hoặc khi băng thông luồng lên dự phòng thấp. Chỉ cần lưu lượng ONU truy cập luôn ở tốc độ cố định, hiệu quả sử dụng luồng lên tốt. Vấn đề xuất hiện khe thời gian của ONU-B và ONU-C nhàn rỗi như trong hình 2.1 dưới đây, khi đó không được phân bổ cho các ONU khác trong mạng, dẫn tới tổng băng thông được sử dụng của luồng lên giảm.
Hình 2.1 Phân bổ băng thông tĩnh
Chỉ cần mạng không tắc nghẽn, và tổng băng thông luồng lên được yêu cầu để hỗ trợ mọi ONU ở mọi thời điểm nhỏ hơn 1.244Gbps, kênh luồng lên có băng thông hữu dụng đủ để phục vụ tất cả ONU mà không phải xếp hàng. Nếu băng thông không được dùng có thể phân bổ cho các ONU khác, nó có thể đáp ứng dịch vụ bùng phát, cải thiện người dùng và mức dịch vụ, và giảm nguy cơ tắc nghẽn tại hàng đợi ở các ONU. Để sử dụng băng thông không khả dụng để cung cấp các kết nối tốc độ cao và chất lượng luồng lên tốt hơn để sử dụng và kinh doanh, cơ chế phân bổ băng thông phải năng động.
2.2.2 Cấp phát băng thông động
Chuẩn GPON cung cấp công cụ để phân bổ băng thông động và đưa ra đề án phân bổ băng thông. Sử dụng các công cụ này, OLT có thể phân bổ băng thông cho riêng ONU hoặc cho dịch vụ của ONU (T-CONT) và có thể dựa trên băng thông được phân bổ trong yêu cầu ONU, lưu lượng luồng lên đo được, hoặc dựa trên cả hai, xem xét thỏa thuận mức dịch vụ (SLA-Service Level Agreement) của thuê bao.
Ví dụ, hình dưới mô tả băng thông không được phân bổ cho ONU-A, ONU-C mà phân bổ cho ONU khác có yêu cầu.
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 23
Hình 2.2 Phân bổ băng thông động
Một thuật toán DBA tốt phân bổ băng thông luồng lên thích ứng với sự lưu lượng luôn luôn thay đổi. Tại khe thời gian bất kỳ, băng thông được phân bổ cho một số ONU (hoặc dịch vụ). Trong khe thời gian khác, băng thông sẽ được phân bổ cho ONU (hoặc dịch vụ) khác, tối đa hóa hiệu quả sử dụng băng thông trong PON. Mặc dù có hiệu quả tốt hơn, nhưng nếu thiết kế DBA không phù hợp với chi tiết kỹ thuật dịch vụ, có thể gây nên tình trạng tăng trễ thậm chí là hiệu quả sử dụng băng thông cũng bị giảm sút.
Các chi tiết dịch vụ ở đây bao gồm băng thông đảm bảo tối thiểu, băng thông tối đa, trễ tối đa… DBA có kế hoạch riêng cho từng dịch vụ.
2.2.3 So sánh hai phƣơng pháp cấp phát băng thông
Hình 2.3 Tỷ lệ mất gói theo tải
Dễ thấy, phương pháp cấp phát băng thông tĩnh đơn giản trong cấu hình các thiết bị, đơn giản trong quản lý, sửa chửa nhưng thiếu tính linh hoạt trong phân bổ băng thông so với phương pháp phân bổ băng thông động. Đặc biệt gặp khó khăn khi nhu cầu băng thông ngày càng tăng cao. Bây giờ, so sánh hai phương phân bổ này
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 24 trong đánh giá của Wenjia Wang Didi, Walt Soto, Anh Ly trong „DBA overview’ tháng 10/2001với các dịch vụ: thoại, video, dữ liệu, đa phương tiện .
Các dịch vụ thoại và đa phương tiện thì tỷ lệ mất gói (Packet Loss Ratio) của SBA và DBA ở mức gần như không đáng kể và sai khác về hiệu quả không rõ rệt như video. Đặc biệt với dịch vụ nhạy cảm như dữ liệu thì tỷ lệ mất mát ở SBA đáng kể khi tăng thông số tải của mạng từ 0.4 Gbps tới mức 1Gbps. Ngoài ra, các Kết quả mô phỏng còn chỉ ra rằng hiệu suất sử dụng tối đa của DBA lên tới 80% thay vì 40% với SBA.
Hình 2.4 Trễ theo tải
Tương tự như tỷ lệ mất gói, DBA đạt hiệu quả cao trong cải thiện trễ của dịch vụ video và dữ liệu. Trễ của SBA có thể lên tới 100 ms còn DBA thông thường không vượt quá 10 ms, hay nỗ lực giảm trễ tăng 10 lần thích hợp với các mức dịch vụ cao, yêu cầu thời gian thực.
2.3 Cấp phát băng thông động DBA trong GPON2.3.1 Yêu cầu của DBA 2.3.1 Yêu cầu của DBA
Nhận thấy rằng các chính sách QoS có thể khác nhau cho mỗi ISP. Ngoài ra, nếu số liên kết lớp 2 trong điều khiển lưu lượng tăng lên, nó sẽ kéo theo chi phí, và hiệu quả của băng thông sẽ giảm. Khi xem xét các yếu tố này, có thể thấy rằng chia điều khiển lưu lượng thành 2 lớp sẽ thích hợp. DBA hoạt động ở lớp 1, là lớp truy nhập. Điều này làm tiền đề để có thể chia sẻ băng thông công bằng giữa các người dùng trong đa ONU và thực hiện điều khiển lưu lượng của lớp cơ sở/luồng cơ sở độc lập do các ISP dùng chính sách khác nhau.
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 25
Hình 2.5 Ví dụ về cấu hình mạng ở lớp 2 của ISPs
Nếu có thể chia sẻ băng thông giữa các người dùng một cách công bằng và hiệu quả bằng cách giới hạn số lượng người dùng trên một liên kết, có thể đảm bảo băng thông tối thiểu cho người dùng và trễ lưu lượng ít hơn mức băng thông tối thiểu được bảo đảm. Vì vậy, sự công bằng, hiệu quả và số người dùng chia sẻ băng thông là yếu tố quyết định băng thông tối thiểu đảm bảo cho mỗi người dùng. Bảo đảm băng thông tối thiểu và hạn chế trễ tối đa rất cần thiết để cung cấp dịch vụ như VoIP. Trong ITU- T, các điều kiện về chất lượng khác nhau của dịch vụ IP đã được chuẩn hóa và trễ end- to-end chính xác tối đa 100ms cho thời gian thực, jitter-sensitive, và ảnh hưởng nhiều tới ứng dụng VoIP. Khi thiết kế một hệ thống, DBA phải được thiết kế dựa trên các phân bổ thời gian trễ lớn nhất được thiết lập cho mạng truy cập PON, một phần của 100ms end-to-end vừa đề cập trước đó. Hơn nữa, giao thức TCP được sử dụng rộng rãi trong Internet, thời gian trễ trung bình phải giảm càng nhiều càng tốt để có thể đạt được mục tiêu thông lượng cao. Mục đích của DBA là tìm cách có thể tăng hiệu quả của băng thông và tăng tốc độ đỉnh chừng nào có thể. Hệ thống phải thỏa mãn chức năng và hiệu năng cần thiết cho mục tiêu cung cấp dịch vụ và phải được thiết kế với