Nghiên cứu tiết kiệm năng lượng cho các mạng thế hệ mới

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADAEE Adaptive Delay Aware Energy Efficient Giải pháp tiết kiệm năng lượng nhận biết trễ tương thích ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐOÀN ĐỨC SINH

NGHIÊN CỨU TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

CHO CÁC MẠNG THẾ HỆ MỚI

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

PGS.TS NGUYỄN HỮU THANH

Hà Nội - Năm 2015

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 10

1 Lý do chọn đề tài 10

2 Mục đích nghiên cứu 11

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

4 Kết cấu luận văn 11

5 Phương pháp nghiên cứu 12

CHƯƠNG I - MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON 13

1.1 Giới thiệu chương 13

1.2 Mạng PON 14

1.3 Mạng PON ghép kênh phân chia theo thời gian 21

1.4 Các tiêu chuẩn cho mạng TDM-PON 25

1.4.1 B-PON 25

1.4.2 E-PON 26

1.4.3 G-PON 28

1.5 Kết luận chương 30

CHƯƠNG II - CƠ CHẾ PHÂN BỔ BĂNG THÔNG ĐỘNG 32

2.1 Giới thiệu 32

2.2 Thuật toán cấp phát băng thông động [2] 32

2.3 Định dạng bản tin điều khiển [2] 37

2.4 Lập lịch cho bản tin Grant/Request 39

2.5 Đánh giá hiệu năng của mạng [2] 43

2.6 Các dịch vụ sử dụng thuật toán DBA 46

2.7 Chất lượng QoS 48

2.8 Kết luận chương 50

CHƯƠNG III - PHÂN BỔ BĂNG THÔNG ĐỘNG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VỚI CÁC ONU Ở CHẾ ĐỘ NGỦ 51

3.1 Giới thiệu 51

3.2 Phương pháp điều khiển lớp MAC tiết kiệm năng lượng [5] 55

3.3 Cơ chế xác định độ lớn băng thông cấp phép [5] 60

3.4 Xây dựng bài toán tạo chu trình cấp phép tiết kiệm năng lượng [5] 61

3.5 Thuật toán quy hoạch động cấp phép băng thông tiết kiệm năng lượng [5] 65 3.6 Kết luận chương 67

CHƯƠNG IV - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG PON 68

4.1 Giới thiệu 68

4.2 Mô hình hệ thống 69

4.2.1 Mô hình mạng dùng trong mô phỏng 69

4.2.2 Các thông số mô phỏng 70

4.3 Sơ đồ thuật toán mô phỏng 71

4.3.1 Sơ đồ thuật toán mô phỏng lưu lượng mạng 71

4.3.2 Sơ đồ thuật toán mô phỏng hiệu năng của mạng PON 73

4.4 Chương trình mô phỏng 74

4.4.1 Giao diện chương trình khởi động 74

4.4.2 Giao diện chương trình chính 76

4.5 Kết quả mô phỏng 78

4.5.1 Lưu lượng mạng có kích thước gói tin theo phân phối Poisson 78

4.5.2 Hiệu năng của mạng PON 80

4.5.2.1 Thời gian chu kỳ 80

4.5.2.2 Kích thước hàng đợi 85

4.5.2.3 Thời gian trễ của gói tin 90

4.6 Nhận xét 95

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 97

1 Kết luận 97

2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN CHƯƠNG TRÌNH 100

1 Chương trình mô phỏng lưu lượng mạng 100

2 Chương trình mô phỏng hiệu năng mạng của PON 101

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Đoàn Đức Sinh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADAEE Adaptive Delay Aware Energy

Efficient

Giải pháp tiết kiệm năng lượng nhận

biết trễ tương thích

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ

DCS Downstream Centric Scheme Cơ chế truyền hướng xuống

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

IPACT Interleaved Polling with

Adaptive Cycle Time Vòng xen kẽ với chu kỳ đáp ứng

MPCP Multipoint Control Protocol Giao thức điều khiển đa điểm

PLOAM

Physical Layer Operation, Administration and Maintenance

Quản lý vận hành bảo dƣỡng lớp vật

lý

Bandwidth Allocation

Phân bổ băng thông động để nhận

biết giấc ngủ

TDMA Time Division Multiple Access Truy cập đa phân chia theo thời gian

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 – Bảng so sánh các chuẩn công nghệ TDM-PON 29

Bảng 2.1 - Cơ chế cấp phát cửa sổ truyền của một số dịch vụ 46

Bảng 3.1 - Định nghĩa các ký hiệu 57

Bảng 4.1 - Thông số mô phỏng lưu lượng đi trong mạng 70

Bảng 4.2 - Thông số mô phỏng hiệu năng mạng PON 71

Bảng 4.3 - Kết quả mô phỏng lưu lượng đi trong mạng 80

Bảng 4.4 - Số liệu mô phỏng thời gian trung bình của 1 chu kỳ của các dịch vụ 82

Bảng 4.5 - Số liệu mô phỏng thời gian lớn nhất của 1 chu kỳ của các dịch vụ 84

Bảng 4.6 - Số liệu mô phỏng kích thước hàng đợi trung bình của các dịch vụ 87

Bảng 4.7 - Số liệu mô phỏng kích thước hàng đợi lớn nhất của các dịch vụ 89

Bảng 4.8 - Số liệu mô phỏng thời gian trễ trung bình của gói tin của các dịch vụ 92

Bảng 4.9 - Số liệu mô phỏng thời gian trễ lớn nhất của gói tin của các dịch vụ 94

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 - Mạng PON với bộ chia quang thụ động Passive Splitter 14

Hình 1.2 - Mạng PON 15

Hình 1.3 - Bước sóng truyền trong mạng PON 16

Hình 1.4 – Cấu trúc tổng quan của một giải pháp PON 19

Hình 1.5 - Kiến trúc tổng quan của mạng PON 20

Hình 1.6 - Nguyên lý truyền dữ liệu hướng xuống theo phương thức quảng bá 22

Hình 1.7 - Nguyên lý truyền dữ liệu hướng lên theo cơ chế ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) 22

Hình 1.8 - Cấu trúc chung của OLT 23

Hình 1.9 - Cấu trúc chung của ONU 24

Hình 1.10 - ONU & OLT gửi bản tin yêu cầu cấp phát băng thông 27

Hình 2.1a – OLT gửi bản tin điều khiển đến ONU 1 33

Hình 2.1b – ONU 1 gửi dữ liệu lên cửa sổ được cấp 34

Hình 2.1c – OLT update thông tin vào bảng polling 35

Hình 2.1d – Các bước của thuật toán DBA 36

Hình 2.2 - Vị trí lồng bản tin điều khiển vào khung Ethernet 38

Hình 2.3 - Lập lịch cho bản tin Request 40

Hình 2.4 - Lập lịch bản tin Grant cho ONU thứ i, i+1, i+2 với i-1 bị ngắt 42

Hình 2.5 - Các thành phần của thời gian trễ của gói tin 45

Hình 3.1 - Sơ đồ chuyển trạng thái của ONU 56

Hình 3.2 - Minh họa phương pháp điều khiển lớp MAC tiết kiệm năng lượng 57

Hình 3.3 - Minh họa cơ chế tạo chu trình cấp phép tiết kiệm năng lượng 63

Hình 4.1 - Giao diện môi trường làm việc của phần mềm Matlab R2014a 68

Hình 4.2 - Kích thước trung bình của gói tin phụ thuộc vào tải & thời gian đến trung bình của gói tin 69

Hình 4.3 - Sơ đồ thuật toán mô phỏng lưu lượng mạng 72

Hình 4.4 - Sơ đồ thuật toán mô phỏng hiệu năng của mạng PON 73

Hình 4.5 - Giao diện chương trình khởi động 75

Hình 4.6 - Giao diện chương trình chính 76

Hình 4.7 - Biểu đồ lượng dữ liệu đến ONU trong thời gian 1s 78

Hình 4.8 - Biểu đồ lượng dữ liệu đến ONU trong thời gian 10 ms 79

Hình 4.9 - Biểu đồ lượng dữ liệu đến ONU trong thời gian 1000 µs 79

Hình 4.10 - Đồ thị biểu diễn thời gian trung bình của 1 chu kỳ của từng dịch vụ 81

Hình 4.11 - So sánh thời gian trung bình của 1 chu kỳ của các loại dịch vụ 83

Hình 4.12 - So sánh thời gian lớn nhất của 1 chu kỳ của các loại dịch vụ 85

Hình 4.13 - Đồ thị biểu thị kích thước hàng đợi trung bình của từng dịch vụ 86

Hình 4.14 - So sánh kích thước hàng đợi trung bình của các loại dịch vụ 88

Hình 4.15 - So sánh kích thước hàng đợi lớn nhất của các loại dịch vụ 90

Hình 4.16 - Đồ thị biểu diễn thời gian trễ trung bình của gói tin của từng dịch vụ 91 Hình 4.17 - So sánh thời gian trễ trung bình của gói tin của các loại dịch vụ 93

Hình 4.18 - So sánh thời gian trễ lớn nhất của gói tin của các loại dịch vụ 95

Hiện nay, mạng viễn thông được phát triển theo hướng số hóa đa phương tiện toàn bộ và đồng bộ với mạng Internet Điều này làm cho việc tìm kiếm phương án giải quyết truy nhập băng rộng có giá thành thấp, chất lượng cao đã trở nên cấp thiết

Cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông ngày càng tăng, từ thoại đến truyền số liệu, hình ảnh đa phương tiện, đặc biệt là nhu cầu về Internet Việc tích hợp tất cả các dịch vụ vào cùng một mạng (cụ thể là một đường kết nối cho tất cả - all in one) đang trở nên cấp thiết và là vấn đề nóng bỏng của mạng viễn thông tại các quốc gia trên thế giới

Hiện nay, hiệu suất năng lượng của các mạng viễn thông đang nhận được sự chú

ý nhiều hơn so với trong quá khứ vì những nguyên nhân khách quan Theo thống kê được đưa ra thì năng lượng điện chiếm 30% trong tổng số năng lượng được tiêu thụ trên thế giới, trong đó mạng viễn thông (hầu hết dùng năng lượng điện) chiếm trên 8% tổng năng lượng điện tiêu thụ, tương đương 2.5% năng lượng tiêu thụ trên thế giới Và trong mạng viễn thông thì riêng mạng truy nhập đã chiếm trên 50% lượng điện tiêu thụ [12] Những con số này được dự báo là sẽ gia tăng rất nhanh trong những năm tiếp theo vì sự phát triển không ngừng nghỉ của các mạng viễn thông

Việc mạng truy nhập được đặc biệt quan tâm vì nó bao gồm nhiều thiết bị sử dụng cuối, mà các thiết bị này làm tiêu tốn rất nhiều năng lượng Việc truy nhập

mạng là phân đoạn cuối cùng (hoặc đầu tiên) của mạng viễn thông Chúng kết nối trạm trung tâm của nhà cung cấp dịch vụ (CO) với các kết cuối sử dụng và tạo thành phần lớn nhất của mạng Chúng đòi hỏi năng lượng nhiều hơn ở các mạng lõi hoặc mạng metro (thành phố) bởi vì chúng bao gồm một lượng lớn các thiết bị hoạt động mà các thiết bị này tỷ lệ với số lượng của các kết cuối sử dụng

Chính vì vậy, việc nghiên cứu các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng là rất cần thiết đối với sự phát triển các mạng viễn thông trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng

Luận văn này đã nghiên cứu tìm hiểu cơ chế, lập lịch phân bổ băng thông để tiết kiệm năng lượng trong mạng truy nhập quang thế hệ mới, cụ thể ở đây là mạng quang thụ động - PON

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu kỹ thuật tiết kiệm năng lượng cho các mạng thế hệ mới

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu kỹ thuật phân bổ băng thông và lập lịch phân bổ băng thông tiết kiệm năng lượng trong mạng thế hệ mới PON

- Lập sơ đồ thuật toán và xây dựng chương trình mô phỏng bằng Matlab để đánh giá hiệu năng mạng thế hệ mới PON

4 Kết cấu luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, kết cấu luận văn gồm 4 chương như sau:

- Chương 1 - Mạng quang thụ động PON

- Chương 2 - Cơ chế phân bổ băng thông động

- Chương 3 - Phân bổ băng thông động tiết kiệm năng lượng với các ONU ở chế độ ngủ

- Chương 4 - Mô phỏng và đánh giá hiệu năng mạng PON

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng bằng chương trình Matlab

CHƯƠNG I - MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON

1.1 Giới thiệu chương

Hiện nay, mạng viễn thông được phát triển theo hướng số hóa đa phương tiện toàn bộ và đồng bộ với mạng Internet Điều này làm cho việc tìm kiếm phương án giải quyết truy nhập băng rộng có giá thành thấp, chất lượng cao đã trở nên cấp thiết

Cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông ngày càng tăng, từ thoại đến truyền số liệu, hình ảnh đa phương tiện, đặc biệt là nhu cầu về Internet Việc tích hợp tất cả các dịch vụ vào cùng một mạng (cụ thể là một đường kết nối cho tất cả - all in one) đang trở nên cấp thiết và là vấn đề nóng bỏng của mạng viễn thông tại các quốc gia trên thế giới

Mạng NGN ra đời đã thổi luồng gió mới vào thị trường mạng viễn thông khi đưa

ra các dịch vụ mới dựa trên giao thức IP và đưa ra mạng riêng ảo VPN – một hướng

đi của các nhà cung cấp dịch vụ nhằm đáp ứng các nhu cầu của khách hàng bằng các kết nối dạng any-to-any, các dịch vụ giá thành thấp, tích hợp xuyên suốt và đồng bộ với các mạng Intranet/ Internet Việc mạng truy nhập quang đang được quan tâm và phát triển nhờ vào những ưu điểm vượt trội về băng thông lớn, ít suy hao trên đường truyền, giảm nhiễu, bảo mật đã mở ra hướng đi đầy tiềm năng và vốn dĩ đã được kiểm nghiệm và chứng minh trong thực tế tại một số nước tiên tiến Trong mạng truy nhập quang gồm có 2 mạng cơ bản: mạng quang tích cực AON và mạng quang thụ động PON Những lợi ích từ việc sử dụng kỹ thuật PON trong mạng truy nhập tỏ ra thuận lợi hơn trong việc thiết kế mạng có thể đáp ứng cho nhiều thuê bao với giá rất cạnh tranh PON có những ưu thế vượt trội AON nhưng cốt lõi ở chi phí thi công lắp đặt và bảo trì hệ thống phân phối ít tốn kém hơn, điều này làm giảm chi phí cho cả nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng

Chương này sẽ trình bày về mạng truy nhập PON, khái quát về các cơ chế ghép kênh đối với truyền hướng xuống và hướng lên, khái quát về cấu trúc chung của

các khối thiết bị trong PON như là khối OLT và ONT/ONU Sau cùng sẽ sơ lược

về các tiêu chuẩn cho mạng PON

1.2 Mạng PON

Mạng viễn thông hiện đại điển hình bao gồm ba phần chính: mạng trục chính hoặc mạng lõi, mạng metro hoặc mạng vùng và mạng truy nhập Mạng truy nhập tượng trưng cho phân đoạn cuối cùng của kết nối, nó liên kết trạm trung tâm của nhà cung cấp dịch vụ (CO) với các người dùng cuối Quá trình này còn được gọi là

“chặng cuối”

Có rất nhiều công nghệ truy nhập mạng khác nhau và được phân chia thành hai loại chính: hữu tuyến và vô tuyến Trong các giải pháp hữu tuyến, một loại rất phổ biến của mạng truy nhập là công nghệ FTTx (cáp quang đến mọi nơi) Công nghệ FTTx sử dụng cáp quang để đưa dịch vụ viễn thông đến các ranh giới của không gian FTTx có thể được dựa trên các công nghệ khác nhau nhưng trong số

đó giải pháp mạng quang thụ động (PON) là có ưu thế hơn cả

Sự khác biệt chủ yếu của mạng quang chủ động (AON) và mạng quang thụ động (PON) là ở chỗ PON sử dụng một thiết bị chia quang thụ động: passive splitter Về cơ bản, Splitter là một lăng kính khuếch tán tín hiệu ánh sáng tới khách hàng không cần sử dụng thiết bị điện (một switch quang không dùng điện) Do

đó, nó có tên là thụ động, như phác họa trong Hình 1.1

Lưu lượng rỗi nhưng các đầu thu ONT và các đường truyền vẫn hoạt động

Hình 1.1 - Mạng PON với bộ chia quang thụ động Passive Splitter

Các mạng viễn thông ở nước ta hiện nay hầu như đều dựa trên các thiết bị chủ động, tại thiết bị tổng đài của nhà cung cấp dịch vụ lẫn thiết bị đầu cuối của khách hàng cũng như các trạm lặp, các thiết bị chuyển tiếp và một số các thiết bị khác trên đường truyền Các thiết bị chủ động là các thiết bị mà cần phải cung cấp nguồn cho một số thành phần, thường là bộ xử lý, các chíp nhớ… Với mạng PON, tất cả các thành phần chủ động giữa tổng đài CO và người sử dụng sẽ không còn tồn tại mà thay vào đó là các thiết bị quang thụ động, điều khiển lưu lượng trên mạng dựa trên việc phân tích năng lượng của các bước sóng quang học tới các điểm đầu cuối trên đường truyền Việc thay thế các thiết bị chủ động sẽ tiết kiệm chi phí cho các nhà cung cấp dịch vụ vì họ không còn cần đến năng lượng

và các thiết bị chủ động trên đường truyền nữa

PON là một công nghệ đã được nghiên cứu trên 20 năm PON cũng là một công nghệ mới và rất quan trọng đối với lớp mạng truy nhập yêu cầu băng thông lớn như VoD (Video on Demand), FTTx PON cũng là sự lựa chọn đối với các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông và dịch vụ truyền hình Có rất nhiều công nghệ PON khác nhau:

TPON (Telephony PONs) được triển khai vào những năm 90

BPON (Broadband PON) được chuẩn hóa dựa trên nền ATM năm 1998 EPON (Ethernet PON), GPON (Gigabit PON) ra đời năm 2003, 2004

WPON (Wavelength Division PON)

Các nhà cung cấp thiết bị và các nhà máy đã cho ra đời các sản phẩm về công nghệ này Không giống các công nghệ mạng truy nhập khác là dùng cáp đồng làm môi trường truyền dẫn Môi trường truyền dẫn của công nghệ PON sử dụng cáp quang Với công nghệ này, yêu cầu các nhà khai thác dịch vụ và các kỹ sư phải

có kiến thức cơ bản về công nghệ truyền dẫn dựa trên cáp sợi quang, kiến thức về công nghệ mạng và giao thức MAC (Media Access Control)

Mô hình của PON được mô tả như trong Hình 1.2

Hình 1.2 - Mạng PON

OLT (Optical Line Terminal) là thiết bị kết cuối kênh quang đặt tại điểm chuyển mạch của nhà cung cấp dịch vụ Đây có thể được coi là thiết bị chuyển mạch quang với các giao diện quang Uplink là NxGE hoặc Nx10GE kết nối đến mạng MAN-E Giao diện Downlink được gọi là các PON Port kết nối đến Splitter trước khi đến thiết bị đầu cuối khách hàng ONT

ONT (Optical Network Terminal) là thiết bị kết cuối mạng quang đặt tại nhà khách hàng hoặc B-ONT đặt tại doanh nghiệp (Bussiness ONT) Phần mạng tồn tại giữa OLT và ONT được gọi là mạng phân phối quang (Optical Distribution Network - ODN)

ONU (Optical Network Unit): thiết bị kết cuối mạng cáp quang tích cực, kết nối với OLT thông qua mạng phân phối quang (ODN) thường dùng cho trường hợp kết nối tới buiding hoặc tới các vỉa hè, cabin (FTTB, FTTC, FTTCab)

Splitter là bộ chia thụ động (không sử dụng nguồn điện), có thể chia đến 1:128

và có thể được triển khai làm nhiều cấp, trong đó tối đa 2 cấp đối với mạng ODN (Optical Distribution Network), thường được đặt tại các điểm phân phối quang (DP)

Hình 1.3 - Bước sóng truyền trong mạng PON

Các hệ thống TDM-PON gán trước một tỷ lệ phân chia cố định băng thông

hướng lên cho các ONT/ONU mà không quan tâm có bao nhiêu dữ liệu được gửi

đi Một giải pháp để phân bổ băng thông cho các ONT là sử dụng giao thức phân bổ băng thông động DBA (Dynamic Bandwidth Allocation) DBA là giao thức cho phép các ONT/ONU gửi yêu cầu về băng thông tới OLT nhằm sử dụng hiệu quả băng thông hướng lên Các thông tin yêu cầu có thể là các mức đầy hàng đợi đầu vào cho các lớp dịch vụ khác nhau OLT đánh giá các yêu cầu từ các ONT/ONU và gán băng thông cho gửi dữ liệu hướng lên ở lần kế tiếp theo OLT cũng có thể tích hợp chức năng thỏa thuận mức dịch vụ SLA (Service Level Agreement) để kết hợp với DBA trong việc phân bổ băng thông

Thông thường các hệ thống PON truyền dữ liệu cả hướng xuống và hướng lên trong cùng một sợi quang Trên mỗi sợi mặc dù các bộ nối định hướng cho phép sử dụng cùng một bước sóng cho cả 2 hướng, tuy nhiên đối với các hệ thống truyền tải tốc độ cao để đảm bảo chất lượng thì thông thường mỗi hướng

sử dụng một bước sóng riêng

Thật vậy, PON đã tạo nên một sự lựa chọn đang phổ biến dành cho các mạng truy nhập quang bởi vì chúng có chi phí thấp và ít tiêu tốn năng lượng Các ưu điểm này là kết quả của sự kết hợp hai yếu tố chính, đó chính là các thành phần mang tính thụ động và một lượng rất ít các bộ thu phát

Thứ nhất, PON chỉ bao gồm các thành phần thụ động trong thiết bị của chúng Bởi vì, các bộ chia được sử dụng để đưa tín hiệu đến tất cả người dùng cuối chỉ là các thiết bị thụ động (như đã nói ở trên) Điều này có nghĩa là chúng không cần cung cấp năng lượng để hoạt động, dẫn đến sự tiêu thụ năng lượng thấp so với các mạng quang chủ động (AON) Hơn nữa, các thành phần thụ động không cần phải bảo dưỡng nhiều và có thời gian trung bình giữa các sai hỏng (MTBF_mean time between failures) cao

Thứ hai, cấu trúc của PON (như trong Hình 1.4) chỉ quản lý một lượng các bộ thu phát nhỏ Các bộ thu phát này là một trong những nguồn tiêu thụ năng lượng chính Cáp quang hỗ trợ cho việc truyền tín hiệu quang, trong đó việc xử lý tín hiệu được thực hiện thông qua các thiết bị điện tử số Do vậy, một bộ thu phát được cần thiết tại mỗi đầu của mỗi kết nối để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu số và ngược lại Khi một mạng truy nhập có một lượng lớn các người dùng cuối thì việc

sử dụng kết nối điểm – điểm thuần túy dựa trên sợi quang sẽ là một giải pháp rất tốn kém Ví dụ, nếu có N người dùng cuối thì phải cần 2N bộ thu phát

Giải pháp PON sẽ làm giảm số lượng bộ thu phát đi dựa vào cấu trúc như trong Hình 1.4 sau:

Hình 1.4 - Cấu trúc tổng quan của một giải pháp PON

Trong PON, sợi cáp đơn đi đến bộ chia quang thụ động, tại đó tín hiệu được ghép lên thành N tuyến khác nhau, dành cho N khách hàng Cấu trúc liên kết điểm-

đa điểm này đòi hỏi chỉ một sợi cáp đường ra và nó cho phép số lượng tối thiểu các

bộ thu phát là N+1

Một vùng chia lớn của cấu trúc hạ tầng mạng được chia ra trong số các người dùng khác nhau, do đó các chi phí liên quan cũng được chia ra Điều này làm cho PON trở thành một giải pháp có chi phí thấp cho khách hàng Hơn nữa, PON có thể

hỗ trợ một phạm vi rộng của các ứng dụng bao gồm triple-play (các dịch vụ thoại,

dữ liệu và video) qua một sợi cáp đơn

Kiến trúc tổng quan của PON được phác họa như trong Hình 1.5 sau:

Hình 1.5 – Kiến trúc tổng quan của mạng PON

Thiết bị đầu cuối đường dây (OLT) được đặt tại trạm trung tâm Nó gửi và nhận các bản tin và dữ liệu đến và từ các bộ kết nối đầu cuối (ONU) Các bộ kết nối đầu cuối này có thể được đặt tại nơi người sử dụng hoặc trong thuê bao lân cận để chấm dứt đường truyền cáp quang và cung cấp các tín hiệu điện qua dây dẫn kim loại đến các thuê bao Do đó, các ONU nhận dữ liệu từ OLT và chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện

Các bộ thu phát quang được đặt tại OLT và các ONU sử dụng các bước sóng khác nhau để truyền và nhận các tín hiệu quang Bằng cách này việc truyền hướng xuống (từ OLT đến các ONU) và truyền hướng lên (từ các ONU đến OLT) có thể chia sẻ chung đường truyền vật lý Kênh truyền hướng xuống có tính chất quảng bá

Ở hướng xuống, PON giống như mạng điểm đến đa điểm Do đó, OLT có thể quản

lý toàn bộ băng thông sẵn có Thay vào đó, đường truyền hướng lên là một kết nối

đa điểm đến điểm Tất cả các ONU dùng chung một kênh để liên lạc với OLT Do

đó, các ONU chỉ có thể truyền hướng lên đến OLT và chúng không thể biết đến việc truyền của các ONU khác Vấn đề chính là ở chỗ vì một kết nối như vậy mà dữ liệu được truyền bởi các ONU khác nhau có thể gây ra xung đột Do đó, cơ chế

kênh truyền riêng thì cần thiết để chia sẻ tài nguyên băng thông hợp lí và tránh được các xung đột dữ liệu Vì vậy, OLT làm nhiệm vụ điều khiển và quản lý cơ chế này

để các ONU có thể thực hiện việc truyền hướng lên một cách chính xác

Hiện nay có ba loại mạng PON: TDM-PON, WDM-PON và CDMA-PON Mỗi loại được phân biệt bằng một phương pháp ghép kênh khác nhau của các tín hiệu vận chuyển Mạng PON ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) thực hiện ghép các bản tin liên quan đến các ONU khác nhau theo miền thời gian Điều này

có nghĩa là các khung được đánh địa chỉ đến các ONU khác nhau được truyền ở những thời điểm khác nhau trong hướng xuống, trong khi việc truyền hướng lên được thực hiện bằng việc gán các khe thời gian khác nhau đến các ONU theo thuật toán TDMA (truy cập đa phân chia theo thời gian) Trong khi đó, mạng PON ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) thì sử dụng một bước sóng khác nhau cho mỗi kênh truyền được thiết lập giữa OLT và một ONU Do đó, các khung được đánh địa chỉ đến và xuất phát từ các ONU khác nhau vận chuyển theo các bước sóng khác nhau và tạo nên các tín hiệu được ghép theo miền bước sóng Công nghệ

đa truy nhập phân chia theo mã CDMA cũng có thể triển khai trong các ứng dụng PON Cũng giống như WDM-PON, CMDA-PON cho phép mỗi ONU sử dụng khuôn dạng và tốc độ dữ liệu khác nhau tương ứng với các nhu cầu của khách hàng CDMA PON cũng có thể kết hợp với WDM để tăng dung lượng băng thông

1.3 Mạng PON ghép kênh phân chia theo thời gian

Trong mạng TDM-PON, các tín hiệu được ghép theo miền thời gian và được phân bố trên toàn mạng nhờ các bộ chia năng lượng thụ động được đặt tại các nút mạng

Như trong Hình 1.6, trong hướng truyền xuống, dữ liệu được mã hóa theo ID của ONU nhận và truyền theo phương thức Broadcast, tại một thời điểm tất cả các ONU đều nhận được dữ liệu từ OLT tuy nhiên chỉ có ONU có ID phù hợp mới giải mã được dữ liệu

Hình 1.6 - Nguyên lý truyền dữ liệu hướng xuống theo phương thức quảng bá

Như trong Hình 1.7, trong hướng truyền lên, dữ liệu được truyền theo phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing) ONU muốn truyền dữ liêu phải đăng ký với OLT để được cấp phát time-slot OLT

sẽ truyền tín hiệu đồng bộ đến các ONU và chỉ định time-slot dành cho mỗi ONU Theo chu kỳ thời gian, ONU sẽ được phép truyền dữ liệu tại time-slot đã được OLT phân bổ

Hình 1.7 - Nguyên lý truyền dữ liệu hướng lên theo cơ chế ghép kênh phân

chia theo thời gian (TDM)

Tất cả các ONU dùng chung chỉ một kênh truyền Kết quả là các xung đột có thể xảy ra giữa dữ liệu được gửi bởi các ONU khác nhau Để ngăn ngừa điều này, các chuẩn TDM-PON đưa ra các kế hoạch truy cập đa phân chia theo thời gian Theo các kế hoạch đó, kênh truyền hướng lên được phân chia thành các khe thời gian riêng rẽ, mỗi khe được gán với một ONU theo một số thuật toán

Để tính toán khe thời gian nào đã được gán cho các ONU đối với truyền hướng lên, thì lưu lượng hướng xuống sẽ mang các tín hiệu trợ cấp mà đã lập lịch cho lưu lượng hướng lên Sự phân phối tín hiệu trợ cấp này phải xem xét đến thời gian lan truyền khác nhau được yêu cầu để đi đến mỗi ONU Đề cập đến vấn đề này, các chuẩn PON định nghĩa “cơ chế xác định cự ly” Đầu tiên nó quản lí phép

đo khoảng cách logic giữa mỗi ONU và OLT Bằng cách này, việc lập lịch các tín hiệu trợ cấp cho lưu lượng hướng lên có thể được điều chỉnh theo thời gian truyền

để các khung hướng lên được gửi bởi các ONU khác nhau không bị xung đột

Vì các ONU tiếp nhận tất cả các khung với năng lượng không đổi, nên chúng có thể được trang bị bằng các bộ thu đơn giản hơn, điều này làm giảm được chi phí Ngược lại, OLT nhận các khung ở các năng lượng khác nhau, điều này làm cho việc khôi phục đồng bộ khó khăn hơn nhiều Do đó, tại OLT cần một bộ thu ở chế độ truyền từng khối (burst mode) Thành phần thiết bị này phức tạp hơn thành phần được đặt ở ONU và tốn kém hơn nhiều

Thiết bị đầu cuối đường dây (OLT) trong công nghệ TDM có cấu trúc như sau:

Hình 1.8 - Cấu trúc chung của OLT

Các card OLT như trên có thể được đặt tại CO (trạm trung tâm) Mỗi card OLT có lớp MAC (điều khiển truy n h ậ p m ô i t r ư ờ n g ) và lớp PMD (phụ thuộc môi trường vật lý) của riêng mình và phục vụ cho một PON riêng biệt Giao diện mạng dịch vụ (SNI) hoạt động như một giao diện giữa OLT và mạng xương sống Lớp tương thích dịch vụ cung cấp chuyển đổi giữa các định dạng tín hiệu xương sống và các tín hiệu vùng PON Lớp MAC lập lịch quyền sử dụng liên kết quang chia sẻ nhằm ngăn chặn va chạm giữa các ONU truyền hướng lên Lớp PMD xác định bộ thu phát quang và bộ phối bước sóng

Bộ kết nối đầu cuối điển hình (ONU) trong công nghệ TDM có cấu trúc như sau:

Hình 1.9 - Cấu trúc chung của ONU

Các lớp PMD và MAC có các chức năng tương tự như trong OLT Sự khác biệt duy nhất là, trong khi lớp MAC của ONU có vai trò làm “tớ” thì MAC của OLT có vai trò làm “chủ” trong sự phân chia khe thời gian qua môi trường vật lý dùng chung Dịch vụ MUX/DMUX có các chức năng ghép kênh cho các giao diện khách hàng khác nhau Lớp tương thích dịch vụ có chức năng chuyển đổi giữa định dạng tín hiệu yêu cầu cho kết nối thiết bị khách hàng và định dạng tín hiệu PON

Một bộ ONU có thể cung cấp nhiều giao diện mạng sử dụng (UNI) theo các loại dịch vụ khác nhau (chẳng hạn như dữ liệu, thoại) và mỗi UNI có thể hỗ trợ một định dạng tín hiệu khác nhau và yêu cầu dịch vụ tương thích cụ thể cho nó

1.4 Các tiêu chuẩn cho mạng TDM-PON

Trong số các chuẩn, những tiêu chuẩn xác định về các đặc tính của lớp vật lý, các định dạng khung hướng xuống và hướng lên, cơ chế phân phối tín hiệu trợ cấp hướng lên và thủ tục xác định cự ly Ta có các chuẩn theo phương thức truy nhập TDM-PON như là B-PON (Broadband PON), E-PON (Ethernet PON), G-PON (Gigabit PON) Trong đó hai chuẩn thương mại phổ biến nhất là E-PON và G-PON

1.4.1 B-PON

Mạng quang thụ động băng rộng B-PON được chuẩn hóa trong chuỗi các khuyến nghị G.938 của ITU-T Các khuyến nghị này đưa ra các tiêu chuẩn về các khối chức năng ONU và OLT, khuôn dạng và tốc độ khung của luồng dữ liệu hướng lên và hướng xuống, giao thức truy nhập hướng lên TDMA, các giao tiếp vật

lý, các giao tiếp quản lý và điều khiển ONU và DBA

Trong mạng B-PON, dữ liệu được đóng khung theo cấu trúc của các tế bào ATM Một khung hướng xuống có tốc độ 155Mbit/s (56 tế bào ATM có kích thước

53 byte), hoặc 622 Mbit/s (4*56 tế bào ATM) và một tế bào quản lý vận hành bảo dưỡng lớp vật lý OAM (PLOAM – Physical Layer OAM) được chèn vào cứ mỗi 28

tế bào trong kênh PLOAM có một bít để nhận dạng các tế bào PLOAM Ngoài ra các tế bào PLOAM có khả năng lập trình được và chứa thông tin như là băng thông hướng lên và các bản tin OAM

Căn cứ vào các thông tin về mã số nhận dạng kênh ảo và nhận dạng đường ảo (VPI/VCI) trong cấu trúc ATM, các ONU nhận biết và tách dữ liệu hướng xuống của mình

Cấu trúc khung hướng lên bao gồm 56 tế bào ATM (53 byte) Mỗi một kênh (time slot) gồm có một tế bào ATM/PLOAM và 24 bít từ mào đầu Từ mào đầu mang thông tin về khoảng thời gian bảo vệ (guard time), mào đầu cho phép đồng bộ

và khôi phục tín hiệu tại OLT, và thông tin nhận dạng điểm kết thúc của từ mào đầu Chiều dài của từ mào đầu và các thông tin chứa trong đó được lập trình bởi OLT Các ONU thực hiện gửi các tế bào PLOAM khi chúng nhận được yêu cầu từ OLT

B-PON sử dụng giao thức DBA để cho phép OLT nhận biết lượng băng thông cần thiết cấp cho các ONU OLT có thể giảm hoặc tăng băng thông cho các ONU dựa vào việc gửi các tế bào ATM rỗi hoặc làm đầy tất cả hướng lên bởi dữ liệu của ONU OLT dừng định kỳ việc truyền hướng lên do vậy nó có khả năng mời bất kỳ ONU mới nào tham gia vào hoạt động hệ thống Các ONU mới phát một bản tin phúc hồi trong cửa sổ này với thời gian trễ ngẫu nhiên để tránh xung đột khi mà có nhiều ONU mới muốn tham gia OLT xác định khoảng cách tới mỗi ONU mới bằng việc gửi tới ONU một bản tin đo cự ly và xác định thời gian bao lâu để thu được bản tin phúc hồi Sau đó OLT gửi tới ONU một giá trị trễ, giá trị này được sử dụng để xác định thời gian bảo vệ ứng với các ONU

1.4.2 E-PON

E-PON là giao thức mạng truy nhập đầy đủ dịch vụ FSAN (Full Service Access Network) TDMA PON thứ nhất được phát triển dựa trên khai thác các ưu điểm của công nghệ Ethernet ứng dụng trong thông tin quang E-PON được chuẩn hóa bởi IEEE 802.3

Trong E-PON dữ liệu hướng xuống được đóng khung theo khuôn dạng Ethernet Các khung E- PON có cấu trúc tương tự như các liên kết Gigabit Ethernet điểm tới điểm ngoại trừ từ mào đầu và thông tin xác định điểm bắt đầu của khung được thay đổi để mang trường nhận dạng kênh logic LLID (Link Logic ID)

nhằm xác định duy nhất một ONU MAC Trong hướng lên, các ONU phát các khung Ethernet trong các khe thời gian đã được phân bổ

Hình 1.10 - ONU & OLT gửi bản tin yêu cầu cấp phát băng thông [14]

ONU sử dụng giao thức điều khiển đa điểm MPCP (Multipoint Control Protocol) để gửi các bản tin “Report” yêu cầu băng thông, trong khi đó OLT gửi bản tin “Gate” cấp phát băng thông cho các ONU Các bản tin “Gate” bao gồm thông tin về thời gian bắt đầu và khoảng thời gian cho phép truyền dữ liệu đối với ONU OLT cũng định kỳ gửi các bản tin “Gate” tới các ONU hỏi xem chúng có yêu cầu băng thông hay không Các ONU cũng có thể gửi “Report” cùng với dữ liệu được phát trong hướng lên Ngoài ra, giao thức DBA cũng có thể được sử dụng trong E-PON để thực hiện cơ chế điều khiển phân bổ băng thông Do không

có cấu trúc khung thống nhất đối với hướng xuống và hướng lên, do vậy trong cấu trúc của E-PON, các khe thời gian và giao thức xác định cự ly là khác so với B-PON và G-PON OLT và các ONU duy trì các bộ đếm cục bộ riêng và tăng thêm 1 sau mỗi 16ns Mỗi một MPCPDU mang theo một thời gian mẫu, mẫu này

là giá trị của bộ đệm cục bộ của ONU tương ứng Tốc độ truyền dữ liệu E-PON

có thể đạt tới 1Gbit/s

1.4.3 G-PON

Một chuẩn khác cũng cùng họ với E-PON là chuẩn Gbit/s Ethernet PON (IEEE 802.3av – Gbit/s PON) Chuẩn này là phát triển của E-PON tại tốc độ 10Gbit/s và được ứng dụng chủ yếu trong các mạng quảng bá video số Gbit/s PON cho phép phân phối nhiều dịch vụ đòi hỏi băng thông lớn, độ phân giải cao, đóng gói IP các luồng dữ liệu video ngay cả khi hệ số chia OLT/ONU là 1:64 hoặc cao hơn Tại thời điểm hiện tại, tốc độ chiều xuống của GPON khoảng 2.5 Gbps, và chiều lên

là 1.25 Gbps Nếu 1 OLT phục vụ duy nhất một thuê bao thì thuê bao đó có thể đuợc khai thác toàn bộ băng thông như trên, tuy nhiên thông thường trong các mạng đã triển khai tại một số nuớc trên thế giới, nhà cung cấp thường thiết kế tốc

độ cho một thuê bao sử dụng PON vào khoảng 100 Mbps cho chiều xuống và 40 Mbps cho chiều lên Với tốc độ truy cập như vậy, băng thông đã thỏa mãn cho hầu hết các ứng dụng cao cấp như HDTV (khoảng 10 Mbps, chiều lên chiều xuống, chiều lên cho peer-to-peer HDTV) Tuy nhiên, GPON cũng có nhược điểm chính là: thiếu tính hội tụ IP; có một kết nối duy nhất giữa OLT và bộ chia, nếu kết nối này mất toàn bộ ONU không được cung cấp dịch vụ

G-PON là giao thức FSAN TDMA PON thứ 2 được định nghĩa trong chuỗi khuyến nghị G.984 của ITU-T G-PON được xây dựng trên trải nghiệm của B-PON và E-PON

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 (GEM – GPON Encapsulation Method) 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 G-PON sử dụng cấu trúc khung GTC 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

OLT gán các thời gian cho việc gửi dữ liệu hướng lên từ cho mỗi ONU Bảng sau

đã tổng kết đặc tính các chuẩn công nghệ TDM-PON

Bảng 1.1 – Bảng so sánh các chuẩn công nghệ TDM-PON

B-PON E-PON G-PON

Tổ chức chuẩn

hóa

FSAN và ITU-T SG15 (G.983 series) IEEE 802.3 (802.3ah)

FSAN và ITU-T SG15

(G.984 series)

Tốc độ dữ liệu

155.52 Mbit/s hướng lên 155.52 hoặc 622.08 Mbit/s hướng xuống

& 1310nm lên

1490nm xuống &

1310 nm lên

1310nm cả 2 hướng hoặc 1490nm xuống

& 1310nm lên

GEM và/hoặc ATM

hoặc ATM) hoặc CES

vấn đề về “tiết kiệm năng lượng” luôn cấp bách và luôn đòi hỏi tối ưu Vì vậy, chương tiếp sau sẽ nói đến các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng nhờ chế độ ngủ trong mạng TDM-PON nhằm đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng hơn nữa trong mạng này

Trong PON có hai chính sách cấp phát băng thông đó là cấp phát băng thông tĩnh

và động Mỗi chính sách đều có ưu nhược điểm riêng của nó, tùy từng mô hình triển khai mạng mà ta sẽ áp dụng chính sách nào Tuy nhiên hiện nay các phương pháp cấp phát băng thông động đang được nghiên cứu mạnh mẽ và sử dụng trên phạm vi rộng rãi hơn cấp phát băng thông tĩnh vì một số lý do sau:

- Cấp phát tài nguyên cho hệ thống một cách linh hoạt, thay đổi theo từng thời điểm cho phù hợp với từng ứng dụng Cho nên sẽ hạn chế được vấn đề thừa tài nguyên tại những thời điểm có lưu lượng thấp và thiếu hụt tài nguyên tại các thời điểm có lưu lượng cao., tài nguyên mạng lưới không bị lãng phí

- Sự bùng nổ các ứng dụng mới trên nền mạng TCP/IP làm cho việc khai báo

mô tả lưu lượng trở nên rất phức tạp, điều này trở nên đặc biệt khó khăn trong môi trường mạng Internet Vì vậy việc quản lý băng thông động với các kỹ thuật quản lý băng thông linh hoạt hơn nhằm tăng cường hiệu quả của hệ thống

Vì tính linh hoạt trong việc cấp phát băng thông và sử dụng băng thông hợp lý

cho nên hệ thống cũng đạt hiệu quả về năng lượng, tiết kiệm năng lượng tiêu hao không cần thiết

2.2 Thuật toán cấp phát băng thông động [2]

Thuật toán cấp phát băng thông động (DBA - Dynamic Bandwidth Allocation) được xem xét dựa trên phương pháp kiểm tra vòng xen kẽ với chu kỳ đáp ứng –

IPACT (Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time) Trong dạng gốc, phương pháp IPACT đã sử dụng bản tin điều khiển được đặt trong khung dữ liệu hoặc trong các khoảng trống liên khung có dùng mã kiểm soát Tin nhắn điều khiển này được truyền bởi OLT (just-in-time), loại bỏ nhu cầu đồng bộ của ONU và giảm đáng kể overhead của bản tin điều khiển

Để minh họa cho thuật toán DBA, hệ thống được mô tả với 3 ONU:

1 Giả sử tại một vài thời điểm t0, OLT biết chính xác có bao nhiêu byte đang chờ trong bộ đệm của mỗi ONU và RTT (Round-Trip Time) của chúng OLT lưu trữ dữ liệu trong bảng polling (hình 2.1a) Tại t0, OLT gửi bản tin điều khiển đến ONU 1,

cho phép nó gửi 6000 byte, có thể gọi đây là bản tin Grant Vì ở đường truyền

xuống trực tiếp, OLT phát quảng bá dữ liệu đến tất cả ONU, bản tin Grant sẽ chứa

ID của ONU đích cũng như kích thước cửa sổ được cấp

Hình 2.1a - OLT gửi bản tin điều khiển đến ONU 1

2 Trong lúc nhận bản tin Grant từ OLT, ONU 1 bắt đầu gửi dữ liệu lên cửa sổ được cấp (hình 2.1b) Trong ví dụ là 6000 byte Tại cuối cửa sổ truyền, ONU sẽ phát bản

tin điều khiển của chính nó (Request) – thông báo với OLT biết hiện trong bộ đệm của ONU có bao nhiêu byte ngay lúc Request được phát đi Trong ví dụ là 550 byte

Hình 2.1b - ONU 1 gửi dữ liệu lên cửa sổ được cấp

3 Trước khi OLT nhận được phản hồi từ ONU 1, OLT biết khi nào bit cuối cùng của ONU 1 sẽ đến Đây là cách tính toán của nó:

a) Bit đầu tiên sẽ đến sau khi khoảng thời gian RTT – bao gồm thời gian RTT thực tế, thời gian thực hiện bản tin Grant, thời gian tạo bản tin Request và phần

mở đầu đề OLT sử dụng bit và byte canh chỉnh với dữ liệu nhận được Nó là khoảng thời gian chính xác giữa lúc gửi bản tin Grant đến ONU và lúc nhận dữ liệu từ ONU

b) Do OLT biết có bao nhiêu byte được gửi từ ONU 1, và biết khi nào bit cuối cùng từ ONU sẽ đến Sau đó, do biết được RTT của ONU 1, OLT có thể lập lịch bản tin Grant cho ONU 2 để bit đầu tiên từ ONU 2 sẽ đến với khoảng bảo vệ nhỏ sau khi bit cuối cùng từ ONU 1 Khoảng bảo vệ cung cấp sự bảo vệ cho sự biến thiên của RTT và thời gian thực hiện bản tin điều khiển của các ONU khác nhau

Hình 2.1c - OLT update thông tin vào bảng polling

5 Giống như bước 4, OLT có thể tính toán thời gian khi nào bit cuối cùng từ ONU2

sẽ đến Do đó, nó sẽ biết thời điểm gửi bản tin Grant đến ONU3 để dữ liệu của nó được tiếp nối với dữ liệu của ONU2 Sau đó, dữ liệu từ ONU2 sẽ đến, OLT sẽ lại update cơ sở dữ liệu của nó (hình 2.1d)

Trong trường hợp, nếu bộ đệm của ONU rỗng thì nó sẽ gửi 0 byte cho OLT Tương ứng, trong chu kỳ kế tiếp, ONU sẽ được cấp 0 byte, nghĩa là nó sẽ được phép gửi

Kênh nhận ở OLT hoạt động gần như 100% (do bản tin Request và khoảng bảo vệ chiếm 1 phần nhỏ băng thông) ONU lý tưởng (không có dữ liệu gửi) không được cấp cửa sổ truyền Điều đó dẫn đến chu kỳ được rút ngắn, và hoạt động polling diễn

ra nhiều hơn

1200 Grant/Request messenges 6000 User’s data

Hình 2.1d - Các bước của thuật toán DBA [3]

Như được mô tả ở trên, không cần thiết phải đồng bộ các ONU với đồng hồ chuẩn Mỗi ONU thực hiện chung một tiến trình theo hướng dẫn của bản tin Grant được nhận từ OLT Việc lập lịch và thuật toán phân bổ băng thông đều nằm trong OLT Vì thế, rất dễ thay đổi để đáp ứng lịch tại thời điểm chạy dựa trên các điều kiện của mạng.; ONU không cần xác lập các thông số mới, hay cũng không cần chuyển sang chế độ cài đặt mới cho đồng bộ

Nếu OLT ủy quyền cho mỗi ONU gửi toàn bộ nội dung của bộ đệm trong một lần truyền, thì ONU với khối lượng dữ liệu lớn có thể chiếm toàn bộ băng thông Để

tránh điều này, OLT sẽ giới hạn kích thước truyền tối đa Các hệ thống khác nhau sẽ

có giới hạn kích thước cửa sổ truyền khác nhau Nó có thể cố định, dựa trên việc thỏa thuận mức độ dịch vụ (Service Level Agreement – SLA) cho mỗi ONU, hoặc chủ động – dựa trên mức tải trung bình

2.3 Định dạng bản tin điều khiển [2]

Bản tin Grant và Request chỉ chứa 2 phần thông tin: ID nhận dạng ONU (NID: Node ID) và kích thước của sổ truyền (Window Size – WS) Trong đó, ONU dựa vào NID để biết bản tin Grant đó có phải dành cho nó hay không Cửa sổ truyền trong bản tin Grant là kích thước của cửa sổ được cấp Còn bản tin Request chứa trường NID để OLT biết phần nào (ONU) trong bảng Polling cần update Trường

WS trong bản tin Request chứa thông tin về số lượng byte có trong bộ đệm của ONU

Trong thiết kế ban đầu, bản tin điều khiển được xem là một cấu trúc dữ liệu được đóng gói theo định dạng khung Ethernet Địa chỉ MAC (nguồn hoặc đích) trong trường hợp này sẽ đóng vai trò như NID Tải trọng chỉ gồm một trường chứa kích thước cửa sổ Tuy nhiên, phương thức này nảy sinh 2 vấn đề:

- Tải đường xuống cao nhưng tải đường lên lại thấp Nếu có lưu lượng đường lên thấp, mỗi ONU sẽ phản hồi bằng bản tin Request chứa ít hoặc không chứa dữ liệu Đồng nghĩa là OLT sẽ hỏi vòng cho ONU kế tiếp sớm hơn, nghĩa là nhiều bản tin Grant được gửi hơn Điều này dẫn đến việc khá nhiều băng thông được dùng cho bản tin Grant trong đường xuống – vốn dĩ đã rất nặng

- Khóa bản tin Grant sau gói tin có dung lượng lớn Nếu OLT xác định rằng bản tin Grant nên rời khỏi tại thời điểm t, nhưng đang bận bởi gói tin có dung lượng lớn, thì bản tin Grant sẽ bị delay, vì vậy sẽ làm delay việc truyền từ các ONU khác, dẫn đến khá nhiều băng thông sẽ bị mất

Nếu vẫn giữ định dạng khung Ethernet cho bản tin điều khiển, có một giải pháp cho vấn đề trên là chuyển bản tin Grant đến một kênh đường xuống riêng biệt (kênh

có bước sóng khác) Tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng chi phí (phải cần 2 bộ phát ở phía OLT (một cho kênh dữ liệu đường xuống và một cho kênh điều khiển) và cần 2

bộ thu trong mỗi ONU

Tuy nhiên, có một giải pháp khác cũng khả thi Đầu tiên, có thể nhận thấy là khung Ethernet với kích thước nhỏ nhất là 64 byte thì quá đủ cho bản tin điều khiển gồm 1 byte NID và 2 byte trường WS Giải pháp được đề cập ở đây là lồng bản tin Grant vào bên trong gói dữ liệu đường xuống sử dụng dãy thoát Để hiểu thêm, đầu tiên nhớ rằng Ethernet Gigabit dùng kiểu mã hóa 8 sang 10, nghĩa là mỗi byte sẽ được mã hóa là 10 bit trước khi đưa xuống môi trường truyền Tuy nhiên, không phải tất cả giá trị của 10 bit đều được mã hóa hợp lệ từ giá trị của 8 bit Một hay nhiều trong số những mã không hợp lệ này có thể được chọn để làm mã đại diện (ESC) Vì thế, bản tin điều khiển (Grant hay Request) sẽ giống như hình (b)

Như bản tin điều khiển có thể được chèn vào chính giữa khung Ethernet hoặc giữa các khung Bên nhận sẽ biết được khi bắt đầu phần điều khiển bằng cách đọc

mã ESC, sau đó nó giải mã 3 byte theo sau trường ESC để biết được trường địa chỉ MAC

Byte A Byte B Byte C Byte D Byte E Byte F Byte G Byte H

Byte A Byte B Byte C ESC NID WS Byte D Byte E Byte F Byte G Byte H

Khung Ethernet

Thời điểm truyền bản tin Grant

Khung Ethernet đã được lồng vào bản tin điều khiển

Bản tin điều khiển đường lên (Request) sẽ dùng định dạng 4 byte và gửi tại phần bắt đầu của quá trình truyền từ ONU (ở phía cuối của băng bảo vệ) Do kích thước nhỏ của bản tin điều khiển, sẽ không hiển thị chúng trong phần dưới đây; thay vào

đó, sẽ xem xét bản tin Request là một phần của băng bảo vệ

2.4 Lập lịch cho bản tin Grant/Request

Như mô tả rõ ràng của thuật toán, bản tin Grant được lập lịch bằng cách sử dụng biểu thức sau [4]:

] ] 1 [ ] ] ]

1 [

i i j

U

i j i

i i j i

j

r G

B R

W r

r G MAX

B – Khoảng thời gian bảo vệ (µs)

Hàng đầu trong công thức trên cho biết việc truyền bản tin Grant cho ONU thứ i+1 sao cho bản tin Request của nó đến ngay sau khoảng bảo vệ phần cuối của cửa

sổ truyền từ ONU thứ i Hàng dưới cho biết bản tin Grant không thể gửi trước khi bản tin Request trước đó được nhận (với cùng một ONU), nghĩa là, khoảng thời gian giữa các bản tin Grant liên tục đến cùng ONU thì ít nhất là thời gian RTT đến ONU đó Bởi vì bản tin Grant cần thông tin được chứa trong bản tin Request trước

đó