MỞ ĐẦU Mạng viễn thông thƣờng đƣợc cấu thành bởi hai thành phần chính: mạng đƣờng trục (mạng lõi) và mạng truy cập. Trong những năm gần đây, mạng đƣờng trục có những bƣớc phát triển nhảy vọt do sự xuất hiện của các công nghệ mới, nhƣ công nghệ ghép kênh theo bƣớc sóng (WDM) với tốc độ truyền tin tới 40 Gbps. Cũng trong khoảng thời gian này, mạng truy cập (hay LAN) cũng đã đƣợc cải tiến và nâng cấp từ tốc độ 10 Mb/s lên 100Mb/s và có thể đến 1Gb/s. Thậm chí, các sản phẩm Ethernet 10 Gb/s cũng đã bắt đầu xuất hiện trên thị trƣờng về băng thông giữa một bên thực hiện trên DSL với một bên là mạng truy nhập thông tin di động tốc độ cao (3G/4G).dẫn đến hiện tƣợng nút cổ chai (bottleneck) trong mạng Viễn thông.
Việc bùng nổ lƣu lƣợng Internet trong thời gian vừa qua càng làm trầm trọng thêm các vấn đề của mạng truy cập, các báo cáo thống kê cho thấy lƣu lƣợng dữ liệu đã tăng 100% mỗi năm kể từ năm 1990. Sự kết hợp giữa các yếu tố kinh tế và công nghệ đã tạo ra những thời điểm mà tốc độ phát triển đạt tới 1000% trong một năm (vào những năm 1995 và 1996), xu hƣớng này vẫn sẽ còn tiếp tục trong tƣơng lai, tức là càng ngày sẽ càng có nhiều ngƣời sử dụng trực tuyến và những ngƣời sử dụng đã trực tuyến thì thời gian trực tuyến sẽ càng nhiều hơn, do vậy nhu cầu về băng thông lại càng tăng lên. Các nghiên cứu thị trƣờng cho thấy rằng, sau khi nâng cấp lên công nghệ băng rộng, thời gian trực tuyến của ngƣời sử dụng đã tăng lên 35% so với trƣớc khi nâng cấp. Lƣu lƣợng thoại cũng tăng lên nhƣng với tốc độ thấp hơn nhiều, khoảng 8% mỗi năm.
Theo hầu hết các báo cáo phân tích, lƣu lƣợng của dữ liệu hiện nay đã vƣợt trội hơn rất nhiều so với lƣu lƣợng thoại. Càng ngày sẽ càng có nhiều dịch vụ và các ứng dụng mới đƣợc triển khai khi băng thông dành cho ngƣời sử dụng tăng lên. Đứng trƣớc tình hình đó, một số công nghệ mới đã đƣợc đƣa ra nhằm đáp ứng những đòi hỏi về băng tần. Hiện tại, các nhà cung cấp dịch vụ đã triển khai cung cấp dịch vụ Internet bằng công nghệ đƣờng dây thuê bao số DSL.
DSL sử dụng đôi dây giống nhƣ dây điện thoại và yêu cầu phải có một modem DSL đặt tại thuê bao và DSLAM đặt tại tổng đài. Tốc độ dữ liệu của DSL nằm trong khoảng từ 128Kb/s đến 1,5Mb/s, mặc dù tốc độ của nó đã tăng đáng kể so với modem tƣơng tự, nhƣng khó có thể đƣợc coi là băng 12 z rộng do không cung cấp đƣợc các dịch vụ video, thoại, dữ liệu cho các thuê bao ở xa. Khoảng cách từ tổng đài đến theo bao chỉ trong phạm vi 5,5 km, có thể tăng khoảng cách này bằng giải pháp triển khai thêm nhiều DSLAM đến gần thuê bao, nhƣng đây là một giải pháp không hiệu quả do chi phí quá cao. Trong những năm gần đây, do sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của mạng di động về cả số lƣợng lẫn chất lƣợng, số lƣợng máy di động đạt tới 0.2 máy/1 ngƣời dân trƣởng thành trong khi đó số lƣợng máy cố định hầu nhƣ giữ nguyên hay tăng trƣởng rất thấp.
Tuy nhiên các máy cố định có các đặc tính ƣu việt không thể bỏ qua mặc dù các máy di động 3G/4G ngày càng đƣợc cung cấp băng thông rộng hơn (hiện nay có thể đạt tới 8Mb/s và trong tƣơng lai có thể có 54Mb/s). Chúng ta cũng đã thấy rằng cả công nghệ DSL và cáp modem đều không đáp ứng đƣợc những yêu cầu về băng thông cho mạng truy cập đa ngƣời dùng, băng thông rộng tƣơng xứng với mạng không dây 3G. Hầu hết các nhà công nghệ mạng hiện nay đều đang tiến tới một công nghệ mới, tập trung chủ yếu vào truyền tải dữ liệu dựa trên Internet với giao thức IP. Trong bối cảnh đó, công nghệ PON sẽ là một giải pháp tối ƣu cho mạng truy nhập băng rộng, ngƣời ta trông đợi mạng PON sẽ giải quyết đƣợc các vấn đề tắc nghẽn băng thông của mạng truy nhập trong kiến trúc mạng viễn thông.
Giữa một bên là các nhà cung cấp dịch vụ CO, các điểm kết cuối, các điểm truy cập và một bên là các công ty cung cấp dịch vụ qua mạng đƣờng trục hay trong chính bản thân mạng truy cập. Theo các nhà nghiên cứu hiện nay, có 4 kiểu tích hợp cơ bản giữa PON và 3G theo kiểu kiến trúc độc lập hay kiến trúc lai ghép, hay kiến trúc liên kết có định hƣớng đồng nhất hay kiến trúc microwave-over-fiber. Chỉ có kiểu kiến trúc độc lập là không cần thay đổi các thành phần mạng hiện hành của cả mạng PON lẫn mạng 3G, tuy nhiên kiểu kiến trúc này sẽ không thật sự hiệu quả. Việc áp dụng kiểu kiến trúc nào giữa 3G và PON tùy thuộc vào các yêu cầu khác về các đặc tính vật lí của mạng nhƣ độ xuyên kênh, nhiễu, độ phi tuyến ., các yêu cầu về chất lƣợng dịch vụ (QoS) giữa 2 mạng và điều này đòi hỏi các phần tử mạng của một trong hai mạng (hay cả hai) phải thay đổi nhằm nâng cao hiệu năng mạng.2 MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG (PON) Mạng quang thụ động có thể định nghĩa một cách ngắn gọn nhƣ sau: ―Mạng quang thụ động (PON) là một mạng quang không có các phần tử điện hay các thiết bị quang điện tử‖.
13 z Nhƣ vậy với khái niệm này, mạng PON sẽ không chứa bất kỳ một phần tử tích cực nào mà cần phải có sự chuyển đổi điện-quang (EO). Thay vào đó, PON sẽ chỉ bao gồm: sợi quang, các bộ chia, bộ kết hợp, bộ ghép định hƣớng, thấu kính, bộ lọc,. , điều này giúp cho PON có một số ƣu điểm nhƣ: không cần nguồn điện cung cấp nên không bị ảnh hƣởng bởi lỗi nguồn, có độ tin cậy cao và không cần phải bảo dƣỡng do tín hiệu không bị suy hao nhiều nhƣ đối với các phần tử tích cực. Mạng PON ngoài việc giải quyết các vấn đề về băng thông, nó còn có ƣu điểm là chi phí lắp đặt thấp do nó tận dụng đƣợc những sợi quang trong mạng đã có từ trƣớc.
PON cũng dễ dàng và thuận tiện trong việc ghép thêm các ONU theo yêu cầu của các dịch vụ, trong khi đó việc thiết lập thêm các nút trong mạng tích cực khá phức tạp do việc cấp nguồn tại mỗi nút mạng và trong mỗi nút mạng đều cần có các bộ phát lại. PON có thể hoạt động với chế độ không đối xứng. Chẳng hạn, một mạng PON có thể truyền dẫn theo luồng OC-12 (622 Mbits/s) ở đƣờng xuống và truy nhập theo luồng OC-3 (155 Mbits/s) ở đƣờng lên. Một mạng không đối xứng nhƣ vậy sẽ giúp cho chi phí của các ONU giảm đi rất nhiều, do chỉ phải sử dụng các bộ thu phát giá thành thấp hơn.
Do các nút của mạng PON nằm ở bên ngoài mạng, nên tổn hao năng lƣợng trên các nút này không gây ảnh hƣởng gì đến các nút khác, khả năng một nút mất năng lƣợng mà không làm ngắt mạng là rất quan trọng đối với mạng truy cập, do các nhà cung cấp không thể đảm bảo đƣợc năng lƣợng dự phòng cho tất cả các đầu cuối ở xa. Với những lý do nhƣ trên, công nghệ PON có thể đƣợc coi là một giải pháp hàng đầu cho mạng truy cập, PON cũng cho phép tƣơng thích với các giao diện SONET/SDH và có thể đƣợc sử dụng nhƣ một vòng thu quang thay thế cho các tuyến truyền dẫn ngắn trong mạng đô thị hay mạch vòng SONET/SDH đƣờng trục.1 Kiến trúc của PON Các phần tử thụ động của PON đều nằm trong mạng phân bố quang (hay còn gọi là mạng ngoại vi) bao gồm các phần tử nhƣ sợi quang, các bộ tách/ghép quang thụ động, các đầu nối và các mối hàn quang. Các phần tử tích cực nhƣ OLT và các ONU đều nằm ở đầu cuối của PON, tín hiệu trong PON có thể đƣợc phân ra và truyền đi theo nhiều sợi quang hoặc đƣợc kết hợp lại và truyền trên một sợi quang thông qua bộ ghép quang, phụ thuộc vào tín hiệu đó là đi theo hƣớng lên hay hƣớng xuống của 14 z PON. PON thƣờng đƣợc triển khai trên sợi quang đơn mode, với cấu hình cây là phổ biến, PON cũng có thể đƣợc triển khai theo cấu hình vòng ring cho các khu thƣơng mại hoặc theo cấu hình bus khi triển khai trong các khu trƣờng sở.
Mô hình mạng quang thụ động với các phần tử của nó đƣợc biểu diễn nhƣ trong hình1-1 Hình 1-1: Mô hình Mạng quang thụ động Về mặt logic, PON đƣợc sử dụng nhƣ mạng truy cập kết nối điểm - đa điểm theo chiều một CO phục vụ cho nhiều thuê bao và kết nối điểm – điểm theo chiều ngƣợc lại. Có một số cấu hình kết nối điểm-đa điểm phù hợp cho mạng truy nhập nhƣ cấu hình cây, cây và nhánh, vòng ring, hoặc bus. Cấu trúc mạng PON đƣợc chỉ ra trong hình 1-2.2: Cấu trúc PON Bằng cách sử dụng các bộ ghép 1:2 và bộ chia quang 1:N, PON có thể triển khai theo bất cứ cấu hình nào. Ngoài ra, PON còn có thể thu gọn lại thành topo mạng: vòng ring kép, hay topo mạng hình cây.
Tất cả các tuyến truyền dẫn trong PON đều đƣợc thực hiện giữa OLT và ONU, OLT nằm ở CO và kết nối mạng truy nhập quang với mạng đô thị (MAN) hay mạng diện rộng (WAN), đƣợc là mạng đƣờng trục. ONU nằm 15 z tại vị trí đầu cuối ngƣời sử dụng (FTTH hay FTTB hoặc FTTC). Đây là cấu hình rất mềm dẻo, phù hợp với nhu cầu phát triển của thuê bao, cũng nhƣ những đòi hỏi ngày càng tăng về băng thông.2 Các hệ thống PON đang đƣợc triển khai 1. APON/BPON Từ năm 1995, 7 nhà khai thác mạng hàng đầu thế giới đã lập nên nhóm FSAN (Full Service Access Network) với mục tiêu là thống nhất các tiêu chí cho mạng truy cập băng rộng.
Hiện nay các thành viên của FSAN đã tăng lên 40 trong đó có nhiều hãng sản xuất và cung cấp thiết bị viễn thông lớn trên thế giới. Các thành viên của FSAN đã phát triển một tiêu chí cho mạng truy nhập PON sử dụng công nghệ ATM và giao thức lớp 2 của nó. Hệ thống này đƣợc gọi là APON (viết tắt của ATM PON). Cái tên APON sau đó đƣợc thay thế bằng BPON với ý diễn đạt PON băng rộng.
Hệ thống BPON có khả năng cung cấp nhiều dịch vụ băng rộng nhƣ Ethernet, Video, đƣờng riêng ảo (VPL), kênh thuê riêng, v.v… Năm 1997 nhóm FSAN đƣa các đề xuất chỉ tiêu BPON lên ITU-T để thông qua chính thức. Từ đó, các tiêu chuẩn ITU G.