Thiết kế hệ thống thông tin ftth tại thị trấn anh sơn đồ án tốt nghiệp đại học

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN FTTH

Các hình thức truy nhập sợi quang

Nếu xem xét sự phát triển của hệ thống thông tin quang theo quan điểm phát triển mạng lưới thì có thể thấy có ba giai đoạn sau:

- Giai đoạn đầu tiên là cáp quang được sử dụng trên mạng đường trục

- Giai đoạn thứ 2 là cáp quang được sử dụng cho mạng trung kế

Giai đoạn ba đánh dấu sự phát triển của cáp sợi quang cho mạng thuê bao, đây được xem là giai đoạn quan trọng nhất để đưa sợi quang vào mạng lưới truy cập.

Mạng truy nhập quang cung cấp nhiều hình thức kết nối để đưa dịch vụ đến tay khách hàng, bao gồm sợi quang tới vùng nông thôn (FTTR), sợi quang tới vùng dân cư (FTTC), sợi quang tới cơ quan (FTTO), sợi quang tới tòa nhà (FTTB), sợi quang tới tầng nhà (FTTF) và hướng tới sợi quang tới tận nhà (FTTH) Các cấu hình FTTR, FTTC, FTTF và FTTB đều sử dụng sợi quang chung, với tín hiệu được truyền từ tổng đài đến thiết bị mạng quang ở đầu xa ONU (Optical Network Unit) Thiết bị này thường được lắp đặt tại các tủ thiết bị trong cabin, giúp dễ dàng truy cập và phân phối tín hiệu cho các kênh thuê bao, đồng thời đảm bảo việc khai thác và bảo trì hiệu quả.

Các thiết bị mạng quang ONU có thể được lắp đặt ở nhiều vị trí như trên phố hoặc trong các tòa nhà Dây kim loại thông thường sẽ được sử dụng để kết nối từ ONU đến các thuê bao, giúp tận dụng băng tần của sợi quang và giảm thiểu chi phí ban đầu.

Cáp sợi quang có thể được lắp đặt trong các cấu hình truy cập như chôn trực tiếp, kéo trong cống hoặc treo ngoài trời Tùy thuộc vào tốc độ truyền dẫn và nhu cầu phát triển dung lượng, số lượng sợi quang được sử dụng sẽ được điều chỉnh cho phù hợp Tuy nhiên, trong các hệ thống truy cập sợi quang, tốc độ truyền dẫn thường không cao, số lượng thuê bao lớn nhưng không tập trung, do đó cáp thường có nhiều sợi Bảng 1.1 cung cấp cái nhìn tổng quan về các hệ thống truy cập sợi quang.

Bảng 1.1 Các hệ thống truy nhập sợi quang Dạng ONU Người sử dụng

Mô tả khái quát cấu hình hệ thống

OLT tới ONU bằng cáp quang Từ ONU tới khách hàng bằng cáp đồng và độ dài cáp đồng nhỏ hơn 10 km

OLT tới ONU bằng cáp quang Từ ONU tới khách hàng bằng cáp đồng và độ dài cáp đồng xấp xỉ 100 m

OLT tới ONU bằng cáp quang Từ ONU tới khách hàng bằng cáp đồng và độ dài cáp đồng xấp xỉ 10 m

OLT kết nối tới ONU qua cáp quang, trong khi ONU đến tay khách hàng sử dụng cáp đồng với chiều dài xấp xỉ 0 m Đối với FTTR, khoảng cách từ ONU tới thuê bao thường dưới 10 km, còn FTTC có khoảng cách khoảng 100 m, trong khi FTTF có thông số khác.

FTTB phụ thuộc vào khoảng cách từ nhà ở, văn phòng đến ONU, thường là rất gần Các phương án sử dụng sợi quang riêng như FTTO và FTTH cho phép kết nối trực tiếp từ tổng đài tới người dùng, nhưng đòi hỏi chi phí cao và cần xem xét kỹ lưỡng trong thiết kế Để triển khai FTTO và FTTH hiệu quả, cần có chiến lược phát triển mạng và kế hoạch cụ thể nhằm đảm bảo đầu tư hợp lý Do đó, các nhà cung cấp dịch vụ đã đưa ra nhiều giải pháp nhằm tối ưu hóa hệ thống và tiếp cận thị trường dễ dàng hơn.

So sánh FTTH và ADSL

FTTx là kiến trúc mạng băng rộng sử dụng cáp quang thay thế cáp kim loại trong phần cuối của mạng viễn thông Trong đó, công nghệ FTTH (Fiber to the Home) cung cấp kết nối cáp quang trực tiếp đến nhà, mang lại dịch vụ tốc độ cao như thoại, internet, truyền tải dữ liệu và truyền hình.

- Đặc điểm và tiện ích của FTTH

+ Hệ thống truyền dẫn hoàn toàn bằng cáp quang tới tận phòng máy của khách hàng

Chất lượng đường truyền dẫn luôn bền bỉ và ổn định, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, thời tiết hay chiều dài cáp Hệ thống đảm bảo an toàn cho thiết bị, tránh được nguy cơ bị sét đánh lan truyền qua đường dây.

Tốc độ truyền dẫn cao với khả năng tải dữ liệu (Upload/Download) đồng đều, có thể đạt tới 10 Gigabit/s, nhanh gấp 200 lần so với ADSL 2+ chỉ cung cấp 20 Megabit/s Hơn nữa, việc nâng cấp băng thông trở nên dễ dàng mà không cần kéo cáp mới.

Ứng dụng đa dịch vụ trên mạng viễn thông chất lượng cao cung cấp các giải pháp giải trí như truyền hình, trò chơi tương tác và hỗ trợ hiệu quả cho các ứng dụng công nghệ thông tin hiện đại Các dịch vụ bao gồm Hosting Server riêng, VPN (mạng riêng ảo), Game Online, IPTV (truyền hình tương tác) và VoD (xem phim theo yêu cầu).

FTTH cung cấp độ bảo mật thông tin cao, gần như không thể bị đánh cắp tín hiệu trên đường truyền, là lựa chọn lý tưởng cho cá nhân, tổ chức và doanh nghiệp.

- So sánh FTTH và ADSL

Tốc độ upload của FTTH vượt qua ngưỡng 20 Mbps của chuẩn ADSL2+, cho phép tốc độ tải lên tương đương với tốc độ tải xuống Điều này khiến FTTH trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc truyền tải dữ liệu từ mạng khách hàng ra internet.

+ Tốc độ truyền dẫn FTTH cân bằng download=upload trong khi tốc độ truyền dẫn của ADSL không cân bằng (download > upload)

+ Độ ổn định và tuổi thọ cao hơn dịch vụ ADSL do không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện, từ trường

+ Khả năng nâng cấp tốc độ (download/upload) dễ dàng

FTTH (Fiber to the Home) cung cấp băng thông vượt trội so với ADSL, cho phép hỗ trợ các dịch vụ Triple Play (dữ liệu, truyền hình, thoại) hiệu quả hơn Đặc biệt, FTTH đáp ứng tốt cho các ứng dụng yêu cầu băng thông cao như truyền hình độ phân giải cao (HDTV), cần tới vài chục Mbps, điều mà ADSL không thể cung cấp.

+ Độ ổn định ngang bằng như dịch vụ internet kênh thuê riêng Leased- line nhưng chi phí thuê bao hàng tháng thấp hơn vài chục lần

+ Tốc độ truyền dẫn Internet cam kết tối thiểu của FiberXXX > 256Kbps, lớn hơn tốc độ internet của tất cả các gói ADSL

Độ ổn định trong truyền dẫn cáp rất quan trọng; đối với ADSL, chiều dài cáp tối đa cần thiết là 2,5 km để đảm bảo sự ổn định, trong khi với FTTH, chiều dài này có thể lên tới 10 km.

Tình hình phát triển của FTTH

Theo báo cáo năm 2008, số hộ gia đình sử dụng kết nối băng rộng FTTH trên toàn cầu dự kiến sẽ tăng trưởng hơn 30% mỗi năm, đạt 89 triệu hộ vào năm 2012 Nhật Bản và Hàn Quốc hiện đang dẫn đầu trong việc áp dụng công nghệ cáp quang này Toàn cầu có khoảng 20 triệu kết nối FTTH, với Châu Á được đánh giá là khu vực có tiềm năng phát triển lớn.

Bảng 1.2 đưa ra sự so sánh băng thông cung cấp bởi các công nghệ truyền dẫn băng thông hiện nay

Bảng 1.2 Băng thông cung cấp của các kỹ thuật băng rộng

Dự đoán vào cuối năm 2012, Châu Á sẽ đạt 54 triệu kết nối FTTH, tiếp theo là Châu Âu cùng khu vực Trung Đông và Châu Phi với 16 triệu kết nối, và cuối cùng là Bắc Mỹ.

Mỹ và Nam Mỹ hiện đang có khoảng 15 triệu người chuyển đổi sang công nghệ FTTH Quá trình này đang diễn ra tại nhiều quốc gia, bao gồm Đan Mạch, Pháp, Hồng Kông, Nhật Bản, Hàn Quốc, Thụy Điển, Đài Loan và Mỹ.

Hiện nay, mạng viễn thông sử dụng nhiều công nghệ truyền dẫn khác nhau như cáp đồng trục, cáp xoắn đôi, cáp quang, và công nghệ không dây (viba, vệ tinh) để cung cấp dịch vụ viễn thông Tuy nhiên, không phải tất cả các công nghệ này đều có khả năng đáp ứng nhu cầu thông tin ngày càng tăng của xã hội.

Công nghệ truyền dẫn quang được đánh giá cao nhờ băng thông lớn, suy hao thấp và khả năng truyền cự ly xa, không bị ảnh hưởng bởi điện từ, đồng thời đảm bảo an toàn thông tin Hiện tại, hơn 60% lưu lượng thông tin toàn cầu được truyền qua mạng quang, cho thấy tiềm năng phát triển của công nghệ này Nó không chỉ khắc phục tình trạng nghẽn mạng ở cáp đồng mà còn đáp ứng nhu cầu gia tăng của khách hàng viễn thông, mong muốn tích hợp nhiều dịch vụ đến tận nhà hoặc nơi làm việc với chi phí hợp lý.

1.3.1 Tình hình phát triển FTTH trên thế giới

Trung Quốc hiện là thị trường băng rộng lớn nhất Châu Á với khoảng 69,1 triệu thuê bao tính đến tháng 9/2008, trong đó có 6 triệu thuê bao FTTH/FTTC Công nghệ truy nhập DSL vẫn chiếm ưu thế với 90,9% thị phần, trong đó China Telecom là một trong những nhà cung cấp hàng đầu.

40 triệu thuê bao, China Netcom chiếm 25 triệu thuê bao), công nghệ cáp chiếm 0,4%, FTTH/FTTB chiếm đến 8,7% [6]

Các nhà cung cấp băng thông rộng tại Trung Quốc đang ưu tiên triển khai công nghệ FTTH/FTTB, tập trung vào xu hướng PON, đặc biệt là EPON và GPON IPTV đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của FTTx/FTTH tại nước này Trung Quốc đang hướng tới việc cung cấp mạng truy cập tốc độ cao với chất lượng ổn định và khả năng truyền dẫn đối xứng.

Thông tin thị trường Hàn Quốc:

Mục tiêu của Hàn Quốc là cung cấp truy cập băng rộng toàn diện, cho phép người dùng truy cập dịch vụ đa phương tiện mọi lúc, mọi nơi Đến nay, nước này đã đạt được 10 triệu thuê bao băng rộng với tốc độ từ 50-100 Mbps, cùng với 10 triệu thuê bao không dây có tốc độ dưới 1 Mbps.

Thông tin thị trường Nhật Bản:

Nhật Bản đang triển khai dự án 5 năm với mục tiêu đạt 38 triệu thuê bao ADSL và 18 triệu thuê bao FTTH Dự án cũng hướng tới việc giảm giá băng rộng hơn 60%, đảm bảo 97% cơ quan chính phủ hoạt động qua Internet, và mở rộng kết nối băng rộng đến các vùng nông thôn cũng như phục vụ người già trên 65 tuổi.

Công ty NTT, dẫn đầu trong lĩnh vực FTTH tại Nhật Bản, đã đầu tư 5 ngàn tỷ Yên (tương đương 47 tỷ USD) tính đến năm 2010 để nâng cấp hệ thống FTTH cho 30 triệu thuê bao Đặc biệt, NTT và Tepco đã cung cấp gói dịch vụ lên đến 1 Gbps, cho phép người dùng xem TV qua FTTH.

Thông tin thị trường Mỹ [6]:

Tại Mỹ, FTTH là giải pháp duy nhất cho các công ty cung cấp dịch vụ nội hạt Đến cuối quý 2 năm 2008, Verizon đã có 2 triệu thuê bao FTTH, và con số này đã vượt qua 8,5 triệu vào cuối quý 3 cùng năm Đến năm 2010, Verizon đạt 18 triệu thuê bao FTTH.

1.3.2 Tình hình triển khai FTTH tại Việt Nam

Hiện nay tại Việt Nam có các nhà cung cấp dịch vụ sau:

Tháng 8/2006, FPT Telecom chính thức trở thành đơn vị đầu tiên cung cấp loại hình dịch vụ tiên tiến này

Vào ngày 1/5/2009, VNPT đã chính thức triển khai dịch vụ FTTH trên cáp quang với tốc độ cao lên đến 20 Mbps Sự phát triển mạnh mẽ của các chi nhánh VNPT tại các tỉnh thành đã góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ internet tại Việt Nam.

Vào ngày 15/5/2009, Viettel đã chính thức ra mắt dịch vụ truy cập Internet FTTH-cáp quang siêu tốc, nhằm đáp ứng nhu cầu của khách hàng doanh nghiệp, khi mà các dịch vụ truy cập Internet hiện tại như ADSL và Leased Line không còn đủ khả năng về tốc độ và chi phí.

Vào ngày 10/4/2010, CMCTI đã chính thức ra mắt dịch vụ FTTH, trở thành công ty đầu tiên tại Việt Nam triển khai công nghệ FTTH dựa trên nền tảng GPON, một chuẩn công nghệ tiên tiến nhất hiện nay.

Kiến trúc mạng quang FTTH

1.4.1 Sơ đồ tổng quát mạng quang FTTH

Sơ đồ tổng quát mạng quang FTTH được mô tả trong hình 1.2

Trong hệ thống FTTH, OLT là thiết bị kết cuối quang tại tổng đài trung tâm CO, có chức năng giao tiếp với các nhà cung cấp dịch vụ như mạng PSTN, chuyển mạch ATM, và router IP OLT cũng kết nối với mạng lõi video qua thiết bị đầu cuối cáp TV hoặc vệ tinh chảo Về mặt truyền dẫn, OLT hỗ trợ nhiều loại giao diện khác nhau của lớp liên kết dữ liệu như SONET, ATM và Gigabit Ethernet.

Tín hiệu được chuyển đổi thành tín hiệu quang và kết hợp vào sợi quang thông qua các kỹ thuật ghép kênh như TDM (ghép kênh theo thời gian), SDM (ghép kênh theo không gian) và WDM (ghép kênh theo bước sóng) để truyền tải qua mạng phân bố quang ODN Mạng truy nhập quang OAN bao gồm ba phần chính: khối kết cuối đường truyền quang OLT, mạng phân bố quang ODN và khối kết cuối mạng quang ONT/ONU.

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát mạng quang FTTH [3]

Mạng truy nhập quang OAN cung cấp nhiều lựa chọn, bao gồm cấu hình điểm nối điểm P2P và cấu hình điểm nối đa điểm P2MP Trong cấu hình P2MP, bộ chia được sử dụng để phân chia công suất tín hiệu và cung cấp kết nối cho các thuê bao riêng lẻ, bao gồm cả mạng quang thụ động PON.

Khối kết cuối mạng quang ONT, hay còn gọi là ONU trong mạng FTTH, kết nối với các thiết bị đầu cuối tại nhà khách hàng Tín hiệu quang được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua bộ chuyển đổi quang điện OEC, và sau đó được phân tách thành các dịch vụ theo yêu cầu của thuê bao.

1.4.2 Các cấu hình cho kiến trúc quang FTTH

Hình 1.3 Mô tả vật lý với P2P và P2MP

Cấu hình mạng truy nhập quang OAN quyết định các kiểu truyền dẫn quang đến nhà thuê bao và ảnh hưởng đến cách chia sẻ tài nguyên mạng giữa các thuê bao.

Hình 1.3 minh họa kết nối thiết bị thực tế trong hai cấu hình phổ biến khi triển khai mạng FTTH, bao gồm cấu hình điểm nối điểm (P2P) và điểm nối đa điểm (P2MP) Cấu hình P2P cho phép kết nối trực tiếp giữa hai thiết bị, mang lại hiệu suất cao và độ tin cậy tốt hơn cho người dùng.

Trong cấu hình P2P, mỗi gia đình được kết nối trực tiếp đến tổng đài nội hạt bằng cáp sợi quang, mang lại đường dây kết nối riêng cho từng thuê bao, điều này là ưu điểm nổi bật so với mạng P2MP Các đường dây kết nối riêng biệt trong mạng P2P giúp cung cấp dịch vụ tùy chỉnh cho từng thuê bao, với băng thông rộng hơn và an toàn lưu lượng được cải thiện, đồng thời cho phép cung cấp dịch vụ đối xứng dễ dàng Mạng P2P tận dụng các thiết bị và cấu kiện có sẵn, giảm thiểu chi phí hệ thống Tuy nhiên, việc triển khai mạng P2P yêu cầu công việc ngoài hiện trường, có thể dẫn đến tăng chi phí lắp đặt, vận hành và bảo trì.

Trong kiến trúc này, một node có vai trò chuyển mạch, ghép kênh và chia tách tín hiệu được lắp đặt giữa tổng đài CO và nhà thuê bao Chỉ cần một cổng OLT và một sợi quang kết nối giữa CO và node, dịch vụ có thể được cung cấp đồng thời cho nhiều người dùng.

Cấu hình 4 – 1000 thuê bao qua các tuyến quang dẫn từ node tới mỗi thuê bao giúp tiết kiệm đáng kể sợi quang và cổng tại OLT, giảm chi phí hệ thống so với cấu hình điểm – điểm Tùy thuộc vào việc thiết bị của node có được cấp nguồn hay không, cấu hình này có thể được xem là tích cực hoặc thụ động.

- Bước sóng sử dụng trong FTTH

Hình 1.6 Đặc tuyến suy hao trong sợi quang [2]

Hình 1.6 minh họa phổ suy hao trong sợi quang silicat, cho thấy rằng mạng FTTH được triển khai dựa trên ba vùng bước sóng chính: 1310 nm cho truyền dữ liệu tuyến lên, 1490 nm cho tuyến truyền dẫn quang hướng xuống, và 1550 nm cho việc truyền tín hiệu tương tự trên cáp truyền hình CATV.

Topo hình cây trong mạng FTTH dựa trên nền PON

Trong các mạng quang, thường áp dụng topo hình cây với một đường cáp quang nối trực tiếp từ OLT tới bộ chia, sau đó từ bộ chia đến các ONU Kiến trúc này cho phép dễ dàng xác định sự cố mạng nhờ bộ chia tập trung tại một điểm và đảm bảo chất lượng tín hiệu đồng đều giữa các ONU Ngoài ra, nó cũng giúp các ONU chia sẻ OLT một cách công bằng, giảm chi phí thiết bị mạng và giảm tình trạng tắc nghẽn ở OLT so với kết nối điểm-điểm Tuy nhiên, số lượng ONU bị giới hạn bởi suy hao và nhu cầu băng thông của người sử dụng, do đó, dung lượng người sử dụng cần phù hợp với khả năng cung cấp của đường truyền sau bộ chia Topo hình sao với một bộ chia là kiểu phổ biến nhờ khả năng chuyển đổi linh hoạt từ công nghệ băng hẹp lên băng rộng.

Mạng PON topo hình sao cho phép cung cấp dịch vụ 2 Mbps cho mỗi khách hàng và dễ dàng mở rộng bằng cách thêm bộ chia và OLT khi số lượng khách hàng tăng lên Với khả năng linh hoạt trong việc phân phối cổng vào và ra, nhà cung cấp có thể sử dụng bộ chia quang thụ động để điều chỉnh số lượng cổng phát và thu Tuy nhiên, nhược điểm của topo hình sao là chỉ hỗ trợ kỹ thuật đa truy cập TDMA, dẫn đến việc phân bổ khe thời gian động cho mỗi ONU để tránh xung đột dữ liệu Độ tin cậy của mạng cũng thấp, vì sự cố tại tổng đài CO có thể gây ra sự cố toàn mạng, và các lỗi tại bộ khuếch đại hoặc node cũng ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ Hơn nữa, giới hạn tại các kết nối sau bộ chia làm giảm tốc độ của khách hàng, ảnh hưởng đến khả năng tận dụng băng thông của mạng.

Kết luận chương

Chương này trình bày các hình thức truy nhập sợi quang như FTTH, FTTC và FTTB, với trọng tâm là công nghệ FTTH, bao gồm kiến trúc mạng và các đặc điểm, tiện ích của nó So sánh giữa FTTH và ADSL giúp người dùng hiểu rõ ưu nhược điểm của từng công nghệ, từ đó lựa chọn giải pháp phù hợp với nhu cầu cá nhân Bên cạnh đó, chương cũng nêu rõ sự phát triển mạnh mẽ của FTTH trên toàn cầu và tại Việt Nam thông qua các số liệu cụ thể Cuối cùng, chương này mở rộng đến các phương pháp triển khai mạng FTTH, bao gồm cấu hình điểm - điểm P2P và điểm - đa điểm P2MP, đồng thời giới thiệu các công nghệ triển khai như AON và PON sẽ được thảo luận ở chương tiếp theo.

MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON, XÂY DỰNG CẤU HÌNH MẠNG FTTH TRÊN NỀN PON

Giới thiệu chương

Chương này tổng quan về FTTH như một giải pháp lý tưởng thay thế mạng cáp đồng, cung cấp dịch vụ thoại, hình ảnh và truy cập dữ liệu tốc độ cao Công nghệ PON mang lại tiềm năng lớn cho việc triển khai dịch vụ băng rộng, dần thay thế các dịch vụ mạng truy cập cáp đồng có băng thông thấp Mạng truy cập quang thụ động WDM-PON được xem là giải pháp tương lai cho TSM-PON, hứa hẹn sẽ cải thiện mạng quang FTTH trong thời gian tới.

Công nghệ AON

AON có cấu trúc điểm – điểm, cho phép kết nối trực tiếp giữa khách hàng và CO qua một sợi quang Các yêu cầu kết nối từ khách hàng được định tuyến qua router, switch và multiplexer tại CO trước khi chuyển ra mạng dịch vụ bên ngoài.

AON sử dụng bước sóng 1550 nm để truyền tín hiệu từ trung tâm điều hành (CO) đến khách hàng, trong khi bước sóng 1310 nm được dùng để truyền tín hiệu ngược lại từ khách hàng về CO.

Một cấu trúc AON đơn giản được thể hiện trong hình 2.1

Hình 2.1 Cấu trúc AON đơn giản

Mạng AON yêu cầu sử dụng các thiết bị chủ động cần nguồn điện và có chi phí đầu tư cao do tốc độ chuyển mạch nhanh, điều này khiến việc triển khai đại trà cho mạng truy cập trở nên không khả thi.

Việc xử lý đồng thời các yêu cầu truy cập của người dùng và phân tích dữ liệu từ dịch vụ bên ngoài có thể dẫn đến quá tải tại OLT của CO Để ngăn chặn xung đột tín hiệu giữa nhà cung cấp và người dùng, cần thiết phải sử dụng thiết bị điện đệm Kể từ năm 2007, mạng cáp quang Ethernet tích cực (Active Ethernet) đã ra đời, đánh dấu bước đầu tiên cho sự phát triển của chuẩn 802.3ah trong hệ thống chuẩn 802.3, được gọi là Ethernet in First Mile (EFM) Mạng Ethernet tích cực này áp dụng chuyển mạch Ethernet quang để phân phối tín hiệu, tạo điều kiện cho cả nhà cung cấp và khách hàng tham gia vào một kiến trúc mạng chuyển mạch Ethernet.

Các switch Ethernet giúp giảm thiểu xung đột tín hiệu tại CO và cần nguồn điện để hoạt động Quá trình chuyển mạch diễn ra dựa trên lớp 2 và lớp 3 của cấu trúc khung Ethernet Mạng AON có thể được minh họa qua hình 2.2.

Hình 2.2 Cấu trúc AON Ethernet

Công nghệ PON

PON, viết tắt của Passive Optical Network, là công nghệ mạng quang thụ động, giúp cải thiện kết nối giữa các node mạng truy nhập của nhà cung cấp dịch vụ và người dùng Công nghệ PON lần đầu tiên được biết đến qua TPON (Telephony PON) vào những năm 90, sau đó là BPON (Broadband PON) vào năm 1998, được chuẩn hóa trên nền tảng ATM Năm 2003 và 2004, hai công nghệ Ethernet PON (EPON) và Gigabit PON (GPON) ra đời, mở ra cơ hội mới cho các nhà cung cấp dịch vụ trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến truy cập băng thông rộng Gần đây nhất, WDM PON (Wavelength Division Multiplexer PON) đã gia nhập vào gia đình công nghệ PON.

Trong công nghệ PON, các thành phần active giữa tổng đài CO và người sử dụng được thay thế bằng các thiết bị quang thụ động, giúp điều hướng traffic mạng thông qua việc phân chia năng lượng tới các điểm cuối Công nghệ này được gọi là mạng quang thụ động PON sử dụng phương pháp truy cập phân chia theo thời gian TDMA, trong đó các người dùng được phân biệt bằng các khe thời gian tương ứng với yêu cầu truy cập của họ.

Hệ thống PON là một phần quan trọng trong mạng truyền dẫn, thuộc loại mạng truy nhập quang, hỗ trợ kết nối đến khách hàng và được triển khai gần đầu cuối với quy mô lớn Mạng truy nhập có nhiều dạng khác nhau, trong đó PON nổi bật nhờ khả năng cung cấp băng thông gần như không giới hạn so với mạng cáp đồng truyền thống Việc phát triển sợi quang tới tận nhà thuê bao sẽ là xu hướng chính trong tương lai.

2.3.2 Đặc điểm chính của PON Đặc trưng của hệ thống PON là thiết bị thụ động phân phối sợi quang đến từng nhà thuê bao sử dụng bộ chia splitter có thể lên tới 1:128

+ PON hỗ trợ giao thức ATM, Ethernet và các dịch vụ voice, data và video tốc độ cao như HDTV, hội nghị truyền hình, trò chơi tương tác…

+ Trong hệ thống PON băng thông được chia sẻ cho nhiều khách hàng điều này sẽ làm giảm chi phí cho khách hàng sử dụng

Khả năng tận dụng các công nghệ truyền dẫn như TDMA, CDMA, WDM và ghép kênh phân chia theo dải tần giúp cung cấp băng thông động, từ đó giảm thiểu số lượng cáp quang cần thiết cho kết nối giữa OLT và Splitter.

PON hỗ trợ truyền dẫn hai chiều qua hai sợi quang và trên cùng một sợi quang, đồng thời có khả năng hoạt động với các cấu trúc mạng như hình cây, sao, bus và ring.

Thành phần cơ bản của mạng quang thụ động PON

Mô hình hệ thống mạng PON bao gồm các thiết bị kết cuối OLT tại trạm trung tâm và các thiết bị ONU ở phía người sử dụng Giữa OLT và ONU là hệ thống phân phối mạng quang ODN, bao gồm cáp quang và các thiết bị ghép/tách thụ động.

Mô hình hệ thống mạng PON cho thấy cách OLT kết nối với các mạng dịch vụ, cụ thể là kết nối OLT đến mạng lõi/metro qua giao diện như được trình bày trong hình 2.4.

Hình 2.4 Giao diện kết nối OLT đến mạng lõi và ONU tới khách hàng [2] + V5: giao tiếp này nối đến mạng PSTN/ISDN

+ E1: giao tiếp với mạng DDN

+ FE/GE và ATM: giao tiếp với mạng IP/ATM

Giao diện kết nối đến các thiết bị của khách hàng gồm có các loại sau (hình 2.4):

POTS (Plain Old Telephone Service) là hệ thống điện thoại tương tự, truyền tín hiệu qua mỗi cặp dây, với mỗi tín hiệu được coi là một kênh Sử dụng POTS kết hợp với modem cho phép truyền tải tín hiệu tương tự với tốc độ 64kbit/s Mặc dù modem và đường dây điện thoại truyền thống phù hợp cho việc sử dụng Internet để gửi email, nhưng việc gửi và nhận khối lượng dữ liệu lớn sẽ tốn nhiều thời gian.

Dịch vụ POTS có những đặc điểm sau đây:

+ Các đường dây hiện thời chỉ sử dụng hai cặp dây xoắn

+ Tín hiệu trên cáp nối chặng cuối là tín hiệu tương tự

Modem là thiết bị cần thiết để chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự Công nghệ xDSL cung cấp kết nối băng thông cao, với tốc độ tối đa lên đến 50Mbps Để đạt được hiệu suất tối ưu, khoảng cách cáp đồng nên khoảng 500m, và có thể kéo dài tối đa đến 1000m.

FE (Fast Ethernet): cung cấp các dịch vụ tốc độ lên tới 100Mbps cho khách hàng

2B+D là một dịch vụ cung cấp 2 kênh B với tốc độ 64 kbps mỗi kênh, phục vụ cho thoại, fax, truyền dữ liệu và truy cập Internet Đồng thời, dịch vụ này còn bao gồm 1 kênh D với tốc độ 16 kbps, được sử dụng để truyền tín hiệu điều khiển.

V.24/V.35: nối vào các thiết bị

2.4.2 OLT Đặt ở trung tâm chuyển mạch (CO – Central Office) có nhiệm vụ giao tiếp với các mạng dịch vụ và kết nối các yêu cầu truy nhập của người dùng ra các mạng này

Chức năng chính của hệ thống là truyền dữ liệu từ mạng dịch vụ đến người dùng, đồng thời thực hiện việc phân phối dữ liệu Hệ thống cũng đảm nhận việc ghép kênh các dữ liệu của người dùng trước khi gửi đến các mạng dịch vụ.

Dung lượng phục vụ của một ONT phụ thuộc vào số lượng card hướng xuống mà nó có Cụ thể, nếu mỗi ONT có X card và mỗi card có Y port, cùng với tỷ lệ Splitter là 1:N, thì số thuê bao (số kết nối giữa ONT và OLT) sẽ được tính toán dựa trên các yếu tố này.

Số thuê bao được tính theo công thức: Số thuê bao = X x Y x N Chẳng hạn, thiết bị P-OLT 7432 của Alcatel có 14 card hướng xuống, mỗi card có 4 port, và tỉ lệ Splitter là 1:64, do đó số ONT có thể phục vụ lên đến 14 x 4 x 64 = 3584 ONT.

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.

Trong OLT, các chức năng quan trọng bao gồm port dịch vụ, ghép kênh, kết nối chéo, giao diện kết nối, chức năng vận hành bảo dưỡng OAM và chức năng cấp nguồn.

Sơ đồ khối chức năng của OLT được mô tả ở hình 2.5

Hình 2.5 Các khối chức năng OLT [5]

Một OLT có thể được chia làm 3 phần: phần lõi, phần dịch vụ và phần chung a Phần lõi OLT

Phần lõi OLT bao gồm:

Chức năng kết nối chéo được số hóa cung cấp các kết nối giữa phần mạng lõi/metro với phần mạng phối quang ODN

Chức năng ghép kênh truyền dẫn trong mạng phối quang ODN đảm bảo việc truyền và ghép các kênh hiệu quả Cụ thể, dữ liệu từ mạng lõi/metro được truyền đến mạng phối quang ODN, trong khi dữ liệu ngược lại cần được ghép kênh trước khi chuyển tiếp đến mạng lõi/metro.

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 quản lý quá trình chuyển đổi giữa quang và điện, đồng thời hỗ trợ cơ chế chuyển mạch bảo vệ và xử lý thiết bị thụ động splitter Tại OLT, các chức năng giao diện ODN tương tự như phần mạng phối quang ODN, đảm bảo tính hiệu quả trong việc cung cấp dịch vụ.

Phần dịch vụ OLT có chức năng cung cấp các port dịch vụ, truyền tải ít nhất với tốc độ ISDN và có khả năng cấu hình cho nhiều dịch vụ khác nhau, bao gồm truyền hình độ phân giải cao (HDTV), game online, và truyền dữ liệu Mỗi khối TU (tributary unit) đều cung cấp hai hoặc nhiều port với tốc độ 2 Mbps, tùy thuộc vào cấu hình của từng port Khối TU có thể cấu hình mỗi port để phục vụ cho các dịch vụ khác nhau.

Phần chung của OLT bao gồm các chức năng cấp nguồn và OAM (Quản lý và Bảo trì) Chức năng cấp nguồn chuyển đổi nguồn bên ngoài thành nguồn mong muốn, trong khi OAM cung cấp công cụ để quản lý, điều khiển hoạt động và bảo trì cho toàn bộ OLT Đối với điều khiển nội bộ, một giao diện có thể được cung cấp để thử nghiệm, cùng với giao diện Q3 cho mạng truy cập vào hệ thống đang hoạt động thông qua chức năng sắp xếp.

ONU đặt tại phía khách hàng, ONU cung cấp các phương tiện cần thiết để phân phối các dịch vụ khác nhau được điều khiển bởi OLT

So sánh giữa AON và PON

Phân tích đặc điểm của AON và PON dựa trên các tiêu chí như tốc độ hỗ trợ tối đa, khoảng cách truyền dẫn, số lượng sợi quang sử dụng so với thuê bao, vận hành bảo dưỡng, bảo mật và cung cấp băng thông cho thấy PON được lựa chọn triển khai mạnh mẽ hơn AON Điều này xuất phát từ khả năng tối ưu hóa băng thông, giảm chi phí vận hành và bảo trì, đồng thời nâng cao tính bảo mật và hiệu suất truyền dẫn.

- Xét về khoảng cách truyền dẫn và tốc độ hỗ trợ tối đa

AON hỗ trợ chiều dài tối đa 70 km, trong khi PON chỉ hỗ trợ tối đa 20 km từ OLT đến ONT Tuy nhiên, khi phục vụ cho một khu vực dân cư như thành phố, nhà cung cấp dịch vụ có thể chọn vị trí OLT phù hợp với công nghệ PON Ngoài ra, các nhà cung cấp thường triển khai nhiều CO để mở rộng vùng phục vụ và đảm bảo tính dự phòng, do đó khoảng cách mà PON hỗ trợ hoàn toàn có thể được thực hiện hiệu quả trong thực tế.

+ Về tốc độ hỗ trợ tối đa: Hiện nay AON hỗ trợ tốc độ tối đa từ 100 Mbps –

Mạng PON với chuẩn GPON có khả năng hỗ trợ tốc độ lên tới 2,488 Gbps cho cả hai hướng lên và xuống, vượt trội hơn so với tốc độ 1 Gbps cho mỗi thuê bao ở hướng xuống Điều này đặc biệt hiệu quả khi không sử dụng splitter trong mô hình triển khai point to point.

- Xét về số lượng sợi quang sử dụng với số thuê bao phục vụ

Về số lượng sợi quang sử dụng trong AON nhiều hơn số sợi quang sử dụng trong PON nếu xét về chiều dài với cùng số thuê bao

- Xét về vấn đề bảo dưỡng

Trong hệ thống AON, thiết bị Access node yêu cầu nguồn điện và nhiều sợi quang, do đó cần không gian lớn để chứa cáp khi triển khai Ngược lại, PON chỉ sử dụng một sợi quang từ trung tâm CO, chia sẻ với nhiều thuê bao thông qua thiết bị thụ động splitter, không cần cấp nguồn.

Khi xem xét vấn đề tăng băng thông cho thuê bao, AON cho phép nâng cấp băng thông một cách đơn giản hơn so với PON Cụ thể, việc tăng băng thông cho một thiết bị AON không ảnh hưởng đến băng thông tối đa của các thuê bao khác trong mạng Ngược lại, trong hệ thống PON, khi băng thông của một thiết bị tăng lên, băng thông tối đa cho các thuê bao khác sẽ bị giảm xuống.

Mô hình thiết kế tuyến FTTH

Theo nhiều nghiên cứu, chất lượng tín hiệu tại cuối tuyến ONU được đánh giá qua công suất tín hiệu trên công suất tạp âm (eSNR) hoặc hệ số phẩm chất Q, vì chúng liên quan đến tỷ lệ lỗi bit (BER) Điều này cho thấy rằng công suất đầu vào máy thu chỉ là điều kiện cần thiết để mạng hoạt động, không phải yếu tố quyết định chất lượng tín hiệu.

Trong hệ thống mạng FTTH sử dụng công nghệ PON, để đảm bảo tín hiệu đến đầu thu không bị suy hao, cần thiết phải có bộ khuếch đại trên đường truyền, ngay cả khi khoảng cách giữa các phân đoạn chỉ vài km Để mở rộng mô hình chuẩn ITU-T, đáp ứng nhu cầu truyền dẫn thông tin với tốc độ cao cho các thuê bao, đồ án tốt nghiệp đã lựa chọn hệ thống quang IM-DD (Modulation cường độ - Phát hiện trực tiếp) để phân phối tín hiệu số, kết hợp với các bộ khuếch đại EDFA (Bộ khuếch đại sợi quang được pha tạp Erbium) Từ đó, eSNR của máy thu được xác định dựa trên công thức tổng quát tính tổng công suất nhiễu quang ASE (Bức xạ tự phát được khuếch đại) tại đầu vào của máy thu trong hệ thống.

- Tìm hiểu tổng quát hệ thống IM-DD [5]

Hệ thống IM-DD là hệ thống truyền dẫn thông tin quang điều chế cường độ và tách sóng trực tiếp

Nguồn bức xạ quang, bao gồm Led và Laser, được điều chế trực tiếp từ tín hiệu điện, cho thấy rằng cường độ ánh sáng phát ra phụ thuộc vào tín hiệu điện đầu vào.

Vào đầu mùa thu, tín hiệu quang được chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu ban đầu thông qua phô-tô-điốt (PIN) hoặc phô-tô-điốt thác (APD) Tín hiệu điện thu được tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng tại đầu cuối của sợi quang.

Phương pháp này có tốc độ truyền dẫn không cao, chưa tận dụng hết khả năng của sợi quang Khi tốc độ tăng, độ nhạy của máy thu quang thường giảm Thông tin về pha không quan trọng, khác với hệ thống thông tin quang kết hợp Coherent.

Hệ thống IM-DD, lần đầu tiên được giới thiệu, hiện đang được áp dụng rộng rãi trong mạng quang tại Việt Nam và nhiều quốc gia khác Tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống này hiện nay dao động từ 2,5 đến 10 Gb/s, tương đương với STM-16 đến STM-64.

+ Đặc điểm: Được triển khai đầu tiên vào năm 1978 cho tới nay được ứng dụng trong mọi mạng cáp quang

Tương thích với nhiều loại sợi quang và có thể truyền các loại tín hiệu tương tự, tín hiệu số băng rộng và băng hẹp

Nguyên tắc hoạt động đơn giản, đơn giản trong việc chế tạo, thiết kế hệ thống, duy tu bảo dưỡng vì vậy giá thành rẻ

Do sử dụng một bước sóng trên đường truyền quang nên không tồn tại nhiễu giữa các kênh quang

Hệ thống hiện tại có năng lực hạn chế, với cự ly truyền dẫn chưa xa do công suất nguồn quang còn yếu Tốc độ truyền dẫn cũng chưa đạt yêu cầu cao, chủ yếu do giới hạn ghép kênh ở phía phát, trong đó công nghệ SDH chỉ cho phép truyền dẫn tối đa là STM-64.

Chỉ sử dụng một bước sóng trên sợi quang dẫn đến việc chưa khai thác tối đa băng thông của sợi và chưa tận dụng hết các tham số ánh sáng trong quá trình truyền tin, vì hiện tại chỉ dựa vào cường độ bức xạ.

Tỷ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm (eSNR) trong các hệ thống không đồng bộ thấp hơn so với các hệ thống đồng bộ khi xét cùng các tham số như công suất phát, cự ly, loại sợi quang và PIN.

FTTH được triển khai dựa trên hai loại thiết kế mạng quang: mạng quang thụ động PON và mạng quang chủ động AON Trong chương 1, chúng ta sẽ so sánh những ưu điểm của PON so với AON trong việc triển khai mạng FTTH Do đó, trong đồ án này, chúng tôi quyết định lựa chọn triển khai mạng FTTH dựa trên nền tảng PON.

Trong thi công mạng FTTH dựa trên công nghệ PON, thiết bị thường bị giới hạn bởi các card PON Để đảm bảo hiệu suất, cần lắp đặt bộ khuyếch đại quang nhằm tăng công suất phát của OLT, bù đắp cho suy hao tại bộ chia và suy hao trên tuyến truyền dẫn, ngay cả khi khoảng cách giữa các phân đoạn chỉ vài km do số lượng máy thu quá lớn.

Hình 2.12 Mô hình thiết kế mạng PON theo chuẩn ITU-T [5]

Mô hình thiết kế mạng PON theo chuẩn ITU-T được thể hiện trong Hình 2.1.2, bao gồm các thành phần chính như OLT, bộ chia với tỉ lệ 1:N và các ONU Khoảng cách tối đa từ OLT đến ONU là 12 km.

Các bộ khuếch đại quang có thể lắp đặt rời trên tuyến chẳng hạn ngay sau OLT hay có thể trước bộ chia hoặc cũng có thể trong OLT

Cấu hình FTTH với bộ khuyếch đại trước bộ chia đã được nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu truyền dẫn thông tin khoảng cách lớn và tốc độ bit cao cho các thuê bao Nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết hệ thống IM-DD đã chỉ ra giải pháp mắc chuỗi các EDFA, cho phép truyền dẫn đường dài với tốc độ bit lên đến hàng Gbps.

Với sự gia tăng nhu cầu phát triển các hệ thống IM-DD đường dài có tốc độ bit cao để truyền thông tin qua các tuyến trục và đại dương, hệ thống IM-DD phân phối tín hiệu đến các máy thu tại các thành phố, thị xã, thị trấn, bao gồm nhiều EDFA mắc chuỗi, đã trở thành nhu cầu cấp thiết trong xã hội hiện nay.

- Điểm khác biệt giữa các hệ thống IM-DD truyền dẫn đường dài với các EDFA mắc chuỗi và hệ thống IM-DD phân phối tín hiệu là:

Hệ thống IM-DD phân phối tín hiệu sử dụng bộ chia quang để gửi tín hiệu đến nhiều máy thu, dẫn đến tổn thất công suất lớn trong từng phân đoạn Kết quả là khoảng cách giữa hai bộ khuếch đại EDFA liên tiếp chỉ khoảng vài km Bên cạnh đó, tỷ lệ eSNR của máy thu cuối cùng trong đường dây hầu như không thay đổi.

Xác định eSNR của máy thu trong hệ thống IM-DD phân phối tín hiệu với các EDFA mắc chuỗi

Sơ đồ khối của hệ thống phân phối tín hiệu với các EDFA mắc chuỗi và được đặt ở mỗi phân đoạn được thể hiện trong hình 2.14 sau:

Hình 2.14 Sơ đồ hệ thống IM-DD với các EDFA mắc chuỗi

Cấu hình này gồm có:

Máy phát công suất P TX , k bộ khuyếch đại quang EDFA với các HSKĐ G 1 ,

Trước mỗi EDFA có bộ lọc quang nhằm hạn chế nhiễu quang ASE với các băng thông quang lần lượt là B01, B 02 , B 03 , , B 0k

Tổn hao công suất từ máy phát đến EDFA 1 được ký hiệu là α0, trong khi tổn hao trên các phân đoạn tiếp theo lần lượt là α1, α2, αk Cuối cùng, tổn hao công suất từ đầu ra của bộ EDFA thứ k đến máy thu cuối cùng được xác định là αk-máythu.

Tổn hao công suất từ cuối phân đoạn thứ k đến máy thu cuối cùng là: α s

Trong hệ thống phân phối tín hiệu, công suất tín hiệu quang tại máy thu ở phân đoạn cuối cùng (phân đoạn k) là thấp nhất, trong khi tổng công suất nhiễu quang do phát xạ tự phát ASE lại cao nhất do ảnh hưởng từ tất cả các bộ khuếch đại Kết quả là, eSNR tại máy thu này là thấp nhất so với các máy thu ở vị trí khác trong hệ thống Vì vậy, để đánh giá chất lượng hệ thống, cần xem xét tỷ lệ eSNR của máy thu ở phân đoạn cuối cùng.

2.7.1 Xác định biểu thức tổng quát tính tổng công suất nhiễu quang ASE

Công thức tổng quát, tính công suất nhiễu quang ASE của k bộ khuyếch đại tại đầu vào của máy thu cuối cùng:

Công suất nhiễu quang do bức xạ tự phát ASE tại đầu ra của bộ EDFA thứ j:

Công thức P ASEj = m t n spj hv(G j – 1)B oj mô tả sự phát sinh tiếng ồn ASE trong hệ thống quang Trong đó, mt đại diện cho số mode lan truyền của quá trình phân cực, nspj là hệ số phát xạ tự phát, G j là hệ số khuếch đại (HSKĐ) của EDFA thứ j, và B oj là băng thông quang của bộ lọc quang thứ j.

Trong hệ thống mắc chuỗi các EDFA, công suất nhiễu quang tại đầu ra của mỗi EDFA sẽ suy giảm trong quá trình truyền dẫn giống như tín hiệu, nhưng lại được tích lũy qua các bộ khuyếch đại tiếp theo cho đến máy thu cuối cùng Điều này dẫn đến việc cần xây dựng một công thức tổng quát dựa trên những suy luận này.

Công suất nhiễu ASE tại đầu vào máy thu, ký hiệu là P j ASE (với j=1,2, ,k), do EDFA thứ j gây ra, được tính bằng công suất nhiễu ASE tại đầu ra P ASEj của nó nhân với tích các HSKĐ của các EDFA phía sau và tích các tổn hao trên các phân đoạn EDFA từ thứ j đến máy thu Biểu thức này cho phép xác định công suất nhiễu quang ASE tại đầu vào máy thu do các EDFA tạo ra.

Vậy ta có, tổng công suất nhiễu ASE tại đầu vào của máy thu cuối cùng:

Từ biểu thức tổng quát (2.3), ta có thể xác định tổng công suất nhiễu ASE tại đầu vào của máy thu cuối cùng, do k bộ EDFA mắc chuỗi trong mảng tạo ra.

Biểu thức (2.4) cho phép tính tổng công suất ASE đến một máy thu trong hệ thống ở phân đoạn p (p≤k), tương ứng với p bộ khuếch đại EDFA từ nguồn phát Để thực hiện, chỉ cần thay k=p và α k-máythu =α p-máythu, phản ánh tổn hao công suất từ đầu ra EDFA thứ p đến máy thu Do đó, tổng công suất nhiễu quang ASE tại đầu vào của máy thu trong phân đoạn p được xác định.

Để đơn giản hóa quá trình tính toán trong mô phỏng đồ án tốt nghiệp, giả thiết k bộ khuếch đại EDFA được mắc chuỗi với khoảng cách đều nhau và có cùng tổn hao α giữa các EDFA liên tiếp, với các EDFA giống nhau: α = α1 = α2 = αk Hệ số khuếch đại G được điều chỉnh đúng bằng tổn hao α (αG = 1) Các bộ lọc quang có băng thông đồng nhất được bố trí ở đầu ra của EDFA nhằm hạn chế nhiễu quang ASE Do đó, tổng công suất nhiễu quang ASE tại đầu vào của máy thu cuối cùng có thể được xác định một cách đơn giản.

  α k-máythu = kP ASE = m t α k-máythu kn sp hv(G – 1)B o

Vậy biểu thức (2.6) có thể viết thành :

  α k-máythu = kP ASE = m t α s kn sp hv B o (2.7)

2.7.2 Xác định biểu thức eSNR cho hệ thống IM-DD có các EDFA mắc chuỗi

Trong miền điện bộ thu quang, các thông số thiết kế hệ thống cần được xem xét kỹ lưỡng Trong giai đoạn này, hệ thống phải đối mặt với nhiều loại nhiễu khác nhau, ảnh hưởng đến độ nhạy thu và tỷ lệ lỗi bit (BER) tại đầu thu.

Nhiễu lượng tử xuất phát từ sự không chắc chắn về thời gian đến của các điện tử hoặc photon tại bộ tách sóng Cả tín hiệu từ Laser phát và nhiễu phát xạ tự phát (ASE) đều góp phần vào nhiễu lượng tử Do đó, nhiễu lượng tử trong tín hiệu bao gồm cả nhiễu từ tín hiệu chính và nhiễu phát xạ tự phát tích lũy trên đường truyền.

Như vậy, nếu gọi m t là số mode phân cực của bộ khuếch đại quang (nó bằng

2 đối với EDFA) thì dòng photon trung bình của nhiễu lượng tử cho bộ thu quang được xác định: I sh = I s + m t * I sp (2.8)

Với: I s là dòng photon tín hiệu trung bình, I sp là dòng nhiễu lượng tử tại bộ thu quang

Từ (2.8) ta có thể suy ra công suất nhiễu lượng tử tại bộ thu quang: σ 2 sh B e (I s +m t I sp ) (2.9)

Nhiễu phách tín hiệu tự phát được hình thành do sự giao thoa giữa tín hiệu quang và bức xạ tự phát khuếch đại ASE, dẫn đến dòng điện cường độ Hiện tượng này tương tự như việc hai tần số giao thoa để phát ra một tần số khác Sự tích trộn này phụ thuộc vào phân cực, do đó tín hiệu chỉ phách với các thành phần ASE có cùng phân cực Tuy nhiên, do ASE thường không phân cực tín hiệu, chỉ có một nửa trong số đó tham gia vào mật độ nhiễu phách tín hiệu tự phát.

Nhiễu phách tự phát là hiện tượng xảy ra giữa các thành phần phổ khác nhau của bức xạ tự phát ASE, dẫn đến nhiễu cường độ Mỗi cặp thành phần phổ ASE phát ra một tone phách cường độ tại tần số riêng của nó, do đó toàn bộ phổ ASE đều góp phần vào nhiễu phách cường độ tự phát Đối với nhiễu phách tín hiệu-tự phát, công thức được biểu diễn là σ² s-sp = 4 e s sp o.

B   (2.10) Đối với nhiễu phách tự phát-tự phát: σ 2 sp-sp =2 2 2

Băng tần điện của hệ thống được ký hiệu là B e, trong khi băng tần quang là B o Nhiễu nhiệt, hay còn gọi là nhiễu Johnson hoặc nhiễu Nyquist, phát sinh từ chuyển động ngẫu nhiên của các điện tử tại một nhiệt độ nhất định Trong bộ thu photodiode PIN, nhiễu nhiệt thường là dạng nhiễu chiếm ưu thế Do đó, dòng nhiễu nhiệt được xem là biểu hiện của nhiễu bộ thu, được tính theo công thức: σ 2 T = 4 e B.

R (2.12) Với k B là hằng số Boltzan, T là nhiệt độ tuyệt đối, R L là điện trở tải, B e là băng tần điện của bộ thu

Nhiễu dòng tối trong photodiode liên quan đến điện tử và lỗ trống được sinh ra do nhiệt tại mối nối p-n Chúng di chuyển theo điện áp phân cực bên ngoài, tạo ra dòng tối khi không có ánh sáng tác động Trong hệ thống thông tin quang, nhiễu dòng tối ở các EDFA mắc chuỗi thường rất nhỏ và có thể được bỏ qua.

Từ các loại nhiễu đã phân tích ở trên ta có thể rút ra công thức tính tổng nhiễu của bộ tách sóng: σ 2 Total = σ 2 sh + σ 2 s-sp + σ 2 sp-sp + σ 2 T

Qua quá trình tính toán và tham khảo nhiều nghiên cứu, chúng ta nhận thấy rằng nhiễu lượng tử là rất nhỏ ở mọi giá trị độ khuếch đại G, ngay cả khi bơm hai bước sóng 980 nm và 1480 nm Do đó, trong việc xem xét nhiễu tổng của quá trình tách sóng quang PIN trong bộ thu quang, nhiễu lượng tử có thể được bỏ qua Cuối cùng, công thức tổng quát cho tổng công suất nhiễu được xác định là: σ² Total = 4 e s sp o.

P Noise∑ = σ 2 Total R L Mặt khác, ta có công suất của tín hiệu với điện trở tải R L là:

S signal = R I L 2 s = R R P L 2 2 s (2.15) Với R là hệ số chuyển đổi quang điện của photodiode:

Từ (2.14) và (2.15) ta rút ra tỉ lệ công suất tín hiệu trên tổng công suất nhiễu điện cho bộ thu: eSNR 2 2

Thay I s  RP s và I sp  RP ASE  vào (3.16) ta được : eSNR 2

Giới thiệu cấu hình mạng

Để cải thiện khoảng cách truyền dẫn và tăng tốc độ bit cho số lượng thuê bao lớn trong thị trấn, đồ án tốt nghiệp đã đề xuất một số giải pháp dựa trên kết quả khảo sát và tính toán cho mạng phân phối, bao gồm việc sử dụng các bộ khuếch đại EDFA mắc chuỗi.

Trên mỗi phân đoạn của từng nhánh trong thị trấn, cần lắp đặt bộ EDFA với HSKĐ bằng suy hao α trên phân đoạn đó, tức là αG=1 (lần) Việc tính toán G một cách hợp lý và chính xác giúp hạn chế nhiễu từ phát xạ tự phát tại các máy thu Hệ số G này thể hiện độ lệch công suất giữa hai máy thu ở đầu và cuối mỗi phân đoạn, với độ lệch nhỏ nhằm giảm yêu cầu về dải động cho các máy thu Khi chọn αG=1 (lần), công suất tín hiệu đến các máy thu ở các vị trí tương ứng trên từng phân đoạn sẽ đồng nhất, bất kể khoảng cách từ đài phát Đây là yếu tố quan trọng giúp tăng số lượng thuê bao theo nhu cầu.

Trên cơ sở những số liệu phân tích trên nên đồ án tốt nghiệp lựa chọn phương án thiết kế:

+ Chọn khoảng cách giữa hai trạm trung gian (trên thực tế là hộp số tập trung thuê bao hay là bộ chia quang) là 200m

Mỗi trạm trung gian được trang bị bộ chia quang hình sao, một dạng của bộ chia quang hình cây, nhằm cung cấp tín hiệu trực tiếp đến các thuê bao lân cận.

Theo quy định thiết kế mạng PON của ITU-T cho triển khai FTTH, tổng chiều dài trên một nhánh (khối phố) không được vượt quá 12 km Điều này có nghĩa là dây quang sẽ được kéo từ tổng đài dọc theo hành lang đường, đi qua các hộp số và bộ chia quang, đến nhà thuê bao xa nhất trong hệ thống, đảm bảo không vượt quá khoảng cách tối đa này.

Chúng tôi chia nhánh (khối phố) thành hai phân đoạn đầu và cuối nhằm tối ưu hóa việc triển khai mạng FTTH và đảm bảo tốc độ truyền dẫn thiết kế Mỗi phân đoạn có tổng chiều dài 2 km, sử dụng sợi bù tán sắc để duy trì tốc độ truyền dẫn cho sợi quang đơn mode SMF Dựa trên các phân tích này, thiết kế sẽ xác định tốc độ bit ban đầu truyền đến các thuê bao trong thị trấn.

Home ONU bộ chia bộ chia

Phân đoạn đầu 2000 m Phân đoạn cuối 2000 m

Hình 2.14 Sơ đồ khối một nhánh hình tia của mạng phân phối

Mạng IM-DD phân phối có thể chia làm ba phần gồm phần phát, phần thu và phần phân phối

Từ phần phát, tín hiệu được biến đổi điện thành quang rồi được truyền đến mạng cáp quang với cấu trúc hình tia nhiều nhánh

Mỗi nhánh bao gồm nhiều phân đoạn, và trên mỗi phân đoạn có nhiều bộ chia quang Các bộ chia quang này hoạt động như những trạm trung gian, giúp phân phối tín hiệu trực tiếp đến máy thu.

Kết luận chương

Công nghệ PON mang lại lợi thế lớn trong việc phát triển và triển khai các dịch vụ băng thông rộng, chất lượng cao, dần thay thế các hệ thống mạng cáp đồng có băng thông hẹp và chất lượng thấp Tuy nhiên, chi phí xây dựng cao và khó khăn trong việc triển khai tại địa hình phức tạp là những thách thức cần đối mặt Việc xác định yếu tố eSNR ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu của thuê bao và sử dụng EDFA để khuếch đại tín hiệu là rất quan trọng Chúng ta sẽ nghiên cứu sơ đồ tổng thể mạng PON theo tiêu chuẩn ITU-T để hình dung cách triển khai OLT, các bộ chia quang, sợi quang, bộ lặp loop và bộ thu ONU Đồng thời, cần phân tích ảnh hưởng của tổng công suất nhiễu phát xạ quang ASE đến suy hao tín hiệu trong hệ thống FTTH để thiết lập thông số trong mô phỏng Cuối cùng, việc xác định công thức tỷ lệ eSNR sẽ giúp tính toán công suất máy thu trong hệ thống mạng FTTH, đồng thời cung cấp cái nhìn tổng quát về hệ thống IM-DD phân phối tín hiệu với các EDFA mắc chuỗi.

THIẾT KẾ TUYẾN QUANG FTTH CHO CÁC THUÊ BAO TẠI THỊ TRẤN ANH SƠN