CHƯƠNG 2. NGUYÊN NHÂN RA ĐỜI VÀ TỔNG QUAN VỀ MẠNG GPON
2.2. Tổng quan về mạng truy nhập quang thụ động GPON
2.2.4. Đặc điểm công nghệ GPON
Các thông số kỹ thuật cơ bản của GPON tốc độ truyền dẫn và các thông số kỹ thuật khác.
- Tốc độ truyền dẫn
Về cơ bản, GPON hướng tới tốc độ truyền dẫn lớn hoặc bằng 1.2 Gbit/s. Tuy nhiên, trong trường hợp dịch vụ xDSL không đối xứng cho FTTH hoặc FTTH thì không cần thiết tốc độ cao như vậy.
GPON định nghĩa 7 dạng tốc độ truyền dẫn như sau:
- 155 Mbit/s đường lên, 1.2 Gbit/s đường xuống - 622 Mbit/s đường lên, 1.2 Gbit/s đường xuống - 1.2 Gbit/s đường lên, 1.2 Gbit/s đường xuống
30
- 155 Mbit/s đường lên, 2.4 Gbit/s đường xuống - 622 Mbit/s đường lên, 2.4 Gbit/s đường xuống - 1.2 Gbit/s đường lên, 2.4 Gbit/s đường xuống - 2.4 Gbit/s đường lên, 2.4 Gbit/s đường xuống - Các thông số kỹ thuật khác
+ Bước sóng: 1260-1360nm đường lên; 1480-1500nm đường xuống + Đa truy nhập hướng lên: TDMA
+ Cấp phát băng thông động DBA (Dynamic Bandwith Allocation) + Loại lưu lượng: dữ liệu số
+ Khung truyền dẫn: GEM
+ Dịch vụ: dịch vụ đầy đủ (Ethernet, TDM, POTS) + Tỉ lệ chia của bộ chia thụ động: tối đa 1:128 + Giá trị BER lớn nhất: 10-12
+ Phạm vi công suất sử dụng luồng xuống: -3 đến +2 dBm (10km ODN) hoặc +2 đến +7 (20Km ODN).
+ Phạm vi công suất sử dụng luồng lên: -1 đến +4 dBm (10Km và 20Km ODN).
+ Suy hao tối đa giữa các ONU:15dB
+ Cự ly cáp tối đa: 20Km với DFB laser luồng lên, 10Km với Fabry-Perot - Khả năng cung cấp băng thông
Công nghệ GPON hỗ trợ 1,25 Gbit/s hoặc 2,5 Gbit/s hướng xuống, và hướng lên có thể xê dịch từ 155 Mbit/s đến 2,5 Gbit/s. Hiệu suất băng thông đạt > 90%.
b. Băng thông hướng xuống
Yêu cầu băng thông của các dịch vụ cơ bản:
- Băng thông yêu cầu của một kênh HDTV = 12 Mbit/s - Băng thông yêu cầu của một kênh SDTV = 3 Mbit/s
- Truy cập Internet tốc độ cao = 100 Mbit/s trên mỗi thuê bao với tỷ lệ dùng chung 20:1
- Voice IP tốc độ 100 Kbit/s
Trong đó tốc độ hướng xuống của GPON = 2,488 Mbit/s × hiệu suất 92% = 2289 Mbit/s. Trong ứng dụng nhiều nhóm người sử dụng (MDU: multiple-
31
dwelling-unit), với tỷ lệ chia là 1:32, GPON có thể cung cấp dịch vụ cơ bản bao gồm truy cập Internet tốc độ cao và Voice đến 32 ONU, mỗi ONU cung cấp cho 8 thuê bao.
c. Băng thông hướng lên
ITU G 984 GPON không những có khả năng hỗ trợ tất cả các yêu cầu về hệ thống mạng mà còn cung cấp một cơ chế QoS riêng cho lớp PON vượt ra ngoài các phương thức Ethernet lớp 2 và phân loại dịch vụ (CoS) IP lớp 3 để đảm bảo việc phân phát các thông tin voice, video và TDM chất lượng cao thông qua môi trường chi sẻ trên nền TDMA. Tuy nhiên, các cơ chế CoS ở lớp 2 và lớp 3 chỉ có thể đạt mức tối đa là QoS ở lớp truyền tải. Nếu lớp truyền tải có độ trễ và dung sai lớn thì việc phân chia mức ưu tiên dịch vụ không còn ý nghĩa. Đối với TDMA PON, việc dung lượng cung cấp QoS hướng lên sẽ bị hạn chế khi tất cả các ONT của PON sử dụng hết băng thông hướng lên và ưu tiên của nó trong TDMA. Hướng lên GPON có thông lượng đến 1.25 Gbits/sec cao hơn 20% so với GEPON là một sự khác biệt đáng kể giúp cho cơ chế QoS có thể hoạt động tốt hơn.
Khung thời gian hướng lên và hướng xuống sử dụng khung tiêu chuẩn 8 kHz, và các dịch vụ được đóng gói vào các khung theo nguyên bản của nó thông phương thức đóng gói GPON (GEM). Giống như trong SONET/SDH, GPON cung cấp khả năng chuyển mạch bảo vệ với thời gian nhỏ hơn 50ms.Điều cơ bản làm cho GPON có trễ thấp là tất cả lưu lượng hướng lên TDMA từ các ONU được ghép vào trong một khung 8 KHz (125 às). Mỗi khung hướng xuống bao gồm một bản đồ cấp phỏt băng thông hiệu quả được gửi quảng bá đến tất cả các ONU và hỗ trợ tính năng tinh chỉnh cấp phát băng thông. Cơ chế ngoài băng này cho phép GPON DBA hỗ trợ việc điều chỉnh cấp phát băng thông nhiều lần mà không cần phải sắp xếp lại để tối ưu hóa việc tận dụng băng thông.
d. Khả năng cung cấp dịch vụ
Giới hạn cự ly của công nghệ GPON hiện tại được quy định trong khoảng 20 km và cung cấp tỉ lệ chia lên tới 1:128 (hiện tại thường sử dụng tỉ lệ 1:64, tối đa qua hai cấp chia).
Hiện tại, giá thiết bị GPON còn tương đối cao. Tuy nhiên với tỉ lệ chia sẻ lớn sẽ giúp làm giảm chi phí trên mỗi khách hàng. Ngoài ra khi lưu lượng sử dụng lớn thì chi phí trên mỗi Mbps sẽ rẻ hơn so với công nghệ GEPON.
32
GPON có khả năng hỗ trợ cấu trúc mạng xếp chồng dịch vụ CATV, đáp ứng được đòi hỏi cho dịch vụ hướng xuống tốc độ cao. Các hệ thống này đều sử dụng bước sóng 1490 nm hướng xuống và 1310 nm hướng lên, bước sóng 1550 nm được dành riêng cho CATV.
GPON đáp ứng được tỉ lệ dung lượng dịch vụ/chi phí khi so sánh với mạng cáp đồng/DSL và mạng HFC có dung lượng nhỏ và các mạng SDH/SONET cũng như giải pháp quang Ethernet điểm – điểm có chi phí cao.
Vì vậy nó phù hợp với các hộ gia đình, doanh nghiệp vừa và nhỏ, chính phủ và các cơ quan công sở.
- Các dịch vụ bộ ba dành cho hộ gia đình: GPON được phát triển để mang đến các dịch vụ thế hệ mới như IPTV, truyền hình theo yêu cầu, game trực tuyến, Internet tốc độ cực cao và VoIP với chi phí hiệu quả, băng thông lớn và chất lượng đảm bảo cho các thuê bao hộ gia đình.
IP quảng bá qua cấu hình điểm – đa điểm cho phép một luồng video có thể truyền tới nhiều thuê bao một cách đồng thời.
Khả năng cấp phát băng thông động cho phép các nhà cung cấp dịch vụ tối ưu hóa băng thông quang, tạo ra nhiều lợi nhuận hơn. Băng thông lớn và dịch vụ linh hoạt của GPON giúp cho GPON trở thành một sự lựa chọn hoàn hảo cho việc cung cấp dịch vụ tới nhiều hộ thuê bao MDU (Multiple Dwelling Units) như các tòa nhà, khách sạn, chung cư. GPON ONU có thể phục vụ như các DSLAM VDSL2.
- Dành cho doanh nghiệp vừa và nhỏ: GPON là sự lựa chọn hoàn hảo cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ có yêu cầu về thoại, truy nhập Internet, VPN và các dịch vụ T1/E1 với chi phí hợp lý. GPON có băng thông đủ lớn và có tính năng QoS cho phép các doanh nghiệp có thể được cung cấp dịch vụ trên cùng cơ sở hạ tầng như các dịch vụ hộ gia đình nhằm loại trừ yêu cầu xây dựng cơ sở hạ tầng mới.
- Dành cho Chính phủ, Giáo dục và Y tế: thị trường các cơ quan chính phủ yêu cầu các dịch vụ dữ liệu và thoại có chất lượng cao và băng thông lớn với chi phí thấp. Khả năng của GPON cho phép phục vụ hiệu quả một số lượng lớn thuê bao ở các khu vực trung tâm văn phòng chính phủ, các trường học, bệnh viện cũng như các khu vui chơi giải trí, khu công nghiệp.
33
Chính quyền một số quốc gia đã thiết lập mạng PON để cung cấp các dịch vụ thoại và dữ liệu tốc độ cao cho lực lượng cảnh sát, văn phòng chính phủ, tòa án và các lực lượng cứu hỏa, đặc nhiệm để nâng cao chất lượng phục vụ cộng đồng.
e. Kỹ thuật truy nhập và phương thức ghép kênh - Kỹ thụât truy nhập
Kỹ thuật truy nhập được sử dụng phổ biến trong các hệ thống GPON hiện nay là đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). TDMA là kỹ thuật phân chia băng tần truyền dẫn thành những khe thời gian kế tiếp nhau. Những khe thời gian này có thể được ấn định trước cho mỗi khách hàng hoặc có thể phân theo yêu cầu tuỳ thuộc vào phương thức chuyển giao đang sử dụng. Mô hình sử dụng TDMA trên GPON hình cây như trong Hình 2.9. Mỗi thuê bao được phép gửi số liệu đường lên trong khe thời gian riêng biệt. Bộ tách kênh sắp xếp số liệu đến theo vị trí khe thời gian của nó hoặc thông tin được gửi trong bản thân khe thời gian.
GPON sử dụng kỹ thuật TDMA có ưu điểm rất lớn đó là các ONU có thể hoạt động trên cùng một bước sóng, và OLT hoàn toàn có khả năng phân biệt được lưu lượng của từng ONU. OLT cũng chỉ cần một bộ thu, điều này sẽ dễ dàng cho việc triển khai thiết bị, giảm được chi phí cho các quá trình thiết kế, sản xuất, hoạt động và bảo dưỡng. Ngoài ra, việc sử dụng kỹ thuật này còn có một ưu điểm là có thể lắp đặt dễ dàng thêm các ONU nếu có nhu cầu nâng cấp mạng.
Kỹ thuật TDMA trong GPON yêu cầu bắt buộc đồng bộ của lưu lượng đường lên để tránh xung đột số liệu khi hai hay nhiều gói dữ liệu từ những thuê bao khác nhau đến bộ ghép cùng một thời điểm. Tuy nhiên, các vấn đề trên đều được khắc phục với cơ chế định cỡ và phân định băng thông động của GPON.
Hình 2.9 Mô hình TDMA GPON hình cây [1]
34 - Phương thức ghép kênh
Phương thức ghép kênh trong GPON là ghép kênh song hướng. Dải bước sóng 1550 nm được dùng cho băng thông chiều xuống từ OLT, dải bước sóng 1310 nm được truyền theo chiều lên bởi ONT.
f. Lớp hội tụ truyền dẫn trong ngăn xếp giao thức GPON - Các khái niệm cơ bản
Hội tụ truyền dẫn GPON - GTC (GPON Transmission Convergence): là lớp giao thức chính trong ngăn xếp giao thức của GPON.
Các khối truyền dẫn T-CONT (Transmission Containers): được sử dụng cho việc quản lý phân định băng thông luồng lên trong khối PON của lớp hội tụ truyền dẫn TC (Transmission Convergence).
+ T-CONT mang các thông tin ATM VPC/VCC và/hoặc cổng GEM và thông báo các trạng thái bộ đệm của chúng cho các OLT tương ứng.
+ T-CONT tự động thu nhận các gói tin cho phép được nhận dạng bởi Alloc- ID từ OLT.
+ Mỗi T-CONT có thể mang lưu lượng ATM hoặc GEM với nhiều lớp dịch vụ khác nhau.
+ Mỗi T-CONT có thể cung cấp một hoặc nhiều hàng đợi vật lý và sắp xếp chúng vào một bộ nhớ logic đơn. Lớp hội tụ truyền dẫn được xếp ở vị trí giữa môi trường vật lý và các đối tượng của GPON (ATM client, GEM client,…).
- Ngăn xếp giao thức
Hình 2.10 biểu diễn ngăn xếp giao thức của toàn hệ thống lớp TC trong GPON (GTC). Lớp GTC gồm có 2 lớp con, lớp con tạo khung GTC (GTC framing sub- layer) và lớp con tương thích TC (TC adaption sub-layer).
Hình 2.10 Ngăn xếp giao thức của GTC [1]
Lớp truyền thông vật lý GPON (GPM) Lớp con tạo khung GTC
Lớp con tương thích TC
Bộ thích ứng ATM TC Bộ thích ứng GEM TC Điều khiển DBA Bộ thích ứng OMCI
PLOAM
Ứng dụng
ATM OMCI Ứng dụng
GEM
Lớp hội tụ truyền dẫn GTC
35
Theo một quan điểm khác, GTC chứa mặt phẳng C/M quản lý các luồng lưu lượng người dùng, an ninh, các thuộc tính OAM, và một mặt phẳng U mang lưu lượng người sử dụng. Trong lớp con tạo khung GTC, phân vùng ATM, phân vùng GEM, các phần quản lý vận hành bảo dưỡng lớp vật lý PLOAM (Physical Layer Operations Administrations Maintenance) và OAM nhúng được nhận biết theo vị trí trên khung GTC. Chỉ OAM nhúng được kết cuối tại lớp này để điều khiển qua lớp con này, do thông tin của OAM nhúng được nhúng trực tiếp vào khung GTC.
Thông tin PLOAM được xử lý tại khối PLOAM được định vị như một client của lớp con này. Các đơn vị dịch vụ dữ liệu SDU (Service Data Unit) trong các phân vùng ATM và GEM được chuyển từ/tới các đơn vị giao thức dữ liệu PDU (Protocol Data Unit) thông thường của ATM và GEM tại mỗi lớp con tương thích. Ngoài ra, các PDU này chứa dữ liệu kênh OMCI. Dữ liệu này cũng được nhận ra tại lớp con này, và được trao đổi từ/tới thực thể OMCI. OAM nhúng, PLOAM và OMCI được phân loại thành các mặt phẳng C/M. Các SDU ngoại trừ OMCI trên các phân vùng ATM và GEM được phân loại vào mặt phẳng U.
Lớp tạo khung GTC cung cấp cái nhìn bao quát tới tất cả dữ liệu phát và lớp tạo khung GTC OLT trực tiếp ngang hàng với tất cả các lớp tạo khung GTC ONU.
Khối điều khiển phân bổ băng thông động (DBA control) được xem như là khối chức năng chung. Hiện nay, khối này có khả năng đáp ứng toàn bộ DBA thông báo ONU.
Trong hệ thống GTC, OLT và ONU không hoạt động đồng thời ở 2 trạng thái.Chế độ nào được hỗ trợ sẽ được nhận biết tại thời điểm lắp đặt hệ thống. ONU thông báo chế độ hoạt động cơ bản của nó là ATM hay GEM thông qua bản tin Serial_Number. Nếu OLT có khả năng giao diện tới ít nhất 1 trong các chế độ yêu cầu, nó sẽ xử lý để thiết lập kênh OMCI, và thiết bị ONU được nhận ra theo cách thông thường.
- Các chức năng chính của GTC
GTC thực hiện hai chức năng quan trọng là điều khiển truy nhập môi trường và đăng ký ONU.
+ Điều khiển truy nhập môi trường: hệ thống GTC hỗ trợ điều khiển truy nhập môi trường cho lưu lượng luồng lên. Về cơ bản, các khung đường xuống chỉ ra các
36
định vị cho phép đối với lưu lượng trên các khung đường lên đồng bộ với các khung đường xuống. Khái niệm điều khiển truy nhập môi trường trong hệ thống này được minh hoạ trong Hình 2.11.
OLT gửi các con trỏ trong PCBd, các con trỏ này chỉ ra thời điểm mà mỗi ONU bắt đầu và kết thúc việc truyền dẫn luồng lên của nó. Theo cách này, chỉ có 1 ONU có thể truy nhập môi trường tại bất cứ thời điểm nào. Các con trỏ được gán các đơn vị của byte, cho phép OLT điều khiển môi trường với băng thông tĩnh 64kbit/s. Tuy nhiên, các bước thực hiện của OLT có thể lựa chọn theo tập giá trị của các con trỏ, và thực hiện điều khiển băng thông chính xác qua cơ chế lập lịch động.
+ Đăng ký ONU: việc đăng ký ONU được thực hiện theo thủ tục phát hiện tự động. Có 2 phương pháp đăng ký ONU. Phương pháp A, Serial Number của ONU được đăng ký tại OLT nhờ hệ thống quản lý. Phương pháp B, Serial Number của ONU không được đăng ký tại OLT nhờ hệ thống quản lý.
Hình 2.11 Điều khiển truy nhập môi trường [1]
- Chức năng các lớp con trong GTC
GTC gồm 2 lớp con là lớp con tạo khung GTC và lớp con tương thích TC.
Lớp con tạo khung GTC có 3 chức năng như sau:
+ Ghép kênh và giải ghép kênh: các phần PLOAM, ATM và GEM được ghép vào 1 khung TC đường xuống theo thông tin biên được chỉ thị trong tiêu đề khung.
Mỗi phần được tách ra từ một đường lên theo chỉ thị tiêu đề.
+ Tạo tiêu đề và giải mã: tiêu đề khung TC được tạo ra và định dạng trong 1 khung đường xuống. Tiêu đề trong khung đường lên được giải mã. Ngoài ra, thực hiện OAM nhúng.
Mào đầu khung
US BW map Tải đường xuống
Alloc-ID Start End Alloc-ID Start End Alloc-ID Start End
1 100 300 2 400 500 3 520 600
T-CONT1 (ONU1)
T-CONT2 (ONU2)
T-CONT3 (ONU3) Hướng xuống
Hướng lên
Slot 100
Slot 300
Slot 400
Slot 500
Slot 520
Slot 600
37
+ Chức năng định tuyến trên cơ sở Alloc-ID: định tuyến trên cơ sở Alloc-ID được thực hiện đối với các dữ liệu từ/tới các bộ tương thích ATM và GEM TC.
Lớp con thích ứng hỗ trợ 3 bộ tương thích TC, đó là: bộ tương thích ATM TC, bộ tương thích GEM TC và bộ tương thích OMCI.
Các bộ tương thích này cung cấp các giao diện dưới đây cho các thực thể lớp trên:
- Giao diện ATM: lớp con tạo khung GTC và ATM TC adapter liên kết cung cấp giao diện ATM chuẩn đã chỉ ra trong ITU-T 1.432.1 cho các dịch vụ ATM.
Nhìn chung, các thực thể lớp ATM ban đầu có thể được sử dụng như ATM client.
- Các giao diện GEM: GEM TC adapter có thể được cấu hình để thích ứng các khung này tới nhiều giao diện truyền dẫn khung khác nhau.
Các bộ tương thích này nhận ra kênh OMCI theo VPI/VCI trong trường hợp ATM và theo Port-ID trong trường hợp GEM. Bộ tương thích OMCI có thể thay đổi dữ liệu kênh OMCI đối với các bộ tương thích ATM, GEM TC. Bộ tương thích OMCI nhận dữ liệu từ các TC tương thích và chuyển nó tới thực thể OMCI và ngược lại.
g. Cấu trúc khung GPON
Hình 2.12 minh hoạ cấu trúc khung GTC TC đường xuống và đường lên.
Hình 2.12 Cấu trúc tổng quan khung GTC hướng xuống và lên [1]
Khung đường xuống bao gồm các phần: khối điều khiển vật lý luồng xuống PCBd (physical control block downstream), phần ATM, phần GEM. Khung đường lên gồm nhiều cụm truyền dẫn (transmission burst). Ngoài phần tải tin (payload), mỗi khung đường lên còn có thể chứa các phần/đoạn PLOAMu, PLSu và DBRu.
Khung đường xuống cung cấp thông tin về thời gian tham chiếu cho GPON và thực hiện hoạt động báo hiệu điều khiển cho đường lên.
PCBd
n Tải n Tải
n+1 Tframe = 125 às
PCBd n+1 Hướng xuống
Slot R Hướng lên
Slot 0
Slot 1
Slot R
Slot 0
Slot 1 1 byte
Khoảng TX khung ảo US