Một số thuật toán băng thông động cải tiến trong GPON

Đề tài : Một số thuật toán băng thông động cải tiến trong GPONNội dung đồ án gồm 3 chương :Chương 1: Mạng truy nhập quang thụ động GPONChương 2: Cấp phát băng thông động trong GPONChương 3: Một số thuật toán cấp phát băng thông động cải tiến trong GPON

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG ix

LỜI NÓI ĐẦU……….x

CHƯƠNG 1: MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG GPON 1

1.1 Giới thiệu chương 1

1.1.1 Mạng truy nhập quang thụ động: 1

1.1.2 Đa truy nhập trong PON 2

1.2 Chuẩn GPON 4

1.2.1 APON và ITU-T G.983 4

1.2.2 GPON và ITU-T G.984 6

1.3 Kiến trúc GPON 7

1.3.1 OLT 7

1.3.2 ONU/ONT 8

1.3.3 ODN 9

1.4 Cấu trúc phân lớp của mạng quang GPON 9

1.4.1 Lớp phụ thuộc phương tiện vật lý 10

1.4.2 Lớp hội tụ truyền dẫn 11

1.5 Cấu trúc khung truyền dẫn 13

1.5.1 Định dạng khung luồng xuống 13

1.5.2 Định dạng khung luồng lên 16

1.6 Tổng kết chương 20

CHƯƠNG 2: CẤP PHÁT BĂNG THÔNG ĐỘNG TRONG GPON 21

2.1 Giới thiệu chương 21

2.2 Tổng quan về phân bổ băng thông 21

2.2.1 Cấp phát băng thông tĩnh 22

2.2.2 Cấp phát băng thông động 22

2.2.3 So sánh hai phương pháp cấp phát băng thông 23

2.3 Cấp phát băng thông động DBA trong GPON 24

2.3.1 Yêu cầu của DBA 24

2.3.2 Cơ sở điều khiển luồng- xếp hàng công bằng 25

2.3.3 Thỏa thuận mức dịch vụ 27

2.3.4 T-CONT 28

2.3.5 Tham số ước lượng của DBA 31

2.4 Thuật toán DBA cho GPON 31

2.4.1 Phương pháp không báo cáo trạng thái 31

2.4.2 Phương pháp báo cáo trạng thái 32

2.4.3 So sánh hai thuật toán 34

2.5 Tổng kết chương 34

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ THUẬT TOÁN CẤP PHÁT BĂNG THÔNG ĐỘNG 35

CẢI TIẾN TRONG GPON 35

3.1 Giới thiệu chương 35

3.2 Thuật toán phân bổ băng thông động nhỏ nhất 35

3.2.1 Cơ sở của thuật toán 35

3.2.2 Thuật toán 36

3.2.3 Một số đánh giá 37

3.3 Thuật toán phân bổ đa bước sóng động 40

3.3.1 Cơ sở của thuật toán 40

3.3.2 Thuật toán 41

3.3.3 Một số đánh giá 43

3.4 Thuật toán Bi-Partitional 46

3.4.1 Cơ sở của thuật toán 46

3.4.2 Thuật toán 48

3.4.3 Một số đánh giá 51

3.5 Phương pháp phân bổ băng thông hỗ trợ NSR ONU trong GPON 54

3.5.1 Thuật toán 54

3.5.2 Một số đánh giá 58

3.6 Tổng kết chương 61

TỔNG KẾT 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình mạng PON 1

Hình 1.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 2

Hình 1.3 Đa truy nhập phân chia theo bước sóng 3

Hình 1.4 Đa truy nhập theo tần số trực giao 4

Hình 1.5 Định dạng khung APON ở tốc độ 155.52 Mbps 6

Hình 1.6 Kiến trúc của GPON 7

Hình 1.7 Sơ đồ khối chức năng OLT 8

Hình 1.8 Sơ đồ các khối chức năng ONU 9

Hình 1.9 Điều khiển đa truy nhập GPON 11

Hình 1.10 Cấu trúc khung luồng xuống 13

Hình 1.11 Cơ chế trạng thái đồng bộ ONU 14

Hình 1.12 Cấu trúc trường US BW 15

Hình 1.13 Truyền dẫn ONU luồng lên 16

Hình 1.14 Định dạng và cấu trúc tiêu đề của khung luồng lên được gửi từ ONU 17

Hình 1.15 Tải là ATM 18

Hình 1.16 Bốn trường tiêu đề và tải trọng của đoạn GEM 19

Hình 1.17 Tải là GEM 19

Hình 1.18 Tải là DBA 20

Hình 2.1 Phân bổ băng thông tĩnh 22

Hình 2.2 Phân bổ băng thông động 23

Hình 2.3 Tỷ lệ mất gói theo tải 23

Hình 2.4 Trễ theo tải 24

Hình 2.5 Ví dụ về cấu hình mạng ở lớp 2 của ISPs 25

Hình 2.6 Nguyên tắc của hàng đợi công bằng 26

Hình 2.7 Phân bổ băng thông phụ thuộc vào loại hình dịch vụ 27

Hình 2.8 T-CONT tương ứng với liên kết logic giữa OLT và một ONU 28

Hình 2.9 T-CONT dựa trên ATM và T-CONT dựa trên GEM 28

Hình 2.10 Phân bổ khe thời gian truyền cho T-CONT 29

Hình 2.11 Một ONU được phân bổ có 2 Alloc-ID chỉ cần một PLOu 29

Hình 2.12 Phân loại T-CONT theo chuẩn G.984 30

Hình 2.13 Hoạt động của SR-DBA 32

Hình 2.14 Báo cáo trong PLOu 33

Hình 2.15 Báo cáo trong DBRu 34

Hình 3.1 Mô hình mạng 37

Hình 3.2 Thông lượng của mạng 38

Hình 3.3 Trễ gói trung bình của thuật toán DMB trong GPON 38

Hình 3.4 Trễ gói tin trung bình ứng với các mức dịch vụ 39

Hình 3.5 Định dạng khung luồng lên (a) Một bước sóng (b) Đa bước sóng 40

Hình 3.6 DMW hoạt động với bước sóng CWDM 41

Hình 3.7 Nguyên lý của Phân bổ băng thông DMW-GPON 42

Hình 3.8 Mô hình mạng 43

Hình 3.9 Thông lượng theo tổng tải mạng trong đơn bước sóng và đa bước sóng 44

Hình 3.10 Trung bình trễ gói trong đơn bước sóng và đa bước sóng 45

Hình 3.11 Trễ gói tin trung bình của thuật toán DBA và DMW 45

Hình 3.12 Tổng mất mát gói tin của ONU với thuật toán DMB và DMW tại ONU 46

Hình 3.13 Kỹ thuật luồng lên có đặc điểm lai 47

Hình 3.14 Thông lượng của T-CONT 2 52

Hình 3.15 Thông lượng T-CONT 3 52

Hình 3.16 Thông lượng T-CONT 4 52

Hình 3.17 Trễ end-to-end của T-CONT 2 53

Hình 3.18 Trễ end-to-end của T-CONT 3 53 Hình 3.19 Trễ end-to-end của T-CONT 4 54 Hình 3.20 Đoạn mã giả của thuật toán MAC cho phân bổ băng phần băng thông đảm

thước phần băng thông phân bổ 60

Hình 3.24 Hiệu quả sử dụng trong trường hợp 16 SR ONU và 16 NSR ONU như kích

thước phần băng thông phân bổ 61

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

A

ADSL Asymmetric Digital Subscriber

Line

Đường dây thuê bao số bất đối xứng

AON Active Optical Network Mạng quang tích cực

APON ATM Passive Optical Network Mạng quang thụ động trên nền ATM

B

BEB Best-Effort Bandwidth Băng thông nỗ lực tối đa

BPON Broadband Passive Optical

Network

Mạng quang thụ động băng thông rộng

BW MAP Bandwidth Mapping messages Bản tin ánh xạ băng thông

C

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CIR Committed Information Rate Tốc độ thông tin cam kết

D

DBA Dynamic Bandwidth Allocation Cấp phát băng thông động

DMBA Dynamic Minimum Bandwidth

Allocation

Phân bổ băng thông động nhỏ nhất

DMWA Dynamic Mutil-Wavelength

F

FSAN Full Service Access Network Mạng truy nhập dịch vụ đầy đủ

G

GEM GPON Encapsulation Method Phương pháp đóng gói GPON

GPON Gigabit Passive Optical Network Mạng quang thụ động tốc độ Gigabit GTC GPON Tranmission Conversion Truyền dẫn hội tụ GPON

H

HDTV High-Definition TeleVision Truyền hình chất lượng cao

P

PLOAM

Physical Layer Operations,

Administration and Maintenance

Bảo dưỡng, quản lý, điều hành lớp vật

NAB Non- Assured Bandwidth Băng thông không chắc chắn

NSR Non Status Reporting Không báo cáo trạng thái

O

ODN Optical Distribution Network Mạng phân phối quang

OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiple Access

Đa truy nhập theo tần số trực giao

OLT Optical Line Terminal Đầu cuối kênh quang

ONT Optical Network Terminal Đầu cuối mạng quang

R

S

SBA Static Bandwidth Allocation Cấp phát băng thông tĩnh

SLA Service Level Agreement Thỏa thuận mức dịch vụ

T

T-CONT Transmission Containers Container truyền dẫn

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian

V

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tốc độ luồng xuống/luồng lên của APON……… 5 Bảng 1.2 Cấu trúc phân lớp mạng GPON 10 Bảng 3.1 2 bít trường ‘Type’ Error! Bookmark not defined 41 Bảng 3.2 Tham số dịch vụ 57

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, khi nhu cầu về băng thông tăng lên không ngừng thì truyền dẫn quang ngày càng phổ biến trong mạng truy nhập Tại Việt Nam giải pháp FTTx (Fiber

to the x) chính thức có mặt là vào tháng 8/2006 khi FPT Telecom lần đầu tiên giới thiệu dịch vụ này đến với người dùng trong nước Đến năm 2008 thì dịch vụ FTTH đã được triển khai bởi hầu hết bởi các nhà ISP như VNPT, Viettel, SPT hay mới nhất là CMC

GPON là công nghệ cho mạng truy nhập quang hỗ trợ cho cấu trúc hệ thống mạng thế hệ sau FTTx, sử dụng sợi quang làm môi trường truyền dẫn cung cấp băng thông rộng, tốc độ truyền dữ liệu cao với chất lượng dịch vụ khá tốt GPON có khả năng cung cấp số lượng thuê bao lớn hơn rất nhiều so với mạng Internet thông thường,

dễ dàng mở rộng mạng và cho phép người sử dụng dùng đồng thời nhiều dịch vụ truyền thông chất lượng cao

Tuy vậy, mạng GPON sử dụng một sợi quang cho nhiều người dùng cùng truy nhập nên việc cấp phát băng thông hợp lý, công bằng trở nên cực kỳ quan trọng Để giải quyết bài toán cấp phát băng thông ta phải xây dựng thuật toán cấp dựa trên thỏa thuận về dịch vụ hay QoS thích hợp

Hiện nay, nhiều thuật toán DBA mới đã được nghiên cứu để cải thiện hiệu quả phân bổ băng thông Các mô phỏng cho thấy các thuật toán đó đã thỏa mãn được các

yêu cầu của GPON về dịch vụ và QoS Với lý do đó, em chọn đề tài là “Một số thuật

toán cấp phát băng thông động cải tiến trong GPON” làm đồ án tốt nghiệp

Nội dung đồ án gồm 3 chương :

Chương 1: Mạng truy nhập quang thụ động GPON

Chương 2: Cấp phát băng thông động trong GPON

Chương 3: Một số thuật toán cấp phát băng thông động cải tiến trong GPON

Đề tài có nội dụng liên quan đến công nghệ vẫn còn trong quá trình nghiên cứu

và phát triển nên trong đồ án này em chỉ cố gắng chắt lọc những nội dung cơ bản nhất

Do có sự hạn chế về mặt thời gian cũng như năng lực và kiến thức của cá nhân nên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Em mong các thầy cô giáo và các bạn quan tâm góp ý để đồ án này càng được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn cô giáo ThS Ngô Thu Trang đã hướng dẫn, giúp đỡ

em hoàn thành đồ án này Em cũng xin cám ơn các thầy cô giáo trong khoa Viễn thông 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã giúp đỡ góp ý cho em

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 8 tháng 12 năm 2012

Sinh viên

Tô Thị Trang

CHƯƠNG 1:

MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG GPON

1.1 Giới thiệu chương

Với những ưu điểm nổi trội về băng thông và chất lượng đường truyền so với cáp đồng truyền thống, truyền tải sợi quang hiện nay có ưu thế riêng biệt Hiện nay, có

2 công nghệ mạng truyền dẫn quang đang được sử dụng rộng rãi là mạng quang tích cực (AON-Active Optical Network) và mạng quang thụ động (PON-Passvice Optical Network) Sự khác biệt chủ yếu của mạng quang chủ động (AON) và mạng quang thụ động (PON) là ở chỗ có hay không các thành phần tích cực Chương 1 sẽ giới thiệu mạng truy nhập quang thụ động mà điển hình là chuẩn GPON (GPON- Gigabit Passive Optical Network)

1.1.1 Mạng truy nhập quang thụ động:

Mạng truy nhập quang thụ động ( PON – Passive Optical Network) thường

có cấu trúc điểm-đa điểm Gồm các khối chức năng đầu cuối kênh quang Optical Line Terminal) đặt tại tổng đài (CO-Central Office) và đầu cuối mạng quang (ONT-Optical Network Terminal) hoặc đơn vị mạng quang (ONU-Optical Network Unit) được đặt tại người sử dụng Giữa chúng là hệ thống mạng phân phối quang ODN (Optical Distribution Network) bao gồm: cáp quang, các thiết bị ghép/tách thụ động (Splitter)

OLT là thiết bị đầu cuối của nhà cung cấp dịch vụ, có chức năng tập hợp tất cả các dịch vụ như: Internet, VoIP, HDTV, Video Conferencing…và truyền chúng qua sợi quang Do đặc điểm của mạng PON không sử dụng các phần tử tích cực trong

mạng, vì thế để truyền các tín hiệu từ phía OLT đến các đầu cuối thuê bao Mạng PON

sử dụng các bộ chia công suất thụ động Splitter và sợi quang Các thiết bị Splitter hoạt động không cần cung cấp điện Dữ liệu khi tới Splitter sẽ được phát quảng bá tới người sử dụng với khoảng cách tối đa là 20 km Tại phía thuê bao sẽ có các ONU/ONT Các thiết bị này có chức năng biến đổi tín hiệu quang-điện và điện–quang Thuê bao có thể sử dụng đầy đủ các dịch vụ do PON cung cấp như: Internet, cable TV, IPTV, Video Conference…hoặc dịch vụ cụ thể Tùy thuộc vào yêu cầu dịch vụ mà chọn ONU/ONT phù hợp Dữ liệu đường xuống được mã hóa và phát quảng bá tới các thuê bao Dữ liệuđường lên được kết hợp bằng việc sử dụng giao thức đa truy nhập phù hợp (CDMA, WDMA, TDMA) OLT sẽ điều khiển các ONU sử dụng các khe thời gian cho việc truyền dữ liệu đường lên

Ưu điểm của mạng PON là nó sử dụng các thiết bị thụ động (nằm giữa OLT và ONU) không cần nguồn cung cấp nên chi phí đầu tư, bảo dưỡng rẻ hơn nhiều so với các thiết bị tích cực Ngoài ra, nhiều người sử dụng cùng chia sẻ cáp quang nên tiết kiệm chi phí và không gian chứa cáp Tuy nhiên PON cũng có nhiều khuyết điểm như khó nâng cấp băng thông khi thuê bao yêu cầu, khó xác định lỗi hơn do 1 sợi quang chung cho nhiều người dùng, tính bảo mật cũng không cao Tùy vào nhu cầu băng thông thuê bao, PON cũng có thể sử dụng kết hợp với cáp đồng để triển khai mạng ADSL2+, VDSL2

1.1.2 Đa truy nhập trong PON

Ở luồng xuống từ phía OLT tới ONU dữ liệu được phát quảng bá Còn ở luồng lên nhiều ONU cùng truyền dữ liệu đến cho OLT Do hoạt động của các ONU là hoàn toàn độc lập, không được nhận biết bởi các ONU khác nên rất dễ xảy ra xung đột Chính vì vậy, ở luồng lên sử dụng phương pháp đa truy nhập để tránh xung đột dữ liệu

và chia sẻ công bằng tài nguyên trung kế

1.1.2.a TDMA

Hình 1.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TDMA là phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access) OLT phân bổ khe thời gian cho mỗi ONU, thông qua bản tin Gate Khi ONU nhận khung Gate, nó sẽ truyền khung MAC với tốc độ được chỉ định trong quá trình phân bổ thời gian Để tránh xung đột, mỗi ONU phải truyền dữ liệu đúng khe thời gian của nó Trong TDMA thì các ONU có thể hoạt động cùng bước sóng, OLT cũng chỉ cần một bộ thu đơn giúp giảm chi phí đầu tư

Để tiết kiệm sợi quang và giảm chi phí bảo dưỡng, sửa chữa, một sợi quang có thể được sử dụng truyền 2 hướng Ví dụ : bước sóng 1310 nm cho hướng lên và 1490

nm cho hướng xuống Dung lượng kênh ở mỗi bước sóng có thể phân phối linh động giữa các ONU

Hình 1.3 Đa truy nhập phân chia theo bước sóng

1.1.2.c CDMA

Công nghệ truy nhập phân chia theo mã (CDMA-Code Division Multiple Access) Tín hiệu được mà hóa và nhận dạng thông qua bộ giải mã Các ký hiệu 0,1 được mã hóa thành chuỗi ký tự dài hơn, tốc độ cao hơn Để khôi phục lại dư liệu, OLT chia nhỏ tín hiệu thu được, gửi tới bộ lọc tách tín hiệu của mỗi ONU

Ưu điểm của CDMA là cho phép truyền tải lưu lượng cao, bảo mật cao Tuy nhiên, bộ khuếch đại phải được thiết kế đảm bảo tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N-Signal/Noise) Và bộ thu tín hiệu phức tạp, giá thành cao nên chỉ phù hợp cho thiết kế mạng lõi

1.1.2.d OFDMA

Phương pháp đa truy nhập theo tần số trực giao (OFDMA-Orthogonal Frequency

Division Multiple Access) là giải pháp tiên tiến nhất hiện nay Nó được dùng trong hệ thống mạng truy nhập PON với tốc độ người dùng cực cao, với lượng thuê bao lớn và khoảng cách có thể lên tới 100 km

Hình 1.4 Đa truy nhập theo tần số trực giao

1.2 Chuẩn GPON

APON/BPON và G-PON được tiêu chuẩn hóa bởi ITU-T APON và BPON là chuẩn khác nhau dựa trên cấu trúc TDM-PON trong nhóm ITU-T G.983 Tên BPON dùng cho mục đích tiếp thị, APON truyền khung ATM theo chuẩn G.983 và là cơ sở

để xây dựng chuẩn GPON Chuẩn GPON nằm trong nhóm G.984

1.2.1 APON và ITU-T G.983

APON (ATM Passive Optical Network): là chuẩn mạng PON đầu tiên, dựa trên công nghệ ATM APON được bắt đầu với mạng truy nhập đầy đủ dịch vụ (FSAN – Full Service Access Network) và sau đó phát triển thành ITU-T SG15 được biết như chuẩn G.983 Nhiều nội dung trong G.983 được giữ lại trong GPON-G.984

Hệ thống APON được triển khai chủ yếu ở BẮC MỸ cho các dự án FTTP G.983.1 đầu tiên được giới thiệu vào 1998 với tốc độ dữ liệu là 155.52Mbps và 622.08

Mbps Phiên bản mới nhất được giới thiệu vào 2005 bổ sung 1244.16 Mbps cho tốc độ luồng xuống Các nhà cung cấp APON với tốc độ luồng lên, luồng xuống đối xứng hoặc bất đối xứng

Bảng 1.2 Tốc độ luồng xuống/luồng lên của APON

Cả G.983.1 và G.984.1 đều chỉ định giải pháp ghép bước sóng trên cả hai sợi quang truyền dẫn luồng lên và luồng xuống với bước sóng 1.03 10 -6m Tuy nhiên, thực tế, không có hệ thống nào được triển khai với giải pháp trên ITU-T G.983.1 quy định cụ thể kiến trúc, đặc điểm thu phát, cấu trúc khung vận chuyển và các chức năng khác trong APON Tín hiệu APON được vận chuyển trong các khe thời gian Mỗi khe thời gian có chứa một tế bào ATM hoặc một tế bào PLOAM Tế bào PLOAM được sử dụng để sử dụng để mang thông tin quản lý lớp vật lý như yêu cầu khe thời gian từ các ONU tới OLT, cấp phát khe thời gian luồng lên cho ONU của OLT, bản tin quản lý hiệu năng… Tế bào PLOAM được mô tả trong G983.1

Khe thời gian luồng xuống dài 53-octet (byte) ATM hoặc PLOAM Một tế bào PLOAM được chèn vào mỗi nhóm 28 khe thời gian (hoặc 27 tế bào ATM) Khung luồng xuống tốc độ 155.52 Mbps APON thiết kế thành các nhóm 56 khe thời gian (với

54 tế bào ATM và 2 tế bào PLOAM) cho khung luồng xuống Còn khung luồng lên 155.52 Mbps bao gồm 53 khe thời gian, mỗi khe thời gian có 56 octet Mỗi khe thời gian luồng lên bao gồm 3 octet tiêu đề cho mỗi tế bào ATM hoặc PLOAM, 53 octet chứa ATM hoặc PLOAM Bên cạnh đó, mỗi khe thời gian luồng lên có thể tùy chọn thành nhiều mini-slot khi OLT yêu cầu nếu cần thiết Chi tiết về mini-slot được trình bày trong khuyến nghị ITU-T 983.4

Cấu trúc khung ở 622.08 Mbps và 1244.16 Mbps cũng tương tự như trên với số khe thời gian trong khung tăng lên tương ứng với 4 hoặc 8 lần Quá trình truyền dẫn trong tế bào ATM, PLOAM hoặc chia khe trong luồng lên được điều khiển bởi OLT thông qua tế bào PLOAM luồng xuống G.983 yêu cầu ít nhất một tế bào PLOAM cho mỗi ONU trong 100ms

3-octet tiêu đề của luồng lên bao gồm mở đầu, đánh dấu bắt đầu khung, thời gian dự phòng APON chỉ định thời gian gự phòng nhỏ nhất của 4 bít Bao gồm những

Hình 1.5 Định dạng khung APON ở tốc độ 155.52 Mbps

trường được định nghĩa bởi OLT trong bản tin tiêu đề luồng lên và quảng bá thông qua

tế bào PLOAM luồng xuống

1.2.2 GPON và ITU-T G.984

G.983 dựa vào công nghệ ATM Hiện nay, ATM không còn được kỳ vọng là giao thức mạng có thể mang các được ứng dụng khác nhau Thay vào đó là Ethernet và

IP Trong ITU-T G.983, OLT và ONU có chức năng như chuyển mạch đường ảo (VP)

và kênh ảo (VC) Khối thích nghi phức tạp và hỗ trợ QoS làm chuyển mạch ATM tốn kém Hơn nữa, cần thiết phải dịch giữa ATM và giao thức dùng ở ONI và SNI Những yêu cầu đó làm tăng chi phí, độ phức tạp của hệ thống và cản trở sự phát triển của hệ thống APON trong thế giới băng rộng tiến triển nhanh

Để đối phó tốt hơn với những thay đổi trong công nghệ truyền thông và đáp ứng nhu nhu cầu phát triển nhanh chóng, ITU-T phát triển chuẩn G.984 cho PON với khả năng Gigabit, hay GPON Hiện nay đã có các chuẩn G.984.1/2/3/4/5/6/7

- G.984.1: Đặc điểm của mạng GPON

- G.984.2: Chi tiết kỹ thuật của lớp Phụ thuộc môi trường vật lý

- G.984.3: Chi tiết kỹ thuật của lớp Hội tụ truyền dẫn

- G.984.4: Giao diện điều khiển và quản lý ONU trong GPON

- G.984.5: Băng tần mở rộng của GPON, phương pháp chuyển đổi bước sóng

- G.984.6: Mạng GPON mở rộng

- G.984.7: Mạng GPON khoảng cách (Long reach GPON)

1.3 Kiến trúc GPON

G.984.1 được giới thiệu bởi ITU-T vào tháng 3/2003 Nó mô tả đặc điểm tổng quát cũng như kiến trúc của GPON, loại dịch vụ cung cấp, tốc độ bít mong muốn, trễ truyền dẫn tín hiệu, tỷ lệ chia công suất quang, và bảo mật thông tin

Hình 1.6 Kiến trúc của GPON

1.3.1 OLT

OLT (Optical Line Terminal) là thiết bị kết cuối kênh quang đặt tại Center Office Đây là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống Nó cung cáp các giao diện truy nhập PON cho thiết bị ONU phía người dùng và các giao diện khác cho thiết bị đường lên

Các khối chức năng chính của OLT

– Chức năng giao diện cổng dịch vụ (Service Port Interface Function)

– Chức năng đấu nối chéo (Cross-connect function)

– Giao diện mạng phân phối quang (ODN interface)

1.3.1.a Phần lõi OLT

Phần lõi OLT bao gồm chức năng giao diện ODN và chức năng hội tụ truyền dẫn.Chức năng giao diện ODN cung cấp môi trường truyền dẫn quang để kết nối OLT với một hoặc nhiều ONU bằng việc sử dụng thiết bị thụ động Nó điều khiển quá trình chuyển đổi O/E và E/O Để có thể thực hiện cơ chế chuyển mạch bảo vệ và dễ dàng cho việc xử lí thiết bị thụ động bộ chia thì ở OLT sẽ có các chức năng giao diện ODN

giống như phần mạng phân phối quang ODN Chức năng nội tụ truyền dẫn (PON TC- Transmission Convergence) bao gồm điều khiển truy nhập phương tiện, OAM, DBA

và quản lý ONU Mỗi PON TC lựa chọn một phương thức truyền dẫn như ATM, GEM hoặc cả hai

Hình 1.7 Sơ đồ khối chức năng OLT

1.3.1.b Phần dịch vụ OLT

Phần dịch vụ OLT thì có chức năng cổng dịch vụ Các cổng dịch vụ có thể cấu hình để hỗ trợ hai hay nhiều dịch vụ khác nhau như dịch vụ truyền hình độ phân giải cao (HDTV- High Definition TV), game online, truyền dữ liệu Bất kỳ khối TU (Tributary Unit) cũng đều cung cấp hai hay nhiều port có tốc độ 2 Mbps Khối TU có nhiều port có thể cấu hình tại mỗi port một dịch vụ khác nhau Chức năng cổng dịch

vụ đóng vai trò giao tiếp với node dịch vụ Chức năng cổng dịch vụ thực hiện chèn tế bào ATM vào tải trọng SDH đường lên, và tách tế bào ATM từ tải trọng SDH đường xuống Chức năng này phải được dự phòng, do đó chuyển mạch bảo vệ là cần thiết

1.3.1.c Khối đấu nối chéo

Khối đấu nối chéo cung cấp đường truyền giữa khối PON và khối dịch vụ Công nghệ để kết nối phụ thuộc vào các dịch vụ, kiến trúc bên trong OLT và các yếu

tố khác OLT cung cấp chức năng đấu nối chéo tùy thuộc vào phương thức truyền dẫn đã lựa chọn (GEM, ATM hay cả hai)

1.3.2 ONU/ONT

ONU là thiết bị lắp đặt tại phía khách hàng Nó là điểm cuối của mạng quang

và có nhiệm vụ chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu truyền hình, tín hiệu thoại… Hầu hết các khối chức năng của ONU tương tự như các khối chức năng của OLT Do ONU hoạt động với một giao diện PON (hoặc tối đa 2 giao diện khi hoạt động ở chế

độ bảo vệ), chức năng đấu nối chéo (Cross-Connect Function) có thể được bỏ qua Tuy nhiên, thay cho chức năng này thì có thêm chức năng ghép và tách (MUX và DMUX) kênh dịch vụ để xử lý lưu lượng

Hình 1.8 Sơ đồ các khối chức năng ONU

ONT phục vụ cho một thuê bao đơn lẻ (nhà ở) ONT không được tích hợp các chức năng bảo mật cao Vì thế, giá thành của một ONT chỉ nằm ở hàng trăm đô-la ONU phục vụ cho nhiều thuê bao như văn phòng, tòa nhà lớn ONU có thể hiểu nôm

na như là một DSLAM hay một Ethernet Switch, nhiều chức năng hơn ONT nên giá

có thể lên tới hàng nghìn đô-la

1.3.3 ODN

Mạng phân phối quang bao gồm : Bộ chia/ghép (Splitter) quang thụ động và sợi

quang Bộ chia/ghép dùng để chia/ghép thụ động tín hiệu quang từ nhà cung cấp dịch

vụ tới khách hàng và ngược lại giúp tận dụng hiệu quả sợi quang vật lý Thành phần được nhắc chủ yếu ở đây là bộ chia quang Đây là thiết bị chia theo tỷ lệ 1:32, 1:64 hay 1:128…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 1:N tính theo công thức 10×logN (dB),

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

1.4 Cấu trúc phân lớp của mạng quang GPON

Mạng GPON gồm có Lớp phụ thuộc môi trường vật lý (PMD – Physical Media Dependence) và Lớp hội tụ truyền dẫn (TC –Transmission-Convergence) Phân lớp hội tụ truyền dẫn được chia làm 2 phân lớp con: Phân lớp tương thích hội tụ truyền dẫn (TC- Adaption Sublayer) và Phân lớp đóng khung GTC (GTC-farming sublayer)

Lớp phụ thuộc môi trường vật lý

(PMD – Physical Media Dependence)

Bảng 1.2 Cấu trúc phân lớp mạng GPON

1.4.1 Lớp phụ thuộc phương tiện vật lý

1.4.1.a Tốc độ bít

Về cơ bản, GPON hướng tới tốc độ truyền dẫn lớn hơn hoặc bằng 1.2 Gbit/s Tuy nhiên, trong trường hợp dịch vụ xDSL không đối xứng cho FTTH hoặc FTTH thì không cần thiết đến tốc độ cao như vậy GPON được định nghĩa 7 dạng tốc độ bit như sau:

- Đường lên 155 Mbit/s, đường xuống 1.2 Gbit/s;

- Đường lên 622 Mbit/s up, đường xuống 1.2 Gbit/s;

- Đường lên 1.2 Gbit/s up, đường xuống 1.2 Gbit/s;

- Đường lên 155 Mbit/s up, đường xuống 2.4 Gbit/s;

- Đường lên 622 Mbit/s up, đường xuống 2.4 Gbit/s;

- Đường lên 1.2 Gbit/s up, đường xuống 2.4 Gbit/s;

- Đường lên 2.4 Gbit/s up, đường xuống 2.4 Gbit/s

1.4.1.b Dải bước sóng hoạt động

GPON sử dụng dải bước sóng 1480-1500 nm cho luồng xuống và 1260-1360

nm cho luồng lên Ngoài ra, dải bước sóng 1550-1560 nm có thể dùng riêng cho tín hiệu video ở luồng xuống

1.4.1.c Khoảng cách logic và khoảng cách vật lý

Khoảng cách logic là khoảng cách lớn nhất giữa ONU/ONT và OLT trong điều kiện lý tưởng Trong mạng GPON, khoảng cách logic lớn nhất là 60 km

Khoảng cách vật lý là khoảng cách vật lý lớn nhất giữa ONU/ONT và OLT Trong mạng GPON, có hai tùy chọn cho khoảng cách vật lý và 10 km và 20 km Đối với vận tốc truyền lớn nhất là 1.24 Gbit/s thì khoảng cách vật lý là 10 km

Khuyến nghị ITU-T G.984.3 mô tả lớp hội tụ truyền dẫn tương đương với lớp

2 trong mô hình OSI Đó là chỉ rõ định dạng khung GPON, giao thức điều khiển truy nhập môi trường, phương pháp mã hóa thông tin và bảo dưỡng GPON không phụ thuộc vào ATM, GPON sử dụng lớp con truyền dẫn hội tụ (GTC-GPON Transmission Convergence sublayer), khung GTC có thể đóng gói các cell ATM Không giống như APON khung GTC có thể đóng gói trực tiếp các gói dữ liệu thông qua phương pháp đóng gói GPON (GEM-GPON Encapsulation Method) Phần tải khung GTC chứa cả ATM và GEM Mặc dù G-PON hỗ trợ truyền tải tin ATM, nhưng nó cũng đưa vào một cơ chế thích nghi tải tin mới mà được tối ưu hóa cho truyền tải các khung Ethernet được gọi là phương thức đóng gói G-PON (G-PON Encapsulation Method - GEM)

Hình 1.9 Điều khiển đa truy nhập GPON

GEM là phương thức dựa trên thủ tục đóng khung chung trong khuyến nghị G.701, ngoại trừ việc GEM tối ưu hóa từ mào đầu để phục vụ cho ứng dụng của PON, cho phép sắp xếp các dữ liệu Ethernet vào tải tin GEM và hỗ trợ sắp xếp TDM

Chức năng của lớp truyền dẫn hội tụ GPON (GTC) là cung cấp ghép kênh vận chuyển giữa OLT và ONU Các chức năng cụ thể như:

Thích nghi với giao thức báo hiệu lớp con, các chức năng hoạt động, quản lý và bảo dưỡng lớp vật lý PLOAM, giao diện phân phối băng tần động, sắp xếp và đăng ký ONU, sửa lỗi, mã hóa luồng dữ liệu hướng xuống và kênh thông tin cho giao diện quản lý và điều khiển ONT/ONU

GTC cung cấp điều khiển đa truy nhập cho lưu lượng hướng lên Trong khái niệm cơ bản, các khung hướng xuống chỉ thị vùng được cho phép truyền lưu lượng lên trong khung luồng lên đồng bộ với khung luồng xuống

1.4.2.a Phân lớp đóng khung GTC

Chức năng của phân lớp này:

- Ghép kênh và phân kênh: Các thành phần PLOAM, ATM và GEM

được ghép kênh vào khung TC đường xuống tùy theo thông tin về ranh giới trong tiêu

đề của khung Mỗi thành phần được trích ra từ một đường lên tùy theo chỉ thị trong tiêu đề

- Tạo tiêu đề và giải mã: Tiêu đề khung TC được tạo và định dạng

trong khung đường xuống Tiêu đề trong khung đường lên được giải mã

- Chức năng định tuyến nội bộ dựa trên Alloc-ID: Định tuyến dựa trên

Alloc-ID được thực hiện đối với dữ liệu đến/từ bộ thích ứng hội tụ truyền dẫn ATM và GEM

1.4.2.b Phân lớp tương tích hội tụ truyền dẫn

Phân lớp tương thích bao gồm 3 bộ thích ứng phân lớp hội tụ: bộ thích ứng hội tụ truyền dẫn ATM (ATM TC adapter), bộ thích ứng hội tụ truyền dẫn GEM (GEM TC- adapter) và bộ thích ứng giao diện điều khiển quản lý ONU (OMCI adapter) Các bộ thích ứng hội tụ ATM và GEM xem xét các PDU của phần ATM

và GEM trong phân lớp đóng khung GTC và ánh xạ các PDU vào từng phần

Các bộ thích ứng cung cấp giao diện sau cho các thực thể lớp trên:

- Giao diện ATM: Phân lớp đóng khung GTC và bộ thích ứng hội tụ truyền dẫn ATM liên kết với nó cung cấp các giao diện TAM chuẩn theo tiêu chuẩn ITU-T Rec I.432.1 cho các dịch vụ ATM Các thực thể lớp ATM thường có thể được sử dụng như là các ATM client

- Giao diện GEM: Bộ thích ứng hội tụ truyền dẫn GEM có thể được cấu hình để tương thích các khung vào nhiều loại giao diện truyền khung khác nhau

Các bộ thích ứng còn nhận dạng các kênh OMCI theo tên kênh ảo/tên đường

ảo (VPI/VCI) đối với ATM và theo Port-ID đối với GEM Bộ thích ứng OMCI có thể trao đổi dữ liệu kênh OMCI cho các bộ thích ứng ATM TC và GEM TC Bộ thích ứng OMCI nhận dữ liệu từ các bộ thích ứng TC này và truyền nó tới thực thể OMCI và chuyển dữ liệu từ thực thể OMCI tới các bộ thích ứng TC này

1.5 Cấu trúc khung truyền dẫn

G-PON sử dụng cấu trúc khung GTC (G-PON Transmission Conversion) cho

cả hai hướng xuống và hướng lên Khung hướng xuống bắt đầu với một từ mào đầu PLOAM, tiếp sau đó là vùng tải tin GEM hoặc các tế bào ATM PLOAM gồm có thông tin cấu trúc khung và sắp đặt băng thông cho ONT/ONU gửi dữ liệu trong khung hướng lên tiếp theo Khung hướng lên bao gồm các nhóm khung gửi từ các ONU Mỗi một nhóm được bắt đầu với từ mào đầu lớp vật l mà có chức năng tương

tự trong BPON, nhưng cũng bao hàm tổng hợp các yêu cầu băng thông của các ONT Cácyêu cầu băng thông chi tiết hơn được gửi đi kèm với các nhóm hướng lên khi có yêu cầu từ OLT

1.5.1 Định dạng khung luồng xuống

Để cung cấp các dịch vụ (ATM, TDM và Ethernet) hiệu quả phương pháp đóng gói GPON (GEM) được sử dụng Phương pháp này sự trên khuyến nghị ITU-T G.7041 về thủ tục đóng khung tổng quát (Generic Framing Procedure), kỹ thuật truyền gói tin trên mạng SONET hoặc SDH

Hình 1.10 là định dạng khung luồng xuống GPON, cho khung 125x10-6m với tốc độ là 1244.16 Mbps và 2488.32 Mbps Khung bao gồm khối điều khiển vật lý và tải trọng là đoạn ATM và đoạn GEM Trong đó PCB bao gồm thông tin tiêu đề lớp vật

lý dùng để điều khiển và quản lý mạng

Hình 1.10 Cấu trúc khung luồng xuống

1.5.1.a Trường đồng bộ vật lý (Psynch)

4 byte đồng bộ vật lý được cố định và bắt đầu ở mỗi khối PCBd ONU sử dụng phần này để bắt đầu khung ONU tìm ra Psync trong hàng đợi Mỗi lần tìm ra Psunc thì nó chuyển thành pre-sync và thiết lập bộ đếm giá trị 1 Sau đó, ONU tìm Psync khác sau chu kỳ 125 10-6s Cứ mỗi Psync đúng, bộ đếm tăng lên 1 Nếu Psync không đúng ONU sẽ truyền ngược lại trạng thái tìm kiếm Trong trạng thái pre-sync, nếu bộ đếm

truyền đúng tới M1 thì ONU sẽ truyền đến trạng thái đồng bộ sync Mỗi lần OnU truyền tới trạng thái sync, ONU biểu thị nó đã tìm ra cấu trúc khung hướng xuống và bắt đầu xử lý thông tin PCBd Nếu ONU phát hiện vùng M2 kế tiếp không đúng, nó sẽ biểu thị là mát khung và trở về trạng thái tìm kiếm

Hình 1.11 Cơ chế trạng thái đồng bộ ONU

1.5.1.b Trường Ident

Có 32 bít trong đó 1 bít dùng để kiểm tra lỗi khung FEC ở hướng xuống, 1 bít

để dàn và 30 bít chỉ thị cấu trúc khung lớn hơn Bộ đếm siêu khung này được dùng cho

hệ thống mã hóa dữ liệu người dùng và cũng có thể dùng để cung cấp tín hiệu tham chiếu tốc độ thấp 30 bít của vùng Ident dùng để đếm và mỗi ID của khung sẽ lớn hơn khung trước đó Bất cứ khi nào bộ đếm tăng tới mức tối đa thì nó quay về 0 cho khung tiếp theo

1.5.1.c Trường PLOAM

Ở đây có 13 byte trong khối điều khiển vật lý, nó chứa các bản tin OAM lớp vật

lý Hoạt động, quản lý và bảo dưỡng OAM liên quan tới các cảnh báo gây ra bởi các

sự kiện được truyền qua các bản tin trong PLOAM ONU ID đánh địa chỉ cho mỗi ONU riêng Trong lúc sắp xếp, ONU sẽ được gán ONU ID có giá trị 0 đến 253 Lúc chưa được sắp xếp vùng này có giá trị 0xFF để quảng bá cho tất cả ONU

1.5.1.d Trường BIP

Trường này gồm 1 byte dùng để ước lượng tốc độ bít lỗi Nó chứa 8 bít chứa số bít chẵn lẻ được chèn vào của tất cả các byte truyền đi, đầu thu cũng tính được số bít được chèn vào là chẵn hay lẻ, sau đó so sánh với kết quả của BIP được truyền đi để đo

số lỗi trên đường đi

1.5.1.e Trường Plend

Bao gồm 4 byte chỉ độ dài tải luồng xuống (Plend), chỉ ra độ dài bộ nhớ băng thông và phần dành riêng cho ATM trong container truyền dẫn trường này được gửi 2

lần Trong đó 12 bít đầu biểu diễn chiều dài bộ nhớ băng thông Điều này giới hạn số

ID phân bố có thể được gán lên tới 4095 Chiều dài phần dành riêng cho ATM được biểu diễn ở 12 bít tiếp theo Điều này cho phép luồng lên 4095 tế bào ATM trong 1 khung và tốc độ có thể lên tới 10Gbps 8 bít cuối kiểm tra CRC Đầu thu của vùng Plend sẽ được phát hiện lỗi và sửa lỗi

1.5.1.f Trường US WB

Trường này có cáu trúc Nx8 byte US BW ánh xạ phân bổ N khe thời gian tới các ONU Ánh xạ US BW bao gồm N mục được liên kết với N khe thời gian truyền dẫn nhận dạng cho các ONU Trường US BW bao gồm:

- 12 bít phân bổ định danh (AllocID) chỉ thị cho CONT-T riêng mà được gán cho luồng lên

- 12 bít cờ chỉ thị cách phân phối đã dùng Bao gồm bít 11 gửi PLSu: nếu bít này được cài đặt, ONU gửi thông tin PLSu lúc phân bổ Nếu không ONU sẽ không gửi thông tin PLSu trong lúc phân bổ Bít 10 gửi PLOAMu, nếu không được cài đặt sẽ không gửi thông tin PLOAMu lúc phân bổ Bít 9 sử dụng sửa lỗi FEC, nếu được cài đặt ONU sẽ tính toán chèn FEC trong lúc phân bổ Bít 7 và 8 gửi báo cáo băng thông động DBRu, phụ thuộc vào nội dung 2 bít ONU gửi có phù hợp với ID hay không 00: không gửi DBRu, 01: gửi DBRu mode 0, 10:gửi DBRu mode 1, 11: gửi DBRu mode 2

- 2 byte Sstop cũng chứa 2byte chỉ ra khi nào cửa sổ truyền dẫn luồng lên dừng lại Bắt đầu khung là 0, thời gian kết thúc trỏ đến byte dữ liệu cuối cùng

- 1 byte CRC cung cấp 2 bít phát hiện lỗi và 1 bít sửa lỗi trong trường phân bổ băng thông

1.5.1.g Trường tải

Trường tải có 2 phần : phần dành riêng cho ATM và phần dành riêng cho GEM Phần dành riêng cho ATM chứa 53 tế bào ATM Kích thước này được đưa vào trường Plend dành cho ATM Do đó trường này có kích thước là bội số 53 byte Các tế bào luồng xuống thì được lọc ở ONU dựa vào chỉ số nhận dạng đường ảo (VPI) chứa trong mỗi tế bào Phần dành riêng cho GEM: chứa 1 số khung GEM phác họa thành đa khung Kích thước của phần GEM thì bằng toàn bộ chiều dài khung trừ đi khối điều khiển PCBd và phần ATM Khung luồng xuống được lọc ở ONU dựa vào 12 bít Port-

ID chứa trong mỗi phân đoạn khung

1.5.2 Định dạng khung luồng lên

Lưu lượng luồng lên GPON gồm truyền dẫn liên tiếp các ONU Mỗi chu kỳ phân phối phải theo sự điều khiển của OLT

Hình 1.13 Truyền dẫn ONU luồng lên

Để xác định các khung riêng biệt dựa vào tiêu đề burst bắt đầu các ONU Hình 1.14 chỉ rõ định dạng khung luồng lên, nó bao gồm 4 trường tiêu đề và tải trọng dữ liệu người dùng có chiều dài thay đổi

1.5.2.a Tiêu đề lớp vật lý (PLOu)

Trường tiêu đề lớp vật lí hướng lên gồm các vùng là phần mở đầu, vùng ranh giới và 3 vùng dữ liệu tương ứng với ONU Để duy trì kết nối với ONU, OLT sẽ thử cấp truyền lên của mỗi ONU trong khoảng thời gian tối thiểu Khoảng thời gian này được xác định bởi các thông số dịch vụ của ONU OLT sẽ định dạng và điều khiển phần mở đầu và ranh giới trong các bản tin overhead Vùng BIP có 8 bit

Trước khi ONU-ID được gán, ONU đặt giá trị không xác định là 255 trong vùng này OLT có thể kiểm tra vùng này để xác nhận địa chỉ phân bố và truyền đúng đến ONU Vùng ID cung cấp trạng thái ONU thời gian thực báo cáo cho OLT Khi ONU chỉ ra một PLOAM khẩn cấp đang đợi, OLT sẽ cấp một vị trí ở hướng lên cho phép ONU gửi bản tin PLOAM Thời gian đáp lại sẽ ít hơn 5 ms

Hình 1.14 Định dạng và cấu trúc tiêu đề của khung luồng lên được gửi từ ONU

1.5.2.b Trường PLOAMu

Trường chịu trách nhiệm chức năng quản lý như là kích hoạt ONU và cảnh báo

13 byte PLOAMu bao gồm bàn tin PLOAM được định nghĩa trong G.981 và sửa bít lỗi bởi CRC dùng đa thức phát hiện lỗi sai và sửa chúng

1.5.2.c Trường PLSu

Trường bao gồm thông tin về mức công suất laser ở các ONU được nhìn thấy bởi OLT Cơ chế điều khiển công suất có lợi trong 2 trường hợp là khởi tạo công suất ban đầu của bộ phát ONU và thay đổi công suất của bộ phát ONU PLSu có thể được yêu cầu ở bất kỳ thời điểm nào Ở nhiều trường hợp, trong lúc kích hoạt, OLT có thể cài đặt bit PLSu để quảng bá cho phép ONU thiết lập bộ phát OLT dùng PLSu điều chỉnh mức công suất ONU mục đích giảm bớt phạm vi quang nhận được tại OLT Nếu ONU không sử dụng trường PLSu thì ONU sẽ không kích hoạt bộ phát

1.5.2.d Trường DBRu

Cấu trúc DBRu chứa thông tin T-CONT Vùng này được gửi khi có chỉ thị cờ Trường DBA chứa trạng thái lưu lượng của T-CONT Đầu thu của DBRu sẽ thực hiện phát hiện và sửa lỗi CRC-8 Nếu CRC chỉ thị rằng lỗi không thể sửa được thì thông tin trong DBRu sẻ bị loại bỏ Trường thông báo tới OLT chiều dài hàng đợi của mỗi AlloID ở các ONU Cho phép OLT điều chỉnh quá trình phân bổ băng thông động hoạt động đúng Ngoài ra, DBRu được bảo vệ tránh bít lỗi bởi CRC Truyền dẫn trường PLOAMu, PLSu và DBRu phụ thuộc vào cờ luồng xuống trong ánh xạ US BW

1.5.2.e Phần tải

Phần tải đưa lên có thể là tế bào ATM, khung GEM hay báo cáo DBA Phần tải ATM luồng lên có 53 byte Chiều dài của phần tải này phải nhỏ hơn chiều dài tiêu đề được yêu cầu OLT sắp xếp các con trỏ để phần tải ATM luôn là 53 bytes Nếu tải

không đủ 53 bytes thì nó sẽ đệm thêm cho đủ 53 byte

Hình 1.15 Tải là ATM

Phần tải luồng lên GEM chứa một số khung GEM Chiều dài của phần tải này

phải nhỏ hơn chiều dài overhead được yêu cầu

*, Đoạn GEM

Phương pháp đóng gói GPON tương tự như ATM, nhưng chiều dài khung thay đổi thay cho các tế bào có chiều dài cố định như ATM Vì vậy, GEM cung cấp cấu trúc tổng quát để gửi các dịch vụ khác nhau trên nền GPON Đóng gói tải trọng có thể lên tới 1500 byte Nếu ONU có gói gửi lớn hơn 1500 byte thì ONU phải chia thành những mảnh nhỏ hơn phù hợp với tải trọng cho phép Các thiết bị đầu thu có trách nhiệm lắp ghép các mảnh nhỏ đó thành gói tin ban đầu

Dưới đây là cấu trúc đoạn GEM, nó bao gồm bốn trường tiêu đề và tải trọng dài

L byte Trường tiêu đề như sau:

- 12 bít chỉ thị độ dài tải trọng (Payload Length Indicator-PLI) chỉ độ dài tải trọng gói GEM

- 12 bít nhận dạng cổng (Port ID – Port identifies )nó chỉ ra luồng dịch vụ của đoạn này

- 3 bít chỉ thị loại tải trọng (PTI-Payload Type Indicator )xác định kết thúc đoạn của gói tin người dùng hoặc lưu lượng bị tắc nghẽn, hoặc tải trọng GEM có bao gồm thông tin OAM

- 13 bít HEC để kiểm tra lỗi tiêu đề cho phép sữa chữa hai bít sai và phát hiện 3 lỗi sai

Hình 1.16 Bốn trường tiêu đề và tải trọng của đoạn GEM

Một lợi ích quan trọng của cấu trúc GEM là cung cấp biện pháp hiệu quả để đóng gói và phân mảnh gói thông tin người dùng Lý do đóng gói trong GPON là cho phép quản lý với nhiều luồng dịch vụ từ các ONU khác nhau dùng chung sợi quang truyền dẫn Mục đích của phân mảnh là gửi gói tin từ một người dùng hiệu quả không

kể tới kích cỡ và độ tin cậy định dạng gói tin ban đầu từ cửa sổ lớp vật lý trên GPON

Hình 1.18 Tải là DBA

1.6 Tổng kết chương

Trong chương 1 nêu kiến trúc mạng GPON với thành phần cơ bản của mạng như :OLT, ONU, Splitter Đồng thời cấu trúc khung luồng lên, khung luồng xuống phục vụ OLT điều khiển lưu lượng truy cập mạng của ONU Được biết đến với giải pháp cấp phát băng thông mà chương 2 đề cập

CHƯƠNG 2:

CẤP PHÁT BĂNG THÔNG ĐỘNG TRONG GPON

2.1 Giới thiệu chương

Mạng GPON với tốc độ luồng xuống/luồng lên lên tới 2.44Gbps/1.24Gbps có thể cung cấp dịch vụ cho 32 ONU Với mục tiêu phục vụ nhu cầu dịch vụ ngày càng cao của khách hàng, các phương pháp cấp phát băng thông quan trọng hơn bao giờ hết

Có hai phương pháp cấp phát băng thông, đó là : cấp phát băng thông tĩnh (SBA- Static Bandwidth Allocation) và cấp phát băng thông động (DBA- Dynamic Bandwidth Allocation) Trong chương 2 đề cập chủ yếu về cấp phát băng thông động

2.2 Tổng quan về phân bổ băng thông

Mạng GPON có thể cung cấp đồng thời nhiều dịch vụ chất lượng cao Một số dịch vụ như là VoIP hoặc TDM, yêu cầu băng thông luồng lên cố định nên có thể phân

bổ băng thông tĩnh cho các dịch vụ này

Các dịch vụ dựa trên nền IP khác, như là duyệt Internet, xem video trực tuyến, chia sẻ và tải tệp tin Để băng thông luồng lên được sử dụng hiệu quả, OLT sẽ phân bổ băng thông luồng lên cho từng dịch vụ bằng việc sử dụng thuật toán phân bổ băng thông động (DBA- Dynamic Bandwidth Allocation) Với thuật toán DBA tốt, có thể tối đa số lượng ONU được truy nhập mạng Một ví dụ đơn giản là mạng với 32 thuê bao, trong đó tốc độ tối đa mỗi thuê bao 100Mbit/s Yêu cầu khả năng mạng là 3.2Gbit/s, gấp gần 3 lần khả năng mạng GPON hiện tại, nhưng với thuật toán DBA tốt, nhà cung cấp vẫn có thể đáp ứng tốc độ trên và đồng thời đảm bảo đầy đủ băng thông cho tất cả dịch vụ

Với việc chuyển sang mô hình lưu lượng IP đầy đủ, dự đoán lưu lượng các ứng dụng sẽ bùng nổ Dẫn tới hiệu quả thuật toán DBA trở nên cực kì quan trọng Hiệu quả ảnh hưởng trực tiếp tới trễ Ví dụ, trong bộ đệm ONU nhận được tổng lưu lượng 3.75Gbit/s trong 10ms (tốc độ luồng lên của GPON là 1.244Gbps) sẽ được xử lý trong 30ms với hiệu quả 100% Ngược lại, nếu hiệu quả chỉ là 50%, nó sẽ mất 60ms để xử

lý Tức là nếu DBA không hiệu quả tương ứng tất cả ONU mất 30ms trễ trong ví dụ trên

Độ trễ là tham số quan trọng, giới hạn lớn nhất có vai trò quan trọng hơn giá trị trung bình Độ trễ trung bình là 1.5ms và giá trị lớn nhất là 5ms cung cấp thông tin khác biệt so với độ trễ trung bình 1.5ms và giá trị lớn nhất 50ms Trong mạng GPON, OLT thông báo phân bổ băng thông luồng cho ONU lên thông qua bản tin ánh xạ băng thông truyền dẫn (BWMAP- Bandwidth Mapping messages), được xây dựng cho từng ONU hoặc container truyền dẫn (T-CONT - Transmission Containers) Phân bổ băng thông chính là định nghĩa khe thời gian cho từng ONU tham gia truyền dữ liệu Bản

chất DBA là tính toán BWMAP linh hoạt để phân bổ hợp lý băng thông cho mỗi ONU

2.2.1 Cấp phát băng thông tĩnh

Các thế hệ trước của mạng PON phân bổ thông băng tĩnh Với SBA, băng thông và trễ là ổn định, phương pháp này không hiệu quả vì băng thông vẫn được sử dụng ngay cả khi không có lưu lượng luồng lên Mỗi ONU được phân bổ băng thông xác định trước Được ứng dụng nếu tất cả dịch vụ trong mạng yêu cầu băng thông cố định như VoIP hoặc TDM, hoặc khi băng thông luồng lên dự phòng thấp Chỉ cần lưu

lượng ONU truy cập luôn ở tốc độ cố định, hiệu quả sử dụng luồng lên tốt Vấn đề

xuất hiện khe thời gian của ONU-B và ONU-C nhàn rỗi như trong hình 2.1 dưới đây, khi đó không được phân bổ cho các ONU khác trong mạng, dẫn tới tổng băng thông được sử dụng của luồng lên giảm

Hình 2.1 Phân bổ băng thông tĩnh

Chỉ cần mạng không tắc nghẽn, và tổng băng thông luồng lên được yêu cầu để

hỗ trợ mọi ONU ở mọi thời điểm nhỏ hơn 1.244Gbps, kênh luồng lên có băng thông hữu dụng đủ để phục vụ tất cả ONU mà không phải xếp hàng Nếu băng thông không được dùng có thể phân bổ cho các ONU khác, nó có thể đáp ứng dịch vụ bùng phát, cải thiện người dùng và mức dịch vụ, và giảm nguy cơ tắc nghẽn tại hàng đợi ở các ONU Để sử dụng băng thông không khả dụng để cung cấp các kết nối tốc độ cao và chất lượng luồng lên tốt hơn để sử dụng và kinh doanh, cơ chế phân bổ băng thông phải năng động

2.2.2 Cấp phát băng thông động

Chuẩn GPON cung cấp công cụ để phân bổ băng thông động và đưa ra đề án

phân bổ băng thông Sử dụng các công cụ này, OLT có thể phân bổ băng thông cho riêng ONU hoặc cho dịch vụ của ONU (T-CONT) và có thể dựa trên băng thông được phân bổ trong yêu cầu ONU, lưu lượng luồng lên đo được, hoặc dựa trên cả hai, xem xét thỏa thuận mức dịch vụ (SLA-Service Level Agreement) của thuê bao

Ví dụ, hình dưới mô tả băng thông không được phân bổ cho ONU-A, ONU-C

mà phân bổ cho ONU khác có yêu cầu

Hình 2.2 Phân bổ băng thông động

Một thuật toán DBA tốt phân bổ băng thông luồng lên thích ứng với sự lưu lượng luôn luôn thay đổi Tại khe thời gian bất kỳ, băng thông được phân bổ cho một

số ONU (hoặc dịch vụ) Trong khe thời gian khác, băng thông sẽ được phân bổ cho ONU (hoặc dịch vụ) khác, tối đa hóa hiệu quả sử dụng băng thông trong PON Mặc dù

có hiệu quả tốt hơn, nhưng nếu thiết kế DBA không phù hợp với chi tiết kỹ thuật dịch

vụ, có thể gây nên tình trạng tăng trễ thậm chí là hiệu quả sử dụng băng thông cũng bị giảm sút

Các chi tiết dịch vụ ở đây bao gồm băng thông đảm bảo tối thiểu, băng thông tối đa, trễ tối đa… DBA có kế hoạch riêng cho từng dịch vụ

2.2.3 So sánh hai phương pháp cấp phát băng thông

Hình 2.3 Tỷ lệ mất gói theo tải

Dễ thấy, phương pháp cấp phát băng thông tĩnh đơn giản trong cấu hình các thiết bị, đơn giản trong quản lý, sửa chửa nhưng thiếu tính linh hoạt trong phân bổ băng thông so với phương pháp phân bổ băng thông động Đặc biệt gặp khó khăn khi nhu cầu băng thông ngày càng tăng cao Bây giờ, so sánh hai phương phân bổ này

trong đánh giá của Wenjia Wang Didi, Walt Soto, Anh Ly trong „DBA overview’ tháng

10/2001với các dịch vụ: thoại, video, dữ liệu, đa phương tiện

Các dịch vụ thoại và đa phương tiện thì tỷ lệ mất gói (Packet Loss Ratio) của SBA và DBA ở mức gần như không đáng kể và sai khác về hiệu quả không rõ rệt như video Đặc biệt với dịch vụ nhạy cảm như dữ liệu thì tỷ lệ mất mát ở SBA đáng kể khi tăng thông số tải của mạng từ 0.4 Gbps tới mức 1Gbps Ngoài ra, các Kết quả mô phỏng còn chỉ ra rằng hiệu suất sử dụng tối đa của DBA lên tới 80% thay vì 40% với SBA

Hình 2.4 Trễ theo tải

Tương tự như tỷ lệ mất gói, DBA đạt hiệu quả cao trong cải thiện trễ của dịch

vụ video và dữ liệu Trễ của SBA có thể lên tới 100 ms còn DBA thông thường không vượt quá 10 ms, hay nỗ lực giảm trễ tăng 10 lần thích hợp với các mức dịch vụ cao, yêu cầu thời gian thực

2.3 Cấp phát băng thông động DBA trong GPON

2.3.1 Yêu cầu của DBA

Nhận thấy rằng các chính sách QoS có thể khác nhau cho mỗi ISP Ngoài ra, nếu số liên kết lớp 2 trong điều khiển lưu lượng tăng lên, nó sẽ kéo theo chi phí, và hiệu quả của băng thông sẽ giảm Khi xem xét các yếu tố này, có thể thấy rằng chia điều khiển lưu lượng thành 2 lớp sẽ thích hợp DBA hoạt động ở lớp 1, là lớp truy nhập Điều này làm tiền đề để có thể chia sẻ băng thông công bằng giữa các người dùng trong đa ONU và thực hiện điều khiển lưu lượng của lớp cơ sở/luồng cơ sở độc lập do các ISP dùng chính sách khác nhau

Hình 2.5 Ví dụ về cấu hình mạng ở lớp 2 của ISPs

Nếu có thể chia sẻ băng thông giữa các người dùng một cách công bằng và hiệu quả bằng cách giới hạn số lượng người dùng trên một liên kết, có thể đảm bảo băng thông tối thiểu cho người dùng và trễ lưu lượng ít hơn mức băng thông tối thiểu được bảo đảm Vì vậy, sự công bằng, hiệu quả và số người dùng chia sẻ băng thông là yếu

tố quyết định băng thông tối thiểu đảm bảo cho mỗi người dùng Bảo đảm băng thông tối thiểu và hạn chế trễ tối đa rất cần thiết để cung cấp dịch vụ như VoIP Trong ITU-

T, các điều kiện về chất lượng khác nhau của dịch vụ IP đã được chuẩn hóa và trễ to-end chính xác tối đa 100ms cho thời gian thực, jitter-sensitive, và ảnh hưởng nhiều tới ứng dụng VoIP Khi thiết kế một hệ thống, DBA phải được thiết kế dựa trên các phân bổ thời gian trễ lớn nhất được thiết lập cho mạng truy cập PON, một phần của 100ms end-to-end vừa đề cập trước đó Hơn nữa, giao thức TCP được sử dụng rộng rãi trong Internet, thời gian trễ trung bình phải giảm càng nhiều càng tốt để có thể đạt được mục tiêu thông lượng cao Mục đích của DBA là tìm cách có thể tăng hiệu quả của băng thông và tăng tốc độ đỉnh chừng nào có thể Hệ thống phải thỏa mãn chức năng và hiệu năng cần thiết cho mục tiêu cung cấp dịch vụ và phải được thiết kế với chi phí tối thiểu DBA phụ thuộc nhiều vào chi tiết của dịch vụ, nếu thay đổi dịch vụ DBA sẽ phải thay đổi trầm trọng

end-2.3.2 Cơ sở điều khiển luồng- xếp hàng công bằng

Xếp hàng công bằng ảnh hưởng tới phân bổ công bằng băng thông Gói tin đầu vào được phân loại bởi bộ phân loại và được đưa tới hàng đợi dành riêng Phân loại gói tin theo nhóm để phân bổ băng thông đầu ra công bằng Ví dụ, gói được phân loại theo địa chỉ đầu cuối, băng thông đầu ra được phân bổ công bằng cho mỗi đầu cuối với

địa chỉ khác nhau Trong trường hợp này, số hàng đợi, số thiết bị đầu cuối phải khớp nhau Trong trường hợp DBA điều khiển đa ONU, gói đầu vào được phân loại theo người dùng và quảng bá tới hàng đợi tương ứng Trong các loại hàng đợi hiện có thì

bộ lập lịch đọc bộ đệm hàng đợi trong manner, đầu ra của các gói tin từ hàng đợi đảm bảo công bằng Nếu một người dùng truyền lưu lượng lớn so với người dùng khác Lưu lượng đó sẽ được đưa tới hàng đợi bởi bộ phân loại ở đầu vào, nó có thể được thiết kế thời gian chờ tối đa để đi tới đầu ra Thời gian trễ lớn nhất trong điều kiện xấu nhất xảy ra khi gói tin có độ dài cực đại chiếm toàn bộ hàng đợi

Hình 2.6 Nguyên tắc của hàng đợi công bằng

Hoạt động của bộ lập lịch là thành phần quan trọng để đảm bảo sự công bằng Chi tiết các bước hoạt động

- Cài đặt trọng số wi[bit] cho mỗi hàng đợi, trong đó ‟i‟ là chỉ số của hàng đợi tương ứng

- Cho bộ lập lịch round-robin quét liên tục qua các hàng đợi Mỗi hàng đợi được ghi nhận wi[bit] trong một vòng quét của round-robin

- Khi số bít tích lũy của hàng đợi để truyền là Si bit, tiêu đề gói có chiều dài di Khi gói tin tràn hàng đợi, hàng đợi nhận gói tin đó và giảm chiều dài gói đi lượng Si

- Bỏ qua Round-robin trống với hàng đợi chưa hoàn thành lưu trữ gói tin Vấn đề với bộ lập lịch là chi phí thiết lập thuật toán Round-robin thực tế Bởi vì các bộ lập lịch khác nhau được đề nghị có thể hoạt động với chi phí thấp Khi nói tới công nghệ Hàng đợi công bằng để truyền tải luồng lên trong hệ thống PON, hàng đợi tương ứng cho từng ONU và lập lịch tương ứng với DBA ở OLT rất khó cài đặt bởi vì những lí do như:

- Chỉ hạn chế thông tin được truyền từ ONU được định nghĩa bởi DBA

- Hơn nữa, vì khoảng cách của ONU và OLT, đó là thông tin phi thời gian thực và bị trễ