thiết kế hệ thống thông tin sợi quang đến hộ gia đình ftth (fiber to the home) cho khoảng 4.000 thuê bao ở quận sơn trà – đà nẵng

ADSL Asymmetric Đường dây thuê bao số không đối xứngDigital Subscriber Line VDSL Very high speed Đường dây thuê bao số tốc độ rất cao Digital Subscriber Line SHDSL Single-line H

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ỨNG DỤNG

============================

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THÔNG TIN QUANG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG ĐẾN HỘ

GIA ĐÌNH FTTH (FIBER TO THE HOME) CHO KHOẢNG

4.000 THUÊ BAO Ở QUẬN SƠN TRÀ – ĐÀ NẴNG

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Vũ Anh Quang

Sinh viên thực hiện: Bùi Văn Thắng

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông đã mang lại nhiều tiện ích cho người sử dụng, hệ thống thông tin liên lạc có mặt ở khắp mọi nơi trên toàn thế giới Mạng Internet trở thành một nhu cầu thiết yếu trong mọi vấn đề cuộc sống, hỗ trợ mọi nhu cầu của con người từ công việc đến các hoạt động giải trí…

Vì thế, sự phát triển của mạng Internet trở nên bùng nổ trong những năm gần đây với

sự gia tăng nhanh chóng của số lượng thuê bao và yêu cầu những dịch vụ chất lượng cao, băng thông rộng Mạng Internet sử dụng cáp điện đã không còn đáp ứng được nhu cầu sử dụng và chất lượng dịch vụ ngày càng cao FTTH là giải pháp hữu hiệu cho vấn đề này; nó là bước tiến vượt bậc về công nghệ mạng sử dụng đường truyền cáp quang với một cấu hình mạng mới cho phép người dùng cùng lúc sử dụng nhiều ứng dụng tốc độ cao và băng thông rộng

ADSL Asymmetric Đường dây thuê bao số không đối xứng

Digital Subscriber Line

VDSL Very high speed Đường dây thuê bao số tốc độ rất cao

Digital Subscriber Line

SHDSL Single-line High Speed Đường dây thuê bao số

Digital Subscriber Line tốc độ cao trên đường dây đơn

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ

APON ATM over Passive Optical ATM qua mạng quang thụ động

Network

BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bít

BPON Broadband Passive Optical Mạng quang thụ động băng rộng

Network

CO Central Office Tổng đài trung tâm

DDN Defense Data Network Mạng dữ liệu Bộ quốc phòng Mỹ

FTTH Fibre to the Home Mạng quang đến hộ gia đình

GPON Gigabit-capable Passive Optical Mạng quang thụ động gigabit

Network

GTC GPON Transmission GPON sử dụng lớp con truyền dẫn hội tụ

Convergence

GEM GPON Encapsulation Method Phương pháp đóng gói GPON

LLID Loopback Location Identifier Nhận dạng đường liên kết được số hóa MPCP Multi-Point control protocol Giao thức điều khiển đa điểm

NRZ Non Return to Zero Mã đường dây NRZ

OAM Operation, Administration and Vận hành, quản lý và bảo dưỡng

Maintenance

ODN Optical Distribution Network Mạng phân phối quang

OLT Optical Line Termination Thiết bị kết cuối đường dây

ONU Optical Network Unit Thiết bị kết cuối mạng quang

ONT Optical Network Termination Thiết bị kết cuối mạng quang

OMCI ONT Management and Giao diện điều khiển và quản lý ONT

Control Interface

PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động

POTS Plain Old Telephone Service Dịch vụ điện thoại truyền thống

TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gian TPON Telephony Passive Optical Mạng quang thụ động thoại

Network

EPON Ethernet Passive Optical Mạng quang thụ động Ethernet

Network

ISDN Integrated Services Digital Mạng số tích hợp

Network

IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ thuật điện và điện tử

Electronic Engineers

ITU International Liên minh viễn thông quốc tế

Telecommunication Union

WDM Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước sóng

Multiplexing

1 Tổng quan mạng FTTH.

1.1 Khái niệm.

FTTH là mạng viễn thông băng thông rộng bằng cáp quang được nối đến tận nhà để cung cấp các dịch vụ tốc độ cao như điện thoại, Internet tốc độ cao và TV Bằng cách triển khai cáp quang đến tận nhà khách hàng, tốc độ mạng sẽ nhờ vậy mà tăng lên gấp bội phần, lên đến Gbps trên cả hai kênh lên và xuống

1.2 Ưu điểm.

- Băng thông lớn: Có thể chạy tốt mọi yêu cầu và ứng dụng hiện đại

- Khoảng cách truyền lớn: Thích hợp cho việc phát triển thuê bao viễn thông

- Tốc độ download/upload bằng nhau

- Độ bảo mật rất cao: Với FTTH thì hầu như không thể bị đánh cắp tín hiệu trên đường dây

- Dễ dàng nâng cấp băng thông khi có nhu cầu mà không phải kéo lại dây và thay đổi thiết bị mới Chi phí vận hành, bảo trì, bảo dưỡng cho mạng FTTH rẻ

- An toàn cho thiết bị, không sợ sét đánh lan truyền trên đường dây, không còn

sự cản trở bởi thời tiết, điện, từ trường và nhiễu xuyên âm Tín hiệu luôn ổn định, kết nối thông suốt, liên tục

- Số lượng các bộ thu phát quang, thiết bị đầu cuối của tổng đài trung tâm và sợi quang ít

- Ứng dụng hiệu quả với các dịch vụ: Hosting Server riêng, VPN (mạng riêng ảo), Truyền dữ liệu, Game Online, IPTV (truyền hình tương tác), VOD (xem phim theo yêu cầu), Video Conferrence (hội nghị truyền hình), IP Camera… hay cho các điểm truy cập Internet công cộng

- Ngoài ra, FTTH còn chiếm ưu thế tuyệt đối trong quá trình ngầm hóa mạng thông tin, một xu thế tất yếu đang diễn ra ở nước ta

1.3 Phương thức truyền dẫn.

1.3.1 Phương thức điểm – điểm.

Với phương thức " điểm - điểm" các đường truyền riêng biệt được thiết lập để nối các cặp máy tính lại với nhau Mỗi máy tính có thể truyền và nhận trực tiếp dữ liệu hoặc có thể làm trung gian như lưu trữ những dữ liệu mà nó nhận được rồi sau đó chuyển tiếp dữ liệu đi cho một máy khác để dữ liệu đó đạt tới đích

Hình 1.1 – Phương thức liên kết điểm – điểm

Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt Hàn Khoa Tin học ứng dụng

1.3.2 Phương thức điểm – đa điểm.

Theo kiến trúc này tại nhà cung cấp đặt một thiết bị làm việc theo chuẩn PON, đường truyền chính sẻ đi từ thiết trung tâm OLT qua một thiết bị chia tín hiệu và từ thiết bị này mới kéo đến nhiều người dùng

Hình 1.2 – Phương thức liên kết điểm – đa điểm

- Ưu điểm: Kiến trúc đơn giản, dễ quản lý Đặc biệt cấu hình này tỏ rõ ưu thế khi số lượng thuê bao cho một khu vực lớn, việc sử dụng cấu hình cũ không còn phù hợp

- Nhược điểm: Thiết bị đầu cuối, vật tư, nguyên liệu có giá thành cao Hơn nữa kiến trúc này đòi hỏi quá trình đào tạo chuyên sâu cho các đơn vị thực hiện

1.4 Cấu hình FTTH

1.4.1 Cấu hình dạng hình cây.

Cấu hình dạng hình cây trong đó chỉ sử dụng 1 đường cáp quang nối trực tiếp từ OLT tới bộ chia Từ bộ chia, sẽ có một đường cáp quang kết nối từ mỗi ONU tới mạng Trong thực tế, trong một số mạng chỉ có 1 bộ chia thường được gọi là cấu hình dạng hình sao

Hình 1.3 – Cấu hình dạng hình cây

- Ưu điểm:

 Bộ chia được tập trung tại một điểm nên dễ dàng xác định được những sự cố của mạng

 Tất cả các ONU trong cùng mạng sẽ có chung dự trữ công suất hay nói cách khác là chất lượng tín hiệu tại các ONU sẽ gần tương tự như nhau

- Nhược điểm:

 Chỉ có thể sử dụng cho kỹ thuật đa truy nhập

 Độ tin cậy của mạng không cao, mỗi khi tổng đài phía nhà cung cấp CO gặp

sự cố sẽ gây sự cố cho toàn mạng Ngoài ra cần phải kể đến những sự cố

Đồ án thông tin sợi quang

OLT

ONU U ONU U ONU U

ONU U

2

khác trong mạng như lỗi tại bộ khuếch đại, tại bộ truyền nhận, … tại nút trong mạng cũng ảnh hưởng tới chất lượng của toàn mạng

 Một lý do dễ dàng nhận thấy nữa là do hạn chế tại các kết nối sau bộ chia làm cho khách hàng luôn luôn bị hạn chế tốc độ bởi 1 giá trị hằng định dẫn đến làm giảm tính tận dụng của mạng trong việc phân phối băng thông cho người dùng

1.4.2 Cấu hình dạng đường thẳng.

Cấu hình dạng đường thẳng sử dụng 1 cáp quang từ OLT tới khách hàng Mỗi người sử dụng được kết nối vào mạng thông qua một bộ ghép dây nhánh và bộ ghép này sẽ đưa một phần công suất tín hiệu phát từ OLT đi tới người sử dụng

Hình 1.4 - Cấu hình dạng đường thẳng.

- Ưu điểm:

 Khả năng tối thiểu hóa số cáp quang cần được sử dụng (nếu ONU được kết nối trực tiếp tới bộ ghép)

 Mở rộng mạng một cách linh hoạt, dễ dàng (khi có thêm ONU mới tham gia vào mạng thì chỉ cần dùng thêm bộ ghép để kết nối trực tiếp vào mạng)

- Nhược điểm:

 Tín hiệu quang suy hao dần qua mỗi bộ ghép nên ONU ở xa OLT có thể không thu được tín hiệu do chất lượng tín hiệu quá kém sau khi đi qua một số lượng nhất định bộ ghép nhánh

 Với cấu hình này sẽ yêu cầu một đường cáp quang có độ dài rất lớn khi mở rộng trong mạng 2 chiều

1.4.3 Cấu hình dạng vòng.

Trong cấu hình dạng vòng, tồn tại 2 đường kết nối từ OLT tới mỗi ONU

Hình 1.5 – Cấu hình dạng vòng

ONU U

ONU U

ONU U

ONU U OLT

ONU U

ONU U

ONU U

ONU U OLT

Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt Hàn Khoa Tin học ứng dụng

- Ưu điểm:

 Cấu hình dạng vòng được sử dụng chính trong các mạng thành phố lớn bởi khả năng mềm dẻo trong việc tối ưu hóa các đường truyền

 Rất linh hoạt trong việc thiết lập và bảo trì mạng cáp quang kể cả trong trường hợp cáp quang bị đứt

- Nhược điểm:

 Yêu cầu sử dụng 2 sợi quang tại OLT và những thiết bị phức tạp khác có khả năng chuyển mạch và truyền nhận tín hiệu theo 2 hướng trong vòng tại mỗi ONU

 Khi tín hiệu quang được truyền qua mỗi ONU, tín hiệu bị suy hao đáng kể

 Dung lượng của mạng được chia sẻ một cách mềm dẻo cho các ONU trong mạng nên việc sử dụng 2 cáp quang trong mạng vòng cũng không cải thiện được dung lượng của mạng

 Số lượng ONU trong mạng cấu hình dạng vòng ít hơn trong mạng có cấu hình dạng đường thẳng và hình sao

1.5 Bước sóng sử dụng trong mạng FTTH.

Có 3 vùng bước sóng suy hao thấp nhất trong sợi quang đơn mode, còn gọi là

ba cửa sổ thông tin

* Cửa sổ thứ nhất: Ở bước sóng 850nm Trong vùng bước sóng từ 0.8μm tớim tới

1μm tớim, suy hao chủ yếu do tán xạ trong đó có một phần ảnh hưởng của suy hao hấp thụ Suy hao trung bình trong cửa sổ này ở mức từ (23)dB/Km

* Cửa sổ thứ hai : Ở bước sóng 1300nm Ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp,

suy hao chính do tiêu hao tán xạ Rayleigh Suy hao tương đối thấp khoảng từ (0,40,5) dB/Km và tán sắc nên được dùng rộng rãi hiện nay

* Cửa sổ thứ ba : Ở bước sóng 1550nm Suy hao thấp nhất cho đến nay khoảng

0,3 dB/Km, với sợi quang bình thường độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn so với bước sóng 1310nm Tuy nhiên với một số loại sợi quang có dạng phân bố chiết suất đặc biệt có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550nm như các sợi quang DC, MC và sợi quang bù tán sắc Lúc đó việc sử dụng cửa sổ thứ ba sẽ có nhiều thuận lợi : suy hao thấp và tán sắc nhỏ

Hình 1.6 - Đặc tuyến suy hao trong sợi quang

Hình 1.6 chỉ ra phổ suy hao trong sợi quang đơn mode silicat Thông thường, tổn hao lớn nhất trên sợi quang ở bước sóng 1,38 µm gây ra bởi hấp thụ của tạp chất trong ion OH- do quá trình sản xuất cáp quang Thông qua các tính chất suy hao của sợi quang, mạng FTTH được triển khai dựa trên 3 vùng bước sóng chính là 1310nm, 1490nm và 1550nm Vùng bước sóng 1310nm để truyền dữ liệu tuyến lên, vùng bước sóng 1490nm được dùng cho tuyến truyền dẫn quang tuyến xuống còn vùng bước sóng 1550nm được sử dụng cho việc truyền tín hiệu tương tự trên cáp truyền hình CATV

Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt Hàn Khoa Tin học ứng dụng

2 Hệ thống PON.

2.1 Giới thiệu.

PON là từ viết tắt của Passive Optical Network tạm dịch 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 của nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng

Công nghệ PON được biết tới đầu tiên đó là TPON được triển khai vào những năm 90, tiếp đó năm 1998, mạng BPON được chuẩn hóa dựa trên nền ATM Hai năm

2003 và 2004 đánh dấu sự ra đời của hai dòng công nghệ EPON và GPON, có thể nói hai công nghệ này mở ra cơ hội mới cho các nhà cung cấp dịch vụ giải quyết hàng loạt vấn đề truy nhập băng thông rộng tới người sử dụng đầu cuối

2.2 Đặc điểm chính của hệ thống 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 có thể lên tới 1:128

- PON hỗ trợ giao thức ATM, Ethernet

- PON hỗ trợ các dịch vụ voice, data và video tốc độ cao

- Khả năng cung cấp băng thông cao

- 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 công nghệ WDM, ghép kênh phân chia theo dải tần và cung cấp băng thông động để giảm thiểu số lượng cáp quang cần thiết để kết nối giữa OLT và bộ chia

- PON thực hiện truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang hay 2 chiều trên cùng 1 sợi quang

- PON có thể hỗ trợ topo hình cây, sao, đường thẳng và vòng tròn

2.3 Mô hình mạng PON.

Mạng quang thụ động PON được xây dựng nhằm giảm số lượng các thiết bị thu, phát và sợi quang trong mạng thông tin quang FTTH PON là một mạng điểm tới đa điểm, một kiến trúc PON bao gồm một thiết bị đầu cuối kênh quang được đặt tại trạm trung tâm của nhà khai thác dịch vụ và các bộ kết cuối mạng cáp quang ONU/ONT đặt tại gần hoặc tại nhà thuê bao Giữa chúng là hệ thống phân phối mạng quang ODN bao gồm cáp quang, các thiết bị tách ghép thụ động

Hình 2.1 - Mô hình mạng quang thụ động PON

 OLT được kết nối đến mạng lõi thông qua giao tiếp:

 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:

 POTS: là hệ thống điện thoại tương tự chỉ gửi một tín hiệu tương tự trên mỗi cặp dây, mỗi tín hiệu riêng biệt này được coi là một kênh Sử dụng POTS và modem để gửi tín hiệu tương tự cung cấp một kênh 64kbit/s

 xDSL (ADSL, VDSL, SHDSL): cung cấp kết nối xDSL băng thông cao khả năng tối đa lên 50Mbps, với yêu cầu khoảng cách cáp đồng khoảng 500m và tối đa đến 1000m

 FE: cung cấp các dịch vụ tốc độ lên tới 100Mbps cho khách hàng

 2B+D: cung cấp 2 kênh B có tốc độ mỗi kênh là 64 kbps được dùng cho thoại, fax, truyền dữ liệu và truy cập Internet; 1 kênh D có tốc độ 16 kbps được dùng để truyền tín hiệu điều khiển

 V.24/V.35: nối vào các thiết bị

Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt Hàn Khoa Tin học ứng dụng

2.4 Các thành phần mạng PON

2.4.1 OLT

OLT: là thiết bị được đặt tại CO Chức năng chính của OLT là lắp ráp lưu lượng đến từ mạng internet (Voice, Data) vào lớp vận chuyển PON

OLT cung cấp giao diện quang về phía mạng phối quang ODN và cung cấp ít nhất một giao diện quang trên mạng ở phía mạng truy nhập quang OLT có thể được đặt ở bên trong tổng đài hay tại một trạm từ xa

2.4.2 ONU

ONU: ONU thì được đạt ở bên ngoài nhà thuê bao, thường có số lượng cổng

giao tiếp lớn Chức năng cơ bản của ONU là nhận dữ liệu ở dạng quang và chuyển

sang dạng phù hợp với người dùng như: Ethernet, POTS, xDSL…

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

2.4.3 ODN

ODN: mạng phân phối quang, là tập hợp nhiều bộ chia được sắp xếp theo kiểu cây, đường thẳng, vòng tròn…tùy theo mục đích phục vụ của nhà cung cấp dịch vụ

Mạng phối quang ODN cung cấp môi trường truyền dẫn quang cho các kết nối vật lí từ ONU đến OLT ODN bao gồm các thành phần sau:

 Sợi quang và cáp quang

 Các bộ nối

 Các thiết bị thụ động như bộ chia

 Mối nối

2.4.4 Bộ chia

Bộ chia là thiết bị thụ động, công dụng của nó là để chia công suất quang từ một sợi ra nhiều sợi khác nhau

Từ OLT đến ONU có thể sử dụng nhiều dạng bộ chia có tỉ bộ chia là 1:2; 1:4; 1:8; 1:16;1:32; 1:64; 1:128

Hầu hết hệ thống PON có bộ chia là 1:16 và 1:32 Tỉ lệ chia trực tiếp ảnh hưởng quỹ suy hao của hệ thống và suy hao truyền dẫn Tỉ lệ của bộ chia càng cao cũng có nghĩa là công suất truyền đến mỗi ONU sẽ giảm xuống do suy hao của bộ chia splitter 1:N tính theo công thức:

P N = 10 log N (dB)

Nếu tỉ lệ bộ chia mà tăng lên gấp đôi thì suy hao sẽ tăng lên 3 dB