Contents
Contents 1
Danh mục hình vẽ 3
Thuật ngữ viết tắt 4
Lời mở đầu 6
Chương 1: Tổng Quan về Mạng Quang Thụ Động PON 7
1.1 Tổng Quan về Mạng Quang Thụ Động PON 8
1.1.1 Mở đầu 8
1.1.2 Kiến trúc của PON 9
1.2 Các Phần Tử Trong Mạng Quang Thụ Động PON 10
1.2.1 Các phần tử <ch cực (CO, ONU, EMS) 10
1.2.2 Các phần tử thụ động (sợi quang, bộ ghép tách quang, mối hàn, đầu nối) 12
1.3. WDM và TDM PON 15
1.4. Kết Luận 16
Chương 2: Công Nghệ Mạng Quang Thụ Động GPON 17
2.1 Kiến Trúc GPON 17
2.2 Thông Số Kỹ Thuật GPON 20
2.3 Kỹ Thuật Truy Nhập và Phương Thức Ghép Kênh 21
2.3.1 Kỹ thuật truy nhập 21
2.3.2. Phương thức ghép kênh 22
2.4. Lớp hội tụ truyền dẫn 23
2.4.1. Một số khái niệm cơ bản 23
2.4.2. Ngăn xếp giao thức 23
2.4.3 Các chức năng chính của GPC 25
2.4.4 Chức năng các lớp con trong GTC 26
2.5 Cấu trúc khung 26
2.5.1 Cấu trúc khung đường xuống 27
2.5.2 Cấu trúc khung đường lên 29
2.6 Phương Thức Đóng Gói Dữ Liệu 30
2.6.1. Cấu trúc khung GEM 31
1
DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số
EPON Ethernet Passive Optical Network Mạng quang thụ động dùng Ethernet
FCS Frame Check Sequence Dãy bít kiểm tra khung
FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước
4
FTTB Fiber To The Building Cáp quang nối đến tòa nhà
FTTC Fiber To The Curb Cáp quang nối đến cụm dân cư
FTTH Fiber To The Home Cáp quang nối tới nhà
GEM G-PON Encapsulation Method Phương thức đóng gói GPON
GPM G-PON Physical Media Môit rường vậtl ý GPON
GPON Gigabit Passive Optical Network Mạng quang thụ động Gigabit
GTC G-PON Transmission Convergence Hội tụt ruyền dẫn GPON
HEC Header Error Control Điều khiển lỗi mào đầu
OAM Operations, Admintration and
Maintenance
Vận hành, quản lý và bảo dưỡng
ODN Optical Distribution Network Mạng phân phối quang
OLT Optical Line Terminal Thiết bị kết cuối đường quang
OMCI ONU Management and Control
Interface
Giao diện quản lý và điều khiển
ONU
ONT Optical Network Termination Thiết bị kết cuối mạng quang
ONU Optical Network Unit Thiết bị đầu cuối quang người dùng
ONU-ID ONU Identifier Nhận dạng ONU
PCBd Physical Control Block downstream Khối điều khiển vật lý hướng xuống
PDU Protocol Data Unit Đơn vị số liệu giao thức
Plend Payload Length downstream Chiều dài tải hướng xuống
PLI Payload Length Indicator Chỉ thị chiều dài tải
PLOAM Physical Layer OAM Lớp vật lý OAM
Mbit/s. Vào cuối năm 2004, mạng NGN đã chính thức đi vào khai thác với khả năng
cung cấp dịch vụ đa dạng, hội tụ cả thoại, video và cả dữ liệu nhưng mạng truy cập gần
như không có một sự phát triển đáng kể nào. Mạng truy cập chủ yếu sử dụng cáp đồng
nên không thể khai thác hết các tính năng của mạng NGN.
Công nhệ mạng truy nhập quang thụ động GPON đã được ITU chuẩn hóa. Hiện nay là
một trong những công nghệ được ưu tiên lựa chọn cho triển khai mạng truy nhập tại
nhiều nước trên thế giới. GPON là dịch vụ hướng tới cung cấp mạng đầy đủ, tích hợp
thoại, hình ảnh, số liệu với băng thông lớn, tốc độ cao. Do vậy GPON sẽ là công nghệ
truy cập được triển khai trong tương lai.
Chuyên đề “Nghiên cứu công nghệ truy nhập quang thụ động GPON” nhằm mục
đích nghiên cứu, tìm hiểu những đặc điểm cơ bản của công nghệ GPON. Chuyên đề thực
hiện gồm 02 chương:
CHƯƠNG 1: Trình bày tổng quan về mạng quang thụ động PON.
Chương này cho ta biết một cách tổng quát về mạng PON, đưa ra mô hình cơ bản của
mạng. Phân tích các thành phần chủ yếu của mạng là OLT, ONU, trình bày các phần tử
trong mạng PON.
CHƯƠNG 2:Trình bày các nghiên cứu về công nghệ GPON.
Chương này trình bày các nhiên cứu về công nghệ GPON, trong đó có các vấn đề lớn về
lớp hội tụ truyền dẫn, định cỡ và phân định băng thông động là các vấn đề trọng tâm.
Chương 1: Tổng Quan về Mạng Quang Thụ Động
PON
7
1.1 Tổng Quan về Mạng Quang Thụ Động PON
1.1.1 Mở đầu
Trong những năm gần đây, trong khi mạng truy nhập chỉ có những bước tiến rất hạn
chế, thì mạng đường trục lại có những bước phát triển nhảy vọt do sự xuất hiện của các
công nghệ mới, như công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM). Cũng trong khoảng
thời gian này, nhu cầu sử dụng các dịch vụ bang rộng ngày càng tăng về cả số lượng và
chất lượng dịch vụ. Điều này đã dẫn đến một sự chênh lệch rất lớn về băng thông giữa
Hình 1-1: Mô hình mạng quang thụ động
Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân bố quang (hay còn gọi là
mạng ngoại vi) bao gồm các phần tử như sợi quang, các bộ tách/ghép quang thụ động,
các đầu nối và các mối hàn quang. Các phần tử tích cực như OLT và ONU đều nằm ở
đầu cuối của PON. Tín hiệu trong PON có thể được phân ra và truyền đi theo nhiều sợi
quang hoặc được kết hợp lại và truyền trên một sợi quang thông qua bộ ghép quang, phụ
thuộc vào tín hiệu đó là đi theo hướng lên hay hướng xuống của PON. PON thường được
triển khai trên sợi quang đơn mode, với cấu hình cây là phổ biến, PON cũng có thể được
triển khai theo cấu hình vòng ring cho các khu thương mại hoặc theo cấu hình bus khi
triển khai trong các trường sở,…
Về mặt logic, PON được sử dụng như mạng truy nhập kết nối điểm - đa điểm, với
một CO phục vụ cho nhiều thuê bao.Có nhu cầu kết nối điểm – đa điểm phù hợp cho
mạng truy nhập như cấu hình cây, cây và nhánh, vòng ring, hoặc bus như trong hình 2.2.
9
Hình 1.2 Các kiểu kiến trúc của PON.
Bằng cách sử dụng các bộ ghép 1:2 và bộ chia quang 1:N, PON có thể triển khai
theo bất cứ cấu hình nào trong các cấu hình trên. Ngoài ra PON có thể thu gọn lại thành
các vòng ring kép, hay hình cây, hay một nhánh của cây. Tất cả các tuyến truyền dẫn
trong PON đều được thực hiện giữa OLT và ONU. OLT nằm ở CO và kết nối mạng truy
nhập quang với mạng đô thị (MAN) hay mạng diện rộng (WAN), được biết đến như là
những mạng đường trục. ONU nằm tại vị trí đầu cuối người sử dụng (FTTH hay FTTB
hoặc FTTC).
Trong các cấu hình trên, cấu hình cây 1:N như hình 2.2 (a), hay cấu hình cây và phân
nhánh hình 2.2 (b) được sử dụng phổ biến nhất. Đây là những cấu hình rất mềm dẻo, phù
hợp với nhu cầu phát triển của thuê bao, cũng như đòi hỏi ngày càng tăng về băng thông.
1.2 Các Phần Tử Trong Mạng Quang Thụ Động PON
1.2.1 Các phần tử tích cực (CO, ONU, EMS)
Các nhà cung cấp PON chủ yếu tập trung phát triển các thiết bị tích cực, như bảng
mạch CO và các ONU để đặt tại các đầu cuối của PON. Bảng mạch CO được đặt tại các
nhà cung cấp, chứa các đầu nối, các điểm truy nhập POP, và các OLT, các modul giao
● Cung cấp các giao diện chuẩn Ethernet.
Thông thường ở CO có thể có chứa nhiều OLT.
11
1.2.1.3 EMS
EMS quản lý các phần tử của mạng PON và cung cấp các giao diện kết nối với hệ
thống quản lý mạng cung cấp dịch vụ.Các chức năng quản lý của nó bao gồm kiểm soát
lỗi, thiết lập cấu hình, tính cước và bảo mật.
Các chức năng và đặc điểm chính của EMS bao gồm:
● Cung cấp các chức năng quản lý thông qua giao diện với người sử dụng.
● Có khả năng quản lý các thiết bị của mạng PON.
● Có khả năng hỗ trợ đồng thời hàng trăm giao diện người sử dụng.
● Cung cấp các giao diện chuẩn với hệ thống quản lý mạng.
1.2.2 Các phần tử thụ động (sợi quang, bộ ghép tách quang, mối hàn, đầu nối)
Các phần tử thụ động của sợi quang bao gồm:
● Sợi quang
● Bộ tách/ghép quang
● Mối hàn.
● Đầu nối quang.
1.2.2.1 Sợi quang
Sợi quang sử dụng trong PON được phân thành hai loại : đơn mode (SM) và đa
mode (MM), trong đó sự khác biệt chủ yếu giữa hai loại sợi này là sự tán sắc. So với sợi
đơn mode, sợi đa mode có hệ số tán sắc cao hơn do tín hiệu được truyền đi trong sợi theo
nhiều mode khác nhau. Hệ số tán sắc lớn sẽ dẫn đến sự giãn tín hiệu trong miền thời gian.
Một tham số khác nữa của sợi quang là băng tần điều chế cực đại. Đây là một đặc tính
khác nữa trong miền tần số, có lien quan trực tiếp đến độ tán sắc. Sợi đa mode bị hạn chế
về băng tần và không thích hợp với những hệ thống truyền dẫn tốc độ cao và khoảng cách
truyền dẫn lớn như trong PON. Vì vậy trong PON, người ta chỉ sử dụng sợi đơn mode.
Sợi đơn mode cho phép nâng cấp hệ thống trong tương lai bằng những công nghệ điều
chế khác nhau để đạt được tốc độ truyền dẫn cao hơn.
Trên thực tế, sợi đơn mode có thể phân tán làm ba loại:
Suy hao ghép – Đây là công suất bị tổn hao do quá trình sản xuất, giá trị này thông
thường khoảng 0.1dB đến 1dB.
Điều Hướng–Đây là mức công suất đo được ở đầu vào bị dò từ một đầu vào khác. Với
những bộ tách/ghép là thiết bị có khả năng định hướng cao thì tham số điều hướng
khoảng từ 40dB đến 50dB.
Thông thường, các bộ tách/ghép thường chỉ được cấu tạo với một đầu vào hoặc một
đầu ra. Bộ tách/ghép có một đầu vào ta goi là bộ chia(tách), còn bộ có một đầu ra được
gọi là bộ kết hợp(ghép). Tuy nhiên cũng có những bộ 2*2 được chế tạo không đối xứng
(với tỷ số chia khoảng 5/95 hoặc 10/90).Loại tách/ghép này chủ yếu được dùng để trích
ra một phần tín hiệu quang cho mục đích kiểm tra, được gọi là bộ ghép rẽ.
2.2.2.3 Mối hàn
Mối hàn được sử dụng để kết nối vĩnh cửu các sợi quang có độ dài sản xuất nhỏ hơn
độ dài yêu cầu lắp đặt trong mạng, hoặc để nối các đầu sợi quang trong của bộ ghép với
sợi quang của mạng phân bố. Có hai kiểu hàn nối sợi quang: hàn cơ khí và hàn nóng
chảy.
Hàn cơ khí (hay ghép cơ khí) thực hiện trên một rãnh chữ V giữ cố định hai sợi cần
hàn.Để có được mối hàn đảm bảo chất lượng, ta cần phải đổ vào giữa hai đầu sợi ghép
một chất lỏng có chiết suất phù hợp. Kiểu hàn này có ưu điểm là đơn giản dễ thực hiện,
nhưng có nhược điểm là độ tin cậy thấp do điểm yếu cơ khí của chúng.
Kiểu nóng chảy cần phải có thiết bị hàn nóng chảy đặc biệt, nhưng mối hàn có suy
hao thấp và độ tin cậy cao hơn nhiều so với hàn cơ khí, và được sử dụng rất nhiều trong
các mạng phân bố quang.
2.2.2.4 Đầu nối quang
Đầu nối quang được sử dụng tại giao diện mà yêu cầu kết nối không cố định. Những
kết nối như vậy tạo điều kiện dễ dàng cho việc đo thử, chẳng hạn như đo công suất quang
đầu ra của thiêt bị kết cuối. Do đó đầu nối quang thường nằm giữa mạng phân bố quang
và thiết bị đầu cuối.
Các đầu nối quang dung trong các hệ thống tốc độ cao phải đáp ứng được những yêu
cầu: suy hao xen thấp, phản xạ thấp, độ ổn định cao và khả năng sử dụng nhiều lần cao.
Cách duy nhất để đáp ứng những yêu cầu này là thực hiện tiếp xúc vật lý giữa các
thậm chí sử dụng ghép kênh thống kê tận dụng hết băng thông được dùng của mạng
PON.
Trong mạng truy cập thuê bao, hầu hết các luồng lưu lượng lên và xuống không phải
là peer to peer (user to user).Vì vậy điều này dường như là hợp lý để tách kênh lên và
xuống. Một phương pháp tách kênh đơn giản có thể dựa trên ghép kênh phân chia không
gian (SDM) mà nó tách PON được cung cấp theo hướng truyền lên xuống. Để tiết kiệm
cho sợi quang và giảm chi phí sửa chữa bảo quản, một sợi quang có thể được sử dụng cho
truyền theo hai hướng. trong trường hợp này, hai bước sóng được dùng là : hướng lên
1
λ
15
=1310nm, hướng xuống
2
λ
=1550nm. Dung lượng kênh ở mỗi bước sóng có thể phân
phối linh động giữa các ONU.
Hình 1 4: Mạng PON sử dụng một sợi quang
Ghép kênh phân chia theo thời gian là phương pháp được ưu tiên hiện nay cho việc
chia sẻ kênh quang trong mạng truy cập khi mà nó cho phép một bước sóng đơn ở hướng
lên và bộ thu phát đơn ở OLT đã làm cho giải pháp này có ưu thế hơn về chi phí đầu tư.
1.4. Kết Luận
Công nghệ PON là một giải pháp đầy hứa hẹn để giải quyết vấn đề tắc nghẽn băng
thông trong mạng. Là mạng truy nhập có nhiều ưu điểm để triển khai các dịch vụ băng
rộng (thoại, dữ liệu, video) giữa các kết cuối đường dây ở xa (ONU) và kết cuối mạng
(OLT). Một mạng PON hỗ trỡ nhiều kiểu kiến trúc mạng: hình cây, bus hoặc ring, do đó
có thể linh hoạt trong việc tổ chức mạng.
Và hiện nay GPON đã được triển khai rộng rãi tại một số nước, GPON cũng đã được
lựa chọn để thay thế cho các mạng truy nhập của nhiều nước trên thế giới. Với những đặc
điểm kỹ thuật công nghệ mềm dẻo hỗ trợ nhiều lựa chọn cho tốc độ truy nhập, đồng thời
hỗ trợ cả lưu lượng ATM và IP, cung cấp nhiều loại hình dịch vụ tích hợp với chất lượng
như tốc độ bit, quỹ công suất, jitter,… OLT bao gồm ba phần chính: Chức năng giao diện
cổng dịch vụ; Chức năng kết nối chéo và giao diện mạng phân tán quang. Các khối OLT
được mô tả trong hình 2-2:
Hình 2-2 : Các khối chức năng của OLT
Khối lõi PON (PON core shell): Khối này gồm hai phần, phần giao diện ODN và
chức năng PON TC. Chức năng của PON TC bao gồm tạo khung, điều khiển truy nhập
phương tiện OAM, DBA và quản lý ONU. Mỗi PON TC có thể lựa chọn hoạt động theo
một chế độ ATM, GEM và Dual.
Khối kết nối chéo (Cross-connect shell): Cung cấp đường truyền thông giữa khối lõi
PON và phần dịch vụ. Các công nghệ sử dụng cho đường này phụ thuộc vào các dịch vụ,
kiến trúc bên trong của OLT và các yếu tố khác.OLT cung cấp chức nẳng kết nối chéo
tương ứng với các chế độ được lựa chọn (ATM, GEM và Dual).
18
Khối dịch vụ (Service shell): Phần này hỗ trợ chuyển đổi giữa các giao diện dịch vụ
và giao diện khung TC của phần PON.
2.1.1.2 Khối mạng quang ONU
Các khối chức năng của ONU hầu hết đều giống như của OLT.Vì ONU hoạt động
chỉ với một giao diện PON đơn (hoặc nhiều nhất là hai giao diện với mục đích bảo vệ),
chức năng kết nối chéo có thể bị bỏ đi.Tuy nhiên, thay cho chức năng này, chức năng
ghép và giải ghép dịch vụ (MUX và DEMUX) được hỗ trợ để xử lý lưu lượng.Cấu hình
điển hình của một ONU được mô tả ở hình 2-3.
Hình 2-3: Các khối chức năng của ONU
2.1.1.3 Mạng phân phối quang ODN
Mạng phân phối quang kết nối giữa một OLT với một hoặc nhiều ONU sử dụng thiết
bị tách/ghép quang và mạng cáp quang thuê bao. Bộ tách/ghép quang được trình bày và
phân tích trên mục [2.2.2.2]
Mạng cáp quang thuê bao:
Mạng cáp thuê bao được xác định trong phạm vi ranh giợ từ giao tiếp sợi quang giữa
thiết bị OLT đến thiết bị ONU/ONT.
19
• Dịch vụ: dịch vụ đầy đủ (Ethernet, TDM, POTS).
• Tỷ 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 OBN).
• Phạm vi công suất sử dụng luồng lên: -1 đến +4 dBm (10km và 20km ODN)
• Loại cáp: tiêu chuẩn ITU-R Rec. G.562.
• Suy hao tối đa giữa các ONU: 15dB.
• Cự ly cáp tối đa: 20km với DFB laser đường lên, 10km với Farby-Perot.
2.3 Kỹ Thuật Truy Nhập và Phương Thức Ghép Kênh.
Công nghệ truyền dẫn đa truy nhập là các kỹ thuật chia sẻ tài nguyên hữu hạn cho
một lưu lượng khách hang. Trong hệ thống GPON, tài nguyên chia sẻ chính là băng tần
truyền dẫn. Người sử dụng cùng chia sẻ tài nguyên này bao gồm thuê bao, nhà cung cấp
dịch vụ, nhà khai thác và những thành phần mạng khác. Tuy không còn là một lĩnh vực
mới mẻ trong ngành viễn thông trên thế giới nhưng các kỹ thuật truy nhập cũng là một
trong những công nghệ đòi hỏi những yêu cầu ngày càng cao để hệ thống thỏa mãn được
các yêu cầu về độ ổn định cao, thời gian xử lý thông tin và trễ thấp, tính bảo mật và an
toàn dữ liệu cao.
2.3.1 Kỹ thuật 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
21
truyền dẫn thành những khe thời gian kế tiếp nhau. Những khe thời gian này có thể được
ấn định trước cho mỗi khách hang có thể phân theo yêu cầu tùy thuộc vào phương thức
chuyển giao đang sử dụng. Hình 3-5 dưới đây là một số ví dụ về việc sử dụng TDMA
trên GPON hình cây.Mỗi thuê bao được phép gửi dữ 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. Số liệu đường xuống cũng được gửi trong những
connector và trong GPON hình cây thì số lượng bộ ghép quang cũng cần gấp đôi.Tuy
nhiên chi phí về sợi quang, phần tử thụ động và kỹ thuật hàn nối vẫn đang giảm và trong
tương lai nó chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ trong toàn bộ chi phí hệ thống.
2.4. Lớp hội tụ truyền dẫn
2.4.1. Một số 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 bang 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 mạng 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,…).
2.4.2. Ngăn xếp giao thức
Hình 2-6 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).
23
Hình 2-6: Ngăn xếp giao thức của GTC
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
Hình 2.7: Điều khiển truy nhập môi trường
Đăng ký ONU: Việc đăng ký OUN được thực hiên theo thủ tục phát hiện tự động.
Có hai phương pháp đăng ký ONU.Phương pháp A, Serial Number của ONU được đăng
kí tại OLT nhờ hệ thống quản lý.Phương pháp B, Serial Number của ONU không được
đăng ký tại ONT nhờ hệ thống quản lý.
25
Copyright: Tài liệu đại học ©