Mở đầu: Mạng viễn thông thường được cấu thành bởi ba mạng chính: mạng đường trục, mạng phía khách hàng và mạng truy nhập. Trong những năm gần đây, mạng đường trục 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, mạng nội hạt (LAN) cũng đã được cải tiến và nâng cấp từ tốc độ 10 Mb/s lên 100 Mb/s, và đến 1 Gb/s. Thậm chí, các sản phẩm Ethernet 10 Gb/s cũng đã bắt đầu xuất hiện trên thị trường.
Điều này đã dẫn đến một sự chênh lệch rất lớn về băng thông giữa một bên là mạng LAN tốc độ cao và mạng đường trục và một bên là mạng truy nhập tốc độ thấp, mà chúng ta vẫn thường gọi đó là nút cổ chai (bottleneck) trong mạng viễn thông. Việc bùng nổ lưu lượng Internet trong thời gian vừa qua càng làm trầm trọng thêm các vấn đề của mạng truy nhập tốc độ thấp. Các báo cáo thống kê cho thấy lưu lượng dữ liệu đã tăng 100% mỗi năm kể từ năm 1990. Thậm chí, sự kết hợp giữa các yếu tố kinh tế và công nghệ đã tạo ra những thời điểm mà tốc độ phát triển đạt tới 1000% trong một năm (vào những năm 1995 và 1996).
Xu hướng này vẫn sẽ còn tiếp tục trong tương lai, tức là càng ngày sẽ càng có nhiều người sử dụng trực tuyến và những người sử dụng đã trực tuyến thì thời gian trực tuyến sẽ càng nhiều hơn, do vậy nhu cầu về băng thông lại càng tăng lên. Các nghiên cứu thị trường cho thấy rằng, sau khi nâng cấp lên công nghệ băng rộng, thời gian trực tuyến của người sử dụng đã tăng lên 35% so với trước khi nâng cấp. Lưu lượng thoại cũng tăng lên, nhưng với tốc độ thấp hơn nhiều, khoảng 8% mỗi năm. Theo hầu hết các báo cáo phân tích, lưu lượng của dữ liệu hiện nay đã vượt trội hơn rất nhiều so với lưu lượng thoại.
Càng ngày sẽ càng có nhiều dịch vụ và các ứng dụng mới được triển khai khi băng thông dành cho người sử dụng tăng lên. Đứng trước tình hình đó, một số công nghệ mới đã được đưa ra nhằm đáp ứng những đòi hỏi về băng tần. Trước đây, các nhà cung cấp dịch vụ đã triển khai cung cấp dịch vụ Internet bằng công nghệ đường dây thuê bao số DSL. DSL sử dụng đôi dây giống như dây điện thoại, và yêu cầu phải có một modem DSL đặt tại thuê bao và DSLAM đặt tại tổng đài.
Tốc độ dữ liệu của DSL nằm trong khoảng từ 128 Kb/s đến 1,5 Mb/s. Mặc dù tốc độ của nó đã tăng đáng kể so với modem tương tự, nhưng khó có thể được coi là băng rộng do không cung cấp được các dịch vụ video, thoại, dữ liệu cho các thuê bao ở xa. Khoảng cách từ tổng đài đến theo bao chỉ trong phạm vi 5,5 km. Ta có thể tăng khoảng cách này bằng giải pháp triển khai thêm nhiều DSLAM đến gần thuê bao, nhưng đây là một giải pháp không hiệu quả do chi phí quá cao.
Một giải pháp khác được đưa ra là sử dụng cáp modem. Các công ty cáp TV cung cấp các dịch vụ Internet bằng cách triển khai các dịch vụ tích hợp dữ 14 liệu trên mạng cáp đồng trục, mà ban đầu được thiết kế để truyền dẫn tín hiệu video tương tự. Ví dụ, mạng HFC sẽ có sợi quang nối từ các đầu dẫn hay các hub đến các nút quang, và từ các nút quang sẽ phân chia đến các thuê bao thông qua cáp đồng trục, bộ lặp và các bộ ghép/tách. Tuy nhiên, mô hình kiến trúc này có nhược điểm là thông lượng hiệu dụng của các nút quang không quá 36 Mb/s, vì vậy tốc độ thường rất thấp vào những giờ cao điểm.
Như vậy, chúng ta thấy rằng cả công nghệ DSL và cáp modem đều không đáp ứng được những yêu cầu về băng thông cho mạng truy nhập. Hầu hết các nhà công nghệ mạng hiện nay đều đang tiến tới một công nghệ mới, tập trung chủ yếu vào truyền tải dữ liệu, đặc biệt là dữ liệu IP. Trong bối cảnh đó, công nghệ PON là một giải pháp tối ưu cho mạng truy nhập băng rộng. Người ta trông đợi mạng PON sẽ giải quyết được các vấn đề tắc nghẽn băng thông của mạng truy nhập trong kiến trúc mạng viễn thông, giữa một bên là các nhà cung cấp dịch vụ CO, các điểm kết cuối, các điểm truy nhập và một bên là các công ty được cung cấp dịch vụ, hay một khu vực tập trung các thuê bao.
Mạng quang thụ động có thể định nghĩa một cách ngắn gọn như sau: “Mạng quang thụ động (PON) là một mạng quang không có các phần tử điện hay các thiết bị quang điện tử”. Như vậy với khái niệm này, mạng PON sẽ không chứa bất kỳ một phần tử tích cực nào mà cần phải có sự chuyển đổi điện - quang. Thay vào đó, PON sẽ chỉ bao gồm: sợi quang, các bộ chia, bộ kết hợp, bộ ghép định hướng, thấu kính, bộ lọc,. Điều này giúp cho PON có một số ưu điểm như: không cần nguồn điện cung cấp nên không bị ảnh hưởng bởi lỗi nguồn, có độ tin cậy cao và không cần phải bảo dưỡng do tín hiệu không bị suy hao nhiều như đối với các phần tử tích cực.
Mạng PON ngoài việc giải quyết các vấn đề về băng thông, nó còn có ưu điểm là chi phí lắp đặt thấp do nó tận dụng được những sợi quang trong mạng đã có từ trước. PON cũng dễ dàng và thuận tiện trong việc ghép thêm các ONU theo yêu cầu của các dịch vụ, trong khi đó việc thiết lập thêm các nút trong mạng tích cực khá phức tạp do việc cấp nguồn tại mỗi nút mạng, và trong mỗi nút mạng đều cần có các bộ phát lại. PON có thể hoạt động với chế độ không đối xứng. Chẳng hạn, một mạng PON có thể truyền dẫn theo luồng OC-12 (622 Mbits/s) ở đường xuống và truy nhập theo luồng OC-3 (155 Mbits/s) ở đường lên.
Một mạng không đối xứng như vậy sẽ giúp cho chi phí của các ONU giảm đi rất nhiều, do chỉ phải sử dụng các bộ thu phát giá thành thấp hơn. PON còn có khả năng chống lỗi cao (cao hơn SONET/SDH). Do các nút của mạng PON nằm ở bên ngoài mạng, nên tổn hao năng lượng trên các nút này không gây ảnh hưởng gì đến các nút khác. Khả năng một nút mất năng lượng mà không làm ngắt mạng là rất quan trọng đối với mạng truy nhập, do các nhà cung cấp không thể đảm bảo được năng lượng dự phòng cho tất cả các đầu cuối ở xa.
Với những lý do như trên, công nghệ PON có thể được coi là một giải pháp hàng đầu cho mạng truy nhập. PON cũng cho phép tương thích với các giao diện 15 SONET/SDH và có thể được sử dụng như một vòng thu quang thay thế cho các tuyến truyền dẫn ngắn trong mạng đô thị hay mạch vòng SONET/SDH đường trục. Kiến trúc của PON: Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân bổ 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 các 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 khu trường sở,. Mô hình mạng quang thụ động với các phần tử của nó được biểu diễn như trong Hình 1-1.
Hình 1-1: Mô hình mạng quang thụ động 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 một số cấu hình 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 1-2. 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 còn 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). 16 Hình 1-2: Các kiểu kiến trúc của PON Trong các cấu hình trên, như cấu hình cây 1:N (a) hay cấu hình phân nhánh (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 những đòi hỏi ngày càng tăng về băng thông. Các hệ thống PON đang được triển khai: 1. APON/BPON: Từ năm 1995, có 7 nhà khai thác mạng hàng đầu thế giới đã lập nên nhóm FSAN (Full Service Access Network) với mục tiêu là thống nhất các tiêu chí cho mạng truy nhập băng rộng. Hiện nay các thành viễn của FSAN đã tăng lên đến trên 40 trong đó có nhiều hãng sản xuất và cung cấp thiết bị viễn thông lớn trên thế giới.
Các thành viên của FSAN đã phát triển một tiêu chí cho mạng truy nhập PON sử dụng công nghệ ATM và giao thức lớp 2 của nó. Hệ thống này được gọi là APON (viết tắt của ATM PON). Cái tên APON sau đó được thay thế bằng BPON với ý diễn đạt PON băng rộng. Hệ thống BPON có khả năng cung cấp nhiều dịch vụ băng rộng như Ethernet, Video, đường riêng ảo (VPL), kênh thuê riêng, v.
Năm 1997 nhóm FSAN đưa các đề xuất chỉ tiêu BPON lên ITU-T để thông qua chính thức. Từ đó, các tiêu chuẩn ITU G.x cho mạng BPON lần lượt được thông qua. Hệ thống BPON hỗ trợ tốc độ không đối xứng 155 Mbps hướng lên và 622 Mbps hướng xuống hoặc tốc độ đối xứng 622 Mbps. Các hệ thống BPON đã được sử dụng nhiều ở nhiều nơi, tập trung ở Bắc Mỹ, Nhật Bản và một phần Châu Âu.
