Mạng quang chủ động (AON): Để phân phối tín hiệu, mạng quang chủ động sử dụng các thiết bị sử dụng điện để phân tích dữ liệu như một chuyển mạch, router hoặc multiplexer. Dữ liệu từ phía nhà cung cấp của khách hàng nào sẽ chỉ được chuyển đến khách hàng đó. Dữ liệu từ phía khách hàng sẽ tránh
xung đột khi truyền trên đường vật lý chung bằng việc sử dụng các bộ đệm của các thiết bị chủ động.
Từ năm 2007, hầu hết các các hệ thống mạng quang chủ động được gọi là ethernet chủ động. Ethernet chủ động sử dụng các chuyển mạch ethernet quang để phân phối tín hiệu, do đó sẽ kết nối các căn hộ khách hàng với nhà cung cấp thành một hệ thống mạng Ethernet khổng lồ giống như một mạng máy tính ethernet thông thường ngoại trừ mục đích của chúng là kết nối các căn hộ và các tòa nhà với nhà cung cấp dịch vụ Mỗi tủ chuyển mạch có thể quản lý tới 1000 khách hàng, thông thường là 400-500 khách hàng. Các thiết bị chuyển mạch này thực hiện chuyển mạch và định tuyến dựa vào lớp 2 và lớp 3. Một nhược điểm rất lớn của mạng quang chủ động chính là ở thiết bị chuyển mạch.
Với công nghệ hiện tại, thiết bị chuyển mạch bắt buộc phải chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện để phân tích thông tin rồi tiếp tục chuyển ngược lại để truyền đi. Điều này sẽ làm giảm tốc độ truyền dẫn tối đa có thể trong hệ thống FTTX. Ngoài ra, do đây là những chuyển mạch có tốc độ cao nên các thiết bị này rất đắt, không phù hợp với việc triển khai đại trà cho mạng truy cập.
Phân tích ưu nhược điểm và lựa chọn công nghệ: nhiều chuẩn mạng truy nhập FTTx khác nhau và không tương thích với nhau. Vì thế có sự linh hoạt về lựa chọn công nghệ, tuy nhiên nó cũng mang lại rất nhiều rủi ro khi quyết định đầu tư vào FTTx. Vì đây là một dịch vụ mạng tính chất kỹ thuật cao nên yếu tố công nghệ mang tính chất quyết định sống còn. Việc lựa chọn công nghệ nào sẽ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: giá thành, độ phức tạp, khả năng và quy mô triển khai, sự chuẩn hóa về thiết bị. Giữa hai công nghệ mạng quang trực tiếp và mạng quang chia sẻ ta sẽ dùng mạng quang chia sẻ do mạng quang trực tiếp có chi phí rất lớn. Hơn nữa việc triển khai mạng quang trực tiếp tại thời điểm này còn gặp một số vấn đề cả về kỹ thuật và tài chính.Trong mạng quang chia sẻ ta dùng công nghệ mạng thụ động (PON) do công nghệ mạng chủ động (AON) có
mạng. Hiện tại những chuyển mạch quang tốc độ cao có giá thành rất cao chỉ phù hợp cho thiết kế mạng lõi.
Hình 1.16 So sánh mạng quang chủ động và mạng quang thụ động
PON: Mạng quang chủ động AON: Mạng quang bị động OLT: Đầu cuối đường quang ONT: Đầu cuối đường quang
Chương 2
Các hệ thống PON đang được triển khai 2.1 APON/BPON
Từ năm 1995, 7 nhà khai thác mạng hàng đầu thế giới đã lập nên nhóm FSAN (Full Service Access Network) với mục tiêu là thống nhất các tiêu chí cho mạng truy nhập băng rộng. Hiện nay các thành viễn của FSAN đã tăng lên đến trên 40 trong đó có nhiều hãng sản xuất và cung cấp thiết bị viễn thông lớn trên thế giới.
Các thành viên của FSAN đã phát triển một tiêu chí cho mạng truy nhập PON sử dụng công nghệ ATM và giao thức lớp 2 của nó. Hệ thống này được gọi là APON (viết tắt của ATM PON). Cái tên APON sau đó được thay thế bằng BPON với ý diễn đạt PON băng rộng. Hệ thống BPON có khả năng cung cấp nhiều dịch vụ băng rộng như Ethernet, Video, đường riêng ảo (VPL), kênh thuê riêng, v.v… Năm 1997 nhóm FSAN đưa các đề xuất chỉ tiêu BPON lên ITU-T để thông qua chính thức. Từ đó, các tiêu chuẩn ITU G.983.x cho mạng BPON lần lượt được thông qua
Hệ thống BPON hỗ trợ tốc độ không đối xứng 155 Mbps hướng lên và 622 Mbps hướng xuống hoặc tốc độ đối xứng 622 Mbps. Các hệ thống BPON đã được sử dụng nhiều ở nhiều nơi, tập trung ở Bắc Mỹ, Nhật Bản và một phần Châu Âu.
2.2 GPON
Do đặc tính cấu trúc của BPON khó có thể nâng cấp lên tốc độ cao hơn 622 Mbps và mạng PON trên cở sở nền ATM không tối ưu đối với lưu lượng IP, nhóm FSAN phát triển một hệ thống mạng PON mới từ năm 2001 với tốc độ 1Gbps hỗ trợ cả lưu lượng ATM và IP. Dựa trên các khuyến nghị của FSAN, từ năm 2003-2004, ITU-T đã chuẩn hóa một loạt các tiêu chuẩn cho mạng PON Gigabit (GPON) bao gồm G.984.1,G.984.2 và G.984.3.
Chuẩn GPON hiện nay được định nghĩa dựa trên các giao thức cơ bản của chuẩn SONET/SDH ITU. Các giao thức của nó khá đơn giản và đòi hỏi rất ít thủ tục. Chính vì thế mà hiệu suất băng thông của GPON đạt tới hơn 90%.
Các ưu điểm của GPON : Cung cấp dịch vụ bộ ba: hỗ trợ các dịch vụ âm thanh, dữ liệu và video truyền theo định dạng gốc của nó. Rất nhiều các dịch vụ Ethernet như QoS, VLAN, IGMP (Internet Group Management Protocol) và RSTP (Rapid SpanningTree Protocol) cũng được hỗ trợ. Hiệu suất và tốc độ đường truyền cao nhất: GPON hỗ trợ tốc độ bít cao nhất từ trước tới nay với tốc độ hướng xuống/ hướng lên tương ứng 2,488/1,244 Gbit/s. GPON cung cấp độ rộng băng lớn chưa từng có từ trước tới nay và là công nghệ tối ưu cho các ứng dụng của FTTH và FTTB.
Hiện nay cũng như trong tương lai GPON là công nghệ phù hợp cho việc truyền thông Ethernet/IP với việc hỗ trợ truyền tiếng nói và video qua PON bằng việc sử dụng giao thức SONET/SDH
Hệ thống GPON sử dụng truyền dẫn bất đối xứng với tốc độ đường truyền cho hướng xuống là 2,5Gb/s và hướng lên là 1,25Gb/s. Hiệu suất đạt được trên cả hai hướng là khoảng 92%. Do đó, GPON có thể cung cấp băng tần hướng xuống cho mỗi ONT là khoảng 2300Mb/s, tức là tốc độ dữ liệu lớn nhất đồng thời là khoảng 72Mb/s cho mỗi ONT. Ở hướng lên, một ONT có thể truyền gần 1150Mb/s, tức là khoảng 35Mb/s cho mỗi endpoint khi 32 ONT đồng thời gửi dữ liệu. Hiện nay, phần lớn các hệ thống EPON đều bị giới hạn chỉ có thể hỗ trợ 32 ONT với khoảng cách lớn nhất là 20km, trong khi đó các hệ thống GPON được chuẩn hoá có thể hỗ trợ 64 ONT với khoảng cách phục vụ là 35 km.
GPON có thể cung cấp băng tần lớn hơn khoảng 56% so với EPON. Hơn nữa, GPON cải thiện được băng tần hướng xuống do tốc độ đường truyền cao hơn (2,5Gb/s của GPON so với 1,25Gb/s của EPON)
EPON GPON
Dung lượng 1,244Gbps 622Mbps đến 2,488Gbps
Băng tần 600Mbps 2300Mbps
Truyền tải TDM Hạn chế và chưa được chuẩn hoá
Có và đã chuẩn hoá
Số ONT 16 (IEEE 802.3ah) 32/64/128
Chiều dài PON lớn nhất
20km 35km
Phân mức nguồn Không Được chuẩn hoá cho 3 mức
Bảo vệ Không Thời gian bảo vệ sợi
50ms
Bước sóng thứ 3 cho dịch vụ video
2.3 EPON
Năm 2001, IEEE thành lập một nhóm nghiên cứu Ethernet in the First Mile (EFM) với mục tiêu mở rộng công nghệ Ethernet hiện tại sang mạng truy nhập vùng, hướng tới các mạng các mạng đến nhà thuê bao hoặc các doanh nghiệp với yêu cầu vẫn giữ các tính chất của Ethernet truyền thống. Ethernet PON được bắt đầu nghiên cứu trong thời gian gian này.
Sự phát triển của EPON là do các nhà khai thác cảm thấy rằng tiêu chuẩn APON là một giải pháp không thích hợp với mạch vòng thuê bao vì nó thiếu khả năng cung cấp dịch vụ video, không đủ độ rộng băng, phức tạp và đắt. EPON cho phép băng thông cao hơn, chi phí thấp hơn, khả năng cung cấp dịch vụ rộng hơn APON.
Điểm khác nhau chính giữa EPON và APON là ở EPON dữ liệu được truyền trong các gói có độ dài thay đổi lên tới 1,518 byte theo giao thức IEEE 802.3 cho Ethernet, trong khi đó với APON, dữ liệu được truyền trong những tế bào có độ dài cố định là 53 byte (với 48 byte tải trọng và 5 byte mào đầu). Định dạng này gây khó khăn cho APON khi mang dữ liệu có định dạng theo IP. Dữ liệu IP được phân đoạn thành những gói có độ dài khác nhau lên tới 65,535 byte. Khi một APON mang dữ liệu IP, các gói phải được chia nhỏ thành những đoạn 48 byte cùng với 5 byte mào đầu được thêm vào. Quá trình này tốn thời gian, phức tạp và phát sinh thêm chi phí cho OLT và ONU. Hơn nữa phải tốn băng thông 5 byte cho mỗi đoạn 48 byte, tạo ra phần mào đầu nặng nề (thường gọi là “ thuế tế bào ATM”). Ngược lại, Ethernet được thiết kế để mang dữ liệu IP và giảm mạnh phần mào đầu so với ATM.
Quản lý dữ liệu luồng lên/luồng xuống trong EPON
Trong EPON, quá trình truyền dữ liệu luồng xuống từ OLT tới các ONU khác cơ bản với việc truyền dữ liệu đường lên từ các ONU tới OLT.
Trong dữ liệu được phát quảng bá từ OLT tới các ONU trong các gói có độ dài thay đổi lên đến 1.518 byte. Mỗi gói mang một phần mào đầu (header), chỉ
ra duy nhất rằng nó dành cho ONU1, ONU2 hoặc ONU3. Hơn nữa, một số gói có thể được dành cho tất cả các ONU (gói quảng bá) hoặc chỉ cho một nhóm ONU (multicast). ở bộ chia, dữ liệu được chia thành 3 tín hiệu riêng, mỗi tín hiệu mang tất cả các gói cho từng ONU. Khi dữ liệu tới ONU, nó nhận các gói dành cho nó và loại bỏ những gói dành cho các ONU khác.
Hình 2.1. Dòng dữ liệu đường lên trong EPON
Cấu trúc khung EPON
Dữ liệu đường xuống được chia thành các khung có độ dài cố định, mỗi khung mang nhiều gói có độ dài thay đổi. Thông tin đồng hồ, dưới dạng các con trỏ đồng bộ được bao gồm trong phần bắt đầu của mỗi khung. Con trỏ đồng bộ làm một mã 1byte được truyền mỗi 2 ms để đồng bộ các ONU với OLT.
Hình 2.2 Cấu trúc khung đường xuống trong EPON
Mỗi gói có độ dài thay đổi được đánh địa chỉ tới một ONU xác định như được chỉ ra bằng số, từ 1 tới N. Các gói được định dạng theo tiêu chuẩn IEEE 802.3 và được truyền xuống với tốc độ lên tới 1 Gb/s. Chi tiết của một gói có độ dài thay đổi cho thấy nó gồm có header, tải trọng có độ dài thay đổi và phần phát hiện lỗi.
Hình 2.3 trình bày ví dụ của dữ liệu đường lên được ghép kênh theo thời gian vào đường quang chung để tránh xung đột giữa dữ liệu đường lên từ mỗi ONU. Dữ liệu đường lên được chia thành những khung, mỗi khung được chia tiếp thành các ONU- các khe thời gian xác định. Các khung đường lên được hình thành bởi các khoảng truyền 2 ms liên tiếp. Phần header của khung xác định sự bắt đầu của mỗi khung đường lên.
Hình 2.3. Cấu trúc khung đường lên trong EPON
Các khe thời gian của ONU là các khoảng truyền trong mỗi khung đường lên mà được dành để truyền các gói có độ dài thay đổi từ các ONU xác định.
trong trong hình 1.9, mỗi khung đường lên được chia thành N khe thời gian, mỗi khe thời gian tương ứng với một ONU của nó, từ 1 tới N.
Phần điều khiển TDM cho mỗi ONU, trong sự liên kết với thông tin đồng bộ từ OLT, điều khiển việc định thời truyền dẫn đường lên của các gói có độ dài biến đổi trong các khe thời gian rành riêng. Hình 1.9 cho thấy chi tiết một khe thời gian của một ONU (ONU số 4), bao gồm hai gói có độ dài thay đổi và một số mào đầu khe thời gian. Phần mào đầu khe thời gian gồm 1 băng bảo vệ, các chỉ thị định thời và các chỉ thị công suất tín hiệu. Khi không có lưu lượng truyền từ ONU, một khe thời gian có thể được điền bằng các tín hiệu giả ngẫu nhiên.
Ích lợi của EPON
EPON đơn giản, hiểu quả và ít đắt tiền hơn các giải pháp truy nhập đa dịch vụ khác. Các ưu điểm chính của EPON như sau:
- Độ rộng băng cao hơn: lên tới độ rộng băng 1,25 Gb/s.
- Giá thành thấp hơn: giá thành của các thiết bị trong EPON có thể so sánh với thiết bị DSL.
- Nhiều lợi nhuận: Việc có thể triển khai mềm dẻo nhiều loại dịch vụ tạo cơ có lợi nhuận cao hơn.
2.4 WDM-PON
Công nghệ mạng quang thụ động sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network (WDM PON) là thế hệ kế tiếp của mạng truy nhập quang và cho băng thông lớn nhất. TDMPON (bao gồm BPON, GPON và GEPON) sử dụng các bộ chia công suất quang thụ động, hướng xuống là quảng bá và ONU nhận dữ liệu của mình thông qua nhãn địa chỉ nhúng, hướng lên sử dụng ghép kênh trong miền thời gian. WDMPON sử dụng các bộ ghép sóng WDM thụ động, hướng xuống mỗi ONU nhận dữ liệu trên một bước sóng, hướng lên các bước sóng khác nhau được ghép thông qua bộ ghép sóng WDM tới ONU. Do sử dụng một bước sóng cho mỗi
WDMPON sẽ là sự lựa chọn của tương lai và là bước phát triển kế tiếp cho các công nghệ mạng truy nhập quang PON.
2.5 Nhận xét chung về các hệ thống PON
Vào giữa những năm 90 của thế kỷ này, công nghệ APON (ATM - PON) đã được áp dụng để truyền tải dữ liệu và tiếng nói. Chậm hơn một chút là BPON, nó sử dụng cấu trúc chuyển đổi ATM ở các đường biên mạng. Tuy nhiên hiện nay mạng APON/BPON không được quan tâm phát triển do chỉ hỗ trợ dịch vụ ATM và tốc độ truy nhập thấp hơn nhiều so với các công nghệ hiện hữu khác như GPON hay EPON.
Các nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào GPON và EPON/GEPON vì đây là các công nghệ mới hứa hẹn sẽ được triển khai rộng rãi trong mạng truy nhập băng rộng do các đặc điểm vượt trội của chúng so với các công nghệ khác.
Trong khi GEPON chỉ cung cấp tốc độ truyền là 1,25 Gbit/s thì GPON lại cho phép đạt tới tốc độ 2.448 Gbit/s. Và thậm chí, khi càng ngày các nhà cung cấp dịch vụ càng cố tiết kiệm chi phí bằng việc tận dụng tối đa băng thông thì có vẻ như GEPON đang dần trở thành một sự lựa chọn không được đánh giá cao. Với hiệu suất từ 50% – 70%, băng thông của GEPON bị giới hạn trong khoảng 600Mbps đến 900Mbps, trong khi đó GPON với việc tận dụng băng thông tối đa nó có thể cho phép các nhà cung cấp dịch vụ phân phối với băng thông lên đến 2300 Mbps.
Trong một nghiên cứu điển hình, hệ thống mạng GPON của Flexlight có thể đạt tới hiệu suất mạng 93%, điều đó có nghĩa là chỉ có 7% độ rộng băng tần được sử dụng cho việc quy định các thủ tục của giao thức truyền thông. Hiệu suất lớn, độ rộng băng tần lớn, GPON hứa hẹn mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà cung cấp dịch vụ. Trong khi đó APON, BPON, hay EPON lại tốn khá nhiều băng thông cho việc quy định các thủ tục truyền thông. Chính vì thế mà hiệu suất băng thông giảm đi đáng kể. Cụ thể là APON và BPON còn 70% và EPON còn 50%.
Đã được chuẩn hoá theo ITU – T G.984, GPON cho phép cung cấp đường truyền với các định dạng gốc như IP và TDM, đây thực sự là một giải pháp công nghệ PON đạt hiệu quả kinh tế có thể sử dụng cho cả các dịch vụ gia đình cũng như là cho các doanh nghiệp. Với những đặc tính hỗ trợ cao nhất và độ rộng băng tiêu dùng được nâng từ 10 MHz lên 100 MHz cho truyền dữ liệu Internet, đáp ứng được các yêu cầu cho nhiều dòng IPTV (Internet Protocol Television), và có thể hỗ trợ truyền thông cả SDTV (Standard Definition Television) và HDTV (High Definition TeleVision), GPON đã thực sự được đánh giá là kinh tế hơn EPON.
Mặt khác trong khi tiêu chuẩn IEEE 803.2ah chỉ hỗ trợ 2 lớp ODN : lớp A và lớp B thì ITU-GT.984.2 GPON GPM hỗ trợ cả lớp C, lớp cấp cao hơn. Lớp C cho phép mạng PON mở rộng cự ly tới 20 Km, cung cấp cho số lượng lớn người