TỔNG QUAN VỀ MẠNG FTTx
Nguồn gốc sự ra đời của mạng FTTx
1.1.1 Nhu cầu thuê bao băng rộng
Ngày càng có nhiều dịch vụ truy cập băng rộng với băng thông lớn ra đời Bảng 1.1 minh họa nhu cầu băng thông của một số loại hình dịch vụ này.
Bảng 1 1 Yêu cầu băng thông đối với một số loại hình dịch vụ
HDTV (MPEG 4) 6 - 12 Mbps High speed internet 3 - 10 Mbps Video Conferencing 300 - 570 Kbps
Trước nhu cầu ngày càng cao của thị trường viễn thông Việt Nam, các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) đang nỗ lực cải thiện hạ tầng mạng của mình Trong bối cảnh này, có nhiều công nghệ truy cập mạng khác nhau được phát triển và áp dụng Dưới đây, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu một số công nghệ mạng truy cập đáng chú ý.
1.1.2 Các công nghệ truy nhập
Mạng viễn thông bao gồm ba thành phần chính: mạng lõi, mạng phía khách hàng và mạng truy nhập Trong đó, mạng truy nhập đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối tổng đài truy nhập dịch vụ với thiết bị của khách hàng Công nghệ trong mạng truy nhập được chia thành hai nhóm chính.
Các công nghệ hữu tuyến:
xDSL (Digital Subscriber Line): ADSL, HDSL, VDSL qua đường cáp đồng
FTTx: (FTTH, FTTB, FTTC, FTTN ) truy nhập băng rộng qua đường cáp quang
Truy nhập băng rộng qua đường điện (Broadband over Power Line – BPL hay Power Line Communications – PLC)
Các công nghệ truy nhập vô tuyến:
Truy nhập qua vệ tinh
Hệ thống truy nhập đa điểm nội hạt LMDS Local Multipoint Distribution System)
Khái niệm
FTTx (Fiber To The x) là kiến trúc mạng kéo sợi quang từ thiết bị chuyển mạch của nhà cung cấp dịch vụ đến thuê bao, với "x" đại diện cho các loại hình mạng như FTTH, FTTC, FTTB, FTTN Kiến trúc này có khả năng thay thế cơ sở hạ tầng cáp đồng hiện tại như dây điện thoại và cáp đồng trục, mang lại băng thông lớn hơn cho người dùng Công nghệ cáp quang hiện nay có thể cung cấp đường truyền cân bằng lên tới 100 Mbps, cho thấy sự phát triển nhanh chóng và tiềm năng của FTTx trong việc nâng cao trải nghiệm kết nối Internet.
Công nghệ FTTH (Fiber-To-The-Home) đang được triển khai mạnh mẽ trên toàn cầu, cung cấp dịch vụ Internet tốc độ cao, điện thoại và truyền hình qua cáp quang trực tiếp đến từng hộ gia đình Với FTTH, tín hiệu được truyền dẫn hoàn toàn bằng cáp quang, đảm bảo chất lượng ổn định và độ bền cao, không bị suy hao do nhiễu điện từ hay thời tiết như ADSL Đặc biệt, FTTH có độ bảo mật vượt trội, gần như không thể bị đánh cắp tín hiệu, trong khi ADSL có nguy cơ cao hơn Công nghệ này cho phép tốc độ download lên đến 10 Gigabit/giây, nhanh gấp 200 lần so với ADSL 2+, với tốc độ tải lên và tải xuống cân bằng (đối xứng) FTTH rất hiệu quả cho các dịch vụ như Hosting Server, VPN, Game Online, IPTV, VoD, và Video Conference, nhờ băng thông cao, khả năng nâng cấp lên tới 1Gbps, và độ ổn định không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ.
Phân loại
1.3.1 Phân loại theo chiều dài cáp quang
Một cách tổng quan ta có thể nhìn thấy rõ sự phân loại hệ thống mạng FTTx thông qua Hình 1.1
Trong lĩnh vực kết nối internet, các loại hình như FTTH, FTTB, FTTU và FTTE được phân biệt dựa trên chiều dài cáp quang từ thiết bị đầu cuối của nhà cung cấp dịch vụ (OLT) đến người dùng Nếu toàn bộ đoạn cáp quang từ OLT đến ONU (thiết bị đầu cuối phía người dùng) là cáp quang, thì hệ thống được gọi là FTTH hoặc FTTB.
FTTC (Fiber To The Curb) là công nghệ cáp quang cung cấp dịch vụ đến khu vực dân cư, trong đó từ ONU đến thuê bao sử dụng cáp đồng Thiết bị đầu cuối của người sử dụng được lắp đặt trong các cabin trên đường phố, trong khi dây nối tới các thuê bao vẫn là cáp đồng Mô hình FTTC cho phép chia sẻ chi phí của một ONU cho nhiều thuê bao, giúp giảm thiểu chi phí lắp đặt ban đầu.
FTTB (Fiber To The Building): giống như FTTH nhưng ở đây là kéo đến các tòa nhà cao tầng
FTTH (Fiber To The Home): cáp quang chạy đến tận nhà thuê bao
Ngoài ra còn có một số loại hình khác như là FTTE (Fiber To The Exchange), FTTN (Fiber To The Node)…
Hình 1 1 Phân loại mạng FTTx theo chiều dài cáp quang a) FTTC – Fiber To The Curb
Hình 1 2 Mô hình triển khai FTTC
Trong cấu trúc FTTB, ONU được lắp đặt ở hầm cáp bên lề đường hoặc hộp phân phối dây DP, sử dụng cáp kim loại xoắn đôi từ ONU đến các thuê bao Điều này cho phép tận dụng mạng cáp kim loại có sẵn, với kết nối thuê bao qua công nghệ xDSL đạt tốc độ 8-25Mb trong khoảng cách dưới 1000m Mặc dù dung lượng thấp và chất lượng không cao, giải pháp này vẫn hỗ trợ các dịch vụ voice, internet và SDTV.
FTTB, một biến thể của FTTCab, khác biệt ở chỗ ONU được lắp đặt trong tòa nhà, thường là chung cư hoặc văn phòng Kết nối từ ONU đến các thuê bao sử dụng cáp kim loại xoắn đôi.
Kết cuối quang tại MDU (outdoor) hoặc SDU (indoor)
Tốc độ truyền dẫn tăng: 30-50Mb cho cáp đồng xoắn đôi 100-200m và 100Mb cho cáp đồng trục chiều dài 100m
Hỗ trợ đa dịch vụ voice, data, fax, HDTV c) FTTH – Fiber To The Home
Hình 1 4 Mô hình triển khai FTTH Hình 1 3 Mô hình triển khai FTTB
FTTH (Fiber to the Home) là giải pháp tối ưu cho mạng truy nhập, kết nối trực tiếp từ tổng đài đến nhà thuê bao bằng cáp quang Giải pháp này cung cấp đa dạng dịch vụ như thoại, dữ liệu, video, triple play và các dịch vụ mở rộng khác Tốc độ mạng có thể đạt từ vài chục Mbps đến Gbps, tùy thuộc vào tỷ lệ chia công suất trên mạng truyền dẫn.
1.3.2 Phân loại theo cấu hình
Cấu hình Point to Point (P2P) là một kết nối trực tiếp từ nhà cung cấp dịch vụ đến từng khách hàng, với mỗi sợi quang chỉ phục vụ một khách hàng duy nhất Nhờ vào việc sử dụng sợi quang riêng biệt, mạng P2P có cấu trúc đơn giản và tốc độ truyền dữ liệu cao do băng thông không bị chia sẻ Hệ thống này cũng đảm bảo an toàn trong quá trình truyền dẫn, vì dữ liệu chỉ được truyền trên một đường truyền vật lý duy nhất mà không bị ảnh hưởng bởi các khách hàng khác Tuy nhiên, nhược điểm lớn của cấu hình này là chi phí đầu tư cao cho mỗi khách hàng, dẫn đến sự cồng kềnh của hệ thống và khó khăn trong việc vận hành và bảo trì khi số lượng khách hàng tăng lên.
Cấu hình Point to Multipoint (P2MP) cho phép kết nối từ nhà cung cấp dịch vụ đến nhiều khách hàng thông qua bộ chia splitter Trong hệ thống này, mỗi đường quang từ nhà cung cấp được chia sẻ cho một nhóm khách hàng gần nhau về mặt địa lý Đường quang chung này sẽ được tách thành các đường quang riêng biệt đến từng khách hàng, giúp giảm chi phí lắp đặt cáp quang và hạn chế sự cồng kềnh khi hệ thống phát triển.
1.4 Ƣu và nhƣợc điểm mạng FTTx
Công nghệ FTTx sử dụng cáp quang nên nó có rất nhiều ƣu điểm của hệ thống quang nói chung
Cáp sợi quang có dung lượng lớn, cho phép truyền tải một lượng thông tin khổng lồ Hiện nay, hai sợi quang có thể đồng thời truyền 60.000 cuộc đàm thoại Một cáp sợi quang với đường kính hơn 2 cm có khả năng chứa khoảng 200 sợi quang, từ đó nâng cao dung lượng đường truyền lên đến 6.000.000 cuộc đàm thoại So với các phương tiện truyền dẫn bằng dây thông thường, một cáp lớn với nhiều đôi dây chỉ có thể truyền 500 cuộc đàm thoại, trong khi cáp đồng trục hỗ trợ 10.000 cuộc đàm thoại và tuyến viba hay vệ tinh chỉ có thể mang 2.000 cuộc gọi đồng thời.
Cáp sợi quang được làm từ chất điện môi không chứa vật dẫn điện, cho phép cách điện hoàn toàn, thích hợp cho nhiều ứng dụng Loại cáp này giúp loại bỏ nhiễu từ các dòng điện ngầm và bảo vệ khỏi các sự cố điện như sét và các vấn đề khác trên đường dây thông tin.
Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao, khó bị đánh cắp qua các phương tiện điện thông thường như dẫn điện hay cảm ứng điện từ Hơn nữa, việc trích xuất thông tin từ tín hiệu quang cũng rất khó khăn Hệ thống quang có độ tin cậy cao và dễ bảo trì, nhờ vào việc không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng fading và có tuổi thọ lâu dài, do đó yêu cầu bảo dưỡng thấp hơn so với các hệ thống khác.
Hệ thống thông tin quang mang lại tính linh hoạt cao, phù hợp với nhiều loại thông tin như số liệu, thoại và video Chúng tương thích với các chuẩn kết nối phổ biến như RS.232, RS422, V.35, Ethernet, E1/T1, E2/T2, E3/T3, và SONET/SDH, cũng như hệ thống thoại 2/4 dây.
Hệ thống sợi quang được thiết kế linh hoạt cho phép mở rộng dễ dàng khi cần thiết Ví dụ, một hệ thống với tốc độ số liệu thấp như E1/T1 (2,048 Mbps/1,544 Mbps) có thể được nâng cấp thành hệ thống có tốc độ cao hơn chỉ bằng cách thay đổi các thiết bị điện tử.
Công nghệ hiện đại cho phép truyền tín hiệu qua cáp quang với khoảng cách lên đến 70 km mà không cần tái tạo, và có thể mở rộng tới 150 km khi sử dụng bộ khuếch đại laser.
Công nghệ FTTx, đặc biệt là FTTH, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với ADSL, với tốc độ tải xuống lên đến 10Gbps, nhanh gấp 200 lần so với ADSL 2+ FTTH cho phép tốc độ tải lên và tải xuống cân bằng, phục vụ hàng trăm máy tính cùng lúc, trong khi ADSL có tốc độ không cân bằng với tốc độ tải lên luôn thấp hơn Tốc độ Internet tối thiểu của FTTx được cam kết là ≥ 256 Kbps, cho thấy rõ những lợi ích vượt trội của công nghệ này so với ADSL, được thể hiện chi tiết trong Bảng 1.2.
Bảng 1 2 So sánh giữa FTTx và ADSL
Yếu tố so sánh ADSL FTTx
Môi trường truyền tín hiệu Cáp đồng Cáp quang Độ ổn định
Dễ bị suy hao do tín hiệu điện từ, thời tiết, chiều dài cáp…
Bảo mật Độ bảo mật thấp, dễ bị đánh cắp tín hiệu đường dây Độ bảo mật cao, không thể đánh cắp tín hiệu trên đường truyền
Upload Tốc độ tối đa là 20
Cho phép cân bằng : Upload = download Tốc độ tối đa là 10
Khả năng đáp ứng các dịch vụ băng rộng : Hosting server riêng, VPN hội nghị truyền hình
Không phù hợp vì tốc độ thấp
Rất phù hợp vì tốc độ rất cao và có thể tùy biến tốc độ
Mạng quang và công nghệ FTTx mang lại nhiều lợi ích nhưng cũng có những nhược điểm không thể bỏ qua Dù sợi quang có giá thành thấp, nhưng chi phí lắp đặt, bảo trì và thiết bị đầu cuối lại khá cao Điều này khiến hệ thống mạng FTTx không phải lúc nào cũng là lựa chọn tối ưu Đối với những ứng dụng thông thường như lướt web hay kiểm tra email, cáp đồng vẫn được ưa chuộng Do đó, cần đầu tư vào nghiên cứu để giảm chi phí Hơn nữa, mặc dù băng thông của cáp quang rất lớn, nhưng băng thông cho các dịch vụ game vẫn còn hạn chế.
1.5 Các dịch vụ của FTTx
Các dịch vụ của FTTx
FTTx là giải pháp tối ưu cho các ứng dụng Công nghệ thông tin hiện đại, bao gồm Hosting Server riêng, VPN (mạng riêng ảo), truyền dữ liệu, Game Online, IPTV (truyền hình tương tác), VoD (xem phim theo yêu cầu), hội nghị truyền hình Video Conference, và IP Camera.
FTTx là công nghệ truy nhập Internet tốc độ cao bằng cáp quang mới nhất trên thế giới với nhiều tiện ích vƣợt trội:
Tốc độ truy cập Internet đạt tới 10 Gigabit/giây, nhanh gấp 200 lần so với ADSL 2+ Chất lượng tín hiệu luôn ổn định, không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết hay chiều dài cáp.
An toàn cho thiết bị (không sợ sét đánh lan truyền trên đường dây) Nâng cấp băng thông dễ dàng mà không cần kéo cáp mới
Hình 1 5 Các dịch vụ của FTTx
IPTV là dịch vụ truyền hình sử dụng kết nối băng thông rộng qua giao thức Internet, và là một phần trong các dịch vụ Triple-play mà các nhà cung cấp viễn thông đang triển khai toàn cầu.
Triple-play là dịch vụ tích hợp ba trong một, bao gồm thoại, dữ liệu và video trên nền tảng IP, bắt nguồn từ hạ tầng truyền hình cáp Tại Việt Nam, IPTV đã trở nên phổ biến với người dùng Internet, với các nhà cung cấp như VNPT, FPT, SPT và VTC đã giới thiệu dịch vụ IPTV và VoD ra thị trường, mặc dù còn ở quy mô nhỏ Để sử dụng dịch vụ IPTV, người dùng có thể kết nối qua máy tính hoặc tivi thông thường kèm theo hộp set top box.
IPTV có 2 đặc điểm cơ bản là:
Dựa trên nền công nghệ IP
Phục vụ theo nhu cầu
IPTV nổi bật hơn so với hệ thống truyền hình cáp CATV hiện nay nhờ tính tương tác cao Trong khi CATV sử dụng phương thức truyền đơn hướng và phân chia tần số cố định, IPTV cho phép người dùng tự do lựa chọn chương trình qua mạng IP băng rộng Mạng CATV hiện tại chủ yếu sử dụng cáp đồng trục hoặc cáp quang lai (HFC), dẫn đến việc chiếm dụng băng tần rộng và phát sinh tạp âm từ modem cáp Ngược lại, IPTV mang đến sự đổi mới về tín hiệu và phương thức truyền tải nội dung, nâng cao chất lượng phục vụ với khả năng tương tác và tính tức thời, tạo ra trải nghiệm truyền hình tốt hơn cho người dùng.
KỸ THUẬT TRIỂN KHAI MẠNG FTTx
Công nghệ mạng quang thụ động PON
2.1.1 Tổng quan về công nghệ PON
PON, viết tắt của Passive Optical Network, là công nghệ mạng quang thụ động Mạng quang thụ động PON cải thiện kết nối giữa các nút mạng truy cập của nhà cung cấp dịch vụ và người dùng, mang lại hiệu quả cao trong việc truy cập internet.
Mạng quang thụ động PON sử dụng các phần tử chia quang thụ động trong mạng phân bố giữa thiết bị OLT và ONU Các thành phần thụ động trong PON, bao gồm sợi quang, bộ tách/ghép quang thụ động, đầu nối và mối hàn quang, đều nằm trong mạng quang ngoại vi.
Mạng quang thụ động (PON) bao gồm OLT và các ONU, nằm ở đầu cuối của hệ thống Tín hiệu trong PON có thể được phân chia và truyền qua nhiều sợi quang hoặc kết hợp lại để truyền trên một sợi quang duy nhất, tùy thuộc vào hướng di chuyển của tín hiệu trong mạng.
Mạng quang thụ động (PON) được thiết kế để giảm thiểu số lượng thiết bị thu phát và sợi quang trong mạng FTTx PON hoạt động theo cấu trúc điểm tới đa điểm, với thiết bị đầu cuối kênh quang tại trạm trung tâm của nhà cung cấp dịch vụ và các bộ kết cuối mạng cáp quang ONU/ONT gần hoặc tại nhà thuê bao Hệ thống phân phối mạng quang ODN bao gồm cáp quang và các thiết bị tách ghép thụ động, tạo nên sự kết nối hiệu quả giữa các thành phần trong mạng.
2.1.2 Đặc điểm của PON Đặc trƣng của hệ thống PON là thiết bị thụ động phân phối sợi quang đến từng nhà thuê bao sử dụng bộ chia có thể lên tới 1:128
PON hỗ trợ giao thức ATM, Ethernet
PON hỗ trợ các dịch vụ thoại, dữ liệu và hình ảnh với tốc độ cao và khả năng cung cấp băng thông rộng
Công nghệ này có thể đảm bảo đƣợc mục tiêu > 100 Mbps/1 khách hàng và là công nghệ có băng thông cung cấp đến khách hàng lớn nhất hiện nay
Công nghệ PON hiện đang đƣợc tiếp tục phát triển với khả năng cung cấp băng thông đường truyền lên tới 40 Mbps và 100Mbps với WDM PON
Trong hệ thống PON, băng thông được chia sẻ giữa nhiều khách hàng, giúp giảm chi phí sử dụng Công nghệ WDM, ghép kênh phân chia theo dải tần, TDMA và băng thông động giúp giảm thiểu số lượng cáp quang cần thiết giữa OLT và bộ chia Với mạng truy nhập điểm-đa điểm, mỗi CO có khả năng cung cấp mạng cho nhiều thuê bao, với các cấu hình phổ biến như cây, vòng ring, và cây và nhánh đều phù hợp cho mạng truy nhập.
2.1.3 Thành phần cơ bản của mạng quang thụ động PON
Hình 2.2 cho ta thấy đƣợc mô hình cấu trúc hệ thống mạng quang thụ động
PON a Sợi quang và cáp quang
Sợi quang là thành phần thiết yếu trong mạng, đóng vai trò kết nối các thiết bị Hình 2.3 minh họa cấu tạo của sợi quang.
Hai thông số chính của sợi quang là suy hao và tán sắc Tuy nhiên, trong mạng PON, chỉ cần chú ý đến suy hao vì khoảng cách truyền tối đa chỉ là 20km, trong khi tán sắc có ảnh hưởng không đáng kể Do đó, sợi quang được sử dụng cần có suy hao nhỏ để đảm bảo hiệu suất truyền dẫn.
Hình 2 2 Mô hình hệ thống mạng PON
Hình 2 3 Cấu tạo của sợi quang dụng sợi quang theo chuẩn G.652 b Đầu cuối đường quang OLT (Optical line terminal)
OLT cung cấp giao diện quang cho mạng phối quang ODN và ít nhất một giao diện quang cho mạng truy nhập quang OLT có thể được lắp đặt trong tổng đài hoặc tại các trạm từ xa.
OLT điều khiển luồng thông tin hai chiều qua ODN, với khả năng truyền xa lên đến 20km Trong luồng xuống, OLT phát sóng toàn bộ thông tin đến các ONU thông qua phương thức ghép kênh TDM, trong khi luồng lên diễn ra theo cách riêng.
Chức năng chính của OLT là điều khiển lưu lượng người dùng và phân băng thông động đến các ONT, với khả năng hỗ trợ lên đến 32 ONT sử dụng chung một bước sóng qua một đường sợi quang Để tránh xung đột lưu lượng giữa các ONT, một loại truyền đồng bộ được áp dụng Tuy nhiên, phương pháp này không tối ưu cho việc sử dụng băng thông do nhiều khe thời gian có thể bị bỏ trống khi một số người dùng không có dữ liệu để gửi Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng tiến trình cấp phát băng thông động (DBA), giúp tối ưu hóa việc sử dụng khe thời gian hiệu quả hơn.
Sơ đồ khối chức năng của OLT đƣợc mô tả ở Hình 2.4
OLT quản lý toàn bộ hoạt động của PON, kết nối ONU và OLT để cung cấp dịch vụ truyền dẫn mượt mà giữa UNI và SNI qua PON OLT được chia thành ba phần chính: phần lõi, phần dịch vụ và phần chung.
Phần lõi OLT bao gồm các chức năng sau đây:
Hình 2 4 Các khối chức năng của OLT
Chức năng kết nối chéo đƣợc số hóa cung cấp các kết nối giữa phần mạng lõi/metro với phần mạng phối quang ODN
Chức năng ghép kênh truyền dẫn kết nối VP với cổng dịch vụ SPF và giao diện ODN, cho phép gán các VP vào các dịch vụ khác nhau tại giao diện PON Thông tin như báo hiệu và OAM được trao đổi qua các VC trong VP.
Chức năng ghép kênh truyền dẫn trong mạng phối quang ODN cho phép truyền và ghép các kênh dữ liệu hiệu quả Cụ thể, khi dữ liệu di chuyển từ mạng lõi/metro đến mạng phối quang ODN, nhiệm vụ của nó là truyền tải thông tin Ngược lại, khi dữ liệu từ mạng phối quang ODN cần gửi đến mạng lõi/metro, nó phải được ghép kênh trước khi thực hiện việc truyền.
Chức năng giao diện ODN tạo ra môi trường truyền dẫn quang kết nối OLT với nhiều ONU thông qua thiết bị thụ động Nó đảm nhiệm việc chuyển đổi giữa tín hiệu quang và điện Để thực hiện cơ chế chuyển mạch bảo vệ và hỗ trợ xử lý thiết bị thụ động, OLT được trang bị các chức năng giao diện ODN tương tự như phần mạng phối quang ODN.
TRIỂN KHAI MẠNG FTTX THEO CHUẨN GPON
Các đặc tính cơ bản của GPON
GPON (Gigabit Passive Optical Network) hướng tới tốc độ truyền dẫn từ 1,2 Gbps trở lên, với 7 dạng tốc độ bit được định nghĩa như sau: Đường lên/xuống có thể đạt 155 Mbps/1,2 Gbps, 622 Mbps/1,2 Gbps, 1,2 Gbps/1,2 Gbps, 155 Mbps/2,5 Gbps, 622 Mbps/2,5 Gbps, 1,2 Gbps/2,5 Gbps và 2,5 Gbps/2,5 Gbps.
Khoảng cách logic: là khoảng cách lớn nhất giữa ONU/ONT và OLT ngoại trừ khoảng vật lý Trong mạng GPON, khoảng cách logic lớn nhất là 60 km
Khoảng cách vật lý: là khoảng cách vật lý lớn nhất giữa ONU/ONT và OLT
Trong mạng GPON, khoảng cách vật lý có hai tùy chọn là 10 km và 20 km Khi tốc độ truyền tối đa đạt 1.25 Gbit/s, khoảng cách vật lý tối ưu sẽ là 10 km.
3.1.3 Tỉ lệ chia Đối với nhà khai thác mạng thì tỉ lệ chia càng lớn càng tốt Tuy nhiên tỉ lệ chia lớn thì đòi hỏi công suất quang phát cao hơn để hỗ trợ khoảng cách vật lý lớn hơn Tỉ lệ chia 1:64 là tỉ lệ lý tưởng cho lớp vật lý với công nghệ hiện nay Tuy nhiên trong các bước phát triển tiếp theo thì tỉ lệ 1:128 có thể được sử dụng.
Cấu trúc phân lớp của mạng quang GPON
Cấu trúc phân lớp của mạng GPON bao gồm hai lớp chính: Lớp phụ thuộc phương tiện vật lý (PMD) và Lớp hội tụ truyền dẫn (TC) Trong lớp hội tụ truyền dẫn, có hai phân lớp: Phân lớp tuỳ thích hội tụ truyền dẫn (TC adaption sub-layer) và Phân lớp đóng khung (GTC framing sub-layer).
Hình 3 1 Cấu trúc phân lớp mạng GPON
3.2.1 Lớp phụ thuộc phương tiện vật lý PMD
Lớp phụ thuộc phương tiện vật lý (Physical Media Dependence) quản lý thông tin liên quan đến tốc độ tín hiệu, phương tiện vật lý, phương thức truyền, mã hóa đường dây và bước sóng hoạt động.
Tốc độ đường truyền là các tốc độ bội số của 8 kHz Hệ thống được chuẩn hóa sẽ có các tốc độ (đường xuống/đường lên) như sau:
Các thông số này tương ứng với các chỉ số trong mạng quang nhằm đạt được tỉ lệ lỗi bit (BER) lớn hơn hoặc bằng trong điều kiện suy hao và tán sắc đường truyền tối đa, chịu ảnh hưởng từ môi trường và yếu tố thời gian Phương tiện vật lý và phương thức truyền cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất mạng.
Tín hiệu được truyền tải theo cả hai hướng thông qua các phương tiện truyền dẫn Việc truyền dẫn song hướng có thể thực hiện bằng cách sử dụng ghép kênh theo bước sóng WDM trên một sợi quang, hoặc thông qua truyền đơn hướng trên hai sợi quang khác nhau.
Tốc độ đường xuống: Tốc độ bit tín hiệu từ OLT tới ONU là 1244.16 hoặc
Tốc độ tối đa của OLT và đầu xa đạt 2488.32 Mbit/s khi hoạt động ở tốc độ danh định, được giám sát bởi đồng hồ lớp 1 với độ chính xác 1 × 10^11 Trong chế độ tự do, tốc độ tín hiệu đường xuống của đầu xa được theo dõi bởi đồng hồ lớp 3 với độ chính xác 4.6 × 10^6, trong khi OLT cũng sử dụng đồng hồ lớp 3 với độ chính xác 3.2 × 10^5 để theo dõi tốc độ tín hiệu đường xuống.
Tốc độ đường lên: Tốc độ bit tín hiệu từ ONU tới OLT là 155.52, 622.08,
ONU có khả năng phát tín hiệu với tốc độ 1244.16 hoặc 2488.32 Mbit/s khi đang hoạt động và được cấp quyền Độ chính xác của tín hiệu phát ra tương đương với độ chính xác của tín hiệu thu được ở đường xuống Tuy nhiên, ONU sẽ không phát tín hiệu khi không ở trạng thái hoạt động hoặc không được cấp quyền.
Mã hóa đường lên và đường xuống sử dụng mã NRZ, trong khi phương thức ngẫu nhiên hóa không được định nghĩa trong lớp phụ thuộc vật lý Quy định mức logic quang xác định rằng bit 1 được phát với mức cao và bit 0 được phát với mức thấp.
Dải bước sóng hoạt động cho đường xuống trong hệ thống sử dụng một sợi quang là từ 1480 đến 1500 nm, trong khi dải bước sóng cho đường xuống trong hệ thống sử dụng hai sợi quang là từ 1260 đến 1360 nm Đối với đường lên, dải bước sóng hoạt động cũng nằm trong khoảng 1260 đến 1360 nm.
3.2.2 Lớp hội tụ truyền dẫn GTC
Lớp GTC được chia thành hai phân lớp chính: phân lớp đóng khung GTC và phân lớp tương tích hội tụ truyền dẫn.
Hình 3.2 , phần ATM, GEM, OAM và PLOAM trong phân lớp đóng khung GTC đƣợc phân biệt theo vị trí trong một khung tín hiệu GTC
Phần OAM chứa thông tin vận hành, quản lý và bảo dưỡng, được kết nối với phân lớp GTC để lấy thông tin điều khiển Thông tin này được gắn trực tiếp vào tiêu đề của khung GTC Đối với lớp vật lý PLOAM (Physical layer Operation Administration and Maintenance), thông tin này được xử lý tại khối PLOAM, với các gói tin dịch vụ SDU (Service Data Unit) trong phần ATM.
GEM được chuyển đổi từ gói tin giao thức PDU của phần ATM và GEM tại mỗi phân lớp thích ứng hội tụ tương ứng Các PDU này cũng bao gồm dữ liệu kênh OMCI, được xem xét tại phân lớp hội tụ và trao đổi với thực thể giao diện điều khiển và quản lý ONU (OMCI-ONU Management and Control Interface).
Hình 3 2 Ngăn xếp giao thức hệ thống GTC
Khối điều khiển cấp phát băng tần động (DBA control) là khối chức năng chung, có trách nhiệm cấp phát băng tần động cho toàn bộ các ONU
Trong lớp hội tụ GTC, OLT và ONU không cần hỗ trợ cả hai chế độ giao thức ATM và GEM Khi cài đặt hệ thống, ONU sẽ thông báo chế độ làm việc thông qua bản tin Serial_Number Nếu OLT hỗ trợ chế độ mà ONU cung cấp, kênh giao diện điều khiển và quản lý ONU (OMCI) sẽ được thiết lập và ONU sẽ xuất hiện trong mạng Ngược lại, nếu OLT không hỗ trợ chế độ của ONU, thiết bị sẽ bị xếp vào hàng đợi và thông báo không tương thích với hệ thống hiện tại.
OAM và PLOAM: quản lý các chức năng phụ thuộc phương tiện vật lý PMD và các lớp GTC
OMCI cung cấp hệ thống quản lý đồng bộ cho các lớp dịch vụ cao hơn Kênh PLOAM chứa thông tin được phân bổ riêng trong khung GTC, và được sử dụng để truyền tải tất cả thông tin quản lý GTC cũng như các thông tin PMD khác không được gửi qua kênh OAM.
Kênh OMCI được sử dụng để quản lý các lớp dịch vụ trên lớp GTC, cung cấp hai lựa chọn giao diện truyền tải cho lưu lượng quản lý là ATM và GEM Chức năng GTC cho phép cấu hình các kênh tùy chọn này, đảm bảo phù hợp với khả năng của thiết bị, bao gồm việc nhận dạng luồng giao thức truyền tải như VPI/VCI hoặc Port-ID.
Cấp phát băng tần động DBA
Trong cơ chế cấp phát băng tần động, các gói tin GEM với độ dài thay đổi sẽ được chuẩn hóa thành các khối có độ dài cố định.
3.3.1 Yêu cầu cấp phát băng tần động
Các chức năng DBA đƣợc thực hiện đối với mọi loại T-CONT Các chức năng này đƣợc phân loại thành các phần sau:
Phát hiện trạng thái tắc nghẽn do OLT và/hoặc ONU thực hiện
Báo cáo trạng thái tắc nghẽn tới OLT
Cập nhật băng tần đã cấp phát bởi OLT theo các tham số được cung cấp
OLT thực hiện cấp quyền theo băng tần đã được cập nhật
Quản lý đối với hoạt động DBA
Hoạt động DBA bao gồm hai chế độ chính: DBA báo cáo trạng thái (SR-DBA) và DBA không báo cáo trạng thái (NSR-DBA) trong từng T-CONT Chức năng báo cáo DBA là tùy chọn cho ONU Bảng 3.1 minh họa các chế độ hoạt động của hệ thống DBA trong các trạng thái khác nhau.
Bảng 3 1 Các chế độ hoạt động DBA
Các OLT cần hỗ trợ cả chế độ DBA OLT SR-DBA và NSR-DBA, đảm bảo rằng tất cả các ONU có thể hoạt động với các mức độ khác nhau của chức năng DBA Các chế độ này được xác định dựa trên tình huống dịch vụ và khả năng của ONU, như được thể hiện trong bảng dưới đây.
SR-DBA là cơ chế báo cáo tắc nghẽn của T-CONT, trong đó khi một T-CONT gửi dữ liệu từ ONU tới OLT, số lượng tế bào hay gói tin trong bộ đệm T-CONT được thiết lập trong báo cáo băng tần đường lên DBRu OLT có thể từ chối cho phép truyền dữ liệu cho T-CONT bằng cách cấp thời gian cho báo cáo DBRu Tuy nhiên, OLT có thể nhận báo cáo mà không áp dụng cho việc cập nhật băng tần Nếu T-CONT không thể báo cáo số tế bào hay gói tin trong bộ đệm, nó sẽ gửi mã số không có giá trị trong trường DBA Việc truyền trường tin DBA trong DBRu là bắt buộc nếu OLT yêu cầu, vì thiếu trường DBA sẽ khiến dữ liệu đường lên không được nhận ra Hình 3.7 tổng kết các hoạt động DBA.
NSR-DBA là một chế độ hoạt động của OLT, cho phép nhận dạng trạng thái tắc nghẽn của từng T-CONT thông qua việc giám sát dòng lưu lượng Trong chế độ này, trường DBA trong DBRu không được gửi đi vì OLT không yêu cầu Tuy nhiên, trong trường hợp ngoại lệ khi OLT yêu cầu DBRu, ONU vẫn phải gửi bản tin này, mặc dù OLT sẽ bỏ qua nội dung thông tin.
3.3.3 Quản lý hoạt động DBA Để hoạt động cơ chế DBA có một số thông số cần đƣợc cung cấp và thỏa
Hoạt động của SR-DBA được hỗ trợ bởi các chức năng quản lý, trong đó OLT và ONU thỏa thuận về chế độ hoạt động DBA và phản hồi phù hợp với yêu cầu của cả hai bên Tất cả các thông số DBA sẽ được cung cấp và thống nhất thông qua giao diện điều khiển quản lý ONU của GPON (GPON OMCI).
Bảo vệ đối với phần mạng quang thụ động GPON
Kiến trúc bảo vệ trong mạng GPON là yếu tố quan trọng để nâng cao độ tin cậy cho mạng truy cập Việc triển khai mạng bảo vệ nên được xem xét như một lựa chọn, tùy thuộc vào tình hình kinh tế của từng nhà khai thác mạng.
Có hai loại chuyển mạch bảo vệ tương tự với chuyển mạch bảo vệ trong hệ thống SDH:
Chuyển mạch tự động được kích hoạt khi phát hiện các lỗi như mất tín hiệu, mất khung, hoặc giảm tín hiệu, đặc biệt khi tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp hơn mức ngưỡng quy định.
Chuyển mạch bắt buộc được kích hoạt trong quá trình quản trị mạng như định tuyến lại tuyến quang, thay thế sợi quang
Hình 3 4 Mô hình hệ thống bảo vệ kép
Hình 3.4 Mô hình hệ thống bảo vệ kép mô tả mô hình hệ thống bảo vệ kép cho mạng truy nhập
Trong mạng GPON, việc bảo vệ được thực hiện giữa giao diện ODN của OLT và giao diện ODN của ONU qua mạng ODN, không bao gồm giao diện SNI trong OLT.
Các yêu cầu đối với chuyển mạch bảo vệ:
Chức năng chuyển mạch bảo vệ nên là chức năng tùy chọn Trong hệ thống
GPON có thể có cả hai loại chuyển mạch bảo vệ trên
Chức năng OAM đóng vai trò quan trọng trong cơ chế chuyển mạch, yêu cầu thông tin OAM được lưu trữ trong khung OAM Để đảm bảo tính liên tục, mọi kết nối giữa nút dịch vụ và thiết bị đầu cuối cần được duy trì sau quá trình chuyển mạch.
Để triển khai dịch vụ POTS, thời gian mất khung phải nhỏ hơn 120 ms Nếu thời gian này dài hơn, dịch vụ sẽ tự động cắt kết nối và yêu cầu thiết lập lại cuộc gọi sau khi chuyển mạch bảo vệ Do GPON hỗ trợ các dịch vụ như POTS và ISDN, thời gian ngắt kết nối cần được xem xét kỹ lưỡng.
Bảo mật
Trong hệ thống PON, dữ liệu được truyền theo hướng xuống dưới dạng broadcast đến tất cả các ONU, nhưng mỗi ONU chỉ có quyền truy cập dữ liệu riêng của mình Hệ thống bảo mật PON được thiết kế để ngăn chặn việc một người dùng giả mạo ONU của người khác nhằm truy cập trái phép vào dữ liệu Tương tự như các mạng khác, GPON áp dụng các thủ tục mã hóa để bảo vệ tín hiệu khỏi việc nghe trộm không mong muốn.
Trong mạng PON, mỗi ONU không thể thấy lưu lượng hướng lên của các ONU khác, giúp đơn giản hóa quy trình mã hóa Chỉ cần mã hóa dữ liệu hướng xuống và cho phép dữ liệu hướng lên truyền khóa mã hóa GPON áp dụng tiêu chuẩn mã hóa AES (Advanced Encryption Standard) với khối dữ liệu 16 byte (128 bit) và sử dụng chế độ đếm Tại OLT, khối mã giả ngẫu nhiên 16 byte được phát ra và XOR với dữ liệu đầu vào để tạo ra dữ liệu mã hóa Tại ONU, dữ liệu mã hóa này được XOR với chuỗi giả ngẫu nhiên 16 byte tương tự để khôi phục dữ liệu ban đầu Đối với ATM, chỉ 48 byte được mã hóa, trong khi với GEM, chỉ phần tải GEM được mã hóa.
OLT bắt đầu quá trình trao đổi khóa bằng cách gửi thông điệp đến ONU qua kênh PLOAM Tiếp theo, ONU sẽ tạo ra khóa và gửi lại cho OLT.