Thiết kế và mô phỏng hệ thống ftth theo chuẩn gpon và điều chế ofdm

MẠNG TRUY NHẬP FTTx và PON

Khái niệm mạng truy nhập FTTx

1.1.1 Giới thiệu về hệ thống FTTx

FTTx (Fiber To The x) là một kiến trúc mạng sử dụng cáp quang để kết nối từ các thiết bị chuyển mạch của nhà cung cấp dịch vụ đến các thuê bao, thay thế cho cáp kim loại truyền thống Chữ "x" trong FTTx đại diện cho các loại hình mạng khác nhau, bao gồm sợi quang đến hộ gia đình (FTTH - Fiber To The Home) và sợi quang dẫn tới tủ cáp bên lề đường (FTTC - Fiber To The Curb) Việc áp dụng FTTx giúp nâng cao hiệu suất mạng viễn thông và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về băng thông.

To The Curb), sợi quang đƣợc dẫn tới tòa nhà (FTTB: Fiber To The Building), sợi quang đƣợc dẫn tới node (FTTN: Fiber To The Node)

1.1.2 Các hình thức truy nhập trong hệ thống FTTx

FTTH: sợi quang đƣợc dẫn tới ranh giới không gian sống, nhƣ một hộp cáp quang được đặt trên tường bên ngoài của một ngôi nhà

Hình 1.1 Mô hình Fiber To The Home (FTTH) [1]

FTTB (Fiber to the Building) là công nghệ dẫn sợi quang đến chân tòa nhà cao tầng, từ đó sử dụng thiết bị chuyển đổi quang-điện để kết nối từng người dùng Trong khi đó, FTTC (Fiber to the Curb) đưa sợi quang đến tủ cáp trên lề đường, cách khu vực khách hàng dưới 300m, và sử dụng cáp đồng để kết nối đến từng người dùng.

Hình 1.2 Mô hình Fiber To The Building (FTTB) [1]

Hình 1.3 Mô hình Fiber To The Curb (FTTC) [1]

FTTN (Fiber to the Node) là công nghệ truyền dẫn sợi quang đến nút mạng, tương tự như FTTC (Fiber to the Curb), nhưng khoảng cách từ nút đến khu vực khách hàng có thể lên tới vài kilomet.

Hình 1.4 Mô hình Fiber To The Node (FTTN) [1]

1.1.3 Kiến trúc chung của một mạng FTTH

FTTH gồm có hai cấu hình chính là cấu hình Point to Point (điểm – điểm) và cấu hình Point to Multipoints (điểm – đa điểm)

Cấu hình Point to Point (P2P) là kết nối trực tiếp giữa nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng, với mỗi sợi quang chỉ phục vụ một khách hàng duy nhất Điều này giúp đơn giản hóa cấu trúc mạng và mang lại tốc độ truyền tải cao do băng thông không bị chia sẻ Quá trình truyền dẫn trong cấu trúc P2P cũng rất an toàn, vì dữ liệu chỉ được truyền qua một đường truyền vật lý duy nhất, không bị ảnh hưởng bởi các khách hàng khác Tuy nhiên, nhược điểm của cấu trúc này là chi phí đầu tư cao cho mỗi khách hàng, dẫn đến hệ thống trở nên cồng kềnh và khó khăn trong việc vận hành và bảo trì khi số lượng khách hàng gia tăng.

Hình 1.5 Cấu hình Point to Point [1]

Cấu hình Point to Multipoint cho phép kết nối từ nhà cung cấp dịch vụ đến nhiều khách hàng thông qua bộ chia splitter Một đường quang duy nhất sẽ được kéo đến một nhóm khách hàng gần nhau về mặt địa lý, sau đó được chia thành các đường quang riêng biệt cho từng khách hàng Giải pháp này giúp giảm chi phí lắp đặt cáp quang và ngăn chặn sự cồng kềnh trong hệ thống khi phát triển.

Hình 1.6 Cấu hình Point to Multipoints [1]

1.1.4 So sánh giữa ADSL và FTTH

ADSL và FTTH có một số đặc điểm khác nhau đƣợc trình bày trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 So sánh giữa ADSL và FTTH

Yếu tố so sánh ADSL FTTH

Môi trường truyền tín hiệu

Cáp đồng Cáp quang Độ ổn định Dễ bị suy hao do điện từ, thời tiết, chiều dài cáp…

Bảo mật Độ bảo mật thấp, dễ bị đánh cắp tín hiệu đường Độ bảo mật cao, không thể đánh cắp tín hiệu trên đường truyền

Cho phép cân bằng: Upload = download

Khả năng đáp ứng dịch vụ băng rộng

Không phù hợp vì tốc độ thấp

Rất phù hợp vì tốc độ rất cao và có thể tùy biến tốc độ

Mạng thụ động quang

Mạng viễn thông bao gồm ba thành phần chính: mạng đường trục, mạng phía khách hàng và mạng truy nhập Gần đây, mạng đường trục đã có sự phát triển mạnh mẽ nhờ công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM), trong khi mạng nội hạt (LAN) cũng đã nâng cấp từ tốc độ 10 Mb/s lên 1 Gb/s, với sản phẩm Ethernet 10 Gb/s bắt đầu xuất hiện Sự chênh lệch băng thông giữa mạng LAN tốc độ cao và mạng truy nhập tốc độ thấp đã tạo ra nút cổ chai (bottleneck) trong viễn thông, đặc biệt khi lưu lượng Internet tăng 100% mỗi năm từ 1990 Những năm 1995 và 1996, tốc độ phát triển thậm chí đạt 1000% trong một năm Xu hướng này dự kiến sẽ tiếp tục, với ngày càng nhiều người sử dụng trực tuyến và thời gian trực tuyến gia tăng, dẫn đến nhu cầu băng thông tăng cao Nghiên cứu cho thấy, sau khi nâng cấp lên công nghệ băng rộng, thời gian trực tuyến của người sử dụng tăng 35%, trong khi lưu lượng thoại tăng khoảng 8% mỗi năm, nhưng vẫn thấp hơn nhiều so với lưu lượng dữ liệu Sự gia tăng băng thông sẽ thúc đẩy triển khai nhiều dịch vụ và ứng dụng mới, dẫn đến việc cần thiết phải phát triển các công nghệ mới để đáp ứng nhu cầu băng tần.

Hiện nay, dịch vụ Internet đang được cung cấp qua công nghệ DSL, sử dụng dây đôi giống như dây điện thoại, yêu cầu modem DSL tại thuê bao và DSLAM tại tổng đài Tốc độ dữ liệu của DSL dao động từ 128 Kb/s đến 1,5 Mb/s, mặc dù đã cải thiện so với modem tương tự, nhưng vẫn không đủ để coi là băng rộng vì không hỗ trợ dịch vụ video, thoại và dữ liệu cho các thuê bao ở xa Khoảng cách tối đa từ tổng đài đến thuê bao chỉ khoảng 5,5 km, và việc mở rộng khoảng cách bằng cách lắp đặt thêm DSLAM gần thuê bao là không khả thi do chi phí cao.

Một giải pháp thay thế là sử dụng cáp modem, khi các công ty cáp TV cung cấp dịch vụ Internet thông qua mạng cáp đồng trục Mạng này ban đầu được thiết kế để truyền tín hiệu video tương tự, nhưng giờ đây đã tích hợp các dịch vụ dữ liệu.

Mạng HFC sử dụng sợi quang kết nối từ các đầu dẫn đến các nút quang, sau đó phân chia đến các thuê bao qua cáp đồng trục và các thiết bị hỗ trợ Tuy nhiên, nhược điểm của kiến trúc này là thông lượng hiệu dụng của các nút quang chỉ đạt tối đa 36 Mb/s, dẫn đến tốc độ internet thường rất thấp vào giờ cao điểm.

Công nghệ DSL và cáp modem hiện nay không đáp ứng được yêu cầu băng thông cho mạng truy nhập, dẫn đến nhu cầu chuyển sang công nghệ mới tập trung vào truyền tải dữ liệu, đặc biệt là dữ liệu IP Trong bối cảnh này, công nghệ PON được xem là giải pháp tối ưu cho mạng truy nhập băng rộng, hứa hẹn sẽ giải quyết các vấn đề tắc nghẽn băng thông trong kiến trúc mạng viễn thông, kết nối giữa các nhà cung cấp dịch vụ, điểm kết cuối và khu vực tập trung thuê bao.

Mạng quang thụ động (PON) được định nghĩa là một loại mạng quang không sử dụng các phần tử điện hay thiết bị quang điện tử, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn và giảm chi phí lắp đặt.

Mạng PON không sử dụng bất kỳ phần tử tích cực nào mà thay vào đó chỉ bao gồm sợi quang, bộ chia, bộ kết hợp, bộ ghép định hướng, thấu kính và bộ lọc Điều này mang lại nhiều ưu điểm cho PON, như không cần nguồn điện cung cấp, do đó không bị ảnh hưởng bởi lỗi nguồn, đồng thời có độ tin cậy cao và không cần bảo dưỡng vì tín hiệu không bị suy hao nhiều như với các phần tử tích cực.

Mạng PON không chỉ giải quyết vấn đề băng thông mà còn có chi phí lắp đặt thấp nhờ tận dụng sợi quang có sẵn Hệ thống này cho phép dễ dàng ghép thêm các ONU theo nhu cầu dịch vụ, trong khi việc thiết lập thêm nút trong mạng tích cực lại phức tạp do yêu cầu cấp nguồn và cần có bộ phát lại tại mỗi nút.

Mạng PON có khả năng hoạt động với chế độ không đối xứng, cho phép truyền dẫn luồng OC-12 (622 Mbits/s) ở đường xuống và luồng OC-3 (155 Mbits/s) ở đường lên Điều này giúp giảm chi phí cho các ONU nhờ sử dụng các bộ thu phát có giá thành thấp hơn.

PON có khả năng chống lỗi cao hơn so với SONET/SDH, nhờ vào việc các nút trong mạng PON nằm bên ngoài, giúp tổn hao năng lượng ở các nút này không ảnh hưởng đến các nút khác Điều này rất quan trọng cho mạng truy nhập, vì các nhà cung cấp không thể đảm bảo nguồn năng lượng dự phòng cho tất cả các đầu cuối ở xa, cho phép một nút mất năng lượng mà không làm gián đoạn mạng.

Công nghệ PON được xem là giải pháp hàng đầu cho mạng truy cập nhờ vào khả năng tương thích với các giao diện SONET/SDH Ngoài ra, PON có thể sử dụng như một vòng thu quang, thay thế cho các tuyến truyền dẫn ngắn trong mạng đô thị hoặc mạch vòng SONET/SDH đường trục.

Các phần tử thụ động trong mạng quang phân bố (PON) bao gồm sợi quang, bộ tách/ghép quang thụ động, đầu nối và mối hàn quang, trong khi các phần tử tích cực như OLT và ONU nằm ở đầu cuối của PON Tín hiệu trong PON có thể được phân chia và truyền qua nhiều sợi quang hoặc kết hợp lại trên một sợi quang, tùy thuộc vào hướng tín hiệu PON thường sử dụng sợi quang đơn mode với cấu hình cây phổ biến, nhưng cũng có thể triển khai theo cấu hình vòng hoặc bus cho các khu thương mại và trường học Mô hình mạng quang thụ động được thể hiện qua các phần tử này trong hệ thống.

Hình 1.7 Mô hình mạng quang thụ động [2]

PON là mạng truy nhập kết nối điểm - đa điểm, trong đó một CO phục vụ nhiều thuê bao Các cấu hình kết nối điểm - đa điểm phù hợp cho mạng truy nhập bao gồm cấu hình cây, cây và nhánh, vòng ring, hoặc bus.

Hình 1.8 Kiến trúc hình cây [2] Hình 1.9 Kiến trúc vòng Ring [2]

Hình 1.10 Kiến trúc bus và kiến trúc hình cây với một trung kế thừa [2]

PON (Passive Optical Network) được thiết kế như một mạng truy cập điểm-đa điểm, trong đó một CO (Central Office) phục vụ nhiều thuê bao Các cấu hình kết nối điểm-đa điểm phù hợp cho mạng truy cập bao gồm cấu hình cây, cây và nhánh, vòng ring, hoặc bus, như thể hiện trong các hình 1.8, 1.9, 1.10.

PON có khả năng triển khai linh hoạt với các cấu hình khác nhau nhờ vào bộ ghép 1:2 và bộ chia quang 1:N Hệ thống này có thể được tổ chức thành các vòng ring kép, hình cây, hoặc nhánh cây Tất cả các tuyến truyền dẫn trong PON diễn ra giữa OLT và ONU, trong đó OLT được đặt tại CO để kết nối mạng truy nhập quang với mạng đô thị (MAN) hoặc mạng diện rộng (WAN), còn ONU nằm tại vị trí đầu cuối người sử dụng như FTTH, FTTB hoặc FTTC.

Các hệ thống PON đang đƣợc triển khai

Từ năm 1995, bảy nhà khai thác mạng hàng đầu thế giới đã thành lập nhóm FSAN (Full Service Access Network) nhằm thống nhất tiêu chí cho mạng truy nhập băng rộng Hiện tại, FSAN đã có hơn 40 thành viên, bao gồm nhiều hãng sản xuất thiết bị viễn thông lớn Các thành viên đã phát triển tiêu chí cho mạng truy nhập PON sử dụng công nghệ ATM, ban đầu gọi là APON, sau đó được đổi tên thành BPON để phản ánh tính chất băng rộng Hệ thống BPON cung cấp nhiều dịch vụ băng rộng như Ethernet, Video, và kênh thuê riêng Năm 1997, FSAN đã đề xuất tiêu chí BPON lên ITU-T và các tiêu chuẩn ITU G.983.X cho mạng BPON đã 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, và được sử dụng phổ biến tại Bắc Mỹ, Nhật Bản và một phần Châu Âu.

Năm 2001, IEEE thành lập nhóm nghiên cứu Ethernet in the First Mile (EFM) nhằm mở rộng công nghệ Ethernet vào mạng truy cập vùng, phục vụ cho các hộ gia đình và doanh nghiệp, đồng thời giữ nguyên các tính chất của Ethernet truyền thống Trong giai đoạn này, Ethernet PON cũng bắt đầu được nghiên cứu.

Ethernet PON (EPON) là một mạng PON sử dụng dữ liệu gói trong các khung Ethernet theo tiêu chuẩn IEEE 802.3 EPON hoạt động với tốc độ 1Gbps và áp dụng mã đường truyền 8b/10B để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.

EPON cung cấp tốc độ truyền tối đa 1,25 Gbit/s, trong khi GPON có khả năng đạt tới 2,448 Gbit/s Khi các nhà cung cấp dịch vụ ngày càng tìm cách tiết kiệm chi phí và tối ưu hóa băng thông, EPON dần trở thành lựa chọn kém hấp dẫn Với hiệu suất chỉ từ 50% đến 70%, băng thông của EPON bị giới hạn trong khoảng 600 Mbps đến 900 Mbps Ngược lại, GPON có thể cung cấp băng thông tối đa lên đến 2300 Mbps, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ phân phối hiệu quả hơn.

Hệ thống mạng GPON của Flexlight đạt hiệu suất lên tới 93%, cho thấy chỉ 7% băng thông được sử dụng cho các thủ tục giao thức truyền thông, mang lại lợi ích lớn cho các nhà cung cấp dịch vụ Ngược lại, các hệ thống APON, BPON và EPON tiêu tốn nhiều băng thông hơn cho quy trình truyền thông, dẫn đến hiệu suất giảm đáng kể, với APON và BPON chỉ còn 70% và EPON còn 50%.

Công nghệ mạng quang thụ động Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network (WDM PON) đại diện cho thế hệ tiếp theo của mạng truy cập quang, cung cấp băng thông lớn nhất WDM PON sử dụng bộ chia công suất quang thụ động và bộ ghép sóng WDM, cho phép mỗi ONU nhận dữ liệu qua một bước sóng riêng biệt, nâng cao tính bảo mật và linh hoạt So với TDMPON (bao gồm BPON, GPON và GEPON), WDM PON cải thiện hiệu suất nhờ vào việc ghép kênh trong miền thời gian cho hướng lên Với những ưu điểm vượt trội, công nghệ WDM PON hứa hẹn sẽ là lựa chọn hàng đầu cho tương lai của các mạng truy cập quang.

1.3.4.1 Giới thiệu công nghệ GPON

GPON, theo chuẩn ITU-T G.984, là công nghệ mở rộng từ BPON G.983, với việc tăng băng thông và hiệu suất nhờ sử dụng gói lớn và tiêu chuẩn hóa quản lý Công nghệ này cho phép lựa chọn tốc độ bit cho cả đường lên và đường xuống, đồng thời sử dụng phương thức đóng gói GEM, giúp tối ưu hóa lưu lượng người dùng và nâng cao chất lượng dịch vụ QoS cho các ứng dụng nhạy cảm như truyền thoại và video GPON hỗ trợ tốc độ cao hơn, tăng cường bảo mật và linh hoạt trong việc chọn giao thức lớp 2 như ATM, GEM, và Ethernet, từ đó phân phối nhiều dịch vụ tới nhiều thuê bao hơn với chi phí thấp và khả năng tương thích cao giữa các nhà cung cấp thiết bị.

Hệ thống GPON bao gồm một thiết bị kết cuối OLT và thiết bị kết cuối mạng ONU hoặc ONT, được kết nối qua mạng phân phối quang.

ODN Quan hệ giữa OLT và ONU là quan hệ một - nhiều, một OLT sẽ kết nối với nhiều ONU

Hệ thống GPON bao gồm các thành phần chính như OLT, ONU, bộ chia quang Splitter và sợi quang Sợi quang được kết nối từ OLT đến bộ chia quang Splitter, nơi các sợi này được phân chia thành nhiều nhánh khác và kết nối với các ONU.

Hệ thống GPON bao gồm các thành phần sau đây:

OLT: Thiết bị kết nối cáp quang tích cực lắp đặt tại phía nhà cung cấp dịch vụ, thường được đặt tại các trạm đài

ONT: Thiết bị kết nối OLT thông qua mạng phân phối quang (ODN) dùng cho trường hợp kết nối quang tới nhà thuê bao (FTTH)

ONU là thiết bị kết nối OLT qua mạng phân phối quang (ODN), được sử dụng để kết nối quang tới các tòa nhà, vỉa hè hoặc các node trong các trường hợp như FTTB, FTTC và FTTN.

Bộ chia/ghép quang thụ động (Splitter) là thiết bị quan trọng giúp chia và ghép tín hiệu quang từ nhà cung cấp dịch vụ đến khách hàng và ngược lại, tối ưu hóa việc sử dụng sợi quang vật lý Thiết bị này thường được lắp đặt tại các điểm phân phối quang (DP) và điểm truy nhập quang (AP) Có hai loại bộ chia/ghép quang: loại đầu tiên được đặt tại nhà trạm viễn thông với tủ kiểu indoor, trong khi loại thứ hai là thiết bị được bọc kín, có thể mở ra khi cần thiết và được lắp đặt tại các điểm măng xông.

FDB: Hộp phân phối quang loại nhỏ

1.3.4.3 Kết cuối đường quang OLT

Kết cuối đường quang OLT kết nối với mạng chuyển mạch qua các giao diện chuẩn hoá, cung cấp giao diện truy nhập quang theo chuẩn GPON với các thông số như tốc độ bit, quỹ công suất và jitter OLT bao gồm ba phần chính: chức năng giao diện cổng dịch vụ, chức năng kết nối chéo và giao diện mạng phân tán quang, được mô tả trong Hình 1.11.

Khối lõi PON (PON core shell) bao gồm hai phần chính: giao diện ODN và chức năng PON TC Chức năng của PON TC bao gồm việc tạo khung, điều khiển truy cập phương tiện, OAM, DBA và quản lý ONU Mỗi PON TC có khả năng hoạt động theo ba chế độ: ATM, GEM và Dual.

Khối kết nối chéo (Cross-connect shell) đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp đường truyền thông giữa khối lõi PON và phần dịch vụ Công nghệ sử dụng cho đường này sẽ phụ thuộc vào các dịch vụ cụ thể, kiến trúc bên trong của OLT và các yếu tố khác OLT đảm nhận chức năng kết nối chéo tương ứng với các chế độ được lựa chọn như ATM, GEM hoặc Dual.

- Khối dịch vụ (Service shell): Phần này hỗ trợ chuyển đổi giữa các giao diện dịch vụ và giao diện khung TC của phần PON

Chức năng giao diện ODN

Chức năng giao diện ODN

Chức năng kết nối chéo Khối lõi PON Khối kết nối chéo Khối dịch vụ

Hình 1.11 Các khối chức năng trong OLT

1.3.4.4 Thiết bị đầu cuối mạng ONU/ONT

Hầu hết các khối chức năng của ONU/ONT tương tự như OLT, nhưng ONU hoạt động với một hoặc hai giao diện PON trong chế độ bảo vệ, do đó chức năng đấu nối chéo không cần thiết Thay vào đó, ONU sử dụng chức năng ghép và tách kênh dịch vụ (MUX và DMUX) để xử lý lưu lượng Cấu hình tiêu biểu của ONU được minh họa trong Hình 1.12, với mỗi PON TC lựa chọn chế độ truyền dẫn ATM, GEM hoặc cả hai.

Chức năng giao diện ODN

Chức năng giao diện ODN Lựa chọn

Khối lõi PON Khối dịch vụ

Ghép và giải ghép dịch vụ

Hình 1.12 Các khối chức năng của ONU

1.3.4.5 Mạng phân phối quang ODN

Mạng phân phối quang kết nối giữa một OLT với một hoặc nhiều ONU sử dụng thiết bị tách/ghép quang và mạng cáp quang thuê bao

Hình 1.13 Cấu trúc cơ bản mạng cáp quang thuê bao [5]

Kết luận chương

Trong chương 1, bài viết cung cấp cái nhìn tổng quan về các hình thức truy cập trong mạng FTTx, bao gồm kiến trúc chung của mạng FTTx và so sánh ưu nhược điểm của mạng FTTH với mạng ADSL trước đây Ngoài ra, chương cũng khái quát về mạng truy cập PON và giới thiệu một số hệ thống PON đang được triển khai hiện nay.

KỸ THUẬT OFDM TRONG THÔNG TIN QUANG

Giới thiệu

Kỹ thuật OFDM, mặc dù được phát minh từ những năm 1950, nhưng không thể thực hiện do khó khăn trong việc điều chế dữ liệu và tách sóng Sau 20 năm, nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT, OFDM đã trở nên khả thi và tiết kiệm chi phí, dẫn đến việc ứng dụng rộng rãi Giống như CDMA, OFDM cũng được áp dụng đầu tiên trong lĩnh vực quân sự.

Trong những năm gần đây, kỹ thuật OFDM đã được áp dụng rộng rãi trong các chuẩn truyền dẫn mạng thông tin quang Đồng thời, nó cũng đang được nghiên cứu để ứng dụng trong các chuẩn di động 3.75G và 4G.

Tính trực giao của OFDM

Kỹ thuật OFDM cho phép truyền tải đồng thời nhiều băng con chồng lấn trên cùng một băng tần, giúp chia nhỏ luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng tốc độ thấp hơn Điều này không chỉ giảm thiểu ảnh hưởng của trễ đa đường mà còn chuyển đổi kênh fading chọn lọc thành kênh fading phẳng Việc xếp chồng lấn các băng tần con trên toàn bộ băng tần cấp phát mang lại hiệu suất sử dụng phổ tần rất cao.

Để tách các băng con từ băng tổng chồng lấn mà không gây ra giao thoa trong miền tần số (nhiễu ICI) và miền thời gian (nhiễu ISI), kỹ thuật OFDM dựa vào tính trực giao của các sóng mang con Tính trực giao này có thể được hiểu qua phổ của tín hiệu OFDM Ví dụ, với 5 sóng mang con trực giao, mỗi subcarrier có đỉnh tại tần số trung tâm và bằng 'null' tại tất cả các tần số là bội số của 1/T Khi tín hiệu này được tách bằng DFT, phổ của chúng không liên tục mà là những mẫu rời rạc, cho thấy cách thức hoạt động hiệu quả của OFDM trong việc quản lý tần số.

DFT đồng bộ theo thời gian giúp các mẫu tần số chồng lặp giữa các subcarrier không ảnh hưởng đến bộ thu Giá trị đỉnh đo được phản ánh giá trị „null‟ của tất cả các subcarrier khác.

Hình 2.1 Phổ các sóng mang trực giao [6]

Mô hình hệ thống OFDM

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 2.3.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song

Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song (Serial/Parallel) chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các đoạn nhỏ có chiều dài kxb bit, với k < N, trong đó b là số bit trong mô hình điều chế số và N là số sóng mang K và N được chọn để đảm bảo các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp, giúp băng thông sóng mang con tương ứng đủ hẹp, cho phép hàm truyền trong khoảng băng thông đó xem như phẳng Tại phía thu, bộ chuyển đổi song song-nối tiếp (Parallel/Serial) sẽ kết hợp N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất.

Hình 2.3 Bộ Mapper và Demapper [6]

Mỗi symbol b bit được đưa vào bộ mapper nhằm nâng cao dung lượng kênh truyền, với mỗi symbol tương ứng với một trong M = 2^b trạng thái trong giản đồ chòm sao Tại bộ thu, bộ demaper sẽ chuyển đổi các vị trí trong giản đồ chòm sao thành các symbol b bit tương ứng Các phương pháp điều chế có thể được áp dụng trong quá trình này.

• BPSK sử dụng symbol 1 bit, bit 0 hoặc bit 1 sẽ xác định trạng thái pha 0° hoặc 180°, tốc độ baud hay tốc độ chuỗi sẽ bằng tốc độ bit Baud = Rb

• QPSK sử dụng symbol 2 bit (Dibit), Baud = Rb/ 2

• 8-PSK hay 8-QAM sử dụng symbol 3 bit (Tribit), Baud = Rb/ 3

• 16-PSK hay 16-QAM sử dụng symbol 4 bit (Quabit), Baud = Rb/ 4

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, cho phép truyền dữ liệu song song qua nhiều sóng mang phụ Để thực hiện điều này, mỗi kênh phụ cần một máy phát sóng sine, bộ điều chế và bộ giải điều chế Tuy nhiên, khi số lượng kênh phụ lớn, phương pháp này trở nên không hiệu quả hoặc khó thực hiện Để khắc phục vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được sử dụng để thay thế các bộ tạo dao động, điều chế và giải điều chế cho từng kênh phụ Thuật toán FFT/IFFT giúp thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh chóng và hiệu quả hơn, giảm số phép nhân phức và tiết kiệm bộ nhớ.

2.3.3 Chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ GI [6]

Hai nguồn nhiễu giao thoa (interference) thường thấy trong các hệ thống truyền thông, cũng nhƣ trong hệ thống OFDM là ISI và ICI

ISI (Inter-Symbol Interference) hay nhiễu giao thoa liên ký tự là hiện tượng xuyên nhiễu giữa các ký tự trong khoảng thời gian t_s của các khung FFT liên tiếp trong miền thời gian.

Nhiễu giao thao liên sóng mang (ICI) là hiện tượng xuyên nhiễu xảy ra giữa các kênh sóng mang phụ trong cùng một khung FFT, diễn ra trong miền tần số.

Hình 2.4 Tín hiệu OFDM không có khoảng bảo vệ [6]

Nhiễu ICI có thể được loại bỏ hoàn toàn bằng cách sử dụng tập sóng mang trực giao cho các kênh phụ Đối với nhiễu ISI, việc sử dụng số lượng sóng mang N đủ lớn sẽ giúp giảm thiểu nhiễu này gần như hoàn toàn, khi băng thông của mỗi kênh nhỏ hơn băng thông đồng nhất (coherence bandwidth) Điều này đảm bảo rằng độ rộng của một symbol có ích t_s lớn hơn độ trễ của kênh truyền Tuy nhiên, độ phức tạp của phép biến đổi FFT sẽ tăng lên khi N gia tăng.

Để tối ưu hóa hiệu suất, cần chọn lựa N một cách hợp lý Bộ Guard Interval Insertion được sử dụng để kéo dài độ rộng symbol có ích t s, đồng thời vẫn giữ nguyên số sóng mang.

Insertion sẽ chèn thêm một khoảng bảo vệ A G gồm q mẫu vào mỗi symbol, khi này độ rộng một symbol tổng cộng sẽ là: s G s

T   t (2 10) Để hình dung việc chèn khoảng bảo vệ, ta xét các trường hợp được biểu thể hiện ở các Hình 2.4 và 2.5

Hình 2.5 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ có tính cyclic prefix [6]

Để hạn chế hiện tượng ICI, có thể áp dụng phương pháp chèn khoảng thời gian bảo vệ theo chu kỳ và sử dụng bộ cân bằng kênh dựa trên các ký hiệu pilot Các ký hiệu pilot đóng vai trò quan trọng trong việc ước tính và thực hiện cân bằng nhằm bù đắp cho ICI.

Chuỗi symbol x n sau khi được chèn khoảng bảo vệ A G cho chuỗi S n sẽ được đưa vào bộ biến đổi từ số sang tương tự D/A và bộ lọc thông thấp, tạo ra tín hiệu liên tục s(t) để truyền qua kênh Tại phía thu, bộ A/D thực hiện quá trình ngược lại bộ D/A, lấy mẫu tín hiệu OFDM thu được r(t) và cho ra tín hiệu số rời rạc r n Sau đó, r n sẽ được đưa qua bộ Guard Interval Removal để loại bỏ khoảng bảo vệ A G.

2.3.5 Bộ Up-Converter và Down-Converter Đối với kênh truyền vô tuyến, sau khi qua bộ biến đổi D/A và lọc thông thấp, tín hiệu s(t) đƣợc đƣa lên tần số cao nhờ bộ Up-Converter tạo thành tín hiệu s RF (t) để anten phát có thể dễ dàng bức xạ tín hiệu ra không gian Ở phía thu, tín hiệu rRp(t) thu đƣợc từ anten phát sẽ đƣợc chuyển lại tín hiệu tần số băng gốc r(t) nhờ bộ Down-Converter

Do các kênh sóng mang phụ có băng thông hẹp chỉ chịu fading phẳng, một bộ Equalizer đơn giản được áp dụng để tối ưu hóa tín hiệu rời rạc trước khi đưa vào bộ giải điều chế số, nhằm giảm tỉ số bit lỗi (BER) của hệ thống Trong nghiên cứu này, bộ cân bằng sử dụng thuật toán nội suy bậc một, với ý tưởng nội suy từ các pilot để xác định đáp ứng của kênh truyền quang, từ đó áp dụng các biện pháp bù kênh truyền hiệu quả.

To enhance BER (Bit Error Rate), additional FEC (Forward Error Correction) blocks are utilized to correct single errors Interleavers are also employed to rearrange clustered erroneous bits into individual bits, allowing FEC to effectively perform error correction.

2.3.7 Dung lƣợng của hệ thống OFDM

Trong trường hợp đơn giản, giả thiết rằng tất cả các sóng mang con đều có cấu hình giống nhau, bao gồm điều chế, mã hóa, băng thông và công suất.

2 2 log log log log c c sub tb sym sym

Tỷ lệ mã R c, mức điều chế M, số sóng mang con N sub, thời gian symbol T sym, và độ rộng băng tần B của tín hiệu thông tin là những yếu tố quan trọng trong việc xác định tốc độ bit tổng Thời gian FFT TFFT và khoảng cách sóng mang con Af=l/T FFT cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống OFDM, trong đó tỷ số thời gian FFT và thời gian symbol F SR đóng vai trò quyết định trong việc tối ưu hóa truyền tải dữ liệu.

Theo công thức (2.1), tốc độ bit của sóng mang con hoặc nhóm sóng mang con phụ thuộc vào bốn thông số: tỷ lệ mã, mức điều chế, độ rộng băng và F SR Trong hệ thống OFDM, chúng ta có khả năng điều chỉnh các thông số này nhằm tối ưu hóa tốc độ bit, đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) phù hợp với điều kiện của kênh tại thời điểm xem xét.

2.4 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của kỹ thuật OFDM

Kỹ thuật OFDM trên kênh truyền sợi quang

2.5.2 Khái niệm hệ thống quang thông tin quang kết hợp Để tăng chất lƣợng hệ thống thông tin quang thì việc thiết kế bộ thu quang với độ lợi lớn, độ nhạy cao là cần thiết và quan trọng Trong các bộ thu quang, việc tách sóng mang quang để thu lại đƣợc tín hiệu điện bên phía phát dựa vào hai kỹ thuật chính đó là kỹ thuật tách sóng trực tiếp (DD - Duwect Detector) và kỹ thuật tách sóng hết họp (CO - Coherrent Detector) Tách sóng trực tiếp tín hiệu quang đã điều chế cường độ cơ bản là quá trình đếm số lượng hạt photon đến bộ thu Quá trình này bỏ qua pha và sự phân cực của sóng mang đƣợc tạo ra từ linh kiện quang Các hệ thống nhƣ vậy có nhƣợc điểm là nhiễu tạo ra từ bộ tách sóng quang và bộ tiền khuếch đại cao, độ nhạy của tách sóng trực tiếp thấp Do đó, khi sử dụng kỹ thuật tách sóng trực tiếp thì công suất phóng vào sợi quang phải lớn, điều này dẫn đến ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến càng trầm trọng hơn Để tăng độ nhạy của bộ thu quang ta có thể sử dụng kỹ thuật tách quang coherent (bao gồm tách sóng heterodyne và homodyne) Trong kỹ thuật tách sóng coherent, trước tiên bộ thu quang sẽ cộng tín hiệu quang tới với tín hiệu quang đƣợc tạo ra tại chỗ, sau đó tách tín hiệu quang tổng này thành tín hiệu điện Nhƣ vậy, dòng điện kết quả này là sự dịch tần từ miền quang sang miền vô tuyến, và ta có thể áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu và giải điều chế lên tín hiệu này ngay trong miền điện Bộ thu kết hợp lý tưởng hoạt động trong vùng bước sóng l,3 pm đến l,6 pm cần năng lượng của tín hiệu chỉ từ 10 đến 20 photon/bit cũng có thể đạt BER = 10 -9 Tuy nhiên, so với các bộ tách sóng trực tiếp thì tách sóng kết họp phức tạp hơn và nhạy với độ lệch pha Các dạng điều chế trong hệ thống thông tin quang kết hợp cũng giống nhƣ trong hệ thống vô tuyến Chẳng hạn trong truyền dẫn số có thể áp dụng kỹ thuật điều chế ASK, FSK hay PSK

OFDM mang lại hiệu quả cao trong việc tính toán các hệ thống coherent, giúp dễ dàng đánh giá pha và kênh Hệ thống OFDM tuyến tính là cần thiết cho bộ chuyển đổi RF thành tín hiệu quang (RTO) và ngược lại Do đó, việc thực hiện một biến đổi tuyến tính là mục tiêu chính của OFDM Hệ thống OFDM thông thường gồm 5 khối chức năng: bộ phát RF OFDM, bộ chuyển đổi RTO, kênh quang, bộ chuyển đổi OTR và bộ thu RF OFDM Với giả định kênh quang tuyến tính, thách thức lớn nhất trong việc thực hiện CO-OFDM là phát triển bộ chuyển đổi RTO và OTR tuyến tính Nghiên cứu đã đề xuất và phân tích xu hướng bộ điều chế Mach-Zehnder tại điểm không, cho thấy rằng sự chuyển đổi tuyến tính giữa tín hiệu RF và tín hiệu trường quang có thể được thực hiện.

2.5.2 Điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF

Cấu trúc bộ điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM đã được trình bày trước đó Bài viết này sẽ tóm tắt các đặc điểm và tính chất chính của hệ thống Hình 2.7 và Hình 2.8 minh họa sơ đồ bộ điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM.

C hu yể n đ ổ i n ố i t iế p/ so n g so n g C hu yể n đổ i n ối so ng so ng /n ối ti ếp

IF F T Á nh xạ ch òm sa o C hè n kh oả ng b ảo vệ G I C hu yể n đổ i số sa ng tư ơ ng tự

Hình 2.7 Mô hình bộ điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF tại đầu phát

Bộ điều chế tín hiệu OFDM được mô tả trong Hình 2.7, nơi dòng dữ liệu {di} được chia thành các dòng dữ liệu song song với tốc độ giảm đi N lần thông qua bộ chuyển đổi nối tiếp/song song Mỗi dòng bit {d ijk } được ánh xạ thành tín hiệu phức {cijk}, với k là chỉ số song mang con Các tín hiệu phức này được đưa vào ngõ vào của bộ IFFT, cho ra tín hiệu OFDM trong miền thời gian Tín hiệu này sau đó được chuyển đổi từ song song sang nối tiếp và chèn khoảng bảo vệ CP Cuối cùng, phần thực và phần ảo của tín hiệu phức được chuyển thành tín hiệu tương tự qua bộ DAC, và mỗi phần được đưa vào hai bộ điều chế quang MZM để chuyển thành tín hiệu quang.

Bộ giải điều chế tín hiệu OFDM thực hiện quá trình ngược lại so với điều chế, bắt đầu bằng việc dò các thành phần I/Q qua photo-detector và chuyển đổi chúng sang dạng số bằng bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) Hai thành phần này được kết hợp thành một số phức duy nhất, sau đó tín hiệu được chuyển từ dạng nối tiếp sang dạng song song thông qua bộ đệm Sau khi loại bỏ khoảng bảo vệ, tín hiệu được đưa vào bộ FFT, tạo ra tín hiệu rời rạc ở miền tần số Cuối cùng, tín hiệu này được giải điều chế ở băng tần cơ sở và chuyển đổi lại thành chuỗi bít nối tiếp, tương ứng với dữ liệu ban đầu ở phía phát.

Hình 2.8 Mô hình bộ giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền RF tại đầu thu

Thành phần thực và ảo (I/Q) từ hai ngõ ra của bộ điều chế tín hiệu OFDM được chuyển đổi từ miền điện sang miền quang thông qua hai bộ điều chế ngoài MZM Tín hiệu quang tại đầu ra của hai bộ MZM được điều chế cầu phương (vuông góc), sau đó cộng lại và đưa vào sợi quang để truyền đi.

Tín hiệu quang được tạo ra từ một Diot Laser LD1 và được truyền đến hai bộ điều chế quang MZM Tín hiệu quang trên mỗi bộ MZM, tương ứng với e li và eLQ, đóng vai trò là sóng ngõ ra, là tín hiệu quang đã được điều chế pha.

3.Một trong hai bộ MZM, tín hiệu sau đó đƣợc dịch 1 góc 90°, cộng với tín hiệu của bộ MZM còn lại và phóng vào sợi quang

Hình 2.9 Mô hình điều chế quang kết họp sử dụng MZM [6]

2.5.4 Bộ thu quang [6] Ở đầu thu, tín hiệu quang từ sợi quang đi tới trước hết sẽ được chuyển thành tín hiệu điện Bộ chuyển đổi quang điện thực hiện chức năng này Trong đề tài, ta sử dụng kỹ thuật tách sóng kết hợp đối với bộ thu quang Tức tín hiệu quang tới trước hết đƣợc trộn với sóng quang phát ra từ bộ giao động nội, rồi sau đó tín hiệu tín hiệu quang tổng hợp này đƣợc chuyển về tín hiệu điện nhờ các photo-detector cấu trúc bộ thu quang coherrent đƣợc mô tả rõ hơn trong Hình 2.10 Quá trình hoạt động bộ thu quang kết hợp đƣợc mô tả nhƣ sau:

Lazer LD2 phát ra ánh sáng với tần số giao động nội, sau đó tín hiệu này được chia thành hai nhánh, trong đó pha của một nhánh sẽ bị lệch 90°.

(2) Tín hiệu quang nhận đƣợc cũng đƣợc chia làm hai nhánh

Nhánh tín hiệu quang đầu tiên sẽ kết hợp với sóng quang lệch 90° từ LD2, sau đó được phát hiện bởi hai photo-detector Dòng điện từ mỗi photo-detector sẽ được tổng hợp và trả về thành phần I tương ứng ở bên phát.

Nhánh thứ hai của tín hiệu quang sẽ kết hợp với sóng quang từ LD2, sau đó được phát hiện bởi hai cảm biến quang Dòng điện từ mỗi cảm biến sẽ được tổng hợp và trả về thành phần Q tương ứng tại bên phát.

Hai thành phần I/Q lúc này là tín hiệu điện trong miền thời gian Sẽ đƣợc xử lý hoàn toàn trong miền điện

Hình 2.10 Mô hình bộ thu quang kết hợp [6]

Hệ thống thông tin quang kết hợp OFDM (CO-OFDM)

CO-OFDM là một hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM để chuyển đổi tín hiệu thành dạng quang nhằm truyền tải qua sợi quang Hệ thống CO-OFDM bao gồm năm khối cơ bản, trong đó khối đầu tiên là RF OFDM transmitter, có chức năng điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện Khối thứ hai, RF-to-optical up-converter, thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu từ miền điện sang miền quang, với bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder là thành phần chính.

Hình 2.11 Mô hình hệ thống CO-OFDM [6]

Kênh truyền sợi quang có nhiệm vụ truyền tín hiệu quang từ đầu phát đến đầu thu, nhưng tín hiệu này có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như tán sắc, suy hao và hiệu ứng phi tuyến Tiếp theo là khối chuyển đổi optical-to-RF, có chức năng chuyển tín hiệu quang nhận được thành tín hiệu điện Cuối cùng, khối RF OFDM receiver thực hiện giải điều chế tín hiệu OFDM trong miền điện để chuyển đổi thành dữ liệu tương ứng với bên truyền.

2.6.1 Điều chế tín hiệu từ miền điện sang quang

Tín hiệu OFDM trước khi đi vào bộ MZM:

Trong hệ thống OFDM, C k,i đại diện cho symbol dữ liệu thứ i trên sóng mang con thứ k, trong khi S k là sóng mang con thứ k Thời gian của một symbol OFDM được ký hiệu là T s, cùng với ∆ G là khoảng thời gian bảo vệ và t s là thời gian có ích của symbol OFDM Tần số của sóng mang con thứ k được ký hiệu là f k, và các sóng mang con này cần tuân thủ điều kiện trực giao.

Tín hiệu quang tại ngõ ra của bộ chuyển đổi từ miền điện sang miền quang được xác định là tổng của tín hiệu từ hai bộ MZM, như được thể hiện trong công thức 2.3 Trong đó, Vi và VQ lần lượt đại diện cho thành phần thực và ảo của tín hiệu liên tục OFDM.

V DC là điện thế phân cực của bộ MZM, trong đó LD1 và Φ L D1 lần lượt đại diện cho tần số góc và pha của tín hiệu quang phát ra từ Lazer LD1 Vn là điện thế phân cực nữa bước sóng (half-wave switching voltage) Khi đạt điều kiện phân cực tối ưu tại điểm “null”, với V DC = VȠ, phương trình (2.3) sẽ chuyển thành phương trình (2.4).

Trong đó: s(t) = Vi + jVD là tín hiệu liên tục OFDM ở băng tần cơ sở là chỉ số điều chế A là biên bộ sóng quang do Lazer LD1 phát ra

Phương trình (2.4) cho ta thấy phổ tần của tín hiệu liên tục OFDM được đưa lên một tần số trung tâm  L D / 2   do Lazer phát ra

2.6.2 Kỹ thuật tách sóng Coherrent

Kỹ thuật tách sóng coherent bao gồm hai loại chính: tách sóng heterodyne và tách sóng homodyne Trong tách sóng heterodyne, tín hiệu được xử lý để cải thiện độ chính xác và hiệu suất trong việc thu nhận thông tin.

Kỹ thuật OFDM ở băng gốc được nâng lên tần số trung tần f LO1 trong miền điện, sau đó tín hiệu này được điều chế trên sóng mang quang bằng bộ MZM Tại phía thu, tín hiệu quang OFDM được chuyển đổi về tín hiệu điện ở tần số trung tần f LO2, sau đó thực hiện việc tách các đường I/Q trong miền điện Trong phương pháp tách sóng homodyne, sóng mang quang được điều chế bằng hai bộ MZM riêng biệt cho hai phần I/Q của tín hiệu OFDM Tại phía thu, tín hiệu quang OFDM được tách thành hai phần I/Q ngay trong miền quang thông qua hai bộ thu cân bằng và một bộ ghép lai 90° Bộ thu RF OFDM xử lý tín hiệu ở băng gốc để phục hồi dữ liệu ban đầu, và bài viết này phân tích, mô phỏng kỹ thuật coherent homodyne.

Nguyên tắc tách sóng kết hợp kiểu homodyne được mô tả trong Hình 2.10, trong đó tách sóng coherent được thực hiện thông qua bộ ghép lai quang 90° với 6 cổng và 4 photo-detector, được sắp xếp thành hai bộ tách sóng cân bằng Mục tiêu của quá trình này là khôi phục các thành phần I/Q từ sóng quang tới và giảm thiểu hoặc loại bỏ nhiễu mode chung.

Bộ ghép lai quang có cấu trúc bao gồm 2 ngõ vào và 4 ngõ ra Hai ngõ vào nhận tín hiệu quang từ E s và tín hiệu quang do bộ giao động nội ELO tạo ra Bốn ngõ ra của bộ ghép tạo ra sự lệch pha 90° cho hai thành phần I/Q và 180° cho việc tách sóng cân bằng.

Tín hiệu ra tại 4 ngõ EI_4 có thể được biểu diễn bằng phương trình (2.5)

Thành phần I đƣợc tách ra nhờ bộ tách sóng cân bằng thứ nhất (PD1 và PD2) Dòng điện tương ứng của thành phần I

I t    I I E E (2.6) Thành phần Q đƣợc tách ra nhờ bộ tách sóng cân bằng thứ hai (PD3 và PD4) Dòng điện tương ứng của thành phần Q

Vậy dòng điện tổng cộng bao gồm thành phần I/Q tại ngõ ra

2.6.3 Tỉ lệ lỗi BER trong hệ thống thông tin quang kết hợp OFDM

Giả sử ta có hệ thống CO-OFDM lý tưởng, sử dụng phép điều chế QPSK, tỉ số bit lỗi BER được tính phương trình (2.9)

Với y là tỉ số tín hiệu trên nhiễu,

  lần lượt là phương sai tương ứng của tín hiệu thu được và phương sai của nhiễu

Giả sử laser tại đầu phát và đầu thu có độ rộng phổ gần như bằng 0, hệ thống sử dụng kỹ thuật tách sóng kết hợp sẽ gặp phải nhiễu chủ yếu từ đập phát xạ tự phát ASE do bộ khuếch đại quang EDFA gây ra, ảnh hưởng đến tỉ lệ lỗi bit (BER) và hệ số chất lượng.

Q, tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR (Optical Signal-to-Noise Ratio), và y của hệ thống CO-OFDM dùng phép điều chế QPSK trong điều kiện lý tưởng cho bởi

Trong đó B 0 là băng thông nhiễu ASE, R N f là tổng tốc độ truyền của hệ thống (băng thông tín hiệu OFDM).

Kết luận chương

Chương này trình bày cấu trúc và các ưu nhược điểm của hệ thống OFDM, đồng thời khám phá kỹ thuật OFDM trên kênh truyền quang Ngoài ra, nội dung cũng tập trung vào việc xây dựng và phân tích nguyên lý của hệ thống thông tin quang kết hợp.

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠNG FTTH THEO CHUẨN GPON VÀ ĐIỀU CHẾ OFDM