Chương 1: MẠNG TRUY NHẬP QUANG GPON 1. Giới thiệu mạng quang thụ động Passive Optical Network (PON) PON là từ viết tắt của Passive Optical Network hay còn gọi là mạng quang thụ động. Công nghệ mạng quang thụ động PON còn được hiểu là mạng công nghệ quang truy nhập giúp tăng cường kết nối giữa các nút mạng truy nhập của nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng. Tổng quan về công nghệ PON Mạng quang thụ động PON sử dụng phần tử chia quang thụ động trong phần mạng phân bố nằm giữa thiết bị đường truyền quang Otical Line Terminal (OLT) và thiết bị kết cuối mạng quang Optical network Unit (ONU), Passive Optical Splitter là bộ chia quang thụ động.
Đặc điểm của PON PON là kiểu mạng Điểm – Đa điểm (P2MP). Mỗi khách hàng được kết nối tới mạng quang thông qua một bộ chia quang thụ động, vì vậy không có các thiết bị điện chủ động trong mạng phân chia. Các thiết bị thụ động phân phối sợi quang đến từng nhà thuê bao sử dụng bộ chia có thể lên tới 1:128. Thiết bị splitter không cần cấp nguồn, có giá thành rẻ và có thể lắp đặt ở bất kỳ đâu, không phụ thuộc vào các điều kiện môi trường, không cần phải cung cấp năng lượng cho các thiết bị giữa phòng máy trung tâm và phía người dùng.
Giao thức: PON hỗ trợ giao thức ATM, Ethernet giúp hỗ trợ các dịch vụ thoại, dữ liệu và hình ảnh với tốc độ cao và khả năng cung cấp băng thông rộng. Băng thông được chia sẻ cho nhiều khách hàng, điều này làm giảm chi phí cho khách hàng sử dụng. PON thực hiện truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang hay hai chiều trên cùng một sợi quang, PON có thể hỗ trợ mô hình: Hình cây, sao, bus và ring. Thành phần cơ bản của mạng quang thụ động PON a.
Sợi quang và cáp quang Sợi quang là một ống dẫn sóng điện môi hoạt động ở tần số quang. Hai thông số cơ bản của sợi quang là suy hao và tán sắc. Tuy nhiên ta chỉ xét đến thông số tán sắc và không quan tâm đến suy hao do khoảng cách truyền dẫn tối đa chỉ là 20km. Do đó người ta sẽ sử dụng sợi quang có suy hao nhỏ, chủ yếu là sử dụng sợi quang G652.
Không giống như cáp đồng truyền tín hiệu điện, cáp quang truyền tín hiệu bằng ánh sáng. Chính vì sự khác biệt đó mà cáp quang ít bị nhiễu, tốc độ cao và có khả năng truyền đi xa hơn. Cấu tạo cơ bản của sợi quang có dạng hình trụ tròn bao gồm hai lớp chính là lớp lõi sợi có chiết suất n1 và lớp vỏ sợi bọc quanh lõi có chiết suất n2 như mô tả trong hình 1. Do ánh sáng truyền trong sợi quang dựa trên nguyên lý phản xạ toàn phần nên lớp vỏ phải có chiết suất nhỏ hơn chiết suất lớp (n2 < n1).
Mặc dù về mặt nguyên lý, một lớp vỏ là không cần thiết cho việc truyền ánh sáng trong sợi nhưng nó được sử dụng cho một số mục đích khác như giảm suy hao tán xạ cũng như cả hấp thụ tại bề mặt lõi, cải thiện tính dẫn sóng của sợi quang. Bên cạnh lớp vỏ và lớp lõi, sợi quang sử dụng trong thực tế còn được bọc thêm một hoặc một vài lớp bọc đệm bằng vật liệu polyme có tính đàn hồi cao. Việc bọc thêm lớp bọc đệm này cũng nhằm mục đích gia cường thêm cho sợi quang và giảm các khuyết tật trên bề mặt sợi quang, đảm bảo khả năng sử dụng trong môi trường thực tế. Core (Lõi sợi quang): Trung tâm phản chiếu của sợi quang, nơi ánh sáng được truyền đi.
Cladding (Lớp phủ sợi quang): Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi. 4 Buffer coating (Lớp đệm sợi quang): Là lớp vỏ bên ngoài bảo vệ sợi quang nhằm hạn chế các tác động cơ học, môi trường tác động lên sợi quang. Jacket (Vỏ cáp quang): Hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang được đặt trong bó gọi là Cáp quang. Những bó này được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài của cáp được gọi là jacket.
Ưu điểm của sợi quang: Mỏng hơn: Cáp quang được thiết kế có đường kính nhỏ hơn cáp đồng. Dung lượng tải cao hơn: Bởi vì sợi quang mỏng hơn cáp đồng, nhiều sợi quang có thể được bó vào với đường kính đã cho hơn cáp đồng. Điều này cho phép nhiều kênh đi qua cáp. Suy hao tín hiệu nhỏ: Tín hiệu bị suy hao trong quá trình truyền dẫn ở cáp quang nhỏ hơn ở cáp đồng.
Tín hiệu ánh sáng: Không giống tín hiệu điện trong cáp đồng, tín hiệu ánh sáng từ sợi quang không bị nhiễu với những sợi khác trong cùng cáp. Điều này làm cho chất lượng tín hiệu tốt hơn. Sử dụng điện nguồn ít hơn: Bởi vì tín hiệu trong cáp quang suy hao ít, máy phát có thể sử dụng nguồn thấp hơn thay vì máy phát với điện thế cao được dùng trong cáp đồng. Tính linh hoạt do các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video.
Các hệ thống này đều có thể tương thích với các chuẩn RS.35, Ethernet, Arcnet, FDDI, T1, T2, T3, Sonet, thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp và còn nhiều nữa. Tín hiệu số: Cáp quang lý tưởng thích hợp để tải thông tin dạng số mà đặc biệt hữu dụng trong mạng viễn thông hiện nay. Không cháy: Vì không có điện xuyên qua cáp quang, vì vậy không có nguy cơ chập cháy gây hỏa hoạn. Dễ dàng nâng cấp khi chỉ cần thay thế thiết bị thu phát quang còn hệ thống cáp sợi quang vẫn có thể được dữ nguyên.
Nhược điểm của sợi quang: 5 Nối cáp khó khăn, không thể gập uốn như cáp đồng mà đòi hỏi dây cáp dẫn càng thẳng càng tốt. Nếu cáp quang bị uốn cong nhiều sẽ gây suy hao lớn. Chi phí hàn nối và giá thành thiết bị đầu cuối khi dùng cáp quang cao hơn so với khi dùng cáp đồng. Bộ tách/ghép quang Một mạng quang thụ động sử dụng một thiết bị thụ động để tách 1 tín hiệu quang từ một sợi quang sang một vài sợi khác và ngược lại.
Thiết bị này gọi là coupler quang.2a có chức năng tách một tia thành hai tia ở đầu ra, gọi là coupler Y Hình 1.2b có chức năng ghép các tín hiệu quang tại hai đầu vào thành một tín hiệu tại đầu ra.2c vừa ghép vừa tách sóng quang gọi là coupler X hoặc Y phân hướng 2x2 AWG (Cách tử mảng ống dẫn sóng). Cách tử mảng ống dẫn sóng (AWG) là một thiết bị có thể phân chia hoặc kết hợp các tín hiệu cùng với những cửa sổ bước sóng khác nhau. Cách tử mảng ống dẫn sóng được thiết lập như một kênh sợi quang hai chiều, nơi mà ánh sáng tới tại đầu vào của sợi quang đầu tiên được đưa vào phân đoạn ống dẫn sóng đa mode, 6 tiếp theo sẽ truyền tải thông qua một vài ống dẫn sóng đơn mode đến phân đoạn đa mode thứ hai, và cuối cùng được đưa đến đầu ra sợi quang. Quá trình lọc cửa sổ bước sóng dựa trên ảnh hưởng của giao thao và độ dài các tuyến đường quang khác nhau trong ống dẫn sóng đơn mode.
Bất cứ một bước sóng kết hợp tại đầu vào được truyền tải thông qua các ống dẫn sóng đơn mode, và đầu ra trong bất cứ kênh nào sẽ dẫn đến sự chồng lấn (giao thoa) của tất cả các cửa sổ bước sóng. Cách tử mảng ống dẫn sóng có thể được sử dụng trong miền quang đối với khoảng cách truyền dẫn dài và các mạng quang thụ động. AWG có thể thực hiện ghép kênh đối với một số lượng các kênh quang lớn. AWG điều chỉnh ánh sáng trên một mặt phẳng chứa các sóng ánh sáng, cung cấp tán sắc để phân chia ánh sáng cho những bước sóng khác nhau.
Nhưng hai công nghệ tiêu biểu đó là sử dụng cách tử mảng ống dẫn sóng AWG và cách tử Bragg sợi quang. Gần đây AWG được sử dụng phổ biến hơn mặc dù công nghệ này rất khó để đạt được hiệu năng tốt trong quá trình phân kênh và ghép kênh một số lượng nhỏ các kênh quang. Tuy nhiên nó có khả năng mở rộng tốt với số lượng lớn các kênh và phù hợp với các kiến trúc phức tạp.4: Bộ ghép kênh AWG Những thành phần của tín hiệu quang đầu vào được truyền trực tiếp đến các cổng đầu ra được chỉ rõ cùng cửa sổ bước sóng được chỉ ra ở hình trên (a). Một bộ ghép kênh AWG phổ biến bao gồm hai bộ coupler sao được hoạt động cùng nhau với các ống dẫn sóng có độ dài không bằng nhau thể hiện ở hình b.
Chức năng của các ống dẫn sóng như một cách tử quang để phân tán các tín hiệu của các bước sóng khác nhau. Đầu cuối đường quang OLT (Optical Line Terminal) OLT cung câp giao diện giữa hệ thống mạng truy nhập thụ động PON và mạng quang đường trục của các nhà cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu, video. OLT có thể được đặt bên trong tổng đài hoặc tại một trạm từ xa. OLT cũng kết nối đến mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ thông qua hệ thống quản lý EMS.
Sơ đồ khối chức năng được mô tả như trong hình 1. - Phần lõi OLT: Bao gồm các chức năng: Chức năng kết nối chéo được số hóa cung cấp các kết nối giữa phần mạng lõi với phần mạng phân phối quang ODN. 8 Chức năng ghép kênh truyền dẫn cung cấp kết nối VP giữa chức năng cổng dịch vụ SPF và giao diện ODN. Các VP khác nhau được gán vào các dịch vụ khác nhau tại giao diện PON.
Các thông tin khác như báo hiệu, OAM được trao đổi nhờ các VC trong VP. Chức năng ghép kênh truyền dẫn cung cấp việc truyền và ghép các kênh trên mạng phân phối quang ODN. Ví dụ như: Dữ liệu đi từ mạng lõi/metro đến mạng phối quang ODN thì nó có nhiệm vụ là truyền, còn dữ liệu đi từ mạng phối quang ODN đến mạng lõi/metro thì nó phải được ghép kênh trước khi truyền đến mạng lõi/metro. Chức năng giao diện ODN cung cấp môi trường truyền dẫn quang kết nối OLT với một hoặc nhiều ONU bằng việc sử dụng thiết bị thụ động.
Nó điều khiển quá trình chuyển đổi quang điện và điện quang. Để có thể thực hiện cơ chế chuyển mạch bảo vệ và làm dễ dàng cho việc xử lý thiết bị thụ động bộ chia thì ở OLT sẽ có các chức năng giao diện ODN giống như phần mạng phối quang. Đầu cuối đường dây PON xử lý chuyển đổi quang điện. Giao diện ODN chèn các tế bào ATM vào.
