TIỂU LUẬN MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG – PON

TIỂU LUẬN MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG – PON

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

- -

TIỂU LUẬN MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG – PON

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Chu Tiến Dũng

Nhóm SV thực hiện: 1 Phan Nguyễn Tấn Hậu

2 Trương Châu Tuấn

3 Lê Minh Diệu

Nha Trang, 09/2015

Phần 1: MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG – PON

1 Giới thiệu chung

PON, viết tắt từ tên Passive Optical Network, nghĩa là "mạng quang thụ động",

là một hình thức truy cập mạng cáp quang, kiểu mạng kết nối Điểm - Đa điểm (P2M), các sợi quang làm cơ sở tạo kiến trúc mạng Mỗi khách hàng được kết nối tới mạng quang thông qua một bộ chia quang thụ động và không cần nguồn cấp, vì vậy không có các thiết bị điện chủ động trong mạng phân chia và băng thông được chia sẻ từ nhánh đến người dùng, cho phép một sợi quang đơn phục

vụ nhiều nhánh cơ sở, thường là từ 16-128 PON bao gồm một thiết bị đầu cuối dây quang ( OLT - Optical Line Terminal) tại văn phòng trung tâm của nhà cung cấp dịch vụ và các thiết bị mạng quang học (ONUs - Optical Network Units) nơi

gần người dùng cuối Công nghệ PON làm giảm yêu cầu số lượng dây dẫn và thiết bị tại văn phòng trung tâm so với các kiến trúc điểm - điểm

Tín hiệu đường xuống được truyền chia sẻ đến tất cả các nhánh sợi cơ sở Tín hiệu download được tới các hộ gia đình, tín hiệu này được mã hóa để có thể ngăn ngừa bị "câu móc" trộm Tín hiệu upload được kết hợp bằng việc sử dụng giao thức đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) OLT sẽ điều khiển các ONU sử dụng các khe thời gian cho việc truyền dữ liệu đường xuống

2 Tổng quang về công nghệ PON

Mạng quang thụ động PON (hình 2.1) sử dụng phần tử chia quang thụ động trong phần mạng phân bố nằm giữa thiết bị đường truyền quang (OLT) và thiết bị kết cuối mạng quang (ONU) Hoạt động của mạng PON được điều khiển bởi giao thức truy nhập theo địa chỉ MAC (lớp 2)

a)

Hình 2.1: Mô hình mạng quang thụ động

Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân bố quang (hay còn gọi là mạng quang 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 các ONU đều nằm ở đầu cuối của mạng PON Tín hiệu trong PON có thể được phân ra và truyền đi theo nhiều sợi quang hoặc được kết hợp lại và truyền đi trên một sợi quang thông qua bộ ghép quang, phụ thuộc tín hiệu đó đi theo hướng lên hay xuống của PON

2.1 Bộ tách / ghép quang

Một mạng quang thụ động sử dụng một thiết bị thụ động để tách một tín hiệu quang từ một sợi quang sang một vài sợi quang và ngược lại Thiết bị này là Coupler quang Để đơn giản, một Coupler quang gồm hai sợi nối với nhau Tỷ số tách của bộ tách có thể được điều khiển bằng chiều dài của tầng nối và vì thế nó là hằng số

Hình 2.2a có chức năng tách tia cào thành 2 tia ở đầu ra, đây là Coupler Y.Hình 2.2b là Coupler ghép các tín hiệu quang tại hai đầu vào thành một tín hiệu

tại đầu ra Hình 2.2c vừa ghép vừa tách quang và gọi là Coupler X hoặc Coupler phân hướng 2x2 Coupler có nhiều hơn hai cổng vào và nhiều hơn hai cổng ra gọi là Coupler hình sao Coupler NxN được tạo ra từ nhiều Couper 2x2

a) Coupler 4 ngăn 8x8

b) Coupler 3 ngăn 8x8

Hình 2.3: Coupler 8x8 được tạo ra từ nhiều Coupler

Coupler được đặc trưng bởi các thông số sau:

Splitting loss (tổn hao tách): Mức năng lượng ở đầu ra của Coupler so với năng lượng đầu vào (db) Đối với Coupler 2x2 lý tưởng, giá trị này là 3dB Hình 2.3 minh hoạ hai mô hình 8x8 Coupler dựa trên 2x2 Coupler Trong

mô hình 4 ngăn (hình a), chỉ 1/6 năng lượng đầu vào được chia ở mỗi đầu

ra Hình (b) đưa ra mô hình hiệu quả hơn gọi là mạng liên kết mạng đa ngăn Trong mô hình này mỗi đầu ra nhận được 1/8 năng lượng đầu vào Insertion loss(tổn hao chèn): Năng lượng tổn hao do sự chưa hoàn hảo của quá trình xử lý Giá trị này nằm trong khoảng 0,1dB đến 1dB

Directivity (định hướng): Lượng năng lượng đầu vào bị rò rỉ từ một cổng đầu vào đến các cổng đầu vào khác Coupler là thiết bị định hướng cao với thông số định hướng trong khoảng 40-50dB

Thông thường, các Coupler được chế tạo chỉ có một cổng vào hoặc một Combiner (bộ kết hợp) Đôi khi các Coupler 2x2 được chế tạo có tính không đối xứng cao ( với tỷ số tách là 5/95 hoặc 10/90) Các Coupler loại này được sử dụng để tách một phần năng lượng tín hiệu, ví dụ với mục đích định lượng Các thiết bị như thế này được gọi là “tap coupler”

2.2 Các đầu cuối mạng PON

Optical Line Terminal (OLT thiết bị đường truyền quang ): OLT cung cấp giao tiếp giữa hệ thống mạng truy cập quang thụ động EPON và mạng quang đường trục của các nhà cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và video OLT cũng kết nối đến mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ thông qua hệ thống quản

lý EMS(Element Management System)

Optical Network Unit (ONU: thiết bị kết cuối mạng quang): ONU cung cấp giao tiếp giữa mạng thoại, video và dữ liệu người dùng với mạng PON

Mô hình cây với ređunant trunk (d)

Mô hình bus sử dụng tapcoupler(b)

Mô hình cây ( sử dụng splitter 1:N)(a)

Chức năng cơ bản của ONU là nhận dữ liệu ở dạng quang và chuyển sang dạng phù hợp với người dùng như Ethernet, POST,T1

Element Management System (EMS :hệ thống quản lý ): EMS quản lý các phần tử khác nhau của mạng PON và cung cấp giao diện đến mạng lõi của các nhà cung cấp dịch vụ EMS có chức năng quản lý về cấu hình, đặc tính và bảo mật

Hình 2.4: Các mô hình mạng PON

Tất cả sự truyền dẫn trong mạng PON đều được thực hiện giữa OLT và các ONU PLT ở tại tổng đài (Central Office), kết nối truy nhập quang đến mạng đường trục (có thể là mạng IP, ATM hay SONET) ONU ở tại đầu cuối người sử dụng (trong giải pháp FTTH_Fiber To The Home, FTTB_Fiber To The Building) hoặc ở tại Curb trong giải pháp FTTC_Fiber To The Cur và có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại, dữ liệu và video băng rộng

Tuỳ theo điểm cuối của tuyến cáp quang xuất phát từ tổng đài mà các mạng truy nhập thuê bao quang có tên gọi khác nhau như sợi quang đến tận nhà FTTH, sợi quang đến khu dân cư FTTC

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 được 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 vậy trong hướng lên, PON sẽ sử dụng một vài cơ chế riêng biệt trong kênh để tránh xung đột dữ liệu và chia sẽ công bằng tài nguyên và dung lượng trung kế

Một phương pháp chia sẽ kênh ở hướng lên của ONU là sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM, với phương pháp này thì mỗi ONU sẽ hoạt động ở một bước sóng 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 nhà khai thác mạng là kiểm

kê từng bước sóng của ONU: thay vì chỉ có một loại ONU, thì có nhiều loại ONU dựa trên các bước sóng Laser của nó Mỗi ONU sẽ sử dụng một laser hẹp và độ rộng phổ điều khiển được cho nên rất đắt tiền Mặc khác, nếu một bước sóng bị sai lệch sẽ gây ra nhiễu cho các ONU khác trong mạng PON Việc sử dụng Laser điều khiển được có thể khắc phục được vấn đề này nhưng quá đắt cho công nghệ hiện tại Với những 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 Do vậy, TDM PON đã ra đời Trong TDM PON, việc truyền đồng thời

từ vài ONU sẽ gây ra xung đột khi đến bộ kết hợp Để ngăn chặn xung đột

dữ liệu, mỗi ONU phải truyền trong cửa sổ (khe thời gian) truyền của nó

Hình 2.5: Mạng PON sử dụng một sợi

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 phát ONU hoạt động ở tốc độ đường truyền, thậm chí băng thông có thể dùng của ONU thấp hơn Tuy nhiên, đặc tính này cũng cho phép TDM PON đạt hiệu quả thay đổi băng thông được dùng cho từng ONU bằng cách thay đổi kích cở khe thời gian được ấn định hoặc thậm chí sử dụng ghép kênh thống kê để tận dụng hết băng thông được dùng của mạng PON

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 và xuống Một phương pháp tách kênh đơn giản có thể dựa trên ghép kênh phân chia không gian(SDM) mà nó tách PON được cung cấp theo hướng truyền lên xuống Để tiết kiệm cho sợi quang và giảm chi phí sửa chữa và bảo quảng, một sợi quang có thể được sử dụng cho truyền 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

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

Phần 2:PHÂN LOẠI MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG

I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ QUANG THỤ ĐỘNG GIGABIT

GPON

1.1 Tổng quan về công nghệ G-PON

Hình 1: Mạng truy nhập quang thụ động GPON

• Tốc độ dữ liệu: 1,244/2,488 Gbit/s hướng xuống và 0,155/0,622/1,244/ 2,488 Gbit/s hướng lên

• Bước sóng: 1260 - 1360nm đường lên; 1480 - 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: hỗ trợ đầy đủ các dịch vụ hiện có (Ethernet, TDM, POTS, …)

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

• Giá trị tỷ lệ bit lỗi (BER) lớn nhất: 10 - 12

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

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

• Loại cáp: Tiêu chuẩn ITU-T Rec G.652

• Suy hao tối đa giữa các ONU:15 dB

• Cự ly cáp tối đa: 20 Km với lade DFB luồng lên, 10 Km với Fabry-Perot

a Khả năng cung cấp băng thông

 Hướng xuống

Tốc độ hướng xuống GPON = 2,488 Mbit/s × hiệu suất 92% = 2289 Mbit/s Trong ứng dụng nhiều nhóm người sử dụng (MDU: multiple-dwelling-unit), với

tỷ lệ chia là 1:32, GPON có thể cung cấp dịch vụ cơ bản bao gồm truy cập

Internet tốc độ cao (100 Mbit/s trên mỗi thuê bao với tỷ lệ dùng chung 20:1) và Voice (tốc độ 100 Kbit/giây) đến 32 ONU, mỗi ONU cung cấp cho 8 thuê bao

 Hướng lên

Tiêu chuẩn này ngoài việc đưa ra bộ các yêu cầu về hệ thống mạng còn đưa ra

bộ các yêu cầu QoS riêng cho lớp PON vượt ra ngoài các phương thức Ethernet lớp 2 và phân loại dịch vụ (CoS) IP lớp 3 để đảm bảo việc phân phát các dịch vụ thoại, video và TDM chất lượng cao qua môi trường chia sẻ trên nền TDMA Tuy nhiên, các cơ chế CoS ở lớp 2 và lớp 3 chỉ có thể đạt mức tối đa là QoS ở lớp truyền tải Nếu lớp truyền tải có độ trễ và dung sai lớn thì việc phân chia mức ưu tiên dịch vụ không còn ý nghĩa Đối với TDMA PON, việc dung lượng cung cấp QoS hướng lên sẽ bị hạn chế khi tất cả các ONT của PON sử dụng hết băng thông hướng lên và ưu tiên của nó trong TDMA Hướng lên GPON có thông lượng đến 1,25 Gbit/s cao hơn 20% so với GEPON là một sự khác biệt đáng kể giúp cho cơ chế QoS có thể hoạt động tốt hơn

GPON sử dụng băng thông ngoài băng để cấp phát bản đồ với khái niệm khối lưu lượng (T-CONT) cho hướng lên Khung thời gian hướng lên và hướng xuống sử dụng khung tiêu chuẩn viễn thông 8 kHz, và các dịch vụ được đóng

gói vào các khung theo nguyên bản của nó thông qua quá trình mô hình đóng gói GPON (GEM) Giống như trong SONET/SDH, GPON cung cấp khả năng chuyển mạch bảo vệ với thời gian nhỏ hơn 50 ms

Điều cơ bản làm cho GPON có trễ thấp là có nhiều lưu lượng hướng lên TDMA

từ nhiều ONU được ghép vào cùng một khung 8 KHz (125 µs) Mỗi khung hướng xuống bao gồm một bản đồ cấp phát băng thông hiệu quả được gửi quảng

bá đến tất cả các ONU và có thể hỗ trợ tính năng tinh chỉnh cấp phát băng thông

Cơ chế ngoài băng này cho phép GPON DBA hỗ trợ việc điều chỉnh cấp phát băng thông nhiều lần mà không cần phải sắp xếp lại để tối ưu hóa tận dụng băng thông

 Băng thông

Công nghệ GPON hỗ trợ 1,25 Gbit/s hoặc 2,5 Gbit/s hướng xuống, và hướng lên

có thể xê dịch từ 155 Mbit/s đến 2,5 Gbit/s

Hiệu suất băng thông đạt lớn hơn 90%

b Khả năng cung cấp dịch vụ

 Khoảng cách OLT - ONU

Giới hạn cự ly của công nghệ GPON hiện tại được quy ước trong khoảng 20 km với hệ số chia tách/ghép quang lên tới 1:128 (hiện tại thường sử dụng tỷ lệ 1:32)

 Chi phí trên mỗi khách hàng

Hiện tại giá thiết bị GPON còn tương đối cao Tuy nhiên với việc xuất hiện các

bộ tách/ghép quang có hệ số tách/ghép quang lớn sẽ giúp giảm chi phí trên mỗi khách hàng Ngoài ra khi lưu lượng sử dụng lớn thì chi phí trên mỗi Mbps sẽ rẻ hơn so với công nghệ GEPON

 Khả năng hỗ trợ cấu trúc xếp chồng CATV

GPON có khả năng hỗ trợ cấu trúc mạng xếp chồng dịch vụ CATV, đáp ứng được đòi hỏi cho dịch vụ hướng xuống tốc độ cao Các hệ thống này đều sử dụng bước sóng 1490 nm hướng xuống và 1310 nm hướng lên, bước sóng 1550

nm được dành riêng cho CATV

- Thông tin liên lạc – Các đường thoại, thông tin liên lạc, Truy cập internet, intranet tốc độ cao, Truy cập internet không dây tại những địa điểm công cộng, Đường băng thông lớn (BPLL) và làm backhaul cho mạng không dây

- Bảo mật - Camera, Báo cháy, báo đột nhập, Báo động an ninh, trung tâm điều khiển 24/7 với khả năng giám sát, backup dữ liệu, SANs

- Giải trí - CATV, HDTV, PPV, PDVR, IPTV – Hệ thống đường lên Video hoàn thiện cho modem DOCSIS và dịch vụ Video tương tác, truyền hình vệ tinh; tất

cả các dịch vụ trên cáp quang GEPON

- Nhà thông minh, Giám sát trong nhà & BMS –Nước, điện và giám sát xử lý chất thải, khám sức khỏe tại nhà, điều khiển đèn từ xa, điều khiển từ xa các thiết

bị tự động trong nhà

1.2 Tình hình triển khai công nghệ G-PON

Hiện nay hai công nghệ GPON và GEPON đang được triển khai đồng thời trên thế giới Trong đó GPON chủ yếu được triển khai ở Châu Á, Châu Mỹ và Châu Âu Tại đây về cơ bản các nhà cung cấp dịch vụ FTTH sử dụng kiến trúc của GPON của ITU

Và đang tiến hành từng bước xây dựng các mạng quang thụ động G-PON, song song xây dựng các mạng truy nhập quang thụ động XG-PON, hướng đến xây dựng các mạng truy nhập quang thụ động 40G-PON trong tương lai gần

Hình 3: Tình hình triển khai GPON trên thế giới

1.2.1.1 Tình hình triển khai trên Thế giới

- Huawei là nhà cung cấp hàng đầu trong cả hai lĩnh vực cung cấp giải pháp GPON và sản xuất thiết bị Port, xếp sau là Alcatel-Lucent và ZTE

- Châu Á-Thái Bình Dương vẫn là thị trường phát triển GPON sôi động tiếp đến

là Châu Âu, Bắc Mỹ và Trung Đông, Châu Phi

a Khu vực Châu Âu:

- Các mạng 2,5 GPON hiện đã được các công ty viễn thông France Telecom và Deutsche Telekom xây dựng ở Tây Âu theo mô hình FTTH/GPON của ITU

- Hiện toàn Châu Âu có khoảng 5 triệu thuê bao FTTH/GPON Phần lớn lượng thuê bao tập trung tại Tây Âu và Bắc Âu (như Thụy Điển, Thụy Sĩ, Pháp và Đan Mạch)

b Ấn Độ và Trung Đông

- Ấn Độ: Hiện có 5 nhà cung cấp dịch vụ băng rộng chính tại Ấn Độ : BSNL, Bharti Airtel, MTNL, Hathway Cable, Tata Communications Công nghệ truy nhập DSL vẫn là công nghệ truy nhập phổ biến ở Ấn Độ Các thuê bao FTTH/FTTB/GPON mới chỉ có mặt tại một số thành phố lớn và có khoảng 60 nghìn thuê bao

- Các nhà triển khai GPON chính trong khu vực là Alcatel-Lucent, Huawei, ZTE

và Etisalat từ Các tiểu Vương Quốc Ả Rập

c Khu vực Bắc Mỹ :

Verizon, bắt đầu tiến hành triển khai mạng quang truy nhập quang thụ động FTTP/GPON tại Mỹ với tên FiOS vào năm 2007, hiện nay đã có mặt tại 18 bang trên toàn nước Mỹ, hỗ trợ tốc độ dữ liệu tối đa 150 Mbit/s hướng xuống và 35 Mbit/s hướng lên

Dịch vụ qua mạng quang thụ động FiOS:

- FTTP hay FTTH bắt đầu cung cấp từ năm 2006

- Verizon VoiceWing hay dịch vụ Thoại IP VoIP hay Verizon FiOS internet bắt đầu

mặt trên 16,5 triệu gia đình Mỹ, có thêm 735.000 kết nối FiOS internet lên 4,8 triệu thuê bao internet FiOS và 701.000 kết nối FiOS Video lên 4,2 triệu thuê bao FiOS Video

d Châu Á – Thái Bình Dương:

 Top 15 thị trường dịch vụ băng rộng cố định : Australia, Trung Quốc, Hong Kong,

Ấn Độ, Indonesia, Nhật Bản, Malaysia, New Zealand, Pakistan, Philippines, Singapore, Hàn Quốc, Đài Loan, Thái Lan và Việt Nam

 Theo như một báo cáo nghiên cứu thị trường dịch vụ băng rộng vào cuối năm

2011 : Khu vực Châu Á-Thái Bình Dương có khoảng 187 triệu thuê bao băng rộng

cố định,

 DSL vẫn là công nghệ truy nhập dịch vụ băng rộng được sử dụng phổ biến nhất,

 Nhật Bản : là một trong các quốc gia thuộc khu vực Châu Á có tốc độ tăng trưởng dịch vụ băng rộng đạt mức hai con số hằng năm Tính đến cuối năm 2009 đã có 31,7 triệu thuê bao

Hiện Nhật Bản sử dụng chủ yếu là công nghệ FTTH/FTTB theo công nghệ truy nhập quang thụ động EPON, song cũng có sự quan tâm nghiên cứu thử nghiệm và triển khai GPON

 Hàn Quốc : Năm 2007, Hanaro Telecom đưa vào triển khai giải pháp mạng truy nhập quang thụ động GPON – Alcatel-Lucent tại Hàn Quốc, hệ thống này hỗ trợ phân phối các dịch vụ băng rộng tiên tiến như IPTV, truyền hình độ nét cao HDTV, truyền hình theo yêu cầu VoD qua HanaTV, các dịch vụ Internet tốc độ cao và các dịch vụ truyền hình tương tác, khởi đầu hệ thống hỗ trợ được 110.000 thuê bao Hiện các dịch vụ băng rộng FTTH/FTTB/GPON là dịch vụ chiếm thị phần chủ yếu tại Hàn Quốc, FTTH/GPON chiếm 70% số kết nối dịch vụ băng rộng

 Đài Loan : Chunghwa Telecom bắt đầu tiến hành triển khai FTTH/FTTB dựa trên công nghệ GPON vào năm 2007 Hiện nay dịch vụ băng rộng sử dụng FTTH/FTTB/GPON là dịch vụ chiếm thị phần lớn nhất Đài Loan chiếm 30% kết nối dịch vụ năm 2009,

 Trung Quốc : Các nhà cung cấp dịch vụ băng rộng lớn nhất hiện nay của Trung Quốc là China Mobile, China Telecom, China Unicom đã tiến hành hợp tác cùng với các Công ty, Tập đoàn công nghệ là Huawei, ZTE, Alcatel-Lucent, Ericsson để