TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG (PON)
Mở đầu
Mạng viễn thông bao gồm ba phần chính: mạng đường trục, mạng phía khách hàng và mạng truy nhập Gần đây, mạng đường trục đã phát triển mạnh mẽ nhờ công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM) Đồng thời, mạng nội hạt (LAN) đã được nâng cấp từ tốc độ 10 Mb/s lên 1 Gb/s, với sự xuất hiện của sản phẩm Ethernet 10 Gb/s 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 hệ thống viễn thông Bùng nổ lưu lượng Internet gần đây càng làm trầm trọng thêm vấn đề này, với lưu lượng dữ liệu tăng 100% mỗi năm kể từ năm trước.
Từ năm 1990, sự kết hợp giữa yếu tố kinh tế và công nghệ đã dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ, với tốc độ tăng trưởng đạt 1000% trong năm 1995 và 1996 Xu hướng này dự kiến sẽ tiếp tục, khi ngày càng nhiều người sử dụng internet và thời gian trực tuyến của họ cũng gia tăng, dẫn đến nhu cầu băng thông ngày càng cao Nghiên cứu cho thấy, sau khi nâng cấp lên công nghệ băng rộng, thời gian trực tuyến của người dùng đã tăng 35% Mặc dù lưu lượng thoại cũng tăng, nhưng chỉ khoảng 8% mỗi năm, trong khi lưu lượng dữ liệu đã vượt xa lưu lượng thoại Sự gia tăng băng thông sẽ thúc đẩy việc triển khai nhiều dịch vụ và ứng dụng mới, do đó, các công nghệ mới đã được phát triển để đáp ứng nhu cầu về băng tần.
Hiện nay, dịch vụ Internet được cung cấp qua công nghệ DSL, sử dụng dây điện thoại và yêu cầu modem DSL tại thuê bao cùng với DSLAM tại tổng đài Tốc độ dữ liệu của DSL dao động từ 128 b/s đến 1,5 Mb/s, mặc dù đã cải thiện so với modem tương tự, nhưng vẫn không đủ nhanh để được coi là băng rộng, đặc biệt là không cung cấp 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 này bằng cách lắp đặt thêm DSLAM gần thuê bao là không khả thi do chi phí cao.
Một giải pháp thay thế cho việc cung cấp Internet là sử dụng cáp modem, khi các công ty cáp TV triển khai dịch vụ Internet qua mạng cáp đồng trục, vốn ban đầu được thiết kế cho tín hiệu video 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 khác Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình này là thông lượng hiệu dụng của các nút quang chỉ đạt tối đa 36 Mb/s, dẫn đến tốc độ Internet thường thấp vào giờ cao điểm.
Công nghệ ADSL và cáp modem không đáp ứng được yêu cầu băng thông cho mạng truy nhập, dẫn đến sự chuyển mình của các nhà công nghệ mạng sang giải pháp mới Trong bối cảnh này, công nghệ PON nổi lên như một giải pháp tối ưu cho mạng truy nhập băng rộng, hứa hẹn giải quyết các vấn đề tắc nghẽn băng thông trong kiến trúc mạng viễn thông, kết nối 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.
Mạng PON không sử dụng bất kỳ phần tử tích cực nào và không cần chuyển đổi điện - quang, mà chỉ bao gồm sợi quang, bộ chia, bộ kết hợp, bộ ghép định hướng, thấu kính và bộ lọc Điều này mang lại cho PON nhiều ưu điểm, như không cần nguồn điện cung cấp, do đó không bị ảnh hưởng bởi lỗi nguồn, có độ tin cậy cao và không cần bảo trì thường xuyên 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 thêm các ONU theo nhu cầu dịch vụ, trong khi việc thiết lập nút mạng tích cực phức tạp hơn do yêu cầu cấp nguồn và sử dụng bộ phát lại tại mỗi nút.
Mạng PON có khả năng hoạt động với chế độ không đối xứng, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ OC-12 (622 Mbits/s) ở đường xuống và OC-3 (155 Mbits/s) ở đường lên Điều này giúp giảm chi phí cho các ONU nhờ vào việc sử dụng các bộ thu phát có giá thành thấp hơn.
PON có khả năng chống lỗi vượt trội hơn so với SONET/SDH, nhờ vào việc các nút trong mạng PON được đặt bên ngoài mạng chính Điều này giúp giảm thiểu ảnh hưởng của tổn hao năng lượng tại các nút, đảm bảo rằng một nút mất năng lượng không làm gián đoạn toàn bộ mạng Tính năng này đặc biệt quan trọng trong mạng truy cập, vì các nhà cung cấp không thể đảm bảo nguồn năng lượng dự phòng cho tất cả các đầu cuối ở xa.
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 Nó có thể được 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.
Kiến trúc của PON
Các phần tử thụ động trong mạng PON nằm trong mạng phân bố quang, bao gồm sợi quang, bộ tách/ghép quang thụ động, đầu nối và mối hàn quang Ngược lại, các phần tử tích cực như OLT và ONU được đặt ở đầu cuối của PON Tín hiệu trong PON có thể được phân chia và truyền qua nhiều sợi quang hoặc kết hợp và truyền 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 cho khu thương mại hoặc cấu hình bus cho khu trường sở.
Mô hình mạng quang thụ động với các phần tử của nó đƣợc biểu diễn nhƣ trong mô hình mạng quang thụ động
Hình 1.1 Mô hình mạng quang thụ động
Hình 1.2 Kiến trúc hình cây Hình 1.3 Kiến trúc vòng Ring
Hình 1.4 Kiến trúc bus và kiến trúc hình cây với một trung kế thừa
PON (Passive Optical Network) hoạt động như một mạng truy cập kết nối điểm - đa điểm, với 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 hình cây, cây và nhánh, vòng (ring) hoặc bus, như minh họa trong hình 1.2 về các kiểu kiến trúc của PON.
Bằng việc sử dụng bộ ghép 1:2 và bộ chia quang 1:N, PON có khả năng triển khai linh hoạt theo nhiều cấu hình khác nhau, bao gồm cả vòng ring kép, hình cây hoặc nhánh cây Tất cả các tuyến truyền dẫn trong PON được thực hiện giữa OLT và ONU, trong đó OLT đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và điều phối kết nối.
CO và kết nối mạng truy nhập quang với mạng đô thị (MAN) hay mạng diện rộng
(WAN), được biết đến như là những mạng đường trục ONU nằm tại vị trí đầu cuối người sử dụng (FTTH hay FTTB hoặc FTTC).
Các hệ thống PON đang đƣợc triển khai
Từ năm 1995, bảy nhà khai thác mạng hàng đầu toàn cầu đã thành lập nhóm FSAN (Full Service Access Network) nhằm thống nhất các tiêu chí cho mạng truy nhập băng rộng Hiện nay, số lượng thành viên của FSAN đã tăng lên đáng kể, vượt quá con số ban đầu.
FSAN, gồm nhiều hãng sản xuất thiết bị viễn thông lớn, đã phát triển tiêu chí cho mạng truy nhập PON sử dụng công nghệ ATM, gọi là APON Sau đó, APON được đổi tên thành BPON, biểu thị cho PON băng rộng, với khả năng cung cấp nhiều dịch vụ như Ethernet, Video, và kênh thuê riêng Năm 1997, FSAN đã đề xuất tiêu chuẩn BPON lên ITU-T và được thông qua, dẫn đến việc hình thành các tiêu chuẩn ITU G.983.X cho mạng BPON Hệ thống BPON hỗ trợ tốc độ không đối xứng 155 Mbps lên và 622 Mbps xuống, hoặc tốc độ đối xứng 622 Mbps, và đã được triển khai rộng rãi ở Bắc Mỹ, Nhật Bản và một phần Châu Âu.
Do cấu trúc của BPON hạn chế khả năng nâng cấp lên tốc độ cao hơn 622 Mbps và mạng PON dựa trên ATM không tối ưu cho lưu lượng IP, nhóm FSAN đã phát triển một hệ thống mạng PON mới từ năm 2001 với tốc độ 1Gbps, hỗ trợ cả lưu lượng ATM và IP Dựa trên các khuyến nghị của FSAN, từ năm 2003-2004, ITU-T đã chuẩn hóa một loạt tiêu chuẩn cho mạng PON Gigabit (GPON), bao gồm các tiêu chuẩn G.984.1, G.984.2 và G.984.3.
Chuẩn GPON hiện nay được xác định dựa trên các giao thức cơ bản của chuẩn SONET/SDH ITU, với thiết kế đơn giản và yêu cầu thủ tục tối thiểu Nhờ đó, hiệu suất băng thông của GPON có thể đạt trên 90%.
The advantages of GPON include its ability to deliver triple-play services, seamlessly supporting voice, data, and video in their original formats Additionally, it offers a variety of Ethernet services such as Quality of Service (QoS), Virtual Local Area Networks (VLAN), and Internet Group Management Protocol (IGMP).
RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) được hỗ trợ, mang lại hiệu suất và tốc độ truyền cao nhất GPON cung cấp tốc độ bit tối đa với tốc độ hướng xuống 2,488 Gbit/s và hướng lên 1,244 Gbit/s Công nghệ GPON mang lại độ rộng băng lớn chưa từng có, là giải pháp tối ưu cho các ứng dụng FTTH và FTTB.
Hiện tại và trong tương lai, công nghệ GPON là lựa chọn lý tưởng cho việc truyền thông Ethernet/IP, hỗ trợ truyền tải âm thanh và video qua PON thông qua giao thức SONET/SDH.
Năm 2001, IEEE đã 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 đặc tính của Ethernet truyền thống Trong giai đoạn này, nghiên cứu về Ethernet PON cũng được khởi xướng.
Ethernet PON (EPON) là một mạng dựa trên công nghệ PON, cho phép truyền tải dữ liệu gói trong các khung Ethernet theo tiêu chuẩn IEEE 802.3 EPON sử dụng mã đường truyền 8b/10B và đạt tốc độ hoạt động lên đến 1Gbps.
Công nghệ mạng quang thụ động Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network (WDM PON) đại diện cho thế hệ mới nhất trong mạng truy nhập quang, cung cấp băng thông lớn nhất WDM PON sử dụng bộ chia công suất quang thụ động và cho phép mỗi ONU nhận dữ liệu qua một bước sóng riêng biệt, mang lại tính bảo mật và linh hoạt cao hơn So với các công nghệ trước như TDMPON (bao gồm BPON, GPON và GEPON), WDM PON sử dụng ghép kênh trong miền thời gian cho hướng lên, cho phép truyền tải hiệu quả hơn Với những ưu điểm vượt trội, công nghệ WDM PON hứa hẹn sẽ là lựa chọn hàng đầu cho tương lai của mạng truy nhập quang PON.
Vào giữa những năm 90, công nghệ APON (ATM - PON) đã được sử dụng để truyền tải dữ liệu và âm thanh, trong khi BPON, với cấu trúc chuyển đổi ATM tại các đường biên mạng, ra đời sau đó Tuy nhiên, hiện nay, cả APON và BPON không còn được phát triển do chỉ hỗ trợ dịch vụ ATM và tốc độ truy cập thấp hơn nhiều so với các công nghệ hiện đại như GPON và EPON.
Các nghiên cứu hiện nay đang chú trọng vào công nghệ GPON và EPON/GEPON, vì đây là những công nghệ mới có tiềm năng triển khai rộng rãi trong mạng truy cập băng rộng nhờ vào những ưu điểm vượt trội so với các công nghệ khác.
GEPON cung cấp tốc độ truyền tối đa 1,25 Gbit/s, trong khi GPON cho phép đạt tới 2,448 Gbit/s, làm cho GPON trở thành lựa chọn ưu việt hơn Khi các nhà cung cấp dịch vụ ngày càng tìm cách tiết kiệm chi phí bằng cách tối ưu hóa băng thông, GEPON dần trở nên kém phổ biến Với hiệu suất chỉ từ 50% - 70%, băng thông của GEPON bị giới hạn trong khoảng 600Mbps đến 900Mbps, trong khi GPON có thể cung cấp băng thông lên đến 2300 Mbps, giúp các nhà cung cấp dịch vụ nâng cao hiệu quả truyền tải.
Hệ thống mạng GPON của Flexlight đạt hiệu suất mạng lên tới 93%, cho thấy chỉ 7% băng thông được sử dụng cho quy trình giao thức truyền thông, mang lại lợi ích lớn cho các nhà cung cấp dịch vụ So với APON, BPON và EPON, vốn tiêu tốn nhiều băng thông cho quy trình truyền thông, hiệu suất băng thông của GPON vượt trội hơn hẳn, với APON và BPON còn 70% và EPON chỉ còn 50% Được chuẩn hóa theo ITU - T G.984, GPON hỗ trợ nhiều định dạng như IP và TDM, là giải pháp công nghệ PON hiệu quả kinh tế cho cả dịch vụ gia đình và doanh nghiệp Với băng thông nâng cao từ 10 MHz lên 100 MHz cho truyền dữ liệu Internet, GPON đáp ứng tốt các yêu cầu cho nhiều dòng IPTV và hỗ trợ truyền thông cả SDTV và HDTV.
TeleVision), GPON đã thực sự đƣợc đánh giá là kinh tế hơn EPON
Tiêu chuẩn IEEE 803.2ah chỉ hỗ trợ hai lớp ODN, là lớp A và lớp B, trong khi ITU-GT.984.2 GPON GPM mở rộng khả năng với lớp C, cho phép mạng PON kéo dài tới 20 Km Điều này giúp phục vụ một số lượng lớn người dùng cuối, với khả năng kết nối lên đến 64 hoặc thậm chí 128 ONU/ONT.
Kết luận
Mạng PON là giải pháp lý tưởng cho việc triển khai dịch vụ băng rộng như thoại, dữ liệu và video giữa các đơn vị kết cuối (ONU) và thiết bị đầu cuối mạng (OLT) Khác với mạng quang tích cực AON, PON không cần bộ chuyển đổi quang điện tại mỗi nút, mà thay vào đó sử dụng bộ ghép và chia quang thụ động để quản lý lưu lượng quang Một mạng PON có khả năng tập trung lưu lượng từ 64 ONU đến một OLT, được thiết kế theo kiến trúc hình cây, bus hoặc vòng ring để đảm bảo tính ổn định và chống lỗi.
Giống nhƣ mạng SONET/SDH, PON là công nghệ truyền tải của lớp một
Hầu hết các vòng ring quang trong mạng viễn thông hiện nay đều sử dụng thiết bị truyền dẫn SONET/SDH, với các bộ phát lại tại mỗi nút Tuy nhiên, đây không phải là lựa chọn tối ưu cho mạng truy cập nội hạt Mạng PON giải quyết vấn đề băng thông và có chi phí lắp đặt thấp nhờ tận dụng sợi quang có sẵn PON cho phép dễ dàng thêm các ONU theo yêu cầu dịch vụ, trong khi việc thêm nút trong mạng tích cực phức tạp hơn do cần cấp nguồn và bộ phát lại Khác với mạng SONET/SDH đối xứng, PON có thể hoạt động không đối xứng, ví dụ như truyền dẫn OC-12 (622 Mbits/s) ở đường xuống và OC-3 (155 Mbits/s) ở đường lên, giúp giảm chi phí ONU nhờ sử dụng bộ thu phát giá thành thấp hơn.
Mạng PON có khả năng chống lỗi cao hơn so với SONET/SDH nhờ vào việc các nút mạng PON nằm ngoài mạng chính, giúp giảm thiểu tổn hao năng lượng giữa các nút Điều này không thể thực hiện được với mạng SONET/SDH do quá trình phát lại tại mỗi nút Việc một nút có thể mất năng lượng mà không làm gián đoạn toàn bộ mạng là yếu tố quan trọng trong mạng truy cập, đặc biệt khi các nhà cung cấp không thể đảm bảo năng lượng dự phòng cho tất cả các đầu cuối ở xa.
Công nghệ PON được xem là giải pháp hứa hẹn cho vấn đề tắc nghẽn băng thông trong mạng truy nhập, giúp triển khai dịch vụ băng rộng và tương tác Trong thời gian tới, PON sẽ phục vụ các công ty điện thoại, mạng cáp TV và nhà cung cấp dịch vụ mạng vô tuyến Với chi phí thấp, băng tần cao và khả năng chống lỗi, PON sẽ là lựa chọn tối ưu cho mạng thế hệ mới và mạng truy nhập băng rộng.
CÔNG NGHỆ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG GPON
Giới thiệu chung
GPON (Gigabit Passive Optical Network) được định nghĩa theo tiêu chuẩn ITU-T G.984, mở rộng từ BPON G.983 với băng thông cao hơn và hiệu suất tối ưu nhờ vào việc sử dụng gói lớn và tiêu chuẩn hóa quản lý Chuẩn GPON hỗ trợ nhiều lựa chọn tốc độ bit, với băng thông luồng xuống đạt 2,488 Mbit/s và luồng lên 1,244 Mbit/s Phương thức đóng gói GPON-GEM (GPON Encapsulation Method) cho phép quản lý lưu lượng người dùng hiệu quả, nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS) cho các ứng dụng nhạy cảm như truyền thoại và video GPON cung cấp tốc độ cao hơn, bảo mật tốt hơn và khả năng tương thích với các giao thức lớp 2 như ATM, GEM và Ethernet, mặc dù ATM chưa được sử dụng thực tế Điều này giúp GPON phân phối dịch vụ tới nhiều thuê bao hơn với chi phí thấp hơn và tăng cường khả năng tương thích giữa các nhà cung cấp thiết bị.
Tình hình chuẩn hóa GPON
Khả năng của kiến trúc sợi quang đến hộ gia đình FTTH đã được phát triển từ những năm 1990 bởi nhóm công tác FSAN, bao gồm các nhà cung cấp dịch vụ và hệ thống lớn Hiệp hội viễn thông quốc tế ITU đã tiếp tục chuẩn hóa các tiêu chuẩn mạng quang thụ động APON/BPON và GPON Chuẩn ITU-T G.983, dựa trên chế độ truyền tải không đồng bộ ATM, được xem như APON (ATM PON).
Sự phát triển của chuẩn APON và sự giảm dần sự ưa chuộng của ATM đã dẫn đến phiên bản đầy đủ của ITU-T G.983, được công nhận là chuẩn PON băng rộng (BPON) Mạng APON/BPON điển hình cung cấp tốc độ 622 Mbit/s cho luồng xuống và 155 Mbit/s cho luồng lên, mặc dù chuẩn này cho phép tốc độ cao hơn.
GPON đƣợc ITU-T chuẩn hóa theo chuẩn G.984 bắt đầu từ năm 2003, mở rộng từ chuẩn BPON G.983
Tiêu chuẩn ITU-T G.984.1 (03/2003) về G-PON cung cấp các giao diện mạng người dùng (UNI), giao diện nút dịch vụ (SNI) và nhiều dịch vụ khác Chuẩn này kế thừa từ hệ thống G.982 (APON) và G.983.x (BPON) thông qua việc xem xét lại các dịch vụ hỗ trợ, chính sách bảo mật và tốc độ bit danh định.
Tiêu chuẩn ITU-T G.984.2 (03/2003) về G-PON xác định các yêu cầu cho lớp vật lý và chi tiết kỹ thuật của lớp PMD Tiêu chuẩn này hỗ trợ các hệ thống với tốc độ tải xuống lên tới 1244.160 Mbit/s và 2488.320 Mbit/s, cùng với tốc độ tải lên 155.520 Mbit/s, 622.080 Mbit/s, 1244.160 Mbit/s và 2488.320 Mbit/s Nó cũng mô tả cả hệ thống GPON đối xứng và bất đối xứng.
ITU-T G.984.2 Adm 1 (02/2006): thêm phụ lục cho ITU-T G.984.2, các xác minh về khả năng chấp nhận giá thành sản xuất công nghiệp đối với hệ thống G- PON 2.488/1.244 Gbit/s
ITU-T G.984.3 (02/2004) "G-PON: TC layer specification" mô tả lớp hội tụ truyền dẫn (Transmission convergence - TC) cho mạng G-PON, bao gồm các yếu tố quan trọng như định dạng khung, phương thức điều khiển truy cập môi trường, phương thức ranging, cùng với các chức năng OAM và bảo mật.
ITU-T G.984.3 Adm1 (07/2005): cải tiến chỉ tiêu kỹ thuật lớp TC, sửa đổi hiệu chỉnh về từ ngữ G.984.3
ITU-T G.984.3 Adm2 (03/2006): thêm thông tin phần phụ lục ITU-T cho phần kỹ thuật và định dạng tín hiệu hướng xuống
ITU-T G.984.3 Adm3 (12/2006): sáng tỏ và cô đọng nội dung ITU-T G.984.3
ITU-T G.984.4 (06/2004) “G-PON: ONT management and control interface specification”: cung cấp chỉ tiêu kỹ thuật giao diện điều khiển (OMCI) và quản lý ONT các hệ thống GPON
ITU-T G.984.4 Adm1 (06/2005): sửa đổi bổ sung ITU-T G.984.4
ITU-T G.984.4 Adm2 (03/2006): sửa đổi bổ sung ITU-T G.984.4
ITU-T Adm3 (03/2006): làm rõ nghĩa cho phần G-OMCI, mô tả các mức cảnh báo, giới hạn tốc độ các cổng Ethernet, OMCI cho OMCI, vận chuyển lưu lƣợng pseudowire
Kiến trúc GPON
Hệ thống G-PON bao gồm OLT, ONU, bộ chia quang và các sợi quang Sợi quang kết nối từ OLT qua bộ chia quang, phân chia thành 64 sợi khác, và sau đó các sợi phân nhánh này được kết nối tới ONU.
Hình 2.1 Kiến trúc mạng GPON Thiết bị:
- OLT (Optical Line Terminal): thiết bị kết cuối cáp quang tích cực lắp đặt tại phía nhà cung cấp dịch vụ thường được đặt tại các đài trạm
ONT (Thiết bị mạng quang cuối) là thiết bị kết nối OLT qua mạng phân phối quang (ODN), được sử dụng để cung cấp kết nối quang đến nhà thuê bao trong mô hình FTTH (Fiber To The Home).
ONU (Đơn vị Mạng Quang) là thiết bị cuối mạng cáp quang tích cực, có nhiệm vụ kết nối với OLT qua mạng phân phối quang (ODN) Thiết bị này thường được sử dụng để kết nối đến các tòa nhà hoặc các vị trí như vỉa hè, cabin trong các mô hình FTTB, FTTC và FTTCab.
Bộ chia/ghép quang thụ động (Splitter) là thiết bị quan trọng dùng để chia và ghép tín hiệu quang từ nhà cung cấp dịch vụ đến khách hàng và ngược lại, nhằm tối ưu hóa hiệu quả 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 trong các nhà trạm viễn thông với tủ kiểu indoor, và loại thứ hai là thiết bị bọc kín có thể mở ra khi cần thiết, thường được lắp đặt tại các điểm măng xông.
- FDC - Fiber Distribution Cabinet: Tủ phối quang
- FDB - Fiber Distribution Box: Hộp phân phối quang loại nhỏ
2.3.1 Kết cuối đường quang OLT
OLT được kết nối với mạng chuyển mạch qua các giao diện tiêu chuẩn Tại phía phân tán, OLT cung cấp giao diện truy cập quang tương ứng với các tiêu chuẩn G-PON, bao gồm 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, giao diện mạng phân tán quang
Các khối OLT chính đƣợc mô tả trong hình sau:
Khối này bao gồm hai phần: 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.
Hình 2.2 Các khối chức năng của OLT + Service shell
Phần này hỗ trợ chuyển đổi giữa các giao diện dịch vụ và giao diện khung
Các khối chức năng của GPON ONU tương tự như OLT, nhưng ONU chỉ sử dụng một hoặc hai giao diện PON, dẫn đến việc loại bỏ chức năng kết nối chéo Thay vào đó, ONU hỗ trợ chức năng dịch vụ MUX và DMUX để xử lý lưu lượng Cấu hình điển hình của một ONU được mô tả trên hình 2-3, với mỗi PON TC lựa chọn chế độ hoạt động ATM, GEM hoặc Dual.
Hình 2.3 Các khối chức năng của ONU
2.3.3 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
GPON sử dụng bộ tách/ghép quang để chia tín hiệu quang từ một sợi thành nhiều sợi và ngược lại, giúp kết hợp các tín hiệu quang từ nhiều sợi thành tín hiệu trên một sợi duy nhất.
Bộ ghép quang đơn giản nhất bao gồm hai sợi quang được hàn dính vào nhau, cho phép tín hiệu nhận được ở bất kỳ đầu vào nào được chia thành hai phần ở đầu ra Tỷ lệ phân chia của bộ tách/ghép có thể được điều chỉnh bởi độ dài của mối hàn, và vì vậy, nó được xem là một tham số không đổi.
Các bộ tách/ghép NxN đƣợc chế tạo bằng cách ghép tầng nhiều bộ 2x2 với nhau nhƣ hình 2.4 hoặc sử dụng công nghệ ống dẫn sóng phẳng
Hình 2.4 Các bộ ghép 8x8 đƣợc tạo ra từ các bộ ghép 2x2 Các bộ tách/ghép đƣợc đặc trƣng bằng các tham số sau đây:
Suy hao chia là tỷ lệ giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào của bộ ghép, được tính theo đơn vị dB Đối với một bộ 2x2 lý tưởng, giá trị suy hao chia là 3 dB Hình 2.4 minh họa hai mô hình của bộ 8x8 dựa trên các bộ 2x2 Trong mô hình 4 tầng (Hình 2-4a), chỉ có 1/16 công suất đầu vào được phân phối đến từng đầu ra, trong khi Hình 2-4b thể hiện mô hình thiết kế hiệu quả hơn, với mỗi đầu ra nhận 1/8 công suất của đầu vào.
Suy hao ghép là mức công suất tổn hao trong quá trình sản xuất, thường dao động từ 0.1 dB đến 1 dB Điều hướng là công suất đo được ở đầu vào do sự dò từ một đầu vào khác, với các bộ tách/ghép có khả năng định hướng cao, tham số điều hướng thường nằm trong khoảng 40 đến 50 dB.
Các bộ tách/ghép thường chỉ có một đầu vào hoặc một đầu ra, trong đó bộ tách được gọi là bộ chia và bộ ghép được gọi là bộ kết hợp Ngoài ra, còn có các bộ tách/ghép 2x2 không đối xứng với tỷ số chia khoảng 5/95 hoặc 10/90, chủ yếu được sử dụng để trích xuất một phần tín hiệu quang phục vụ cho mục đích kiểm tra, được gọi là bộ ghép rẽ.
-Mạng cáp quang thuê bao
Mạng cáp thuê bao quang đƣợc xác định trong phạm vi ranh giới từ giao tiếp sợi quang giữa thiết bị OLT đến thiết ONU/ONT
Mạng cáp quang thuê bao bao gồm các thành phần chính, trong đó cáp quang gốc (Feeder Cable) là phần quan trọng nhất, kết nối từ nhà cung cấp dịch vụ (Central Office) đến điểm phân phối (Distribution Point - DP).
Điểm phân phối sợi quang (DP) là điểm kết thúc của cáp quang gốc, thường được triển khai dưới dạng măng xông quang hoặc tủ cáp quang phối, với ưu tiên sử dụng măng xông quang.
Cáp quang phối (Distribution Optical Cable) được sử dụng để kết nối từ điểm phối quang (DP) đến các điểm truy cập mạng (AP - Access Point) hoặc từ các tủ quang phối đến các tập điểm quang.
+ Cáp quang thuê bao (Drop Cable): xuất phát từ các điểm truy nhập mạng (AP) hay là từ các tập điểm quang đến thuê bao
+ Hệ thống quản lý mạng quang (FMS - Fiber Management System) đƣợc sử dụng để bảo dƣỡng và xử lý sự cố
+ Điểm quản lý quang (FMP - Fiber Management Point): dễ dàng cho xử lý sự cố và phát hiện đứt đường
Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản mạng cáp quang thuê bao
Các thông số kỹ thuật cơ bản của mạng GPON
+ 0,15552 Gbps đường lên, 1,24416 Gbps đường xuống
+ 0,62208 Gbps đường lên, 1,24416 Gbps đường xuống
+ 1,24416 Gbps đường lên, 1,24416 Gbps đường xuống
+ 0,15552 Gbps đường lên, 2,48832 Gbps đường xuống
+ 0,62208 Gbps đường lên, 2,48832 Gbps đường xuống
+ 1,24416 Gbps đường lên, 2,48832 Gbps đường xuống
+ 2,48832 Gbps đường lên, 2,48832 Gbps đường xuống
Các thông số kỹ thuật khác:
+ Bước sóng: 1260-1360nm đường lên; 1480-1500nm đường xuống
+ Đa truy nhập hướng lên: TDMA
+ Cấp phát băng thông động DBA (Dynamic Bandwith Allocation)
+ Loại lưu lượng: dữ liệu số
+ Dịch vụ: dịch vụ đầy đủ (Ethernet, TDM, POTS)
+ Tỉ lệ chia của bộ chia thụ động: tối đa 1:128
+ Giá trị BER lớn nhất: 10-12
+ Phạm vi công suất sử dụng luồng xuống: -3 đến +2 dBm (10km ODN) hoặc +2 đến +7 (20Km ODN)
+ Phạm vi công suất sử dụng luồng lên: -1 đến +4 dBm (10Km và 20Km ODN)
+ Loại cáp: tiêu chuẩn ITU-T Rec G.652
+ Suy hao tối đa giữa các ONU: 15dB
+ Cự ly cáp tối đa: 20 m với DFB laser luồng lên, 10Km với Fabry- Perot
Kỹ thuật truy nhập và phương thức ghép kênh
Công nghệ truyền dẫn đa truy nhập cho phép chia sẻ tài nguyên băng tần giữa nhiều người dùng như thuê bao, nhà cung cấp dịch vụ và nhà khai thác Trong hệ thống GPON, việc chia sẻ này là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về độ ổn định, thời gian xử lý thông tin nhanh, độ trễ thấp và tính bảo mật dữ liệu Mặc dù không phải là lĩnh vực mới, nhưng các kỹ thuật truy nhập vẫn đang phát triển để đáp ứng yêu cầu của ngành viễn thông toàn cầu.
Kỹ thuật truy nhập đƣợc sử dụng phổ biến trong các hệ thống GPON hiện nay là đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
TDMA (Time Division Multiple Access) là một kỹ thuật phân chia băng tần truyền dẫn thành các khe thời gian liên tiếp, có thể được ấn định trước cho từng khách hàng hoặc phân bổ theo yêu cầu dựa trên phương thức chuyển giao Ví dụ trong hình 2.6, TDMA được áp dụng trên GPON hình cây, cho phép mỗi thuê bao gửi dữ liệu lên trong khe thời gian riêng biệt Bộ tách kênh sẽ sắp xếp dữ liệu dựa trên vị trí khe thời gian hoặc thông tin được gửi trong chính khe thời gian đó, trong khi dữ liệu đường xuống cũng được truyền qua các khe thời gian đã xác định.
TDMA GPON sử dụng kỹ thuật TDMA, cho phép các ONU hoạt động trên cùng một bước sóng, giúp OLT phân biệt lưu lượng của từng ONU Việc chỉ cần một bộ thu cho OLT không chỉ đơn giản hóa quá trình triển khai thiết bị mà còn giảm chi phí cho thiết kế, sản xuất, hoạt động và bảo trì Hơn nữa, kỹ thuật này còn hỗ trợ lắp đặt thêm các ONU một cách dễ dàng khi có nhu cầu nâng cấp mạng.
Một đặc tính quan trọng của GPON sử dụng TDMA là yêu cầu đồng bộ lưu lượng đường lên để tránh xung đột dữ liệu, xảy ra khi nhiều gói từ các thuê bao khác nhau đến bộ ghép cùng lúc Khi đó, tín hiệu này sẽ đè lên tín hiệu khác, tạo thành tín hiệu ghép mà đầu xa không thể nhận dạng chính xác, dẫn đến lỗi bit và suy giảm thông tin đường lên, ảnh hưởng đến chất lượng mạng Tuy nhiên, những vấn đề này được khắc phục nhờ cơ chế định cỡ và phân định băng thông động của GPON.
Phương thức ghép kênh trong GPON là ghép kênh song hướng, sử dụng phương pháp phân chia không gian, là giải pháp đơn giản cho truyền dẫn hai chiều Việc sử dụng các sợi quang riêng biệt cho đường lên và xuống giúp tránh ảnh hưởng phản xạ quang và loại bỏ vấn đề kết hợp hai hướng truyền dẫn, từ đó tăng quỹ công suất mạng Sử dụng hai sợi quang cũng cho phép thiết kế mạng linh hoạt với bộ ghép kênh theo bước sóng Khả năng mở rộng này hỗ trợ phát triển dịch vụ mới trong tương lai, đồng thời giảm chi phí cho các phần tử quang-điện nhờ sử dụng cùng bước sóng và thiết bị phát thu giống nhau cho cả hai hướng.
Phương thức này có nhược điểm là yêu cầu gấp đôi số lượng sợi quang, mối hàn và connector, đồng thời trong cấu trúc GPON hình cây cũng cần gấp đôi bộ ghép quang Tuy nhiên, chi phí cho sợi quang, phần tử thụ động và kỹ thuật hàn nối đang giảm dần, và trong tương lai, những chi phí này sẽ chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng chi phí hệ thống.
Phương thức đóng gói dữ liệu
GPON định nghĩa hai phương thức đóng gói ATM và GEM (GPON Encapsulation Method) Các ONU và OLT có thể hỗ trợ cả T-CONT nền ATM hoặc GEM
Phương thức đóng gói dữ liệu GPON (GEM) là công nghệ quan trọng cho việc truyền tải dữ liệu qua mạng GPON, cung cấp khả năng kết nối tương tự như ATM GEM hỗ trợ đa dạng dịch vụ khách hàng, cho phép sắp xếp lưu lượng ATM và TDM vào khung GEM theo cả hai hướng Ngoài ra, các gói dữ liệu, bao gồm khung Ethernet, cũng được đóng gói bằng GEM Một tính năng nổi bật của GEM là khả năng phân mảnh các khung lớn thành các phân đoạn nhỏ, giúp giảm độ trễ cho lưu lượng thời gian thực như IPTV và VoIP GPON sử dụng GEM mang lại hiệu quả cao trong việc truyền tải tin IP, tối ưu hóa băng thông sử dụng lên đến 95% trên kênh truyền, nhờ vào việc định cỡ và phân định băng tần động.
Thủ tục định cỡ (Ranging) là quá trình cần thiết để một ONU hoạt động trong mạng PON, nhằm xác định cự ly giữa ONU và OLT Cự ly tối đa cho phép trong mạng PON hiện nay là 20km, và khoảng cách giữa OLT và mỗi ONU có sự khác biệt, dẫn đến độ trễ khứ hồi (RTD) từ mỗi ONU tới OLT cũng khác nhau Để đảm bảo việc định thời truyền dẫn diễn ra chính xác, RTD cần được xác định chính xác Khi một ONU mới kết nối vào mạng, OLT sẽ tự động tạo ra cửa sổ ranging để đo độ trễ và xác định ONU để truyền tín hiệu Chiều dài của cửa sổ ranging sẽ được điều chỉnh tùy theo khoảng cách giữa OLT và ONU.
Có hai phương pháp xác định ONU trong quá trình ranging: một là xác định ONU đã đăng ký với ID riêng, và hai là xác định tất cả ONU chưa đăng ký Trong phương pháp đầu tiên, ONU được nhận diện trong hệ thống với số ID cụ thể, trong khi phương pháp thứ hai không yêu cầu OLT biết ID của từng ONU, cho phép nhiều ONU truyền tín hiệu liên tục Để giảm thiểu xung đột trong quá trình này, có thể áp dụng khoảng thời gian chờ ngẫu nhiên cho việc truyền tín hiệu, tương tự như phương pháp CSMA/CD trong Ethernet Nếu xảy ra xung đột, quá trình đo trễ vẫn có thể tiếp tục bằng cách lặp lại việc truyền dẫn từ hai đến ba lần.
Do dữ liệu thuê bao chỉ được truyền sau khi quá trình ranging hoàn tất, nên không gây ra sự gia tăng trễ trong việc truyền dẫn dữ liệu Hơn nữa, thời gian chờ ngẫu nhiên được áp dụng để ngăn chặn xung đột không được tính vào phép đo trễ khứ hồi (RTD).
Thủ tục ranging của GPON bao gồm hai pha Pha đầu tiên liên quan đến việc đăng ký số sêri cho ONU chưa đăng ký và cấp phát ONU-ID cho ONU đã thực hiện Số sêri là ID duy nhất để xác định ONU, trong khi ONU-ID được sử dụng để điều khiển, theo dõi và kiểm tra ONU.
(1) ONU halt (2) Serial number reques
Các bước trong pha thứ nhất:
+ OLT xác định tât cả các ONU hiện đang hoạt động để cho dừng quá trình truyền dẫn (các ONU ngừng truyền dẫn - (1) ONU halt)
+ OLT xác định ONU không có ONU-ID để yêu cầu truyền số sêri (bản tin yêu cầu số sêri - (2) serial_number request)
Sau khi nhận yêu cầu truyền số sêri, ONU không có ONU-ID sẽ tiến hành truyền số sêri (quá trình truyền số sêri - (3) SN transmission) sau khi chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên, tối đa là 50ms.
+ OLT chỉ định một ONU-ID tới ONU chƣa đăng ký mà OLT đã nhận đƣợc số sêri (bản tin chỉ định ONU-ID - (4) assign ONU-ID)
Trong giai đoạn tiếp theo, RTD sẽ được đo cho mỗi ONU đã đăng ký mới Đồng thời, giai đoạn này cũng áp dụng cho các ONU bị mất tín hiệu trong quá trình truyền thông.
Ranging window RTD of new ONU
Hình 2.8 GPON Ranging pha 2 Các bước trong pha thứ hai bao gồm:
+ OLT xác định tất cả các ONU đang thông tin để cho dừng quá trình truyền dẫn luồng lên (các ONU ngừng truyền dẫn - (5) ONU halt)
Sử dụng các số sêri, OLT xác định một ONU cụ thể, chỉ ONU đó được phép truyền tín hiệu cho quá trình đo trễ thông qua bản tin yêu cầu ranging.
ONU có số sêri trùng với số sêri OLT được xác định để truyền tín hiệu cho quá trình đo trễ, bao gồm cả ONU-ID đã được chỉ định trong pha 1 của quá trình truyền ranging.
OLT đo RTD phụ thuộc vào thời gian thu tín hiệu đo trễ Sau khi xác nhận đúng sự kết hợp giữa số sêri và ONU-ID, OLT sẽ thông báo trễ cân bằng (Teqd - RTD) tới ONU qua bản tin Ranging_time Trong đó, Tepd là hằng số và RTD lớn nhất được xác định trong mạng PON; ví dụ, với khoảng cách tối đa 20km, Teqd là 200ms.
+ ONU lưu giá trị trễ cân bằng và tạo trễ định thời cho chuỗi dữ liệu truyền dẫn luồng lên với giá trị này
- Phương thức cấp phát băng thông:
Hướng lên băng thông sử dụng bởi các ONU phụ thuộc vào lưu lượng tại các ONU liên quan và các ONU khác trong mạng Việc chia sẻ băng thông có thể dẫn đến xung đột trong quá trình truyền, làm giảm hiệu suất Để khắc phục điều này, GPON áp dụng phương thức cấp phát băng thông động (DBA - Dynamic Bandwidth Assignment) Các khung truyền dẫn hướng lên được phân chia thành 5 loại khác nhau.
TCONT (Transmission Container) là công cụ quản lý băng thông hướng lên, với ba loại dịch vụ khác nhau Loại I - TCONT cung cấp băng thông cố định, không được hỗ trợ bởi DBA Loại II - TCONT phục vụ cho các dịch vụ có tốc độ bit thay đổi, như truyền hình và VoIP, với yêu cầu về độ trễ và jitter Cuối cùng, Loại III - TCONT đảm bảo độ trễ cho các dịch vụ.
IV - TCONT cho lưu lượng best-effort là loại V - TCONT, kết hợp từ hai hoặc nhiều loại x - TCONT Mỗi ONU gửi báo cáo mẫu lưu lượng tới OLT, bao gồm mẫu của từng loại TCONT và chờ sự cấp phát từ OLT OLT sẽ dựa vào loại TCONT để quyết định cấp phát băng thông hướng lên cho ONU.
Báo cáo và phân bố băng thông trong GPON
- Thủ tục cấp phát nói chung gồm các bước sau:
+ ONU lưu dữ liệu thuê bao cho lưu lượng hướng lên vào bộ đệm
+ hối dữ liệu chứa trong bộ đệm đƣợc báo tới OLT nhƣ một yêu cầu tại một thời điểm quy định bởi OLT
+ OLT xác định thời gian bắt đầu truyền dẫn và khoảng thời gian truyền cho phép (1/4 cửa sổ truyền dẫn) tới ONU nhƣ một sự cấp phép
+ ONU nhận sự cấp phép và truyền khối dữ liệu đã xác định
Hình 2.9 Phân bố băng thông trong GPON
Hình 2.10 Thủ tục cấp phát băng thông trong GPON
- Bảo mật và mã hóa sửa lỗi:
Mạng GPON, với cấu trúc điểm - đa điểm, cho phép dữ liệu hướng xuống được nhận bởi tất cả các ONU, nhưng sử dụng công nghệ bảo mật tiên tiến AES (Advanced Encryption Standard) để bảo vệ thông tin Dữ liệu thuê bao trong khung luồng xuống được bảo vệ thông qua lược đồ mã hóa AES, trong khi chỉ phần tải lưu lượng trong khung được mã hóa Đối với hướng lên, mạng GPON hoạt động như một liên kết điểm - điểm và không áp dụng mã hóa bảo mật.
Công nghệ GPON áp dụng phương pháp sửa lỗi tiến FEC (Forward Error Correction), giúp tăng quỹ đường truyền lên 3-4dB nhờ độ lợi mã hóa Điều này cho phép cải thiện tốc độ bit và khoảng cách giữa OLT và các ONU, đồng thời hỗ trợ tỉ số chia lớn hơn trong mạng FEC có thể được sử dụng tùy chọn cho cả hướng lên và hướng xuống, với mã Reed Solomon thường là RS (255,239).
- Khả năng cung cấp băng thông:
Yêu cầu băng thông của các dịch vụ cơ bản:
- Băng thông yêu cầu của một kênh HDTV = 18 Mbit/s
- Băng thông yêu cầu của một kênh SDTV = 3 Mbit/s
- Truy cập Internet tốc độ cao = 100 Mbit/s trên mỗi thuê bao với tỷ lệ dùng chung 20:1
- Voice IP tốc độ 100 Kbit/s
Kết luận
Qua các nghiên cứu ở trên, chúng ta có thể rút ra một số đặc điểm cơ bản của công nghệ GPON nhƣ sau:
- Công nghệ GPON đã đƣợc ITU chuẩn hoá trong các tiêu chuẩn ITU G984.x Kỹ thuật truy nhập sử dụng trong GPON là TDMA
- Hỗ trợ nhiều loại tốc độ truy nhập đường lên từ 155 Mbit/s đến 2,5 Gbit/s, hỗ trợ hai tốc độ truy nhập đường xuống 1,25 Gbit/s và 2,5 Gbit/s
- Hướng tới mạng cung cấp dịch vụ đầy đủ, hỗ trợ cả các dịch vụ TDM và Ethernet với hiệu suất sử dụng băng thông cao
Vấn đề tắc nghẽn lưu lượng trong mạng truy nhập quang tốc độ cao được khắc phục thông qua các thủ tục định cỡ và phân định băng tần động Các phương pháp kiểm soát vòng với chu kỳ thích ứng, cơ chế lập lịch quay vòng không đầy đủ, cùng với cơ chế phân định băng tần sử dụng tập thông báo nhiều hàng đợi đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Các thủ tục điều khiển và báo hiệu trong GPON tuy đơn giản nhưng vẫn giải quyết hiệu quả các vấn đề kỹ thuật của mạng truy cập băng rộng tốc độ cao Công nghệ này đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật của dịch vụ, làm cho GPON trở thành công nghệ sử dụng băng thông hiệu quả nhất trong các loại công nghệ PON hiện có.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MẠNG FTTH THEO CHUẨN GPON
Giới thiệu chương
Chương 3 sẽ thực thiện thiết kế và mô phỏng một hệ thống mạng FTTH theo chuẩn GPON với yêu cầu cho trước Để thuân tiện cho việc thiết kế và mô phỏng thì chúng ta sẽ sử dụng phần mềm Optiwave.Mạng FTTH ở đây sẽ dùng tuyến quang hai chiều Uplink và Donwlink OLT sẽ phát tín hiệu, tín hiệu này sẽ đi qua ODN và Splitter và đi đến ONU ở phía thu Chúng ta sẽ tiến hành khảo sát và phân tích công suất thu đƣợc cũng nhƣ chất lƣợng BER ỏ phía thu để đánh giá chất lƣợng hoạt động của tuyến FTTH.
Yêu cầu thiết kế
Thiết kế, mô phỏng mạng FTTH theo chuẩn GPON trong khu vực Phường Quỳnh Thiện- TX Hoàng Mai
SN08- K6 Cổng nhà máy Xi Măng
Trong đồ án này, tôi thiết kế một tuyến FTTH bắt đầu từ trạm phát tại nhà Anh Tiến, thuộc Phường Quỳnh Thiện, TX Hoàng Mai, và kết thúc tại UBND Phường Quỳnh Thiện Sơ đồ tuyến FTTH trong khu vực này được thể hiện rõ trong hình 3.1.
Các tham số toàn cục đƣợc thiết lập lập:
- Số mẫu trong một bit là 64
- Phương thức mã hóa: NRZ
- Bước sóng đường xuống 1490 nm
- Bước sóng đường lên 1310 nm
- Kênh truyền 1 sợi đơn mode
- Suy hao trên sợi quang 0.2 dB/km
- Công suât phát đường xuống 1.5 dBm
- Công suât phát đường lên -3 dBm
Hiện nay Viettel đang sử dụng modul quang hãng HUAWEI có bước sóng đường xuống là 1490nm và bước sóng đường lên là 1310nm
Ngƣỡng công suất phát modul quang của hãng HUAWEI là lớn hơn -15dBm còn ngƣỡng công suất thu nằng trong khoảng từ -28dBm đến -18dBm
Sử dụng phần mềm Optisystem để xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống FTTH theo chuẩn GPON là một yêu cầu quan trọng Trong mô hình này, các thiết bị đo được đưa vào để xác định chất lượng và dạng tín hiệu tại các điểm cần thiết trên tuyến Các thiết bị đo cơ bản bao gồm: thiết bị đo công suất quang, thiết bị đo phổ quang và thiết bị đo hệ số BER, được đặt tại các vị trí phù hợp để đảm bảo tính chính xác của việc đánh giá.
Chạy mô phỏng và hiển thị kết quả bằng các thiết bị đo trên tuyến, đồng thời điều chỉnh các tham số của các phần tử để tối ưu hóa hệ số.
BER và nhận xét, phân tích kết quả mô phỏng
Giới thiệu sơ lƣợc về phần mềm Optisystem
3.3.1 Tổng quan về phần mềm Optisystem
Với sự gia tăng mạnh mẽ về nhu cầu thông tin, các hệ thống thông tin quang đang trở nên ngày càng phức tạp Việc phân tích và thiết kế những hệ thống này yêu cầu sử dụng các công cụ mô phỏng hiệu quả.
OptiSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang, cho phép thiết kế, đo kiểm tra và tối ưu hóa nhiều loại tuyến thông tin quang Phần mềm này nổi bật với khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang thực tế và có thể dễ dàng mở rộng nhờ tính năng cho phép người sử dụng thêm các phần tử tự định nghĩa.
Phần mềm OptiSystem có giao diện thân thiện và khả năng hiển thị trực quan, giúp giảm thiểu thời gian và chi phí thiết kế cho các hệ thống quang học Đây là công cụ thiết kế hiệu quả, cho phép lập kế hoạch, kiểm tra và mô phỏng các loại liên kết quang học trong nhiều loại mạng từ LAN, SAN, MAN đến ultra-long-haul OptiSystem cung cấp giải pháp toàn diện cho thiết kế và quy hoạch hệ thống thông tin quang, tích hợp tốt với các sản phẩm Optiwave và công cụ thiết kế hàng đầu trong ngành, từ đó tăng tốc độ ra mắt sản phẩm và rút ngắn thời gian hoàn vốn.
- Cung cấp cái nhìn toàn cầu vào hiệu năng hệ thống
-Đánh giá sự nhạy cảm tham số giúp đỡ việc thiết kế chi tiết kỹ thuật
Trực quan hóa giúp trình bày các tùy chọn thiết kế và dự án cho khách hàng tiềm năng một cách rõ ràng Nó cung cấp quyền truy cập dễ dàng để thu thập một loạt các hệ thống đặc tính dữ liệu, từ đó nâng cao hiệu quả trong việc đưa ra quyết định.
- Cung cấp các tham số tự động quét và tối ƣu hóa
- Tích hợp với họ các sản phẩm Optiwave Ứng dụng:
- OptiSystem cho phép người dùng lập kế hoạch, kiểm tra, và mô phỏng
- Thiết kế mạng WDM/TDM hoặc CATV
- Thiết kế mạng vòng SONET/SDH
- Thiết kế bộ phát, kênh, bộ khuếch đại, và bộ thu thiết kế bản đồ phân tán
- Đánh giá BER và penalty của hệ thống với các mô hình bộ thu khác nhau
- Tính toán BER và quĩ công suất tuyến của các hệ thống có sử dụng khuếch đại quang
3.3.2 Cấu tạo thư viện (ComponentLibrary)
Một số thƣ viện cơ bản:
- Visualizer Library: thƣ viện hiển thị (hiển thị các kết quả đo)
- Transmitters Library: thƣ viện khối phát
- WDM Multiplexer Library: thƣ viện ghép kênh WDM
- Optical Fibers Library: thƣ viện sợi quang
- Amplifier Library: thƣ viện khuếch đại
- Filters Library: thƣ viện bộ lọc
- Passives Library: thƣ viện phần tử thụ động
- Network Library: thƣ viện mạng
- Receivers Library: thƣ viện khối thu
- Tool Library: thƣ viện công cụ
3.3.3 Các công cụ hiển thị
Optisystem có đầy đủ các thiết bị đo quang, đo điện
Các thiết bị này cho phép hiển thị tham số, dạng, chất lƣợng tín hiệu tại mọi điểm trên hệ thống
- Thiết bị đo công suất (OpticalPowerMeter)
- Thiết bị đo miền thời gian quang (OpticalTimeDomainVisualizer)
- Thiết bị phân tích (WDM(WDMAnalyzer)
- Thiết bị phân tích phân cực (PolarizationAnalyzer)
- Thiết bị đo phân cực (PolarizationMeter)
- Thiết bị phân tích phổ RF (RFSpectrumAnalyzer)
- Thiết bị phân tích biểu đồ hình mắt (EyeDiagramAnalyzer)
- Thiết bị phân tích lỗi bit (BERAnalyzer)
- Thiết bị đo công suất (ElectricalPowerMeter)
- Thiết bị phân tích sóng mang điện (ElectricalCarrierAnalyzer).
Thiết kế, mô phỏng mạng FTTH trên phần mêm Optisystem
Khởi động phần mềm Optisystem
Số mẫu trong một bít: 64
Số mẫu =Chiều dài chuỗi×Số mẫu trong một trong một bit8×6492 (3.1)
Cửa sổ thời gian = chiều dài chuỗi bit/ tốc độ bit = 128 9 8
Tốc độ lấy mẫu= số lƣợng mẫu/ cửa sổ thời gian 8129 8 11
Thông số toàn cục đƣợc thể hiện qua hình 3.2:
Hình 3.2 Thiết lập tham số toàn cục
Vào mục Default -> Transmitters Library -> Optical Transmitters: chọn Optical Transmitters
- Phương thức mã hóa: NRZ
- Bước sóng hướng xuống: 1490 nm
Bộ Circulator Bidirectional hoạt động tương tự như bộ OADM, cho phép xen/rẽ một hoặc nhiều bước sóng chọn lọc từ tín hiệu WDM và chuyển tiếp các bước sóng còn lại.
- Suy hao trên sợi quang: 0,2 dB/km
- Cự li truyền dẫn 1,5km
- Hệ số tán sắc 16.75 ps/nm/km
- Độ dốc tán sắc 0.075 ps/nm^2/km
Bộ trễ pha quang OD (Optical Delay) trong hệ thống GPON hoạt động dựa trên nguyên lý TDMA, nhằm điều chỉnh độ trễ của tín hiệu quang từ các ONU/ONT trong hướng lên Việc sử dụng bộ này là cần thiết để đảm bảo tín hiệu được truyền tải một cách hiệu quả và đồng bộ.
- Suy hao trên đường truyền = chiều dài sợi quang × hệ số suy hao
- Suy hao trên bộ chia Splitter = -10log = -10log = 9 dB (3.5)
Hình 3.4 Phần truyền dẫn và Spitter
- Phương thức mã hóa: NRZ
- Bước sóng hướng lên: 1310 nm
- Sử dụng bộ Photodetector PIN và Bessel Filter để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện theo hướng xuống
- Sử dụng khối 3R Regenerator và BER Analyzer để đo BER của hệ thống
Hình 3.5 Cấu trúc một ONU Sau khi thiết kế các thành phần trong mạng FTTH ta có sơ đồ khối tổng nhƣ sau:
Hình 3.6 Cấu trúc tổng quát các khối trong mạng FTTH
Kết quả mô phỏng
Đo công suất tín hiệu phát:
Công suất tín hiệu phát là 1.5 dBm, nhưng sau khi qua bộ điều chế ngoài và kết hợp với sự điều chế từ nguồn điện tạo mã bit cùng xung NRZ, công suất bị suy hao và giảm xuống còn -2.216 dBm Đo lường công suất đầu vào phía thu cho thấy sự thay đổi này.
Công suất tín hiệu phía thu bị suy giảm sau khi tín hiệu truyền qua sợi quang và bộ chia, nguyên nhân là do suy hao trên đường truyền và suy hao từ bộ chia Việc đo tỷ lệ lỗi bit (BER) là cần thiết để đánh giá chất lượng tín hiệu.
Hình 3.13 BER đường lên phía OLT
Phân tích kết quả bài toán thiết kế
3.6.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ chia lên mô hình triển khai
Xét về yếu tố tỷ lệ chia đối với mô hình thiết kế, kết quả đạt đƣợc khi sử dụng các bộ chia 1: 8, 1:16, 1:32 với các thông số nhƣ sau:
- Tốc độ bit: 2,5Gbps Đối với bộ chia 1:8 ta đƣợc tỷ lệ BER nhƣ bảng 3.1
BER phía OLT 1.63457x10 -14 Bảng 3.1 Kết quả BER đạt đƣợc của 8 kênh khi sử dụng bộ chia 1:8 Đối với bộ chia 1:16 ta được kết quả như bảng 3.2 dưới đây:
BER phía OLT 2.86609x10 -51 Bảng 3.2 Kết quả BER đạt đƣợc của 16 kênh khi sử dụng bộ chia 1:16 Đối với bộ chia 1:32 ta đƣợc kết quả nhƣ bảng 3.3:
BER phía OLT 0.00101647 Bảng 3.3 Kết quả BER đạt đƣợc của 32 kênh khi sử dụng bộ chia 1:32
Kết quả khảo sát cho thấy, với các thông số đã cung cấp, việc sử dụng bộ chia 1:16 từ OLT đến OLT là cần thiết để đảm bảo chất lượng tuyến tại mỗi kênh.
3.6.2 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa OLT và ONT lên mô hình triển khai
Xét về yếu tố khoảng cách giữa OLT và ONT đối với mô hình thiết kế khi sử dụng các bộ chia 1:16 với các thông số nhƣ sau:
Ta thu đƣợc kết quả tỷ lệ BER của 16 kênh nhƣ bảng 3.4 và đƣợc thể hiện nhƣ trong hình 3.14
Bảng 3.4 Kết quả BER của 16 kênh trong vùng chiều dài cáp đƣợc khảo sát
Hình 3.14 Kết quả BER của kênh 1,2,3 trong vùng chiều dài cáp đƣợc khảo sát
Theo bảng số liệu và hình ảnh đã trình bày, khi sử dụng bộ chia 1:16, tuyến đạt chất lượng và hoạt động ổn định với khoảng cách tối đa giữa OLT và ONT là 13.5 Km.
3.6.3 Ảnh hưởng của công suất phát lên mô hình triển khai
Xét sự ảnh hưởng của công suất phát lên mô hình triển khai với các thông số của tuyến nhƣ sau:
Ta thu đƣợc kết quả tỷ lệ BER của 16 kênh nhƣ bảng 3.5
Kênh Công suất phát (dBm)
Bảng 3.5 Kết quả BER của 16 kênh trong vùng công suất phát đƣợc khảo sát
Theo bảng số liệu 3.5, để đảm bảo tuyến hoạt động tốt và ổn định, thiết bị phát cần có công suất nằm trong khoảng từ -1 dBm đến 3.5 dBm.
Kết luận chương
Dựa trên kết quả mô phỏng và các biểu thức tính toán, hệ thống mạng FTTH theo chuẩn GPON đã đạt yêu cầu với các thông số như công suất thu tại đầu thu, tỷ lệ lỗi bit (BER) và hệ số phẩm chất (Q) đều đạt tiêu chuẩn Việc mô phỏng thành công hệ thống mạng FTTH trên phần mềm Optiwave cho thấy khả năng áp dụng để xây dựng một hệ thống mạng FTTH thực tế.
Sau khi hoàn thành đồ án, tôi đã hiểu rõ hơn về công nghệ GPON và các kỹ năng thiết kế hệ thống FTTH theo chuẩn GPON Tôi đã sử dụng thành thạo phần mềm Optiwave để thiết kế và mô phỏng hệ thống FTTH tại phường Quỳnh Thiện - Thị xã Hoàng Mai, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật Kết quả mô phỏng cho thấy chỉ số BER < 10^-12 và công suất thu đạt -16.047 dBm, phù hợp với yêu cầu thực tế Ngoài ra, tôi cũng đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố như tỉ lệ chia, khoảng cách giữa OLT và ONT, cùng công suất phát đến chất lượng tuyến, từ đó tối ưu hóa thiết kế.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa vì sự hỗ trợ và hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, giúp tôi hoàn thành công việc một cách tốt nhất.
