2.1.1 AON
Mạng quang tớch cực sử dụng một số thiết bị quang tích cƣ̣c để phõn chia tớn hiệu là : switch, router và multiplexer. Mỗi tớn hiệu đi ra từ phớa nhà cung cấp chỉ đƣợc đƣa trực tiếp tới khỏch hàng yờu cầu nú. Do đú, để trỏnh xung đột tớn hiệu ở đoạn phõn chia từ nhà cung cấp tới ngƣời dựng, cần phải sử dụng một thiết bị điện cú tớnh chất “đệm” cho quỏ trỡnh này. Từ năm 2007, một loại mạng cỏp quang phổ biến đó nảy
sinh là Ethernet tớch cực (Active Ethernet). Đú chớnh là bƣớc đi đầu tiờn cho sự phỏt triển của chuẩn 802.3ah nằm trong hệ thống chuẩn 802.3 đƣợc gọi là Ethernet in First Mile (EFM). Mạng Ethernet tớch cực này sử dụng chuyển mạch Ethernet quang để phõn phối tớn hiệu cho ngƣời sử dụng; nhờ đú, cả phớa nhà cung cấp và khỏch hàng đó tham gia vào một kiến trỳc mạng chuyển mạch Ethernet tƣơng tự nhƣ mạng mỏy tớnh Ethernet sử dụng trong cỏc trƣờng học. Tuy nhiờn, 2 mạng này cũng cú sự khỏc biệt đú là Ethernet trong trƣờng học mục đớch chủ yếu là liờn kết giữa mỏy tớnh và mỏy in cũn mạng chuyển mạch Ethernet tớch cực này để dựng cho kết nối từ phớa nhà cung cấp tới khỏch hàng. Mỗi một khối chuyển mạch trong mạng Ethernet tớch cực cú thể điều khiển lờn tới 1000 khỏch hàng nhƣng thụng thƣờng trong thực tế, 1 chuyển mạch chỉ sử dụng cho từ 400 đến 500 khỏch hàng.Cỏc thiết bị chuyển mạch này thực hiện chuyển mạch và định tuyến dựa vào lớp 2 và lớp 3. Chuẩn 802.3ah cũng cho phộp nhà cung cấp dịch vụ cung cấp đƣờng truyền 100Mbps song cụng tới khỏch hàng và tiến tới cung cấp đƣờng truyền 1Gbps song cụng. Hỡnh 3.1 dƣới đõy là kiến trỳc đơn giản của mạng AON.
Hỡnh 3.1 -Mạng Active Ethernet (trờn ) và mạng AON (dƣới)
Một nhƣợc điểm rất lớn của mạng quang tớch cực chớnh là ở thiết bị chuyển mạch. Với cụng nghệ hiện tại, thiết bị chuyển mạch bắt buộc phải chuyển tớn hiệu quang thành tớn hiệu điện để phõn tớch thụng tin rồi tiếp tục chuyển ngƣợc lại để truyền đi. Điều này sẽ làm giảm tốc độ truyền dẫn tối đa cú thể trong hệ thống FTTH. Ngoài ra do đõy là những chuyển mạch cú tốc độ cao nờn cỏc thiết bị này rất đắt, khụng phự hợp với việc triển khai đại trà cho mạng truy cập.
2.1.2 Mạng PON
Cỏc mạng viễn thụng ngày nay đều dựa trờn cỏc thiết bị chủ động, tại thiết bị tổng đài của nhà cung cấp dịch vụ lẫn thiết bị đầu cuối của khỏch hàng cũng nhƣ cỏc trạm lặp, cỏc thiết bị chuyển tiếp và một số cỏc thiết bị khỏc trờn đƣờng truyền. Cỏc thiết bị chủ động là cỏc thiết bị này cần phải cung cấp nguồn cho một số thành phần, thƣờng là bộ xử lý, cỏc chớp nhớ… Với mạng PON, tất cả cỏc thành phần chủ động giữa tổng đài CO và ngƣời sử dụng sẽ khụng cũn tồn tại mà thay vào đú là cỏc thiết bị quang thụ động, điều khiển lƣu lƣợng trờn mạng dựa trờn việc phõn tỏch năng lƣợng của cỏc bƣớc súng quang học tới cỏc điểm đầu cuối trờn đƣờng truyền. Việc thay thế cỏc thiết bị chủ động sẽ tiết kiệm chi phớ cho cỏc nhà cung cấp dịch vụ vỡ họ khụng cũn cần đến năng lƣợng và cỏc thiết bị chủ động trờn đƣờng truyền nữa. Cỏc bộ ghộp / tỏch thụ động chỉ làm cỏc cụng việc đơn thuần nhƣ cho đi qua hoặc ngăn chặn ỏnh sỏng… Vỡ thế, khụng cần năng lƣợng hay cỏc động tỏc xử lý tớn hiệu nào và từ đú, gần nhƣ kộo dài vụ hạn khoảng thời gian trung bỡnh giữa cỏc lần lỗi truy cập MTBF (Mean Time Between Failure), giảm chi phớ bảo trỡ tổng thể cho cỏc nhà
cung cấp dịch vụ.
Mạng quang thụ động (PON) đƣợc xõy dựng nhằm giảm số lƣợng cỏc thiết bị thu, phỏt và sợi quang trong mạng thụng tin quang FTTH. PON là một mạng điểm tới đa điểm, một kiến trỳc PON bao gồm một thiết bị đầu cuối kờnh quang đƣợc đặt tại trạm trung tõm của nhà khai thỏc dịch vụ và cỏc bộ kết cuối mạng cỏp quang ONU/ONT ( O p t i c a l N e t w o r k U n i t / O p t i c a l N e t w o r k T e r m i n a l ) đặt tại gần hoặc tại nhà thuờ bao. Giữa chỳng là hệ thống phõn phối mạng quan ODN (Optical Distribution Network) bao gồm cỏp quang, cỏc thiết bị tỏch ghộp thụ động. Kiến trỳc của PON đƣợc mụ tả nhƣ trong Hỡnh 3.2.
Hỡnh 3.2–Mạng PON
Trong hệ thống PON, kết nối mạng quang ONT cú khả năng hỗ trợ kết nối dịch vụ điện thoại truyền thống qua giao diện POTS (Plain Old Telephone Service) và cỏc giao tiếp truyền dữ liệu tốc độ cao nhƣ Ethernet và DSL. Đầu cuối đƣờng dõy quang OLT bao gồm cỏc khối giao tiếp PON, một kết cấu chuyển mạch dữ liệu và cỏc phần tử điều khiển NE (Network Element). Thiết bị OLT (thiết bị kết cuối kờnh quang) đƣợc đặt ở phớa nhà cung cấp dịch vụ, cũn cỏc thiết bị ONT (thiết bị kết cuối mạng quang) đƣợc đặt phớa nguời sử dụng. Thiết bị OLT cung cấp nhiều kờnh quang, mỗi kờnh quang đuợc truyền trờn một tuyến cỏp quang trờn đú cú bộ chia. Nhiệm vụ của bộ chia là thu
và nhận cỏc tớn hiệu quang đuợc nhận và phỏt bởi OLT.
Cỏp sợi quang truy ền từ OLT sẽ trải dài và kết nỗi tới mỗi ONT. Cỏc bƣớc súng truyền 1490 nm (hoặc 1550 nm tựy theo lựa chọn) đuợc dựng cho băng thụng chiều xuống từ OLT, trong đú cỏc bƣớc súng 1310 nm sẽ đuợc truyền theo huớng lờn bởi mỗi thiết bị ONT. Hệ thống cung cấp địa chỉ, cung cấp băng thụng một cỏch tự động tự động cũng nhƣ việc mó húa đƣợc sử dung để truy trỡ và phõn tỏch lƣu lựợng giữa OLT và ONT.
Tại hƣớng xuống, OLT phỏt quảng bỏ dữ liệu tới tất cả cỏc ONU. Tớn hiệu hƣớng xuống bao gồm dữ liệu cho cỏc ONT, từ đầu Khai thỏc Quản lý và Bảo dƣỡng OAM (Operation Administration and Maintenance) và cỏc tớn hiệu đồng bộ cho cỏc ONT gửi dữ liệu hƣớng lờn. Dựa vào cỏc thụng tin về khe thời gian (kờnh), địa chỉ gúi/tế bào, bƣớc súng, mó CDMA mà cỏc ONT tỏch dữ liệu tƣơng ứng với thuờ bao của khỏch hàng.
Trong hƣớng lờn, mỗi một ONU cần cú giao thức điều khiển truy nhập mụi trƣờng MAC (Medium Access Control) để chia sẻ PON. Giao thức MAC thƣờng đƣợc sử dụng trong PON là đa truy nhập phõn chia theo thời gian TDMA, khi đú mỗi ONT đƣợc cấp một khe thời gian (kờnh) để gửi dữ liệu của mỡnh tới OLT. Ngoài ra trong hƣớng lờn cần phải cú khoảng thời gian bảo vệ giữa cỏc nhúm gúi dữ liệu của cỏc ONT, khoảng thời gian này phải đảm bảo sao cho tại bộ thu OLT dữ liệu khụng bị trựm phủ lờn nhau.
Thụng thƣờng cỏc hệ thống TDMA-PON gỏn trƣớc một tỷ lệ phõn chia cố định băng thụng hƣớng lờn cho cỏc ONT mà khụng quan tõm cú bao nhiờu dữ liệu đƣợc gửi đi. Một giải phỏp để phõn bổ băng thụng cho cỏc ONT là sử dụng giao thức phõn bổ băng thụng động DBA (Dynamic Bandwidth Allocation). DBA là giao thức cho phộp cỏc ONT gửi yờu cầu về băng thụng tới OLT nhằm sử dụng hiệu quả băng thụng hƣớng lờn. Cỏc thụng tin yờu cầu cú thể là cỏc mức đầy hàng đợi đầu vào cho cỏc lớp dịch vụ khỏc nhau. OLT đỏnh giỏ cỏc yờu cầu từ cỏc ONT và gỏn băng thụng cho gửi dữ liệu hƣớng lờn ở lần kế tiếp theo. OLT cũng cú thể tớch hợp chức năng thỏa thuận mức dịch vụ SLA (Service Level Agreement) để kết hợp với DBA trong việc phõn bổ băng thụng.
Thụng thƣờng cỏc hệ thống PON truyền dữ liệu cả hƣớng xuống và hƣớng lờn trong cựng một sợi quang. Trờn mỗi sợi mặc dự cỏc bộ nối định hƣớng cho phộp sử dụng cựng một bƣớc súng cho cả 2 hƣớng, tuy nhiờn đối với cỏc hệ thống truyền tải tốc độ cao để đảm bảo chất lƣợng thỡ thụng thƣờng mỗi hƣớng sử dụng một bƣớc súng riờng. Trong cỏc mạng PON cỏc bƣớc súng đƣợc sử dụng là 1490nm hoặc 1550nm cho hƣớng xuống và 1310nm cho tớn hiệu đƣờng lờn.
Ƣu điểm của PON là nú sử dụng cỏc bộ tỏch/ghộp quang thụ đụ̣ng , cú giỏ thành rẻ và cú thể đặt ở bất kỡ đõu, khụng phụ thuộc vào cỏc điều kiện mụi trƣờng, khụng cần phải cung cấp năng lƣợng cho cỏc thiết bị giữa phũng mỏy trung tõm và phớa ngƣời dựng. Ngoài ra, ƣu điểm này cũn giỳp cỏc nhà khai thỏc giảm đƣợc chi phớ bảo dƣỡng, vận hành. Nhờ đú mà kiến trỳc PON cho phộp giảm chi phớ cỏp sợi quang và giảm chi phớ cho thiết bị tại nhà cung cấp do nú cho phộp nhiều ngƣời dựng (thƣờng là 32) chia sẻ chung một sợi quang.
2.1.3 Cỏc chuẩn trong mạng PON
Cỏc chuẩn mạng PON cú thể chia thành 2 nhúm: nhúm 1 bao gồm cỏc chuẩn theo phƣơng thức truy nhập TDMA-PON nhƣ là B-PON (Broadband PON), E-PON (Ethernet PON), G-PON (Gigabit PON) (đặc tớnh cỏc của chuẩn TDMA-PON đƣợc so sỏnh trong Bảng 3.1); nhúm 2 bao gồm chuẩn theo cỏc phƣơng thức truy nhập khỏc nhƣ WDM-PON (Wavelength Division Multiplexing PON) và CDMA-PON (Code Division Multiple Access PON)
2.1.3.1 B-PON
Mạng quang thụ động băng rộng B-PON đƣợc chuẩn húa trong chuỗi cỏc khuyến nghị G.938 của ITU-T. Cỏc khuyến nghị này đƣa ra cỏc tiờu chuẩn về cỏc khối chức năng ONT và OLT, khuụn dạng và tốc độ khung của luồng dữ liệu hƣớng lờn và hƣớng xuống, giao thức truy nhập hƣớng lờn TDMA, cỏc giao tiếp vật lý, cỏc giao tiếp quản lý và điều khiển ONT và DBA.
Trong mạng B-PON, dữ liệu đƣợc đúng khung theo cấu trỳc của cỏc tế bào ATM. Một khung hƣớng xuống cú tốc độ 155Mbit/s (56 tế bào ATM cú khớch thƣớc 53byte), hoặc 622 Mbit/s (4*56 tế bào ATM) và một tế bào quản lý vận hành bảo dƣỡng lớp vật lý OAM (PLOAM – Physical Layer OAM) đƣợc chốn vào cứ mỗi
28 tế bào trong kờnh. PLOAM cú một bớt để nhận dạng cỏc tế bào PLOAM. Ngoài ra cỏc tế bào PLOAM cú khả năng lập trỡnh đƣợc và chứa thụng tin nhƣ là băng thụng hƣớng lờn và cỏc bản tin OAM.
Căn cứ vào cỏc thụng tin về mó số nhận dạng kờnh ảo và nhận dạng đƣờng ảo (VPI/VCI) trong cấu trỳc ATM, cỏc ONT nhận biết và tỏch dữ liệu đƣờng xuống của mỡnh.
Cấu trỳc khung hƣớng lờn bao gồm 56 tế bào ATM (53 byte). Mỗi một kờnh (time slot) gồm cú một tế bào ATM/PLOAM và 24 bớt từ mào đầu. Từ mào đầu mang thụng tin về khoảng thời gian bảo vệ (guard time), mào đầu cho phộp đồng bộ và khụi phục tớn hiệu tại OLT, và thụng tin nhận dạng điểm kết thỳc của từ mào đầu. Chiều dài của từ mào đầu và cỏc thụng tin chứa trong đú đƣợc lập trỡnh bởi OLT. Cỏc ONT thực hiện gửi cỏc tế bào PLOAM khi chỳng nhận đƣợc yờu cầu từ OLT.
B-PON sử dụng giao thức DBA để cho phộp OLT nhận biết lƣợng băng thụng cần thiết cấp cho cỏc ONT. OLT cú thể giảm hoặc tăng băng thụng cho cỏc ONT dựa vào gửi cỏc tế bỏo ATM rỗi hoặc làm đầy tất cả hƣớng lờn bởi dữ liệu của ONT. OLT dừng định kỳ việc truyền hƣớng lờn do vậy nú cú khả năng mời bất kỳ ONT mới nào tham gia vào hoạt động hệ thống. Cỏc ONT mới phỏt một bản tin phỳc hồi trong cửa sổ này với thời gian trễ ngẫu nhiờn để trỏnh xung đột khi mà cú nhiều ONT mới muốn tham gia. OLT xỏc định khoảng cỏch tới mỗi ONT mới bằng việc gửi tới ONT một bản tin đo cự ly và xỏc định thời gian bao lõu để thu đƣợc bản tin phỳc hồi. Sau đú OLT gửi tới ONT một giỏ trị trễ, giỏ trị này đƣợc sử dụng để xỏc định thời gian bảo vệ ứng với cỏc ONT.
2.1.3.2 BPON và Gigabit PON
E-PON là giao thức mạng truy nhập đầy đủ dịch vụ FSAN (Full Service Access Network) TDMA PON thứ nhất đƣợc phỏt triển dựa trờn khai thỏc cỏc ƣu điểm của cụng nghệ Ethernet ứng dụng trong thụng tin quang. E-PON đƣợc chuẩn húa bởi IEEE 802.3.
Trong E-PON dữ liệu hƣớng xuống đƣợc đúng khung theo khuụn dạng Ethernet. Cỏc khung E- PON cú cấu trỳc tƣơng tự nhƣ cỏc liờn kết Gigabit Ethernet điểm tới điểm ngoại trừ từ mào đầu và thụng tin xỏc định điểm bắt đầu của khung đƣợc thay
đổi để mang trƣờng nhận dạng kờnh logic LLID (Link logic ID) nhằm xỏc định duy nhất một ONU MAC. Trong hƣớng lờn, cỏc ONU phỏt cỏc khung Ethernet trong cỏc khe thời gian đó đƣợc phõn bổ.
ONU sử dụng giao thức điều khiển đa điểm MPCPDU (Multipoint Control Protocol Data Unit) để gửi cỏc bản tin “Report” yờu cầu băng thụng, trong khi đú OLT gửi bản tin “Gate” cấp phỏt băng thụng cho cỏc ONU. Cỏc bản tin “Gate” bao gồm thụng tin về thời gian bắt đầu và khoảng thời gian cho phộp truyền dữ liệu đối với ONU. OLT cũng định kỳ gửi cỏc bản tin “Gate” tới cỏc ONU hỏi xem chỳng cú yờu cầu băng thụng hay khụng. Cỏc ONU cũng cú thể gửi “Report” cựng với dữ liệu đƣợc phỏt trong hƣớng lờn. Ngoài ra, giao thức DBA cũng cú thể đƣợc sử dụng trong E-PON để thực hiện cơ chế điều khiển phõn bổ băng thụng.
Do khụng cú cấu trỳc khung thống nhất đối với hƣớng xuống và hƣớng lờn, do vậy trong cấu trỳc của E-PON, cỏc khe thời gian và giao thức xỏc định cự ly là khỏc so với B-PON và G-PON. OLT và cỏc ONU duy trỡ cỏc bộ đếm cục bộ riờng và tăng thờm 1 sau mỗi 16ns. Mỗi một MPCPDU mang theo một thời gian mẫu, mẫu này là giỏ trị của bộ đệm cục bộ của ONU tƣơng ứng. Tốc độ truyền dữ liệu E-PON cú thể đạt tới 1Gbit/s.
Một chuẩn khỏc cũng cựng họ với E-PON là chuẩn Gbit/s Ethernet PON (IEEE 802.3av – Gbit/s PON). Chuẩn này là phỏt triển của E-PON tại tốc độ 10Gbit/s và đƣợc ứng dụng chủ yếu trong cỏc mạng quảng bỏ video số. Gbit/s PON cho phộp phõn phối nhiều dịch vụ đũi hỏi băng thụng lớn, độ phõn giải cao, đúng gúi IP cỏc luồng dữ liệu video ngay cả khi hệ số chia OLT/ONT là 1:64 hoặc cao hơn. Tại thời điểm hiện tại, tốc độ chiều xuống của GPON khoảng 2.5 Gbps, và chiều lờn là 1.25 Gbps. Nếu 1 OLT phục vụ duy nhất một thuờ bao thỡ thuờ bao đú cú thể đuợc khai thác toàn b ộ băng thụng nhƣ trờn, tuy nhiờn thụng thƣờng trong cỏc mạng đó triển khai tại một số nuớc trờn thế giới, nhà cung cấp thƣờng thiết kế tốc độ cho một thuờ bao sử dụng PON vào khoảng 100 Mbps cho chiều xuống và 40 Mbps cho chiều lờn. Với tốc độ truy nhập nhƣ vậy, băng thụng đã thỏa mãn cho hõ̀u hờ́t cỏc ứng dụng cao cấp nhƣ HDTV (khoảng 10 Mbps, chiều lờn chiều xuống, chiều lờn cho peer-to-peer HDTV). Tuy nhiờn, GPON cũng cú nhƣợc điểm chớnh là : thiếu tớnh hội tụ IP; cú một kết nối duy nhất giữa OLT và bộ chia, nếu kết nối này mất toàn bộ ONT khụng đƣợc cung cấp
dịch vụ.
G-PON là giao thức FSAN TDMA PON thứ 2 đƣợc định nghĩa trong chuỗi khuyến nghị G.984 của ITU-T. G-PON đƣợc xõy dựng trờn trải nghiệm của B-PON và E- PON. Mặc dự G-PON hỗ trợ truyền tải tin ATM, nhƣng nú cũng đƣa vào một cơ chế thớch nghi tải tin mới mà đƣợc tối ƣu húa cho truyền tải cỏc khung Ethernet đƣợc gọi là phƣơng thức đúng gúi G-PON (GEM – GPON Encapsulation Method). GEM là phƣơng thức dựa trờn thủ tục đúng khung chung trong khuyến nghị G.701 ngoại trừ việc GEM tối ƣu húa từ mào đầu để phục vụ cho ứng dụng của PON, cho phộp sắp xếp cỏc dữ liệu Ethernet vào tải tin GEM và hỗ trợ sắp xếp TDM. G-PON sử dụng cấu trỳc khung GTC cho cả hai hƣớng xuống và hƣớng lờn. Khung hƣớng xuống bắt đầu với một từ mào đầu PLOAM, tiếp sau đú là vựng tải tin GEM và/hoặc cỏc tế bào ATM. PLOAM gồm cú thụng tin cấu trỳc khung và sắp đặt băng thụng cho ONT gửi dữ liệu trong khung hƣớng lờn tiếp theo. Khung hƣớng lờn bao gồm cỏc nhúm khung gửi từ cỏc ONT. Mỗi một nhúm đƣợc bắt đầu với từ mào đầu lớp vật lý mà cú chức năng tƣơng tự trong B-PON, nhƣng cũng bao hàm tổng hợp cỏc yờu cầu băng thụng của cỏc ONT. Ngoài ra, cỏc trƣớc PLOAM và cỏc yờu cầu băng thụng chi tiết hơn đƣợc gửi đi kốm với cỏc nhúm hƣớng lờn khi cú yờu cầu từ OLT. OLT gỏn cỏc thời gian cho việc gửi dữ liệu hƣớng lờn từ cho mỗi ONT.