HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ HÌNH THỨC
Giới thiệu chương
Thông tin quang là hệ thống truyền tin qua sợi quang, trong đó dữ liệu được biến đổi thành ánh sáng để truyền qua sợi quang rồi được chuyển đổi trở lại thành thông tin ban đầu tại điểm nhận Trong chương 1, chúng ta sẽ phân tích các giai đoạn phát triển của hệ thống thông tin quang và so sánh các đặc tính của nó với các hệ thống hiện có như truyền thông vô tuyến và cáp đồng hữu tuyến Ngoài ra, chúng ta còn tìm hiểu về các phương thức truy nhập mới như FTTX (Fiber To The Home, Fiber To The Office, Fiber To The Building), đang được quan tâm trong ngành công nghệ truyền thông hiện nay.
Tổng quan về hệ thống thông tin quang
Các thành phần chính của hệ thống thông tin quang được mô tả trong hình 1.1
Bộ phát quang gồm mạch điều khiển và nguồn quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu đầu vào, biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và truyền qua sợi quang Các phần tử phát xạ ánh sáng bao gồm LED và Laser, trong đó LED phù hợp với hệ thống thông tin quang tốc độ không quá 200 Mbps sử dụng sợi đa mode, nhờ đặc tính phát sáng tự phát không định hướng yêu cầu công suất bức xạ cao và thời gian đáp ứng nhanh Trong khi đó, Laser khắc phục nhược điểm của LED để truyền dẫn tốc độ cao, có phổ phát xạ rất hẹp (từ 1 đến 4 nm), giảm tán xạ và góc phát quang hẹp (5°-10°), giúp hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang đạt cao hơn.
Bộ thu quang gồm các thành phần chính như bộ tách sóng quang, mạch khuyếch đại điện và mạch khôi phục tín hiệu để chuyển đổi tín hiệu quang nhận được thành tín hiệu điện Khi tín hiệu quang truyền đến đầu thu, nó sẽ được thu nhận và biến đổi trở lại thành tín hiệu điện như ở đầu phát, đảm bảo truyền thông hiệu quả Các linh kiện chủ yếu để tách sóng quang bao gồm điốt quang PIN và điốt quang kiểu thác, giúp phân tách các bước sóng phù hợp trong hệ thống ADP, một loại linh kiện quan trọng, được chế tạo từ các bán dẫn cơ bản như silicon (Si), germani (Ge) và indium phosphide (InP), phù hợp cho các ứng dụng quang học cao cấp.
Phần truyền dẫn trong hệ thống quang bao gồm sợi quang, các bộ nối, bộ chia, bộ tách, bộ ghép và bộ lặp, trong đó sợi quang được bọc cáp bảo vệ là thành phần quan trọng giúp bảo vệ sợi quang trong quá trình lắp đặt và khai thác Ngoài ra, trong ống cáp còn có dây dẫn đồng để cấp nguồn cho các bộ lặp Khi truyền trên sợi quang, tín hiệu quang bị suy yếu dần do suy hao trong sợi quang, đặc biệt khi cự ly truyền tải quá dài khiến tín hiệu có thể không đến được đầu thu hoặc đến với công suất rất thấp Để khắc phục, bộ lặp được sử dụng để thu nhận tín hiệu quang đã suy yếu, tái tạo thành tín hiệu điện, sửa dạng, khuyếch đại, chuyển đổi trở lại thành tín hiệu quang và cuối cùng truyền tiếp tới đầu thu Các bộ lặp này có thể thay thế bằng các bộ khuếch đại quang để nâng cao hiệu quả truyền dẫn.
Hình 1.1 Cấu hình của hệ thống thông tin quang
Đặc điểm của hệ thống thông tin quang
Hệ thống thông tin quang có ưu điểm:
Suy hao thấp trong cáp quang cho phép khoảng cách truyền tín hiệu dài hơn nhiều so với cáp đồng Cụ thể, trong mạng LAN, khoảng cách tối đa khuyến nghị cho cáp đồng là 100 mét, trong khi đó, cáp quang có thể mở rộng tới 2000 mét nhờ vào đặc điểm suy hao thấp Điều này giúp tăng khả năng truyền dữ liệu xa hơn mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu ổn định và giảm thiểu mất mát thông tin.
Khuếch đại quang Đầu thu quang
Khôi phục tín hiệu Khuếch đại
Một nhược điểm chính của cáp đồng là suy hao tín hiệu tăng theo tần số, làm giảm khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao và hạn chế khoảng cách truyền dẫn thực tế Trong khi đó, cáp quang không gặp phải vấn đề này, vì suy hao trong cáp quang không thay đổi theo tần số của tín hiệu, giúp duy trì hiệu suất truyền dẫn tốt hơn ở tốc độ cao và ở khoảng cách xa hơn.
Sợi quang có băng thông rộng, cho phép thiết lập hệ thống truyền dẫn số với tốc độ cao Hiện nay, băng tần của sợi quang có thể mở rộng đến hàng terahertz (THz), đáp ứng các yêu cầu truyền dữ liệu lớn và nhanh trong công nghiệp viễn thông.
Trọng lượng nhẹ: Trọng lượng của cáp quang nhỏ hơn so với cáp đồng Cáp quang có trọng lượng nhẹ hơn nên cho phép lắp đặt dễ dàng hơn
Kích thước nhỏ: Cáp sợi quang có kích thước nhỏ sẽ dễ dàng cho việc thiết kế mạng chật hẹp về không gian lắp đặt cáp
Không bị can nhiễu sóng điện từ và điện công nghiệp
Sợi quang là một chất điện môi, do đó nó không dẫn điện, đảm bảo tính an toàn cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu Ngoài ra, tính bảo mật của sợi quang cao vì rất khó trích tín hiệu do không phát xạ năng lượng điện từ, giúp ngăn chặn các phương tiện xâm phạm như cảm ứng điện từ hoặc dẫn điện bề mặt, giữ an toàn và riêng tư cho thông tin truyền tải.
Tính linh hoạt: các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại, video
Hệ thống thông tin quang có nhược điểm:
Vấn đề biến đổi điện- quang: Trước khi đưa tín hiệu thông tin điện vào sợi quang, tín hiệu đó phải được biến đổi thành dạng sóng ánh sáng
Sợi quang trong viễn thông thường được chế tạo từ thủy tinh nên dễ dàng bị gãy do tính chất dòn của vật liệu Ngoài ra, kích thước nhỏ của sợi quang làm cho quá trình hàn nối gặp nhiều khó khăn và đòi hỏi sự sử dụng thiết bị chuyên dụng để đảm bảo chất lượng kết nối.
Vấn đề sửa chữa: Các quy trình sữa chữa đòi hỏi phải có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng các thiết bị thích hợp
Vấn đề an toàn lao động khi hàn nối sợi quang là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho người thực hiện Khi làm việc, cần để các mảnh cắt của sợi quang vào lọ kín nhằm tránh nguy cơ đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh trong cơ thể Ngoài ra, người làm việc không được nhìn trực diện vào đầu sợi quang hoặc các khớp nối hở để phòng ngừa ánh sáng truyền trực tiếp vào mắt gây tổn thương Hệ thống thông tin quang sử dụng ánh sáng hồng ngoại, mà mắt người không cảm nhận được, do đó không thể phát hiện khi có nguồn năng lượng này và có thể gây hại cho mắt nếu tiếp xúc trực tiếp.
Sợi quang
Sợi quang là những dây nhỏ, dẻo, truyền các ánh sáng nhìn thấy được và tia hồng ngoại Chúng có cấu tạo gồm lõi trung tâm và lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ và hướng dẫn tia sáng Để ánh sáng phản xạ hoàn toàn trong lõi, chiết suất của lõi phải cao hơn chiết suất của lớp vỏ một chút, giúp sợi quang hoạt động hiệu quả trong truyền dẫn dữ liệu.
Cấu trúc tổng thể của sợi quang gồm lõi thủy tinh hình trụ tròn và vỏ thủy tinh bao quanh Lõi thủy tinh chịu trách nhiệm truyền ánh sáng hiệu quả qua sợi quang nhờ vào chỉ số chiết suất cao hơn so với vỏ thủy tinh Vỏ thủy tinh đóng vai trò tạo ra phản xạ toàn phần tại lớp tiếp giáp giữa lõi và vỏ, giúp duy trì tín hiệu truyền qua khoảng cách xa mà không bị suy hao Để hoạt động tối ưu, lõi thủy tinh cần có chỉ số chiết suất lớn hơn của vỏ, từ đó đảm bảo hiệu quả dẫn truyền ánh sáng trong sợi quang.
Hình 1.2 Cấu trúc tổng thể của sợi
Sợi cáp quang gồm ba thành phần chính quan trọng giúp truyền dữ liệu tối ưu: lõi (core) chịu trách nhiệm dẫn ánh sáng, lớp phản xạ ánh sáng (cladding) giúp giữ ánh sáng trong lõi và giảm mất mát tín hiệu, cùng lớp vỏ bảo vệ chính (primary coating hay còn gọi là coating hoặc primary buffer) bảo vệ cấu trúc sợi quang khỏi tác động bên ngoài và tăng độ bền cho cáp quang.
Trong các cáp quang, lõi được làm bằng sợi thủy tinh hoặc nhựa dùng để truyền dẫn ánh sáng hiệu quả Để đảm bảo ánh sáng phản xạ hoàn toàn trong lõi, chiết suất của lõi phải cao hơn chiết suất của lớp áo một chút, giúp duy trì tín hiệu ánh sáng không bị mất mát trong quá trình truyền.
Cladding bao bọc core là lớp thủy tinh hoặc nhựa nhằm bảo vệ và phản xạ ánh sáng trở lại lõi quang học, đảm bảo tối đa hiệu suất truyền dẫn Lõi và áo được làm từ các vật liệu như thuỷ tinh, nhựa silica, kim loại, fluor hoặc sợi quang kết tinh, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể Sự khác biệt về đặc tính giữa thành phần lõi và vỏ giúp nâng cao hiệu quả truyền tải dữ liệu và giảm thiểu mất mát tín hiệu trong mạng lưới truyền thông quang.
Primary coating là lớp vỏ nhựa PVC có tác dụng bảo vệ core và cladding khỏi bụi bẩn, ẩm ướt, trầy xước, giúp giữ cho sợi quang tránh bị ảnh hưởng từ môi trường bên ngoài Lớp vỏ bọc này còn ngăn chặn hiện tượng ăn mòn và chống xuyên âm cùng các sợi quang sát bên, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định của hệ thống truyền dẫn quang.
Có hai loại cáp quang phổ biến là cáp quang thủy tinh GOF (Glass Optical Fiber) và cáp quang nhựa POF (Plastic Optical Fiber) Trong đó, POF có đường kính lõi lớn khoảng 1mm, phù hợp cho truyền dẫn tín hiệu trong khoảng cách ngắn và mạng tốc độ thấp.
Bảo vệ sợi cáp quang gồm nhiều lớp khác nhau tùy theo cấu tạo và tính chất của từng loại cáp, với ba lớp bảo vệ quan trọng là lớp chịu lực kéo (strength member), lớp vỏ bảo vệ ngoài (buffer) và lớp áo giáp (jacket) Lớp strength member thường làm từ sợi Kevlar, có chức năng chịu nhiệt và kéo căng để bảo vệ sợi quang khỏi tác động cơ học Lớp buffer, thường làm bằng nhựa PVC, có tác dụng chống va đập và ẩm ướt, giữ cho sợi quang luôn an toàn trong điều kiện môi trường khắc nghiệt Lớp áo giáp (jacket) là lớp bảo vệ ngoài cùng, có khả năng chịu va đập, nhiệt và mài mòn, giúp bảo vệ phần bên trong khỏi tác động của môi trường và tránh ẩm ướt Tùy theo yêu cầu sử dụng, mỗi loại cáp quang còn có thể có thêm các lớp jacket khác để nâng cao khả năng bảo vệ.
Có hai loại thiết kế khác nhau để bảo vệ sợi cáp quang là ống đệm không chặt (close- tube) và ống đệm chặt (tight buffer) [2]
1.4.1 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang
Sợi quang là môi trường truyền dẫn đặc biệt so với cáp đồng hay không gian tự do, nhờ vào khả năng suy hao tín hiệu thấp trên phạm vi tần số rộng Điều này giúp tín hiệu quang có thể truyền qua các khoảng cách xa với tốc độ cao trước khi cần khuyếch đại hoặc tái lặp lại, tối ưu hóa hiệu suất mạng và giảm thiểu mất dữ liệu.
Một sợi quang được cấu tạo từ một lõi hình trụ bao quanh bởi lớp vỏ, cả hai phần đều chủ yếu làm từ silica (SiO2) với chỉ số khúc xạ khoảng 1.45 Chỉ số khúc xạ thể hiện tỷ lệ vận tốc ánh sáng trong chân không so với trong vật liệu, được tính bằng công thức n = c/v trong đó n là chiết suất của môi trường, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, và v là vận tốc ánh sáng trong môi trường đó.
Trong quá trình sản xuất sợi quang, việc điều chỉnh chiết suất của lõi và vỏ là rất quan trọng, với nguyên liệu như Germani hoặc Photpho được thêm vào lõi để tăng chiết suất, còn các tạp chất như Bo hoặc Flo được dùng để giảm chiết suất của lớp vỏ Khi ánh sáng truyền qua môi trường, nó hoạt động như một chùm tia đi theo đường thẳng và bị phản xạ hoặc khúc xạ tại các bề mặt phân cách giữa các vật liệu khác nhau Góc tới θ₁ là góc giữa tia sáng và pháp tuyến của mặt phân cách, ảnh hưởng đến cách tia phản xạ θ₁r và tia khúc xạ đi xuyên qua môi trường thứ hai, theo các quy tắc về phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
Theo định luật Snell: n 1 sinθ 1 = n2.sinθ 2 (1.2) Khi góc tới θ 1 tăng lên thì góc khúc xạ θ2 cũng tăng theo Nếu θ2 = 90 0 thì sinθ 1 = n1 n2
, lúc này góc θ 1 được gọi là góc tới hạn có giá trị θ c = sin - 1 n1 n2 , với n 1 > n 2
Khi góc tới lớn hơn giá trị θc, không còn tia khúc xạ nào xảy ra mà toàn bộ năng lượng của tia tới sẽ bị phản xạ hoàn toàn Hiện tượng này gọi là phản xạ toàn phần, xảy ra khi tia ánh sáng hoặc sóng vượt quá góc giới hạn để truyền qua môi trường khác Phản xạ toàn phần đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng quang học và truyền sóng, như fibre quang học và hệ thống radar.
Sự phản xạ và khúc xạ của các tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường được biễu diễn trên hình 1.4
Hình 1.4 Sự phản xạ và khúc xạ các tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường Điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần:
Các tia sáng phải đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ hơn
Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn để ánh sáng truyền trong sợi quang qua hiện tượng phản xạ toàn phần Hiện tượng này xảy ra giữa bề mặt của phần lõi và lớp vỏ của sợi quang, như được minh họa trong hình 1.5, giúp ánh sáng duy trì truyền qua sợi quang mà không bị mất mát.
Hình 1.5 Ánh sáng trong sợi quang
Hình trên cho thấy ánh sáng được ghép từ môi trường bên ngoài (không khí với chiết suất n 0 ) vào sợi
1.4.2 Phân loại sợi quang 1.4.2.1 Phân loại theo vật liệu điện môi
Phân loại theo vật liệu điện môi bao gồm ba loại chính: sợi bao bằng thủy tinh thạch anh, sợi làm từ nhiều loại vật liệu thủy tinh khác nhau và sợi nhựa Trong đó, sợi thủy tinh thạch anh nổi bật nhờ đặc tính chịu nhiệt cao và độ bền cơ học tốt, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao Sợi thủy tinh đa dạng về vật liệu giúp mở rộng phạm vi sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau, còn sợi nhựa thường được sử dụng nhờ vào chi phí hợp lý và khả năng linh hoạt Việc lựa chọn loại sợi phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật và điều kiện môi trường vận hành.
Các sợi quang thạch anh không chỉ chứa nguyên tố chính là SiO₂ (thạch anh nguyên chất) mà còn có các tạp chất bổ sung như Ge, B và F Những tạp chất này được thêm vào để điều chỉnh chỉ số khúc xạ của sợi quang, giúp tối ưu hóa khả năng truyền dẫn ánh sáng Việc kiểm soát thành phần kim loại và tạp chất trong sợi quang thạch anh đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu và độ bền của sản phẩm.
Các hình thức truy nhập trong mạng viễn thông
Hệ thống thông tin quang trên mạng lưới viễn thông Việt Nam đã trải qua ba giai đoạn phát triển chính Đầu tiên, cáp quang được sử dụng trên mạng đường trục để mở rộng khả năng truyền tải dữ liệu lớn Tiếp theo, cáp quang được ứng dụng trong mạng trung kế nhằm nâng cao độ tin cậy và tốc độ kết nối Cuối cùng, việc phát triển cáp sợi quang dành cho mạng thuê bao đã giúp cung cấp dịch vụ internet nhanh, ổn định cho người dùng cuối Thực tế, mạng truy nhập quang đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hạ tầng viễn thông quốc gia.
phong phú, để đưa dịch vụ tới khách hàng bằng sợi quang có thể sử dụng một trong các hình thức truy nhập FTTx (FTTx: Fiber To The x)
FTTx là thuật ngữ chung cho các kiến trúc mạng băng rộng sử dụng cáp quang để thay thế hoặc kết hợp với cáp kim loại trong mạch vòng cuối của mạng viễn thông Các phương án phổ biến gồm có FTTR (Fiber to the Rural), FTTC (Fiber to the Curb), FTTB (Fiber to the Building), FTTF (Fiber to the Floor), FTTO (Fiber to the Office), và FTTH (Fiber to the Home), trong đó sợi quang được kéo tới vùng nông thôn, khu dân cư, tòa nhà, tầng, văn phòng hoặc tận nhà khách hàng Cấu hình FTTR, FTTC, FTTF, và FTTB đều dùng chung sợi quang, từ tổng đài tới thiết bị mạng quang ONU để truyền tín hiệu chung, đặt tại các tủ trong các cabin phù hợp để dễ bảo trì và phân phối cho khách hàng Các thiết bị mạng quang ONU có thể lắp đặt ở phố hoặc trong tòa nhà, còn từ ONU tới thuê bao dùng dây kim loại thông thường Cấu hình này tận dụng băng tần sợi quang, giảm chi phí ban đầu, với cáp quang đặt theo nhiều hình thức như chôn trực tiếp, kéo trong cống hoặc treo ngoài trời phù hợp với tốc độ truyền dẫn và nhu cầu dung lượng Tốc độ truyền dẫn trong hệ thống truy cập sợi quang không cao nhưng có thể phục vụ nhiều thuê bao, thường sử dụng nhiều sợi quang phù hợp với khoảng cách từ ONU tới thuê bao, từ dưới 10 km cho FTTR đến khoảng 100 m cho FTTC, còn FTTF và FTTB phụ thuộc vào khoảng cách gần giữa nhà ở, văn phòng và ONU Các phương án sử dụng sợi quang riêng rẽ như FTTO và FTTH đặt trực tiếp từ tổng đài tới người dùng và ONU tại vị trí thuê bao, tuy chi phí cao nên cần có chiến lược phát triển mạng và kế hoạch triển khai phù hợp Các nhà cung cấp dịch vụ và hãng sản xuất đều đưa ra các giải pháp riêng để tối ưu hóa lợi ích và dễ tiếp cận thị trường.
Sự phát triển của FTTH
Theo báo cáo công bố năm 2008, số hộ gia đình trên toàn thế giới sử dụng kết nối băng rộng FTTH dự kiến sẽ tăng trưởng trên 30% mỗi năm Đây là xu hướng phát triển mạnh mẽ của công nghệ cáp quang, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ internet và đáp ứng nhu cầu sử dụng tốc độ cao của người tiêu dùng Sự tăng trưởng này phản ánh tầm quan trọng của mạng lưới cáp quang trong kỷ nguyên số và thúc đẩy các nhà mạng mở rộng hạ tầng FTTH trên toàn cầu.
Năm 2012, số hộ dùng dịch vụ băng thông rộng tại Nhật Bản đạt 89 triệu, cho thấy một thị trường phát triển mạnh mẽ Hiện nay, Nhật Bản và Hàn Quốc là hai quốc gia dẫn đầu trong ứng dụng công nghệ cáp quang FTTH để cung cấp dịch vụ internet tốc độ cao Công nghệ FTTH đã có khoảng 20 triệu kết nối toàn cầu, trong đó Châu Á được đánh giá có tiềm năng phát triển lớn nhờ vào khả năng mở rộng và ứng dụng rộng rãi.
Dự đoán vào cuối năm 2012, Châu Á sẽ có khoảng 54 triệu kết nối FTTH, trở thành thị trường lớn nhất về mở rộng kết nối băng thông rộng quang học Tiếp theo là Châu Âu và khu vực Trung Đông, Châu Phi với khoảng 16 triệu kết nối, cho thấy sự tăng trưởng mạnh mẽ của công nghệ FTTH trên toàn cầu Điều này phản ánh xu hướng chuyển dịch nhanh chóng sang các giải pháp mạng băng thông cao để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng và doanh nghiệp.
Trong quá trình chuyển đổi sang mạng lưới cáp quang FTTH, nhiều quốc gia trên thế giới đang đẩy mạnh triển khai, bao gồm Mỹ và các nước Châu Mỹ với khoảng 15 triệu người dùng Hiện nay, nhiều quốc gia như Đan Mạch, Pháp, Hồng Kông, Nhật Bản, Hàn Quốc, Thụy Điển và Đài Loan đang tích cực thực hiện chuyển đổi này để nâng cao chất lượng dịch vụ internet và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về băng thông rộng của người dùng.
Tại Việt Nam tháng 8/2006, FPT Telecom chính thức trở thành đơn vị đầu tiên cung cấp loại hình dịch vụ tiên tiến này
Ngày 1/5/2009, VNPT chính thức cung cấp dịch vụ Internet tốc độ cao qua cáp quang FTTH với tốc độ lên đến 20 Mbps, giúp người dùng trải nghiệm kết nối nhanh và ổn định hơn Trong giai đoạn này, các chi nhánh của VNPT tại các tỉnh thành đã phát triển mạnh mẽ, mở rộng dịch vụ để phục vụ nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng trên toàn quốc.
Vào ngày 15/5/2009, Viettel chính thức ra mắt dịch vụ truy cập Internet FTTH - cáp quang siêu tốc, nhằm phục vụ khách hàng doanh nghiệp Dịch vụ này ra đời để đáp ứng nhu cầu về tốc độ cao và chi phí hợp lý, vượt xa các giải pháp truy cập Internet truyền thống như ADSL và Leased Line Việc triển khai dịch vụ FTTH giúp doanh nghiệp nâng cao hiệu quả hoạt động và trải nghiệm Internet ổn định, nhanh chóng hơn.
Vào ngày 10/4/2010, CMCTI chính thức khai trương dịch vụ FTTH, trở thành công ty đầu tiên tại Việt Nam triển khai công nghệ FTTH dựa trên nền tảng GPON Đây là chuẩn công nghệ tiên tiến nhất hiện nay, đánh dấu bước đột phá trong việc cung cấp dịch vụ internet tốc độ cao và ổn định tại Việt Nam Với việc ra mắt dịch vụ FTTH dựa trên công nghệ GPON, CMCTI đã khẳng định vị thế tiên phong trong lĩnh vực viễn thông, thúc đẩy sự phát triển của hạ tầng mạng trong nước.
Ưu điểm của kỹ thuật FTTH
So với các phương thức truy nhập khác, nhận thấy FTTH có nhiều ưu điểm nổi bật:
Hệ thống truyền dẫn hoàn toàn bằng cáp quang tới tận phòng máy của khách hàng
Chất lượng đường truyền ổn định, bền bỉ và không bị suy hao tín hiệu do nhiễu điện từ, thời tiết khắc nghiệt hay chiều dài cáp Sản phẩm đảm bảo an toàn cho thiết bị kỹ thuật số, hạn chế nguy cơ bị sét đánh lan truyền qua đường dây.
FTTH cung cấp tốc độ truyền dẫn cao, với tốc độ tải lên và tải xuống ngang nhau, đạt đến 10 Gigabit/s, nhanh gấp 200 lần so với ADSL 2+ (chỉ đáp ứng 20 Megabit/s) Công nghệ này dễ dàng nâng cấp băng thông mà không cần kéo cáp mới, phù hợp cho các dịch vụ đa dạng như truyền hình cao cấp, giải trí, trò chơi tương tác, hosting server, VPN, IPTV, VoD và các ứng dụng công nghệ thông tin hiện đại khác Độ bảo mật của FTTH cao, gần như không bị đánh cắp tín hiệu, phù hợp cho các cá nhân, tổ chức và doanh nghiệp Tốc độ upload của FTTH vượt qua giới hạn của ADSL 2+ và có thể ngang bằng với tốc độ download, giúp tối ưu việc truyền tải dữ liệu từ mạng khách hàng ra ngoài internet.
Dịch vụ FTTH cung cấp tốc độ truyền dẫn ổn định với tốc độ download và upload cân bằng, mang lại trải nghiệm mượt mà cho người dùng Trong khi đó, tốc độ truyền của ADSL không cân bằng, với download thường cao hơn upload, gây hạn chế trong các công tác gửi dữ liệu Ngoài ra, mạng FTTH có độ ổn định và tuổi thọ cao hơn so với dịch vụ ADSL vì không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ trường hoặc nhiễu điện.
Khả năng nâng cấp tốc độ (download/upload) dễ dàng
FTTH là giải pháp lý tưởng để cung cấp các dịch vụ đòi hỏi băng thông cao như truyền hình độ phân giải cao (HDTV), khi có thể đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu lên đến vài chục Mbps, vượt xa khả năng của ADSL Trong khi đó, ADSL chỉ cung cấp dịch vụ Triple Play (dữ liệu, truyền hình, thoại) dựa trên băng thông hạn chế, phù hợp với các nhu cầu thấp hơn Độ ổn định của dịch vụ FTTH tương đương với dịch vụ internet qua kênh thuê riêng Leased-line, nhưng chi phí hàng tháng lại thấp hơn nhiều lần, mang lại lợi ích về mặt kinh tế cho người dùng.
Internet FiberXXX cam kết tốc độ tối thiểu ≥ 256Kbps, vượt xa các gói ADSL về tốc độ Tốc độ truyền dẫn của FiberXXX đảm bảo ổn định ngay cả khi chiều dài cáp kéo dài, với tối đa 10 km đối với FTTH, trong khi ADSL chỉ duy trì ổn định tối đa 2,5 km Điều này giúp người dùng có trải nghiệm internet ổn định, nhanh và đáng tin cậy hơn so với các công nghệ cũ.
Kiến trúc mạng quang FTTH
Hình 1.1 trình bày sơ đồ kiến trúc hệ thống FTTH, trong đó thiết bị cuối đường truyền quang là OLT được đặt tại trung tâm điều hành CO OLT có vai trò giao tiếp với các nhà cung cấp dịch vụ, như mạng chuyển mạch công cộng PSTN, mạng chuyển mạch ATM, router IP, và mạng lõi video qua thiết bị đầu cuối cáp.
Hệ thống truyền dẫn quang OLT hỗ trợ nhiều loại giao diện liên kết dữ liệu như SONET, ATM, Gigabit Ethernet, giúp tối ưu hóa khả năng truyền tải dữ liệu qua mạng quang Các tín hiệu từ OLT sau đó được chuyển thành tín hiệu quang và ghép vào sợi quang bằng các công nghệ ghép kênh như TDM, SDM và WDM, để truyền qua mạng phân phối quang ODN Mạng truy cập quang OAN bao gồm các thành phần chính: khối kết cuối đường truyền quang OLT, hệ thống mạng phân phối quang ODN, và khối kết cuối mạng quang ONT/ONU, đảm bảo hiệu quả và ổn định trong truyền dẫn dữ liệu quang.
Mạng truy nhập quang OAN có hai cấu hình chính là điểm nối điểm P2P (point-to-point) và điểm nối đa điểm P2MP (point-to-multi-point) Trong đó, cấu hình P2MP sử dụng bộ chia tín hiệu trên đường truyền để phân chia công suất và phân phối tới các thuê bao riêng lẻ, điển hình là mạng quang thụ động PON Các lựa chọn này đem lại sự linh hoạt và hiệu quả trong việc cung cấp dịch vụ truy cập internet quang cho khách hàng.
Khối kết cuối mạng quang ONT hoặc đơn vị mạng quang ONU (trong mạng FTTH, ONT chính là ONU) có nhiệm vụ giao tiếp với các thiết bị đầu cuối tại nhà khách hàng Tín hiệu quang được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ bộ chuyển đổi quang điện OEC, từ đó phân phối các dịch vụ theo yêu cầu của thuê bao, đảm bảo kết nối internet tốc độ cao và ổn định.
Tùy vào cấu hình mạng OAN được chọn, các kiểu truyền dẫn quang tới nhà thuê bao sẽ khác nhau, ảnh hưởng đến chất lượng và tốc độ dịch vụ Ngoài ra, tài nguyên mạng cũng được chia sẻ giữa các thuê bao theo các phương thức phù hợp, đảm bảo tối ưu hóa hiệu quả sử dụng mạng quang để đáp ứng nhu cầu của từng khách hàng.
Hai cấu hình thường hay dùng trong triển khai mạng FTTH là điểm nối điểm
(P2P) và điểm nối đa điểm (P2MP) [4]
1.8.1 Cấu hình điểm - điểm P2P(point to point)
Trong giải pháp này, mỗi gia đình được kết nối trực tiếp đến tổng đài nội hạt bằng cáp sợi quang, mang lại sự riêng tư và ổn định cho đường truyền Các mạng P2P sử dụng đường dây kết nối dùng riêng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc cung cấp dịch vụ chất lượng cao cho từng thuê bao Băng thông rộng hơn và khả năng cung ứng các dịch vụ đối xứng giúp nâng cao trải nghiệm khách hàng Ưu điểm của hệ thống là sử dụng các cấu kiện và thiết bị sẵn có, giảm chi phí đầu tư ban đầu Tuy nhiên, các mạng P2P yêu cầu thi công ngoài hiện trường, điều này có thể làm tăng chi phí lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng hệ thống.
1.8.2 Cấu hình điểm - đa điểm P2MP(point to multi point)
Trong kiến trúc này, node đóng vai trò chuyển mạch, ghép kênh và chia tách tín hiệu giữa tổng đài CO và nhà thuê bao Việc chỉ cần một cổng OLT và một sợi quang kết nối giữa CO và node giúp cung cấp dịch vụ Internet và truyền hình đồng thời cho khách hàng Hệ thống tối ưu hóa hiệu suất truyền tải, đảm bảo độ ổn định cao và mở rộng linh hoạt phù hợp với nhu cầu của từng khách hàng.
Hệ thống 1000 thuê bao được kết nối qua các tuyến quang dẫn từ node đến từng thuê bao, giúp tiết kiệm lớn về sợi quang và cổng tại OLT Cấu hình này giảm thiểu chi phí hệ thống so với mô hình điểm – điểm, mang lại lợi ích về mặt tiết kiệm ngân sách Đặc biệt, cấu hình này có thể hoạt động theo chế độ tích cực hoặc thụ động, tùy thuộc vào việc các thiết bị của node có được cấp nguồn hay không.
Thông qua các tính chất suy hao của sợi quang, mạng FTTH được triển khai dựa trên ba vùng bước sóng chính là 1310 nm, 1490 nm, 1550 nm Vùng bước sóng
Trong hệ thống truyền dữ liệu quang học, bước sóng 1310 nm được sử dụng chủ yếu để truyền dữ liệu tuyến lên, đảm bảo tốc độ và độ ổn định cao Vùng bước sóng 1490 nm phù hợp cho tuyến truyền dẫn quang hướng xuống, giúp truyền tín hiệu hiệu quả từ trạm phát đến các thiết bị nhận Ngoài ra, vùng bước sóng 1550 nm thường được sử dụng để truyền tín hiệu tương tự trên cáp truyền hình CATV, tối ưu hóa khả năng truyền tải và giảm nhiễu.
Kết luận chương
Chương một giới thiệu tổng quan về cấu trúc hệ thống truyền dẫn quang và các hình thức truy nhập sợi quang FTTx, giúp hiểu rõ về công nghệ mạng quang tới tận nhà FTTH Công nghệ FTTH nổi bật với kiến trúc, đặc điểm và ưu điểm đem lại tốc độ cao, độ tin cậy và khả năng mở rộng, phù hợp với xu hướng phát triển mạng lưới hiện nay Sự phát triển của FTTH tại Việt Nam và quốc tế thể hiện đầu tư mạnh mẽ vào mạng truy cập, song song với mạng trục, nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ và đáp ứng nhu cầu người dùng So sánh giữa FTTH và ADSL giúp người dùng lựa chọn dịch vụ phù hợp với công việc và nhu cầu sử dụng hàng ngày Chương hai sẽ phân tích các phương án triển khai mạng FTTH và chọn phương án tối ưu phù hợp thực tế để đảm bảo hiệu quả và bền vững.
MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON
Giới thiệu chương
Mạng truy nhập quang gồm hai loại chính là AON (Active Optical Network) và PON (Passive Optical Network) Mạng AON sử dụng các thiết bị tích cực như bộ chia và bộ ghép kênh, trong khi mạng PON không có phần tử tích cực, chỉ gồm sợi quang, bộ chia, bộ kết hợp, thấu kính và bộ lọc, giúp giảm thiểu lỗi nguồn và nâng cao độ tin cậy PON có những ưu điểm nổi bật như không cần nguồn điện cung cấp, ít bị suy hao tín hiệu và dễ bảo trì hơn, phù hợp cho hệ thống với yêu cầu về độ ổn định cao Trong bài viết, chúng ta sẽ phân tích chi tiết đặc điểm của cả hai phương án để lựa chọn giải pháp tối ưu phù hợp với hệ thống của mình.
Mạng AON
AON có nhiều ưu điểm như phạm vi kéo dây xa, tính bảo mật cao, dễ nâng cấp băng thông thuê bao và xác định lỗi nhanh chóng Tuy nhiên, công nghệ AON thường đi kèm chi phí cao do yêu cầu vận hành thiết bị nguồn cung cấp và mỗi thuê bao cần một sợi quang riêng, đòi hỏi không gian chứa cáp lớn Để giảm thiểu chi phí, các nhà cung cấp cũng kết hợp cáp quang và cáp đồng, ví dụ như cáp quang chạy từ Access Node tới tổng đài DSLAM để cung cấp các dịch vụ truy cập băng thông phổ biến như ADSL2+ và VDSL2 Trong các giải pháp mạng truy nhập quang AON, FTTH-AON là giải pháp phổ biến nhất, kết nối mạng khách hàng qua các bộ CPE về các switch L2 bằng đường quang tốc độ FE hoặc GE, hoặc thẳng tới các thiết bị CES bằng đường quang tốc độ GE.
Mạng quang chủ động AON có cấu trúc điểm – điểm, kết nối trực tiếp giữa khách hàng và CO qua một sợi quang Các yêu cầu kết nối từ phía khách hàng được định tuyến qua các router, switch, multiplexer tại CO để truy cập vào mạng dịch vụ bên ngoài.
AON sử dụng bước sóng 1550 nm để truyền tín hiệu hướng xuống từ trung tâm điều khiển (CO) đến khách hàng, đảm bảo khả năng truyền dữ liệu ổn định và tốc độ cao Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng bước sóng 1310 nm để truyền tín hiệu hướng lên từ khách hàng trở về trung tâm, giúp đồng bộ và tối ưu hóa quá trình truyền tải dữ liệu trong mạng quang AON.
Một cấu trúc AON đơn giản được thể hiện trong hình 2.1
Hình 2.1 Cấu trúc AON đơn giản
Mạng AON sử dụng các thiết bị chủ động cần nguồn cung cấp điện ổn định để hoạt động hiệu quả Do các thiết bị này là các chuyển mạch có tốc độ cao, chúng đòi hỏi chi phí đầu tư lớn Vì vậy, giải pháp này không phù hợp để triển khai rộng rãi trong các mạng truy cập, đặc biệt là với mục đích mở rộng quy mô.
Việc xử lý đồng thời các yêu cầu truy cập hướng lên từ người dùng và phân tích luồng dữ liệu từ các dịch vụ đến người dùng có thể gây quá tải hoặc xung đột tại OLT của CO Để tránh xung đột tín hiệu trong quá trình phân chia từ nhà cung cấp đến người dùng, cần sử dụng thiết bị điện có tính năng "đệm" giúp điều hòa dòng dữ liệu Từ năm 2007, Ethernet tích cực (Active Ethernet) – chuẩn 802.3 còn gọi là Ethernet in First Mile (EFM) – đã trở nên phổ biến trong mạng cáp quang Mạng Ethernet tích cực sử dụng chuyển mạch quang Ethernet để phân phối tín hiệu đến khách hàng, giúp xây dựng kiến trúc mạng chuyển mạch hiệu quả cho cả nhà cung cấp và người dùng.
Các Ethernet Switch giúp giảm xung đột tín hiệu tại CO và cần cung cấp nguồn điện để hoạt động, dựa trên chức năng chuyển mạch theo lớp 2 và lớp 3 của cấu trúc Ethernet Mạng quang AON có ưu điểm vượt trội về khả năng kéo dây xa tới 70km mà không cần bộ lặp, tính bảo mật cao khó bị nghe lén, dễ nâng cấp băng thông thuê bao và dễ xác định lỗi Tuy nhiên, nhược điểm lớn của mạng quang tích cực AON là làm giảm tốc độ truyền dữ liệu tối đa của hệ thống FTTH do thiết bị chuyển mạch phải chuyển đổi tín hiệu quang thành điện để phân tích rồi chuyển đổi ngược trở lại, ảnh hưởng đến tốc độ truyền tải Ngoài ra, chi phí vận hành và sửa chữa cao do yêu cầu cung cấp nguồn cho thiết bị trên đường truyền, mỗi thuê bao cần một sợi quang riêng và không gian chứa cáp cũng nhiều hơn.
Hiện nay, công nghệ mạng truy nhập quang tích cực AON đã được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các mạng viễn thông trên thế giới, giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng dịch vụ Các mạng truy cập quang xây dựng từ trước thường sử dụng thiết bị Active components để cung cấp dịch vụ truy cập quang chủ động, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và linh hoạt Năm 2010, VNPT đã triển khai công nghệ GPON tại Hà Nội và TP.HCM với thiết bị của Huawei và Alcatel, dự kiến phục vụ trên 140.000 thuê bao FTTx, mở ra kỷ nguyên mới của mạng lưới truy cập quang Đến cuối tháng 1 năm 2010, CMC TI đã lựa chọn Alcatel-Lucent làm nhà cung cấp giải pháp mạng quang thụ động gigabit (GPON), góp phần nâng cao năng lực hạ tầng viễn thông của Việt Nam.
- GPON) đầu tiên ở Việt Nam [6]
Công nghệ PON
PON (Passive Optical Network) là công nghệ mạng quang thụ động giúp tăng cường kết nối giữa các node mạng truy nhập của nhà cung cấp dịch vụ và người dùng Công nghệ này được biết đến đầu tiên là TPON (Telephony PON) được triển khai vào những năm 90, sau đó là các hệ thống PON như APON/BPON, WDM PON, GPON và EPON đã và đang triển khai trên toàn thế giới Trong đó, APON/BPON là những hệ thống truy cập quang băng rộng nghiên cứu từ giữa những năm 90 của thế kỷ 20, chủ yếu hỗ trợ lưu lượng ATM Hiện tại, GPON đã được phát triển để nâng cao tốc độ, hỗ trợ nhiều tốc độ khác nhau cho cả đường lên và đường xuống, đồng thời hỗ trợ cả lưu lượng ATM và IP, góp phần nâng cao hiệu quả truyền dẫn dữ liệu qua mạng quang.
Vào năm 2001, hệ thống EPON đã được triển khai khá phổ biến tại nhiều quốc gia trên thế giới, dựa trên công nghệ Ethernet, giúp cung cấp truyền dẫn đối xứng Khác với GPON, EPON hỗ trợ khả năng truyền dẫn hai chiều đồng thời, nâng cao hiệu suất mạng Thêm vào đó, WDM PON – thành viên mới nhất của gia đình công nghệ PON – sử dụng công nghệ Multichannel dựa trên phân chia bước sóng để tăng cường băng thông và khả năng mở rộng mạng.
Trong công nghệ PON, tất cả thành phần chủ động giữa tổng đài CO (Central Office) và người dùng được loại bỏ, thay vào đó là các thiết bị quang thụ động để điều hướng lưu lượng trên mạng dựa trên việc chia sẻ năng lượng tới các điểm đầu cuối trên đường truyền chính Do đó, công nghệ này còn được gọi là mạng quang thụ động (PON - Passive Optical Network) PON sử dụng kỹ thuật truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), trong đó các người dùng khác nhau được phân biệt dựa trên các khe thời gian riêng biệt để đảm bảo truy cập hiệu quả và an toàn.
Hệ thống PON nằm trong mạng truy nhập quang, là một dạng mạng hỗ trợ kết nối đến khách hàng gần đầu cuối So với mạng cáp đồng truyền thống, mạng PON sử dụng sợi quang giúp mở rộng băng thông hàng THz, phù hợp với mục tiêu phát triển đến từng nhà thuê bao trong tương lai Đặc trưng nổi bật của hệ thống PON là thiết bị thụ động phân phối sợi quang đến các khách hàng, sử dụng bộ chia có thể lên tới 128 nhánh, giúp mở rộng khả năng phục vụ và tối ưu hóa hạ tầng mạng truy cập.
Hệ thống PON hỗ trợ các giao thức như ATM, Ethernet cùng với các dịch vụ truyền hình, thoại, dữ liệu và video tốc độ cao như HDTV, hội nghị truyền hình và trò chơi tương tác Băng thông trong hệ thống PON được chia sẻ cho nhiều khách hàng, giúp giảm chi phí sử dụng dịch vụ Công nghệ truyền dẫn trong PON tận dụng các phương pháp như TDMA, CDMA, WDM và ghép kênh theo dải tần để cung cấp băng thông động, giảm thiểu số lượng cáp quang cần thiết giữa OLT và splitter PON thực hiện truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang hoặc cùng một sợi, hỗ trợ các cấu trúc topo như cây, sao, bus và vòng cung.
Mô hình mạng quang thụ động PON giúp giảm đáng kể chi phí bảo trì thiết bị nhờ sử dụng các thành phần thụ động thay vì thiết bị chủ động, đồng thời giảm số lượng sợi quang so với AON Đường truyền chính từ trung tâm OLT qua splitter phân phối tới nhiều người dùng, với splitter không cần nguồn cung cấp và có thể lắp đặt ở nhiều vị trí, giúp giảm chi phí triển khai Hệ thống PON tiết kiệm điện năng hơn do splitter không cần nguồn, và hạn chế diện tích chứa cáp so với AON, mang lại lợi ích về hiệu quả kinh tế và không gian.
PON có nhiều khuyết điểm như khó nâng cấp băng thông theo yêu cầu của thuê bao do kiến trúc điểm đến nhiều điểm ảnh hưởng đến người dùng khác khi băng thông hết Ngoài ra, việc xác định lỗi trở nên phức tạp hơn vì cùng chung một sợi quang cho nhiều khách hàng, dẫn đến khó khăn trong quản lý sự cố Tính bảo mật của PON cũng thấp hơn so với AON, dễ bị nghe lén nếu dữ liệu không được mã hóa phù hợp.
Thành phần cơ bản của mạng quang thụ động PON
Mô hình hệ thống mạng PON biểu diễn trên hình 2.3 bao gồm các thiết bị kết cuối đường quang (OLTs – Optical line terminators) đặt tại trạm trung tâm (CO-
Central Office) và bộ các thiết bị kết cuối kênh quang (ONUs – Optical network units) được đặt ở phía người sử dụng và được thể hiện như hình 2.3
Hình 2.3 Mô hình hệ thống mạng PON
Giữa chúng là hệ thống phân phối mạng quang (ODN – Optical distribution network) bao gồm cáp quang, các thiết bị ghép/tách thụ động
Các giao diện kết nối OLT đến các mạng dịch vụ: OLT được kết nối tới mạng lõi/metro thông qua giao tiếp được thể hiện trong hình 2.4
Hình 2.4 Giao diện kết nối OLT đến mạng lõi và ONU tới khách hàng
V5: là giao tiếp nối đến mạng PSTN/ISDN
E1: là giao tiếp với mạng DDN
FE/GE và ATM: là giao tiếp với mạng IP/ATM
Giao diện kết nối đến các thiết bị của khách hàng gồm có các loại sau:
POTS (Plain Old Telephone Service) là hệ thống điện thoại Analog truyền thống, gửi tín hiệu tương tự trên mỗi cặp dây và được coi là một kênh riêng biệt Việc sử dụng POTS kết hợp với modem giúp truyền dữ liệu ở tốc độ 64kbit/s, phù hợp cho các ứng dụng như gửi email qua Internet Tuy nhiên, đối với việc gửi và nhận khối lượng lớn dữ liệu, tốc độ này có thể gây mất nhiều thời gian và không phù hợp cho các nhu cầu tải dữ liệu lớn.
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
Bạn cần modem để chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự, giúp kết nối ổn định hơn Công nghệ xDSL cung cấp kết nối băng thông cao, đạt tối đa 50Mbps, phù hợp cho các nhu cầu truy cập internet tốc độ cao Để đảm bảo hiệu suất tốt nhất, dây cáp đồng nên sử dụng trong phạm vi khoảng cách 500m, tối đa không quá 1000m.
FE (Fast Ethernet) cung cấp dịch vụ với tốc độ lên đến 100Mbps, đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu nhanh chóng cho khách hàng Công nghệ 2B+D gồm hai kênh B mỗi kênh có tốc độ 64 kbps dùng cho thoại, fax, truyền dữ liệu và truy cập Internet, cùng với một kênh D tốc độ 16 kbps để truyền tín hiệu điều khiển, đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định trong mạng lưới truyền thông.
V.24/V.35: nối vào các thiết bị
Sau đây, chúng ta nghiên cứu các thiết bị quan trọng của hệ thống này
OLT được đặt tại trung tâm chuyển mạch (CO – Central Office) nhằm đảm bảo kết nối hiệu quả giữa các mạng dịch vụ khác nhau Chức năng chính của OLT là giao tiếp với các mạng dịch vụ, giúp truyền tải dữ liệu và đảm bảo yêu cầu truy nhập của người dùng được chuyển đến các mạng này một cách ổn định và đáng tin cậy Vị trí đặt OLT trong trung tâm chuyển mạch giúp tối ưu hóa quá trình kết nối, nâng cao hiệu suất mạng và phục vụ trải nghiệm truy cập của người dùng một cách hiệu quả.
Hệ thống có hai chức năng chính là truyền dữ liệu từ mạng dịch vụ đến người dùng và phân phối nội dung cho người dùng Đồng thời, nó cũng thực hiện ghép kênh các dữ liệu của người dùng trước khi gửi ra các mạng dịch vụ, đảm bảo quá trình truyền tải hiệu quả và ổn định.
Dung lượng của một ONT (Optical Network Terminal) phụ thuộc vào số card hướng xuống trong thiết bị Công thức tính số thuê bao mà ONT có thể phục vụ dựa trên số lượng card, số port trên mỗi card và tỉ lệ Splitter là: Số thuê bao = Số card × Số port mỗi card × Tỉ lệ Splitter (N) Ví dụ, với đầu P-OLT 7432 từ hãng Alcatel, có 14 card hướng xuống, mỗi card có 4 port, và tỉ lệ Splitter là 1:64, thì tổng số thuê bao mà hệ thống có thể phục vụ lên đến 14 × 4 × 64 = 3584 thuê bao OLT (Optical Line Terminal) cung cấp giao diện quang cho mạng quang ODN và ít nhất một giao diện quang cho mạng truy cập quang, có thể được đặt trong tổng đài hoặc tại các trạm từ xa để tối ưu hóa phạm vi phủ sóng và hiệu quả mạng.
Các chức năng chính của OLT bao gồm port dịch vụ, chức năng ghép kênh và kết nối chéo để đảm bảo truyền tải dữ liệu hiệu quả OLT còn có các giao diện kết nối đa dạng phù hợp với nhiều hệ thống mạng khác nhau Ngoài ra, chức năng vận hành và bảo dưỡng OAM giúp duy trì hệ thống ổn định và giảm thiểu sự cố Đặc biệt, OLT còn có chức năng cấp nguồn để đảm bảo hoạt động liên tục của mạng lưới truyền dẫn.
Sơ đồ khối chức năng của OLT được mô tả ở hình 2.5
Hình 2.5 Các khối chức năng OLT [4]
Một OLT có thể được chia làm 3 phần: phần lõi, phần dịch vụ và phần chung Phần lõi OLT bao gồm:
Chức năng kết nối chéo số hóa cung cấp các kết nối giữa mạng lõi/metro và mạng phối quang ODN, đảm bảo truyền dữ liệu hiệu quả giữa các phần mạng Chức năng ghép kênh truyền dẫn cho phép truyền và ghép các kênh trên mạng phối quang ODN, trong đó dữ liệu từ mạng lõi/metro đến ODN được truyền, còn dữ liệu từ ODN đến mạng lõi/metro phải qua ghép kênh trước khi truyền đi Giao diện ODN cung cấp môi trường truyền dẫn quang kết nối OLT với nhiều ONU bằng thiết bị thụ động, điều khiển quá trình chuyển đổi quang/điện và điện/quang để đảm bảo truyền tín hiệu liên tục và ổn định Để thực hiện cơ chế chuyển mạch bảo vệ và dễ dàng xử lý thiết bị splitter thụ động, OLT cũng được trang bị các chức năng giao diện ODN tương tự như trong mạng phối quang ODN.
Phần dịch vụ OLT có chức năng port dịch vụ, cho phép truyền ít nhất tốc độ ISDN và có khả năng cấu hình đa dạng dịch vụ cùng lúc Các port dịch vụ này hỗ trợ các dịch vụ như truyền hình độ phân giải cao (HDTV), game online và truyền dữ liệu, đáp ứng nhu cầu kết nối đa dạng của người dùng OLT giúp tối ưu hóa băng thông và đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các hoạt động trực tuyến khác nhau.
Khối tributary unit (TU) cung cấp từ hai đến nhiều cổng (port) với tốc độ 2 Mbps, tùy thuộc vào cấu hình của từng port Mỗi port trong TU có thể được cấu hình để phục vụ các dịch vụ khác nhau, mang lại tính linh hoạt và đáp ứng đa dạng yêu cầu mạng Việc cấu hình các port giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu và nâng cao khả năng mở rộng của hệ thống mạng.
Phần chung của OLT bao gồm chức năng cấp nguồn và quản lý vận hành, bảo trì (OAM – Operation, Administration, and Maintenance) Chức năng cấp nguồn chuyển đổi từ nguồn ngoài sang nguồn mong muốn để đảm bảo hoạt động liên tục của hệ thống mạng truy cập Chức năng OAM cung cấp các phương tiện điều khiển, quản lý và bảo dưỡng tất cả các khối OLT, giúp duy trì hiệu suất và độ ổn định của mạng Trong quản lý nội bộ, hệ thống có thể cung cấp giao diện thử nghiệm và giao diện Q3 cho mạng truy cập, nhằm tối ưu hóa hoạt động và đảm bảo kết nối liên tục cho hệ thống đang hoạt động.
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
ONU đóng vai trò quan trọng trong hệ thống mạng bằng cách đặt cuối đường dây, hoạt động như một "người thông dịch" giữa thiết bị người dùng và mạng Nó xử lý dữ liệu và yêu cầu truy cập từ phía người dùng, chuyển chúng lên các hệ thống trung tâm một cách hiệu quả và an toàn Vai trò của ONU giúp tối ưu hóa kết nối internet, đảm bảo tốc độ cao và ổn định cho người dùng cuối.
ONU có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang-điện, gửi dữ liệu từ nhà cung cấp dịch vụ đến khách hàng và ngược lại Do bước sóng hướng lên và hướng xuống khác nhau, tín hiệu chỉ truyền trên một sợi quang duy nhất, nên tại ONU diễn ra quá trình tách/ghép bước sóng, cụ thể là bước sóng 1310 nm và 1490 nm Quá trình này được minh họa rõ ràng trong hình 2.6, thể hiện vai trò quan trọng của việc xử lý bước sóng trong hệ thống mạng quang học.
Hình 2.6 Nguyên lý thu/phát ONU
Một ONU có thể chia làm 3 phần: phần lõi, phần dịch vụ và phần chung
Phần lõi ONU gồm các chức năng sau:
Chức năng ghép khách hàng và dịch vụ có nhiệm vụ ghép dữ liệu từ phía khách hàng trước khi truyền đến ODN, đồng thời tách các dịch vụ phù hợp cho từng người dùng đã yêu cầu Chức năng ghép kênh truyền dẫn đảm nhận việc phân phối tín hiệu giữa ODN và khách hàng, đảm bảo truyền tải dữ liệu hiệu quả Ngoài ra, chức năng giao diện ODN cung cấp các khả năng chuyển đổi giữa quang-điện và điện-quang, góp phần tối ưu hoá quá trình truyền dữ liệu trong hệ thống mạng.
Dịch vụ ONU cung cấp chức năng cổng của người dùng, cho phép truy cập các giao diện dịch vụ của khách hàng với tốc độ thích nghi là 64 kbps hoặc n×64 kbps Chức năng này có thể phục vụ cho từng khách hàng riêng lẻ hoặc nhóm khách hàng, đảm bảo tính linh hoạt trong kết nối Ngoài ra, nó còn hỗ trợ các chức năng chuyển đổi tín hiệu dựa trên giao diện vật lý, như rung chuông, báo hiệu, chuyển đổi A/D và D/A, đáp ứng các yêu cầu đa dạng của dịch vụ mạng.
Hình 2.7 Các khối chức năng ONU [4]
Cấu hình hình cây trong mạng FTTH dựa trên nền PON
Trong các mạng PON thường sử dụng topology hình cây, trong đó chỉ có một đường cáp quang kết nối trực tiếp từ OLT tới bộ chia, giúp xác định dễ dàng các sự cố mạng Kiến trúc này cho phép tất cả các ONU trong cùng mạng chia sẻ nguồn công suất, đảm bảo chất lượng tín hiệu đồng đều và giúp giảm chi phí thiết bị mạng nhờ sản xuất đại trà Kết nối điểm-đa điểm của mạng PON hạn chế tắc nghẽn tại OLT so với kết nối điểm-điểm truyền thống, nhưng số lượng ONU bị giới hạn do suy hao của bộ ghép và nhu cầu băng thông của người dùng Topology hình sao với một bộ chia là lựa chọn phổ biến vì dễ chuyển đổi từ công nghệ băng hẹp đến băng rộng, đồng thời dễ mở rộng bằng cách thêm bộ chia và OLT mới khi nhu cầu dịch vụ tăng Điều này giúp nhà cung cấp dễ dàng mở rộng mạng nhanh chóng và hiệu quả.
Thông thường, mạng PON hình sao sử dụng các bộ chia quang thụ động hình sao mở rộng nhằm cung cấp số lượng cổng vào hoặc ra linh hoạt, giúp dễ dàng phân phối các cổng phát và thu thay đổi hoặc kết hợp công nghệ WDM để nâng cao khả năng mở rộng, mặc dù giá thành thường cao Tuy nhiên, topology hình sao có nhược điểm là chỉ phù hợp với kỹ thuật đa truy nhập TDMA, trong đó các khe thời gian truyền nhận giữa OLT và ONU được phân bổ riêng biệt để tránh xung đột dữ liệu Trong mạng kiểu này, khe thời gian thường được cấp phát động cho từng ONU khi kết nối vào mạng Một điểm yếu khác của topology hình sao là độ tin cậy không cao, vì sự cố tại tổng đài CO hoặc bộ khuếch đại, node trong mạng có thể làm gián đoạn toàn bộ dịch vụ Thêm vào đó, hạn chế tại các kết nối sau bộ chia dẫn đến tốc độ dịch vụ của khách hàng luôn bị giới hạn bởi giá trị cố định, làm giảm hiệu quả phân phối băng thông và khả năng tận dụng mạng.
Hình 2.20 Topo hình cây trong mạng FTTH
Kết luận chương
Sự ra đời của 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 hệ thống mạng truy nhập cáp đồng cũ với băng thông hạn chế và chất lượng thấp hơn Tuy nhiên, việc triển khai PON gặp phải nhiều khó khăn, đặc biệt là chi phí xây dựng khá cao so với thu nhập của người dân và địa hình phức tạp gây khó khăn trong triển khai Các chuẩn công nghệ PON như APON/BPON, EPON, GPON, WDM-PON và CDMA-PON mang đến nhiều ưu điểm về tốc độ truyền dẫn và băng thông, giúp các nhà cung cấp dịch vụ lựa chọn chuẩn phù hợp nhất với khả năng hiện có để cung cấp dịch vụ chất lượng cao tới khách hàng.
