Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)

Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM – PON và FSO (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi 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

Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2017

Học viên

Vũ Tuấn Hƣng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, em xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, những người đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện ở Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS Lê Hải Châu, PGS.TS Đặng Thế Ngọc đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Mặc dù đã cố gắng để thực hiện đề tài này một cách hoàn chỉnh nhất, song

do quá trình thực hiện luận văn còn tồn tại những khó khăn nhất định nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự góp ý của quý Thầy, Cô giáo và các bạn để bài luận văn được hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2017

Học viên

Vũ Tuấn Hưng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ QUANG THỤ ĐỘNG VÀ TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO 3

1.1 Giới thiệu chung 3

1.2 Công nghệ quang thụ động 4

1.2.1 Kiến trúc chung của mạng truy nhập quang thụ động 5

1.2.2 Các công nghệ truy nhập quang thụ động hiện tại 6

1.2.3 Xu hướng phát triển của mạng quang thụ động 11

1.3 Công nghệ truyền thông quang qua không gian tự do 12

1.3.1 Hệ thống truyền thông quang qua không gian tự do 12

1.3.2 Các đặc điểm của hệ thống FSO 16

1.3.3 Các thách thức với hệ thống FSO 17

1.4 Kết luận chương 19

CHƯƠNG 2HỆ THỐNG LAI GHÉP GIỮA QUANG THỤ ĐỘNG VÀ TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO 20

2.1 Giới thiệu chung 20

2.2 Một số hệ thống lai ghép giữa quang thụ động và quang vô tuyến 21

2.2.1 Hệ thống lai ghép giữa TDM-PON và FSO 21

2.2.2 Hệ thống lai ghép giữa WDM-PON và VLC 22

2.3 Hệ thống lai ghép sử dụng công nghệ TWDM-PON và FSO 23

2.3.1 Công nghệ TWDM-PON 23

2.3.2 Mô hình hệ thống lai ghép giữa TWDM-PON và FSO 29

2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng kênh truyền 31

2.4 Kết luận chương 42

CHƯƠNG 3 HIỆU NĂNG MẠNG TRUY NHẬP QUANG VÔ TUYẾN SỬ DỤNG KỸ THUẬT TWDM-PON VÀ FSO 44

3.1 Giới thiệu chung 44

3.2 Mô hình hóa hệ thống lai ghép sử dụng công nghệ TWDM-PON và FSO 45

3.2.1 Giới thiệu về phần mềm OptiSystem 45

3.2.2 Mô hình hệ thống TWDM-PON kết hợp FSO 46

3.3 Phân tích hiệu năng hệ thống 51

3.4 Kết luận chương 59

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các phần tử khí có trong kênh truyền 36Bảng 2.2 Bán kính và quá trình tán xạ của các hạt tán xạ điển hình có trong không khí tại λ = 850 nm 38

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mạng quang thụ động PON 5

Hình 1.2 Mạng truy nhập quang thụ động GPON 7

Hình 1.3 Mô hình mạng truy nhập EPON 9

Hình 1.5 Các giai đoạn phát triển của công nghệ mạng PON 11

Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống FSO điển hình 12

Hình 2.1 Kiến trúc mạng lai giữa TDM-PON và FSO 21

Hình 2.2 Kiến trúc mạng lai ghép WDM-PON và VLC 22

Hình 2.3 Kiến trúc mạng TWDM-PON 23

Hình 2.4 Kế hoạch bước sóng của TWDM-PON 26

Hình 2.5 Suy hao sợi quang đơn mode và tán sắc 27

Hình 2.6 Mạng backhaul di động lai ghép TWDM-PON và FSO 30

Hình 2.7 Sự ảnh hưởng của dãn rộng xung quang do tán sắc gây ra 33

Hình 2.8 Kênh không khí với các xoáy lốc hỗn loạn 35

Hình 2.9 Ảnh hưởng của sự nhiễu loạn không khí lên tín hiệu thu được 35

Hình 2.10 (a)Xung quang lan truyền qua môi trường nhiễu loạn khí quyển bị biến dạng; (b) Sự giãn xung làm tăng lỗi bit 36

Hình 2.11 Mô hình lệch hướng của chùm tia 39

Hình 3.1 Mô hình đường xuống hệ thống lai ghép TWDM-PON/FSO 44

Hình 3.2 Sơ đồ đường xuống hệ thống TWDM-PON kết hợp FSO 46

Hình 3.3 Khối phát tín hiệu đường xuống 47

Hình 3.4 Sơ đồ khối bên trong máy phát 47

Hình 3.5 Khối thu tín hiệu 48

Hình 3.6 Sơ đồ khối phía máy thu 48

Hình 3.7 Mạng phân phối quang 48

Hình 3.8 Tham số thiết lập nguồn phát 49

Hình 3.9 Tham số bộ ghép kênh AWG 49

Hình 3.10 Tham số kênh truyền sợi quang 50

Hình 3.11 Tham số kênh truyền FSO 50

Hình 3.12 Sơ đồ đường xuống hệ thống TWDM-PON 51

Hình 3.13 Phổ và công suất của tín hiệu tại đầu ra bộ AWG phía phát 52

Hình 3.14 Phổ và công suất của tín hiệu tại đầu vào máy thu 53

Hình 3.15 Đánh giá chất lượng tín hiệu đường xuống tại Rx1 qua BER 54

Hình 3.16 So sánh hiệu năng của hai hệ thống theo công suất nguồn phát 55

Hình 3.17 So sánh hiệu năng của hai hệ thống theo tổng chiều dài kênh truyền 56

Hình 3.18 So sánh hiệu năng của hai hệ thống theo độ lợi của bộ khuếch đại 57

Hình 3.19 So sánh hiệu năng hệ thống với chiều dài FSO khác nhau 58

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Thuật ngữ tiếng việt

AWG Arrayed Waveguide Grating Cách tử dẫn sóng dạng mảng

B-PON Broadband Passive Optical

Network Mạng quang thụ động băng rộng BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha nhị phân C-Band Conventional wavelength Band Băng tần C

DFB Distributed FeedBack laser Laser phản hồi phân tán

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang pha tạp

Erbium EPON Ethernet Passive Optical Network Mạng quang thụ động Ethernet

G-EPON 10 Gbit/s Ethernet Passive Optical

LOS Light of Sight Tầm nhìn thẳng

MZM Mach Zehnder Modulator Bộ điều chế Mach Zehnder

OCDMA Optical Code Division Multiple

Access System

Hệ thống đa truy nhập phân chia

theo mã quang OLT Optical Line Terminal Thiết bị kết cuối đường quang

OWC Optical Wireless Communication Truyền thông quang không dây PAT Pointing, Acquisition and Tracking Hướng, bám và tìm kiếm

PRBS Pseudorandom Binary Sequence Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

TDM Time Divison Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời

XG-PON 10-Gigabit Passive Optical

Network Mạng quang thụ động 10 Gbit/s

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, trước nhu cầu sử dụng lưu lượng internet ngày càng tăng và sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống thông tin di động, yêu cầu mở rộng, nâng cấp

hệ thống mạng là hết sức cần thiết Để đảm bảo được nhu cầu băng thông hiện nay,

có nhiều công nghệ được nghiên cứu và đề xuất, trong đó có công nghệ quang thụ động ghép kênh quang phân chia theo thời gian và bước sóng (TWDM-PON) kết hợp với truyền thông quang qua không gian tự do (FSO) được quan tâm nhờ những

ưu điểm nổi bật của giải pháp kỹ thuật này Việc kết hợp mô hình mạng FSO và TWDM-PON giúp kết hợp ưu điểm của hai mô hình mạng đồng thời khắc phục được các điểm yếu của nhau Hệ thống kết hợp kỹ thuật TWDM-PON và FSO có thể khắc phục được những hạn chế của TWDM-PON ở những vùng có địa hình cản trở, các vùng đông dân cư nhờ sự linh hoạt và dễ triển khai của FSO, trong khi vẫn đáp ứng tốt nhu cầu về băng thông với chất lượng truyền dẫn cao

Hệ thống lai ghép giữa TWDM-PON và FSO hứa hẹn cung cấp giải pháp truy nhập tốc độ gigabit hiệu quả về mặt kinh tế và linh hoạt trong việc triển khai nhờ tận dụng được ưu điểm của cả hai công nghệ Việc nghiên cứu tìm hiểu hệ thống kết hợp này đã và đang là nhu cầu cấp thiết trong việc nắm bắt và làm chủ các công nghệ truy nhập mới cho các hệ thống mạng di động trong tương lai Do vậy

nội dung luận văn “Phân tích, đánh giá hiệu năng của mạng truy nhập quang vô tuyến ứng dụng kỹ thuật TWDM-PON và FSO” được tổ chức thành ba chương như

sau:

Chương 1 - Tổng quan về công nghệ quang thụ động và truyền thông quang qua không gian tự do: Chương này trình bày tổng quan về công nghệ PON và công nghệ FSO, đồng thời giới thiệu những đặc điểm và xu hướng phát triển của hai công nghệ này

Chương 2 - Hệ thống lai ghép giữa mạng quang thụ động và truyền thông quang qua không gian tự do: Chương này trình bày một số hệ thống lai ghép giữa quang thụ động và quang vô tuyến, nhận xét những ưu, nhược điểm của hệ thống lai ghép giữa quang thụ động và quang vô tuyến Qua đó, nghiên cứu và tìm hiểu về hệ thống lai ghép giữa TWDM-PON và FSO

Chương 3 - Hiệu năng mạng truy nhập quang vô tuyến sử dụng kỹ thuật TWDM-PON và FSO: Chương này mô hình hóa hệ thống lai ghép giữa TWDM-PON và FSO, sử dụng phần mềm OptiSystem để mô phỏng và đánh giá, nhận xét kết quả đạt được đồng thời phân tích các tham số ảnh hưởng tới hiệu năng BER của

hệ thống

Mặc dù đã hết sức cố gắng trong quá trình nghiên cứu, nhưng luận văn chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự thông cảm

và góp ý, nhận xét của các thầy, cô để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ QUANG THỤ ĐỘNG VÀ TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO

1.1 Giới thiệu chung

Với xu hướng hiện nay, các công nghệ mạng đường trục phát triển rất mạnh

mẽ, các dịch vụ viễn thông cũng chuyển hướng từ loại hình dịch vụ hướng dữ liệu thông thường sang loại hình dịch vụ hướng video (HDTV, hội nghị truyền hình,…) bên cạnh đó nhu cầu của người sử dụng cũng ngày càng tăng cao, hiện tượng nghẽn cổ chai ở mạng truy nhập là điều không thể tránh khỏi Để hạn chế xảy ra tắc nghẽn, cần phải tạo ra một đường truyền băng thông rộng, tốc độ cao và có khả năng nâng cấp được Có nhiều giải pháp được áp dụng để khắc phục vấn đề này ở phía mạng truy nhập, trong đó hai công nghệ nổi bật phải kể đến là: Truyền thông quang qua không gian tự do (FSO) và mạng quang thụ động (PON) Đây là hai công nghệ có những ưu điểm riêng biệt và được xem là giải pháp hữu ích cho mạng truy nhập [7]

Ưu điểm nổi bật của công nghệ PON là có giá thành rẻ, không phụ thuộc và các điều kiện môi trường, không cần phải cung cấp năng lượng cho các thiết bị giữa trạm trung tâm và phía người dùng do mạng PON sử dụng các bộ chia thụ động (splitter) không cần cấp nguồn Ngoài ra, ưu điểm này còn giúp các nhà khai thác giảm được chi phí vận hành Trong khi đó ưu điểm chính công nghệ FSO là băng thông rộng, tốc độ truyền dẫn cao, có tính bảo mật, không yêu cầu cấp phát phổ tần, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, có tính linh hoạt dễ dàng triển khai và triển khai nhanh chóng, chi phí bảo dưỡng thấp và hiệu quả kinh tế cao (trung bình chi phí lắp đặt chỉ bằng 1/5 so với lắp đặt cáp quang)

vị trí hết sức quan trọng trong mạng viễn thông

Mạng quang thụ động là một mạng quang điểm – đa điểm (P2MP) sử dụng các phần tử thụ động như: sợi quang, bộ ghép quang, các bộ chia quang,… để truyền dẫn tín hiệu từ nguồn tới đích Với khái niệm này, mạng PON sẽ không chứa bất kỳ một phần tử tích cực nào mà cần phải có sự chuyển đổi điện - quang Mỗi đầu cuối 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 phối quang 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 [3] Với cấu trúc như vậy, mạng PON không cần nguồn điện cung cấp nên không bị ảnh hưởng bởi lỗi nguồn, có độ tin cậy cao và không cần phải bảo dưỡng do tín hiệu không bị suy hao nhiều như đối với các phần tử tích cực

Mạng PON ngoài việc giải quyết các vấn đề về băng thông, còn có ưu điểm

là chi phí lắp đặt thấp do tận dụng được hệ thống phân phối sợi quang trong mạng

đã có từ trước PON cũng dễ dàng và thuận tiện trong việc ghép thêm các thiết bị mạng quang (ONU) theo yêu cầu của các dịch vụ, trong khi đó việc thiết lập thêm các nút trong mạng tích cực khá phức tạp do việc cấp nguồn tại mỗi nút mạng, và trong mỗi nút mạng đều cần có các bộ phát lại PON có thể hoạt động với chế độ không đối xứng giúp cho chi phí của các ONU giảm đi rất nhiều, do chỉ phải sử dụng các bộ thu phát giá thành thấp hơn Với những lý do như trên, công nghệ PON có thể được coi là một giải pháp hàng đầu cho mạng truy nhập [3][4]

1.2.1 Kiến trúc chung của mạng truy nhập quang thụ động

Một mạng quang thụ động điển hình bao gồm 3 thành phần: Thiết bị kết cuối đường quang (OLT), mạng phân phối quang (ODN), thiết bị mạng quang Trong mạng phân phối quang bao gồm các phần tử thụ động như sợi quang, các bộ chia, các bộ tách/ghép quang thụ động, các đầu nối và các mối hàn quang Phần tử tích cực như OLT sẽ nằm ở trạm trung tâm (CO) và ONU nằm ở phía người dùng Hình 1.1 là kiến trúc mạng quang thụ động điển hình

Hình 1.1 Mạng quang thụ động PON

Tín hiệu trong PON có thể được phân chia 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 đường lên hay đường xuống của mạng quang thụ động Mạng PON thường được triển khai trên sợi quang đơn mode, với cấu hình cây là phổ biến

- Hệ thống PON điển hình bao gồm các phần tử như sau:

+ Bộ tách/ghép quang (Coupler): là thiết bị dùng để tách một tín hiệu quang

từ một sợi quang sang một vài sợi quang và ngược lại

+ Cách tử dẫn sóng dạng mảng (AWG): là một thiết bị có thể phân chia hoặc

kết hợp các tín hiệu cùng với những cửa sổ bước sóng khác nhau

+ Bộ chia (Splitter): là thiết bị dùng để chia công suất quang từ một sợi ra

nhiều sợi khác nhau, từ OLT đến ONU có thể sử dụng nhiều dạng bộ chia có tỷ lệ chia là 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32, 1:64 và 1:128 Tỷ lệ chia trực tiếp ảnh hưởng đến quỹ công suất của hệ thống và suy hao truyền dẫn Nếu tỷ lệ chia mà tăng lên gấp đôi thì suy hao sẽ tăng lên 3dB

+ Thiết bị kết cuối đường quang (OLT): cung cấp giao tiếp giữa hệ thống

mạng truy nhập quang thụ động PON và mạng quang đường trục của các nhà cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và video OLT có thể được đặt bên trong tổng đài hoặc tại một trạm từ xa

+ Thiết bị mạng quang (ONU): là thiết bị được đặt ở phía khách hàng, nó

cung cấp giao tiếp giữa mạng thoại, video và dữ liệu người dùng với mạng quang PON Chức năng cơ bản của ONU là nhận dữ liệu ở dạng quang và chuyển sang dạng phù hợp với người dùng và được điều khiển bởi OLT

+ Mạng phân phối quang (ODN): Cung cấp phương tiện truyền dẫn quang

cho kết nối vật lý giữa ONU và OLT, các ODN riêng lẻ có thể được kết hợp và mở rộng nhờ các bộ khuếch đại quang, ODN gồm các thành phần thụ động như cáp và sợi quang đơn mode, connecter quang, thiết bị rẽ nhánh quang thụ động, bộ suy hao quang thụ động và mối hàn

+ Hệ thống quản lý (EMS): dùng để quản lý các phần tử khác nhau của mạng

PON và cung cấp giao diện đến mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ EMS có chức năng quản lý về cấu hình, đặc tính và bảo mật

1.2.2 Các công nghệ truy nhập quang thụ động hiện tại

a) APON/BPON

Mạng APON/BPON được phát triển từ những năm 90, và không được quan tâm phát triển ở thời điểm đó do chỉ hỗ trợ dịch vụ ATM và tốc độ truy nhập thấp Công nghệ quang thụ động truyền dẫn không đồng bộ (APON) sử dụng công nghệ ghép kênh theo thời gian cho đường xuống và công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian cho đường lên Công nghệ quang thụ động băng rộng (BPON) là

chuẩn trên nền APON được bổ sung để hỗ trợ cho ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM), cấp phát băng thông đường lên động và lớn hơn Đồng thời tạo ra các giao diện quản lý chuẩn giữa OLT và ONU/ONT Hệ thống BPON hỗ trợ tốc độ không đối xứng 155 Mbps đường lên và 622 Mbps đường xuống hoặc tốc độ đối xứng 622 Mbps Các hệ thống BPON đã được sử dụng nhiều ở nhiều nơi, tập trung

ở Bắc Mỹ, Nhật Bản và một phần Châu Âu

b) GPON

Hạn chế của BPON là khó có thể nâng cấp lên tốc độ cao hơn 622 Mbps và mạng PON trên cơ sở nền ATM không tối ưu đối với lưu lượng IP, nhóm FSAN phát triển một hệ thống mạng PON mới từ năm 2001 với tốc độ 1 Gbit/s hỗ trợ cả lưu lượng ATM và IP Dựa trên các khuyến nghị của FSAN, từ năm 2003-2004, ITU-T đã chuẩn hóa một loạt các tiêu chuẩn cho mạng quang thụ động tốc độ gigabit (GPON) GPON được mở rộng từ chuẩn BPON G.983 bằng cách tăng băng thông, nâng hiệu suất nhờ sử dụng gói lớn, có độ dài thay đổi và tiêu chuẩn hóa quản lý Thêm nữa, chuẩn GPON cho phép vài sự lựa chọn tốc độ bit: cho phép băng thông đường xuống tối đa là 2,488 Mbps và băng thông đường lên là 1,244 Mbps [3] GPON hỗ trợ tốc độ cao hơn, tăng cường bảo mật và cho phép lựa chọn giao thức lớp 2 (ATM, Ethernet) Điều đó cho phép GPON phân phối thêm các dịch

vụ tới nhiều thuê bao

Hình 1.2 Mạng truy nhập quang thụ động GPON

Hình 1.2 là mô hình của mạng quang thụ động GPON, GPON có một số đặc điểm chính sau [3] :

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

 Bước sóng: 1260 – 1360 nm đường lên; 1480 – 1500 nm đường xuống

 Đa truy nhập đường lên: TDMA

 Cấp phát băng thông động

 Loại lưu lượng: Dữ liệu số

 Dịch vụ: Hỗ trợ đầy đủ các dịch vụ hiện có (Ethernet, TDM,…)

 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 laser DFB luồng lên

c) EPON

Mạng quang thụ động Ehernet (EPON) là mạng trên cơ sở PON mang lưu lượng dữ liệu gói trong các khung Ethernet được chuẩn hóa theo IEEE 802.3, hoạt động với tốc độ 1 Gbit/s Ở đường xuống, EPON hoạt động như một mạng quảng

bá Khung Ethernet được truyền bởi OLT qua bộ chia quang thụ động đến từng ONU (với N trong khoảng từ 4 đến 64) ONU sẽ lọc bỏ các gói tin không phải là của nó nhờ vào địa chỉ MAC trước khi truyền các gói tin còn lại đến người dùng

Ở đường lên, vì đặc tính định hướng của bộ kết hợp quang thụ động, khung

dữ liệu từ bất kỳ ONU nào chỉ đến OLT và không đến các ONU khác Trong trường hợp đó, ở đường lên, đặc tính của EPON giống như kiến trúc điểm - điểm Tuy nhiên, không giống như mạng điểm - điểm thật sự, các khung dữ liệu trong EPON

từ các ONU khác nhau được truyền đồng thời vẫn có thể bị xung đột Vì vậy, ở đường lên (từ người dùng đến mạng), ONU cần sử dụng một vài cơ chế tránh xung đột dữ liệu và chia sẽ dung lượng kênh quang hợp lý Ở đây, luồng dữ liệu đường lên được phân bố theo thời gian Hình 1.3 cho ta thấy về mô hình của mạng truy nhập EPON

Hình 1.3 Mô hình mạng truy nhập EPON

EPON cung cấp kênh liên kết cho nhiều loại hình dịch vụ truyền thông dựa trên nền tảng IP hay truyền thông gói Hơn nữa, dựa vào sự tiến bộ liên tục trong tốc độ truyền dẫn trên Ethernet, tốc độ dịch vụ EPON cho khách hàng hiện tại có thể lên tới 1 Gbit/s

d) 10G-EPON và XG-PON

Nhằm mở rộng tốc độ truy nhập đường lên và đường xuống trong mạng PON hiện nay lên mức 10 Gbit/s trong khi vẫn bảo đảm khả năng tương thích ngược với các mạng PON đã được triển khai IEEE và ITU-T cùng với nhóm FSAN đã xác định giải pháp của họ là IEEE 802.3av 10G-EPON và ITU-T XG-PON Nhóm công tác P802.3AV đã tiêu chuẩn hóa 10G-EPON với khả năng hỗ trợ hai loại tốc độ: đối

xứng với 10 Gbit/s đường lên và đường xuống; và không đối xứng với 10 Gbit/s đường xuống và 1,25 Gbit/s đường lên Trong khi đó FSAN chuẩn hóa XG-PON1

là hệ thống 10 Gbit/s không đối xứng với tốc độ 10 Gbit/s cho đường xuống và 2,5 Gbit/s cho đường lên, còn hệ thống với tốc độ đối xứng 10 Gbit/s được gọi là XG-PON2 [4] Khả năng tương thích là tính năng ấn tượng nhất của XG-PON XG-PON cùng tồn tại với GPON trên cùng ODN Khả năng tương thích giữa XG-PON1 và GPON đạt được bằng cách thực hiện WDM ở đường xuống và WDMA ở đường lên Sự cùng tồn tại của GPON và XG-PON1 được thể hiện trong hình 1.4

Hình 1.4 XG-PON cộng hữu cùng GPON

Sự khác biệt cơ bản của hai công nghệ này bắt nguồn từ sự triển khai rộng rãi của những người tiền nhiệm, EPON và GPON Sự khác biệt cơ bản giữa 10G-EPON và XG-PON là XG-PON là một công nghệ truyền tải cho Ethernet cũng như TDM và ATM, trong khi EPON không sử dụng đóng gói (do đó lưu lượng Ethernet được vận chuyển tự nhiên và tất cả các tính năng Ethernet được hỗ trợ đầy đủ) Mặc

dù, hai tiêu chuẩn này rất khác nhau trong thực hiện, liên quan đến vận chuyển Ethernet, quản lý, phân bổ băng thông, vv, chúng đều có khả năng cung cấp các tính năng QoS có giá trị cần thiết

Mạng quang thụ động tốc độ 10 Gbit/s có một số đặc điểm chính sau [4]:

 Bước sóng: Đường lên từ 1260 nm đến 1280 nm, đường xuống từ 1575

nm đến 1580 nm, và 1575 nm đến 1581 nm (cho triển khai ngoài trời)

 Quỹ công suất: Lớp N1: 14 dB đến 29 dB, lớp N2: 16 dB đến 31 dB, quỹ

mở rộng : Nhỏ nhất 33 dB

 Tốc độ đường truyền: Đường lên 2,48832 Gbit/s, đường xuống 9,95328 Gbit/s

 Tỉ lệ chia: Tối thiểu 1:64, có khả năng mở rộng tới 1:128 và 1:256

 Phạm vi truyền dẫn vật lý tối đa: Tối thiểu 20 Km

 Phạm vi truyền dẫn logic tối đa: Tối thiểu 60 Km

1.2.3 Xu hướng phát triển của mạng quang thụ động

Sự phát triển trong công nghệ truy nhập quang cho đến nay có thể chia thành hai giai đoạn chính Giai đoạn đầu tiên bao gồm các mạng truy nhập quang tốc độ vài Gigabit hoặc thấp hơn hiện đã và đang đƣợc triển khai rộng khắp nhƣ G-PON, E-PON,… Giai đoạn thứ hai là công nghệ truy nhập tốc độ 10 Gbit/s với hai giải pháp công nghệ riêng biệt đƣợc chuẩn hóa bởi hai tổ chức chuẩn hóa khác nhau là 10G-EPON đƣợc chuẩn hóa bởi IEEE và XGPON đƣợc chuẩn hóa bởi ITU-T (hình 1.5)

Hình 1.5 Các giai đoạn phát triển của công nghệ mạng PON

Tuy nhiên, nhu cầu băng thông đang ngày một tăng lên và bị chi phối chính bởi cuộc cách mạng về dịch vụ video nhƣ dịch vụ truyền hình theo yêu cầu, truyền hình Internet, chia sẻ video, Do vậy, các nhà cung cấp thiết bị và khai thác viễn thông cùng các tổ chức chuẩn hóa đã tích cực hợp tác để phát triển một thế hệ công nghệ truy nhập quang thụ động mới gọi là mạng truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ hai (NG-PON2) Trong số nhiều công nghệ PON đƣợc nghiên cứu và đề xuất làm giải pháp kỹ thuật cho NG-PON2 Nhờ khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu

kỹ thuật đƣợc đề ra cho NG-PON2 cũng nhƣ đảm bảo tính khả thi, giải pháp kỹ thuật TWDM-PON đã thuyết phục đƣợc các nhà cung cấp thiết bị và khai thác mạng viễn thông Tháng 4 năm 2012, cộng đồng FSAN đã chính thức lựa chọn TWDM-PON là công nghệ giải pháp cho mạng truy nhập quang thụ động thế hệ kế tiếp thứ 2, NG-PON2 Cho đến nay công nghệ truy nhập quang TWDM-PON vừa mới đƣợc chuẩn hóa và NG-PON3 vẫn đang đƣợc xúc tiến

1.3 Công nghệ truyền thông quang qua không gian tự do

1.3.1 Hệ thống truyền thông quang qua không gian tự do

Bộ phát Kênh không gian tự do Bộ thu

Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống FSO điển hình

Công nghệ truyền thông quang qua không gian tự do sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong không gian tự do để truyền dữ liệu cho viễn thông hoặc mạng máy tính Đây là công nghệ truyền thông băng rộng tầm nhìn thẳng, trong đó tín hiệu quang được truyền đi trong một búp sóng quang thay vì cáp quang như thông thường [6] Công nghệ này hữu ích nơi các kết nối vật lý không khả thi do chi phí cao hoặc các yếu tố khác Một mạng truyền thông FSO điểm điểm bao gồm 2 bộ thu phát với khả năng cung cấp thông tin hai chiều Hình 1.6 là sơ đồ khối của hệ thống FSO điển hình

a) Bộ phát

Bộ phát có nhiệm vụ chính là điều chế dữ liệu gốc thành tín hiệu quang sau

đó truyền qua không gian tới bộ thu Bộ phát bao gồm các bộ điều chế, nguồn quang và thấu kính phát Bộ điều chế có nhiệm vụ điều chế bản tin thành tín hiệu quang thường dùng điều chế khóa đóng ngắt (on-off keying - OOK) Các nguồn dữ liệu được điều chế và bức xạ vào nguồn quang Điều này đạt được bằng cách thay đổi dòng điều khiển của nguồn quang trực tiếp với các dữ liệu được truyền tải hoặc thông qua một bộ điều biến bên ngoài, chẳng hạn như giao thoa đối xứng Mach­Zehnder Như vậy mức logic "một" được truyền bằng cách bật nguồn quang trong khi logic "không" được truyền bằng cách tắt nguồn quang Điều chế khóa đóng ngắt rất nhạy cảm với các biến dạng trong biên độ tín hiệu Điều kiện khí quyển như mây và sương mù có thể ảnh hưởng đáng kể hiệu suất của nó do suy hao tín hiệu nhận được Các tín hiệu quang cũng có thể được điều chế pha, tần số và tính phân cực Ví dụ, phương thức điều chế nhất quán như khóa dịch pha nhị phân (BPSK) và điều chế PSK vi sai (DPSK) có thể được sử dụng trong các hệ thống FSO

Bộ phát tín hiệu thu thập, trực chuẩn và điều hướng các bức xạ quang từ nguồn quang đến bộ thu ở đầu kia của kênh Các nguồn quang được sử dụng trong các hệ thống FSO có thể là LED hoặc laser Với dữ liệu tốc độ thấp (lên đến 10

Mbit/s) và khoảng cách ngắn hơn LED có thể được sử dụng nhưng đối với khoảng cách xa và tốc độ dữ liệu cao (Tốc độ dữ liệu Gbit/s), laser thường được lựa chọn

Dù không khí được coi là có độ trong suốt cao tuy nhiên đối với dải tần gần dải bước sóng hồng ngoại, một số dải bước sóng nhất định có thể bị hấp thu nhiều

Có một số cửa sổ truyền gần như trong suốt (suy hao <2 dB/Km) trong băng 700 ­ 10000nm Đa số các hệ thống FSO được thiết kế để hoạt động trong dải bước sóng 780-850 nm và 1520-1600 nm Các dải bước sóng cũ sử dụng rộng rãi vì các thiết bị thành phần có sẵn và ít tốn kém Bước sóng 1550nm cũng hấp dẫn vì một số lý do như cho phép truyền công suất lớn hơn bước sóng 850nm (nghĩa là công suất lớn hơn có thể được truyền để chống lại sự suy hao của sương mù), khả năng tương thích với ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) và làm giảm bức xạ nền mặt trời và tán xạ trong mây hoặc sương mù

có nhiệm vụ lọc các bức xạ quang truyền từ khác nguồn ánh sáng như mặt trời tác động đến trên khẩu độ nhận Điều này giúp giảm số lượng bức xạ nền

Bộ tách sóng quang thu thập các bức xạ quang bức xạ từ kính thiên văn nhận

và chuyển đổi nó trở lại thành tín hiệu điện Diode P-I-N hoặc APD được sử dụng

để chuyển đổi Quá trình tách sóng hoặc mạch quyết định thực hiện khuếch đại, lọc

và xử lý tín hiệu cần thiết để đảm bảo phục hồi dữ liệu đáng tin cậy cao Quá trình

tách sóng ở bộ thu có thể được phân loại thành máy thu tách sóng trực tiếp và máy thu tách sóng coherent

Các máy thu tách sóng trực tiếp phát hiện tức thời công suất quang tác động đến trên bộ tách sóng quang Do đó đầu ra của bộ tách sóng quang tỉ lệ thuận với sóng quang Máy thu tách sóng coherent hoạt động trên hiện tượng trộn ảnh Tín hiệu quang do phía phát gửi đến với một sóng quang liên tục khác trước khi được đưa vào tách sóng tại photodiode Kỹ thuật thu coherent có thể được chia thành thu homodyne và thu heterodyne Trong thu kỹ thuật thu homodyne, tần số của laser dao động nội được chọn trùng với tần số sóng mang tín hiệu quang trong khi kỹ thuật thu heterodyne tần số laser dao động nội được chọn khác với tần số sóng quang mang tín hiệu do phía phát gửi đến

c) Kênh không gian tự do

Không khí là kênh truyền dẫn của FSO, sự truyền lan tín hiệu quang qua không khí bị ảnh hưởng bởi 3 yếu tố chính là hấp thụ, tán xạ và nhiễu loạn Hệ số truyền của bức xạ quang qua một khoảng cách L có thể được mô hình hóa bằng luật Beer Lambert [12]

r e L

t

P T P

chung, sự suy giảm do sự tán xạ làm giảm với bước sóng và độ cao Tán xạ gây ra những thay đổi theo hướng truyền của sóng quang Chùm tia lan rộng ra trong khi truyền dẫn đến kích thước của chùm nhận rộng hơn so với khẩu độ nhận Nồng độ

và số lượng của các hạt nhân ngưng tụ phụ thuộc vào vị trí địa lý và mùa Do đó việc lắp đặt các hệ thống FSO đòi hỏi điều tra chi tiết để xác định mức độ suy giảm gây ra bởi các mô hình thời tiết địa phương Các yếu tố khí quyển có hại nhất là sương mù và đôi khi có thể làm cho các liên kết không thể sử dụng được Nhiễu loạn là một yếu tố cần được xem xét Ngay cả trong điều kiện thời tiết đẹp, truyền sóng quang vẫn bị suy hao bởi nhiễu loạn khí quyển Khi trái đất bị ảnh hưởng bởi bức xạ mặt trời, bề mặt trái đất hấp thụ một phần của bức xạ Điều này khiến bề mặt trái đất nóng lên dẫn đến khối không khí bề bốc lên và trộn hỗn loạn với khối không khí mát xung quanh Tính không đồng nhất nhiệt độ của khí quyển gây ra thay đổi chỉ số khúc xạ Do đó các sóng ánh sáng truyền hoàn toàn hoặc một phần chệch khỏi quỹ đạo ban đầu của nó Độ lệch phụ thuộc vào kích thước chùm tương đối và mức độ không đồng nhất nhiệt độ dọc theo đường dẫn của nó Do đó, sóng quang truyền dọc theo bầu không khí hỗn loạn trải qua những biến động nhanh về cường

độ đó, độ dự trữ là cần thiết để bù đắp cho những mất mát trong quỹ công suất liên kết quang

1.3.2 Các đặc điểm của hệ thống FSO

a) Tốc độ truyền dẫn cao

Lượng dữ liệu có thể được truyền đi trong bất kỳ hệ thống truyền thông liên quan trực tiếp đến băng thông của sóng mang mà băng thông của sóng mang lại liên quan trực tiếp đến tần số sóng mang Băng thông dữ liệu cho phép có thể lên đến 20% của tần số sóng mang Tín hiệu quang sử dụng dải tần số 20THz - 375THz và

do đó có thể đảm bảo tốc độ dữ liệu rất cao Điều này là do trên phổ điện từ, tần số sóng mang quang bao gồm ánh sáng nhìn thấy được, tia cực tím và ánh sáng hồng ngoại là rất cao so với tần số vô tuyến

b) Độ rộng búp sóng hẹp

Chiều rộng chùm tín hiệu quang rất hẹp Chùm tia laser điển hình có góc nhiễu xạ phân kỳ giới hạn từ 0,01 – 0,10 mrad Điều này có nghĩa là công suất quang được tập trung trong một khu vực hẹp và do đó đòi hỏi kết nối tầm nhìn thẳng (LOS) giữa máy phát và máy thu Tín hiệu quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ do đó có thể tái sử dụng tần số không giới hạn

c) Bảo mật cao

Tín hiệu quang được đánh giá bảo mật cao với xác suất ngăn chặn và xác suất phát hiện thấp (LPI/LPD) Chùm laser tạo ra bởi hệ thống FSO hẹp và không nhìn thấy được Điều này khiến nó khó để tìm thấy và thậm chí còn khó khăn hơn

để đánh cắp Chùm quang không thể phát hiện bằng máy đo công suất RF hoặc máy phân tích quang phổ

1.3.3 Các thách thức với hệ thống FSO

Truyền thông quang không dây là một công nghệ hứa hẹn với tốc độ cao, không bị ảnh hưởng bởi sóng điện từ và bảo mật Mặc dù có những lợi thế như vậy nhưng nó cũng tồn tại một số hạn chế Phần này sẽ trình bày một số hạn chế mà FSO gặp phải

a) Ảnh hưởng của khí quyển

Kênh truyền của mỗi công nghệ truyền thông có một số hiệu ứng trên các tín hiệu truyền tải Với kênh truyền của FSO là không khí và độ tin cậy các liên kết FSO thường phụ thuộc vào thời tiết của từng vùng Tán xạ, hấp thụ và nhiễu loạn (IRT) là các yếu tố khí quyển ảnh hưởng đến tín hiệu truyền quang Những thách thức chính của truyền thông quang qua không khí là sự suy giảm của công suất nguồn quang và biến động của tín hiệu quang nhận được Tín hiệu quang bị suy giảm bởi sự hấp thụ, tán xạ và khúc xạ của sóng quang do các phân tử khí và các hiện tượng tự nhiên khác như mưa, sương mù, khói mù và tuyết Sương mù là yếu

tố gây suy hao nhiều nhất (số liệu đo được suy hao 480 dB/Km dưới sương mù dày đặc) Do đó, việc triển khai FSO đòi hỏi kiến thức về điều kiện thời tiết ở khu vực lắp đặt Các khu vực lắp đặt phải được điều tra để xác định mức độ suy giảm gây ra bởi các điều kiện thời tiết địa phương Tín hiệu quang vẫn bị suy giảm dưới điều kiện trời quang không mây bởi sự biến động của chỉ số khúc xạ trung bình Nguyên nhân là sự biến động nhanh (nhấp nháy) của tín hiệu quang tại bộ thu

b) Hướng, bám và tìm kiếm (PAT)

PAT đã là một thách thức nghiêm trọng đối mặt với FSO Liên kết FSO yêu cầu một tầm nhìn thẳng rõ ràng giữa máy phát và máy thu Bộ phát gửi ra tia quang với độ rộng chùm tia hẹp và phân kỳ vài mrads và do đó máy thu chỉ có trường góc thu nhỏ Đặc điểm này giúp liên kết FSO không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ (EMI) và an toàn với xác suất ngăn chặn và xác suất phát hiện thấp (LPI/LPD) Đặc điểm này mặt khác gây khó khăn cho việc thiết lập kết nối giữa hai máy thu phát

Để duy trì kết nối giữa hai máy thu phát, cả hai đều phải hướng vào nhau trực tiếp với hướng LOS rất chính xác trong quá trình truyền

Cơ chế hướng (pointing) bắt đầu với việc tìm các nút tiềm năng tồn tại cho việc thiết lập một liên kết trong không gian tự do và sau đó tiến hành các thủ tục kết nối Vì có thể có nhiều lựa chọn kết nối có sẵn khi nhiều nút nằm trong phạm vi của mỗi nút, các nút FSO cần phải phối hợp với nút mà nó để trỏ đến Không dễ dàng

để thiết lập một kết nối ban đầu giữa hai thu phát ngay cả đối với các nút tĩnh do độ rộng chùm hẹp Cơ chế tìm kiếm (acquisition) liên quan đến kỹ thuật điều chế và phát hiện tín hiệu Khẩu độ nhận có thể chặn nhiều tia quang học tiềm năng và phải giải quyết cái nào là cần thiết và giải mã nó cho phù hợp Một lần nữa, trong các khía cạnh của khẩu độ vật chất, độ mở ống kính đường kính cần phải được điều chỉnh theo sự phân kỳ của tia laser phát ra và khoảng cách để tối đa hóa hiệu quả của quỹ công suất

Các cơ chế bám (tracking) cũng phải được xem xét ngay cả đối với các liên kết tĩnh Đây cũng là kết quả của độ rộng chùm hẹp Do FSO là một công nghệ tầm nhìn thẳng rõ ràng và đòi hỏi độ chính xác rất cao, theo dõi tín hiệu phải được xem xét ngay cả trong thu phát tĩnh và vẫn là một yếu tố thách thức Máy thu phát có thể

bị ảnh hưởng bởi gió mạnh Hiệu ứng sai lệch có thể làm giảm năng lực và tăng khả năng mất liên kết FSO và do đó các tín hiệu cần phải được theo dõi để duy trì một

sự liên kết hoàn hảo Bất chấp tất cả những thách thức này, nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng FSO là khả thi khi các điều kiện thời tiết thuận lợi Các nhà nghiên cứu

đã tập trung vào các lớp vật lý để tận dụng tối đa tiềm năng của FSO Một số chiến lược đã được đề xuất để đối phó với các vấn đề sẵn có thấp kết hợp với truyền thông FSO như lai FSO/ RF, đa dạng kỹ thuật, cơ chế tự quản,

1.4 Kết luận chương

Chương 1 trình bày tổng quan về mạng quang thụ động, giới thiệu các công nghệ quang thụ động, đồng thời cũng trình bày khái quát về các mạng quang thụ động thế hệ mới và xu hướng của mạng quang thụ động Nội dung chương này cũng khái quát lại các vấn đề về hệ thống mạng quang không dây FSO với các tính năng

và các thách thức đặt ra đối với FSO Đây là hai công nghệ rất hứa hẹn cho sự phát triển của mạng truy nhập quang Mục tiêu của luận văn là xem xét khả năng kết hợp hai công nghệ này để tạo ra hệ thống quang lai ghép PON và FSO nhằm tận dụng được hết ưu điểm của cả hai công nghệ

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG LAI GHÉP GIỮA QUANG THỤ ĐỘNG VÀ TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO

2.1 Giới thiệu chung

Như đã trình bày ở chương I, hiện tượng nghẽn cổ chai giữa mạng đường trục và mạng truy nhập đang là vấn đề rắc rối cần giải quyết, dù đã có nhiều công nghệ nổi bật được đề xuất nhưng chúng đều có những ưu điểm và khuyết điểm riêng Để khắc phục các nhược điểm, cũng như tận dụng tối đa ưu điểm của các công nghệ, nhiều nhà mạng viễn thông đã sử dụng công nghệ lai ghép giữa mạng quang thụ động và mạng quang vô tuyến (OWC)

OWC bao gồm hai kịch bản là ngoài trời và trong nhà Các hệ thống truyền thông quang không dây trong nhà điển hình bao gồm truyền thông hồng ngoại (IR)

và truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy (VLC) Tín hiệu có thể truyền từ bộ phát đến bộ thu qua đường nhìn thẳng hoặc qua các đường gấp khúc tạo bởi sự phản xạ

bề mặt Do được triển khai trong nhà và cự ly truyền dẫn ngắn nên các hệ thống này

ít chịu ảnh hưởng của môi trường không khí như suy hao phụ thuộc thời tiết, nhiễu loạn không khí, sự lệch hướng giữa bộ phát và bộ thu Hệ thống truyền thông quang không dây ngoài trời (FSO – truyền thông qua không gian tự do) chỉ sử dụng các kết nối LOS trực tiếp từ bộ phát đến bộ thu Các tuyến FSO cự ly ngắn có thể sử dụng để thay thế cho các tuyến truyền dẫn vi ba nhằm cung cấp mạng truy nhập băng rộng cho các doanh nghiệp cũng như làm cầu nối giữa các mạng cục bộ (LAN) giữa các tòa nhà, kết nối backhaul cho các mạng di động, sử dụng làm đường kết

nối thay thế tạm thời cho các tuyến cáp quang bị sự cố

Hệ thống lai ghép giữa quang thụ động và quang vô tuyến là một công nghệ

bổ sung tuyệt vời cho các liên kết truyền thống, có khả năng khắc phục vấn đề về nút cổ chai vì cả hai công nghệ đều có thể hỗ trợ công suất cao và tính bảo mật cao

trong mạng quang Đồng thời có khả năng giảm thiểu chi phí cơ sở hạ tầng của các mạng, cũng như cung cấp tính linh hoạt và khả năng triển khai nhanh chóng với chất lượng truyền dẫn bảo đảm Do đó có rất nhiều hệ thống lai ghép đã được đề xuất như: TDM-PON lai ghép với FSO, WDM-PON lai ghép với truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy (VLC),… và gần đây nhất là TWDM-PON lai ghép với FSO

2.2 Một số hệ thống lai ghép giữa quang thụ động và quang vô tuyến

2.2.1 Hệ thống lai ghép giữa TDM-PON và FSO

Hình 2.1 mô tả kiến trúc chung của mạng lai TDM-PON và FSO Kiến trúc chung này cho thấy một mạng truy nhập quang từ CO đến người dùng cuối Các tín hiệu từ thiết bị đầu cuối đường quang (OLT) nằm ở CO được kết hợp với tín hiệu video khuếch đại bằng bộ ghép nối chọn bước sóng (WSC) Tín hiệu từ OLT và video được truyền ở bước sóng 1490 nm và bước sóng 1550 nm

Hình 2.1 Kiến trúc mạng lai giữa TDM-PON và FSO

Do nhu cầu về chất lượng tín hiệu cao, cần thiết sử dụng một bộ tiền khuếch đại cho tín hiệu video Do đó, công suất truyền tải cho ứng dụng cụ thể đó tăng lên Các tín hiệu đường xuống này lan truyền thông qua liên kết truyền dẫn Single Mode Fiber (SMF) và FSO Sau khi nhận tín hiệu ở phía thu FSO, các tín hiệu đường

xuống truyền qua một bộ chia thụ động 1:N Sau bộ tách, các tín hiệu đường xuống được truyền đến ONU của máy thu Chức năng của ONU là chuyển tín hiệu quang sang tín hiệu điện Các tín hiệu điện được thực hiện bằng các loại cáp khác nhau như RJ-11, RJ-45 và cáp video cho tín hiệu thoại, dữ liệu và video tương ứng

2.2.2 Hệ thống lai ghép giữa WDM-PON và VLC

Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy đã có sự quan tâm ngày càng tăng nhờ kết quả của sự tiến bộ trong điốt phát sáng trạng thái rắn (LED), mang lại hiệu quả chi phí thấp, không có giấy phép với tốc độ dữ liệu cao hơn, an ninh cao, truyền thông cũng như độ sáng và phù hợp cho các ngôi nhà xanh hiệu năng năng lượng trong tương lai Giáo sư Zhong Wen-De và các thành viên của nhóm đã làm việc tích hợp kết nối không dây dựa trên WDM-PON và truy nhập không dây dựa trên VLC, cho phép truyền dữ liệu có dây và không dây tốc độ cao cùng lúc trên một cơ

sở hạ tầng cáp quang đơn lẻ tới người dùng cuối trong môi trường trong nhà

Hình 2.2 Kiến trúc mạng lai ghép WDM-PON và VLC

Kiến trúc tổng thể về mạng lai ghép giữa WDM-PON và VLC được thể hiện trong hình 2.2 Ở đường xuống dữ liệu từ mạng lõi được truyền qua hệ thống WDM-PON qua OLT, đường truyền sợi quang, cách tử dẫn sóng dạng mảng và tới ONU Tại ONU sử dụng VLC thử nghiệm trong môi trường thực tế trong nhà, tốc

độ bit của truy nhập VLC có thể không liên tục do các dịch vụ khác nhau Như vậy,

đây là một mạng lưới kết nối trong nhà mới sử dụng hệ thống kết hợp WDM-PON

và VLC được đề xuất

2.3 Hệ thống lai ghép sử dụng công nghệ TWDM-PON và FSO

Công nghệ TWDM-PON là công nghệ PON ghép kênh phân chia theo thời gian và bước sóng Đây là công nghệ PON mới vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu

và thử nghiệm nhằm đáp ứng nhu cầu dịch vụ ngày càng gia tăng, cũng như yêu cầu cao về đường truyền Trước khi nghiên cứu về hệ thống lai ghép giữa TWDM-PON

và FSO, luận văn sẽ làm rõ hơn về công nghệ TWDM-PON

Để triển khai được kiến trúc mạng này, các ONU được trang bị các máy phát

và thu điều chỉnh được (tunable) Máy phát có thể điều chỉnh đến bất kỳ bước sóng đường lên nào, trong khi máy thu có thể điều chỉnh đến bất kỳ bước sóng nào ở đường xuống Để đạt được quỹ công suất cao hơn XG-PON, các bộ khuếch đại quang học (OA) được sử dụng ở phía OLT nhằm tăng tín hiệu đường xuống cũng như để tiền khuếch đại các tín hiệu đường lên ODN vẫn là phần tử thụ động vì cả

bộ khuếch đại quang và bộ tách/ghép kênh đều được đặt ở phía OLT Bên cạnh đó, khi thị trường và yêu cầu lớn hơn, TWDM-PON có thể hỗ trợ lên tới tám cặp bước sóng, điều này khiến TWDM-PON rất có giá trị với thị trường nơi mà nhiều nhà vận hành viễn thông chia sẻ chung một kiến trúc vật lý mạng Tuy nhiên, hiên nay chỉ tập trung hướng tới tốc độ 40 Gbit/s với 4 cặp bước sóng được sử dụng Các thông số cơ bản của mạng TWDM-PON [8][9]:

 Băng thông: 40 GBit/s

 Lưu lượng người dùng: 1 Gbit/s

 Tốc độ trên kênh truyền: 10 Gbit/s

 Số kênh bước sóng: 4 – 8

 Số lượng người sử dụng: 256

 Độ rộng bước sóng: 50 – 100 GHz

 Tầm với quang: 40 Km

 Tính năng bổ sung: Tương thích với các hệ thống PON cũ

TWDM- PON sử dùng cùng ODN với mạng GPON hiện tại, cho phép tái sử dụng các tài nguyên đắt tiền trong mạng Kiến trúc của TWDM-PON có tính linh hoạt cao, có thể trở thành nền tảng của hội tụ di động cố định (FMC) Hỗ trợ các dịch vụ không dây và có dây cùng với các thuê bao, ứng dụng, mở rộng băng thông tương ứng

b) Đặc điểm kỹ thuật của công nghệ TWDM-PON

- Yêu cầu kỹ thuật

 Mô hình kênh TWDM đa bước sóng

 4-8 cặp kênh TWDM

 Tỉ lệ đường lên và đường xuống trên mỗi kênh: 10-10 Gbit/s, 10-2,5 Gbit/s, 2,5-2,5 Gbit/s

 Tầm với quang thụ động: đạt tổi thiếu 40 Km

 Hỗ trợ bộ chia với tỉ lệ tối thiểu là 1: 256

 Hệ thống TWDM-PON đòi hỏi sự linh hoạt: Cân bằng giữa tốc độ, khoảng cách, và tỷ lệ phân chia

+ Quỹ công suất và kế hoạch bước sóng: Mục đích của quĩ công suất là bảo

đảm công suất đến máy thu đủ lớn để duy trì hoạt động tin cậy trong suốt thời gian