Nghiên Cứu Thiết Bị GPON Trên Mạng Viễn Thông Hải Phòng

Khóa luận nghiên cứu thiết bị GPON trên mạng viễn thông Hải Phòng, phân tích hiệu suất và ứng dụng trong phát triển hạ tầng viễn thông.

• Tác giả: Vũ Thanh Sơn
• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Hữu Chức
• Trường học: Trường Đại Học Quản Lý Và Công Nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện, Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Bị GPON Trên Mạng Viễn Thông Hải Phòng
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG TRUY NHẬP GPON
• 1.1. Lịch sử phát triển
• 1.2. Kiến trúc tổng quan mạng GPON
• 1.3. Cấu trúc mạng GPON tiêu biểu
• 1.4. Dịch vụ cung cấp
• 1.5. Tỷ lệ phân chia
• 1.6. Kiến trúc bảo vệ tuyến trên mạng GPON
• 2. CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ MẠNG GPON VÀ DỊCH VỤ CUNG CẤP TRÊN MẠNG GPON
• 2.1. Đặc điểm công nghệ mạng GPON
• 2.2. Kỹ thuật truy nhập và phương thức ghép kênh
• 2.3. Bảo mật và mã hóa sửa lỗi
• 2.4. Khả năng cung cấp băng thông
• 2.5. Quản lý lưu lượng hướng lên và hướng xuống
• 2.6. Độ tin cậy trong hoạt động GPON
• 2.7. Các dịch vụ cung cấp trong mạng GPON
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠNG GPON VÀ VẬN HÀNH KHAI THÁC TRÊN MẠNG VIỄN THÔNG HẢI PHÒNG
• 3.1. Thiết kế mạng GPON trên mạng Viễn Thông VNPT Hải Phòng
• 3.2. Nguyên tắc xây dựng mạng
• 3.3. Các ứng dụng cơ bản trong mạng
• 3.4. Một số vấn đề cần quan tâm trong tính toán thiết kế mạng GPON
• 3.5. Quy hoạch các tham số cho dịch vụ, thiết bị
• 3.6. Quy hoạch Vlan cho các dịch vụ
• 3.7. Quy hoạch băng thông, QoS, Cos cho dịch vụ
• 3.8. Nguyên tắc đặt tên thiết bị theo quy định VNPT
• 3.9. Cách tính băng thông cho một thiết bị OLT
• 3.10. Cách tính Nhu cầu Port Uplink
• 3.11. Cách tính trang bị thiết bị OLT
• 3.12. Xây dựng cấu trúc mạng
• 3.13. Xây dựng mạng lõi cung cấp dịch vụ
• 3.14. Xây dựng mạng truy nhập cung cấp dịch vụ
• 3.15. Vận hành, khai thác thiết bị GPON trên mạng Viễn thông Hải Phòng
• 3.16. Giới thiệu một số thiết bị GPON đang khai thác trên mạng Viễn Thông Hải Phòng
• 3.17. Thiết bị OLT Huawei MA5800
• 3.18. Thiết bị OLT Alcattel ISAM 7360
• 3.19. Thiết bị OLT ZTE C320
• 3.20. Khai thác một số thiết bị GPON trên mạng Viễn Thông Hải Phòng
• 3.21. Khai thác thiết bị OLT Huawei MA5800
• 3.22. Khai thác thiết bị OLT Alcattel ISAM 7360
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Thiết Bị GPON Tại Hải Phòng

Nghiên cứu thiết bị GPON trên mạng viễn thông Hải Phòng là một chủ đề quan trọng trong bối cảnh phát triển hạ tầng viễn thông hiện đại. GPON (Gigabit Passive Optical Network) là công nghệ mạng quang thụ động, cho phép cung cấp dịch vụ internet tốc độ cao và ổn định. Tại Hải Phòng, sự phát triển của công nghệ này đã đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về băng thông và tốc độ truy cập của người dùng.

1.1. Lịch sử và sự phát triển của công nghệ GPON

Công nghệ GPON đã được phát triển từ đầu những năm 2000, với mục tiêu cung cấp băng thông lớn và hỗ trợ nhiều dịch vụ khác nhau. Tại Hải Phòng, GPON đã được triển khai từ năm 2008, mang lại nhiều lợi ích cho người dùng.

1.2. Kiến trúc tổng quan mạng GPON

Kiến trúc mạng GPON bao gồm các thành phần chính như OLT (Optical Line Terminal), ONU (Optical Network Unit) và bộ tách quang. Cấu trúc này cho phép phân phối băng thông hiệu quả và linh hoạt.

II. Thách thức trong việc Triển Khai GPON Tại Hải Phòng

Mặc dù GPON mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc triển khai công nghệ này tại Hải Phòng cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như chi phí đầu tư, quản lý hạ tầng và yêu cầu về bảo mật là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Chi phí đầu tư và vận hành

Chi phí đầu tư cho thiết bị GPON và hạ tầng mạng có thể cao, đặc biệt trong giai đoạn đầu triển khai. Tuy nhiên, lợi ích lâu dài từ việc tiết kiệm chi phí vận hành là điều đáng cân nhắc.

2.2. Quản lý và bảo trì hạ tầng

Việc quản lý và bảo trì hạ tầng mạng GPON đòi hỏi sự chuyên nghiệp và kỹ thuật cao. Đội ngũ kỹ thuật cần được đào tạo bài bản để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

III. Phương Pháp Triển Khai GPON Hiệu Quả Tại Hải Phòng

Để triển khai GPON hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp và giải pháp công nghệ tiên tiến. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp và tối ưu hóa cấu trúc mạng là rất quan trọng.

3.1. Lựa chọn thiết bị GPON phù hợp

Việc lựa chọn thiết bị GPON như OLT và ONU cần dựa trên các tiêu chí về hiệu suất, độ tin cậy và khả năng mở rộng. Các thiết bị như Huawei MA5800 và Alcatel ISAM 7360 đã được chứng minh là hiệu quả.

3.2. Tối ưu hóa cấu trúc mạng GPON

Cấu trúc mạng cần được thiết kế sao cho tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu độ trễ. Việc sử dụng công nghệ tách quang và quản lý lưu lượng là rất cần thiết.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của GPON Tại Hải Phòng

GPON không chỉ cung cấp dịch vụ internet tốc độ cao mà còn hỗ trợ nhiều dịch vụ khác như truyền hình và điện thoại qua internet. Điều này giúp nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân Hải Phòng.

4.1. Dịch vụ internet tốc độ cao HIS

Dịch vụ internet tốc độ cao HIS được cung cấp qua mạng GPON, đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của người dân và doanh nghiệp.

4.2. Dịch vụ truyền hình chất lượng cao IPTV

GPON hỗ trợ dịch vụ truyền hình IPTV, mang lại trải nghiệm giải trí phong phú cho người dùng với chất lượng hình ảnh sắc nét.

V. Kết Luận và Tương Lai Của GPON Tại Hải Phòng

GPON là công nghệ hứa hẹn cho mạng viễn thông Hải Phòng trong tương lai. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, GPON sẽ tiếp tục được cải tiến và mở rộng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ GPON

Công nghệ GPON sẽ tiếp tục phát triển, với khả năng cung cấp băng thông lớn hơn và hỗ trợ nhiều dịch vụ mới trong tương lai.

5.2. Định hướng phát triển mạng viễn thông Hải Phòng

Hải Phòng sẽ tiếp tục đầu tư vào hạ tầng mạng viễn thông, với mục tiêu nâng cao chất lượng dịch vụ và đáp ứng nhu cầu của người dân.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại thành phố Hải Phòng, sự phát triển nhanh chóng của các khu công nghiệp, khu công nghệ cao, khu thương mại, khu đô thị và các tổ chức kinh tế như ngân hàng, kho bạc đã thúc đẩy nhu cầu sử dụng các dịch vụ tiện ích tích hợp thoại, dữ liệu và hình ảnh (Triple Play). Song song đó, các ứng dụng trực tuyến như thương mại điện tử, giao dịch ngân hàng, đào tạo từ xa và truyền hình tương tác đòi hỏi mạng truy nhập phải cung cấp băng thông rộng với tốc độ truyền dẫn cao. Nhằm đáp ứng yêu cầu này, VNPT Hải Phòng đã triển khai các giải pháp mạng truy nhập quang thương mại từ năm 2008, ban đầu sử dụng công nghệ mạng quang chủ động (AON) và sau đó chuyển dịch sang mạng quang thụ động chuẩn Gigabit (GPON).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

1. Nghiên cứu tổng quan về lịch sử phát triển, kiến trúc mạng, cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS), cấu trúc khung truyền dẫn và các phương thức bảo vệ tuyến trong mạng GPON.
2. Phân tích đặc điểm công nghệ GPON, các kỹ thuật đa truy nhập, phương thức ghép kênh, thủ tục định cỡ (Ranging), cấp phát băng thông động (DBA), cơ chế bảo mật và quy hoạch kỹ thuật cho 5 nhóm dịch vụ chính (Internet tốc độ cao - HIS, truyền hình IPTV, thoại qua IP - VoIP, mạng riêng ảo VPN và truyền dẫn di động Mobile Backhaul).
3. Tính toán thiết kế mạng truy nhập GPON trên cơ sở hạ tầng mạng viễn thông của VNPT Hải Phòng, bao gồm tính toán quỹ suy hao công suất, quy hoạch tham số mạng và phân tích quy trình vận hành khai thác các dòng thiết bị OLT thực tế (Huawei SmartAX MA5800, Alcatel-Lucent ISAM 7360 và ZTE C320).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là công nghệ mạng truy nhập quang thụ động GPON và các thiết bị phần cứng kết cuối đường quang (OLT), thiết bị kết cuối mạng quang (ONU/ONT) cùng mạng phân phối quang (ODN). Phạm vi không gian nghiên cứu đặt tại mạng viễn thông của VNPT Hải Phòng; phạm vi thời gian thực hiện đồ án được hoàn thành vào năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng các tiêu chuẩn quốc tế và khuyến nghị của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU-T), khởi nguồn từ các nghiên cứu của nhóm Mạng truy nhập đầy đủ dịch vụ (FSAN) năm 2001 và được ITU-T chính thức phê chuẩn thành bộ khuyến nghị ITU-T G.984 vào tháng 1 năm 2003. Khung lý thuyết của GPON xác định mô hình mạng truy nhập quang (OAN) áp dụng cho các mô hình triển khai FTTx: Cáp quang tới hộ gia đình (FTTH), Cáp quang tới tòa nhà/lề đường (FTTB/C) và Cáp quang tới tủ thuê bao (FTTCab).

Về kỹ thuật truyền dẫn, hệ thống sử dụng phương thức ghép kênh song hướng phân chia không gian trên hai sợi quang riêng biệt cho hướng lên và hướng xuống. Hướng đường xuống (Downstream) sử dụng phương thức phát quảng bá (Broadcast) ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM). Hướng đường lên (Upstream) sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) để chia sẻ băng thông và chống xung đột giữa các ONU. Dữ liệu người dùng được đóng gói thông qua phương thức đóng gói GPON (GEM) hoặc chế độ truyền tải không đồng bộ (ATM), trong đó GEM cho phép đóng gói trực tiếp các khung Ethernet, gói tin IP với hiệu suất băng thông đạt tới 95%.

Cơ chế điều khiển và tối ưu mạng bao gồm:

• Thủ tục định cỡ (Ranging) hai pha nhằm xác định khoảng cách vật lý và bù trễ khứ hồi (RTD).
• Cơ chế cấp phát băng thông động (DBA) thông qua việc quản lý 5 loại khối truyền tải (T-CONT Type 1 đến Type 5).
• Cơ chế bảo mật hướng xuống sử dụng chuẩn mật mã tiên tiến AES.
• Cơ chế sửa lỗi tiến (FEC) dùng mã Reed-Solomon RS(255, 239) giúp tăng quỹ đường truyền từ 3 dB đến 4 dB.

Phương pháp nghiên cứu được tác giả áp dụng là sự kết hợp giữa:

• Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế (ITU-T G.984).
• Phương pháp khảo sát, thu thập số liệu hiện trạng hạ tầng mạng viễn thông tại VNPT Hải Phòng.
• Phương pháp tính toán kỹ thuật viễn thông thực nghiệm đối với quỹ suy hao công suất tuyến quang (Optical Power Budget), tính toán băng thông cổng uplink và phân bổ lưu lượng dịch vụ.

Thiết kế kỹ thuật và mô hình triển khai dịch vụ

Đối với hệ thống mạng truy nhập quang thụ động GPON tại VNPT Hải Phòng, việc thiết kế tuyến truyền dẫn và triển khai dịch vụ phải tuân thủ nghiêm ngặt các tham số kỹ thuật lớp vật lý và ngân sách suy hao công suất quang.

1. Phân bổ bước sóng và chỉ tiêu kỹ thuật lớp vật lý

Hệ thống GPON hoạt động trên các dải bước sóng tiêu chuẩn:

Hướng truyền dẫn	Dải thông cơ bản (nm)	Dải thông tăng cường op1 (nm)	Dải thông tăng cường op2 (nm)	Tốc độ danh định	Tốc độ truyền dẫn thực tế
Hướng xuống (Downlink)	1480 – 1500	1539 – 1565	1550 – 1560	2,488 Gbps	2300 Mbps (hiệu suất 92%)
Hướng lên (Uplink)	1260 – 1360	1260 – 1360	1260 – 1360	1,244 Gbps	1160 Mbps

Các giới hạn vật lý của tuyến mạng bao gồm: cự ly logic tối đa là 60 km, cự ly vật lý tối đa là 20 km (hoặc 10 km tùy chọn), khoảng cách sợi quang chênh lệch tối đa giữa ONU gần nhất và xa nhất không vượt quá 20 km, và độ trễ truyền tín hiệu trung bình tối đa qua giao diện T-V dưới 1,5 ms.

2. Thiết kế mạng phân phối quang (ODN) và tính toán quỹ suy hao

Hệ thống quy định tổng suy hao toàn tuyến từ cổng GPON trên OLT đến cổng ONU/ONT không được vượt quá 28 dB. Việc phân chia quang sử dụng tối đa 2 cấp bộ chia (Splitter) thụ động:

• Bộ chia cấp 1 đặt tại điểm truy nhập quang gần cụm thuê bao để tối ưu hóa sợi quang.
• Bộ chia cấp 2 đặt tại các cụm thuê bao có quy mô trên 10 khách hàng; trường hợp cụm dưới 10 khách hàng sẽ kéo sợi quang trực tiếp từ bộ chia cấp 1.
• Dung lượng chia ghép cho phép gồm: 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32 và 1:64. Tổng số cổng phục vụ tối đa trên một cổng GPON của OLT không vượt quá 64 cổng phân phối tới khách hàng (được tính toán hỗ trợ logic tới 128 thuê bao đối với lưu lượng thiết kế).

Các tham số suy hao thành phần được áp dụng trong tính toán:

Thành phần quang	Loại / Tỷ lệ	Suy hao định mức (dB)	Suy hao lớn nhất (dB)
Đầu nối quang (Connector)	SC, SC/APC	0,3 dB / đầu	0,5 dB / đầu
Sợi quang đơn mode (bao gồm mối hàn)	Bước sóng 1310 nm	0,25 dB/km	-
Bộ chia quang thụ động (Splitter)	Tỷ lệ 1:2	-	3,5 dB
	Tỷ lệ 1:4	-	7,2 dB
	Tỷ lệ 1:8	-	10,5 dB
	Tỷ lệ 1:16	-	14,0 dB
	Tỷ lệ 1:32	-	17,5 dB
	Tỷ lệ 1:64	-	20,5 dB

Quy chuẩn hạ tầng mạng cáp: Cáp quang gốc có dung lượng từ 48 đôi sợi trở lên; cáp quang phối có dung lượng từ 24 đôi sợi trở lên; cáp quang thuê bao sử dụng loại 4 sợi. Điểm phân phối cáp (DP) ưu tiên sử dụng măng xông quang hoặc tủ ODF chuẩn ETSI; điểm truy nhập/kết cuối (AP) sử dụng hộp ODF dung lượng 24 FO đến 48 FO gắn trên tường, cột hoặc bể cáp. Băng thông download phân bổ cho mỗi thuê bao dao động từ 17 Mbps đến 35 Mbps.

3. Quy hoạch tham số triển khai 5 nhóm dịch vụ

Trên hạ tầng VNPT Hải Phòng, các dịch vụ được quy hoạch tách biệt qua các tham số VLAN, loại T-CONT và GEM Port:

Tên dịch vụ	Mô hình mạng và giao diện kết nối	Loại T-CONT và Cơ chế Băng thông	Quy hoạch Băng thông & GEM Port	Phương thức cấp IP & Xác thực
Internet tốc độ cao (HIS)	Dùng chung 1 VLAN HSI cho mỗi trạm OLT; kết nối L2 tới BRAS; bật Port Isolation giữa các ONU; chạy PPPoE Client tại ONU	T-CONT 1: Type 4 (Best-Effort)	GEMPORT 1: Giới hạn lưu lượng Up/Down theo gói cước (cam kết CIR, PIR)	WAN IP: Cấp động qua PPPoE từ BRAS; xác thực PPPoE+ (mẫu Access-Node-ID atm Rack/Frame/Slot/Port:Onu-ID)
Truyền hình chất lượng cao (IPTV)	Sử dụng VLAN VoD chung qua L2 đến VoD Server; dùng Multicast VLAN 99 cho LiveTV; bật IGMP Proxy trên OLT	T-CONT 2: Type 2 (Assured, Bandwidth = 512 kbps)	GEMPORT 2: Chiều Down SD = 4 Mbps/STB, HD = 12 Mbps/STB; Chiều Up = 512 kbps	Cấp IP động cho STB từ IPTV DHCP Server; dải Multicast IP: 232.1 - 254; xác thực tài khoản IPTV trên STB
Điện thoại qua Internet (VoIP)	Sử dụng VLAN VoIP riêng kết nối đến mạng lõi IMS qua giao thức SIP; tắt Port Isolation; ONU đóng vai trò SIP Client (kết nối cổng POTS)	T-CONT 3: Type 1 (Fixed, Bandwidth = 80 kbps/cổng POTS)	GEMPORT 3: Băng thông Up/Down = 80 kbps/cổng (gồm 64 kbps thoại + VLAN + GEM header)	Cấp IP động cho SIP Client từ IMS DHCP Server; xác thực vị trí bằng DHCP Option 82 theo mẫu quy định
Mạng riêng ảo (VPN)	Triển khai mô hình QinQ (cặp S-VLAN và C-VLAN); OLT gỡ/gắn S-VLAN; ONU gắn C-VLAN; tắt Port Isolation cho cặp VLAN nếu chung OLT	T-CONT 4: Type 2 (Assured) hoặc Type 3 (Non-Assured)	GEMPORT 4: Giới hạn lưu lượng Up/Down theo hợp đồng dịch vụ	WAN IP tĩnh (Static) theo quy định của VNPT; định tuyến Static Route trên ONU cho mạng LAN
Truyền dẫn di động (Mobile Backhaul)	Cấu hình QinQ điểm - đa điểm giữa NodeB và Router Backhaul; cổng LAN trên ONU cấu hình Trunk; tắt Port Isolation cho S-VLAN	- Thoại 2G: T-CONT Type 1 (Fixed) - Data 3G: T-CONT Type 4 (Best-Effort)	- GEMPORT Voice 2G: Giới hạn theo quy chuẩn - GEMPORT Internet 3G: Giới hạn theo quy chuẩn	Quy hoạch địa chỉ IP và định tuyến theo quy chuẩn mạng truyền dẫn di động của Tập đoàn VNPT

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG TRUY NHẬP GPON

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử hình thành tiêu chuẩn GPON từ các nỗ lực ban đầu của tổ chức FSAN năm 2001 nhằm đạt tốc độ trên 1 Gbps, dẫn tới việc ITU-T phê chuẩn chuẩn G.984 vào tháng 1 năm 2003. Khảo sát cấu trúc mạng GPON điển hình bao gồm: OLT đặt tại đài trạm trung tâm (CO), mạng phân phối quang thụ động (ODN) sử dụng bộ tách quang có tỷ lệ chia lên tới 1:64 (chuẩn TC hỗ trợ 1:128) và các khối ONU/ONT phía người dùng.

Chương này trình bày 7 tổ hợp tốc độ đường truyền chuẩn hóa, tập trung vào hai cấu hình phổ biến là 1,2 Gbps Down / 155 Mbps Up và 2,4 Gbps Down / 1,2 Gbps Up. Khảo sát 4 mô hình bảo vệ tuyến quang thụ động:

1. Nhân đôi sợi quang ODN.
2. Nhân đôi cổng OLT và sợi quang chính.
3. Nhân đôi toàn bộ thiết bị OLT, ODN và ONU (dự phòng nóng, thời gian chuyển mạch dưới 50 ms).
4. Nhân đôi một phần phía ONU kết hợp bộ chia kép N:2 và 2:1.

Phần cấu trúc khung truyền dẫn phân tích chi tiết chu kỳ khung chuẩn viễn thông 125 µs (tần số 8 kHz). Khung hướng xuống có độ dài 19.440 byte (đối với tốc độ 1,24416 Gbps) hoặc 38.880 byte (đối với tốc độ 2,48832 Gbps), bao gồm khối điều khiển vật lý PCBd (chứa bản đồ băng thông BWmap chỉ thị con trỏ thời gian truyền), phân vùng tải trọng ATM (các ô 53 byte) và phân vùng tải trọng GEM. Khung hướng lên được chia thành các cụm truyền dẫn liên tiếp nhau từ các ONU, mỗi cụm chứa tiêu đề mào đầu lớp vật lý PLOu, các trường quản lý OAM (PLOAMu), chuỗi cân bằng công suất (PLSu), báo cáo băng thông động (DBRu) và phần tải trọng dữ liệu người dùng.

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ MẠNG GPON VÀ DỊCH VỤ CUNG CẤP TRÊN MẠNG GPON

Chương 2 đi sâu vào các giải pháp công nghệ cốt lõi của GPON so với mạng quang chủ động AON, khẳng định tính ưu việt của mạng thụ động trong việc tiết kiệm chi phí nguồn nuôi tại các nút mạng và tối ưu số lượng sợi quang. Phân tích chi tiết thủ tục định cỡ (Ranging) gồm 2 pha:

• Pha 1: OLT phát bản tin yêu cầu số sê-ri, các ONU chưa đăng ký phản hồi sau khoảng thời gian chờ ngẫu nhiên từ 0 đến 50 ms để tránh xung đột; sau đó OLT gán số ONU-ID.
• Pha 2: OLT phát bản tin đo trễ, ONU phản hồi để OLT tính toán trễ khứ hồi RTD và thiết lập trễ cân bằng (Equalization Delay = Teqd - RTD, với Teqd là hằng số cực đại đạt 200 ms cho cự ly 20 km).

Chương này làm rõ cơ chế cấp phát băng thông động DBA thông qua 5 loại T-CONT:

• Type 1: Băng thông cố định (Fixed), dùng cho dịch vụ nhạy cảm với trễ như thoại TDM/VoIP.
• Type 2: Băng thông đảm bảo (Assured), dùng cho luồng dữ liệu như IPTV VoD.
• Type 3: Băng thông không đảm bảo (Non-Assured), có cam kết tối thiểu kết hợp băng thông động.
• Type 4: Nỗ lực tối đa (Best-Effort), không cam kết, dùng cho Internet thông thường.
• Type 5: Kết hợp linh hoạt các thuộc tính của các loại trên.

Về độ an toàn và dự phòng mạng: Mã hóa AES bảo vệ dữ liệu hướng xuống; mã Reed-Solomon RS(255, 239) thực hiện sửa lỗi tiến FEC. Kết nối Uplink từ OLT đến bộ chuyển mạch phân phối (UPE/CES) được đánh giá qua 3 giao thức: STP (hồi phục chậm ~60s), UAPS (hồi phục nhanh < 50ms) và LACP (chia sẻ tải trên các cổng vật lý, được VNPT Hải Phòng chọn áp dụng). Card điều khiển OLT hoạt động theo cơ chế Active/Standby chuyển mạch tự động khi phát sinh sự cố.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠNG GPON VÀ VẬN HÀNH KHAI THÁC TRÊN MẠNG VIỄN THÔNG HẢI PHÒNG

Chương 3 trình bày bài toán thiết kế thực tế tại địa bàn VNPT Hải Phòng. OLT được đặt tại các đài trạm viễn thông đồng vị trí với thiết bị chuyển mạch CES (thuộc mạng MAN-E), đấu nối uplink qua cổng GE hoặc 10GE. Việc thiết kế tuân thủ nguyên tắc giới hạn suy hao <= 28 dB, sử dụng bộ chia tối đa 2 cấp, ưu tiên triển khai cáp trên hệ thống cống bể có sẵn và chỉ tập trung tại các khu vực đô thị loại đặc biệt, loại 1, loại 2 hoặc các khu công nghiệp tập trung.

Chương này khảo sát chi tiết kiến trúc phần cứng và quy trình khai thác của 3 dòng thiết bị OLT đang vận hành tại Hải Phòng:

1. Huawei SmartAX MA5800: Thiết bị OLT phân tán thế hệ mới, hỗ trợ card xử lý điều khiển trung tâm và các card dịch vụ thuê bao mật độ cao.
2. Alcatel-Lucent ISAM 7360 (dòng chassis FX4): Hệ thống hỗ trợ đa dịch vụ, sử dụng các card điều khiển và card giao diện GPON chuẩn hóa.
3. ZTE ZXA10 C320: Thiết bị OLT dung lượng nhỏ gọn thích hợp cho các trạm viễn thông vệ tinh, sử dụng card điều khiển và chuyển mạch SMXA kết hợp card giao diện thuê bao GPON 16 cổng GTGH.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể gắn liền với số liệu tính toán và thực tế vận hành mạng:

• Tổng hợp đầy đủ hệ thống chỉ tiêu kỹ thuật chuẩn ITU-T G.984: Tốc độ đường truyền Downlink 2,488 Gbps (thực tế 2300 Mbps) và Uplink 1,244 Gbps (thực tế 1160 Mbps); phạm vi logic 60 km, khoảng cách vật lý 20 km, độ trễ truyền dẫn dưới 1,5 ms.
• Xây dựng mô hình tính toán quỹ suy hao công suất quang cho mạng ODN với ngưỡng giới hạn 28 dB, đưa ra bảng thông số suy hao chuẩn cho từng cấp bộ chia (từ 3,5 dB cho bộ chia 1:2 đến 20,5 dB cho bộ chia 1:64) và suy hao đầu nối quang SC/APC (0,3 - 0,5 dB).
• Hoàn thiện mô hình quy hoạch tham số kỹ thuật chi tiết cho 5 dịch vụ viễn thông tích hợp (HIS, IPTV, VoIP, VPN, Mobile Backhaul) trên thiết bị OLT và ONT, bao gồm định danh VLAN, loại T-CONT, giới hạn băng thông GEM Port, cơ chế cấp phát IP và các mẫu chuỗi xác thực PPPoE+, DHCP Option 82.
• Tài liệu hóa cấu trúc phần cứng và phương thức cấu hình, khai thác 3 dòng thiết bị OLT thực tế gồm Huawei MA5800, Alcatel ISAM 7360 FX4 và ZTE C320.

Đóng góp của tác giả: Đồ án đã liên kết thành công lý thuyết chuẩn hóa viễn thông quốc tế với bài toán thiết kế, quy hoạch và khai thác thực tế mạng truy nhập băng rộng tại một nhà khai thác cụ thể (VNPT Hải Phòng), cung cấp các nguyên tắc triển khai mạng cáp quang thụ động tối ưu chi phí hạ tầng cống bể sẵn có.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Nội dung nghiên cứu chỉ giới hạn ở công nghệ GPON chuẩn ITU-T G.984 với băng thông 2,5 Gbps downstream, chưa mở rộng phân tích các công nghệ quang thụ động thế hệ tiếp theo có băng thông cao hơn.
• Phạm vi khảo sát và số liệu thực nghiệm tập trung chủ yếu trên địa bàn mạng nội hạt của VNPT Hải Phòng, chưa so sánh với kiến trúc triển khai của các nhà mạng viễn thông khác.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Nghiên cứu lộ trình nâng cấp từ mạng GPON lên các công nghệ XG-PON (10G GPON không đối xứng), XGS-PON (10G GPON đối xứng) và NG-PON2 (ghép kênh theo bước sóng DWDM trên nền quang thụ động) nhằm đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng tăng.
• Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN) và ảo hóa chức năng mạng (NFV) vào việc tự động hóa quản lý, vận hành và phân bổ tài nguyên cho mạng truy nhập quang.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên chuyên ngành Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Mạng và Viễn thông tham khảo về nguyên lý cấu trúc khung truyền dẫn GPON, thủ tục Ranging, giải thuật DBA và mô hình toán tính toán quỹ suy hao công suất tuyến quang.
• Kỹ sư thiết kế, quy hoạch mạng viễn thông tham khảo các bảng tham số chuẩn về suy hao bộ chia, cấu hình VLAN QinQ, phân bổ T-CONT và quy hoạch địa chỉ IP cho các dịch vụ Triple Play và Mobile Backhaul.
• Đội ngũ kỹ thuật viên quản trị mạng tại các đài trạm tham khảo cấu trúc phần cứng và nguyên tắc khai thác các hệ thống OLT Huawei MA5800, Alcatel-Lucent ISAM 7360 và ZTE C320.

Câu hỏi thường gặp

1. Quỹ suy hao tối đa cho phép trên mạng truy nhập GPON tại VNPT Hải Phòng là bao nhiêu và được phân bổ như thế nào?

Theo thiết kế trong đồ án, tổng suy hao toàn tuyến từ cổng OLT đến ONU không được vượt quá 28 dB. Suy hao này bao gồm: suy hao đầu nối quang SC/APC (0,3 dB định mức, tối đa 0,5 dB mỗi đầu), suy hao sợi quang đơn mode tại bước sóng 1310 nm là 0,25 dB/km (đã tính mối hàn) và suy hao qua các bộ chia quang Splitter (dao động từ 3,5 dB đối với bộ chia 1:2 đến 20,5 dB đối với bộ chia 1:64).

2. Thủ tục Ranging trong mạng GPON giải quyết bài toán gì và thời gian trễ Teqd được quy định là bao nhiêu?

Thủ tục Ranging dùng để đo khoảng cách và trễ khứ hồi (RTD) từ OLT đến từng ONU, từ đó OLT cấp giá trị trễ cân bằng (Equalization Delay = Teqd - RTD) nhằm đồng bộ định thời các khe thời gian truyền dẫn hướng lên, tránh xung đột dữ liệu TDMA giữa các ONU có cự ly khác nhau. Với khoảng cách thiết kế tối đa 20 km, giá trị trễ chuẩn cực đại Teqd được quy định là 200 ms.

3. Dịch vụ thoại VoIP trên mạng GPON được cấu hình với loại T-CONT nào và yêu cầu băng thông là bao nhiêu?

Dịch vụ VoIP được quy hoạch sử dụng T-CONT Loại 1 (Type 1 - Fixed) với mức ưu tiên cao nhất để đảm bảo không bị trễ và biến động trễ (jitter). Băng thông cố định được cấp phát cho mỗi cổng thoại (POTS) là 80 kbps cho cả chiều lên và chiều xuống (bao gồm 64 kbps băng thông thoại gốc cộng với tiêu đề gói tin VLAN và tiêu đề khung GEM).

4. VNPT Hải Phòng sử dụng giao thức nào để bảo vệ kết nối Uplink giữa thiết bị OLT và UPE?

VNPT Hải Phòng sử dụng giao thức tổng hợp liên kết LACP (Link Aggregation Control Protocol) để bảo vệ kết nối Uplink giữa OLT và UPE. LACP giúp gom nhiều cổng vật lý trên cả 2 card điều khiển của OLT, vừa có chức năng dự phòng đường truyền vừa cho phép chia sẻ tải lưu lượng với tổng băng thông bằng tổng các cổng kết nối.

5. Dịch vụ truyền hình IPTV phân chia luồng dữ liệu LiveTV và VoD qua các VLAN như thế nào?

Dịch vụ IPTV sử dụng mô hình 2 VLAN tách biệt: lưu lượng truyền hình theo yêu cầu (VoD) chạy trên VLAN VoD riêng biệt kết nối L2 đến VoD Server (băng thông tải xuống giới hạn 4 Mbps cho kênh SD và 12 Mbps cho kênh HD thông qua T-CONT Type 2); trong khi lưu lượng truyền hình trực tiếp (LiveTV) chạy dưới dạng luồng Multicast qua VLAN riêng là VLAN 99, được OLT điều khiển bằng tính năng IGMP Proxy.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết bị GPON trên mạng viễn thông Hải Phòng" của sinh viên Vũ Thanh Sơn đã trình bày toàn diện cơ sở lý thuyết, các tiêu chuẩn kỹ thuật ITU-T G.984 và nguyên lý vận hành của mạng truy nhập quang thụ động Gigabit. Tác giả đã giải quyết thành công bài toán kỹ thuật thực tế thông qua việc tính toán quỹ suy hao quang ODN, quy hoạch chi tiết tham số VLAN, QoS và T-CONT cho 5 dịch vụ viễn thông băng rộng trên mạng lưới VNPT Hải Phòng. Công trình cung cấp tài liệu mô tả chi tiết về cấu trúc phần cứng và phương thức khai thác các thiết bị OLT Huawei MA5800, Alcatel ISAM 7360 và ZTE C320, mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho công tác thiết kế và vận hành mạng truy nhập quang.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG TRUY NHẬP GPON 1. Lịch sử phát triển. Năm 2001, nhóm FSAN đã khởi xướng nỗ lực tiêu chuẩn hóa các mạng PON hoạt động ở tốc độ bit trên 1 Gbps. Ngoài nhu cầu hỗ trợ tốc độ bit cao hơn, giao thức tổng thể phải được mở để xem xét lại sao cho giải pháp tối ưu và hiệu quả nhất nhằm hỗ trợ nhiều dịch vụ cũng như chức năng và khả năng mở rộng vận hành, quản trị, bảo trì và cung cấp (OAM&P).Nhờ những nỗ lực của FSAN, một giải pháp mới đã xuất hiện trên thị trường truy cập quang – Gigabit PON (GPON), cung cấp hỗ trợ tốc độ bit cao chưa từng có (lên tới 2,488 Gbps) đồng thời cho phép truyền nhiều dịch vụ, cụ thể là dữ liệu và TDM, trong định dạng gốc và có hiệu quả cực kỳ cao.Vào tháng 1 năm 2003, các tiêu chuẩn GPON đã được ITU-T phê chuẩn và được gọi là Khuyến nghị ITU-T G.GPON là mạng truy cập cáp quang linh hoạt có khả năng hỗ trợ các yêu cầu băng thông của dịch vụ kinh doanh và dân cư, đồng thời bao phủ các hệ thống có tốc độ đường truyền danh định là 1,2 Gbit/s và 2,4 Gbit/s ở hướng hạ lưu và 155 Mbit/s, 622 Mbit/s , 1,2 Gbit/s và 2,4 Gbit/s ở 1.

Kiến trúc tổng quan mạng GPON.1 : Kiến trúc tổng quan mạng GPON Phần quang của hệ thống mạng truy cập cục bộ có thể là chủ động hoặc thụ động và kiến trúc của nó có thể là điểm-điểm hoặc điểm-đa điểm.1 cho thấy các kiến trúc được xem xét, bao gồm từ Cáp quang đến Nhà (FTTH), qua Cáp quang đến Tòa nhà/Lề đường (FTTB/C) đến Cáp quang tới Tủ (FTTCab). Mạng truy cập quang (OAN) là chung cho tất cả các kiến trúc được hiển thị trong Hình 1.1, do đó điểm chung của hệ thống này có khả năng tạo ra khối 3 lượng lớn trên toàn thế giới. Sự khác biệt của các tùy chọn mạng FTTB, FTTC, FTTCab và FTTH chủ yếu là do các dịch vụ được hỗ trợ khác nhau nên chúng có thể được xử lý giống nhau. Cấu trúc mạng GPON tiêu biểu.2: Cấu trúc hệ thống GPON tiêu biểu Cấu hình hệ thống G-PON bao gồm OLT, ONU, bộ tách quang và sợi.Sợi quang được kết nối với các nhánh OLT tại bộ tách quang thành tối đa 64 sợi và các sợi phân nhánh được kết nối với ONU.Trong lớp G-PON TC, phạm vi logic tối đa được xác định là 60 km, trong khi khoảng cách sợi quang chênh lệch tối đa giữa ONU xa nhất và ONU gần nhất là 20 km.

Sự khác biệt này được hạn chế để kích thước cửa sổ khác nhau không được mở rộng vượt quá mức cho phép do những lo ngại về chất lượng dịch vụ. Đối với tỷ lệ phân chia, lớp TC hỗ trợ tới 128 phân chia dự đoán sự phát triển của mô-đun quang trong tương lai.G-PON hỗ trợ tất cả các dịch vụ hiện đã biết và các dịch vụ mới đang được thảo luận cho các thuê bao dân cư và khách hàng doanh nghiệp. GTC hỗ trợ truyền xung nhịp 8 kHz và thêm vào đó là tín hiệu tham chiếu 1 kHz do OLT cung cấp cho ONU bằng tín hiệu điều khiển. Chức năng giám sát của G-PON giúp nâng cao độ tin cậy của mạng truy cập hiện có.

Do tính chất multicast của PON, các khung hướng xuống cần một số loại cơ chế bảo mật ở lớp TC. Dịch vụ cung cấp. GPON được yêu cầu hỗ trợ tất cả các dịch vụ hiện đã biết và các dịch vụ mới đang được thảo luận cho các thuê bao dân cư và khách hàng doanh nghiệp vì 4 khả năng băng thông rộng như vậy. Những dịch vụ cụ thể nào cần được cung cấp sẽ rõ ràng hơn đối với một số nhà khai thác so với những nhà khai thác khác và phụ thuộc nhiều vào các điều kiện pháp lý cụ thể của thị trường của từng nhà khai thác, cũng như tiềm năng thị trường của chính họ.

Làm thế nào các dịch vụ này được cung cấp một cách hiệu quả về mặt chi phí không chỉ phụ thuộc vào các điều kiện pháp lý mà còn phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm cơ sở hạ tầng viễn thông hiện có, phân bổ nhà ở và sự kết hợp giữa khách hàng dân cư và doanh nghiệp. Các dịch vụ bao gồm dịch vụ dữ liệu, PSTN, đường truyền riêng, video, v. Về cơ bản, GPON hướng tới tốc độ truyền lớn hơn hoặc bằng 1,2 Gbit/s. Tuy nhiên, trong trường hợp FTTH hoặc FTTC có xDSL không đối xứng, tốc độ bit hướng lên tốc độ cao như vậy có thể không cần thiết.

Theo đó, GPON xác định 7 tổ hợp tốc độ đường truyền như sau: 155 Mbit/s up, 1.2 Gbit/s down; • 622 Mbit/s up, 1.2 Gbit/s down; • 155 Mbit/s up, 2.4 Gbit/s down; • 622 Mbit/s up, 2. - Phạm vi Logical Phạm vi logic là khoảng cách tối đa giữa ONU/ONT và OLT ngoại trừ giới hạn của lớp vật lý. Trong GPON, phạm vi logic tối đa được xác định là 60 km. - Phạm vi tiếp cận vật lý Phạm vi tiếp cận vật lý là khoảng cách vật lý tối đa giữa ONU/ONT và OLT.

Trong GPON, hai tùy chọn được xác định cho phạm vi vật lý: 10 km và 20 km. - Khoảng cách sợi vi sai Trong GPON, khoảng cách sợi quang chênh lệch tối đa là 20 km. Điều này ảnh hưởng đến kích thước của cửa sổ đo khoảng cách và đảm bảo sự tuân thủ với ITU-T Rec. - Độ trễ truyền tín hiệu trung bình tối đa GPON phải đáp ứng các dịch vụ yêu cầu độ trễ truyền tín hiệu trung bình tối đa là 1,5 ms.

Cụ thể, hệ thống GPON phải có thời gian trễ truyền tín hiệu trung bình tối đa dưới 1,5 ms giữa T-V. Tỷ lệ phân chia. Về cơ bản, tỷ lệ phân chia đối với GPON càng lớn thì càng hấp dẫn đối với các nhà khai thác. Tuy nhiên, tỷ lệ phân chia lớn hơn đồng nghĩa với việc phân chia quang học lớn hơn, điều này tạo ra nhu cầu tăng ngân sách năng lượng để hỗ trợ phạm vi vật lý.

Tỷ lệ phân chia lên tới 1:64 là thực tế đối với lớp vật lý dựa trên công nghệ hiện tại. Tuy nhiên, dự đoán sự phát triển liên tục của các mô-đun quang, lớp TC phải xem xét tỷ lệ phân chia lên tới 1:128 1. Kiến trúc bảo vệ tuyến trên mạng GPON. Từ quan điểm quản trị mạng truy cập, kiến trúc bảo vệ tuyến của GPON được coi là nâng cao độ tin cậy của mạng truy cập.Tuy nhiên, bảo vệ tuyến sẽ được coi là một cơ chế tùy chọn vì việc thực hiện nó phụ thuộc vào việc thực hiện các mô hình kinh tế.

Các loại chuyển mạch có thể có: Có hai loại chuyển mạch bảo vệ, cả hai đều tương tự như các loại của hệ thống SDH: i) chuyển mạch tự động; và ii) chuyển mạch cưỡng bức. Cách đầu tiên được kích hoạt bằng cách phát hiện lỗi, chẳng hạn như mất tín hiệu, mất khung, suy giảm tín hiệu (BER trở nên kém hơn ngưỡng xác định trước), v. Cách thứ hai làđược kích hoạt bởi các sự kiện quản trị, chẳng hạn như định tuyến lại sợi quang, thay thế sợi quang, v. Cả hai loại này đều có thể có trong hệ thống GPON, nếu được yêu cầu, mặc dù chúng là các chức năng tùy chọn.

Cơ chế chuyển mạch thường được thực hiện bởi chức năng OAM, do đó, trường thông tin OAM cần thiết phải được dành riêng trong khung OAM. Hình 3 thể hiện mô hình hệ thống song công cho mạng truy cập.Phần bảo vệ liên quan trong hệ thống GPON phải là một phần bảo vệ giữa giao diện ODN trong OLT và giao diện ODN trong ONU thông qua ODN, ngoại trừ dự phòng SNI trong OLT.3: Mô hình hệ thống dự phòng kép 6 • Các loại bảo vệ GPON. Có thể có một số loại hệ thống GPON song công, như trong Hình 1. Các giao thức điều khiển cho từng cấu hình phải được chỉ định độc lập với nhau.

Cấu hình đầu tiên chỉ nhân đôi sợi quang, như trong Hình 1.Trong trường hợp này, ONU và OLT là số ít.trường hợp mất tín hiệu hoặc thậm chí mất khung hình là điều khó tránh khỏi trong thời gian chuyển mạch. Tuy nhiên, tất cả các kết nối giữa nút dịch vụ và thiết bị đầu cuối phải được giữ lại sau khi chuyển mạch cáp quang này.4: Cấu hình trang bị kép sợi quang 1. Cấu hình thứ hai (Hình 1.5) nhân đôi OLT và sợi quang giữa OLT và bộ tách quang, đồng thời bộ chia có hai cổng đầu vào/đầu ra ở phía OLT.Cấu hình này giúp giảm chi phí song công các ONU, mặc dù chỉ có thể phục hồi được phía OLT.5: Cấu hình trang bị kép thiết bị 7 Cấu hình này yêu cầu mạch dự phòng ở chế độ chờ nguội ở phía OLT. Trong trường hợp này, việc mất tín hiệu hoặc thậm chí mất khung nói chung là không thể tránh khỏi trong giai đoạn chuyển mạch.

Tuy nhiên, tất cả các kết nối được hỗ trợ giữa nút dịch vụ và thiết bị đầu cuối phải được giữ lại sau lần chuyển đổi này. Cấu hình thứ ba (Hình 1.6) không chỉ tăng gấp đôi cơ sở vật chất phía OLT mà còn cả phía ONU. Trong cấu hình này, có thể khôi phục sau sự cố tại bất kỳ thời điểm nào bằng cách chuyển sang phương tiện dự phòng. Do đó, chi phí song công hoàn toàn mang lại độ tin cậy cao.6: Hệ thống trang bị kép toàn bộ cấu hình.

Trong trường hợp này, mạch thu dự phòng có thể ở chế độ chờ nóng ở cả hai phía ONU và OLT. Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi không cần nhấn (không mất khung) trong cấu hình này. Nếu ONU được lắp đặt trong các tòa nhà của khách hàng, hệ thống dây điện trong nhà có thể được song công hoặc không. Ngoài ra, nếu mỗi ONU thuộc sở hữu của một người dùng khác nhau thì yêu cầu về độ tin cậy sẽ phụ thuộc vào từng người dùng và chỉ một số ONU giới hạn mới có thể có cấu hình song công.

Dựa trên sự xem xét này, cấu hình cuối cùng (Hình 1.7) cho phép song công một phần ở phía ONU. Hình này hiển thị một ví dụ trong đó có ONU song công (ONU#1) và ONU đơn (ONU#N).