nghiên cứu công nghệ truy nhập quang thụ động gpon

Chương 1: Tổng Quan về Mạng Quang Thụ Độngsẽ không chứa bất kì phần tử tích cực nào mà cần phải có sự chuyển đổi điện – quang.Thay vào đó, PON sẽ chỉ bao gồm sợi quang, các bộ chia, bộ k

Contents 1

Danh mục hình vẽ 3

Thuật ngữ viết tắt 4

Lời mở đầu 7

Chương 1: Tổng Quan về Mạng Quang Thụ Động PON 8

1.1 Tổng Quan về Mạng Quang Thụ Động PON 8

1.1.1 Mở đầu 8

1.1.2 Kiến trúc của PON 9

1.2 Các Phần Tử Trong Mạng Quang Thụ Động PON 10

1.2.1 Các phần tử tích cực (CO, ONU, EMS) 10

1.2.2 Các phần tử thụ động (sợi quang, bộ ghép tách quang, mối hàn, đầu nối) 12

1.3 WDM và TDM PON 15

1.4 Kết Luận 16

Chương 2: Công Nghệ Mạng Quang Thụ Động GPON 17

2.1 Kiến Trúc GPON 17

2.2 Thông Số Kỹ Thuật GPON 20

2.3 Kỹ Thuật Truy Nhập và Phương Thức Ghép Kênh 21

2.3.1 Kỹ thuật truy nhập 21

2.3.2 Phương thức ghép kênh 22

2.4 Lớp hội tụ truyền dẫn 23

2.4.1 Một số khái niệm cơ bản 23

2.4.2 Ngăn xếp giao thức 23

2.4.3 Các chức năng chính của GPC 25

2.4.4 Chức năng các lớp con trong GTC 26

2.5 Cấu trúc khung 26

2.5.1 Cấu trúc khung đường xuống 27

2.5.2 Cấu trúc khung đường lên 29

2.6 Phương Thức Đóng Gói Dữ Liệu 30

2.6.1 Cấu trúc khung GEM 31

2.6.2 Ánh xạ lưu lượng vào tải tin GTC 34

2.7 Định cỡ và phân định băng thông trong GPON 37

2.7.1.Định cỡ 37

2.7.2.Phân định băng thông động 42

2.8 Bảo mật và mã hóa 54

2.9 Khả năng cung cấp băng thông 54

2.10 Khả năng cung cấp dịch vụ 56

2.11 Kết luận 57

Tài liệu tham khảo 58

Danh mục hình vẽ

Thuật ngữ viết tắt

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước

Maintenance

Vận hành, quản lý và bảo dưỡng

Interface

Giao diện quản lý và điều khiển ONU

PLOu Physical Layer Overhead upstream Mào đầu lớp vật lý hướng lên

gian

Lời mở đầu

Trong những năm gần đây, nhu cầu về các loại dịch vụ gia tăng tích hợp thoại, hìnhảnh và dữ liệu ngày càng tăng Sự phát triển của các loại dịch vụ mới đòi hỏi hạ tầngmạng truy cập phải đáp ứng các yêu cầu về băng thông rộng, tốc độ truy nhập cao Côngnghệ truy nhập đồng điển hình như xDSL đã được triển khai rộng rãi, tuy nhiên lại hạnchế về cự ly và tốc độ không đáp ứng được yêu cầu dịch vụ Vì vậy, nghiên cứu và triểnkhai các giải pháp truy nhập quang là vấn đề cần thiết hiện nay

Mạng đường trục Bắc – Nam nước ta sử dụng mạng Ring cáp quang SDH 20 Gbit/s.Các mạng liên tỉnh sử dụng hệ thống cáp quang SDH với dung lượng 622 Mbit/s và 2,5Mbit/s Vào cuối năm 2004, mạng NGN đã chính thức đi vào khai thác với khả năngcung cấp dịch vụ đa dạng, hội tụ cả thoại, video và cả dữ liệu nhưng mạng truy cập gầnnhư không có một sự phát triển đáng kể nào Mạng truy cập chủ yếu sử dụng cáp đồngnên không thể khai thác hết các tính năng của mạng NGN

Công nhệ mạng truy nhập quang thụ động GPON đã được ITU chuẩn hóa Hiện nay làmột trong những công nghệ được ưu tiên lựa chọn cho triển khai mạng truy nhập tạinhiều nước trên thế giới GPON là dịch vụ hướng tới cung cấp mạng đầy đủ, tích hợpthoại, hình ảnh, số liệu với băng thông lớn, tốc độ cao Do vậy GPON sẽ là công nghệtruy cập được triển khai trong tương lai

Chuyên đề “Nghiên cứu công nghệ truy nhập quang thụ động GPON” nhằm mụcđích nghiên cứu, tìm hiểu những đặc điểm cơ bản của công nghệ GPON Chuyên đề thựchiện gồm 02 chương:

CHƯƠNG 1: Trình bày tổng quan về mạng quang thụ động PON

Chương này cho ta biết một cách tổng quát về mạng PON, đưa ra mô hình cơ bản củamạng Phân tích các thành phần chủ yếu của mạng là OLT, ONU, trình bày các phần tửtrong mạng PON

CHƯƠNG 2:Trình bày các nghiên cứu về công nghệ GPON

Chương này trình bày các nhiên cứu về công nghệ GPON, trong đó có các vấn đề lớn vềlớp hội tụ truyền dẫn, định cỡ và phân định băng thông động là các vấn đề trọng tâm

Chương 1: Tổng Quan về Mạng Quang Thụ Động

sẽ không chứa bất kì phần tử tích cực nào mà cần phải có sự chuyển đổi điện – quang.Thay vào đó, PON sẽ chỉ bao gồm sợi quang, các bộ chia, bộ kết hợp, bộ ghép địnhhướng, thấu kính, bộ lọc,…Điều này giúp cho PON có một số ưu điểm như: không cầnnguồn điện cung cấp nên không bị ảnh hưởng bởi lỗi nguồn, có độ tin cậy cao và khôngcần phải bảo dưỡng do tín hiệu không bị suy hao nhiều như đối với các phần tử tích cực

1.1.2 Kiến trúc của PON

Mô hình mạng quang thụ động với các phần tử của nó được biểu diễn như tronghình 1-1

Hình 1-1: Mô hình mạng quang thụ động

Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân bố quang (hay còn gọi làmạng ngoại vi) bao gồm các phần tử như sợi quang, các bộ tách/ghép quang thụ động,các đầu nối và các mối hàn quang Các phần tử tích cực như OLT và ONU đều nằm ở đầucuối của PON Tín hiệu trong PON có thể được phân ra và truyền đi theo nhiều sợi quanghoặc được kết hợp lại và truyền trên một sợi quang thông qua bộ ghép quang, phụ thuộcvào tín hiệu đó là đi theo hướng lên hay hướng xuống của PON PON thường được triểnkhai trên sợi quang đơn mode, với cấu hình cây là phổ biến, PON cũng có thể được triểnkhai theo cấu hình vòng ring cho các khu thương mại hoặc theo cấu hình bus khi triểnkhai trong các trường sở,…

Về mặt logic, PON được sử dụng như mạng truy nhập kết nối điểm - đa điểm, vớimột CO phục vụ cho nhiều thuê bao.Có nhu cầu kết nối điểm – đa điểm phù hợp chomạng truy nhập như cấu hình cây, cây và nhánh, vòng ring, hoặc bus như trong hình 2.2

Hình 1.2 Các kiểu kiến trúc của PON.

Bằng cách sử dụng các bộ ghép 1:2 và bộ chia quang 1:N, PON có thể triển khaitheo bất cứ cấu hình nào trong các cấu hình trên Ngoài ra PON có thể thu gọn lại thànhcác vòng ring kép, hay hình cây, hay một nhánh của cây Tất cả các tuyến truyền dẫntrong PON đều được thực hiện giữa OLT và ONU OLT nằm ở CO và kết nối mạng truynhập quang với mạng đô thị (MAN) hay mạng diện rộng (WAN), được biết đến như lànhững mạng đường trục ONU nằm tại vị trí đầu cuối người sử dụng (FTTH hay FTTBhoặc FTTC)

Trong các cấu hình trên, cấu hình cây 1:N như hình 2.2 (a), hay cấu hình cây và phânnhánh hình 2.2 (b) được sử dụng phổ biến nhất Đây là những cấu hình rất mềm dẻo, phùhợp với nhu cầu phát triển của thuê bao, cũng như đòi hỏi ngày càng tăng về băng thông

1.2 Các Phần Tử Trong Mạng Quang Thụ Động PON

1.2.1 Các phần tử tích cực (CO, ONU, EMS)

Các nhà cung cấp PON chủ yếu tập trung phát triển các thiết bị tích cực, như bảngmạch CO và các ONU để đặt tại các đầu cuối của PON Bảng mạch CO được đặt tại cácnhà cung cấp, chứa các đầu nối, các điểm truy nhập POP, và các OLT, các modul giaodiện mạng (NIM) và modul card chuyển mạch (SCM) PON kết nối một card OLT tớinhiều ONU, được đặt tại nhà thuê bao

1.2.1.1 Bảng mạch CO

Bảng mạch CO cung cấp dao diện hệ thống PON và mạng lõi của các nhà cung cấpdịch vụ.Các bảng mạch cung cấp kết nối với hệ thống quản lý mạng thông qua phần tửquản lý hệ thống EMS CO có các giao diện kết nối với các loại thiết bị như:

● Các bộ nối chéo DCS, được sử dụng để truyền tải các luồng lưu lượng TDM tới mạngđiện thoại.Các giao diện phổ biến DCS bao gồm DS-1, DS-3, tín hiệu truyền tải đồng bộSTS1-1, OC-3

● Các cổng thoại, được sử dụng để truyền tải các lưu lượng TDM thoại cục bộ tới cácmạng điện thoại công cộng (PSTN)

● Các thiết bị mạng video được sử dụng để truyền tải lưu lượng video tới mạng video lõi.Các chức năng và đặc điểm chính của OLT bao gồm:

● Giao diện đa dịch vụ kết nối với mạng lõi WAN

● Các giao diện để kết nối với mạng PON

Các chức năng và đặc điểm chính của ONU bao gồm:

● Cung cấp giao diện với khách hàng đối với các dịch vụ điện thoại truyền thống, cácluồng T1, DS-3, 10/100 BASE-T, các gói tin quảng bá,…

● Có khả năng chuyển mạch và định tuyến lớp 2 và lớp 3

● Cung cấp các luồng dữ liệu với tốc độ từ 64 Kb/s đến 1Gb/s

● Cung cấp các giao diện chuẩn Ethernet

Thông thường ở CO có thể có chứa nhiều OLT

1.2.1.3 EMS

EMS quản lý các phần tử của mạng PON và cung cấp các giao diện kết nối với hệthống quản lý mạng cung cấp dịch vụ.Các chức năng quản lý của nó bao gồm kiểm soátlỗi, thiết lập cấu hình, tính cước và bảo mật

Các chức năng và đặc điểm chính của EMS bao gồm:

● Cung cấp các chức năng quản lý thông qua giao diện với người sử dụng

● Có khả năng quản lý các thiết bị của mạng PON

● Có khả năng hỗ trợ đồng thời hàng trăm giao diện người sử dụng

● Cung cấp các giao diện chuẩn với hệ thống quản lý mạng

1.2.2 Các phần tử thụ động (sợi quang, bộ ghép tách quang, mối hàn, đầu nối)

Các phần tử thụ động của sợi quang bao gồm:

về băng tần và không thích hợp với những hệ thống truyền dẫn tốc độ cao và khoảng cáchtruyền dẫn lớn như trong PON Vì vậy trong PON, người ta chỉ sử dụng sợi đơn mode.Sợi đơn mode cho phép nâng cấp hệ thống trong tương lai bằng những công nghệ điềuchế khác nhau để đạt được tốc độ truyền dẫn cao hơn

Trên thực tế, sợi đơn mode có thể phân tán làm ba loại:

● Sợi đơn mode chuẩn (SSM – Standard single – mode)

● Sợi tán sắc dịch chuyển (DSSM – Dispersion shifted single – mode)

● Sợi tán sắc phẳng (DSM – Dispersion flattened single – mode)

Trong ba loại sợi trên, sợi SSM có tán sắc gần như bằng không tại bước sóng1300nm, nhưng tại bước sóng này sợi lại có suy hao tương đối cao so với suy hao tạibước sóng 1550nm.Sợi DSSM có tán sắc gần như bằng không tại bước sóng 1550nm,nhưng độ tán sắc lại tăng đáng kể tại bước sóng 1300nm Chỉ có sợi DFSM là có suy haothấp tại cả hai bước sóng 1300nm và 1550nm, và có độ tán sắc gần như bằng không tạibước sóng 1550nm, và có thể coi là sợi lý tưởng cho các hệ thống sửu dụng bước sóng

đó Tuy nhiên chi phí cho loại sợi này cao hơn nhiều sợi SSM.Hơn nữa việc hàn nối sợiDFSM vào bộ ghép trong mạng PON khó khăn hơn nhiều so với sợi SSM.Chính vì vậy,sợi SSM chính là sợi quang được sử dụng nhiều nhất trong mạng PON

2.2.2.2 Bộ tách ghép quang

PON sử dụng thiết bị thụ động để chia tín hiệu quang từ một sợi để truyền đi trênnhiều sợi và ngược lại, kết hợp các tín hiệu quang từ nhiều sợi thành tín hiệu trên mộtsợi.Thiết bị này được gọi là bộ tách/ghép quang Dạng đơn giản nhất của nó là một bộghép quang bao gồm hai sợi quang được hàn dính vào nhau Tín hiệu nhận được ở bất cứđầu vào nào cũng bị chia thành hai phần ở đầu ra.Tỉ lệ phân chia của bộ tách/ghép có thểđược điều khiển bởi độ dài của mối hàn và vì vậy đây được coi là tham số không đổi Các bộ tách/ghép N*N được chế tạo bằng cách ghép tầng nhiều bộ 2*2 với nhau nhưhình 2-3 hoặc sử dụng công nghệ ống dẫn sóng phẳng

Hình 1-3 : Các bộ ghép 8*8 được tạo ra từ các bộ ghép 2*2

Các bộ tách ghép được đặc trưng bởi các tham số sau đây:

Suy hao chia – là tỷ lệ giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào của bộ ghép, tính

theo dB Với một bộ 2*2 lý tưởng, giá trị này là 3dB.Hình 2-3 a biểu diễn hai mô hìnhcủa bộ 8*8 dựa trên các bộ 2*2.Trong mô hình 4 tầng (hình 2-3 a), chỉ có 1/16 công suấtđầu vào được đưa tới từng đầu ra.Hình 2-3 b biểu diễn mô hình thiết kế hiệu quả hơn,mỗi đầu ra sẽ nhận được 1/8 công suất đầu vào

Suy hao ghép – Đây là công suất bị tổn hao do quá trình sản xuất, giá trị này thông

thường khoảng 0.1dB đến 1dB

Điều Hướng–Đây là mức công suất đo được ở đầu vào bị dò từ một đầu vào khác Với

những bộ tách/ghép là thiết bị có khả năng định hướng cao thì tham số điều hướngkhoảng từ 40dB đến 50dB

Thông thường, các bộ tách/ghép thường chỉ được cấu tạo với một đầu vào hoặc mộtđầu ra Bộ tách/ghép có một đầu vào ta goi là bộ chia(tách), còn bộ có một đầu ra đượcgọi là bộ kết hợp(ghép) Tuy nhiên cũng có những bộ 2*2 được chế tạo không đối xứng(với tỷ số chia khoảng 5/95 hoặc 10/90).Loại tách/ghép này chủ yếu được dùng để trích

ra một phần tín hiệu quang cho mục đích kiểm tra, được gọi là bộ ghép rẽ

2.2.2.3 Mối hàn

Mối hàn được sử dụng để kết nối vĩnh cửu các sợi quang có độ dài sản xuất nhỏ hơn

độ dài yêu cầu lắp đặt trong mạng, hoặc để nối các đầu sợi quang trong của bộ ghép vớisợi quang của mạng phân bố Có hai kiểu hàn nối sợi quang: hàn cơ khí và hàn nóngchảy

Hàn cơ khí (hay ghép cơ khí) thực hiện trên một rãnh chữ V giữ cố định hai sợi cầnhàn.Để có được mối hàn đảm bảo chất lượng, ta cần phải đổ vào giữa hai đầu sợi ghépmột chất lỏng có chiết suất phù hợp Kiểu hàn này có ưu điểm là đơn giản dễ thực hiện,nhưng có nhược điểm là độ tin cậy thấp do điểm yếu cơ khí của chúng

Kiểu nóng chảy cần phải có thiết bị hàn nóng chảy đặc biệt, nhưng mối hàn có suyhao thấp và độ tin cậy cao hơn nhiều so với hàn cơ khí, và được sử dụng rất nhiều trongcác mạng phân bố quang

2.2.2.4 Đầu nối quang

Đầu nối quang được sử dụng tại giao diện mà yêu cầu kết nối không cố định Nhữngkết nối như vậy tạo điều kiện dễ dàng cho việc đo thử, chẳng hạn như đo công suất quangđầu ra của thiêt bị kết cuối Do đó đầu nối quang thường nằm giữa mạng phân bố quang

và thiết bị đầu cuối

Các đầu nối quang dung trong các hệ thống tốc độ cao phải đáp ứng được những yêucầu: suy hao xen thấp, phản xạ thấp, độ ổn định cao và khả năng sử dụng nhiều lần cao.Cách duy nhất để đáp ứng những yêu cầu này là thực hiện tiếp xúc vật lý giữa cácsợi.Một số bộ kết nối vật lý đã đạt được giá trị phản xạ từ -45dB đến -60dB và suy haoxen 0.5dB

1.3 WDM và TDM PON

Ở hướng xuống (từ OLT đến ONU), mạng PON là mạng điểm – đa điểm OLT chiếm toàn bộ băng thông hướng xuống Trong hướng lên mạng PON là mạng đa điểm – điểm: nhiều ONU truyền tất cả dữ liệu của nó đến một OLT Đặc tính hướng của các bộ tách ghép thụ động là việc truyền thông của một ONU sẽ không nhận biết bởi các ONU khác.Tuy nhiên các luồng dữ liệu từ các ONU khác nhau được truyền cùng một lúc cũng

có thể bị xung đột.Vì vật trong hướng lên, PON sẽ sử dụng một vài cơ chế riêng biệt trong kênh để tránh xung đột dữ liệu và chia sẻ công bằng tài nguyên và dung lượng trung kế

Một phương pháp chia sẻ kênh ở hướng lên của ONU là sử dụng ghép kênh phânchia theo bước sóng WDM, với phương pháp này thì mỗi ONU sẽ hoạt động ở một bướcsóng khác nhau Giải pháp WDM yêu cầu một bộ thu điều khiển được hoặc là một mảng

bộ thu ở OLT để nhận các kênh khác nhau Thậm chí nhiều vấn đề khó khăn cho các nhàkhai thác mạng là kiểm kê từng bước sóng của ONU: thay vì chỉ có một loại ONU, thì cónhiều loại ONU dựa trên các bước sóng Laser của nó Mỗi ONU sẽ sử dụng một laserhẹp và độ rộng phổ điều khiển được cho nên rất đắt tiền.Mặt khác, nếu một bước sóng bịsai lệch sẽ gây ra nhiều cho các khác nhau trong mạng PON.Việc sử dụng laser điềukhiển được có thể khắc phục được vấn đề này nhưng quá đắt cho công nghẹ hiện tại.Vớinhững khó khăn như vậy thì WDM không phải là giải pháp tốt cho môi trường hiện nay Một số giải pháp khác dựa trên WDM cũng được đề xuất nhưng giá cả khá cao Dovậy, TDM PON đã ra đời Trong TDM PON, việc truyền đồng thời từ vài ONU sẽ gây raxung đột khi đến bộ kết hợp Để ngăn chặn xung đột dữ liệu, mỗi ONU phải truyền trongcửa sổ (khe thời gian) truyền của nó Một thuận lợi lớn của TDM PON là tất cả các ONU

có thể hoạt động cùng một bước sóng, OLT cũng chỉ cần một bộ thu đơn Bộ thu phátONU hoạt động ở tốc độ đường truyền, thậm chí băng thông có thể dùng của ONU thấphơn Tuy nhiên, đặc tính này cũng cho phép TDM PON đạt hiệu quả thay đổi băng thôngđược dùng cho từng ONU bằng cách thay đổi kích cỡ khe thời gian được ấn định hoặcthậm chí sử dụng ghép kênh thống kê tận dụng hết băng thông được dùng của mạngPON

Trong mạng truy cập thuê bao, hầu hết các luồng lưu lượng lên và xuống không phải

là peer to peer (user to user).Vì vậy điều này dường như là hợp lý để tách kênh lên vàxuống Một phương pháp tách kênh đơn giản có thể dựa trên ghép kênh phân chia khônggian (SDM) mà nó tách PON được cung cấp theo hướng truyền lên xuống Để tiết kiệmcho sợi quang và giảm chi phí sửa chữa bảo quản, một sợi quang có thể được sử dụng chotruyền theo hai hướng trong trường hợp này, hai bước sóng được dùng là : hướng lên 1

=1310nm, hướng xuống 2=1550nm Dung lượng kênh ở mỗi bước sóng có thể phân

phối linh động giữa các ONU

Medium access logic

Tx

Rx

WDM Headend (OLT)

WDM

Tx

Rx

Medium access logic

ONU

ONU ONU

Subscriber(ONU)

Hình 1-.4: Mạng PON sử dụng một sợi quang

Ghép kênh phân chia theo thời gian là phương pháp được ưu tiên hiện nay cho việcchia sẻ kênh quang trong mạng truy cập khi mà nó cho phép một bước sóng đơn ở hướnglên và bộ thu phát đơn ở OLT đã làm cho giải pháp này có ưu thế hơn về chi phí đầu tư

1.4 Kết Luận

Công nghệ PON là một giải pháp đầy hứa hẹn để giải quyết vấn đề tắc nghẽn băngthông trong mạng Là mạng truy nhập có nhiều ưu điểm để triển khai các dịch vụ băngrộng (thoại, dữ liệu, video) giữa các kết cuối đường dây ở xa (ONU) và kết cuối mạng(OLT) Một mạng PON hỗ trỡ nhiều kiểu kiến trúc mạng: hình cây, bus hoặc ring, do đó

có thể linh hoạt trong việc tổ chức mạng

Và hiện nay GPON đã được triển khai rộng rãi tại một số nước, GPON cũng đã đượclựa chọn để thay thế cho các mạng truy nhập của nhiều nước trên thế giới Với những đặcđiểm kỹ thuật công nghệ mềm dẻo hỗ trợ nhiều lựa chọn cho tốc độ truy nhập, đồng thời

hỗ trợ cả lưu lượng ATM và IP, cung cấp nhiều loại hình dịch vụ tích hợp với chất lượngcao, thích hợp để triển khai ở những khu vực có nhu cầu sử dụng lớn, có nhiều thuê bao.GPON đang ngày càng khẳng định là công nghệ của mạng truy nhập thế hệ mới

Chương 2: Công Nghệ Mạng Quang Thụ Động GPON

Giới Thiệu Chung

GPON(Gigabit passive Optical Network) được định nghĩa theo chuẩn ITU-T G.984.GPON được mở rộng từ chuẩn BPON G.983 bằng cách tăng cường băng thông, nânghiệu suất băng thông nhờ sử dụng gói lớn, có độ dài thay đổi và tiêu chuẩn hóa quản lý.GPON hỗ trợ nhiều mức tốc độ khác nhau, trong đó hỗ trợ tới 2,488 Mbit/s của băngthông luồng xuống và 1,244 Mbit/s của băng thông luồng lên Phương thức đóng góiGEM(GPON Encapsulation Method) cho phép đóng gói lưu lượng người dùng rất hiệuquả, với sự phân đoạn khung cho phép nâng cao chất lượng dịch vụ QoS (Quality ofService) phục vụ lưu lượng nhạy cảm như truyền thoại và video GPON hỗ trợ tốc độcao, tăng cường bảo mật và hỗ trợ cả dịch vụ với chi phí thấp cũng như cho phép khảnăng tương thích lớn giữa các nhà cung cấp thiết bị

Trong lớp GPON TC, giá trị lý thuyết cực đại là 60 km trong khi khoảng cách giữacác ONU xa nhất và gần nhất là 20 km Sự khác biệt này bị hạn chế ở chỗ kích thước cửa

sổ không được mở rộng vì các vấn đề chất lượng dịch vụ Giống như đối với tỷ số chia,lớp TC hỗ trợ tới 128 nhánh chia

2.1.1 Các khối chức năng

Hệ thống GPON bao gồm ba thành phần cơ bản: OLT, ONU, ODN

2.1.1.1 Kết cuối đường quang OLT

OLT được kết nối tới mạng chuyển mạch thông qua các giao diện được chuẩn hóa Ởphía phân tán, OLT đưa ra giao diện truy nhập quang tương ứng với các chuẩn GPONnhư tốc độ bit, quỹ công suất, jitter,… OLT bao gồm ba phần chính: Chức năng giao diệncổng dịch vụ; Chức năng kết nối chéo và giao diện mạng phân tán quang Các khối OLTđược mô tả trong hình 2-2:

Hình 2-2 : Các khối chức năng của OLT Khối lõi PON (PON core shell): Khối này gồm hai phần, phần giao diện ODN và

chức năng PON TC Chức năng của PON TC bao gồm tạo khung, điều khiển truy nhậpphương tiện OAM, DBA và quản lý ONU Mỗi PON TC có thể lựa chọn hoạt động theomột chế độ ATM, GEM và Dual

Khối kết nối chéo (Cross-connect shell): Cung cấp đường truyền thông giữa khối lõi

PON và phần dịch vụ Các công nghệ sử dụng cho đường này phụ thuộc vào các dịch vụ,kiến trúc bên trong của OLT và các yếu tố khác.OLT cung cấp chức nẳng kết nối chéotương ứng với các chế độ được lựa chọn (ATM, GEM và Dual)

Khối dịch vụ (Service shell): Phần này hỗ trợ chuyển đổi giữa các giao diện dịch vụ

và giao diện khung TC của phần PON

2.1.1.2 Khối mạng quang ONU

Các khối chức năng của ONU hầu hết đều giống như của OLT.Vì ONU hoạt độngchỉ với một giao diện PON đơn (hoặc nhiều nhất là hai giao diện với mục đích bảo vệ),chức năng kết nối chéo có thể bị bỏ đi.Tuy nhiên, thay cho chức năng này, chức năngghép và giải ghép dịch vụ (MUX và DEMUX) được hỗ trợ để xử lý lưu lượng.Cấu hìnhđiển hình của một ONU được mô tả ở hình 2-3

Hình 2-3: Các khối chức năng của ONU

2.1.1.3 Mạng phân phối quang ODN

Mạng phân phối quang kết nối giữa một OLT với một hoặc nhiều ONU sử dụng thiết

bị tách/ghép quang và mạng cáp quang thuê bao Bộ tách/ghép quang được trình bày vàphân tích trên mục [2.2.2.2]

Mạng cáp quang thuê bao:

Mạng cáp thuê bao được xác định trong phạm vi ranh giợ từ giao tiếp sợi quang giữathiết bị OLT đến thiết bị ONU/ONT

Hình 2-4: Cấu trúc cơ bản mạng cáp quang thuê bao

Mạng cáp quang thuê bao được cấu thành bởi các thành phần chính như sau:

• Cáp quang gốc (Feeder cable): xuất phát từ phía nhà cung cấp dịch vụ (hay còn gọichung là Central Office) tới điểm phân phối được gọi là DP (Distribution Point)

• Điểm phân phối sợi quang (DP): là điểm kết thúc của đoạn cáp gốc.Trên thực tế triểnkhai, điểm phân phối sợi quang thường là măng xông quang, hoặc các tủ cáp quang phối

• Cáp quang phối (Distribution Optical Cable): xuất phát từ điểm phối quang( DP) tớicác điểm truy nhập mạng AP(Access Point) hay từ các tủ quang phối tới các tập điểmquang

• Cáp quang thuê bao (Drop Cable): xuất phát từ các điểm truy nhập mạng(AP) hay là từcác tập điểm quang đến thuê bao

• Điểm quản lý quang FMP(Fiber management Point): được sử dụng cho xử lý sự cố vàphát hiện đứt đường

2.2 Thông Số Kỹ Thuật GPON

Các thông số kỹ thuật cơ bản của GPON:

Tốc độ truyền dẫn:

• 0,15552 Gbps đường lên, 1,24416 Gbps đường xuống

• 0,62208 Gbps đường lên, 1,24416 Gbps đường xuống

• 1,24416 Gbps đường lên, 1,24416 Gbps đường xuống

• 0,15552 Gbps đường lên, 2,48832 Gbps đường xuống

• 0,62208 Gbps đường lên, 2,48832 Gbps đường xuống.

• 1,24416 Gbps đường lên, 2,48832 Gbps đường xuống

• 2,48832 Gbps đường lên, 2,48832 Gbps đường xuống

Các thông số kỹ thuật khác :

• Bước sóng: 1260nm – 1360nm đường lên, 1480nm – 1500nm đường xuống

• Đa truy nhập hướng lên: TDMA

• Cấp phát băng thông động DBA (Dynamic Bandwith Allocation)

• Loại lưu lượng: dữ liệu số

• Khung truyền dẫn: GEM

• Dịch vụ: dịch vụ đầy đủ (Ethernet, TDM, POTS)

• Tỷ lệ chia của bộ chia thụ động tối đa: 1:128

• Giá trị BER lớn nhất: 10-12

• Phạm vi công suất sử dụng luồng xuống: -3 đến +2 dBm (10km ODN) hoặc +2 đến+7 (20km OBN)

• Phạm vi công suất sử dụng luồng lên: -1 đến +4 dBm (10km và 20km ODN)

• Loại cáp: tiêu chuẩn ITU-R Rec G.562

• Suy hao tối đa giữa các ONU: 15dB

• Cự ly cáp tối đa: 20km với DFB laser đường lên, 10km với Farby-Perot

2.3 Kỹ Thuật Truy Nhập và Phương Thức Ghép Kênh.

Công nghệ truyền dẫn đa truy nhập là các kỹ thuật chia sẻ tài nguyên hữu hạn chomột lưu lượng khách hang Trong hệ thống GPON, tài nguyên chia sẻ chính là băng tầntruyền dẫn Người sử dụng cùng chia sẻ tài nguyên này bao gồm thuê bao, nhà cung cấpdịch vụ, nhà khai thác và những thành phần mạng khác Tuy không còn là một lĩnh vựcmới mẻ trong ngành viễn thông trên thế giới nhưng các kỹ thuật truy nhập cũng là mộttrong những công nghệ đòi hỏi những yêu cầu ngày càng cao để hệ thống thỏa mãn đượccác yêu cầu về độ ổn định cao, thời gian xử lý thông tin và trễ thấp, tính bảo mật và antoàn dữ liệu cao

2.3.1 Kỹ thuật truy nhập

Kỹ thuật truy nhập được sử dụng phổ biến trong các hệ thống GPON hiện nay là đatruy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) TDMA là kỹ thuật phân chia băng tần

truyền dẫn thành những khe thời gian kế tiếp nhau Những khe thời gian này có thể được

ấn định trước cho mỗi khách hang có thể phân theo yêu cầu tùy thuộc vào phương thứcchuyển giao đang sử dụng Hình 3-5 dưới đây là một số ví dụ về việc sử dụng TDMAtrên GPON hình cây.Mỗi thuê bao được phép gửi dữ liệu đường lên trong khe thời gianriêng biệt Bộ tách kênh sắp xếp số liệu đến theo vị trí khe thời gian của nó hoặc thông tinđược gửi trong bản thân khe thời gian Số liệu đường xuống cũng được gửi trong nhữngkhe thời gian xác định

Hình 2-5: TDMA GPON

GPON sử dụng kỹ thuật TDMA có ưu điểm rất lớn đó là các ONU có thể hoạt độngtrên cùng một bước sóng, và OLT hoàn toàn có khả năng phân biệt được lưu lượng củatừng ONU OLT cũng chỉ có cần một bộ thu, điều này sẽ dề dàng cho việc triển khai thiết

bị, giảm được chi phí cho các quá trình thiết kế, sản xuất, hoạt động và bảo dưỡng Ngoài

ra, việc sử dụng kỹ thuật này còn có một ưu điểm là có thể lắp đặt dễ dàng thêm cácONU nếu có nhu cầu nâng cấp mạng

Một đặc tính quan trọng của GPON sử dụng TDMA là yêu cầu bắt buộc về đồng bộ

và lưu lượng đường lên để tránh xung đột dữ liệu Xung đột này sẽ xảy ra nếu hai haynhiều gói dữ liệu từ những thuê bao khác nhau đến bộ ghép cùng một thời điểm Tín hiệunày đè lên tín hiệu kia và tạo thành một bộ ghép Phía đầu xa không thể nhận dạng đượcchính xác tín hiệu tới, kết quả là sinh ra một loại lỗi bit và suy giảm thông tin đường lên,ảnh hưởng đến chất lượng của mạng Tuy nhiên các vấn đề trên đều được khắc phục với

cơ chế định cỡ và phân định băng thông động của GPON mà chúng ta sẽ đề cập ở phầnsau

2.3.2 Phương thức ghép kênh.

Phương thức ghép kênh trong GPON là ghép kênh song hướng.Các hệ thống GPONhiện nay sử dụng phương thức ghép kênh phân chia không gian Đây là giải pháp đơngiản nhất đối với truyền dẫn song hướng Nó được thực hiện nhờ sử dụng những sợi riêngbiệt cho truyền dẫn đường lên và xuống.Sự phân cách vật lí của các hướng truyền dẫn

tránh được ảnh hưởng phản xạ quang trong mạng và cũng loại bỏ vấn đề kết hợp và phântách hai hướng truyền dẫn.Điều này cho phép tang được quỹ công suất trong mạng Việc

sử dụng hai sợi quang làm cho việc thiết kế mạng mềm dẻo hơn và làm tang độ khả dụngbởi vì chúng ta có thể mở rộng mạng bằng cách sử dụng những bộ ghép kênh theo bướcsóng trên một hoặc hai sợi Khả năng mở rộng này cho phép phát triển dần dần nhữngdịch vụ mới trong tương lai Hệ thống này sẽ sử dụng cùng bước sóng, cùng bộ phát và

bộ thu như nhau cho hai hướng nên chi phí cho những phần tử quang-điện sẽ giảm

Nhược điểm chính của phương thức này là cần gấp đôi số lượng sợi, mối hàn vàconnector và trong GPON hình cây thì số lượng bộ ghép quang cũng cần gấp đôi.Tuynhiên chi phí về sợi quang, phần tử thụ động và kỹ thuật hàn nối vẫn đang giảm và trongtương lai nó chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ trong toàn bộ chi phí hệ thống

2.4 Lớp hội tụ truyền dẫn

2.4.1 Một số khái niệm cơ bản

Hội tụ truyền dẫn GPON GTC (GPON Transmission Convergence): là lớp giao thứcchính trong ngăn xếp giao thức của GPON

Các khối truyền dẫn T-CONT (Transmission Containers): được sử dụng cho việcquản lý phân định bang thông luồng lên trong khối PON của lớp hội tụ truyền dẫn TC(Transmission Convergence)

trạng thái bộ đệm của chúng cho các OLT tương ứng

 T-CONT tự động thu nhận các gói tin cho phép được nhận dạng bởi Alloc-ID từ OLT

Hình 2-6: Ngăn xếp giao thức của GTC

Theo một quan điểm khác, GTC chứa mặt phẳng C/M quản lý các luồng lưu lượngngười dùng, an ninh, các thuộc tính OAM, và một mặt phẳng U mang lưu lượng người sửdụng Trong lớp con tạo khung GTC, phân vùng ATM, phân vùng GEM, các phần quản

lý vận hành bảo dưỡng lớp vật lý PLOAM (Physical Layer Operations AdministrationsMaintenance) và OAM nhúng được nhận biết theo vị trí trên khung GTC Chỉ OAMnhúng được kết cuối tại lớp này để điều khiển qua lớp con này, do thông tin của OAMnhúng được nhúng trực tiếp vào khung GTC Thông tin PLOAM được xử lý tại khốiPLOAM được định vị như một client của lớp con này Các đơn vị chuyển từ/tới các Đơn

vị giao thức dữ liệu PDU thông thường (Protocol Data Unit) của ATM và GEM tại mỗilớp con tương thích Ngoài ra, các PDU này chứa dữ liệu kênh OMCI.Dữ liệu này cũngđược phân loại thành các mặt phẳng C/M Các SDU ngoại trừ OMCI trên các phân vùngATM và GEM được phân loại vào mặt phẳng U

Lớp tạo khung GTC có cái nhìn bao quát tới tất cả dữ liệu được phát, và lớp tạokhung GTC OLT trực tiếp ngang hàng với tất cả các lớp tạo khung GTC ONU Hơn nữa,khối điều khiển phân bổ băng thông động (DBA control) được xem như là khối chứcnăng chung Hiện nay, khối này có khả năng đáp ứng toàn bộ DBA thông báo ONU Trong hệ thống GTC, OLT và ONU không hoạt động đồng thời ở 2 trạng thái.Chế độnào được hỗ trợ sẽ được nhân biết tại thời điểm lắp đặt hệ thống ONU thông báo chế độ

hoạt động cơ bản của nó là ATM hay GEM thông qua bản tin Serial_ Number Nếu OLT

có khả năng giao diện tới ít nhất 1 trong các chế độ yêu cầu, nó xử lý để thiết lập kênhOMCI, và thiết bị ONU được nhận ra theo cách thông thường

2.4.3 Các chức năng chính của GPC

GTC thực hiện hai chức năng quan trọng là điều khiển truy nhập môi trường và đăng

ký ONU

Điều khiển truy nhập môi trường: Hệ thống GTC hỗ trợ điều khiển truy nhập môi

trường cho truy nhập đường lên Về cơ bản, các khung đường xuống chỉ ra các định vịcho phép đối với lưu lượng trên các khung đường lên đồng bộ với các khung đườngxuống.Khái niệm điều khiển truy nhập môi trường trong hệ thống này được minh họatrong hình 3-7 OLT gửi các con trỏ trong PCBd, các con trỏ này chỉ ra thời điểm mà mỗiONU bắt đầu và kết thúc việc truyền dẫn luồng lên của nó Théo cách này, chỉ có mộtONU có thể truy nhập môi trường tại bất cứ thời điểm nào Các con trỏ được gán các đơn

vị của byte, cho phép OLT điều khiển môi trường với băng thông tĩnh 64kbit/s Tuynhiên, các bước thực hiện của OLT có thể lựa chọn theo tập giá trị của các con trỏ, vàthực hiện điều khiển băng thông chính xác qua cơ chế lập lịch động

Hình 2.7: Điều khiển truy nhập môi trường

Đăng ký ONU: Việc đăng ký OUN được thực hiên theo thủ tục phát hiện tự động.

Có hai phương pháp đăng ký ONU.Phương pháp A, Serial Number của ONU được đăng

kí tại OLT nhờ hệ thống quản lý.Phương pháp B, Serial Number của ONU không đượcđăng ký tại ONT nhờ hệ thống quản lý

2.4.4 Chức năng các lớp con trong GTC

GTC gồm hai lớp con là lớp con tạo khung GTC và lớp con tương thích TC

2.4.4.1 Lớp con tạo khung GTC

Lớp con tạo khung GTC có ba chức năng như sau:

1)Ghép kênh và phân kênh: Các phần PLOAM, ATM và GEM được ghép vào một khung

TC đường xuống theo thông tin biên được chỉ thị trong tiêu đề khung Mỗi phần đượctách ra từ một đường lên theo chỉ thị tiêu đề

2)Tạo điều kiện để giải mã: Tiêu đề khung TC được tạo ra và định dạng trong một khung

đường xuống Tiêu đề trong khung đường lên được giải mã.Ngoài ra thực hiện OAMnhúng

3)Chức năng định tuyến trên cơ sở Alloc-ID: Định tuyến trên cơ sở Alloc-ID được thực

hiện đối với các dữ liệu từ/tới các bộ tương thích ATM và GEM TC

2.4.4.2 Lớp con tương thích GTC và giao diện của các thực thể lớp trên

Lớp con tương thích hỗ trợ ba bộ tương thích TC, đó là, bộ tương thích ATM TC, bộtương thích GEM TC và bột tương thích OMCI Các bộ tương thích ATM và GEM chỉ racác PDU của ATM và GEM từ mỗi phần trên lớp con tạo khung GTC, và ánh xạ PDUnày vào mỗi phần Các bộ tương thích này cung cấp các giao diện dưới đây cho phépthực thể lớp trên:

1)Giao diện ATM: Lớp con tạo khung GTC và ATM TC adapter liên tục cung cấp giao

diện ATM chuẩn đã chỉ ra trong ITU-T 1.432.1 cho các dịch vụ ATM Nhìn chung, cácthực thể lớp ATM ban đầu có thể được sử dụng như ATM client

2)Các giao diện GEM: GEM TC adapter có thể được cấu hình để thích ứng các khung

này tới nhiều giao diện truyền dẫn khung khác nhau

Ngoài ra, các bộ tương thích này nhận ra kênh OMCI theo VPI/VCI trong trườnghợp ATM và theo Port-ID trong trường hợp GEM Bộ tương thích OMCI có thể thay dổi

dữ liệu kênh OMCI đối với các bộ tương thích ATM, GEM TC.Bộ tương thích OMCInhận dữ liệu từ các TC tương thích và chuyển nó tới thực thể OMCI và ngược lại

2.5 Cấu trúc khung

Hình 2-8 minh họa cấu trúc khung GTC TC cho các hướng chiều xuống và chiềulên Khung đường xuống bao gồm các phần: khối điều khiển vật lý luồng xuống PCBd(physical control block downstream), phần ATM, phần GEM Khung đường lên gồm

nhiều cụm truyền dẫn (transmission burst) Ngoài phần tải tin (payload), mỗi khungđường lên còn có thể chứa các phần/đoạn PLOAMu, PLSu và DBRu.Khung đườngxuống cung cấp thông tin về thời giant ham chiếu cho GPON và thực hiện hoạt động báohiệu điều khiển cho đường lên.

Hình 2-8: Cấu trúc tổng quan khung GTC hướng xuống và lên

2.5.1 Cấu trúc khung đường xuống

Sơ đồ cấu trúc khung đường xuống được trình bày trên hình 2-9:

Hình 2-9: Cấu trúc khung đường xuống

Mỗi khung GTC xuống dài 125µs, chứa khối điều khiển vật lý luồng xuống PCBd vàphần tải dữ liệu

Hình 2-10: Các trường thông tin trong khung đường xuống

Hình 2-10 ở trên chỉ ra chi tiết khuôn dạng của khung đường xuống.Phần mào đầucủa PCBd gồm phần cố định và phần thay đổi Phần cố định gồm các trường: PhysicalSync, Ident và PLOAM Các trường này được bảo vệ bởi 1 byte kiểm tra BIP (BitInterleaved Parity).Bốn byte đồng bộ vật lý (Physical Sync) chỉ thị bắt đầu của khungđường xuống Bốn byte trường Ident chỉ thị FEC được sử dụng hay không, ngoài ra nócòn thực hiện nhóm bộ đệm siêu khung, được sử dụng để cung cấp tín hiệu tham chiếuđồng bộ tốc độ thấp 13 byte của trường PLOAM trong PCBd được sử dụng để thông tingiữa các bản tin OAM lớp vật lý với các ONU Các chức năng của PLOAM gồm đăng ký

và xóa ONU, định cỡ, điều chỉnh công suất, cập nhật khóa mã hóa, thông báo lỗi lớp vậtlý,v.v…

Phần thay đổi của PCBd gồm 2 trường Plend chỉ thị độ dài bản đồ băng thông đườnglên và phần thông tin ATM trong T-CONT Mỗi ONU có thể được cấu hình với nhiều T-CONT Bản đồ US BW xác định băng thông đường lên được phân định cho các thực thểtruy nhập Mỗi thực thể 8 byte truy nhập trong US BW bao gồm Alloc-ID của T-CONT,thời gian bắt đầu và kết thúc phát T-CONT hướng lên và 12 bit cờ chỉ thị cách thức phânđịnh băng tần được sử dụng Vi khung có khoảng thời gian là 125µs, nên với các tốc độkhác nhau thì chiều dài khung sẽ khác nhau, ví dụ với tốc độ 1,24416 Gbps khung có độdài là 19,9440 byte, với tốc độ 2,48832 Gbps khung có độ dài là 38.880 byte Tuy nhiênkhối PCBd là giống nhau đối với cả hai hệ thống