CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN VÉ MẠNG TRUY NHẬP LR-PON 1. Tổng quan về mạng truy nhập Nhu chúng ta đã biết, những tiến bộ về mặt công nghệ trong mạng đường trục, mạng doanh nghiệp và mạng gia đình cùng với sự bùng nỗ của lưu lượng truy cập Internet đã làm chậm đáng ké dung lượng của mạng truy nhập. Tại phần cuối của mạng viễn thông hiện nay vẫn còn tồn tại “điểm tắc nghẽn” giữa mạng LAN dung lượng cao và mạng đường trục. Các giải pháp băng rộng đang tồn tại Trước đây hau hết các giải pháp băng rộng được triển khai rộng rãi là mạng đường dây thuê bao số (DSL) và dich vụ truyền hình cáp (CATV).
Mặc dù chúng đã được cải tiến so với đường kết nối quay số 56 kb/s nhưng chúng cũng không thê cung cấp đủ băng thông cho các dịch vụ mới như video theo yêu cầu (VoD), trò chơi tương tác trực tuyến, hoặc hội nghị truyền hình hai chiều. a) Đường dây thuê bao số (DSL) DSL sử dụng chính cặp dây đồng xoắn như đường dây điện thoại tương tự và yêu cầu một modem tại phía thuê bao và một bộ tập trung đường dây thuê bao số (DSLAM) phía tổng đài trung tâm (CO). Tiền đề của công nghệ DSL là chia phố tần của đường dây cáp đồng thành các kênh con có độ rộng khoảng 4 kHz, trong đó vùng tần số thấp hơn 4 kHz được sử dụng dé truyền thoại, còn các tần số cao hon được cấp phát cho các dịch vụ truyền thông số tốc độ cao hơn. Có bốn kiểu kết nối cơ ban của DSL: - Mạng số tích hợp đa dịch vụ (ISDN): ISDN tốc độ cơ bản gồm 2 kênh B và 1 kênh D (tôc độ tông cộng 144 kb/s), cung cap các dich vụ vê đữ liệu, hình ảnh, thoại.
- Đường dây thuê bao sô tôc độ cao (HDSL): Được thiệt kê phù hợp với chuẩn T1=1,544 Mb/s và E1=2,048 Mb/s sử dụng một, hai hoặc ba đôi dây dé truyền dẫn hai chiều. - Đường dây thuê bao số bat đối xứng (ADSL): Là đường dây thuê bao được triển khai phổ biến nhất, nó sử dụng đường dây điện thoại dé truyền dẫn và có tốc độ bất đối xứng. Trong hướng xuống, ADSL có thể hỗ trợ tốc độ lên tới 8 Mb/s, còn trong hướng lên, tốc độ có thé đạt tới 1,5Mb/s tùy thuộc vào độ dài và trạng thái truyền dẫn, đã trở nên thông dụng trong những thập niên 1990. - Đường day thuê bao số tốc độ rất cao (VDSL): Có thé có tốc độ đối xứng hoặc không đối xứng, nó đạt được tốc độ cao hơn nhiều HDSL hoặc ADSL nhưng hoạt động với khoảng cách ngăn hơn nhiều.
Tốc độ có thé nằm trong khoảng từ 13 Mb/s đến 52 Mb/s nhưng không được triển khai thương mại vì sự cạnh tranh khốc liệt của mạng di déng thế hệ 3, 4G. b) Các mạng truyền hình cáp (CATV) Một cách khác để truy nhập băng rộng là thông qua mạng truyền hình cáp (CATV). Các mang CATV cung cap dich vu Internet bang cách dành riêng một số kênh tần số vô tuyến (RF) trong cáp đề truyền dit liệu. Tuy nhiên, các mạng CATV được thiết kế chủ yếu để cấp phát các dịch vụ quảng bá, vì vậy chúng không phù hợp cho các ứng dụng của mạng truy nhập.
Nếu tải dit liệu lớn, hiệu năng của mạng thường thấp và không thể thỏa mãn nhu cầu của người dùng. Soi quang cho mạng truy nhập Các giải pháp băng rộng đã nêu trên không cho phép cung cấp đủ băng thông cho các dịch vụ mới như VoD, trò chơi tương tác trực tuyến, hoặc hội nghị truyền hình hai chiều. Để giảm bớt “tắc nghẽn” về băng thông, sợi quang và các nút quang được đưa tới gần hơn phía người dùng trong cả mạng DSL và CATV. Trong các mạng truy nhập dựa trên DSL, rất nhiều bộ DSLAM ở xa được kết nối với CO bằng các đường cáp quang.
Trong mạng truyền hình cáp, các nút quang được lắp đặt gần phía các thuê bao. Kế hoạch phát triển hiện tại của mạng truy nhập là mang sợi quang tới các văn phòng, tòa nhà, hoặc thậm chí là từng hộ dân cư. Không giống như các kiến trúc đã nêu ở trên, tại đó sợi quang chỉ được sử dụng như một đường truyền phân phối dé thu hẹp độ dài của các mạng cáp đồng và cáp đồng trục. Các kiến trúc mạng quang hiện nay có thé hỗ trợ các dịch vụ tốc độ lên đến gigabit với mức giá tương đương như các mang DSL và CATV hiện có.
Mạng truy nhập thế hệ sau N sợi quang 2N trạm thu phát T - N thuê bao Tổng đãi " có Lkm (a) Mang diém-diém 1 soi quang 2N + 2 trạm thu phát T Tổng đài Lkm co (b) Mạng sử dung chuyén mach 1 soi quang N tram thu phat (ol Tổng đài co Lkm -| N thué bao (c) Mang quang thu động Hình 1.1: Các kiểu kết nối sợi quang tới khách hàng Sợi quang có khả năng truyền tải các dịch vụ băng thông lớn, thoại tích hợp, dữ liệu và hình ảnh với khoảng cách xa hơn 20 km trong mạng truy nhập. Cách đơn giản để triển khai sợi quang trong mạng truy nhập cục bộ đó là sử dụng công nghệ diém-diém (P2P), trong đó sợi quang kết nối từ tổng đài CO tới mỗi đầu cuối thuê bao (hình I. Trong cấu hình này, nếu có N thuê bao tại khoảng cách L km so với CO thì yêu cầu 2N trạm thu phát và chiều dài sợi quang tổng cộng là N x L (giả sử một sợi quang được sử dụng đề truyền dẫn hai chiều). Đề giảm số lượng sợi quang, người ta sử dụng một nút chuyền mạch (bộ tập trung) gần phía khách hàng.
Khi đó chiều dài sợi quang tong cộng chỉ còn L km (gia sử khoảng cách giữa nút chuyển mạch và các thuê bao là không dáng kể), nhưng thực tế cấu hình này lại làm tăng số lượng trạm thu phát lên thành 2N + 2, bởi vì có thêm một tuyến được bé sung tới mạng (Hình 1. Ngoài ra, kiến trúc mạng sử dụng chuyển mạch yêu cầu phải có nguồn điện và nguồn nuôi dự phòng tại nút chuyên mach. Vì vậy, sẽ là hợp lý nếu thay thé nút chuyển mạch tiêu thụ điện năng bằng một bộ chia quang thụ động rẻ tiền. Mạng quang thụ động (PON) là một công nghệ thích hợp cho mạng truy nhập bởi vì nó tiết kiệm được số lượng trạm thu phát, các kết cuối tại CO và chiều dài sợi quang [2] [3].
PON là một mạng quang điểm-đa điểm (P2MP) không sử dụng các phần tử tích cực trên đường truyền dan tín hiệu từ nguồn tới dich. Các phan tử được sử dụng trong PON chỉ là các thành phần quang thụ động như: sợi quang, bộ ghép và các bộ chia quang. Một mạng truy nhập dựa trên mạng PON sử dụng sợi quang đơn chỉ yêu cầu N trạm thu phát và L km sợi quang (không tính độ dài sợi quang từ bộ chia tới các thuê bao) (hình 1. PON - lựa chọn thích hợp nhất cho mạng truy nhập Công nghệ PON ngày càng được chú ý bởi ngành công nghiệp viễn thông và được xem như giải pháp hữu ích cho mạng truy nhập.
Các ưu điểm của mạng PON phải ké đến gồm: - PON cho phép kéo dài khoảng cách giữa tổng đài CO và thuê bao. Một mạch vòng nội hạt dựa trên PON có thể hoạt động tại khoảng cách lên tới 20km, lớn hơn nhiều khoảng cách tối đa được hỗ trợ bởi DSL. - PON giảm tối thiểu việc triển khai sợi cả ở tổng đài nội hạt và phía thuê bao. Chỉ cần duy nhất một sợi quang trên đường trung kế, và chỉ một cổng PON được yêu cầu tại tổng đài CO.
- PON cung cấp băng thông cao hơn do sự thâm nhập sâu hơn của sợi quang. Các giải pháp sợi quang tới các tòa nhà (FTTB), sợi quang tới nhà riêng (FTTH), hoặc thậm chí sợi quang tới tận máy tính (FTTPC) có mục đích chủ yếu là đưa sợi quang theo tất cả các cách đến gần với thiết bị của khách hàng hơn. - Là một mạng điểm-đa điểm, PON cho phép quảng bá các kênh phát thanh truyền hình. Nhiều kênh chồng chất về bước sóng có thé được bồ sung cho PON mà không cần bat kỳ sự thay đổi nào ở các thiết bị đầu cuối điện.
- PON giúp loại bỏ việc lắp đặt các bộ hợp kênh và phân kênh tại các vi trí của bộ chia, vì vậy giảm đáng kế các công việc liên quan đến bảo trì và cấp nguồn cho nhà mạng. Thay vì sử dụng các thiết bị tích cực, PON có các thành phan thụ động và có thé chôn dưới đất ngay tại thời điểm triển khai mạng. - PON cho phép dé dang nâng cấp lên tốc độ bít cao hơn hoặc bé sung thêm các bước sóng. Các bộ chia và kết hợp công suất cung cấp các đường truyền dẫn quang hoàn toàn thông suốt.
Cac công nghệ hỗ trợ PON Trong các mạng PON được triển khai hiện tại, người ta đã lựa chọn kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) cho mạng PON, kỹ thuật này đạt được hiệu quả về giá do việc chia sẻ giữa nhiều người sử dụng. Các hoạt động chuẩn hóa của TDM-PON 10 Gb/s (10G-PON) đã được hoàn thiện dé thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng cho mạng truy nhập quang lớp tốc độ 10 Gb/s [4]. Tuy nhiên, hệ thống TDM-PON sẽ khó khăn để cung cấp đồng thời cho các khách hàng với luồng dit liệu lên có băng thông mức gigabit do tính chất của giao thức đa truy nhập dựa trên khe thời gian. Vì vậy các mạng PON dựa trên công nghệ ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) và/hoặc ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) hoặc ghép kênh phân chia theo mã quang (OCDM) được triển khai khá rộng rãi cho các mạng truy nhập thế hệ sau (FTTH) [5] [6] [7] [8] [9] [10].
Ban đầu các mạng là đơn kênh, tức là một bước sóng đơn được chia sẻ giữa nhiều người dùng, sử dụng kỹ thuật TDM. Sau đó, các mạng này sử dụng kỹ thuật WDM cho phép truyền dẫn đồng thời nhiều bước sóng trong cùng một sợi quang, làm tăng đáng ké dung lượng mạng va sử dụng toàn bộ nguồn tài nguyên băng thông của sợi quang. Ngoài ra, WDM còn có thé dé dang tăng dung lượng và hiệu năng được đảm bảo, đặc biệt có thé truy nhập rất nhiều loại hình dich vụ khác nhau. Một mạng PON điên hình bao gồm một kết cuối đường dây quang (OLT) tại văn phòng trung tâm của nhà cung cấp dịch vụ, một số đơn vị mạng quang (ONU) hoặc thiết bị mạng quang (ONT) gần với người dùng đầu cuối, và mạng phân phối quang ở giữa (ODN).