Data rate increasement using all optical processing and multi level modulation for passive optical networks

[2] Trong vài năm gần đây, thay vì dùng hệ thống FTTX truyền thống, trong đó tín hiệu quang cho mỗi người dùng được ghép kênh / tách kênh theo thời gian nhờ các bộ chuyển mạch, các côn

1

MỤC LỤC

1 Tổng quan: 12

2 Mục đích nghiên cứu: 15

3 Tóm tắt nội dung báo cáo 15

4 Phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu: 16

5 Các đóng góp của đề tài: 17

Chương II MẠNG TRUY CẬP QUANG THỤ ĐỘNG 18 1 Lịch sử phát triển của mạng truy cập quang thụ động 18

2 Gigabit-capable PON 22

3 Mạng WDM-PON 25

4 Điểm mạnh và điểm yếu của WDM-PON 29

5 Một số kiến trúc WDM-PON cơ bản 31

Chương III BỘ THU PHÁT KHÔNG PHỤ THUỘC BƯỚC SÓNG (COLORLESS ONU) 36 1 Khái niệm: 36

2 Các hệ thống thu phát không phụ thuộc bước sóng 36

3 Nhiễu xuyên kênh trong hệ thống tái điều chế tín hiệu 41

Chương IV BỘ LOGIC NOT QUANG HỌC SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN 47 1 Các đặc tính phi tuyến của SOA 47

2 Cổng logic NOT quang học 49

Chương V ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU QPSK VÀ QAM QUANG HỌC 57 1 Điều chế và giải điều chế QPSK: 57

2 Điều chế và giải điều chế QAM 65

Chương VI HỆ THỐNG GIẢM NHIỄU XUYÊN KÊNH 71 1 Nguyên lý hoạt động 71

2 Mô hình mô phỏng 75

3 Mô hình toán thống kê factorial 78

2

4 Kết quả mô phỏng và phân tích 79

3

TÓM TẮT

Đồng thời với việc thay đổi cáp đồng thành cáp quang và triển khai các kỹ thuật điều chế / giải điều chế quang nâng cao, hệ thống mạng truy cập đang chuyển biến từ mạng fiber-to-the-X (FTTX) chủ động sang thụ động Trong mạng quang truy cập thụ động, chi phí triển khai và vận hành giảm đi nhiều lần nhờ tiết kiệm sợi quang và các thiết bị chuyển đổi quang điện dọc theo tuyến truyền Thế hệ tiếp theo của mạng quang thụ động đang được nghiên cứu và phát triển là mạng quang thụ động phân chia theo bước sóng

Trong hệ thống thế hệ tiếp theo này, khả năng truyền và nhận tín hiệu trong một dải tần rộng ở phía người dùng, hay còn gọi là khả năng hoạt động colorless, là cực kỳ quan trọng Phương pháp phổ biến nhất hiện nay để thực hiện điều trên là tái điều chế tin hiệu hướng xuống với dữ liệu hướng lên Khuyết điểm lớn nhất của cách làm này là xuất hiện nhiễu xuyên kênh do tái điều chế và nhiễu xuyên kênh do tán xạ ngược Rayleigh dọc theo sợi quang Trong các bài báo khoa học gần đây, nhiễu xuyên kênh do tái điều chế được giảm bớt bằng cách khuếch đại bão hòa tín hiệu xuống Việc này làm tỉ số công suất giữa hai mức tín hiệu (extinction ratio) giảm, dẫn đến giảm chất lượng đường truyền về mặt tỉ lệ lỗi bit và tích số tốc độ bit – chiều dài Trong đề tài này, chúng tôi đề xuất một phương pháp triệt nhiễu xuyên kênh bằng cách sử dụng xử lý toàn quang ở phía người dùng Sử dụng tính chất phi tuyến của bộ khuếch đại quang bán dẫn, tin hiệu đường xuống được xóa khỏi tín hiệu hướng lên Nhờ vậy, tỉ lệ lỗi bit

và tích số tốc độ bit – chiều dài đã được cải thiện

Hơn nữa, mã đường truyền và phương pháp điều chế tín hiệu điện ở hướng xuống và hướng lên không còn bị giới hạn Đây là điểm mấu chốt để cải thiện thêm chất lượng đường truyền bằng cách kết hợp với các phương pháp triệt nhiễu xuyên kênh do tán xạ ngược Rayleigh hiện nay Các phân tích thống kê bằng phương pháp phân tích factorial cũng cho thấy tương quan giữa tốc độ bit hai hướng đến tỉ lệ lỗi bit được giảm đi khi dùng phương pháp triệt nhiễu đề nghị trong đề tài Cuối cùng, nhờ sử dụng xử lý toàn quang, hệ thống trong đề tài có được khả năng hoạt động colorless

4

ABSTRACT

As traditional copper line has been progressively replaced by optical fiber and coherent optical modulation techniques are being deployed, access networks have also changed from fiber-to-the-X (FTTX) active optical network (AON) systems to passive optical network (PON) systems

In PON, deployment and maintenance costs are greatly reduced with fewer fibers and no active components from optical line terminal (OLT) to optical network unit (ONU) Next generation of PON focuses on wavelength division multiplexing (WDM-PON) techniques to overcome the disadvantages of traditional PON

In WDM-PON, the ability to send and receive signal across a large bandwidth, or colorless operation at ONU, is highly desired One of the best solutions is to reuse the downstream wavelength as carrier for upstream data Drawbacks of this solution include remodulation-induced crosstalk at the ONU, and crosstalk causes by Rayleigh backscattering along the fiber Crosstalk at the ONU is caused by the remodulation approach itself and usually reduced by saturating the downstream signal before remodulation This method requires low extinction ratio in downstream signal and thus reduces system performance in term of BER and bit rate distance product

In this report, we propose an all-optical approach to mitigate remodulation-induced at the ONU in remodulation approach Utilizing cross gain modulation in counter-propagation semiconductor optical amplifier (SOA), our proposed method was able to effectively remove residual downstream signal in upstream signal Therefore, no cross-talk is introduced between the two signals As a result, upstream bit rate distance product can be improved

Moreover, line coding formats and modulation methods for downstream and upstream electrical signals are also not limited This is crucial to further improve system’s performance combined with other reported methods to mitigate both remodulation-induced crosstalk at the ONU and Rayleigh backscattering crosstalk at the same time Additionally, factorial analysis also proved that the interaction between downstream and upstream signal on upstream BER was effectively removed for bit rate of less than 20 Gbps Last but not least, our proposed ONU was able to achieve colorless operation

ATM Asynchronous Transfer Mode chế độ truyền bất đồng bộ

AWG array waveguide grating bộ ghép kênh cấu trúc mảng ống dẫn sóng BPON Broadband PON mạng quang thụ động băng rộng

laser Distributed Feedback laser laser phản hồi phân bố

EAM electro-absorption modulator bộ điều chế hấp thụ electron

FEC Forward Error Control điều khiển lỗi hướng tới

FSAN Full Service Access Network hiệp hội mạng truy cập đầy đủ dịch vụ

FTTB fiber-to-the-building cáp quang đến tòa nhà

FTTCab fiber-to-the-cabinet cáp quang đến hộp cabinet

FTTH fiber-to-the-home cáp quang đến nhà

GEM GPON encapsulation mode chế độ đóng gói GPON

IP Internet Protocol giao thức Internet

NRZ Non Return-to-Zero không về zero

NT Network Termination thiết bị đầu cuối mạng

OFDM

Orthogonal

Frequency-Division Multiplexing đa truy cập phân chia theo tần số trực giao

6

OLT optical line terminal thiết bị đầu cuối đường truyền quang

ONT optical network terminal thiết bị đầu cuối mạng quang

ONU optical network unit đơn vị đầu cuối mạng quang

PON passive optical network mạng quang thụ động

PSTN

Public Switched Telephone

TDM time division multiplexing ghép kênh phân chia theo khe thời gian

Vertical Cavity Surface

Emitting Laser laser phát sóng bề mặt sử dụng hốc cộng hưởng dọc

WDM

wavelength divisoin

multiplexing ghép kênh phân chia theo bước sóng

XGM cross gain modulation điều chế độ lợi chéo

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 Lưu lượng IP toàn cầu phân chia theo loại thiết bị [1] 12

Hình 2 Lưu lượng mạng metro so sánh với mạng longhaul [1] 13

Hình 3 Cấu trúc mạng truy cập [2] 13

Hình 4: Qua trình phát triển của PON 21

Hình 5: Cấu trúc của GPON 22

Hình 6: Phương pháp phân bố khe thời gian a/cố định và b/theo yêu cầu 24

Hình 7: Thời gian off-set tại mỗi ONU 25

Hình 8: So sánh cấu trúc cơ bản của TDM-PON và WDM-PON 26

Hình 9: Sơ đồ khối một hệ thống WDM-PON đơn giản 27

Hình 10: Một số hệ thống WDM-PON đã được triển khai 28

Hình 11: Kiến trúc WDM-PON định tuyến theo bước sóng 32

Hình 12: Kiến trúc WDM-PON broadcast-and-select 34

Hình 13: Kiến trúc vòng WDM-PON 35

Hình 14: Hệ thống WDM-PON dùng laser thay đổi được bước sóng 37

Hình 15: Hệ thống WDM-PON dùng nguồn sáng phổ rộng và bộ lọc 38

Hình 16: Hệ thống WDM-PON dùng nguồn sáng phổ rộng và RSOA 40

Hình 17: Hệ thống WDM-PON dùng nguồn tái điều chế và RSOA 41

Hình 18: Phản xạ trong WDM-PON, a) do tán xạ Rayleigh, b) do điểm phản xạ X và tán xạ Rayleigh 43

Hình 19: Ảnh hưởng của phản xạ trong truyền dẫn hai chiều cùng bước sóng 44

Hình 20: Đặc tuyến độ lợi khuếch đại của RSOA 45

Hình 21: Đặc tuyến công suất ra theo dòng lái của RSOA 45

Hình 22: Cấu trúc cơ bản của SOA 47

Hình 23: điều chế độ lợi chéo 49

Hình 24: Hệ thống logic quang học dùng SOA [45] 50

Hình 25: Hệ thống logic NOT quang học có chuyển đổi bước sóng 51

Hình 26: Tín hiệu ánh sáng điều chế 52

Hình 27: Tín hiệu ngõ ra λp (trái) và phổ tín hiệu ngõ ra (phải) 53

Hình 28: Hệ thống logic NOT quang học không có chuyển đổi bước sóng 54

Hình 29: Tín hiệu điều chế ở chiều truyền từ trái sang phải 55

Hình 30: Tín hiệu điều chế ở chiều truyền từ phải sang trái 55

Hình 31: Tín hiệu NOT ngõ ra không thay đổi bước sóng 56

8

Hình 32: Giản đồ chòm sao của QPSK 57

Hình 33: Sơ đồ khối điều chế QPSK 57

Hình 34: Sơ đồ điều chế và giải điều chế QPSK trong miền quang 58

Hình 35: Sơ đồ mô phỏng bộ điều chế QPSK 59

Hình 36: Chuỗi tín hiệu bit ban đầu 60

Hình 37: Chuỗi tín hiệu điện I (trái) và Q (phải) 60

Hình 38: chuỗi tín hiệu quang tổng hợp 60

Hình 39: Giản đồ chòm sao của tín hiệu điện 61

Hình 40: Hệ thống điều chế và giải điều chế QPSK 62

Hình 41: Giải điều chế tín hiệu I và Q 63

Hình 42: Giải điều chế tín hiệu QPSK 63

Hình 43: Tín hiệu quang QSPS sau khi điều chế (trái) và khi đến bộ thu (phải) 64

Hình 44: Tín hiệu điện I (trái) và Q (phải) 64

Hình 45: Chuỗi dữ liệu ban đầu (trái) và sau khi giải điều chế (phải) 65

Hình 46: Giản đồ chòm sao của tín hiệu QAM 65

Hình 47: Sơ đồ khối điều chế QAM 66

Hình 48: sơ đồ khối giải điều chế QAM 66

Hình 49: Sơ đồ điều chế và giải điều chế QAM trong miền quang 67

Hình 50: Sơ đồ mô phỏng bộ điều chế 16-QAM 68

Hình 51: Chuỗi tín hiệu quang I (trái) và Q (phải) 68

Hình 52: Chuỗi tín hiệu quang 16-QAM 69

Hình 53: Sơ đồ mô phỏng bộ giải điều chế 16-QAM 69

Hình 54: Chuỗi bit ban đầu (trái) và sau khi giải điều chế )phải) 70

Hình 55: Giản đồ chòm sao ban đầu (trái) và sau khi giải điều chế )phải) 70

Hình 56: Hệ thống WDM-PON tái điều chế tín hiệu 71

Hình 57: (a) tín hệu hướng xuống và (b) nhiễu xuyên kênh tồn tại trong tín hiệu hướng lên 72 Hình 58: Sơ đồ hệ thống giảm nhiễu xuyên kênh tại ONU 73

Hình 59: Sơ đồ cổng NOT đơn giản dùng XGM trong SOA 74

Hình 60: Lưu đồ giải thuật tính toán BER hướng lên 76

Hình 60: Tín hiệu hướng xuống dạng NRZ và (a) tín hiệu điều chế hướng lên nhánh trên, (b) tín hiệu điều chế hướng lên nhánh dưới, (c) tín hiệu hướng lên 80

Hình 61: tín hiệu hướng xuống dạng 16-QAM và (a) tín hiệu điều chế hướng lên nhánh trên, (b) tín hiệu điều chế hướng lên nhánh dưới, (c) tín hiệu hướng lên 82

Hình 62: logBER hướng lên theo tốc độ bit hướng xuống với chiều dài tuyến 100 km 83

9

Hình 63: logBER hướng lên theo chiều dài tuyến với tốc độ bit hướng xuống 10 Gbps 84 Hình 64: Đồ thị mức độ tương tác của tốc độ bit hướng xuống, tốc độ bit hướng lên và chiều dài tuyến ảnh hưởng đến logBER 85

10

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1: So sánh thông số kỹ thuật của PON 21 Bảng 2: Giá trị I và Q 58

11

LỜI CẢM ƠN

Chân thành cám ơn hỗ trợ kinh phí từ Đại học Quốc gia TPHCM và những hỗ trợ về chuyên môn của khoa Điện – Điện tử, bộ môn Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TPHCM trong quá trình thực hiện đề tài này

hãng Cisco vào năm 2014 [1], lưu lượng theo giao thức internet (Internet Protocol – IP) toàn

cầu tăng gấp năm lần từ năm 2008 đến năm 2013 và sẽ tăng thêm gấp ba lần nữa từ năm 2013 đến năm 2018 Cụ thể, lưu lượng IP toàn cầu sẽ là 51 exabytes/tháng (1 zettabytes = 1018bytes) vào năm 2013 và tăng lên 132 exabytes/tháng vào năm 2018

Hình 1 Lưu lượng IP toàn cầu phân chia theo loại thiết bị [1]

Hình 1 thể hiện dự đoán trên, với tổng số lưu lượng IP hàng tháng được phân chia theo loại thiết bị truy cập Ngoài sự gia tăng đòi hỏi về lưu lượng, điều đáng lưu ý là lưu lượng từ các thiết bị không dây và di động sẽ nhiều hơn lưu lượng từ các thiết bị có dây và hơn một nửa tổng lưu lượng sẽ bắt nguồn từ các thiết bị không phải là máy tính truyền thống Điều này có thể thấy rõ ràng với việc bùng nổ các thiết bị di động, điện thoại thông minh và máy tính bảng trong vài năm gần đây

mạng long-haul (mạng kết nối giữa các vùng trong một quốc gia hay giữa các quốc gia) [1]

Cụ thể, trong khi lưu lượng IP của các mạng long-haul chỉ tăng gấp đôi từ 26 exabyte/tháng

14

lên 50 exabyte/tháng, lưu lượng IP của các mạng metro và mạng truy cập (access) tăng gần ba lần từ 51 exabyte/tháng lên 132 exabyte/tháng Dự đoán trên được thể hiện trong Hình 2 Chính điểm đặc biệt này đã dẫn đến yêu cầu thực tế trong việc nâng cấp các hệ thống mạng hiện tại về mặt dung lượng và băng thông

Cụ thể hiện nay ở Việt Nam, các mạng truy cập cáp đồng đang được thay thế nhanh chóng bằng mạng cáp quang Các công ty dịch vụ viễn thông lớn như VNPT, Viettel, và gần đây là Mobiphone và SCTV đang triển khai dịch vụ cáp quang đến tận gia đình, thông qua hệ thống FTTX (fiber-to-the-X) Tùy thuộc vào điều kiện thực tế như yêu cầu tốc độ phía thuê bao, chi phí lắp đặt mới đường cáp, thiết bị thu phát và hạ tầng cáp đồng đang sử dụng, phía nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai hệ thống mạng truy cập toàn quang (fiber to the home - FTTH) hoặc mạng truy cập kết hợp với cáp đồng (fiber to the building – FTTB hoặc FTTCab – fiber

to the cabinet) Hình 3 thể hiện các cấu trúc trên theo khuyến nghị của Hiệp hội viễn thông

quốc tế ITU-T 984.1 [2]

Trong vài năm gần đây, thay vì dùng hệ thống FTTX truyền thống, trong đó tín hiệu quang cho mỗi người dùng được ghép kênh / tách kênh theo thời gian nhờ các bộ chuyển mạch, các công ty trên đang triển khai mạng quang truy cập thụ động (Passive Optical Network - PON) Trong PON, tín hiệu quang từ phía nhà cung cấp (Optical Line Terminal – OLT) truyền đến phía người dùng dịch vụ (Optical Network Unit – ONU hoặc Optical Network Termination - ONT) một cách trực tiếp không thông qua bất kỳ thiết bị nào cần sử dụng điện hoặc biến đổi quang điện trên tuyến truyền Nhờ vậy, số lượng bộ transceiver và yêu cầu cung cấp điện dọc theo tuyến truyền được giảm nhẹ Trong hai mô hình mạng PON phổ biến hiện nay, loại G-PON được triển khai ở Việt Nam nhờ tốc độ đường xuống và đường lên cao hơn loại E-PON Tiêu chuẩn về G-PON có thể được tham khảo theo ITU-T G.984

Tuy tiết kiệm được chi phí so với mô hình FTTX trước đây, PON cũng tồn tại một số điểm yếu Bản chất của PON là lợi dụng tính chất suy hao thấp của sợi quang, trong đó tín hiệu đường xuống của được ghép kênh theo thời gian và chia đều về mặt công suất cho mọi người dùng Cách làm này dẫn đến một số vấn đề như tính bảo mật thấp, hạn chế số người dùng vì không đủ công suất đầu thu, đồng bộ khó khăn do khoảng cách các người dùng là khác nhau, hiệu suất sử dụng laser thấp do các laser phải hoạt động ở chế độ burst, tốc độ hạn chế do giới hạn về khe thời gian v.v Hiệu suất sử dụng kênh truyền vì thế khá thấp do cần nhiều thời gian bảo vệ và chống chồng lấn tín hiệu giữa các kênh Thực tế, ITU-T G.984.2 khuyến nghị tốc độ cả hai hướng truyền giới hạn ở mức 2,5 Gbps và chiều dài tối đa giới hạn ở mức 20 km

[3]

15

Các nghiên cứu về thế hệ tiếp theo của PON hiện đang tập trung vào mạng quang thụ động ghép kênh theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Netowrk -

WDM-PON) [4] Trong mô hình này, mỗi người dùng có một bước sóng riêng Do đó, các vấn

đề như bảo mật, đồng bộ khe thời gian giữa người dùng, thất thoát công suất, khe thời gian cố định, laser hoạt động ở chế độ burst như đã nêu sẽ không còn Tuy nhiên, WDM-PON lại làm nảy sinh một vấn đề mới Cách ghép kênh theo bước sóng truyền thống trong mạng đường trục, khi mỗi bộ thu phát được cấp một nguồn laser với một bước sóng riêng biệt, không khả thi về mặt kinh tế khi triển khai đến từng hộ gia đình trong mạng truy cập Để tiết kiệm số nguồn laser phía người dùng và sử dụng hiệu quả số bước sóng cho phép, ONU có thể hoạt động ở mọi bước sóng (colorless ONU) là cực kì cần thiết cho WDM-PON

2 Mục đích nghiên cứu:

Một trong các phương pháp phổ biến để tạo colorless ONU là tái sử dụng ánh sáng của tín hiệu hướng xuống từ OLT để điều chế tín hiệu hướng lên từ ONU Như vậy, việc cấp phát bước sóng sẽ do OLT chủ động và ONU của mọi người dùng là giống nhau

Bản thân việc tái điều chế này đưa đến vấn đề mà đề tài này góp phần giải quyết, đó là nhiễu xuyên kênh giữa hai hướng truyền Nhiễu xuyên kênh này được tạo ra từ hai nguyên nhân: i/ tín hiệu hướng xuống còn lại trong ánh sáng dùng tái điều chế ở ONU; ii/ tán xạ ngược Rayleigh dọc theo tuyến truyền Như trình bày trong các chương sau, đa số các nghiên cứu hiện nay chỉ tập trung vào giảm tán xạ ngược mà chưa chú ý nhiều đến vấn đề tái điều chế Đề tài này đề nghị một phương thức giảm nhiễu xuyên kênh do tái điều chế tại ONU sử dụng xử

lý toàn quang, từ đó nâng cao chất lượng kênh truyền WDM-PON

3 Tóm tắt nội dung báo cáo

Một cách tổng quan, báo cáo này đề xuất một phương pháp xử lý toàn quang nhằm giảm nhiễu xuyên kênh do tái điều chế tín hiệu trong mạng WDM-PON Báo cáo được chia làm sáu chương

Chương đầu tiên đưa ra các yêu cầu thực tế hiện nay của việc phát triển và nâng cấp mạng truy cập quang Yêu cầu này thể hiện cụ thể qua các thống kê và dự đoán của Cisco và qua thực tế triển khai hiện nay của các nhà cung cấp dịch vụ mạng tại Việt Nam Theo yêu cầu này, cách giải quyết hiện nay bằng hệ thống mạng truy cập quang thụ động đã bước đầu đáp ứng được đòi hỏi về lưu lượng Hệ thống WDM-PON, được xem như bước phát triển kế tiếp của mạng truy cập quang thụ động, giải quyết được các yếu điểm của hệ thống hiện tại nhưng

Chương ba giới thiệu về bộ logic NOT quang học Trong đó, thiết bị chủ chốt để tạo thành bộ NOT là bộ khuếch đại quang bán dẫn sẽ được giới thiệu Chương này cũng trình bày các sơ đồ

và mô phỏng về bộ NOT Trong đó, bộ NOT truyền thống đã được báo cáo này cải tiến để thực hiện chức năng NOT mà không làm thay đổi bước sóng

Chương bốn giới thiệu về cách điều chế và giải điều chế tín hiệu QPSK và QAM quang học Sau khi trình bày lý thuyết cơ bản, hệ thống điều chế và giải điều chế cho các tín hiệu trên được xây dựng mô hình và mô phỏng trong chương này Chương ba và chương bốn sẽ đóng góp các khối để ứng dụng vào chương năm

Chương năm là phần quan trọng nhất của báo cáo Trong chương này, phương pháp triệt nhiễu xuyên kênh dùng xử lý toàn quang được trình bày và giải thích chi tiết Quá trình giải thích sẽ

đi từ sơ đồ khối tổng quát đến chức năng của từng khối cụ thể Các thông số và yêu cầu theo thực tế của từng thiết bị cũng sẽ được giải thích và ghi chú nhằm phục vụ cho việc thiết kế hệ thống bằng phần cứng sau này Các kết quả mô phỏng sẽ được trình bày và phân tích để thể hiện khả năng hoạt động, điểm mạnh và điểm yếu của phương pháp được đề nghị trong báo cáo này

Cuối cùng chương sáu đưa ra kế luận chung và các khuyến nghị cho việc phát triển và mở rộng đề tài

4 Phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu trong đề tài này được giới hạn ở mạng WDM-PON sử dụng phương pháp tái điều chế tín hiệu hướng xuống Số kênh được mô phỏng là một kênh, do đó các hiện tượng phi tuyến xuyên kênh không được đề cập Nhiễu xuyên kênh do hiện tượng tán xạ Rayleigh cũng không được ước lượng do đề tài tập trung vào nhiễu xuyên kênh do tái điều chế Các thông số

hệ thống như chiều dài tuyến, công suất phát, tốc độ bit, yêu cầu tỉ lệ lỗi bit (Bit Error Rate – BER) được tham khảo theo tiêu chuẩn ITU-T G.984 của mạng G-PON đang triển khai hiện nay ở Việt Nam

17

5 Các đóng góp của đề tài:

Đề tài có các đóng góp như sau:

 Thiết kế mô hình giảm nhiễu xuyên kênh cho mạng WDM-PON dùng phương pháp tái điều chế tín hiệu dùng phương pháp xử lý tín hiệu toàn quang

 Phân tích khả năng hoạt động của mô hình trên cho dạng tín hiệu NRZ đang sử dụng cho chuẩn G-PON triển khai ở Việt Nam

 Phân tích khả năng hoạt động của mô hình trên cho dạng tín hiệu QPSK đang sử dụng các mạng truy cập quang tốc độ cao thế hệ kế tiếp

 Phân tích khả năng hoạt động của mô hình trên cho dạng tín hiệu QAM đang được nghiên cứu để cải tiến tốc độ mạng truy cập quang tốc độ cao trong tương lai

 So sánh và phân tích khả năng cải thiện chất lượng hệ thống so với các công bố khoa học có liên quan và so với chuẩn G-PON hiện nay

 Đề xuất mô hình bộ logic NOT toàn quang không chuyển đổi bước sóng

18

Chương II MẠNG TRUY CẬP QUANG THỤ ĐỘNG

1 Lịch sử phát triển của mạng truy cập quang thụ động

Theo truyền thống, tín hiệu thoại, tín hiệu quảng bá và dữ liệu được phân phối tới thuê bao qua các hệ thống mạng khác nhau như mạng chuyển mạch điện thoại (Public Switched Telephone Network - PSTN), mạng truyền hình cáp (Community Access Television – CATV)

và các kênh thuê bao số (Digital Subscriber Line – DSL) Trong những năm đầu của thế kỷ

21, các dịch vụ trên được kết hợp trên một môi trường và hệ thống mạng duy nhất với tên gọi

là triple-play-service Đến cuối thập kỷ đầu tiên, tức khoảng 2010, các hệ thống triple-play đã trở thành dịch vụ phổ biến được cung cấp bởi các nhà cung cấp dịch vụ Ví dụ cụ thể là dịch

vụ triple-play của BT (Vương quốc Anh), Orange (Pháp), NTT (Nhật Bản) và AT&T (Mỹ) Yêu cầu băng thông cao của dịch vụ kết hợp này dẫn đến yêu cầu nâng cấp hạ tầng hệ thống mạng Mạng quang, với đặc điểm nổi bật về băng thông và mức nhiễu thấp, trở thành lựa chọn hàng đầu với công nghệ FTTX

Từ khi sợi quang ra đời, đã có nhiều công trình nghiên cứu để sử dụng sợi quang cho những dịch vụ truy cập đòi hỏi băng thông rộng [5-8] Vào năm 1976, Fiber-To-The-Home (FTTH) lần đầu tiên được thử nghiệm, tuy tín hiệu có bị suy hao (1 dB/km) nhưng không đáng kể

[5,6,7] Tuy nhiên, vào thời điểm đó sợi quang chỉ được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

do chi phí đầu tư cao và nhu cầu sử dụng những dịch vụ băng rộng còn quá thấp Cùng với các phát triển về công nghệ chế tạo, công nghệ vật liệu và thiết bị quang học, mạng quang đã được ứng dụng rộng rãi với tốc độ phát triển chóng mặt từ những năm 1990 Hiện nay, FTTH đang trải qua quá trình phát triển nhanh chóng với số lượng thuê bao trên toàn thế giới lên đến 67

bao cần một cáp quang riêng biệt Giả sử có N thuê bao, số lượng cáp cần thiết sẽ tăng lên N+1 Số lượng transceiver tăng lên 2N+2 (2 transceiver cho liên kết OLT đến RN, và 2N

19

transceiver cho N liên kết từ RN đến N thuê bao) Dù số lượng sợi quang tăng lên, chiều dài

cáp quang tổng cộng sẽ giảm do kết nối từ RN đến thuê bao thường ngắn Nhờ vậy, chi phí lắp đặt thêm thuê bao sẽ giảm bớt so với cách kết nối điểm-điểm Hiện nay, chiều dài tuyến từ OLT đến RN khoảng 70 km và chiều dài tuyến từ RN đến ONU / ONT khoảng 20 km Tuy nhiên, bộ chuyển mạch hoạt động trên miền điện dẫn đến các hạn chế về mặt nhu cầu cung cấp năng lượng, giới hạn tốc độ chuyển đổi quang điện và yêu cầu bảo trì định kỳ

Để giảm giá thành phát triển và bảo trì hệ thống, khái niệm mạng truy cập quang thụ động ra đời Trong mạng truy cập quang thụ động, tín hiệu cũng được truyền từ OLT đến RN trên một

sợi quang và từ RN đến N thuê bao bằng N sợi quang Tuy nhiên Thay vì sử dụng bộ chuyển

mạch tại RN, bộ chia công suất quang sẽ được sử dụng Bộ chia công suất được xếp vào loại thiết bị thụ động trong lĩnh vực truyền dẫn quang Trong đó, định nghĩa thụ động là thiết bị quang hoạt động mà không cần cung cấp năng lượng điện Ví dụ về thiết bị thụ động là bộ

chia công suất, bộ tách ghép kênh, bộ circulator, bộ isolator, bộ attenuator v.v [9] Ví dụ về

thiết bị chủ động là bộ nguồn laser, bộ điều chế ánh sáng, bộ khuếch đại ánh sáng và bộ thu ánh sáng Do từ phía OLT đến người dùng hoàn toàn không dùng thiết bị chủ động, cấu trúc mạng truy cập quang này được đặt tên là mạng quang thụ động (Pasive optical network –

PON) So với cấu trúc truyền thống của FTTX, PON chỉ cần dùng N+1 bộ transceiver cho N

người dùng và tránh được các yêu cầu cung cấp năng lượng, bảo trì nâng cấp và chuyển đổi quang điện tại các RN

Việc chuẩn hóa PON được bắt đầu từ những năm 1990 khi các nhà cung cấp dịch vụ dự đoán được đòi hỏi về băng thông đang tăng lên nhanh chóng Vào năm 1995, hiệp hội mạng truy cập đầy đủ dịch vụ (Full Service Access Network – FSAN) được thành lập bao gồm các công

ty viễn thông quốc tế lớn như British Telecom (Vương quốc Anh), NTT (Nhật Bản) và Bell South (Mỹ) Hiệp hội này có mục đích chuẩn hóa các yêu cầu chung về yêu cầu kỹ thuật cũng như dịch vụ cung cấp trên một mạng truy cập PON Mục tiêu chủ yếu là ước lượng về chi phí

và giảm giá thành cho mạng truy cập quang bằng cách tìm các thỏa thuận chung về tiêu chuẩn Các khuyến nghị của FSAN sau này đã được ITU-T đưa vào chuẩn PON sơ khai là ITU-T G.983 Chuẩn này có tên gọi là mạng quang thụ động băng rộng (Broadband PON – BPON) Chuẩn G.983 khuyến nghị tốc độ hướng xuống từ OLT đến ONT/ONU là 622 Mbps và tốc độ hướng lên từ ONT/ONU đến OLT là 155 Mbps hoặc 622 Mbps Mỗi tín hiệu từ OLT có thể được chia cho tối đa 32 ONT/ONU với khoảng cách tối đa là 20 km Chuẩn BPON sử dụng phương pháp ghép kênh theo khe thời gian (Time Division Multiplexing - TDM) và định dạng

1550 nm được sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu truyền hình analog hướng xuống và bước sóng

1310 nm được sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu dữ liệu hướng lên Các tiêu chuẩn ban đầu của BPON chỉ bao gồm kiến trúc mạng và tính chất môi trường truyền, các yếu tố về điều khiển và quản lý bị bỏ trống trong một thời gian dài Chuẩn BPON chỉ được triển khai và thử nghiệm rất hạn chế

Trong những năm sau đó, chuẩn Ethernet trở thành chuẩn được ưu chuộng để đóng gói tin theo giao thức Internet (IP) Vào năm 2001, nhóm chuẩn hóa IEEE 802.3 đưa ra tiêu chuẩn 802.3ah Đây là tiêu chuẩn dành cho mạng Ethernet ở điểm phân chia trong mạng truy cập, trong đó bao gồm chuẩn truyền dẫn khung Ethernet trong cấu trúc PON điểm-đa điểm Do sử dụng khung Ethernet thay vì khung ATM, chuẩn này còn có tên gọi là EPON Chuẩn IEEE 802.3ah được hoàn thiện vào năm 2004, trong đó quy định tốc độ truyền hướng xuống và hướng lên là 1 Gbps với khoảng cách truyền tối đa 20 km và chia tín hiệu cho tối đa 16 thuê bao Trong thời gian đầu, EPON được triển khai nhanh chóng ở khu vực Đông Á, đặc biệt là Nhật Bản và Hàn Quốc, trong đó điển hình là mạng FTTH sử dụng EPON của NTT Tuy nhiên, EPON không được ưa chuộng ở khu vực Bắc Mỹ

Trong cùng thời gian đó, ITU-T cũng đang định chuẩn cho thế hệ tiếp theo của BPON Kết quả của việc này là chuẩn ITU-T G.984 cho mạng Gigabit PON (Gigabit-capable PON – GPON) GPON tăng tốc độ truyền dẫn hướng xuống lên 2,5 Gbps và hướng lên đến 1,25 hoặc 2,5 Gbps Ngoài ra, GPON dùng một phương thức định dạng khung riêng với tên gọi là chế độ đóng gói GPON (GPON encapsulation mode – GEM) GPON được chọn làm chuẩn vởi Verizon, AT&T và Bell South vào năm 2003 Mục đích chủ yếu là cung cấp dịch vụ triple-play Hiện nay, GPON đang được triển khai nhanh chóng ở Việt Nam bởi các nhà cung cấp dịch vụ lớn như VNPT, Viettel và SCTV

Hình 4 thể hiện quá trình phát triển của mạng PON Các thông số kỹ thuật của BPON, EPON

và GPON được so sánh trong bảng 1

21

Hình 4: Qua trình phát triển của PON Bảng 1: So sánh thông số kỹ thuật của PON

Tốc độ truyền

(Mbps )

Xuống: 155, 622,

1244 Lên: 155, 622

Xuống: 1250 Lên: 1250

Xuống: 1244, 2488 Lên: 155, 622, 1244,

2488

(ITU-T G.652)

Đơn mode (ITU-T G.652)

Đơn mode (ITU-T G.652)

Số sợi quang trên

Xuống:1480-1500 Lên: 1260-1460 Video:1550-560

Cho 1 sợi:

Xuống:1480-1500 Lên: 1260-1360 Video:1550-1560 Cho 2 sợi:

22

Xuống:1260-1360 Lên: 1260-1360 Video:1550-1560

Xuống:1260-1360 Lên: 1260-1360 Video:1550-1560

Số splitter tối đa

cho mỗi ONT

GPON [10], định nghĩa trong các tiêu chuẩn G.984, là tiêu chuẩn nâng cao của BPON như đã

đề cập Do đó, nó kế thừa và nâng cấp hầu hết các tính chất của BPON GPON hỗ trợ tốc độ cao hơn, bảo mật tốt hơn và hỗ trợ lựa chọn cách đóng khung ATM, Ethernet hoặc GEM GPON tăng được băng thông cũng như hiệu quả sử dụng băng thông nhờ khả năng hỗ trợ gói lớn có chiều dài thay đổi được, vốn là điển hình cho lưu lượng dữ liệu trên mạng IP Tốc độ hướng xuống và hướng lên tăng lên đén 2,5 Gbps Cách đóng gói GEM có thể tích hợp được lưu lượng của nhiều thuê bao và hỗ trợ cả chức năng phân mảnh như IP để giảm thời gian trễ

và tăng chất lượng vụ cho các ứng dụng nhạy cảm với trễ gói như thoại hoặc video

Hình 5: Cấu trúc của GPON

23

Cấu trúc của GPON được thể hiện trong Hình 5 Trong đó, một OLT được kết nối với 2 ONU Hướng xuống được truyền theo dạng phát quảng bá, tín hiệu hướng xuống được chia đều cho các ONU tại RN bằng bộ chia công suất Tín hiệu hướng xuống được ghép kênh theo kỹ thuật TDM với khe thời gian cho mỗi khung là 125 s Số lượng byte trong một khung phụ thuộc vào tốc độ bit đang sử dụng Chẳng hạn, một khung có thể chứa 19440 byte cho tốc độ truyền 1,25 Gbps hoặc 248832 byte cho tốc độ 2,5 Gbps Trong các tiêu chuẩn mở rộng của GPON, tốc độ này có thể cao hơn Gói truyền xuống dạng GEM có thể chứa các khung ATM, khung Ethernet hoặc hỗn hợp cả hai loại khung trên Bước sóng sử dụng là 1490 nm

Hướng lên được truyền theo dạng điểm-điểm, với tín hiệu của mỗi ONU được truyền trực tiếp đến OLT và ghép công suất tại RN Tín hiệu hướng lên cũng được ghép kênh theo kỹ thuật TDM với khe thời gian cho mỗi khung là 125 s Gói truyền xuống dạng GEM có thể chứa các khung ATM, khung Ethernet nhưng không được là hỗn hợp cả hai loại khung trên Bước sóng sử dụng là 1310 nm Đối với hường truyền này, do nhiều ONU cần kết nối với OLT trên cùng một sợi quang và thông qua bộ ghép công suất, một ONU không thể thực hiện kiểu kết nối điểm-điểm trực tiếp đến ONU khác Do đó, các ONU không thể phát hiện đụng độ trên môi trường truyền theo hướng truyền lên, các giao thức truy cập đường truyền rất khó thực hiện Để giải quyết vấn đề này, việc sử dụng băng thông và số lượng khe thời gian được cấp phát trực tiếp từ OLT Để nâng cao hiệu suất sử dụng đường truyền, mỗi ONU không được cấp một khe thời gian cố định mà phụ thuộc vào yêu cầu tại từng thời điểm của ONU Một ví

dụ được thể hiện trong Hình 6 Trong Hình 6.a, mỗi ONU được cấp một khe thời gian cố định,

dù lưu lượng của ONU2 nhiều hơn của ONU1 và ONU3, ONU2 bắt buộc phải chờ đợi đến lượt khe thời gian của mình để truyền tín hiệu Trong Hình 6.b, khi số lượng khe thời gian được OLT cấp phát tùy thuộc như cầu lưu lượng, hiệu suất sử dụng đường truyền được cải thiện khi không còn khe thời gian trống không xử dụng

Theo quy đinh của ITU-T, mã đường truyền cho cả hai hướng là mã NRZ, với BER chấp nhận được là 10-10 Cấu trúc gói GEM và các trường của nó không được đề cập đến trong báo cáo này Vấn đề được nêu ra và giải quyết trong đề tài này liên quan đến việc xử lý tin hiệu trong lớp vật lý của mô hình OSI, định dạng gói cũng như địa chỉ gói nằm ở lớp liên kết dữ liệu của

mô hình OSI và nằm ngoài phạm vi nghiên cứu

24

Hình 6: Phương pháp phân bố khe thời gian a/cố định và b/theo yêu cầu

Trong thực tế, do đây là cấu trúc mạng truy cập, chiều dài từ RN đến mỗi ONU có quyền khác biệt nhau Yêu cầu thực tế này, kết hợp với cách thức hoạt động của GPON, dẫn đến một số

vấn đề sau [11]

 Việc chia nhỏ công suất đường xuống đến mọi ONU thông qua bộ chia công suất vừa

là điểm mạnh cũng vừa là điểm yếu của GPON Điểm mạnh thể hiện ở việc giảm giá thành bộ chuyển mạch, tránh được yêu cầu chuyển đổi quang điện và yêu cầu cung cấp năng lượng tại mỗi RN Nhưng điểm yếu là công suất đường truyền của mỗi kết nối

OLT-ONU sẽ bị giảm đi đáng kể Một bộ chia công suất lý thưởng 1:N sẽ làm giảm đi 10log(N) dB công suất Như vậy, theo Shannon, với yêu cầu BER và tốc độ bit cho

trước cho trước, chiều dài tuyến hoặc số ONU bị giới hạn Việc chia số lượng ONU nhiều hơn sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế do lợi nhuận từ phía thuê bao nhỏ hơn chi phí của các bộ thu độ nhạy cao Thực tế, tỉ lệ chia lý tưởng nên nhỏ hơn1:40 Một

hệ thống GPON điển hình có tỉ lệ chia công suất ở RN là 1:16 đến 1:32

 Cách chia công suất theo hướng xuống cũng đồng thời dẫn đến vấn đề về bảo mật Do hướng xuống phát theo cách quảng bá, mỗi ONU nhận được gói truyền xuống của mọi ONU khác Để bảo đảm tính bảo mật và riêng tư, GPON cần một phương thức mã hóa phù hợp Cách thực hiện mã hóa sẽ là OLT gửi một thông điệp trao đổi từ khóa bảo mật cho ONU và ONU tạo từ mã và gửi lại cho OLT Do hướng lên tín hiệu quang chỉ

đi theo một chiều, tính chất vật lý của ánh sáng khiến các ONU khác không thể biết

25

được từ mã này Dựa vào từ mã thu được, OLT sẽ mã hóa gói tin theo định dạng gói

16 byte và truyền đi ONU có được từ mã tương ứng sẽ giải mã được gói tin này Độ khó giải mã của cách bảo mật này không cao và thông thường cần có các mã hóa ở các lớp cao hơn để hỗ trợ cho vấn đề bảo mật

Hình 7: Thời gian off-set tại mỗi ONU

 Do các mỗi kết nối OLT-ONU có khoảng cách khác nhau, việc xác định khoảng cách

là cần thiết để bảo đảm các gói của mỗi ONU đến đúng vào khe thời gian đã định trước Để làm được điều nàu, OLT cần tính toán được thời gian truyền cho từng ONU Trong GPON, quá tình này được thực hiện bằng cách gửi một gói tin định trước đến từng ONU Gói trả lời của từng ONU sẽ được OLT thu nhận và tính toán thời gian truyền khứ hồi Giá trị này được dùng để tính toán thời gian off-set cần thiết cho mỗi ONU Các ONU ở càng gần thì thời gian off-set càng lớn và ngược lại Thời gian off-set này sẽ quy định thời gian chờ từ lúc ONU nhận được gói đến lúc nó có thể trả lời Như vậy, trong miền thời gian, tín hiệu đến OLT của các ONU sẽ tuần tự theo đúng khe thời gian đã định trước Cách làm này hiển nhiên dẫn đến hiệu suất sử dụng đường truyền thấp Mô hình tính toán và thêm off-set của GPON được thể hiện trong Hình 7

3 Mạng WDM-PON

Như đã trình bày, công nghệ PON hiện tại chủ yếu sử dụng kỹ thuật TDM, trong đó mỗi khe thời gian được gán tới mỗi thuê bao kết nối với OLT Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ đa phương tiện dẫn đến nhu cầu sử dụng băng thông rộng ngày càng cao Thực tế,

đã có nhiều nhà cung cấp dịch vụ đã sẵn sàng cung cấp tốc độ truy cập lên đến 1 Gbps cho

những thuê bao của họ [12] Ngoài ra, theo kế hoạch đến năm 2020 [13,14], tốc độ truy cập của mạng quang lên đến 10 Gb/s, năm 2030 tốc độ lên tới 100 Gb/s [15] Như vậy, TDM-PON

không thể đáp ứng được lưu lượng truy cập trên

26

Ý tưởng sử dụng kỹ thuật ghéo kênh theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing

WDM) trong mạng truy cập quang cũng đã bắt đầu vào những năm 1970 [16] So sánh cấu

trúc của TDM và WDM PON được thể hiện trong Hình 8 Như thể hiện trong hình vẽ, mạng PON vẫn cấu tạo gồm ba khối chính là OLT, RN và ONU Tuy nhiên, khối RN của WDM-PON được thay bằng bộ tách / ghép kênh thay vì bộ tách / ghép công suất Về bản chất, thay

vì mỗi ONU được chia một khe thời gian như trong TDM-PON, mỗi ONU được chia một bước sóng trong WDM-PON Như vậy, TDM-PON lợi dụng suy hao thấp của cáp quang để có thể chia nhỏ công suất mà vẫn bảo đảm mức BER nhấp nhận được ở ONU, còn WDM-PON lợi dụng băng thông rộng của cáp quang để có thể ghép nhiều luồng tín hiệu của các ONU vào một kênh truyền

Hình 8: So sánh cấu trúc cơ bản của TDM-PON và WDM-PON

27

Ở giai đoạn 1970, các đề xuất chủ yếu là phát triển và tích hợp mạng truy cập quang băng

rộng để cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau bằng cách sử dụng nhiều bước sóng khác nhau [17]

Vào những năm 1980, một số nỗ lực nghiên cứu đã chứng minh rằng mạng quang thụ động ghép kênh theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network -

WDM-PON) có thể cung cấp những dịch vụ với băng thông rộng [18] Tuy nhiên, việc thiết

lập WDM-PON trong thời điểm đó có chi phí rất cao Về mặt lịch sử phát triển, hệ thống WDM hiện tại dùng cho mạng đường trục cũng chỉ được thương mại hóa vào những năm

1990 Các trở ngại trong thời gian đầu nằm ở chi phí nguồn laser còn đắt đỏ và độ ổn định nguồn chưa cao Thiết bị thu cũng chưa có độ nhạy cao như hiện tại do chưa có các tiến bộ về mặt vật liệu

Hình 9: Sơ đồ khối một hệ thống WDM-PON đơn giản

Hình 9 thể hiện sơ đồ khối của một cấu trúc WDM-PON đơn giản [19,20] Trong hướng

truyền xuống, mỗi liên kết OLT-ONU sẽ sử dụng một bước sóng riêng biệt Giả sử có N thuê bao, phía OLT sẽ cần N nguồn phát sáng với bước sóng khác nhau để làm tín hiệu điều chế cho N luồng tín hiệu tương ứng N luồng ánh sáng điều chế hướng xuống này sẽ được ghép

kênh bằng thiết bị tách / ghép bước sóng để truyền chung trên một cáp quang đến RN Thông thường, mỗi bước sóng sẽ cách nhau 0,8 nm (khoảng 100 GHz) theo quy định của ITU-T Các bước sóng này sẽ nằm ở băng C (1530 nm đến 1565 nm) để lợi dụng cửa sổ suy hao thấp nhất trong băng thông của môi trường truyền cáp quang Như vậy, có khoảng 40 thuê bao có thể dùng chung một cáp quang nếu tuân theo các quy định chuẩn của ITU-T Tại RN, các bước sóng này sẽ được tách riêng biệt đến các cửa ra định trước của bộ tách / ghép bước Các tín hiệu đơn bước sóng sau bộ RN sẽ được đưa đến các ONU tương ứng Tại ONU, thiết bị

28

chuyển đổi quang / điện sẽ đảm nhận vai trò giải điều chế thành tín hiệu trong miền điện Về mặt lý thuyết, bộ thu của mỗi ONU sẽ khác biệt về bước sóng Về mặt thực nghiệm, do các bộ thu phổ biến hiện nay sử dụng bán dẫn InGaAs hoặc Ge có độ đáp ứng nằm trong khoảng băng C, nên bộ thu quang / điện của mỗi ONU là giống nhau

Đối với hướng truyền lên, mỗi kết nối ONU-OLT cũng cần một bước sóng khác biệt Điều này là cần thiết để bảo đảm các kênh truyền lên không gây nhiễu lẫn nhau Mỗi ONU, vì vậy, cần một nguồn sáng có bước sóng khác nhau làm tín hiệu điều chế hướng lên Các tín hiệu điều chế từ mỗi ONU sẽ được ghép kênh theo bước sóng tại RN Ánh sáng tổng hợp sẽ được truyền đến OLT Tại OLT, ánh sáng đa bước sóng này sẽ được tách kênh trở lại nhờ vào bộ ghép / tách bước sóng và đưa vào các bộ thu tương ứng Để phân biệt tín hiệu hướng xuống và hướng lên tại OLT và ONU, có thể sử dụng circulator hoặc đơn giản hơn là sử dụng các bộ tách / ghép công suất có định hướng

Hình 10: Một số hệ thống WDM-PON đã được triển khai Như vậy, có thể thấy rằng cả chiều truyền hướng xuống và hướng lên của WDM-PON đều là điểm-điểm chứ không phải truyền quảng bá như TDM-PON Ngoài ra, mỗi ONU của WDM-PON yêu cầu một nguồn sáng khác biệt chứ không phải cùng ở 1310 nm như TDM-PON Hai điểm này sẽ tạo thành điểm mạnh và điểm yếu của WDM-PON và cũng là điểm khiến các trung tâm nghiên cứu, trường đại học và viện nghiên cứu tập trung vào giải quyết trong nhiều năm qua

29

Hình 10 thể hiện một số nhà cung cấp dịch vụ mạng WDM-PON trên thế giới Như thể hiện trong hình vẽ, các mạng WDM-PON đã triển khai tại Nhật Bản và Hàn Quốc Các mạng WDM-PON hiện nay đang trong giai đoạn phát triển từ TDM-PON, với luồng TDM được ghép WDM Dù đã đưa vào vận hành ở một số quốc gia, các nghiên cứu để cải thiện điểm yếu

và phát triển điểm mạnh của WDM-PON vẫn được diễn ra mạnh mẽ trên thế giới

4 Điểm mạnh và điểm yếu của WDM-PON

Điểm mạnh:

Băng thông cho mỗi thuê bao cao: trong WDM-PON, mỗi thuê bao được gán một bước sóng riêng không chia sẻ cho những thuê bao khác Theo chuẩn ITU-T, mỗi kênh WDM có băng thông 100 GHz Thực tế, băng thông 3 dB của mỗi kênh sẽ bị giới hạn bởi đáp ứng tần số của

bộ ghép / tách bước sóng và thông thường sẽ nằm trong khoảng 50-70 GHz Đáp ứng của bộ thu và đáp ứng điều chế trực tiếp của nguồn laser hiện nay khiến dung lượng thực tế thấp hơn Tuy nhiên, do mỗi thuê bao được cấp một kênh quang riêng, dung lượng của mỗi thuê bao vẫn cao hơn rất nhiều dung lượng trong hệ thống TDM-PON truyền thống Do đó, việc triển khai các dịch vụ đòi hỏi dung lượng cao hoặc nâng cao chất lượng các dịch vụ có sẵn sẽ dễ dàng hơn

Khả năng bảo mật cao: như đã trình bày trong phần trên, hệ thống TDM-PON truyền thống rất yếu về mặt bảo mật Nguyên nhân là dữ liệu được phân kênh theo khe thời gian nhưng lại chia

dữ liệu đến thuê bao theo công suất Đối với WDM-PON, dữ liệu được phân kênh theo bước sóng và cũng được tách / ghép theo bước sóng Vì mỗi thuê bao sử dụng một bước sóng khác nhau, việc bảo mật nằm ở miền vật lý Do đó, mỗi thuê bao hoàn toàn không thể thu được tín hiệu từ thuê bao khác Ngoài ra, bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang không phát xạ điện từ nên không thể nghe lén dọc đường cáp quang

Suy hao thấp: đặc tính suy hao thấp là đặc tính được xem là đặc trưng của sợi quang Ở đây, suy hao thấp có ý nghĩa so sánh suy hao điểm-điểm từ OLT đến ONU của hệ thống WDM-PON và TDM-PON Trong hệ thống TDM-PON, bộ chia công suất gây ra suy hao rất lớn do tín hiệu truyền xuống từ OLT được chia đều cho mọi thuê bao Số lượng thuê bao càng cao, suy hao này càng lớn Điều này dẫn đến rất nhiều khó khăn như bộ thu phải có độ nhạy cao hơn, bộ phát phải có công suất cao hơn và yêu cầu kỹ thuật của việc lắp đặt và triển khai sẽ nghiêm ngặt hơn Việc tăng công suất phát cũng làm tăng các hiệu ứng phi tuyến tại khu vực sợi gần nguồn phát và làm giảm chất lượng đường truyền Đối với hệ thống WDM-PON, công suất truyền cho một thuê bao không bị chia sẻ cho các thuê bao khác Xét một đường truyền kéo dài 20 km theo chuẩn của GPON, một đường truyền WDM-PON có suy hao khoảng 4-6

Khoảng cách truyền dẫn xa hơn: việc này là hệ quả của suy hao thấp khi so sánh giữa PON và WDM-PON như đã trình bày phía trên Nếu dùng cùng loại bộ thu phát, công suất thu được của TDM-PON thấp hơn WDM-PON Như vậy, chiều dài cáp truyền dẫn có thể được kéo dài hơn Do suy hao thấp của sợi quang trong cửa sổ băng C, giảm được suy hao điểm-điểm 2 dB nghĩa là có thể tăng chiều dài truyền dẫn lên 10 km

TDM-Giao thức điều khiển truy cập môi trường truyền đơn giản hơn: đối với TDM-PON, OLT cần bảo đảm các ONU được cấp phát đủ số lượng khe thời gian theo yêu cầu dung lượng tại từng thời điểm Khoảng cách khác nhau của mỗi ONU đến OLT cũng khiến việc kết nối thêm một ONU vào hệ thống cần thông quá quá trình tìm hiểu về khoảng cách và độ trễ gói đến từng thuê bao như đã trình bày Cả hai việc này đều đòi hỏi các quá trình trao đổi và bắt tay riêng của OLT đến từng ONU và làm giảm hiệu suất sử dụng đường truyền Đối với WDM-PON,

do mỗi kết nối OLT-ONU là một kênh riêng biệt, nên hoàn toàn không cần các giao thức bắt tay và điều khiển truy cập môi trường truyền Điều này giúp cho giao thức truyền trên WDM-PON được đơn giản hóa và nâng cao hiệu suất sử dụng đường truyền do giảm được các gói tin điều khiển

Khả năng nâng cấp đơn giản hơn: do ghép kênh theo khe thời gian, để tăng tốc độ hoạt động của một thuê bao trong mạng TDM-PON cần phải nâng cấp tất cả các thiết bị ở trong mạng Ngoài ra, do khe thời gian là cố định, việc nâng cấp tốc độ truyền dẫn đến yêu cầu thay đổi nhiều thiết bị trên hệ thống Trong WDM-PON, tốc độ cho các thuê bao có thể được tăng lên phụ thuộc vào nhu cầu bằng cách thay thế những thiết bị có liên quan đến những thuê bao đó Trong suốt với dịch vụ: mỗi bước sóng có thể hoạt động với những tốc độ khác nhau, với những giao thức khác nhau Do đó, WDM-PON có thể được sử dụng cho tất cả các dịch vụ và giao thức khác nhau tùy theo yêu cầu của từng thuê bao

Có thể nói, tất cả những điểm yếu của TDM-PON nói chung và GPON nói riêng như suy hao cao, bảo mật kém, yêu cầu giao thức điều khiển truy cập môi trường, hiệu suất sử dụng băng thông kém v.v đều được khắc phục trong hệ thống WDM-PON Không những thế, WDM-PON còn tạo điều kiện cho việc phát triển và cung cấp các dịch vụ băng thông rộng trong

Đối với khái niệm mạng WDM truyền thống, mỗi kênh truyền được cấp một bước sóng riêng Thậm chí, mỗi hướng truyền được cấp một bước sóng riêng để tránh các hiệu ứng phi tuyến như tán xạ Rayleigh, tự điều chế pha v.v Như vậy, mỗi liên kết OLT-ONU cần ít nhất hai bước sóng để có thể hoạt động theo phương pháp ghép kênh theo bước sóng truyền thống Điều này dẫn đến yêu cầu mỗi bộ ONU cần có khả năng thu và phát ở hai bước sóng khác biệt Đồng thời, bước sóng thu và phát của tất cả các ONU cũng phải khác biệt Đối với bộ thu, đây không phải là một vấn đề lớn vì các bộ thu hiện tại có thể hoạt động được với nhiều bước sóng trong băng C Tuy nhiên, bộ phát yêu cầu các laser có độ rộng băng thông hẹp để bảo đảm chất lượng truyền tín hiệu Vì vậy, nguồn laser của mỗi ONU sẽ khác nhau Việc này dẫn đến hai vấn đề Thứ nhất, do các bộ thu phát ở phía ONU không giống nhau, việc sản xuất hàng loạt sẽ rất khó khăn và giá thành sẽ tăng cao Do ONU là thiết bị ở phía thuê bao, việc tăng giá thành thiết bị của thuê bao không phải là điều mong muốn khi triển khai hệ thống PON Thứ hai, nếu mỗi ONU cần một thiết bị thu phát riêng và vì một lý do nào đó công ty cung cấp thiết bị không tiếp tục sản xuất thiết bị thu phát của một bước sóng, việc bảo trì và nâng cấp thiết bị cho người dùng bước sóng đó sẽ khó khăn

5 Một số kiến trúc WDM-PON cơ bản

Do đặc điểm sử dụng cho mạng truy cập, kiến trúc mạng phổ biến của WDM-PON là kiến trúc mạng hình cây như đã thể hiện trong các mục trên Trong đó, về cơ bản giữa OLT và RN là một sợi dùng chung cho mọi kết nối OLT-ONU và những sợi quang riêng biệt kết nối từ RN đến mỗi ONU Về mặt chi tiết, các thiết bị và cấu trúc chi tiết có thể là khác nhau phụ thuộc vào từng loại nguồn quang, kích thước mạng, những dịch vụ, mô hình bảo vệ v.v Trong đó, kiến trúc WDM-PON bị ảnh hưởng đáng kể bởi phương pháp thiết kế nguồn quang cho hướng truyền từ ONU đến OLT như sẽ được trình bày trong các mục kế tiếp Ngoài ra, để ghép được nhiều bước sóng, đồng nghĩa là tăng số lượng thuê bao trong WDM-PON, có nhiều kiến trúc mạng được đề xuất bao gồm mạng ghép kênh bước sóng dày đặc (Ultra dense WDM-PON -

32

UD WDM-PON), ghép kênh bước sóng quang phân thành nhiều tầng WDM-PON [21,22]

cũng như các phương pháp kết hợp giữa ghép kênh theo bước sóng với các phương pháp ghép

kênh theo thời gian, ghép kênh theo sóng mang con, ghép kênh theo mã [23].Khoảng cách tối

đa của mạng WDM-PON có thể được tăng lên một cách đáng kể nếu sử dụng thêm các bộ khuếch đại quang học Raman Trong kiến trúc WDM-PON, do các kênh kết nối đều là điểm-điểm giữa OLT và ONU, hệ thống này không phù hợp với các kết nối điểm-điểm trực tiếp giữa các ONU Tuy yêu cầu kết nối trực tiếp giữa các ONU có thể giải quyết theo hướng hiệu chỉnh lại kiến trúc mạng bằng cách sử dụng thêm bộ tách / ghép công suất hoặc nguồn sáng có

quang phổ rộng [24], nhưng hiện nay vẫn chưa có quy chuẩn về vấn đề này Kiến trúc

WDM-PON cũng có thể được chỉnh sửa lại theo nhiều dạng khác nhau phù hợp với khả năng bảo vệ Cách phổ biến khi đặt nặng vấn đề bảo vệ là cung cấp sợi quang dự phòng nếu sợi quang chính gặp sự cố

Một số kiến trúc mạng phổ biến sẽ được trình bày dưới đây

Kiến trúc WDM-PON định tuyến theo bước sóng

Hình 11: Kiến trúc WDM-PON định tuyến theo bước sóng Hình 11 thể hiện kiến trúc WDM-PON dạng định tuyến theo bước sóng Đây là kiến trúc thông dụng nhất để thực hiện mạng WDM-PON Có rất nhiều biến thể khác nhau phụ thuộc vào nguồn sáng, kích thước mạng, những dịch vụ được yêu cầu và mô hình bảo vệ mạng cần thiết v.v… như đã trình bày Cấu trúc này sử dụng bộ tách ghép kênh ở RN thay vì sử dụng bộ chia công suất Kết quả là suy hao trên mỗi kênh điểm-điểm của mạng này không bị mất mát lớn do suy hao của bộ tách ghép bước sóng không phụ thuộc vào số kênh bước sóng Như đã

đề cập, suy hao của bộ AWG từ 3 dB đến 6 dB bất kể số kênh là bao nhiêu Ngoài ra, do bộ

33

tách ghép bước sóng đồng thời đóng vai trò bộ lọc bước sóng, cách làm này không cần sử dụng bộ thu có bộ lọc bước sóng cụ thể ở ONU tương ứng của những tín hiệu ở các kênh Trong cấu trúc này, tín hiệu hướng xuống tương ứng với các bước sóng 1, …,N được kết hợp lại ở OLT bởi bộ ghép bước sóng ở đầu xuống và sau đó ghép chung vào sợi cáp quang Tín hiệu hướng xuống này được tách ra bởi bộ tách ghép bước sóng ở RN một lần nữa tương ứng cho các kênh như Hình 11 Ở chiều truyền ngược lại, tín hiệu hướng lên ở các ONU tương ứng với các bước sóng N+1, …,2N được kết hợp lại với nhau bởi bộ tách ghép bước sóng ở

RN và truyền tới OLT Tín hiệu hướng lên này được tách kênh một lần nữa tại OLT và truyền tới bộ thu tương ứng cho các kênh hướng lên Trong kiến trúc này, bộ thu ở OLT cũng không cần dùng bộ thu có bộ lọc bước sóng cụ thể vì bộ tách ghép bước sóng ở OLT đã đảm nhiệm vai trò này Tín hiệu hướng xuống có thể được tạo ra bởi nhiều thiết bị nguồn quang khác nhau ở OLT như: laser phản hồi phân bố (Wavelength Distributed Feedback laser – DFB laser), laser nhiều mode bước sóng, laser có thể thay đổi được bước sóng, và mảng tích hợp các laser phát sóng bề mặt sử dụng hốc cộng hưởng dọc (Vertical Cavity Surface Emitting Laser - VCSEL) có thể được sử dụng để làm giảm chi phí đầu tư ở OLT Do các bộ tách ghép bước sóng hoạt động theo cả hai hướng, có thể tiết kiệm bằng cách chỉ dùng một bộ tách ghép cho cả hướng truyền xuống và hướng truyền lên ở OLT Để tách tín hiệu truyền theo hướng xuống và hướng lên trong trường hợp này, có thể lợi dụng tính chất truyền theo hướng của ánh sáng và sử dụng một bộ tách ghép công suất hoặc một bộ vòng quang (circulator)

Kiến trúc WDM-PON quảng bá và chọn lọc

Trong một vài trường hợp, việc phát tín hiệu dạng quảng bá chiếm phần lớn lưu lượng truyền trên mạng WDM-PON Khi đó, việc thực hiện kiến trúc WDM-PON theo cách định tuyến theo bước sóng là không phù hợp Kiến trúc hoạt động theo cách quảng bá và chọn lọc có lợi thế hơn trong các hệ thống loại này

Kiến trúc quảng bá và chọn lọc đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống mạng từ các giai đoạn đầu phát triển mạng WDM bao gồm mạng truy cập, mạng quảng bá tín hiệu video, mạng nội bộ dành cho ngân hàng v.v… Hình 12 thể hiện một mạng WDM-PON được thiết kế theo kiến trúc quảng bá và chọn lọc Một điều khác biệt rõ nhất trong kiến trúc này là bộ tách ghép công suất được sử dụng thay vì bộ tách ghép bước sóng ở RN Trong mạng này, tín hiệu

truyền theo hướng xuống được kết hợp bởi bộ ghép công suất Nx1 ở OLT và sau đó phát quảng bá tới mọi ONU thông qua bộ tách công suất 1xN đặt tại RN Cách làm này tương tự

như hệ thống TDM-PON Do trong trường hợp này, các kênh tín hiệu có bước sóng khác nhau, để thu được tín hiệu tương ứng thì mỗi ONU cần dùng thêm bộ lọc quang để lấy bước

34

sóng phù hợp Tín hiệu hướng lên cũng được kết hợp lại bởi bộ ghép công suất 1xN ở RN và

truyền ngược lại OLT Ở ONU và OLT, tín hiệu hướng xuống và hướng lên được kết hợp và phân chia bằng cách sử dụng bộ tách ghép công suất 3 dB Bằng cách sử dụng kiến trúc này, TDM-PON có thể được nâng cấp lên thành WDM-PON mà không cần thay đổi cấu trúc ở các

RN Cấu trúc này cũng phù hợp cho việc cung cấp tín hiệu quảng bá và điểm-đa điểm vì nó có thể phân bố tín hiệu hướng xuống cho nhiều ONU Tuy nhiên, trong các làm này bộ thu phát phía người dùng ngoài việc cần một bộ phát có bước sóng riêng còn cần một bộ thu có bộ lọc riêng Ngoài ra, do ở RN sử dụng bộ chia công suất nên suy hao năng lượng rất lớn giống như trong TDM-PON Do đó, kiến trúc này không được triển khai rộng rãi trong mạng WDM-PON

Hình 12: Kiến trúc WDM-PON broadcast-and-select

Kiến trúc vòng WDM-PON

Kiến trúc dạng vòng được sử dụng rộng rãi trong mạng metro do khả năng phục hồi tốt Bằng cách sử dụng kiến trúc này, chiều dài sợi quang tổng cộng dùng để liên kết các node lại với nhau có thể được giảm đến mức tối thiểu Dù mạng WDM-PON chủ yếu dùng cho mạng truy

cập, cũng có nhiều nỗ lực để khai thác những thuận lợi của cấu trúc dạng vòng [25] Hình 13

mô tả cấu trúc vòng sử dụng một sợi quang cho mạng WDM-PON Trong mạng này, mỗi ONU được kết nối tới OLT thông qua một sợi quang là một phần của vòng Tín hiệu hướng lên và hướng xuống tương ứng được truyền lên và truyền xuống vòng bằng bộ tách ghép kênh quang tương tự như bộ tách ghép kênh trong các mạng metro WDM hoặc SONET/SDH Đối với cấu trúc này, việc áp dụng các biện pháp bảo vệ để bảo đảm hoạt động liện tục khi có sự

cố như trong mạng SONET/SDH dạng vòng truyền thống cũng có thể áp dụng Cụ thể, nếu kết nối giữa các cụm ONU trong vòng sử dụng một sợi quang và truyền theo chiều cùng kim đồng

35

hồ, khi có sự cố đứt một cáp thì việc truyền tín hiệu trong vòng có thể được thực hiện theo chiều ngược lại bằng các bộ chuyển mạch quang Tuy nhiên, cách làm này yêu cầu thêm các thành phần như bộ tách ghép kênh và bộ chuyển mạch, sẽ làm phức tạp và tốn kém thêm chi phí phía ONU

Hình 13: Kiến trúc vòng WDM-PON Nhìn chung, kiến trúc dạng định tuyến theo bước sóng vẫn là kiến trúc phổ biến nhất và được lưu tâm nghiên cứu và phát triển nhiều nhất hện nay

vận hành của WDM-PON sẽ giảm [27]

2 Các hệ thống thu phát không phụ thuộc bước sóng

Phương pháp sử dụng laser thay đổi được bước sóng:

Trong phương pháp này, các ONU có cấu trúc giống như nhau và sử dụng một bộ laser thay đổi được bước sóng (tunable laser) Laser này sẽ được hiệu chỉnh cho phù hợp với yêu cầu bước sóng phát cho mỗi ONU Đây là phương pháp đơn giản nhất, sử dụng cùng một cách thức như đường truyền hướng xuống cho đường truyền hướng lên

Có nhiều ưu điểm trong việc sử dụng tunable laser cho việc thực hiện ONU không phụ thuộc bước sóng Về cấu trúc, cách làm này thể hiện trong Hình 14 và là cấu trúc cho hiệu suất sử dụng công suất quang và độ linh hoạt cao nhất Nếu bộ chia ở RN trong mạng chỉ là các thiết bị tách ghép bước sóng thụ động, số lượng các ONU được hỗ trợ sẽ được xác định bởi khoảng cách giữa các kênh của bộ tách ghép này và phạm vi điều chỉnh bước sóng của laser Do cách làm này tận dụng được công suất của laser thay đổi được bước sóng phía ONU, thông thường khoảng 0 dBm, và công suất của laser phía OLT, thông thường có thể lên đến tối đa 7 dBm, nên

37

có thể kết hợp kiến trúc WDM-PON quảng bá và chọn lọc và WDM-PON định tuyến theo bước sóng Tốc độ hoạt động và khoảng cách tối đa có thể tăng một cách dễ dàng do băng thông điều chế rộng, độ ổn định tương đối tốt và độ rộng phổ nguồn laser hẹp Mặc khác, những chức năng phụ như bảo vệ mạng cũng dễ dàng đạt được Tốc độ bit cao hơn 2.5 Gb/s và truyền dẫn với khoảng cách xa

Hình 14: Hệ thống WDM-PON dùng laser thay đổi được bước sóng

Về mặt nguyên lý, một laser có thể thay đổi được bước sóng phát ra nhờ thay đổi tính chất của hốc cộng hưởng quang Các tính chất có thể thay đổi là kích thước hốc cộng hưởng và chiết suất hốc cộng hưởng Trong các báo cáo gần đây, laser sử dụng hốc cộng hưởng ngoài được đề xuất

sử dụng cho WDM-PON, cấu trúc được sử dụng là hốc cộng hưởng ngoài thiết kế trên ống dẫn

sóng polymer [28] có thể điều chỉnh hơn 26 nm và điều chế trực tiếp với tốc độ 2,5 Gbps Một báo cáo khác [29] tăng tốc độ điều chế lên 10 Gbps bằng cách làm ngắn chiều dài của hốc cộng

hưởng và tối ưu hóa lại thiết kế

Tuy nhiên, bất lợi lớn nhất là giá thành một laser có thể thay đổi được bước sóng quá cao, thường gấp 3-5 lần một laser thông thường Ngoài ra, đặc tuyến điều chế và bước sóng dễ trôi theo nhiệt độ nên mạch ổn định nhiệt đi kèm cũng phức tạp hơn và tăng giá thành thiết bị lên cao hơn

Phương pháp sử dụng nguồn LED phổ rộng và bộ lọc

38

Để khắc phục nhược điểm về chi phí nguồn quá cao cho ONU, cấu trúc này sử dụng một nguồn

có quang phổ rộng và giá thành rẻ hơn Nếu sử dụng nguồn sáng truyền thống, ta có thể dùng nguồn LED phổ rộng (Superluminescent Light Emitting Diode - SLED) Phổ ra rộng của ONU được nối với một cổng trên thiết bị tách ghép bước sóng Do thiết bị này hoạt động như một bộ lọc thông dải, trong đó chỉ các thành phần bước sóng tương ứng của mỗi kênh được truyền qua, nên chỉ các thành phần phổ tương ứng cho mỗi OLT mới có thể truyền đến OLT, còn phần công suất còn lại sẽ bị suy hao qua bộ tách ghép bước sóng Tất cả các ONU đều có SLED giống hệt nhau và giảm giá thành thiết bị Hình 15 thể hiện cấu trúc này

Hình 15: Hệ thống WDM-PON dùng nguồn sáng phổ rộng và bộ lọc

Tuy nhiên việc sử dụng nguồn SLED lại dẫn đến rất nhiều nhược điểm Độ rộng luồng ánh sáng phát ra từ SLED có góc phát rất lớn so với laser, điều này bắt nguồn từ nguyên lý hoạt động phát xạ tự phát của SLED Do đó, việc hội tụ chùm sáng này để tăng hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang rất khó khăn, nhất là đối với loại sợi đơn mode hiện nay có kích thước lõi tiêu chuẩn là 8 m Thực tế, hiệu suất ghép từ nguồn SLED vào sợi đơn mode chỉ ở khoảng 1-2% Điều này khiến công suất bị tiêu phí nhiều Việc tiêu phí công suất này còn xảy ra một lần nữa tại bộ lọc, khi phần lớn công suất tín hiệu trong phổ phát bị loại bỏ chỉ giữ lại phần bước sóng cho mỗi kênh Bản thân SLED vốn chỉ có khả năng cung cấp công suất quang giới hạn do ánh

39

sáng không phải là ánh sáng đơn sắc, đẳng hướng và đồng pha như laser, việc tiêu phí công suất

do hiệu suất ghép vào sợi quang quá thấp và do bộ lọc khiến công suất thu được quá nhỏ, dẫn đến hạn chế về tốc độ bit theo như định luật Shannon Điểm yếu thứ hai nằm ở phổ tín hiệu nguồn sáng Do ánh sáng được dùng như tín hiệu sóng mang điều chế với tín hiệu điện ban đầu, ánh sáng càng có nhiều thành phần bước sóng càng dẫn đến việc sinh ra nhiều thành phần hài Các thành phần này sẽ gây méo dạng và làm suy giảm chất lượng tín hiệu Do bản chất ánh sáng phát ra là sự chuyển đổi năng lượng giữa các mức năng lượng trong vật liệu bán dẫn chế tạo LED, không thể có một nguồn sáng với các mức công suất là đồng đều trong toàn bộ phổ phát xạ Như vậy, công suất của mỗi, kênh sau khi lọc qua bộ tách ghép bước sóng sẽ khác nhau

và việc bảo đảm chất lượng hoạt động cho các kênh như nhau sẽ khó khăn hơn Vì vậy, tuy có

ưu điểm sử dụng chi phí thấp, dùng SLED chỉ cung cấp được tốc độ bit thấp từ 155 Mb/s đến

622 Mb/s với khoảng cách truyền dẫn không được xa

Còn có một số đề nghị sử dụng nhiễu do phát xạ tự phát (amplified spontaneous emisssion -

ASE) trong các thiết bị tích cực để làm nguồn phát [30] Thiết bị tích cực trong trường hợp này

có thể là một bộ khuếch đại phía ONU hoặc OLT Một thiết bị phản xạ sẽ được đặt tại RN Cấu trúc này thực ra là tạo lập một hốc cộng hưởng giữa thiết bị tích cực và thiết bị phản xạ Ánh sáng suất phát từ nhiễu do phát xạ tự phát sẽ dao động trong hốc cộng hưởng này và được khuếch đại đến mức có thể sử dụng được Do hốc cộng hưởng có kích thước lớn, khoảng cách giữa các bước sóng được cộng hưởng sẽ nhỏ vừa với khoảng cách của các kênh truyền Cách làm này tuy đã được chứng minh trong các hệ thống đơn giản trong phòng thí nghiệm, nhưng chưa thể ứng dụng thực tế do khoảng cách giữa các ONU đến OLT là khác nhau và gây mất ổn định bước sóng cộng hưởng Các thành phần ánh sáng sau khi cộng hưởng cũng sẽ có băng thông tùy thuộc vào băng thông của bộ tách ghép bước sóng Băng thông này thường khá lớn nên chất lượng và phân bố công suất sẽ không đồng đều Đây có thể xem là một nguồn sáng còn kém chất lượng hơn LED

Phương pháp sử dụng nguồn LED phổ rộng và bộ khuếch đại quang bán dẫn có phản xạ (Reflective Semiconductor Optical Amplifier – RSOA)

Trong phương pháp này, người ta cố gắng sử dụng lại ưu điểm giá thành rẻ của nguồn băng rộng, đồng thời tăng tốc độ bit cho hệ thống bằng cách giảm đi các tiêu phí công suất dọc theo đường truyền như đã trình bày ở trên Ý tưởng ở đây là nguồn SLED thay vì được dùng ở mỗi

bộ ONU và bỏ bớt công suất tại bộ RN, thì nguồn SLED sẽ dùng chung cho mọi ONU và chỉ cần một bộ phát ở phía OLT Tín hiệu ánh sáng này được chia nhỏ đến từng ONU theo các bước sóng quy định bởi bộ ghép tách bước sóng Tại mỗi ONU, phần ánh sáng có bước sóng

40

riêng này được khuếch đại và tái sử dụng để điều chế với tín hiệu hướng lên Hệ thống này được thể hiện trong Hình 16

Hình 16: Hệ thống WDM-PON dùng nguồn sáng phổ rộng và RSOA

Cấu trúc và các tính chất riêng biệt của RSOA sẽ được trình bày trong một chương khác Về cơ bản, RSOA là một bộ khuếch đại ánh sáng dựa vào hiện tượng phát xạ kích thích Năng lượng cung cấp vào vật liệu bán dẫn thông qua dòng điện lái RSOA sẽ đẩy các electron qua vùng nghèo kết hợp với các lỗ trống Năng lượng sinh ra trong quá trình kết hợp này sẽ chuyển hóa thành các hạt photon Nếu có ánh sáng chiếu vào vùng phát xạ trong thời gian này, các photon

sẽ sinh ra theo hiện tượng phát xạ kích thích và làm khuếch đại luồng ánh sáng truyền vào Một mặt của thiết bị sẽ được làm phẳng và đóng vai trò như mặt phản xạ, lợi dụng phản xạ Snell và phản xạ Fresnel để đưa luồng ánh sáng truyền vào phản xạ ngược lại phía ban đầu Nếu thay đổi cường độ dòng lái theo chuỗi tín hiệu truyền hướng lên, độ lợi của RSOA cũng thay đổi và tín hiệu phản xạ sẽ có công suất thay đổi theo dòng lái Nói cách khác, ánh sáng đưa vào RSOA được điều chế biên độ theo dòng lái RSOA và đẩy về hướng truyền ngược lại

Việc dùng RSOA ngoài giảm đi chi phí năng lượng, còn làm giảm bớt sự chênh lệch công suất của các kênh như đã trình bày ở trên Điểm yếu của RSOA và băng thông điều chế thấp, thông thường băng thông điều chế 3 dB chỉ khoảng 1,5 GHz đến 2,5 GHz Ánh sáng đưa vào RSOA