Kiến trỳc IEEE 802 định nghĩa hai phƣơng thức: Share Medium và song cụng. Trong phuơng thức chia sẽ trung gian (Share Medium), tất cả cỏc trạm đƣợc kết nối đến miền truy nhập đơn, ở đú phần lớn một trạm cú thể phỏt tại một lỳc và tất cả cỏc trạm cú thể nhận bất cứ lỳc nào. Trong phƣơng thức song cụng, đú là sự kết nối điểm- điểm kết nối hai trạm và cả hai trạm cú thể phỏt và nhận đồng thời. Dựa vào định nghĩa đú, cỏc cầu khụng bao giờ chuyển tiếp khung quay trở lại cổng vào của nú. Núi khỏc, nú cho rằng tất cả cỏc trạm đƣợc kết nối đến cựng một cổng của cầu và cú thể truyền thụng với nhau mà khụng cần thụng qua cầu. Phƣơng thức này đó tạo ra khả năng cỏc ngƣời dựng đƣợc kết nối đến cỏc ONU khỏc nhau trong cựng mạng PON và cú thể truyền thụng với nhau mà dữ liệu khụng cần xử lý ở lớp 3 hoặc lớp cao hơn.
Point to Point Emulation
Trong mụ hỡnh này, OLT phải cú N cổng MAC, một cổng cho một ONU( hỡnh 1.20). Khi một khung đƣợc gửi xuống (từ OLT đến ONU), lớp con PtPE trong OLT sẽ chốn LinkID kết hợp với cổng MAC cụ thể vào khung dữ liệu. Cỏc khung sẽ đƣợc chia sẽ cho từng ONU nhƣng chỉ một lớp MAC của nú. Ở lớp MAC của cỏc ONU cũn lại sẽ khụng nhận đƣợc khung này. Trong khả năng này, nú sẽ xuất hiện nếu chỉ khi khung đƣợc gửi theo kết nối PtP chỉ cho một ONU.
Tỏch khung theo cổng trong LinkID Chốn LinkID được ấn định cho ONU
Hỡnh 3.13-Hƣớng xuống trong PtPE
Ở hƣớng lờn, ONU sẽ chốn LinkID đƣợc ấn định của nú vào mào đầu của mỗi khung đƣợc chuyển. Lớp con PtPE trong OLT sẽ tỏch khung để nhận biết cổng MAC chớnh xỏc dựa vào LinkID duy nhất cho mỗi ONU.(hỡnh 1.21).
Hỡnh 3.14-Hƣớng lờn trong PtPE
Cấu hỡnh PtPE thớch hợp với cầu khi mỗi ONU đƣợc kết nối đến một cổng độc lập của cầu. Cầu đƣợc đặt trong OLT sẽ chuyển tiếp lƣu lƣợng vào trong ONU giữa cỏc cổng của nú.
Hỡnh .15-Cầu giữa cỏc ONU trong PtPE
Share Medium Emulation
Trong SME, bất kỳ một Node nào (OLT hay ONU) sẽ chuyển khung dữ liệu và sẽ đƣợc nhận ở tất cả cỏc Node (OLT và ONU). Trong hƣớng xuống, OLT sẽ chốn một LinkID quảng bỏ mà mọi ONU đều chấp nhận (hỡnh 1.23). Để đảm bảo hoạt động Share Medium cho hƣớng lờn, lớp con SME trong OLT phải nhản ỏnh tất cả cỏc khung trở lại hƣớng xuống để tất cả cỏc ONU nhận chớnh khung dữ liệu của nú thỡ lớp con SME ở ONU chỉ thừa nhận khung nếu LinkID của khung đú khỏc với LinkID của nú.
Chốn LinkID quảng bỏ
Chấp nhận tất cả cỏc khung và phản hồi lại
hướng xuống
Khi truyền khung, chốn LinkID
Khi nhận khung, từ chối
LinkID của chớnh nú
Hỡnh 3.16-Hƣớng truyền xuống trong SME
Hỡnh 3.17-Hƣớng truyền lờn trong SME
SME chỉ yờu cầu một cổng MAC trong OLT. Chức năng vật lý của lớp này (lớp con SME) là cung cấp truyền thụng ONU đến ONU, khụng cần cầu liờn kết.
Bằng sự kết hợp với chuẩn 802 cũ, mạng PON mở ra một hƣớng đi mới cho thế hệ mạng quang thụ động. Mạng PON sẽ sử dụng kết hợp 2 mụ hỡnh mạng điểm-điểm và điểm-đa điểm nhằm tối ƣu húa việc truyền tải dữ liệu và cỏc dịch vụ video trong thời
gian thực với chất lƣợng cao.
CHƢƠNG 3:
ỨNG DỤNG PON
ĐỂ QUY HOẠCH, NÂNG CẤP, TỐI ƢU HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN CHO MẠNG 3G
Với việc ngày càng phổ biến của băng rộng di động, giỏ cƣớc dữ liệu đang ngày càng giảm. Hơn nữa, ỏp lực giảm giỏ đến từ cỏc thuờ bao đó quen với cỏc mức giỏ của băng rộng cố định sẽ làm làm cho xu hƣớng hỡnh thành một mặt bằng cƣớc giữa cỏc mạng di động ngày càng trở nờn rừ nột. Chỉ cần một nhà cung cấp dịch vụ bắt đầu một dịch vụ nào đú thỡ cỏc nhà cung cấp khỏc buộc phải “chạy theo” nếu muốn duy trỡ thế cạnh tranh. Theo phõn tớch của NSN, mức cƣớc bỡnh quõn trờn một Mb sẽ giảm tối thiểu là 10%/năm.
Giỏ cƣớc dữ liệu giảm cho thấy cỏc nhà cung cấp dịch vụ đang phải đối mặt với một thỏch thức đỏng kể để đạt đƣợc tốc độ tỏi đầu tƣ nhanh cho hạ tầng và cỏc dịch vụ mới. Một giải phỏp để vƣợt qua thỏch thức này là tối ƣu húa mạng backhaul di động.
Sơ đồ mạng truyền dẫn Backhaul
Backhaul dựng để chỉ sự kết nối , truyền tải thụng tin từ một trạm phỏt súng, một mạng từ xa về mạng trục (hoặc mạng trung tõm). Thực chất, đõy là đƣờng truyền kết nối giữa nhà cung cấp dịch vụ với cỏc trạm phõn phối tới ngƣời dựng cuối, và giữa cỏc trạm phõn phối đú với nhau. Trong mạng thụng tin di động, backhaul chỉ kết nối giữa trạm phỏt súng (BTS) và trung tõm quản lý trạm phỏt súng (BSC hay RNC). Trong mạng ATM, backhaul chỉ kết nối giữa cỏc DSLAM và điểm tập trung (aggregation) ATM. Backhaul cũn dựng để chỉ kết nối giữa mạng của một cụng ty lớn với mạng Ethernet trục. Trong mạng thụng tin vệ tinh, backhaul chỉ việc truyền tải thụng tin đến cỏc trạm kết nối mặt đất để từ đú truyền lờn vệ tinh. Những cụng nghệ cung ứng khả năng backhaul: WiMAX, Wi-Fi, ADSL, T1/E1...
3.2 Nhu cầu tối ưu húa mạng Backhaul
Cỏc mạng hiện nay đang nõng cấp để đỏp ứng nhu cầu bựng nổ về băng rộng di động. Nhiều mạng truy nhập vụ tuyến 3G hiện cú đang đƣợc nõng cấp lờn HSPA. Tuy nhiờn trong tƣơng lai sẽ cũn một khối lƣợng lƣu lƣợng khổng lồ đến từ việc triển khai cỏc cụng nghệ vụ tuyến mới nhƣ WiMAX, I-HSPA và LTE. Tất cả cỏc vấn đề đú dẫn đến việc tăng ỏp lực lờn mạng backhaul di động. Để đảm bảo nguồn doanh thu hứa hẹn từ cỏc dịch vụ dữ liệu tiờn tiến, ngay từ bõy giờ cỏc nhà cung cấp dịch vụ cần nhanh chúng xõy dựng một mạng backhau cú khả năng đỏp ứng dung lƣợng lớn. Điều đú cú nghĩa là chi phớ dành cho cỏc mạng backhaul sẽ tăng lờn. Khi đú, tối ƣu húa chi phớ mạng backhaul sẽ trở thành vấn đề then chốt đối với hầu hết cỏc nhà khai thỏc. Những đầu tƣ thụng minh cho mạng truyền tải lỳc này sẽ đem lại cơ hội giảm chi phớ khai thỏc trong tƣơng lai.
ECI (ECI Telecom, nhà cung cấp toàn cầu cỏc giải phỏp mạng thế hệ mới) cho rằng, thị trƣờng Việt Nam hiện nay, 3G đang tạo đà cho sự phỏt triển cỏc dịch vụ gia tăng trờn mạng di động. Cho tới nay đó cú khoảng 14.5 triệu ngƣời sử dụng 3G. Sự tăng trƣởng nảy sinh từ khuyến mại về giỏ và phong cỏch sống ngày càng di động. Dự kiến số lƣợng thuờ bao 3G phỏt triển tới 73 triệu vào năm 2014 (chiếm 26.6% tổng thị trƣờng). Trong đú, di động băng thụng rộng là khu vực tăng trƣởng rộng lớn nhất, chủ yếu đƣợc thỳc đẩy bởi truy nhập Internet động phục vụ cụng việc và giải trớ. Đồng thời, cỏc nhà mạng cú xu hƣớng tiếp tục giảm của ARPU (Dự kiến giảm từ 5,5 đụ la Mỹ năm 2009 xuống 5 đụ la Mỹ trong năm 2010). Trong khi đú, lợi nhuận của cỏc dịch vụ di động mới đặc biệt nhạy cảm với chi phớ truyền dẫn backhaul.
Nhiều hạ tầng mạng backhaul hiện cú vẫn gắn liền với cụng nghệ leased-line và cỏc mạng tự xõy dựng đang sử dụng chỉ đƣợc giới hạn ở phõn kết tập lƣu lƣợng lớp 2 (loại dựa trờn ATM). Kiến trỳc cũ này khụng cũn phự hợp khi cung cấp dung lƣợng lớn hơn. Cụ thể khi thờm vào cỏc đƣờng leased-line thỡ chi phớ sẽ tăng theo hàm mũ. Nhƣ vậy cú nghĩa là về phƣơng diện kinh tế thỡ cụng nghệ này khụng đỏp ứng đƣợc yờu cầu.
Để đạt đƣợc cả 2 mục tiờu là giảm giỏ thành và tăng dung lƣợng cần phải phỏt triển mạng backhaul với yờu cầu: Giảm OPEX (chủ yếu bao gồm mặt bằng triển khai và mức tiờu thụ điện năng) trong dài hạn; Đạt đƣợc hiệu quả trong CAPEX (bao gồm cả số của cỏc nỳt, cỏc cổng hoạt động, kỹ thuật triển khai xõy dựng); Cú khả năng mở rộng mạng truyền tải; Tƣơng thớch với cỏc cụng nghệ sẽ đƣợc sử dụng trong tƣơng lai. Tụi đề xuất giải phỏp mạng tớch hợp PON – WCN để ứng dụng cụng nghệ PON cho nõng cấp, quy hoạch và tối ƣu cho backhaul trong mạng 3G.
3.3 Quy hoạch mạng tớch hợp PON-WCN
Phần này tỡm hiểu kiến trỳc tớch hợp phức tạp hơn PON-WCN. Cú sự khỏc nhau từ kiến trỳc mạng lai ghộp truyền thống, trong đú cỏc mạng cú dõy và khụng dõy chỉ đơn giản là kết nối với nhau thụng qua một giao diện tiờu chuẩn chung (vớ dụ, Ethernet) [19] [20]. Một cụng nghệ chớnh của CT (Cooperative Transmission – Truyền dẫn hội tụ) đa tế bào đƣợc kết hợp do những lợi ớch về hiệu suất tuyệt vời núi trờn. Một lần nữa, tụi sẽ tập trung vào cỏc vấn đề của Quy hoạch và định vị, cũn đƣợc gọi là vấn đề
DSP-PW [17]. Trong nghiờn cứu này, vựng phủ di động, kết hợp BS-Ngƣời dựng, băng thụng khụng dõy và ấn định lỗi cụng suất cũng đƣợc kết hợp xem xột trong một khuụn khổ tối ƣu húa thống nhất. Trƣớc tiờn, chỳng ta hóy xem xột kỹ hơn mụ hỡnh hệ thống tớch hợp PON-WCN.
3.3.1 Mụ hỡnh hệ thống PON-WCN tớch hợp
Trong kiến trỳc tớch hợp, WCN phục vụ nhƣ một mạng truy cập front-end và PON đƣợc mong đợi là mạng truyền dẫn backhaul. Nhƣ thể hiện trong hỡnh 5.1, trong kiến trỳc thể hiện trong [16], một đơn vị mạng quang (ONU) trong một PON và một BS khụng dõy cú thể đƣợc tớch hợp vào một hộp thiết bị duy nhất, đƣợc gọi là ONU- BS. Tớch hợp nhƣ vậy khụng chỉ làm giảm chi phớ phần cứng, mà cũn đạt đƣợc quy hoạch điều khiển chồng do ONU-BS xử lý đầy đủ thụng tin về yờu cầu băng thụng, cấp phỏt, và lập lịch gúi của cả ONU và BS khụng dõy, cỏc kỹ thuật tối ƣu cú thể đƣợc ỏp dụng cho cỏc yờu cầu băng thụng của đƣờng lờn trong mạng PON, phõn bổ băng thụng và lập lịch trỡnh gúi tin của đƣờng xuống trong mạng khụng dõy. Truyền dẫn kết hợp giữa cỏc cell đƣờng xuống cú thể đƣợc thiết lập thụng qua cỏc ONU-BS phõn tỏn trong việc cung cấp dữ liệu cho một SS. Cỏc điều kiện tiờn quyết thực hiện CT thụng qua kỹ thuật mó húa theo tần số hoặc khụng gian hoặc theo thời gian là sự hỗ trợ mạnh mẽ cho đơn vị điều khiển trung tõm. Nhờ khả năng điều khiển cơ động và kết hợp điều khiển tập chung của một thiết bị dõy quang (OLT) trong PON, kiến trỳc tớch hợp chỉ đỏp ứng nhu cầu này. Mục tiờu của tụi là khai thỏc cả lợi ớch về hiệu năng do CT đa tế bào cũng nhƣ ƣu điểm tƣơng tỏc do tớch hợp mạng khụng dõy và mạng quang.
Mụ hỡnh điểm-đa điểm (PMP) và thuộc tớnh quảng bỏ đƣờng xuống của PON thỳc đẩy việc triển khai cỏc CT đa tế bào. Cụ thể, OLT phỏt quảng bỏ dữ liệu đƣờng xuống tới cỏc ONU-BS, và mỗi ONU-BS liờn quan truyền một biểu tƣợng từ mó trực giao (hoặc gần nhƣ trực giao) cho tất cả ONU-BS khỏc dƣới sự kiểm soỏt của cỏc OLT. Vỡ vậy, Một SS nhận và tập trung nhiều phiờn bản của dữ liệu giống nhau từ mỗi ONU-BS liờn quan thụng qua cỏc kờnh vụ tuyến độc lập. Bằng cỏch hợp tỏc trong cỏc ONU-BS, hỡnh thành ảo cỏc mảng ăng-ten cú thể xem nhƣ một macro đƣợc phõn phối bởi hệ thống nhiều đầu vào một đầu ra (MISO). Một hệ thống MISO kể trờn mang lại lợi ớch đỏng kể về độ lợi phõn tập kết hợp và/hoặc độ lợi ghộp kờnh phõn chia theo khụng gian qua chế độ non-CT thụng thƣờng.
Hỡnh 5.1 Mụ hỡnh PON – WCN tớch hợp
3.3.1.1 Cỏc đối tượng chớnh trong PON-WCN tớch hợp
Một kiến trỳc mạng chung cho PON-WCN tớch hợp đƣợc thể hiện trong hỡnh 5.1, bao gồm cỏc thực thể chớnh sau đõy: một OLT, cỏc bộ chia quang, sợi quang, và cỏc ONU- BS. Với vai trũ là nỳt gốc của cấu trỳc cõy, OLT hoạt động nhƣ một bộ điều khiển/điều phối trung tõm của toàn mạng tớch hợp. Nú cú khả năng tớnh toỏn mạnh mẽ và thụng minh. OLT kết nối với mạng Internet toàn cầu thụng qua mạng đƣờng trục đụ thị khu vực nhƣ mạng quang đồng bộ (SONET), vƣợt ra ngoài mạng truy nhập. Để mở rộng từ OLT với cỏc loại sợi quang, một bộ chia quang thụ động kết nối đến cỏc ONU- BS thụng qua nhiều sợi quang. Ngoài ra với khả năng của BS truyền thống trong một hệ thống khụng dõy, ONU-BS đúng một vai trũ quan trọng trong việc đỏp ứng cỏc yờu cầu băng thụng, cấp cụng suất, lập lịch mà đƣợc xử lý bởi cả ONU và BS. Một PON cú khả năng cung cấp băng thụng thoại, dữ liệu, và cỏc dịch vụ video với khoảng cỏch xa hơn 20 km trong mạng [18].
3.3.1.2 Cỏc chế độ tớch hợp
Đó cú nhiều cỏch khỏc nhau trong việc tớch hợp một PON và một mạng lƣới khụng dõy, bao gồm peer-to-peer, overlay, and radio-over-fiber.
• Tớch hợp theo Peer-to-Peer
(NNIs) và cỏc cơ chế bỏo hiệu tớch hợp. Nú đề cập đến một sự kết hợp mềm giữa hai mạng. Cỏc ONU-BS hoạt động nhƣ cỏc thiết bị đƣờng biờn để kết nối một PON và WCN [16]. Một chức năng cầu là bắt buộc tại ONU-BS để chuyển mạch giữa một khung PON và một khung WCN. Đƣơng nhiờn, bỏo hiệu bổ sung đƣợc yờu cầu để phối hợp giữa cỏc ONU-BS phõn tỏn. Ngoài ra, độ trễ end-to-end sẽ phỏt sinh do chuyển đổi cầu, mapping địa chỉ ngƣời dựng, và độ trễ hàng đợi gõy ra bởi thiết kế phõn tỏn.
Tớch hợp theo Overlay
Overlay hội nhập là một sự kết hợp tƣơng đối chặt chẽ hơn giữa cỏc PON và WCN. Trong trƣờng hợp này, mỗi khung PON (nhƣ, khung IEEE 802.3ah) là phõn đoạn và đúng gúi trong khung WCN (vớ dụ, khung IEEE 802.16m). Việc vận chuyển khung WCN đƣợc liền mạch từ OLT tới cỏc SS. Núi cỏch khỏc, chức năng cầu nối khụng đƣợc yờu cầu tại cỏc ONU-BS, trong khi cỏc khung PON sẽ đƣợc ghộp lại và sắp xếp lại tại mỗi SS. Chế độ tớch hợp Overlay đƣợc xem nhƣ phự hợp hơn với PON- WCN do tớch hợp chặt chẽ hơn.
Tớch hợp theo Radio-over-fiber
Tớch hợp theo Radio-over-fiber (RoF) là chế độ kết nối chặt chẽ nhất. Cỏc tớn hiệu WCN đƣợc điều chế trờn một tần số súng mang vụ tuyến và đƣợc truyền đi dƣới dạng quang học giữa một OLT và cỏc ONU-BS trƣớc khi đƣợc bức xạ trong khụng khớ. Tớch hợp theo RoF khiến cho dễ dàng triển khai CT đa cell giữa cỏc ONU-BS phõn tỏn.
Trong nghiờn cứu này, tụi giả định rằng một tớch hợp chặt chẽ theo overlay hoặc RoF đó đạt đƣợc giữa PON và WCN. Vỡ vậy, OLT trong trƣờng hợp này cú thể chiếm đƣợc trạng thỏi kờnh của mỗi SS và luồng. Bằng cỏch giả định rằng OLT đƣợc trang bị với một đơn vị tớnh toỏn mạnh mẽ, điều khiển tớch hợp và tập trung trờn hai mạng là xu hƣớng cho việc thiết kế mạng lai truy cập thế hệ tiếp theo. Ngoài ra, PON nờn đƣợc thiết kế để chuẩn lớp 2 cú thể hoạt động phự hợp với bất kỳ cụng nghệ khụng dõy tớch hợp.
3.3.2 Truyền dẫn kết hợp trong PON-WCN tớch hợp.
Nhƣ một tớnh năng mong đợi của cỏc mạng truy cập băng thụng rộng thế hệ tiếp theo, cỏc ONU-BS kết hợp cú thể hỡnh thành một mảng MISO phõn tỏn ảo, cho phộp thực hiện cỏc kỹ thuật truyền dẫn mó húa theo khụng gian – thời gian tới cỏc SS. Mỗi ONU-BS liờn quan truyền một biểu tƣợng từ mó trực giao hoặc bỏn trực giao tới tất cả
những ONU-BS khỏc. OLT cú khả năng đạt đƣợc đồng bộ húa chớnh xỏc trong cỏc ONU-BS phõn tỏn, hơn nữa nú khiến cho CT giữ sự trực giao của cỏc mó khụng gian – thời gian, đồng bộ cấp độ biểu tƣợng (symbol –level) của nhiều tớn hiệu từ cỏc bộ phỏt khỏc nhau là bắt buộc ở bộ thu. OLT ghộp kờnh theo thời gian dữ liệu đƣờng xuống và