TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP QUANG
GIỚI THIỆU CHUNG
Mạng truy nhập quang được chia thành hai loại chính: mạng truy nhập quang tích cực (AON) và mạng truy nhập quang thụ động (PON) Mạng AON sử dụng các thiết bị tích cực như bộ chia và bộ ghép kênh, trong khi mạng PON không có phần tử tích cực nào và phụ thuộc vào chuyển đổi điện - quang PON chỉ bao gồm sợi quang, bộ chia, bộ kết hợp, bộ ghép định hướng, thấu kính và bộ lọc, mang lại nhiều ưu điểm như không cần nguồn điện, độ tin cậy cao và ít yêu cầu bảo trì do tín hiệu ít bị suy hao hơn so với các phần tử tích cực.
Hình 1.1: Mạng truy nhập quang
CẤU HÌNH CƠ BẢN CỦA MẠNG TRUY NHẬP QUANG
Cấu hình mạng cơ bản của mạng truy nhập quang được trình bày ở hình 1.2:
Hình 1.2: Cấu hình của mạng truy nhập quang
FTTCab-Cáp quang tới tủ đấu dây; FTTC-Cáp quang tới cụm thuê bao;
FTTB-Cáp quang tới toà nhà; FTTH-Cáp quang tới tận nhà.
CẤU HÌNH THAM CHIẾU MẠNG TRUY NHẬP QUANG
Cấu hình tham chiếu của mạng truy nhập quang được trình bày trên hình 1.3:
Hình 1.3 Cấu hình tham chiếu của mạng truy nhập quang
Cấu trúc hệ thống quang học bao gồm bốn khối cơ bản: đầu cuối đường quang (OLT), mạng phối dây quang (ODN), khối mạng quang (ONU) và khối chức năng phối hợp Các điểm tham chiếu quan trọng trong hệ thống này bao gồm điểm phát quang S, điểm thu quang R, điểm giữa các nút dịch vụ V, và điểm đầu cuối thuê bao.
T và điểm tham chiếu a ở giữa các ONU Giao diện bao gồm: giao diện quản lý mạng Q3 và giao diện giữa thuê bao với mạng UNI.
CÁC KHỐI CHỨC NĂNG CƠ BẢN
Hệ thống mạng truy nhập quang bao gồm ba thành phần chính: OLT, ONU và ODN So với hệ thống PON, hệ thống AON có các khối chức năng đơn giản và cơ bản hơn Bài viết này sẽ tập trung vào việc nêu rõ các khối chức năng của hệ thống PON.
1.4.1 Khối kết cuối đường quang OLT
Các khối OLT chính được mô tả trong hình 1.4:
Hình 1.4: Các khối chức năng của OLT
Cấu hình điển hình của một ONU được mô tả trong hình 1.5:
Hình 1.5: Các khối chức năng của ONU
1.4.3 Mạng phân phối quang ODN
Các bộ tách/ghép NxN được chế tạo bằng cách ghép nhiều tầng bộ 2x2 với nhau như hình 1.6 hoặc sử dụng công nghệ ống dẫn sóng phẳng
Hình 1.6: Các bộ ghép 8x8 được tạo ra từ các bộ ghép 2x2.
Các bộ tách/ghép được đặc trưng bằng các tham số sau: suy hao chia, suy hao ghép, điều hướng
1.4.3.2 Mạng cáp quang thuê bao
Mạng cáp thuê bao quang được xác định từ giao tiếp sợi quang giữa thiết bị OLT và ONU/ONT Cấu trúc của mạng cáp quang thuê bao được minh họa trong hình 1.7.
Hình 1.7: Cấu trúc cơ bản mạng cáp quang thuê bao.
KẾT LUẬN CHƯƠNG
Mạng truy nhập quang mang lại nhiều lợi ích vượt trội như dung lượng lớn, kích thước và trọng lượng cáp nhỏ, không bị nhiễu điện, và tính bảo mật cao Giá thành cáp quang cũng rẻ, chất lượng truyền dẫn tốt, an toàn cho thiết bị, cùng với tốc độ truy nhập cao và khả năng nâng cấp băng thông dễ dàng Nhờ những ưu điểm này, mạng truy nhập quang rất phù hợp cho việc triển khai các dịch vụ băng rộng như Internet tốc độ cao và truyền hình độ nét cao giữa các khối kết cuối (ONU) và kết cuối mạng (OLT).
MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG ETHERNET – EPON
MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON
2.1.1 Khái niệm mạng quang thụ động PON
Mạng quang thụ động PON là công nghệ quang không sử dụng các thiết bị điện tử, mà thay vào đó, sử dụng bộ chia quang (Splitter) để kết nối nhiều thiết bị đầu cuối mạng quang Cấu trúc của PON bao gồm sợi quang, bộ chia, bộ kết hợp, bộ ghép định hướng và bộ lọc, tạo nên một hệ thống mạng hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
2.1.2 Đặc điểm của hệ thống
Đặc trưng của hệ thống PON là thiết bị thụ động phân phối sợi quang đến từng nhà thuê bao sử dụng bộ chia splitter có thể lên tới 1:128
PON hỗ trợ giao thức ATM, Ethernet
PON hỗ trợ các dịch vụ voice, data và video tốc độ cao
Khả năng cung cấp băng thông cao
Trong hệ thống PON băng thông được chia sẻ cho nhiều khách hàng điều này sẽ làm giảm chi phí cho khách hàng sử dụng
Công nghệ WDM (Wavelength Division Multiplexing) cho phép ghép kênh phân chia theo dải tần, giúp tối ưu hóa băng thông động và giảm thiểu số lượng cáp quang cần thiết cho kết nối giữa OLT và splitter.
PON thực hiện truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang hay 2 chiều trên cùng 1 sợi quang
PON có thể hỗ trợ cấu trúc mạng hình cây, sao, bus và ring
2.1.3 Cấutrúc mạng quang thụ động PON
Cấu trúc mạng PON cơ bản bao gồm OLT, splitter quang và ONU/ONT OLT là thiết bị đầu cuối của nhà sản xuất, có nhiệm vụ kết nối và truyền tín hiệu qua cáp quang Tín hiệu từ OLT được gửi đến các splitter quang, giúp phân chia công suất từ một sợi cáp duy nhất đến nhiều người dùng (32, 64 hoặc 128 người, tùy thuộc vào hệ số chia) Khoảng cách tối đa cho việc phân chia này là 20 km Để nhận tín hiệu từ OLT, người dùng cần sử dụng các bộ ONU/ONT.
Hình 2.1: Mô hình chung của mạng quang thụ động PON
Từ mô hình chung ở trên, mạng PON còn được triển khai dưới các dạng kiến trúc như sau:
OLT là thiết bị kết thúc kênh quang tại Trung tâm Văn phòng, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống PON Nó cung cấp giao diện truy cập PON cho thiết bị ONU của người sử dụng và các giao diện khác cho tín hiệu đường lên.
ONU là thiết bị lắp đặt tại phía khách hàng, đóng vai trò là điểm cuối trong mạng quang FTTH Chức năng chính của ONU là chuyển đổi tín hiệu quang từ giao diện PON thành các chuẩn tín hiệu cho các thiết bị mạng, tín hiệu truyền hình và tín hiệu thoại được sử dụng tại thuê bao.
ONT: Đây là thiết bị đầu cuối phía người sử dụng, là điểm cuối cùng của ODN
ODN: Hệ thống phân phối cáp quang tính từ sau OLT đến ONU/ONT Cụ thể, hệ thống phân phối quang ODN bao gồm các thành phần sau đây:
Bộ chia/ghép quang, hay còn gọi là bộ chia công suất quang, là thiết bị dùng để chia một tín hiệu quang tại đầu vào thành nhiều tín hiệu ở đầu ra Các hệ số chia phổ biến là 1:4, 1:8, v.v., và đây là bộ chia thụ động, không cần cấp nguồn Mức suy hao trong bộ chia phụ thuộc vào hệ số chia; hệ số chia càng lớn thì suy hao càng lớn Cụ thể, với hệ số chia 1:2, suy hao khoảng 3 dB, trong khi với hệ số chia 1:32, suy hao tối thiểu là 15 dB Suy hao này là do sự không hoàn hảo trong quá trình xử lý Ví dụ, với bộ chia công suất có hệ số chia 1:2, nếu đầu vào có ba bước sóng λ1, λ2, λ3, thì đầu ra sẽ có hai cửa ra: một cửa với bước sóng vào là λ2 và ra là λ1, và cửa còn lại với bước sóng vào là λ3 và ra là λ1.
Hình 2.3: Bộ chia công suất quang
APON (Mạng quang thụ động ATM) là chuẩn mạng quang thụ động đầu tiên, được phát triển để phục vụ cho các ứng dụng thương mại dựa trên công nghệ ATM.
BPON (Broadband PON) là một tiêu chuẩn phát triển từ APON, được cải tiến để hỗ trợ WDM (Wavelength Division Multiplexing), cho phép phân chia băng thông rộng hơn và hiệu quả hơn Tiêu chuẩn này cũng giới thiệu giao diện quản lý OMCI (ONT Management and Control Interface) giữa OLT (Optical Line Terminal) và ONU/ONT (Optical Network Unit/Optical Network Terminal), giúp các nhà cung cấp mạng triển khai các dịch vụ hỗn hợp một cách linh hoạt và hiệu quả.
- G983.1: Năm 1998, trình bày về lớp vật lý cưa hệ thống APON/BPON
- G983.2: Năm 1999, đặc tính của giao diện điều kiện và quản lý ONT
- G983.3: Thông quan năm 2001, đặc tính mở rộng cung cấp những dịch vụ thông qua phân bổ bước sóng
- G983.4: Thông qua năm 2001, mô tả những cơ chế cần thiết để hỗ trợ phân bổ băng tần động trong các ONT của cùng một mạng PON.
- G983.5: Thông qua năm 2002, xác định những cơ chế chuyển mạch bảo vệ cho BPON
- G983.6: Thông qua năm 2002, định nghĩa những mở rộng cho giao diện điều
GPON (Gigabit PON) là phiên bản nâng cấp của chuẩn BPON, cung cấp tốc độ truyền tải cao hơn, cải thiện khả năng bảo mật và cho phép lựa chọn lớp giao thức linh hoạt như ATM, GEM và Ethernet.
- G984.1: Mô tả những đặc tính chung của hệ thống GPON như là kiến trúc, tốc độ bít, bảo vệ và bảo mật
- G984.2: Xác định những thông số của GPON tại tốc độ lên là (155Mb/s, 622Mb/s, 1,5 Gb/s, 2,5Gb/s), xuống là (1,5Gb/s và 2,5Gb/s)
G983.4 mô tả các đặc tính của khung hội tụ truyền dẫn trong hệ thống GPON, bao gồm bản tin, phương pháp xác định khoảng cách, hoạt động và giám sát Ngoài ra, tiêu chuẩn này cũng đề cập đến các chức năng bảo dưỡng và bảo mật cần thiết để đảm bảo hiệu suất và an toàn cho hệ thống.
EPON hay GEPON (Ethernet PON) là một chuẩn IEEE để sử dụng Ethernet cho dữ liệu gói.
Giải pháp EPON trong mạng PON đang được phát triển và hỗ trợ nhanh chóng nhất, trở thành lựa chọn hàng đầu của nhiều nhà cung cấp dịch vụ Giải pháp này được áp dụng để xây dựng mạng truy nhập và truyền tải lưu lượng Metro (MEN), giúp cung cấp đa dịch vụ hiệu quả.
2.1.5 Ưu, nhược điểm của mạng PON
Sử dụng các thiết bị thụ động nên không cần cấp nguồn, giá thành rẻ
Giảm chi phí bảo dưỡng và vận hành
Tốc độ download và upload cao
Giảm chi phí sợi quang và giảm chi phí các thiết bị cho phép nhiều người dùng chia sẻ chung một sợi.
Giới hạn băng thông cho các thuê bao vì splitter chia đều băng thông
Giới hạn vùng phủ sóng: Tối đa là 20 km, phụ thuộc vào số lượng splitter (càng nhiều splitter thì khoảng cách truyền càng giảm)
Khó dự đoán giá thành khi có thuê bao phát sinh
Khi lắp đặt OLT mới, giá thành cho mỗi thuê bao kết nối đến OLT sẽ tăng lên cho đến khi tất cả các port của OLT được sử dụng hết.
GIỚI THIỆU VỀ MẠNG EPON
2.2.1 Lợi ích của mạng EPON
EPON kết hợp mạng truy cập quang thụ động PON và kỹ thuật Ethernet, mang lại nhiều lợi ích vượt trội Việc triển khai EPON không chỉ tối ưu hóa hiệu suất mạng mà còn nâng cao khả năng truyền tải dữ liệu, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.
EPON cung cấp băng thông cao nhất trong các hệ thống truy cập quang thụ động, với tốc độ lưu lượng hướng xuống đạt 1Gbps và lưu lượng lên từ 64 ONU có thể vượt quá 800 Mbps Nhờ vào khả năng cung cấp băng thông rất lớn, EPON mang lại nhiều lợi ích cho người dùng.
Số lượng thuê bao trên một mạng PON lớn
Băng thông trên mỗi thuê bao nhiều
Khả năng cung cấp video
Chất lượng dịch vụ tốt hơn
Hệ thống EPON mang lại chi phí đầu tư thấp hơn bằng cách kết hợp sợi quang và các linh kiện Ethernet, cung cấp hiệu suất tương đương với DSL và cáp đồng T1s Chi phí giảm được nhờ vào kiến trúc đơn giản, hiệu quả hoạt động cao và chi phí bảo trì thấp EPON mở ra cơ hội giảm giá đáng kể cho người dùng.
Loại trừ những phần tử ATM và SONET phức tạp và đắc đỏ
Các lênh kiện quang thụ động sống lâu đã giảm được chi phí bảo dưỡng
Giao diện Ethernet chuẩn loại trừ nhu cầu sử dụng DSL và modem cáp bổ sung, đồng thời cung cấp các dịch vụ truyền thống như POST, T1, và 10/100 Base-T Nó cũng hỗ trợ các dịch vụ trên nền ATM, TDM (Time Division Multiplexing) và SONET.
2.2.2 Nguyên lý hoạt độngcủa EPON
Chuẩn IEEE 802.3 xác định hai cấu hình cơ bản cho mạng Ethernet: một là cấu hình chia sẻ môi trường truyền dẫn với giao thức CSMA/CD, và hai là cấu hình sử dụng chuyển mạch với kết nối điểm-điểm Tuy nhiên, EPON không thể triển khai theo một trong hai cấu hình này mà cần kết hợp cả hai Trong hướng xuống, EPON hoạt động như một mạng quảng bá, trong đó khung Ethernet được OLT truyền qua bộ chia quang thụ động đến từng ONU (từ 4 đến 64 ONU) ONU sẽ lọc các gói tin không phải của mình dựa trên địa chỉ MAC trước khi chuyển tiếp gói tin còn lại đến người dùng.
Trong EPON, lưu lượng dữ liệu hướng lên từ các ONU đến OLT mang đặc tính định hướng, tương tự như kiến trúc điểm - điểm, nhưng vẫn có khả năng xảy ra xung đột do các khung dữ liệu từ các ONU khác nhau được truyền đồng thời Để tránh xung đột và chia sẻ dung lượng kênh quang hiệu quả, ONU cần áp dụng các cơ chế quản lý dữ liệu Do đó, luồng dữ liệu hướng lên trong EPON được phân bổ theo thời gian.
Hình 2.5: Lưu lượng hướng lên trong EPON
Nếu không có khung nào trong bộ đệm để điền vào khe thời gian, 10 bit đặc tính rỗng sẽ được truyền Sự sắp xếp định vị khe thời gian có thể được thực hiện theo cách tĩnh (TDMA cố định) dựa vào hàng đợi tức thời trong từng ONU Các mô hình định vị khác nhau có thể dựa vào quyền ưu tiên của dữ liệu, chất lượng dịch vụ (QoS) hoặc mức dịch vụ cam kết (SLAs: Service Level Agreements).
2.2.3 Giao thức điều khiển đa điểm MPCP (Multi Point Control Protocol) Để hỗ trợ việc định vị khe thời gian bởi OLT, giao thức MPCP đang được nhóm IEEE 802.3ah phát triển MPCP không xây dựng một cơ chế phân bổ băng tần cụ thể, mà thay vào đó, nó là một cơ chế hỗ trợ thiết lập các thuật toán phân bổ băng tần khác nhau trong EPON Giao thức này dựa vào hai bản tin Ethernet: Gate và Report Bản tin Gate được gởi từ OLT đến ONU để ấn định một khe thời gian truyền Bản tin Report được ONU sử dụng để truyền đạt các thông tin về trạng thái hiện tại của nó (như mức chiếm dữ của bộ đệm) đến OLT, giúp OLT có thể phân bổ khe thời gian một cách hợp lý Cả hai bản tin Gate và Report đều là các khung điều khiển MAC (loại 88-08) và được xử lý bởi lớp con điều khiển MAC
MPCP hoạt động theo hai mô hình chính: tự khởi tạo và bình thường Mô hình tự khởi tạo giúp dò tìm các kết nối ONU mới, xác định độ trễ Round-trip và địa chỉ MAC của từng ONU Trong khi đó, mô hình bình thường được sử dụng để phân bổ cơ hội truyền dẫn cho tất cả các ONU đã được khởi tạo.
1 OLT chỉ định một khe khởi tạo, một khoảng thời gian mà không có ONU khởi tạo trước nào được phép truyền Chiều dài của khe khởi tạo này phải tối thiểu là:
+ - ; với
là chiều dài của cửa sổ truyền mà một ONU không khởi tạo có thể dùng
2 OLT gởi một bản tin khởi tạo Gate báo hiệu thời gian bắt đầu của khe khởi tạo và chiều dài của nó Trong khi chuyển tiếp bản tin này từ lớp cao hơn đến lớp MAC, MPCP sẽ gán nhãn thời gian được lấy theo đồng hồ của nó
3 Chỉ các ONU chưa khởi tạo mới đáp ứng bản tin khởi tạo Gate Trong lúc nhận bản tin khởi tạo Gate, một ONU sẽ thiết lập thời gian đồng hồ của nó theo nhãn thời gian đến trong bản tin khởi tạo Gate
4 Khi đồng hồ trong ONU đến thời gian bắt đầu của khe thời gian khởi tạo (cũng được phân phối trong bản tin Gate), ONU sẽ truyền bản tin của chính nó (khởi tạo Report) Bản tin Report sẽ chứa địa chỉ nguồn của ONU và nhãn thời gian tượng trưng cho thời gian bên trong của ONU khi bản tin Report được gởi.
5 Khi OLT nhận bản tin Report từ một ONU chưa khởi tạo, nó nhận biết địa chỉ MAC của nó và thời gian Round-trip Như được minh họa ở hình 2.6, thời gian Round-trip của một ONU là thời gian sai biệt giữa thời gian bản tin Report được nhận ở OLT và nhãn thời gian chứa trong bản tin Report
Hình 2.6: Thời gian Round-trip
Khi nhiều ONU chưa được khởi tạo, có thể xảy ra xung đột giữa bản tin khởi tạo Gate và bản tin Report Nếu xung đột xảy ra, bản tin Report của ONU sẽ không thiết lập khe thời gian cần thiết cho hoạt động bình thường Khi ONU không nhận được khe thời gian trong một khoảng thời gian nhất định, nó sẽ kết luận rằng đã xảy ra xung đột và sẽ thử khởi tạo lại bằng cách bỏ qua một số bản tin khởi tạo Gate một cách ngẫu nhiên Số lượng bản tin bị bỏ qua sẽ được chọn ngẫu nhiên từ khoảng thời gian gấp đôi sau mỗi lần xung đột.
Dưới đây chúng ta mô tả hoạt động bình thường của MPCP:
KẾT LUẬN CHƯƠNG
Bài viết đã cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng truy cập quang thụ động PON và EPON, đồng thời trình bày cấu trúc cơ bản của hai loại mạng này.
THIẾT KẾ MẠNG TRUY NHẬP EPON DỰA TRÊN PHẦN MỀM OPTISYSTEM
GIỚI THIỆU PHẦN MỀM OPTISYSTEM
Với sự gia tăng nhu cầu thông tin, các hệ thống thông tin quang ngày càng phức tạp, đòi hỏi việc sử dụng các công cụ mô phỏng như OptiSystem để phân tích và thiết kế OptiSystem là phần mềm chuyên dụng cho việc mô phỏng hệ thống thông tin quang, cho phép thiết kế, đo kiểm và tối ưu hóa nhiều loại tuyến thông tin quang dựa trên khả năng mô hình hóa thực tế Phần mềm này cũng hỗ trợ mở rộng dễ dàng với các phần tử tự định nghĩa từ người dùng, đồng thời có giao diện thân thiện và khả năng hiển thị trực quan.
Hình 3.1: Giao diện người sử dụng của OptiSystem
3.1.2 Các ứng dụng của phần mềm OptiSystem
- Thiết kế mạng TDM/WDM và CATV
- Thiết kế mạng FTTx dựa trên mạng quang thụ động (PON)
- Thiết kế hệ thống ROF (Radio Over Fiber)
- Thiết kế bộ thu, bộ phát, bộ khuếch đại quang
- Thiết kế sơ đồ tán sắc
- Đánh giá BER và penalty của hệ thông với các mô hình bộ thu khác nhau
- Tính toán BER và quỹ công suất tuyến của các hệ thống có sử dụng khuếch đại quang
3.1.3 Các đặc điểm chính của phần mềm OptiSystem
3.1.3.1 Thư viện các phần tử
Optisystem sở hữu một thư viện phong phú với hàng trăm phần tử được mô hình hóa, giúp tái hiện chính xác hoạt động của các thiết bị trong thực tế.
- Thư viện các bộ thu quang
- Thư viện các bộ khuếch đại (quang, điện)
- Thư viện các bộ MUX, DEMUX
- Thư viên các bộ lọc (quang, điện)
- Thư viện các phần tử FSO
- Thư viện các phần tử truy nhập
- Thư viện các phần tử thụ động (quang, điện)
- Thư viện các phần tử xử lý tín hiệu (quang, điện)
- Thư viện các phần tử mạng quang.
- Thư viện các thiết bị đo quang, đo điện
Ngoài các phần tử đã được định nghĩa sẵn, OptiSystem còn có:
Các phần tử Measured components trong Optisystem cho phép người dùng nhập các tham số được đo từ thiết bị thực của nhiều nhà cung cấp khác nhau, giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và mô phỏng hệ thống quang học.
- Các phần tử do người sử dụng tự định nghĩa (User-defined Components)
3.1.3.2 Các công cụ hiển thị
Optisystem có đầy đủ các thiết bị đo quang, đo điện Cho phép hiển thị tham số, dạng, chất lượng tín hiệu tại mọi điểm trên hệ thống
- Phân tích phổ (Spectrum Analyzer)
- Thiết bị đo công suất (Optical Power Meter)
- Thiết bị đo miền thời gian quang (Optical Time Domain Visualizer)
- Thiết bị phân tích WDM (WDM Analyzer)
- Thiết bị phân tích phân cực (Polarization Analyzer)
- Thiết bị đo phân cực (Polarization Meter)
- Thiết bị phân tích phổ RF (RF Spectrum Analyzer)
- Thiết bị phân tích biểu đồ hình mắt (Eye Diagram Analyzer)
- Thiết bị phân tích lỗi bit (BER Analyzer)
- Thiết bị đo công suất (Electrical Power Meter)
- Thiết bị phân tích sóng mang điện (Electrical Carrier Analyzer)
3.1.3.3 Khả năng kết hợp với các công cụ phần mềm khác
Optisystem cho phép người dùng tích hợp với các công cụ phần mềm khác của Optiwave như OptiAmplifier, OptiBPM, OptiGrating, WDM_Phasar và OptiFiber, giúp thiết kế các phần tử một cách hiệu quả.
Người dùng có khả năng nhập các biểu diễn số học để tạo ra các tham số toàn cục, cho phép chia sẻ giữa tất cả các phần tử và hệ thống con trong hệ thống thông qua ngôn ngữ VB Script.
Optisystem cho phép người dùng tạo và chỉnh sửa nhiều thiết kế trong một file dự án, mang lại hiệu quả và tốc độ cao Mỗi file dự án có thể chứa nhiều phiên bản thiết kế, với khả năng tính toán và thay đổi độc lập Điều này giúp người dùng dễ dàng so sánh kết quả giữa các phiên bản khác nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tối ưu hóa thiết kế.
Trang báo cáo của Optisystem cho phép người dùng hiển thị toàn bộ hoặc một phần các tham số và kết quả tính toán thiết kế theo yêu cầu Các báo cáo được tổ chức dưới dạng văn bản, bảng tinh, và đồ thị 2D cũng như 3D Ngoài ra, người dùng còn có thể xuất báo cáo dưới dạng file HTML hoặc các file template đã được định dạng sẵn.
3.1.3.8 Quét tham số và tối ưu hóa
Quá trình mô phỏng có thể tự động lặp lại với các giá trị tham số khác nhau, từ đó tạo ra nhiều phương án thiết kế khác nhau Người dùng có thể tận dụng tính năng tối ưu hóa của Optisystem để điều chỉnh giá trị của một tham số nhằm đạt được kết quả tốt nhất, xấu nhất hoặc một mục tiêu thiết kế cụ thể.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠNG EPON
3.2.1 Các thông số thiết lập mạng EPON
Trường hợp 1 : Thiết lập các thông số cho mạng EPON với hệ số tỉ lệ chia của bộ splitter là 1:8 như sau:
- Phương thức mã hóa: NRZ
- Bước sóng đường xuống: 1550 nm
- Độ rộng mỗi kênh: 10 MHz
- Sợi đơn mode có chiều dài L = 20km
- Độ tán sắc: 16,75 ps/nm/km
- Phương thức mã hóa: NRZ
- Bước sóng đường lên: 1310 nm
- Độ rộng mỗi kênh: 10 MHz
- Công suất phát Pphát = -1 dBm
Các tham số toàn cục bao gồm:
- Tốc độ bit (Bit rate): 1224.16 Mbps
- Chiều dài chuỗi bit (Sequence length): 256 bit
- Số lượng mẫu trên mỗi bit (Number of samples per bit): 32
- Cửa sổ thời gian (Time windown) = chiều dài chuỗi bit số mẫu trên một bit
- Số lượng mẫu (Number of samples) = chiều dài chuỗi bít số mẫu trên một bit
- Tốc độ lấy mẫu (Samples rate) = Số lượng mẫu / cửa sổ thời gian
Hình 3.2: Thiết lập các thông số cho đường xuống
Hình 3.3: Thiết lập các thông số cho đường lên
3.2.2 Sơ đồ hệ thống mạng EPON
Hình 3.5: Sơ đồ kết nối mạng EPON
Mô hình kết nối mạng theo chuẩn EPON được mô tả ở hình 3.5 Trong sơ đồ trên PON có các thành phần chính là:
Thiết bị đầu cuối OLT của nhà sản xuất đóng vai trò quan trọng trong việc ghép kênh phân chia theo bước sóng Dữ liệu được điều chế lên các bước sóng trong cửa sổ quang 1550 nm và sau đó được chuyển vào bộ ghép kênh WDM để xử lý tín hiệu hiệu quả.
Thiết bị Circulator dùng để tách một bước sóng ra để phân tích tín hiệu trên đường truyền quang
Sử dụng sợi quang đơn mode có chiều dài là 20 km tính từ phía OLT đến ONU
Splitter quang là một thiết bị chia công suất, có nhiều loại khác nhau với công suất đầu ra có thể bằng nhau hoặc theo các tỉ lệ như 1:2, 1:3 Nó cũng đóng vai trò là bộ chia băng thông; ví dụ, nếu tốc độ đường xuống là 1,244 Gbps và hệ số chia của splitter là 1:8, băng thông tối đa cho mỗi người dùng sẽ là 0,1555 Gbps hay 155,5 Mbps.
ONU là thiết bị đầu cuối của người sử dụng, có chức năng chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Mỗi hệ thống sử dụng 8 ONU, và cấu trúc bên trong của ONU bao gồm hai phần chính: phần thu và phần phát, như được minh họa trong hình 3.6.
Hình 3.6: Cấu trúc khối ONU
Phần thu bao gồm một bộ tách quang và một bộ lọc Bessel Khi tín hiệu quang đến đầu vào của ONU, nó được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua Photodiode Bộ lọc Bessel sẽ thu lại tín hiệu có tần số thấp, sau đó tín hiệu này được phục hồi và cuối cùng được đưa vào bộ phân tích tỷ lệ lỗi bit (BER).
PHÂN TÍCH MẠNG TRUY NHẬP EPON DỰA TRÊN PHẦN MỀM
3.3.1 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng mạng quang
3.3.1.1 Tỉ số lỗi Bit Ber Định nghĩa: Là tỉ lệ bit bị lỗi trên tổng số bit truyền đi Trong đó, xác suất lỗi bit là một trong những cách hiệu quả để đánh giá hiệu năng hệ thống một cách định lượng
Tín hiệu quang từ ONU sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện, sau đó tín hiệu điện này sẽ được xử lý qua mạch khôi phục dữ liệu Quá trình này dựa vào mức ngưỡng để phân biệt giữa bit “1” và bit “0”.
Tỉ lệ lỗi bit trong hệ thống thông tin quang thường là 10 -9 Cách tính BER với nhiễu biên độ tuân theo hàm phân bố Gaussian
Hình 3.7: Mối liên quan giữ tín hiệu nhận được và hàm phân bố xác suất.
Hình 3.7(a) minh họa tín hiệu nhận được, trong đó giá trị dòng điện I dao động từ I0 đến I1, với ID là dòng ngưỡng Nếu I lớn hơn ID, tín hiệu biểu thị bit “1”, ngược lại sẽ là bit “0” Tỷ lệ lỗi bit (BER) có thể được xác định dựa trên xác suất lỗi bit.
- P(1) và P(0) là xác suất nhận được bit 1 và 0
- P(0/1) là xác suẩt lựa chọn bit 0 khi bit 1 được nhận
- P(1/0) là xác suất lựa chọn bit 1 khi bit 0 được nhận
Do có thể xảy ra trường hợp: P(1) = P(0) = 1/2
Hình 3.7 (b) minh họa mối quan hệ giữa xác suất P(0/1) và P(1/0) với hàm mật độ xác suất P(I) Dạng hàm P(I) được xác định bởi thống kê nguồn nhiễu, trong đó nếu nhiễu có biên độ theo phân bố Gaussian, ta sẽ có các kết quả tương ứng.
Mỗi một hàm Gaussian có một giá trị σ khác nhau Trong đó erfc là hàm bù lỗi được định nghĩa như sau:
Phương trình này cho thấy BER phụ thuộc vào dòng ngưỡng ID, với ID được xác định dựa trên giá trị BER nhỏ nhất Trường hợp tối thiểu khi ID được chọn theo công thức cụ thể.
Tính xấp xỉ ta có :
Khi đó, BER min Khi đó P(1/0) = P(0/1) Điều này có thể nhìn thấy rõ trong hình 3.7(b) Thay các giá trị tìm được vào công thức tính BER ta có:
Mối quan hệ giữa BER và hệ số Q được thể hiện trong phương trình, cho thấy rằng khi hệ số Q giảm, BER sẽ tăng và ngược lại Sự tương quan này có thể được minh họa rõ ràng qua đồ thị dưới đây.
Hệ số phẩm chất Q là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá chất lượng tín hiệu, được định nghĩa là tỷ lệ giữa tín hiệu và nhiễu (SNR) của tín hiệu điện tại bộ thu sau khi được khuếch đại Hệ số này được tính toán dựa trên một công thức cụ thể, giúp xác định mối quan hệ giữa hệ số phẩm chất Q và tỷ lệ lỗi bit (BER).
Đồ thị mắt là một công cụ quan trọng để đánh giá mức độ méo của tín hiệu số Nó được tạo ra từ tín hiệu đầu ra của hệ thống băng gốc, nơi tín hiệu được đưa vào oscilloscope sau khi đã lọc và trước khi quyết định bit truyền là 1 hay 0 Khi tần số quét của oscilloscope trùng với tốc độ bit của tín hiệu, hình ảnh trên màn hình sẽ cho thấy các tín hiệu chồng lên nhau Nếu coi tín hiệu dương là mí mắt trên và tín hiệu âm là mí mắt dưới, chúng ta sẽ thấy một hình ảnh giống như mắt người mở Mẫu mắt này, với hàng triệu tín hiệu chồng chéo, cung cấp cái nhìn rõ ràng về mức độ méo và độ dự trữ tạp âm của tín hiệu.
Giá trị đỉnh dương của tín hiệu không méo lý tưởng là 1 và giá trị đỉnh âm là -1, từ đó độ mở của mẫu mắt lý tưởng đạt 100% Trong thực tế, độ mở mẫu mắt được xác định bởi khoảng trắng lớn nhất giữa các đường cong tín hiệu âm và dương, chia 2 và tính theo phần trăm Mẫu mắt được coi là chống nhiễu nếu độ mở lớn hơn 50%, tuy nhiên, yêu cầu thực tế thường là khoảng 75%.
3.3.1.4 Mối quan hệ giữa tỉ lệ lỗi bit với đồ thị mắt Đồ thị mắt thể hiện một cách trực quan các chuỗi bit “0” và “1” nhưng bỏ qua một số thông số khác Thông thường, đồ thị mắt là sự kết hợp của các mẫu điện áp hoặc thời gian của các tín hiệu gốc Một oscilloscope, có thể có tốc độ lấy mẫu là 10 Gbps Điều đó có nghĩa là phần lớn các mẫu mắt được tạo ra từ một số ít các mẫu tín hiệu Nhưng một vấn đề dễ gặp phải đó là khi số mẫu ít khi xuất hiện Những kết quả này có thể có liên quan đến nhau, nhiễu liên quan đến hoặc xuất phát từ các hiệu ứng khác như hiệu ứng crosstalk và các hiệu ứng giao thoa Nó có thể không xuất hiện trong đồ thị mắt nhưng nó lại ngăn cản việc liên kết các mức tín hiệu (có thể hiểu ở đây là các mức điện áp đặc trưng cho các bit “0” và “1”)
3.3.2 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến mạng quang
3.3.2.1 Đo kiểm các thông số cơ bản của mạng
Với các thông số đã được thiết lập trong trường hợp 1, chúng ta tiến hành đo và có những kết quả sau đây:
Sử dụng thiết bị Optical Power Meter để đo công suất tại các điểm cần đo
- Công suất đo tại đầu ra của OLT khi công suất đường xuống là Pphát Bm
Hình 3.10: Công suất đo tại đầu ra của OLT khi P phát =1 dBm
- Công suất đo tại đầu vào của ONU1 công suất đường xuống là Pphát Bm
Hình 3.11: Công suất đo tại đầu vào của ONU 1 khi P phát = 1dBm
Sử dụng thiết bị Ber Analyzer để đo BER, hệ số phẩm chất Q và đồ thị mắt tại phía người sử dụng 1 ta có kết quả bảng 3.1
Bảng 3.1: Kết quả đo tại ngườisử dụng 1 trong trường hợp 1
Hình 3.13: Đồ thị mắt tại người sử dụng 1 trong trường hợp 1
Hình 3.14: Đồ thị hệ số phẩm chất Q tại người sử dụng 1 trong trường hợp 1
3.3.2.2 Ảnh hưởng của khoảng cách
Trong trường hợp 2, các tham số của mạng được giữ nguyên như trong trường hợp 1, chỉ thay đổi khoảng cách truyền dẫn thành L = 15km Việc phân tích lại các thông số cơ bản tại phía người sử dụng 1 sẽ giúp chúng ta nhận thấy sự thay đổi về chất lượng truyền dẫn trong mạng.
Trong trường hợp khoảng cách truyền dẫn L = 20km và công suất phát tại đường xuống Pphát = 1dBm, các kết quả đo tại người sử dụng 1 được trình bày trong bảng 3.1.
Trong trường hợp 2, với khoảng cách truyền dẫn là L = 15km, P phát = 1dBm ta có kết quả đo tại người sử dụng 1 như bảng 3.2
Bảng 3.2: Kết quả đo tại người sử dụng 1 trong trường hợp 2 với L = 15km
Hình 3.16: Đồ thị mắt tạingười sử dụng 1 trong trường hợp 2
Kết quả đo hệ số phẩm chất Q cho người sử dụng 1 cho thấy rằng tỷ lệ lỗi bit (BER) giảm khi khoảng cách truyền dẫn ngắn hơn Cụ thể, tại khoảng cách 15 km, Min BER đo được là 2.29978e-016, trong khi ở khoảng cách 20 km, Min BER có giá trị cao hơn.
Sự chênh lệch giữa hai khoảng cách truyền dẫn là rất lớn, cho thấy độ mở mắt của đồ thị mắt đã tăng lên, chứng tỏ tín hiệu trong mạng được cải thiện Khoảng cách truyền ngắn hơn giúp giảm tỉ lệ lỗi bít và các ảnh hưởng từ môi trường như suy hao, nhiễu, và tán sắc, dẫn đến việc mạng truyền tải hiệu quả hơn.
3.3.2.3 Ảnh hưởng của công suất phát
Trong trường hợp 3, các tham số của mạng được giữ nguyên như trong trường hợp 1, chỉ giảm công suất phát của đường xuống còn -1dBm, với Pphát = -1dBm Tiến hành thiết kế lại các thông số cơ bản tại phía người sử dụng.
Hình 3.18: Công suất đo được tại đầu ra của bộ OLT khi P phát = -1dBm
Hình 3.19: Công suất đo được tại đầu vào của bộ ONU1 khi P phát = -1dBm
Nhận thấy khi giảm công suất phát Pphát = -1dBm tại đường xuống thì công suất tại đầu vào ONU cũng tăng giảm theo tỉ lệ thuận
Kết quả thiết kế tại người sử dụng 1 là:
Hình 3.20: Đồ thị Min BER tại người sử dụng 1 trong trường hợp 3
Hình 3.21: Đồ thị mắt tại người sử dụng 1 trong trường hợp 3
