THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ GPON

Mạng thông tin quang là mạng sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu trên đường truyền, mạng sử dụng cáp quang để truyền ánh sáng, có băng thông rộng, truyền được xa với suy hao thấp. Đặc biệt nhu cầu về các loại dịch vụ gia tăng tích hợp thoại, hình ảnh và dữ liệu đang ngày càng tăng. Vậy nên mạng quang là một giải pháp cần thiết và quan trọng để giải quyết các vấn đề trên. Hiện nay, mạng truy nhập quang thụ động GPON (Passive Optical Network) đang được xem là một giải pháp đáp ứng được một phần nhu cầu của người sử dụng. Xuất phát từ những nhu cầu thực tế của người sử dụng tôi đã lựa chọn đề tài “Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ GPON” làm đồ án tốt nghiệp cho mình. Trong đồ án này, phần mềm mô phỏng Optiwave đã được sử dụng để thiết kế, đánh giá và tối ưu hệ thống.Nội dung đồ án gồm có 3 chương.Chương 1 trình bày về hệ thống thông tin quang bao gồm các khái niệm, ưu nhược điểm, lịch sử ra đời của hệ thống.Chương 2 giới thiệu các vần đề lý thuyết cơ bản của mạng thụ động PON, các mô hình triển khai đồng thời từ đó nêu lên được sự ưu việt của mạng GPON Chương 3 sẽ đi sâu vào thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ GPON bẳng phần mềm Optisystem cho địa bàn phường Vinh Tân, thành phố Vinh, tỉnh Nghệ An.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ

ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dùng cho giảng viên hướng dẫn)

Giảng viên đánh giá: Th.S Nguyễn Thị Kim Thu

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Thị Thủy

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài,

các vấn đề và các giả thuyết (bao gồm mục

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5 Mục tiêu và phương pháp thực hiện dựa trên kết

quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống 1 2 3 4 56

Kết quả được trình bày một cách logic và dễ

hiểu, tất cả kết quả đều được phân tích và đánh

giá thỏa đáng

1 2 3 4 5

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt

(nếu có) giữa kết quả đạt được và mục tiêu ban

đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề

1 2 3 4 5

xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

tương lai

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc

các chương logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình

ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự và

được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có

căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v),

có mở đầu chương và kết luận chương, có liệt

kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy

định

1 2 3 4 5

9

Kỹ năng viết (cấu trúc câu chuẩn, văn phong

khoa học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp

nhận đăng/đạt giải SVNC khoa học giải 3 cấp

Viện trở lên/các giải thưởng khoa học (quốc

tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký

bằng phát minh sáng chế

5

10

b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội

nghị sinh viên nghiên cứu khoa học nhưng

không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến

khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét

về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)

Nghệ An, ngày… tháng 05 năm 2018 Người nhận xét (Ký và ghi rõ họ tên) ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dùng cho cán bộ phản biện) Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Thị Thủy

MSSV:135D5202070058

Tên đồ án: : Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang theo

sử dụng công nghệ GPON

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:

Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài,

các vấn đề và các giả thuyết (bao gồm mục

đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng

dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5 Mục tiêu và phương pháp thực hiện dựa trên kết

quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống 1 2 3 4 56

Kết quả được trình bày một cách logic và dễ

hiểu, tất cả kết quả đều được phân tích và đánh

giá thỏa đáng

1 2 3 4 5

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt

(nếu có) giữa kết quả đạt được và mục tiêu ban

đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề

xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc

các chương logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình

ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự và

được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có

căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v),

có mở đầu chương và kết luận chương, có liệt

kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy

định

1 2 3 4 5

9

Kỹ năng viết (cấu trúc câu chuẩn, văn phong

khoa học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp

nhận đăng/đạt giải SVNC khoa học giải 3 cấp

Viện trở lên/các giải thưởng khoa học (quốc tế/

trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng

phát minh sáng chế

5

10

b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội

không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến

khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác

về chuyên ngành

10

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô

Nghệ An, ngày… tháng 05 năm

2018

Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI MỞ ĐẦU

Mạng thông tin quang là mạng sử dụng ánh sáng để truyềntín hiệu trên đường truyền, mạng sử dụng cáp quang để truyềnánh sáng, có băng thông rộng, truyền được xa với suy hao thấp.Đặc biệt nhu cầu về các loại dịch vụ gia tăng tích hợp thoại, hìnhảnh và dữ liệu đang ngày càng tăng Vậy nên mạng quang là mộtgiải pháp cần thiết và quan trọng để giải quyết các vấn đề trên.Hiện nay, mạng truy nhập quang thụ động GPON (Passive OpticalNetwork) đang được xem là một giải pháp đáp ứng được một phầnnhu cầu của người sử dụng Xuất phát từ những nhu cầu thực tế

của người sử dụng tôi đã lựa chọn đề tài “Thiết kế và mô phỏng

hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ GPON” làm đồ

án tốt nghiệp cho mình Trong đồ án này, phần mềm mô phỏngOptiwave đã được sử dụng để thiết kế, đánh giá và tối ưu hệthống

Nội dung đồ án gồm có 3 chương

Chương 1 trình bày về hệ thống thông tin quang bao gồm cáckhái niệm, ưu nhược điểm, lịch sử ra đời của hệ thống

Chương 2 giới thiệu các vần đề lý thuyết cơ bản của mạngthụ động PON, các mô hình triển khai đồng thời từ đó nêu lên được

sự ưu việt của mạng GPON

Chương 3 sẽ đi sâu vào thiết kế và mô phỏng hệ thống thôngtin quang sử dụng công nghệ GPON bẳng phần mềm Optisystemcho địa bàn phường Vinh Tân, thành phố Vinh, tỉnh Nghệ An

Trong quá trình làm đồ án không thể tránh khỏi sai sót rấtmong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn để

đồ án của tôi được hoàn thiện hơn Qua đây, tôi cũng xin được gửi

lời cảm ơn chân thành tới ThS Nguyễn Thị Kim Thu đã tận tình

hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong thời gian qua

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Thủy

TÓM TẮT

Đồ án này khảo sát và thiết kế một hệ thống thông tin quangtrên địa bàn phường Vinh Tân, thành phố Vinh bằng công nghệGPON sử dụng phần mềm Optisystem

Mạng quang thụ động Gigabyte (GPON’s) là mạng dựa trêncáp quang để cung cấp thông tin GPON hiện là hình thức hàngđầu của mạng quang thụ động GPON cung cấp tỷ lệ 1: 64 trênmột sợi đơn Trái ngược với một dây đồng tiêu chuẩn trong hầu hếtcác mạng, GPON có hiệu suất năng lượng cao hơn 95% Ngoài hiệuquả, các mạng quang thụ động cung cấp một giải pháp chi phíthấp để thêm người dùng thông qua các bộ tách làm cho mongmuốn của GPON ở các khu vực đông dân cư

ABSTRACT

This project investigated and designed an opticalcommunication system in Vinh Tan ward, Vinh city using GPONtechnology and Optisystem software

Gigabyte Passive Optical Networks (GPON’s) are networks whichrely on optical cables to deliver information GPON’s are currentlythe leading form of Passive Optical Networks GPONS offer up to a1:64 ratio on a single fiber As opposed to a standard copper wire

in most networks, GPON’s are 95% more energy efficient In

addition to efficiency, gigabyte passive optical networks provide a low cost solutions to adding users through splitters which make GPON’s desirable in populated areas

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1

1.1 Giới thiệu chương 1

1.2 Khái niệm thông tin sợi quang 1

1.3 Lịch sử phát triển thông tin quang 1

1.4 Một số khái niệm cơ bản trong thông tin quang 6

1.4.1 Băng tần phổ quang 6

1.4.2 Ghép kênh 8

1.4.3 Đơn vị công suất 10

1.5 Mô hình tổng quát hệ thống thông tin quang 11

1.5.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang 11

1.5.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang 11

1.5.3 Đặc điểm hệ thống thông tin sợi quang 14

1.6 Kết luận chương 15

Chương 2 MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON 16

2.1 Giới thiệu chương 16

2.2 Tổng quan về mạng thụ động PON 16

2.2.1 Đặc điểm của PON 17

2.2.2 Mô hình PON 17

2.2.3 Các hệ thống PON đang được triển khai 21

2.2.4 Công nghệ mạng thụ động GPON 23

2.2.5 Nhận xét 36

2.2.6 Kết luận 38

Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỐNG TIN QUANG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ GPON CHO ĐỊA BÀN PHƯỜNG VINH TÂN - THÀNH PHỐ VINH - NGHỆ AN 40

3.1 Giới thiệu chương 40

3.2 Giới thiệu phần mềm Optisystem 40

3.3 Tính toán thiết kế và mô phỏng 41

3.3.1 Khảo sát thực tế 41

3.3.2 Sơ đồ vật lý tuyến cần thiết kế 42

3.4 Thiết kế sơ đồ hệ thống 44

3.4.1 Phân tích hệ thống 44

3.4.2 Kết quả mô phỏng 48

3.5 Kết luận chương 51

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sự tăng trưởng về tích tốc độ-khoảng cách BL trong khoảng 2

thời gian 1850 đến 2000 [1] 2

Hình 1.2 Sự tăng trưởng về dung lượng của các hệ thống thông tin quang được thực hiện sau năm 1980 [1] 2

Hình 1.3 Sự tăng về tích BL trong giai đoạn 1975 đến 2000 qua một số thê hệ hệ thống thông tin quang [1] 3

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống mạng cáp quang biển tại khu vực châu Á [1] 5

Hình 1.5 Vùng phổ các hệ thống thông tin vô tuyến và quang sợi [1] 7

Hình 1.6 Phân cấp số cận đồng bộ PDH [2] 8

Bảng 1.1 Tốc độ truyền dẫn theo phân cấp số đồng bộ SONET/SDH 9

Hình 1.7 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang [3] 11

Hình 1.8 Sơ đồ khối phát quang[3] 12

Hình 1.9 Sơ đồ bộ thu quang[3] 13

Hình 2.1 Mô hình mạng quang thụ động [4] 16

Hình 2.2 Kiến trúc hình cây[4] 18

Hình 2.3 Kiến trúc dạng bus[4] 19

Hình 2.4 Kiến trúc dạng vòng Ring[4] 20

Hình 2.5 Mô hình mạng GPON[4] 24

Hình 2.6 TDMA GPON GPON[4] 27

Hình 2.7 GPON Ranging pha 1[4] 30

Hình 2.8 GPON Ranging pha 2[4] 31

Hình 2.9 Phân bố băng thông trong GPON[4] 32

Hình 2.10 Thủ tục cấp phát băng thông trong GPON[4] 33

Hình 3.1 Bản đồ phường Vinh Tân 42

Hình 3.2 Tuyến đường thiết kế 43

Hình 3.3 Sơ đồ vật lý các tuyến 43

Hình 3.4 Mô hình quang của khối phát 45

Hình 3.5 Mô hình quang của khối truyền dẫn 46

Hình 3.6 Mô hình quang khối thu 47

Hình 3.7 Sơ đồ thiết kế hệ thống 47

Hình 3.2 cho ta thấy kết quả đồ thị mắt của một số kênh 1, 6, 12, 16 48

Hình 3.10 Công suất tín hiệu phát 50

Hình 3.11 Đo công suất phát tại máy thu 50

Hình 3.12 Công suất tín hiệu thu 50

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1 Giới thiệu chương

Trong chương này trình bày về hệ thống thông tin quangđồng thời tóm tắt về lịch sử phát triển và các ưu nhược điểm của

hệ thống đó Bên cạnh đó nêu ra các loại ghép kênh được sử dụngtrong hệ thống thông tin quang

1.2 Khái niệm thông tin sợi quang

Ngoài các loại thông tin sử dụng các môi trường truyền dẫn tương ứng là dâydẫn và không gian (gọi là thông tin hữu tuyến hay vô tuyến) thì còn có một loạithông tin được truyền thông qua sợi quang (được gọi là thông tin quang) Điều đó

có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyềnqua sợi quang Tại nơi nhận, nó lại được biến đổi thành thông tin ban đầu

1.3 Lịch sử phát triển thông tin quang

Thông tin quang là kỹ thuật truyền thông tin bằng ánh sáng và từ xa xưa conngười đã sử dụng phương thức này để báo tin cho nhau ở khoảng cách xa Tuynhiên sự phát triển các hệ thống thông tin liên lạc trước 1980 đều dựa trên cơ chếtruyền dẫn điện và trải qua quá trình phát triển từ điện báo, điện thoại cho đến cápđồng, viba số Theo thời gian những thay đổi về mặt kỹ thuật công nghệ tạo ra sựtăng trưởng nhanh về năng lực truyền dẫn thông tin Năng lực của một hệ thốngthông tin được đánh giá quá tích tốc độ bít và khoảng cách B.L, trong đó B là tốc độbit và L là khoảng cách truyền dẫn giữa thiết bị lặp Việc ra đời các hệ thống truyềndẫn quang sự tăng mạnh về năng lực truyền dẫn mở ra thời kì mới cho hệ thốngmạng viễn thông Những phát triển của thông tin quang có được bắt nguồn từ những

nỗ lực nghiên cứu tiên phong về nguồn quang laser bán dẫn từ trước năm 1960 vàchế tạo sợi quang thủy tinh có suy hao nhỏ những năm 1960-70 Trong đó nổi bậtphải kể đến những nghiên cứu đột phá của GS Charles K Kao, người đã đạt giảinobel vật lý năm 2009 cho công trình chế tạo dùng cho thông tin quang Sự tăngtrưởng về tích tốc độ, khoảng cách BL từ năm 1850 đến năm 2000 và các thế hệthông tin quang được thể hiện ở hình 1.1

Coaxial Cables

Microwave

Lightwave Optical amplifiers

Hình 1.1 Sự tăng trưởng về tích tốc độ-khoảng cách BL trong khoảng

thời gian 1850 đến 2000 [1]

Hình 1.2 Sự tăng trưởng về dung lượng của các hệ thống thông tin quang

được thực hiện sau năm 1980 [1]

Giai đoạn nghiêm cứu các hệ thống thông tin sợi quang đã bắt đầu khoảngnăm 1975 Hình 1.2 cho thấy sự tăng dung lượng hệ thống thông tin sợi quang đượcthực hiện từ sau 1980 qua một số giai đoạn phát triển Các sản phẩm hệ thốngthương mại thường đi sau giai đoạn nghiên cứu và phát triển mất khoảng vài năm.Quá trình phát triển mạnh mẽ của hệ thống được thực hiện trên 25 năm từ 1975 đếnnăm 2000 có thể được phân thành một số thế hệ rõ rệt Hình 1.3 cho thấy sự tăng về

tích BL theo thời gian được xác định qua các thí nghiệm được tiến hành khác nhau.Đường thẳng tương ứng với sự tăng gấp đôi về tích BL mỗi năm Mỗi thế hệ, BLtăng mạnh ở thời kì đầu sau đó bắt đầu bão hòa khi công nghệ đạt được độ chín của

nó Mỗi thế hệ mới đem lại sự thay đổi cơ bản giúp cải thiện tốt hiệu năng của hệthống

Thế hệ đầu tiên của các hệ thống sợi quang hoạt động gần 0.8µm và sử dụngcác nguồn laser bán dẫn GaAs Các hệ thống này thương mại hóa năm 1980 hoạtđộng tại tốc độ 45Mb/s và cho phép khoảng lặp chỉ khoảng 10 km Tuy là hệ thốngthông tin quang đầu tiên nhưng hiệu năng của hệ thống đã cao hơn nhiều so với các

hệ thống truyền dẫn cáp đồng truyền thống đó

Hình 1.3 Sự tăng về tích BL trong giai đoạn 1975 đến 2000 qua một số thê hệ

hệ thống thông tin quang [1]

Khoảng cách lặp có thể được tăng lên đáng kể khi hệ thống sợi quang hoạtđộng tại vùng bước sóng gần 1.3 µm mà ở đó suy hao của sợi nhỏ hơn 1dB/km.Thêm nữa các sợi quang lúc đó có đặc tính tán sắc nhỏ nhất trong vùng bước sóngnày Do đó đã có nhiều nỗ lực trong việc phát triển các laser và các linh kiện thubán dẫn InGaAsP hoạt động gần 1.3 µm Thế hệ các hệ thống thông tin sợi quangthứ hai đã trở nên sẵn sang vào đầu thập kit 1980, nhưng tốc độ bit của các hệ thốngban đầu bị giới hạn dưới 100Mb/s vì tán sắc trong sợi đa mode Giới hạn này đượckhắc phục bằng cách sử dụng sợi đơn mode và sợi này sớm đưa vào sử dụng trongcác hệ thống thương mại hóa giai đoạn đó Vào năm 1987, các hệ thống thông tin

sợi quang thứ hai hoạt động tại tốc độ lên tới 1.7Gb/s với khoảng lặp khoảng 50 km

đã sẵn có cung cấp cho thương mại

Khoảng cách lặp của các hệ thống sợi quang thế hệ thứ hai bị giới hạn bởisuy hao sợi quang tại bước sóng hoạt động 1.3 µm (điển hình 0.5 dB/km) Các suyhao của sợi quang nhỏ nhất ở gần 1.55 µm Một mức suy hao cỡ 0.2 dB/km đã thựchiện được trong vùng phổ này Tuy nhiên việc đưa vào các hệ thống sợi quang gần1.55 µm Các laser bán dẫn InGaAsp thông thường đã không thể sử dụng được vì sựtrải rộng xung quanh xảy ra như là kết quả của sự dao động đồng thợi của một vàimode phát xạ dọc từ laser Vấn đề tán sắc có thể được khắc phục hoặc bằng các sợidịch tán sắc được thiết kế để có tán sắc nhỏ nhất tại vùng 1.55 µm hoặc bằng giớihạn phổ laser chỉ có một mode dọc phát xạ đơn, cả hai tiếp cận này đã được thựchiện trong suốt thập kỉ 1980 Vào năm 1985, các thực nghiệm tại phòng thí nghiệm

đã cho thấy khả năng truyền dẫn thông tin tại tốc độ 4 Gb/s trên khoảng cách lớnhơn 100km, các hệ thống thông tinvsợi quang thế hệ thứ 3 hoạt động tại 2.5 Gb/s đãsẵn có cho việc thương mại hóa vào năm 1990 Các hệ thống như vậy có thể hoạtđộng ở tốc độ lên tới 10 Gb/s Hiệu năng tốt nhất của hệ thống được thực hiện bằngviệc sử dụng các sợi dịch tán sắc kết hợp với các nguồn laser đơn mode

Nhược điểm của hệ thống 1.55 µm thế hệ thứ ba đó là tín hiệu phải được táisinh tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ lặp ở khoảng cách điển hình 60-70 km

Khoảng cách bộ lặp có thể được tăng theme nhờ sử dụng chế độ thu kết hợphomodyne hoặc heterodyne vì cải thiện được nhờ độ nhạy bộ thu Các hệ thống nhưvậy được gọi là các hệ thống thông tin sợi quang kết hợp (coherent) Các hệ thốngcoherent cũng đã được phát triển trong những năm 1980 và những lợi ích tiềm tangcủa chúng đã được chứng minh trong nhiều thí nghiệm Tuy nhiên việc thương mạihóa các hệ thống này đã bị trì hoãn so sự ra đời của các bộ khuếch đại quang sợivào năm 1989

Thế hệ thứ tư của các hệ thống sợi quang sử dụng khuyếchđại quang để tăng khoảng cách giữa các bộ lặp và ghép kênh theobước sóng (WDM) để tăng dung lượng truyền dẫn Như thấy rõtrong hình 1-3 trước và sau 1992, sự ra đời kỹ thuật WDM đã tạo ramột cuộc cách mạng về dung lượng truyền dẫn và cho phép các

hệ thống sợi quang hoạt động tại tốc độ 10 Tb/s vào năm2001.Trong hầu hết các hệ thống WDM, các tổn hao của sợi quangđược bù tuần hoàn nhờ sử dụng các bộ khuyếch đại quang sợi phatạp erbium (EDFA) cách nhau cỡ 60 - 80 km Các bộ khuếch đạiquang như vậy đã được phát triển sau năm 1985 và được cung cấpthương mại năm 1990 Nhờ việc sử dụng các bộ khuyếch đạiquang sợi mà các hệ 5 thống truyền dẫn cáp biển toàn quang giữacác lục địa trở nên khả thi Từ sau năm 1996 nhiều hệ thốngtruyền dẫn quang biển khoảng cách hơn chục ngàn km tại tốc độGb/s đã được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới Sự phát triểnlan tỏa của hệ thống cap quang rất lớn, hình 1,4 mô tả sự phân bốcủa mạng cap quang biển tại khu vực châu Á.

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống mạng cáp quang biển

tại khu vực châu Á [1]

Hệ thống thông tin sợi quang thế hệ thứ năm được quan tâmbởi sự mở rộng dải bước sóng mà một hệ thống WDM có thể hoạtđộng đồng thời Cửa sổ bước sóng quen thuộc được gọi là băng tần

C bao trùm dải bước sóng 1,53 - 1,57 µm Nó sẽ được mở rộng ở cảhai phía bước sóng ngắn và bước sóng dài để hình thành các băngtần S và L tương ứng Kỹ thuật khuyếch đại Raman có thể khuyếchđại tín hiệu ở cả 3 băng tần bước sóng mà các bộ khuyếch đạiEDFA không thực hiện được Thêm nữa, một loại sợi quang mới

được gọi là sợi khô đã được phát triển để suy hao của sợi là nhỏtrên toàn bộ vùng bước sóng trải rộng từ 1,3 đến 1,65 µm Việc sửdụng các sợi quang như vậy và các chế độ khuyếch đại mới có thểcho phép các hệ thống sợi quang hoạt động với hàng ngàn kênhWDM Tiêu điểm của hệ thống thế hệ thứ năm hiện tại là tăng hiệusuất phổ của các hệ thống WDM Ý tưởng là để sử dụng các địnhdạng điều chế tiên tiến trong đó thông tin được mã hóa sử dụng cảbiên độ và pha của sóng mang quang Mặc dù các định dạng nhưvậy đã được phát triển và sử dụng thông dụng trong các hệ thống

vô tuyến, nhưng việc sử dụng trong các hệ thống sợi quang chỉđược chú ý đến nhiều sau năm 2001 Nhờ sử 6 dụng các định dạngđiều chế tiên tiến đã cho phép hệ thống tăng hiệu suất phổ bị giớihạn dưới 0,8 b/s/Hz trong hệ thống thế hệ thứ tư tăng lên > 8b/s/Hz Trong một thí nghiệm năm 2010, một kỷ lục mới đã đượcthiết lập để truyền dẫn 64 Tb/s trên khoảng cách 320 km bằngviệc sử dụng 640 kênh WDM trên cả hai băng tần C và L vớikhoảng cách kênh 12,5 GHz Mỗi kênh chứa 2 tín hiệu 107 Gb/sđược ghép phân cực với dạng điều chế sử dụng là điều chế biên độcầu phương (QAM)

Hệ thống thông tin quang sợi đã trải qua hơn 30 năm pháttriển với nhiều kỹ thuật công nghệ đã đạt đến độ chin muồi Thôngtin quang sợi hiện nay đã trở thành công nghệ để xây dựng cơ sở

hạ tầng truyền tải cho hầu hết các cấp mạng thông tin từ mạngđường trục quốc tế cho đến các mạng truy nhập Hệ thống thôngtin quang đang không ngừng lan tỏa và phát triển và ngày nayviệc sử dụng thông tin quang là một nhu cầu thiết yếu của xã hội

1.4 Một số khái niệm cơ bản trong thông tin quang

1.4.1 Băng tần phổ quang

Tất cả các hệ thống viễn thông đều sử dụng các dạng nănglượng điện từ để phát tín hiệu Phổ bức xạ điện từ (EM) được chothấy trong hình 1-4 Năng lượng điện từ là sự tổ hợp của điện

trường và từ trường, và bao gồm điện năng, các sóng vô tuyến, vi

ba, ánh sáng hồng ngoại, nhìn thấy, tử ngoại, tia X và tia gamma.Mỗi loại sẽ chiếm một phần phổ sóng điện từ Bản chất cơ bản củatất cả các bức xạ trong phổ sóng điện từ là các sóng điện từ lantruyền tại tốc độ ánh sáng c = 3x108 m/s trong chân không Tốc độcủa sóng lan truyền trong một vật liệu là nhỏ hơn tốc độ c trongchân không bởi một hệ số chiết suất n:

 = c n (1.1)

Các tính chất vật lý của các sóng điện từ có thể được xácđịnh qua một số các đại lượng như độ dài một chu kỳ của sóng,năng lượng chứa trong sóng hoặc tần số dao động của sóng Khácvới truyền dẫn tín hiệu điện thường sử dụng tần số để chỉ các băngtần hoạt động của tín hiệu, thì thông tin quang lại thường sử dụngbước sóng để chỉ các vùng phổ hoạt động Các đại lượng này liên

hệ với nhau qua một số phương trình đơn giản Trước hết, tốc độánh sáng trong chân không c bằng bước sóng  nhân với tần số :

c = ƛʋ(1.2)

trong đó tần số  được đo theo Hz Tiếp theo, quan hệ giữa nănglượng của một photon (hạt ánh sáng) và tần số (hoặc bước sóng)của nó được xác định qua định luật Planck:

𝐸 = ℎ

(1.3)

trong đó tham số h = 6,63x10−34J-s = 4,14 eV-s là hằng số Planck.Theo bước sóng (được đo theo µm), năng lượng theo đơn vịelectron volt được xác định:

𝐸 (𝑒𝑉) = 1.2460ƛ(µm)

và tới UHF với các tần số sóng mang cỡ bậc 107, 108 và 109 Hztương ứng Về mặt lý thuyết, việc tần số sóng mang hoạt động tạivùng tần số cao cho phép tăng băng tần truyền dẫn khả dụng vàkết quả cho phép tăng dung lượng truyền dẫn thông tin Đối vớithông tin quang, các vùng băng tần quang có tần số lớn hơnnhiều bậc so với tần số vô tuyến, do vậy các hệ thống sợi quangcho thấy khả năng truyền dẫn một dung lượng thông tin vô cùnglớn qua hệ thống

Vùng phổ quang trải dài từ khoảng 5 nm trong vùng cực tímđến 1 mm trong vùng hồng ngoại xa Ở giữa các vùng giới hạn này

là vùng phổ nhìn thấy từ 400 đến 700 nm Thông tin quang sợi sửdụng băng tần phổ hồng ngoại gần từ 770 đến 1675 nm Các hệ

thống thông tin quang hiện này hầu hết sử dụng ở vùng bước sóngdài 8 và tổ chức liên minh viễn thông quốc tế ITU đã chỉ định sáubăng tần phổ sử dụng cho thông tin sợi quang trong phạm vi 1260đến 1675 nm Các chỉ định băng tần bước sóng dài này xuất phát

từ đặc tính suy hao của sợi quang và đặc tính của bộ khuyếch đạiEDFA Vùng băng tần 770 đến 910 nm được sử dụng cho các hệthống sợi quang đa mode bước sóng ngắn Mỗi vùng phổ đều đòihỏi các thành phần linh kiện phù hợp để hoạt động và các đặc tínhkhác nhau của các thành phần này sẽ dẫn đến hiệu năng cũng nhưứng dụng của các hệ thống tương ứng là khác nhau

1.4.2 Ghép kênh

Ghép kênh là kỹ thuật kết hợp nhiều kênh tín hiệu khác nhau

để truyền đồng thời qua hệ thống truyền dẫn nhằm sử dụng hiệuquả dung lượng truyền dẫn của hệ thống Đối với hệ thống thôngtin sợi quang có dung lượng truyền dẫn lớn thì chức năng ghépkênh luôn đi kèm với hệ thống này Các kỹ thuật ghép kênhthường được sử dụng bao gồm ghép kênh theo thời gian (TDM) vàghép kênh theo tần số (FDM)

Hình 1.6 Phân cấp số cận đồng bộ PDH [2]

Ở hình 1.6 chỉ ra sơ đồ phân cấp đồng bộ PDH Trong trườnghợp TDM các bit dữ liệu của các kênh khác nhau được ghép xentrong miền thời gian để tạo thành luồng bit tổng, hay nói cáchkhác mỗi kênh sẽ được gán vào những khe thời gian xác định đểtruyền đồng thời qua hệ thống cùng với các kênh khác Kỹ thuậtTDM được sử dụng cho các tín hiệu số trong các mạng viễn thông

và hình thành các phân cấp số khác nhau trong quá trình pháttriển Trong thời gian đầu phát triển các hệ thống truyền dẫn số,phân cấp số cận đồng bộ (PDH) được hình thành xác định các mức

và số lượng kênh thoại được ghép Phân cấp PDH như cho thấytrong hình 1.6 có sự khác biệt giữa các khu vực và được sử dụngcho cả hệ thống thông tin quang sợi và vô tuyến Sự thiếu một tiêuchuẩn thống nhất về phân cấp số trong công nghiệp viễn thông đãđòi hỏi sự ra đời một tiêu chuẩn phân cấp số mới gọi là mạngquang đồng bộ (SONET) và sau đó gọi là phân cấp số đồng bộSDH Bảng 1.1 cho thấy các cấp tốc độ trong phân cấp số đồng bộ

Bảng 1.1 Tốc độ truyền dẫn theo phân cấp số đồng bộ SONET/SDH

Trong trường hợp FDM, các kênh được ghép trong miền tần

số trong đó mỗi kênh được mang bởi một sóng mang riêng biệt.Các tần số sóng mang cách nhau một khoảng tần lớn hơn độ rộngbăng tần của kênh để tránh sự chồng phổ FDM có thể được sửdụng cho cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số và thường hay được sửdụng trong các hệ thống quảng bá Trong các hệ thống viễn thông,chức năng ghép kênh thường được thực hiện trong miền điện trướckhi chuyển đổi thành tín hiệu quang Trường hợp FDM thực hiện

hoàn toàn trong miền quang được xem là ghép kênh phân chiatheo bước sóng WDM Trong phương pháp ghép kênh theo tần số(FDM), các tín hiệu được dịch sang dải tần số khác nhau và gửi quaphương tiện truyền thông Các kênh truyền thông được chia thànhcác băng tần khác nhau, và mỗi băng tần truyền tín hiệu tươngứng với một nguồn FDM được sử dụng trong truyền dẫn truyềnhình cáp, nơi mà tín hiệu tương ứng với các kênh truyền hình khácnhau được ghép và gửi qua cáp Tại máy thu của truyền hình, bằngcách áp dụng bộ lọc, các kênh đặc biệt của tín hiệu có thể đượcxem Đài phát thanh và truyền hình cũng được thực hiện bằngcách sử dụng FDM, trong đó mỗi trạm phát sóng được cho mộtnhóm nhỏ trong dãy quang phổ tần số Các tần số trung tâm củabăng tần này được gọi là tần số sóng mang

1.4.3 Đơn vị công suất

Công suất là một đại lượng quan trọng trong hệ thống sợiquang để đặc trưng cho cường độ của tín hiệu quang trên hệthống Đại lượng công suất có thể được đo trên hai kiểu thang đo:

- Thang đo tuyến tính với đơn vị W hoặc mW

- Thang đo logarithm với đơn vị dBm

Trong kỹ thuật hệ thống thang đo logarithm thường hay được

sử dụng vì nó đem lại một số ưu điểm bao gồm cho phép biểu diễndải rộng giá trị mức công suất hay nói cách khác dễ dàng biểu diễncác mức tín hiệu khác biệt nhau nhiều bậc độ lớn Thêm nữa việctính toán các đại lượng theo thang đo logarithm cũng được đơngiản hóa bằng các phép tính cộng hoặc trừ thay cho các phép tínhnhân chia tỉ lệ trong thang đo tuyến tính

Quan hệ giữa mức công suất theo thang logarithm và mứccông suất theo thang tuyến tính được xác định qua biểu thức sau:

𝑃 𝑑𝐵𝑚 = 19𝑙𝑜𝑔10(P (mW ) 1mW )

Đơn vị dBm biểu thị mức công suất P như là một tỉ lệlogarithm của P so với 1mW Mức tham chiếu 1 mW được chọn đơngiản vì các giá trị điển hình mức công suất phát nằm trong dải này(chữ m trong dBm bao hàm mức tham chiếu là 1mW) Như vậydBm được coi là thang đo decibel cho mức giá trị công suất tuyệtđối và một quy tắc quan trọng là 0 dBm = 1 mW Do đó, các giá trịcông suất dương theo dBm là lớn hơn 1 mW và các giá trị âm theodBm là nhỏ hơn 1 mW Bảng cho một số ví dụ mức công suấtquang theo hai đơn vị đo tương ứng

1.5 Mô hình tổng quát hệ thống thông tin quang

1.5.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang

Hình 1.7 cho thấy sơ đồ khối tổng quát của một hệ thốngthông tin quang Hệ thống tổng quát bao gồm một bộ phát, mộtkênh thông tin và một bộ thu, đây được xem là ba phần tử cơ bản

và chung nhất cho tất cả các hệ thống thông tin Các hệ thốngthông tin quang có thể được phân thành hai loại: có môi trườngdẫn (guided) và không dẫn (unguided) tín hiệu quang Trongtrường hợp hệ thống quang có môi trường dẫn, chùm quang từ bộphát bị giam hãm về không gian khi lan truyền và được thực hiệnqua việc sử dụng sợi quang trong thực tế

Hình 1.7 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin quang [3]

Trong trường hợp các hệ thống thông tin quang không có môitrường dẫn, chùm quang từ bộ phát trải rộng trong không giantương tự hệ thống vô tuyến hay còn gọi là thông tin quang khôngdây Tuy nhiên, các hệ thống này ít phù hợp cho các ứng dụngquảng bá như hệ thống vô tuyến vì các chùm quang chủ yếu tậptrung theo một hướng được chiếu phía trước (kết quả của bước

sóng ngắn của chùm quang) Việc sử dụng các hệ thống này đòihỏi việc căn chỉnh chính xác giữa bộ phát và bộ thu Trong trườnghợp truyền dẫn khoảng cách lớn, tín hiệu trong hệ thống khôngdẫn có thể bị suy giảm đáng kể bởi tán xạ trong khí quyển Tuynhiên vấn đề này biến mất trong thông tin không gian tự do ở trênbầu khí quyển trái đất (ví dụ thông tin liên lạc giữa các vệ tinh).Mặc dù hệ thống thông tin quang không gian tự do được sử dụngtrong một số ứng dụng và đã được nghiên cứu mạnh mẽ, nhưnghầu hết các ứng dụng trên mạng viễn thông hiện nay đều sử dụng

hệ thống thông tin quang sợi

1.5.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang

Hình 1.7 đã cho thấy ba thành phần cơ bản trong hệ thốngthông tin quang sợi bao gồm: cáp sợi quang vai trò như kênh thôngtin, bộ phát quang và bộ thu quang

a Sợi quang như một kênh thông tin

Vai trò của một kênh thông tin là để truyền tải tín hiệu quang

từ bộ phát tới bộ thu mà tránh làm méo dạng tín hiệu Hầu hết các

hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang như là kênh thông tin

vì các sợi quang thủy tinh có thể truyền dẫn ánh sáng với suy haonhỏ chỉ cỡ 0,2 dB/km Thậm chí khi mức công suất quang giảm chỉcòn 1% sau 100 km Do vậy suy hao sợi quang có ý nghĩa quantrọng trong việc thiết kế hệ thống và xác định khoảng cách bộ lặphoặc bộ khuyếch đại của một hệ thống thông tin quang khoảngcách lớn Một vấn đề thiết kế quan trọng khác là tán sắc sợi quanggây ra sự trải rộng các xung quang khi truyền dẫn Nếu các xungquang trải rộng nhiều ra ngoài khe thời gian được cấp phát chochúng, thì tín hiệu bị suy giảm nghiêm trọng và khó có thể khôiphục được tín hiệu ban đầu Bộ phát quang Kênh truyền dẫn Bộ thuquang Tín hiệu vào Tín hiệu ra 13 với độ chính xác cao Vấn đề này

là nghiêm trọng nhất trong trường hợp các sợi đa mode do mức độdãn xung cỡ ~ 10 ns/km Do vậy hầu hết các hệ thống thông tin

quang ngày nay sử dụng sợi đơn mode có mức độ dãn xung nhỏhơn nhiều (< 0.1 ns/km).

b Bộ phát quang

Bộ phát quang có vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành dạngtín hiệu quang và đưa tín hiệu quang vào sợi để truyền dẫn Hình1.10 cho thấy sơ đồ khối tổng quát của một bộ phát quang, trong

đó bao gồm một nguồn quang, một bộ điều chế, và một bộ ghépnối với sợi quang Các nguồn laser bán dẫn (LD) hoặc diode phátquang (LED) được dùng như những nguồn quang vì khả năngtương thích của chúng với kênh sợi quang Tín hiệu quang được tạo

ra bằng việc điều biến sóng mang quang Có hai phương thức điềubiến: điều biến trực tiếp và điều biến ngoài Ở phương thức điềubiến trực tiếp tín hiệu điện được đưa vào để biến đổi dòng bơmtrực tiếp nguồn quang thông qua mạch kích thích mà không cần sửdụng bộ điều biến ngoài Phương thức điều biến trực tiếp mặc dùhiệu quả về chi phí nhưng bị giới hạn về tính năng khi điều biến dữliệu ở tốc độ cao Hình 1.8 thể hiện sơ đồ khối phát quang

Hình 1.8 Sơ đồ khối phát quang[3]

Phương thức điều chế ngoài thường hay sử dụng cho hệthống tốc độ cao Ở đây nguồn quang thường sử dụng là laserdiode phát ra ánh sáng liên tục, còn tín hiệu điện điều biến sóngmang quang thông qua bộ điều biến ngoài Nhờ sử dụng bộ điềubiến ngoài, ngoài định dạng điều biến cường độ (IM) thì các địnhdạng điều biến tiên tiến khác như PSK, FSK hay QAM cũng có thểđược thực hiện dễ dàng như trong các hệ thống thông tin quangthế hệ năm Trong bộ phát quang bộ ghép nối thường là một vi

thấu kính để hội tụ tín hiệu quang đầu ra vào trong sợi quang vớihiệu suất ghép cao nhất.

c Bộ thu quang

Bộ thu quang thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu quangthu được tại đầu ra tuyến sợi quang thành tín hiệu điện Hình 1-11cho thấy sơ đồ khối một bộ thu quang trong đó bao gồm một bộghép nối, một bộ tách sóng quang và một bộ giải điều chế Bộghép nối để tập trung tín hiệu quang thu được vào bộ tách sóngquang Các diode thu quang bán dẫn được sử dụng như là các bộtách sóng quang để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện

Bộ giải điều chế phụ thuộc vào các định dạng điều biến được sửdụng mà có cấu trúc một cách cụ thể Các hệ thống thông tinquang sợi hiện tại hầu hết sử dụng phương thức điều biến cường

độ thu trực tiếp (IM/DD) thì quá trình giải điều chế được thực hiệnbởi mạch quyết định để xác địn các bit thông tin thu được là 1hoặc 0 phụ thuộc vào biên độ tín hiệu điện thu được

Hình 1.9 Sơ đồ bộ thu quang[3]

Hiệu năng của một hệ thống thông tin quang số được xácđịnh qua tỉ số lỗi bit (BER) như là xác suất trung bình thu sai bit.Hầu hết các hệ thống thông tin quang sợi xác định BER cỡ 10-9 như

là yêu cầu tối thiểu khi hoạt động, một số hệ thống thậm chí cònyêu cầu BER rất nhỏ chỉ cỡ 10-14

1.5.3 Đặc điểm hệ thống thông tin sợi quang

Ưu điểm:

- Suy hao thấp: Các sợi quang có suy hao thấp hơn so với cápđồng do vậy cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách xa hơn Điềunày giúp giảm số lượng các bộ lặp cần thiết sử dụng trong các hệthống khoảng cách lớn Sự giảm về thiết bị và các thành phần sẽgiảm độ phức tạp và giá thành của hệ thống

- Băng tần truyền dẫn rộng: Các sợi quang có độ rộng băngtần truyền dẫn rộng nên một dung lượng lớn thông tin có thể đượctruyền qua hệ thống giúp làm giảm số đường truyền vật lý cầnthiết

- Kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ: Trọng lượng nhẹ và kíchthước nhỏ của sợi quang cho phép dễ dàng triển khai lắp đặt trêncác hệ thống cáp khác nhau Đặc điểm này cũng cho thấy hệthống quang sợi cũng triển khai dễ dàng trong các hệ thống quân

sự, hàng không, vệ tinh và tầu thuyền

- Không bị can nhiễu điện từ: Do sợi quang được làm từ vậtliệu điện môi không dẫn điện, nên sợi quang không bị ảnh hưởngbới các hiệu ứng giao thoa điện từ cũng như không bị ảnh hưởngbởi nhiễu điện có thể ghép cặp với đường truyền

- Độ an toàn được tăng cường: Các sợi quang cho mức độ antoàn cao khi vận hành vì chúng không có các vấn đề về đấu đất,đánh tia lửa điện và điện thế cao như trong hệ thống cáp đồng

- Bảo mật thông tin cao: Sợi quang cho phép một mức độ bảomật thông tin cao vì tín hiệu quang bị giam hãm tốt bên trong sợiquang khi truyền mà không bức xạ ra ngoài gây rò rỉ thông tin

Nhược điểm:

Các hệ thống thông tin quang sợi có chi phí lặp đặt ban đầulớn do vậy mà chúng thường triển khai trên các mạng khoảng cáchlớn và dung lượng cao để đảm bảo hiệu quả về chi phí đầu tư

- Do sợi quang có kích thước nhỏ và làm từ vật liệu điện môitrong suốt như thủy tinh nên việc hàn nối trở nên khó khăn hơn vàđòi hỏi phải có kỹ năng để đảm bảo chất lượng mối hàn

- Sợi quang dễ bị tác động bởi ứng suất căng, uốn cong nênđòi hỏi cần phải chú ý cẩn thận trong khi triển khai sử dụng

1.6 Kết luận chương

Tuy có một số nhược điểm nhưng những lợi ích rất lớn mà hệthống thông tin quang sợi đem lại đã tạo cơ sở cho việc triển khaiứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Đối với lĩnh vựcviễn thông, hệ thống thông tin quang sợi đã trở thành nền tảng cơbản của cấu trúc hạ tầng mạng truyền tải ở mọi cấp từ mạng quốc

tế liên lục địa, mạng quốc gia cho đến mạng truy nhập Nhữngthành tựu đạt được và sự phát triển nhanh chóng của mạngInternet ngày nay có được cũng nhờ vào sự thành công có đượccủa công nghệ thông tin quang sợi Sự phát triển của ngành thôngtin quang tăng theo nhu cầu sử dụng của xã hội hiện nay, với độphủ sóng toàn cầu, lợi ích của ngành thông tin quang đem lại vôcùng to lớn và ý nghĩa

Chương 2 MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương bình trình bày một cách tổng quan về mạngthụ động PON đồng thời nêu rõ những đặc tính căn bản quan trongcủa mạng GPON, ưu nhược điểm và cách vận hành của nó

2.2 Tổng quan về mạng thụ động PON

PON là từ viết tắt của Passive Optical Network hay còn gọi làmạng quang thụ động Công nghệ mạng quang thụ động PON cònđược hiểu là mạng công nghệ quang truy nhập giúp tăng cườngkết nối giữa các nốt mạng truy nhập của nhà cung cấp dịch vụ vàngười sử dụng

Mô hình mạng quang thụ động được trình bày như ở hình 2.1

Hình 2.1 Mô hình mạng quang thụ động [4]

Mạng quang thụ động PON sử dụng phần tử chia quang thụđộng trong phần mạng phân bố nằm giữa thiết bị đường truyềnquang Optical Line Terminal (OLT) và thiết bị kết nối mạng quangOptical Network Unit (ONU)

Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân bốquang (hay còn gọi là mạng quang ngoại vi), bao gồm các phần tửnhư sợi quang, các bộ tách/ghép quang thụ động, các đầu nối vàcác 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 đượcphân ra và truyền đi theo nhiều sợi quang hoặc được kết hợp lại vàtruyền đi trên một sợi quang thông qua bộ ghép quang, phụ thuộctín hiệu đó đi theo hướng lên hay xuống của mạng quang thụ độngPON.

Mạng quang thụ động (PON) được xây dựng nhằm giảm sốlượng các thiết bị thu, phát và sợi quang trong mạng thông tinquang FTTx PON là một mạng điểm tới đa điểm, một kiến trúcPON bao gồm một thiết bị đầu cuối kênh quang được đặt tại trạmtrung tâm của nhà khai thác dịch vụ và các bộ kết nối mạng cápquang ONU/ONT (Optical Network Unit/Optical NetworkTerminator) đặt tại gần hoặc tại nhà thuê bao Giữa chúng là hệthống phân phối mạng quang ODN (Optical Distribution Network)bao gồm cáp quang, các thiết bị tách ghép thụ động

2.2.1 Đặc điểm của PON

Đặc trưng của của hệ thống PON là thiết bị thụ động phânphối sợi quang đến từng nhà thuê bao sử dụng bộ chia có thể lêntới 1:128

PON hỗ trợ giao thức ATM, Ethernet

PON hỗ trợ dịch vụ thoại, dữ liệu và hình ảnh vói tốc độ cao

và khả năng cung cấp băng thông rộng

Trong hệ thống PON, băng thông được chia sẻ cho nhiềukhách hàng điều này sẽ làm giảm chi phí cho khách hàng sử dụng.Cũng như khả năng tận dụng công nghệ WDM, ghép kênh phânchia theo dải tần, TDMA và cung cấp băng thông động để giảmthiểu số lượng cáp quang cần thiết để kết nối giữa OLT và bộ chia

PON thực hiện truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang hay 2chiều trên cùng 1 sợi quang PON có thể hỗ trợ mô hình như hìnhcây, sao, bus và ring

2.2.2 Mô hình PON

Có một vài mô hình thích hợp cho mạng truy cập như mô

hình cây, vòng hoặc bus Mạng quang thụ động PON có thể triểnkhai linh động trong bất kỳ mô hình nào nhờ sử dụng mộttapcoupler quang 1:2 và bộ tách quang 1:N.

Ngoài những mô hình trên, PON có thể triển khai trong môhình cây như là vòng đôi hoặc cây đôi hay cũng có thể là mộtphần của mạng PON được gọi là trung kế cây

Tất cả sự truyền dẫn trong mạng PON đều được thực hiệngiữa OLT và các ONU OLT ở tại tổng đài, kết nối truy nhập quangđến mạng đường trục (có thể là mạng IP, ATM) ONU ở tại đầu cuốingười 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 Curb và có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại, dữ liệu vàvideo băng rộng

a Topo hình cây

Thông thường trong các mạng đều được xây dựng theo topohình cây trong đó chỉ sử dụng 1 đường cáp quang nối trực tiếp từOLT tới bộ chia Từ bộ chia, sẽ có một đường cáp quang kết nối từmỗi ONU tới mạng Về nguyên tắc, các mạng đều sử dụng topohình cây với kiến trúc bộ chia ghép tầng và trong thực tế, trongmột số mạng chỉ có 1 bộ chia thường được gọi là topo hình sao.Topo hình cây được chỉ ra ở hình 2.2

Hình 2.2 Kiến trúc hình cây[4]

Ưu điểm đầu tiên của kiến trúc mạng này là bộ chia được tậptrung tại một điểm nên dễ dàng xác định được những sự cố củamạng Ưu điểm thứ hai chính là tất cả các ONU trong cùng mạng

sẽ có chung dự trữ công suất hay nói cách khác là chất lượng tínhiệu tại các ONU sẽ gần tương tự như nhau Kiến trúc này chophép các ONU được sử dụng chung OLT về cả khả năng xử lý vàtruyền tải một cách công bằng đồng thời giúp nhà sản xuất hạ giáthành các thiết bị mạng

Hơn nữa, kết nối điểm - đa điểm của mạng PON cũng giảmtrạng thái tắc nghẽn ở phía OLT so với kết nối điểm - điểm thôngthường Tuy nhiên, số lượng ONU trong mạng theo topo này cũng

bị giới hạn bởi suy hao của các bộ ghép hình sao và nhu cầu băngthông của người sử dụng Bởi vì dung lượng của người sử dụngphải phù hợp với khả năng cung cấp của đường truyền sau bộ chianên đó cũng là một lý do hạn chế số lượng người sử dụng

Nhược điểm của topo hình cây là chỉ có thể sử dụng cho kỹthuật đa truy nhập TDMA trong đó các khe thời gian truyền nhậngiữa OLT và các ONU được chỉ định cho mỗi đường kết nối riêngbiệt từ mỗi ONU tới mạng để tránh xảy ra xung đột dữ liệu giữacác ONU khi phát lên OLT thông qua bộ chia Thông thường, trongmạng kiểu này việc chỉ định khe thời gian sẽ được cấp phát độngcho mỗi ONU khi liên kết vào mạng Một điểm yếu khác của topohình sao là độ tin cậy của mạng không cao, mỗi khi tổng đài phíanhà cung cấp CO gặp sự cố sẽ gây sự cố cho toàn mạng… Ngoài racần phải kể đến những sự cố khác trong mạng như lỗi tại bộkhuếch đại, tại bộ truyền nhận,… tại node trong mạng cũng ảnhhưởng tới chất lượng của toàn mạng Một lý do dễ dàng nhận thấynữa là do hạn chế tại các kết nối sau bộ chia làm cho khách hàngluôn luôn bị hạn chế tốc độ bởi 1 giá trị khằng định dẫn đến làmgiảm tính tận dụng của mạng trong việc phân phối băng thông chongười dùng

b Topo dạng bus

Hình 2.3 mô tả kiến trúc dạng busTopo dạng bus cũng sử

dụng 1 cáp quang từ OLT tới khách hàng nên cũng gặp phải nhữngvấn đề tương tự như topo hình cây ở trên Mỗi người sử dụng đượckết nối vào mạng thông qua một bộ ghép dây nhánh (tap coupler)

và bộ ghép này sẽ đưa một phần công suất tín hiệu phát từ OLT đitới người sử dụng

c Topo dạng vòng

Topo dạng vòng được sử dụng chính trong các mạng thànhphố lớn bởi khả năng mềm dẻo trong việc tối ưu hóa các đườngtruyền Trong topo dạng vòng, tồn tại 2 đường kết nối từ OLT tớimỗi ONU nên nó có khả năng rất linh hoạt trong việc thiết lập vàbảo trì mạng cáp quang kể cả trong trường hợp cáp quang bị đứt.Tuy nhiên, nó cũng yêu cầu sử dụng 2 sợi quang tại OLT và nhữngthiết bị phức tạp khác có khả năng chuyển mạch và truyền nhận

tín hiệu theo 2 hướng trong vòng tại mỗi ONU Do đó, topo dạngvòng cũng có những nhược điểm tương tự như topo dạng bus về

dự trữ công suất trên đường truyền Khi tín hiệu quang đượctruyền qua mỗi ONU, tín hiệu bị suy hao đáng kể; điều này đã gây

ra giới hạn cho khả năng truyền nhận và số lượng ONU trong topodạng vòng

Hình 2.4 Kiến trúc dạng vòng Ring[4]

Dung lượng của mạng được chia sẻ một cách mềm dẻo chocác ONU trong mạng nên việc sử dụng 2 cáp quang trong mạngvòng cũng không cải thiện được dung lượng của mạng và tấtnhiên, số lượng ONU trong mạng topo dạng vòng cũng không hềlớn hơn trong mạng có topo dạng bus và hình cây

d Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng hoặc đường tải phụ

Topo dạng này được sử dụng như 1 loại topo chuẩn chomạng hình cây nhưng trong đó sử dụng 2 cáp quang cho OLTnhằm mục đích tăng sự mềm dẻo trong việc khai thác mạng.Trong trường hợp 1 cáp quang bị đứt thì cáp còn lại vẫn có khảnăng hoạt động trong mạng Tuy nhiên, trong quá trình thiết lậpmạng này, 2 đường cáp quang được sử dụng cho 2 đường tải khácnhau nhằm mục đích tránh khả năng xảy ra 2 đường cáp quang bịđứt tại cùng một thời điểm Các bộ ghép quang hình sao cũngđược sử dụng trong mạng để cung cấp khả năng chuyển mạch mộtcách chủ động trong việc lựa chọn đường tải tới OLT cho mỗi ONUtham gia vào mạng hoặc khả năng cung cấp dòng dữ liệu tăng lêngấp đôi khi sử dụng chuyển mạch tại mỗi ONU Như vậy, dung

lượng cực đại trên mỗi đường tải trong mạng quang sẽ được giảmmột nửa và do đó, không còn giới hạn số ONU được sử dụng trongmạng mà vẫn đảm bảo tốc độ truyền nhận ở mỗi cổng tại mỗi ONUtham gia vào mạng.

Trong thực tế, việc kết hợp cả 3 topo cơ bản cho phép nhàcung cấp có thể cung cấp một mạng có khả năng tập trung vớimật độ cao nhưng vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ trong cácmạng 2 chiều

2.2.3 Các hệ thống PON đang được triển khai

a APON/BPON

Từ năm 1995, 7 nhà khai thác mạng hàng đầu thế giới đã lậpnên nhóm FSAN (Full Service Network) với mục tiêu là thống nhấtcác tiêu chí cho mạng truy nhập băng thông Hiện nay các thànhviên của FSAN đã tăng lên đến trên 40 trong đó có nhiều hãng sảnxuất và cung cấp thiết bị viễn thông lớn trên thế giới

Các thành viên của FSAN đã phát triển một tiêu chí cho mạngtruy nhập PON sử dụng công nghệ ATM và giao thức 2 lớp của nó

Hệ thống này được gọi là APON(viết tắt là ATM PON) Cái tên APONsau đó được thay thế bằng BPON với ý diễn đạt PON băng rộng Hệthống BPON có khả năng cung cấp nhiều dịch vụ băng rộng nhưEthernet, Video, đường riêng ảo(VPL), kênh thuê riêng, Năm

1997 nhóm FSAN đưa các đề suất chỉ tiêu BPON lên ITU-T để thôngqua chính thức

Từ đó, các tiêu chuẩn ITU G.983.X cho mạng BPON lần lượtđược thông qua hệ thống BPON hỗ trợ tốc độ không đối xứng 155Mbps hướng lên và 622 Mbps hướng xuống hoặc tốc độ đối xứng

622 Mbps Các hệ thống BPON đã được sử dụng ở nhiều nơi, tậptrung ở Bắc Mỹ, Nhật Bản va một phần Châu Âu

b GPON