CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chung về công nghệ truy nhập quang thụ động Mạng viễn thông thường được cấu thành bởi ba thành phần chính là mạng đường trục, mạng phía khách hàng và mạng truy nhập. Mạng đường trục trong những năm gần đây đã có những 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. Trong khi đó mạng nội hạt (LAN) cũng đã được cải tiến và nâng cấp từ tốc độ 10 Mb/s lên đến 1Gb/s, các sản phẩm Ethernet 10G/s cũng đã có mặt trên thị trường. Nó dẫn đến một sự chênh lệch 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.
Trong những năm vừa qua, việc bùng nổ lưu lượng internet càng làm cho vấn đề băng thông trở nên cần thiết. 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. Cho dù tốc độ cũng đã tăng lên đáng kể 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. Trong hoàn cảnh như vậy PON chính là giải pháp tốt nhất cho mạng truy nhập băng rộng.
PON viết tắt của Passive Optical Network và được định nghĩa ngắn gọn: “PON là một mạng quang chỉ có các phần tử thụ động và không có các phần tử tích cực làm ảnh hưởng đến tốc độ truyền dẫn”. Như vậy PON sẽ chỉ bao gồm: sợi quang, các bộ chia, bộ kết hợp, bộ ghép định hướng, thấu kính, bộ lọc,. Nó giúp cho PON có rất nhiều ưu điểm như: không cần nguồn điện cung cấp nên ko bị ảnh hưởng lỗi nguồn,có độ tin cậy cao và không cần bảo dưỡng do tín hiệu không bị suy hao nhiều. Ngoài việc giải quyết các vấn đề về băng thông mạng PON còn có ưu điểm là chi phí lắp đặt thấp do nó tận dụng được những sợi quang trong mạng đã có từ 4 trước.
PON cũng dễ dàng và thuận tiện trong việc ghép thêm các ONU theo yêu cầu của các dịch vụ do không cần các bộ phát lại và cấp nguồn tại mỗi nút mạng. PON có thể hoạt động ở chế độ không đối xứng và 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. Mạng PON còn có khả năng chống lỗi cao 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.2 Kiến trúc hệ thống PON và các đặc điểm tính năng Công nghệ PON hiện đang là một trong các giải pháp phổ biến và ưu việt nhất trong mạng truy nhập băng rộng.
PON cũng cho phép tương thích với các giao diện SONET/SDH và có thể được sử dụng thay thế cho các tuyến truyền dẫn ngắn trong mạng đô thị hay mạch vòng SONET/SDH đường trục. Các phần tử thụ động của PON nằm trên mạng phân bố quang bao gồm: sợi quang, các bộ tách ghép quang thụ động, các đầu nối connector, và các mối hàn quang.1 thể hiện kiến trúc cơ bản của một mạng PON điển hình.1: Các thành phần cơ bản của PON Các phần tử tích cực bao gồm OLT là thành phần chức năng chính và được đặt tại tổng đài hoặc tại các trạm. ONU là thiết bị đặt ở phía người dùng. Tín hiệu 5 trong PON được phân ra hoặc kết hợp lại thông qua bộ tách ghép quang thụ động splitter nằm giữa OLT và ONU tùy theo tín hiệu đó là tín hiệu hướng lên hay tín hiệu hướng xuống của PON.
PON thường sử dụng sợi quang đơn mode, với hình dạng cây là phổ biến. Có thế sử dụng để cấu hình vòng ring cho các tuyến cáp trục hoặc sử dụng trong các khu trường, sở, văn phòng.2: Các kiểu kiến trúc của PON Mạng truy nhập quang thụ động PON là kiểu mạng điểm-đa điểm. Mỗi thuê bao sẽ được kết nối tới mạng quang thông qua bộ chia quang thụ động, không có các thiết bị điện chủ động trong mạng và băng thông được chia sẻ từ các nhánh đến người sử dụng. Tín hiệu hướng xuống được phát tới các thuê bao sẽ được mã hóa để tránh bị xem trộm.
Tín hiệu hướng lên được sẽ được kết hợp bằng việc sử dụng giao thức đa truy nhập phân chia theo thời gian. OLT sẽ điều khiển các ONU sử dụng các khe thời gian cho việc truyền dữ liệu đường lên. PON có thể triển khai bất kì cấu hình nào theo các cấu hình trên bằng cách sử dụng các bộ ghép 1:2 và bộ chia quang 1:N (Hình 1. Trong các cấu hình trên, cấu hình cây 1:N (a) hay cấu hình vòng (c) được sử dụng phổ biến nhất.
Đây là 6 những cấu hình rất phù hợp với nhu cầu phát triển thuê bao, cũng như những đòi hỏi ngày càng tăng về băng thông.3 Các hệ thống truy nhập quang thụ động và ứng dụng 1.1 APON/BPON Các nhà mạng viễn thông trên hàng đầu trên thế giới đã họp với nhau lập ra nhóm FSAN vào năm 1995 với mục đích là thống nhất các tiêu chí cho mạng truy nhập băng rộng. Hiện nay số lượng thành viên của FSAN đã lên tới 40 thành viên trong đó có những hãng sản xuất và cung cấp thiết bị viễn thông lớn trên thế giới. Nhóm đã đề ra tiêu chí cho mạng PON sử dụng công nghệ ATM và giao thức lớp 2 của nó được gọi là APON ( ATM PON). APON sử dụng công nghệ ATM là giao thức truyền tin.
Công nghệ ATM cung cấp sự mềm dẻo theo khái niệm độ trong suốt dịch vụ và phân bổ băng tần,ngoài ra còn có những tính năng rất hữu ích cho hoạt động khai thác và bảo dưỡng các kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối nhờ đó giảm được chi phí hoạt động của mạng. Những ưu điểm của công nghệ này kết hợp với môi trường truyền dẫn sợi quang với tài nguyên băng thông gần như là vô hạn đã tạo ra mạng truy nhập băng rộng được biết tới là BPON (Broadband PON). Hệ thống này hỗ trợ tốc độ đối xứng 622Mbps hoặc không đối xứng với 155Mbps đường lên và 622Mp cho đường xuống. Hệ thống BPON có khả năng cung cấp nhiều dich vụ băng rộng như Ethernet, video, thuê kênh riêng…vv.
Năm 1997 các tiêu chuẩn ITU G. x dành cho BPON được FSAN đề xuất lần lượt được thông qua. Các hệ thống BPON được sử dụng ở nhiều nơi chủ yếu tập trung ở Bắc Mỹ, Nhật Bản và một phần của Châu Âu. Như mọi hệ thống khác APON cũng được chia thành các lớp, lớp con với các nhiệm vụ cụ thể.
Các lớp này thuộc một trong hai khối: Một là khối dữ liệu có nhiệm vụ phân phối lưu lượng đến và đi từ các thiết bị đầu cuối, trong trường hợp này là các cổng tại OLT và ONU. 7 Hai là khối điều khiển, hay khối OAM hay hệ thống hỗ trợ hoạt động (OSS), thực hiện các chức năng vận hành, điều khiển, quản lý. Những chức năng này có tính chất không liên tục, ví dụ như là các chức năng OAM: khởi tạo, khôi phục lỗi, báo cáo trạng thái, với trường hợp mạng quang có các chức năng riêng biệt như điều chỉnh công suất laser. Thông tin điều khiển chứa trong các trường tiêu đề, tiêu đề con, hay các phần thông tin mào đầu trước lưu lượng người dùng.
Thông tin tiêu đề thuộc về một lớp sẽ không được nhìn thấy bởi các lớp ở trên tại cả phía gửi và phía nhận. Miêu tả cấu trúc ngữ pháp các bản tin bằng cách liệt kê từng bit, từng byte trong định dạng bản tin. Thực tế, chỉ cần xem bản tin của một lớp nói gì, nghe gì ta có thể hoàn toàn biết chức năng của giao thức lớp đó.2 GPON Do đặc tính cấu trúc BPON khó có thể năng cấp tốc độ cao hơn 622Mbps và mạng PON cơ sở nên ATM không tối ưu với lưu lượng IP nên từ 2001 nhóm FSAN đã phát triển một hệ thống mạng PON mới với tốc độ 1Gbps hỗ trợ cả lưu lượng ATM và IP. Dựa trên các khuyến nghị của FSAN, từ năm 2003 2004 ITU đã chuẩn hóa các tiêu chuẩn cho mang GPON (Gigabit PON) bao gồm các bộ tiêu chuẩn G.
Chuẩn GPON hiện nay được định nghĩa dựa trên các giao thức cơ bản của chuẩn SONET/SDH ITU-T. Các giao thức này khá đơn giản và đòi hỏi rất ít thủ tục chính vì vậy hiệu suất băng thông nó đạt được lên đến 95%. GPON hỗ trợ tốc độ bít cao nhất từ trước đến nay với tốc độ hướng lên 1,244 Gbit/s và hướng xuống 2,488 Gbit/s. GPON cung cấp tốc độ lớn chưa từng có từ trước đến nay, nó là công nghệ tối ưu cho các ứng dụng của FTTB và FTTH.
Công nghệ này phù hợp cho việc truyền thông Ethernet/IP với việc hỗ trợ truyền video, tiếng nói hiện nay và tương lai dựa trên giao thức SONET/SDH. Trong hệ thống GPON, tài nguyên được 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 8 vụ, nhà khai thác và những thành phần mạng khác. Các kỹ thuật truy nhập không còn là một lĩnh vực mới mẻ trong ngành viễn thông trên thế giới nhưng cũng là một trong những công nghệ đòi hỏi những yêu cầu ngày càng cao để hệ thống thoả 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.
Phương thức 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.3 trên là một ví dụ về việc sử dụng TDMA trên GPON hình cây. 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. Số liệu đường xuống cũng được gửi trong những khe thời gian xác định.