TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP QUANG BĂNG RỘNG Đề tài Công nghệ mạng WDMPON

Phân loại mạng PON Hiện nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, chúng ta có 3 loại mạng PON sau: - TDM-PON: Là mạng quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian, là p

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-o0o -TIỂU LUẬN

CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP QUANG BĂNG RỘNG

Đề tài: Công nghệ mạng WDM-PON

Giảng viên: ThS Lê Thanh Thủy Nhóm tiểu luận: 01

Sinh viên: Đặng Anh Lâm- B17DCVT200

Nguyễn Đoàn Xuân Hào- B17DCVT120

Đỗ Đại Dương- B17DCVT088

Đỗ Tiến Toàn- B17DCVT360 Phan Tuấn Thành- B17DCVT336

Đỗ Trung Hiếu- B17DCVT128

Hà Nội- 10/2021

Mục Lục

I TỔNG QUANG VỀ MẠNG PON 2

1 Khái niệm mạng PON 2

2 Mô hình đặc trưng 2

3 Các thành phần chính của mạng PON 3

4 Phân loại mạng PON 3

II Khái quát về WDMA-PON 4

III Đặc điểm của mạng WDM-PON 6

1 Mô hình hệ thống WDM-PON 6

2 Các kiến trúc WDM-PON 7

a PON hỗn hợp (CPON) 8

b Kiến trúc WDM-PON cho RITENET 9

IV Ưu điểm của WDM-PON 10

V Hạn chế và giải pháp khắc phục 11

1 Hạn chế 11

2 Một số giải pháp đã được đề xuất để tạo ra được ‘colorless ONU’: 12

VI ỨNG DỤNG CỦA WDM-PON 14

KẾT LUẬN 15

Danh mục hình vẽ: Hình 1: Mô hình tham chiếu cơ bản của mạng PON……… 2

Hình 2: Kiến trúc mạng WDM-PON……….5

Hình 3: Mô hình tổng quát của một hệ thống WDM-PON……….6

Hình 4: Kiến trúc cơ bản của WDM-PON……….7

Hình 5: Kiến trúc PON hỗn hợp……… 8

Hình 6: Kiến trúc của RITENET……… 9

Hình 7: Minh họa sử dụng RSOA kết hợp với bô điều chế……… 13

I TỔNG QUANG VỀ MẠNG PON

1 Khái niệm mạng PON

Ra đời vào những năm 90 PON là viết tắt của Passive Optical Network hay tiếng Việt còn gọi là mạng quang thụ động

Công nghệ mạng quang thụ động PON còn được hiểu là mạng công nghệ quang truy nhập giúp tăng cường kết nối giữa các nốt mạng truy nhập giữa nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng.

Mạng thường được đặt gần đầu cuối khách hàng và triển khai với số lượng lớn.

2 Mô hình đặc trưng

Hình 1: Mô hình tham chiếu cơ bản của mạng PON

Trong đó:

- ONU: Đơn vị mạng quang

- ONT: Kết cuối mạng quang

- OLT: Đầu cuối mạng quang

- ODN: Mạng phân phối quang

- S: Điểm truy nhập quang phía mạng

- R: Điểm truy nhập quang phía thiết bị

(T) Điểm tham chiếu UNI (V) Điểm tham chiếu SNI

Điểm tham chiếu

(a) Điểm tham chiếu

Nút dịch vụ OLT

ONU

AF

ODN

ONU

Phía thuê bao Phía mạng

- AF: Chức năng tương thích

- UNI: Giao tiếp mạng người dùng

- SNI: Giao tiếp nút dịch vụ

- Q: Điểm tham chiếu mạng của mạng quản lý

3 Các thành phần chính của mạng PON

Sợi quang và cáp quang: PON là mạng quang thụ động nên không thể thiếu sợi quang và cáp quang Nó đóng vai trò là môi trường truyền dẫn thông tin trong mạng.

Bộ tách/ghép quang ( Coupler quang): Có chức năng tách tín hiệu quang từ nhiều sợi sang một sợi nhất định và ngược lại Các loại coupler thường dùng là coupler X, coupler Y và coupler 2x2 lý tưởng (3dB) Đầu cuối đường quang (OLT): Quản lý tất cả các hoạt động của PON Đơn vị mạng quang (ONU): Cung cấp các phương tiện cần thiết để phân phối các dịch vụ khác nhau được điều khiển bởi OLT.

ODN: Cung cấp phương tiện truyền dẫn quang cho kết nối vật lý giữa OLT và ONU Các ODN có thể được kết hợp và mở rộng nhờ các bộ khuếch đại quang.

4 Phân loại mạng PON

Hiện nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, chúng ta có 3 loại mạng PON sau:

- TDM-PON: Là mạng quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian, là phương pháp được ưu tiên việc hiện nay cho việc chia sẻ kênh quang trong mạng truy cập khi mà nó cho phép một bước sóng đơn ở hướng lên và bộ thu phát đơn ở OLT đã làm cho giải pháp này có ưu thế hơn về chi phí đầu tư

- CDMA-PON: Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA cũng có thể triển khai trong các ứng dụng PON CDMA-PON truyền tải các tín hiệu khách hàng với nhiều phổ tần truyền dẫn, trải trên cùng một kênh thông tin Ưu điểm chính của CDMA-PON là cho phép truyền tải lưu lượng cao và có tính năng bảo mật nổi trội so các chuẩn PON khác Tuy nhiên, một trở ngại lớn trong CDMA-PON là các bộ khuếch đại quang đòi hỏi phải được thiết kế sao cho đảm bảo tương ứng với tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N).

- WDM-PON: Là mạng quang thụ động ra đời sau cùng và cũng là chủ

để chính của bài tiểu luận, WDM-PON sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng OLT sử dụng một bước sóng riêng rẽ để thông tin với mỗi ONT theo dạng điểm điểm Mỗi một ONU có một

bộ lọc quang để lựa chọn bước sóng tương thích với nó, OLT cũng có một bộ lọc cho mỗi ONU Cũng giống như CDMA-PON, WDM-PON cho phép mỗi ONU sử dụng khuôn dạng và tốc độ dữ liệu khác nhau tương ứng với các nhu cầu của khách hàng WDM-PON cũng có thể kết hợp với CDMA để tăng dung lượng băng thông.

II Khái quát về WDM-PON

Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network (WDM-PON) là mạng quang thụ động sử dụng phương thức đa ghép kênh phân chia theo bước sóng, sử dụng các bộ ghép sóng WDM thụ động.

Trong công nghệ WDM-PON,sử dụng công nghệ WDM thay cho công nghệ TDMA để thực hiện ghép kênh tín hiệu của các thuê bao vào mạng PON.Với WDM-PON, OLT sẽ sử dụng riêng biệt từng cặp bước sóng trong đó 1 bước sóng cho truyền dẫn đường hướng lên và một bước sóng cho truyền dẫn hướng xuống để kết nối với mỗi ONU về mặt logic giống như kết nối điểm-điểm,phần mạng ODN sẽ sử dụng các bộ ghép kênh WDM thay cho các bộ chia quang, do đó mỗi ONU chỉ nhận đúng bước sóng được dành riêng cho ONU đó.

Vì băng thông của mỗi bước sóng không bị chia sẻ cho nhiều thuê bao nên WDM-PON cho phép mỗi thuê bao được sử dụng băng thông rất lớn

và không phụ thuộc vào dạng tín hiệu của thuê bao tại ONU.

Việc sử dụng WDM được xem là công nghệ quan trọng và hiệu quả nhất cho đường truyền dẫn Với công nghệ WDM, nhiều kênh quang, thậm chí tới hàng ngàn kênh quang, truyền đồng thời trên một sợi, trong

đó mỗi kênh quang tương ứng một hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ nhiều Gbps.

Lưới bước sóng CWDM có khoảng cách 20nm giữa các kênh bước sóng, với DWDM khoảng cách giữa cấc kênh thường được tính theo tần

số thay cho bươc sóng, khoảng cách kênh 50GHz và 100GHz.

Hình 2: Kiến trúc mạng WDM-PON

Nếu toàn bộ dải bươc sóng dùng các kênh có khoảng cách 50 GHz thì

sẽ có 1000 kênh bước sóng.tuy nhiên chỉ có vùng bước sóng 1539-1582nm là vùng thích hợp nhất cho truyền dẫn hướng lên vì vùng này có suy hao thấp, công nghệ quang ở vùng bước sóng này cũng đã rất phát triển,và hơn nữa, vùng này thích hợp cho việc sử dụng EDFA

Khi sử dụng công nghệ DWDM cần phải lưu ý rằng bước sóng phát ra của laser thay đổi theo nhiệt độ Để duy trì bước sóng phát ra của laser nằm trong giới hạn của kênh cần phải sử dụng các phần tử làm mát để ổn định nhiệt độ cho laser Đổi với các laser ở OLT, ổn định nhiệt độ khong phải là vấn đề vì các OLT thường được đặt tại trạm trung tâm nên mức độ dao động nhiệt độ tại đây không nhiều Hơn nữa đường xuống cũng cần nhiều băng thông hơn nên công nghệ DWDM sẽ được lựa chọn cho tín hiệu đường xuống.Với các thiết bị ONU Do các thiết bị này nằm ở mạng ngoại vi nên các nguồn laser tại ONU sẽ chịu tác động của thay đổi nhiệt

độ khá lớn Ổn nhiệt cho các nguồn laser này sẽ cần chi phí khá lớn.Để giảm bớt chi phí ,công nghệ CWDM sẽ được dùng cho tín hiệu đường lên (vì CWDM sẽ cho phép mức độ dao động bước sóng lớn hơn DWDM) Tuy nhiên với CWDM lưới bước sóng được quy định trong ITU chỉ gồm

18 bước sóng trong dải bước sóng từ 1271nm đến 1611nm với khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 20nm như vậy nếu dùng CWDM cho đường lên, mạng WDMA-PON sẽ chỉ có tối đa 18 ONUs được phục vụ.

III Đặc điểm của mạng WDM-PON

1 Mô hình hệ thống WDM-PON

Hình 3: Mô hình tổng quát của một hệ thống WDM-PON

Hình 3 cho ta thấy mô hình tổng quát của một hệ thống WDM-PON CO (Center Office) chứa nhiều bộ thu phát tại những cửa sổ bước sóng khác nhau cùng với mỗi cửa sổ bước sóng ở phía thu tạo ra một tuyến đường dành riêng hoặc một kênh cho một người dùng riêng biệt bằng việc thông qua lựa chọn của sổ bước sóng và phụ thuộc vào các yếu tố tại các RN Việc lựa chọn của sổ bước sóng cũng có thể đạt được bằng cách lọc từ phía người dùng Kết nối ở luồng lên được sử dụng tương tự để dành riêng cho một kênh bước sóng Cùng với kiến trúc này, các bộ thu phát tại OLT và ONU cần hoạt động tại tốc độ dữ liệu trực tiếp từ phía người dùng Tuy nhiên, những ưu điểm trên đi cùng với những thách thức bởi các thiết bị thu phát tại các điểm cuối, điển hình là RN Khối tách/ghép của sổ bước sóng MUX, DEMUX được thực hiện tại ODN

Tại luồng xuống của WDM-PON, trên hình 2.1, các kênh bước sóng được truyền từ OLT đến ONU bằng bộ ghép kênh AWG trong đó AWG là một thiết bị quang thụ động thể hiện đặc tính tuần hoàn

Dành cho luồng lên, OLT sử dụng một bộ phân kênh cho các tín hiệu thu được từ luồng lên Mỗi ONU được trang bị với một bộ thu và

bộ phát để thu hoặc truyền tín hiệu với các bước sóng tương ứng của

nó

WDM-PON được xây dựng dựa trên tính độc lập của các cửa sổ bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang Mỗi một ONU riêng biệt trong hệ thống WDM-PON được cấp tài nguyên băng rộng trên một bước sóng.

2 Các kiến trúc WDM-PON

WDM được đề xuất như một phương pháp đối với đa truy nhập Các sóng mang quang khác nhau được sử dụng để cấp phát cho những ONU khác nhau Hệ thống WDM được thiết kế để đưa ra giải pháp cho sợi quang được sử dụng cho mỗi ONU, mỗi ONU sẽ nhận được thông tin chỉ dành riêng cho nó Việc nâng cấp mạng trong tương lai có thể được thực hiện một cách đơn giản và có ưu điểm là tín hiệu riêng tư và phát hiện sự cố dễ dàng hơn

Hình 4: Kiến trúc cơ bản của WDM-PON

 Đầu cuối đường quang OLT

 OLT sử dụng một bước sóng riêng rẽ để thông tin với mỗi ONT theo dạng điểm điểm

 Khối mạng quang ONU/ONT

 Mỗi một ONU có một bộ lọc quang để lựa chọn bước sóng tương thích với nó, OLT cũng có một bộ lọc cho mỗi ONU

 Mạng phân phối quang ODN

 Bộ tách/ghép quang

 Mạng cáp quang thuê bao

a PON hỗn hợp (CPON)

Để giải quyết giới hạn mở rộng của PON truyền thống, một kiến trúc WDM-PON sớm nhất được đề xuất dựa trên hoạt động của AWG tận dụng WDM trong băng tần 1550-nm luồng xuống và bước sóng luồng lên trong băng 1300-nm kết hợp TDMA Trong khi một phiên bản thiết kế trước của kiến trúc

này sử dụng các sợi quang riêng biệt cho luồng lên và luồng xuống , trong kiến trúc này một loại thiết bị tích hợp đã được đề xuất WDM định tuyến để kết hợp

2 cửa sổ bước sóng độc lập cho hướng lên và hướng xuống trên cùng một sợi quang nhờ kỹ thuật CWDM Kiến trúc này đã được gọi tắt là CPON

Hình 5: Kiến trúc PON hỗn hợp Trong kiến trúc CPON, Máy thu hoạt động ở chế độ Burst được sử dụng tại OLT để nhận các tín hiệu đường lên, đồng thời máy thu này cũng

sẽ được yêu cầu để đồng bộ tín hiệu định thời của các ONU với những khoảng cách khác nhau từ OLT Ngoài ra kiến trúc CPON cũng tránh được những mặt hạn chế tại đường lên WDM nhưng trong thực tế thì CPON bị hạn chế bởi laser đơn tần tại ONU như laser phản hồi phân bố (DFB)

b Kiến trúc WDM-PON cho RITENET

Các bộ điều chế quang có thể cung cấp độ tin cậy, giá thành tốt thay thế hiệu quả các nguồn laser trong các thiết bị đầu cuối từ xa dựa trên các hệ thống truy nhập nội vùng Một trong những hệ thống sử dụng các bộ điều chế như vậy là RITENet, với cấu trúc này các tín hiệu được tạo ra bởi laser

đa tần (MFL) tại các bộ OLT , được phân bố để điều khiển các thiết bị ONT

từ xa bởi một bộ ghép kênh các bước sóng, được điều chế tại các ONT từ xa

và quay trở lại OLT thông qua tuyến đường song song trên các bộ ghép kênh RITENet cung cấp sự duy trì hoạt động và các ưu điểm về tính bảo

mật và tính riêng tư Ta có sơ đồ của kiến trúc như sau:

Hình 6: Kiến trúc của RITENET Các kênh của hệ thống được thiết lập bởi bộ ghép kênh phân chia theo cửa sổ bước sóng (WDM/R) tại RN Tại CO, một Laser điều hướng, có chế độ phù hợp với WDM/R và có tín hiệu được điều chế cùng với gói dữ liệu

Tại ONU, ánh sáng được chia bởi một bộ chia thụ động, với một phần ánh sáng sẽ được tách bởi bộ thu, phần ánh sáng còn lại sẽ đi qua bộ điều chế để quay trở lại CO Các tín hiệu tại hướng lên và hướng xuống được chia sẻ thông qua thời gian, cửa sổ bước sóng, tần số sóng mang con, định dạng, độ sâu điều chế, cách tử, mã hóa Một bộ AWG 2x2N dựa trên

bộ ghép kênh để ghép các bước sóng Với quá trình ghép kênh các gói tin đường lên sẽ xảy ra xung đột dựa trên sự khác nhau về độ dài tuyến đường

từ RN đến ONU Giải pháp của vấn đề này là khắc phục những hạn chế tại đường lên tại CO hoặc sắp xếp các gói tin như một tính năng của độ dài tuyến đường quang

Cả hai kênh đường lên và đường xuống được chia sẻ bởi các ONU bằng cách sử dụng TDMA hoặc cấp phát băng thông động

Kiến trúc RITENet có một số ưu điểm:

- Cung cấp tính bảo mật cho mạng, công suất tốt và độ khuếch đại của sợi quang; SCM ngăn chặn sự xung đột ở đường lên Hiệu năng cao có thể cung cấp tính sẵn

có như việc mở rộng các dịch vụ nâng cao đến cho người sử dụng

- RITENet giúp giảm thiểu chi phí kết cuối tại ONU, khoảng cách từ ONU đến OLT là rất nhỏ Số lượng các sợi quang thực hiện trong kiến trúc tăng lên gấp đôi Việc triển khai laser điều hướng tại OLT làm cho RITENet sẽ có chi phí cao hơn

so với LARNet và CPON Tuy nhiên, kiến trúc này sẽ cung cấp băng thông một cách cân bằng ở cả đường lên và đường xuống Tín hiệu đường lên không chịu sự cắt lát phổ giống như LARNet

IV Ưu điểm của WDM-PON

Thiết bị phân phối quang là thụ động cho nên WDM-PON có chi phí bảo trì thấp, độ tin cậy cao và phát hiện sự cố dễ dàng hơn WDM-PON được xây dựng dựa trên tính độc lập của các cửa sổ bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang Mỗi một ONU riêng biệt trong hệ thống WDM-PON được cấp tài nguyên băng rộng trên một bước sóng Mỗi người dùng sẽ nhận được một bước sóng riêng biệt cho nên WDM-PON có tính riêng tư rất tốt

Kết nối P2P giữa OLT (Đầu cuối đường quang) và ONU (Đơn vị mạng quang) được thực hiện trong phạm vi bước sóng

Dễ dàng nâng cấp hệ thống, nếu tốc độ OLT được tăng lên, tất cả các ONU cũng sẽ được nâng cấp tại cùng thời điểm

Mỗi bước sóng trong WDM-PON có thể hoạt động ở những tốc độ khác nhau cũng như những giao thức khác nhau

Có thể kết hợp với các công nghệ PON khác như là FTTx, các ứng dụng cho đường dây thuê bao số tốc độ rất cao VDSL và các điểm truy nhập vô tuyến từ xa

Không yêu cầu điều khiển truy nhập môi trường P2MP

V Hạn chế và giải pháp khắc phục

1 Hạn chế

Chi phí khá lớn cho các phần tử quang được sử dụng để tạo và lọc các bước sóng khác nhau

Mỗi kênh bước sóng cần một bộ phát sóng độc lập: nên số lượng nguồn quang cần thiết cho mạng là rất lớn

Tại OLT, một số thành phần có thể dùng chung, cho phép chia sẻ chi phí cho nhiều kết nối ONU Chi phí liên quan đến ONU mới là vấn đề vì chi phí này không thể chia sẻ được cho nhiều thuê bao Hơn nữa trong mạng WDMA-PON, mỗi thuê bao dùng riêng một bước sóng nên sản xuất riêng từng ONU cho từng thuê bao là một khả thi Ý tưởng ‘colorless’ ONU được đưa ra để giải quyết vấn đề này Theo đó, mỗi ONU sẽ không có một bước sóng đường lên cố định mà có thể thay đổi linh hoạt trong một phạm vi nào

đó, cho phép tạo ra nhiều bước sóng khác nhau

2 Một số giải pháp đã được đề xuất để tạo ra được ‘colorless ONU’:

- Lắp thêm module quang để lựa chọn bước sóng: Module quang là một

bộ thu phát nhỏ gọn Nó là những thành phần liên lạc giữa hai chiều sử dụng khác nhau để phát và thu các tín hiệu giữa OLT tạo CO và các ONU tại phía người dùng

- Sử dụng laser khả chỉnh bước sóng ONU: Đây là giải pháp khá linh hoạt,

sử dụng phương thức truy nhập bao gồm chia sẻ một ngăn giữa ONU đước kết nối tới mạng Mỗi laser điều hưởng sẽ điều khiển các bước sóng khác nhau để gửi dữ liệu trên các ONU khác nhau Lựa chọn này sẽ giảm giá thành bởi vì không cần cấp phát một laser cho mỗi ONU tại OLT