CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG 1. Giới thiệu về mạng quang thụ động 1. Công nghệ PON Mạng viễn thông hiện nay hầu hết hoạt động dựa trên các thiết bị chủ động (switch, router, các trạm lặp, thiết bị chuyển tiếp, một số thiết bị trên đường truyền…). Với các thiết bị chủ động này, thường phải cung cấp nguồn cho một số thành phần như: bộ xử lý, các chíp nhớ,… Công nghệ mạng quang thụ động PON còn được hiểu là công nghệ truy nhập quang giúp tăng cường kết nối giữa các nút mạng truy nhập của nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng.
Trong công nghệ PON, tất cả thành phần chủ động giữa tổng đài của nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng sẽ không còn tồn tại mà thay vào đó là các thiết bị quang thụ động, việc điều hướng lưu lượng trên mạng dựa trên việc phân chia năng lượng tới các điểm đầu cuối trên đường truyền. Trong mạng truyền dẫn, PON là một dạng của mạng truy nhập quang. So với mạng truy nhập cáp đồng truyền thống, PON có nhiều ưu điểm vượt trội như: băng thông lớn hơn, cung cấp dịch vụ đa dạng, chi phí thấp. Thông thường các hệ thống PON truyền dữ liệu cả hướng xuống và hướng lên trong cùng một sợi quang.
Trên mỗi sợi mặc dù các bộ nối định hướng cho phép sử dụng cùng một bước sóng cho cả 2 hướng, tuy nhiên đối với các hệ thống truyền tải tốc độ cao để đảm bảo chất lượng thì thông thường mỗi hướng sử dụng một bước sóng riêng. Trong mạng PON các bước sóng được sử dụng là 1490 nm hoặc 1550 nm cho hướng xuống và 1310 nm cho tín hiệu hướng lên. Kiến trúc mạng PON Mạng PON có thể triển khai linh động trong nhiều kiến trúc nhờ sử dụng một tapcoupler quang 1:2 hoặc bộ chia công suất (splitter) 1:N. Topo hình cây Thông thường các mạng đều được xây dựng theo topo hình cây, trong đó chỉ sử dụng 1 đường cáp quang nối trực tiếp từ OLT tới bộ chia.
Từ bộ chia, sẽ có đường cáp quang kết nối tới mỗi ONU. Hình 1: Topo hình cây Ưu điểm của kiến trúc mạng này là bộ chia được tập trung tại một điểm nên dễ dàng xác định được những sự cố của mạng. Tất cả các ONU trong cùng mạng sẽ có chung dự trữ công suất hay nói cách khác là chất lượng tín hiệu tại các ONU sẽ gần tương tự như nhau. Kiến trúc này cho phép các ONU được sử dụng chung OLT về cả khả năng xử lý và truyền tải một cách công bằng đồng thời giúp nhà sản xuất hạ giá thành các thiết bị mạng.
Hơn nữa, kết nối điểm – đa điểm của mạng PON cũng giảm trạng thái tắc nghẽn ở phía OLT so với kết nối điểm – điểm thông thường. Tuy nhiên, số lượng ONU trong mạng theo topo này cũng bị giới hạn bởi suy hao và nhu cầu băng thông của người sử dụng, do dung lượng của người sử dụng phải phù hợp với khả năng cung cấp của đường truyền sau bộ chia nên đó cũng là một lý do hạn chế số lượng người sử dụng. Topo dạng Bus Topo dạng bus cũng sử dụng 1 đường cáp quang từ OLT tới khách hàng nên cũng gặp phải những vấn đề tương tự như topo hình cây ở trên. Mỗi thuê bao được kết nối vào mạng thông qua một bộ ghép dây nhánh (tap coupler) và bộ ghép này sẽ đưa một phần công suất tín hiệu phát từ OLT đi tới người sử dụng.
Ưu điểm của kiến trúc này là khả năng tối thiểu hóa số cáp quang cần được sử dụng (nếu ONU được kết nối trực tiếp tới bộ ghép) và mở rộng mạng một cách linh hoạt, dễ dàng 12 (khi có thêm ONU mới tham gia vào mạng thì chỉ cần dùng thêm bộ ghép để kết nối trực tiếp vào mạng). Nhược điểm của topo này là: tín hiệu quang suy hao dần qua mỗi bộ ghép nên ONU ở xa OLT có thể không thu được tín hiệu do chất lượng tín hiệu quá tồi sau khi đi qua một số lượng nhất định bộ ghép nhánh. Đồng thời, với topo này sẽ yêu cầu một đường cáp quang có độ dài rất lớn khi mở rộng trong mạng 2 chiều. Hình 2: Topo dạng Bus c.
Topo dạng vòng Topo dạng vòng được sử dụng chính trong các mạng thành phố lớn bởi khả năng mềm dẻo trong việc tối ưu hóa các đường truyền. Trong topo dạng vòng, tồn tại 2 đường kết nối từ OLT tới mỗi ONU nên nó có khả năng rất linh hoạt trong việc thiết lập và bảo trì mạng cáp quang kể cả trong trường hợp cáp quang bị đứt. Tuy nhiên, nó cũng yêu cầu sử dụng 2 sợi quang tại OLT và những thiết bị phức tạp khác có khả năng chuyển mạch và truyền nhận tín hiệu theo 2 hướng trong vòng tại mỗi ONU. Do đó, topo dạng vòng cũng có những nhược điểm tương tự như topo dạng bus về dự trữ công suất trên đường truyền.
Khi tín hiệu quang được truyền qua mỗi ONU, tín hiệu bị suy hao đáng kể; điều này đã gây ra giới hạn cho khả năng truyền nhận và số lượng ONU trong topo dạng vòng. Dung lượng của mạng được chia sẻ một cách mềm dẻo cho các ONU trong mạng nên việc sử dụng 2 cáp quang trong mạng vòng cũng không cải thiện được dung lượng của mạng và tất nhiên, số lượng ONU trong mạng topo dạng vòng cũng không hề lớn hơn trong mạng có topo dạng bus và hình cây. 13 Hình 3: Topo dạng vòng d. Topo dạng cây kết hợp với đường tải phụ hoặc topo dạng vòng Kiến trúc này sử dụng 2 cáp quang cho OLT nhằm mục đích tăng sự mềm dẻo trong việc khai thác mạng.
Trong trường hợp 1 cáp quang bị đứt, cáp còn lại vẫn có khả năng hoạt động trong mạng. Tuy nhiên, trong quá trình thiết lập mạng này, 2 đường cáp quang được sử dụng cho 2 đường tải khác nhau nhằm mục đích tránh khả năng xảy ra 2 đường cáp quang bị đứt tại cùng một thời điểm. Các bộ ghép quang hình sao cũng được sử dụng trong mạng để cung cấp khả năng chuyển mạch một cách chủ động trong việc lựa chọn đường tải tới OLT cho mỗi ONU tham gia vào mạng hoặc khả năng cung cấp dòng dữ liệu tăng lên gấp đôi khi sử dụng chuyển mạch tại mỗi ONU. Như vậy, dung lượng cực đại trên mỗi đường tải trong mạng quang sẽ được giảm một nửa và do đó, không còn giới hạn số ONU được sử dụng trong mạng mà vẫn đảm bảo tốc độ truyền nhận ở mỗi cổng tại mỗi ONU tham gia vào mạng.
Hình 4: Topo hình cây kết hợp đường tải phụ Trong thực tế, việc kết hợp cả 3 topo cơ bản cho phép nhà cung cấp có thể cung cấp một mạng có khả năng tập trung với mật độ cao nhưng vẫn đảm bảo chất 14 lượng dịch vụ trong các mạng 2 chiều. Sự kết hợp giữa topo dạng vòng cổ điển và topo hình cây mang lại khả năng phân phối mềm dẻo và tối ưu trong việc thiết kế mạng quang trên từng đoạn. Hình 5: Topo hình cây kết hợp topo dạng vòng Một phương pháp khác là sự kết hợp của 2 topo dạng vòng trên mỗi đoạn mạng cung cấp khả năng linh hoạt trong việc phân phối mạng. Tuy nhiên, phương pháp này sử dụng những giao thức quản trị mạng phức tạp và nhiều cáp quang trong quá trình thiết lập mạng.
Hình 6: Topo dạng vòng kết hợp 1. Một số đặc điểm chính của mạng PON PON là mạng điểm tới đa điểm. PON hỗ trợ giao thức ATM, Ethernet. PON hỗ trợ các dịch vụ voice, data và video tốc độ cao.
15 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 kiến trúc hình cây, sao, bus và ring. So sánh giữa PON và AON Mạng quang tích cực (AON: Active Optical Network) sử dụng một số thiết bị quang tích cực để phân chia tín hiệu: switch, router và multiplexer. Mỗi tín hiệu đi ra từ phía nhà cung cấp chỉ được đưa trực tiếp tới khách hàng yêu cầu nó. Do đó, để tránh xung đột tín hiệu ở đoạn phân chia từ nhà cung cấp tới người dùng, cần phải sử dụng một thiết bị điện có tính chất “đệm” cho quá trình này.
Từ năm 2007, một loại mạng cáp quang phổ biến đã xuất hiện là Ethernet tích cực (Active Ethernet). Đó chính là bước đi đầu tiên cho sự phát triển của chuẩn 802.3ah nằm trong hệ thống chuẩn 802.3 được gọi là Ethernet in First Mile (EFM). Mạng Ethernet tích cực này sử dụng chuyển mạch Ethernet quang để phân phối tín hiệu cho người sử dụng; nhờ đó, cả phía nhà cung cấp và khách hàng đã tham gia vào một kiến trúc mạng chuyển mạch Ethernet tương tự như mạng máy tính Ethernet sử dụng trong các trường học. Tuy nhiên, 2 mạng này cũng có sự khác biệt đó là Ethernet trong trường học mục đích chủ yếu là liên kết giữa máy tính và máy in còn mạng chuyển mạch Ethernet tích cực này để dùng cho kết nối từ phía nhà cung cấp tới khách hàng.
Mỗi một khối chuyển mạch trong mạng Ethernet tích cực có thể điều khiển lên tới 1000 khách hàng nhưng thông thường trong thực tế, 1 chuyển mạch chỉ sử dụng cho từ 400 đến 500 khách hàng. Các thiết bị chuyển mạch này thực hiện chuyển mạch và định tuyến dựa vào lớp 2 và lớp 3.3ah cũng cho phép nhà cung cấp dịch vụ cung cấp đường truyền 100 Mbps song công tới khách hàng và tiến tới cung cấp đường truyền 1 Gbps song công. 16 Mục tiêu chính của PON và AON đều là mang tín hiệu quang tới tận nhà từng khách hàng để tăng chất lượng truyền và băng thông. Tuy nhiên, AON thì mỗi khách hàng sử dụng một đường quang riêng được nối từ nhà cung cấp còn PON thì nhiều khách hàng cùng chia sẻ chung một kênh truyền.
Sự khác nhau chủ yếu giữa mạng quang tích cực (AON) và mạng quang thụ động (PON) đó là PON không sử dụng các thành phần tích cực từ nguồn tới đích; PON sử dụng một thiết bị chia tín hiệu quang thụ động: passive optical power splitter. Về cơ bản, splitter là một lăng kính, dùng để khuyếch tán tín hiệu quang tới khách hàng mà không dùng thiết bị điện.