Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu mạng truy nhập quang thụ động Ethernet EPON

Đồ án tốt nghiệp: Tìm hiểu sâu về mạng truy nhập quang thụ động Ethernet EPON. Kiến thức chuyên sâu về công nghệ EPON và ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Bùi Ngọc Lâm
• Người hướng dẫn: Thầy Dương Hữu Ái
• Trường học: Trường Cao đẳng Công nghệ Thông tin Hữu nghị Việt - Hàn
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin Ứng Dụng
• Đề tài: Tìm hiểu mạng truy nhập quang thụ động Ethernet - EPON
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• I. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP QUANG
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.2. CẤU HÌNH CƠ BẢN CỦA MẠNG TRUY NHẬP QUANG
• 1.3. CẤU HÌNH THAM CHIẾU MẠNG TRUY NHẬP QUANG
• 1.4. CÁC KHỐI CHỨC NĂNG CƠ BẢN
• 1.4.1. Khối kết cuối đường quang OLT
• 1.4.2. Khối mạng quang ONU
• 1.4.3. Mạng phân phối quang ODN
• 1.4.3.1. Bộ tách/ghép quang
• 1.4.3.2. Mạng cáp quang thuê bao
• 1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG
• II. CHƯƠNG II: MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG ETHERNET – EPON
• 2.1. MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON
• 2.1.1. Khái niệm mạng quang thụ động PON
• 2.1.2. Đặc điểm của hệ thống
• 2.1.3. Cấu trúc mạng quang thụ động PON
• 2.1.4. Các chuẩn của PON
• 2.1.5. Ưu, nhược điểm của mạng PON
• 2.2. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG EPON
• 2.2.1. Lợi ích của mạng EPON
• 2.2.2. Nguyên lý hoạt động của EPON
• 2.2.3. Giao thức điều khiển đa điểm MPCP (Multi Point Control Protocol)
• 2.2.4. EPON với kiến trúc 802 .1 Point to Point Emulation (PtPE)
• 2.2.4.1. Share Medium Emulation
• 2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG
• III. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠNG TRUY NHẬP EPON DỰA TRÊN PHẦN MỀM OPTISYSTEM
• 3.1. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM OPTISYSTEM
• 3.1.1. Giới thiệu chung
• 3.1.2. Các ứng dụng của phần mềm OptiSystem
• 3.1.3. Các đặc điểm chính của phần mềm OptiSystem
• 3.1.3.1. Thư viện các phần tử
• 3.1.3.2. Các công cụ hiển thị
• 3.1.3.3. Khả năng kết hợp với các công cụ phần mềm khác
• 3.1.3.4. Mô phỏng phân cấp với các hệ thống con
• 3.1.3.5. Ngôn ngữ SCIPT mạnh
• 3.1.3.6. Thiết kế nhiều lớp
• 3.1.3.7. Quét tham số và tối ưu hóa
• 3.2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠNG EPON
• 3.2.1. Các thông số thiết lập mạng EPON
• 3.2.2. Sơ đồ hệ thống mạng EPON
• 3.3. PHÂN TÍCH MẠNG TRUY NHẬP EPON DỰA TRÊN PHẦN MỀM OPTISYSTEM
• 3.3.1. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng mạng quang
• 3.3.1.1. Tỉ số lỗi Bit Ber
• 3.3.1.2. Hệ số phẩm chất Q
• 3.3.1.3. Mối quan hệ giữa tỉ lệ lỗi bit với đồ thị mắt
• 3.3.2. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến mạng quang
• 3.3.2.1. Đo kiểm các thông số cơ bản của mạng
• 3.3.2.2. Ảnh hưởng của khoảng cách
• 3.3.2.3. Ảnh hưởng của công suất phát
• 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hướng dẫn toàn diện về Đồ án EPON cho người mới bắt đầu

Đồ án EPON tập trung vào việc nghiên cứu và triển khai mạng truy nhập quang thụ động Ethernet, một giải pháp hạ tầng viễn thông tiên tiến. Sự phát triển không ngừng của các dịch vụ số như thoại, video độ nét cao và dữ liệu tốc độ cao đã đặt ra yêu cầu cấp thiết về băng thông cho mạng truy nhập. Mạng quang trở thành giải pháp cốt lõi, trong đó mạng quang thụ động PON (Passive Optical Network) nổi lên như một công nghệ đầy hứa hẹn. Khác với mạng quang chủ động AON (Active Optical Network) sử dụng các thiết bị cần cấp nguồn, mạng PON vận hành hoàn toàn dựa trên các thành phần thụ động như sợi quang, bộ chia quang (splitter). Điều này giúp hệ thống có độ tin cậy cao, chi phí bảo dưỡng thấp và không bị ảnh hưởng bởi sự cố mất điện tại các điểm phân phối. Đồ án EPON đi sâu vào một nhánh cụ thể của PON, kết hợp ưu điểm của công nghệ quang thụ động và sự phổ biến của giao thức Ethernet. Công nghệ này cho phép giảm thiểu đáng kể hiện tượng nghẽn mạng, cung cấp băng thông rộng và ổn định cho người dùng cuối. Việc tìm hiểu cấu trúc, nguyên lý hoạt động và các chuẩn liên quan là bước đầu tiên và quan trọng nhất để thực hiện thành công một đồ án về chủ đề này, mở ra cánh cửa tiếp cận với hạ tầng mạng thế hệ mới.

1.1. Khám phá khái niệm mạng quang thụ động PON là gì

Một mạng quang thụ động PON là hệ thống mạng điểm-đa điểm (Point-to-Multi-Point), sử dụng các bộ chia quang thụ động để phân phối tín hiệu từ một sợi quang duy nhất đến nhiều người dùng cuối. Cấu trúc này không chứa bất kỳ phần tử điện tử tích cực nào trong mạng phân phối, giúp giảm chi phí vận hành và tăng độ tin cậy. Các thành phần chính bao gồm sợi quang, bộ chia, bộ kết hợp và bộ lọc. Đặc trưng của hệ thống PON là khả năng hỗ trợ nhiều thuê bao trên một sợi quang duy nhất thông qua các bộ chia với tỷ lệ lên tới 1:128. Băng thông trong hệ thống được chia sẻ giữa các người dùng, giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư. Hơn nữa, PON có thể truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi quang bằng cách sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM).

1.2. Cấu trúc cơ bản của mạng truy nhập quang thụ động

Cấu trúc cơ bản của một mạng truy nhập quang thụ động bao gồm ba thành phần chính: OLT (Optical Line Terminal), ODN (Optical Distribution Network), và ONU (Optical Network Unit) hoặc ONT (Optical Network Terminal). OLT được đặt tại trung tâm của nhà cung cấp dịch vụ, có nhiệm vụ quản lý và kết nối mạng PON với mạng lõi. ODN là mạng phân phối quang, bao gồm toàn bộ hạ tầng cáp quang và các bộ chia quang thụ động (splitter) nằm giữa OLT và các ONU. Cuối cùng, ONU/ONT được lắp đặt tại phía thuê bao, có chức năng chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện để cung cấp dịch vụ cho người dùng. Cấu hình tham chiếu này đảm bảo một kiến trúc mạng hiệu quả, cho phép triển khai các mô hình như FTTH (Fiber To The Home) hoặc FTTB (Fiber To The Building).

1.3. Phân biệt các chuẩn PON APON BPON GPON và EPON

Công nghệ PON đã phát triển qua nhiều thế hệ với các chuẩn khác nhau. APON (ATM PON) là chuẩn đầu tiên, hoạt động trên nền tảng ATM. Sau đó, BPON (Broadband PON) ra đời như một bản nâng cấp của APON, hỗ trợ WDM và cấp phát băng thông động. GPON (Gigabit PON) là một bước tiến lớn, hỗ trợ tốc độ cao hơn, tăng cường bảo mật và linh hoạt trong việc lựa chọn giao thức lớp 2 (ATM, GEM, Ethernet). Trong khi đó, EPON (Ethernet Passive Optical Network), hay GEPON, là một chuẩn do IEEE phát triển (IEEE 802.3ah), sử dụng trực tiếp các gói dữ liệu Ethernet. Nhờ sự đơn giản và tương thích cao với các mạng LAN/MAN hiện có, EPON trở thành giải pháp được nhiều nhà cung cấp dịch vụ lựa chọn để triển khai mạng truy nhập và cung cấp đa dịch vụ.

II. Tại sao EPON là giải pháp tối ưu cho mạng truy nhập quang

Việc lựa chọn công nghệ cho mạng truy nhập băng thông rộng là một bài toán cân bằng giữa hiệu suất, chi phí và khả năng mở rộng. Mạng truy nhập quang thụ động Ethernet (EPON) nổi lên như một giải pháp tối ưu nhờ sự kết hợp hài hòa giữa công nghệ quang thụ động và giao thức Ethernet phổ biến. So với các công nghệ truy nhập truyền thống như DSL hay cáp đồng, EPON cung cấp băng thông vượt trội, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ streaming video 4K, game online và điện toán đám mây. Một trong những thách thức lớn nhất của các mạng truy nhập là chi phí đầu tư và vận hành. EPON giải quyết vấn đề này bằng cách loại bỏ các thành phần ATM và SONET phức tạp và đắt đỏ, thay vào đó sử dụng các linh kiện Ethernet có chi phí thấp hơn nhiều. Hơn nữa, kiến trúc thụ động của ODN giúp giảm thiểu chi phí bảo dưỡng và tiêu thụ điện năng. Bằng cách chia sẻ một sợi quang cho nhiều thuê bao, chi phí sợi quang và thiết bị tại tổng đài (OLT) được tối ưu hóa. Điều này làm cho Đồ án EPON không chỉ là một đề tài học thuật mà còn mang tính ứng dụng thực tiễn cao, đáp ứng trực tiếp bài toán kinh tế của các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông hiện nay.

2.1. Ưu điểm vượt trội của mạng EPON so với công nghệ cũ

So với các công nghệ truy nhập khác, EPON mang lại nhiều lợi ích to lớn. Đầu tiên là băng thông cao hơn đáng kể. Hệ thống EPON có thể cung cấp tốc độ lên đến 1Gbps cho cả hướng xuống và hướng lên, đủ khả năng hỗ trợ đồng thời nhiều dịch vụ đòi hỏi băng thông lớn như thoại, dữ liệu và video chất lượng cao. Thứ hai, chi phí đầu tư thấp hơn. Bằng cách tận dụng các thành phần quang thụ động có tuổi thọ cao và linh kiện Ethernet giá rẻ, EPON đạt được sự cân bằng tối ưu giữa chi phí và hiệu suất. Chi phí bảo dưỡng cũng được giảm thiểu do không có thiết bị điện tử chủ động trong mạng phân phối. Cuối cùng, EPON mang lại nhiều lợi nhuận hơn cho nhà cung cấp dịch vụ nhờ khả năng hỗ trợ linh hoạt nhiều loại hình dịch vụ trên cùng một hạ tầng, từ dịch vụ truyền thống như POTS, T1 đến các dịch vụ băng rộng hiện đại.

2.2. Khắc phục hạn chế băng thông và chi phí với EPON

Một trong những nhược điểm cố hữu của kiến trúc PON là băng thông bị chia sẻ giữa các thuê bao. Tuy nhiên, EPON giải quyết vấn đề này bằng cách cung cấp một băng thông tổng rất lớn (1Gbps hoặc cao hơn), đảm bảo mỗi thuê bao vẫn nhận được tốc độ truy cập cao ngay cả khi chia sẻ. Hơn nữa, cơ chế cấp phát băng thông động DBA (Dynamic Bandwidth Allocation) cho phép phân bổ tài nguyên mạng một cách linh hoạt dựa trên nhuovea cầu thực tế của từng người dùng, tránh lãng phí. Về mặt chi phí, mặc dù việc lắp đặt một OLT mới ban đầu có thể tốn kém, nhưng chi phí trên mỗi thuê bao sẽ giảm dần khi số lượng người dùng kết nối tăng lên. Mô hình này giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư trong dài hạn, đặc biệt phù hợp cho việc triển khai mạng tại các khu đô thị có mật độ dân cư cao.

III. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động cốt lõi của một đồ án EPON

Để thực hiện một đồ án EPON thành công, việc nắm vững nguyên lý hoạt động của nó là điều kiện tiên quyết. Mạng truy nhập quang thụ động Ethernet có cơ chế hoạt động đặc thù do kiến trúc điểm-đa điểm của nó. Ở hướng xuống (downstream), từ OLT đến các ONU, hệ thống hoạt động như một mạng quảng bá. Khung Ethernet được OLT truyền đi và được sao chép bởi bộ chia quang thụ động để đến tất cả các ONU. Mỗi ONU sẽ tự lọc và chỉ nhận những gói tin có địa chỉ MAC đích trùng với địa chỉ của nó. Ngược lại, ở hướng lên (upstream), từ các ONU về OLT, các khung dữ liệu không thể được truyền đồng thời vì sẽ gây ra xung đột tại bộ kết hợp quang. Để giải quyết vấn đề này, EPON sử dụng cơ chế đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA - Time Division Multiple Access). OLT đóng vai trò điều khiển trung tâm, cấp phát các khe thời gian (timeslot) riêng biệt cho mỗi ONU để truyền dữ liệu. Giao thức điều khiển đa điểm MPCP (MultiPoint Control Protocol) là trái tim của cơ chế này, đảm bảo việc phân bổ băng thông hiệu quả và tránh xung đột, giúp hệ thống vận hành một cách trật tự và ổn định.

3.1. Cơ chế truyền dữ liệu hướng xuống Downstream

Trong luồng dữ liệu hướng xuống, OLT truyền các khung Ethernet một cách liên tục. Các khung này đi qua bộ chia quang và được nhân bản để gửi đến tất cả các ONU trong cùng một mạng PON. Mỗi khung dữ liệu chứa một địa chỉ MAC đích cụ thể. Tại mỗi ONU, lớp MAC sẽ kiểm tra địa chỉ này. Nếu địa chỉ MAC đích khớp với địa chỉ của ONU, khung dữ liệu sẽ được xử lý và chuyển tiếp đến thiết bị của người dùng. Nếu không, khung dữ liệu sẽ bị loại bỏ. Cơ chế quảng bá và lọc này rất đơn giản và hiệu quả, tận dụng được bản chất vật lý của mạng quang thụ động mà không cần các cơ chế chuyển mạch phức tạp tại các điểm phân phối.

3.2. Giải pháp truyền dữ liệu hướng lên Upstream và tránh xung đột

Luồng dữ liệu hướng lên phức tạp hơn nhiều. Do đặc tính của bộ kết hợp quang, nếu nhiều ONU truyền dữ liệu cùng lúc, tín hiệu của chúng sẽ chồng chéo và gây ra xung đột, khiến OLT không thể giải mã. Để ngăn chặn điều này, EPON sử dụng một cơ chế điều phối tập trung. OLT cấp phát các cửa sổ thời gian truyền dẫn riêng biệt cho từng ONU. Mỗi ONU chỉ được phép truyền dữ liệu trong khe thời gian được chỉ định. Điều này tạo ra một kênh truyền thông ảo điểm-điểm giữa mỗi ONU và OLT, mặc dù chúng chia sẻ cùng một môi trường vật lý. Việc sắp xếp các khe thời gian này có thể được thực hiện một cách tĩnh (TDMA cố định) hoặc động (DBA) dựa trên nhu cầu băng thông của từng ONU.

3.3. Vai trò của giao thức điều khiển đa điểm MPCP

Giao thức MPCP (MultiPoint Control Protocol), được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.3ah, là cơ chế hỗ trợ việc phân bổ băng thông hướng lên. MPCP hoạt động dựa trên hai loại bản tin chính: GATE và REPORT. Bản tin GATE được OLT gửi đến một ONU cụ thể để cấp phép một khe thời gian truyền dẫn, xác định thời điểm bắt đầu và thời lượng truyền. Ngược lại, bản tin REPORT được ONU gửi về OLT để báo cáo trạng thái hàng đợi của mình (ví dụ: lượng dữ liệu cần gửi). Dựa trên thông tin từ các bản tin REPORT, OLT có thể đưa ra quyết định cấp phát băng thông một cách thông minh và hiệu quả, đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các ứng dụng khác nhau.

IV. Hướng dẫn thiết kế đồ án EPON với phần mềm OptiSystem

Một phần quan trọng của đồ án EPON là thiết kế và mô phỏng hệ thống để đánh giá hiệu năng. Phần mềm OptiSystem là một công cụ mạnh mẽ cho phép mô phỏng các hệ thống thông tin quang ở lớp vật lý. Việc thiết kế mạng EPON trên OptiSystem bắt đầu bằng việc xây dựng sơ đồ hệ thống, bao gồm các khối chức năng chính như OLT, sợi quang đơn mode, bộ chia quang (splitter), và các ONU. Các thông số kỹ thuật quan trọng cần được thiết lập cẩn thận. Ví dụ, công suất phát tại OLT, bước sóng cho đường lên (ví dụ 1310 nm) và đường xuống (ví dụ 1550 nm), tốc độ bit (ví dụ 1.244 Gbps), phương thức mã hóa (NRZ), và các đặc tính của sợi quang như suy hao và tán sắc. Sau khi xây dựng mô hình, các công cụ phân tích của OptiSystem được sử dụng để đo lường các chỉ tiêu chất lượng. Các chỉ tiêu này giúp đánh giá hệ thống hoạt động có đạt yêu cầu hay không và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến chất lượng tín hiệu, cung cấp những hiểu biết sâu sắc cho việc tối ưu hóa thiết kế trong thực tế.

4.1. Thiết lập thông số và sơ đồ hệ thống mạng EPON mô phỏng

Trong mô phỏng, hệ thống EPON được thiết lập với các thông số cụ thể. Khối OLT bao gồm một bộ phát quang hoạt động ở bước sóng 1550 nm với công suất phát xác định, ví dụ 1 dBm. Kênh truyền là một sợi quang đơn mode với chiều dài 20 km, có các tham số suy hao (0.4 dB/km) và tán sắc (16.75 ps/nm/km). Một bộ chia quang thụ động (splitter) với tỉ lệ 1:8 được sử dụng để phân phối tín hiệu đến 8 ONU. Mỗi ONU có một bộ thu quang và một bộ phát quang cho đường lên ở bước sóng 1310 nm. Toàn bộ hệ thống được mô phỏng với tốc độ bit 1244.16 Mbps, tương ứng với chuẩn tốc độ phổ biến. Sơ đồ kết nối này phản ánh một cách trung thực kiến trúc của một mạng EPON trong thực tế.

4.2. Phân tích kết quả Tỷ lệ lỗi bit BER và hệ số phẩm chất Q

Hai chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng mạng quang là BER (Tỉ lệ lỗi Bit) và hệ số phẩm chất Q. BER là tỷ lệ số bit bị lỗi trên tổng số bit được truyền đi, với giá trị tiêu chuẩn trong hệ thống thông tin quang thường là 10⁻⁹. Hệ số phẩm chất Q là một đại lượng liên quan trực tiếp đến tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại bộ thu, phản ánh chất lượng của tín hiệu điện sau khi chuyển đổi. Hệ số Q càng cao thì BER càng thấp, tức là chất lượng truyền dẫn càng tốt. Một công cụ trực quan khác là đồ thị mắt (Eye Diagram). Độ mở của đồ thị mắt càng lớn, tín hiệu càng ít bị méo và hệ thống càng có khả năng chống nhiễu tốt hơn. Các công cụ phân tích trong OptiSystem cho phép đo lường chính xác các giá trị này.

4.3. Đánh giá ảnh hưởng của khoảng cách và công suất phát

Mô phỏng cho phép phân tích ảnh hưởng của các tham số vật lý. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khoảng cách truyền dẫn có tác động lớn đến chất lượng tín hiệu. Khi giảm khoảng cách từ 20 km xuống 15 km, giá trị Min BER giảm đáng kể (từ 1 xuống 2.29978e-016), và đồ thị mắt mở rộng hơn. Điều này là do tín hiệu chịu ít suy hao và tán sắc hơn trên quãng đường ngắn hơn. Tương tự, công suất phát cũng là một yếu tố quan trọng. Khi giảm công suất phát tại OLT từ 1 dBm xuống -1 dBm, chất lượng tín hiệu tại ONU suy giảm rõ rệt. Các phân tích này chứng minh rằng việc tính toán quỹ công suất và giới hạn khoảng cách là cực kỳ quan trọng trong quá trình thiết kế và triển khai một mạng EPON thực tế.

V. Tương lai và hướng phát triển của công nghệ mạng EPON

Công nghệ mạng truy nhập quang thụ động Ethernet (EPON) đã chứng tỏ là một giải pháp hiệu quả và kinh tế cho mạng truy nhập băng rộng. Tuy nhiên, sự phát triển không dừng lại ở đó. Nhu cầu về băng thông tiếp tục tăng theo cấp số nhân, thúc đẩy ngành công nghiệp viễn thông nghiên cứu và phát triển các thế hệ mạng PON tiếp theo. Hướng phát triển chính là tăng tốc độ truyền dẫn. Các chuẩn như 10G-EPON (IEEE 802.3av) đã được tiêu chuẩn hóa, cung cấp tốc độ đối xứng 10 Gbps, đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng doanh nghiệp và các dịch vụ video thế hệ mới. Xa hơn nữa, các công nghệ như NG-PON2 và 25G/50G PON đang được phát triển, sử dụng các kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng (WDM-PON) và các phương pháp điều chế tiên tiến để tăng dung lượng trên mỗi sợi quang. Đồ án EPON không chỉ là tìm hiểu một công nghệ hiện tại mà còn là nền tảng để tiếp cận các xu hướng công nghệ mạng truy nhập trong tương lai, mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực viễn thông quang.

5.1. Đánh giá tổng kết về hiệu năng và ứng dụng của EPON

Tổng kết lại, EPON là một công nghệ mạng truy nhập mạnh mẽ với nhiều ưu điểm: băng thông cao, chi phí thấp, độ tin cậy và khả năng mở rộng tốt. Nó đã được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới để cung cấp các dịch vụ bộ ba (Triple Play: thoại, video, dữ liệu) cho hàng triệu thuê bao. Sự tương thích với hệ sinh thái Ethernet rộng lớn giúp đơn giản hóa việc quản lý và tích hợp mạng. Các kết quả mô phỏng và phân tích thực tế đều khẳng định hiệu năng vượt trội của EPON trong việc giải quyết bài toán "nút thắt cổ chai" ở lớp truy nhập, mang lại trải nghiệm kết nối tốc độ cao và ổn định cho người dùng cuối.

5.2. Xu hướng nâng cấp lên các thế hệ PON tốc độ cao hơn

Tương lai của mạng truy nhập quang nằm ở tốc độ và hiệu quả cao hơn. Lộ trình nâng cấp từ EPON 1G lên 10G-EPON là một bước đi tự nhiên, cho phép các nhà mạng tăng dung lượng mà không cần thay đổi lớn về cơ sở hạ tầng ODN hiện có. Các công nghệ tương lai như WDM-PON hứa hẹn cung cấp các bước sóng riêng biệt cho từng thuê bao hoặc từng loại dịch vụ, mang lại băng thông chuyên dụng và độ bảo mật cao hơn. Sự phát triển của mạng di động 5G cũng đặt ra yêu cầu về các mạng truyền dẫn quang (fronthaul/backhaul) dung lượng cực lớn, và các thế hệ PON tốc độ cao chính là một trong những ứng cử viên sáng giá để đáp ứng yêu cầu này. Việc nghiên cứu EPON là bước đệm vững chắc để đón đầu những xu hướng công nghệ này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUY NHẬP QUANG 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Mạng truy nhập quang được chia làm hai loại cơ bản là mạng truy nhập quang tích cực AON và mạng truy nhập quang thụ động PON. Mạng AON sử dụng các thiết bị tích cực như các bộ chia tích cực hoặc các bộ ghép kênh ở đoạn phân bố của mạng truy nhập. Mạng PON 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.1: Mạng truy nhập quang SVTH: Bùi Ngọc Lâm – Lớp: CCVT05A 2 Tìm hiểu mạng truy nhập quang thụ động Ethernet - EPON 1.2 CẤU HÌNH CƠ BẢN CỦA MẠNG TRUY NHẬP QUANG Cấu hình mạng cơ bản của mạng truy nhập quang được trình bày ở hình 1.2: Cấu hình của mạng truy nhập quang  FTTCab-Cáp quang tới tủ đấu dây; FTTC-Cáp quang tới cụm thuê bao; FTTB-Cáp quang tới toà nhà; FTTH-Cáp quang tới tận nhà.3 CẤU HÌNH THAM CHIẾU MẠNG TRUY NHẬP QUANG Cấu hình tham chiếu của mạng truy nhập quang được trình bày trên hình 1.3 Cấu hình tham chiếu của mạng truy nhập quang Cấu trúc trên hình 1.3 bao gồm 4 khối cơ bản: đầu cuối đường quang (OLT), mạng phối dây quang (ODN), khối mạng quang (ONU) và khối chức năng phối hợp. SVTH: Bùi Ngọc Lâm – Lớp: CCVT05A 3 Tìm hiểu mạng truy nhập quang thụ động Ethernet - EPON Điểm tham chiếu chủ yếu gồm có: điểm tham chiếu phát quang S, điểm tham chiếu thu quang R, điểm tham chiếu giữa các nút dịch vụ V, điểm tham chiếu đầu cuối thuê bao T và điểm tham chiếu a ở giữa các ONU. Giao diện bao gồm: giao diện quản lý mạng Q3 và giao diện giữa thuê bao với mạng UNI.4 CÁC KHỐI CHỨC NĂNG CƠ BẢN Hệ thống mạng truy nhập quang bao gồm ba thành phần cơ bản: OLT, ONU và ODN. Hệ thống AON có các khối chức năng đơn giản, cơ bản hơn so với hệ thống PON.

Ở đây chỉ nêu các khối chức năng của PON.1 Khối kết cuối đường quang OLT Các khối OLT chính được mô tả trong hình 1.4: Các khối chức năng của OLT 1.2 Khối mạng quang ONU Cấu hình điển hình của một ONU được mô tả trong hình 1.5: Các khối chức năng của ONU SVTH: Bùi Ngọc Lâm – Lớp: CCVT05A 4 Tìm hiểu mạng truy nhập quang thụ động Ethernet - EPON 1.3 Mạng phân phối quang ODN 1.1 Bộ tách/ghép quang Các bộ tách/ghép NxN được chế tạo bằng cách ghép nhiều tầng bộ 2x2 với nhau như hình 1.6 hoặc sử dụng công nghệ ống dẫn sóng phẳng.6: Các bộ ghép 8x8 được tạo ra từ các bộ ghép 2x2. Các bộ tách/ghép được đặc trưng bằng các tham số sau: suy hao chia, suy hao ghép, điều hướng.2 Mạng cáp quang thuê bao Mạng cáp thuê bao quang được xác định trong phạm vi ranh giới từ giao tiếp sợi quang giữa thiết bị OLT đến thiết ONU/ONT. Cấu trúc mạng cáp quang thuê bao xem trong hình 1.7: Cấu trúc cơ bản mạng cáp quang thuê bao. SVTH: Bùi Ngọc Lâm – Lớp: CCVT05A 5 Tìm hiểu mạng truy nhập quang thụ động Ethernet - EPON 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Mạng truy nhập quang là mạng truy nhập có nhiều ưu điểm như: Dung lượng lớn, kích thước và trọng lượng cáp nhỏ, không bị nhiễu điện, tính bảo mật cao, giá thành cáp quang rẻ, chất lượng truyền dẫn tốt, an toàn cho thiết bị, tốc độ truy nhập cao, nâng cấp băng thông dễ dàng.

Vì vậy nó phù hợp để triển khai các dịch vụ băng rộng (truy cập Internet tốc độ cao, truyền hình độ nét cao…) giữa các khối kết cuối đường dây ở xa (ONU) và kết cuối mạng (OLT). SVTH: Bùi Ngọc Lâm – Lớp: CCVT05A 6 Tìm hiểu mạng truy nhập quang thụ động Ethernet - EPON CHƯƠNG II: MẠNG TRUY NHẬP QUANG THỤ ĐỘNG ETHERNET – EPON 2.1 MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON 2.1 Khái niệm mạng quang thụ động PON Mạng quang thụ động PON là một mạng quang không có các phần tử điện phụ hay thiết bị quang điện tử. PON là công nghệ sử dụng các bộ chia quang (Splitter) để nối tới rất nhiều thiết bị đầu cuối mạng quang. Như vậy, trong PON sẽ bao gồm: Sợi quang, các bộ chia, bộ kết hợp, bộ ghép định hướng, bộ lọc.2 Đặc điểm của hệ thống  Đặc trưng của hệ thống PON là thiết bị thụ động phân phối sợi quang đến từng nhà thuê bao sử dụng bộ chia splitter có thể lên tới 1:128.

 PON hỗ trợ giao thức ATM, Ethernet  PON hỗ trợ các dịch vụ voice, data và video tốc độ cao  Khả năng cung cấp băng thông cao  Trong hệ thống PON băng thông được chia sẻ cho nhiều khách hàng điều này sẽ làm giảm chi phí cho khách hàng sử dụng.  Khả năng tận dụng công nghệ WDM, ghép kênh phân chia theo dải tần và cung cấp băng thông động để giảm thiểu số lượng cáp quang cần thiết để kết nối giữa OLT và splitter.  PON thực hiện truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang hay 2 chiều trên cùng 1 sợi quang.  PON có thể hỗ trợ cấu trúc mạng hình cây, sao, bus và ring 2.3 Cấu trúc mạng quang thụ động PON Cấu trúc mạng PON cơ bản gồm các thành phần là OLT, splitter quang, ONU/ONT.

OLT chính là thiết bị đầu cuối phía nhà sản xuất, có nhiệm vụ kết nối tất cả các loại dịch vụ lại và truyền tín hiệu thông qua sợi cáp quang. Tín hiệu từ OLT sẽ đến các splitter quang. Splitter quang được sử dụng để phân chia công suất từ một sợi duy nhất đến x người sử dụng (x có thể là 32, 64 hoặc 128, điều đó phụ thuộc vào hệ SVTH: Bùi Ngọc Lâm – Lớp: CCVT05A 7 Tìm hiểu mạng truy nhập quang thụ động Ethernet - EPON số chia của splitter) trên một khoảng cách tối đa là 20 km. Để thu được tín hiệu từ OLT, tại phía người sử dụng cần có các bộ ONU/ONT.1: Mô hình chung của mạng quang thụ động PON Từ mô hình chung ở trên, mạng PON còn được triển khai dưới các dạng kiến trúc như sau: Hình 2.2: Các dạng kiến trúc của PON Các thành phần chính của một mạng PON là: SVTH: Bùi Ngọc Lâm – Lớp: CCVT05A 8 Tìm hiểu mạng truy nhập quang thụ động Ethernet - EPON  OLT: Đây là thiết bị kết cuối kênh quang đặt tại Center Office.

Nó là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống PON, cung cấp các giao diện truy nhập PON cho thiết bị ONU phía người sử dụng và các giao diện khác cho tín hiệu phía đường lên.  ONU: Đây là thiết bị lắp đặt tại phía khách hàng. Nó là điểm cuối của mạng quang FTTH. ONU có nhiệm vụ chuyển tín hiệu quang từ giao diện PON thành các chuẩn tín hiệu cho các thiết bị mạng, tín hiệu truyền hình, tín hiệu thoại được sử dụng tại thuê bao.

 ONT: Đây là thiết bị đầu cuối phía người sử dụng, là điểm cuối cùng của ODN.  ODN: Hệ thống phân phối cáp quang tính từ sau OLT đến ONU/ONT. Cụ thể, hệ thống phân phối quang ODN bao gồm các thành phần sau đây: - Măng xông quang - Dây nhảy quang - Hộp phối quang ODF - Splitter (bộ chia/ghép quang). Ở đây bộ chia/ghép quang chính là bộ chia công suất quang.

Dùng để chia một tín hiệu quang ở đầu vào thành nhiều tín hiệu ở đầu ra. Các hệ số chia thông thường là 1:4, 1:8… Đây là bộ chia thụ động tức là không phải cấp nguồn. Suy hao trong bộ chia phụ thuộc vào hệ số chia. Hệ số chia càng lớn thì suy hao càng lớn.

Với hệ số chia là 1:2 thì suy hao khoảng 3 dB, với hệ số chia là 1:32 thì suy hao tối thiểu là 15dB. Suy hao này chính là suy hao xen tạo ra bởi sự chưa hoàn hảo trong quá trình xử lý.3 cho biết nguyên lý chung của bộ chia công suất quang. Giả sử tại đầu vào có 3 bước sóng λ1 ở đường xuống, λ2, λ3 ở đường lên, với bộ chia công suất có hệ số chia là 1:2 thì đầu ra có 2 cửa ra, một cửa có bước sóng vào là λ2và bước sóng ra là λ1, một cửa khác lại có bước sóng vào là λ3và bước sóng ra là λ1. SVTH: Bùi Ngọc Lâm – Lớp: CCVT05A 9 Tìm hiểu mạng truy nhập quang thụ động Ethernet - EPON Hình 2.3: Bộ chia công suất quang 2.4 Các chuẩn của PON  ITU-TG983  APON (ATM Passive Optical Network) - Mạng quang thụ động ATM.

Đây là chuẩn mạng quang thụ động đầu tiên. Từng được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng thương mại trên nền ATM.  BPON (Broadband PON) là chuẩn trên nền APON. Được bổ xung để hỗ trợ cho WDM ghép kênh phân chia theo bước sóng, cấp phát băng thông đường lên rộng và lớn hơn, tính chọn lọc cao.

Đồng thời tạo ra giao diện quản lý chuẩn gọi là OMCI, giữa OLT và ONU/ONT, cho phép các mạng cung cấp hỗn hợp, cụ thể : - G983.1: Năm 1998, trình bày về lớp vật lý cưa hệ thống APON/BPON.2: Năm 1999, đặc tính của giao diện điều kiện và quản lý ONT.3: Thông quan năm 2001, đặc tính mở rộng cung cấp những dịch vụ thông qua phân bổ bước sóng.4: Thông qua năm 2001, mô tả những cơ chế cần thiết để hỗ trợ phân bổ băng tần động trong các ONT của cùng một mạng PON.5: Thông qua năm 2002, xác định những cơ chế chuyển mạch bảo vệ cho BPON.6: Thông qua năm 2002, định nghĩa những mở rộng cho giao diện điều kiện cần thiết cho quản lý những chức năng chuyển mạch tại ONT.7: Thông qua năm 2001, định nghĩa những mở rộng cho giao diện điều kiện cần thiết cho quản lý những chức năng DBA tại ONT. SVTH: Bùi Ngọc Lâm – Lớp: CCVT05A 10 Tìm hiểu mạng truy nhập quang thụ động Ethernet - EPON  ITU-T984  GPON (Gigabit PON) là một sự phát triển của chuẩn BPON. Nó hỗ trợ tốc độ cao hơn, tăng cường bảo mật và chọn lớp giao thức (ATM, GEM, Ethernet).1: Mô tả những đặc tính chung của hệ thống GPON như là kiến trúc, tốc độ bít, bảo vệ và bảo mật - G984.2: Xác định những thông số của GPON tại tốc độ lên là (155Mb/s, 622Mb/s, 1,5 Gb/s, 2,5Gb/s), xuống là (1,5Gb/s và 2,5Gb/s) - G983.4: Mô tả những đặc tính về khung hội tụ truyền dẫn của GPON, bản tin, phương pháp xác định khoảng, hoạt động, giám sát, những chức năng bảo dưỡng và bảo mật.